JP5371997B2 - 高周波回路パッケージおよびセンサモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、高周波回路が搭載される高周波回路搭載基板と、導波管が形成されたマザー制御基板とを半田ボールでＢＧＡ接続した高周波回路パッケージおよびセンサモジュールに関するものである。
マイクロ波帯、ミリ波帯などの高周波帯で動作する高周波回路が搭載される高周波パッケージにおいては、耐候性を考慮した気密化の目的と、その動作安定性、ＥＭＩ（放射性スプリアス）規格などを考慮し、高周波回路は、シールリング、蓋体などによって電気的にシールドされたキャビティ内に搭載されることが多い。
特許文献１においては、外周器の内部に半導体チップや回路基板を搭載し、この回路基板と外周器の下側に配置された導波管との接続を行うために、導波管の直上にストリップ線路型アンテナが形成された誘電体窓を配置し、このストリップ線路型アンテナをストリップ線路を介して回路基板と接続することで、誘電体窓下に配置された導波管との結合を行っており、外周器の上部開口はふたによって気密封止するようになっている。
特開平０５−３４３９０４号公報（図３）
しかしながら、この従来のパッケージ構造では、蓋体およびシールリングとしての外周器によって高周波回路の遮蔽を行っているので、シールリング，蓋等の部材点数の増加や、パッケージへの半田接合、蓋の溶接等の製造工程が複雑化するなど、コスト、量産性に関する問題が多い。このように、マイクロ波帯、ミリ波帯などの高周波帯でも、電磁シールド、アイソレーションが確保可能な安価で、単純な構造のパッケージ構造、モジュール構成が望まれていた。
また、近年は、半導体チップ、高周波回路の耐候性向上の開発が進み、半導体回路に保護膜等を形成することにより、システムで要求される信頼性が確保されつつあるため、樹脂基板上に直接回路を実装したモジュール等のパッケージの非気密化が進んでいる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ふた体を用いない安価かつ簡単な構成によって、高周波回路のシールドまたは複数の高周波回路間のアイソレーションを確保できる高周波回路パッケージおよびセンサ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、例えばミリ波で動作する高周波半導体チップが裏面表層にバンプを介して実装された高周波回路を有し、前記高周波回路の接地導体と同電位で、かつ前記高周波回路を囲むように第１の接地導体が前記高周波回路の実装面である裏面表層に形成される第１の誘電体基板と、前記高周波回路を挟むように前記第１の誘電体基板を搭載し、前記高周波回路を駆動する信号を供給する線路が形成され、前記高周波回路に対向する部位でかつ表層に第２の接地導体が形成された第２の誘電体基板と、を備え、前記第１の誘電体基板の第１の接地導体上に前記高周波回路を囲むように複数の第１のランドを設け、前記第２の誘電体基板の表層の前記複数の第１のランドに対向する位置に前記第２の接地導体に電気的に接続されて、高周波回路の動作信号波長の１／４未満の間隔で形成される複数の第２の導体ランドを設け、第１のランドおよび第２のランド間を接続する複数の半田ボールを備え、前記第２の接地導体が形成される第２の誘電体基板の表層と、前記第２のランドが設けられる前記第２の誘電体基板の表層とは同一面であり、前記第１及び第２の導体ランドを接続する半田ボールによって囲まれた領域は、高周波信号の自由空間伝搬波長の１／２未満であるか、あるいは１／２となる長さを避けた縦横寸法を有し、前記高周波回路を前記複数の半田ボールと第１および第２の接地導体と前記高周波回路の接地導体とによって囲まれた擬似遮蔽キャビティ内に収納することを特徴とする。
また、本発明は、高周波半導体チップが裏面表層に搭載された高周波回路を有し、該裏面表層に前記高周波回路の接地導体と同電位で、かつ前記高周波回路を囲むように第１の接地導体が形成される第１の誘電体基板と、前記高周波回路を挟むように前記第１の誘電体基板を搭載し、前記高周波回路を駆動する信号を供給する線路が形成され、前記高周波回路に対向する部位に第２の接地導体が形成された第２の誘電体基板と、を備え、前記第１の誘電体基板の第１の接地導体上に前記高周波回路を囲むように複数の第１のランドを設け、前記第２の誘電体基板の表層の前記複数の第１のランドに対向する位置に前記第２の接地導体に電気的に接続される複数の第２のランドを設け、第１のランドおよび第２のランド間を接続する複数の導電性接続部材を備え、前記高周波回路を前記複数の導電性接続部材と第１および第２の接地導体と前記高周波回路の接地導体とによって囲まれた擬似遮蔽キャビティ内に収納し、上記導電性接続部材は、半田ボールであり、前記高周波半導体チップは、前記第１の誘電体基板の裏面表層にバンプを介して実装されたことを特徴とする。
