JP2598608B2 - 小型に製造可能なアレイ格子層 - Google Patents

小型に製造可能なアレイ格子層

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JP2598608B2 JP6077619A JP7761994A JP2598608B2 JP 2598608 B2 JP2598608 B2 JP 2598608B2 JP 6077619 A JP6077619 A JP 6077619A JP 7761994 A JP7761994 A JP 7761994A JP 2598608 B2 JP2598608 B2 JP 2598608B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電子パッケ−ジ技術、特
にマイクロ波周波数範囲で動作する３次元（“３−
Ｄ”）多重チップパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロ波信号の１つの共通した応用は
レーダ分野にある。初期段階のレーダではアンテナは皿
型の形態であり、これは走査機能を行うために機械的に
回転される。励起装置はＲＦマイクロ波信号を生成し、
これは進行波管により、高いレベルの信号に増幅され、
機械的走査アンテナにより放射される。アンテナの回転
は効率的に掃引モードで種々の方向に信号を指向する。
【０００３】次の開発段階のレーダは位相シフタを使用
し領域を掃引するために物理的に回転される必要のある
機械的アンテナの使用に依存しない。この設計では固定
したアンテナアレイが使用され、位相シフタはＲＦエネ
ルギの位相をシフトすることによりビーム方向を変化す
る。従って装置は電気的にアンテナアレイからのビーム
を操縦する。
【０００４】次の開発段階のレーダでは能動的アレイと
呼ばれる概念がその以前の受動的な固定アンテナを能動
的な放射機構に変換した。このようなレーダでは複数の
送信および受信モジュール（“Ｔ／Ｒモジュールまたは
素子”）は棒状または類似の構造で配置される。各Ｔ／
Ｒモジュールまたは素子は一体のレーダ用の送信機およ
び受信機である。通常、Ｔ／Ｒモジュールまたは素子は
送信機チップ、受信機チップ、低雑音増幅器、位相シフ
タ、減衰器、スイッチ、各部品を接続するための電気的
相互接続、部品を制御する論理回路を含む。
【０００５】全ての部品は放射器の後部に位置されたＴ
／Ｒモジュールまたは素子を有するパッケージの単一の
基体に配置された。放射器と、対応するＴ／Ｒモジュー
ルまたは素子は格子状に配備されていた。技術的に知ら
れているようにマイクロ波信号は放射器により放射され
受信された。Ｔ／Ｒモジュールまたは素子の後部にはＴ
／Ｒモジュールまたは素子へのまたはＴ／Ｒモジュール
または素子からのＲＦ信号の入力および出力を提供する
マニホルドがある。マニホルドの後部において受信され
たＲＦ信号が合計され、受信機で混合され、デジタル化
され、デ−タおよび信号プロセッサに供給され、そこか
ら最終的にターゲット情報が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】能動的アレイを有する
Ｔ／Ｒモジュールまたは素子を組立てパッケージするた
めに棒状または類似の構造を使用することは非常に高価
である。また棒状体は数百ポンドの重量である。さらに
能動的アレイの大きさは深さ12インチ以上である。通常
の能動的アレイは低い形状をもたず、従って例えば航空
機、ミサイルまたは宇宙船の外壁板に簡単に集合される
ことができず、空間の制限は臨界的である。船舶でも高
いマスト上に重いアンテナを支持することは慣性モーメ
ントの問題で回避されなければならない。従ってミサイ
ル、戦闘機、宇宙船または地上および船上に配置したレ
ーダのような限定された環境で容易に適用可能なよりコ
ンパクトなサブアレイの必要性が存在する。また製造さ
れる能動的アレイの価格を減少する必要がある。
【０００７】それ故前述の問題を考慮すると、本発明の
目的は非常にコンパクトでサブアレイタイルとして大型
のアンテナアレイに組立てられかさばらない能動的サブ
アレイを提供することである。本発明の別の目的は３−
Ｄパッケージの電子（および光子）部品を配置すること
