JPH114118A - アンテナ素子を内蔵する半導体モジュール - Google Patents

アンテナ素子を内蔵する半導体モジュール

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JPH114118A JP9156949A JP15694997A JPH114118A JP H114118 A JPH114118 A JP H114118A JP 9156949 A JP9156949 A JP 9156949A JP 15694997 A JP15694997 A JP 15694997A JP H114118 A JPH114118 A JP H114118A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上にアンテナ素子とミリ波用半導体回路
を隣接して形成し、アンテナ素子に対向する部分のみ電
磁放射窓の導電性の封止カバーで気密封止するモジュー
ルにおいて、電波の指向性を任意に設定できるようにす
る。 【解決手段】 基板21と、基板上に形成されたアンテナ
素子25と、アンテナ素子に接続されるように、基板上の
前記アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミ
リ波の信号を駆動処理する半導体回路26と、アンテナ素
子と半導体回路を気密封止するように基板21に取り付け
られる導電性の気密封止手段23と、気密封止手段のアン
テナ素子に対向する領域に設けられた非導電性の電波放
射窓とを備えるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュー
ルにおいて、電波放射窓をレンズ41とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アンテナ素子を内
蔵する半導体モジュールに関し、特に３０ＧＨｚから３
００ＧＨｚのミリ波周波数領域、及びそれよりやや低い
準ミリ波周波数領域に適するアンテナ素子を内蔵する半
導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車のレーダセンサやＬＡＮなどの短
距離高速通信用にミリ波（３０ＧＨｚから３００ＧＨ
ｚ）を使用した送信および受信装置が必要とされるよう
になってきた。このようなレーダ用ミリ波の送信装置で
は、ミリ波を発生する信号源となる半導体デバイス（半
導体回路）、ミリ波に情報信号を搬送させるミクサ半導
体デバイス、及びミリ波を発信するアンテナ等が備わっ
ている。また、受信装置では、ミリ波受信アンテナ、受
信したミリ波信号を増幅する半導体増幅デバイス、及び
情報信号を取り出すミクサ半導体デバイスなどが使用さ
れる。図１は、ミリ波の送信装置における基本的な回路
構成を示す図である。入力端子１０に中間周波数（Ｉ
Ｆ）信号が入力され、ＩＦ信号はＩＦ信号増幅器６で増
幅される。局部発振器７からの搬送波周波数信号は、周
波数混合回路（ミクサ回路）８でＩＦ信号増幅器６の出
力に従って変調され、電力増幅器９で増幅された後、送
信用アンテナ５を通して放射される。受信装置では、逆
に、受信アンテナで受信したミリ波信号を増幅した後、
局部発振器からの搬送波周波数信号をミクサ回路で混合
することにより検波してＩＦ信号を取り出している。
【０００３】従来より、準ミリ波より低い周波数を用い
た無線通信においては、一般にアンテナ素子を除く構成
要素を個別にパッケージあるいは筐体に封止して構成さ
れる複数の半導体デバイスを用い、これら個別のデバイ
スの筐体に設けられる外部端子間をケーブルで接続する
ことにより、無線通信システムのサブシステムが形成さ
れていた。マイクロ波回路とアンテナ素子の間をケーブ
ルやコネクタで接続する場合、伝送による信号の劣化と
いう問題が生じる。特に、ミリ波は、アルミナなどの誘
電体基板上を伝送する際の損失が大きい。そのため、例
えば、特公昭５６−１７８４２号や特公昭５７−４４２
４１号等に開示されているように、導波管をベースにし
た伝送路が用いられることが多い。しかし、導波管は金
属材料の精密加工を必要とし、小型で廉価なシステムを
実現する上では不向きである。
【０００４】ミリ波帯を対象とした場合、例えば、周波
数を３０ＧＨｚとすると、アンテナ素子自体の寸法は１
ｃｍであり、電波放射窓の大きさは３ｃｍになり、アン
テナ部分の大きさはあまり問題にならなくなる。そこ
で、アンテナ素子とミリ波回路を１つのモジュールに封
止することが、ケーブル、コネクタ、及び導波管等を使
用する必要がなくなるため、小型化で廉価なシステムを
構成する上では望ましい。
【０００５】特開昭６３−３１６９０５号公報には、導
波管を使用しない構成として、図２に示すような構成が
開示されている。この構成は、アンテナ１１の接続線を
基板の裏面に引出し、そこにバイアホール(via hole)１
３ａを有するマイクロ波集積回路１３をパッケージ１２
を介して取り付けるもので、ケーブル、コネクタ、又は
導波管等を使用せずにアンテナと送受信用の半導体モジ
ュールを接続できる。ミリ波回路はＧａＡｓ半導体基板
に形成され、アンテナ素子はセラミックなどの誘電体基
板に形成されるのが一般的で、図２のような構成にする
にはこれらを張り合わせる。しかし、アンテナ素子が形
成されるセラミック基板の熱伝導率は、銅やタングステ
ンなどと比較すると１桁以上悪く、ミリ波回路の形成さ
れる半導体素子の放熱の問題が生じる。
【０００６】このような問題点を解決するため、アンテ
ナ素子と半導体回路を一つの金属ブロックの同一面上に
配置してモジュール化することが考えられる。図３は、
このような半導体モジュールの構成例を示す図であり、
（１）が上面図であり、（２）が断面図である。図３の
（１）に示すように、銅板などの導電体材料の基板２１
上に、アンテナ素子２５が形成される誘電体基板２４
と、ミリ波用の半導体回路が形成されるＧａＡｓ半導体
基板２６、２７を配置し、リード９でそれらの間を接続
する。これらのアンテナ素子と半導体回路を覆うように
導電体材料の封止カバー２３が配置され、気密封止部３
２で蝋付け、レーザ溶接、電気溶接、あるいはパッキン
グ付きでネジ止めすることにより基板２１と接着して気
密封止される。アンテナ素子２５はパッチアンテナ、ス
ロットアンテナ等の平面アンテナであり、封止カバー２
３のアンテナ素子２５に対向する部分には電磁波放射窓
２５が設けられている。電磁波放射窓２５も封止カバー
２３に気密封止されている。参照番号２８はこのモジュ
ールを取り付けるためのネジ穴であり、３０はＩＦ信号
