JP5645390B2 - 高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造、および高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造、および高周波モジュールに関する。

一般に、ＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）などの半導体素子を高周波回路基板に実装して、半導体素子の制御信号，高周波信号を高周波回路基板に電気的に接続する場合、ボンドワイヤなどの導線を用いて高周波回路基板の上の信号線路と、半導体素子とが接続されている。特に、ミリ波に代表される高周波領域では、高周波回路基板の上の信号線路としてマイクロストリップ線路が用いられている。

高周波回路基板の上の信号線路に半導体素子から導線を延ばして接続すると、信号線路と半導体素子との間には、導線の線路の長さに応じて主としてインダクタンス成分が生じる。低周波領域では、波長が長いのでインダクタンス成分を実質的に無視できるが、高周波領域では、波長が短いのでインダクタンス成分を無視できなくなる。高周波領域では、インピーダンスの不整合による信号の反射、半導体素子の接地導体から離れることによる放射などのために伝送特性が劣化するからである。

このため、高周波領域では、ボンドワイヤなどの導線の長さを極力短くすることが常識とされている。そこで、高周波回路基板の一部をキャビティとして形成して、このキャビティの内部に半導体素子を配置したものがある。このキャビティの内部への配置に際して、半導体素子の接続端子の高さと、高周波回路基板の接続端子の高さとをできるだけ一致させて、導線の長さが短くなるように半導体素子が配置されている。

一方、発生したインダクタンス成分を打ち消すためにキャパシタンス成分を導入する方法もある。例えば高周波回路基板の上に単板コンデンサなどの素子を実装して、この素子に導線を接続する手法，および導線を高周波基板の上のストリップ線路に接続して、ストリップ線路にスタブなどを形成することによって、キャパシタンス成分を導入してインピーダンスの整合を図る手法がある。

実際には、多くの場合、上記の２つの技術が併用されて用いられている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００７−９５８３８号公報

しかしながら、上記の従来技術には、次のような問題点があった。

高周波回路基板の一部をキャビティとして形成する技術は、セラミック多層配線基板でよく用いられている。しかし、この技術を採用するには、半導体素子の接続端子の高さと、高周波回路基板の接続端子の高さとをできるだけ一致させるべく、高い寸法精度が要求される。

また、単板コンデンサを実装することでキャパシタンス成分を導入する手法では、単板コンデンサの容量が決まっていることから、半導体素子の実装ズレに伴う導線の長さの変動によるインダクタンスの変動を補正することができない。一方で、導線を接続するストリップ線路にスタブを形成する手法では、導線のインダクタンス成分が大きくなるほどインピーダンスの整合を図れる周波数帯域が狭くなり、スタブの大きさ，位置に敏感となる。このため、高周波回路基板には、高い寸法精度が要求されることになる。

本発明は、このような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものである。本発明の目的は、２つの高周波回路を、導線で簡便に結合することができる高周波回路とスロットとの結合構造、および高周波モジュールを提供することにある。

本発明の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造は、高周波信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる信号端子と、該信号端子に隣り合って配置されている、前記高周波信号の基準電位となる基準電位端子と、を有している高周波回路、絶縁基板と、該絶縁基板の上に設けられている、前記高周波信号を伝送する信号配線と、前記絶縁基板に設けられている、前記信号配線の基準電位となる第１の基準配線と、で構成されているマイクロストリップ線路、前記絶縁基板の上に設けられており、前記信号端子および前記信号配線の間に位置している、前記第１の基準配線に電気的に接続されている第２の基準配線、第１の端が前記信号端子に接続されており、第２の端が前記高周波回路から前記信号配線へ向かって伸びている、前記第２の基準配線を跨って設けられている第１の導線、および、第１の端が前記基準電位端子に接続されており、第２の端が当該基準電位端子から前記基準配線へ向かって伸びている第２の導線、を備えており、前記第１導線の長さは、前記高周波信号の信号波長の１／２の長さの整数倍である。

