JP3960277B2 - 高周波モジュールおよび通信装置 - Google Patents

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Description

この発明は、誘電体層と電極層との積層体である多層基板上に高周波部品を実装して成る高周波モジュールおよびそれを備えた通信装置に関するものである。
従来、例えば通信機器の高周波回路部の部品点数を削減するとともに集積度を向上させるために、キャパシタやインダクタを備えた多層基板に高周波回路部品を実装した高周波モジュールが高周波回路部に用いられている。例えば携帯電話システムにおける端末のフロントエンド部にこのような高周波モジュールを用いることによって端末の小型・軽量化が図られている。
前記多層基板は、複数の誘電体層と電極層とを備え、電極パターンによってキャパシタ、インダクタ、伝送線路などが構成されている。また多層基板の下面（電子機器内の実装基板への実装面）には多数の外部端子が設けられている。更に多層基板の上面には例えばＳＡＷフィルタなどの高周波部品を実装するための上面電極が形成されている（例えば特許文献１参照）。
ここで、特許文献１の多層基板と高周波部品とから成る高周波モジュールの構成について、図１１を基に説明する。
図１１の（Ａ）は高周波モジュールの外観斜視図、（Ｂ）はその主要部の分解斜視図である。１は誘電体層と電極層との積層体に上面電極や外部端子を設けて成る多層基板である。２１，２２は、この多層基板１の上面に実装したＳＡＷフィルタなどの高周波部品である。
図１１の（Ｂ）は、多層基板１の２つの層を抜き出して示した分解斜視図である。ここで１ｑは最上層の誘電層、１ｄは最下層に近い誘電体層である。最上層の誘電体層１ｑには高周波部品２１，２２を実装するための上面電極を形成している。Ｇｑ１，Ｇｑ２は、それらの上面電極のうちの上面グランド電極である。誘電体層１ｄには共通グランド電極Ｇｄを形成している。最上層の誘電体層１ｑと最下層付近の誘電体層１ｄとの間には多数の誘電体層が存在し、それらの誘電体層に設けたビアホール導体Ｖｄｑを介して、上面グランド電極Ｇｑ１，Ｇｑ２を共通グランド電極Ｇｄに直接導通させている。この共通グランド電極Ｇｄは多層基板１の下面に設けた多数の外部端子のうちグランド端子として導出している。
特開２００２−１１８４８６公報（図４）
ところが、従来のこのような高周波モジュールにおいては、前記ビアホール導体Ｖｄｑを構成するビアホール内の導電性ペーストの充填不良などが生じた場合に、高周波部品２１，２２のグランド接続が不完全となって、電気的特性が設計上の特性から大きくずれるおそれがあった。
また、誘電体層の層数が増えてビアホール導体Ｖｄｑの線路長が長くなると、ビアホール導体Ｖｄｑのインダクタンス成分が大きくなり、上面グランド電極Ｇｑ１，Ｇｑ２の接地状態が悪化するので、高周波部品２１，２２のグランド電位が十分にとれないという問題が生じていた。
この発明の目的は、上述の問題を解消して、多層基板に実装した高周波部品のグランド接続を確実に行えるようにし、良好な電気的特性を示す高周波モジュールおよびそれを備えた通信装置を提供することにある。
この発明の高周波モジュールは、誘電体層と電極層との積層体の上面にグランド端子を有する高周波部品の該グランド端子が接続される上面グランド電極を備え、下面または下面付近に共通グランド電極を備えた多層基板と、前記高周波部品とからなり、上面グランド電極と共通グランド電極との間に中間グランド電極を設け、上面グランド電極と中間グランド電極との間を上面グランド電極毎にビアホール導体で導通させ、前記中間グランド電極と共通グランド電極との間を複数のビアホール導体で導通させたことを特徴としている。
なお、この発明における「高周波部品」とは、グランド端子、すなわちグランド電位にすることによって高周波部品に本来の機能を発揮させるための端子、を有するものを指す。したがって、ＳＡＷフィルタに限られるものではなく、ＩＣなども含む。
