JP5730159B2

JP5730159B2 - アンテナ基板およびアンテナモジュール

Info

Publication number: JP5730159B2
Application number: JP2011183807A
Authority: JP
Inventors: 郡山　慎一; 慎一郡山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-08-25
Also published as: JP2013046291A

Description

本発明は、アンテナ基板およびアンテナモジュールに関するものである。

近年、高度情報化時代を迎え、情報伝達に用いられる電波は、例えば１ＧＨｚ〜30ＧＨｚのマイクロ波領域から、更に30ＧＨｚ〜300ＧＨｚのミリ波領域の周波数まで活用する
ことが検討されており、例えば60ＧＨｚを用いた超高速無線伝送システム（無線ＰＡＮ：Personal Area Network）のような応用システムも提案されるようになっている。

このような応用システム等において、アンテナ用表面導体層は、一般的にチップ実装用の基板の上面に設けられ、また、チップの実装領域は、チップおよびアンテナ用表面導体層間における干渉を低減させることを目的に、チップ実装用の基板の下面に設けられていた。なお、チップ実装用の基板の下面には、マザーボードへの固定に用いられる複数の実装パッドが設けられている。

特開2005−117139号公報

しかしながら、近年のデータ量の増大に伴って、チップ実装用の基板の下面に設けられている複数の実装パッドの数も増加させる必要があり、チップ実装用の基板が大型化してしまうという課題が生じてきた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、チップの接続パッドおよびアンテナ用表面導体層間の干渉を低減させつつ、基板の下面における複数の実装パッドの数を増加させてデータ量の増大化に対応させることを目的とするものである。

本発明の一つの態様によるアンテナ基板は、チップ実装用パッドが設けられた凹部を含む上面を有している誘電体層と、誘電体層の凹部の周囲に設けられたアンテナ用表面導体層と、誘電体層の下面に設けられた実装パッドとを含んでいる。また、誘電体層の内部に設けられており、チップとアンテナ用表面導体層とを電気的に接続する給電線と、給電線とアンテナ用表面導体層との間に設けられた第１のグランド導体層と、給電線と誘電体層の下面との間に設けられたデータ用配線導体と、給電線とデータ用配線導体との間に設け
られた第２のグランド導体層とをさらに含んでいる。

本発明の他の態様によるアンテナモジュールは、上記構成のアンテナ基板と、アンテナ基板の凹部内に収容された接続パッドを有するチップとを含んでいる。

本発明の一つの態様によるアンテナ基板は、チップ実装用パッドが設けられた凹部を含む上面を有している誘電体層と、誘電体層の凹部の周囲に設けられたアンテナ用表面導体層とを含んでいることによって、凹部内に収容されるチップの接続パッドとアンテナ用表面導体層との間の干渉が低減され、かつ、誘電体層の下面において実装パッドの数を増加させてデータ量の増大化に対応させることが可能となる。

本発明の他の態様によるアンテナモジュールは、上記構成のアンテナ基板を含んでいることによって、チップの接続パッドおよびアンテナ用表面導体層間の干渉が低減されており、かつデータ量の増大化に対応させることができる。

（ａ）は本発明の第１の実施の形態におけるアンテナモジュールの上面斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示されたアンテナモジュールの下面斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示されたアンテナモジュールのＡ−Ａにおける縦断面図である。図１に示されたアンテナモジュールの他の例を示す縦断面図である。（ａ）は本発明の第２の実施の形態におけるアンテナモジュールの上面斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示されたアンテナモジュールの下面斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示されたアンテナモジュールのＡ−Ａにおける縦断面図である。（ａ）は本発明の第３の実施の形態におけるアンテナモジュールの上面斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示されたアンテナモジュールの下面斜視図であり、（ｃ）は（ａ）に示されたアンテナモジュールのＡ−Ａにおける縦断面図である。アンテナ基板の効果を確認するためのシミュレーションモデルを示している。アンテナ基板の効果を確認するための他のシミュレーションモデルを示している。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１に示されているように、本実施形態におけるアンテナモジュールは、アンテナ基板１と、アンテナ基板１に搭載されたチップ２とを含んでいる。図１（ａ）において、アンテナモジュールは、仮想のｘｙｚ空間におけるｘｙ平面に実装された状態で示されている。図１（ａ）において、上方向とは仮想のｚ軸の正方向のことをいう。

