JP6135386B2 - 高周波モジュール - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波、ミリ波等の高周波信号を処理する半導体素子を搭載した高周波モジュールに関する。

高周波モジュールにおいて、マイクロ波・ミリ波回路とサーキュレータあるいはアイソレータを一体化し、小型化低コスト化を図ったものがある。例えば、回路基板上にマイクロ波・ミリ波回路とフェライトを設けたサーキュレータあるいはアイソレータのパターン等が一体化して構成され、サーキュレータあるいはアイソレータを構成するフェライトを埋め込んだ誘電体基板と、マイクロ波・ミリ波回路が形成された基板回路とを対向配置して一体化したマイクロ波・ミリ波装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特許第３１７３５９６号

しかしながら、基板にフェライトを埋め込んだ従来の高周波モジュールでは、基板とフェライトの熱収縮率が異なることから、基板の焼成過程や高周波モジュール使用(稼動)時において、基板にクラックが発生するという問題がある。

また、上記の従来の高周波モジュールでは、配線パターンが基板表面に配線されているため、基板に搭載した送信回路、受信回路、およびサーキュレータ間で電磁波結合が起こり、このためリップルの発生や発振という問題が生じてしまう。

そこで、本発明は、基板へフェライトを埋め込んだ高周波モジュールにおいて、基板のクラックを防止することを目的とする。また、本発明は、基板へフェライトを埋め込んだ高周波モジュールにおいて、リップルや発振を抑制することを目的とする。

この発明による高周波モジュールは、送信回路と、上記送信回路から離れて配置された受信回路と、磁石と、上記磁石が表面に搭載されるとともに、上記送信回路および受信回路が表面に接合され、内層に空洞が設けられた多層基板と、上記多層基板の空洞内に側面方向に隙間を有して収容され、上記多層基板の伝送線路により、上記送信回路および受信回路にそれぞれ接続された、サーキュレータもしくはアイソレータを構成するフェライト基板と、を備えたものである。

また、上記多層基板の伝送線路は、上記多層基板の上下に形成されたグランドパターンにより挟まれたトリプレート線路を構成し、上記多層基板内の空洞および上記フェライト基板は、上記多層基板の上面およびトリプレート線路の間と上記多層基板の下面およびトリプレート線路の間で分割され、それぞれの空洞内にそれぞれフェライト基板が収容されたことを特徴とする高周波モジュールである。

この発明によれば、基板へフェライトを埋め込んだ高周波モジュールにおいて、基板のクラックを防止することができる。また、基板へフェライトを埋め込んだ高周波モジュールにおいて、リップルや発振を抑制することができる。

実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す図である。 実施の形態２による高周波モジュールの構成を示す図である。 実施の形態３による高周波モジュールの構成を示す図である。 実施の形態４による高周波モジュールの構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による高周波モジュールの構成を示す図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上面図である。図１（ａ）側断面図は、図１（ｂ）上面図のＡＡ断面である。図１において、実施の形態１による高周波モジュールは、高周波回路１と、多層基板３と、金属キャリア４と、磁石５と、フェライト基板８を備えている。高周波回路１は、送信回路１ａまたは受信回路１ｂを構成する。多層基板３の裏面は、グランドパターンが形成されて、接着またははんだ等の接合材２９により、金属キャリア４の上に接合されている。多層基板３は、樹脂、セラミックス等を基材として構成される。多層基板３は、金属キャリア４との接合面側が刳り貫かれており、空洞１０が形成されている。この空洞１０は、金属キャリア４の上面に接している。

高周波回路１は、はんだボールまたは金バンプからなる複数の接合部材６により、多層基板３の上面に接合されている。磁石５は、多層基板３の上面に接着により接合されている。フェライト基板８は、多層基板３内の空洞１０内に、多層基板３と隙間２を空けて収納される。また、フェライト基板８は、接着またははんだ等の接合材２９により、金属キャリア４の上に接合される。金属キャリア４は、鉄ニッケルコバルト合金により構成される金属板である。フェライト基板８は、磁石５の直下に配置される。フェライト基板８、磁石５、およびフェライト基板８に形成された配線パターン３４は、サーキュレータ２５を構成する。サーキュレータ２５は、アイソレータであっても良い。金属キャリア４は、サーキュレータまたはアイソレータを構成する磁石５の磁場の印加に適している。また、金属キャリア４(鉄ニッケルコバルト合金)は、多層基板３との熱膨張差の吸収、および送信回路１ａ、受信回路１ｂ、サーキュレータまたはアイソレータ２５からの放熱を、同時に行うことができる。

