WO2022124035A1 - 高周波モジュールおよび通信装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a high frequency module and a communication device.
- Patent Document 1 discloses a high-frequency module including a power amplifier and a controller arranged on a package substrate.
- the high-frequency module of Patent Document 1 is downsized by arranging the power amplifier and the controller in a stacked manner.
- the present invention provides a miniaturized multi-band compatible high frequency module and communication device.
- the high-frequency module is a first unit in which a module substrate having a first main surface and a second main surface facing each other and at least a part thereof are made of a first semiconductor material to form an electronic circuit.
- a second substrate composed of a material, a second semiconductor material at least partially different from the first semiconductor material, and a power amplifier formed therein, and a first switch connected to an input terminal or an output terminal of the power amplifier.
- the first substrate is arranged on the first main surface
- the second substrate is arranged between the module substrate and the first substrate, and is bonded to the first substrate, and the first electrode is provided.
- the first switch is arranged on the second main surface.
- FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a high frequency module and a communication device according to an embodiment.
- FIG. 2 is a schematic plan view of the high frequency module according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional configuration of the high frequency module according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a cross-sectional configuration diagram of the semiconductor IC according to the first embodiment.
- FIG. 5 is a cross-sectional configuration diagram of the second base material according to the first embodiment.
- FIG. 6 is a schematic plan view of the high frequency module according to the second embodiment.
- FIG. 7 is a schematic cross-sectional configuration of the high frequency module according to the second embodiment.
- A is arranged on the first main surface of the substrate.
- A is not only mounted directly on the first main surface but also on the first main surface side separated by the substrate. It means that A is arranged in the space on the first main surface side among the space on the second main surface side and the space on the second main surface side. That is, it includes that A is mounted on the first main surface via other circuit elements, electrodes, and the like.
- connection includes not only the case of being directly connected by a connection terminal and / or a wiring conductor, but also the case of being electrically connected via other circuit components. .. Also, “connected between A and B” means connected to both A and B between A and B.
- the x-axis and the y-axis are axes orthogonal to each other on a plane parallel to the main surface of the module substrate.
- the z-axis is an axis perpendicular to the main surface of the module substrate, the positive direction thereof indicates an upward direction, and the negative direction thereof indicates a downward direction.
- planar view means that an object is projected orthographically projected onto the xy plane from the positive side of the z-axis.
- Parts are placed on the main surface of the board means that in addition to the parts being placed on the main surface in contact with the main surface of the board, the parts are placed on the main surface without contacting the main surface. It includes being arranged above and having a part of the component embedded in the substrate from the main surface side.
- C is arranged between A and B in the plan view of the substrate (or the main surface of the substrate)" means that the substrate is used. It means that at least one of a plurality of line segments connecting an arbitrary point in A and an arbitrary point in B passes through the region C in a plan view.
- the plan view of the substrate means that the substrate and the circuit elements mounted on the substrate are orthographically projected onto a plane parallel to the main surface of the substrate.
- the "transmission path” is a transmission line composed of a wiring through which a high-frequency transmission signal propagates, an electrode directly connected to the wiring, and a wiring or a terminal directly connected to the electrode.
- the "reception path” means a transmission line composed of a wiring through which a high-frequency reception signal propagates, an electrode directly connected to the wiring, and a wiring or a terminal directly connected to the electrode. do.
- FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a high frequency module 1 and a communication device 5 according to an embodiment.
- the communication device 5 includes a high frequency module 1, an antenna 2, an RF signal processing circuit (RFIC) 3, and a baseband signal processing circuit (BBIC) 4.
- RFIC RF signal processing circuit
- BBIC baseband signal processing circuit
- the RFIC 3 is an RF signal processing circuit that processes high frequency signals transmitted and received by the antenna 2. Specifically, the RFIC 3 processes the received signal input via the reception path of the high frequency module 1 by down-conversion or the like, and outputs the received signal generated by the signal processing to the BBIC 4. Further, the RFIC 3 outputs the high frequency transmission signal processed based on the signal input from the BBIC 4 to the transmission path of the high frequency module 1.
- the BBIC 4 is a circuit that processes data using a signal having a frequency lower than that of the high frequency signal transmitted through the high frequency module 1.
- the signal processed by the BBIC 4 is used, for example, as an image signal for displaying an image, or as an audio signal for a call via a speaker.
- the RFIC 3 has a function as a control unit for controlling the connection of the switches 51, 52, 53 and 54 of the high frequency module 1 based on the communication band (frequency band) used. Specifically, the RFIC 3 switches the connection of the switches 51 to 54 of the high frequency module 1 by a control signal (not shown).
- the control unit may be provided outside the RFIC 3, and may be provided, for example, in the high frequency module 1 or the BBIC 4.
- the RFIC 3 also has a function as a control unit for controlling the gain of the power amplifier 21 of the high frequency module 1, the power supply voltage Vcc supplied to the power amplifier 21, and the bias voltage Vbias. Specifically, the RFIC 3 outputs a digital control signal to the control signal terminal 110 of the high frequency module 1.
- the PA control circuit 11 adjusts the gain of the power amplifier 21 by outputting a control signal, a power supply voltage Vcc, or a bias voltage Vbias to the power amplifier 21 by a digital control signal input via the control signal terminal 110.
- a control signal terminal that receives a digital control signal that controls the gain of the power amplifier 21 from the RFIC 3, and a control signal terminal that receives a digital control signal that controls the power supply voltage Vcc and the bias voltage Vbias supplied to the power amplifier 21 from the RFIC 3. May be different.
- the antenna 2 is connected to the antenna connection terminal 100 of the high frequency module 1, emits a high frequency signal output from the high frequency module 1, receives a high frequency signal from the outside, and outputs the high frequency signal to the high frequency module 1.
- the antenna 2 and the BBIC 4 are not essential components.
- the high frequency module 1 has an antenna connection terminal 100, a transmission input terminal 121 and 122, a reception output terminal 130, a power amplifier 21, a control signal terminal 110, a PA control circuit 11, and a low frequency module 1. It includes a noise amplifier 31, transmission filters 61T and 62T, reception filters 61R and 62R, matching circuits 42, 43, 44 and 45, and switches 51, 52, 53 and 54.
- the antenna connection terminal 100 is an antenna common terminal connected to the antenna 2.
- the power amplifier 21 is an amplifier circuit that amplifies the high frequency signals of the first communication band and the second communication band input from the transmission input terminals 121 and 122.
- the power amplifier 21 is included in the second base material 20.
- the second base material 20 is made of, for example, at least a part of GaAs.
- the power amplifier 21 includes, for example, a heterojunction bipolar transistor (HBT: Heterojunction Bipolar Transistor).
- the PA control circuit 11 is an example of a control circuit that adjusts the gain of the power amplifier 21 by a digital control signal or the like input via the control signal terminal 110.
- the PA control circuit 11 is included in the first base material 10, and is composed of, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Sensor).
- CMOS Complementary Metal Oxide Sensor
- the PA control circuit 11 is formed by an SOI (Silicon On Insulator) process. This makes it possible to manufacture the PA control circuit 11 at low cost.
- the first base material 10 is, for example, at least partially composed of Si.
- the low noise amplifier 31 is an amplifier that amplifies the high frequency signals of the communication band A and the communication band B with low noise and outputs them to the reception output terminal 130.
- the transmission filter 61T is an example of the first transmission filter, and is arranged in the transmission path connecting the power amplifier 21 and the antenna connection terminal 100, and is the transmission band of the communication band A among the transmission signals amplified by the power amplifier 21. Pass the transmission signal.
- the transmission filter 62T is an example of a second transmission filter, which is arranged in a transmission path connecting the power amplifier 21 and the antenna connection terminal 100, and among the transmission signals amplified by the power amplifier 21, the transmission of the communication band B is transmitted. Pass the transmission signal in the band.
- the reception filter 61R is arranged in the reception path connecting the low noise amplifier 31 and the antenna connection terminal 100, and passes the reception signal in the reception band of the communication band A among the reception signals input from the antenna connection terminal 100. Further, the reception filter 62R is arranged in the reception path connecting the low noise amplifier 31 and the antenna connection terminal 100, and among the reception signals input from the antenna connection terminal 100, the reception signal in the reception band of the communication band B is passed. ..
- the transmission filter 61T and the reception filter 61R constitute a duplexer 61 having a communication band A as a pass band. Further, the transmission filter 62T and the reception filter 62R constitute a duplexer 62 having a communication band B as a pass band.
- Each of the duplexers 61 and 62 may be one filter transmitted by a time division duplex (TDD: Time Division Duplex) method.
- TDD Time Division Duplex
- a switch for switching between transmission and reception is arranged at least one of the front stage and the rear stage of the one filter.
- the matching circuit 42 is arranged in the transmission path connecting the power amplifier 21 and the transmission filters 61T and 62T, and performs impedance matching between the power amplifier 21 and the transmission filters 61T and 62T.
- the matching circuit 43 is arranged in the reception path connecting the low noise amplifier 31 and the reception filters 61R and 62R, and performs impedance matching between the low noise amplifier 31 and the reception filters 61R and 62R.
- the matching circuit 44 is arranged in the path connecting the switch 54 and the duplexer 61, and impedance matching is performed between the antenna 2 and the switch 54 and the duplexer 61.
- the matching circuit 45 is arranged in a path connecting the switch 54 and the duplexer 62, and performs impedance matching between the antenna 2 and the switch 54 and the duplexer 62.
- the switch 51 is an example of the first switch and has a common terminal and two selection terminals.
- the common terminal of the switch 51 is connected to the input terminal of the power amplifier 21.
- One selection terminal of the switch 51 is connected to the transmission input terminal 121, and the other selection terminal of the switch 51 is connected to the transmission input terminal 122. That is, the switch 51 is connected to the input terminal of the power amplifier 21 and switches between connection and non-connection between the transmission input terminal 121 and the input terminal. Further, the switch 51 is connected to the input terminal of the power amplifier 21 and switches between connection and non-connection between the transmission input terminal 122 and the input terminal.
- the switch 51 is composed of, for example, a SPDT (Single Pole Double Throw) type switch circuit.
- the transmission signal of the communication band A is input from the transmission input terminal 121
- the transmission signal of the communication band B is input from the transmission input terminal 122, for example.
- a transmission signal of the communication band A or B in the 4th generation mobile communication system (4G) is input from the transmission input terminal 121, and for example, the 5th generation mobile communication system (5G) is input from the transmission input terminal 122. ),
- the transmission signal of the communication band A or B may be input.
- a common terminal is connected to one transmission input terminal, one selection terminal is connected to a first power amplifier that amplifies a transmission signal of the communication band A, and the other selection terminal is a transmission of the communication band B. It may have a configuration connected to a second power amplifier that amplifies the signal.
- the switch 51 may be configured by a DPDT (Double Pole Double Throw) type switch circuit having two common terminals and two selection terminals.
- the transmission input terminal 121 is connected to one common terminal
- the transmission input terminal 122 is connected to the other common terminal.
- one selection terminal is connected to a first power amplifier that amplifies the transmission signal of the communication band A
- the other selection terminal is connected to the second power amplifier that amplifies the transmission signal of the communication band B.
- the switch 51 switches the connection between one common terminal and one selection terminal, the connection between one common terminal and the other selection terminal, and the other common terminal and one selection terminal. Switch the connection and the connection between the other common terminal and the other selection terminal.
- the transmission signal of the communication band A is input from the transmission input terminal 121
- the transmission signal of the communication band B is input from the transmission input terminal 122.
- the transmission signals of the communication band A and the communication band B at the transmission input terminal 121 to 4G may be input
- the transmission signals of the communication band A and the communication band B at the transmission input terminal 122 to 5G may be input.
