JP4627527B2 - 高周波半導体装置およびその実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波モジュール筐体内の電波干渉をロバストに低減する高周波半導体装置およびその実装方法に関する。

＜ＩＣをそれぞれパッケージする実装＞
ミリ波を使用する自動車レーダや３００ＭＨｚ以上の周波数帯の電波を用いる高周波無線通信装置及び無線端末機は、装置の小型化，低コスト化のため、高周波回路素子を一つの筐体内に実装する。また、使用する回路素子の多機能化に伴い、単一の多機能半導体素子または半導体集積回路（ＩＣ）、これらを実装したパッケージ、または、複数のＩＣとこれらを相互に接続し、あるいはフィルタ機能等を含む高周波回路素子を一つの筐体内に実装する。このような構造の通信装置の一例として、非特許文献１に記載された自動車用レーダに用いられる送受信装置がある。この装置はミリ波（６０ＧＨｚ帯）送受信回路を平面表面で囲まれた筐体内に収められた構造になっている。他の一例として、非特許文献２に示されたＲＦサブシステムがある。このＲＦサブシステムは、高周波（ＲＦ）複数機能の回路素子が一筐体内に実装され、機能素子間の干渉を低減する為上記筐体をその中に設けた金属壁によって複数個の部分に分割した構造となっている。

＜ＩＣをそれぞれパッケージする実装の課題＞
一筐体構造の内部に多くの機能素子を収納する場合、筐体の大きさが一定で、機能素子の数が多くなれば、それだけ機能素子間の物理的距離が短くなる。あるいは、筐体の大きさが、信号周波数の自由空間波長λの半分（例えば、７７ＧＨｚで約１．９５ｍｍ）に比べ大きくなる。いずれの場合においても、筐体内の機能素子を構成するＩＣ等の一点より筐体内に放射された信号周波数の電波エネルギーは容易に筐体内を伝播し、同じ筐体内の機能素子に結合することにより様々な機能障害を起こす。例えば、通信用送受信機、ミリ波自動車レーダ用送受信モジュールでは送信機能素子より筐体内に放射された信号の一部が受信機能素子に結合することにより受信機の飽和，受信雑音の上昇等の障害を起こす。

従来の通信装置は、これらの問題、特に筐体内の干渉問題を解決するために、筐体構造を細分化して金属隔壁で複数の小さな部屋に分割したり、本来の信号通路に沿って不要放射に対しては局所的にカットオフ導波管構造となるような金属構造を設けていた。これらの従来技術は、その筐体の構造に複雑な金属構造を必要とし、また、受動回路の高周波基板の複数分割を必要とする。さらに、これらの構造や基板の複数分割のため、半導体ＩＣや受動回路部品の実装を困難にして、通信装置の量産化及び低コスト化を阻害している。

＜ＩＣを一枚基板に実装する従来技術＞
これらの問題点を解決するため、特許文献１が提案されている。

本提案では、マイクロ波またはミリ波等の高周波帯域の信号で動作する高周波回路素子及びアンテナを有し、高周波回路素子を内部に実装した筐体をもつ通信装置において、筐体を構成する壁の一部に周期的に押出加工された凹凸を設けている。この周期構造体は、周期構造体を含む筐体部分が、筐体内で問題となる不要放射電波の周波数を含む周波数帯を、非伝播周波数帯域とするフィルタを形成する。

この高周波通信装置によれば、筐体内の不要電波放射源よりの放射エネルギーを局所的に閉じ込め他への干渉を防止できる。また、外部の不要電波放射源よりの放射エネルギーを減衰して干渉を抑えることができる。筐体内に問題となる周波数が複数存在する場合、筐体内必要部位のそれぞれに異なる周期構造を付加することにより、複数の干渉問題に対応することができる。さらに、これらの周期構造を筐体構造の天井部に付帯した場合、この天井部を筐体の蓋として設計すれば、その他の筐体部分は波長にくらべてはるかに大きな単純形状（例えば直方体）にすることができる。したがって、高周波基板も大きな一枚基板を用いることが可能となって、筐体内への半導体などの実装が容易になり、筐体を含むモジュールを低コストで実現できる。