アンテナ基板１は、誘電体層11と、誘電体層11の上面に設けられた凹部12と、凹部12の周囲に設けられたアンテナ用表面導体層13と、誘電体層11の下面に設けられた複数の実装パッド14とを含んでいる。アンテナ基板１は、チップ２の複数の接続パッド２ａの一部とアンテナ用表面導体層13とを電気的に接続する給電線15と、チップ２の複数の接続パッド２ａの他の一部と実装パッド14とを電気的に接続するデータ用配線導体16と、第１のグランド導体層17と、第２のグランド導体層18と、複数のチップ実装パッド19とをさらに含んでいる。アンテナ基板１におけるアンテナは、アンテナ用表面導体層13と、給電線15とを含んでいる。

誘電体層11は、例えば平板形状を有しており、例えばセラミック材料から成る。凹部12は、平面視において、例えばチップ２よりも一回り大きい矩形状を有している。アンテナ用表面導体層13は、誘電体層11の上面の凹部12の周囲に設けられており、ビアを介して給電線15に電気的に接続されている。複数の実装パッド14は、誘電体層11の下面に設けられており、複数の実装パッド14の一部は、ビアを介してデータ用配線導体16に電気的に接続されている。

給電線15は、誘電体層11の内部に設けられており、チップ２およびアンテナ用表面導体層13に電気的に接続されている。データ用配線導体16は、誘電体層11の内部に設けられており、チップ２および複数の実装パッド１４の一部に電気的に接続されている。第１のグランド導体層17および第２のグランド層18は、給電線15が適切なインピーダンスを有するように、また適切なシールド効果が得られるように、誘電体層11の内部にｘｙ平面方向に設けられている。複数のチップ実装パッド19は、凹部12の底部に設けられている。

チップ２は、誘電体層11の上面に設けられた凹部12内に実装されており、チップ２の接
続パッド２ａが、凹部12内に収容されている。チップ２は、アンテナ用表面導体層13によって受信された信号の処理、またはアンテナ用表面導体層13から放射される信号を生成する機能を有している。

本実施形態のアンテナ基板１は、チップ２の接続パッド２ａが収容される凹部12を含む上面を有している誘電体層11と、誘電体層11の凹部12の周囲に設けられたアンテナ用表面導体層13とを含んでいることによって、凹部12内に収容されるチップ２の接続パッド２ａとアンテナ用表面導体層13との間の干渉が低減され、かつ、誘電体層11の下面において複数の実装パッド14の数を増加させてデータ量の増大化に対応させることが可能となる。チップ２の接続パッド２ａが凹部12内に収容されるため、例えばアンテナ用表面導体層13から放射された電波がチップ２の接続パッド２ａに乗ってチップ２の接続パッド２ａおよびアンテナ用表面導体層間に干渉が生じる可能性が低減されている。

本実施形態のアンテナモジュールは、上述のアンテナ基板１を含んでいることによって、チップ２の接続パッド２ａおよびアンテナ用表面導体層13間の干渉が低減されており、かつデータ量の増大化に対応させることができる。

また、本実施形態のアンテナ基板１は、凹部12の底部に設けられたチップ実装用パッド19をさらに含んでいることによって、アンテナ用表面導体層13からの電波の影響を受けやすいチップ実装部（接続部）が凹部12底部に位置することになり、アンテナ用表面導体層13からチップ実装部への電波の直線的経路がなくなるので、チップおよびアンテナ用表面導体層間の干渉が低減されている。

