JP2008244924A - 方向性結合器および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】方向性結合器を小型化することができる技術を提供する。
【解決手段】積層された複数の絶縁層と、前記複数の絶縁層それぞれの表面に所望のパターンで配線が形成された複数の配線層とを有する配線基板と、前記複数の配線層のうち、単一の配線層に形成された主線路（第１配線）１１と、前記複数の配線層に亘って形成され、主線路１１に沿って延在する延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃを備えた副線路（第２配線）１２とを備える方向性結合器１０であって、主線路１１は屈曲部を有さず、副線路１２は、主線路１１の一方の側面側にコイル形状のループを成すように形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、方向性結合器技術および半導体装置技術に関し、特に、移動体通信機器に搭載される高周波回路の電力検出に適用して有効な技術に関するものである。

携帯電話等のような移動通信機器には、例えば電力増幅器（Power Amplifier）またはアンテナスイッチ等が形成された表面実装型の半導体チップと、コンデンサまたはレジスタ等が形成された表面実装型のチップ部品とが、配線基板上に搭載された構造の半導体モジュールが採用されている。このような半導体モジュールはＲＦ（Radio Frequency）モジュールと呼ばれる。

移動体通信装置の消費電力低減や、通信装置端末間での干渉低減のため、ＲＦモジュールなどの高周波回路には、送信電力のきめ細かい制御が要求される。

ＲＦモジュールなどの高周波回路の出力を制御するための電力検出装置として、方向性結合器がある。容量性結合と誘導性結合の二つの電磁結合を利用した方向性結合器は計測対象であるアンテナ信号伝送ラインとの金属的接触を有することなく、出力電力を検出する装置として実用に供されている。

方向性結合器は、アンテナ信号伝送ライン（以下主線路と呼ぶ）に沿って検出ライン（以下副線路）を延在させることにより主線路を流れる電力を検出する。ここで、検波対象の周波数における１／４波長に相当する長さの副線路を主線路に沿わせることにより、原理上∞の方向性特性を得ることができる。

しかし、１／４方向性結合器は携帯電話などで使用される高周波帯域では数ｃｍの長さになり部品小型化の要求に耐えない。

限られた面積で主線路と副線路との電気的結合を確保するため、主線路および副線路をミアンダ状に蛇行させたり、スパイラル状やヘリカル状に巻いたりする方向性結合器がある。

例えば、特開２００３−１３３８１７号公報（特許文献１）や、特開２００６−７４８３０（特許文献２）には、限られた面積で主線路に沿わせる副線路の長さを長くする構造として、副線路をスパイラル状に周回させる方向性結合器の構造が開示されている。
特開２００３−１３３８１７号公報 特開２００６−７４８３０号公報

近年、携帯電話など移動体通信機器には小型化、軽量化のニーズがあり、これに伴い、回路基板に搭載される部品にも、小型化の要求がある。

本発明者は、方向性結合器の小型化について検討を行い、以下の課題を見出した。

一般に、方向性結合器は両端を持つ主線路と同じく両端を持つ副線路とからなる四端回路であり、主線路の両端部間を通過する信号電力の一部を主線路と電磁結合させた副線路によってその片側の端部から取り出す構成になっている。

方向性結合器の性能指標は伝送損失（挿入損失とも呼ぶ）、結合度および方向性とで表される。伝送損失は主線路の入力端に入力する電力と、主線路の出力端で取り出される電力との比で定義される。また、結合度は主線路に入力する電力と副線路によって取り出される電力の比で定義され、方向性は主線路上の進行波（または反射波）が副線路上の両端部それぞれに現れる電力の比で定義される。

高周波回路の消費電力削減のためには、伝送損失は少ない程良い。また、結合度が高いほど大きな電力を副線路側に取り出せるが、主線路側の損失（伝送損失）が増加するため必要十分な量に抑える必要がある。方向性は移動体通信機器のＲＦモジュールに搭載される方向性結合器のように進行波だけを分離して検出する用途では、高ければ高いほど良い。