を供給するための端子であり、３１は電源端子である。
【０００７】アンテナ素子２５をパッチアンテナとして
構成する場合の例を簡単に説明する。この場合、誘電体
基板２４として厚さ２００〜５００μｍの厚みを有する
石英基板を用いる。石英基板の裏面には地導体として数
μｍの厚みの金薄膜を全面に形成し、他方の面に数μｍ
の厚みの金薄膜で図示のようなアンテナパターンを形成
する。アンテナパターンのパッチサイズは、使用する電
波の波長サイズ相当の寸法である。電磁波放射窓２５
は、アンテナパターンのパッチサイズの数倍の大きさ以
上であることが望ましい。
【０００８】また、気密封止は、窒素などの不活性ガス
雰囲気中で行われ、封止カバーの内部に不活性ガスが封
入される。これによりモジュール内部の環境が安定し、
無線装置としての特性が安定する。図３に示すような構
成とすることにより、小型で廉価なミリ波用の半導体モ
ジュールが実現できる。なお、図３に示すような構成は
受信装置にも同様に適用できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図３に示すような構成
は、小型で廉価なミリ波用の半導体モジュールを実現す
るが、実際の使用用途によっては各種の不都合がある。
第１の問題は指向性である。例えば、図３の構成ではア
ンテナ素子２５から放射される電波は電磁波放射窓２５
を通って約６０°という比較的大きな広がり角で放射さ
れる。そのため、距離が長くなると十分な強度の電波を
送信できないという問題が生じる。これを解決するた
め、出力を大きくすることは回路規模を大きくするだけ
でなく、電波障害の点からも難しい。また、複数のアン
テナパターンを配置したアレイアンテナとすることによ
り指向性を高めることが考えられるが、これはモジュー
ルを大型化するだけでなく、アンテナ素子までの信号の
伝送に伴う損失という問題は発生させるため難しい。ま
た、これとは逆に、より広い角度に電波を放射し又はよ
り広い角度から電波を受信する必要がある場合もある。
【００１０】また、上記の問題と関連して、アンテナ素
子から出力された電波を外部にいかに効率よく放射する
か、又は外部から電磁波放射窓に入射する電波をいかに
効率よくアンテナ素子で捕らえるかが問題であり、この
効率を一層向上させる必要がある。また、モジュール内
には、アンテナ素子と半導体回路が封止カバー内に一緒
に収容されており、それぞれから放射される電波が相互
に影響を及ぼすという問題があり、更には封止カバーが
それぞれの部分に近接して設けられているために影響を
及ぼす。これらの影響は、雑音という形でモジュールの
性能を低下させる。
【００１１】本発明は、このような問題を解決するため
のもので、図３に示したアンテナ素子を内蔵する半導体
モジュールを一層改良することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を実現するた
め、本発明の第１の態様によれば、電磁波放射窓にレン
ズ機能を持たせる。これにより、指向性を任意に設定で
きる。すなわち、本発明のアンテナ素子を内蔵する半導
体モジュールは、基板と、基板上に形成されたアンテナ
素子と、アンテナ素子に接続されるように基板上のアン
テナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波の信
号を駆動処理する半導体回路と、アンテナ素子と半導体
回路を気密封止するように基板に取り付けられる導電性
の気密封止手段と、気密封止手段のアンテナ素子に対向
する領域に設けられた非導電性の電波放射窓とを備える
アンテナ素子を内蔵する半導体モジュールにおいて、電
波放射窓はレンズであることを特徴とする。
【００１３】指向性を高めたい場合には、レンズは、ミ
リ波又は準ミリ波の電波を収束する収束性レンズとし、
逆に指向性を低下させたい場合には、発散性のレンズと
する。収束性のレンズの場合、レンズの中心軸をアンテ
ナ素子の中心に対してずらすことにより、アンテナ素子
が放射又は受信する電波の方向を設定できる。レンズ
は、部分的に特性が異なるようにしてもよい。例えば、
レンズの中央部が収束性で、レンズの気密封止手段に隣
接する周辺部が発散性であるようにする。これにより、
レンズの中央部を通過した電波のみを有効とし、周辺部
を通過した電波を無効にできる。気密封止手段は導電性
であり、それに入射する電波は微少な電流を発生させ、
近傍の電界に影響し、そこを通過する電波に悪影響を及
ぼすが、この構成によりこのような電波を無効にでき
る。
【００１４】また、レンズを、中心軸がアンテナ素子の
中心に対して異なる方向にずれた複数の収束性レンズで
構成するようにしてもよい。これにより、複数の方向に
指向性があるようにできる。レンズは非導電性であり、
気密封止手段は導電性である。そのため、図３に示した
のと同様に、レンズは非導電性の材料で製作し、導電性
の気密封止手段に気密封止してもよいが、例えば、レン
ズと気密封止手段全体を非導電性の材料で一体にカバー
部材として形成し、その上でアンテナ素子に対向する領
域以外の表面に導電性部材を設けるようにすることもで
きる。一般に、完全に気密封止するためには非導電性の
材料としてほうけい酸ガラスやコバールガラスなどのガ
ラスが使用されるが、完全な気密封止が可能であればど
のような材料でも構わない。カバー部材の表面に設ける
導電性部材は、内側に設けても外側に設けてもよい。
【００１５】レンズの形状は、円形や方形などのどのよ
うな形状でもよく、半導体モジュールの形状などに応じ
て決定する。また、レンズは一方の面が平面であれば製
作が容易である。平面側が外側になるように配置しても
内側になるように配置してもよいが、平面側が内側の方
が収差の点では好ましいが、平面側が外側であれば、清
掃などのモジュールのメンテナンスに有利である。
【００１６】また、本発明の第２の態様によれば、電波
放射窓の気密封止手段に隣接する周辺部に電波吸収体を
設けることで、電波放射窓の気密封止手段に近接した部
分を通過した電波を遮断して雑音を低減する。これは電
波放射窓がレンズの場合にも同様に適用できる。また、
本発明の第３の態様によれば、電波放射窓の少なくとも
一方の面に、電波放射窓と異なる材料で作られ、厚さが
前記ミリ波又は準ミリ波の電波の電波放射窓での表面反
射が小さくなるように設定された反射低減板を設ける。
これは光学の分野で一般的な反射防止膜と同じ原理であ
り、厚さが１／４λの反射低減板を接着することで、表
面反射率を低減することができる。このような反射低減
板をレンズの表面に設けてもよい。なお、前述のよう
に、電波放射窓やレンズは気密封止する必要があり、ほ