また、誘電体層11の内部にチップ２とアンテナ用表面導体層13とを接続する給電線15が設けられ、この給電線15とアンテナ用表面導体層13との間に第１のグランド導体層17をさらに含んでいることによって、シールド効果により例えばアンテナ用表面導体層13から放射された電波が給電線15に干渉することを抑制し、給電線15を介したチップ２およびアンテナ用表面導体層13間の干渉をさらに低減できる。

また、給電線15と誘電体層11の下面との間にデータを伝送するデータ用配線導体16が設けられ、給電線15とデータ用配線導体16との間に設けられた第２のグランド導体層18をさらに含んでいることによって、給電線15によって伝送される高周波信号のデータ用配線導体16を経由したフィードバックを抑制でき、高周波信号の発振を抑制することができる。

図２に示されているように、本実施形態のアンテナモジュールの他の例として、チップ２の上面はアンテナ用表面導体層13よりも高い位置にありチップ２の接続パッド２ａが凹部12内に設けられているものがある。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。第２の実施形態のアンテナ基板において第１の実施形態のアンテナ基板と異なる構成は、凹部12の内部に段差を設け、この段差上面にワイヤーボンディング用パターン20を設けたことである。また凹部12の底部に、アンテナ用表面導体層13まで延伸する第３のグランド導体層21を設けたことである。また、アンテナ用表面導体層13と第３のグランド導体層21との間に第４のグランド導体層22を設け、この第４のグランド導体層22と第３のグランド導体層21とによって挟まれた層に、チップ２とアンテナ用表面導体層13を接続する給電線15をさらに備えている。また、第３のグランド導体層21と誘電体層11の下面との間に電源やデータ等を伝送するデータ用配線導体16をさらに備えている。その他の構成は第１の実施形態におけるアンテナモジュールと同様である。

本実施形態のアンテナ基板において、凹部12の内部に段差を設け、この段差上面にワイヤーボンディング用パターン20を設けることによって、ワイヤーボンディングタイプのチップを使用する際、不要信号が侵入しやすいワイヤーボンディング部が凹部内部に位置することになり、アンテナ用表面導体層13からワイヤーボンディング部までの直線的経路がなくなり、アンテナ用表面導体層13から放射された電波がワイヤーボンディング部からチップ２に侵入するのを防ぎ、チップおよびアンテナ用表面導体層間の干渉を低減できる。本実施形態のアンテナ基板１において、凹部12は、第１の実施形態のアンテナ基板１の凹部よりも深い。ボンディングワイヤは、凹部12内に収容されている。

また、凹部12の底部に、アンテナ用表面導体層13まで延伸する第３のグランド導体層21を設けているので、給電線15のインピーダンスがアンテナ用表面導体層13近傍まで一定化され、給電線15を伝送する高周波信号の反射が抑制され、高周波信号の損失を低減できる。

また、アンテナ用表面導体層13と第３のグランド導体層21との間に第４のグランド導体層22を設け、この第４のグランド導体層22と第３のグランド導体層21とではさまれた層に、チップ２とアンテナ用表面導体層13を接続する給電線15をさらに備えているので、アンテナ用表面導体層13から放射された電波が給電線15に侵入するのを防ぎ、給電線15を介したチップ２への干渉を抑制し、チップおよびアンテナ用表面導体層間の干渉をさらに低減できる。

また、第３のグランド導体層21と誘電体層11の下面との間に電源やデータ等を伝送するデータ用配線導体16をさらに備えているので、給電線15を伝送する高周波信号のデータ用配線導体16を経由したフィードバックを抑制でき、高周波信号の発振を抑制することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図４を参照して説明する。第３の実施形態のアンテナモジュールにおいて第１の実施形態のアンテナ基板と異なる構成は、シールド部材23をさらに含んでいることである。シールド部材23は、例えば板状部材であって、例えば金属材料、金属粉末または電波吸収体粉末が含有された樹脂から成る。その他の構成は、第１の実施形態におけるアンテナ基板と同様である。

