JP5559901B1

JP5559901B1 - Ｍｍｉｃ集積モジュール

Info

Publication number: JP5559901B1
Application number: JP2013063694A
Authority: JP
Inventors: 卓郎田島; 直哉久々津; 信矢板; ホジンソン
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: JP2014192549A

Abstract

【課題】電磁波を効率良く出力することを実現しつつ、ＭＭＩＣ集積モジュールの製造コストを低減すること。
【解決手段】反射防止構造１００が表面に形成されたシリコン基板１２をＭＭＩＣ基板１１に接合し、筐体の内部に放射された電磁波の２次的放射手段として、任意の誘電性材料で形成された誘電性平凸レンズ１３を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波・テラヘルツ波帯の無線通信に用いるＭＭＩＣ（monolithic microwave integrated circuit：モノシリックマイクロ波集積回路）を高密度に実装したＭＭＩＣ集積モジュールの技術に関する。

図５は、従来のＭＭＩＣ集積モジュール１の断面構成図である。ＭＭＩＣ基板１１は、金属筐体１７’の内部に配置され、同内部に設けられた実装基板１４にワイヤボンディングされている。

入出力端子１８からミリ波・テラヘルツ波帯の高周波信号が入力されると、実装基板１４上の金属線路を介してＭＭＩＣ基板１１上の金属線路１１ｂに導き、ＭＭＩＣ基板１１が備えるアンテナ１１ａから電磁波を放射する。

この電磁波を金属筐体１７’の外部へ出力するため、ＭＭＩＣ基板１１は、金属筐体１７’の内壁に設けられたシリコン基板１２と、それに接合された平凸型のシリコンレンズ１３’とにダイボンディングされ、シリコンレンズ１３’の金属筐体１７’からの突出部位より外部へ出力する。

ここで、シリコン基板１２とシリコンレンズ１３’は、ＭＭＩＣ基板１１からの電磁波に対するシリコンレンズ１３’の入射面での反射を抑制するため、同じ材料で作られている。このような基板とレンズの材料にはシリコン（Ｓｉ）が使用され、ＭＭＩＣ基板１１の化合物半導体材料と誘電率が近いことから、電磁波を効率良く外空間へ放射することができる。

特に高抵抗シリコンは、テラヘルツ波帯域において誘電体損失が無いことから、レンズやプリズムの材料として通常用いられている。シリコンレンズ１３’の半径やシリコン基板１２の厚さを適切に設計することにより、ガウシアン性の良い放射パターンや高利得特性を得ることができる（特許文献１）。

特開２００５−６４９８６号公報特開２００２−４８９３０号公報

しかしながら、レンズ材料にシリコンを使用する場合、高抵抗シリコン単結晶を半球状に加工する高精度な研磨工程が必要となるため、ＭＭＩＣ集積モジュールの製造コストが高くなってしまう。また、シリコンは高屈折率・高曲率であるため、高いＮＡ（numerical aperture）であり、レンズを実装する際のズレに対する許容度が小さく、放射パターンの制御が難しい。

更に、シリコンと空気の屈折率（誘電率）の差が大きいことにより多重反射が生じるため、利得の周波数特性にリプルが発生してしまう。ミリ波やテラヘルツ波の帯域では波長がサブミリ〜数ミリと長いことから、特許文献２のような反射防止膜をレンズの球面上に形成することは困難である。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、電磁波を効率良く出力することを実現しつつ、ＭＭＩＣ集積モジュールの製造コストを改善することを目的とする。

請求項１記載のＭＭＩＣ集積モジュールは、電磁波を放射又は受信するアンテナが一方の表面に形成されたＭＭＩＣ基板と、前記ＭＭＩＣ基板の他方の表面に接合され、前記接合された表面の対向表面において空気と自基板の間の前記電磁波の反射を防止する反射防止構造が形成された誘電性基板と、前記対向表面に対向して配置され、前記ＭＭＩＣ基板と前記誘電性基板を介して前記アンテナから出力された前記電磁波を集束する電磁波集束体と、を有することを要旨とする。

本発明によれば、反射防止構造が表面に形成された誘電性基板をＭＭＩＣ基板に接合しているため、電磁波を効率良く出力することができ、ＭＭＩＣ基板内に生ずる基板共振モードを低減することができる。また、電磁波の２次的放射手段として単なる電磁波集束体を用いているため、その電磁波集束体の材料としてシリコン以外の任意の材料を利用できることから、ＭＭＩＣ集積モジュールの製造コストを低減することができる。

請求項２記載のＭＭＩＣ集積モジュールは、請求項１記載のＭＭＩＣ集積モジュールにおいて、前記電磁波集束体は、前記ＭＭＩＣ集積モジュールの筐体と同一の誘電性材料で一体形成された誘電性平凸レンズであることを要旨とする。

本発明によれば、上記電磁波集束体は誘電性平凸レンズであり、ＭＭＩＣ集積モジュールの筐体と同一の誘電性材料で一体形成されているため、樹脂モールド金型等を用いて一度に製造できることから、ＭＭＩＣ集積モジュールの製造コストを更に低減することができる。