により空間を節約することである。本発明の他の目的は
効率的な価格で製造されることができ、製造期間中、高
い生産性を有し大型のアレイへの設置および組立てが柔
軟性があり、信頼性の高い動作を示すサブアレイを提供
することである。本発明のさらに別の目的は自動処理を
使用して組立てることのできるサブアレイを提供するこ
とである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、本発明は２以上の平面が垂直に積層して配置され
ている電子部品から構成された１以上のＴ／Ｒモジュー
ルまたは素子を提供し、Ｔ／Ｒモジュールまたは素子は
マイクロ波周波数範囲で動作する。各平面は窒化アルミ
ニウムウェハであることが好ましい。好ましい実施例で
は本発明は送信チップ、受信チップ、低雑音増幅器、位
相シフタ、減衰器、スイッチ、相互接続、論理回路を有
するＴ／Ｒモジュールまたは素子を提供する。前述の電
子部品は垂直に積層された複数の平面またはウェハに配
置されている。本発明のように積層されるときパッケー
ジされたハウジングとその他の関連する構造が減少さ
れ、従ってスペース、重量、価格を節約する。比較する
と、通常のＴ／Ｒモジュールまたは素子はモジュールパ
ッケージ内で水平面で配置されている。各パッケージは
関連するハードウェアを有するハウジングを含み、これ
は他のＴ／Ｒモジュールまたは素子と共に組立てられて
集合されるとき非常にかさばった構造を生成する。
【０００９】好ましい実施例では、本発明はマイクロ波
モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）フリップチップ構造
と、幾つかのＴ／Ｒ回路で実施される前述の各電子を提
供し、この幾つかのＴ／Ｒ回路は１以上のＴ／Ｒ回路を
有するサブアレイを形成し、１以上のパッケ−ジされた
Ｔ／Ｒモジュールまたは素子に構成される部品でつくら
れている。チップは窒化アルミニウムのような材料から
作られているウェハまたは基体上に位置されている。技
術で知られているようにチップから基体中に位置されて
いるヒ−トシンクに熱をよりよく伝送するために、フリ
ップチップを使用することが好ましい。さらにＭＭＩＣ
チップは溝がチップを受けるため形成されている基体中
に位置された後、標準的な密封被覆は水または他の液体
に対して保護する密封を提供するためにチップ上に配置
される。実際に、チップの標準的な被覆は典型的なＴ／
Ｒモジュールまたは素子の金属壁パッケージの代りとし
て機能し、従ってモジュールの寸法と重量をさらに減少
し、密封保護を保持する。
【００１０】さらに好ましい実施例のＴ／Ｒモジュール
または素子は液体の冷却剤を伝送するマイクロチャンネ
ルを含むウェハにより冷却されることができる。選択的
にＲＦまたは光相互接続は３−Ｄパッケージの種々の平
面の間の部品の相互接続とサブアレイとレーダの残りの
部分との間の相互接続に使用されることができる。従っ
て複数のサブアレイへのおよびサブアレイからのマニフ
ォルドはＲＦ、デジタルまたは光信号のいずれか一方で
ある。技術で知られているように光信号（光学電子また
はＯＥ）は光ファイバケーブルにより電子信号の伝送を
可能にするレーザと光ダイオード検出器の使用で通信信
号を相互接続する。
【００１１】要約すると、本発明のマイクロ波範囲で動
作する１以上のＴ／Ｒモジュールまたは素子の３−Ｄパ
ッケージはコンパクトで軽量の装置を生じる。装置の部
品は少なく、従って製造段階を減少させ、その結果製造
価格が低下する。Ｔ／Ｒモジュールまたは素子を多重層
に配置することが相互接続およびその他の冗長ハードウ
ェアを減少するので装置の総重量と価格が最小化され
る。部品が少ないので品質保証も容易である。比較する
と、出願人の実験的観察により本発明の技術を使用する
2,000 素子アレイの重量が約40ポンドに見積もられる。
一方、2,000 チャンネルを有する棒状に配置されている
平面のＴ／Ｒモジュールまたは素子を使用する通常のア
レイは重さ約数百ポンドである。
【００１２】
【実施例】以下の説明では限定ではなく説明の目的で、
特定の数、寸法、材料等が本発明が十分に理解されるよ
うに説明される。しかしながら本発明は後述の詳細な特
定の実施例から離れた他の実施例で実行されてもよいこ
