JP5728101B1 - Ｍｍｉｃ集積回路モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】ＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける導波管マイクロストリップ線路変換器の特性バラツキを低減させる。【解決手段】ＭＭＩＣ集積回路モジュールの誘電体基板１には、段差部８に対向する金属壁９を設ける。段差部８との間の隙間（Ｐ）は、段差部８の高さ（Ｌ）と金属壁９の厚さ（Ｍ）を調整することにより狭くでき、これにより、電磁波を遮断できる。よって、導波管マイクロストリップ線路変換器１０の特性バラツキを低減できる。【選択図】図３
Description
本発明は、ＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける導波管マイクロストリップ線路変換器の特性バラツキを低減させる技術に関する。
図９は、従来のＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける部分的な断面図である。図１０は、図９のＡ−Ａ矢視図である。
従来のＭＭＩＣ集積回路モジュールでは、例えば、誘電体基板１の一方面の側（図では下側）に、金属台座２００から形成した導波管２１が配置される。誘電体基板１には、プローブ４、導体線路５、接地導体６が形成される。誘電体基板１、導体線路５、接地導体６はマイクロストリップ線路を構成する。導波管２１には、図示しないが、図では下側にアンテナ等が接続される。誘電体基板１を覆う金属フタ７には、段差部８と枠部７ａが形成される。枠部７ａと段差部８の間の空間であるバックショート７ｂにより、導波管マイクロストリップ線路変換器が構成される（非特許文献１参照）。
Yi-Chi Shih, Thuy-Nhung Ton, and Long Q.Bui ,"WAVEGUIDE-TO-MICROSTRIP TRANSITIONS FOR MILLIMETER-WAVE APPLICATIONS", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp. 473 - 475, vol.1, MAY 1988.
Lei Xia, Ruimin Xu, Bo Yan, "LTCC-Based Highly Integrated Millimeter-Wave Receiver Front-End Module", Int J Infrared Milli Waves, pp. 975 - 983, vol.27, 2006.
従来のＭＭＩＣ集積回路モジュールでは、誘電体基板１と段差部８の間には隙間（図１０のＱ）があり、金属フタ７の加工精度や誘電体基板１との位置合わせ精度の不足により、隙間が大きくなると、バックショート７ｂからの電磁波が隙間から漏れ、導波管マイクロストリップ線路変換器の特性にバラツキが生じる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける導波管マイクロストリップ線路変換器の特性バラツキを低減させることにある。
上記の課題を解決するために、第１の本発明に係るＭＭＩＣ集積回路モジュールは、外側に突出する凸部が形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の一方面の側に積層され、前記凸部にあわせて開口部が形成された１以上の誘電体層と、前記開口部を囲むように前記誘電体層に設けられる貫通ビアおよび金属層と、前記誘電体基板の他方面に実装されるＭＭＩＣと、前記他方面において、前記凸部に形成される金属層であるプローブと、前記他方面において、前記プローブと前記ＭＭＩＣを接続する金属層である導体線路と、前記一方面において、前記導体線路に対向するように形成される金属層である接地導体と、前記誘電体基板を前記他方面側から覆う金属フタと、前記金属フタから前記誘電体基板側に突出し、前記導体線路と立体的に交わるように設けられる段差部と、前記他方面において、前記導体線路の箇所を除き、前記段差部に対向するように配置される金属壁とを備え、前記金属フタ側と前記段差部側を当該金属フタと当該段差部とで閉じられ、前記誘電体基板側に開口する空間であるバックショートが形成されることを特徴とする。
