JP6725378B2

JP6725378B2 - アンテナモジュール

Info

Publication number: JP6725378B2
Application number: JP2016180338A
Authority: JP
Inventors: 岩崎　正樹; 正樹岩崎
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-09-15
Also published as: JP2018046439A

Description

本発明は、アンテナモジュールに関する。

車両や航空機などの移動体に用いられるレーダシステムとしては、マイクロ波やミリ波などの電波を利用したレーダシステムが用いられる。この種のレーダシステムは、電波を送受信するアンテナモジュールと、アンテナモジュールとの入出力信号を処理する信号処理回路などから構成される。

アンテナモジュールは、例えば誘電体基板上に配置されるマイクロストリップパッチアンテナ素子などのアンテナ素子を複数有している。そのため、アンテナ素子ごとに、入出力信号を処理するための信号処理回路が必要となる。これらの信号処理回路は、一般には、配線基板の表裏面に実装された電子部品と、配線基板に形成された回路パターンから構成される。そのため、アンテナモジュールに複数のアンテナ素子を搭載しようとすると、信号処理回路が形成された配線基板の数が増加する。その結果、アンテナモジュールが大型化するとともに、装置の製造コストやランニングコストも増加する。

特開２０１４−７５６８２号公報

本発明は、上述の事情の下になされたもので、アンテナモジュールの小型化及び低コスト化を図ることを課題とする。

上記課題を解決するため、本実施形態に係るアンテナモジュールは、第１面に複数のアンテナパターンが形成される第１配線基板と、電子部品が収容されるキャビティが形成され、第１配線基板の第１面とは反対の第２面側に多段に積層される複数の第２配線基板と、を備える。第１配線基板には、マトリクス状に配列された複数のアンテナパターンが形成される。多段に積層される第２配線基板には、複数のアンテナパターンそれぞれに対応する位置に、キャビティが形成される。

本実施形態に係るアンテナモジュールの斜視図である。アンテナモジュールの展開斜視図である。ユニットの断面図である。スタックビア群の配置を示す図である。ユニットの斜視図である。ユニットの断面図である。スタックビア群の配置を示す図である。アンテナモジュールの製造方法を説明するための図である。アンテナモジュールの回路を模式的に示す図である。アンテナモジュールの変形例を示す図である。アンテナモジュールの変形例を示す図である。アンテナモジュールの変形例を示す図である。アンテナモジュールの変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。実施形態の説明にあたっては、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を適宜用いる。

図１は、本実施形態に係るアンテナモジュール１０の斜視図である。アンテナモジュール１０は、例えば、マイクロ波を用いた合成開口レーダシステムに用いられるアンテナモジュールである。図１に示されるように、アンテナモジュール１０は、上面に９つのアンテナパターン２０４ａが形成された正方形板状のモジュールである。図２は、アンテナモジュール１０の展開斜視図である。図２に示されるように、アンテナモジュール１０は、４つのユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃから構成される。

図３は、ユニット２０の図２におけるＡＡ断面を示す図である。図３に示されるように、ユニット２０は、相互に積層された３つの絶縁層２１〜２３と、絶縁層２１〜２３に設けられる導体層２０１〜２０４とを有する多層配線基板である。ユニット２０では、絶縁層２２と、絶縁層２２の表裏面に形成される導体層２０２，２０３とが、例えば、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたコア基板と、コア基板の表裏面に貼り付けられた銅箔を有する銅張積層板を用いて作られている。コア基板は、絶縁層２２となり、銅箔は、パターニングされることにより導体層２０２，２０３となる。導体層２０２，２０３は、アンテナモジュール１０の仕様に応じてパターニングされている。

また、絶縁層２１と導体層２０１、及び絶縁層２３と導体層２０４は、例えば、絶縁層２１，２３となるコア基板と、コア基板の一方の面に貼り付けられた銅箔を有する銅張積層板を用いて作られている。導体層２０１，２０４も、アンテナモジュール１０の仕様に応じてパターニングされている。ユニット２０では、例えば図２を参照するとわかるように、導体層２０４の一部が、正方形のアンテナパターン２０４ａとなっている。

