JP5902310B2 - 能動電子走査アレイ（ａｅｓａ）カード - Google Patents

Description

この特許出願は出願番号１２／４８４，６２６に対する一部継続出願である。２００９年６月１５日に「ＰＡＮＥＬ ＡＲＲＡＹ」という発明の名称で出願され、それは完全に本願明細書に組み込まれる。

周知のように、フェーズドアレイアンテナは、周知の距離によって、離れて各々から間隔を置いて配置される複数の作動中の回路を包含する。作動中の回路の各々は、送受信機のどちらかまたは両方ともに複数の位相シフタ回路、アンプ回路および／または他の回路により連結される。場合によっては、位相シフタ、アンプ回路および他の回路（例えば、ミキサ回路）は、いわゆる送信／受信（Ｔ／Ｒ）モジュールで提供され、送信機および／またはレシーバの一部であるとみなされる。

位相シフタ、アンプおよび他の回路（例えば、Ｔ／Ｒモジュール）は、外部電源（例えば、ＤＣパワー供給）が正しく作動することをしばしば必要とする。かくして、回路は、「作動中の回路」または「作動部品」と呼ばれる。したがって、作動中の回路を包含するフェーズドアレイアンテナは、「作動中の段階的な配列」としばしば呼ばれる。作動中の段階的な配列レーダーは、作動中の電子的に走査された配列（ＡＥＳＡ）としても公知である。

作動中の回路は、熱の形でパワーを放散させる。高い量の熱は、作動中の回路を実施不可能であるようにすることがありえる。かくして、作動中の段階的な配列は、冷やされるべきである。１つの例において、放熱板は、熱を放散させるために、各作動中の回路に取り付けられる。

一つの態様では、作動中の電子的に走査された配列（ＡＥＳＡ）カードは、ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第１のセットと、デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセットと、パワー配布を提供するために用いる金属層の第３のセットと、ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第４のセットと、を包含するプリント配線板（ＰＷＢ）を包含する。ＰＷＢは、ＡＥＳＡにおいて、用いられる少なくとも一つの送信／受信（Ｔ／Ｒ）チャネルを備える。

別の態様においては、作動中の電子的に走査された配列（ＡＥＳＡ）アセンブリは、プリント配線板（ＰＷＢ）を包含するＡＥＳＡカードを包含する。ＰＷＢは、ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第１のセット、デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセット、パワー配布を提供するために用いる金属層の第３のセット、および、ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第４のセットを包含する。ＡＥＳＡアセンブリも、ＰＷＢの表面に配置されている一つ以上のモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を包含する。ＰＷＢは、ＡＥＳＡにおいて、用いられる少なくとも一つの送信／受信（Ｔ／Ｒ）チャネルを包含する。

図１Ａは、モバイルプラットフォームに配置されている能動電子走査アレイ（ＡＥＳＡ）カードの列を有する能動電子走査アレイ（ＡＥＳＡ）の図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡＥＳＡカードの列の図である。 図２は、ＡＥＳＡカードの表面に配置されているモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を有するＡＥＳＡカードの例示の図である。 図３は、ＡＥＳＡカード、ＭＭＩＣおよび冷却機構を有するＡＥＳＡアセンブリの横断面図である。 図４は、プリント配線板（ＰＷＢ）の横断面図である。

各作動中の電子的に走査された配列（ＡＥＳＡ）Ｔｒａｎｓｍｉｔ／Ｒｅｃｅｉｖｅ（Ｔ／Ｒ）チャンネルに関し集積しているアクティブＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ集積回路（ＭＭＩＣ）への以前のアプローチは金属コンテナ（しばしば「Ｔ／Ｒ Ｍｏｄｕｌｅ」と呼ばれる）にこれらの構成要素を配置することを包含した。そして、それは高価なアセンブリに結果としてなる。高い材料および試験人件費に加えて、広範囲な非反復的なエンジニアリング（ＮＲＥ）は、ＡＥＳＡアーキテクチャ（例えば、能動的な口径、格子の変化、ユニットセルその他当たりのＴ／Ｒチャネルの数の変化）または冷却アプローチの変化に関し必要とされる。これらの以前のアプローチも、Ｔ／Ｒモジュールに関し無線周波数（ＲＦ）、パワーおよび論理信号に関し用いられるワイヤー接合を用いる、しかしながら、ワイヤー接合がそうすることがありえるＲＦは、Ｔ／Ｒチャネルの間に、または、Ｔ／Ｒチャネルの中で不必要な電磁結合を生じさせる。

