JP2017135749A

JP2017135749A - 高周波モジュール

Info

Publication number: JP2017135749A
Application number: JP2017085825A
Authority: JP
Inventors: 剛長塚; Takeshi Nagatsuka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: JP6311822B2

Abstract

【課題】半導体素子を収納する電磁遮蔽空間が形成された別体の金属板を、樹脂基板に実装された半導体素子とアンテナとの間に挟み込まない構造で、高周波モジュールを構成する。
【解決手段】上記半導体素子の対向する接地導体が形成されるとともに、内層に導波管が形成されて、裏面にマイクロストリップ線路と当該マイクロストリップ線路と当該導波管の間で信号接続を行う変換器が設けられた樹脂基板と、複数のアンテナ素子に接続されたマイクロストリップ線路と、当該マイクロストリップ線路と上記樹脂基板の導波管の間で信号接続を行う変換器とを有したアンテナ基板と、複数の導電性接合部材により上記樹脂基板の裏面に接合されて、上記樹脂基板とともに上記半導体素子を収納し、上記樹脂基板の裏面と対向する表面に接地導体が形成された樹脂製の誘電体からなるカバー基板を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、高周波モジュールに関するものである。

従来、樹脂基材の一方面に半導体素子を実装し、樹脂基材の他方面をスティフナに載せて、アルミニウム製の導波管アダプタを介し、樹脂基材の一方面をアンテナモジュールに接続した高周波モジュールが知られている（例えば特許文献１参照）。

また、ミキサ、発振器等の半導体素子が実装されたＲＦ基板をＲＦシャーシの一方面に面接続し、ＲＦシャーシの他方面をアンテナシャーシおよびアンテナ基板に面接続したレーダ装置用の高周波モジュールがある（例えば特許文献２参照）。

特開２００６−２６１７６７号公報特開２０１３−７９８９０号公報

従来の高周波モジュールは、半導体素子の実装された樹脂基板（樹脂基材またはＲＦ基板からなる基板）をアンテナに接続するため、樹脂基板とアンテナの間に、樹脂基板およびアンテナとは別体となる金属製の導波管アダプタまたはＲＦシャーシ等の金属板を配置していた。この種の金属板は、アルミダイカスト、切削加工等により金属を機械加工した金属加工部品から形成される。一般に、この種の金属板は部品価格が高価になるので、それに応じて高周波モジュールの部品価格も高くなるという問題があった。

また、金属板と樹脂基板の接合面に隙間を生じると、金属板に形成された導波管から電波が漏洩する。この電波の漏洩を防ぐように、樹脂基板の表面に実装される半導体素子および複数の導波管を覆う電磁遮蔽空間を形成し、当該電磁遮蔽空間の外壁にて金属板を樹脂基板の接合面に密着させる。このためには、樹脂基板の裏面から樹脂基板を金属板に押し当てるためのゴム部材、ねじ、接着剤等の特別な機構を設ける必要があり、特別な機構を設けることで部品価格がさらに高くなるという問題があった。加えて、特許文献２に記載の高周波モジュールは、金属板の上面にアンテナ基板を取り付けるとともに、金属板の裏面に樹脂基板を取り付ける構造となっている。ここで所要利得のアンテナを得るようにアンテナ基板の外形寸法が大きくなることから、アンテナ基板に応じて金属板の外形寸法が大きくなる。金属板の外形部分はねじで固定し、半導体素子を収納する電磁遮蔽空間の外壁は樹脂基板との接合面をゴム部材により押圧して、金属板と樹脂基板を密着する。このとき、ねじ固定される金属板の外形寸法が半導体素子を収納する電磁遮蔽空間の外壁の寸法よりも大きく、かつ電磁遮蔽空間の外壁がゴム部材で押圧されることから、電磁遮蔽空間の外壁と樹脂基板との接合面の密着力が弱くなり、電波漏洩を抑える性能が劣化し、延いては高周波モジュールの電気特性が劣化するという問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、半導体素子を収納する電磁遮蔽空間が形成された別体の金属板を、樹脂基板に実装された半導体素子とアンテナとの間に挟み込まない構造で、高周波モジュールを構成することを目的とする。