本発明の高周波モジュールは、前記絶縁基板の上に設けられている、前記高周波回路が実装されたダイアタッチ導体をさらに備えており、前記第１基準配線は、ビア導体を介して前記ダイアタッチ導体と電気的に接続されている、上述の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造を採用している。

本発明によれば、２つの高周波回路を、導線で簡便に結合することができる高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造、および高周波モジュールを提供することができる。

本発明の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造の第１の実施形態を模式的に示す外観斜視図である。 図１に示した高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造を模式的に示す平面図である。 図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図２に示したＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 本発明の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造の他の実施形態を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造を採用した高周波モジュールを添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１，２，３に示した第１の実施形態に係る高周波モジュール１０は、導電構造体２０と、高周波回路を内蔵している高周波部品３０と、導線４０と、保護部材５０と、を備えている。

導電構造体２０は、基体２１と、信号配線２２と、基準配線２３と、を有している。この誘電構造体２０では、信号配線２２と、基準配線２３の一部とが基体２１を介して電磁気的に結合して、マイクロストリップ線路２０ａとして機能している。

基体２１は、信号配線２２および基準配線２３を支持する基材として機能している。本実施形態の基体２１は、高周波部品３０および保護部材５０を支持する基材としても機能している。基材２１の形成材料としては、例えばセラミックス、ガラス、またはエポキシ系樹脂を含む絶縁樹脂が挙げられる。この基体２１には、当該基体２１を厚み方向（ｚ方向）に貫通する複数のビアホール２１ａが設けられている。

信号配線２２は、高周波信号を伝送する機能を担っている。この信号配線２２は、基体２１の第１の主面２１ｂの上に設けられている。この信号配線２２は、ｘ方向として示した、高周波信号の伝送方向ｘに沿って延びる層として設けられている。この信号配線２２は、マイクロストリップ線路２０ａにおけるストリップ線路として設けられている。

基準配線２３は、第１の基準配線２３１と、第２の基準配線２３２と、ビア導体２３３と、を含んで構成されている。この基準配線２３は、信号配線２２を伝送する高周波信号の基準電位として機能するものである。

第１の基準配線２３１は、基体２２の第２の主面２１ｃの上に設けられている。この第２の主面２１ｃは、第１の主面２１ｂと対となって広がっている面である。この第１の基準配線２３１は、ビア導体２３３を介して第２の基準配線２３２に電気的に接続されている。この第１の基準配線２３１は、透過平面視において、第２の基準配線２３２と、信号配線２２と、に重なって設けられている。また、この第１の基準配線２３１は、第２方向における長さＷ_３１が第２の基準配線２３２の第２方向における長さＷ_２２に比べて長くなるように設けられている。この第１の基準配線２３１は、基体２１を介して信号配線２２と電磁気的に結合しており、マイクロストリップ線路２０ａにおける基準配線として機能している。

第２の基準配線２３２は、基体２１の第１の主面２１ｂの上に設けられている。この第２の基準配線２３２は、平面視において、信号配線２２と、高周波部品３０と、の間に配置されている。この第２の基準配線２３２は、伝送方向ｘと交わる方向に長く伸びている矩形状の層として設けられている。ここでは、第２の基準配線２３２が長く伸びている当該交わる方向を第２方向としている。この第２方向は、ｙ方向として図１などに示している。この第２の基準配線２３２は、第２方向における長さＷ_３１が信号配線２２の第２方向における長さＷ_２に比べて長くなるように設けられている。また、この第２の基準配線２３２は、中央において信号配線２２との離間距離が最も短くなるように設けられている。

ビア導体２３３は、基体２１のビアホール２１ａの内部に複数設けられており、ビアホール２１ａを貫いて設けられている。このビア導体２３３は、第１の基準配線２３１と、第２の基準配線２３２とを電気的に接続している。このビア導体２３３は、第２の基準配線２３２の第２方向における中央部の下に設けられている。

高周波部品３０は、高周波信号を介して伝達が行われている高周波回路を含んで構成されているものである。この高周波部品３０は、基体２１の第１の主面２１ｂの上に設けられている。本実施形態の高周波部品３０は、信号端子３１と、基準電位端子３２と、を備えている。