新しいＴ／Ｒチャンネル・アーキテクチャ（ＡＥＳＡカード）は、本願明細書において、記載される。ＡＥＳＡカードは、アセンブリ再発コストおよび試験時間を低減させて、新規なアプリケーションまたは新規なＭＭＩＣ技術のＡＥＳＡアプリケーションへの統合に関し著しくＮＲＥを低減させる。ＡＥＳＡカードは、十分に自動アセンブリ・プロセスを用いて製作されることができ、アセンブリ当たり格子の寸法を修正することの容易さおよびＴ／Ｒチャネルの数に関しセルを許容する。ＡＥＳＡカードは、このことにより、Ｔ／Ｒチャネルの間に、または、Ｔ／Ｒチャネルおよび他の電磁干渉（ＥＭＩ）の中で電磁結合を除去することと、まではいかないが著しく低減させているワイヤー接合を包含しない。かくして、一貫したチャネル間ＲＦパフォーマンスがある。

図１Ａおよび１Ｂを参照する。ＡＥＳＡカードは、多くのアプリケーションで用いられることが可能である。例えば、図１Ａに示すように、ＡＥＳＡカード１００の列１２は、例えばモバイルプラットフォーム・ユニット１０の移動環境において、用いられることが可能である。この例では、ＡＥＳＡカード１００は、４×４の配列に配置される。図１Ａおよび１Ｂが長方形の形状において、あるＡＥＳＡカード１００を表すが、円、三角形またはいかなるポリゴン形状でもあるように、それらは造られることが可能である。また、配列１２が四角の形状において、あるが、配列は長方形、円、三角形またはいかなるポリゴン配置でもよい。更に、ＡＥＳＡカード１００の数は、１乃至いかなる数のＡＥＳＡカード１００でもよい。

他の用途では、接地構造その他に、一つ以上のＡＥＳＡカード１００は、艦艇側に用いられることが可能である。本願明細書において、ＡＥＳＡカード１００は、ＡＥＳＡシステムを構築するための「建築用ブロック」である。

図２を参照する。ＡＥＳＡカード１００の例示は、ＡＥＳＡカード１００’であり、それは、ＰＷＢ １０１（例えば、図３に示される表面１２０）の表面上のプリント配線板（ＰＷＢ）１０１およびＭＭＩＣ １０４（例えば、フリップチップ）を包含する。この例では、ＡＥＳＡカード１００’は、Ｔ／Ｒチャネル・セル１０２または３２ Ｔ／Ｒチャネル・セル１０２の４×８の列を包含する。各Ｔ／Ｒチャネル細胞１０２は、ＭＭＩＣ １０４、ドレイン・モジュレータ１０６（例えば、ドレイン・モジュレータ集積回路（ＩＣ）、リミッタおよび低くノイズ・アンプ（ＬＮＡ）１０８（例えば、リミッタを有する砒化ガリウム（ＧａＡｓ）ＬＮＡ）（パワー・アンプ１１０（例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）パワー・アンプ）を包含する。ＡＥＳＡカード１００’もまた、一つ以上のパワーおよびロジック・コネクタ１１２を包含する。Ｔ／Ｒチャネル・セル１０２が方形の配列に配置されるが、Ｔ／Ｒチャネル・セル１０２は円、三角形またはいかなるタイプの配置にも配置されることができる。