- the switch 52 is an example of the first switch, and has a common terminal and two selection terminals.
- the common terminal of the switch 52 is connected to the output terminal of the power amplifier 21 via the matching circuit 42.
- One selection terminal of the switch 52 is connected to the transmission filter 61T, and the other selection terminal of the switch 52 is connected to the transmission filter 62T. That is, the switch 52 is connected between the output terminal of the power amplifier 21 and the transmission filters 61T and 62T, and switches the connection between the output terminal and the transmission filter 61T and the connection between the output terminal and the transmission filter 62T. ..
- the switch 52 is composed of, for example, a SPDT type switch circuit.
- the switch 53 has a common terminal and two selection terminals.
- the common terminal of the switch 53 is connected to the input terminal of the low noise amplifier 31 via the matching circuit 43.
- One selection terminal of the switch 53 is connected to the reception filter 61R, and the other selection terminal of the switch 53 is connected to the reception filter 62R.
- the switch 53 switches between the connection between the common terminal and one of the selection terminals and the connection between the common terminal and the other selection terminal. That is, the switch 53 switches between the connection between the low noise amplifier 31 and the reception path for transmitting the reception signal of the communication band A and the connection between the low noise amplifier 31 and the reception path for transmitting the reception signal of the communication band B. ..
- the switch 53 is composed of, for example, a SPDT type switch circuit.
- the switch 54 is an example of an antenna switch and is connected to the antenna connection terminal 100. (1) The connection between the antenna connection terminal 100 and the signal path for transmitting the transmission signal and the reception signal of the communication band A, and (2) the antenna. The connection between the connection terminal 100 and the signal path for transmitting the transmission signal and the reception signal of the communication band B is switched.
- the switch 54 may be a multi-connection type switch circuit capable of simultaneously performing the above (1) and (2).
- a multiplexer may be arranged between the switch 54 and the antenna connection terminal 100.
- the transmission filters 61T and 62T and the reception filters 61R and 62R are, for example, a surface acoustic wave filter using SAW (Surface Acoustic Wave), a surface acoustic wave filter using BAW (Bulk Acoustic Wave), an LC resonance filter, and a dielectric. It may be any of the filters, and is not limited to these.
- the power amplifier 21 and the low noise amplifier 31 are composed of, for example, a field effect transistor (FET) or a heterobipolar transistor (HBT) made of Si-based CMOS or GaAs.
- FET field effect transistor
- HBT heterobipolar transistor
- the low noise amplifier 31, the switch 53 and 54 may be formed in one semiconductor IC.
- the semiconductor IC is composed of, for example, CMOS. Specifically, it is formed by the SOI process. This makes it possible to manufacture semiconductor ICs at low cost.
- the semiconductor IC may be composed of at least one of GaAs, SiGe, and GaN. This makes it possible to output a high frequency signal having high quality amplification performance and noise performance.
- the high frequency module 1 can independently transmit, receive, or transmit / receive either the high frequency signal of the communication band A or the high frequency signal of the communication band B. Further, the high frequency module 1 can execute the high frequency signal of the communication band A and the high frequency signal of the communication band B by at least one of simultaneous transmission, simultaneous reception, and simultaneous transmission / reception.
- the high frequency module 1 may include at least a power amplifier 21 and a switch 51 or 52 among the circuit components and circuit elements shown in FIG. 1.
- FIG. 2 is a schematic plan view of the high frequency module 1A according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional configuration diagram of the high-frequency module 1A according to the first embodiment, and specifically, is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG.
- FIG. 2A shows a layout of circuit components of the main surfaces 91a and 91b of the module board 91 facing each other when the main surface 91a is viewed from the positive direction side of the z-axis. ..
- FIG. 2B shows a perspective view of the arrangement of circuit components when the main surface 91b is viewed from the positive direction side of the z-axis.
- a mark indicating the function of each circuit component is attached so that the arrangement relationship of each circuit component can be easily understood, but the mark is attached to the actual high frequency module 1A. do not have.
- the high frequency module 1A according to the first embodiment specifically shows the arrangement configuration of each circuit element constituting the high frequency module 1 according to the embodiment.
- the high-frequency module 1A according to the present embodiment further includes a module substrate 91, resin members 92 and 93, and an external connection terminal 150. It has a metal shield layer 85 and a semiconductor IC 70.
- the semiconductor IC 70 includes the power amplifier 21 and the PA control circuit 11 shown in FIG.
- the module board 91 has a main surface 91a and a main surface 91b facing each other, and is a board on which circuit components constituting the high frequency module 1A are mounted.
- the module substrate 91 include a low temperature co-fired ceramics (LTCC) substrate having a laminated structure of a plurality of dielectric layers, a high temperature co-fired ceramics (HTCC) substrate, and the like.
- LTCC low temperature co-fired ceramics
- HTCC high temperature co-fired ceramics
- a board having a built-in component, a board having a redistribution layer (RDL), a printed circuit board, or the like is used.
- the main surface 91a corresponds to the first main surface
- the main surface 91b corresponds to the second main surface
- the antenna connection terminal 100, the control signal terminal 110, the transmission input terminals 121 and 122, and the reception / output terminal 130 may be formed on the main surface 91b.
- the resin member 92 is arranged on the main surface 91a and covers a part of the circuit components constituting the high frequency module 1A and the main surface 91a.
- the resin member 93 is arranged on the main surface 91b and covers a part of the circuit components constituting the high frequency module 1A and the main surface 91b.
- the resin members 92 and 93 have a function of ensuring reliability such as mechanical strength and moisture resistance of the circuit components constituting the high frequency module 1A.
- the resin members 92 and 93 are not essential components for the high frequency module 1 according to the present embodiment.
- the matching circuits 42, 43, 44 and 45 each include an inductor.
- the semiconductor IC 70, the duplexers 61 and 62, and the matching circuits 43, 44 and 45 are arranged on the main surface 91a.
- the low noise amplifier 31, the switches 51 to 54, and the matching circuit 42 are arranged on the main surface 91b.
- the wiring for connecting the circuit components shown in FIG. 1 is formed inside the module board 91 on the main surfaces 91a and 91b. Further, the wiring may be a bonding wire whose both ends are joined to any of the main surfaces 91a and 91b and the circuit components constituting the high frequency module 1A, or on the surface of the circuit components constituting the high frequency module 1A. It may be a formed terminal, electrode or wiring.
- a plurality of external connection terminals 150 are arranged on the main surface 91b.
- the high frequency module 1A exchanges electric signals with an external board arranged on the negative side of the z-axis of the high frequency module 1A via a plurality of external connection terminals 150. Further, some of the plurality of external connection terminals 150 are set to the ground potential of the external board.
- circuit components that are difficult to reduce in height are not arranged on the main surface 91b facing the external board, and low noise amplifiers 31 and switches 51 to 54 that are easy to reduce in height are arranged. ing.
- the inductor of the matching circuit 42 may be, for example, an integrated passive element (IPD: Integrated Passive Device) integrated and mounted inside or on the surface of a Si substrate.
- IPD integrated passive element
- the inductor of the matching circuit 42 is composed of an IPD capable of reducing the height, the height of the main surface 91b can be reduced.
- the external connection terminal 150 may be a columnar electrode penetrating the resin member 93 in the z-axis direction, and the external connection terminal 150 may be on the main surface 91b. It may be a formed bump electrode. In this case, the resin member 93 on the main surface 91b may be omitted.
- the semiconductor IC 70 is arranged on the main surface 91a and at least one of the switches 51 and 52 is arranged on the main surface 91b. It may be arranged on either the main surface 91a or 91b.
- the semiconductor IC 70 includes a first base material 10 and a second base material 20.
- At least a part of the first base material 10 is made of a first semiconductor material, and an electronic circuit is formed.
- the PA control circuit 11 is an example of the above electronic circuit, and examples of the first semiconductor material include a simple substance semiconductor, and in particular, silicon (Si) or gallium nitride (GaN). That is, in this embodiment, at least a part of the first base material 10 is made of Si or GaN, and the PA control circuit 11 is formed.
- the first semiconductor material is not limited to silicon or gallium nitride.
- examples of the first semiconductor material include gallium arsenide, aluminum arsenide (AlAs), indium arsenide (InAs), indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP), indium antimonide (InSb), and gallium nitride.
- the second base material 20 is at least partially composed of a second semiconductor material different from the first semiconductor material, and an amplifier circuit is formed.
- the power amplifier 21 is an example of the amplifier circuit, and examples of the second semiconductor material include compound semiconductors, and in particular, gallium arsenide (GaAs) or silicon germanium (SiGe). That is, in this embodiment, at least a part of the second base material 20 is made of GaAs or SiGe, and the power amplifier 21 is formed.
- the second semiconductor material is not limited to gallium arsenide or silicon germanium.
- the second base material 20 is arranged between the module substrate 91 and the first base material 10, is bonded to the first base material 10, and is connected to the main surface 91a via the electrode 23. Has been done.
- the semiconductor IC 70 is arranged on the main surface 91a, and the switches 51 and 52 are arranged on the main surface 91b.
- the circuit components constituting the high-frequency module 1A are distributed and arranged on both sides of the module board 91, so that the high-frequency module 1A can be miniaturized.
- the PA control circuit 11 and the switches 51 and 52 formed on the first base material 10 are compared with the configuration in which the semiconductor IC 70, the switches 51 and 52 are arranged on the same main surface of the module substrate 91. Since the control wiring to be connected and the transmission signal wiring connecting the power amplifier 21 and the switches 51 and 52 can be shortened, the transmission loss of the transmission signal and the control signal can be reduced.
- At least one of the first base material 10 and the second base material 20 may overlap with at least one of the switches 51 and 52.
- at least one of the control wiring and the transmission signal wiring can be shortened, so that the transmission loss of the high frequency module 1A can be reduced.
- the semiconductor IC 70 includes a first base material 10 and a second base material 20.
- FIG. 4 is a cross-sectional configuration diagram of the semiconductor IC 70 according to the first embodiment.
- FIG. 5 is a cross-sectional configuration diagram of the second base material 20 according to the first embodiment.
- the first base material 10 and the second base material 20 are laminated in the z-axis direction (vertical direction of the main surface 91a).
- the first base material 10 includes, for example, a Si substrate 12, an insulating layer 13, a Si layer 14, a wiring layer 15, and a SiN layer 17, and includes a SiN layer 17, a wiring layer 15, a Si layer 14, and insulation.
- the layer 13 and the Si substrate 12 are laminated in this order from the main surface 91a.
- the Si substrate 12 is made of, for example, a silicon single crystal.
- the Si layer 14 is, for example, a layer made of silicon, and is a layer on which circuit elements constituting the PA control circuit 11 are formed.
- the wiring layer 15 is, for example, a layer in which a via wiring 16 for transmitting a control signal from the PA control circuit 11 to the second base material 20 and the module substrate 91 is formed inside a layer made of silicon oxide. ..
- the SiN layer 17 is, for example, a protective layer made of silicon nitride, and is a layer for ensuring reliability such as moisture resistance of the first base material 10.
- the first base material 10 is connected to the main surface 91a via an electrode 24 (second electrode) extending from the first base material 10 toward the main surface 91a.
- the electrode 24 is composed of, for example, a columnar conductor 24a and a bump electrode 24b. One end of the columnar conductor 24a is bonded to the electrode 18 formed on the SiN layer 17, and the other end is bonded to the bump electrode 24b.
- the bump electrode 24b is connected to an electrode formed on the main surface 91a.
- the electronic circuit of the first base material 10 can directly exchange the high frequency signal and the digital signal with the module substrate 91, the signal transmission loss can be reduced.