この信号端子３１は、高周波信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる。つまり、この信号端子３１は、高周波信号の入力に用いるものであっても、高周波信号の出力に用いるものであっても、高周波信号の入出力兼用で用いるものであってもよい。また、この信号端子３１は、高周波部品３０が内蔵している高周波回路に電気的に接続されている。本実施形態の信号端子３１は、高周波部品３０の上面３０ａに設けられている。

この基準電位端子３２は、高周波部品３０の基準電位に電気的に接続されている。この基準電位端子３２は、信号端子３１と絶縁された状態で、当該信号端子３１に隣り合って設けられている。本実施形態の基準電位端子３２は、２つが離間して設けられており、信号端子３１は、当該２つの基準電位端子３２の間に設けられている。

導線４０は、導電構造体２０と、高周波部品３０とを電磁的に接続している。この導線４０には、第１の導線４１と、第２の導線４２，４３とが含まれている。導線４０を形成するものとしては、例えば金、アルミニウムなどの金属材料が挙げられる。導線４０の太さとしては、例えば０．０１〜０．０５〔ｍｍ〕の範囲の径のものが採用される。導電層４０は、例えばワイヤボンダを用いて容易に形成することができる。ここで「導線」とは、線状または帯状の導体のことであり、例えばリボンワイヤのようなものも含むものである。「電磁気的に接続」するとは、電磁波を介して高周波信号が導通するようにすることである。

第１の導線４１は、信号配線２２と信号端子３１とを電磁的に接続している。本実施形態の第１の導線４１は、信号配線２２と信号端子３１とを電気的に直接接続している。より詳しくは、この第１の導線４１は、一方の端部が信号端子３１に物理的に接続されている。この第１の導線４１は、他方の端部が、高周波部品３０から視て、第２の基準配線２３２の向こう側に位置している信号配線２２に物理的に接続されており、第２の基準配線２３２を跨ぐように設けられている。つまり、第１の導線４１は、第２の基準配線２３２の上方を横断するように設けられている。ここで「第１の基準配線の上方を横断する」とは、第１の導線４１が第２の基準配線２３２と離間して設けられており、ｚ方向から平面視したときに、第１の導線４１が第２の基準配線２３２と交差していることをいう。本実施形態の第１の導線４１は、複数のビア導体２３３のうち１つのビア導体２３の上方を通過している。

また、第１の導線４１は、先端が信号配線２２に接触しているので、当該先端をショート端と見なすことができる。そのため、この第１の導線４１は、長さを信号波長の１／２の長さの整数倍にすることが好ましい。

さらに、第１の導線４１は、ｚ方向から平面視したときに、第２方向（ｙ方向）における第２の基準配線２３２の中央で、当該第２の基準配線２３２と交わるように設けられている。本実施形態の第１の導線４１は、ｚ方向から平面視したときに、第２の基準配線２３２が長く延びている方向と直交している。なお、この第１の導線４１は、第２の基準配線２３２が長く延びている方向と直交していなくともよく、第２の基準配線２３２が長く延びている方向に対して傾いて設けられている場合でも電磁気的に結合することができる。第１の導線４１は、延びている方向を第２の基準配線２３２が長く延びている方向と直交に近づけることによって、マイクロストリップ線路２０ａとの結合を強めることができる。

第２の導線４２，４３は、導電構造体２０の基準配線２３と、基準電位端子３２とを電磁的に接続している。本実施形態の第２の導線４２，４３は、基準配線２３と基準電位端子３２とを電気的に直接接続している。より詳しくは、この第２の導線４２，４３は、第１の端部が基準電位端子３２に接続されており、第２の端部が、高周波部品３０から視て、信号配線２２の手前側に位置している基準配線２３に接続されている。

また、この第２の導線４２，４３は、第１の導線４１に沿って延びるように設けられている。なお、このようにして２本の第２の導線４２，４３を第１の導線に沿って設けることによって、第１の導線４１との結合を強めることができ、電磁波が漏れるのを低減することができる。