特開２００３−１３３８１７号公報（特許文献１）に示されるように、方向性結合器を個別素子として回路基板上に実装する場合、回路基板に接続するために外部端子の実装位置の制約があるため、主線路を屈曲させた構造とせざるを得ない。また、小型化に伴い、方向性結合器の特性設計が困難となるため、副線路の配線形状によっては、主線路を複数の層に形成せざるを得ない場合がある。

このように主線路を屈曲させたり、複数の層に亘って形成したりすると、主線路を直線的に形成した場合と比較して主線路の伝送損失（挿入損失とも呼ぶ）が増加する。

携帯電話などの消費電力削減のためには高周波機器の伝送損失の低減は必須であり、小型化する場合であっても主線路の伝送損失が増加すれば、結果的に高周波回路の消費電力も増加してしまう。

また、特許文献１に開示される方向性結合器は、限られた面積で所定の結合度を得るために、主線路の直線部の両側に複雑な形状の副線路を配置しているため、電力検出回路の設計上の自由度が低下する。また、主線路と副線路が複雑に絡み合うため、特性設計が困難となる。

このように、単に主線路に沿わせる副線路の長さを長くするだけでは所望の特性が得られない、あるいは、伝送損失が増大するなどの問題があり、小型化には限界がある。

本願発明の目的は、方向性結合器を小型化することができる技術を提供することにある。

また、本願発明の他の目的は方向性結合器の特性設計上の自由度を向上させることのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、積層された複数の絶縁層と、前記複数の絶縁層それぞれの表面に所望のパターンで配線が形成された複数の配線層とを有する配線基板と、前記複数の配線層のうち、単一の配線層に形成された第１配線と、前記複数の配線層に亘って形成され、前記第１配線に沿って延在する延在部を備えた第２配線とを備える方向性結合器であって、前記第１配線は屈曲部を有さず、前記第２配線は、前記第１配線の一方の側面側にコイル形状のループを成すように形成するものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

すなわち、本発明によれば、方向性結合器を小型化することができる。

本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態１では、方向性結合器を内蔵した半導体装置として、携帯電話などの移動体通信装置に搭載される高周波回路モジュールであるＲＦモジュールを例として説明する。

図１は本実施の形態１のＲＦモジュールの構成要部を示す平面図である。図１において、ＲＦモジュール（半導体装置）１００が備える配線基板１には方向性結合器１０が内蔵されている。また、配線基板１には半導体チップ（半導体素子）２０およびアンテナスイッチ３０とが搭載されている。

配線基板１は、誘電性セラミックなど、誘電性を有する絶縁層が複数積層された多層構造となっており、各絶縁層の表面にはそれぞれ所望のパターンで配線が形成された配線層を備えている。配線基板１の絶縁層の構造については方向性結合器１０の詳細構造を説明する際に詳述する。

また、送信電力配線２の一方の端部は、半導体チップ２０の送信電力出力端子２１に電気的に接続されている。また、送信電力配線２は出力整合回路４０、方向性結合器１０、低域通過フィルタ５０を順に経由するように配線されており、反対側の端部がアンテナスイッチ３０の入力端子３１に電気的に接続されている。

また、図１には示していないが、配線基板１の最上層は、封止樹脂により封止されている。この封止樹脂により封止された状態についても方向性結合器１０の詳細構造を説明する際に説明する。

次に、図１に示すＲＦモジュール１００の等価回路である図２を用いて移動体通信機器が送信動作を行う際の電力の流れについて説明する。図２は図１に示すＲＦモジュールの等価回路図である。

まず、送信入力端子１０１に入力された送信信号電流は半導体チップ２０内に形成された電力増幅器２２によって増幅される。増幅された電流は出力整合回路４０でインピーダンス変換された後、方向性結合器１０、低域通過フィルタ５０を経由して、アンテナスイッチ３０の入力端子３１に入力され、ＲＦモジュール１００のアンテナ出力端子１０２を経由してアンテナ（図示せず）に出力される。

ここで、電力増幅器２２で増幅された電流が方向性結合器１０の主線路（第１配線）１１を流れる際に、方向性結合器１０に形成された副線路（第２配線）１２により送信電力の一部が取出される。副線路１２により取出された送信電力の一部は、半導体チップ２０にフィードバックされ、半導体チップ２０内に形成された検出器２３により送信電力の電圧が検出される。

半導体チップ２０にはバイアス電圧調整回路２４も形成されており、このバイアス電圧調整回路２４が、検出器２３で検出した電圧を参照しながら、電力増幅器２２のゲインを調整し、所望の送信電力が得られるようになっている。

このように方向性結合器１０は、送信電力配線を流れる電力を検出し、半導体チップ２０にフィードバックする機能を有している。

次に、図３および図４を用いて本実施の形態１の方向性結合器１０の詳細な構造について説明する。図３は図１に示すＡ−Ａ線に沿った拡大断面図、図４は図１に示すＲＦモジュールの方向性結合器部分の主線路と副線路の構造を示す斜視図である。

図３において、配線基板１は例えば誘電性セラミックなどの誘電性を有する絶縁層３が複数（図３では３層）積層された構造となっており、最上層は封止樹脂４で封止された構造となっている。

図１に示す方向性結合器１０はＲＦモジュール１００の配線基板１に内蔵された構造となっており、図１に示すＲＦモジュール１００の配線基板１全体が図３に示す断面図と同様に３層の絶縁層３が積層された構造となっており、配線基板１の最上層が封止樹脂４により封止されている。

なお、図４では主線路と副線路の構造を説明しやすくするために、図３に示す絶縁層３および封止樹脂４は図示を省略している。以下実施の形態の説明において、主線路と副線路の構造を示す斜視図については、絶縁層および封止樹脂の図示を省略する。

図３および図４において、配線基板１が備える複数の配線層のうち、最上層には主線路１１が形成されている。すなわち、主線路１１は複数の配線層に亘って形成されるのではなく、単一の層に形成されている。

図２で説明した電力増幅器２２で増幅された送信信号電流は主線路１１の入力端１１ａから出力端１１ｂの方向に流れる。方向性結合器１０は主線路１１が単一の層に形成されているのでこの送信信号電流の伝送損失を低減することができる。

また、主線路１１は入力端１１ａから出力端１１ｂまでの間が略直線状に形成されている。この略直線状とは、副線路１２のように屈曲部を有していないという意味であり、加工精度誤差などにより、若干非直線状になってしまうものを排除するものではない。

ここで、主線路１１は図１に示す送信電力配線２の一部である。つまり、送信電力配線２が略直線状に配置された箇所の一方の側面側に副線路１２を配置し、この副線路１２の延在部と並設された領域を方向性結合器１０の主線路１１とみなしている。

本実施の形態１の方向性結合器１０は、主線路１１が屈曲部を有さないように形成されているので、送信信号電流の伝送損失を低減することができる。

また、主線路１１は単一の層に略直線状に形成すれば良いので、図１に示すＲＦモジュール１００の送信電力配線２の略直線状となっている任意の箇所に方向性結合器１０を内蔵させることが可能となる。すなわち、方向性結合器１０を搭載する箇所の設計上の自由度を向上させることが可能となる。

また、主線路１１を図１に示す送信電力配線２の一部とみなした場合、図３に示す主線路１１を配線基板１の最上層以外の絶縁層３の表面に形成すると、図１に示す送信電力配線２の配線経路が複数の層に亘ることとなる。

このため、送信電力配線２を配線基板１の最上層の絶縁層３の表面に形成した場合と比較して伝送損失が増大してしまう。本実施の形態１では、方向性結合器１０の主線路１１を配線基板１の最上層の絶縁層３の表面に形成することにより、送信信号電力の伝送損失を低減することが可能となる。

次に、図３に示すように配線基板１の最上層の絶縁層３の表面に延在する主線路１１の一方の側面側には副線路１２が複数の層に亘って形成されている。副線路１２は各絶縁層３の表面の配線層に形成された表面配線１３（図４参照）と、各表面配線を電気的に接続するための導電路であるビア１５とで構成される。

なお、本実施の形態１では説明を解りやすくするため、ＲＦモジュール１００（図１参照）の配線基板１が３層の絶縁層３が積層された構造であるものとして説明しているが、副線路１２の表面配線１３は必ずしも全ての絶縁層３の表面に形成する必要はない。

例えば、配線基板１が４層以上の絶縁層３により構成されている場合、本実施の形態１で説明する副線路１２の表面配線１３は、そのうちの任意の３層に形成すれば良い。

表面配線１３は、主線路１１に沿って延在する延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有している。この延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃは主線路１１と略平行となるように形成されている。なお、この平行の程度は、主線路１１と副線路１２とが所定の結合度を得られる程度の平行度をなしていれば良く、加工精度誤差などにより、若干非平行となっているものを排除するものではない。

このように延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃを備えることにより、主線路１１と延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃとを容量性結合させることが可能となる。例えば、図３および図４において、主線路１１と第２層に形成された延在部１３ｂに着目すると、主線路１１と延在部１３ｂとは、誘電性の絶縁層３を介して互いに平行に配置されたコンデンサとみなすことができる。

コンデンサの容量は、平行に配置された導電体の互いに対向する面の面積、導電体間の距離、および導電体の間に介在する誘電体の誘電率により定義される。導電体の互いに対向する面の面積が大きくなるほど、また、導電体間の距離が短くなるほど容量は増加する。

このため、主線路１１に送信信号電流が流れると、延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、それぞれ、主線路１１と対をなすコンデンサとなり、送信信号電力の一部を取出すことができる。

また、本実施の形態１の方向性結合器１０は、延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、主線路１１との距離を、各層個別に設定することが可能である。このように延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃと主線路１１との距離を各層個別に設定することにより、容量性結合の結合度を容易に調整することが可能となる。

例えば、本実施の形態１では、図４に示すように、第２層目に形成された延在部１３ｂと主線路１１との距離が、最上層に形成された延在部ａと主線路１１との距離よりも短くなるように設定している。このように主線路１１が形成されていない層に形成された延在部１３ｂと主線路１１との距離を、主線路１１が形成された層の延在部１３ａと主線路１１との距離よりも短くすることにより、容量性結合の結合度を向上させることが可能となる。

なお、図４には延在部１３ｂのみを主線路１１に近づけた場合について例示したが、延在部１３ｂの代わりに延在部１３ｃを主線路１１に近づけても良い。また、延在部１３ｂ、１３ｃの両方を主線路１１に近づけても良い。この場合、容量性結合の結合度を更に向上させることが可能となる。

また、主線路１１と延在部１３ｂ、１３ｃとの距離は、図３に示す絶縁層３の厚さを変更することによっても調整することが可能である。絶縁層の厚さが層毎に異なるように設定することにより、主線路１１と各延在部１３ｂ、１３ｃとの容量性結合による結合度を調整することができる。

例えば、図３において、主線路１１と延在部１３ｂとの容量性結合を向上させたければ、最上層の絶縁層の厚さを第２層の絶縁層の厚さよりも薄くすれば良い。

本実施の形態１の方向性結合器１０は、主線路１１と延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃとの距離を任意に調節することにより、所望の結合度を得ることが出来るので、設計上の自由度を向上させることができる。

次に、図３および図４に示すように副線路１２の各表面配線１３は所定の位置で屈曲部を有しており、配線全体としてコイル形状のループをなすように形成されている。本実施の形態１では３層構造のコイル形状の副線路１２とした。

ここで、主線路１１に送信信号電流が流れると、主線路１１の周囲には磁界が生じるので、副線路１２をコイル形状とすると、磁束が副線路１２のループに囲まれた領域（第１領域）を貫き、副線路１２には誘導起電力が発生する。

すなわち、副線路１２は、主線路１１と誘導性結合することにより、送信信号電力の一部を取出すことができる。

図３および図４に示すように副線路１２をコイル形状とした回路では、単に直線状の副線路１２を主線路１１に沿って配置した回路と比較して、誘導性結合による結合度は大きくなる。つまり、副線路１２をコイル形状のループを成すように形成することにより、誘導性結合の結合度を向上させることができる。

また、副線路１２のコイル形状のループは主線路１１の一方の側面側にのみ形成されているので、主線路１１は副線路１２の配線形状の制約を受けない。このため、主線路１１の構造を伝送損失の観点から好ましい構造とすることができる。すなわち、単一の配線層に屈曲部を有さない主線路１１を形成することが可能となる。

また、本実施の形態１の方向性結合器１０は、各表面配線１３のループに囲まれた領域（第１領域）１４ａ、１４ｂ、１４ｃの面積を各層個別に設定することが可能である。このように各表面配線１３のループに囲まれた領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃの面積を個別に設定することにより、誘導性結合の結合度を容易に調整することが可能となる。

例えば、本実施の形態１では図４に示すように、第２層目の表面配線１３のループに囲まれた領域１４ｂの面積が主線路１１が形成された最上層の表面配線１３で囲まれた領域１４ａの面積よりも大きくなるように設定している。

このように主線路１１が形成されていない層の表面配線１３で囲まれた領域１４ｂ、１４ｃの面積を主線路１１が形成された層の表面配線１３で囲まれた領域１４ａの面積よりも大きくすることにより、誘導性結合による結合度を向上させることが可能となる。

なお、図４には領域１４ｂの面積のみを大きくした場合について例示したが、領域１４ｂの代わりに領域１４ｃの面積を大きくしても良い。また、領域１４ｂ、１４ｃの両方の面積を領域１４ａの面積よりも大きくしても良い。この場合、誘導性結合の結合度を更に向上させることが可能となる。

次に、主線路１１に送信信号電流が流れた際に発生する電流が副線路１２を流れる方向について説明する。

図４に示すように副線路１２は全体としてコイル形状を成しているが、そのコイル形状の両端は、一方が検出端１２ａ、他方が終端１２ｂとなっている。副線路１２のコイル形状は、終端１２ｂから検出端１２ａに向かう方向（第１方向）１６が、主線路１１の入力端１１ａから出力端１１ｂに向かう方向（第２方向）１７と反対方向となるように形成されている。

ここで、図４に示す主線路１１の入力端１１ａから出力端１１ｂに向かう方向１７に送信信号電流の進行波が流れると、副線路１２の延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃには、入力端１１ａから出力端１１ｂに向かう方向１７とは反対の方向１６に進行波電流が流れる。

このため、本実施の形態１の方向性結合器１０は、送信信号電力の進行波を効率的に検出することが可能となる。すなわち、方向性結合器１０の方向性特性を向上させることが可能となる。

また、副線路１２は主線路１１の一方の側面側に形成されており、コイル形状の副線路１２のループで囲まれたループ孔領域（第１領域）１４ａ、１４ｂ、１４ｃはいずれも主線路１１と重畳していない。

ここで、重畳していないとは、方向性結合器１０を上面あるいは下面からみた時に主線路１１とループ孔領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃの平面上の位置が重なっていないことをいう。

このようにループ孔領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃが主線路１１と重畳しないように配置することにより、主線路１１に送信信号電力が流れる際に発生し、ループ孔領域を貫く磁束の方向を揃えることが可能となる。

このため、本実施の形態１の方向性結合器１０は、方向性特性を向上させることが可能となる。

また、図４に示すように、本実施の形態１の方向性結合器１０のコイル形状部分は、副線路１２の終端１２ｂから検出端１２ａに向かう方向１６に進むに従って、上層の表面配線１３に接続されるように構成されている。

副線路１２の螺旋構造をこのように構成することにより、副線路１２の検出端１２ａを最上層に配置することができる。

次に、図１に示すように、副線路１２の検出端１２ａ（図４参照）は、半導体チップ２０の検出器２３（図２参照）に接続される検出端子２５に電気的に接続されている。半導体チップ２０は配線基板１の最上層に搭載されるので、検出端１２ａが最上層、すなわち半導体チップ２０を搭載する層と同じ層に配置することができる。

検出端１２ａを半導体チップ２０を搭載する層と同じ層に配置することにより、ビアなどの層間導電路を用いることなく検出端１２ａと検出端子２５とを電気的に接続することが可能となる。このため、検出された電力を効率よく検出器２３に伝送することが可能となる。

また、副線路１２の検出端１２ａの反対側の端部である終端１２ｂは、副線路１２の配線インピーダンスよりもインピーダンスが高い終端抵抗素子（終端抵抗）５に電気的に接続されている。副線路の終端１２ｂを終端抵抗素子５に電気的に接続することにより、反射波電流の発生を抑制することができるので、方向性結合器１０の方向性特性を向上させることが可能となる。

また、図１に示すように、終端抵抗として、例えばチップ抵抗などの終端抵抗素子５を用いることにより、終端１２ｂの反射波電流を抑制するためにインピーダンス調整回路を形成する場合と比較して容易に方向性特性を向上させることが可能となる。

以上説明したように本実施の形態１の方向性結合器１０は、少ない面積で結合度特性および方向性特性を向上させることが可能である。このため、方向性結合器を小型化しても、所望の特性を得ることが可能となるので、方向性結合器を小型化することが可能となる。

また、主線路１１の設計レイアウトの自由度を向上させることができるので、単一層に略直線状の主線路１１を配置することが可能となる。このため方向性結合器１０の伝送損失を低減させることが可能となる。

また、主線路１１と延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｂとの距離、副線路１２のループで囲まれた領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃの面積を調整することにより、所望の結合度特性を得ることができるので、特性設計上の自由度を向上させることが可能となる。

（実施の形態２）
前記実施の形態１では、方向性結合器の副線路が主線路と重畳しないように配置する実施態様について説明した。本実施の形態２では方向性結合器の副線路の一部を主線路と重畳させるように配置する実施態様について説明する。

図５は本実施の形態２のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分を拡大した断面図、図６は本実施の形態２のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分の主線路および副線路の構造を示す斜視図である。

本実施の形態２のＲＦモジュールの概略を示す平面図は、方向性結合器１０の主線路１１が最上層ではなく、第２層に形成されている点を除いては図１に示すＲＦモジュール１００と同様であるので図示は省略する。

前記実施の形態１で説明したＲＦモジュール１００の方向性結合器１０と、本実施の形態２の方向性結合器１０との第１の相違点は主線路１１と異なる配線層に形成された副線路１２の延在部１３ａ、１３ｃが主線路１１と重畳している点である。

ここで、重畳しているとは、方向性結合器１０を上面あるいは下面からみた時に主線路１１と延在部１３ａ、１３ｃの平面上の位置が重なっていることをいう。このように主線路１１と延在部１３ａ、１３ｃを重畳させることにより、前記実施の形態１で説明した主線路１１と延在部１３ｂとの距離を近づける方法と比較して、主線路１１と副線路１２との容量性結合による結合度を更に向上させることが可能となる。

また、図５および図６に示すように本実施の形態２の方向性結合器１０は、主線路１１と延在部１３ａ、１３ｃとを重畳させる方法として、前記実施の形態１で説明した方向性結合器１０と比較して、単に副線路１２を主線路１１側に近づけるのではなく、副線路１２のループで囲まれたループ孔領域１４ａ、１４ｃの面積を拡張する方法を採用している。

このようにループ孔領域１４ａ、１４ｃを拡張することにより、誘導性結合による結合度を向上させることが可能となる。

ただし、副線路１２のループで囲まれたループ孔領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃは主線路１１と重畳させないようにする。このように、延在部１３ａ、１３ｃを主線路１１と重畳させた場合であってもループ孔領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃを主線路１１と重畳させないことにより、主線路１１に送信信号電力が流れた際にループ孔領域１４ａ、１４ｂ、１４ｃを貫く磁束の向きを揃えることが可能となる。

このため、方向性結合器１０の方向性特性を向上させることが可能となる。

また、前記実施の形態１で説明したＲＦモジュール１００の方向性結合器１０と、本実施の形態２の方向性結合器１０との第２の相違点は主線路１１が、最上層と最下層の間の中間層である第２層に形成されている点である。

このように主線路１１を中間層に形成することにより、主線路１１の上層にある副線路１２の延在部１３ａと、主線路１１の下層にある副線路１２の延在部１３ｃとを主線路１１と重畳させることが可能となる。

このため、本実施の形態２の方向性結合器１０は前記実施の形態１で説明した方向性結合器１０と比較して、容量結合による結合度を向上させることが可能となる。

本実施の形態２では、延在部１３ａ、１３ｃの両方を主線路１１と重畳させる実施態様について説明したが、これに限定されるわけではない。延在部１３ａまたは延在部１３ｃの何れか一方を主線路１１と重畳させることによって所望の結合度が得られる場合には、何れか一方のみを重畳させても良い。このような本実施の形態２の変形例について説明する。

図７は本実施の形態２の変形例であるＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分を拡大した断面図、図８は本実施の形態２の変形例であるＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分の主線路と副線路の構造を示す斜視図である。

図７および図８において、副線路１２の最下層の配線層に配置された延在部１３ｃは主線路１１と重畳しているが、中間層に配置された延在部１３ｂは主線路１１と重畳していない。このように配置した場合、図５および図６に示す方向性結合器１０と比較して、容量結合による結合度は低下する。

しかし、図７および図８に示す方向性結合器１０では、副線路１２の最下層に配置されたループに囲まれたループ領域１４ｃを拡張してあるので誘導性結合による結合度は向上させることができる。また、用途によってはこの程度の結合度特性が得られれば十分な場合もある。

このように、容量性結合による結合度特性の向上が要求されない場合、図７に示すように、主線路１１は配線基板１の最上層の絶縁層３の表面に形成することが好ましい。主線路１１を配線基板１の最上層の絶縁層３の表面に形成することにより、送信電力配線２（図１参照）の伝送損失を減少させることが可能となる。

以上説明したように本実施の形態２の方向性結合器１０は延在部１３ａ、１３ｂ、１３ｃのうち少なくとも一つの延在部を主線路１１と重畳させることにより、容量性結合による結合度を向上させることが可能となる。また、主線路１１と重畳させる延在部の数を調整するにより、所望の結合度特性を得ることができる。このため、結合度特性の特性設計上の自由度を向上させることが可能となる。

また、副線路１２が占める平面積を小さくしても所望の特性が得られるので、方向性結合器１０を小型化することが可能となる。

（実施の形態３）
前記実施の形態２では、３層に亘って形成された副線路の表面配線の線幅が全て等しい場合について説明したが、本実施の形態３では、配線層毎に表面配線が異なる線幅で形成される実施態様について説明する。

図９は本実施の形態３のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分を拡大した断面図、図１０は本実施の形態３のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分の主線路および副線路の構造を示す斜視図である。

前記実施の形態２で説明した方向性結合器１０と、本実施の形態３の方向性結合器１０との相違点は図９および図１０に示すように副線路１２を構成する表面配線１３の線幅が、層毎に異なっている点である。

さらに詳しくは、図１０に示すように、主線路１１と重畳している副線路１２の延在部１３ｂの線幅が主線路１１と重畳していない副線路１２の延在部１３ａ、１３ｃの線幅よりも太くなっている。

前記実施の形態１で説明したように、容量性結合による結合度は、主線路１１と延在部との距離および互いに対向する面の平面積により定義される。

したがって、副線路１２を構成する表面配線１３の線幅が、層毎に異なるように構成することにより、方向性結合器１０の結合度特性を調整することが可能となる。すなわち、本実施の形態３によれば、方向性結合器１０の特性設計上の自由度を向上させることが可能となる。

また、副線路１２の線幅を太くすることにより結合度を向上させることができるので、副線路１２が占める平面積を小さくすることができる。このため方向性結合器１０を小型化することが可能となる。

（実施の形態４）
前記実施の形態１では、副線路の表面配線が形成される配線層が３層構造である方向性結合器について説明したが、配線基板の層数はこれに限定されない。例えば、副線路を２層に亘って形成してもよいし、４層以上の配線層に亘って形成しても良い。

本実施の形態４では、３層構造以外の配線構造を有する方向性結合器の例として、２層の配線層を備える配線基板に方向性結合器を内蔵した場合について説明する。

図１１は本実施の形態４のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分を拡大した断面図、図１２は本実施の形態４のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分の主線路および副線路の構造を示す斜視図である。

前記実施の形態１で説明したＲＦモジュール１００の方向性結合器１０と、本実施の形態４の方向性結合器１０との相違点は図１１および図１２に示すように副線路１２の表面配線１３が、２層に亘って形成されている点である。

このように副線路１２を２層構造とすることにより、方向性結合器１０を薄型化することが可能となる。

ところで、副線路１２の配線構造を２層構造とすると、３層構造の副線路１２を用いる場合と比較して結合度特性が低下する。しかし、副線路１２で囲まれたループのループ孔領域１４ａ、１４ｂの面積を大きくすることにより、結合度特性の低下を抑制することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本発明は、高周波回路モジュールとして用いられる半導体装置および高周波回路モジュールの電力検出器として用いられる方向性結合器に適用できる。

本発明の実施の形態１のＲＦモジュールの構成要部を示す平面図である。 図１に示すＲＦモジュールの等価回路図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。 図１に示すＲＦモジュールの方向性結合器部分の主線路および副線路の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態２のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分の主線路および副線路の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２の変形例であるＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態２の変形例であるＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分の主線路および副線路の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態３のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分の主線路および副線路の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分を拡大した断面図である。 本発明の実施の形態４のＲＦモジュールの配線基板に内蔵された方向性結合器部分の主線路および副線路の構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ 配線基板
２ 送信電力配線
３ 絶縁層
４ 封止樹脂
５ 終端抵抗素子
１０ 方向性結合器
１１ 主線路（第１配線）
１１ａ 入力端
１１ｂ 出力端
１２ 副線路（第２配線）
１２ａ 検出端
１２ｂ 終端
１３ 表面配線
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ 延在部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 領域
１５ ビア
１６ 方向（第１の方向）
１７ 方向（第２の方向）
２０ 半導体チップ（半導体素子）
２１ 送信電力出力端子
２２ 電力増幅器
２３ 検出器
２４ バイアス電圧調整回路
２５ 検出端子
３０ アンテナスイッチ
３１ 入力端子
４０ 出力整合回路
５０ 低域通過フィルタ
１００ ＲＦモジュール（半導体装置）
１０１ 送信入力端子
１０２ アンテナ出力端子

Claims (7)

1. 積層された複数の絶縁層と、前記複数の絶縁層それぞれの表面に所望のパターンで配線が形成された複数の配線層とを有する配線基板と、
   前記複数の配線層のうち、単一の配線層に形成された第１配線と、
   前記複数の配線層に亘って形成され、前記第１配線に沿って延在する延在部を備えた第２配線とを備え、
   前記第１配線は屈曲部を有さず、
   前記第２配線は、前記第１配線の一方の側面側にコイル形状のループを成すように形成されていることを特徴とする方向性結合器。
2. 方向性結合器を有する配線基板と、前記配線基板に搭載された半導体素子とを備え、
   前記配線基板は、
   積層された複数の絶縁層と、
   前記複数の絶縁層それぞれの表面に所望のパターンで配線が形成された複数の配線層とを有し、
   前記方向性結合器は、
   前記複数の配線層のうち、単一の配線層に形成された第１配線と、
   前記複数の配線層に亘って形成され、前記第１配線に沿って延在する延在部を備えた第２配線とを備え、
   前記第１配線は屈曲部を有さず、
   前記第２配線は、前記第１配線の一方の側面側にコイル形状のループを成すように形成されていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第１配線は、入力端と出力端を有し、
   前記第２配線は、終端と検出端を有し、
   前記第２配線のコイル形状のループは、前記延在部において、前記終端側から前記検出端に向かう第１方向が、前記第１配線の前記入力端から前記出力端に向かう第２方向の反対方向となるように配置されていることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記第２配線は、
   前記複数の絶縁層の表面に形成され、前記第１配線に沿って延在する延在部と、前記ループを成すように屈曲した屈曲部とを有する表面配線と、
   上層の前記表面配線と下層の前記表面配線とを電気的に接続する導電路とを備え、
   前記第２配線のループに囲まれた第１領域は、前記第１配線と重畳していないことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記第１配線は、前記複数の配線層のうち、最上層と最下層の中間に位置する任意の配線層に形成されていることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記第２配線の前記終端側には、終端抵抗素子に接続されていることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記第２配線の線幅は、前記複数の配線層毎に異なる線幅で形成されていることを特徴とする半導体装置。

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