うけい酸ガラスやコバールガラス等が使用されるが、反
射低減板は単に表面に接着するだけで気密封止には関係
しないので、ポリエチレンやフッ素樹脂が使用できる。
【００１７】更に、本発明の第４の態様によれば、入射
するミリ波又は準ミリ波の電波のうち所定の偏波方向の
電波を選択的に通過させる偏波板を電波放射窓の上に配
置する。特定の偏波方向のミリ波のみを選択的に通過さ
せる偏波板が知られており、この偏波板を使用して特定
の送信装置と受信装置の間で偏波の方向を設定すれば選
択的に通信を行うことが可能になる。この偏波板は、ア
ンテナ素子の面に垂直な軸の回りに連続的に回転可能で
あるか、所定角度づつ回転した状態に設定可能で、送信
装置と受信装置の配置関係に応じて調整できることが望
ましい。この場合には、指向性が高いことが望ましいの
で、電磁波放射窓を収束性のレンズとすることが望まし
い。
【００１８】また、これに関連して、中心軸がアンテナ
素子の面に対して傾いた収束性レンズを、中心軸の方向
がアンテナ素子の面に垂直な軸の回りに変えられるよう
にして、特定の方向に指向性を持たせ、それが調整でき
るようにしてもよい。更に、本発明の第５の態様によれ
ば、アンテナ素子と電波放射窓を複数組設けるようにし
てもよい。これによりモジュールは大きくなるが、たと
えば、送受信装置で、送信と受信を別々の独立した指向
性を有するアンテナとすることができ、多用途に対応で
きるようになる。
【００１９】更に、本発明の第６の態様によれば、気密
封止手段のアンテナ素子に対向する領域以外の、気密封
止される側の表面に電波吸収体を設ける。この電波吸収
体の表面は、例えば、不規則な凹凸を有するようにす
る。また、アンテナ素子と半導体回路の境界部と気密封
止手段との間に、更に電波吸収体を設けることが望まし
い。アンテナ素子から電波が放射されるのはもちろん、
半導体回路からも電波が放射される。本発明の半導体モ
ジュールでは、アンテナ素子に対向する電磁波放射窓以
外の部分には、導電性の気密封止手段が設けられてお
り、アンテナ素子や半導体回路から放射された電波が気
密封止手段に当る。当たった電波の一部は吸収されて電
流となるが、一部は反射されてアンテナ素子や半導体回
路に当たり、雑音を発生させる。そこで、電磁波放射窓
以外の部分に電波吸収体を設ければそこでの電波の反射
を低減でき、雑音も低減される。電波吸収体は例えば、
フェライトを分散させた樹脂であり、気密封止手段の内
側に塗布される。電波吸収体の表面に不規則な凹凸を付
けることにより表面積が増大すると共に、共振などが発
生するのを防止できる。また、アンテナ素子から出力さ
れる電波の強度は大きく、これが半導体回路に当たると
影響が大きいが、アンテナ素子と半導体回路の境界部と
気密封止手段との間に設けた電波吸収体により、アンテ
ナ素子から半導体回路に当たる電波が大幅に低減でき
る。
【００２０】また、図３の構成では、アンテナパターン
で電波の広がり角が決定されると共に、アンテナ素子か
ら電磁波放射窓を望む角で広がり角が制限される。その
ため、モジュールから放射または受信される電波の広が
り角を大きくする場合には、アンテナ素子から電磁波放
射窓を望む角を大きくする必要がある。この望む角を大
きくするには、電磁波放射窓とアンテナ素子の表面の距
離を狭くする必要があり、電磁波放射窓が取り付けられ
る気密封止手段の封止カバーとの距離を狭くする必要が
ある。一方、半導体回路については、封止カバーとの距
離が狭くなると、電波吸収体等を配置するのが難しくな
り、その分放射する電波による雑音が大きくなるという
問題がある。そこで、このような問題を解決するには、
アンテナ素子が形成される部分とこの部分に対向する電
波放射窓との間隔が、半導体回路が形成される部分とこ
の部分に対向する気密封止手段との間隔より狭くなるよ
うにする。具体的には、基板の表面位置を、アンテナ素
子が形成される部分と半導体回路が形成される部分とで
異なるようにして、アンテナ素子が形成される部分の方
が半導体回路が形成される部分より高くなるようにす
る。その場合、アンテナ素子が形成される部分と半導体
回路が形成される部分との間は傾斜面とする。または、
気密封止手段が、アンテナ素子に対向する部分と半導体
回路に対向する部分とで表面位置が異なり、アンテナ素
子が形成される部分の方が半導体回路が形成される部分
より低くなるようにする。その場合、電波放射窓は、気
密封止手段の内側に接着されるか、気密封止手段の外側
に接着される。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、図４〜図３３をもとに、本
発明の実施の形態について説明する。なお本発明の実施
例の半導体モジュールは図３に示した構成と類似の構成
を有している。ここでは、図３の構成と異なる点につい
てのみ説明を行うものとし、図３で示した構成要素と同
一の機能部分には同一の参照番号を付して表し、説明を
省略している。
【００２２】図４は、本発明の第１実施例の半導体モジ
ュールの構造を示す図であり、図３の構成と異なるのは
電磁波放射窓２２がミリ波の電波を収束するように働く
収束性レンズ４１である点であり、具体的には凸レンズ
である。この凸レンズ４１はほうけい酸ガラスやコバー
ルガラスなどで作られ、蝋付け、レーザ溶接、あるいは
電気溶接などにより導電性のカバー２３に封止される。
但し、プラスチック材料でも完全に封止できればかまわ
ない。収束性レンズを使用すると、アンテナ素子から放
射される電波が収束され、指向性が高くなる。
【００２３】図５と図６は、第１実施例のレンズ形状の
例を示す図であり、図５は円形の場合を示し、図６は方
形の場合を示す。レンズ２５の形状は、アンテナパター
ン２５と外部への放射特性により適当な形状に決められ
る。図４から図６では、凸レンズは平凸レンズであり、
外側が凸面になるように配置したが、図７に示すように
平凸レンズの凸面が内側になるように配置したしてもよ
い。これにより、レンズ面の清掃等が容易になるが、収
差の点からは外側を凸面とした方が収差が小さい。ただ
し、実際には収差はあまり問題にはならない。
【００２４】図８は、レンズを発散性の凹レンズ４４と
した変形例を示す図である。このような凹レンズを使用
することにより、放射される電波は広い角度範囲に広が
り、また広い角度範囲の電波を受信することができる。
レンズの特性はアンテナパターン２５と外部への放射特
性により適当な形状に決められる。レンズは、部分的に
特性が異なるようにしてもよい。例えば、図９に示すよ
うに、レンズを、中央部が収束性で、レンズ４５の封止
カバー２３に隣接する周辺部が発散性であるレンズ４５