本実施形態におけるアンテナモジュールは、シールド部材23を含んでいることによって、チップ２の接続パッド２ａおよびアンテナ用表面導体層13間の干渉をさらに低減させることができる。

シールド部材23は、平面視において凹部12の周囲に設けられた金属パターンに接合されており、金属パターンが、例えばビアを介してグランド導体層に電気的に接続されていると、チップ２の接続パッド２ａおよびアンテナ用表面導体層13間の干渉をさらに低減させることができる。

シールド部材23の上面が、アンテナ用表面導体層13と同じかまたは低い位置にあると、例えばアンテナ用表面導体層13から放射される電波の損失が低減される。

本実施形態のアンテナモジュールにおいて、アンテナ基板１の凹部12の内部にチップ２を実装することによって、アンテナ用表面導体層13からチップ２への直線的経路がなくなるので、アンテナ用表面導体層13から放射される電波がチップに侵入しにくくなり、チップおよびアンテナ用表面導体層間の干渉を低減できる。

また、実装したチップ２の上にシールド部材23がさらに備えられているので、アンテナ用表面導体層13から放射される電波がシールド部材23でシールドされてさらにチップに侵入しにくくなり、チップおよびアンテナ用表面導体層間の干渉をさらに低減できる。

また、シールド部材23が金属または電波吸収体を含む板材であるので、シールド部材23のシールド効果を高め、チップおよびアンテナ用表面導体層間の干渉をさらに低減できる。

また、シールド部材23が金属粉末または電波吸収体粉末を含む樹脂であるので、シールド部材23のシールド効果を高め、チップおよびアンテナ用表面導体層間の干渉をさらに低減できる。

（実施例１）
上述の実施形態のアンテナ基板の効果を確認するために図５に示す例を用いてシミュレーションを行なった。図５の例は、基板中央にパッチアンテナ用表面導体層があり、その右側に凹部を用いたチップ実装エリアAA、左側には凹部がないチップ実装エリアBBがある例である。アンテナ用表面導体層から放射された電波の電界強度の凹部がある場合と、凹部がない場合での違いをシミュレーションを用いて調べた。シミュレータにはアンシス製HFSSを用い、基板材料としてアルミナを想定し、その比誘電率を9.2に設定した。パッチ
アンテナ用表面導体層のグランド導体層は基板表面から基板内部に0.3mm入った高さに設
定した。凹部寸法は2mm角、深さ0.3mmで、凹部中心をパッチアンテナ用表面導体層中心から2mm離れた位置に設定した。中心周波数を61.5GHｚに設定してパッチアンテナ用表面導
体層を設計し、パッチ寸法を0.64mm角、給電点をパッチ中心から0.18mmずらしたところで図５（ｂ）の反射特性が得られた。反射最小周波数は61.2GHz、反射-10dB以下の帯域は5.2GHｚである。

図５（ｃ）にシミュレーションで得られた図５（ａ）のB-B断面の電界強度分布を示す
。この図はパッチ導体付近の電界強度が最大になる瞬間の電界強度分布であり、ハッチング領域が18kV/m以上の強電界がかかっている領域である。ここでは電界強度の絶対値は問題ではなく、強電界領域がどのような形状で分布しているかが重要になる。図から凹部がない実装エリアBBには一部18kV/m以上の強電界がかかっているのに対し、凹部がある実装エリアAAにはそのような強電界領域はない。このことから凹部を設けることにより、アンテナ用表面導体層から放射された電波が、凹部がない場合よりも弱められることが分かる。これはアンテナ用表面導体層から放射された電波が、アンテナ用表面導体層近傍ではある程度基板表面に沿って伝播することによる。図５（ｄ）に、図５（ｃ）から位相が30度進んだタイミングでの電界強度分布を示す。実装エリアAAには強電界領域は全くないのに対し、実装エリアBBには基板表面に強電界領域が残っている。この基板表面に残っている強電界領域が、基板表面に沿って伝播する電波の成分である。実装エリアAAのように基板に凹部を設けることにより基板表面に段差ができ、これが電波の基板表面に沿った伝播を阻止して、凹部内の実装エリアAAの電界強度を下げている。このことは凹部内の実装エリアAAは、パッチアンテナ用表面導体層からの直線的経路がないためにアンテナ用表面導体層から放射された電波が到達しにくいと解釈することもできる。したがってチップを実装エリアBBに実装するより、実装エリアAAに実装する方が、チップが受ける電界は弱く、アンテナ用表面導体層からの放射の影響を小さくすることができる。言い換えるとアンテナ用表面導体層チップ間のアイソレーションを高めることができる。

