JP3666411B2 - 高周波モジュール装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話機、オーディオ機器等の各種電子機器に搭載され、情報通信機能やストレージ機能等を有して超小型通信機能モジュールを構成する高周波モジュール装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、音楽、音声或いは画像等の各種情報は、近年、データのデジタル化に伴ってパーソナルコンピュータやモバイルコンピュータ等によっても手軽に扱えるようになっている。また、これらの情報は、音声コーデック技術や画像コーデック技術により帯域圧縮が図られて、デジタル通信やデジタル放送により各種の通信端末機器に対して容易にかつ効率的に配信される環境が整いつつある。例えば、オーディオ・ビデオデータ(AVデータ)は、携帯電話機によって屋外での受信も可能である。
【0003】
ところで、データ等の送受信システムは、家庭を始めとして小規模な地域内においても好適なネットワークシステムの提案によって、様々に活用されるようになっている。ネットワークシステムとしては、例えばIEEE802.1aで提案されているような5GHz帯域の狭域無線通信システム、IEEE802.1bで提案されているような2.45GHz帯域の無線LANシステム或いはBluetoothと称される近距離無線通信システム等の種々の次世代ワイヤレスシステムが注目されている。送受信システムは、かかるワイヤレスネットワークシステムを有効に利用して、家庭内や屋外等の様々な場所において手軽にかつ中継装置等を介することなく様々なデータの授受、インターネット網へのアクセスやデータの送受信が可能となる。
【0004】
一方、送受信システムにおいては、上述した通信機能を有する小型軽量かつ携帯可能な通信端末機器の実現が必須となる。通信端末機器においては、送受信部においてアナログの高周波信号の変復調処理を行うことが必要であることから、一般に送受信信号からいったん中間周波数に変換するようにしたスーパーへテロダイン方式による高周波送受信回路が備えられる。
【0005】
高周波送受信回路には、アンテナや切替スイッチを有し情報信号を受信或いは送信するアンテナ部と、送信と受信との切替を行う送受信切替器とが備えられている。高周波送受信回路には、周波数変換回路部や復調回路部等からなる受信回路部が備えられる。高周波送受信回路には、パワーアンプやドライブアンプ及び変調回路部等からなる送信回路部が備えられる。高周波送受信回路には、受信回路部や送信回路部に基準周波数を供給する基準周波数生成回路部が備えられる。
【0006】
かかる高周波送受信回路においては、各段間にそれぞれ介挿された種々のフィルタ、局発装置(VCO)、SAW(表面弾性波)フィルタ等の大型機能部品や、整合回路或いはバイアス回路等の高周波アナログ回路に特有なインダクタ、抵抗、キャパシタ等の受動部品の点数が非常に多い構成となっている。高周波送受信回路は、各回路部のIC化が図られるが、各段間に介挿されるフィルタをIC中に取り込めず、またこのために整合回路も外付けとして必要となる。したがって、高周波送受信回路は、全体に大型となり、通信端末機器の小型軽量化に大きな障害となっていた。
【0007】
一方、通信端末機器には、中間周波数への変換を行わずに情報信号の送受信を行うようにしたダイレクトコンバージョン方式による高周波送受信回路も用いられる。かかる高周波送受信回路においては、アンテナ部によって受信された情報信号が送受信切替器を介して復調回路部に供給されて直接ベースバンド処理が行われる。高周波送受信回路においては、ソース源で生成された情報信号が変調回路部において中間周波数に変換されることなく直接所定の周波数帯域に変調されてアンプと送受信切替器を介してアンテナ部から送信される。
【0008】