請求項３記載のＭＭＩＣ集積モジュールは、請求項１記載のＭＭＩＣ集積モジュールにおいて、前記電磁波集束体は、誘電性材料で形成され、前記ＭＭＩＣ集積モジュールの筐体の一面を支持する支持枠に接着された誘電性平凸レンズであることを要旨とする。

請求項４記載のＭＭＩＣ集積モジュールは、請求項２又は３に記載のＭＭＩＣ集積モジュールにおいて、前記筐体は、低温同時焼成セラミックス又はプラスチックで形成されていることを要旨とする。

本発明によれば、電磁波を効率良く出力することを実現しつつ、ＭＭＩＣ集積モジュールの製造コストを低減することができる。

実施例１に係るＭＭＩＣ集積モジュールの断面構成図である。シリコン基板の側面図である。シリコン基板の上面図である。実施例２に係るＭＭＩＣ集積モジュールの断面構成図である。従来のＭＭＩＣ集積モジュールの断面構成図である。

本発明は、ＭＭＩＣ基板に接合されたシリコン基板の表面や筐体の内壁に電磁波の反射防止構造を形成し、電磁波の２次的放射手段として任意の誘電性材料で形成された誘電性平凸レンズ等の電磁波集束体を用いることを特徴としている。以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、実施例１に係るＭＭＩＣ集積モジュール１の断面構成図である。同図（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）に示した断面Ａ−Ａ’の上面図である。

ＭＭＩＣ集積モジュール１は、ＬＴＣＣ積層基板１４及び誘電性平凸レンズ１３により筐体が形成され、面接合されたＭＭＩＣ基板１１及びシリコン基板１２を筐体の内部に配置している。以下詳述する。

ＬＴＣＣ積層基板１４は、表面に導体層が形成された誘電体層を積層して形成される。誘電体層の基板厚は数十〜数百ミクロンであり、内部の内空間である長方形キャビティを形成するように誘電体層が積層される。

誘電体層の材料としては、例えば、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics：低温同時焼成セラミックス）、セラミックスやガラスフィラーを混入したセラミックス混合材料、ポリイミド等のポリマー材料が用いられる。このとき、誘電損失が小さい材料が望ましい。尚、セラミックス材料を用いた場合には、積層後に高温又は低温で焼成を行うようにする。

一方、導体層の層厚は数〜数十ミクロンであり、シルクスクリーン印刷やメッキ処理により形成する。導体層の材料としては、例えば、金、銀、タングステン、銅が用いられる。

このような誘電体層には、内側が導体の貫通孔１５が設けられており、導体層と共に、筐体の外部から長方形キャビティの底面までの金属線路として機能する。この金属線路を持つＬＴＣＣ積層基板１４自体が従来の実装基板１４（図５参照）に相当し、その内部には化合物半導体基板による受信チップが配置されている。

また、長方形キャビティの底面を形成している誘電体層の最上表面には、バンプ１６によりＭＭＩＣ基板１１がフリップチップ実装（ワイヤボンディング実装も可）され、これによりＭＭＩＣ基板１１までの導線が確保されている。

ＭＭＩＣ基板１１の表面には、金属線路１１ｂとアンプ１１ｃとアンテナ１１ａとが一方の表面に形成されており、バンプ１６を介して入力された高周波信号が増幅後にアンテナ１１ａから出力される。

シリコン基板１２は、例えば１ｋΩ・ｃｍ以上の高抵抗シリコンを用いて形成され、ＵＶ硬化樹脂等を用いてＭＭＩＣ基板１１に接合されている。また、その接合面の対向表面において、自基板を介してアンテナ１１ａから筐体内部の空気中へ放射される際の電磁波の反射を防止する反射防止構造１００が形成されている。

この反射防止構造１００は、図１（ａ）や図２の側面図に示すような角錐や円錐等の錐体を、電磁波の１／２波長と同程度かそれ以上の間隔で整列して形成する。また、その錐体の高さも、電磁波の１／２波長と同程度かそれ以上として形成する。

錐体の反射防止構造１００を用いることにより、実効的な誘電率が錐体の底面から頂点へ向けてシリコンから空気の誘電率へ徐々に変化するため、シリコン・空気界面での反射を低減することができる。これにより、ＭＭＩＣ基板１１から筐体内部の空気中へ電磁波を効率的に放射することができ、ＭＭＩＣ基板１１内に生ずる基板共振モードを低減することができる。

尚、このような反射防止構造１００の形成方法としては、例えば、機械的な切削や半導体製造に用いるエッチング処理技術を用いることができる。また、図１（ａ）や図２に示したようにシリコン基板１２の周縁を直線のみで形成するのに代えて、図３の上面図に示すようにその周縁に所定の周期で溝を設けてもよい。これにより、ＭＭＩＣ基板１１内に生ずる、シリコン基板１２と水平方向の共振モードを低減することができる。