図３を参照する。ＡＥＳＡアセンブリ１５０はＰＷＢ １０１を有するＡＥＳＡカード（例えば、ＡＥＳＡカード１００」）を包含する。そして、ＭＭＩＣ １０４はんだ球１０５によって、ＰＷＢ １０１の表面１２０に配置した。ＡＥＳＡアセンブリ１５０も、熱エポキシ１５２およびコールドプレート１７０によるＭＭＩＣの各々に連結する熱スプレッダ板１６０を包含する。流体（例えばＭＭＩＣ １０４を冷却するガスまたは液体）を受信するために、コールドプレート１７０は、チャネル１７２を包含する。かくして、各ＭＭＩＣ １０４は、平行のヒートシンクである。すなわち、ヒートシンク（コールドプレート１７０）への熱源（例えば、ＭＭＩＣ １０４）からの熱抵抗体は、すべてのＭＭＩＣ １０４に関し同じことおよびこのことによりＴ／Ｒチャネル・セル１０２の間に熱勾配を低減させているＡＥＳＡカード１００”全体の各Ｔ／Ｒチャネル・セル１０２の構成要素（例えば、ドレイン・モジュレータ１０６、ＬＮＡ １０８、パワー・アンプ１１０その他）である。ＡＥＳＡカード１００”は、Ｒ方向のＲＦ信号を放射する。

図４を参照する。プリント配線板（ＰＷＢ）１０１の例示のは、ＰＷＢ １０１’である。ある例では、ＰＷＢ １０１’の厚み、ｔは、約６４ｍｉｌである。
ＰＷＢ １０１’は、金属層（例えば、金属層２０２ａ―２０２ｔ）および、エポキシ樹脂層（例えば、エポキシ樹脂層２０４ａ―２０４ｍ）、ポリイミド誘電層（例えば、ポリイミド誘電層２０６ａ―２０６ｄ）または、各々の金属層（２０２ａ―２０２ｔ）の間に配置された複合層（例えば、複合層２０８ａ、２０８ｂ）の１つを包含する。特に、複合層２０８ａは金属層２１０ｅ、２１０ｆの間に配置されている。そして、複合層２０８ｂは金属層２１０ｏ、２１０ｐの間に配置される。ポリイミド誘電層２０６ａは金属層２０２ｇ、２０２ｈの間に配置されている。そして、ポリイミド誘電層２０６ｂは金属層２０２ｉ、２０２ｊの間に配置されていて、ポリイミド誘電層２０６ｃは金属層２０２ｋ、２０２ｌの間に配置されていて、そして、ポリイミド誘電層２０６ｄは金属層２０２ｍ、２０２ｎの間に配置されている。残りの金属層は、図４に示すように金属層の間に配置されたエポキシ樹脂層（例えば、エポキシ樹脂層２０４ａ―２０４ｍの１つ）を含む。

ＰＷＢ １０１’もまた、金属層２０２ｄを金属層２０２ｑに連結しているＲＦバイア（例えば、ＲＦバイア２１０ａ、２１０ｂ）を包含する。ＲＦバイア２１０ａ、２１０ｂの各々は、一対の金属プレート（例えば、２１０ａを経たＲＦは金属プレート２１４ａ、２１４ｂを包含する。そして、２１０ｂを経たＲＦは金属プレート２１４ｃ、２１４ｄを包含する）を包含する。金属プレート２１４ａ、２１４ｂはエポキシ樹脂２１６ａにより分離される。そして、金属プレート２１４ｃ、２１４ｄはエポキシ樹脂２１６ｂにより分離される。図４に示されないが、ＡＥＳＡカード１００’の表面に、または、他の金属層にこれらの信号を持ってくるように、他のタイプ・バイアがデジタル論理層およびパワー層に関し存在すると、当業者は認める。