かかる高周波送受信回路は、情報信号について中間周波数の変換を行うことなくダイレクト検波を行うことによって送受信する構成であることから、フィルタ等の部品点数が低減されて全体構成の簡易化が図られ、より1チップ化に近い構成が見込まれるようになる。しかしながら、このダイレクトコンバージョン方式による高周波送受信回路においても、後段に配置されたフィルタ或いは整合回路の対応が必要となる。また、高周波送受信回路は、高周波段で一度の増幅を行うことから充分なゲインを得ることが困難となり、ベースバンド部でも増幅操作を行う必要がある。したがって、高周波送受信回路は、DCオフセットのキャンセル回路や余分なローパスフィルタを必要とし、さらに全体の消費電力が大きくなるといった問題がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高周波送受信回路は、上述したようにスーパーへテロダイン方式及びダイレクトコンバージョン方式のいずれにおいても、通信端末機器の小型軽量化等の要求仕様に対して充分な特性を満足し得ないものであった。このため、高周波送受信回路については、例えばSi−CMOS回路等をベースとして簡易な構成によって小型化を図ったモジュール化について種々の試みが図られている。すなわち、このような試みの1つとして、例えば特性の良い受動素子をSi基板上に形成するとともにフィルタ回路や共振器等をLSI上に作り込み、さらにベースバンド部分のロジックLSIも集積化することで1チップ化した高周波モジュール装置が提案されている。
【0010】
しかしながら、このような高周波モジュール装置では、インダクタ素子の特性を良好なものとするために、このインダクタ素子の直下に位置してSi基板に穴を形成することや、このインダクタ素子を浮かせた状態で形成するといったことが行われており、加工コストが増加してしまうといった問題があった。
【0011】
また、高周波信号回路フロントエンド部をSiやSiGe等の半導体基板やガラス基板に形成する場合には、パターン配線層として、高周波信号回路パターンの他に、電源パターン及びグランドパターン、制御用の信号配線パターン等を形成する必要があり、これらパターン配線層が多層化されることで、パターン配線層間の相互干渉や、加工コストの増加といった問題が発生してしまう。
【0012】
また、モジュール全体のパッケージ化を考えた場合には、このような高周波モジュール装置をさらにワイヤーボンディング等によってインターポーザ(中間基板)上へ実装することが行われるものの、実装面積及び厚み方向の寸法が増加してしまい、コスト面から見て必ずしも好ましいものではなかった。
【0013】
そこで、本発明はこのような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、インダクタ素子のさらなる特性向上を可能とすると共に、さらなる小型化及び低コスト化を可能とした高周波モジュール装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明に係る高周波モジュール装置は、最上層を平坦化してビルドアップ形成面を形成してなるベース基板部と、このベース基板部に対してビルドアップ形成面上に積層形成された高周波素子部とを備える。高周波モジュール装置は、ベース基板部が、有機材料からなる基板に信号配線パターンや電源パターン或いはグランドパターンからなるパターン配線層と誘電絶縁層とが交互に多層に形成され、最上層を平坦化してビルドアップ形成面を形成するとともに、ビアホールやスルーホールを介してパターン配線層と接続された底面側の配線層を介してマザーボードやインターポーザに対して高密度実装される。高周波モジュール装置は、高周波素子部が、ベース基板部のビルドアップ形成面上に絶縁層を介して形成され、埋め込み導体を介してベース基板部の最上層のパターン配線層と接続されたインダクタ素子が形成されてなる。
【0015】
高周波モジュール装置においては、ベース基板部が、高周波素子部に形成されたインダクタ素子と対向する領域を、最上層から所定の厚みに亘る内層をパターン配線層が形成されていない配線禁止領域として構成する。高周波モジュール装置においては、この配線禁止領域の下層に位置して、グランドパターンが形成される。高周波モジュール装置においては、高周波素子部のインダクタ素子が、ベース基板部のパターン配線層、特にグランドパターンとの層間間隔が充分に保持されて結合容量が低減され、高いQ値を得ることが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0017】
本発明を適用した高周波モジュール装置の一例を図1に示す。なお、図1は、この高周波モジュール装置1の構造を示す断面図である。
【0018】
この高周波モジュール装置1は、マザーボード(ベース基板)やインターポーザ(中間基板)に対する高密度実装を実現するためのパッケージ形態(BGA等)を有し、この装置自体が1つの機能部品として動作するものである。
【0019】