フェライト基板８は、はんだボールまたは金バンプ２１により、多層基板３の空洞１０に面した底面１１のビア２２ａ、２２ｂの下端に配線パターン３４を介して、それぞれ接合されている。ビア２２ａの上端は伝送線路２０の一端に接合される。ビア２２ｂの上端は伝送線路２３の一端に接合される。ビア２２ａ、ビア２２ｂの下端は配線パターン３４に接続される。伝送線路２０および伝送線路２３は高周波のホット信号が流れ、多層基板３の裏面のグランドパターンはリターン信号が流れる。高周波回路１の裏面の信号端子は、一部の複数の接合部材６により、多層基板３の上面に形成されるビア２６およびビア２６ｂの上端に接合される。多層基板３のビア２６の下端は、内層線路２８の一端に接続される。内層線路２８の他端は、多層基板３のビア２４の下端に接続される。ビア２４の上端は、伝送線路２３の他端に接続される。多層基板３のビア２６ｂの下端は、内層線路３１の一端に接続される。内層線路３１の他端は、多層基板３のビア３３の下端に接続される。ビア３３の上端は、伝送線路３２の他端に接続される。多層基板３内における高周波回路１の下面には、複数のグランドビア２７が形成されている。グランドビア２７は、一部の接合部材６により高周波回路１の裏面に形成されるグランド端子に接続される。送信回路１ａと受信回路１ｂは、互いに離れて配置される。送信回路１ａの裏面外周に沿って複数配列されたグランド端子は、接合部材６によりグランドパターン３０に接合される。受信回路１ｂの裏面外周に沿って複数配列されたグランド端子は、複数の接合部材６によりグランドパターン３０に接合される。

実施の形態１による高周波モジュールは以上のように構成され、送信回路１ａと、送信回路１ａから離れて配置された受信回路１ｂと磁石５と、磁石５が表面に搭載されるとともに、送信回路１ａおよび受信回路１ｂが表面に接合され、内層に空洞１０が設けられた多層基板３と、多層基板３の空洞内１０に側面方向に隙間２を有して収容され、多層基板３の伝送線路２３により、送信回路１ａおよび受信回路１ｂにそれぞれ接続された、サーキュレータまたはアイソレータ２５を構成するフェライト基板８とを備えることを特徴とする。この高周波モジュールは高周波信号を送受信する送受信モジュールに用いられ、高周波モジュールは、送信回路１ａ、受信回路１ｂ、サーキュレータまたはアイソレータ２５、またはその両方で構成される。送信回路１ａと受信回路１ｂは、サーキュレータまたはスイッチによって、伝送線路２０との接続が何れか一方に切換えられるように、アイソレートされている。

実施の形態１による高周波モジュールは、サーキュレータまたはアイソレータ２５の実装において、上記の通り、多層基板３の基材とフェライト基板８の間に隙間２を設けている。これにより、多層基板３とフェライト基板８の熱収縮率が異なることによる、多層基板３の基材のクラックを防止することができる。また、実施の形態１による高周波モジュールでは、送信回路１ａ、受信回路１ｂおよびサーキュレータまたはアイソレータ２５が同一基板に搭載されているため、複数の基板を個別に製造する必要がなく、高周波モジュールの製造工程を削減することができ、低コスト化及び小型化を実現することが容易となる。

また、多層基板３の基材を保持する金属キャリア４は、素材を鉄ニッケルコバルト合金とすることで、サーキュレータまたはアイソレータ２５に必要な磁石５を用いて、磁場の印加、基材と金属キャリア４との熱膨張差の吸収、送信回路１ａ、受信回路１ｂ、サーキュレータまたはアイソレータからの放熱を、同時に行うことが可能である。また、多層基板３の基材と金属キャリア４の接合には、接着剤またははんだを使用する。

また、実施の形態１による高周波モジュールは、通信機器、レーダ機器等において、送信回路、受信回路が同一基板に実装された高周波モジュールに用いられる。

実施の形態２．
図２は、この発明に係る実施の形態２による高周波モジュールの構成を示す側断面図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上面図である。図２（ａ）側断面図は、図２（ｂ）上面図のＢＢ断面である。図２における図１との同様の構成については、詳細な説明を省略する。図２においてフェライト基板８は、接着剤４０により、多層基板３の空洞１０に面した上部底面１１のビア２２ａ、２２ｂの下端に配線された配線パターン３４を介して、それぞれ結合されている。このように、フェライト基板８は、実施の形態１のようにはんだボールまたは金バンプ２１で接着される以外に、接着剤４０により接着されるようにしても良い。