また、本発明は、高周波半導体チップが裏面表層に搭載された高周波回路を有し、該裏面表層に前記高周波回路の接地導体と同電位で、かつ前記高周波回路を囲むように第１の接地導体が形成される第１の誘電体基板と、前記高周波回路を挟むように前記第１の誘電体基板を搭載し、前記高周波回路を駆動する信号を供給する線路が形成され、前記高周波回路に対向する部位に第２の接地導体が形成された第２の誘電体基板と、を備え、前記第１の誘電体基板の第１の接地導体上に前記高周波回路を囲むように複数の第１のランドを設け、前記第２の誘電体基板の表層の前記複数の第１のランドに対向する位置に前記第２の接地導体に電気的に接続される複数の第２のランドを設け、第１のランドおよび第２のランド間を接続する複数の導電性接続部材を備え、前記高周波回路を前記複数の導電性接続部材と第１および第２の接地導体と前記高周波回路の接地導体とによって囲まれた擬似遮蔽キャビティ内に収納し、上記導電性接続部材は、半田ボールであり、前記高周波半導体チップは、前記第１の誘電体基板の裏面表層にバンプを介して実装され、前記高周波回路は複数であり、前記複数の第１及び第２の導体ランドおよび複数の半田ボールは、複数の高周波回路をそれぞれ別個に囲むように配設され、複数の高周波回路を各々、別個に区画された擬似遮蔽キャビティに収納したことを特徴とする。
また、本発明は、異なるチップ間を接続する線路が通る半田ボールを間隔Ｌ１をλ／２より小さくすることを特徴とする。
また、本発明は、第１チップが送信回路用であり、第２チップが受信回路用であり、第１チップおよび第２チップ間を接続する接続線路を第２の誘電体基板に形成することを特徴とする。
また、本発明は、複数のチップのうちの一部が複数のミキサ回路を構成し、異なる区画間に配置されたミキサ回路が所定長の伝送線路で分岐する電力分配器に接続されていることを特徴とする。
この発明によれば、第１の誘電体基板の裏面表層に形成された高周波回路を、この高周波回路の周りに形成された導電性接続部材と第１および第２の接地導体と、高周波回路の接地導体とによって囲まれた擬似遮蔽キャビティ内に収納するようにしているので、ふた体を用いない安価かつ簡単な構成によって高周波回路をシールドすることが可能となる。
図１は、この発明の実施の形態にかかるセンサモジュールを示す断面図である。 図２は、この発明の実施の形態にかかる高周波回路パッケージを示す断面図である。 図３は、この発明の実施の形態にかかる高周波回路パッケージにおいて、高周波樹脂基板の裏面表層に形成された高周波回路、高周波半導体チップ、ＢＧＡボールなどの配置例を示す平面図である。 図４は、この発明の実施の形態の高周波回路パッケージの導波管−マイクロストリップ変換器部分の構成を示す断面図である。 図５は、この発明の実施の形態の高周波回路パッケージの導波管−マイクロストリップ変換器部分の構成を示す斜視図である。 図６は、この発明の実施の形態にかかる高周波回路パッケージにおいて、高周波樹脂基板の裏面表層に形成された高周波回路、高周波半導体チップ、ＢＧＡボールなどの他の配置例を示す平面図である。
以下に、本発明にかかる高周波回路パッケージおよびセンサ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、本発明にかかるセンサモジュールの実施の形態の構成を示す図である。このセンサモジュールは、ミリ波帯の電波を送受信するミリ波レーダに適用されるものであり、高周波回路の電源、制御回路などを混載した制御アンテナ基板１上に、高周波回路パッケージとして、送信回路パッケージＴＸおよび受信回路パッケージＲＸが搭載されている。送信回路パッケージＴＸおよび受信回路パッケージＲＸには、マイクロ波帯、ミリ波帯などの高周波帯で動作する複数の高周波回路が搭載されている。送信回路パッケージＴＸおよび受信回路パッケージＲＸは、実装される高周波回路が適度な耐湿性を有して非気密に収容されており、パッケージ内外での水分子の流通は阻害されない。なお、ミリ波レーダは、ＦＭ−ＣＷレーダや、パルスレーダ、多周波ＣＷレーダ等によって構成されるが、そのレーダ方式は問わない。また、センサモジュールを通信用機器や、マイクロ波レーダ等に適用しても良い。
