KR20040034568A - 고주파 모듈 기판 장치 - Google Patents

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KR20040034568A
KR20040034568A KR10-2003-7006471A KR20037006471A KR20040034568A KR 20040034568 A KR20040034568 A KR 20040034568A KR 20037006471 A KR20037006471 A KR 20037006471A KR 20040034568 A KR20040034568 A KR 20040034568A
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히라바야시다카유키
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

스위칭에 의해서 대역 통과 필터의 통과 주파수 특성을 전환하는 동시에 어떠한 통과 주파수대에서도 최적인 대역 통과 필터 특성이 얻어지도록 한 고주파 모듈 장치에 사용되는 고주파 모듈 기판 장치로서, 유기 기판을 코어 기판(5, 6)으로서 최상층이 평탄화되어 빌드업 형성면(16)을 구성하여 베이스 기판(2)과, 빌드업 형성면 상에 적층 형성한 집중 정수 설계의 고주파 회로부(3)와의 사이에서 박막 캐패시터 소자(18)를 구성하고, 스위치 수단(4)을 통해 박막 캐패시터의 병렬 용량을 베이스 기판부측으로 분포 정수 설계된 λ/4의 주파수 특성을 갖는 결합기(11)에 대하여 부하의 전환을 행한다.

Description

고주파 모듈 기판 장치{High-frequency module substrate device}
음악, 음성 또는 화상 등의 각종 정보는 데이터의 디지탈화에 동반하여 퍼스널 컴퓨터나 모바일 컴퓨터 등의 소형 정보 처리 장치에 의해서도 손쉽게 취급할 수 있도록 되어 있다. 이러한 정보들은 음성 코덱 기술이나 화상 코덱 기술에 의해 대역 압축이 도모되고, 디지털 통신이나 디지털 방송에 의해 각종의 통신 단말 기기에 대하여 용이하고 또한 효율적으로 배신(配信)되는 환경이 갖추어져 있다. 예를 들면, 오디오 데이터 및 비디오 데이터(이하, AV 데이터라고 함)는 휴대 전화기에 의해서 옥외에서의 수신도 가능하다.
그런데, 데이터 등의 송수신 시스템은 가정을 비롯하여 소규모의 지역 내에서도 적합한 네트워크 시스템의 구축에 의해 여러 가지로 활용되고 있다. 네트워크 시스템으로서는 예를 들면 400MHz대를 사용한 미약 전파 시스템이나 1.9GHz대를사용한 PHS(퍼스널·핸디폰·시스템)과 함께, IEEE802.11b로 제안되어 있는 2.45GHz대의 무선 LAN 시스템이나 Bluetooh라고 불리는 근거리 무선 통신 시스템 등 또는 IEEE802.11a로 제안되어 있는 5GHz대의 협역 무선 통신 시스템과 같은 여러 가지의 차세대 무선 시스템이 주목되고 있다. 송수신 시스템은 이러한 와이어리스 네트워크 시스템을 유효하게 이용하고, 가정 내나 옥외 등의 여러 장소에서 손쉽고 또한 중계 장치 등을 통하지 않고서 여러 가지의 데이터의 수수, 여러 가지의 통신 네트워크로의 액세스나 데이터의 송수신이 가능해진다.
한편, 송수신 시스템에 있어서는 상술한 통신 기능을 갖는 소형 경량이고 또한 휴대 가능한 통신 단말 기기의 실현이 필수가 된다. 통신 단말 기기에 있어서는 송수신부에서 아날로그의 고주파 신호의 변복조 처리를 행하는 것이 필요하기 때문에, 일반적으로 송수신 신호로부터 일단 중간 주파수로 변환하도록 한 슈퍼헤테로다인 수신 장치 방식에 의한 고주파 송수신 회로가 구비된다.
고주파 송수신 회로에는 안테나나 전환 스위치를 갖고 정보 신호를 수신 또는 송신하는 안테나부와, 송신과 수신을 전환하는 송수신 전환기가 구비되어 있다. 고주파 송수신 회로에는 주파수 변환 회로부나 복조 회로부 등으로 이루어지는 수신 회로부가 구비된다. 고주파 송수신 회로에는 파워 증폭기(power amplifier)나 드라이브 증폭기(drive amplifier) 및 변조 회로부 등으로 이루어지는 송신 회로부가 구비된다. 고주파 송수신 회로에는 수신 회로부나 송신 회로부에 기준 주파수를 공급하는 기준 주파수 생성 회로부가 구비된다.
이러한 고주파 송수신 회로에서는 각 단(段)간에 각각 삽입된 여러 가지의필터, 국부 발진기(VC0), SAW 필터 등의 대형 기능 부품이나, 정합 회로 또는 바이어스 회로 등의 고주파 아날로그 회로에 특유한 인덕터, 저항, 캐패시터 등의 수동 부품의 부품수가 대단히 많은 구성으로 되어 있다. 고주파 송수신 회로는 각 회로부의 IC화가 도모되지만, 각 단간에 삽입되는 필터를 IC 중에 넣을 수 없고, 이 때문에 정합 회로도 외장으로서 필요해진다. 따라서, 고주파 송수신 회로는 전체로 대형이 되어, 통신 단말 기기의 소형 경량화에 큰 장해가 되고 있다.
한편, 통신 단말 기기에는 중간 주파수로의 변환을 행하지 않고서 정보 신호의 송수신을 하도록 한 다이렉트 컨버전 방식에 의한 고주파 송수신 회로도 사용된다. 이러한 고주파 송수신 회로에서는 안테나부에 의해서 수신된 정보 신호가 송수신 전환기를 통해 복조 회로부에 공급되어 직접 베이스 밴드 처리가 행해진다. 고주파 송수신 회로에서는 소스원에서 생성된 정보 신호가 변조 회로부에서 중간 주파수로 변환되지 않고서 직접 소정의 주파수대로 변조되어 증폭기와 송수신 전환기를 통해 안테나부로부터 송신된다.
이러한 고주파 송수신 회로는 정보 신호에 대하여 중간 주파수의 변환을 행하지 않고 다이렉트 검파를 함으로써 송수신하는 구성이므로, 필터 등의 부품 점수가 저감되어 전체 구성의 간략화가 도모되고, 보다 1칩화에 가까운 구성이 예상된다. 그러나 이 다이렉트 컨버전 방식에 의한 고주파 송수신 회로에 있어서도, 후단에 배치된 필터 또는 정합 회로의 대응이 필요해진다. 또한, 고주파 송수신 회로는 고주파단에서 한번의 증폭을 하기 때문에 충분한 게인을 얻는 것이 곤란하고, 베이스 밴드부에서도 증폭 조작을 할 필요가 있다. 따라서, 고주파 송수신 회로는DC 오프셋의 캔슬 회로나 여분인 저역 필터(low pass fitter)를 필요로 하여, 더욱이 전체의 소비 전력이 커진다는 문제가 있다.
종래의 고주파 송수신 회로는 상술한 바와 같이 슈퍼헤테로다인 방식 및 다이렉트 컨버전 방식중 어느 것에 있어서도, 통신 단말 기기의 소형 경량화 등의 요구 사양에 대하여 충분한 특성을 만족할 수 없는 것이었다. 이 때문에, 고주파 송수신 회로에 대해서는 예를 들면 Si-CMOS 회로 등을 베이스로 하여 간략한 구성에 의해서 소형화를 도모한 모듈화에 대하여 여러 가지의 시도가 도모되고 있다. 즉, 시도의 하나는 예를 들면 특성이 좋은 수동 소자를 Si 기판 상에 형성함과 동시에 필터 회로나 공진기 등을 LSI 상에 만들어 넣고, 또한 베이스 밴드 부분의 논리(logic) LSI도 집적화 함으로써, 소위 1칩화 고주파 송수신 모듈을 제작하는 방법이다.
이러한 Si 기판 고주파 송수신 모듈에서는 어떻게 하여 성능이 좋은 인덕터를 LSI 상에 형성할지가 극히 중요하게 된다. 고주파 송수신 모듈에서는 이 때문에 예를 들면 Si 기판 및 SiO2절연층의 인덕터 형성부에 대응하여 큰 오목부를 형성하고, 이 오목부에 임하여 제 1 배선층을 형성함과 동시에 오목부를 폐색하는 제 2 배선층을 형성하여 인덕터부를 구성한다. 또한, 고주파 송수신 모듈은 다른 대응으로서 배선 패턴의 일부를 기판 표면으로부터 상승시켜 공중에 띄우는 구성을 설치함으로써 인덕터부가 형성되어 있다. 이러한 고주파 송수신 모듈은 모두 인덕터부를 형성하는 공정이 극히 복잡하고, 공정의 증가에 의해서 비용이 증가된다는문제가 있다.
한편, 1칩화 고주파 송수신 모듈에서는 아날로그 회로의 고주파 회로부와, 디지털 회로 베이스 밴드 회로부의 사이에 개재하는 Si 기판의 전기적 간섭이 큰 문제가 된다. 고주파 송수신 모듈에 대해서는 예를 들면 Si 기판 상에 SiO2층을 형성한 후에 리소그래피 기술에 의해서 수동 소자 형성층을 형성한 것이나, 글래스 기판 상에 리소그래피 기술에 의해서 수동 소자 형성층을 성막 형성한 것이 제안되어 있다.
Si 기판 고주파 송수신 모듈은 수동 소자 형성층의 내부에 배선 패턴과 함께 인덕터부, 저항체부 또는 캐패시터부 등의 수동 소자가 박막 형성 기술이나 후막 형성 기술에 의해서 다층으로 형성되어 있다. 고주파 송수신 모듈은 수동 소자 형성층 상에 비어(중계 스루 호울; through hole) 등을 통해 내부 배선 패턴과 접속된 단자부가 형성되고, 이들 단자부에 플립 칩 실장법 등에 의해 고주파 IC나 LSI 등의 회로 소자가 직접 실장되어 있다. 이러한 고주파 송수신 모듈은 예를 들면 머더(mother) 기판 등에 실장함으로써, 고주파 회로부와 베이스 밴드 회로부를 구분하여 양자의 전기적 간섭을 억제할 수 있게 된다. 그러나, 고주파 송수신 모듈은 도전성을 갖는 Si 기판이 수동 소자 형성층 내에 각 수동 소자를 형성할 때에 기능하지만, 각 수동 소자의 양호한 고주파 특성에 있어서 방해가 된다는 문제가 있다.
글래스 기판 고주파 송수신 모듈은 베이스 기판에 글래스 기판을 사용함으로써, Si 기판 고주파 송수신 모듈의 Si 기판에 기인하는 상술한 문제를 해결한다. 고주파 송수신 모듈은 수동 소자 형성층의 내부에 배선 패턴과 함께 인덕터부, 저항체부 또는 캐패시터부 등의 수동 소자가 박막 형성 기술이나 후막 형성 기술에 의해서 다층으로 형성되어 있다. 고주파 송수신 모듈은 수동 소자 형성층 상에 비어 등을 통해 내부 배선 패턴과 접속된 단자부가 형성되고, 이들 단자부에 플립칩 실장법 등에 의해 고주파 IC나 LSI 등의 회로 소자가 직접 실장되어 구성된다.
고주파 송수신 모듈은 도전성을 갖지 않는 글래스 기판을 사용함으로써, 글래스 기판과 수동 소자 형성층의 용량적 결합도가 억제되어 수동 소자 형성층 내에 양호한 고주파 특성을 갖는 수동 소자를 형성하는 것이 가능하다. 고주파 송수신 모듈은 예를 들면 머더 기판 등에 실장하기 위해서, 수동 소자 형성층의 표면에 단자 패턴을 형성함과 동시에 와이어본딩법 등에 의해서 머더 기판과의 접속이 행해진다. 따라서, 고주파 송수신 모듈은 단자 패턴 형성 공정이나 와이어본딩 공정이 필요해진다.
1칩화 고주파 송수신 모듈에서는 상술한 바와 같이 베이스 기판 상에 고정밀도의 수동 소자 형성층이 형성된다. 베이스 기판에는 수동 소자 형성층을 박막 형성할 때에, 스퍼터링 시의 표면 온도의 상승에 대한 내열 특성, 리소그래피 시의 초점 심도의 유지, 마스킹 시의 콘택트 얼라인먼트 특성이 필요해진다. 베이스 기판은 이 때문에 고정밀도의 평탄성이 필요로 되는 동시에, 절연성, 내열성 또는 내약품성 등이 요구된다.
Si 기판이나 글래스 기판은 이러한 특성을 갖고 있고 LSI와 다른 프로세스에의해 저비용이며 저손실인 수동 소자의 형성을 가능하게 한다. Si 기판이나 글래스 기판은 종래의 세라믹 모듈 기술에서 사용되는 인쇄에 의한 패턴 등의 형성 방법 또는 프린트 배선 기판에 배선 패턴을 형성하는 습식 에칭법 등과 비교하여, 높은 치수 정밀도의 수동 소자를 형성할 수 있는 동시에, 소자 사이즈를 그 면적이 1/100 정도까지 축소하는 것을 가능하게 한다. Si 기판이나 글래스 기판은 수동 소자의 사용 한계 주파수대를 20GHz까지 높이는 것도 가능하게 한다.
이러한 고주파 송수신 모듈은 상술한 바와 같은 Si 기판이나 글래스 기판 상에 형성한 배선층을 거쳐서 고주파 신호계의 패턴 형성과, 전원이나 접지(ground)의 공급 배선 또는 제어계 신호 배선을 행할 필요가 있고, 이들 각 배선간에 전기적 간섭이 생기는 동시에, 배선층을 다층으로 형성하는 것에 의한 비용 증가의 문제가 생긴다. 또한, 고주파 송수신 모듈은 인터포저 기판의 한쪽 면상에 탑재됨과 동시에 전체를 절연 수지에 의해서 밀봉시키므로써 패키지화가 도모된다. 인터포저 기판은 표리의 양면에 패턴 배선층이 형성됨과 동시에, 고주파 송수신 모듈의 탑재 영역의 주위에 다수의 랜드가 형성되어 있다. 패키지는 인터포저 기판상에 고주파 송수신 모듈을 탑재한 상태에서, 이 고주파 송수신 모듈과 랜드를 와이어본딩에 의해서 전기적으로 접속하여 전원 공급이나 신호의 송수를 행한다. 따라서, 고주파 송수신 모듈에는 고주파 IC나 칩 부품 등을 실장한 표면층에, 이들 실장 부품을 접속하는 배선 패턴이나 와이어 본딩의 접속 단자 등이 형성된다.
고주파 송수신 모듈은 상술한 바와 같이 인터포저 기판을 개재하여 패키지화가 도모되기 때문에, 패키지의 두께나 면적을 크게 해버리는 문제가 있다. 고주파송수신 모듈은 패키지의 비용을 증가시킨다는 문제도 있다. 더욱이, Si 기판 또는 글래스 기판 고주파 송수신 모듈에 있어서는 탑재한 고주파 IC나 LSI 등의 회로 소자를 덮어 차폐 커버가 설치되지만, 이들 회로 소자로부터 발생하는 열을 방열시키기 때문에 채용되는 구조에 의해서 대형화된다는 문제도 있다. 더욱이, 고주파 송수신 모듈에서는 비교적 고가의 Si 기판이나 글래스 기판을 사용함으로써, 비용이 증가된다는 문제가 있었다.
그런데, 상술한 슈퍼헤테로다인 방식 등의 일반적인 고주파 송수신 모듈(100)은 도 1에 도시하는 안테나 I/O 회로부와 같이 안테나(101)에 의해서 수신된 수신 신호가 소정의 반송 주파수대만을 통과시키는 대역 통과 필터(102)를 통과한 후에, 스위치 회로(103)를 통해 수신측의 저잡음 증폭기(low noise amplifier; 104)에 입력된다. 고주파 송수신 모듈(100)은 소정의 반송 주파수에 중첩된 출력 신호가 파워 증폭기(105)로부터 출력측으로 전환된 스위치 회로(103)를 통해 대역 통과 필터(102)에 입력되고, 이 대역 통과 필터(band-pass filter: 102)를 통과하여 안테나(101)로부터 출력된다.
한편, 고주파 송수신 모듈에 있어서는 상술한 바와 같이 반송파 주파수를 5GHz나 2.45GHz 등으로 하는 다른 주파수의 반송파를 사용하는 여러 가지의 무선 네트워크 시스템에도 공통으로 적용되는 것이 바람직하다. 이러한 공용형 고주파 송수신 모듈(110)은 예를 들면 도 2에 도시하는 바와 같이 시스템 사용 시에 적합한 주파수의 반송파에 중첩된 신호를 통과시키는 밴드 전환 기능을 갖는 안테나 I/0 회로부가 구비되어 있다.
즉, 고주파 송수신 모듈(110)은 도 2에 도시하는 바와 같이, 안테나(111)와, 제 1 밴드 전환 스위치 회로(112)와, 이 밴드 전환 스위치 회로(112)에 병렬로 접속되어 패스 전환이 행해지는 2.45GHz의 주파수의 반송파 신호를 통과시키는 제 1 대역 통과 필터(113) 및 5GHz의 주파수의 반송파 신호를 통과시키는 제 2 대역 통과 필터(114)와, 제 2 밴드 전환 스위치 회로(115)와, 입출력 전환 스위치 회로(116) 및 수신측의 광대역 저잡음 증폭기(117)와 출력측의 광대역 파워 증폭기(118)를 구비하고 있다. 제 1 밴드 전환 스위치 회로(112)와 제 2 밴드 전환 스위치 회로(115)는 연동하여 동작하고, 안테나(111)와 입출력 전환 스위치 회로(116)와의 사이에서 선택한 반송 주파수의 패스를 구성한다.
고주파 송수신 모듈(110)에 있어서는 시스템 적합 반송 주파수에 따라서 제 1 밴드 전환 스위치 회로(112) 및 제 2 밴드 전환 스위치 회로(115)의 전환 조작이 행해지고, 안테나(111)로부터의 수신 신호가 선택된 제 1 대역 통과 필터(113) 또는 제 2 대역 통과 필터(114)에 공급된다. 고주파 송수신 모듈(110)에 있어서는 각 대역 통과 필터를 통과한 수신 신호가 제 2 밴드 전환 스위치 회로(115)와 입력측으로 바뀌어진 입출력 전환 스위치 회로(116)를 통해 광대역 저잡음 증폭기(117)에 입력된다.
고주파 송수신 모듈(110)에 있어서는 시스템에 적합한 반송 주파수에 따라서 제 1 밴드 전환 스위치 회로(112)와 제 2 밴드 전환 스위치 회로(115)의 전환 조작이 행해진다. 고주파 송수신 모듈(110)에 있어서는 소정의 반송 주파수에 중첩된 출력 신호가 광대역 파워 증폭기(118)의 출력측으로 전환된 입출력 전환 스위치 회로(116)와 제 2 밴드 전환 스위치 회로(115)를 통해 선택된 대역 통과 필터(113, 114)에 입력된다. 고주파 송수신 모듈(110)에 있어서는 이들 대역 통과 필터(113, 114)를 통과하여 제 1 밴드 전환 스위치 회로(112)를 통해 안테나(111)로부터 출력된다.
고주파 송수신 모듈(110)은 상술한 바와 같이 밴드 전환을 행하기 위한 복수의 회로부가 안테나(111)에 접속되기 때문에 회로 구성이 복잡해진다. 고주파 송수신 모듈(110)은 예를 들면 안테나(111)나 증폭기(117, 118)에 2종류의 반송 주파수를 처리하는 것이 가능한 기능 부품을 사용함으로써 부품수를 늘리지 않고서 대응이 가능하지만, 반송 주파수의 종류에 따라서 밴드 전환 스위치 회로(112, 115) 또는 대역 통과 필터(113, 114)를 늘리는 것이 필요해진다.
고주파 송수신 모듈(110)은 이 때문에 부품수의 증가에 의해 비용 증가가 되는 동시에 실장 기판의 대형화에 의해서 요구되는 소형화의 대응 실현이 곤란해지는 문제가 있다. 고주파 송수신 모듈(110)은 한정된 면적의 실장 기판에 다수개의 회로 소자가 고밀도로 실장되기 때문에, 각 회로 소자에 의한 통과 손실이 증가하여 특성이 열화된다는 문제가 있었다. 고주파 송수신 모듈(110)은 실장 기판 상에 각 반송 주파수마다의 회로 패턴이 형성되기 때문에, 상호의 고립을 확보하는 솔리드(solid) 접지 등을 설치할 필요가 있어 회로 패턴 설계가 번거로워지고, 이로써 실장 기판도 더욱 대형화된다는 문제가 있다.
그런데, 고주파 송수신 모듈에서는 반송 주파수가 약 5GHz를 초과하는 대역으로 사용되게 되면, 인덕터나 캐패시터 등의 소위 집중 정수 소자를 사용한 회로구성에 대하여 전송 회로(Transmission Line), 결합 회로(Coupling Line) 또는 스터브(Stub) 등의 소위 분포 정수 소자를 사용한 회로 구성이 보다 특성이 향상되고, 또한, 고주파 송수신 모듈에서는 사용하는 반송파의 주파수대가 올라감에 따라서, 대역 통과 필터(BPF) 등의 기능 소자로서 분포 정수 소자에 의해서 구성되게 되고, 인덕터나 캐패시터 등의 소자가 초크(choke)나 디커플링(decoupling) 등의 한정된 기능 부품으로서 사용되게 된다.
즉, 고주파 송수신 모듈에 있어서는 반송파의 주파수가 2.45GHz의 경우에 5GHz의 반송파의 주파수의 경우와 비교하여 파장이 배로 되어 집중 정수 소자로 구성하면 소자 사이즈가 대형화되어 버린다. 따라서, 고주파 송수신 모듈은 2.45GHz의 주파수의 반송파와 5GHz의 주파수의 반송파의 공용 사양을 도모하는 경우에 집중 정수 설계의 대역 통과 필터와 분포 정수 설계의 대역 통과 필터가 실장 기판 상에 혼재되어 실장된 구성이 된다.
본원 출원인은 PCT/JP02/04178의 명세서 및 도면, PCT/JP02/04409의 명세서 및 도면에 있어서, 비교적 저가격의 유기 베이스 기판 상에 박막층을 형성함과 동시에, 이 박막층의 표면을 평탄화하여 고정밀도의 분포 정수 설계의 대역 통과 필터나 집중 정수 설계의 스파이럴 인덕터를 성막 형성하여 이루어지는 고주파 회로부를 갖는 고주파 모듈용의 기판 장치를 제안하고 있다. 이 고주파 모듈 기판 장치는 베이스 기판 상에 고정밀도의 수동 소자나 고밀도 배선층을 형성하는 것을 가능하게 함으로써, 고기능화, 박형화, 소형화 및 저가격이 도모된다는 특징을 갖고 있다.
고주파 모듈에 있어서는 소형화를 도모하기 위해서, 대역 통과 필터가 Si 기판이나 글래스 기판 등의 유전율이 높은 기재에 의해 형성된 베이스 기판 상에 형성하는 것이 유효하다. 즉, 고주파 모듈은 고유전율 베이스 기판을 사용함으로써, 그 마이크로 스트립 라인(표층)과 스트립 라인(내층)에 있어서 다른 파장 단축이 생기고, 필터에 사용하고 있는 공진기 길이를 짧게 하는 것이 가능해진다. 파장 단축은 표층에 있어서 λ0/√εw로 발생함과 동시에, 내층에 있어서 λ0/√εr (εr: 베이스 기판의 비유전율)로 발생한다.
여기서, λ0은 진공 중에서의 파장이고, εw는 실효 피유전율이며, 공기와 유전체의 전자계 분포로 결정되는 유전율이고, εr은 베이스 기판의 비유전율이다.
상술한 고주파 모듈 기판 장치는 스파이럴 인덕터가 집중 정수 설계에 의한 파장보다도 충분히 작은 설계의 영역으로 구성되기 때문에, 파장 단축의 영향이 생기는 일은 없다. 고주파 모듈 기판 장치는 스파이럴 인덕터가 인덕터로서 높은 Q 치를 출력하기 때문에, 베이스 기판의 접지층이나 주변의 금속 패턴과의 결합에 의한 기생 용량을 저감시키는 것이 필요해진다.
고주파 모듈 기판 장치는 스파이럴 인덕터의 기생 용량을 저감하여 특성의 향상을 도모하기 위해서 베이스 기판을 가능한 한 낮은 비유전율의 유기 기판 재료에 의해서 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 기판 재료는 MIM 캐패시터(Metal Isolator Metal Capacitor)나 박막 저항체 등의 집중 정수 소자에 대해서도 동일하게 불필요한 기생 용량이 저감됨으로써 극히 유효하다.
분포 정수 소자와 집중 정수 소자는 상술한 바와 같이 베이스 기판의 유전율 사양에 대하여 상반되는 특성을 갖고 있다. 따라서, 고주파 모듈 기판 장치에 있어서는 베이스 기판이, 분포 정수 소자 또는 집중 정수 소자의 어느 한쪽의 특성을 살려서 다른쪽의 특성을 희생으로 하는 선택이 필요하게 되고, 양자의 특성을 동시에 나타낼 수 없다는 과제가 있다. 이러한 과제는 밴드 전환을 하기 위한 복수의 회로부를 탑재한 고주파 모듈 기판 장치에 있어서, 반송 주파수대에 따라서 대역 통과 필터가 집중 정수 설계와 분포 정수 설계로 구성되기 때문에 더욱 커다란 과제로 되어 있다.
본 발명은 고주파 모듈 장치에 사용되는 고주파 모듈 기판 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 퍼스널 컴퓨터, 휴대 전화기, 비디오 기기, 오디오 기기 등의 각종 전자 기기에 탑재되어, 정보 통신 기능이나 기억(storage) 기능 등을 구비한 초소형 통신 기능 모듈을 구성하는 고주파 모듈 장치에 사용되는 고주파 모듈 기판 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 고주파 모듈의 안테나 입출력부의 개략 구성을 도시하는 블록도.
도 2는 밴드 전환 기능을 갖는 고주파 모듈의 안테나 입출력부의 개략 구성을 도시하는 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 고주파 모듈 기판 장치의 주요부를 도시하는 종단면도.
도 4는 고주파 모듈 기판 장치가 구비되는 고주파 모듈의 안테나 입출력부의 개략 구성을 설명하는 블록도.
도 5는 고주파 모듈 기판 장치에 구성되는 대역 통과 필터부를 투시하여 도시하는 평면도.
도 6은 대역 통과 필터부의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 7a는 대역 통과 필터부의 용량 전환을 하여 2.45GHz의 반송 주파수대 사양으로 한 상태를 모식적으로 도시한 설명도.
도 7b는 시뮬레이션 결과에 기초하는 통과 주파수의 특성도.
도 8a는 대역 통과 필터부의 임피던스 전환을 행하여 2.45GHz 반송 주파수대 사양으로 한 상태를 모식적으로 도시한 설명도.
도 8b는 시뮬레이션 결과에 기초하는 통과 주파수의 특성도.
도 9a는 대역 통과 필터부에 구비되는 멤즈 스위치를 도시한 오프 상태의 종단면도.
도 9b는 대역 통과 필터부에 구비되는 멤즈 스위치를 도시한 온 상태의 주요부 종단면도.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 고주파 모듈 기판 장치가 갖는 과제를 해결할 수 있는 신규의 고주파 모듈 기판 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 스위칭에 의해서 대역 통과 필터의 통과 주파수 특성을 전환하는 동시에 어떤 통과 주파수대에서도 최적의 대역 통과 필터 특성이 얻어지는 고주파 모듈 기판 장치를 제공하는 것에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해서 제안되는 본 발명에 따른 고주파 모듈 기판 장치는 유기 기판으로 이루어지는 코어 기판의 주면 상에 절연층을 개재하여 배선층이 형성됨과 동시에 최상층의 주면이 평탄화되어 빌드업 형성면을 구성하여 이루어지는 베이스 기판과, 이 베이스 기판의 빌드업 형성면 상에 절연층을 개재하여 배선층이 형성된 고주파 회로부와, 선택 스위치 수단을 구비하여 이루어진다. 베이스 기판에는 배선층 내에 적어도 λ/4의 주파수 특성을 갖는 편측 단락 및 편측개방형 선로의 결합기를 포함하는 분포 정수 회로 패턴이 형성되어 있다. 고주파 회로부에는 배선층 내에 수동 소자가 박막 형성됨과 동시에, 베이스 기판측의 분포 정수 회로 패턴에 대응하여 박막 형성되어 박막 캐패시터를 구성하는 집중 정수 회로 패턴이 박막 형성되어 있다. 선택 스위치 수단은 박막 캐패시터와 결합기를 층간 접속하는 접속 패턴간에 설치되고, 이들 박막 캐패시터와 결합기의 전기적 접속 상태를 바꾼다.
본 발명에 따른 고주파 모듈 기판 장치는 박막 캐패시터가 선택 스위치 수단을 통해 결합기로의 고주파 신호의 입출력 단자부와 접속되어 있다. 더욱이, 고주파 모듈 기판 장치는 선택 스위치 수단에 멤즈(MEMS) 스위치가 사용된다.
본 발명에 따른 고주파 모듈 기판 장치는 분포 정수 설계된 λ/4의 주파수 특성을 갖는 결합기가 예를 들면 5GHz대의 반송파를 통과시키는 통과 특성을 갖는 대역 통과 필터로서 기능한다. 고주파 모듈 기판 장치는 선택 스위치 수단을 통해 결합기에 박막 캐패시터가 접속됨으로써 병렬 용량이 부하되고, 결합기가 예를 들면 2.45GHz대의 주파수의 반송파를 통과시키는 통과 특성을 갖는 대역 통과 필터로서 기능하기 때문에 2.45GHz대의 반송파를 사용하는 무선 시스템과 5GHz대의 반송파를 사용하는 무선 시스템과 호환 사용이 가능해진다. 고주파 모듈 기판 장치는 고유전율 베이스 기판에 의한 파장 단축 효과와 기생 용량의 저감이 도모되고, 반송 주파수의 대역에 관계없이 결합기의 특성이 양호하게 유지됨으로써 소형화와 특성 향상이 도모된다.
본 발명에 따른 고주파 모듈 기판 장치에 의하면, 박막 캐패시터로의 부하용량을 전환함으로써 밴드 전환이 행해질 때에 결합기에 있어서 임피던스 변동이 생겨 전송 파워의 손실이 생기지만, 입력 단자부에 설치한 박막 캐패시터의 용량 부하를 전환함으로써 최적의 임피던스 매칭이 행해진다. 고주파 모듈 기판 장치는 이로써 5GHz대의 주파수의 반송파를 통과시키는 통과 특성을 갖는 대역 통과 필터 특성이 유지되어 전송 파워의 손실이 억제되어 안정된 동작이 행해진다. 더욱이, 고주파 모듈 기판 장치는 직접 탑재 가능한 초소형의 멤즈 스위치를 사용함으로써, 소형화가 도모된다.
본 발명의 또 다른 목적, 본 발명에 의해서 얻어지는 구체적인 이점은 이하에 있어서 도면을 참조하여 설명되는 실시예의 설명으로부터 한층 더 분명하게 될 것이다.
이하, 본 발명이 적용된 고주파 모듈 기판 장치를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명이 적용된 고주파 모듈 기판 장치(이하, 고주파 모듈이라고 약칭한다)는 도 3에 도시하는 바와 같이 구성되고, 정보 통신 기능이나 기억 기능 등을 갖고, 퍼스널 컴퓨터, 휴대 전화기 또는 오디오 기기 등의 각종 전자 기기에 탑재되고, 또는 옵션으로서 상술한 각종의 기기에 삽입·이탈되는 초소형 통신 기능 모듈체를 구성한다.
본 발명이 적용된 도 3에 도시하는 고주파 모듈(1)은 상세를 생략하지만, 송수신 신호로부터 일단 중간 주파수로 변환하도록 한 슈퍼헤테로다인 방식에 의한 고주파 송수신 회로부 또는 중간 주파수로의 변환을 하지 않고서 정보 신호의 송수신을 하도록 한 다이렉트 컨버전 방식에 의한 고주파 송수신 회로부 등이 형성되어 있다. 고주파 모듈(1)은 도시하지 않는 인터포저 기판의 한쪽 주면상에 탑재됨과 동시에 전체를 예를 들면 에폭시 수지 등의 전기적으로 절연성을 갖는 합성 수지에 의해서 밀봉하여 장착함으로써 패키지화가 도모되고 있다. 고주파 모듈(1)에는 고주파 송수신 회로부의 주변회로 IC 등이 탑재되고, 인터포저 기판 상에 실장되기 위해서, 표리의 양면에 적절한 패턴 배선이나 접속 단자부가 형성되어 있다.
본 발명에 따른 고주파 모듈(1)은 예를 들면 도 4에 도시하는 바와 같이 통신 기능 모듈체의 안테나 입출력부(60)의 일부를 구성하고, 안테나(61)에 의해 송수신되는 예를 들면 IEEE802.11a로 규정되어 있는 협역 무선 통신 시스템에 사용되는 주파수를 5GHz로 하는 반송파에 중첩된 신호와, IEEE802.11b로 제안되어 있는 무선 LAN 시스템이나 Bluetooh 등에 사용되는 주파수를 2.45GHz로 하는 반송파에 중첩된 신호에 대하여 호환 사용을 가능하게 한다. 고주파 모듈(1)은 컨트롤 신호(C1, C2)에 의해서 상세를 후술하는 통과 주파수 특성의 전환이 행해지는 대역 통과 필터 회로부(62)를 구성한다.
안테나 입출력부(60)는 안테나(61)에 의해서 수신된 주파수를 5GHz로 하는 반송파에 중첩된 신호와 주파수를 2.45GHz로 하는 반송파에 중첩된 신호를 고주파 모듈(1)의 대역 통과 필터 회로부(62)에 있어서 공통 처리하여 송수신 전환 스위치(63)를 통해 수신측의 저잡음 증폭기(64)로 입력한다. 안테나 입출력부(60)는 출력측의 파워 증폭기(65)로부터 입력된 주파수를 5GHz로 하는 반송파에 중첩된 신호 또는 주파수를 2.45GHz로 하는 반송파에 중첩된 신호가 송수신 전환 스위치(63)를 통해 입력되면, 고주파 모듈(1)의 대역 통과 필터 회로부(62)에 있어서 공통 처리하여 안테나(61)에 출력한다.
안테나 입출력부(60)에 있어서는 대역 통과 필터 회로부(62)에 대하여 예를 들면 컨트롤 신호(C1)가 「L」, 컨트롤 신호(C2)가 「H」의 입력이 행해짐으로써, 이 대역 통과 필터 회로부(62) 자체가 주파수를 5GHz로 하는 반송파 신호를 통과시키는 통과 특성을 나타낸다. 안테나 입출력부(60)에 있어서는 대역 통과 필터 회로부(62)에 대하여 예를 들면 컨트롤 신호(C1)가 「H」, 컨트롤 신호(C2)가 「L」의 입력이 행해짐으로써, 이 대역 통과 필터 회로부(62)가 주파수를 5GHz로 하는 반송파 신호를 통과시키는 통과 특성으로부터 주파수를 2.45GHz로 하는 반송파 신호를 통과시키는 통과 특성으로 바뀐다. 따라서, 고주파 모듈(1)은 통신 기능 모듈체에 대하여 멀티 밴드 대응을 가능하게 하는 기능을 나타내게 한다.
컨트롤 신호(C1)와 컨트롤 신호(C2)는 사용되는 반송 주파수에 따라서 도시하지 않는 제어부로부터 대역 통과 필터 회로부(62)에 입력된다. 컨트롤 신호(C1)는 상세를 후술하는 바와 같이 대역 통과 필터 회로부(62)에 있어서의 용량 부하의 전환을 행함으로써, 5GHz의 주파수의 반송파 신호와 2.45GHz의 주파수의 반송 신호와의 통과 특성을 제어한다. 컨트롤 신호(C2)는 통과시키는 신호의 주파수를 전환하는 통과 특성의 전환이 행해진 대역 통과 필터 회로부(62)에 있어서의 임피던스용량의 조정 제어를 행한다.
고주파 모듈(1)은 도 3에 도시하는 바와 같이, 베이스 기판(2)과, 이 베이스 기판(2)의 한쪽 면에 적층하여 형성된 고주파 회로부(3)를 구비한다. 고주파 모듈(1)은 도 3 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 고주파 회로부(3)의 주면 상에, 상세한 것은 후술하지만, 밴드 전환을 하는 멤즈(MEMS : Micro-Electro-Mechanical-System) 스위치(4a, 4b)가 탑재됨과 동시에, 고주파 회로부(3)의 주변 회로 기능을 갖는 고주파 IC나 도시하지 않는 칩 부품 등이 실장된다. 고주파 모듈(1)은 고주파 회로부(3)가 도시하지 않는 차폐 커버에 의해서 피복되어 이루어진다.
고주파 모듈(1)은 베이스 기판(2)이 유기 기판의 표리 양면에 다층의 배선층을 형성하는 종래의 일반적인 다층 프린트 기판의 제조 방법에 의해서 형성된다. 베이스 기판(2)은 예를 들면 동(銅)점착한 한 쌍의 유기 기판으로 이루어지는 코어 기판(5, 6)이 프리프레그(7)에 의해서 일체로 접합되고, 동박에 대하여 포트리소그래피 처리나 에칭 처리를 실시하여 표리 양면에 제 1 배선층(8) 및 제 2 배선층(9)이 각각 형성됨과 동시에 각종의 수동 소자가 성막 형성되어 이루어진다. 또, 베이스 기판(2)은 양면 기판의 한쪽 면상에, 유전 절연층을 거쳐서 다층의 배선층이나 수동 소자를 적절하게 형성하도록 하여도 좋다.
코어 기판(5, 6)은 저유전율로 낮은 Tanδ특성, 즉 고주파 특성이 뛰어남과 동시에 기계적 강성과 내열성 및 내약품성을 갖는 기재에 의해서 형성된다. 코어 기판(5, 6)은 예를 들면 폴리페닐렌에테르(PPE), 비스말레이드트리아진(BT-resin),폴리테트라플루오로에틸렌(등록 상표명: 테플론), 폴리이미드, 액정 폴리머(LCP),폴리노르보넨(PNB), 세라믹 또는 세라믹과 유기 기재의 혼합체, 이들보다 더 염가인 에폭시계 기판(FR-5) 등이 기재로서 사용된다. 고주파 모듈(1)은 이러한 염가의 코어 기판(5, 6)을 사용함으로써, 비교적 비싼 Si 기판이나 글래스 기판과 비교하여 재료비용의 저감이 도모된다. 프리프레그(7)에는 저유전율 특성을 갖는 예를 들면 에폭시계 접착제 수지나 아크릴계 접착제 수지 또는 적당한 접착제가 사용된다.
베이스 기판(2)은 내층에 분포 정수 회로 패턴(10)이 형성됨과 동시에, 코어 기판(5)측의 제 1 배선층(8)내에 대역 통과 필터 회로부(62)를 구성하는 결합기(11)가 패턴 형성된다. 결합기(11)는 도 5에 도시하는 바와 같이 5GHz의 반송 주파수대의 약 λ/4의 전기장, 약 6mm의 길이를 갖는 분포 정수 설계에 의해 형성된 서로 평행한 한 쌍의 막대형 도체 패턴(11a, 11b)으로 이루어진다. 결합기(11)는 한쪽의 도체 패턴(11a)이 입력부를 구성함과 동시에, 다른쪽의 도체 패턴(11b)이 출력부를 구성한다. 결합기(11)는 각 도체 패턴(11a, 11b)이 일단측을 솔리드 접지부(12)에 단락됨과 동시에 타단측이 개방되어 있다.
베이스 기판(2)에는 제 1 배선층(8)에 패턴 형성부를 제외한 소위 지상 영역이 솔리드 접지부(12)로서 구성되어 있다. 베이스 기판(2)에는 코어 기판(6)측의 제 2 배선층(9)에 다수개의 랜드(13)가 적절하게 배열되어 형성되고, 이들 랜드(13)를 통해 인터포저 기판에 대하여 플립 칩 실장된다.
베이스 기판(2)에는 표리 양면에 각각 형성된 제 1 배선층(8)과 제 2 배선층(9)을 피복하여 절연성 유전재가 도포되어 제 1 절연층(14)과 제 2절연층(15)이 성막 형성된다. 절연성 유전재에는 상술한 코어 기판(5, 6)의 기재와 같은 절연성유전재가 사용되고, 도포 균일성이나 두께 제어성이 유지되는 스핀 코팅법, 커텐 코팅법, 롤 코팅법 또는 딥 코팅법 등의 도포 방법에 의해서 도포된다. 베이스 기판(2)에는 예를 들면 알루미나와 실리카의 혼합액으로 이루어지는 연마제를 사용하여 상술한 제 1 절연층(14)과 제 2 절연층(15)에 대하여 연마 처리가 실시된다.
연마 처리는 제 1 절연층(14)측에 관해서는 제 1 배선층(8)의 각 패턴이 노출되기까지의 연마를 하고, 또한 제 2 절연층(15)측에 대해서는 제 2 배선층(9)을 노출시키지 않고서 절연 수지층을 약간 남긴 상태까지의 연마를 행한다. 베이스 기판(2)은 이러한 연마 처리가 실시됨으로써 코어 기판(5)의 주면이 고정밀도의 평탄면으로서 형성되고, 고주파 회로부(3)의 빌드업 형성면(16)을 구성한다. 베이스 기판(2)은 제 2 배선층(9)측에 절연 수지층을 남김으로써, 후술하는 고주파 회로부(3)를 형성할 때에 약품이나 기계적 또는 열적 부하로부터의 보호가 도모된다. 또한, 제 2 배선층(9)은 고주파 회로부(3)를 형성한 후에 제거된다. 베이스 기판(2)은 평탄화된 빌드업 형성면(16)의 형성 방법으로서, 연마 처리뿐만 아니라, 예를 들면 반응성 화학 에칭법(RIE: Reactive Ion Etching)이나 플라즈마 에칭법(PE: Plasma Etching) 등을 실시하여 평탄화를 하여도 좋다.
베이스 기판(2)에는 제 1 배선층(8)과 제 2 배선층(9)을 적절하게 층간 접속하는 다수개의 비어(17)를 형성하는 비어 형성 공정이 실시된다. 비어 형성 공정은 주지와 같이 프리프레그를 개재하여 일체화된 코어 기판(5, 6)에 대하여, 레이저나 드릴 등에 의해 천공 가공을 실시하는 공정과, 천공 내에 도금 등에 의한 내벽의 도통 처리를 실시하는 공정과, 천공 내에 도전 페이스트를 매립하는 공정과, 도금 등에 의한 덮개의 형성 공정 등으로 이루어진다.
베이스 기판(2)에는 제 1 배선층(8)에, 후술하는 고주파 회로부(3)에 형성되는 상전극(18a)과 공동하여 박막 캐패시터 소자(18)를 구성하는 하전극(18b)이 형성된다. 베이스 기판(2)에는 박막 캐패시터 소자(18)의 형성부에 대응하여 제 1 배선층(8)에 스퍼터링법 등에 의해서 질화탄탈륨층이 형성되고, 이 질화탄탈륨층에 대하여 선택적인 양극 산화 처리를 실시하여 박막 캐패시터 소자(18)의 유전체 재료가 되는 소정의 막두께의 산화탄탈륨층이 형성된다.
베이스 기판(2)은 종래 사용되고 있는 다층 배선 기판의 제작 공정과 동일한 프로세스에 의해서 제작됨으로써 양산성도 높다. 또한, 베이스 기판(2)에 대해서는 한 쌍의 코어 기판(5, 6)을 사용한 상술한 제작 공정에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 동점착 코어 기판에 대하여 수지부 동박을 순차 접합한 다층 기판을 형성하는 등의 종래 채용되어 있는 제조 공정에 의해서 제작하도록 하여도 좋다.
이상과 같이 하여 제작되어 베이스 기판(2)에는 빌드업 형성면(16)상에 상술한 절연성 유전재가 도포되어 제 3 절연층(19)이 형성되고, 이 제 3 절연층(19)상에 박막 형성 기술이나 후막 형성 기술을 사용하여 박막 캐패시터 소자(18)의 상전극(18a)이나, 상세를 생략하는 인덕터 소자 또는 레지스터 소자 등의 수동 소자가 성막 형성된 박막층(20)을 갖는 고주파 회로부(3)가 적층 형성된다. 고주파 회로부(3)는 제 3 절연층(19)이 평탄화된 빌트업 형성면(16)상에 고정밀도의 평탄성을갖고 형성되며, 이 제 3 절연층(19)에 베이스 기판(2)측의 제 1 배선층(8)에 형성된 소정의 패턴과 층간 접속을 하기 위한 다수개의 비어(21)가 형성되어 이루어진다. 비어 형성 공정은 예를 들면 제 3 절연층(19)이 감광성 수지를 사용하고 있는 경우에, 소정의 패터닝을 실시한 마스크가 설치되고, 포토리소그래피 처리나 에칭 처리를 실시하여 형성된다.
제 3 절연층(19)에는 예를 들면 스퍼터링법 등에 의해서 전체면에 걸쳐서 예를 들면 배리어층으로서 니켈층을 형성하고, 이 니켈층 상에 동층이 형성된다. 동층에는 포토리소그래피 처리나 에칭 처리를 실시하여 소정의 배선 패턴으로 이루어지는 제 3 배선층(22)을 형성한다. 제 3 배선층(22)은 상술한 바와 같이 상전극(18a)이 형성됨으로써, 제 3 절연층(19)을 개재하여 베이스 기판(2)측의 제 1 배선부(8)의 하전극(18b)과 공동하여 박막 캐패시터 소자(18)를 구성하여 이루어진다.
다층 배선층으로 이루어지는 박막층(20)에는 상세를 생략하지만 예를 들면 두께가 얇은 내층 배선층 내에 고주파용 인덕터 소자가 성막 형성됨과 동시에, 약간 두께가 큰 표층측 배선층 내에 저주파용 인덕터 소자가 성막 형성되어 있다. 고주파용 인덕터 소자는 반송 주파수에 의존하는 표피 효과 두께 이상에서는 전파 손실이 거의 변하지 않고 또한 반송 주파수가 높으면 높을수록 얇아지는 인덕터의 표피 효과 특성에 의해 두께를 얇게 한 내층 배선층 내에 형성됨으로써 특성의 향상이 도모된다. 저주파용 인덕터 소자는 두께가 큰 표층측 배선층 내에 형성됨으로써 인덕터의 표피 효과 특성에 의해 특성의 향상이 도모된다.
박막층(20)은 제 3 배선층(22)상에 상술한 재료와 동일한 절연성 유전재가 정밀한 두께로 도포되어 절연층이 형성되고, 이 절연층 상에 스퍼터링법 등에 의해서 금속 박막을 형성한 후에 포토리소그래피 처리나 에칭 처리를 실시하여 소정의 회로패턴이나 소자부를 형성하여 이루어진다. 금속 박막의 에칭 처리는 제 3 배선층(22)이 동박막에 대하여 질산, 황산 및 아세트산계의 혼합액으로 이루어지는 에칭액을 사용하여 에칭 처리를 실시하여 형성하기 때문에, 동일한 에칭 처리를 실시한 경우에 제 3 배선층(22)까지 에칭하여 버리게 된다.
따라서, 금속 박막은 상술한 에칭액에 대하여 내성을 갖는 Al, Pt 또는 Au 등의 금속 소재에 의해 형성되고, 특히 패턴 형성 처리가 용이한 Al을 사용하는 것이 바람직하다. Al 박막은 제 3 절연층(19)상에 전면에 걸쳐서 성막 형성되고, 소정의 패턴의 포토리소그래피 처리를 실시한 후에, 예를 들면 인산 등의 에칭액을 사용한 에칭처리가 실시되어 각 패턴의 형성이 행해진다.
박막층(20)은 저주파용 인덕터 소자를 성막 형성한 표층측 배선층을 예를 들면 동전해 도금법에 의해서 형성한다. 동전해 도금법은 내층측 배선층 상에 스퍼터링법 등에 의해 성막 형성한 절연층의 전체면에 걸쳐 전계 추출용의 전극으로서 작용하는 동박막층을 형성한다. 동전해 도금법에 있어서는, 절연층에 대한 동박의 밀착성을 향상시키기 위해서, 예를 들면 니켈 박막을 배리어층으로서 형성하여 두는 것이 바람직하다. 동전해 도금법에 있어서는 동박막층 상에 도금용 레지스트를 패턴 형성한 후에 동전해 도금을 행하여 동패턴을 형성한다. 동전해 도금법에 있어서는 도금용 레지스트를 세정 제거한 후에 불필요 개소의 동박막층을 에칭 처리에 의해서 제거한다. 인덕터 소자는 이러한 동전해 도금법에 의해서 큰 막 두께로써 후막 형성됨으로써 직렬 저항치가 저감되어 손실 저하가 도모된다.
고주파 모듈(1)은 도 3에 도시하는 바와 같이, 고주파 회로부(2)의 최상층 배선부(23)와 베이스 기판(2)의 제 2 배선층(9)과 레지스트재를 코팅하여 보호층이 형성된다. 고주파 모듈(1)은 보호층에 대하여 포토리소그래피 처리를 실시함으로써, 최상층 배선부(23)에 형성된 랜드나 제 2 배선층(9)에 형성된 랜드(13)가 외측에 임한다.
고주파 모듈(1)은 각 랜드에 대하여 예를 들면 무전해 니켈 또는 동도금을 실시하여 소자의 전기적 접속을 도모하기 위한 단자가 형성된다. 고주파 모듈(1)은 고주파 회로부(2)의 최상층 배선부(23)상에, 각 랜드를 거쳐서 복수개의 멤즈 스위치(4)나 고주파 IC 또는 절절한 칩 부품이 탑재된다. 고주파 모듈(1)은 제 2 배선층(9)의 랜드(13)를 거쳐서 인터포저 기판에 탑재된다.
고주파 모듈(1)로 구성된 대역 통과 필터 회로부(62)의 구성에 대하여, 도 5 및 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다. 고주파 모듈(1)은 결합기(11)와 캐패시터 소자(18) 및 복수개의 멤즈 스위치(4)에 의해서, 상술한 바와 같이 통과 주파수 특성을 자동 전환하는 대역 통과 필터 회로부(62)를 구성한다. 대역 통과 필터 회로부(62)는 상세를 후술하는 바와 같이 결합기(11)의 용량 전환을 행하는 용량 전환부(30)와, 용량 전환이 행해진 결합기(11)의 임피던스를 최적 조건으로 매칭하는 임피던스 매칭부(31)를 구비하여 이루어진다.
고주파 모듈(1)에는 상술한 바와 같이 베이스 기판(2)의 제 1 배선층(8)에일단측이 단락됨과 동시에 타단측이 개방된 한 쌍의 도체 패턴(11a, 11b)으로 이루어지는 결합기(11)가 형성되어 있다. 용량 전환부(30)는 도체 패턴(11a, 11b)의 개방단으로부터 거의 중앙부에 구성됨과 동시에, 임피던스 매칭부(31)가 거의 중앙부에 구성된다. 고주파 모듈(1)은 이러한 구성에 한정되는 것이 아닌 것은 물론이다.
용량 전환부(30)의 구성에 대하여 설명한다. 도체 패턴(11a, 11b)에는 각각의 개방단측에서, 제 1 층간 접속 비어(32a, 32b)를 통해 고주파 회로부(3)측의 제 4 배선층(22)에 실장된 제 1 멤즈 스위치(33a, 33b)가 접속되어 있다. 각 제 1 멤즈 스위치(33)는 제 1 층내 접속 비어(34a, 34b)를 통해 제 3 배선층(22)에 형성된 제 1 캐패시터 소자(35a, 35b)와 각각 접속되어 있다. 제 1 멤즈 스위치(33)는 컨트롤 신호(C1)가 「H」로 온 동작하여 각 도체 패턴(11a, 11b)에 대하여 각 제 1 캐패시터 소자(35)의 병렬 용량을 부하한다.