第２の本発明に係るＭＭＩＣ集積回路モジュールは、開口部と前記開口部に突出する凸部とが形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の一方面の側に積層され、前記凸部にあわせて開口部が形成された１以上の誘電体層と、前記誘電体層の開口部を囲むように前記誘電体層に設けられる貫通ビアおよび金属層と、前記誘電体基板の他方面に実装されるＭＭＩＣと、前記他方面において、前記凸部に形成される金属層であるプローブと、前記他方面において、前記プローブと前記ＭＭＩＣを接続する金属層である導体線路と、前記一方面において、前記導体線路に対向するように形成される金属層である接地導体と、前記誘電体基板を前記他方面側から覆う金属フタと、前記金属フタから前記誘電体基板側に突出し、前記誘電体基板の開口部を囲むように形成される段差部と、前記他方面において、前記導体線路の箇所を除き、前記段差部に対向するように配置される金属壁とを備え、前記金属フタ側と前記段差部側を当該金属フタと当該段差部とで閉じられ、前記誘電体基板側に開口する空間であるバックショートが形成されることを特徴とする。
本発明によれば、ＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける導波管マイクロストリップ線路変換器の特性バラツキを低減できる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施形態に係るＭＭＩＣ集積回路モジュールの断面図である。図２は、図１のＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける部分的な断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ矢視図である。図４は、図２のＢ−Ｂ矢視図である。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施形態に係るＭＭＩＣ集積回路モジュールの断面図である。図２は、図１のＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける部分的な断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ矢視図である。図４は、図２のＢ−Ｂ矢視図である。
ＭＭＩＣ集積回路モジュールは、外側に突出する凸部１ａが形成された誘電体基板１と、誘電体基板１の一方面の側（図では下側）に積層され、凸部１ａにあわせて開口部２ａが形成された複数（図では３層）の誘電体層２と、開口部２ａを囲むように誘電体層２に設けられる貫通ビア２ｂおよび金属層２ｃと、誘電体基板１の他方面（図では上側の面）に実装されるＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路：monolithic microwave integrated circuit）３と、誘電体基板１の他方面（図では上側の面）において、凸部１ａに形成される金属層であるプローブ４と、誘電体基板１の他方面（図では上側の面）において、プローブ４とＭＭＩＣ３を接続する金属層である導体線路５と、誘電体基板１の一方面（図では下側の面）において、導体線路５に対向するように形成される金属層である接地導体６と、誘電体基板１を他方面側（図では上側）から覆う金属フタ７と、金属フタ７から誘電体基板１側に突出し、導体線路５と立体的に交わるように設けられる段差部８と、誘電体基板１の他方面（図では上側の面）において、導体線路５の箇所を除き、段差部８に対向するように配置される金属壁９とを備えることを特徴とする。
例えば、３層の誘電体層２の下には、更に２層の誘電体層２が積層される。また、誘電体基板１の他方面の側（図では上側）にも、金属フタ７の部分を除き、誘電体層２（図では４層）が積層される。金属フタ７が配置される空間をキャビティという。キャビティは例えば、長方形である。
誘電体基板１の材料は、例えば、比誘電率が４以下のポリイミド等のポリマー材料、石英、液晶ポリマーなどである。比誘電率の低い誘電体基板１を用いることで広帯域化が可能となる。誘電体基板１の厚さは、例えば、２５μｍ（ミクロン）である。