制御アンテナ基板１は、アンテナパターン（アンテナ素子）が配列される樹脂アンテナ基板２と、送信導波管４、受信導波管５（１〜複数）、トリプレート線路６などが形成された樹脂製のマザー制御基板３との一体型として構成されている。制御アンテナ基板１は、高周波伝送特性の良い樹脂基板やセラミックなどの誘電体基板を貼り合わせて構成している。制御アンテナ基板１の上面には、送信回路パッケージＴＸおよび受信回路パッケージＲＸの他に、図示しない制御回路（ＩＣやマイコンやコンデンサなどの各種電子回路）が実装される。トリプレート線路６は、内層線路、シールドグランド、シールドスルーホールで構成されている。受信導波管５は複数設けられて複数チャンネルを構成するが、１つ設けられた１チャンネル構成であっても良い。
送信回路パッケージＴＸは、高周波回路搭載基板９０を備え、この高周波回路搭載基板９０は高周波伝送特性の良い樹脂またはセラミックなどの誘電体基板によって構成されており、高周波樹脂基板９０の裏面表層（制御アンテナ基板１と対向する側の表層）に、送信用の高周波回路９１が形成されるとともに、送信用の高周波半導体チップ９２等が実装されている。送信系の高周波回路９１（９２）としては、例えば、周波数ｆ０の高周波信号を発生する発振回路、この発振回路の出力を増幅する増幅回路、この増幅回路の出力を逓倍・増幅回路およびトリプレート線路６に出力する方向性結合器、前記増幅回路の出力をＮ逓倍し（Ｎ≧２）、周波数Ｎ・ｆ０の逓倍信号を増幅して出力する逓倍・増幅回路などが備えられている。送信系の高周波回路９１（９２）は、制御アンテナ基板１上に搭載される前記制御回路によって動作制御され、マイクロストリップ線路−導波管変換器、制御アンテナ基板１に形成された送信導波管４およびアンテナを介して送信波を送信する。送信導波管４は複数設けられて複数チャンネルを構成するが、１つ設けられた１チャンネル構成であっても良い。
制御アンテナ基板１と、送信回路パッケージＴＸの多層誘電体基板７との間は、ＢＧＡボール（半田ボール）１０によって接続されており、ＢＧＡボール１０を用いてＤＣバイアスおよび信号接続がなされている。この場合、送信回路パッケージＴＸの送信系の高周波回路９１（９２）で使用されている周波数ｆ０の局部発信波信号（LOCAL信号）が方向性結合器を経て、ＢＧＡボール１０、制御アンテナ基板１のトリプレート線路６、ＢＧＡボール３０を介して受信回路パッケージＲＸに入力されている。
受信回路パッケージＲＸは、高周波回路搭載基板２０を備え、この高周波回路搭載基板２０（以下高周波樹脂基板という）は高周波伝送特性の良い樹脂またはセラミックなどの誘電体基板によって構成されており、高周波樹脂基板２０の裏面表層（制御アンテナ基板１と対向する側の表層）に、受信用の高周波回路２１が形成されるとともに、高周波半導体チップ２２等が実装されている。高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成される受信用の高周波回路２１としては、例えば、ミキサ回路の一部を構成する入出力パターン配線、電力分配器、導波管変換器などのＲＦ回路がある。高周波半導体チップ２２としては、ミキサの一部を構成するダイオードとしてのＡＰＤＰ（アンチパラレルダイオードペア）、電力分配器で使用するチップ抵抗器などがある。高周波半導体チップ２２、９２は、Ａｕバンプ１００により高周波樹脂基板２０にフリップチップ実装される。
高周波樹脂基板２０は、マザー制御基板３と対向する裏面表層に導電性接続部材としてのＢＧＡボール３０が設けられ、これらのＢＧＡボール３０は次の機能を有する。
１）高周波半導体チップ２２と制御アンテナ基板１に搭載された制御回路とのＤＣバイアス、信号接続のためのインタフェース
２）制御アンテナ基板１に形成されたトリプレート線路６との高周波信号（LOCAL信号）の接続
３）個別回路（ミキサ、電力分配器など）の動作安定のためのキャビティ形成
４）複数のチャネル間の空間アイソレーションの確保
５）受信回路全体の電磁シールド（蓋体の代わり）
６）不要波の漏洩防止
つぎに、図２〜図５を用いて、受信回路パッケージＲＸの詳細について説明する。なお、送信回路パッケージＴＸ用の高周波樹脂基板９０については、受信回路パッケージＲＸ用の高周波樹脂基板２０と同様のパッケージ構成を有するので、以下では図２〜図５を用いた詳細説明を省く。図２は、高周波樹脂基板２０およびマザー制御基板３の断面図、図３は高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された受信用の高周波回路２１、高周波半導体チップ２２とＢＧＡボール３０の配置例を示す平面図、図４は高周波樹脂基板２０に形成された導波管−マイクロストリップ変換器部分の構成を示す断面図、図５は高周波樹脂基板２０に形成された導波管−マイクロストリップ変換器部分の構成を示す斜視図である。この実施の形態では、受信チャネルは４チャネルあるものを例として示しているが、図２では、１チャネルのみを示し、図３では、２チャネルのみを示している。図３では、ほぼ半分の２チャネル分の高周波回路２１、ＢＧＡボール３０などの配置例が示されている。なお、高周波樹脂基板２０に形成される全チャンネル数については、４チャンネルに限ることはなく、２、３チャンネルでも、５チャンネル以上の複数チャンネルでも良い。