詳述すると、この高周波モジュール装置1は、ベース基板部2と、このベース基板部2の最上層が平坦化層3により平坦化され、この上に高周波素子部4とを備えている。
【0020】
ベース基板部2は、いわゆるプリント配線基板であり、誘電絶縁層となる第1の誘電基板5の両面に、パターン配線層となる第1及び第2の配線層6a,6bが形成された第1の配線基板7と、誘電絶縁層となる第2の誘電基板8の両面に、パターン配線層となる第3及び第4の配線層9a,9bが形成された第2の配線基板10とが、誘電絶縁層となるプリプレグ(接着樹脂)11を介して貼り合わされた構造を有している。
【0021】
このうち、第1の誘電基板5及び第2の誘電基板8は、低誘電率且つ低損失(低tanδ)な材料、すなわち高周波特性に優れた材料により形成されていることが好ましく、このような材料として、例えばポリフェニールエチレン(PPE)や、ビスマレイドトリアジン(BT−resin)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマー(LCP)、ポリノルボルネン(PNB)等の有機材料や、セラミック或いはセラミックと有機材料との混合材料等を挙げることができる。また、第1の誘電基板5及び第2の誘電基板8は、上述した材料の他に、耐熱性及び耐薬品性を有する材料により形成されていることが好ましく、このような材料からなる誘電基板として、廉価なエポキシ系基板FR−5等を挙げることができる。
【0022】
第1及び第2の配線層6a,6b並びに第3及び第4の配線層9a,9bは、例えばフィルタ12やキャパシタ13といった機能素子と、これらを繋ぐ信号配線パターン14や、電源パターン15及びグランドパターン16とが、例えば銅箔により薄膜形成されてなる。また、第1及び第2の配線層6a,6b並びに第3及び第4の配線層9a,9bとしては、インダクタやレジスタといった受動素子や、アンテナパターン等も形成可能である。
【0023】
また、各機能素子は、これらを繋ぐ信号配線パターン14や、電源パターン15及びグランドパターン16と、第1の誘電基板5及び第2の誘電基板8を貫通して形成された、例えば銅からなるビアホール17やスルーホール18を介して電気的に接続されている。具体的に、これらビアホール17やスルーホール18は、ベース基板部2の一部に、このベース基板部2を貫通する孔をドリル加工やレーザー加工により穿設し、この穿設された孔にビアメッキやスルーホールメッキを施すことにより形成される。
【0024】
このベース基板部2では、廉価な有機材料からなる第1の配線基板7及び第2の配線基板10を従来と同様の多層基板化技術によって積層形成することで、従来のような比較的高価とされるSi基板やガラス基板を用いた場合と比べて、コストの低減化が図られている。
【0025】
なお、このベース基板部2は、上述した構造のものに限定されず、その積層数についても任意である。また、ベース基板部2は、上述した両面配線基板7,10をプリプレグ11を介して貼り合わせたものに限定されず、例えば両面配線基板の両主面側に樹脂付銅箔を積み重ねていく構造のものであってもよい。
【0026】
平坦化層3は、ベース基板部2の最上層、すなわち第2の誘電基板8の第4の配線層9b側を高度に平坦化することにより、いわゆるビルドアップ形成面を形成している。具体的に、ビルドアップ形成面を形成する際は、ベース基板部2の最上層の全面に亘って、高周波特性に優れた有機材料からなる絶縁膜を成膜した後に、この最上層に形成された第4の配線層9bが露出するまで研磨する。これにより、第2の誘電基板8と第4の配線層9bとの間に絶縁膜が埋め込まれ、第2の誘電基板8上の第4の配線層9bが形成されていない部分との段差が無くなり、このベース基板部2の最上層が平坦化層3によって高度に平坦化されることになる。
【0027】
高周波素子部4は、このビルドアップ形成面上に絶縁層19が積層され、この積層された絶縁層19の内層或いは外層に、薄膜形成技術や厚膜形成技術によって、例えばインダクタ20,21,22,23や、キャパシタ、レジスタ等といった受動素子と、これらを繋ぐ配線パターン24及び埋め込み導体25とがパターン配線層として形成されてなる。
【0028】