誘電体層２の材料は、例えば，セラミックス材料の一種であるＬＴＣＣ（Low Temperature Confired Ceramics）である。誘電体層２の厚さは数十〜数百μｍである。なお、材料は、ＬＴＣＣの他に、セラミックス、セラミックスと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でもよく、誘電損失が小さい材料が望ましい。なお，セラミックス材料を使用する場合は、積層後に高温で焼成を行う。
ＭＭＩＣ３は、例えば、化合物半導体基板で構成される受信チップを備えるものであり、キャビティにおいて、誘電体基板１上にバンプを介してフリップチップ実装される。金属フタ７の枠部７ａは、キャビティの外側の誘電体層２に密着し、こうして、ＭＭＩＣ３は封止される。なお、ＭＭＩＣ３は、誘電体基板１にワイヤボンディングで実装してもよい。
誘電体基板１には、導体線路５や接地導体６以外にも、配線パターンや貫通ビアが形成される。また、誘電体層２には、貫通ビア２ｂや金属層２ｃ以外にも、配線パターンや貫通ビアが形成される。また、最上層の誘電体層２には、貫通ビアに導通するように半田バンプ２３が形成される。
誘電体基板１の導体線路５、接地導体６および配線パターンの材料は、銅などであり、エッチングにより形成され、表面が金メッキなどで処理される。厚さは、１５μｍ程度である。
誘電体層２の金属層２ｃおよび配線パターンの材料は、金、銀、タングステン、銅などであり、厚さは数〜数十μｍであり、シルクスクリーン印刷やメッキ処理により形成される。
また、基板３０には、データコネクタ３１が取り付けられ、その電極３１ａが半田バンプ２３に導通する。
これにより、データコネクタ３１の信号線３１ｂは、誘電体層２と誘電体基板１の配線パターンや貫通ビア、ＭＭＩＣ３と誘電体基板１の間のバンプを介して、ＭＭＩＣ３内の配線パターンに電気的に接続される。この電気配線を介してＭＭＩＣ３と外部とで信号が送受信される。
また、基板３０には、ＤＣピン３２が取り付けられ、ＤＣピン３２が基板３０上の配線パターンを介して、半田バンプ２３に導通する。
これにより、ＤＣピン３２は、誘電体層２と誘電体基板１の配線パターンや貫通ビア、ＭＭＩＣ３と誘電体基板１の間のバンプを介して、ＭＭＩＣ３内の電源パターンに電気的に接続される。この電気配線を介して、ＭＭＩＣ３に外部から電力が供給される。
誘電体基板１の下の３層の誘電体層２においては、開口部２ａの面積が等しく、これらの誘電体層２における貫通ビア２ｂおよび金属層２ｃが擬似的に金属の壁を形成し、すなわち、導波管２１が構成される。なお、導波管２１を構成する誘電体層２は１層、２層または４層以上でもよい。
貫通ビア２ｂの直径は、例えば、１００μｍである。貫通ビア２ｂの間隔（図２：Ｄ）は、例えば、用いる電磁波の波長の１／４以下に設定される。すなわち、周波数３００ＧＨｚでは、２５０μｍ以下である。
導波管２１のサイズは、所定の導波管にあわせて設定され、例えば、８００μｍ（図２；Ｅ）×４００μｍ（図２：Ｆ）である。また、導波管２１の長さ（図では、３層の誘電体層２の合計厚）は、例えば、３００μｍである。
また、２層の誘電体層２においては、開口部２ａの面積が段階的に大きくなり、これらの誘電体層２における金属層２ｃが擬似的にホーンアンテナ２２を構成する。なお、ホーンアンテナ２２はレンズ等に代えてもよい。
導波管２１、ホーンアンテナ２２は、誘電体層２と誘電体基板１の配線パターンや貫通ビア、ＭＭＩＣ３と誘電体基板１の間のバンプを介して、ＭＭＩＣ３のグランド電位配線に接続される。よって、導波管２１等は、ＭＭＩＣ３のグランド電位と同じになる。
誘電体基板１を導体線路５と接地導体６とで挟むことで、マイクロストリップ線路が形成される。
符号５ａは、インピーダンス整合部であり、プローブ４とマイクロストリップ線路のインピーダンスを整合させ、反射損失を低減する。インピーダンス整合部５ａとしては、例えば、線路の幅を異ならせたλ/4整合線路を用いる。
プローブ４は、導波管２１を平面視した場合の長辺方向で中央に位置する。プローブ４の幅（図２：Ｇ）は、例えば、５０μｍである。誘電体基板１の基板端１ｃは、導波管２１の端２１ａ（長辺）と揃えて実装する。このような方法により、凸部１ａの長さでプローブ４の長さを規定でき、また、実装が容易となる。
凸部１ａは、プローブ４のインピーダンスを低減すべく、例えば、誘電体基板１の原型となる基板から、型抜きや、レーザを用いた基板カットにより形成される。
凸部１ａの幅（図２：Ｈ）は、例えば、１００μｍで、長さ（図２：Ｉ）は、例えば、２００μｍである。
凸部１ａを設けたことにより、ＭＭＩＣ３を実装する領域のサイズは自由に選択できるので、ＭＭＩＣ３のサイズを自由に選択できる。
金属フタ７の枠部７ａと段差部８の間の空間であるバックショート７ｂ、バックショート７ｂに位置する凸部１ａおよびプローブ４は、導波管マイクロストリップ線路変換器１０を形成する。導波管マイクロストリップ線路変換器１０は、ホーンアンテナ２２等で受信されて導波管２１を伝導した電磁波をマイクロストリップ線路へ伝達し、また、導波管２１側とマイクロストリップ線路側のインピーダンスを整合させる
バックショート７ｂは、金属フタ７から切削により枠部７ａと段差部８を形成することで構成される。バックショート７ｂのサイズは、所定の導波管にあわせて設定され、例えば、８００μｍ（図２：Ｅ）×４００μｍ（図２：Ｆ）である。バックショート７ｂの高さ（図３：Ｊ）は、例えば、波長の１／４程度であり、例えば、３００μｍである。
バックショート７ｂは、金属フタ７から切削により枠部７ａと段差部８を形成することで構成される。バックショート７ｂのサイズは、所定の導波管にあわせて設定され、例えば、８００μｍ（図２：Ｅ）×４００μｍ（図２：Ｆ）である。バックショート７ｂの高さ（図３：Ｊ）は、例えば、波長の１／４程度であり、例えば、３００μｍである。
バックショート７ｂの高さ（図３：Ｊ）は、導波管２１とマイクロストリップ線路のインピーダンス整合のために調整される。また、導波管２１のインピーダンスを調整することによっても、導波管２１とマイクロストリップ線路のインピーダンスを整合させることができる。
導波管２１のインピーダンスは、導波管２１を構成する誘電体層２の層端から貫通ビア２ｂまでの距離（図２：Ｋ）に依存する。しかし、距離（Ｋ）が短いと、誘電体層２が破ける可能性があるので、そうならない範囲でインピーダンスを調整するのが好ましい。
枠部７ａと段差部８は、バックショート７ｂをＭＭＩＣ３の格納領域から電磁的に遮断するためのもので、枠部７ａの高さ（図３：Ｊ）は、例えば、３００μｍであり、段差部８の高さ（図３：Ｌ）は、例えば、２００μｍである。
金属壁９は、誘電体基板１の配線パターンに対し、更にメッキを行うことにより、形成される。金属壁９の厚さ（図３：Ｍ）は、３０μｍ程度である。
マイクロストリップ線路（５、６）と金属壁９の距離（図２：Ｎ）は、１００μｍ程度である。金属壁９は、マイクロストリップ線路（５、６）を平面視した場合、これを挟んで、両側に配置される。
段差部８と金属壁９の間の隙間（図３：Ｐ）は、段差部８の高さ（Ｌ）と金属壁９の厚さ（Ｍ）を調整することにより狭くでき、これにより、電磁波を遮断できる。よって、導波管マイクロストリップ線路変換器１０の特性バラツキを低減できる。
また、金属壁９を設けることで、金属フタ７がｙ方向に多少ずれても、電磁波の漏れを少なくでき、導波管マイクロストリップ線路変換器１０の特性バラツキを低減できる。
金属壁９は、誘電体基板１に設けられる貫通ビア１ｂを介して金属層２ｃに導通し、金属層２ｃはＭＭＩＣ３のグランド電位配線に接続される。よって、金属壁９は、ＭＭＩＣ３のグランド電位と同じになる。
貫通ビア１ｂは、誘電体基板１の基板端１ｃに沿って、例えば、波長の１／４の間隔で設けられる。
また、金属フタ７の枠部７ａが、キャビティの外側の誘電体層２に密着し、こうして、ＭＭＩＣ３を封止することで、実装誤差を低減できる。
また、金属フタ７の段差部８の高さ（Ｌ）と枠部７ａの高さ（Ｊ）を調整し、段差部８がキャビティの外側の金属壁９に密着し、こうして、ＭＭＩＣ３を封止することでも、実装誤差を低減できる。
図５は、第１の実施形態における導波管マイクロストリップ線路変換器の３００ＧＨｚ帯におけるＳパラメータ特性を示す図である。
挿入損失Ｓ１は、３３０ＧＨｚまで平坦な帯域を有する。反射特性Ｓ２は、１５ｄＢ帯域で４０ＧＨｚ以上の帯域を有し、良好な周波数特性を示している
［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施形態に係るＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける部分的な断面図である。図７は、図６のＡ−Ａ矢視図である。図８は、図６のＢ−Ｂ矢視図である。
［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施形態に係るＭＭＩＣ集積回路モジュールにおける部分的な断面図である。図７は、図６のＡ−Ａ矢視図である。図８は、図６のＢ−Ｂ矢視図である。