絶縁層２１，２３は、例えば、プリプレグなどを介して、絶縁層２２に接着されている。各導体層２０１〜２０４は、絶縁層２１〜２３に設けられたスルーホール導体２１０によって、適当な位置で電気的に接続されている。

ユニット２０では、３つの絶縁層２１〜２３にわたって、Ｚ軸方向へスタックされた３つのスルーホール導体２１０からなるスタックビア群２２０が形成されている。スタックビア群２２０は、図４の丸印Ｃに示されるように、ユニット２０の外縁とアンテナパターン２０４ａの外縁に沿って形成されている。複数のスタックビア群２２０によって、各導体層２０１〜２０４が電気的に接続されるとともに、ユニット２０の剛性が高められる。

図５は、ユニット３０Ａの斜視図である。図５に示されるように、ユニット３０Ａは、キャビティ３００ａが形成された配線基板３００と、配線基板３００に実装されたＩＣ（Integrated Circuit）６１やチップ６２などの電子部品を有している。

図６は、ユニット３０Ａの図５におけるＡＡ断面を示す図である。図６に示されるように、配線基板３００は、相互に積層された６つの絶縁層３１〜３６と、絶縁層３１〜３６に設けられる導体層３０１〜３０７とを有する多層配線基板である。

配線基板３００では、絶縁層３２と、絶縁層３２の表裏面に形成される導体層３０２，３０３とが、例えば、絶縁層３２となるコア基板と、コア基板の表裏面に貼り付けられた銅箔を有する銅張積層板を用いて作られている。

絶縁層３１と導体層３０１、及び絶縁層３３と導体層３０４は、例えば、絶縁層３１，３３となるコア基板と、コア基板の一方の面に貼り付けられた銅箔を有する銅張積層板を用いて作られている。絶縁層３１，３３は、例えば、プリプレグなどを介して、絶縁層３２の下面と上面にそれぞれ接着されている。絶縁層３１〜３３は、キャビティ３００ａの下方に位置し、キャビティ３００ａの底壁を構成する

絶縁層３４と導体層３０５、絶縁層３５と導体層３０６、及び絶縁層３６と導体層３０７は、絶縁層３３の上面側（＋Ｚ側）に積層されている。図５及び図６を参照するとわかるように、絶縁層３４〜３６には、Ｚ軸方向に貫通する複数（９つ）の開口Ｈが形成されている。これらの開口Ｈは、図５を参照するとわかるように、３行３列のマトリクス状に配列されている。

絶縁層３４と導体層３０５、絶縁層３５と導体層３０６、及び絶縁層３６と導体層３０７は、例えば、絶縁層３４，３５，３６となるコア基板と、コア基板の一方の面に貼り付けられた銅箔を有する銅張積層板を用いて作られている。絶縁層３４〜３６は、例えば、プリプレグなどを介して、それぞれ絶縁層３３〜３５に接着されている。開口Ｈが形成された絶縁層３４〜３６が、絶縁層３３の上面に積層されることで、９つのキャビティ３００ａが形成される。

絶縁層３１〜３６に形成される導体層３０１〜３０７は、アンテナモジュール１０の仕様に応じてパターニングされている。また、キャビティ３００ａから露出する導体層３０４は、電子部品を実装するためのパッドなどを含む。

各導体層３０１〜３０７は、絶縁層３１〜３６に設けられたスルーホール導体３１０によって、適当な位置で電気的に接続されている。配線基板３００では、絶縁層３１〜３６にわたってＺ軸方向へスタックされた６つのスルーホール導体３１０からなるスタックビア群３２０が形成されている。スタックビア群３２０は、図７の丸印Ｃに示されるように、配線基板３００の外縁とキャビティ３００ａの外縁に沿って形成されている。複数のスタックビア群３２０によって、各導体層３０１〜３０７が電気的に接続されるとともに、配線基板３００の剛性が高められる。

ユニット３０Ａ以外のユニット３０Ｂ，３０Ｃも、ユニット３０Ａと同様に、キャビティ３００ａが形成された配線基板３００と、配線基板３００に実装されたＩＣ６１やチップ６２などの電子部品を有している。各ユニット３０Ａ〜３０Ｃに実装されるＩＣ６１などの電子部品の数や種類は、アンテナモジュール１０の仕様によって決定される。