最後に、誘電性平凸レンズ１３について説明する。長方形キャビティを成すＬＴＣＣ積層基板１４の側壁は、電磁波の出力方向に沿ってステップ状の形状を有し、誘電性平凸レンズ１３は、その最上層のステップ（つまり、筐体の一面を支持している支持枠）に実装される。

この誘電性平凸レンズ１３は、ＵＶ硬化樹脂等によりＬＴＣＣ積層基板１４の上記支持枠に接着され、筐体の内部に放射された電磁波をその外部へ出力する。所定の電磁波において誘電体損失が小さい材料であればよく、例えば、テフロン、ポリエチレン、ポリイミド、石英等を用いて形成される。

また、誘電性平凸レンズ１３の形状は半球状であり、その半径は電磁波の波長の数倍以上であればよい。そのレンズの曲率は所望の放射パターンに合わせて設計される。このとき、アンテナ１１ａの放射パターンの中心軸が誘電性平凸レンズ１３の中心軸と一致するように実装する。特に、光学的に透明な材料をレンズ材料に用いることにより、ＭＭＩＣ基板１１との位置合わせを目視で実施でき、その実装が容易となる。

〔第２の実施の形態〕
図４は、実施例２に係るＭＭＩＣ集積モジュール１の断面構成図である。本実施例では、ＭＭＩＣ集積モジュール１の筐体をＬＴＣＣに代えてプラスチックで形成し、誘電性平凸レンズ１３をプラスチック筐体１７と同一の誘電性材料で一体的に形成している。

例えば、樹脂モールド金型を用いて、プラスチック筐体１７と誘電性平凸レンズ１３をプラスチックで同時に形成する。これにより、それらを一度に製造できることから、ＭＭＩＣ集積モジュール１の製造コストを低減することができる。

また、筐体の外部から長方形キャビティの底面までの金属線路を確保するため、金属線路を実装した実装基板１４を長方形キャビティの底面上にバンプ１６を介してＭＭＩＣ基板１１と導通可能に配置する。この実装基板１４としては、例えば、セラミックス、ＰＣＢ（プリント基板）、ＬＣＰ（液晶ポリマー基板）を用いて形成する。

尚、それ以外については実施例１と同様である。また、プラスチック筺体１７と誘電性平凸レンズ１３を一体形成するのに代えて、プラスチック筺体１７のみを樹脂モールド金型で作製し、実施例１で用いた低誘電率の誘電性平凸レンズ１３を当該プラスチック筺体１７の表面に接着しても構わない。

以上より、各実施例によれば、反射防止構造１００が表面に形成されたシリコン基板１２をＭＭＩＣ基板１１に接合しているので、電磁波を効率良く出力することができ、ＭＭＩＣ基板１１内に生ずる基板共振モードを低減することができる。また、筐体の内部に放射された電磁波の２次的放射手段として、任意の誘電性材料で形成された誘電性平凸レンズの単なる電磁波集束体を用いているので、その電磁波集束体の材料としてシリコン以外の任意の材料を利用できることから、ＭＭＩＣ集積モジュール１の製造コストを低減することができる。

また、実施例２によれば、誘電性平凸レンズ１３を筐体と同一の誘電性材料で一体形成しているので、樹脂モールド金型等を用いて一度に製造できることから、ＭＭＩＣ集積モジュール１の製造コストを更に低減することができる。

実施例１，２では、アンテナ１１ａを送信アンテナとして説明したが、ＭＭＩＣ集積モジュール１の外部からの電磁波を受信する受信アンテナとしても同様のモジュール構成で同様の効果を奏するものである。

１…ＭＭＩＣ集積モジュール
１１…ＭＭＩＣ基板
１１ａ…アンテナ
１１ｂ…金属線路
１１ｃ…アンプ
１２…シリコン基板
１３…誘電性平凸レンズ
１３’…シリコンレンズ
１４…実装基板（ＬＴＣＣ積層基板）
１５…貫通孔
１６…バンプ
１７…プラスチック筐体
１７’…金属筐体
１８…入出力端子
１００…反射防止構造

Claims

電磁波を放射又は受信するアンテナが一方の表面に形成されたＭＭＩＣ基板と、
前記ＭＭＩＣ基板の他方の表面に接合され、前記接合された表面の対向表面において空気と自基板の間の前記電磁波の反射を防止する反射防止構造が形成された誘電性基板と、
前記対向表面に対向して配置され、前記ＭＭＩＣ基板と前記誘電性基板を介して前記アンテナから出力された前記電磁波を集束する電磁波集束体と、
を有することを特徴とするＭＭＩＣ集積モジュール。
前記電磁波集束体は、
前記ＭＭＩＣ集積モジュールの筐体と同一の誘電性材料で一体形成された誘電性平凸レンズであることを特徴とする請求項１記載のＭＭＩＣ集積モジュール。
前記電磁波集束体は、
誘電性材料で形成され、前記ＭＭＩＣ集積モジュールの筐体の一面を支持する支持枠に接着された誘電性平凸レンズであることを特徴とする請求項１記載のＭＭＩＣ集積モジュール。
前記筐体は、
低温同時焼成セラミックス又はプラスチックで形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のＭＭＩＣ集積モジュール。