この発明による高周波モジュールは、半導体素子と、上記半導体素子が裏面に接合され、上記半導体素子の対向する接地導体が形成されるとともに、内層に導波管が形成されて、裏面にマイクロストリップ線路と当該マイクロストリップ線路と当該導波管の間で信号接続を行う変換器が設けられた樹脂基板と、上記樹脂基板の表面に接合され、複数配列されたアンテナ素子と、当該アンテナ素子に接続されたマイクロストリップ線路と、当該マイクロストリップ線路と上記樹脂基板の導波管の間で信号接続を行う変換器とを有したアンテナ基板と、複数の導電性接合部材により上記樹脂基板の裏面に接合されて、上記樹脂基板とともに上記半導体素子を収納し、上記樹脂基板の裏面と対向する表面に接地導体が形成された樹脂製の誘電体からなるカバー基板と、を備え、上記樹脂基板の導波管は、上記樹脂基板の変換器と上記アンテナ基板の変換器との間を垂直に接続するように配置され、上記樹脂基板の接地導体と上記カバー基板の接地導体と上記複数の導電性接合部材により、グランド面で取り囲まれた電磁遮蔽空間が形成され、上記半導体素子は、上記電磁遮蔽空間に収納される。

この発明によれば、樹脂基板に実装された半導体素子とアンテナとの間に、半導体素子を収納する電磁遮蔽空間が形成された別体の金属板を挟み込むことなく、より安価な構造で、半導体素子またはマイクロストリップ線路から生じる電波の外部漏洩を遮蔽することができる。

実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す図である。実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す断面図である。実施の形態１による金属で形成したカバー基板を樹脂基板に接合した構成例を示す図である。実施の形態１による金属で形成したカバー基板を樹脂基板に接合した他の構成例を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す図であって、（ａ）は高周波モジュールの上面図、（ｂ）は高周波モジュールの下面図である。図２は、実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す図であって、（ａ）は高周波モジュールのＡＡ断面図、（ｂ）は高周波モジュールのＢＢ断面図、（ｃ）は高周波モジュールのＣＣ断面図である。

図１、２において、実施の形態１の高周波モジュールは、樹脂基板１と、アンテナ基板２と、カバー基板３と、導電性接続部材５０と、半導体素子からなる半導体部品６と、電子部品７を備えて構成される。アンテナ基板２は、接着剤により裏面（下面）が樹脂基板１の表面（上面）に接合される。カバー基板３は、複数の導電性接合部材５０により、樹脂基板１の裏面（下面）に接合される。半導体部品６および電子部品７は、樹脂基板１の裏面（下面）に取り付けられ、当該裏面上に実装されている。導電性接続部材５０は、半田バンプ、金バンプ等からなる。樹脂基板１とカバー基板３は、複数の導電性接続部材５０によりバンプ接合される。