このうち、絶縁層19は、低誘電率且つ低損失(低tanδ)な材料、すなわち高周波特性に優れた有機材料により形成されていることが好ましく、また、耐熱性及び耐薬品性を有する有機材料により形成されていることが好ましい。このような有機材料としては、例えばベンゾシクロブテン(BCB)や、ポリイミド、ポリノルボルネン(PNB)、液晶ポリマー(LCP)、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂等を挙げることができる。そして、絶縁層19は、このような有機材料を、例えばスピンコート法や、カーテンコート法、ロールコート法、ディップコート法等の塗布均一性及び膜厚制御に優れた方法を用いて、ビルドアップ形成面上に精度良く形成することができる。
【0029】
また、この高周波素子部4の最上層には、半導体チップ26がフリップチップ接続により搭載されている。ここで、フリップチップ接続は、半導体チップ26側の電極上にバンプ27を形成し、表裏逆にして高周波素子部4側の配線パターン24の電極28とバンプ27とを位置合わせし、加熱溶融することで、いわゆるフェースダウンボンディングで接続する実装方法である。このフリップチップ接続によれば、例えばワイヤーボンディングの比べてワイヤーの引き回し空間が不要となり、特に高さ方向の寸法を大幅に削減することができる。
【0030】
そして、これら高周波素子部4に形成された受動素子及び半導体チップ26は、配線パターン24及び埋め込み導体25を介して、ベース基板部2側の第4の配線層9bと電気的に接続されている。
【0031】
この高周波モジュール装置1では、ベース基板部2が多層化されることによって、高周波素子部4における積層数を削減することができる。すなわち、この高周波モジュール装置1では、高周波素子部4の内層或いは外層に形成された、例えば受動素子や配線パターン24、埋め込み導体25等のパターン配線層とは別に、ベース基板部2の内層或いは外層に、例えば機能素子や信号配線パターン14等のパターン配線層が形成されることによって、これらを従来のようなSi基板やガラス基板上にまとめて形成する場合に比べて、高周波素子部4にかかる負担を大幅に低減することができる。これにより、高周波素子部4の積層数を低減することが可能となり、装置全体のさらなる小型化及び低コスト化が可能となっている。
【0032】
また、この高周波モジュール装置1では、上述したベース基板部2のパターン配線層と高周波素子部4のパターン配線層とが分離されることによって、これらパターン配線層の間で発生する電気的干渉を抑制することができ、その特性の向上を図ることができる。
【0033】
さらに、この高周波モジュール装置1では、ベース基板部2の最上層が平坦化層3により高度に平坦化されたビルドアップ形成面が形成されていることから、このビルドアップ形成面上に高周波素子部4を精度良く形成することができる。
【0034】
ところで、この高周波モジュール装置1には、ベース基板部2の第1及び第2の配線層6a,6b並びに第3及び第4の配線層9a,9bが形成されていない領域(以下、配線禁止領域という。)30,31,32,33が、少なくともベース基板部2の最上層から厚み方向の中途部に亘って或いはベース基板部2を貫通して設けられている。そして、この配線禁止領域30,31,32,33の直上に位置する高周波素子部4に、インダクタ20,21,22,23がそれぞれ形成されている。
【0035】
具体的に、配線禁止領域30は、図2に示すように、インダクタ20の形成位置から第2の配線層6bに至る領域に亘って設けられている。
【0036】
すなわち、第4の配線層9bには、図2及び図3(a)に示すように、インダクタ20が形成される領域に対応した第1の配線禁止用孔34が穿設されていると共に、第3の配線層9aには、図2及び図3(b)に示すように、インダクタ20が形成される領域に対応した第2の配線禁止用孔35が穿設されている。そして、図2及び図3(c)に示すように、これら第1の配線禁止用孔34及び第2の配線禁止用孔35を通して、第2の配線層6bに形成されたグランドパターン16とインダクタ20とが、所定の距離だけ離された状態で対向配置されている。
【0037】
一方、インダクタ20は、図2及び図4に示すように、絶縁層19の内層或いは外層に位置して、角形スパイラル状に巻回されてなる薄膜コイルパターン20aと、この薄膜コイルパターン20aの内周側の端部と電気的に接続された埋め込み導体パターン20bと、この埋め込み導体パターン20bと電気的に接続された引き出し導体パターン20cとを有し、この引き出し導体パターン20cが、薄膜コイルパターン20aの外周側へと引き出され、この薄膜コイルパターン20aの外周側の端部と共に、埋め込み導体25を介して配線パターン24とそれぞれ電気的に接続された構造とされている。