本実施形態の第２の導線４２，４３は、ｚ方向から視たときに、第１の導線４１に平行に伸びている。なお、この第２の導線４２，４３は、必ずしも第１の導線４１に平行に伸びていなくてもよい。例えば、第２の導線４２，４３は、互いの間隔を第２の基準配線２３２の端まで広げて設けられていてもよい。

保護部材５０は、信号配線２２、第２の基準配線２３２、高周波部品３０、および導線４０に跨って設けられている。この保護部材５０は、当該信号配線２２、第２の基準配線２３２、高周波部品３０、および導線４０を保護している。ここで「保護」とは、機械的な保護をいい、例えば導線４０の外力による断線などを低減している。なお、この保護部材５０は、信号配線２２、第２の基準配線２３２、高周波部品３０、および導線４０を可視化するべく、図面において点線で示している。この保護部材５０は、信号配線２２、第２の基準配線２３２、高周波部品３０、および導線４０を封止するものではなく、例えば側面の一部を有していなかったり、上面にビアホールが設けられていたり、複数の支柱で天板を支持しているものであったりしてもよい。

本実施形態の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造は、高周波信号を伝達可能なマイクロストリップ線路２０ａを有している導電構造体２０と、高周波回路を有している高周波部品３０と、高周波回路のうち高周波信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる信号端子３１に第１の端が電磁気的に接続されており、当該信号端子３１からマイクロストリップ線路２０ａを構成する第２の基準配線２３２の上方を横断して、設けられている第１の導線４１と、高周波回路の基準電位となる基準電位端子３２に第１の端が電磁気的に接続されており、当該基準電位端子３２からマイクロストリップ線路を構成する信号配線２２へ向かって第２の端が設けられている第２の導線４２ａ，４３ａと、を備えており、高周波回路とスロット２２とが電磁気的に接続されている。

このような構造を備える本実施形態の高周波回路とスロットとの結合構造によれば、高周波回路を内蔵した高周波部品３０の信号端子３１に第１の端が接続されている第１の導線４１を、高周波信号と結合可能なマイクロストリップ線路２２ａを構成する第２の基準配線２３２の上方を横断するように配置したことから、第１の導線４１から伝送される高周波信号をマイクロストリップ線路２０ａに結合することができる。または、マイクロストリップ線路２０ａから伝送される高周波信号を第１の導線４１に結合することができる。

本実施形態の第１の導線４１、および第２の導線４２，４３は、導体板２１に接触している。このように第１の導線４１、および第２の導線４２，４３を接触させることによって、マイクロストリップ線路２０ａに直接給電する効果も生まれる。したがって、この観点では、第１の導線４１、および第２の導線４２，４３をマイクロストリップ線路２０ａを構成する信号配線２２および第２の基準配線２３２に近づけるのが望ましく、直接給電の効果を高め、電磁波の漏れ量を少なくすることができる。なお、第１の導線４１の長さを長くしてマイクロストリップ線路２０ａと最もよく結合する周波数を低周波数側にずらしたり、反対に短くしたりすることによって、その逆の調整が行えるので、高周波部品３０の実装ズレ、マイクロストリップ線路２０ａのサイズまたは位置ズレを予め考慮して設計することができる。

（変形例）
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。

本実施形態では、第１の基準配線２３１は、基体２２の第２の主面２２ｃの一部に設けられているが、全面に設けられていてもよい。また、この基体２２の第２の主面２２ｃの全面に設けられる第１の基準配線２３１Ａは、図５に示したように、第２のビア導体２４を介して、高周波部品３０を実装するダイアタッチ導体２５と電気的に接続されていても良い。