１９９７年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２−１２１「６０ＧＨｚ帯ミリ波レーダユニット」 １９９６年米国Ｍ／Ａ−ＣＯＭ社のカタログ「RF, Microwave and Millimeter Wave, Single and Multi-Function Components and Subassemblies」 特開２０００−３０７３０５号公報

特許文献１においては、蓋（カバー）に押出加工された凹凸すなわち周期構造体を設けたフィルタを構成する実装形態が提案されている。しかし、これらの凹凸寸法のフィルタ性能に対しての感度が非常に高く、製造時・実環境下における性能のロバスト性に課題が残っており、安定したフィルタ特性を維持することが難しい。

また、高周波回路素子がフリップチップとして搭載される場合の高周波回路基板内部での干渉についても課題がある。

本発明の目的は、動作周波数での電波の伝播抑制部を備えた高周波半導体装置における性能のロバスト性を低コストで実現することである。

本発明の他の目的は、高周波回路が、フリップチップとして搭載される場合、高周波回路基板内部での干渉を防止できる高周波半導体装置を提供することである。

本発明はその一面において、回路基板に搭載された高周波回路と、前記高周波回路に対向する面に電波の伝播抑制部を形成した樹脂製のカバーとを備えた高周波半導体装置において、前記カバーの前記伝播抑制部を形成し、前記高周波回路に対向する面に、補強部を備えたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施形態においては、回路基板に搭載された高周波回路と、表面に金属を貼った樹脂から成り、前記高周波回路に対向する面に多数の突起を持つ周期構造体を形成したカバーとを備えた高周波半導体装置において、前記カバーの前記周期構造体を形成し、前記高周波回路に対向する面に、補強部を備えたことを特徴とする。

本発明の具体的な一実施形態においては、高周波回路を搭載する回路基板及びアンテナを有し、樹脂製カバーの内側に表面をメッキした周期構造体を設けた高周波半導体装置において、周期構造体の回路基板に対向する前記カバーを、前記回路基板に近い熱膨張係数の材料で形成する。

また、本発明は他の一面において、高周波回路が、フリップチップとして搭載される場合に、回路基板における混合器とのローカル信号とＲＦ信号との接続部は、高周波素子の動作周波数帯域をカットオフとするピッチで並ぶビアにより分離して構成する。

本発明の望ましい実施態様によれば、電波の伝播抑制部を備えた高周波半導体装置におけるフィルタ性能のロバスト性を低コストで実現することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例の中で明らかにする。

＜第１実施例＞
図１〜図４は、本発明の第１実施例を示す。

図１は、本発明の第１実施例による高周波半導体装置を搭載したレーダセンサを示す側面断面図である。

高周波回路１０は、発振器１１、増幅器１２及び混合器１３を備え、高周波回路基板２０に搭載されている。この高周波回路基板２０には、送信アンテナ２１及び受信アンテナ２２と高周波回路１０の干渉防止用のフィルタカバー３０を搭載している。高周波回路１０と、回路基板２０と、アンテナ２１，２２およびフィルタカバー３０とで、高周波モジュール４０を形成し、信号処理基板５０に接続され、レーダ筐体６０に収納されている。

樹脂製のフィルタカバー３０の概略について説明する。カバーの、高周波回路１０に対向する面には、金属メッキを施し、多数のフィルタ突起３１を備え、これらの寸法を後述するように設定することによって、特定周波数の電波の伝播を抑制（カットオフ）する伝播抑制部３２を形成している。この伝播抑制部３２は、多数のフィルタ突起３１の寸法関係で、カットオフできる周波数が決まる。このため、これらの寸法を厳密に保持するために、カバー３０の、高周波回路１０に対向する面の背面には、カバーの肉厚を増した補強部３３を形成している。この実施例においては、補強部３３は、その端部に比べて中央部を肉厚とし、端部から中央に向かって次第に肉厚を増している。