樹脂基板１は、ガラスエポキシ樹脂、ポリィミド樹脂等の樹脂製の多層プリント配線基板からなる。樹脂基板１表面側の誘電体２０の表面は接地導体２７，７１が形成されている。樹脂基板１裏面側の誘電体１１の表面には、半導体部品６および電子部品７が接続される配線回路パターンと、接地導体５２が形成されている。また、樹脂基板１の内層には、接地導体７０が形成されている。半導体部品６は、ミリ波、マイクロ波等の高周波のＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を処理する高周波半導体素子からなり、例えばＳｉＧｅ（シリコンゲルマン）半導体により回路が形成される。半導体部品６は、受信用（ＲＸ）、送信用（ＴＸ）のチップがある。受信用の半導体部品６（ＲＸ）は、アンプ、ミキサ（周波数混合回路）等の高周波半導体素子からなる。送信用の半導体部品６（ＴＸ）は、アンプ、電力分配器、発振器等の高周波半導体素子からなる。電子部品７は、マイコン、メモリ、システムＩＣ、ＡＤコンバータ、ＤＡコンバータ、コンデンサ、抵抗等から構成される。電子部品７は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）、レーダ信号処理、電源変圧処理等を行う。樹脂基板１は、樹脂基板１の表面側の接地導体２７と裏面側の誘電体１１裏面の間で、内層に複数の導波管１３が形成されている。すなわち、導波管１３上方の開口穴はアンテナ基板２により塞がれ、導波管１３下方の開口穴は誘電体１１によって塞がれている。樹脂基板１の裏面側には、変換器１４と、伝送線路１８，１９が形成されている。伝送線路１８，１９は、それぞれマイクロストリップ線路により構成される。伝送線路１９は変換器１４に接続され、また半導体部品６に接続されている。半導体部品６は、複数の導電性接続部材６１を介したフリップチップ接続により、配線パターン１７に接続されている。導電性接続部材６１は、金バンプからなる。送信用の半導体部品６（ＴＸ）と受信用の半導体部品６（ＲＸ）の間は、伝送線路１８により接続されている。樹脂基板１の接地導体５２上には、複数の導電性接続部材５０が配置される。導電性接続部材５０が接触する接地導体５２の周囲は、半田密着性の悪い半田非接合領域が形成されている。複数の導電性接続部材５０は、変換器１４の周囲を取り囲むように配置される。導波管１３を伝送するＲＦ信号は、変換器１４に接続される。樹脂基板１表面の接地導体２７と樹脂基板１内層の接地導体７０と裏面の接地導体５２は、導体ビア１２により接続されている。

アンテナ基板２は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなるフッ素樹脂基板、液晶ポリマ（Liquid Crystal Polymer）基板等の誘電体２０から形成される。複数のアンテナ素子２１、複数の給電線路２３および複数の変換器２５は、アンテナ基板２の誘電体２０の表面（上面）に形成されて、複数のサブアレーアンテナ２６からなるアレーアンテナを構成している。サブアレーアンテナ２６は、送信用に１つまたは複数チャンネル、受信用に複数チャンネル設けられている。図１は、送信用に１チャンネル、受信用に２チャンネルの給電系統を設けた例を示している。例えば、送信用のサブアレーアンテナ２６からレーダの送信電波が放射される。また、２チャンネル分の受信用のサブアレーアンテナ２６は、レーダから送信され、目標で反射されて返ってきた電波をそれぞれ受信し、導波管１３を介して変換器１４に受信信号を伝送する。変換器１４に伝送された受信信号は、受信用の半導体部品６（ＲＸ）で低雑音増幅、フィルタリング、周波数混合処理等の信号処理が施された後、レーダ信号処理用の電子部品７にて検波処理され、検波された信号について測距処理、測角処理等のレーダ信号処理が行われる。複数のアンテナ素子２１はそれぞれ給電線路２３に接続される。給電線路２３は変換器２５に接続される。複数のアンテナ素子２１は、給電線路２３を介して変換器２５に接続される。給電線路２３は、マイクロストリップ線路により構成される。変換器２５は送信用のチャンネル数分、および受信用のチャンネル数分だけ設けられている。変換器２５は、給電端子２４と、シールド板２２から構成される。給電端子２４は、給電線路２３の末端に形成される。シールド板２２は、凹形状の切れ込みが形成された導体板で形成される。給電端子２４は、シールド板２２の切れ込みの内側に非接触で配置され、周囲がシールド板２２の導電面に囲まれる。給電端子２４は、シールド板２２の切れ込みを介して導波管１３に電磁気的に結合する。これにより、導波管１３は、樹脂基板１裏面の変換器１４とアンテナ基板２表面の変換器２５との間を、基板面（樹脂基板１の表面または裏面）に垂直に接続する。すなわち、導波管１３を介して、変換器１４と変換器２５の間でＲＦ信号が伝送される。アンテナ基板２表面の接地導体２２と裏面の接地導体２７は、導体ビア２８により接続されている。