本実施形態では、第１の導線４１および第２の導線４２，４３が導電構造体２０と接触しているが、このような構成に限るものではない。例えば信号配線２２と、第１の導線４１とを接触させずに近づけて、電磁的に接続した場合でもよい。ここで、第１の導線４１の先端が導電構造体２０に接触していないか、または接触しているとみなせない程度に離れている場合は、当該先端をオープン端と見なすことができる。これらの場合は、第１の導線４１の長さを信号波長の１／４〜１／２の長さとすることが望ましい。また、第１の導線４１の第２の端を宙に浮かせる場合には、例えば第１の導線４１の第１の端を信号端子３１に接続した後に、第１の導線４１の第２の端を接続する場所の状態およびワイヤボンダの設定を調整することによって、第１の導線４１の第２の端が接続されないようにすればよい。このようにすることで、第１の導線４１の弾性によって当該第１の導線４１の第２の端を宙に浮かせることができる。さらに、第１の導線４１およびその周囲を樹脂で被覆して固定することにより、第１の導線４１の形状を安定化することができる。

本実施形態では、第１の導線４１が第２の基準配線２３２の中央部を跨いで、信号配線２２に接続されているが、第１の導線４１は第２の基準配線２３２の中央部以外の部位に接続されていてもよい。

本実施形態の第２の導線は、４２，４３として２本設けられているが、１本であっても３本以上であってもよい。

本実施形態においては、高周波回路が内蔵された高周波部品３０が基体２１の上に設けられている例を示したが、高周波部品３０が基体２１の上に設けられずに、他の基板の上に設けられていてもよい。

本実施形態で示した形態に限らず高周波回路を他の高周波線路に結合して用いることも可能である。また、信号配線２２を基体２１の表面の上に設けなくてもよく、基体２１の上に誘電層を設けるとともに、当該誘電層に設けらているビアホール中のビア導体を介して第１の導線４１と信号配線２２とを接続してもよい。また、誘電体が薄い場合には、ビア導体を介して接続しない場合でもマイクロストリップ線路２０ａと電磁的に結合することができる。

１０・・・高周波モジュール
２０・・・導電構造体
２０ａ・・・マイクロストリップ線路
２１・・・基体
２１ａ・・・ビアホール
２２・・・信号配線
２３・・・基準配線
２３１・・・第１の基準配線
２３２・・・第２の基準配線
２３３・・・ビア導体
３０・・・高周波部品
３１・・・信号端子
３２・・・基準電位端子
４０・・・導線
４１・・・第１の導線
４２，４３・・・第２の導線
５０・・・保護部材

Claims (4)

1. 高周波信号の入力および出力の少なくとも一方に用いる信号端子と、該信号端子に隣り合って配置されている、前記高周波信号の基準電位となる基準電位端子と、を有している高周波回路、
   絶縁基板と、該絶縁基板の上に設けられている、前記高周波信号を伝送する信号配線と、前記絶縁基板に設けられている、前記信号配線の基準電位となる第１の基準配線と、で構成されているマイクロストリップ線路、
   前記絶縁基板の上に設けられており、前記信号端子および前記信号配線の間に位置している、前記第１の基準配線に電気的に接続されている第２の基準配線、
   第１の端が前記信号端子に接続されており、第２の端が前記高周波回路から前記信号配線へ向かって伸びている、前記第２の基準配線を跨って設けられている第１の導線、および、
   第１の端が前記基準電位端子に接続されており、第２の端が当該基準電位端子から前記基準配線へ向かって伸びている第２の導線、を備えており、
   前記第１導線の長さは、前記高周波信号の信号波長の１／２の長さの整数倍である、高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造。
2. 前記基準電位端子は、２つ設けられており、
   前記信号端子は、２つの前記基準電位端子の間に設けられており、
   ２つの前記基準電位端子に接続している２つの前記第２の導線は、前記第１の導線の両側に沿って延びるように設けられている、請求項１に記載の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造。
3. 前記絶縁基板は、ビアホールを有しており、
   前記第２の基準配線は、前記複数のビアホールに設けられたビア導体を介して前記第１の基準配線に接続されている、請求項１または２に記載の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造。
4. 前記絶縁基板の上に設けられている、前記高周波回路が実装されたダイアタッチ導体をさらに備えており、
   前記第１基準配線は、第２のビア導体を介して前記ダイアタッチ導体と電気的に接続されている、請求項１から請求項３のいずれかに記載の高周波回路とマイクロストリップ線路との結合構造を採用している、高周波モジュール。

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