また、この発明の高周波モジュールは、前記中間グランド電極を複数層設け、中間グランド電極同士を複数のビアホール導体で導通させたことを特徴としている。
また、この発明の高周波モジュールは、前記高周波部品を２つ以上設け、少なくとも２つの前記高周波部品間でそれらに対応する前記中間グランド電極を分離させたことを特徴としている。
また、この発明の高周波モジュールは、前記中間グランド電極から前記共通グランド電極までのビアホール導体の数を、前記上面グランド電極から前記中間グランド電極までのビアホール導体の数より多くしたことを特徴としている。
また、この発明の高周波モジュールは、前記上面グランド電極から前記中間グランド電極までのビアホール導体のインダクタンス成分より、前記中間グランド電極から前記共通グランド電極までのビアホール導体のインダクタンス成分を小さくしたことを特徴としている。
この発明の通信装置は、前記構成の高周波回路モジュールの高周波回路部品を個別のフィルタとし、多層基板にＬＣフィルタを構成したものとし、その高周波モジュールをフロントエンド部に備えたことを特徴としている。
この発明の高周波モジュールによれば、上面グランド電極と共通グランド電極との間に存在する中間グランド電極を経由してグランド電極同士が接続されるので、ビアホール導体への導電性ペーストの充填不良が生じても、中間グランド電極を介してグランド電極の導通が復活し、安定した電気的特性が得られる。
また、上面グランド電極と共通グランド電極との間を低インダクタンスで導通させることができ、多層基板の上面に実装する高周波部品の所期の電気的特性を発現させることができる。
この発明の通信装置によれば、上記高周波モジュールによるフロントエンド部を備えるので、安定で優れた通信性能を持たせることができる。
この発明によれば、上面グランド電極と共通グランド電極との間に中間グランド電極を設け、上面グランド電極と中間グランド電極との間を上面グランド電極毎にビアホール導体で導通させ、中間グランド電極と共通グランド電極との間を複数のビアホール導体で導通させたことにより、上面グランド電極と共通グランド電極との間に存在する中間グランド電極を経由してグランド電極同士が接続されるので、ビアホール導体への導電性ペーストの充填不良が生じても、中間グランド電極を介してグランド電極の導通が復活し、安定した電気的特性が得られる。
また、この発明によれば、前記中間グランド電極を複数層設け、中間グランド電極同士を複数のビアホール導体で導通させたことにより、誘電体層の積層数が多くて、上面グランド電極と共通グランド電極との経路長が長くなる場合でも、グランド電位を十分にとることができ、安定した電気的特性が得られる。
また、上面グランド電極と共通グランド電極との間を低インダクタンスで導通させることができ、多層基板の上面に実装する高周波部品の所期の電気的特性を発現させることができる。
また、この発明によれば、高周波部品を２つ以上設け、少なくとも２つの高周波部品間でそれらに対応する中間グランド電極を分離させたことにより、中間グランド電極を介してのグランド電流の回り込みが抑制され、電気的特性の劣化を招くことがない。
また、この発明によれば、中間グランド電極から共通グランド電極までのビアホール導体の数を、上面グランド電極から中間グランド電極までのビアホール導体の数より多くしたことにより、また、上面グランド電極から中間グランド電極までのビアホール導体のインダクタンス成分より、中間グランド電極から共通グランド電極までのビアホール導体のインダクタンス成分を小さくしたことにより、上記グランド電流の回り込みが確実に抑制され、電気的特性の劣化を招くことがない。
