JP5949503B2 - 高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、多層基板にノイズ発生源となる高周波回路が構成された高周波モジュールに関するものである。

電子機器の小型化のため、電子機器内の回路基板に部品を如何に高密度に実装するかは常に技術的な課題とされる。高密度化の手段として、回路基板に実装する部品をモジュール化することは有効である。

回路パターンを内蔵した多層基板は電子機器の小型化に応えるように携帯機器など様々な分野で用いられている。このような多層基板の表面にはコンデンサやフィルタなどの小型チップ受動部品のほか、半導体プロセスで形成されるＩＣなども実装される。これらの部品のグランドは層間パターンなどを用いて、多層基板に形成された直近のグランドパターンに繋げることがグランド接合部において発生するインダクタンス成分の抑制につながるため、好ましいとされていた（特許文献１参照）。

特開２００１−１５８８５号公報

近年、ＩＣの開発も進み、１チップのＩＣ内にアナログ回路部とデジタル回路部の両方を含むようなＩＣも用いられるようになっている。このようなＩＣを用いることで実装部品点数が削減され、電子機器の小型化が期待されているが、一方、このようなアナログ回路とデジタル回路を１チップ化したようなＩＣにおいては発振回路部から発生するノイズの低減が課題となっていた。

ノイズ発生源の近傍にグランドパターンを配置することはノイズを遮蔽するために有効である。しかし、そのグランドパターンにノイズが誘起されてグランドパターンを伝搬するノイズがフィルタのグランド電位に重畳され、フィルタ本来の機能を果たさなくなる問題が生じる場合がある。そこで、ノイズ発生源と結合するグランド部分とフィルタのグランドとを分離することが有効である。

ところが、モジュールの小型化に伴い、フィルタのグランドパターンとその他の回路のグランドパターンとの間の距離が近くなると、このグランドパターン間から空間ノイズが外部へ輻射（漏洩）される懸念がある。

そこで、本発明の目的は、フィルタのグランドパターンとその他の回路のグランドパターンとの間から空間ノイズが輻射されるのを抑制した高周波モジュールを提供することにある。

本発明の高周波モジュールは次のように構成される。

（１）複数の基材層を積層してなる多層基板と、
前記多層基板に搭載または内蔵され、通過帯域を制御する高周波フィルタと、
前記多層基板内に形成され、前記高周波フィルタのグランド端子が接続されるフィルタグランドパターンと、
前記多層基板に内蔵されるまたは表面に配置される、ノイズ発生源となる高周波回路と、を備える高周波モジュールにおいて、
前記高周波回路のグランドパターンは前記フィルタグランドパターンとは所定の間隙を介して前記多層基板内に形成されていて、
前記高周波フィルタは、前記多層基板の基材より誘電率の高い材質からなる素体を有し、
前記高周波フィルタは、前記フィルタグランドパターンと前記高周波回路のグランドパターンとの間隙の少なくとも一部を跨ぐように配置されていることを特徴とする。

この構成により、フィルタグランドパターンと高周波回路のグランドパターンとの間隙から輻射されようとする空間ノイズは高周波フィルタの誘電体基材で遮蔽（反射）され、空間ノイズの外部への漏洩が抑制される。

（２）前記高周波フィルタは前記間隙のうち間隙距離が最も小さくなる領域を跨ぐように配置されていることが好ましい。この構造により、高周波フィルタによる遮蔽効果が高まる。

（３）前記基材層は液晶ポリマーからならことが好ましい。このことにより、低誘電率低誘電損による効果で、高周波の主要信号を低損失で伝達させることができる。また、多層基板の誘電率と高周波フィルタの基材の誘電率とのコントラストが高くなり、高周波フィルタの誘電体基材による遮蔽効果が高まる。

（４）前記フィルタグランドパターンおよび前記グランドパターンは前記多層基板に形成された実装用の端子電極に対して独立して接続されていることが好ましい。この構造により、高周波回路のグランドと高周波フィルタのグランドとの経路が長くなって、高周波回路のグランドパターンから高周波フィルタのグランドへのノイズの重畳がより抑制される。

本発明によれば、フィルタグランドパターンと高周波回路のグランドパターンとの間隙から輻射されようとする空間ノイズは高周波フィルタの誘電体基材で遮蔽（反射）され、空間ノイズの外部への漏洩が抑制される。

図１は第１の実施形態に係る高周波モジュール１０１の構造を示す断面図である。 図２は高周波モジュール１０１に構成される回路のブロック図である。 図３は第２の実施形態に係る高周波モジュール１０２の構造を示す断面図である。 図４は高周波フィルタ２１を通る面での部分断面図である。 図５は多層基板を構成する各層に形成されている導体パターンを示す図である。 図６は、多層基板１０内に埋設されるＩＣチップ２０の断面図である。 図７は高周波モジュール１０２の製造工程を示す図である。 図８は第３の実施形態に係る高周波モジュール１０３の構造を示す断面図である。

