JP5444915B2 - 高周波モジュール及び高周波モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高周波モジュール及び高周波モジュールの製造方法に関し、特に車載用ミリ波レーダ、高速無線ＬＡＮや電波イメージング装置に使用され、高周波信号を出射・受信する高周波モジュール及び高周波モジュールの製造方法に関する。

高周波モジュールとしては、特許文献１及び２に示すようなものがある。特許文献１及び２の高周波モジュールは、パッケージと、樹脂基板と、導波管回路と、を備える。パッケージは、上面に半導体が搭載されている。当該高周波モジュールは、半導体の搭載面と同一面に平面線路及び平面線路−導波管変換器を有し、下面に導波管端子を有する。樹脂基板には、当該パッケージが搭載されている。パッケージと樹脂基板とは、導波管端子を取り囲む球状の半田ボールを介して接続されている。導波管回路は、当該樹脂基板の下面に接続されている。

このような高周波モジュールは、パッケージ内においてパッケージ基板上面からパッケージ基板厚を介してパッケージ基板下面へ高周波信号を接続する縦接続構造が必要となる。縦接続構造は、多層基板など高周波的に厚い基板構造では信号損失が増加したり、平面線路と平面線路−導波管変換器との整合が劣化したりする課題がある。

ところで、縦接続構造を省略した高周波モジュールとしては、特許文献３に示すようなものがある。特許文献３の高周波モジュールは、モジュールケース本体内にチップマウントベースプレート及びカップリングプローブ基板が平面的に配置されている。モジュールケース本体は、金属材料で形成されている。モジュールケース本体の内面の底部に短絡導波管開口を形成する掘り込み部が設けられている。チップマウントベースプレートに半導体が搭載されている。カップリングプローブ基板は、上面にストリップ導体が設けられている。カップリングプローブ基板の一部は、短絡導波管開口上に突出している。ストリップ導体の一端部は、半導体の信号入出力端子にワイヤで接続されている。ストリップ導体の他端部は、導波管結合のためのカップリングプローブとなる。

特許第３９６９３２１号公報 特開２００６−２８７９６２号公報 特開２００１−２８４４７６号公報

特許文献３の高周波モジュールは、縦接続構造を省略しているので、信号の損失を軽減でき、しかも平面線路と平面線路−導波管変換器との整合劣化を軽減できる。しかし、モジュールケース本体は金属加工品である。そのため、掘り込み部が大型化し、高周波モジュールを小型化、低背化することができない。
しかも、モジュールケース本体内にチップマウントベースプレート及びカップリングプローブ基板が平面的に配置されている。そのため、やはり高周波モジュールを小型化、低背化することができない。

本発明の目的は、上述した課題を解決する高周波モジュール及び高周波モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明の高周波モジュールは、一方の面に半導体が搭載され、半導体搭載面と同じ面に前記半導体の信号入出力端子が接続される平面線路、及び平面線路−導波管変換器を備える第１の導体を有し、他方の面において前記平面線路−導波管変換器を覆う第２の導体を有し、前記第２の導体は第１のスルーホールを介して前記第１の導体と接続されているパッケージと、略方形の第２のスルーホールを有し、前記第２のスルーホールは前記パッケージの平面線路−導波管変換器に対向して配置されている回路基板と、前記パッケージにおける前記第１の導体のグランド部分と、前記回路基板のグランドとを接続し、前記第２のスルーホールの周囲を囲むように配置されている導電接続部と、を備える。

本発明の高周波モジュールの製造方法は、一方の面に半導体を搭載し、半導体搭載面と同じ面に前記半導体の信号入出力端子が接続される平面線路、及び平面線路−導波管変換器を備える第１の導体を有し、他方の面において前記平面線路−導波管変換器を覆う第２の導体を有し、前記第２の導体は第１のスルーホールを介して前記第１の導体と接続されているパッケージを形成し、略方形の第２のスルーホールを有し、前記第２のスルーホールは前記パッケージの平面線路−導波管変換器に対向して配置される回路基板を形成し、前記パッケージにおける前記第１の導体のグランド部分と、前記回路基板のグランドとを、前記第２のスルーホールの周囲を囲むように配置された導電接続部を介して接続する。

本発明によれば、小型で、薄い高周波モジュール及び高周波モジュールの製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態の高周波モジュールを概略的に示す透視斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の高周波モジュールを概略的に示す構造図である。 本発明の第１の実施の形態の高周波モジュールを概略的に示す縦断面図であり、平面線路が形成された領域上における縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態の高周波モジュールを概略的に示す縦断面図であり、平面線路が形成された領域以外で、且つ平面線路−導波管変換器が形成された領域上における縦断面図である。 平面線路−導波管変換器及び第２のスルーホールと導電接続部との配置関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の高周波モジュールを概略的に示す縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態の高周波モジュールを概略的に示す縦断面図である。 本発明の第４の実施の形態の高周波モジュールを概略的に示す縦断面図である。

