JP4786579B2

JP4786579B2 - 高周波モジュール

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Publication number: JP4786579B2
Application number: JP2007087497A
Authority: JP
Inventors: 浩一松尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008252207A

Description

この発明は、ミリ波帯、マイクロ波帯の高周波信号を入出力する高周波半導体を有する高周波パッケージと、高周波半導体を駆動するための電子回路部品が搭載されたバイアス・制御回路基板と、スロットアンテナが形成されたアンテナ基板とを有し、これら高周波パッケージ、バイアス・制御回路基板およびアンテナ基板に導波管が形成される高周波モジュールに関するものである。

車載ミリ波レーダなどの高周波モジュールにおいては、通常、レーダ装置用の高周波半導体が搭載された高周波パッケージ、この高周波パッケージにバイアス信号、制御信号を供給する電子回路部品が搭載されたバイアス・制御回路基板、および平面アンテナを有し、この高周波パッケージを搭載する金属キャリアには、平面アンテナと高周波半導体との間で送信波、受信波の伝送に用いられる導波管が設けられる。

特許文献１に示されるミリ波ユニットでは、平面アンテナ上に、ＭＭＩＣなどが搭載されるベースシャーシをネジ固定し、このベースシャーシの周りに配設される電気回路基板をベースシャーシにネジ固定し、ベースシャーシおよび電気回路基板をカバーで覆うようにしている。

特開２００１−９９９１５号公報

上記特許文献１に示される従来技術では、平面アンテナとベースシャーシとの接合、ベースシャーシと電気回路基板との接合を、それぞれネジで行うようにしているので、構造が複雑となり、コスト、寸法が増大するという問題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ネジなどの機構部品による締結を無くし、小型薄型化および低コスト化に寄与する高周波モジュールを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、高周波半導体素子と、該高周波半導体素子を収容し前記高周波半導体素子と信号の授受を行う導波管端子が設けられた誘電体基板とを有した高周波パッケージと、前記高周波パッケージが搭載され、前記導波管端子と接続される導波路が形成され、前記高周波半導体素子を駆動する電子部品が搭載された誘電体基板から成るバイアス・制御回路基板と、該バイアス・制御回路基板が搭載され、前記バイアス・制御回路基板の導波路と接続される給電端子を有した誘電体アンテナ基板と、を備え、前記バイアス・制御回路基板の導波路と前記誘電体アンテナ基板の給電端子との接続部の周りに間隔をおいて配設される複数の導電性接合部材によって前記バイアス・制御回路基板および前記アンテナ基板の接合を行うことを特徴とする。

また、高周波半導体素子と、該高周波半導体素子を収容し前記高周波半導体素子と信号の授受を行う誘電体導波管が形成された誘電体基板とを有した高周波パッケージと、前記高周波パッケージが搭載され、前記誘電体導波管と接続される導波管が形成され、前記高周波半導体素子を駆動する電子部品が搭載された誘電体基板から成るバイアス・制御回路基板と、該バイアス・制御回路基板が搭載され、前記バイアス・制御回路基板の導波管と接続される給電導波路と、該給電導波路に接続される放射素子を有する誘電体基板から成るアンテナ基板とを備え、前記バイアス・制御回路基板の導波管と前記アンテナ基板の給電導波路との接続部の周りに間隔をおいて配設される複数の導電性接合部材によって前記バイアス・制御回路基板および前記アンテナ基板の接合を行うものであっても良い。

この発明によれば、バイアス・制御回路基板およびアンテナ基板の接合を、バイアス・制御回路基板の導波管とアンテナ基板の給電導波路との接続部の周りを接合部材を介して接合するようにしているので、高周波モジュールのネジなどの機構部品による締結がなくなり、小型および薄型化することができるとともに、低コスト化できる。

以下に、本発明にかかる高周波モジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１はこの発明に係る実施の形態の高周波モジュールを示す断面図、図２は高周波モジュールの内部接続をより詳細に示した断面図、図３は高周波モジュールの表面を示す斜視図、図４は高周波モジュールの裏面を示す斜視図である。