図２において、マザー制御基板３の表層、内層には、高周波的に接地された接地導体パターンＧＰ（グランドプレーン）が形成され、この接地導体パターンＧＰは、黒塗りで示した接地導体ビアＧＢ（グランドビア）に接続されている。接地導体ビアＧＢは、マザー制御基板３の基板積層方向に形成されている。マザー制御基板３には、図４、図５にも示すように、所定の間隔（高周波信号の誘電体基板内実効波長λの１／４以下の間隔）で配置された接地導体ビアＧＢおよびマザー制御基板３を構成する誘電体によって導波管５が形成されている。この導波管５としては、図５に示すような中空の導波管を採用するようにしてもよい。
マザー制御基板３には、送信回路パッケージＴＸの送信系の高周波回路９１（９２）で使用されているLOCAL信号を高周波樹脂基板２０に伝送するためのトリプレート線路６と、このトリプレート線路６に接続される信号ビア４０と、この信号ビア４０に接続される表層の導体パッド４１とが形成されている。さらに、マザー制御基板３には、高周波樹脂基板２０からの出力信号（例えば、ミキサの出力信号である中間周波数信号（ＩＦ信号）をマザー制御基板３上に搭載される制御回路に伝送するために、信号線路４２、信号ビア４３が形成されている。また、後で詳述するが、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された受信用の高周波回路２１（高周波半導体チップ２２を含む）に対向するマザー制御基板３上の部位には、高周波回路２１の動作を安定させるために接地導体パターンＧＰが形成されている。この高周波回路２１に対向する部位に形成される接地導体パターンＧＰは、マザー制御基板３の表層に形成してもよいし、アイソレーションを得るために、高周波回路２１からの距離を確保するべくマザー制御基板３の内層に形成してもよい。この高周波回路２１に対向する部位に形成される接地導体パターンＧＰは、高周波回路２１の周囲に配設される遮蔽用ＢＧＡボール、高周波樹脂基板２０の内層の高周波回路２１に対向する部位に形成される接地導体パターンＧＰ、高周波樹脂基板２０の裏面表層に配置される高周波回路２１の周囲（高周波樹脂基板２０の裏面表層上）に形成される接地導体パターンＧＰとともに高周波回路２１を電気的に遮蔽する擬似キャビティを構成する。
図２において、マザー制御基板３と高周波樹脂基板２０との間には、ＢＧＡボール３０が配置されるが、接地導体に接続されるＢＧＡボール３０Ｇはハッチング付きで示し、信号接続に用いられるＢＧＡボール３０Ｓ（３０Ｓ１,３０Ｓ２）は白抜きで示した。また、接地導体に接続されるＢＧＡボール３０Ｇとしては、後述のＢＧＡ導波管５１を形成するためのものと、個別回路の動作安定のためのシールド形成やアイソレーションを確保するためのものとがあり、前者を符号３０Ｇ１、後者を符号３０Ｇ２として示した。また、信号接続に用いられるＢＧＡボール３０Ｓの周囲に配されて同軸インタフェースを構成するＢＧＡボール３０Ｇは、符号３０Ｇ３として示した。
図２、図３において、高周波樹脂基板２０には、マザー制御基板３に形成された導波管５と対向する位置に、導波管−マイクロストリップ変換器（以下ＷＧ−ＭＩＣ変換器という）５０が形成されている。ＷＧ−ＭＩＣ変換器５０は、図４、図５にその詳細が示されているが、ＢＧＡ導波管５１、導波管開口部５２、バックショート５３およびマイクロストリップ線路で構成される先端開放プローブ５４によって構成されている。
導波管開口部５２は、マザー制御基板３に形成された導波管５と対向する位置に形成され、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された接地導体パターンＧＰの抜きであって誘電体６０が露出されたものである。導波管開口部５２は、マイクロストリップ線路の先端開放プローブ５４の周囲を取り囲むように形成されている。
ＢＧＡ導波管５１は、高周波信号の自由空間伝搬波長の1／4以下の間隔で配列されたＢＧＡボール３０Ｇ１によって構成され、この部分での信号伝送媒体は空気である。具体的には、高周波樹脂基板２０の裏面表層において、導波管開口部５２の周囲に形成された接地導体パターンＧＰには、導波管開口部５２を囲むように高周波信号の自由空間伝搬波長の1／4以下の間隔で導体ランド（導体が露出している部分）６５が形成されており、これらのランド６５上にＢＧＡボール３０Ｇ１が配置される（導体ランドはＢＧＡボールのコンタクト領域として機能する）。なお、表層の接地導体パターンＧＰ上においては、ランド６５以外の部分には絶縁材料（はんだレジスト）が塗布されている。