また、この発明によれば、前記構成の高周波回路モジュールの高周波回路部品を個別のフィルタとし、多層基板にＬＣフィルタを構成したものとし、その高周波モジュールをフロントエンド部に備えたことにより、安定で優れた通信性能を有する通信装置が得られる。
この発明の実施形態に係る高周波モジュールの構成を各図を参照して説明する。
図１は高周波モジュールの基本的な構成を示す図であり、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）はその主要部の分解斜視図である。
最上層の誘電体層１ｑと最下層付近の誘電体層１ｄとの間の３つの中間層である誘電体層１ｇ，１ｍ，１ｏのそれぞれに、中間グランド電極Ｇｇ１，Ｇｇ２，Ｇｍ１，Ｇｍ２，Ｇｏ１，Ｇｏ２を形成している。中間グランド電極Ｇｏ１，Ｇｏ２と上面グランド電極Ｇｑ１，Ｇｑ２との間はビアホール導体Ｖｏｑでそれぞれ導通させている。中間グランド電極Ｇｏ１，Ｇｏ２とＧｍ１，Ｇｍ２との間はビアホール導体Ｖｍｏでそれぞれ導通させている。また、中間グランド電極Ｇｍ１，Ｇｍ２とＧｇ１，Ｇｇ２との間はビアホール導体Ｖｇｍでそれぞれ導通させている。更に。中間グランド電極Ｇｇ１，Ｇｇ２と共通グランド電極Ｇｄとの間はビアホール導体Ｖｄｇによってそれぞれ導通させている。
この例では、高周波部品２１，２２は、それぞれ３つのグランド端子を備えているため、上面グランド電極Ｇｑ１，Ｇｑ２もそれぞれ３つずつ備えていて、ビアホール導体Ｖｏｑもそれぞれ３つずつ設けている。中間グランド電極との間を導通させるビアホール導体Ｖｍｏ、Ｖｇｍは、中間グランド電極毎にそれぞれ４つずつ設けている。更に、中間グランド電極Ｇｇ１，Ｇｇ２と共通グランド電極Ｇｄとの間を導通させるビアホール導体Ｖｄｇも中間グランド電極毎に４つずつ設けている。
このように高周波部品２１，２２毎に中間グランド電極を設け、それぞれの中間グランド電極内でグランドを共通に接続したことによって、仮にビアホールへの導電性ペーストの充填不良が生じても、中間グランド電極で再び共通に接続されるので、最終的に共通グランド電極Ｇｄまで数多くのビアホール導体としてグランド接続が行われることになる。例えばビアホール導体Ｖｍｏのうち１つが非導通状態となっても、Ｇｍ１，Ｇｍ２で、グランド接続が復活するので、それより下層の共通グランド電極まで、多数のビアホール導体を介して共通グランド電極まで導通することになる。
また、高周波部品２１，２２のグランド端子の数より多くのビアホール導体を介して共通グランド電極Ｇｄに対しグランド電極の接続を行うことによって、高周波部品のグランドが低インダクタンスで共通グランド電極に接続されることになる。その結果、高周波部品２１，２２のグランド電位が十分にとれないことによる特性劣化を防止することができる。
更に、多層基板１の上面に実装する高周波部品２１，２２毎に中間グランド電極Ｇｑ１，Ｇｑ２，Ｇｍ１，Ｇｍ２，Ｇｏ１，Ｇｏ２を分離したことにより、中間電極を介して信号の回り込みを防止することができる。例えば、中間グランド電極Ｇｏ１，Ｇｏ２から共通グランド電極Ｇｄまでのインダクタンスが、上面グランド電極Ｇｑ１，Ｇｑ２から中間グランド電極Ｇｏ１，Ｇｏ２までのインダクタンスより大きくて、且つ中間グランド電極Ｇｏ１，Ｇｏ２を連続したパターンとすれば、高周波部品２１，２２のグランド電流がＧｑ１→Ｖｏｑ→Ｇｏ１，Ｇｏ２→Ｖｏｑ→Ｇｑ２の経路で回り込んでしまって電気的特性上問題となる場合がある。そこで、上面グランド電極から中間グランド電極までのインダクタンス成分をＬ１、中間グランド電極から理想グランド電極（通常は、高周波モジュールのグランド端子）までのインダクタンス成分をＬ２とすれば、Ｌ１＞Ｌ２の条件の条件を満たす層のグランド電極を共通グランド電極とする。このことによって、一方の高周波部品のグランド電流が共通グランド電極を介して他方の高周波部品のグランド電極へ流れ込む上述の現象を抑制できる。従って、グランド電流の回り込みによる特性劣化を確実に防止するためには、上記Ｌ１，Ｌ２がＬ１＞Ｌ２の関係にあることが望ましい。