本発明の実施の形態に係る高周波モジュール及び高周波モジュールの製造方法について説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜第１の実施の形態＞
本実施の形態の高周波モジュールは、マイクロ波ミリ波帯用の高周波モジュールに適用したものである。高周波モジュール１は、図１に示すように、パッケージ２と、回路基板３と、導電接続部４（４１、４２）と、を備える。

パッケージ２は、図２に示すように、パッケージ基板５と、半導体６と、備える。パッケージ基板５は、誘電体５１と、第１の導体５２と、第２の導体５３と、第１のスルーホール５４と、を備える。

誘電体５１は、樹脂基板などの誘電体から成る。第１の導体５２は、平面線路５２１及び平面線路−導波管変換器５２２、他の信号配線やグランド部分等を有する。第１の導体５２は、誘電性を有する接着剤等の接合手段５２３を介して誘電体５１の下面に接合されている。ちなみに、本実施形態では、平面線路−導波管変換器５２２の周辺に当該平面線路−導波管変換器５２２を取り囲む形状でグランド部分が配置されている。

第２の導体５３は、平面線路−導波管変換器５２２を覆うように配置されている。第２の導体５３は、誘電性を有する接着剤等の接合手段５３１を介して誘電体５１の上面に接合されている。

第１のスルーホール５４は、誘電体５１に形成されている。第１のスルーホール５４は、第１の導体５２における平面線路−導波管変換器５２２を取り囲むグランド部分と第２の導体５３とを電気的に接続する。

半導体６は、高周波回路用半導体素子である。半導体６は、パッケージ２の下面に搭載されている。すなわち、半導体６は、パッケージ基板５の下面に配置されている。半導体６の信号入出力端子６１は、金、銅、半田等によるバンプから成る接続端子を介して第１の導体５２の平面線路５２１等の信号配線やグランド部分に電気的に接続されている。つまり、半導体６の高周波信号は、平面線路５２１を介して平面線路−導波管変換器５２２に接続されている。但し、図には記載されていないが、半導体６には高周波信号以外にも電圧を印加するＤＣ信号や、半導体６の機能を制御するための制御信号も、高周波信号と同様にパッケージ基板５に接続される。

このとき、平面線路５２１及び平面線路−導波管変換器５２２は、パッケージ２における半導体６の搭載面と同じ面に配置される。ちなみに、第１の導体５２の信号配線やグラウンド部分には、コンデンサや抵抗などの部品７が電気的に接続されても良い。

回路基板３は、略方形の第２のスルーホール３１を備える。すなわち、第２のスルーホール３１は、樹脂基板などの誘電体３２に形成されている。このとき、第２のスルーホール３１は、回路基板３をパッケージ２に接続した際に、当該パッケージ２の平面線路−導波管変換器５２２に対向して配置されるように形成される。つまり、第２のスルーホール３１の開口部は、パッケージ２の平面線路−導波管変換器５２２の平面形状と略等しく形成されている。第２のスルーホール３１は、図３及び４に示すように、当該第２のスルーホール３１の内周面を成す導体３１１が、誘電体３２の上面及び下面において当該第２のスルーホール３１を囲むように連続して形成されている。誘電体３２には、具体的な図示を省略した信号配線やグランドが形成されるが、当該導体３１１はグランドとして機能する。誘電体３２の上面には、信号配線やグランドと接続される表面実装部品８が配置されている。表面実装部品８は、半導体６に電源を供給したり、半導体６を制御したりするための回路や、外部との通信用回路などである。ちなみに、図３は、図５に示す平面線路５２１が形成された領域上における縦断面図である。図４は、図５に示す平面線路５２１が形成された領域以外で、且つ平面線路−導波管変換器５２２が形成された領域上における縦断面図である。

導電接続部４（４１、４２）は、半田ボール等の接続端子である。導電接続部４１は、パッケージ基板５の第１の導体５２のグランド部分と、回路基板３のグランドとを電気的に接続する。すなわち、導電接続部４１は、図５に示すように、平面線路−導波管変換器５２２及び第２のスルーホール３１を取り囲み、且つ平面線路５２１が回路基板３の導体と接続しないように、形成されている。そのため、導電接続部４１及び第２のスルーホール３１内の空間は、高周波伝送路として機能することになる。ちなみに、隣接する導電接続部４１は互いに接触しないように配列するが、高周波的に当該導電接続部４１のインピーダンスを低くするために、導電接続部４１の導体間の間隔は、高周波信号の１／５波長より狭くすることが好ましい。