バックショート５３は、導波管開口部５２から高周波樹脂基板２０の積層方向にλ／４の長さを有する先端短絡の誘電体導波管であり、基板内実効波長のλ／８未満の間隔で配置された接地導体ビアＧＢ、誘電体および先端に配置された接地導体パターンＧＰ（２００）によって構成されている。接地導体パターンＧＰ（２００）は、高周波樹脂基板２０の上部表層または内層に構成されており、誘電体導波管の短絡板として機能する。また接地導体パターンＧＰ（２００）は導波管開口部５２の周囲に形成された接地導体パターンＧＰおよび接地導体ビアＧＢに接続されている。バックショート５３は、信号周波数帯において、導波管５とマイクロストリップとの結合状態を良好となるよう機能する。先端開放プローブ５４は、導波管開口部５２内に突出するよう高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された先端開放のマイクロストリップ線路であり、バックショート５３により、誘電体導波管内の定在波分布が最大となる位置に配置されており、効率よく導波管−マイクロストリップ変換を行う。以上のように、この実施の形態１によれば、高周波回路からの信号を、導波管を用いて外部に入出力することが可能なため、６０ＧＨｚ帯以上のミリ波帯では低損失で小型の高周波信号入出力インタフェースが可能となる。
つぎに、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成される受信用の高周波回路２１および高周波半導体チップ２２などについて説明する。マザー制御基板３のトリプレート線路６、信号ビア４０を介して入力されるLOCAL信号は、ＢＧＡボール３０Ｓ１（図３の右下）を介して高周波樹脂基板２０に伝送される。LOCAL信号が伝送されるＢＧＡボール３０Ｓ１の周囲には、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成される接地導体パターンＧＰに接続されるＢＧＡボール３０Ｇ３が複数個（この場合４個）設けられており、これにより同軸回路インタフェースが構成されている。正確には、LOCAL信号が伝送されるＢＧＡボール３０Ｓ１の周囲には、接地導体パターンが露出された４個のランド６５が形成されており、これら４個のランド上にＢＧＡボール３０Ｇ３が接続されている。ＢＧＡボール３０Ｇ３は、高周波信号の自由空間伝搬波長の1／4以下の間隔で配列されている。
LOCAL信号が伝送されるＢＧＡボール３０Ｓ１には、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された導体ランド６６，マイクロストリップ線路７０が接続されている。マイクロストリップ線路７０には、電力分配器７５が接続され、電力分配器７５にはミキサ８０が接続されている。この場合、受信チャネルは４チャネルであるため、電力分配器７５はマイクロストリップ線路７０に入力されるLOCAL信号を４分配する。電力分配器７５は、例えば、分岐回路、インピーダンス変換器、λｇ/２位相線路、高周波半導体チップ２２としてのチップ抵抗器７６などで構成されている。
この場合、受信チャネルは４チャネルであるため、４個のミキサ８０が形成されている。ミキサ８０は、高周波半導体チップ２２としてのＡＰＤＰ（アンチパラレルダイオードペア）８１、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された信号線路、分波回路などで構成されており、電力分配器７５を介して入力されるLOCAL信号と、先端開放プローブ５４を介して入力されるＲＦ信号とがミキシングされて両者の周波数和または周波数差の成分を表すビート信号（ＩＦ信号）を生成する。
各ミキサ８０から出力されるＩＦ信号は、高周波樹脂基板２０の裏面表層あるいは内層に形成された逆位相吸収回路、反射回路等のＩＦ信号出力回路（図示せず）を経てＩＦ信号用の導体ランド６６に入力される。ＩＦ信号出力回路は、図２では、高周波樹脂基板２０の裏面表層にあるものとして示し、図３では、内層に形成されているものとして図示を省略した。各ＩＦ信号用のランド６６にはＢＧＡボール３０Ｓ２が夫々接続され、これらＢＧＡボール３０Ｓ２を介してＩＦ信号がマザー制御基板３に伝送される。ＩＦ信号が伝送されるＢＧＡボール３０Ｓ２の周囲にも、接地導体パターンＧＰに接続されるＢＧＡボール３０Ｇ３が複数個（この場合６個）設けられており、この部分も同軸回路インタフェースを構成している例を示しているが、同軸回路インタフェースを構成していなくても良く、例えば、ＩＦ周波数が低ければ、ＢＧＡボール３０Ｇ３を１個のみとして、平行二線として信号を受け渡しても良い。ＢＧＡボール３０Ｇ３は、高周波信号の自由空間伝搬波長の1／4以下の間隔で配列されている例を示しているが、同様にＩＦ周波数帯に応じて、干渉、放射性を考慮して、その間隔は広げても良い。マザー制御基板３では、ＩＦ信号を、表層の信号線路４２、信号ビア４３、内層の信号線路４２を介してマザー制御基板３上に搭載される制御回路に伝送する。