次に、上述のように構成されるアンテナモジュール１０の製造方法について説明する。アンテナモジュール１０は、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃをそれぞれ製造した後、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを一体化することにより製造することができる。

ユニット２０を構成する配線基板は、例えばサブトラクティブ法などを用いてパターニングされた導体層が形成された基板を、ビルドアップ工法を用いて多層化することにより形成することができる。

同様に、ユニット３０Ａ〜３０Ｃを構成する配線基板３００も、例えばサブトラクティブ法などを用いてパターニングされた導体層が形成された基板を、ビルドアップ工法を用いて多層化することにより形成することができる。配線基板３００が準備できたら、次に、配線基板３００のキャビティ３３０ａから露出する導体層３０４に、ＩＣ６１やチップ６２などの電子部品を実装する。以上の工程により、ユニット２０、３０Ａ〜３０Ｃが完成する。

ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを整形して寸法を調整するには、例えば、ルータなどを用いて、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを構成する配線基板の外縁を研磨することなどが考えられる。

次に、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを重ねて一体化する。具体的には、図８に示されるように、まず、ユニット３０Ａ〜３０Ｃのスタックビア群３２０の上方の導体層３０７に、半田からなるバンプ４０を形成する。

次に、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを重ね合わせる。そして、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを、加熱するとともに加圧する。これにより、ユニット２０の導体層２０１とユニット３０Ａの導体層３０７が、バンプ４０を介して接着される。また、ユニット３０Ａの導体層３０１とユニット３０Ｂの導体層３０７が、バンプ４０を介して接着され、ユニット３０Ｂの導体層３０１とユニット３０Ｃの導体層３０７が、バンプ４０を介して接着される。これにより、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃが一体化され、図１に示されるアンテナモジュール１０が完成する。

図９は、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃが一体されることにより形成されたアンテナモジュール１０の回路を模式的に示す図である。アンテナモジュール１０では、例えば、各アンテナパターン２０４ａは、当該アンテナパターン２０４ａの直下に位置するキャビティに収容される電子部品からなる制御回路に電気的に接続される。また、アンテナモジュール１０では、ユニット２０のスタックビア群２２０と、ユニット３０Ａ〜３０Ｃのスタックビア群３２０が、直列に接続される。

上述のように構成されるアンテナモジュール１０には、例えばユニット３０Ｃの下面に、外部機器との接続に用いられるコネクタなどが実装される。

以上説明したように、本実施形態に係るアンテナモジュール１０は、アンテナパターン２０４ａが形成されたユニット２０に積層されるユニット３０Ａ〜３０Ｃによって、アンテナパターン２０４ａからの信号を処理する制御回路が構成される。これにより、アンテナモジュール１０を、配線基板を積層することにより構成することができる。したがって、アンテナモジュール１０を小型化することができ、装置の製造コストを削減することができる。

本実施形態では、アンテナパターン２０４ａに対応する制御回路は、各ユニット３０Ａ〜３０Ｃの配線基板３００に実装される電子部品によって構成される。そのため、アンテナモジュール１０では、各ユニット３０Ａ〜３０Ｃに実装される電子部品に応じたグレードの配線基板３００を用いることができる。したがって、アンテナパターン２０４ａの制御回路を１つの配線基板上に形成する場合に比べて、安価な配線基板を使用することができる。したがって、装置の製造コストを削減することが可能となる。

本実施形態では、アンテナモジュール１０が、配線基板から構成される。そのため、高周波素子、アナログ部品、デジタル部品などの種々の部品を用いて、アンテナモジュール１０を構成することができる。したがって、設計の自由度を維持しつつ、アンテナモジュール１０の小型化を実現することができる。

以上、実施形態に係るアンテナモジュールについて説明したが、本アンテナモジュールは上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、アンテナモジュール１０が、４つのユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃから構成される場合について説明した。これに限らず、アンテナモジュール１０は、３つ以下や５つ以上のユニットから構成されていてもよい。

各ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを構成する配線基板の層数は、アンテナモジュール１０の仕様に応じて、任意に決めることができる。また、上記実施形態で説明したユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを構成する配線基板の構成は一例であり、各ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃの配線基板は、アディティブ法やセミアディティブ法など任意の手法を用いて製造することができる。