とする。中央部の凸レンズの中心軸がパッチアンテナの
中心に一致しており、アンテナ素子に直角な方向に電波
を放射し、その方向から来る電波を受信するとすると、
直角な方向から中央部に入射する電波はパッチアンテナ
の中心に集められる。これに対して、たとえ同じ方向か
らくる電波であっても、周辺部の凹レンズの部分に入射
する電波は、発散され、パッチアンテナの中心には集ま
らない。このように、図９に示す形状のレンズを使用す
ることにより、レンズの中央部を通過した電波のみを有
効とし、周辺部を通過した電波を無効にできる。
【００２５】封止カバー２３は導電性であり、それに入
射する電波は微少な電流を発生させ、近傍の電界に影響
し、そこを通過する電波に悪影響を及ぼす。そのため、
レンズ４５を通過する電波のうち、周辺部を通過する電
波は封止カバー２３の縁から悪影響を受ける。しかし、
図９のレンズ４５であれば、周辺部を通過する電波はパ
ッチアンテナの中心に集められないので、電気信号に変
換されず、影響が小さくなる。
【００２６】これまでの例では、レンズは一方向にのみ
指向性を有したが、図１０に示すような複数の方向に指
向性を有するレンズ４６を使用することもできる。更
に、凸レンズの指向方向は、レンズの中心軸のアンテナ
パターンの中心に対する位置関係で決定される。例え
ば、図１１では凸レンズ４７の中心軸はアンテナ素子２
５の中心から左にずれた位置にあるが、これにより放射
された電波は左の方向に向かい、またこの方向からくる
電波がアンテナ素子２５の中心に集められる。いいかえ
れば、図１１に示した凸レンズ４７は、左側が厚いプリ
ズムの上に図４に示した凸レンズを載せた形状であり、
プリズムにより左の方向に指向性を示すと共に、凸レン
ズにより指向性を示すといえる。なお、指向性を示す方
向は２方向とは限らず、３方向や４方向などでもよい。
また、図１１に示しレンズ４７は、図１２に示すレンズ
４８のように外側が平面になるように配置してもよい。
【００２７】次に、これまで説明した第１実施例のレン
ズの製作方法について説明する。レンズは非導電性であ
り、気密封止手段は導電性である。そのため、レンズは
非導電性の材料で製作し、導電性の気密封止手段に気密
封止してもよいが、例えば、レンズと気密封止手段全体
を非導電性の材料で一体にカバー部材として形成し、そ
の上でアンテナ素子に対向する領域以外の表面に導電性
部材を設けるようにすることもできる。図１３から図１
５はこのような構造例を示す図である。例えば、図１３
に示すように、レンズ５１を含めた封止カバー５０をほ
うけい酸ガラスやコバールガラスなどで製作し、レンズ
５１の部分以外の内側の部分に導電性部材５２を形成
し、チッ素ガスなどを入れて気密封止する。なお、一般
に完全な封止を行うためには、ほうけい酸ガラスやコバ
ールガラスなどのガラスが使用されるが、完全な気密封
止が可能であればどのような材料でも構わない。カバー
部材の表面に設ける導電性部材は、図１３のように内側
に設けても、図１４のように外側に設けてもよい。ま
た、図１５に示すように、レンズの一面を平面とし、そ
の平面が外側になるようにしてもよい。
【００２８】図１６と図１７は、本発明の第２実施例の
半導体モジュールの構造を示す図である。図１６は、図
４と類似の構造であるが、凸レンズ５９の封止カバー２
３に隣接する周辺部に電波吸収体６０が設けられている
点が異なる。この電波吸収体６０により、封止カバーの
縁から悪影響を受けるレンズ５９の周辺部を通過する電
波を遮断している。これにより雑音が低減される。図１
７は、図３に示した電磁波放射窓の封止カバー２３に近
接した部分に電波吸収体６１を設けた例である。
【００２９】光学の分野では、レンズなどの表面での反
射を低減するため、反射面に異なる屈折率の誘電体材料
で厚さが１／４λの薄膜を形成することが行われる。ミ
リ波についても同様の原理で表面反射を低減できる。図
１８は、このような反射防止処理を行った第３実施例の
半導体モジュールの構造を示す図であり、図１９はその
原理を説明する図である。図示のように、電磁波放射窓
２２の両面に反射低減板６２と６３が設けられている。
【００３０】例えば、電波の固有インピーダンスをη、
透磁率をμ、誘電率をεとすると、η＝（μ／ε）
1 / 2 である。真空ではη０＝３７７（オーム）であ
り、透磁率は真空の場合とほぼ同じとみなすことができ
れば、比誘電率をεｒとすると、η＝３７７／（εｒ）
1 / 2 である。例えば、電磁波放射窓２２をほうけい酸
ガラスとした場合のεｒ（２）＝４．８であり、η
（２）＝１７２になる。反射低減板６２の板厚を１／４
λとすれば、反射低減板６２でのインピーダンスη
（１）が（η０×η（２））1 / 2 となるようにすれば
整合板と見なせる。この関係から、反射低減板６２の比
誘電率ε（１）は、ε（１）＝２．１９となり、このよ
うな材質のもの、例えば、ポリエチレンやフッ素樹脂な
どで１／４λの厚さの板を作り密着させればよいことが
分かる。このような材質でこのような厚さの板であれ
ば、図１９に示すように、反射低減板６２の表面で反射
する電波と電磁波放射窓２２で反射される電波の位相が
半波長分ずれ互いに弱め合うため反射が低減される。
【００３１】表面反射は電磁波放射窓２２の両面で発生
するので、このような反射低減板は電磁波放射窓２２の
両面に設けることが望ましい。また、電磁波放射窓２２
の厚さも同時に最適化することにより、透過率を最大に
設定できる。図１９は、図４の構成で電磁波放射窓２２
の代わりに設けられたレンズ４１の一方の面に反射低減
板６４を設けた例を示す図である。
【００３２】なお、電波放射窓やレンズは気密封止する
必要があり、ほうけい酸ガラスやコバールガラス等が使
用されるが、反射低減板は単に表面に接着するだけで気
密封止には関係しないので、ポリエチレンやフッ素樹脂
が使用できる。特定の偏波方向のミリ波のみを選択的に
通過させる偏波板が知られている。この偏波板を使用し
て特定の送信装置と受信装置の間で偏波の方向を設定す
れば選択的に通信を行うことが可能になる。図２０は、
このような偏波板を設けた第５実施例の半導体モジュー
ルの構造を示す図であり、（１）は偏波板の構成を、
（２）は半導体モジュールの構造を示す。
【００３３】この偏波板は、図２０の（１）に示すよう
に誘電率の異なる２種類の誘電体を積層したもので、特
定の偏波方向のミリ波のみを選択的に通過させる。この
ような偏波板６５を図２０の（２）に示すように、電磁
波放射窓２２の上に回転可能に配置する。参照番号６６
は偏波板６５のフレームであり、６７はフレームが嵌め