図２〜図４は、上記多層基板１の各誘電体層に設けた電極パターンの具体的な例を示している。この例では、1900 MHzを利用するPersonal Communication Service（以下、単に「ＰＣＳ」という。）、1800 MHzを利用するDigital CellularSystem （以下、単に「ＤＣＳ」という。）、および900 MHz を利用するGlobalSystem ｆorＭobile communication （以下、単に「ＧＳＭ」という。）にそれぞれ適用可能なトリプルバンドのフロントエンドを構成した例を示している。
図２〜図４において、１ａ〜１ｑは多層基板の各誘電体層を順に表している。図２の１ａは最下層の誘電体層であり、図４の１ｑは最上層の誘電体層である。但し、この図２〜図４は、各誘電体層１ａ〜１ｑを、それらの下面側（実装基板に向く側）から見た状態を示している。
最下層の誘電体層１ａには、実装基板への実装のための各種外部端子（Ｇ，ＰＣＳＲｘ，ＤＣＳＲｘ，ＧＳＭＲｘ，Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｄ／ＰＴｘ，ＧＳＭＴｘ，Ａｎｔ）を形成している。ここで、Ｄ／ＰＴｘは、ＤＣＳおよびＰＣＳの送信信号入力端子である。ＧＳＭＴｘはＧＳＭの送信信号入力端子である。ＤＣＳＲｘはＤＣＳの受信信号出力端子、ＰＣＳＲｘはＰＣＳの受信信号出力端子である。ＧＳＭＲｘはＧＳＭの受信信号出力端子、Ａｎｔはアンテナ端子である。Ｖｃ１，Ｖｃ２はスイッチ制御信号入力端子である。更にＧはグランド端子である。
誘電体層１ｂには共通グランド電極Ｇｂを形成している。誘電体層１ｃには、ｇＣ５, ｄＣ５，Ｃｔ１，Ｃｔ２，Ｃｕ５で示すキャパシタ用の電極を形成している。
誘電体層１ｄには共通グランド電極Ｇｄとキャパシタ用電極Ｃｔ５を形成している。
誘電体層１ｅには、Ｃｃ１，Ｃｕ１，Ｃｕ２で示すキャパシタ用電極をそれぞれ所定箇所に形成している。
誘電体層１ｆには、Ｃｃ１，Ｃｔ３で示すキャパシタ用電極をそれぞれ所定箇所に形成している。
誘電体層１ｇには中間グランド電極Ｇｇ１，Ｇｇ２，Ｇｇ３およびキャパシタ用電極Ｃｃ１を形成している。
誘電体層１ｈには特に電極パターンを形成していない。
図３において、誘電体層１ｉには、インダクタ用導体Ｌｔ１，Ｌｔ２，Ｌｔ３，Ｌｔ５および伝送線路用導体ｄＳＬを形成している。
誘電体層１ｊ，１ｋには、インダクタ用導体Ｌｔ１，Ｌｔ２，Ｌｔ３，Ｌｔ４，Ｌｔ５および伝送線路用導体ｄＳＬをそれぞれ形成している。
誘電体層１ｌには、インダクタ用導体Ｌｔ２，Ｌｔ４を形成している。
誘電体層１ｍには、中間グランド電極Ｇｍ１，Ｇｍ２，Ｇｍ３およびキャパシタ用電極Ｃｃ２を形成している。誘電体層１ｎにはキャパシタ用電極Ｃｃ２を形成している。更に誘電体層１ｏには中間グランド電極Ｇｏ１，Ｇｏ２，Ｇｏ３およびキャパシタ用電極Ｃｃ２を形成している。
図４において誘電体層１ｐには各種インダクタ用または伝送線路用の導体を形成している。
最上層である誘電体層１ｑには、各種実装部品の実装用電極を形成している。この誘電体層１ｑについては、誘電体層１ｑの下面側から透視するように見た状態を示している。また、実装する各部品の実装範囲を四角で囲んで表している。ここでＳＡＷ１，ＳＡＷ２，ＳＡＷ３は何れもＳＡＷフィルタの実装領域を示している。ｇＳＬ１，ｄＳＬｔ，ｄＳＬ１，Ｌ１，Ｌ２はそれぞれインダクタンス部品（チップインダクタ）の実装領域を示している。ｄＳＣ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はキャパシタンス部品（チップキャパシタ）の実装領域、Ｒｇ，Ｒｄは抵抗部品（チップ抵抗）の実装領域、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４はダイオードの実装領域を示している。