カバー基板３は、ガラスエポキシ樹脂、ポリィミド樹脂等の樹脂製の誘電体３０から構成される。カバー基板３の誘電体３０の表面は、接地導体３２が形成されている。カバー基板３の誘電体３０の裏面は、接地導体３１が形成されている。カバー基板３表面の接地導体３２と裏面の接地導体３１は、導体ビア３３により接続されている。複数の導電性接続部材５０を介して樹脂基板１の裏面（下面）にカバー基板３の表面（上面）を接続することで、樹脂基板１とカバー基板３と複数の導電性接続部材５０により、グランド面で取り囲まれた電磁遮蔽空間１００が形成される。これによって、樹脂基板１とカバー基板３の間で、グランド面で囲まれた電磁遮蔽空間１００の中に、半導体部品６を収納することができるので、半導体部品６から生じる電波の外部漏洩を遮蔽することができる。

また、複数の導電性接続部材５０は、送信用の半導体部品６（ＴＸ）と受信用の半導体部品６（ＲＸ）の間に配列されることで、送信用の半導体部品６（ＴＸ）と受信用の半導体部品６（ＲＸ）の間の電磁干渉を防ぐことができる。このとき、一部の２つの導電性接続部材５０（導電性接続部材５０１，導電性接続部材５０２）は、それらの間に、送信用の半導体部品６（ＴＸ）と受信用の半導体部品６（ＲＸ）の間を接続する伝送線路１８を配置している。この導電性接続部材５０１と導電性接続部材５０２の距離は、伝送線路１８におけるＲＦ信号の信号伝搬波長λの４分の１よりも小さくなっている。

このようにして、図１、図２に示す高周波モジュールは、樹脂基板１に実装された半導体素子とアンテナ基板２の間に、樹脂基板１およびアンテナ基板２とは別体の金属板を設けることなく、半導体素子を電磁遮蔽空間１００内に収納することができる。このため部品価格の高価な別体の金属板がないので、特許文献１、２に示す従来の高周波モジュールに比べて、高周波モジュール全体の部品価格をより安くすることができる。加えて、樹脂基板１とカバー基板３のバンプ接合により半導体素子を取り囲む電磁遮蔽空間が形成されるので、当該接合面の密着力が強固になり、接合面からの電波漏洩を抑えることができるので、高周波モジュールの電気特性劣化を防止することができる。

なお、カバー基板は、金属を機械加工して形成した金属板で構成しても良い。
図３は、金属素材で形成したカバー基板３０１を樹脂基板１に接合した他の態様の構成例を示す図である。図３において、カバー基板３０１は、樹脂基板と線膨張係数差の小さい金属素材により形成される。カバー基板３０１は、半田密着性を良くした半田接合部３０２が形成されている。隣接する半田接合部３０２の間には、溝もしくは半田密着性の悪い半田非接合領域が形成されている。カバー基板３０１の半田接合部３０２は導電性接続部材５０に接続されて、導電性接続部材５０を介して樹脂基板１に接合される。カバー基板３０１と複数の導電性接続部材５０と樹脂基板１の接地導体７０によって、半導体部品６を取り囲む電磁遮蔽空間１０５が形成される。これによって、図１、図２に示したカバー基板３と同様に、樹脂基板１およびアンテナ基板２とは別体の金属板を設けることなく、半導体部品６を電磁遮蔽空間１０５内に収納することができる。