ＲＦバイア２１０ａ、２１０ｂを金属層２０２ａ、２０２ｔに電気的に結合するために、ＰＷＢ １０１’も、金属導管（例えば、金属導管２１２ａ―２１２ｌ）を包含する。例えば、金属導管２１２ａ―２１２ｃは、金属層２０２ａを金属層２０２ｂに連結している金属導管２１２ａと、金属層２０２ｂを金属層２０２ｃに連結している金属導管２１２ｂと、および、金属層２０２ｃを金属層２０２ｄに、そして、２１０ａを経たＲＦに連結している金属導管２１２ｃとを有する他の上にスタックされたものである。ＰＷＢ １０１’に穴（例えば、直径約４または５ｍｉｌ）を穿孔して、穴を金属で埋めることによって、金属導管２１２ａ―２１２ｌは、形成される。

更に、金属導管２１２ｄ―２１２ｆは、金属層２０２ｓに２１０ａを介して金属層２０２ｒおよびＲＦを連結している金属導管２１２ｄ、金属層２０２ｓを金属層２０２ｔに連結している金属導管２１２ｅおよび金属層２０２ｔを金属層２０２ｕに連結している金属導管２１２ｆを有する他の上にスタックされたものである。

金属層２０２ａ―２０２ｃおよびエポキシ樹脂層２０４ａ―２０４ｂは、ＲＦ信号を割り当てるために用いる。金属層２０２ｐ―２０２ｔ、エポキシ樹脂層２０４ｊ―２０４ｍは、ＲＦ信号を割り当てるためにも用いる。金属層２０２ｃ―２０２ｅおよびエポキシ樹脂層２０４ｃ―２０４ｄは、デジタル論理信号を割り当てるために用いる。金属層２０２ｆ―２０２ｏ、エポキシ樹脂層２０４ｅ―２０４ｉおよびポリイミド誘電層２０６ａ―２０６ｄは、パワーを割り当てるために用いる。

ある例では、金属層２０２ａ―２０２ｒの一つ以上は、銅を包含する。例えば、金属層２０２ａ―２０２ｔの各々は、約.５３ｍｉｌから約１．３５ｍｉｌまで厚みにおいて、変化できる。１つの例示において、ＲＦバイア２１０ａ、２１０ｂは、銅でできている。ある例では、金属導管２１２ａ―２１２ｌは、銅でできている。

ある例では、エポキシ樹脂層２０４ａ―２０４ｍの各々は、従来のＦＲ―４処理と互換性を持つ高速／高性能エポキシ樹脂材を包含して、以下を含むためにそれに互換性を持つ無鉛アセンブリをする機械的特性を有する：約200℃、示差走査熱量測定、ＤＳＣ、熱膨張係数（ＣＴＥ）＜Ｔｇ １６、１６及び５５ｐｐｍ／℃およびＣＴＥ＞Ｔｇ １８、１８及び２３０ｐｐｍ／℃のガラス転移温度、Ｔｇ。低いＣＴＥおよび360℃の高いＴｄ（分解温度）は、スタックされた金属導管２１２ａ―２１２ｌの逐次処理においても、有利である。例えば、エポキシ樹脂層２０４ａ―２０４ｍの各々は、約５．６ｍｉｌから約１３．８ｍｉｌまで厚みにおいて、変化できる。１つの特例において、エポキシ樹脂材は、製品名（ＦＲ４０８ＨＲ）の下で、イソラ・グループＳＡＲＬにより製造される。ある例では、エポキシ樹脂２１６ａ、２１６ｂは、エポキシ樹脂層２０４ａ―２０４ｍに関し用いられる同一材料である。

ある例では、ポリイミド誘電層２０６ａ―２０６ｄの各々は、パワー・バス・デカップリングに関し印刷回路基板のパワーおよび接地平面としてファンクションに設計されるポリイミド誘電体を包含して、高周波でＥＭＩおよびパワー平面インピーダンス減少を提供する。ある例では、ポリイミド誘電層の各々は、約４ｍｉｌである。１つの特例において、ポリイミド誘電体は、製品名（ＨＫ０４２５３６Ｅ）で、デュポン（登録商標）により製造される。

