JP7098820B2

JP7098820B2 - 無線通信モジュール

Info

Publication number: JP7098820B2
Application number: JP2021504849A
Authority: JP
Inventors: 雄大長谷川
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-07-11
Anticipated expiration: 2040-12-14
Also published as: CN114208044A; EP3965303A4; US11245177B1; EP3965303A1; JPWO2022014066A1; US20220021102A1; CN114208044B

Description

本発明は、無線通信モジュールに関する。
本願は、２０２０年７月１６日に日本に出願された特願２０２０－１２２０２７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

非特許文献１には、一方の面にアンテナを形成し、他方の面にＩＣチップを実装した無線モジュール基板を、接続部材（バンプ）によって別の基板（通信基板）の実装面に重ねて実装した無線通信モジュールが開示されている。この無線通信モジュールでは、ＩＣチップを実装した無線モジュール基板の他方の面が別の基板の実装面に対向している。この種の無線通信モジュールにおいては、不要な輻射を除去するフィルタ（例えばバンドパスフィルタ）を設ける場合がある。

Albert Chee, et al, ‘Integrated Antenna Module for Broadband Wireless Applications’, Electronics Packaging Technology Conference, 2004

この種の無線通信モジュールでは、ＩＣチップ（特に無線信号の周波数を変化させる周波数変換器、無線信号の位相と強度を変化させるアンプ移相器など）が別の基板によって覆われているため、ＩＣチップにおいて生じた熱が無線モジュール基板と別の基板との間に籠りやすい。しかしながら、ＩＣチップの熱を逃がすために別の基板に多数の貫通孔を無策に形成すると、無線通信モジュールの回路を構成する別の基板の配線のレイアウトが複雑になり、その結果として、別の基板における回路用の配線が長くなる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ＩＣチップの放熱性を向上させながら、別の基板における配線のレイアウトを単純にすることが可能な無線通信モジュールを提供する。

本発明の第１態様に係る無線通信モジュールは、第１面又は内部の層にアンテナを形成した無線モジュール基板と、前記無線モジュール基板の第２面に実装され、無線信号の周波数を変化させる周波数変換器と、前記無線モジュール基板の前記第２面に実装され、前記無線信号の位相及び強度を変化させるアンプ移相器と、前記周波数変換器及び前記アンプ移相器に接続され、かつ、前記周波数変換器と前記アンプ移相器との間に設けられるように前記無線モジュール基板の前記第２面に実装されたバンドパスフィルタと、接続部材を介して前記第２面に間隔をあけて設けられ、前記接続部材によって前記無線モジュール基板に電気的に接続された通信基板と、を備え、前記周波数変換器及び前記アンプ移相器のうち少なくとも一つのＩＣチップが対向する前記通信基板の部位に、前記無線モジュール基板及び前記通信基板が並ぶ方向に貫通する貫通孔が形成され、前記バンドパスフィルタは、前記通信基板によって覆われている。

上記の無線通信モジュールでは、周波数変換器及びアンプ移相器（ＩＣチップ）において生じた熱を、無線モジュール基板と通信基板との隙間から通信基板の貫通孔を通して無線通信モジュールの外側に逃がすことができる。
また、放熱用の貫通孔の形成は、通信基板のうち周波数変換器及びアンプ移相器（ＩＣチップ）に対向する部位に限られるため、通信基板における貫通孔の数及び大きさを抑えることができる。これにより、通信基板における配線のレイアウトを単純にし、通信基板における回路用の配線が長くなることを抑制することができる。

本発明の第２態様に係る無線通信モジュールでは、上記第１態様において、前記バンドパスフィルタの厚さ寸法は、前記無線モジュール基板と前記通信基板との間隔よりも小さくてもよい。

本発明の第３態様に係る無線通信モジュールでは、上記第１又は第２態様において、前記貫通孔に臨む前記ＩＣチップの上面には、前記通信基板の誘電体材料よりも熱伝導率の高い放熱シートが載置されてもよい。