【0038】
具体的に、このインダクタ20を形成する際は、先ず、図2に示すように、平坦化されたベース基板部2上に、上述した有機材料からなる第1の絶縁層19aを形成する。
【0039】
次に、図2及び図5(a)に示すように、第1の絶縁層19a上に、例えばNiや銅等からなる導電膜を全面に亘って成膜した後に、フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状にパターニングされたフォトレジストをマスクとして、この導電膜をエッチングすることによって、引き出し導体パターン20cのベースを形成する。そして、例えば硫酸銅溶液を用いた電解メッキにより、数μm程度のCuからなる導電膜を成膜することで、引き出し導体パターン20cを形成する。
【0040】
次に、図2及び図5(b)に示すように、この引き出し導体パターン20cが形成された第1の絶縁層19a上に、上述した有機材料からなる第2の絶縁層19bを形成した後に、フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状にパターニングされたフォトレジストをマスクとしてエッチングを行い、引き出し導体パターン20cの端部と接合される部分が露出するビア(孔)を形成する。そして、このフォトレジストを残したまま、例えば硫酸銅溶液を用いた電解メッキにより、Cuからなる導電膜を成膜した後、フォトレジストを、このフォトレジスト上に堆積した導電膜と共に除去する。これにより、第2の絶縁層19bに埋め込まれた埋め込み導体パターン20bと、引き出し導体パターン20cとが電気的に接続される。
【0041】
次に、図2及び図5(c)に示すように、この第2の絶縁層19b上に、例えばNiや銅等からなる導電膜を全面に亘って成膜した後に、フォトリソグラフィ技術を用いて所定の形状にパターニングされたフォトレジストをマスクとして、この導電膜をエッチングすることによって、薄膜コイルパターン20aのベースを形成する。そして、例えば硫酸銅溶液を用いた電解メッキにより、数μm程度のCuからなる導電膜を成膜することで、埋め込み導体パターン20bと電気的に接続された薄膜コイルパターン20aを形成する。以上により、図2及び図4に示すようなインダクタ20が形成される。
【0042】
ここで、図2に示すように、インダクタ20の厚みAは、10μm以上且つ巻回間隔Bの1.5倍以下の範囲とすることが好ましい。
【0043】
このインダクタ20は、上述したメッキ法を用いることにより、従来のようなスパッタリング法を用いた場合(通常、0.5〜2μm程度の膜厚)に比べて、その厚みAを厚く形成することができる。そして、インダクタ20の厚みAを10μm以上とすることにより、このインダクタ20の直列抵抗が低減され、インダクタ20の高いQ値を得ることができる。一方、インダクタ20の厚みAを巻回間隔B、すなわち薄膜コイルパターン20aにおける隣接するパターン同士の間隔Bの1.5倍以下とすることにより、このインダクタ20を精度良く形成することができる。
【0044】
なお、このインダクタ20は、上述したメッキ法以外の厚膜技術を用いて、所定の厚みAで形成することも可能である。
【0045】
また、インダクタ20は、図4に示すような角形スパイラル状に巻回されたものに限定されず、例えば図6に示すような円形スパイラル状に巻回されたものであってもよい。
【0046】
なお、他のインダクタ21,22,23についても、上記インダクタ20と同様な形状を有しており、また、上記インダクタ20と同様にして形成されることから、以下説明を省略するものとする。
【0047】
以上のように、この高周波モジュール装置1では、ベース基板部2の配線禁止領域30,31,32,33が、少なくともベース基板部2の最上層から厚み方向の中途部に亘って或いはベース基板部2を貫通して設けられている。そして、この配線禁止領域30,31,32,33の直上に位置する高周波素子部4に、インダクタ20,21,22,23がそれぞれ形成されている。
【0048】
これにより、高周波モジュール装置1では、インダクタ20,22,23と、グランドパターン16との間の距離を離すことができ、これらインダクタ20,22,23と、グランドパターン16との結合容量を大幅に低減することができる。さらに、インダクタ21は、ベース基板部2を貫通して設けられた配線禁止領域31上に形成されていることから、さらなる特性の向上が図られている。