とが当業者には明白である。図１は本発明の好ましい実
施例によるＴ／Ｒ回路またはサブアレイ素子42を具備し
たレーダシステムのブロック図を示す。図１のレーダシ
ステムは送信機12のマイクロ波搬送波周波数を生成する
ため励起装置10を具備するアレイユニットを含む。送信
機12は知的に搬送波信号を変調してマイクロ波エネルギ
をサブアレイ素子42に導くＲＦ分配マニホルド14に変調
した搬送波を供給する。特にマイクロ波信号はビーム操
縦手段18に伝送される。ビーム操縦手段18は位相シフタ
で構成され、この位相シフタは技術でよく知られている
ようにアンテナ素子によりそれぞれ放射または受信され
るマイクロ波信号の相対的位相を変化し、それによって
アンテナビーム方向を制御する。位相シフトされたマイ
クロ波信号は高パワー送信ＦＥＴ増幅器を有する送信増
幅器22に導かれる。マイクロ波信号が一度増幅されると
それは機械的に固定した放射器すなわちアンテナ28を通
って放射されターゲット30に伝播される。
【００１３】その後ビームエネルギはターゲット30から
反射され、アンテナ28により検出される。アンテナ28に
より受信される比較的弱いエネルギは低雑音ＦＥＴ増幅
器24により増幅される。送信および受信の両者に同一の
アンテナ28を使用するために、スイッチ26は送信と受信
との間の回路を切換えるために設けられる。反射して受
信されたマイクロ波信号が増幅された後、ビーム操縦手
段18に導かれる。別のスイッチ20は選択的に送信増幅器
22または受信増幅器24をビーム信号の送信または受信に
応じて付勢する。ビーム操縦手段18ではアンテナ28から
受信されたエネルギの相対的位相はアンテナの受信ビー
ム方向を限定するために制御される。信号はＲＦ分配マ
ニホルドを再度通過し、これは信号を受信機32に導く。
モニタ38で表示される前に信号はレーダ信号プロセッサ
34とレーダデ−タプロセッサ36に送られる。
【００１４】スイッチ16は送信回路と受信回路の間の選
択を行う。スイッチ20,26 のようにこのスイッチ16は制
御手段40により制御され、制御手段40は好ましい実施例
では論理回路、マイクロプロセッサまたは技術で知られ
ている類似の装置である。
【００１５】図１のサブアレイ素子42は破線で囲まれて
示されているように他のサブアレイ素子42と接続される
ことが好ましい。サブアレイ素子42は従って一体のレー
ダ装置として集合的に動作する。
【００１６】本発明に特有の点は電子部品が１列に積層
された複数の平面の間に配置されているように図１で示
されたサブアレイ素子42が配置されていることである。
積層されたチップパッケージ全体がデジタル制御回路を
除いてマイクロ波周波数スペクトルで動作する。垂直に
積層された面によって電気装置の間の信号は面を通じて
垂直に通過される。
【００１７】図２は本発明の好ましい実施例によって構
成された単一のサブアレイ素子62の斜視図を示し、図１
で概略的に示されている部分である。サブアレイ素子62
は窒化アルミニウムウェハから作られる基体に配置され
ることが好ましい。勿論一般的なシリコンウェハも使用
可能である。ウェハの全体的なサブアレイ構造はその外
見からタイルと呼ばれる。
【００１８】これらのタイルはある寸法の２次元アレイ
に並んで組立てられることが重要である。図２は図面を
明瞭にするため単一のタイルのみを示している。共に組
立てられるタイルの数はアンテナアレイをミサイル、戦
闘機、宇宙船または地上または船上に設置されたレーダ
に適合するように調整されることができる。タイルは軽
量で低い形状を有するので、航空機またはミサイルの外
壁板に容易に一体化されることができる。
【００１９】それ故、図２は図１のブロック図で示され
ている電子信品の構造的な実施例であり、装置は複数の
積層された平面またはウェハに配置されている。好まし
い実施例ではレーザ送信機12とフォトダイオード検出器
受信機のフリップチップ32は平面60上に配置されてい
る。信号は論理回路または制御手段40を含む平面56に垂
直に供給されている。平面52上の次の層はＲＦ分配マニ
ホルド14を含む。平面52のすぐ上には、高パワー送信増
幅器22と低雑音受信増幅器24を有する平面50がある。平
面50に隣接してコールドプレートを有する平面48があ