（実施例２）
上述の実施形態のアンテナ基板の効果を確認するための他の例を図６に示す。図６の例は、図５の例のチップ実装エリアAA、BBにシリコン製チップ３が実装された場合の例であ
る。シミュレーションは図５の例と同じように行い、シリコンチップの比誘電率は11.9に設定した。シリコンチップの寸法は1.8mm角、厚さ0.25mmに設定した。チップと凹部の水
平方向のクリアランスは0.1mmであり、チップと基板とのすき間はフリップチップ実装を
想定して0.05mmに設定した。図６（ｂ）にこのときの反射特性を示す。反射最小周波数は61.8GHz、反射-10dB以下の帯域は5.2GHｚであり、チップが実装されない図５の例とほぼ
同じであった。

図６（ｃ）にシミュレーションで得られた図６（ａ）のパッチ導体付近の電界強度が最大になる瞬間のC-C断面の電界強度分布を示す。図から凹部がない実装エリアBBに実装さ
れたチップは、広い範囲で18kV/m以上の強電界にさらされているのに対し、凹部がある実装エリアAAに実装されたチップは一部だけそのような強電界にさらされている。このことからチップを凹部がない基板表面に実装するより、凹部内に実装する方が、アンテナ用表面導体層から放射された電波の影響を受けないことが分かる。

図６（ｄ）に、図６（ｃ）から位相が30度進んだタイミングでの電界強度分布を示す。実装エリアAAに実装されたチップには強電界が全くかからないのに対し、実装エリアBBに実装したチップには広い範囲にわたって強電界がかかっている。実装エリアAAのように基板に凹部を設け、その凹部内にチップを実装することにより、アンテナ用表面導体層チップ間のアイソレーションを高めることができる。

１：アンテナ基板
２：チップ（高周波用半導体素子）
３：シリコンチップ
11：誘電体層
12：凹部
13：アンテナ用表面導体層
14：実装パッド
15：給電線
16：データ用配線導体
17：第１のグランド導体層
18：第２のグランド導体層
19：チップ実装用パッド
20：ワイヤーボンディング用パターン
21：第３のグランド導体層
22：第４のグランド導体層
23：シールド部材

Claims

チップ実装用パッドが設けられた凹部を含む上面を有している誘電体層と、
該誘電体層の前記上面に設けられており、前記凹部の周囲に配置されたアンテナ用表面導体層と、
前記誘電体層の下面に設けられた実装パッドと、
前記誘電体層の内部に設けられており、前記チップと前記アンテナ用表面導体層とを電気的に接続する給電線と、
該給電線と前記アンテナ用表面導体層との間に設けられた第１のグランド導体層と、前記給電線と前記誘電体層の下面との間に設けられたデータ用配線導体と、
前記給電線と前記データ用配線導体との間に設けられた第２のグランド導体層とを備えていることを特徴とするアンテナ基板。
請求項１に記載されたアンテナ基板と、
該アンテナ基板の前記誘電体層の前記上面に実装されており、前記凹部内に収容された接続パッドを有しているチップとを備えていることを特徴とするアンテナモジュール。
前記チップの上に設けられたシールド部材をさらに備えていることを特徴とする請求項２記載のアンテナモジュール。