ＳＡＷフィルタの実装領域において、それぞれのＳＡＷフィルタ毎に３つの上面電極Ｇｑを備えている。これらのＳＡＷフィルタ実装領域内のその他の電極はＳＡＷフィルタの入力側および出力側の電極である。
図２〜図４において、各誘電体層には図中多数の小円として表れるビアホールを形成していて、上下に隣接する電極（導体）同士をビアホール導体によって導通させている。
図２〜図４に示したように、共通グランド電極Ｇｂ，Ｇｄを設け、共通グランド電極Ｇｄと上面グランド電極Ｇｑとの間に３層に分けて中間グランド電極Ｇｇ，Ｇｍ，Ｇｏを設けている。そして、ＳＡＷフィルタＳＡＷ１，ＳＡＷ２，ＳＡＷ３のグランド端子の数より多く（この例では４つ）のビアホール導体を介して共通グランド電極Ｇｄに対しグランド電極の接続を行うことによって、ＳＡＷフィルタのグランドを低インダクタンスで共通グランド電極に接続している。更に、ＳＡＷフィルタ毎に中間グランド電極Ｇｇ１，Ｇｇ２，Ｇｇ３，Ｇｍ１，Ｇｍ２，Ｇｍ３，Ｇｏ１，Ｇｏ２，Ｇｏ３を分離したことにより、中間電極を介して信号の回り込みを防止している。
なお、以上に示した例では、最も上層の中間グランド電極に、上面グランド電極の数より多くのビアホールを設けたが、最も上層の中間グランド電極には、上面グランド電極の数と同数のビアホールを設け、それより下層の中間グランド電極で上面グランド電極の数より多くのビアホールを設けるようにしてもよい。
また、以上に示した例では３つの高周波部品であるＳＡＷフィルタＳＡＷ１，ＳＡＷ２，ＳＡＷ３のそれぞれに応じて互いに分離した中間電極を設けた。しかし、本発明は高周波部品の全てにそれぞれ個別の中間電極を備えたものに限定されない。必要に応じて少なくとも２つの高周波部品間でそれらに対応する中間電極が分離されているだけでも構わない。上記の例でいえば、ＳＡＷフィルタＳＡＷ１とＳＡＷ２に対応する中間電極が共通で、ＳＡＷフィルタＳＡＷ３に対応する中間電極のみが分離されていても構わない。
次に、図２〜図４に示したフロントエンドの回路図を図５〜図８に示す。これらの図５〜図８における図中の符号は、図２〜図４の図中に示した各符号にそれぞれ対応している。図５はＤＣＳ／ＰＣＳのフィルタおよび高周波スイッチ部分の回路図、図６はＧＳＭのフィルタおよび高周波スイッチ部分の回路図、図７はダイプレクサ部分の回路図である。更に、図８はそれら全体のブロック図である。これらの図において破線の円で囲んだ素子は外付けの部品によるものである。
図５に示すように、ＬＰＦ２で示す回路はＤＣＳ／ＰＣＳの送信信号の高調波成分を減衰させるローパスフィルタ、ＳＷ２は送信信号と受信信号との切り替えを行うスイッチ回路である。スイッチ制御信号Ｖｃ２がハイレベルの時、ダイオードＤ３，Ｄ４が共にオンして、送信信号がＤＣＳ／ＰＣＳＡｎｔへ出力される。スイッチ制御信号Ｖｃ２がローレベルの時、ダイオードＤ３，Ｄ４が共にオフして、受信信号が位相回路ＰＳ１，ＰＳ２側へ与えられる。
ＳＡＷフィルタＳＡＷ１は、ＤＣＳの受信信号を通過させ、ＳＡＷフィルタＳＡＷ２は、ＰＣＳの受信信号を通過させる。また、位相回路ＰＳ１はＳＡＷフィルタＳＡＷ２の通過帯域で位相をスミスチャート上でオープン側に回す。位相回路ＰＳ２はＳＡＷフィルタＳＡＷ１の通過帯域で位相をスミスチャート上でオープン側に回す。したがって、ＤＣＳとＰＣＳ相互で受信信号が回り込むことがない。
図６において、ＬＰＦ１はＧＳＭの送信信号の高調波成分を減衰させるローパスフィルタである。スイッチ回路ＳＷ１は、スイッチ制御信号Ｖｃ１がハイレベルの時、ダイオードＤ１，Ｄ２が共にオンして、送信信号がＧＳＭＡｎｔへ出力される。Ｖｃ１がローレベルの時、Ｄ１，Ｄ２が共にオフして、受信信号がＳＡＷフィルタＳＡＷ３を介してＧＳＭＲｘから出力される。
図７において、ＬＰＦ３はＧＳＭ信号を通過させるローパスフィルタ、ＨＰＦはＤＣＳ／ＰＣＳ信号を通過させるハイパスフィルタである。