る。コールドプレートはマイクロ波送信から生成された
熱を放散することを必要とされる。さらに熱を伝導する
ためにコールドプレートは冷却チャンネルを含み、これ
のマニホルド58は図に示されている。冷却剤は技術で知
られている方法によりサブアレイ62を冷却するためマニ
ホルドを通じて循環される。コールドプレート48の上は
接地面46があり、これは放射器の一部分を形成する。最
後に接地面の上方には放射器すなわちアンテナ44が位置
している。
【００２０】勿論、前述の装置は示されているものとは
別の再配置されて他の平面に位置されることができる。
また例えば、受信機、送信機等を含む本発明で使用され
る装置はこの技術で全て知られており、本発明を使用す
るために特に変形または適合される必要はない。要約す
ると、電気基体の大きいバッチの製造で使用される同じ
技術が同様に放射器やＲＦ、ＤＣおよび論理信号の分配
マニホルドおよび冷却マニホルドを製造するために使用
されることができる。異なった平面のタイルの間で垂直
に配置されている電気相互接続は通常の貫通接続または
同一平面のマイクロ波マイクロブリッジまたは技術で知
られている同様の技術を使用して行うことができる。実
際、フォトダイオードと光ファイバケーブルは平面の間
で光信号の伝送を行うためにタイル積層に統合され、サ
ブアレイタイルへの入力および出力を提供することがで
きる。
【００２１】さらに低雑音増幅器のような装置はフリッ
プチップ設計による砒化ガリウム回路で実施されること
ができる。即ちチップは相互接続に設置されるときフリ
ップされる。フリップチップの上部に位置されチップの
裏返し後にウェハに隣接するハンダバンプを再溶融する
ことによりチップは同時に電気的に基体に接続される。
【００２２】窒化アルミニウムウェハはアルミニウムの
存在による優れた熱伝導能力のために選択されたが、セ
ラミック材料で構成されている他の特徴のためによい絶
縁体でもある。さらにチップは技術で知られているよう
にＭＭＩＣチップが好ましい。
【００２３】装置のチップは各ウェハに露出されている
ので本発明は標準的な被覆処理の使用による密封を使用
する。電子装置を含む通常のボックスまたはパッケージ
は本発明では除かれているから、基体に設けられた穴ま
たは凹部に埋設されている。重合体の被覆は環境から保
護するためＭＭＩＣチップにわたって広げられ、従って
ボックスを必要としない。
【００２４】前述のように本発明はレーザと垂直なＲＦ
接続コネクタまたは選択的に光相互接続を使用する。光
相互接続では従ってフォトダイオ−ドはデ−タを一方の
平面から他方の平面および、またはタイル全体またはサ
ブアレイとの間で伝送するために（光ファイバリンク）
は光信号を光ファイバケーブルにより伝送する。光ファ
イバケーブルは平面間または平面へおよび平面から外部
に垂直に延在する。ＲＦ変調光ビームは別の平面の別の
フォトダイオードで受信され、電気信号に復調される。
この処理は技術で知られており、容易に本発明の積層さ
れたタイルに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層されたサブアレイの電子部品を示
したブロック図。
【図２】好ましい実施例の積層されたサブアレイの斜視
図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アーウイン・エル・ニューバーグ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 91326、ノースリッジ、ブラックホー ク・ストリート 18401 (72)発明者 ジョセフ・ピー・スマランスカス アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90045、ウエストチェスター、ウエス ト・セブンティーナインス・ストリート 6382 (72)発明者 ロナルド・アイ・ウオルフソン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90045、ロサンゼルス、グラスゴー・ウ エイ 5238 (56)参考文献 特開 平４−35208（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−270303（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 励起装置で生成されたマイクロ波ＲＦ信