本発明の第４態様に係る無線通信モジュールでは、上記第３態様において、無線周波数における前記放熱シートの誘電正接は、前記通信基板よりも大きくてもよい。

上記本発明の態様によれば、ＩＣチップ（周波数変換器及びアンプ移相器）の放熱性を向上させながら、通信基板における配線のレイアウトを単純にすることができる。

本発明の一実施形態に係る無線通信モジュールのブロック図である。本発明の一実施形態に係る無線通信モジュールの平面図である。図２のIII－III矢視断面図である。図２のIV－IV矢視断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１～４を参照して説明する。
図１～４に示すように、本実施形態に係る無線通信モジュール１は、無線モジュール基板２と、周波数変換器３と、アンプ移相器４と、バンドパスフィルタ５と、通信基板６と、を備える。

無線モジュール基板２には、配線パターン（不図示）が形成されている。配線パターンは、例えば銅（Ｃｕ）などの導体からなり、後述する周波数変換器３、アンプ移相器４及びバンドパスフィルタ５を相互に電気接続する。配線パターンは、無線モジュール基板２の両面２ａ，２ｂ（図３，４おいて下面及び上面）、内部などに形成されている。無線モジュール基板２にはアンテナ２１が形成されている。アンテナ２１は、無線モジュール基板２の配線パターンに接続されている。

アンテナ２１は、無線モジュール基板２の一方の面（第１面）２ａ（図３，４において下面）から無線信号を放射するように形成されている。アンテナ２１は、少なくとも無線モジュール基板２の他方の面（第２面）２ｂ（図３，４において上面）に形成されなければよい。図３，４では示さないが、アンテナ２１は無線モジュール基板２の一方の面２ａに形成されてもよいし、無線モジュール基板２の内部の層に形成されてもよい。また、アンテナ２１は、無線モジュール基板２の一方の面２ａに形成された上で、誘電体層によって覆われてもよい。

周波数変換器３は、無線信号の周波数を変化させるＩＣチップであり、無線モジュール基板２の他方の面２ｂに実装されている。これにより、周波数変換器３は、無線モジュール基板２の配線パターンに接続されている。本実施形態において、無線モジュール基板２には、一つの周波数変換器３が実装されている。

アンプ移相器４は、無線信号の位相及び強度を変化させるＩＣチップであり、無線モジュール基板２の他方の面２ｂに実装されている。これにより、アンプ移相器４は、無線モジュール基板２の配線パターンに接続されている。本実施形態において、無線モジュール基板２には、八つのアンプ移相器４が実装されている。無線モジュール基板２に実装された各アンプ移相器４は、無線モジュール基板２の配線パターンを介して周波数変換器３に接続されている。また、各アンプ移相器４は、無線モジュール基板２の配線パターンを介してアンテナ２１に接続されている。すなわち、各アンプ移相器４は、周波数変換器３とアンテナ２１との間に設けられている。

バンドパスフィルタ５は、無線信号の周波数帯域を通過させ、当該周波数帯域を除く帯域の信号（ノイズ）を減衰させるチップ部品である。バンドパスフィルタ５は、無線モジュール基板２の他方の面２ｂに実装され、無線モジュール基板２の配線パターンに接続されている。これにより、バンドパスフィルタ５は、配線パターンを介して周波数変換器３に接続されている。また、バンドパスフィルタ５は、配線パターンを介してアンプ移相器４に接続されている。すなわち、バンドパスフィルタ５は、周波数変換器３とアンプ移相器４との間に設けられている。

本実施形態において、無線モジュール基板２には、二つのバンドパスフィルタ５が実装されている。二つのバンドパスフィルタ５には、同一の周波数変換器３が接続されている。また、二つのバンドパスフィルタ５には、それぞれ四つのアンプ移相器４が接続されている。

本実施形態では、図２に示す平面視で、一つの周波数変換器３が、無線モジュール基板２の他方の面２ｂの中央領域に配置されている。二つのバンドパスフィルタ５は、横方向（Ｘ方向）において周波数変換器３の両側に配置されている。アンプ移相器は、縦方向（Ｙ方向）における周波数変換器３及び二つのバンドパスフィルタ５の両側で、横方向に四つ並ぶように配置されている。これにより、アンプ移相器は、各バンドパスフィルタ５の周囲に四つずつ配置されている。
一つの周波数変換器３、二つのバンドパスフィルタ５及び八つのアンプ移相器４が上記のように配置されていることで、周波数変換器３とバンドパスフィルタ５とを接続する無線モジュール基板２の配線パターンの長さ、及び、バンドパスフィルタ５とアンプ移相器４とを接続する無線モジュール基板２の配線パターンの長さをそれぞれ短くすることができる。