《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態に係る高周波モジュール１０１の構造を示す断面図である。この高周波モジュール１０１は、絶縁性基材層１ａ〜１ｄの積層により形成される多層基板１０に構成されている。

多層基板１０の下面には実装用端子２ａ，２ｂ等が形成されている。多層基板１０の上面には部品実装用電極２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｍ等が形成されている。多層基板１０内には平面状に広がるグランドパターン２ｄ，２ｇ、その他の導体パターン２ｅ，２ｆ，２ｈ等が形成されている。また、多層基板１０には層間接続導体（ビア導体）３ａ〜３ｈ等が形成されている。

多層基板１０の上面にはＩＣチップ２０や高周波フィルタ２１が搭載されている。ＩＣチップ２０はノイズ発生源ＮＳを含む部品である。高周波フィルタ２１は高誘電率材料の基体に電極が形成されたものである。

ＩＣチップ２０のグランド端子は、部品実装用電極２ｍおよび層間接続導体３ｇを介してグランドパターン２ｇに接続されている。グランドパターン２ｇは層間接続導体３ｆ，３ｄおよび導体パターン２ｆを介してグランドパターン２ｄに接続されている。一方、高周波フィルタ２１のグランド端子は、部品実装用電極２ｋ、層間接続導体３ｈ，３ｅ，３ｃ、および導体パターン２ｈ，２ｅを介してグランドパターン２ｄに接続されている。導体パターン２ｈは本発明に係る「フィルタグランドパターン」に相当する。そしてグランドパターン２ｄは層間接続導体３ａ，３ｂを介して実装用端子２ａ，２ｂに接続されている。このように、高周波フィルタのグランド端子が接続される導体パターン（フィルタグランドパターン）２ｈは、ＩＣチップ２０のグランド端子が接続されるグランドパターン２ｇとは分離されている。

図２は高周波モジュール１０１に構成される回路のブロック図である。高周波モジュール１０１はＩＣチップ２０、高周波フィルタ２１およびシリアルデータ入出力コントローラ２３を備えている。ＩＣチップ２０には、平衡・不平衡変換回路２０ｂ、アナログフロントエンド回路２０ｃ、ベースバンド回路２０ｄ、制御回路２０ｅおよび発振回路２０ａが構成されている。ここで、アナログフロントエンド回路２０ｃは通信プロトコルにおけるフィジカル層の高周波回路部、ベースバンド回路２０ｄは通信プロトコルにおけるフィジカル層のベースバンド回路部である。

発振回路２０ａには、多層基板に実装される水晶発振子２２が接続され、発振するとともに、ＰＬＬ回路によって所定周波数の高周波信号およびクロック信号を発生する。この発振回路２０ａが上記ノイズ発生源ＮＳに相当する。ノイズ発生源ＮＳとしては、発振回路以外に分周回路等も挙げられる。

説明を図１に戻すと、ＩＣチップ２０のノイズ発生源ＮＳによって発生される電磁界によってグランドパターン２ｇにノイズが誘導される。このグランドパターン２ｇは、高周波フィルタのグランド端子が接続される導体パターン（フィルタグランドパターン）２ｈとは分離されているので、このグランドパターン２ｇと導体パターン２ｈとは電位差を持ち、グランドパターン２ｇと導体パターン２ｈとの間隙がスロットアンテナのように作用する。すなわち、この間隙がノイズ放射源ＮＲとなって、ノイズが電磁波として放射される。しかし、高周波フィルタ２１の基体は多層基板１０の基材層の誘電率より高い誘電率を有するので、ノイズ放射源ＮＲから放射される電磁波は高周波フィルタ２１の誘電体基体で反射し、高周波モジュール１０１の外部へは殆ど放射（輻射）されない。

高周波フィルタ２１はグランドパターン２ｇと導体パターン２ｈとの間隙のうち間隙距離が最も小さくなる領域を跨ぐように配置されていることが好ましい。そのことにより、高周波フィルタによる遮蔽効果が高まる。

高周波フィルタ２１の誘電体基体は比誘電率が１５以上の高誘電体セラミックである。例えば、誘電体基体はアルミナ、シリカ、バリウムおよびガラス材料等の高誘電率誘電体からなる。一方、多層基板の基材は例えば比誘電率が５未満の低誘電率樹脂である。例えば比誘電率≒３の液晶ポリマーである。液晶ポリマーを基材とすることにより、低誘電率低誘電損による効果で、高周波の主要信号を低損失で伝達させることができる。また、多層基板の誘電率と高周波フィルタの基材の誘電率とのコントラストが高くなり、高周波フィルタの誘電体基材による遮蔽効果が高まる。