このＭＭＩＣ集積回路モジュールは、図３の隙間（Ｐ）を無くし、バックショート７ｂからの電磁波を確実に遮断するものである。以下、第１の実施の形態に係るＭＭＩＣ集積回路モジュールとの違いを説明する。
誘電体基板１には、開口部１ｄが形成され、凸部１ａは、開口部１ｄに突出する。また、段差部８は、誘電体基板１を平面視した場合、誘電体基板１の開口部１ｄを囲むように形成される。また、金属壁９は、誘電体基板１の開口部１ｄを囲むように形成された段差部８に対向するように配置される。
金属壁９は、このように配置されるので、第１の実施形態のように、段差部８の厚さと異なる高さの枠部７ａを設ける必要がない。よって、段差部８を例えば、同一の切削工程で形成でき、均一の厚さにできる。したがって、金属壁９と段差部８を密着でき、つまり、図３の隙間（Ｐ）を無くすことができ、電磁波の漏れを確実に防止できる。また、金属壁９と段差部８が接することで、両者を同電位（グランド電位）にできる。また、切削工程が少なく、金属フタ７を単純な構造にできるので、低コスト化が可能となる。
１…誘電体基板
１ａ…凸部
１ｂ、２ｂ…貫通ビア
１ｃ…基板端
１ｄ…開口部
２…誘電体層
２ａ…開口部
２ｃ…金属層
３…ＭＭＩＣ
４…プローブ
５…導体線路
６…接地導体
７…金属フタ
７ａ…枠部
７ｂ…バックショート
８…段差部
９…金属壁
１０…導波管マイクロストリップ線路変換器
２１…導波管
２１ａ…導波管の端
２２…ホーンアンテナ
１ａ…凸部
１ｂ、２ｂ…貫通ビア
１ｃ…基板端
１ｄ…開口部
２…誘電体層
２ａ…開口部
２ｃ…金属層
３…ＭＭＩＣ
４…プローブ
５…導体線路
６…接地導体
７…金属フタ
７ａ…枠部
７ｂ…バックショート
８…段差部
９…金属壁
１０…導波管マイクロストリップ線路変換器
２１…導波管
２１ａ…導波管の端
２２…ホーンアンテナ
Claims (2)
- 外側に突出する凸部が形成された誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方面の側に積層され、前記凸部にあわせて開口部が形成された１以上の誘電体層と、
前記開口部を囲むように前記誘電体層に設けられる貫通ビアおよび金属層と、
前記誘電体基板の他方面に実装されるＭＭＩＣと、
前記他方面において、前記凸部に形成される金属層であるプローブと、
前記他方面において、前記プローブと前記ＭＭＩＣを接続する金属層である導体線路と、
前記一方面において、前記導体線路に対向するように形成される金属層である接地導体と、
前記誘電体基板を前記他方面側から覆う金属フタと、
前記金属フタから前記誘電体基板側に突出し、前記導体線路と立体的に交わるように設けられる段差部と、
前記他方面において、前記導体線路の箇所を除き、前記段差部に対向するように配置される金属壁と
を備え、
前記金属フタ側と前記段差部側を当該金属フタと当該段差部とで閉じられ、前記誘電体基板側に開口する空間であるバックショートが形成される
ことを特徴とするＭＭＩＣ集積回路モジュール。 - 開口部と前記開口部に突出する凸部とが形成された誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方面の側に積層され、前記凸部にあわせて開口部が形成された１以上の誘電体層と、
前記誘電体層の開口部を囲むように前記誘電体層に設けられる貫通ビアおよび金属層と、
前記誘電体基板の他方面に実装されるＭＭＩＣと、
前記他方面において、前記凸部に形成される金属層であるプローブと、
前記他方面において、前記プローブと前記ＭＭＩＣを接続する金属層である導体線路と、
前記一方面において、前記導体線路に対向するように形成される金属層である接地導体と、
前記誘電体基板を前記他方面側から覆う金属フタと、
前記金属フタから前記誘電体基板側に突出し、前記誘電体基板の開口部を囲むように形成される段差部と、
前記他方面において、前記導体線路の箇所を除き、前記段差部に対向するように配置される金属壁と
を備え、
前記金属フタ側と前記段差部側を当該金属フタと当該段差部とで閉じられ、前記誘電体基板側に開口する空間であるバックショートが形成される
ことを特徴とするＭＭＩＣ集積回路モジュール。
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2014
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