【0049】
したがって、これらインダクタ20,21,22,23の高いQ値を得ることができ、従来のようなインダクタの直下に位置してSi基板に穴を形成することや、このインダクタ素子を浮かせた状態で形成するといった加工を行わずとも、簡便な構成によってインダクタ20,21,22,23の良好な特性を得ることができる。以上のことから、この高周波モジュール装置1では、インダクタ20,21,22,23のさらなる特性向上が可能であると共に、さらなる小型化及び低コスト化が可能である。
【0050】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る高周波モジュール装置では、ベース基板部の高周波素子部に形成されたインダクタ素子と対向する領域が最上層から所定の厚みに亘る内層をパターン配線層が形成されていない配線禁止領域として構成することから、インダクタ素子とパターン配線層とが層間間隔を充分に保持されインダクタ素子の結合容量が低減されて高いQ値を得ることが可能となる。高周波モジュール装置は、廉価な有機材料からなる基板を用いてプリント配線技術によりパターン配線層と誘電絶縁層とを多層に形成したベース基板部の最上層を平坦化してビルドアップ形成面とし高周波素子部を積層形成することから、高精度のインダクタ素子を有してコスト低減が図られ、またマザーボード等に対して高密度実装されることで小型化が図られるようにする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した高周波モジュール装置の一例を示す断面図である。
【図2】上記高周波モジュール装置における配線禁止領域及びインダクタの形成部分を拡大して示す要部断面図である。
【図3】ベース基板部の各層における配線禁止領域の構造を示す平面図であり、(a)は、第2の配線層における配線禁止領域を示し、(b)は、第3の配線層における配線禁止領域を示し、(c)は、第4の配線層における配線禁止領域を示す。
【図4】インダクタの構造を示す平面図である。
【図5】高周波素子部の各層におけるインダクタの構造を示す平面図であり、(a)は、第1の絶縁層上に形成された引き出し導体パターンを示し、(b)は、第2の絶縁層内に埋め込み形成された埋め込み導体パターンを示し、(c)は、第2の絶縁層上に形成された薄膜コイルパターンを示す。
【図6】インダクタの変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
1 高周波モジュール装置、2 ベース基板部、3 平坦化層、4 高周波素子部、5 第1の誘電基板、6a,6b 第1の配線層、7 第1の配線基板、8 第2の誘電基板、9a,9b 第2の配線層、10 第2の配線基板、11プリプレグ、12 フィルタ、13 キャパシタ、14 信号配線パターン、15 電源パターン、16 グランドパターン、17 ビアホール、18 スルーホール、19 絶縁層、19a 第1の絶縁層、19b 第2の絶縁層、20インダクタ、20a 薄膜コイルパターン、20b 埋め込み導体パターン、20c 引き出し導体パターン、21,22,23 インダクタ、24 配線パターン、25 埋め込み導体、26 半導体チップ、30,31,32,33 配線禁止領域、34 第1の配線禁止用孔、35 第2の配線禁止用孔
Claims (1)
- 有機材料からなる基板に信号配線パターンや電源パターン或いはグランドパターンからなるパターン配線層と誘電絶縁層とが交互に多層に形成され、最上層を平坦化してビルドアップ形成面を形成するとともに、ビアホールやスルーホールを介して上記パターン配線層と接続された底面側の配線層を介してマザーボードやインターポーザに対して高密度実装されるベース基板部と、
上記ベース基板部のビルドアップ形成面上に絶縁層を介して形成され、埋め込み導体を介して上記ベース基板部の最上層のパターン配線層と接続されたインダクタ素子が形成されてなる高周波素子部とを備え、
上記ベース基板部が、上記高周波素子部に形成された上記インダクタ素子と対向する領域を、上記最上層から所定の厚みに亘る内層を上記パターン配線層が形成されていない配線禁止領域として構成するとともに、この配線禁止領域の下層位置に上記グランドパターンを形成していることを特徴とする高周波モジュール装置。
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