    号の送信および受信に使用される能動的アレイのサブア
    レイにおいて、 前記励起装置からのマイクロ波信号を伝送するマニホル
    ドと、 位相シフタを含み、前記マニホルドから受信したマイク
    ロ波信号を操縦するビーム操縦手段と、 前記ビーム操縦手段に接続され、送信前にマイクロ波信
    号を増幅する高出力送信増幅器と、 前記高出力送信増幅器に接続され、ターゲットの方向に
    マイクロ波信号を送信し、かつ、ターゲットから反射さ
    れた反射マイクロ波信号を受信するアンテナと、 前記アンテナからの反射マイクロ波信号を増幅する低雑
    音受信増幅器と、 サブアレイを制御する制御装置とを具備し、 反射マイクロ波信号を解析して出力するために、前記低
    雑音受信増幅器は前記ビーム操縦手段に反射マイクロ波
    信号を導き、前記ビーム操縦手段から反射マイクロ波信
    号を前記マニホルドに伝送し、前記マニホルドはこの信
    号を受信手段に伝送し、 前記アンテナ、前記高出力送信増幅器、前記低雑音受信
    増幅器、前記ビーム操縦手段、前記制御装置、前記マニ
    ホルド、および前記高出力送信増幅器と前記低雑音受信
    増幅器とを交互に付勢するスイッチが重ねて整列された
    複数の平面に配置され、 前記受信手段が、前記複数の平面上に配置された、前記
    反射マイクロ波信号を加算する加算装置、受信機、前記
    反射マイクロ波信号を解析する信号プロセッサとを含
    み、 前記サブアレイは、前記複数の平面の少なくとも２つを
    相互接続する光相互接続手段をさらに具備していること
    を特徴とするマイクロ波ＲＦ信号の送信および受信に使
    用される能動的アレイのサブアレイ。
  2. 【請求項２】 マイクロ波信号の送信および受信に使用
    される能動アレイのサブアレイにおいて、 前記マイクロ波信号を送信する手段と、 前記マイクロ波信号を受信する手段と、 前記受信手段からの前記マイクロ波信号を増幅する手段
    と、 前記増幅手段からの前記マイクロ波信号を位相シフトす
    る手段と、 前記位相シフト手段からの前記マイクロ波信号を減衰す
    る手段と、 前記送信手段、前記受信手段、前記増幅手段、前記位相
    シフト手段および前記減衰手段を切換える手段と、 前記送信手段、前記受信手段、前記増幅手段、前記位相
    シフト手段、前記減衰手段および前記切換手段を制御す
    る手段とを具備し、 前記送信手段、前記受信手段、前記増幅手段、前記位相
    シフト手段、前記減衰手段、前記切換手段、および制御
    手段は、垂直に積層された複数の平面に配置され、 前記複数の平面の少なくとも１つは、窒化アルミニウム
    ウエハであり、 前記マイクロ波信号の入力および出力は、前記切換手段
    に接続された光相互接続手段により提供され、 前記複数の平面は冷却用のマイクロチャンネルを含み、 前記送信手段、前記受信手段、前記増幅手段、前記位相
    シフト手段、前記減衰手段、前記切換手段、および制御
    手段の少なくとも１つは、保護密封被覆を有するモノリ
    シック集積回路フリップチップを含むことを特徴とする
    マイクロ波信号の送信および受信に使用される能動アレ
    イのサブアレイ。
JP6077619A 1993-04-15 1994-04-15 小型に製造可能なアレイ格子層 Expired - Lifetime JP2598608B2 (ja)

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US48635 1993-04-15
US048635 1993-04-15
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JPH0749374A JPH0749374A (ja) 1995-02-21
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