実施の形態３．
図３は、この発明に係る実施の形態３による高周波モジュールの構成を示す側断面図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上面図である。図３（ａ）側断面図は、図３（ｂ）上面図のＣＣ断面である。図３において、実施の形態３による高周波モジュールは、高周波回路１と、多層基板７０と、金属キャリア４と、磁石５と、フェライト基板５１およびフェライト基板５２を備えている。高周波回路１は、送信回路１ａまたは受信回路１ｂを構成する。多層基板７０の裏面は、グランドパターンが形成されて、接着またははんだ等の接合材２９により金属キャリア４の上に接合されている。多層基板７０は、樹脂、セラミックス等を基材として構成される。多層基板７０は、金属キャリア４との接合面側となる下部の基材７０ｂに空洞１０ａが形成されている。この空洞１０ａは、金属キャリア４の上面に接している。多層基板７０は上部の基材７０ａに空洞１０ｂが形成されており、この空洞１０ｂは多層基板７０の上面層の下層に配置される。また、空洞１０ａと空洞１０ｂの間を挟んで、多層基板７０の中間層をなす中底７０ｃが基材７０ｂに設けられている。

高周波回路１は、はんだボールまたは金バンプからなる接合部材６により、多層基板７０の上面に接合されている。磁石５は、多層基板７０の上面に接着により接合されている。フェライト基板５１は、多層基板７０の空洞１０ａ内に、多層基板７０と隙間２を空けて収納される。フェライト基板５２は、多層基板７０の空洞１０ｂ内に、多層基板７０と隙間２を空けて収納される。また、フェライト基板５１は、接着またははんだ等の接合材２９により、金属キャリア４の上に接合される。フェライト基板５２は、接着またははんだ等の接合材２９により、中底７０ｃの上に接合される。金属キャリア４は、鉄ニッケルコバルト合金により構成される金属板である。フェライト基板５２は、多層基板７０の表層を挟んで磁石５の直下に配置される。フェライト基板５１は、多層基板７０の中底７０ｃを挟んでフェライト基板５２の直下に配置される。フェライト基板５１、フェライト基板５２、磁石５、および多層基板７０に形成された配線パターンは、サーキュレータ２５を構成する。サーキュレータ２５は、アイソレータであっても良い。

フェライト基板５１は、複数のはんだボールまたは金バンプ５３により、多層基板７０の空洞１０ａに面する中底７０ｃ上の伝送線路５５の一端または伝送線路５６の一端にそれぞれ接合される。また、伝送線路５５の一端はフェライト基板５１に形成された配線パターン５８に接続され、伝送線路５６の一端はフェライト基板５１に形成された配線パターン５８に接続される。フェライト基板５２は、はんだボールまたは金バンプ５４により、多層基板７０の空洞１０ｂに接合される。また、伝送線路５７は多層基板７０に内層される。

伝送線路５５、伝送線路５６、伝送線路５７および配線パターン５８には高周波のホット信号が流れる。多層基板７０の表面のグランドパターン７３はリターン信号が流れる。また、多層基板７０の裏面のグランドパターンはリターン信号が流れる。すなわち、伝送線路５５、伝送線路５６、伝送線路５７および配線パターン５８は、その上下面を多層基板７０に形成されるグランドパターンに挟まれて、トリプレート線路を構成する。このため、多層基板７０に内挿されるフェライト基板は、ホット信号を伝送する伝送線路５５および伝送線路５６に対して、上下に２枚設けたフェライト基板５１およびフェライト基板５２を構成する。高周波回路１の裏面の信号端子は、一部の複数の接合部材６により、多層基板７０の上面に形成されるビア２６およびビア２６ｂの上端に接合される。多層基板７０のビア２６の下端は、伝送線路５５の他端に接続される。多層基板７０のビア２６ｂの下端は伝送線路５７の他端に接続される。多層基板７０内における高周波回路１の下面には、複数のグランドビア２７が形成されている。グランドビア２７は、一部の接合部材６により高周波回路１の裏面に形成されるグランド端子に接続される。送信回路１ａと受信回路１ｂは、互いに離れて配置される。送信回路１ａの裏面外周に沿って複数配列されたグランド端子は、接合部材６によりグランドパターン７３に接合される。受信回路１ｂの裏面外周に沿って複数配列されたグランド端子は、複数の接合部材６によりグランドパターン７３に接合される。

上記の通り、多層基板７０の伝送線路は、多層基板７０の上下に形成されたグランドパターンにより挟まれたトリプレート線路を構成し、多層基板内の空洞およびフェライト基板は、多層基板の上面およびトリプレート線路の間と多層基板の下面およびトリプレート線路の間で分割され、それぞれの空洞内にそれぞれフェライト基板が収納されている。これによって、送信回路１ａと受信回路１ｂは、多層基板７０の表層および空間を介した相互電磁干渉を抑圧することができる。また、高周波モジュール内の送信回路１ａ、受信回路１ｂ、サーキュレータ２５を同一基板である多層基板７０に実装し、多層基板７０内のグランドパターンで囲まれた伝送線路５５および伝送線路５６をホット信号の伝送線路とすることで、送信回路１ａと受信回路１ｂの電磁波結合を抑圧し、リップルや発振といった高周波モジュールの性能劣化要因を抑制することができる。