通信基板６には、無線モジュール基板２と同様に、導体で形成される配線パターン（不図示）が形成されている。通信基板６は、図３，４に示すように、接続部材７を介して無線モジュール基板２の他方の面２ｂに間隔をあけて設けられる。通信基板６の配線パターンは、接続部材７によって無線モジュール基板２の配線パターンに電気的に接続されている。接続部材７は、例えば半田、又は金、銀、銅などの導体から形成されるバンプである。通信基板６の配線パターンは、無線モジュール基板２の配線パターン、周波数変換器３、アンプ移相器４、バンドパスフィルタ５と共に、無線通信モジュール１の回路を構成する。

図２～４に示すように、通信基板６には、複数の貫通孔６１が形成されている。貫通孔６１は、通信基板６をその板厚方向（無線モジュール基板２及び通信基板６が並ぶ方向；Ｚ方向）に貫通している。貫通孔６１は、通信基板６のうち周波数変換器３及びアンプ移相器４が対向する部位に形成されている。
貫通孔６１は、一つの周波数変換器３及び八つのアンプ移相器４に対して一つずつ対応している。すなわち、本実施形態の通信基板６には、九つの貫通孔６１が形成されている。各貫通孔６１は、図２に示す平面視で、周波数変換器３、アンプ移相器４が各貫通孔６１の内側に収まるように形成されている。これにより、周波数変換器３及びアンプ移相器４は、通信基板６の各貫通孔６１を通して、無線通信モジュール１の外側に露出する。

通信基板６のうちバンドパスフィルタ５が対向する部位には、貫通孔６１が形成されていない。このため、バンドパスフィルタ５は、通信基板６によって覆われている。ここで、バンドパスフィルタ５の厚さ寸法Ｔ１（図３参照）は、接続部材７による無線モジュール基板２の他方の面２ｂと通信基板６との間隔Ｄ１（図３参照）よりも小さい。このため、通信基板６とこれに対向するバンドパスフィルタ５の上面との間には、隙間がある。すなわち、バンドパスフィルタ５は、通信基板６に接触したり、押し付けられたりしない。

無線モジュール基板２及び通信基板６が半田ボールである接続部材７を含むＢＧＡ（Ball Grid Array）である場合、無線モジュール基板２及び通信基板６における接続部材７（半田ボール）のピッチに応じて、無線モジュール基板２の他方の面２ｂと通信基板６との間隔Ｄ１に関係する接続部材７（半田ボール）の直径も変わる。このため、接続部材７（半田ボール）のピッチに応じてバンドパスフィルタ５の厚さ寸法Ｔ１を制限してもよい。
例えば、接続部材７（半田ボール）のピッチが１．２７ｍｍであるときには、接続部材７（半田ボール）の直径が０．６ｍｍ～０．９ｍｍ程度となるため、バンドパスフィルタ５の厚さ寸法Ｔ１を０．６ｍｍ以下としてよい。また、例えば、接続部材７（半田ボール）のピッチが１ｍｍであるときには、接続部材７（半田ボール）の直径が０．５５ｍｍ～０．６５ｍｍ程度となるため、バンドパスフィルタ５の厚さ寸法Ｔ１を０．５ｍｍ以下としてよい。

図３，４に示すように、周波数変換器３及びアンプ移相器４の厚さ寸法は、任意であってよいが、本実施形態では無線モジュール基板２の他方の面２ｂと通信基板６との間隔Ｄ１よりも大きい。このため、周波数変換器３及びアンプ移相器４の上部は、貫通孔６１の内側に入り込んでいる。

本実施形態では、通信基板６の貫通孔６１に臨む周波数変換器３及びアンプ移相器４の上面に、放熱シート８が載置されている。放熱シート８は、周波数変換器３及びアンプ移相器４の上面に隙間なく密着する弾力性及び粘着性などを有しているとよい。放熱シート８の熱伝導率は、通信基板６の誘電体材料（例えば層間絶縁膜）の熱伝導率よりも高い。また、本実施形態では、無線周波数（無線通信モジュール１で扱う無線信号の周波数）における放熱シート８の誘電正接が、通信基板６の誘電体材料の誘電正接よりも大きい。