上記実施形態では、アンテナモジュール１０が、９つのアンテナパターン２０４ａを有している場合について説明した。これに限らず、アンテナモジュール１０は、１０以上或いは８以下のアンテナパターン２０４ａを備えていてもよい。

上記実施形態では、９つのアンテナパターン２０４ａがマトリクス状に配置されている場合について説明した。アンテナパターン２０４ａの配置はこれに限られるものではなく、例えば、ランダムに配置されていてもよく、所定の規則に従って配置されていてもよい。

ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃに用いられる配線基板として、標準サイズの基板を用いる場合には、アンテナパターン２０４ａの数を、できる限り増やすことによって、低コストで高性能なアンテナモジュール１０を製造することが可能になる。

上記実施形態では、図８に示されるように、アンテナモジュール１０を構成するユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを、半田からなるバンプ４０を用いて接続する場合について説明した。これに限らず、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃの接続は、種々の方法で行うことができる。例えば、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを、導電性ペーストなどを用いて接続することとしてもよい。また、ＰＧＡ（Pin Grid Array）タイプの素子の実装と同様に、導体からなるピンを用いて、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを接続してもよい。また、金属コア入りの半田ボールを用いて、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃを接続してもよい。

上記実施形態では、９つのアンテナパターン２０４ａを備えるアンテナモジュール１０について説明した。これに限らず、ルータなどを用いて、当該モジュールを、アンテナパターン２０４ａごとに切り離して、１つのアンテナパターン２０４ａを備える９つのアンテナモジュールを製造することとしてもよい。

上記実施形態では、各ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃの導体層が、スタックされたビアからなるスタックビア群によって電気的に接続される場合について説明した。これに限らず、例えば、アンテナモジュール１０の上面から下面に貫通する開口を設け、当該開口の内壁面にメッキ処理をすることにより、各ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃの導体層を相互に接続することとしてもよい。また、アンテナモジュール１０の上面から下面に貫通する開口に、導電性ペーストを充填することにより、各ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃの導体層を相互に接続することとしてもよい。

上記実施形態では、ユニット３０Ａ〜３０Ｃの配線基板３００に、上方が開口したキャビティが形成されている場合について説明した。これに限らず、例えば図６に示される絶縁層３１〜３３及び導体層３０１〜３０４と、絶縁層３４〜３６及び導体層３０５〜３０７を別々の配線基板から構成してもよい。

上記実施形態では、例えば、図５及び図６に示されるように、ＩＣ６１などの電子部品が、キャビティ３００ａが形成される配線基板３００に実装される場合について説明した。これに限らず、例えば、図１０に示されるように、キャビティ３００ａに収容されるＩＣ６１などの電子部品は、当該キャビティ３００ａが形成される配線基板３００以外の配線基板３００に実装される電子部品であってもよい。

具体的には、ユニット３０Ａのキャビティ３００ａに収容される電子部品は、ユニット２０の電子部品であってもよい。また、ユニット３０Ｂのキャビティ３００ａに収容される電子部品はユニット３０Ａの電子部品であってもよく、ユニット３０Ｃのキャビティ３００ａに収容される電子部品はユニット３０Ｂの電子部品であってもよい。

また、図１０に示されるように、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃは、キャビティ３００ａ以外の位置に実装されるＩＣ６１などの電子部品を備えていてもよい。

上記実施形態では、例えば、図５及び図６に示されるように、キャビティ３００ａの下面に電子部品が実装される場合について説明した。これに限らず、図１１に示されるように、キャビティ３００ａの下面と上面の双方に、電子部品が実装されていてもよい。これによれば、ユニット３０Ａ〜３０Ｃを構成する配線基板３００の表裏面に電子部品を実装することができる。そのため、アンテナモジュール１０の実装密度を向上することができる。

上記アンテナモジュール１０における高周波回路を構成する素子やチップは、他の素子に与える影響が大きい。そのため、図１２に示されるように、ユニット３０Ａ〜３０Ｃに、キャビティ３００ａを覆うようにシールドパターンＳＰを形成してもよい。このシールドパターンＳＰは、例えば、ユニット３０Ａ〜３０Ｃを構成する導体層の一部として設けることができる。更に、シールドパターンＳＰ同士を接続するグランドピンＧＰを、キャビティ３００ａの周囲に配置することで、シールド効果をより一層高めることができる。