- the first base material 10 may include a Si substrate 12 and an electronic circuit such as a PA control circuit 11, and may not have other layers. Further, the switches 53 and 54 may be included in the first base material 10.
- the first base material 10 has main surfaces 10a and 10b facing each other.
- the main surface 10b may be in contact with the metal shield layer 85.
- the heat generated by the power amplifier 21 of the second base material 20 can be dissipated to the outside via the first base material 10 and the metal shield layer 85. Therefore, the heat dissipation of the high frequency module 1A is improved.
- thermal conductivity of the first semiconductor material constituting the first substrate 10 may be higher than the thermal conductivity of the second semiconductor material constituting the second substrate 20.
- the heat dissipation from the second base material 20 to the first base material 10 is improved.
- the resin member 71 is arranged on the main surface 10a of the first base material 10. Further, the resin member 71 covers the second base material 20.
- the second base material 20 includes, for example, a GaAs base material layer 20n and an epitaxial layer 20d.
- the GaAs base material layer 20n is, for example, a single crystal substrate made of gallium arsenide.
- the epitaxial layer 20d is, for example, a layer in which GaAs is epitaxially grown on the GaAs base material layer 20n.
- the power amplifier 21 is formed on, for example, the epitaxial layer 20d.
- the GaAs base material layer 20n is joined to the SiN layer 17 of the first base material 10. That is, the second base material 20 is joined to the first base material 10.
- the power amplifier 21 includes an amplification transistor, which has a collector layer 21C, a base layer 21B, and an emitter layer 21E.
- the collector layer 21C, the base layer 21B, and the emitter layer 21E are laminated on the epitaxial layer 20d in this order. That is, in the amplification transistor, the collector layer 21C, the base layer 21B, and the emitter layer 21E are laminated in this order from the first base material 10 side.
- the second base material 20 is connected to the main surface 91a via an electrode 23 (first electrode) extending from the second base material 20 toward the main surface 91a.
- the electrode 23 is composed of, for example, a columnar conductor 23a and a bump electrode 23b, one end of the columnar conductor 23a is joined to the electrode 22 formed on the main surface of the second base material 20, and the other end is connected to the bump electrode 23b. It is joined.
- the bump electrode 23b is connected to an electrode formed on the main surface 91a.
- the amplifier circuit of the second base material 20 can directly exchange signals with the module substrate 91, the signal transmission loss can be reduced.
- the amplifier circuit of the second base material 20 may receive a digital control signal, a DC signal, or the like from the electronic circuit of the first base material 10 via the via wiring 16.
- the second base material 20 may be thinner than the first base material 10.
- the thickness of the second base material 20 in the thickness direction (z-axis direction) may be smaller than the thickness of the first base material 10 in the thickness direction (z-axis direction).
- the second base material 20 having a low thermal conductivity is relatively thin and the first base material 10 having a high thermal conductivity is relatively thick, the second base material 20 is changed to the first base material 10. Heat conduction is promoted and heat dissipation is improved.
- the second base material 20 does not protrude from the outer edge of the first base material 10.
- the area of the second base material 20 is smaller than the area of the first base material 10 in the above plan view.
- the high frequency module 1A is further formed in the module substrate 91 and includes a via conductor 91V connecting the main surfaces 91a and 91b.
- One end of the via conductor 91V is connected to the ground electrode of the power amplifier 21 on the main surface 91a, and the other end of the via conductor 91V is an external connection set to the ground potential of the plurality of external connection terminals 150 on the main surface 91b. It is connected to the terminal 150t.
- the power amplifier 21 is a component having a large amount of heat generation among the circuit components of the high frequency module 1A. In order to improve the heat dissipation of the high frequency module 1A, it is important to dissipate the heat generated by the power amplifier 21 to the external substrate through a heat dissipation path having a small thermal resistance. If the power amplifier 21 is mounted on the main surface 91b, the electrode wiring connected to the power amplifier 21 is arranged on the main surface 91b. Therefore, the heat dissipation path includes the heat dissipation path only via the plane wiring pattern (along the xy plane direction) on the main surface 91b. Since the plane wiring pattern is formed of a metal thin film, it has a large thermal resistance. Therefore, when the power amplifier 21 is arranged on the main surface 91b, the heat dissipation property is deteriorated.
- the high frequency module 1A is connected to the ground electrode of the power amplifier 21 on the main surface 91a for heat dissipation from the main surface 91a to the main surface 91b.
- a via conductor 91V is further provided. Further, the via conductor 91V is connected to the external connection terminal 150t set to the ground potential on the main surface 91b.
- the power amplifier 21 and the external connection terminal 150t can be connected via the via conductor 91V for heat dissipation. Therefore, as the heat dissipation path of the power amplifier 21, it is possible to eliminate the heat dissipation path via only the plane wiring pattern along the xy plane direction having a large thermal resistance among the wiring in the module board 91. Therefore, it is possible to provide a small high frequency module 1A having improved heat dissipation from the power amplifier 21 to the external substrate.
- the switches 51 and 52 are included in the semiconductor IC 75. According to this, the high frequency module 1A can be miniaturized.
- the low noise amplifier 31, the switch 53 and 54 are included in the semiconductor IC 76. According to this, the high frequency module 1A can be miniaturized.
- the semiconductor IC 70 and the low noise amplifier 31 do not overlap.
- the matching circuit 43 (second impedance matching circuit) connected to the input terminal of the low noise amplifier 31 is arranged on the main surface 91a and connected to the output terminal of the power amplifier 21.
- the matching circuit 42 (first impedance matching circuit) is arranged on the main surface 91b.
- FIG. 6 is a schematic plan view of the high frequency module 1B according to the second embodiment.
- FIG. 7 is a schematic cross-sectional configuration diagram of the high frequency module 1B according to the second embodiment, and specifically, is a cross-sectional view taken along the line VII-VII of FIG.
- FIG. 6A shows a layout of circuit components of the main surfaces 91a and 91b of the module board 91 facing each other when the main surface 91a is viewed from the positive direction side of the z-axis. ..
- FIG. 6B shows a perspective view of the arrangement of circuit components when the main surface 91b is viewed from the positive direction side of the z-axis.
- each circuit component is marked to indicate its function so that the arrangement relationship of each circuit component can be easily understood, but the mark is attached to the actual high frequency module 1B. do not have.
- the high frequency module 1B according to the second embodiment specifically shows the arrangement configuration of each circuit element constituting the high frequency module 1 according to the embodiment.
- the high-frequency module 1B according to the present embodiment further includes a module substrate 91, resin members 92 and 93, and an external connection terminal 150. It has a metal shield layer 85 and a semiconductor IC 70.
- the high frequency module 1B according to the present embodiment differs from the high frequency module 1A according to the first embodiment only in the arrangement configuration of the semiconductor IC 70, the switches 51 and 52, and the matching circuit 42.
- the same configuration as the high frequency module 1A according to the first embodiment will be omitted, and different configurations will be mainly described.
- the module board 91 has a main surface 91a and a main surface 91b facing each other, and is a board on which circuit components constituting the high frequency module 1B are mounted.
- the main surface 91a corresponds to the second main surface
- the main surface 91b corresponds to the first main surface.
- the switches 51 and 52, the duplexers 61 and 62, and the matching circuits 42, 43, 44 and 45 are arranged on the main surface 91a.
- the semiconductor IC 70, the low noise amplifier 31, and the switches 53 and 54 are arranged on the main surface 91b.
- a plurality of external connection terminals 150 are arranged on the main surface 91b.
- the semiconductor IC 70 is arranged on the main surface 91b and at least one of the switches 51 and 52 is arranged on the main surface 91a. It may be arranged on either the main surface 91a or 91b.
- the second base material 20 is arranged between the module substrate 91 and the first base material 10, is bonded to the first base material 10, and is connected to the main surface 91b via the electrode 23. Has been done.
- the semiconductor IC 70 is arranged on the main surface 91b, and the switches 51 and 52 are arranged on the main surface 91a.
- the circuit components constituting the high frequency module 1B are distributed and arranged on both sides of the module board 91, so that the high frequency module 1B can be miniaturized.
- the PA control circuit 11 and the switches 51 and 52 formed on the first base material 10 are compared with the configuration in which the semiconductor IC 70, the switches 51 and 52 are arranged on the same main surface of the module substrate 91. Since the control wiring to be connected and the transmission signal wiring connecting the power amplifier 21 and the switches 51 and 52 can be shortened, the transmission loss of the transmission signal and the control signal can be reduced.
- At least one of the first base material 10 and the second base material 20 may overlap with at least one of the switches 51 and 52.
- at least one of the control wiring and the transmission signal wiring can be shortened, so that the transmission loss of the high frequency module 1B can be reduced.
- a ground terminal 150 g arranged on the main surface 91b is arranged between the semiconductor IC 70 and the low noise amplifier 31.
- the ground terminal 150g is a terminal set to the ground potential among the plurality of external connection terminals 150, and may be a columnar electrode penetrating the resin member 93 in the z-axis direction, or may be a main surface 91b. It may be a bump electrode formed on the top.
- the ground terminal 150 g is arranged between the semiconductor IC 70 including the power amplifier 21 and the low noise amplifier 31, the isolation between transmission and reception is improved.
- the high frequency module 1A according to the first embodiment and the high frequency module 1B according to the second embodiment are composed of a module substrate 91 having main surfaces 91a and 91b facing each other and at least a part thereof made of a first semiconductor material, and are electronic circuits.
- the switch 51 or 52 is the main. It is arranged on the other side of the surfaces 91a and 91b.
- the first base material 10 and the second base material 20 are arranged on the main surface 91a, and the switch 51 or 52 is arranged on the main surface 91b.
- the high frequency modules 1A and 1B can be miniaturized. Therefore, it is possible to provide miniaturized multi-band compatible high frequency modules 1A and 1B.
- At least a part of the first base material 10 is made of silicon or gallium nitride
- at least a part of the second base material is composed of silicon or gallium nitride. It may be composed of gallium arsenide or silicon germanium.
- the high frequency module 1A according to the first embodiment and the high frequency module 1B according to the second embodiment when the module substrate 91 is viewed in a plan view, at least one of the first base material 10 and the second base material 20 and the switch 51 or 52 are used. May overlap at least partially.
- the PA control formed on the first base material 10 is compared with the configuration in which the first base material 10, the second base material 20, the switches 51 and 52 are arranged on the same main surface of the module board 91. Since the control wiring connecting the circuit 11 and the switches 51 and 52 and the transmission signal wiring connecting the power amplifier 21 and the switches 51 and 52 can be shortened, the transmission loss of the transmission signal and the control signal can be reduced.
- the high frequency module 1A according to the first embodiment and the high frequency module 1B according to the second embodiment further include a transmission filter 61T having at least a part of the transmission band of the communication band A as a pass band, and a transmission band of the communication band B.
- a transmission filter 62T having at least a part of the pass band, and a switch 52 are connected between the output terminal of the power amplifier 21 and the transmission filters 61T and 62T, and the output terminal and the transmission filter 61T are connected to each other. Then, the connection between the output terminal and the transmission filter 62T may be switched.
- the switch 51 is connected to the input terminal of the power amplifier 21, and the transmission input terminal 121 and the input terminal into which the transmission signal is input. You may switch between connected and disconnected.
- the thermal conductivity of the first semiconductor material may be higher than the thermal conductivity of the second semiconductor material.
- the heat dissipation from the second base material 20 to the first base material 10 is improved.
- the first base material 10 may be connected to one of the main surfaces 91a and 91b via the electrode 24.
- the electronic circuit of the first base material 10 can directly exchange the high frequency signal and the digital signal with the module substrate 91, the signal transmission loss can be reduced.
- the power amplifier 21 includes an amplification transistor having a collector layer 21C, a base layer 21B, and an emitter layer 21E, and is on the first base material 10 side. Therefore, the collector layer 21C, the base layer 21B, and the emitter layer 21E may be laminated in this order.
- the electronic circuit may include a PA control circuit 11 for controlling the power amplifier 21.
- control wiring connecting the power amplifier 21 and the PA control circuit 11 can be shortened.
- the high frequency module 1A according to the first embodiment and the high frequency module 1B according to the second embodiment may further include a plurality of external connection terminals 150 arranged on the main surface 91b.
- the high frequency module 1A is further formed in the module substrate 91 and includes a via conductor 91V connecting the main surfaces 91a and 91b, and one end of the via conductor 91V is a power amplifier 21 on the main surface 91a.
- the other end of the via conductor 91V connected to the ground electrode may be connected to the external connection terminal 150t set to the ground potential among the plurality of external connection terminals 150 on the main surface 91b.
- the heat dissipation path of the power amplifier 21 it is possible to eliminate the heat dissipation path via only the plane wiring pattern along the xy plane direction having a large thermal resistance among the wiring in the module board 91. Therefore, it is possible to provide a small high frequency module 1A having improved heat dissipation from the power amplifier 21 to the external substrate.
- the switches 51 and 52 may be included in the semiconductor IC 75.
- the high frequency modules 1A and 1B can be miniaturized.
- the high frequency module 1A further includes a low noise amplifier 31 arranged on the main surface 91b, and when the module substrate 91 is viewed in a plan view, it is as low as the first substrate 10 and the second substrate 20. It does not have to overlap with the noise amplifier 31.
- the high frequency module 1A is further connected to the output terminal of the power amplifier 21, the matching circuit 42 arranged on the main surface 91b, and the input terminal of the low noise amplifier 31, and is connected to the main surface 91a.
- the matching circuit 43 arranged in may be provided.
- the module substrate 91 when the module substrate 91 is viewed in a plan view, the module substrate 91 is arranged on the main surface 91b between the first substrate 10 and the second substrate 20 and the low noise amplifier 31.
- the ground terminal 150 g may be arranged.
- the communication device 5 includes an RFIC 3 that processes a high frequency signal transmitted and received by the antenna 2, and a high frequency module 1 that transmits a high frequency signal between the antenna 2 and the RFIC 3.
- the present invention can be widely used in communication devices such as mobile phones as a high-frequency module arranged in a multi-band compatible front end portion.
- RFIC RF Signal Processing Circuit
- BBIC Baseband signal processing circuit
- Communication device 10 1st base material 10a, 10b, 91a, 91b Main surface 11 PA control circuit 12 Si substrate 13 Insulation layer 14 Si layer 15 Wiring layer 16 Via wiring 17 SiN layer 18, 22, 23, 24 Electrode 20 Second Base material 20d epitaxial layer 20n GaAs base material layer 21 power amplifier 21B base layer 21C collector layer 21E emitter layer 23a, 24a columnar conductor 23b, 24b bump electrode 31 low noise amplifier 42, 43, 44, 45 matching circuit 51, 52, 53 , 54 Switch 61, 62 Duplexer 61R, 62R Receive filter 61T, 62T Transmit filter 70, 75, 76 Semiconductor IC 71, 92, 93 Resin member 85 Metal shield layer 91 Module board 91V Via conductor 100 Antenna connection terminal 110 Control signal terminal 121, 122 Transmission input terminal 130 Reception output terminal 150,
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Abstract
高周波モジュール(1A)は、互いに対向する主面(91aおよび91b)を有するモジュール基板(91)と、少なくとも一部が第1半導体材料で構成され、電子回路が形成された第1基材(10)と、少なくとも一部が第1半導体材料と異なる第2半導体材料で構成され、電力増幅器(21)が形成された第2基材(20)と、電力増幅器(21)の出力端子に接続されたスイッチ(52)と、を備え、第1基材(10)は主面(91a)に配置されており、第2基材(20)は、モジュール基板(91)および第1基材(10)の間に配置され、第1基材(10)と接合されており、電極(23)を介して主面(91a)に接続されており、スイッチ(52)は主面(91b)に配置されている。
Description
本発明は、高周波モジュールおよび通信装置に関する。
携帯電話などの移動体通信機器では、特に、マルチバンド化の進展に伴い、高周波フロントエンド回路を構成する回路素子の配置構成が複雑化されている。
特許文献1には、パッケージ基板上に配置された電力増幅器およびコントローラを備える高周波モジュールが開示されている。特許文献1の高周波モジュールでは、電力増幅器とコントローラとを積層配置することで高周波モジュールの小型化を図っている。
しかしながら、移動体通信におけるマルチバンド化の進展に伴い、スイッチなどの回路部品の部品点数が多くなり、上記従来技術だけでは、高周波モジュールをさらに小型化することが困難となっている。
そこで、本発明は、小型化されたマルチバンド対応の高周波モジュールおよび通信装置を提供する。
本発明の一態様に係る高周波モジュールは、互いに対向する第1主面および第2主面を有するモジュール基板と、少なくとも一部が第1半導体材料で構成され、電子回路が形成された第1基材と、少なくとも一部が第1半導体材料と異なる第2半導体材料で構成され、電力増幅器が形成された第2基材と、電力増幅器の入力端子または出力端子に接続された第1スイッチと、を備え、第1基材は第1主面に配置されており、第2基材は、モジュール基板および第1基材の間に配置され、第1基材と接合されており、第1電極を介して第1主面に接続されており、第1スイッチは第2主面に配置されている。
本発明によれば、小型化されたマルチバンド対応の高周波モジュールおよび通信装置を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施例における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさまたは大きさの比は、必ずしも厳密ではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する場合がある。
また、以下において、平行および垂直等の要素間の関係性を示す用語、矩形状等の要素の形状を示す用語、ならびに、数値範囲は、厳格な意味のみを表すのではなく、実質的に同等な範囲、例えば数%程度の差異をも含むことを意味する。
また、以下において、「Aが基板の第1主面に配置されている」とは、Aが第1主面上に直接実装されているだけでなく、基板で隔された第1主面側の空間および第2主面側の空間のうち、Aが第1主面側の空間に配置されていることを意味する。つまり、Aが第1主面上に、その他の回路素子や電極などを介して実装されていることを含む。
また、本開示の回路構成において、「接続される」とは、接続端子および/または配線導体で直接接続される場合だけでなく、他の回路部品を介して電気的に接続される場合も含む。また、「AおよびBの間に接続される」とは、AおよびBの間でAおよびBの両方に接続されることを意味する。
以下の各図において、x軸およびy軸は、モジュール基板の主面と平行な平面上で互いに直交する軸である。また、z軸は、モジュール基板の主面に垂直な軸であり、その正方向は上方向を示し、その負方向は下方向を示す。
また、本開示のモジュール構成において、「平面視」とは、z軸正側からxy平面に物体を正投影して見ることを意味する。「部品が基板の主面に配置される」とは、部品が基板の主面と接触した状態で主面上に配置されることに加えて、部品が主面と接触せずに主面の上方に配置されること、および、部品の一部が主面側から基板内に埋め込まれて配置されることを含む。
また、以下において、基板に実装されたA、BおよびCにおいて、「基板(または基板の主面)の平面視において、AとBとの間にCが配置されている」とは、基板の平面視においてA内の任意の点とB内の任意の点とを結ぶ複数の線分の少なくとも1つがCの領域を通ることを意味する。また、基板の平面視とは、基板および基板に実装された回路素子を基板の主面に平行な平面に正投影して見ることを意味する。
また、以下において、「送信経路」とは、高周波送信信号が伝搬する配線、当該配線に直接接続された電極、および当該配線または当該電極に直接接続された端子等で構成された伝送線路であることを意味する。また、「受信経路」とは、高周波受信信号が伝搬する配線、当該配線に直接接続された電極、および当該配線または当該電極に直接接続された端子等で構成された伝送線路であることを意味する。
(実施の形態)
[1.高周波モジュール1および通信装置5の回路構成]
図1は、実施の形態に係る高周波モジュール1および通信装置5の回路構成図である。同図に示すように、通信装置5は、高周波モジュール1と、アンテナ2と、RF信号処理回路(RFIC)3と、ベースバンド信号処理回路(BBIC)4と、を備える。
[1.高周波モジュール1および通信装置5の回路構成]
図1は、実施の形態に係る高周波モジュール1および通信装置5の回路構成図である。同図に示すように、通信装置5は、高周波モジュール1と、アンテナ2と、RF信号処理回路(RFIC)3と、ベースバンド信号処理回路(BBIC)4と、を備える。
RFIC3は、アンテナ2で送受信される高周波信号を処理するRF信号処理回路である。具体的には、RFIC3は、高周波モジュール1の受信経路を介して入力された受信信号を、ダウンコンバートなどにより信号処理し、当該信号処理して生成された受信信号をBBIC4へ出力する。また、RFIC3は、BBIC4から入力された信号に基づいて処理された高周波送信信号を、高周波モジュール1の送信経路に出力する。
BBIC4は、高周波モジュール1を伝送する高周波信号よりも低い周波数の信号を用いてデータ処理する回路である。BBIC4で処理された信号は、例えば、画像表示のための画像信号として使用され、または、スピーカを介した通話のために音声信号として使用される。
また、RFIC3は、使用される通信バンド(周波数帯域)に基づいて、高周波モジュール1が有するスイッチ51、52、53および54の接続を制御する制御部としての機能を有する。具体的には、RFIC3は、制御信号(図示せず)により高周波モジュール1が有するスイッチ51~54の接続を切り替える。なお、制御部は、RFIC3の外部に設けられていてもよく、例えば、高周波モジュール1またはBBIC4に設けられていてもよい。
また、RFIC3は、高周波モジュール1が有する電力増幅器21の利得、電力増幅器21に供給される電源電圧Vccおよびバイアス電圧Vbiasを制御する制御部としての機能も有する。具体的には、RFIC3はディジタル制御信号を高周波モジュール1の制御信号端子110に出力する。PA制御回路11は、制御信号端子110を介して入力されたディジタル制御信号によって、電力増幅器21に制御信号、電源電圧Vccまたはバイアス電圧Vbiasを出力することで、電力増幅器21の利得を調整する。なお、電力増幅器21の利得を制御するディジタル制御信号をRFIC3から受ける制御信号端子と、電力増幅器21に供給される電源電圧Vccおよびバイアス電圧Vbiasを制御するディジタル制御信号をRFIC3から受ける制御信号端子とは、異なっていてもよい。
アンテナ2は、高周波モジュール1のアンテナ接続端子100に接続され、高周波モジュール1から出力された高周波信号を放射し、また、外部からの高周波信号を受信して高周波モジュール1へ出力する。
なお、本実施の形態に係る通信装置5において、アンテナ2およびBBIC4は、必須の構成要素ではない。
次に、高周波モジュール1の詳細な構成について説明する。
図1に示すように、高周波モジュール1は、アンテナ接続端子100と、送信入力端子121および122と、受信出力端子130と、電力増幅器21と、制御信号端子110と、PA制御回路11と、低雑音増幅器31と、送信フィルタ61Tおよび62Tと、受信フィルタ61Rおよび62Rと、整合回路42、43、44および45と、スイッチ51、52、53および54と、を備える。
アンテナ接続端子100は、アンテナ2に接続されるアンテナ共通端子である。
電力増幅器21は、送信入力端子121および122から入力された第1通信バンドおよび第2通信バンドの高周波信号を増幅する増幅回路である。電力増幅器21は、第2基材20に含まれている。第2基材20は、例えば、少なくとも一部がGaAsで構成されている。電力増幅器21は、例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)を含む。
PA制御回路11は、制御信号端子110を介して入力されたディジタル制御信号などによって、電力増幅器21の利得を調整する制御回路の一例である。PA制御回路11は、第1基材10に含まれており、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)で構成されている。具体的には、PA制御回路11は、SOI(Silicon On Insulator)プロセスにより形成されている。これにより、PA制御回路11を安価に製造することが可能となる。なお、第1基材10は、例えば、少なくとも一部がSiで構成されている。
低雑音増幅器31は、通信バンドAおよび通信バンドBの高周波信号を低雑音で増幅し、受信出力端子130へ出力する増幅器である。
送信フィルタ61Tは、第1送信フィルタの一例であり、電力増幅器21とアンテナ接続端子100とを結ぶ送信経路に配置され、電力増幅器21で増幅された送信信号のうち、通信バンドAの送信帯域の送信信号を通過させる。また、送信フィルタ62Tは、第2送信フィルタの一例であり、電力増幅器21とアンテナ接続端子100とを結ぶ送信経路に配置され、電力増幅器21で増幅された送信信号のうち、通信バンドBの送信帯域の送信信号を通過させる。
受信フィルタ61Rは、低雑音増幅器31とアンテナ接続端子100とを結ぶ受信経路に配置され、アンテナ接続端子100から入力された受信信号のうち、通信バンドAの受信帯域の受信信号を通過させる。また、受信フィルタ62Rは、低雑音増幅器31とアンテナ接続端子100とを結ぶ受信経路に配置され、アンテナ接続端子100から入力された受信信号のうち、通信バンドBの受信帯域の受信信号を通過させる。
送信フィルタ61Tおよび受信フィルタ61Rは、通信バンドAを通過帯域とするデュプレクサ61を構成している。また、送信フィルタ62Tおよび受信フィルタ62Rは、通信バンドBを通過帯域とするデュプレクサ62を構成している。
なお、デュプレクサ61および62のそれぞれは、時分割複信(TDD:Time Division Duplex)方式で伝送する1つのフィルタであってもよい。この場合には、上記1つのフィルタの前段および後段の少なくとも一方に、送信および受信を切り替えるスイッチが配置される。
整合回路42は、電力増幅器21と送信フィルタ61Tおよび62Tとを結ぶ送信経路に配置され、電力増幅器21と送信フィルタ61Tおよび62Tとのインピーダンス整合をとる。
整合回路43は、低雑音増幅器31と受信フィルタ61Rおよび62Rとを結ぶ受信経路に配置され、低雑音増幅器31と受信フィルタ61Rおよび62Rとのインピーダンス整合をとる。
整合回路44は、スイッチ54とデュプレクサ61とを結ぶ経路に配置され、アンテナ2およびスイッチ54と、デュプレクサ61とのインピーダンス整合をとる。整合回路45は、スイッチ54とデュプレクサ62とを結ぶ経路に配置され、アンテナ2およびスイッチ54と、デュプレクサ62とのインピーダンス整合をとる。
スイッチ51は、第1スイッチの一例であり、共通端子および2つの選択端子を有する。スイッチ51の共通端子は、電力増幅器21の入力端子に接続されている。スイッチ51の一方の選択端子は送信入力端子121に接続され、スイッチ51の他方の選択端子は送信入力端子122に接続されている。つまり、スイッチ51は、電力増幅器21の入力端子に接続され、送信入力端子121と当該入力端子との接続および非接続を切り替える。また、スイッチ51は、電力増幅器21の入力端子に接続され、送信入力端子122と当該入力端子との接続および非接続を切り替える。スイッチ51は、例えば、SPDT(Single Pole Double Throw)型のスイッチ回路で構成される。
なお、送信入力端子121からは、例えば、通信バンドAの送信信号が入力され、送信入力端子122からは、例えば、通信バンドBの送信信号が入力される。
また、送信入力端子121からは、例えば、第4世代移動通信システム(4G)における通信バンドAまたはBの送信信号が入力され、送信入力端子122からは、例えば、第5世代移動通信システム(5G)における通信バンドAまたはBの送信信号が入力されてもよい。
また、スイッチ51は、共通端子が1つの送信入力端子に接続され、一方の選択端子が通信バンドAの送信信号を増幅する第1電力増幅器に接続され、他方の選択端子が通信バンドBの送信信号を増幅する第2電力増幅器に接続された構成を有していてもよい。
また、スイッチ51は、2つの共通端子と2つの選択端子とを有するDPDT(Double Pole Double Throw)型のスイッチ回路で構成されていてもよい。この場合には、送信入力端子121が一方の共通端子と接続され、送信入力端子122が他方の共通端子と接続される。また、一方の選択端子が通信バンドAの送信信号を増幅する第1電力増幅器に接続され、他方の選択端子が通信バンドBの送信信号を増幅する第2電力増幅器に接続される。この接続構成において、スイッチ51は、一方の共通端子と一方の選択端子との接続および一方の共通端子と他方の選択端子との接続を切り替え、また、他方の共通端子と一方の選択端子との接続および他方の共通端子と他方の選択端子との接続を切り替える。
この場合には、例えば、送信入力端子121から通信バンドAの送信信号が入力され、送信入力端子122から通信バンドBの送信信号が入力される。また、例えば、送信入力端子121から4Gにおける通信バンドAおよび通信バンドBの送信信号が入力され、送信入力端子122から5Gにおける通信バンドAおよび通信バンドBの送信信号が入力されてもよい。
スイッチ52は、第1スイッチの一例であり、共通端子および2つの選択端子を有する。スイッチ52の共通端子は、整合回路42を介して電力増幅器21の出力端子に接続されている。スイッチ52の一方の選択端子は送信フィルタ61Tに接続され、スイッチ52の他方の選択端子は送信フィルタ62Tに接続されている。つまり、スイッチ52は、電力増幅器21の出力端子と送信フィルタ61Tおよび62Tとの間に接続され、当該出力端子と送信フィルタ61Tとの接続、および、当該出力端子と送信フィルタ62Tとの接続を切り替える。スイッチ52は、例えば、SPDT型のスイッチ回路で構成される。
スイッチ53は、共通端子および2つの選択端子を有する。スイッチ53の共通端子は、整合回路43を介して低雑音増幅器31の入力端子に接続されている。スイッチ53の一方の選択端子は受信フィルタ61Rに接続され、スイッチ53の他方の選択端子は受信フィルタ62Rに接続されている。この接続構成において、スイッチ53は、共通端子と一方の選択端子との接続、および、共通端子と他方の選択端子との接続、を切り替える。つまり、スイッチ53は、低雑音増幅器31と通信バンドAの受信信号を伝送する受信経路との接続、および、低雑音増幅器31と通信バンドBの受信信号を伝送する受信経路との接続、を切り替える。スイッチ53は、例えば、SPDT型のスイッチ回路で構成される。
スイッチ54は、アンテナスイッチの一例であり、アンテナ接続端子100に接続され、(1)アンテナ接続端子100と通信バンドAの送信信号および受信信号を伝送する信号経路との接続、ならびに(2)アンテナ接続端子100と通信バンドBの送信信号および受信信号を伝送する信号経路との接続、を切り替える。なお、スイッチ54は、上記(1)および(2)を同時に行うことが可能なマルチ接続型のスイッチ回路であってもよい。
なお、スイッチ54とアンテナ接続端子100との間に、マルチプレクサが配置されていてもよい。
なお、送信フィルタ61T、62T、受信フィルタ61R、62Rは、例えば、SAW(Surface Acoustic Wave)を用いた弾性波フィルタ、BAW(Bulk Acoustic Wave)を用いた弾性波フィルタ、LC共振フィルタ、および誘電体フィルタのいずれかであってもよく、さらには、これらには限定されない。
また、電力増幅器21および低雑音増幅器31は、例えば、Si系のCMOSまたはGaAsを材料とした、電界効果型トランジスタ(FET)またはヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)などで構成される。
また、低雑音増幅器31、スイッチ53および54は、1つの半導体ICに形成されていてもよい。半導体ICは、例えば、CMOSで構成されている。具体的には、SOIプロセスにより形成されている。これにより、半導体ICを安価に製造することが可能となる。なお、半導体ICは、GaAs、SiGeおよびGaNの少なくともいずれかで構成されていてもよい。これにより、高品質な増幅性能および雑音性能を有する高周波信号を出力することが可能となる。
上記回路構成によれば、高周波モジュール1は、通信バンドAの高周波信号および通信バンドBの高周波信号のいずれかを、単独で送信、受信、または送受信することが可能である。さらに、高周波モジュール1は、通信バンドAの高周波信号と、通信バンドBの高周波信号とを、同時送信、同時受信、および同時送受信の少なくともいずれかで実行することも可能である。
なお、本実施の形態に係る高周波モジュール1では、図1に示された回路部品および回路素子のうち、電力増幅器21と、スイッチ51または52とを少なくとも備えていればよい。
ここで、移動体通信におけるマルチバンド化の進展に伴い、高周波モジュールの回路部品の部品点数が多くなり、高周波モジュールを小型化することが困難となっている。
これに対して、以下では、小型化されたマルチバンド対応の高周波モジュール1の構成について説明する。
[2.実施例1に係る高周波モジュール1Aの回路素子配置構成]
図2は、実施例1に係る高周波モジュール1Aの平面構成概略図である。また、図3は、実施例1に係る高周波モジュール1Aの断面構成概略図であり、具体的には、図2のIII-III線における断面図である。なお、図2の(a)には、モジュール基板91の互いに対向する主面91aおよび91bのうち、主面91aをz軸正方向側から見た場合の回路部品の配置図が示されている。一方、図2の(b)には、主面91bをz軸正方向側から見た場合の回路部品の配置を透視した図が示されている。また、図2では、各回路部品の配置関係が容易に理解されるよう各回路部品にはその機能を表すマークが付されているが、実際の高周波モジュール1Aには、当該マークは付されていない。
図2は、実施例1に係る高周波モジュール1Aの平面構成概略図である。また、図3は、実施例1に係る高周波モジュール1Aの断面構成概略図であり、具体的には、図2のIII-III線における断面図である。なお、図2の(a)には、モジュール基板91の互いに対向する主面91aおよび91bのうち、主面91aをz軸正方向側から見た場合の回路部品の配置図が示されている。一方、図2の(b)には、主面91bをz軸正方向側から見た場合の回路部品の配置を透視した図が示されている。また、図2では、各回路部品の配置関係が容易に理解されるよう各回路部品にはその機能を表すマークが付されているが、実際の高周波モジュール1Aには、当該マークは付されていない。
実施例1に係る高周波モジュール1Aは、実施の形態に係る高周波モジュール1を構成する各回路素子の配置構成を具体的に示したものである。
図2および図3に示すように、本実施例に係る高周波モジュール1Aは、図1に示された回路構成に加えて、さらに、モジュール基板91と、樹脂部材92および93と、外部接続端子150と、金属シールド層85と、半導体IC70と、を有している。
半導体IC70には、図1に示された電力増幅器21およびPA制御回路11が含まれる。
モジュール基板91は、互いに対向する主面91aおよび主面91bを有し、高周波モジュール1Aを構成する回路部品を実装する基板である。モジュール基板91としては、例えば、複数の誘電体層の積層構造を有する低温同時焼成セラミックス(Low Temperature Co-fired Ceramics:LTCC)基板、高温同時焼成セラミックス(High Temperature Co-fired Ceramics:HTCC)基板、部品内蔵基板、再配線層(Redistribution Layer:RDL)を有する基板、または、プリント基板等が用いられる。
なお、本実施例では、主面91aは第1主面に相当し、主面91bは第2主面に相当する。
なお、図2の(b)に示すように、主面91b上に、アンテナ接続端子100、制御信号端子110、送信入力端子121および122、ならびに受信出力端子130が形成されていてもよい。
樹脂部材92は、主面91aに配置され、高周波モジュール1Aを構成する回路部品の一部および主面91aを覆っている。樹脂部材93は、主面91bに配置され、高周波モジュール1Aを構成する回路部品の一部および主面91bを覆っている。樹脂部材92および93は、高周波モジュール1Aを構成する回路部品の機械強度および耐湿性などの信頼性を確保する機能を有している。なお、樹脂部材92および93は、本実施の形態に係る高周波モジュール1に必須の構成要素ではない。
本実施例では、整合回路42、43、44および45は、それぞれインダクタを含む。
図2および図3に示すように、本実施例に係る高周波モジュール1Aでは、半導体IC70、デュプレクサ61および62、整合回路43、44および45は、主面91aに配置されている。一方、低雑音増幅器31、スイッチ51~54、および整合回路42は、主面91bに配置されている。
なお、図2には図示していないが、図1に示された、各回路部品を接続する配線は、モジュール基板91の内部、主面91aおよび91bに形成されている。また、上記配線は、両端が主面91a、91bおよび高周波モジュール1Aを構成する回路部品のいずれかに接合されたボンディングワイヤであってもよく、また、高周波モジュール1Aを構成する回路部品の表面に形成された端子、電極または配線であってもよい。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Aでは、主面91bに複数の外部接続端子150が配置されている。高周波モジュール1Aは、高周波モジュール1Aのz軸負方向側に配置される外部基板と、複数の外部接続端子150を経由して、電気信号のやりとりを行う。また、複数の外部接続端子150のいくつかは、外部基板のグランド電位に設定される。主面91aおよび91bのうち、外部基板と対向する主面91bには、低背化が困難な回路部品が配置されず、低背化が容易な低雑音増幅器31およびスイッチ51~54が配置されている。なお、本実施例に係る高周波モジュール1Aにおいて、整合回路42のインダクタは、例えば、Si基板の内部または表面に集積実装された集積型受動素子(IPD:Integrated Passive Device)であってもよい。この構成によれば、整合回路42のインダクタが、低背化が可能なIPDで構成されているので、主面91b側を低背化できる。
なお、外部接続端子150は、図2および図3に示すように、樹脂部材93をz軸方向に貫通する柱状電極であってもよいし、また、外部接続端子150は、主面91b上に形成されたバンプ電極であってもよい。この場合には、主面91b上の樹脂部材93はなくてもよい。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Aにおいて、半導体IC70が主面91aに配置され、スイッチ51および52の少なくとも1つが主面91bに配置されていることは必須であり、その他の回路部品は、主面91aおよび91bのいずれに配置されていてもよい。
半導体IC70は、第1基材10および第2基材20を含む。
第1基材10は、少なくとも一部が第1半導体材料で構成され、電子回路が形成されている。PA制御回路11は上記電子回路の一例であり、第1半導体材料の一例として、単体半導体が挙げられ、特にシリコン(Si)または窒化ガリウム(GaN)が挙げられる。つまり、本実施例では、第1基材10は、少なくとも一部がSiまたはGaNで構成され、PA制御回路11が形成されている。なお、第1半導体材料は、シリコンまたは窒化ガリウムに限定されない。例えば、第1半導体材料としては、ガリウムヒ素、ヒ化アルミニウム(AlAs)、ヒ化インジウム(InAs)、リン化インジウム(InP)、リン化ガリウム(GaP)、アンチモン化インジウム(InSb)、窒化ガリウム、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)、シリコン、ゲルマニウム(Ge)、炭化シリコン(SiC)、および、酸化ガリウム(III)(Ga2O3)のいずれかを含む材料またはこれら材料のうち複数の材料からなる多元系混晶材料を用いることができ、これらに限定されない。
第2基材20は、少なくとも一部が第1半導体材料と異なる第2半導体材料で構成され、増幅回路が形成されている。電力増幅器21は、上記増幅回路の一例であり、第2半導体材料の一例として、化合物半導体が挙げられ、特にガリウムヒ素(GaAs)またはシリコンゲルマニウム(SiGe)が挙げられる。つまり、本実施例では、第2基材20は、少なくとも一部がGaAsまたはSiGeで構成され、電力増幅器21が形成されている。なお、第2半導体材料は、ガリウムヒ素またはシリコンゲルマニウムに限定されない。例えば、第2半導体材料としては、ガリウムヒ素、ヒ化アルミニウム、ヒ化インジウム、リン化インジウム、リン化ガリウム、アンチモン化インジウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、酸化ガリウム(III)、および、ガリウムビスマス(GaBi)のいずれかを含む材料またはこれら材料のうち複数の材料からなる多元系混晶材料を用いることができ、これらに限定されない。
図3に示すように、第2基材20は、モジュール基板91および第1基材10の間に配置され、第1基材10と接合されており、電極23を介して主面91aに接続されている。
上記構成によれば、半導体IC70が主面91aに配置され、スイッチ51および52が主面91bに配置されている。これにより、高周波モジュール1Aを構成する回路部品が、モジュール基板91の両面に振り分けられて配置されているので、高周波モジュール1Aを小型化できる。
また、図2および図3に示すように、モジュール基板91を平面視した場合、半導体IC70と、スイッチ51および52とは、少なくとも一部重なっている。
これによれば、半導体IC70、スイッチ51および52がモジュール基板91の同一主面に配置された構成と比較して、第1基材10に形成されたPA制御回路11とスイッチ51および52とを接続する制御配線、および、電力増幅器21とスイッチ51および52とを接続する送信信号配線を短くできるので、送信信号および制御信号の伝送損失を低減できる。
なお、第1基材10および第2基材20の少なくとも一方と、スイッチ51および52の少なくとも一方とが重なっていてもよい。これにより、上記制御配線および上記送信信号配線の少なくとも一方を短くできるので、高周波モジュール1Aの伝送損失を低減できる。
以下、半導体IC70について詳細に説明する。上述したように、半導体IC70は、第1基材10および第2基材20を含む。
図4は、実施例1に係る半導体IC70の断面構成図である。また、図5は、実施例1に係る第2基材20の断面構成図である。
図4に示すように、第1基材10と第2基材20とは、z軸方向(主面91aの垂直方向)に積層されている。
第1基材10は、例えば、Si基板12と、絶縁層13と、Si層14と、配線層15と、SiN層17と、を備え、SiN層17、配線層15、Si層14、絶縁層13、およびSi基板12が、主面91aからこの順で積層されている。
Si基板12は、例えば、シリコン単結晶で構成されている。
Si層14は、例えば、シリコンからなる層であり、PA制御回路11を構成する回路素子が形成されている層である。
配線層15は、例えば、酸化シリコンからなる層の内部に、PA制御回路11からの制御信号を第2基材20およびモジュール基板91に伝達するためのビア配線16が形成されている層である。
SiN層17は、例えば、窒化シリコンからなる保護層であり、第1基材10の耐湿性などの信頼性を確保するための層である。
第1基材10は、第1基材10から主面91aに向かって延びる電極24(第2電極)を介して主面91aに接続されている。電極24は、例えば、柱状導体24aおよびバンプ電極24bで構成されており、柱状導体24aの一端がSiN層17に形成された電極18に接合され、他端がバンプ電極24bに接合されている。バンプ電極24bは、主面91aに形成された電極と接続される。
これによれば、第1基材10の電子回路は、モジュール基板91と高周波信号およびディジタル信号を直接やりとりできるので、信号の伝送損失を低減できる。
なお、第1基材10は、Si基板12と、PA制御回路11などの電子回路と、を備えていればよく、その他の各層はなくてもよい。また、スイッチ53および54は、第1基材10に含まれていてもよい。
また、図4に示すように、第1基材10は、互いに対向する主面10aおよび10bを有する。なお、主面10bは、金属シールド層85と接触していてもよい。
これによれば、第2基材20の電力増幅器21で発生した熱を、第1基材10および金属シールド層85を介して外部へ放熱できる。よって、高周波モジュール1Aの放熱性が向上する。
また、第1基材10を構成する第1半導体材料の熱伝導率は、第2基材20を構成する第2半導体材料の熱伝導率よりも高くてもよい。
これによれば、第2基材20から第1基材10への放熱性が向上する。
また、第1基材10の主面10a上には、樹脂部材71が配置されている。また、樹脂部材71は、第2基材20を覆っている。
次に、図5に示すように、第2基材20は、例えば、GaAs基材層20nと、エピタキシャル層20dとを備える。
GaAs基材層20nは、例えば、ガリウムヒ素からなる単結晶基板である。
エピタキシャル層20dは、例えば、GaAs基材層20n上に、GaAsがエピタキシャル成長した層である。
電力増幅器21は、例えば、エピタキシャル層20d上に形成されている。
GaAs基材層20nは、第1基材10のSiN層17と接合されている。つまり、第2基材20は、第1基材10と接合されている。
電力増幅器21は、増幅トランジスタを含み、当該増幅トランジスタは、コレクタ層21C、ベース層21Bおよびエミッタ層21Eを有する。コレクタ層21C、ベース層21Bおよびエミッタ層21Eは、エピタキシャル層20d上にこの順で積層されている。つまり、増幅トランジスタにおいて、コレクタ層21C、ベース層21Bおよびエミッタ層21Eが、第1基材10側からこの順で積層されている。
また、第2基材20は、第2基材20から主面91aに向かって延びる電極23(第1電極)を介して主面91aと接続されている。電極23は、例えば、柱状導体23aおよびバンプ電極23bで構成されており、柱状導体23aの一端が第2基材20の主面に形成された電極22に接合され、他端がバンプ電極23bに接合されている。バンプ電極23bは、主面91aに形成された電極と接続される。
これによれば、第2基材20の増幅回路は、モジュール基板91と直接、信号のやりとりができるので、信号の伝送損失を低減できる。
また、第2基材20の増幅回路は、第1基材10の電子回路からビア配線16を介してディジタル制御信号および直流信号などを受けてもよい。
また、図4に示すように、第2基材20は、第1基材10よりも薄くてもよい。言い換えると、第2基材20の厚み方向(z軸方向)の厚みは、第1基材10の厚み方向(z軸方向)の厚みよりも小さくてもよい。
これによれば、熱伝導率が低い第2基材20が相対的に薄く、熱伝導率が高い第1基材10が相対的に厚いので、第2基材20から第1基材10への熱伝導が促進され、放熱性が向上する。
また、図3および図4に示すように、モジュール基板91を平面視した場合、第2基材20は第1基材10の外縁からはみ出さない。言い換えると、第2基材20の面積は第1基材10の面積よりも上記平面視において小さい。
図2および図3に戻り、実施例1に係る高周波モジュール1Aの配置構成について、さらに説明する。
高周波モジュール1Aは、さらに、モジュール基板91内に形成され、主面91aおよび91bを繋ぐビア導体91Vを備えている。ビア導体91Vの一端は、主面91aにおいて電力増幅器21のグランド電極と接続され、ビア導体91Vの他端は、主面91bにおいて複数の外部接続端子150のうちのグランド電位に設定された外部接続端子150tと接続されている。
電力増幅器21は、高周波モジュール1Aが有する回路部品のなかで発熱量が大きい部品である。高周波モジュール1Aの放熱性を向上させるには、電力増幅器21の発熱を、小さな熱抵抗を有する放熱経路で外部基板に放熱することが重要である。仮に、電力増幅器21を主面91bに実装した場合、電力増幅器21に接続される電極配線は主面91b上に配置される。このため、放熱経路としては、主面91b上の(xy平面方向に沿う)平面配線パターンのみを経由した放熱経路を含むこととなる。上記平面配線パターンは、金属薄膜で形成されるため熱抵抗が大きい。このため、電力増幅器21を主面91b上に配置した場合には、放熱性が低下してしまう。
これに対して、本実施例に係る高周波モジュール1Aは、図3に示すように、主面91aにて電力増幅器21のグランド電極に接続され、主面91aから主面91bに到る放熱用のビア導体91Vをさらに備える。また、ビア導体91Vは、主面91bにてグランド電位に設定された外部接続端子150tと接続されている。