合わされる回転ガイドであり、このような機構により偏
波板６５はアンテナ素子２５の面に垂直な軸の回りに連
続的に回転可能である。なお、所定の回転位置で固定す
るための機構も設けられるが、ここでは省略してある。
【００３４】次に第５実施例の半導体モジュールの使用
方法について、図２１を参照して説明する。送信側とし
て２台の送信モジュールＡとＢがあり、受信側として２
台の受信モジュールＣとＤがあり、それぞれ図２０に示
すような偏波板６５が設けられているとする。例えば、
図２１の（１）に示すように、送信モジュールＡを垂直
偏波、Ｂを水平偏波になるように設定し、受信モジュー
ルＣを水平偏波、Ｄを垂直偏波になるように設定したと
すると、ＡとＤの組及びＢとＣの組で送受信が可能にな
る。一方、ＡとＣ、ＢとＤの間では電波が受けにくくな
り送受信が行えない。従って、送信モジュールと受信モ
ジュールがそれぞれ２台あっても送受信を行う組を選択
的に設定できる。また、図２１の（１）の配置で、受信
モジュールＣとＤに設けている偏波板６５を９０°回転
させて、偏波方向の状態を、図２１の（２）に示すよう
に、送信モジュールＡを垂直偏波、Ｂを水平偏波になる
ように設定し、受信モジュールＣを垂直偏波、Ｄを水平
偏波になるように設定したとすると、ＡとＣの組及びＢ
とＤの組で送受信が可能になる。
【００３５】図２２は、図２０の（２）に示した構造
に、更に収束性レンズ６８を設けたもので、収束性レン
ズ６８と偏波板６５は一緒に回転できるようになってい
る。図２３は、図２２の構造で、収束性レンズ６８と偏
波板６５が連続的に回転できるのはなく、９０°づつ偏
波方向を変えられるようにしたものであり、ネジを外し
て取り外した後、方向を変えて取り付けることにより、
方向が変えられる。
【００３６】また、指向性を利用して、特定の送信モジ
ュールと受信モジュールの間でのみ通信を行うようにす
ることもできる。図２４はこのための構成を有する第６
実施例の半導体モジュールの構造を示す図である。この
モジュールでは、図１１に示したような、電波を放射す
る方向及び電波を受信する方向に指向性があり、その方
向がアンテナ素子の面に垂直な方向から傾いている構造
を利用し、そこで使用されるレンズ７１を回転可能にし
ている。このレンズ７１を回転することにより、指向性
を示す方向を変えることができ、特定の送信モジュール
と受信モジュールの間で特に強い指向性を有するように
調整すれば、選択的に通信が行える。
【００３７】図２５は、第７実施例の半導体モジュール
の構造を示す図である。第７実施例のモジュールでは、
２組のアンテナ素子２５ａ、２５ｂと電波放射窓７２
ａ、７２ｂを設けている。これによりモジュールは大き
くなるが、たとえば、一方を送信用に、他方を受信用に
使用することができ、送受信モジュールをすることがで
きる。それぞれの電波放射窓７２ａ、７２ｂの部分に、
これまで説明した構造を適用して指向性などを独立に所
望の特性とすることができる。
【００３８】図２６は、第８実施例の半導体モジュール
の構造を示す図である。第８実施例のモジュールでは、
封止カバー２３のアンテナ素子２５に対向する領域以外
の部分の内側表面に電波吸収体７３を設けている。本発
明の構成では、アンテナ素子と半導体回路が同一の基板
上に設けられているため、アンテナ素子とから電波が放
射されるのはもちろん、半導体回路からも電波が放射さ
れる。本発明の半導体モジュールでは、アンテナ素子に
対向する電磁波放射窓以外の部分には、導電性の気密封
止手段が設けられており、アンテナ素子や半導体回路か
ら放射された電波が気密封止手段に当る。当たった電波
の一部は吸収されて電流となるが、一部は反射されてア
ンテナ素子や半導体回路に当たり、雑音を発生させる。
そこで、電磁波放射窓以外の部分に上記のような電波吸
収体７３を設ければそこでの電波の反射を低減でき、雑
音も低減される。電波吸収体は例えば、フェライトを分
散させた樹脂であり、気密封止手段の内側に塗布され
る。
【００３９】電波吸収体７３の表面は、例えば、図２７
に示す電波吸収体７４のように、不規則な凹凸を有する
ようにしてもよい。このように電波吸収体の表面に不規
則な凹凸を付けることにより表面積が増大すると共に、
共振などが発生するのを防止できる。また、アンテナ素
子から出力される電波の強度は大きく、これが半導体回
路に当たると影響が大きい。そこで、図２８に示すよう
に、アンテナ素子と半導体回路の境界部と気密封止手段
との間に電波吸収体を設けることにより、アンテナ素子
から半導体回路に当たる電波が大幅に低減できる。
【００４０】また、図３の構成では、アンテナパターン
で電波の広がり角が決定されと共に、アンテナ素子から
電磁波放射窓を望む角で広がり角が制限される。そのた
め、モジュールから放射または受信される電波の広がり
角を大きくする場合には、アンテナ素子から電磁波放射
窓を望む角を大きくする必要がある。この望む角を大き
くするには、電磁波放射窓とアンテナ素子の表面の距離
を狭くする必要があり、電磁波放射窓が取り付けられる
気密封止手段の封止カバーとの距離を狭くする必要があ
る。一方、半導体回路については、封止カバーとの距離
が狭くなると、電波吸収体等を配置するのが難しくな
り、その分放射する電波による雑音が大きくなるという
問題がある。そこで、このような問題を解決するには、
アンテナ素子が形成される部分とこの部分に対向する電
波放射窓との間隔が、半導体回路が形成される部分とこ
の部分に対向する気密封止手段との間隔より狭くなるよ
うにする。
【００４１】具体的には、図２９に示すように、銅板な
どの導電体材料の基板８１の表面位置を、アンテナ素子
２５が形成される誘電体基板２４が搭載される部分の方
が、ミリ波用の半導体回路が形成されるＧａＡｓ半導体
基板２６が搭載される部分より高くする。このような構
成により、封止カバ２３の上面位置がフラットで、Ｇａ
Ａｓ半導体基板２６に対向する部分と電磁波放射窓２２
の位置が同じ高さであっても、アンテナ素子２５と電磁
波放射窓２２の間の距離は狭くなり、アンテナ素子から
電磁波放射窓を望む角を大きくできる。
【００４２】なお、図２９では基板８１に直角な段差が
あり、リード８２にも直角な段差があるが、このような
段差は好ましくないので、図３０に示すように、段差部
分を傾斜面とし、リード８４も傾斜に沿ったものにする
ことが望ましい。また、傾斜面の縁の部分が、図３１に
示すように、緩やかに変化するようにすることが一層望
ましい。
【００４３】また、アンテナ素子が形成される部分とこ
の部分に対向する電波波放射窓との間隔が、半導体回路
が形成される部分とこの部分に対向する気密封止手段と