また、温度の変動に伴う変形を防止するため、回路基板２０とフィルタカバー３０の熱膨張係数は、近いことが望ましい。さらに、周囲温度の変動や、回路基板２０とカバー３０の熱膨張係数の違いに伴うフィルタカバー３０の歪を吸収するため、補強部３３の端部近傍に、薄肉の歪吸収部３４を設けている。高周波回路１０に発生した高周波電波の伝播を抑制する伝播抑制部３２による伝播抑制作用についての詳細は後述する。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。発振器１１、増幅器１２および混合器１３が、高周波回路基板２０に搭載され、Ａｕ線９により接続されている様子を表している。

図３は、図１のＢ部拡大図、図４は、図３のＣ−Ｃ断面図である。

これらの図を参照して、高周波モジュール４０内における高周波回路１０の不要電波放射源からの放射エネルギーを局所的に閉じ込め、他への干渉を防止するフィルタカバー３０の伝播抑制作用を説明する。フィルタカバー３０の基材は、液晶ポリマー等の寸法安定性の優れた材料の樹脂を使用し、表面には金属メッキ３５を施している。不要な電磁界高次モードが立つことを避けるために、動作周波数に対する自由空間波長をλとするとき、図３の寸法Lはλ／２以下（L≦λ／２）に設定する。

図５は、図１〜４の伝播抑制部の効果を定性的に説明するための簡易等価モデルである。図４に示す横方向ギャップのＧ１、フィルタ突起３１の幅T１をいずれもλ／４以下とし、図３のフィルタ突起３１の高さＤ方向の電磁界分布を無視する。この場合、周期構造体は、横周期Ｐ１方向の基本伝播モードの電磁波に対して、高波動インピーダンスの領域ＺＨと、低波動インピーダンスの領域ＺＬからなる連続したλ／４インピーダンス変成器を構成する。このとき、中心周波数（＝ｃ／λ、ここでｃは光速）において、ポート１よりポート２側をみたインピーダンスは、ポート２に接続される負荷インピーダンスの値如何によらず、ほぼ開放又は短絡状態となり、ポート１に入射する高周波成分はポート２に伝播しない。

実際の設計では、高さＤ方向の電磁界分布および高次伝播モードの効果を含める必要がある。また、フィルタ突起３１の形状変更による自由空間波長λからの実用的な波長伸長率、または波長圧縮率を考慮する。これにより、図４の横周期Ｐ１、縦周期Ｐ２の各々を、（２Ｎ＋１）λ／５≦周期（Ｐ１、Ｐ２）≦（２Ｎ＋１）５λ／９の範囲（ここでＮは０又は整数）で、Ｄ＜Lとなるように設計して、設定周波数をフィルタの非伝播周波数帯域に入れることができる。

ポート１からポート２への信号の減衰量は、フィルタ突起３１の高さＤ及びLの感度が非常に高く、製造上のばらつき及び、使用環境下での変化を小さくする必要がある。高さＤの精度は、前述の通り、寸法安定性の高い液晶ポリマーを使用することにより設計を満足する。Lの精度については、図１のフィルタカバー３０の高周波回路基板２０と対向する面の背面に肉厚となる補強部３３を設けることにより、温度変化に伴うフィルタカバー３０の反りを低減することが効果的である。また、回路基板２０とフィルタカバー３０との間の熱膨張係数の差に起因する歪みを、歪吸収部３４にて吸収することにより、フィルタカバー３０の面内における寸法Lのばらつきを低減することが効果的である。ここで、回路基板２０とフィルタカバー３０の熱膨張係数は近いことが望ましい。実例として、回路基板２０は、熱膨張係数が、４〜１０ｐｐｍ／℃のセラミック基板であり、フィルタカバー３０は、４〜２０ｐｐｍ／℃のセラミック製カバーとすることで望ましい効果が得られている。これにより、不要な伝播波によるレーダ筐体６０内の干渉を防止することができ、非常に優れた構成と言える。