従来は、高周波回路からのノイズをシールド（アイソレーション）するために、例えばＩＣなどの素子を覆う金属製のケースを、基板に設けていた。本変形例では、ユニットを構成する導体層をシールドとして用いることができるので、金属製のケースなどを用いる必要がなく、装置を簡素化するとともに、製造コストを削減することができる。

また、各ユニット２０Ａ，３０Ａ〜３０Ｃを構成する基板を、ＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）構造としてもよい。この場合にも、金属製のケースなどを用いる必要がなく、装置を簡素化することができる。

上記実施形態では、例えば、図８に示されるように、アンテナモジュール１０が、絶縁層と導体層からなるユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃから構成される場合について説明した。これに限らず、アンテナモジュール１０は、ユニット２０，３０Ａ〜３０Ｃ以外に、放熱板などの放熱部材を備えていてもよい。

例えば、図１３には、放熱板８１と、銅インレイ８２を備えるアンテナモジュール１０が示されている。放熱板８１は、例えば銅やアルミニウムなど、導電性の高い金属からなる。ユニット３０Ａとユニット３０Ｂは、放熱板８１を介して積層されている。この状態のときには、放熱板８１は、ユニット３０Ｂを構成するＩＣ６１などの電子部品と接した状態になっている。したがって、ユニット３０Ｂの電子部品から生じる熱は、放熱板８１をヒートシンクとして、外部へ放出される。

また、銅インレイ８２は、ユニット３０Ｃを構成する配線基板３００に埋め込まれている。銅インレイ８２は、上面がユニット３０Ｃのキャビティ３００ａに露出し、下面がユニット３０Ｃの外部に通じている。銅インレイ８２の上面は、例えば半田や導電性ペーストなどを介して、ユニット３０Ｃを構成するＩＣ６１などの電子部品に接続されている。したがって、ユニット３０Ｃの電子部品から生じる熱は、銅インレイ８２をヒートシンクとして、外部へ放出される。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０アンテナモジュール
２０，２０Ａユニット
２１〜２３絶縁層
３０，３０Ａ〜３０Ｃユニット
３１〜３６絶縁層
４０バンプ
６１ＩＣ
６２チップ
８１放熱板
８２銅インレイ
２０１〜２０４導体層
２０４ａアンテナパターン
２１０スルーホール導体
２２０スタックビア群
３００配線基板
３００ａキャビティ
３０１〜３０７導体層
３１０スルーホール導体
３２０スタックビア群
３３０ａキャビティ
Ｃ丸印
ＧＰグランドピン
ＳＰシールドパターン

Claims

第１面に複数のアンテナパターンが形成される第１配線基板と、
電子部品が収容されるキャビティが形成され、前記第１配線基板の第１面とは反対の第２面側に多段に積層される複数の第２配線基板と、
を備え、
前記第１配線基板には、マトリクス状に配列された複数の前記アンテナパターンが形成され、
多段に積層される前記第２配線基板には、複数の前記アンテナパターンそれぞれに対応する位置に、前記キャビティが形成されるアンテナモジュール。
前記キャビティは、前記第２配線基板の第１面側に形成され、前記第２配線基板は、前記第２配線基板の第１面が、前記第１配線基板の第２面に対抗するように配置される請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記配線基板は、回路パターンが形成される複数の導体層と、前記導体層の間に配置される複数の絶縁層とを含む多層配線基板である請求項１又は２に記載のアンテナモジュール。
前記第２配線基板は、前記キャビティに収容される電子部品に接する放熱部材を介して積層される請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアンテナモジュール。
前記第２配線基板には、第１面が前記キャビティ内の前記電子部品に熱的に接触し、前記第１面とは反対の第２面が前記キャビティの外部に露出する放熱部材が設けられる請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアンテナモジュール。
互いに接する前記第２配線基板それぞれの導体層は、前記キャビティを挟むように形成されるシールドパターンを含み、
前記シールドパターンは、前記キャビティの周囲に配置される導体によって電気的に接続される請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナモジュール。