JP5559901B1 - Mmic集積モジュール - Google Patents
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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
【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)。
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。
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。
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。
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
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 (4)
- 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。
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