図６は、本発明を採用するに適した自動車用レーダセンサの機能ブロック図である。

発振器１１は、７６〜７７ＧＨｚの周波数で発振し、その出力を変調した後に、増幅器１２により所望の電力まで増幅し、送信アンテナ２１から送信する。ターゲットからの反射波は、受信アンテナ２２（２２１，２２２）により、ＲＦ（Radio Frequency）信号を受信し、混合器１３１，１３２において、発振器１１の発信信号Ｌｏ（Local Signal）と混合させる。これにより、中間周波数信号ＩＦ（Intermediate Frequency）が抽出され、制御部６１にて信号処理部６２にて信号処理を行い、ターゲット情報を計測することができる。

このとき、前記フィルタカバー３０が高周波モジュール４０内で干渉を起こしていると、ＩＦ信号のノイズレベルが高くなり、ターゲットからの反射波の検知信号レベルとのＳＮ比が悪化する。このため、ターゲット情報の計測誤差が大きくなってしまう。

これに対して、本実施例により、前記フィルタカバー３０の構成を採用することにより、ターゲット情報の計測誤差を、製造上及び使用環境上のばらつきを含めて、極小に抑えることができる、極めてロバスト性に優れたフィルタを構成できる。

＜第２実施例＞
図７は、本発明の第２実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図である。この図は、図１における高周波モジュール４０部分のみを示したものである。

フィルタカバー３０の、前記高周波回路基板２０と対向する面上に、前記高周波回路基板２０に近い熱膨張係数を持つカバー押さえ（補強部）３３を具備した構成としている。これにより、温度変化に伴うフィルタカバー３０の反りを低減できるので、フィルタカバー３０の面内における寸法Lのばらつきを低減することができる。また、不要な伝播波による高周波モジュール４０内の干渉を防止することができるので、非常に優れた構成といえる。効果としては、第１実施例と同様である。

＜第３実施例＞
図８は、本発明の第３実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図である。この図も、図１における高周波モジュール４０部分のみを示したものである。

フィルタカバー３０は、高周波回路１０側に開口する複数のキャビティ８１，８２を有し、これらのキャビティ８１，８２内に、それぞれ多数の突起による周期構造体８３，８４を備えている。ここで、キャビティ８１と８２は、高周波回路の動作周波数帯域をカットオフ（伝播抑制）する断面形状を持つ連通孔８５で繋がっている。

図９は、図８のＤ−Ｄ断面図であり、図に示すように、連通孔８５は、高周波回路基板２０に接する形で、その高さＨと幅Ｗは、それぞれλ／４以下（Ｈ≦λ／４、Ｗ≦λ／４）である。これにより、不要な伝播波による高周波モジュール４０内の干渉を防止することができるとともに、フィルタカバー３０と高周波回路基板２０との接合面が増えるので、フィルタカバー３０面内における周期構造体８３，８４の寸法のばらつきが低減する。したがって、第１，第２実施例と同様の効果を発揮でき、優れた構成と言える。

＜第４実施例＞
図１０は、本発明の第４実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図である。この図は、図１における高周波モジュール４０部分のみを示したものである。

図１０においては、フィルタカバー３０の、高周波回路１０側に開口する複数のキャビティ１０１，１０２および１０３を備え、それぞれのキャビティは、周期構造体に代わる電波吸収体１０４，１０５および１０６を備えている。キャビティ１０１と１０２は、混合器１３の２つの異なる周波数入力部を分離するように配置されている。これらのキャビティ１０１と１０２間には、連通孔１０７が設けられており、その断面形状は、前述したＬｏ信号とＲＦ信号の干渉を防ぐために、高周波素子の動作周波数帯域をカットオフ（伝播抑制）する断面形状を持つ構成である。また、キャビティ１０２と１０３間にも、連通孔１０８が設けられている。これらの連通孔１０７と１０８は、いずれも、カットオフすべき周波数の波長λの四分の一以下の高さＨと幅Ｗを持つものとする。