図４は、金属で形成したカバー基板３１０を樹脂基板１に接合した他の態様の別の構成例を示す図である。図４において、カバー基板３１０は、板金加工、押出し成型、または切削加工、アルミダイカスト等により構成された金属ケースをなし、例えば一面に開口を有した六面体から構成される。カバー基板３１０は、半導体部品６を収納する電磁遮蔽空間１１０の一部を形成する外壁を有している。カバー基板３１０と樹脂基板１の接地導体７０によって、半導体部品６を取り囲む電磁遮蔽空間１０５が形成される。カバー基板３１０は、半田接合により、樹脂基板１の接地導体５２に接合される。これによって、図１、図２に示したカバー基板３と同様に、樹脂基板１およびアンテナ基板２とは別体の金属板を、樹脂基板１とびアンテナ基板２の間に挿入することなく、半導体部品６を電磁遮蔽空間１０５内に収納することができる。また、特許文献２に示したＲＦシャーシに比べて、カバー基板３１０をより小型な金属ケースで構成することができる。

以上説明した通り、実施の形態１による高周波モジュールは、半導体素子（半導体部品６）と、複数配列されたアンテナ素子２１と、当該アンテナ素子２１に接続されたマイクロストリップ線路（伝送線路２３）と、当該マイクロストリップ線路（伝送線路２３）と導波管１３の間で信号接続を行う変換器２５とを有したアンテナ基板２と、上記アンテナ基板２が表面に接合され、上記半導体素子（半導体部品６）が裏面に接合されるとともに、内層に導波管１３が形成されて、裏面にマイクロストリップ線路（伝送線路２３）と当該マイクロストリップ線路（伝送線路２３）と導波管１３の間で信号接続を行う変換器１４が設けられた樹脂基板１と、上記樹脂基板１の裏面に接合され、上記樹脂基板１とともに上記半導体素子（半導体部品６）を収納するカバー基板３と、を備え、上記樹脂基板１の導波管１３は、上記樹脂基板１の変換器１４と上記アンテナ基板２の変換器２５との間を、基板面に垂直に接続するように配置されたことを特徴とする。

これによって、半導体素子を収納する電磁遮蔽空間が形成された別体の金属板を、樹脂基板に実装された半導体素子とアンテナとの間に挟み込まないより安価な構造で、半導体素子またはマイクロストリップ線路から生じる電波の外部漏洩を遮蔽することができる。また、半導体素子が樹脂基板１の裏面に実装され、カバー基板３に実装されないことから、カバー基板３の配線回路パターンをより簡易にかつ安価に構成することができる。

また、カバー基板は、複数の導電性接合部材５０により上記樹脂基板１の裏面に接合されても良い。

また、カバー基板は、金属素材により形成されたカバー基板３０１、３１０により構成されても良い。

１樹脂基板、２アンテナ基板、３カバー基板、６半導体部品、７電気部品、１３導波管、１４変換器、２３伝送線路、２５変換器、５０導電性接続部材、６１導電性接続部材、３０１カバー基板、３１０カバー基板。

Claims

半導体素子と、
上記半導体素子が裏面に接合され、上記半導体素子の対向する接地導体が形成されるとともに、内層に導波管が形成されて、裏面にマイクロストリップ線路と当該マイクロストリップ線路と当該導波管の間で信号接続を行う変換器が設けられた樹脂基板と、
上記樹脂基板の表面に接合され、複数配列されたアンテナ素子と、当該アンテナ素子に接続されたマイクロストリップ線路と、当該マイクロストリップ線路と上記樹脂基板の導波管の間で信号接続を行う変換器とを有したアンテナ基板と、
複数の導電性接合部材により上記樹脂基板の裏面に接合されて、上記樹脂基板とともに上記半導体素子を収納し、上記樹脂基板の裏面と対向する表面に接地導体が形成された樹脂製の誘電体からなるカバー基板と、
を備え、
上記樹脂基板の導波管は、上記樹脂基板の変換器と上記アンテナ基板の変換器との間を垂直に接続するように配置され、
上記樹脂基板の接地導体と上記カバー基板の接地導体と上記複数の導電性接合部材により、グランド面で取り囲まれた電磁遮蔽空間が形成され、
上記半導体素子は、上記電磁遮蔽空間に収納される高周波モジュール。
上記カバー基板は、裏面に接地導体が形成され、当該裏面の接地導体と上記表面の接地導体とが複数の導体ビアにより接続された請求項１記載の高周波モジュール。