또한, 도체 패턴(11a, 11b)에는 각각의 거의 중앙부에서, 제 2 층간 접속 비어(36a, 36b)를 통해 고주파 회로부(3)측의 제 4 배선층(22)에 실장된 제 2 멤즈 스위치(37a, 37b)가 각각 접속되어 있다. 각 제 2 멤즈 스위치(37)는 제 2 층내 접속 비어(38a, 38b)를 통해 제 3 배선층(22)에 형성된 제 2 캐패시터 소자(39a, 39b)와 각각 접속되어 있다. 제 2 멤즈 스위치(37)도, 컨트롤 신호(C1)가 「H」로 온 동작하여 각 도체 패턴(11a, 11b)에 대하여 각 제 2 캐패시터 소자(39)의 병렬 용량을 각각 부하한다.
결합기(11)는 상술한 바와 같이 분포 정수 설계에 기초하여 주파수를 5GHz로하는 반송파의 λ/4의 주파수 성분을 갖고 형성되어 있다. 용량 전환부(30)는 이 결합기(11)에 대하여, 스위칭에 의해 집중 정수 설계에 의해 박막 형성된 제 1 캐패시터 소자(35) 및 제 2 캐패시터 소자(39)의 병렬 용량을 각각 부하한다. 따라서, 결합기(11)는 각 캐패시터 소자로부터의 병렬 용량의 부하에 의해서, 초기의 전기 파장 특성에 기초하는 통과 주파수대보다도 저역의 주파수대의 주파수 성분을 통과시키는 통과 특성을 갖게 된다. 용량 전환부(30)는 제 1 캐패시터 소자(35) 및 제 2 캐패시터 소자(39)의 병렬 용량을 적절하게 설정함으로써, 결합기(11)가 2.45GHz대의 반송 신호의 λ/4의 주파수 성분을 갖도록 구성된다. 따라서, 고주파 모듈(1)은 주파수 성분이 5GHz의 반송파 신호와, 주파수 성분이 2.45GHz의 반송 신호를 무선 시스템에 있어서 호환 사용 가능하게 한다.
고주파 모듈(1)은 상술한 용량 전환부(30)에 의한 결합기(11)의 용량 전환을 함으로써, 이 결합기(11)의 임피던스 용량이 변화하여 고주파 신호의 입출력 전송 파워의 손실이 생긴다. 따라서, 고주파 모듈(1)에 있어서는 결합기(11)의 입출력부(40)에 임피던스 매칭부(31)가 설치되고 박막 캐패시터의 용량 부하를 바꿈으로써 최적의 임피던스 매칭이 행해진다.
임피던스 매칭부(31)의 구성에 대하여 설명한다. 도체패턴(11a, 11b)은 도 5에 도시하는 바와 같이 거의 중앙부에서 제 3 층간 접속 비어(41a, 41b)를 통해 고주파 회로부(3)와 접속됨으로써 고주파 신호의 입출력부(40)를 구성하고 있다. 도체 패턴(11a, 11b)에는 각각 제 1 용량 부하 회로(42a, 42b)와 제 2 용량 부하 회로(43a, 43b)가 접속되고, 이들 각 제 1 용량 부하 회로(42)와 각 제 2 용량 부하 회로(43)를 바꿈으로써 입출력의 임피던스 매칭이 도모된다.
각 제 1 용량 부하 회로(42)는 일단을 각 제 3 층간 접속 비어(41)와 각각 접속시킴과 동시에 타단을 입출력단(44a, 44b)에 각각 접속시킨 제 3 멤즈 스위치(45a, 45b) 및 제 4 멤즈 스위치(46a, 46b)와의 직렬 회로로 이루어진다. 각 제 3 멤즈 스위치(45)와 제 4 멤즈 스위치(46)는 컨트롤 신호(C1)가 「H」로 온 동작하여 각 도체 패턴(11a, 11b)과 각 입출력단(44)을 접속한다.
각 제 2 용량 부하 회로(43)도 각 제 1 용량 부하 회로(42)와 평행하게, 일단을 각 제 3 층간 접속 비어(41)와 각각 접속됨과 동시에 타단을 각 입출력단(44)과 각각 접속되어 있다. 제 2 용량 부하 회로(43)는 제 5 멤즈 스위치(47a, 47b)와, 제 3 캐패시터 소자(48a, 48b)와, 제 6 멤즈 스위치(49a, 49b)와의 직렬 회로로 이루어진다. 제 2 용량 부하 회로(43)는 제 3 캐패시터 소자(48)와 제 6 멤즈 스위치(49)로부터 분기하여 일단을 접지 접속된 제 4 캐패시터 소자(50a, 50b)를 갖고 있다. 각 제 5 멤즈 스위치(47)와 제 6 멤즈 스위치(49)는 컨트롤 신호(C2)가 「H」로 온 동작하여 각 도체 패턴(11a, 11b)과 각 입출력단(44)을 접속한다.
이상과 같이 구성된 임피던스 매칭부(31)는 상술한 바와 같이 고주파 모듈(1)이 반송파 신호의 주파수를 5GHz로 하는 주파수대에서 사용되는 경우에 컨트롤 신호(C1)가 「L」, 컨트롤 신호(C2)가 「H」의 제어 신호가 입력되기 때문에, 각 제 1 용량 부하 회로(42)가 오프 상태로 보유됨과 동시에 각 제 2 용량 부하 회로(43)가 온 상태가 된다. 따라서, 임피던스 매칭부(31)는 각 도체 패턴(11a, 11b)과 각 입출력단(44)의 사이에서 제 3 캐패시터 소자(48)와 제 4 캐패시터소자(50)의 병렬 용량이 부하된다.
한편, 임피던스 매칭부(31)는 상술한 바와 같이 고주파 모듈(1)이 반송파 신호의 주파수를 2.45GHz로 하는 주파수대에서 사용되는 경우에, 컨트롤 신호(C1)가 「H」, 컨트롤 신호(C2)가 「L」의 제어 신호가 입력되기 때문에, 각 제 1 용량 부하 회로(42)가 온 상태로 되는 동시에 각 제 2 용량 부하 회로(43)가 오프 상태로 전환된다. 따라서, 임피던스 매칭부(31)는 각 도체 패턴(11a, 11b)과 각 입출력단(44)의 사이에서의 제 3 캐패시터 소자(48)와 제 4 캐패시터 소자(50)의 병렬 용량의 부하를 정지한다.
임피던스 매칭부(31)는 상술한 전환 동작이 용량 전환부(30)의 전환 동작과 연동하여 행해진다. 따라서, 고주파 모듈(1)은 상술한 용량 전환부(30)의 전환 동작에 의해 결합기(11)의 통과 주파수 특성의 전환이 행해지고 5GHz 주파수대와 2.45GHz 주파수대의 무선 시스템과 호환 사용이 가능하게 됨과 동시에, 임피던스 매칭부(31)의 전환 동작에 의해 입출력의 임피던스 매칭이 행해져 최적의 상태에서 입출력 신호의 전송이 행해지도록 동작한다.
대역 통과 필터 회로부(62)의 구체적인 구성에 대하여, 도 7a 및 도 7b, 도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명한다.
대역 통과 필터 회로부(62)는 도 7a에 도시하는 바와 같이 용량 전환부(30)의 제 1 캐패시터 소자(35)가 각각 13pF의 용량을 갖는 동시에 제 2 캐패시터 소자(39)가 각각 9pF의 용량을 갖고 있다. 대역 통과 필터 회로부(62)는 5GHz 반송 주파수대에 통과 주파수 특성을 갖고 있다.
대역 통과 필터 회로부(62)는 컨트롤 신호(C1)의 「H」 입력에 의해 도 7a에 도시하는 바와 같이 제 1 멤즈 스위치(33) 및 제 2 멤즈 스위치(37)가 온 동작함으로써, 결합기(11)에 대하여 제 1 캐패시터 소자(35)와 제 2 캐패시터 소자(39)의 병렬 용량이 부하된다. 대역 통과 필터 회로부(62)는 이것에 의해서 도 7b에 도시하는 바와 같이 2.45GHz 반송 주파수대에서 최대의 통과 주파수 특성을 갖는 대역 통과 필터를 구성한다. 또한, 도 7b는 시뮬레이션 결과의 특성도이다.