実施の形態３による高周波モジュールは以上のように構成され、送信回路１ａと、上記送信回路１ａから離れて配置された受信回路１ｂと、磁石５と、上記磁石５が表面に搭載されるとともに、上記送信回路１ａおよび受信回路１ｂが表面に接合され、内層に空洞１０ａ，１０ｂの設けられた多層基板７０と、上記多層基板７０の空洞１０内に側面方向に隙間２を有して収容され、上記多層基板７０の伝送線路５５、５６等により、上記送信回路１ａおよび受信回路１ｂにそれぞれ接続された、サーキュレータもしくはアイソレータ２５を構成するフェライト基板５１、５２を備えることを特徴とする。上記多層基板７０の伝送線路５５、５６、５７は、上記多層基板７０の上下に形成されたグランドパターンにより挟まれたトリプレート線路を構成し、上記多層基板７０内の空洞１０ｂ、１０ａおよび上記フェライト基板５２、５１は、上記多層基板７０の上面およびトリプレート線路の間と上記多層基板の下面およびトリプレート線路の間で分割され、それぞれの空洞１０ｂ，１０ａ内にそれぞれフェライト基板５２、５１が収容されたことを特徴とする。この高周波モジュールは、高周波信号を送受信する送受信モジュールに用いられ、送信回路１ａ、受信回路１ｂ、サーキュレータまたはアイソレータ、またはその両方で構成される。そのため、製造手順としては、まず多層基板７０の上面側を構成する基材７０ａと、裏面側を構成する基材７０ｂに別けて多層基板７０を構成する。次に、基材７０ａと基材７０ｂにそれぞれフェライト基板５１とフェライト基板５２を埋め込む。その後、上下の基材７０ａ，７０ｂを接着剤６０により接合し多層化した後、グランドビア２７のような全層貫通するスルーホールを製造する。

実施の形態４．
図４は、この発明に係る実施の形態４による高周波モジュールの構成を示す側断面図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上面図である。図４（ａ）側断面図は、図４（ｂ）上面図のＤＤ断面である。図４における図３と同様の構成については、詳細な説明を省略する。図４において、フェライト基板５１は、接着剤８０により、多層基板７０の空洞１０ａに面した中底７０ｃの下端に配線された配線パターン５８に結合されている。フェライト基板５２は、接着剤８０により、多層基板７０の空洞１０ｂに面した上部底面１１の下端に結合されている。このように、フェライト基板８は、実施の形態１のようにはんだボールまたは金バンプ２１で接着される以外に、接着剤８０により接着されるようにしても良い。

１ 高周波回路、１ａ 送信回路、１ｂ 受信回路、２ 隙間、３ 多層基板、４ 金属キャリア、５ 磁石、６ 接合部材、８ フェライト基板、１０ 空洞、１０ａ，１０ｂ 空洞、２０ 伝送線路、２１ はんだボールまたは金バンプ、２２ａ，２２ｂ ビア、２３ 伝送線路、２４ ビア、２５ アイソレータ（サーキュレータ）、２６ ビア、２６ｂ ビア、２７ グランドビア、２８ 内層線路、２９ 接合材、３０ グランドパターン、３１ 内層線路、３２ 伝送線路、３３ ビア、３４ 配線パターン、４０ 接着剤、５１ フェライト基板、５２ フェライト基板、５３、５４ はんだボールまたは金バンプ、５５ 伝送線路、５６ 伝送線路、５７ 伝送線路、５８ 伝送線路、６０接着剤、７０ 多層基板、７０ａ，７０ｂ 基材、７３ グランドパターン、８０ 接着剤。

Claims (1)

1. 送信回路と、
   上記送信回路から離れて配置された受信回路と、
   磁石と、
   上記磁石が表面に搭載されるとともに、上記送信回路および受信回路が表面に接合され、内層に空洞が設けられた多層基板と、
   上記多層基板の空洞内に側面方向に隙間を有して収容され、上記多層基板の伝送線路により、上記送信回路および受信回路にそれぞれ接続された、サーキュレータもしくはアイソレータを構成するフェライト基板と、
   を備え、
   上記多層基板の伝送線路は、上記多層基板の上下に形成されたグランドパターンにより挟まれたトリプレート線路を構成し、
   上記多層基板内の空洞および上記フェライト基板は、上記多層基板の上面および上記トリプレート線路の間と上記多層基板の下面および上記トリプレート線路の間で分割され、それぞれの空洞内にそれぞれフェライト基板が収容された
   ことを特徴とする高周波モジュール。

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