の間隔より狭くなるようにする別の方法としては、図３
２に示すように、封止カバー９０の電波波放射窓２２が
取り付けられる部分の高さを、半導体回路に対向する部
分より低くする。この場合、電波波放射窓２２を、図３
２に示すように封止カバー９０の下側に取り付けても、
図３３に示すように、封止カバー９０の上側に取り付け
てもよい。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型で廉価なミリ波用の半導体モジュールを実現するた
めにアンテナ素子と半導体回路を共通の基板上に隣接し
た配置した上で、アンテナ素子に対向する部分に電磁放
射窓を設けた導電性の封止カバーで封止した半導体モジ
ュールにおいて、用途に応じて電波の指向性を任意に設
定できるようになる。
【００４５】また、モジュール内にアンテナ素子と半導
体回路が一緒に収容され、それらに近接して封止カバー
が設けられているために、それぞれから放射される電波
が相互に悪影響を及ぼして雑音を発生するという問題が
あったが、これによる雑音を低減できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が対象とする半導体モジュールの基本構
成例を示すブロック図である。
【図２】アンテナ素子が形成される基板の裏面に半導体
回路基板を貼り合わせる従来の半導体モジュールの構成
例を示す図である。
【図３】アンテナ素子と半導体回路を一つの金属ブロッ
クの同一面上に配置してモジュール化した構成例を示す
図である。
【図４】本発明の第１実施例のモジュール構造を示す図
である。
【図５】第１実施例におけるレンズ形状の例を示す図で
ある。
【図６】第１実施例におけるレンズ形状の別の例を示す
図である。
【図７】第１実施例の第１の変形例を示す図である。
【図８】第１実施例の第２の変形例を示す図である。
【図９】第１実施例の第３の変形例を示す図である。
【図１０】第１実施例の第４の変形例を示す図である。
【図１１】第１実施例の第５の変形例を示す図である。
【図１２】第１実施例の第６の変形例を示す図である。
【図１３】第１実施例の封止カバーの第１の構造例を示
す図である。
【図１４】第１実施例の封止カバーの第２の構造例を示
す図である。
【図１５】第１実施例の封止カバーの第３の構造例を示
す図である。
【図１６】本発明の第２実施例のモジュールの窓構造を
示す図である。
【図１７】本発明の第２実施例のモジュールの窓構造の
別の例を示す図である。
【図１８】本発明の第３実施例のモジュール構造を示す
図である。
【図１９】本発明の第４実施例のモジュールのレンズ部
材を示す図である。
【図２０】本発明の第５実施例のモジュールの構成を示
す図である。
【図２１】第５実施例のモジュールの使用例を示す図で
ある。
【図２２】第５実施例のモジュールの変形例を示す図で
ある。
【図２３】第５実施例のモジュールの別の変形例を示す
図である。
【図２４】本発明の第６実施例のモジュールの構造を示
す図である。
【図２５】本発明の第７実施例のモジュールの構造を示
す図である。
【図２６】本発明の第８実施例のモジュールの構造を示
す図である。
【図２７】第８実施例のモジュールの変形例を示す図で
ある。
【図２８】本発明の第９実施例のモジュールの構造を示
す図である。
【図２９】本発明の第１０実施例のモジュールの構造を
示す図である。
【図３０】第１０実施例のモジュールの変形例を示す図
である。
【図３１】第１０実施例のモジュールの変形例を示す図
である。
【図３２】本発明の第１１実施例のモジュールの構造を
示す図である。
【図３３】第１０実施例のモジュールの変形例を示す図
である。
【符号の説明】
５…アンテナ ６…ＩＦ増幅器 ７…局部発振器 ８…周波数混合器（ミクサ） ９…電力増幅器 ２１…基板 ２２…電磁波放射窓 ２３…封止カバー ２４…アンテナ素子用基板 ２５…アンテナパターン ２６、２７…半導体回路用基板 ４１…レンズ ６１…電波吸収体 ６２、６３…反射低減板 ６５…偏波器 ７３、７４、７５…電波吸収体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 芳雄 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 平地 康剛 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 石橋 純一 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 山本 敏雄 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、 該基板上に形成されたアンテナ素子と、 該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記
    アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波
    の信号を駆動処理する半導体回路と、 前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するよう
    に前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、 該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設
    けられたレンズとなる非導電性の電波放射窓とを備える
    半導体モジュール。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のアンテナ素子を内蔵す
    る半導体モジュールであって、 前記レンズは、ミリ波又は準ミリ波の電波を収束する収
    束性レンズであるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュ
    ール。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のアンテナ素子を内蔵す
    る半導体モジュールであって、 前記レンズは、ミリ波又は準ミリ波の電波を発散する発
    散性レンズであるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュ
    ール。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載のアンテナ素子を内蔵す
    る半導体モジュールであって、 前記レンズは、部分的に特性が異なるレンズであるアン