これによれば、放熱用のビア導体91Vを介して、電力増幅器21と外部接続端子150tとを接続できる。よって、電力増幅器21の放熱経路として、モジュール基板91内の配線のうち熱抵抗の大きいxy平面方向に沿う平面配線パターンのみを経由した放熱経路を排除できる。よって、電力増幅器21から外部基板への放熱性が向上した小型の高周波モジュール1Aを提供することが可能となる。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Aにおいて、スイッチ51および52は、半導体IC75に含まれている。これによれば、高周波モジュール1Aを小型化できる。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Aにおいて、低雑音増幅器31、スイッチ53および54は、半導体IC76に含まれている。これによれば、高周波モジュール1Aを小型化できる。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Aにおいて、モジュール基板91を平面視した場合、半導体IC70と低雑音増幅器31とは、重ならない。
これによれば、電力増幅器21と低雑音増幅器31とがモジュール基板91を挟んで両面に振り分けられていることに加えて、電力増幅器21と低雑音増幅器31との距離を大きく確保できる。よって、送受信間のアイソレーションを向上できる。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Aにおいて、低雑音増幅器31の入力端子に接続された整合回路43(第2インピーダンス整合回路)は主面91aに配置され、電力増幅器21の出力端子に接続された整合回路42(第1インピーダンス整合回路)は主面91bに配置されている。
これによれば、整合回路43のインダクタと整合回路42のインダクタとが磁界結合することを抑制できるので、送受信間のアイソレーションを向上できる。
[3.実施例2に係る高周波モジュール1Bの回路素子配置構成]
図6は、実施例2に係る高周波モジュール1Bの平面構成概略図である。また、図7は、実施例2に係る高周波モジュール1Bの断面構成概略図であり、具体的には、図6のVII-VII線における断面図である。なお、図6の(a)には、モジュール基板91の互いに対向する主面91aおよび91bのうち、主面91aをz軸正方向側から見た場合の回路部品の配置図が示されている。一方、図6の(b)には、主面91bをz軸正方向側から見た場合の回路部品の配置を透視した図が示されている。また、図6では、各回路部品の配置関係が容易に理解されるよう各回路部品にはその機能を表すマークが付されているが、実際の高周波モジュール1Bには、当該マークは付されていない。
図6は、実施例2に係る高周波モジュール1Bの平面構成概略図である。また、図7は、実施例2に係る高周波モジュール1Bの断面構成概略図であり、具体的には、図6のVII-VII線における断面図である。なお、図6の(a)には、モジュール基板91の互いに対向する主面91aおよび91bのうち、主面91aをz軸正方向側から見た場合の回路部品の配置図が示されている。一方、図6の(b)には、主面91bをz軸正方向側から見た場合の回路部品の配置を透視した図が示されている。また、図6では、各回路部品の配置関係が容易に理解されるよう各回路部品にはその機能を表すマークが付されているが、実際の高周波モジュール1Bには、当該マークは付されていない。
実施例2に係る高周波モジュール1Bは、実施の形態に係る高周波モジュール1を構成する各回路素子の配置構成を具体的に示したものである。
図6および図7に示すように、本実施例に係る高周波モジュール1Bは、図1に示された回路構成に加えて、さらに、モジュール基板91と、樹脂部材92および93と、外部接続端子150と、金属シールド層85と、半導体IC70と、を有している。
本実施例に係る高周波モジュール1Bは、実施例1に係る高周波モジュール1Aと比較して、半導体IC70、スイッチ51および52、ならびに整合回路42の配置構成のみが異なる。以下、本実施例に係る高周波モジュール1Bについて、実施例1に係る高周波モジュール1Aと同じ構成については説明を省略し、異なる構成を中心に説明する。
モジュール基板91は、互いに対向する主面91aおよび主面91bを有し、高周波モジュール1Bを構成する回路部品を実装する基板である。なお、本実施例では、主面91aは第2主面に相当し、主面91bは第1主面に相当する。
図6および図7に示すように、本実施例に係る高周波モジュール1Bでは、スイッチ51および52、デュプレクサ61および62、整合回路42、43、44および45は、主面91aに配置されている。一方、半導体IC70、低雑音増幅器31、ならびにスイッチ53および54は、主面91bに配置されている。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Bでは、主面91bに複数の外部接続端子150が配置されている。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Bにおいて、半導体IC70が主面91bに配置され、スイッチ51および52の少なくとも1つが主面91aに配置されていることは必須であり、その他の回路部品は、主面91aおよび91bのいずれに配置されていてもよい。
図7に示すように、第2基材20は、モジュール基板91および第1基材10の間に配置され、第1基材10と接合されており、電極23を介して主面91bに接続されている。
上記構成によれば、半導体IC70が主面91bに配置され、スイッチ51および52が主面91aに配置されている。これにより、高周波モジュール1Bを構成する回路部品が、モジュール基板91の両面に振り分けられて配置されているので、高周波モジュール1Bを小型化できる。
また、図6および図7に示すように、モジュール基板91を平面視した場合、半導体IC70と、スイッチ51および52とは、少なくとも一部重なっている。
これによれば、半導体IC70、スイッチ51および52がモジュール基板91の同一主面に配置された構成と比較して、第1基材10に形成されたPA制御回路11とスイッチ51および52とを接続する制御配線、および、電力増幅器21とスイッチ51および52とを接続する送信信号配線を短くできるので、送信信号および制御信号の伝送損失を低減できる。
なお、第1基材10および第2基材20の少なくとも一方と、スイッチ51および52の少なくとも一方とが重なっていてもよい。これにより、上記制御配線および上記送信信号配線の少なくとも一方を短くできるので、高周波モジュール1Bの伝送損失を低減できる。
また、本実施例に係る高周波モジュール1Bにおいて、モジュール基板91を平面視した場合、半導体IC70と低雑音増幅器31との間には、主面91bに配置されたグランド端子150gが配置されている。
なお、グランド端子150gは、複数の外部接続端子150のうちのグランド電位に設定された端子であり、樹脂部材93をz軸方向に貫通する柱状電極であってもよいし、また、主面91b上に形成されたバンプ電極であってもよい。
これによれば、電力増幅器21を含む半導体IC70と低雑音増幅器31との間にグランド端子150gが配置されているので、送受信間のアイソレーションが向上する。
[4.効果など]
以上、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bは、互いに対向する主面91aおよび91bを有するモジュール基板91と、少なくとも一部が第1半導体材料で構成され、電子回路が形成された第1基材10と、少なくとも一部が第1半導体材料と異なる第2半導体材料で構成され、電力増幅器21が形成された第2基材20と、電力増幅器21の入力端子に接続されたスイッチ51または電力増幅器21の出力端子に接続されたスイッチ52と、を備え、第1基材10は主面91aおよび91bの一方に配置されており、第2基材20は、モジュール基板91および第1基材10の間に配置され、第1基材10と接合されており、電極23を介して主面91aおよび91bの一方に接続されており、スイッチ51または52は、主面91aおよび91bの他方に配置されている。
以上、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bは、互いに対向する主面91aおよび91bを有するモジュール基板91と、少なくとも一部が第1半導体材料で構成され、電子回路が形成された第1基材10と、少なくとも一部が第1半導体材料と異なる第2半導体材料で構成され、電力増幅器21が形成された第2基材20と、電力増幅器21の入力端子に接続されたスイッチ51または電力増幅器21の出力端子に接続されたスイッチ52と、を備え、第1基材10は主面91aおよび91bの一方に配置されており、第2基材20は、モジュール基板91および第1基材10の間に配置され、第1基材10と接合されており、電極23を介して主面91aおよび91bの一方に接続されており、スイッチ51または52は、主面91aおよび91bの他方に配置されている。
これによれば、第1基材10および第2基材20が主面91aに配置され、スイッチ51または52が主面91bに配置されている。これにより、第1基材10および第2基材20とスイッチ51または52とが、モジュール基板91の両面に振り分けられて配置されているので、高周波モジュール1Aおよび1Bを小型化できる。よって、小型化されたマルチバンド対応の高周波モジュール1Aおよび1Bを提供できる。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、第1基材10は、少なくとも一部がシリコンまたは窒化ガリウムで構成され、第2基材は、少なくとも一部がガリウムヒ素またはシリコンゲルマニウムで構成されていてもよい。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、モジュール基板91を平面視した場合、第1基材10および第2基材20の少なくとも一方とスイッチ51または52とは、少なくとも一部重なっていてもよい。
これによれば、第1基材10、第2基材20、スイッチ51および52がモジュール基板91の同一主面に配置された構成と比較して、第1基材10に形成されたPA制御回路11とスイッチ51および52とを接続する制御配線、および、電力増幅器21とスイッチ51および52とを接続する送信信号配線を短くできるので、送信信号および制御信号の伝送損失を低減できる。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bは、さらに、通信バンドAの送信帯域の少なくとも一部を通過帯域とする送信フィルタ61Tと、通信バンドBの送信帯域の少なくとも一部を通過帯域とする送信フィルタ62Tと、を備え、スイッチ52は、電力増幅器21の出力端子と送信フィルタ61Tおよび62Tとの間に接続され、当該出力端子と送信フィルタ61Tとの接続、および、当該出力端子と送信フィルタ62Tとの接続を切り替えてもよい。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、スイッチ51は、電力増幅器21の入力端子に接続され、送信信号が入力される送信入力端子121と当該入力端子との接続および非接続を切り替えてもよい。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、第1半導体材料の熱伝導率は、第2半導体材料の熱伝導率よりも高くてもよい。
これによれば、第2基材20から第1基材10への放熱性が向上する。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、第1基材10は、電極24を介して主面91aおよび91bの一方に接続されていてもよい。
これによれば、第1基材10の電子回路は、モジュール基板91と高周波信号およびディジタル信号を直接やりとりできるので、信号の伝送損失を低減できる。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、電力増幅器21は、コレクタ層21C、ベース層21Bおよびエミッタ層21Eを有する増幅トランジスタを含み、第1基材10側から、コレクタ層21C、ベース層21B、エミッタ層21Eの順で積層されていてもよい。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、上記電子回路は、電力増幅器21を制御するPA制御回路11を含んでもよい。
これによれば、電力増幅器21とPA制御回路11とを接続する制御配線を短くできる。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bは、さらに、主面91bに配置された複数の外部接続端子150を備えてもよい。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aは、さらに、モジュール基板91内に形成され、主面91aおよび91bを繋ぐビア導体91Vを備え、ビア導体91Vの一端は、主面91aにおいて電力増幅器21のグランド電極と接続され、ビア導体91Vの他端は、主面91bにおいて複数の外部接続端子150のうちのグランド電位に設定された外部接続端子150tと接続されていてもよい。
これによれば、電力増幅器21の放熱経路として、モジュール基板91内の配線のうち熱抵抗の大きいxy平面方向に沿う平面配線パターンのみを経由した放熱経路を排除できる。よって、電力増幅器21から外部基板への放熱性が向上した小型の高周波モジュール1Aを提供することが可能となる。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aおよび実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、スイッチ51および52は、半導体IC75に含まれてもよい。
これによれば、高周波モジュール1Aおよび1Bを小型化できる。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aは、さらに、主面91bに配置された低雑音増幅器31を備え、モジュール基板91を平面視した場合、第1基材10および第2基材20と低雑音増幅器31とは、重ならなくてもよい。
これによれば、電力増幅器21と低雑音増幅器31とがモジュール基板91を挟んで両面に振り分けられていることに加えて、電力増幅器21と低雑音増幅器31との距離を大きく確保できる。よって、送受信間のアイソレーションを向上できる。