図１１は、図１０のＥ−Ｅ断面図であり、連通孔１０７の断面形状を示している。

この実施例における電波吸収体１０４〜１０６は、図３で述べた寸法Ｌによる感度は小さく、また、カットオフ（伝播抑制）するための断面形状の寸法安定性も十分確保できる。これにより、不要な伝播波によるモジュール筐体内の干渉を防止することができるので非常に優れた構成であり、効果としては、第１実施例と同様である。

＜第５実施例＞
図１２は、本発明の第５実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図である。この図は、図１における高周波モジュール４０部分のみを示したものである。

不要な伝播波による高周波モジュール４０内の干渉で特に影響が大きいのは、混合器１３のＬｏ信号とＲＦ信号が干渉した場合である。すなわち、ＲＦ信号は、ターゲット情報を含んだ信号であるが、アンテナ２１を介して空間を往復した信号であるため、非常に小さい電力である。しかし、Ｌｏ信号は、発振器１１から出た信号そのものなので、干渉すると、ＲＦ信号に対するノイズレベルが非常に大きく、影響が大きい。

図１３は、図１２のＦ−Ｆ断面図であり、混合器１３の周辺部の４本の突起３１にフィルタ支柱１２１を形成した状況を示している。混合器１３の周辺部の寸法Ｌの精度を高くするために、混合器１３の周辺の突起３１にフィルタ支柱１２１を形成して、伝播抑制部３２の突起３１を回路基板２０に接合させるように構成したものである。

これにより、少なくとも混合器１３の周辺の寸法Ｌのばらつきを低減でき、不要な伝播波による高周波モジュール４０内の干渉を防止することができ、優れた構成と言える。効果としては、第１実施例と同様である。

＜第６実施例＞
図１４は、本発明の第６実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図である。この図は、図１における高周波モジュール４０部分のみを示したものである。

図１５は、図１４のＪ−Ｊ視図である。高周波回路は、高周波回路基板２０とコプレーナ導波路（Coplanar Wave guide）１４１の板状誘電体基板の表面に線状の導体箔を形成した構造を持ち、電磁波を伝達する伝送路により接続されている。コプレーナ導波路１４１は、良く知られているように、板状誘電体基板の表面に線状の導体箔を形成し、電磁波を伝達する伝送路である。高周波回路基板２０における混合器１３との、Ｌｏ信号とＲＦ信号との接続部は、高周波回路の動作周波数帯域をカットオフするピッチで並ぶスルービア（through via：貫通導体）１４２により分離して構成する。

スルービア１４２を設置しない場合、高周波回路基板２０の内部でも干渉が起きるため、フィルタカバー３０のみでは干渉防止が不十分である。

しかし、本実施例構成により高周波回路基板４内部の干渉も抑制することが可能となる。また、前記スルービア１４２は、高周波回路の動作周波数帯域をカットオフするピッチで、コプレーナ導波路１４１の接地１４３に接続する。なお、この実施例においては、周期構造体は、図１４に示すように、±２０％以下の範囲でランダムな寸法の多数の突起を形成している。

本実施例によれば、第１実施例と同様の効果とともに、コプレーナ導波路１４１の信号線１４４からの洩れを、より効果的に低減することができ、更に優れた効果を発揮する。

以上の実施例によれば、高周波モジュール４０内の電波干渉をロバストに低減することができる。

本発明の第１実施例による高周波半導体装置を搭載したレーダセンサを示す側面断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ部拡大図である。 図３のＣ−Ｃ断面図である。 図１〜４の効果を定性的に説明するための簡易等価回路図である。 本発明を採用するに適した自動車用レーダセンサの機能ブロック図である。 本発明の第２実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図。 本発明の第３実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図。 図８のＤ−Ｄ断面図。 本発明の第４実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図。 図１０のＥ−Ｅ断面図である。 本発明の第５実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図。 図１２のＦ−Ｆ断面図。 本発明の第６実施例による高周波半導体装置の要部を示す側面断面図。 図１４のＪ−Ｊ視図である。