図１〜図４に示すように、高周波モジュール１は、高周波パッケージ２と、樹脂基板（誘電体基板）から成るバイアス・制御回路基板１０と、樹脂基板から成り誘電体の平面アンテナ基板（誘電体アンテナ基板）を構成するアンテナ基板２０、電子部品６０などを備えている。アンテナ基板２０上にバイアス・制御回路基板１０が設けられ、バイアス・制御回路基板１０上に高周波パッケージ２および電子部品６０が搭載されている。

高周波パッケージ２は、多層誘電体基板３と、多層誘電体基板３上に搭載されたＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）などの高周波半導体素子４と、多層誘電体基板３上に高周波半導体素子４を収納する空間を形成する導電性のカバー体５を有している。カバー体５は、多層誘電体基板３との間の収納空間が電磁的にシールドされるように、半田や溶接や導電性接着剤によって多層誘電体基板３上の導電面に接合される。

多層誘電体基板３には、複数の誘電体導波管（誘電体導波路）３０が形成されている、誘電体導波管３０は、所定の間隔で配置された複数の接地導体ビア３２によって構成されており、接地導体ビア３２は表層（上面）、内層、あるいは下面に形成された接地導体３１に接続されている。誘電体導波管３０は、多層誘電体基板３の上面でマイクロストリップ線路３３に接続され、マイクロストリップ線路３３は導電性部材３４を介して高周波半導体素子４に接続される。多層誘電体基板３の下面の接地導体３１には、誘電体の露出した開口が設けられ、誘電体導波管３０の入出力端子である導波管端子３５を構成している。

多層誘電体基板３の下面（裏面）の接地導体３１上には、誘電体導波管３０の導波管端子３５の周囲を取り囲むように所定の間隔をおいて、複数個の導電性接合部材３６が接合されている。導電性接合部材３６は、球状や樽型の半田バンプ（半田ボール）、金バンプ等によりＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）を構成している。

一方、多層誘電体基板３は、図２に示すように、バイアス・制御回路基板１０との間で電気信号を伝送する信号伝送経路を備えている。すなわち、多層誘電体基板３上に搭載された高周波半導体素子４は、導電性部材３４を介して表層信号線路３７に接続され、表層信号線路３７は、さらに信号ビア３８、内層信号線路３９、信号ビア３８を介して多層誘電体基板３の下面の設けられた導体端子４０に接続される。導体端子４０上には、導電性接合部材４１が接合されている。複数の導電性接合部材４１は、球状や樽型の半田バンプ（半田ボール）、金バンプ等によりＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）を構成している。

図５は、多層誘電体基板３の下面（裏面）を示す斜視図である。図５に示すように、誘電体が露出された導波管端子３５の周りの接地導体３１上には、所定の間隔をおいて複数の導電性接合部材３６が設けられている。また、多層誘電体基板３の下面の周縁部には、信号接続用の導電性接合部材４１が設けられている。このように、多層誘電体基板３の下面には、複数の導電性接合部材３６および複数の信号接続用の導電性接合部材４１が設けられており、これら導電性接合部材３６，４１によって、多層誘電体基板３とバイアス・制御回路基板１０とを接合固定する。すなわち、本高周波モジュールにおいては、ネジなどの機構的部品を用いることなく、導電性接合部材３６，４１によって多層誘電体基板３とバイアス・制御回路基板１０と接合固定する。なお、多層誘電体基板３の周縁部に導電性接合部材３６を配置して複数の導波管端子３５を多層誘電体基板３上の外側に配列し、導波管端子３５の配列よりも内側に導電性接合部材４１を配置しても良い。

バイアス・制御回路基板１０は、ＦＲ−４（Flame Retardant Type 4）などの安価なガラスエポキシ系の樹脂基板で形成されている。バイアス・制御回路基板１０には、多層誘電体基板３の導波管端子３５に電気的に接続される導波管５０が形成されている。導波管５０は、樹脂内に形成された貫通孔の内周面に導体層５１を形成するとともに、貫通孔の縁部周辺に導体層５１と接続される接地導体５２を形成することによって構成される。なお、導波管５０の孔の内周に導体層５１を設ける代わりに、孔の周辺に所定の間隔で複数の導電性スルーホールを配列して電磁シールド壁を構成しても良いし、導波管内部に誘電体を配しその周辺を取り囲むように所定の間隔で複数の導電性スルーホールを配列して電磁シールド壁を設けて誘電体導波管（誘電体導波路）を構成しても良い。高周波パッケージ２を構成する多層誘電体基板３は、導電性接合部材３６を介してバイアス・制御回路基板１０の上面の接地導体５２に接合されている。