또한, 대역 통과 필터 회로부(62)는 도 8a에 도시하는 바와 같이 임피던스 매칭부(31)의 제 3 캐패시터 소자(48)가 각각 0.15pF의 용량을 갖는 동시에 제 4 캐패시터 소자(50)가 각각 0.05pF의 용량을 갖고 있다. 대역 통과 필터 회로부(62)는 제 1 용량 부하 회로(42)가 온 상태에서 제 2 용량 부하 회로(43)가 오프 상태에 있어서 5GHz 반송 주파수대의 통과 주파수 특성에 대응한 임피던스 용량을 갖고 있다.
대역 통과 필터 회로부(62)는 컨트롤 신호(C1)가 「L」 컨트롤 신호(C2)가 「H」인 제어 신호가 입력됨으로써 제 1 용량 부하 회로(42)가 오프 상태가 되고, 또한 제 5 멤즈 스위치(47)와 제 6 멤즈 스위치(49)가 온 동작함으로써 제 2 용량 부하 회로(43)가 온 상태가 된다. 대역 통과 필터 회로부(62)는 결합기(11)에 대하여 제 3 캐패시터 소자(48)와 제 4 캐패시터 소자(50)의 병렬 용량이 부하되어 임피던스 매칭이 도모된다. 대역 통과 필터 회로부(62)는 이로써 도 8b에 도시하는 바와 같이 5GHz 반송 주파수대에서 최대의 통과 주파수 특성을 갖는 대역 통과 필터를 구성한다. 또한, 도 8b도 시뮬레이션 결과의 특성도이다.
고주파 모듈(1)은 상술한 바와 같이 밴드 전환을 행하는 다수개의 멤즈 스위치(4)를 구비하고 있다. 멤즈 스위치(4)는 도 9a에 도시하는 바와 같이 전체가 절연 커버(70)에 의해서 덮여 있다. 멤즈 스위치(4)는 실리콘 기판(71)상에 제 1 고정 접점(72)과, 제 2 고정 접점(73)과, 제 3 고정 접점(74)이 형성되고, 제 1 고정 접점(72)에 박판형으로 가요성을 갖는 가동 접점편(75)이 회동가능하게 편측 지지 상태로 지지되어 있다. 멤즈 스위치(4)는 제 1 고정 접점(72)과 제 3 고정 접점(74)이 각각 입출력 접점으로 되고, 리드(76a, 76b)를 통해 절연 커버(70)에 설치한 입출력 단자(77a, 77b)와 각각 접속된다.
멤즈 스위치(4)는 가동 접점편(75)이 그 일단부를 실리콘 기판(71)측의 제 1 고정 접점(72)에 대한 상시 폐쇄 접점으로 됨과 동시에, 자유단이 제 3 고정 접점(74)에 대하여 상시 개방 접점을 구성한다. 가동 접점편(75)은 중앙부의 제 2 고정 접점(73)에 대응하여 내부에 전극(78)이 설치되어 있다. 멤즈 스위치(4)는 통상 상태에 있어서 도 9a에 도시하는 바와 같이 가동 접점편(75)이 일단을 제 1 고정 접점(72)과 접촉함과 동시에, 타단을 제 3 고정 접점(74)과 비접촉 상태로 유지되어 있다.
멤즈 스위치(4)에는 상술한 바와 같이 밴드 전환의 제어 신호가 입력됨으로써, 제 2 고정 접점(73)과 가동 접점편(75)의 내부 전극(78)과 구동 전압이 인가된다. 멤즈 스위치(4)는 이로써 제 2 고정 접점(73)과 가동 접점편(75)의 사이에서 흡인력이 생성되고, 도 9b에 도시하는 바와 같이 가동 접점편(75)이 제 1 고정 접점(72)을 지점으로 하여 실리콘 기판(71)측으로 변위 동작하고 그 자유단이 제 3고정접점(74)과 접속하여, 이 접속 상태가 유지된다.
멤즈 스위치(4)에는 밴드 전환의 제어 신호가 입력됨으로써, 제 2 고정 접점(73)과 가동 접점편(75)의 내부 전극(78)과 역바이어스의 구동 전압이 인가된다. 멤즈 스위치(4)는 이로써 가동 접점편(75)이 초기 상태로 복귀하여 제 3 고정접점(74)과의 접속 상태가 해제된다. 멤즈 스위치(4)는 극히 미소한 동작 상태를 유지하기 위한 유지 전류를 불필요로 하는 스위치이므로, 고주파 모듈(1)에 탑재하더라도 이것을 대형화하지 않고서 또한 저소비 전력화도 도모된다.
또한, 상술한 고주파 모듈(1)에 있어서는 대역 통과 필터 회로부(62)가 5GHz 반송 주파수대와 2.45GHz 반송 주파수대로 호환 사용을 가능하게 하도록 구성되었지만, 이 기본 구성을 채용하여 다른 반송 주파수대의 편성으로 호환 사용도 가능해진다. 대역 통과 필터 회로부(62)는 이 경우 도 5 내지 도 8에 도시한 구체적인 회로 구성에 관해서 적절하게 변경되는 것은 물론이다. 대역 통과 필터 회로부(62)의 기본 구성에 관해서는, 고주파 회로부를 구성하는 저역 필터(low-pass filter), 고역 필터(high-pass filter)나 대역 소거 필터(band-stop filter) 등의 다른 필터 소자 또는 안테나 소자 등에도 적용 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 고주파 모듈 기판 장치는 유기 기판을 코어 기판으로서 최상층이 평탄화되어 빌드업 형성면을 구성하여 베이스 기판과, 빌드업 형성면 상에 적층하여 형성된 집중 정수 설계의 고주파 회로부와의 사이에서 박막 캐패시터를 구성하고, 스위치 수단을 통해 박막 캐패시터의 병렬 용량을 베이스 기판부측에 분포정수 설계된 λ/4의 주파수 특성을 갖는 결합기에 대하여 부하 전환을 하도록 구성하였기 때문에, 다른 반송 주파수대에 대하여 고통과 특성을 갖고 호환 사용이 가능하고 또한 신뢰성이 극히 높은 대역 통과 필터 기능이 실장 부품을 늘리지 않고서 간략하게 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 고주파 모듈 기판 장치는 소형 경량이므로 휴대형 전자 기기 등에 적합하게 사용되고, 이들을 반송 주파수대를 달리하는 복수의 무선시스템에 관해서 호환성을 갖고 사용 가능하게 하여 정보 통신 기능이나 기억 기능 등을 부가하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 고주파 모듈 기판 장치는 고유전율 특성의 베이스 기판에 의한 파장 단축 효과와 기생 용량의 저감이 도모되고, 반송 주파수의 대역에 관계없이 대역 통과 필터 기능의 특성이 양호하게 유지되어 소형화와 특성 향상이 도모된다.

Claims (4)

  1. 유기 기판으로 이루어지는 코어 기판의 주면상에 절연층을 개재하여 배선층이 형성되고, 상기 배선층 내에 적어도 λ/4의 주파수 특성을 갖는 편측 단락 및 편측 개방형 선로의 결합기를 포함하는 분포 정수 회로 패턴이 형성됨과 동시에, 최상층의 주면이 평탄화되어 빌드업 형성면을 구성하여 이루어지는 베이스 기판과,
    상기 베이스 기판의 빌드업 형성면 상에 절연층을 거쳐서 배선층이 형성됨과 동시에, 상기 배선층 내에 상기 분포 정수 회로 패턴에 대응하여 형성되어 박막 캐패시터를 구성하는 집중 정수 회로 패턴 및 수동 소자를 갖는 고주파 회로부와,
    상기 박막 캐패시터와 결합기를 층간 접속하는 접속 패턴과의 사이에 설치되고, 이들 박막 캐패시터와 결합기의 전기적 접속 상태를 변환하는 선택 스위치 수단을 구비하고,
    상기 선택 스위치 수단을 거쳐서 상기 박막 캐패시터의 상기 결합기에 대한 병렬 용량의 부하 상태의 전환을 행함으로써, 밴드 전환을 행하는 것을 특징으로 하는 고주파 모듈 기판 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 박막 캐패시터는 상기 선택 스위치 수단을 거쳐서 상기 결합기에 병렬 용량을 부하시킴으로써, 상기 결합기로부터 도출되는 주파수대에 대하여 저주파수대의 통과 주파수대 특성을 갖는 대역 통과 필터 회로(band-pass filter)를 구성하는 것을 특징으로 하는 고주파 모듈 기판 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 박막 캐패시터는 상기 선택 스위치 수단을 거쳐서 상기 결합기로의 고주파 신호의 입출력 단자부와 접속되고,
    상기 선택 스위치 수단의 전환 동작에 의한 밴드 전환이 행해지면 상기 결합기로의 입출력에 대한 임피던스 매칭을 행함으로써, 상기 결합기로부터 도출되는 주파수대의 근방의 통과 주파수대 특성을 갖는 대역 통과 필터 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 고주파 모듈 기판 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 선택 스위치 수단에 멤즈(MEMS) 스위치가 사용되는 것을 특징으로 하는 고주파 모듈 기판 장치.
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