    テナ素子を内蔵する半導体モジュール。
  5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
    アンテナ素子を内蔵する半導体モジュールであって、 前記レンズと前記気密封止手段は、非導電性の材料で一
    体に形成されたカバー部材であり、該カバー部材は前記
    アンテナ素子に対向する領域以外の表面に導電性部材を
    備えるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
  6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれか１項に記載の
    アンテナ素子を内蔵する半導体モジュールであって、 前記レンズの少なくとも一方の面に、前記電波放射窓と
    異なる材料で作られ、厚さが前記ミリ波又は準ミリ波の
    電波の前記レンズでの表面反射が小さくなるように設定
    された反射低減板を備えることを特徴とするアンテナ素
    子を内蔵する半導体モジュール。
  7. 【請求項７】 請求項１から６のいずれか１項に記載の
    アンテナ素子を内蔵する半導体モジュールであって、 前記気密封止手段の内側の前記レンズ以外の部分に、電
    波吸収体を備えるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュ
    ール。
  8. 【請求項８】 基板と、 該基板上に形成されたアンテナ素子と、 該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記
    アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波
    の信号を駆動処理する半導体回路と、 前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するよう
    に前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、 該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設
    けられた非導電性の電波放射窓と、 前記電波放射窓の前記気密封止手段に隣接する周辺部に
    設けられた電波吸収体とを備えることを特徴とするアン
    テナ素子を内蔵する半導体モジュール。
  9. 【請求項９】 基板と、 該基板上に形成されたアンテナ素子と、 該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記
    アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波
    の信号を駆動処理する半導体回路と、 前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するよう
    に前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、 該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設
    けられた非導電性の電波放射窓と、 前記電波放射窓の少なくとも一方の面に、前記電波放射
    窓と異なる材料で作られ、厚さが前記ミリ波又は準ミリ
    波の電波の前記電波放射窓での表面反射が小さくなるよ
    うに設定された反射低減板とを備えることを特徴とする
    アンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
  10. 【請求項１０】 基板と、 該基板上に形成されたアンテナ素子と、 該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記
    アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波
    の信号を駆動処理する半導体回路と、 前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するよう
    に前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、 該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設
    けられた非導電性の電波放射窓と、 前記電波放射窓の上に配置され、中心軸が前記アンテナ
    素子の中心に対してずれており、中心軸の前記アンテナ
    素子の中心に対するずれの方向が、前記アンテナ素子の
    面に垂直な軸の回りに変えられる収束性レンズとを備え
    ることを特徴とするアンテナ素子を内蔵する半導体モジ
    ュール。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュールにおいて、 前記収束性レンズは、該収束性レンズの中心軸のずれ方
    向が前記アンテナ素子の面に垂直な軸の回りに連続的に
    回転可能であるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュー
    ル。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載のアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュールにおいて、 前記収束性レンズは、該収束性レンズの中心軸のずれ方
    向が前記アンテナ素子の面に垂直な軸の回りに所定角度
    づつ変えられるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュー
    ル。
  13. 【請求項１３】 基板と、 該基板上に形成されたアンテナ素子と、 該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記
    アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波
    の信号を駆動処理する半導体回路と、 前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するよう