前述したように、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成されたミキサ８０、電力分配器７５、ＩＦ信号出力回路などの高周波回路２１（高周波半導体チップ２２を含む）に対向するマザー制御基板３上の部位には、高周波回路２１の動作を安定させるために接地導体パターンＧＰが形成されているが、同様に、高周波基板２０の内層（裏面表層から１層目）にも、ミキサ８０、電力分配器７５、ＩＦ信号出力回路などの高周波回路２１に対向する部位には、接地導体パターンＧＰが形成されている。この高周波基板２０の内層（裏面表層から１層目）に形成される接地導体パターンＧＰは、高周波回路２１の接地導体であり、高周波回路２１をシールドする遮蔽導体として機能すると共に、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された高周波回路２１の表層線路（マイクロストリップ線路）のＲＴＮ（リターン）導体として機能する。高周波基板２０の内層（裏面表層から１層目）に形成される接地導体パターンＧＰと高周波回路２１の周囲に形成される接地導体パターンＧＰとは接地導体ビアＧＢによって接続されており、これらは同電位となっている。
つぎに、図３を用いてＢＧＡボールの配置について説明する。図３において、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された接地導体パターンＧＰ上には、接地導体パターンが露出されたすなわち絶縁材料の抜きとしての接地導体用のランド６５が配列されており、これらランド６５の配設間隔は、基本的には、高周波信号の自由空間伝搬波長の1／4以下である。また、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された接地導体用のランド６５の配設位置に対向するマザー制御基板３の表層位置には、同様の接地導体用のランドが形成されている。ＢＧＡボール３０Ｇは、高周波樹脂基板２０およびマザー制御基板３に夫々形成された接地導体用のランド間を接続する。同様に、ＤＣバイアス、制御信号、LOCAL信号などの信号接続に用いられるＢＧＡボール３０Ｓを挟むことができるように、高周波樹脂基板２０およびマザー制御基板３の各表層位置には、そのためのランドが形成されている。なお、図３では、ＤＣバイアス、制御信号を接続するためのＢＧＡボールは、図示を省略した。
図３において、接地導体パターンＧＰは、ミキサ８０が配置される誘電体６０が露出された部分５５の周囲にも形成されている。このミキサ８０の周囲の接地導体パターンＧＰ上には、遮蔽用あるいはアイソレーション用のＢＧＡボール３０Ｇ２が接続されるランド６５がミキサ８０を囲むように高周波信号の自由空間伝搬波長の1／4以下の間隔で配列されており、これらのランド６５にＢＧＡボール３０Ｇ２が接続される。これら遮蔽用あるいはアイソレーション確保用のＢＧＡボール３０Ｇ２によって囲まれた領域の縦横寸法Ｌ２、Ｌ３は、高周波信号の自由空間伝搬波長の１／２未満であるか、あるいは１／２となる長さを避けるようにする。これは、これらの縦横寸法Ｌ２、Ｌ３が、高周波回路の動作周波数に対応する波長の略１／２（カットオフ寸法）に一致すると、キャビティ内で共振が発生し、高周波回路の誤動作（不要発振、周波数変動）を引き起こすためである。また、同様に寸法Ｌ１は高周波信号の自由空間伝搬波長の１／２未満となるように、ＢＧＡボール３０Ｇ２を配列する。これは、上記の各回路が収納されるキャビティ間を空間的に信号が伝搬してしまい、帰還・結合により高周波回路の誤動作（不要発振、周波数変動）を引き起こすためである。
ここで、前述したように、ミキサ８０などの高周波回路の搭載部位に対向するマザー制御基板３上の部位（表層または内層）には、接地導体パターンＧＰが形成されており、この接地導体パターンと、ミキサ８０の周りに配設された遮蔽用あるいはアイソレーション確保用のＢＧＡボール３０Ｇ２と、高周波樹脂基板２０の内層（裏面表層から１層目）の高周波回路の搭載部位に対向する箇所に形成された接地導体パターンＧＰと、高周波樹脂基板２０の裏面表層（または内層）であってかつ高周波回路の搭載部位の周囲に形成された接地導体パターンＧＰによって遮蔽空間としての擬似遮蔽キャビティが構成されている。このようにＢＧＡボール３０Ｇ２および高周波回路に対向する接地導体パターンＧＰによって構成される擬似遮蔽キャビティによって高周波回路を個別にさらにはチャネル別に区画することによって、高周波回路の遮蔽あるいはチャネル間のアイソレーション確保を、蓋体を用いない簡単かつ安価な構成によってなし得る。