図２に示すように、バイアス・制御回路基板１０の表層には、信号接続用の導電性接合部材４１が接合される導体端子４０を有している。導体端子４０は、バイアス・制御回路基板１０の内層の導体ビア４３に接続され、基板内層の導体線路４４に接続される。導体線路４４は導体ビア４５を介してバイアス・制御回路基板１０の表層の導体端子４６に接続される。導体端子４６は電気端子（リード端子）４７を介して電子部品６０の導体端子に接続される。電子部品６０は、半導体集積回路や、電源回路、コンデンサー等から構成される。このような経路で、高周波パッケージ２内の高周波半導体素子４とバイアス・制御回路基板１０上の電子部品６０との間で、制御信号、モニタ信号、ビデオ信号や電源バイアス等の、低周波の電気信号を伝送することができる。

バイアス・制御回路基板１０はの下面（裏面）の接地導体５２上には、導波管５０の開口の周囲を取り囲むように所定の間隔をおいて、複数個の導電性接合部材５３が接合されている。導電性接合部材５３は、球状や樽型や円筒型の半田バンプ（半田ボール）、金バンプ等によりＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）を構成している。

アンテナ基板２０は、バイアス・制御回路基板１０と同様、樹脂基板で構成されている。この樹脂基板としては、バイアス・制御回路基板１０のように、ＦＲ−４（ｔａｎδ＝約０．０２）のような通常の誘電体基板に比べて、充分に誘電正接（ｔａｎδ）が小さく、高周波特性上で誘電体損失の小さいものを採用する。例えば、アンテナ基板２０として、誘電正接ｔａｎδが０．００５以下のものを用いるのが良い。

アンテナ基板２０の下面側には、図４に示すように、送信用または受信用の複数のアンテナ素子（放射素子）２１が設けられており、これらアンテナ素子２１によって平面アレイアンテナを構成している。アンテナ基板２０には、これらアンテナ素子２１と、バイアス・制御回路基板１０の導波管５０を接続するための給電線路２２が形成されている。図１においては、アンテナ素子２１としては、正方形や長方形等の矩形形状のパッチアンテナ（或いはマクロストリップアンテナ）を示している。各アンテナ素子２１はアンテナ基板２０の表面で給電線路２２に接続されたマイクロストリップ線路４２に接続される。また、マイクロストリップ線路４２に接続されるアンテナ基板２０内部の給電線路２２として、送信用の給電導波路および受信用の給電導波路を示している。

給電線路２２は、例えば、樹脂内に形成された垂直貫通孔および水平貫通孔の内周面に導体層２４を形成するとともに、垂直貫通孔の縁部周辺に導体層２４と接続される導体層２５を形成することによって誘電体導波路が構成されている。給電線路２２は、バイアス・制御回路基板１０との対向面側の端部にて、バイアス・制御回路基板１０の導波管に接続されるアンテナ給電用のＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号端子（アンテナ給電端子）を構成し、他の端部側がアンテナ素子２１に接続される。

導体層２４の代わりに、垂直貫通孔の周辺に所定の間隔で複数の導電性スルーホールを配列して電磁シールド壁を構成しても良い。バイアス・制御回路基板１０は、導電性接合部材５３を介してアンテナ基板２０の上面の導体層２４に接合されている。なお、誘電体導波路の代わりに、マイクロストリップ線路およびトリプレート線路や同軸線路を設けて給電線路２２を構成しても良い。

また、バイアス・制御回路基板１０は、補強用の接合部材２６によってもアンテナ基板２０に接合されている。導電性接合部材５３および補強用の接合部材２６は、球状や樽型の半田バンプ（半田ボール）、金バンプ等によりＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）を構成している。接合部材２６については接着剤や非導電性の金属を用いても良いが、半田バンプを用いる方が導電性接合部材５３と同じ部材を用いて半田リフローにより、より簡便に接合することができる。