ある例では、複合層２０８ａ、２０８ｂの各々は、ＣＴＥ規制および熱管理を提供するために、エポキシ樹脂および炭素繊維の複合物を包含する。ある例では、複合層は、接地平面としてのファンクションでもよく、更に機械の抑制している層として機能できる。ある例では、複合層の各々は、約１．８ｍｉｌである。１つの特例において、エポキシ樹脂および炭素繊維の合成物は、製品名（ＳＴ１０―ＥＰ３８７）で、ＳＴＡＢＬＣＯＲ（登録商標）Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社により製造される。

ある例では、ＡＥＳＡカードを製作することに関して上で記載される材料は、無鉛である。かくして、本願明細書において、提案されるソリューションは、ある無鉛である製品を義務づけている環境規制を満たす。

本願明細書において、記載されるプロセスは、記載される特定実施形態に制限されない。本願明細書において、記載される異なる実施形態のエレメントは、具体的には、上記に記載でない様態他の実施形態に結合されることができる。本願明細書において、具体的には、記載されない他の実施形態は、以下の請求項の範囲内でもある。

Claims (19)

1. 能動電子走査アレイ（ＡＥＳＡ）カードであって、
   ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第１のセットと、
   デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第２のセットと、
   パワー配布を提供するために用いる金属層の第３のセットと、
   ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第４のセットと、
   を有するプリント配線板（ＰＷＢ）と、
   ＰＷＢの表面に配置されている一つ以上のモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）と、
   複数の金属導管であって、各導管が複数の層のうちの１つを複数の層の他の１つに電気的に結合することを特徴とする複数の金属導管と、
   前記複数の金属導管の第１の金属導管に結合された第１の端と、前記複数の金属導管の第２の金属導管に結合された前記第１の端と対向する第２の端とを有するＲＦバイアと、
   を有し、
   前記ＲＦバイアが、前記ＲＦ信号配布を提供するのに用いる金属層の第４のセットを介して延びることなく、前記ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第１のセットから前記デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第２のセットに、前記パワー配布を提供するために用いる金属層の第３のセットを介して延び、
   ＰＷＢが、ＡＥＳＡにおいて、用いられる少なくとも一つの送信／受信（Ｔ／Ｒ）チャネルを備え、
   ＡＥＳＡカードが、ワイヤー接合を含まない、
   ことを特徴とする能動電子走査アレイ（ＡＥＳＡ）カード。
2. 金属層の第２のセットの金属層と金属層の第３のセットの金属層との間のエポキシおよび炭素繊維の第１の複合層と、
   金属層の第３のセットの金属層と金属層の第４のセットの金属層と間のエポキシおよび炭素繊維の第２の複合層と、
   を更に有することを特徴とする請求項１に記載のＡＥＳＡカード。
3. ＰＷＢが更に、
   金属層の第１のセットの２つの金属層の間のエポキシ樹脂の層と、
   金属層の第２のセットの２つの金属層の間のエポキシ樹脂の層と、
   金属層の第１のセットの２つの金属層の間のエポキシ樹脂の層と
   を有することを特徴とする請求項２に記載のＡＥＳＡカード。
4. ＰＷＢは、金属層の第３のセットの２つの金属層の間にポリイミド誘電体の層を更に含む請求項２に記載のＡＥＳＡカード。
5. ＰＷＢの表面に配置されている一つ以上のモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を更有することを特徴とする請求項１のＡＥＳＡカード。
6. ＭＭＩＣがはんだ球を用いてＰＷＢに取り付けられる請求項１のＡＥＳＡカード。
7. 複数の金属導管、複数の層の別のものに対する複数の層の各電気導管結合のうちの１つを更に有することを特徴とする請求項１のＡＥＳＡカード。
8. 第２の金属導管に連結する第１端部の反対側に第１の金属導管、および、第２の端に連結する第１端部を有するＲＦバイアを更に有し、
   ＲＦバイアは、パワー配布に関し用いられる金属層を通って延びる、ことを特徴とする請求項７のＡＥＳＡカード。
9. ＰＷＢが、