また、実施例1に係る高周波モジュール1Aは、さらに、電力増幅器21の出力端子に接続され、主面91bに配置された整合回路42と、低雑音増幅器31の入力端子に接続され、主面91aに配置された整合回路43と、を備えてもよい。
これによれば、整合回路43のインダクタと整合回路42のインダクタとが磁界結合することを抑制できるので、送受信間のアイソレーションを向上できる。
また、実施例2に係る高周波モジュール1Bにおいて、モジュール基板91を平面視した場合、第1基材10および第2基材20と低雑音増幅器31との間には、主面91bに配置されたグランド端子150gが配置されていてもよい。
これによれば、送受信間のアイソレーションが向上する。
また、通信装置5は、アンテナ2で送受信される高周波信号を処理するRFIC3と、アンテナ2とRFIC3との間で高周波信号を伝送する高周波モジュール1と、を備える。
これによれば、小型化されたマルチバンド対応の通信装置5を提供することが可能となる。
(その他の実施の形態など)
以上、本発明の実施の形態に係る高周波モジュールおよび通信装置について、実施の形態および実施例を挙げて説明したが、本発明に係る高周波モジュールおよび通信装置は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではない。上記実施の形態および実施例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態および実施例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、上記高周波モジュールおよび通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
以上、本発明の実施の形態に係る高周波モジュールおよび通信装置について、実施の形態および実施例を挙げて説明したが、本発明に係る高周波モジュールおよび通信装置は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではない。上記実施の形態および実施例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態および実施例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、上記高周波モジュールおよび通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
例えば、上記実施の形態およびその実施例に係る高周波モジュールおよび通信装置において、図面に開示された各回路素子および信号経路を接続する経路の間に、別の回路素子および配線などが挿入されていてもよい。
本発明は、マルチバンド対応のフロントエンド部に配置される高周波モジュールとして、携帯電話などの通信機器に広く利用できる。
1、1A、1B 高周波モジュール
2 アンテナ
3 RF信号処理回路(RFIC)
4 ベースバンド信号処理回路(BBIC)
5 通信装置
10 第1基材
10a、10b、91a、91b 主面
11 PA制御回路
12 Si基板
13 絶縁層
14 Si層
15 配線層
16 ビア配線
17 SiN層
18、22、23、24 電極
20 第2基材
20d エピタキシャル層
20n GaAs基材層
21 電力増幅器
21B ベース層
21C コレクタ層
21E エミッタ層
23a、24a 柱状導体
23b、24b バンプ電極
31 低雑音増幅器
42、43、44、45 整合回路
51、52、53、54 スイッチ
61、62 デュプレクサ
61R、62R 受信フィルタ
61T、62T 送信フィルタ
70、75、76 半導体IC
71、92、93 樹脂部材
85 金属シールド層
91 モジュール基板
91V ビア導体
100 アンテナ接続端子
110 制御信号端子
121、122 送信入力端子
130 受信出力端子
150、150t 外部接続端子
150g グランド端子
2 アンテナ
3 RF信号処理回路(RFIC)
4 ベースバンド信号処理回路(BBIC)
5 通信装置
10 第1基材
10a、10b、91a、91b 主面
11 PA制御回路
12 Si基板
13 絶縁層
14 Si層
15 配線層
16 ビア配線
17 SiN層
18、22、23、24 電極
20 第2基材
20d エピタキシャル層
20n GaAs基材層
21 電力増幅器
21B ベース層
21C コレクタ層
21E エミッタ層
23a、24a 柱状導体
23b、24b バンプ電極
31 低雑音増幅器
42、43、44、45 整合回路
51、52、53、54 スイッチ
61、62 デュプレクサ
61R、62R 受信フィルタ
61T、62T 送信フィルタ
70、75、76 半導体IC
71、92、93 樹脂部材
85 金属シールド層
91 モジュール基板
91V ビア導体
100 アンテナ接続端子
110 制御信号端子
121、122 送信入力端子
130 受信出力端子
150、150t 外部接続端子
150g グランド端子
Claims (17)
- 互いに対向する第1主面および第2主面を有するモジュール基板と、
少なくとも一部が第1半導体材料で構成され、電子回路が形成された第1基材と、
少なくとも一部が前記第1半導体材料と異なる第2半導体材料で構成され、電力増幅器が形成された第2基材と、
前記電力増幅器の入力端子または出力端子に接続された第1スイッチと、を備え、
前記第1基材は、前記第1主面に配置されており、
前記第2基材は、前記モジュール基板および前記第1基材の間に配置され、前記第1基材と接合されており、第1電極を介して前記第1主面に接続されており、
前記第1スイッチは、前記第2主面に配置されている、
高周波モジュール。 - 互いに対向する第1主面および第2主面を有するモジュール基板と、
少なくとも一部がシリコンまたは窒化ガリウムで構成され、電子回路が形成された第1基材と、
少なくとも一部がガリウムヒ素またはシリコンゲルマニウムで構成され、電力増幅器が形成された第2基材と、
前記電力増幅器の入力端子または出力端子に接続された第1スイッチと、を備え、
前記第1基材および前記第2基材は、前記第1主面に配置されており、
前記第2基材は、前記モジュール基板および前記第1基材の間に配置され、前記第1基材と接合されており、第1電極を介して前記第1主面に接続されており、
前記第1スイッチは、前記第2主面に配置されている、
高周波モジュール。 - 前記モジュール基板を平面視した場合、前記第1基材および前記第2基材の少なくとも一方と前記第1スイッチとは、少なくとも一部重なっている、
請求項1または2に記載の高周波モジュール。 - さらに、
第1通信バンドの送信帯域の少なくとも一部を通過帯域とする第1送信フィルタと、
第2通信バンドの送信帯域の少なくとも一部を通過帯域とする第2送信フィルタと、を備え、
前記第1スイッチは、前記出力端子と前記第1送信フィルタおよび前記第2送信フィルタとの間に接続され、前記出力端子と前記第1送信フィルタとの接続、および、前記出力端子と前記第2送信フィルタとの接続を切り替える、
請求項1~3のいずれか1項に記載の高周波モジュール。 - 前記第1スイッチは、前記入力端子に接続され、送信信号が入力される送信入力端子と前記入力端子との接続および非接続を切り替える、
請求項1~3のいずれか1項に記載の高周波モジュール。 - 前記第1半導体材料の熱伝導率は、前記第2半導体材料の熱伝導率よりも高い、
請求項1に記載の高周波モジュール。 - 前記第1基材は、第2電極を介して前記第1主面に接続されている、
請求項1~6のいずれか1項に記載の高周波モジュール。 - 前記電力増幅器は、コレクタ層、ベース層およびエミッタ層を有する増幅トランジスタを含み、
前記コレクタ層、前記ベース層および前記エミッタ層は、前記第1基材側から、前記コレクタ層、前記ベース層、前記エミッタ層という順で積層されている、
請求項1~7のいずれか1項に記載の高周波モジュール。 - 前記電子回路は、前記電力増幅器を制御する制御回路を含む、
請求項1~8のいずれか1項に記載の高周波モジュール。 - さらに、
前記第2主面に配置された複数の外部接続端子を備える、
請求項1~9のいずれか1項に記載の高周波モジュール。 - さらに、
前記モジュール基板内に形成され、前記第1主面および前記第2主面を繋ぐビア導体を備え、
前記ビア導体の一端は、前記第1主面において前記電力増幅器のグランド電極と接続され、前記ビア導体の他端は、前記第2主面において前記複数の外部接続端子のうちのグランド電位に設定された外部接続端子と接続されている、
請求項10に記載の高周波モジュール。 - 前記第1スイッチは、半導体ICに含まれる、
請求項10または11に記載の高周波モジュール。 - さらに、前記第2主面に配置された低雑音増幅器を備え、
前記モジュール基板を平面視した場合、前記第1基材および前記第2基材と前記低雑音増幅器とは、重ならない、
請求項10~12のいずれか1項に記載の高周波モジュール。 - さらに、
前記出力端子に接続され、前記第2主面に配置された第1インピーダンス整合回路と、
前記低雑音増幅器の入力端子に接続され、前記第1主面に配置された第2インピーダンス整合回路と、を備える、
請求項13に記載の高周波モジュール。 - さらに、
前記第1主面に配置された複数の外部接続端子を備える、
請求項1~9のいずれか1項に記載の高周波モジュール。 - さらに、前記第1主面に配置された低雑音増幅器を備え、
前記モジュール基板を平面視した場合、前記第1基材および前記第2基材と前記低雑音増幅器との間には、前記第1主面に配置されたグランド端子が配置されている、
請求項15に記載の高周波モジュール。 - アンテナで送信される高周波信号を処理するRF信号処理回路と、
前記アンテナと前記RF信号処理回路との間で前記高周波信号を伝送する請求項1~16のいずれか1項に記載の高周波モジュールと、を備える、
通信装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US18/323,654 US20230299061A1 (en) | 2020-12-11 | 2023-05-25 | Radio frequency module and communication device |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020-206132 | 2020-12-11 | ||
JP2020206132 | 2020-12-11 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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US18/323,654 Continuation US20230299061A1 (en) | 2020-12-11 | 2023-05-25 | Radio frequency module and communication device |
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WO2022124035A1 true WO2022124035A1 (ja) | 2022-06-16 |
Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/JP2021/042353 WO2022124035A1 (ja) | 2020-12-11 | 2021-11-18 | 高周波モジュールおよび通信装置 |
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WO (1) | WO2022124035A1 (ja) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006014030A (ja) * | 2004-06-28 | 2006-01-12 | Kyocera Corp | 高周波モジュール |
WO2014087792A1 (ja) * | 2012-12-07 | 2014-06-12 | 株式会社村田製作所 | 高周波モジュール |
JP2014146780A (ja) * | 2013-01-28 | 2014-08-14 | Win Semiconductors Corp | 半導体集積回路 |
JP2015527730A (ja) * | 2012-06-14 | 2015-09-17 | スカイワークス ソリューションズ, インコーポレイテッドSkyworks Solutions, Inc. | パワーアンプモジュールを含む関連するシステム、デバイス、および方法 |
WO2019167403A1 (ja) * | 2018-02-28 | 2019-09-06 | 株式会社村田製作所 | アンテナモジュール |
WO2019240095A1 (ja) * | 2018-06-11 | 2019-12-19 | 株式会社村田製作所 | 高周波モジュールおよび通信装置 |
WO2019240096A1 (ja) * | 2018-06-11 | 2019-12-19 | 株式会社村田製作所 | 高周波モジュールおよび通信装置 |
-
2021
- 2021-11-18 WO PCT/JP2021/042353 patent/WO2022124035A1/ja active Application Filing
-
2023
- 2023-05-25 US US18/323,654 patent/US20230299061A1/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006014030A (ja) * | 2004-06-28 | 2006-01-12 | Kyocera Corp | 高周波モジュール |
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WO2014087792A1 (ja) * | 2012-12-07 | 2014-06-12 | 株式会社村田製作所 | 高周波モジュール |
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US20230299061A1 (en) | 2023-09-21 |
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