図３においては、接地導体パターンＧＰは、電力分配器７５の周囲にも形成されており、電力分配器７５の周囲に形成された接地導体パターンＧＰ上にも、電力分配器７５を囲むようにランド６５およびＢＧＡボール３０Ｇ２が高周波信号の自由空間伝搬波長の1／4以下の間隔で配列され、また電力分配器７５の搭載部位に対向するマザー制御基板３上の箇所にも接地導体パターンＧＰが形成され、さらに電力分配器７５の搭載部位に対向する高周波樹脂基板の内層（裏面表層から１層目）にも接地導体パターンＧＰが形成されており、これらによって同様の遮蔽空間としての擬似遮蔽キャビティが構成されている。
さらに、図３においては、受信チャネル間のアイソレーションを確保するために、各受信チャネルの高周波回路間、すなわちミキサ８０間にもＢＧＡボール３０Ｇ２が配設されている。また、回路全体を電磁シールドするために、回路全体の周囲にも、ＢＧＡボール３０Ｇ２が配設されている。
なお、送信回路パッケージＴＸは、図１に示す構成の他、例えば、特開２００２−１８５２０３号公報や２００４−２５４０６８号公報などに記載されるように、セラミックで構成される多層誘電体基板と、多層誘電体基板上に搭載される送信系の高周波回路と、高周波回路をシールドする蓋体とで構成しても良い。この場合、送信系の高周波回路は、制御アンテナ基板１上に搭載される前記制御回路によって動作制御され、マイクロストリップ線路−導波管変換器を介し、制御アンテナ基板１に形成された送信導波管４およびアンテナを介して送信波を送信する。
また、受信回路パッケージＴＸまたは送信回路パッケージＲＸにおいて、マザー基板との接合部での母材の割れや剥がれが生じない程度の大きさであれば、高周波樹脂基板２０の素材として、多層の樹脂基板の代わりに多層セラミック基板を用いても良い。
また、ＢＧＡボール１０は、製造上、コスト上の制約が緩ければ、半田ボールの代わりに金バンプを用いて圧着によって接合しても良い。また、製造上、コスト上、信頼性上の制約が緩ければ、ＢＧＡボール１０の代わりに、導電性ブロックや導電性フィラを用いて接続しても良い。
図６は、導波管開口部５２とミキサ８０が配置される誘電体６０が露出された部分５５との周囲に配置されるＢＧＡボールの他の配置例を示すものである。図６では、導波管開口部５２と露出部分５５との間の間隔を図３よりも離間させ、導波管開口部５２と露出部分５５との間に２列以上のＢＧＡボールを配置している（図６では２列）。各ＢＧＡボールは、図３の場合と同様、高周波信号の自由空間伝搬波長の1／4以下の間隔で配列されている。このように、導波管開口部５２と露出部分５５との間に２列以上のＢＧＡボールを配置したほうが、ＷＧ−ＭＩＣ変換器５０とミキサ８０の間のシールドが向上し、各回路の動作が安定する。
このように本実施の形態によれば、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された高周波回路を、この高周波回路の周りに形成された接地されたＢＧＡボールおよび高周波回路と対向する部位に設けられた接地導体、高周波回路の周囲に形成された接地導体によって囲まれた擬似遮蔽キャビティ内に収納するようにしているので、ふた体を用いない安価かつ簡単な構成によって高周波回路を電磁シールドすることが可能となる。この際、高周波回路は、第１の誘電体基板である高周波樹脂基板２０と第２の誘電体基板であるマザー制御基板３との間で非気密に収容されている。また、高周波樹脂基板２０の裏面表層に形成された複数のチャネル分の高周波回路の各々を、チャネル毎に区画された擬似遮蔽キャビティによって遮蔽するようにしたので、各チャネル間のアイソレーションをシールリングなどの区画手段を用いない安価かつ簡単な構成によって確保することが可能となる。
また、本実施の形態によれば、ＢＧＡ接続構造によって、導波管インタフェース（ＢＧＡ導波管５１）、同軸インタフェース（ＢＧＡボール３０Ｓ１、３０Ｓ２）およびシールド／アイソレーション構造（擬似遮蔽キャビティ）を有する高周波収納ケースを提供することができ、これにより、量産性に優れ、安価なセンサモジュールを提供することが可能となる。
以上のように、本発明にかかる高周波回路パッケージおよびセンサモジュールは、基板間に高周波回路を実装する場合に有用である。
１ 制御アンテナ基板
２ 樹脂アンテナ基板
３ マザー制御基板
４ 送信導波管