《第２の実施形態》
図３は第２の実施形態に係る高周波モジュール１０２の構造を示す断面図である。この高周波モジュール１０２は、絶縁性基材層１ａ〜１ｆの積層により形成される多層基板１０に構成されている。

多層基板１０の下面には実装用端子２ａ，２ｂ等が形成されている。多層基板１０の上面には部品実装用電極２ｋ等が形成されている。多層基板１０内には平面状に広がるグランドパターン２ｃ，２ｄ，２ｇ、その他の導体パターン２ｅ，２ｆ，２ｎ，２ｈ，２ｐ等が形成されている。また、多層基板１０には層間接続導体（ビア導体）３ａ〜３ｈ，３ｄ１，３ｄ２等が形成されている。

多層基板１０の上面には高周波フィルタ２１が搭載されている。この高周波フィルタ２１は高誘電率材料の基体に電極が形成されたものであり、誘電体基体の誘電率は多層基板１０の基材層の誘電率より高い誘電率を有する。

多層基板１０の内部にはキャビティ４が形成されていて、キャビティ４内にＩＣチップ２０が配置（埋設）されている。このＩＣチップ２０はノイズ発生源ＮＳを含む部品である。

図４は上記高周波フィルタ２１を通る面での部分断面図である。但し、図１に示した断面とは直交する面での断面図である。高周波フィルタ２１は、誘電体基体、この誘電体基体に形成された共振電極および端子電極を備えたバンドパスフィルタである。図４においては、高周波フィルタ２１は信号入出力端子Ｓ１，Ｓ２およびグランド端子Ｇを備えている。

図５は前記多層基板を構成する各層に形成されている導体パターンを示す図である。これらの図は、いずれも絶縁性基材層（以下、単に「基材層」）についての上面図である。図３は図５におけるＡ−Ａ断面である。また、図４は図５におけるＣ−Ｃ断面である。

図５において、基材層１ｆは最上層であり、この基材層１ｆには高周波フィルタ２１搭載用の電極が形成されている。基材層１ｅの上面にはグランドパターン２ｇ、内部には層間接続導体３ｎ等が形成されている。基材層１ｄにはキャビティ４（開口）が形成されている。この基材層１ｄの上面には導体パターン２ｐ，２ｎ等が形成されている。基材層１ｃの下面にはグランドパターン２ｄ等が形成されていて、内部に層間接続導体３ｅ，３ｆ等が形成されている。基材層１ｂの下面にはグランドパターン２ｃが形成されていて、内部に層間接続導体３ｄ１，３ｄ２等が形成されている。基材層１ａの下面には複数の実装用端子が形成されていて、内部に層間接続導体３ａ，３ｂ等が形成されている。

図６は、多層基板１０内に埋設されるＩＣチップ２０の断面図である。ＩＣチップ２０のサブストレートＳＵの表面（図６の向きでは下面側）の回路形成層ＣＲに所定の高周波回路が構成されている。この回路形成層ＣＲの表面に再配線層ＲＷが形成されていて、この再配線層ＲＷの表面に電極パッドＰＤが露出されている。多層基板１０のキャビティ４の内面に露出している層間接続導体と電気的に接続される。

以上に示したように、２つのグランドパターン２ｄ，２ｇはキャビティ４（ノイズ発生源ＮＳ）を層方向に挟むように形成されているので、これらグランドパターン２ｄ，２ｇはノイズ発生源ＮＳのシールド板として作用する。

第１の実施形態の場合と同様に、ＩＣチップ２０のノイズ発生源ＮＳによって発生される電磁界によってグランドパターン２ｇにノイズが誘導され、グランドパターン２ｇと導体パターン２ｈとの間隙がノイズ放射源ＮＲとして作用する。しかし、やはり第１の実施形態の場合と同様に、導体パターン２ｈの上部には高周波フィルタ２１が存在するので、ノイズ放射源ＮＲから放射される電磁波は高周波フィルタ２１の誘電体基体で反射し、高周波モジュール１０２の外部へは殆ど放射（輻射）されない。

図７は前記高周波モジュール１０２の製造工程を示す図である。図７において（１）〜（４）は各過程での断面図である。これらは図５に示したＢ−Ｂ断面に相当する。

樹脂層に形成される配線パターンは、例えば樹脂シートに貼付された銅箔をエッチングにより除去することで形成される。層間接続導体は、樹脂シートにビアホールを形成し、形成されたビアホールに導電ペーストを注入し、一括積層時に加熱固化することで形成される。すなわち、この層間接続導体で樹脂シートの銅箔間の導通が確保される。