   金属層の第１のセットの２つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
   金属層の第２のセットの２つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
   金属層の第１のセットの２つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
   金属層の第３のセットの２つの金属層間のポリイミド誘電体の層と、
   を更に有することを特徴とする請求項１のＡＥＳＡカード。
10. ＡＥＳＡカードがワイヤー接合を含まないことを特徴とする請求項１のＡＥＳＡカード。
11. 能動電子走査アレイ（ＡＥＳＡ）アセンブリであって、
    ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第１のセットと、
    デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセットと、
    パワー配布を提供するために用いる金属層の第３のセットと、
    ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第４のセットと、
    を有するプリント配線板（ＰＷＢ）を備えるＡＥＳＡカードと、
    ＰＷＢの表面に配置されている一つ以上のモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）と、
    複数の金属導管であって、各導管が複数の層のうちの１つを複数の層の他の１つに電気的に結合することを特徴とする複数の金属導管と、
    前記複数の金属導管の第１の金属導管に結合された第１の端と、前記複数の金属導管の第２の金属導管に結合された前記第１の端と対向する第２の端とを有するＲＦバイアと、
    を有し、
    前記ＲＦバイアが、前記ＲＦ信号配布を提供するのに用いる金属層の第４のセットを介して延びることなく、前記ＲＦ信号配布を提供するために用いる金属層の第１のセットから前記デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第２のセットに、前記パワー配布を提供するために用いる金属層の第３のセットを介して延び、
    ＰＷＢは、ＡＥＳＡにおいて、用いられる少なくとも一つの送信／受信（Ｔ／Ｒ）チャネルを備え、
    ＡＥＳＡカードが、ワイヤー接合を含まない、
    ことを特徴とする、能動電子走査アレイ（ＡＥＳＡ）アセンブリ。
12. ＭＭＩＣの一つ以上と接触する冷却機構を更に有することを特徴とする請求項１１のＡＥＳＡアセンブリ。
13. 冷却機構が、
    ＭＭＩＣと接触する熱的熱分散部材と、熱的熱分散部材と接触するコールドプレートと、を有することを特徴とする請求項１２のＡＳＥＡアセンブリ。
14. ＭＭＩＣが、はんだ球を用いてＰＷＢに取り付けられることを特徴とする請求項１３のＡＳＥＡアセンブリ。
15. 複数の金属導管、複数の層の別のものに複数の層のひとつを結合する各電気導管を更に有することを特徴とする請求項１１のＡＳＥＡアセンブリ。
16. 第１の金属導管に結合された第１端部と、第２の金属導管に接続している第１端部の反対側の第２の端部とを有するバイアを更に有し、
    前記バイアは、パワー配布に関し用いられる金属層を通って延びる、ことを特徴とする請求項１５のＡＳＥＡアセンブリ。
17. 金属層の第２のセットの金属層と金属層の第３のセットの金属層の間のエポキシおよび炭素繊維の第１の複合層と、
    金属層の第３のセットの金属層と金属層の第４のセットの金属の層と間のエポキシおよび炭素繊維の第２の複合層と、
    を更に有することを特徴とする請求項１１のＡＳＥＡアセンブリ。
18. 金属層の第１のセットの２つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
    金属層の第２のセットの２つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
    金属層の第１のセットの２つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
    金属層の第３のセットの２つの金属層間のポリイミド誘電体の層と
    を更に有する請求項１７のＡＳＥＡアセンブリ：。
19. ＡＥＳＡカードがワイヤー接合を含まないことを特徴とする請求項１１のＡＳＥＡアセンブリ。

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