以上のように構成される本実施形態の無線通信モジュール１では、図３，４に例示するように、周波数変換器３及びアンプ移相器４を放熱部材１００に対して熱的に接続することができる。放熱部材１００は、アルミニウム等のように熱伝導率が高い材料から形成され、本体部１０１と、本体部１０１から一体に突出する複数の接続突起１０２と、を有する。
本体部１０１は、板状又はブロック状に形成されている。本体部１０１には、例えば放熱フィンが形成されてもよい。

複数の接続突起１０２は、それぞれ通信基板６の貫通孔６１に挿入される。各接続突起１０２の先端は、周波数変換器３及びアンプ移相器４の上面に接続される。接続突起１０２は、例えば周波数変換器３及びアンプ移相器４の上面に直接接続してもよいが、本実施形態では、放熱シート８を介して周波数変換器３及びアンプ移相器４の上面に接続される。放熱シート８が介在していることで、周波数変換器３及びアンプ移相器４と接続突起１０２との密着性を向上する。これにより、周波数変換器３及びアンプ移相器４の熱を放熱部材１００に効率よく伝えることができる。
上記した放熱部材１００は、例えば無線通信モジュール１を収容する筐体であってもよい。

次に、本実施形態の無線通信モジュール１の動作の一例について説明する。
無線通信モジュール１では、まず、無線信号が周波数変換器３に入力されることで、周波数変換器３が当該無線信号の周波数を変化させる。次いで、周波数変換器３から出力された無線信号は、二つのバンドパスフィルタ５に分配して入力される。各バンドパスフィルタ５では、無線信号に重畳しているノイズ（無線信号の周波数帯域を除く帯域の信号）を減衰又は除去する。無線信号に重畳するノイズには、例えば周波数変換器３及びアンプ移相器４において発生する不要な輻射などが含まれる。

各バンドパスフィルタ５から出力された無線信号は、それぞれ四つのアンプ移相器４に分配して入力される。各アンプ移相器４では、無線信号の位相及び強度を変化させる。最後に、八つのアンプ移相器４から出力された無線信号は、アンテナ２１から放射される。
ここで、アンテナ２１は無線モジュール基板２の一方の面２ａに形成されているため、アンプ移相器４から出力された無線信号は、無線モジュール基板２の一方の面２ａから放射される。

本実施形態の無線通信モジュール１では、上記したように複数のアンプ移相器４において無線信号の位相及び強度を変化させるため、高出力、高利得を得ることができる。
また、本実施形態の無線通信モジュール１では、バンドパスフィルタ５が無線モジュール基板２及び通信基板６とは別個のチップ部品で構成されている。そのため、バンドパスフィルタ５が無線モジュール基板２及び通信基板６の配線パターンで形成される場合と比較して、バンドパスフィルタ５の特性を十分に得ることができる。

本実施形態の無線通信モジュール１では、通信基板６のうち周波数変換器３及びアンプ移相器４が対向する部位に貫通孔６１が形成されている。このため、周波数変換器及びアンプ移相器において生じた熱を、無線モジュール基板２と通信基板６との隙間から通信基板６の貫通孔６１を通して無線通信モジュール１の外側に逃がすことができる。さらに、貫通孔６１を通して無線モジュール基板２の外側に臨む周波数変換器３及びアンプ移相器４に放熱部材１００を接続することで、周波数変換器３及びアンプ移相器４の熱をより効率よく無線通信モジュール１の外側に逃がすことができる。

また、放熱用の貫通孔６１の形成は、通信基板６のうち周波数変換器３及びアンプ移相器４に対向する部位に限られるため、通信基板６に形成される貫通孔６１の数及び大きさを抑えることができる。これにより、貫通孔６１の形成に基づく通信基板６の配線レイアウトが複雑になることを防ぎ、通信基板６における回路用の配線が長くなることを抑制することができる。
したがって、本実施形態の無線通信モジュール１では、周波数変換器３及びアンプ移相器４の放熱性を向上させながら、通信基板６における配線のレイアウトを単純にすることができる。

また、本実施形態の無線通信モジュール１によれば、バンドパスフィルタ５の厚さ寸法Ｔ１が、無線モジュール基板２と通信基板６との間隔Ｄ１よりも小さい。これにより、無線モジュール基板２の他方の面２ｂが平坦に形成されていても、バンドパスフィルタ５を無線モジュール基板２と通信基板６との隙間に配置することができる。