    に前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、 該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設
    けられた非導電性の電波放射窓と、 前記電波放射窓の上に配置され、入射するミリ波又は準
    ミリ波の電波のうち所定の偏波方向の電波を選択的に通
    過させる偏波板とを備えることを特徴とするアンテナ素
    子を内蔵する半導体モジュール。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載のアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュールであって、 前記偏波板は、前記アンテナ素子の面に垂直な軸の回り
    に連続的に回転可能であるアンテナ素子を内蔵する半導
    体モジュール。
  15. 【請求項１５】 請求項１３に記載のアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュールであって、 前記偏波板は、前記アンテナ素子の面に垂直な軸の回り
    に所定角度づつ回転した状態に設定可能であるアンテナ
    素子を内蔵する半導体モジュール。
  16. 【請求項１６】 基板と、 該基板上に形成されたアンテナ素子と、 該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記
    アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波
    の信号を駆動処理する半導体回路と、 前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するよう
    に前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、 該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設
    けられた非導電性の電波放射窓とを備える、 前記アンテナ素子と前記電波放射窓は複数組設けられて
    いることを特徴とするアンテナ素子を内蔵する半導体モ
    ジュール。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載のアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュールであって、 入射するミリ波又は準ミリ波の電波のうち所定の偏波方
    向の電波を選択的に通過させる偏波板を、各電波放射窓
    の上に備えるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュー
    ル。
  18. 【請求項１８】 請求項１７に記載のアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュールであって、 前記複数の偏波板の少なくとも一部は、ぞれぞれ異なる
    偏波方向を有するアンテナ素子を内蔵する半導体モジュ
    ール。
  19. 【請求項１９】 基板と、 該基板上に形成されたアンテナ素子と、 該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記
    アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波
    の信号を駆動処理する半導体回路と、 前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するよう
    に前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、 該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設
    けられた非導電性の電波放射窓と、 前記気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域以
    外の、気密封止される側の表面に設けられた電波吸収体
    とを備えることを特徴とするアンテナ素子を内蔵する半
    導体モジュール。
  20. 【請求項２０】 基板と、 該基板上に形成されたアンテナ素子と、 該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記
    アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波
    の信号を駆動処理する半導体回路と、 前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するよう
    に前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、 該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設
    けられた非導電性の電波放射窓とを備え、 前記アンテナ素子が形成される部分と該部分に対向する
    前記電波放射窓との間隔が、前記半導体回路が形成され
    る部分と該部分に対向する前記気密封止手段との間隔よ
    り狭いことを特徴とするアンテナ素子を内蔵する半導体
    モジュール。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載のアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュールであって、 前記基板は、前記アンテナ素子が形成される部分と前記
    半導体回路が形成される部分とで表面位置が異なり、前
    記アンテナ素子が形成される部分の方が前記半導体回路
    が形成される部分より高くなっているアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュール。
  22. 【請求項２２】 請求項２０に記載のアンテナ素子を内
    蔵する半導体モジュールであって、 前記気密封止手段は、前記アンテナ素子に対向する部分
    と前記半導体回路に対向する部分とで表面位置が異な
    り、前記アンテナ素子が形成される部分の方が前記半導
    体回路が形成される部分より低くなっているアンテナ素
    子を内蔵する半導体モジュール。
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