導電接続部４２は、パッケージ基板５の第１の導体５２の信号配線と、回路基板３の信号配線とを電気的に接続する。これにより、表面実装部品８の出力信号に基づいて半導体６が制御される。要するに、導電接続部４１、４２は、高周波伝送路を形成する機能、グランド相互を接続する機能、半導体６に電源・制御信号を伝送する機能を有する。

このような高周波モジュール１は、パッケージ２と回路基板３とを、半田ボール等の導電接続部４で接続するだけで、簡単に高周波モジュールを構成することができる。また、第２のスルーホール３１を用いて高周波伝送路を形成しているため、高周波モジュールを小型で、薄くすることができる。特に、上記のような構成の高周波モジュール１は、スルーホールを微小化できるので、複数の導波管を有する高周波モジュールを構成する場合に好適である。
しかも、パッケージ２と回路基板３とを積層するので、やはり高周波モジュールを小型で、薄くすることができる。

勿論、高周波モジュール１は、パッケージ２と回路基板３とを接続するために、パッケージ基板５を厚さ方向に通過させる配線が不要となる。その結果、パッケージ基板５の縦配線における損失が無くなって高効率な高周波モジュールを実現することが可能となる。
さらに、パッケージ２で発生する熱は第１のスルーホール５４を介して第２の導体５３に伝えられる。これにより、高周波モジュール１はパッケージ２の上面から放熱することができる構成となり、信頼性の高い高周波モジュールを実現することができる。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態の第２の導体５３は、少なくとも平面線路−導波管変換器５２２の上方に配置されているが、この限りでない。すなわち、図６に示すように、第２の導体５３を誘電体５１の略全面に形成することが好ましい。これにより、パッケージ２の上面からの放熱効果を高めることができる。

ちなみに、第２の導体５３を誘電体５１の上面の略全面に形成する場合、誘電体５１の周縁内方に沿って第１のスルーホール５４を形成する。そして、第１の導体５２も、誘電体５１の周縁内方に沿ってグランド部分を形成する。当該グランド部分と第２の導体５３とを第１のスルーホール５４を介して電気的に接続する。さらに誘電体３２の上面には、パッケージ基板５のグランドと対応するように回路基板３のグランドを形成し、相互のグランドを導電接続部４を介して接続する。これにより、パッケージ２の周囲はグランドに接続する導体によって囲まれるため、半導体６や平面線路５２１、平面線路−導波管変換器５２２で発生する不要輻射を抑制することが可能となる。また構造上金属ケースが不要となり、部品点数を削減しても不要輻射を抑制することができるため、高周波モジュールのコストダウンを計ることができる。
このとき、隣接する第１のスルーホール５４の導体間の間隔は、高周波信号の１／４波長より小さいことが好ましく、さらに１／５波長より小さいことが好ましい。

＜第３の実施の形態＞
第２の実施の形態は、第１のスルーホール５４を用いて不要輻射を抑制しているが、この限りでない。すなわち、本実施形態の高周波モジュールは、図７に示すように、第２の導体５３を誘電体５１の上面の略全面に形成し、かつ第２の導体５３はパッケージ２の周囲を覆う導電性樹脂９を介して回路基板３のグランドに接続している。これにより、パッケージ２の周囲はグランドに接続する導体によって囲まれているため、半導体６や平面線路５２１、平面線路−導波管変換器５２２で発生する不要輻射を抑制することが可能となる。よって、第２の実施の形態と同様に、構造上金属ケースが不要となり、部品点数を削減しても不要輻射を抑制することができるため、高周波モジュールのコストダウンを計ることができる。

＜第４の実施の形態＞
第１の実施の形態は、パッケージ基板５の厚さについて特に触れていないが、パッケージ基板５はその厚さが誘電体５１の誘電率を加味した実効波長で高周波信号の１／４波長以上となる厚さであることが好ましい。ここで、「誘電体５１の誘電率を加味」とは、誘電体５１は空気より誘電率が大きいため、それを考慮して当該誘電体５１の厚さを設定することである。

すなわち、本実施形態の高周波モジュールは、パッケージ基板５の内部において、平面線路−導波管変換器５２２の上方に第１の導体５２と第１のスルーホール５４によって実効波長で１／４波長の長さを持つ導波管ショートスタブ１０が形成されている。これにより、平面線路−導波管変換器５２２の上方へ伝えられる電磁波（高周波信号）は、導波管ショートスタブ１０によって反射され、平面線路−導波管変換器５２２の下方へ伝えられる電磁波と同相になり、共に略方形の第２のスルーホール３１に伝わることとなる。その結果、パッケージ基板５の内部の導体構成だけによって低損失な平面線路−導波管変換器５２２を構成することができ、高効率な高周波モジュールを得ることが可能となる。