５ 受信導波管
６ トリプレート線路
１０ ＢＧＡボール
２０ 高周波回路搭載基板（高周波樹脂基板）
２１ 高周波回路
２２ 高周波半導体チップ
３０ ＢＧＡボール
３０Ｇ、３０Ｇ１、３０Ｇ２、３０Ｇ３ ＢＧＡボール（接地接続）
３０Ｓ、３０Ｓ１、３０Ｓ２ ＢＧＡボール（信号用）
４０、４３ 信号ビア
４１ 導体パッド
４２ 信号線路
５０ 導波管−マイクロストリップ変換器
５１ ＢＧＡ導波管
５２ 導波管開口
５３ バックショート
５４ 先端開放プローブ
５５ 誘電体が露出された部分
６０ 誘電体
６５ 導体ランド（接地接続）
６６ 導体ランド（信号接続）
７０ マイクロストリップ線路
７５ 電力分配器
７６ チップ抵抗器
８０ ミキサ
８１ ＡＰＤＰ
９０ 高周波回路搭載基板
９１ 送信系の高周波回路
９２ 送信用の高周波半導体チップ
１００ Ａｕバンプ
ＧＢ 接地導体ビア
ＧＰ 接地導体パターン
ＲＸ 受信回路パッケージ
ＴＸ 送信回路パッケージ

Claims (5)

  1. 高周波半導体チップが裏面表層にバンプを介して実装された高周波回路を有し、前記高周波回路の接地導体と同電位で、かつ前記高周波回路を囲むように第１の接地導体が前記高周波回路の実装面である裏面表層に形成される第１の誘電体基板と、
    前記高周波回路を挟むように前記第１の誘電体基板を搭載し、前記高周波回路を駆動する信号を供給する線路が形成され、前記高周波回路に対向する部位でかつ表層に第２の接地導体が形成された、第２の誘電体基板と、
    を備え、前記第１の誘電体基板の第１の接地導体上に前記高周波回路を囲むように、高周波回路の動作信号波長の１／４未満の間隔で、複数の第１のランドを設け、前記第２の誘電体基板の表層の前記複数の第１のランドに対向する位置に前記第２の接地導体に電気的に接続されて、高周波回路の動作信号波長の１／４未満の間隔で形成される複数の第２の導体ランドを設け、
    第１のランドおよび第２のランド間を接続する複数の半田ボールを備え、
    前記第２の接地導体が形成される第２の誘電体基板の表層と、前記第２のランドが設けられる前記第２の誘電体基板の表層とは同一面であり、
    前記第１及び第２の導体ランドを接続する半田ボールによって囲まれた領域は、高周波信号の自由空間伝搬波長の１／２未満であるか、あるいは１／２となる長さを避けた縦横寸法を有し、
    前記高周波回路を前記複数の半田ボールと第１および第２の接地導体と前記高周波回路の接地導体とによって囲まれた擬似遮蔽キャビティ内に収納することを特徴とする高周波回路パッケージ。
  2. 前記高周波回路は、前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板の間で非気密に収容されたことを特徴とする請求項１に記載の高周波回路パッケージ。
  3. 前記第１の誘電体基板は、裏面表層に
    前記高周波回路に接続され、高周波回路を駆動するためのＤＣバイアス、制御信号を伝送する第１の配線パターンと、
    前記配線パターンに接続される第１の信号用ランドと、
    を備え、
    前記第２の誘電体基板は、
    前記高周波回路を駆動するためのＤＣ電源および制御回路を搭載し、
    前記第１の誘電体基板搭載面に、
    前記ＤＣ電源および制御回路からの信号を伝送する第２の配線パターンと、
    前記第２の配線パターンに接続され、前記第１の信号用ランドに対向する位置に配置された複数の第２の信号用ランドと、
    を備え、
    対向する前記第１および第２の信号用ランドを半田ボールによって、相互に接続することにより、前記第２の誘電体基板上のＤＣ電源および制御回路によって、前記第１の誘電体基板上の高周波回路を駆動することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波回路パッケージ。
  4. 前記高周波回路は複数であり、
    前記複数の第１及び第２の導体ランドおよび複数の半田ボールは、複数の高周波回路をそれぞれ別個に囲むように配設され、
    複数の高周波回路を各々、別個に区画された擬似遮蔽キャビティに収納したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の高周波回路パッケージ。
  5. 請求項１〜４の何れか一つに記載の高周波回路パッケージと、前記第２の誘電体基板の前記第１の誘電体基板の搭載面と反対側に配置され、前記第２の誘電体基板に形成された導波管に接続されたアンテナを備えたことを特徴とするセンサモジュール。
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