また、本実施形態の無線通信モジュール１によれば、通信基板６の貫通孔６１に臨む周波数変換器３及びアンプ移相器４の上面には、通信基板６よりも熱伝導率の高い放熱シート８が載置されている。これにより、周波数変換器３及びアンプ移相器４の熱を通信基板６よりも放熱シート８に効率よく伝えることができる。すなわち、周波数変換器３及びアンプ移相器４の熱が通信基板６に伝わることを抑えて、通信基板６の温度が上昇することを抑制することができる。

また、本実施形態の無線通信モジュール１によれば、無線周波数における放熱シート８の誘電正接が通信基板６よりも大きい。これにより、周波数変換器３及びアンプ移相器４の上面に載置された放熱シート８に基づいてノイズが発生することを抑制することができる。

以上、本発明の詳細について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

本発明の無線通信モジュール１において、通信基板６の貫通孔６１は、周波数変換器３及びアンプ移相器４のうち少なくとも一つのＩＣチップに対向する通信基板６の部位に形成されればよい。貫通孔６１は、例えば複数のアンプ移相器４のうち一つに対向する通信基板６の部位にだけ形成されてもよい。また、周波数変換器３の数が複数である場合、貫通孔６１は、例えば複数の周波数変換器３のうち一つに対向する通信基板６の部位にだけ形成されてもよいし、複数の周波数変換器３全てに対向する通信基板６の部位に形成されてもよい。また、貫通孔６１は、例えば、周波数変換器３及びアンプ移相器４のうち最も発熱が大きいＩＣチップに対向する通信基板６の部位にのみ形成されてもよい。

本発明の無線通信モジュール１において、無線モジュール基板２には、例えば他方の面２ｂから窪む凹部が形成され、凹部の底面にバンドパスフィルタ５が実装されてもよい。この場合には、バンドパスフィルタ５の厚さ寸法Ｔ１が、無線モジュール基板２の他方の面２ｂと通信基板６との間隔Ｄ１以上であっても、バンドパスフィルタ５を無線モジュール基板２と通信基板６との隙間に配置することができる。

本発明の無線通信モジュール１において、周波数変換器３、アンプ移相器４、バンドパスフィルタ５の数は、上記実施形態で示した数に限らず任意であってよい。例えば、周波数変換器３、バンドパスフィルタ５、アンプ移相器４の数が一つずつであってもよい。また、例えば、周波数変換器３、バンドパスフィルタ５の数が一つずつであり、アンプ移相器４の数が複数であってよい。この場合には、周波数変換器３を通ってバンドパスフィルタ５から出力された無線信号を複数のアンプ移相器４に分配した上でアンテナ２１に出力することができる。

１…無線通信モジュール、２…無線モジュール基板、２ａ…一方の面、２ｂ…他方の面、３…周波数変換器（ＩＣチップ）、４…アンプ移相器（ＩＣチップ）、５…バンドパスフィルタ、６…通信基板、７…接続部材、８…放熱シート、２１…アンテナ、６１…貫通孔

Claims

第１面又は内部の層にアンテナを形成した無線モジュール基板と、
前記無線モジュール基板の第２面に実装され、無線信号の周波数を変化させる周波数変換器と、
前記無線モジュール基板の前記第２面に実装され、前記無線信号の位相及び強度を変化させるアンプ移相器と、
前記周波数変換器及び前記アンプ移相器に接続され、かつ、前記周波数変換器と前記アンプ移相器との間に設けられるように前記無線モジュール基板の前記第２面に実装されたバンドパスフィルタと、
接続部材を介して前記第２面に間隔をあけて設けられ、前記接続部材によって前記無線モジュール基板に電気的に接続された通信基板と、を備え、
前記周波数変換器及び前記アンプ移相器のうち少なくとも一つのＩＣチップが対向する前記通信基板の部位のみに、前記無線モジュール基板及び前記通信基板が並ぶ方向に貫通する貫通孔が形成され、
前記バンドパスフィルタは、前記通信基板によって覆われている無線通信モジュール。
前記バンドパスフィルタの厚さ寸法は、前記無線モジュール基板と前記通信基板との間隔よりも小さい請求項１に記載の無線通信モジュール。
前記貫通孔に臨む前記ＩＣチップの上面には、前記通信基板の誘電体材料よりも熱伝導率の高い放熱シートが載置されている請求項１又は請求項２に記載の無線通信モジュール。
無線周波数における前記放熱シートの誘電正接が、前記通信基板よりも大きい請求項３に記載の無線通信モジュール。