本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施形態での上下方向は、説明の便宜上用いているものであり、逆の構成でも良い。

１ 高周波モジュール
２ パッケージ
３ 回路基板、３１ 第２のスルーホール、３２ 誘電体、３１１ 導体
４（４１、４２） 導電接続部
５ パッケージ基板、５１ 誘電体、５２ 第１の導体、５２１ 平面線路、５２２ 平面線路−導波管変換器、５２３ 接合手段、５３ 第２の導体、５３１ 接合手段、５４ 第１のスルーホール
６ 半導体、６１ 信号入出力端子
７ 部品
８ 表面実装部品
９ 導電性樹脂
１０ 導波管ショートスタブ

Claims (10)

1. 一方の面に半導体が搭載され、半導体搭載面と同じ面に前記半導体の信号入出力端子が接続される平面線路、及び平面線路−導波管変換器を備える第１の導体を有し、他方の面において前記平面線路−導波管変換器を覆う第２の導体を有し、前記第２の導体は第１のスルーホールを介して前記第１の導体が有するグランド部分と接続されているパッケージと、
   略方形の第２のスルーホールを有し、前記第２のスルーホールは前記パッケージの平面線路−導波管変換器に対向して配置されている回路基板と、
   前記パッケージにおける前記第１の導体のグランド部分と、前記回路基板が有するグランドとを接続し、前記第２のスルーホールの周囲を囲むように配置されている導電接続部と、
   を備える高周波モジュール。
2. 前記第２の導体は、前記パッケージの他方の面における略全面に形成されており、前記第２の導体は、前記パッケージの周縁内方を囲むように形成された第１のスルーホールを介して前記第１の導体のグランド部分と接続され、
   前記第１の導体のグランド部分は、前記パッケージの周縁内方を囲むように配置された導電接続部を介して前記回路基板のグランドと接続されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波モジュール。
3. 前記第１のスルーホールは、高周波信号の１／４波長以下の間隔で隣接することを特徴とする請求項２に記載の高周波モジュール。
4. 前記第２の導体は、前記パッケージの他方の面における略全面に形成されており、前記第２の導体は、前記パッケージの周囲を覆う導電性部材を介して前記回路基板のグランドと接続されていることを特徴とする請求項１の高周波モジュール。
5. 前記パッケージの厚さは、高周波信号の１／４波長以上の厚さを有し、前記第１のスルーホールは導波管ショートスタブとされることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波モジュール。
6. 一方の面に半導体を搭載し、半導体搭載面と同じ面に前記半導体の信号入出力端子が接続される平面線路、及び平面線路−導波管変換器を備える第１の導体を有し、他方の面において前記平面線路−導波管変換器を覆う第２の導体を有し、前記第２の導体は第１のスルーホールを介して前記第１の導体が有するグランド部分と接続されているパッケージを形成し、
   略方形の第２のスルーホールを有し、前記第２のスルーホールは前記パッケージの平面線路−導波管変換器に対向して配置される回路基板を形成し、
   前記パッケージにおける前記第１の導体のグランド部分と、前記回路基板が有するグランドとを、前記第２のスルーホールの周囲を囲むように配置された導電接続部を介して接続する高周波モジュールの製造方法。
7. 前記第２の導体は、前記パッケージの他方の面における略全面に形成し、前記パッケージの周縁内方を囲むように形成された第１のスルーホールを介して前記第１の導体のグランド部分と接続し、
   前記第１の導体のグランド部分は、前記パッケージの周縁内方を囲むように配置された導電接続部を介して前記回路基板のグランドと接続することを特徴とする請求項６に記載の高周波モジュールの製造方法。
8. 前記第１のスルーホールは、高周波信号の１／４波長以下の間隔で隣接させることを特徴とする請求項７に記載の高周波モジュールの製造方法。
9. 前記第２の導体は、前記パッケージの他方の面における略全面に形成し、
   前記第２の導体は、前記パッケージの周囲を覆う導電性部材を介して前記回路基板のグランドと接続することを特徴とする請求項６に記載の高周波モジュールの製造方法。
10. 前記パッケージの厚さは、高周波信号の１／４波長以上の厚さとし、前記第１のスルーホールは導波管ショートスタブとすることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の高周波モジュールの製造方法。

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