符号の説明

１０…高周波回路、１１…発振器、１２…増幅器、１３，１３１，１３２…混合器、１４…Ａｕ（金）線、２０…高周波回路基板、２１…送信アンテナ、２２，２２１，２２２…受信アンテナ、３０…フィルタカバー、３１…フィルタ突起、３２…伝播抑制部、３３…補強部（カバー押さえ）、３４…歪吸収部、３５…金属メッキ、４０…高周波モジュール、５０…信号処理板、６０…レーダ筐体、８１，８２，１０１〜１０３…キャビティ、８３，８４…周期構造体、８５，１０７，１０８…連通孔、１０４〜１０６…電波吸収体、１２１…フィルタ支柱、１４１…コプレーナ導波路、１４２…スルービア（貫通導体）、１４３…接地、１４４…信号線。

Claims (14)

1. 回路基板に搭載された高周波回路と、前記高周波回路に対向する面に特定周波数の電波の伝播を抑制する伝播抑制部を形成したカバーとを備えた高周波半導体装置において、前記カバーの前記伝播抑制部を形成して前記高周波回路に対向する部位に、機械的変位に抗する補強部を備えたことを特徴とする高周波半導体装置。
2. 請求項１において、前記伝播抑制部は、表面に金属を貼った樹脂から成り，多数の突起を持つ周期構造体を形成したことを特徴とする高周波半導体装置。
3. 請求項１または２において、前記補強部は、前記カバーの前記高周波回路に対向する面の背面方向に肉厚部を備えたことを特徴とする高周波半導体装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記カバーの前記補強部の両端近傍に薄肉の歪吸収部を形成したことを特徴とする高周波半導体装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記補強部は、その端部に比べて中央部を肉厚とした肉厚部を形成したことを特徴とする高周波半導体装置。
6. 請求項５において、前記肉厚部を、端部から中央部に向かって次第に肉厚となるように形成したことを特徴とする高周波半導体装置。
7. 請求項１において、前記回路基板は、熱膨張係数が、４〜１０ｐｐｍ／℃のセラミック基板であり、前記カバーは、４〜２０ｐｐｍ／℃のセラミック製カバーであることを特徴とする高周波半導体装置。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、前記カバーは、前記回路基板に対向する面に、それぞれ伝播抑制部を有する複数のキャビティを備え、隣接する前記キャビティ間に、前記高周波回路の動作周波数の電波の伝播を抑制する断面形状を持つ連通孔を備えたことを特徴とする高周波半導体装置。
9. 請求項１において、前記カバーは、前記回路基板に対向する面に、それぞれ伝播抑制部を有する複数のキャビティを備え、隣接する前記キャビティ間に、前記高周波回路の動作周波数の電波の伝播を抑制する断面形状を持つ連通孔を備えたことを特徴とする高周波半導体装置。
10. 請求項９において、前記高周波回路の動作周波数の波長をλとするとき、前記連通孔の高さＨと幅Ｗを、それぞれ、λ／４以下としたことを特徴とする高周波半導体装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかにおいて、前記高周波回路は、２つの周波数を混合する混合器を含むことを特徴とする高周波半導体装置。
12. 回路基板に搭載された高周波回路と、前記高周波回路に対向する面に特定周波数の電波の伝播を抑制する伝播抑制部を形成したカバーとを備えた高周波半導体装置の実装方法において、前記カバーの，前記伝播抑制部を形成して前記高周波回路に対向する部位を，機械的変位に抗するように補強することを特徴とする高周波半導体装置の実装方法。
13. 請求項１２において、前記伝播抑制部として、前記カバーの前記高周波回路に対向する面に多数の突起を持つ周期構造体を形成し、この周期構造体の背面に前記補強を施すことを特徴とする高周波半導体装置の実装方法。
14. 請求項１２において、前記カバーの，前記回路基板に対向する面に，それぞれ伝播抑制部を有する複数のキャビティを形成するとともに、隣接する前記キャビティ間を，前記高周波回路の動作周波数をカットオフする断面形状の連通孔で連通することを特徴とする高周波半導体装置の実装方法。

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