図７において（１）に示すように、開口が形成された基材層１ｄと開口の無い基材層１ａ，１ｂ，１ｃとの積層体によってキャビティ４が形成され、そのキャビティ４内にＩＣチップ２０が設置され、その後、（２）に示すように基材層１ｅ，１ｆによる積層体が被せられる。続いて、（３）に示すように加熱加圧する。その後、（４）に示すように、高周波フィルタ２１等の部品を多層基板１０に表面実装する。

以上のようにして高周波モジュール１０２が構成される。この高周波モジュール１０２は実装基板に表面実装される。

この実施形態で示したように、ノイズ発生源を含むＩＣチップを多層基板に内蔵することによりモジュールを小型化できるが、グランドパターン間距離が短くなるため、空間的にノイズの出口が限定されやすく、空間ノイズは発生しやすくなる。したがって、ノイズ発生源を含むＩＣチップを多層基板に内蔵されている高周波モジュールにおいて本発明は特に有効である。

《第３の実施形態》
図８は第３の実施形態に係る高周波モジュール１０３の構造を示す断面図である。この高周波モジュール１０３は、絶縁性基材層１ａ〜１ｄの積層により形成される多層基板１０に構成されている。図１に示した例と異なり、フィルタグランドパターン２ｈおよびグランドパターン２ｇは実装用の端子電極２ａ，２ｂに対して独立して接続されている。この構造により、高周波回路のグランドと高周波フィルタ２１のグランドとの経路が長くなって、高周波回路のグランドパターンから高周波フィルタ２１のグランドへのノイズの重畳がより抑制される。

なお、以上に示した各実施形態では、高周波フィルタを多層基板の上面に搭載した例を示したが、高周波フィルタは多層基板に内蔵してもよい。その場合でも、高周波フィルタは、フィルタグランドパターンと高周波回路のグランドパターンとの間隙の少なくとも一部を跨ぐように配置されていればよい。

また、以上に示した各実施形態では、樹脂シートにビアホールを形成し、形成されたビアホールに導電ペーストを注入し、一括積層時に加熱固化することで層間接続導体が形成される例を示したが、金属リベットを用いる構造や、スルーホールを形成し、その内面をめっきする構造であってもよい。また、予め絶縁層内に埋め込まれた導電性バンプにより層間接続を行なう構造であってもよい。例えば、銅箔上に銀ペーストを印刷し、円錐状の突起物（バンプ）を形成し、プリプレグを貫通させ、対向する銅箔と積層プレスすることにより層間接続を行なってもよい。

ＣＲ…回路形成層
ＮＲ…ノイズ放射源
ＮＳ…ノイズ発生源
ＰＤ…電極パッド
ＲＷ…再配線層
ＳＵ…サブストレート
１ａ〜１ｆ…絶縁性基材層
２ａ，２ｂ…実装用端子
２ｃ，２ｄ，２ｇ…グランドパターン
２ｅ，２ｆ，２ｈ，２ｎ，２ｐ…導体パターン
２ｈ…フィルタグランドパターン
２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｍ…部品実装用電極
３ａ〜３ｈ，３ｄ１，３ｄ２…層間接続導体
４…キャビティ
１０…多層基板
２０…ＩＣチップ
２０ａ…発振回路
２０ｂ…不平衡変換回路
２０ｃ…アナログフロントエンド回路
２０ｄ…ベースバンド回路
２０ｅ…制御回路
２１…高周波フィルタ
２２…水晶発振子
２３…シリアルデータ入出力コントローラ
１０１，１０２…高周波モジュール

Claims (4)

1. 複数の基材層を積層してなる多層基板と、
   前記多層基板に搭載または内蔵され、通過帯域を制御する高周波フィルタと、
   前記多層基板内に形成され、前記高周波フィルタのグランド端子が接続されるフィルタグランドパターンと、
   前記多層基板に内蔵されるまたは表面に配置される、ノイズ発生源となる高周波回路と、を備える高周波モジュールにおいて、
   前記高周波回路のグランドパターンと前記フィルタグランドパターンとは所定の間隙を介して前記多層基板内に形成されていて、
   前記高周波フィルタは、前記多層基板の基材より誘電率の高い材質からなる素体を有し、
   前記高周波フィルタは、前記フィルタグランドパターンと前記高周波回路のグランドパターンとの間隙の少なくとも一部を跨ぐように配置されていることを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記高周波フィルタは前記間隙のうち間隙距離が最も小さくなる領域を跨ぐように配置される、請求項１に記載の高周波モジュール。
3. 前記基材層は液晶ポリマーからなる、請求項１または２に記載の高周波モジュール。
4. 前記フィルタグランドパターンおよび前記グランドパターンは前記多層基板に形成された実装用の端子電極に対して独立して接続されている、請求項１〜３のいずれかに記載の高周波モジュール。

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