図６は、アンテナ基板２０の上面を示す斜視図である。図６に示すように、アンテナ基板２０の上面における給電線路２２の上面開口２３の周りには、所定の間隔をおいて複数の導電性接合部材５３が設けられている。また、アンテナ基板２０の上面において、その周縁部には、補強用の接合部材２６が設けられている。このように、アンテナ基板２０とバイアス・制御回路基板１０との間には、複数の導電性接合部材５３および補強用の接合部材２６が設けられており、これら導電性接合部材５３，２６によって、アンテナ基板２０とバイアス・制御回路基板１０とを接合固定する。すなわち、本高周波モジュールにおいては、ネジなどの機構的部品を用いることなく、導電性接合部材５３，２６によってアンテナ基板２０とバイアス・制御回路基板１０と接合固定する。なお、補強用の接合部材２６は、必要に応じて設けられるものであり、導電性接合部材５３のみによって所望の接合強度が得られる場合は、省かれる。

かかる構成によれば、高周波半導体素子４から出力される高周波信号（送信信号）は、マイクロストリップ線路３３を通じて誘電体導波管３０に伝送され、導波管端子３５から出力される。導波管端子３５から出力された高周波信号は、バイアス・制御回路基板１０の導波管５０を通じて、アンテナ基板２０の給電線路２２に入力される。さらに、アンテナ２０の給電線路２２に入力された高周波信号は、給電線路２２を介してアンテナ素子２１に対し電気的に結合され、アンテナ素子２１から送信電波が放射（出力）される。アンテナ素子２１から出力された送信電波は外部の電波を反射する反射体で反射され、アンテナ２０に返ってくる。アンテナ２０に返って来た受信電波は、送信路と別の同様の受信路を経由して高周波半導体素子４に入力される。

上記した高周波モジュールにおいて、高周波パッケージ２とバイアス・制御回路基板１０を接合する導電性接合部材３６，４１と、バイアス・制御回路基板１０とアンテナ基板２０を接合する導電性接合部材５３，２６とを全てハンダで構成した場合、高周波パッケージ２とバイアス・制御回路基板１０との接合、およびバイアス・制御回路基板１０とアンテナ基板２０との接合を同時リフローにより行うことができ、これにより生産効率を向上させることができる。

以上説明したように、この実施の形態では、バイアス・制御回路基板１０およびアンテナ基板２０の接合を、バイアス・制御回路基板１０の導波管５０とアンテナ基板２０の給電線路２２との接続部の周りに間隔をおいて配設される複数の導電性接合部材５３によって行うとともに、バイアス・制御回路基板１０と高周波パッケージ２とを、複数の導電性接合部材３６、４１を用いて接合するようにしているので、高周波モジュールのネジなどの機構部品による締結がなくなり、小型（薄型）化するとともに、低コスト化できる。また、バイアス・制御回路基板１０の導波管５０と高周波パッケージ２の導波管端子３５が複数の導電性接合部材３６で一体的に接合され、アンテナ２０の給電線路２２とバイアス・制御回路基板１０の導波管５０が複数の導電性接合部材５３で一体的に接合されているので、高周波パッケージ２の導波管端子３５からアンテナ素子２１までの間で、導波管の分離される部位が無くなり、このため、導波管の接合部で信号漏れを生じる可能性のある箇所が無くなり、チョーク溝を配設する箇所が無くなるので、その加工費用を抑制することができるとともに、漏れ信号を少なくすることができる。

なお、バイアス・制御回路基板１０およびアンテナ基板２０を導電性接着剤で接合固定するようにしてもよい。また、バイアス・制御回路基板１０およびアンテナ基板２０を同一基材の多層基板で構成するようにしてもよい。さらにバイアス・制御回路基板１０およびアンテナ基板２０を異種基材の多層基板で構成するようにしてもよい。

以上のように、本発明にかかる高周波モジュールは、ミリ波帯、マイクロ波帯の高周波信号を入出力する無線通信装置やレーダに適用すると好適である。

この発明に係る実施の形態の高周波モジュールを示す断面図である。高周波モジュールの内部接続をより詳細に示した断面図である。高周波モジュールの表面を示す斜視図である。高周波モジュールの裏面を示す斜視図である。多層誘電体基板の下面を示す斜視図である。アンテナ基板の上面を示す斜視図である。

符号の説明

１高周波モジュール
２高周波パッケージ
３多層誘電体基板
４高周波半導体素子
５カバー体
１０バイアス・制御回路基板
２０アンテナ基板
２１アンテナ素子
２２給電線路
２６接合部材（補強用）
３０誘電体導波管
３５導波管端子
３６導電性接合部材
４１導電性接合部材
５０導波管
５３導電性接合部材
６０電子部品