このようにして図８に示したトリプルバンドのフロントエンドを構成する。
図９は３つのＳＡＷフィルタＳＡＷ１，ＳＡＷ２，ＳＡＷ３のうち、代表する１つのＳＡＷフィルタの帯域通過周波数前後での概略の通過特性を示している。図９において、実線は、この実施形態による通過特性、破線は前記中間グランド電極を設けなかった場合の通過特性である。
以上に示したように、多層基板の上面に実装する高周波部品のグランド接続を行う上面グランド電極と共通グランド電極との間に中間グランド電極を設けたことにより、減衰域の減衰量を大きく確保することができる。
図１０は通信装置の構成例を示すブロック図である。ここで「フロントエンド」部に、図２〜図８に示したトリプルバンドのフロントエンドを用いる。「送受信回路」は前記トリプルバンドの送信回路および受信回路を構成している。「ベースバンド制御回路」は、送受信回路の制御およびキー入力部ＫＥＹの入力操作の読み取り、表示部ＬＣＤの駆動、マイクからの音声入力、スピーカの駆動等を行う。
このようにして、減衰域の減衰量を大きく確保するフロントエンド部を備えることにより、安定で優れた通信性能を有する通信装置を得ることができる。
高周波モジュールの外観斜視図および分解斜視図 多層基板の各誘電体層に設けた電極パターンの具体的な例を示す図 多層基板の各誘電体層に設けた電極パターンの具体的な例を示す図 多層基板の各誘電体層に設けた電極パターンの具体的な例を示す図 フロントエンドの部分回路図 フロントエンドの部分回路図 フロントエンドの部分回路図 フロントエンド全体の回路図 ＳＡＷフィルタの帯域通過周波数前後での概略の通過特性を示す図 通信装置の構成例を示す図 従来の高周波モジュールの外観斜視図および分解斜視図
符号の説明
１−多層基板
１ａ〜１ｑ−誘電体層
２１，２２−高周波部品
Ｇｂ，Ｇｄ−共通グランド電極
Ｇｇ，Ｇｍ，Ｇｏ−中間グランド電極
Ｇｑ−上面グランド電極
Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃｄ−ビアホール導体
Ｖｃ１，Ｖｃ２−スイッチ制御信号端子
Ｇ−グランド端子
ＳＷ１，ＳＷ２−スイッチ回路

Claims (4)

  1. 誘電体層と電極層との積層体であって、該積層体の上面にグランド端子を有する高周波部品の該グランド端子が接続される上面グランド電極を備え、下面または下面付近に共通グランド電極を備えた多層基板と、前記高周波部品とからなる高周波モジュールにおいて、
    前記高周波部品は複数備え、前記上面グランド電極と前記共通グランド電極との間に前記高周波部品毎に分離した複数層の中間グランド電極を設けるとともに、当該中間グランド電極同士を複数のビアホール導体で導通させ、
    前記上面グランド電極と前記中間グランド電極との間を前記上面グランド電極毎にビアホール導体で導通させ、前記中間グランド電極と前記共通グランド電極との間を複数のビアホール導体で導通させたことを特徴とする高周波モジュール。
  2. 前記中間グランド電極から前記共通グランド電極までのビアホール導体の数を、前記上面グランド電極から前記中間グランド電極までのビアホール導体の数より多くした請求項１に記載の高周波モジュール。
  3. 前記上面グランド電極から前記中間グランド電極までのビアホール導体のインダクタンス成分より、前記中間グランド電極から前記共通グランド電極までのビアホール導体のインダクタンス成分を小さくした請求項１または２に記載の高周波モジュール。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高周波モジュールにおいて、高周波部品を個別のフィルタとし、多層基板にＬＣフィルタを構成するとともに、該高周波モジュールをフロントエンド部に備えてなる通信装置。
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