Claims

高周波半導体素子と、該高周波半導体素子を収容し前記高周波半導体素子と信号の授受を行う導波管端子が設けられた誘電体基板とを有した高周波パッケージと、
前記高周波パッケージが基板の一方面に搭載され、前記高周波パッケージの導波管端子と接続される導波路が形成され、前記高周波半導体素子を駆動する電子部品が基板の一方面に搭載された誘電体基板から成るバイアス・制御回路基板と、
一方面が前記バイアス・制御回路基板の他方面に接合され、前記バイアス・制御回路基板の導波路と接続される給電端子と、該給電端子に接続される他方面に形成されたアンテナ素子とを有した誘電体アンテナ基板と、
を備え、
前記バイアス・制御回路基板の導波路と前記誘電体アンテナ基板の給電端子との接続部の周りに間隔をおいて配設される導電性接合部材によって前記バイアス・制御回路基板の他方面と前記アンテナ基板の一方面の接合を行うことを特徴とする高周波モジュール。
高周波半導体素子と、該高周波半導体素子を収容し前記高周波半導体素子と信号の授受を行う誘電体導波管が形成された誘電体基板とを有した高周波パッケージと、
前記高周波パッケージが基板の一方面に搭載され、前記高周波パッケージの誘電体導波管と接続される導波管が形成され、前記高周波半導体素子を駆動する電子部品が基板の一方面に搭載された誘電体基板から成るバイアス・制御回路基板と、
一方面が前記バイアス・制御回路基板の他方面に接合され、前記バイアス・制御回路基板の導波管と接続される給電線路と、該給電線路に接続される他方面に形成されたアンテナ素子を有する誘電体基板から成るアンテナ基板と、
を備え、
前記バイアス・制御回路基板の導波管と前記アンテナ基板の給電導波路との接続部の周りに間隔をおいて配設される複数の導電性接合部材によって前記バイアス・制御回路基板および前記アンテナ基板の接合を行うことを特徴とする高周波モジュール。
前記バイアス・制御回路基板および前記アンテナ基板間の接合を補強する、間隔をおいて配置される複数の補強用接合部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波モジュール。
前記高周波パッケージの誘電体導波管と前記バイアス・制御回路基板の導波管との接続部の周りに間隔をおいて配設される複数の導電性接合部材によって前記高周波パッケージおよび前記バイアス・制御回路基板の接合を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の高周波モジュール。
前記高周波パッケージの誘電体基板の下面に、高周波パッケージの高周波半導体素子と前記バイアス・制御回路基板の電子部品との電気接続を行うための複数の電気接続用の導電性接合部材をさらに設け、該複数の電気接続用の導電性接合部材によって前記高周波パッケージおよび前記バイアス・制御回路基板の接合を行うことを特徴とする請求項４に記載の高周波モジュール。
前記バイアス・制御回路基板および前記アンテナ基板の接合を行う複数の導電性接合部材と、前記高周波パッケージおよび前記バイアス・制御回路基板の接合を行う複数の導電性接合部材と、前記複数の電気接続用の導電性接合部材は、ハンダであり、これら導電性接合部材を同時のリフローによりハンダ付けすることを特徴とする請求項５に記載の高周波モジュール。
高周波半導体素子と、該高周波半導体素子を収容し前記高周波半導体素子と信号の授受を行う導波管端子が設けられた誘電体基板とを有した高周波パッケージと、
前記高周波パッケージが基板の一方面に搭載され、前記高周波パッケージの導波管端子と接続される導波路が形成され、前記高周波半導体素子を駆動する電子部品が基板の一方面に搭載された誘電体基板から成るバイアス・制御回路基板と、
一方面が前記バイアス・制御回路基板の他方面に接合され、前記バイアス・制御回路基板の導波路と接続される給電端子と、該給電端子に接続される他方面に形成されたアンテナ素子とを有した誘電体アンテナ基板と、
を備え、
前記バイアス・制御回路基板の導波路と前記誘電体アンテナ基板の給電端子との接続部の周りに配設される接合部材によって前記バイアス・制御回路基板の他方面と前記アンテナ基板の一方面を接着することを特徴とする高周波モジュール。