JP2006203652A - 高周波モジュール及びそれを用いた通信機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び高機能が可能で、かつ前記ＳＡＷフィルタにおける寄生インダクタンスを低減し、ＳＡＷフィルタの低周波側減衰特性が劣化するのを防止した高周波モジュールを提供する。
【解決手段】誘電体層を積層してなる誘電体基板の表面あるいは内部に、少なくとも高周波部を構成する電力増幅用半導体素子と整合回路で構成された電力増幅器と、該電力増幅器に入る信号のノイズを除去するフィルタと、該電力増幅器の出力を検出するための方向性結合器及び検波回路と、送受信の信号を分けるデュプレクサと、前記誘電体基板の底面に外部接続用端子を具備してなる高周波モジュールであって、前記モジュール基板の表面側に、前記電力増幅器の電力増幅用半導体素子および前記デュプレクサの送信用フィルタを実装し、前記モジュール基板の底面側にキャビティを設け、該キャビティ内に前記デュプレクサの送信用フィルタを収納、実装してなることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、携帯電話などの移動体通信機器に用いられる高周波電力増幅装置、高周波フィルタ装置および高周波分波器装置を一体構成した小型・高性能かつ低価格な高周波モジュールおよびそれを用いた通信機器に関するものである。

近年、携帯電話機の普及が進みつつあり、携帯電話機の機能、サービスの向上が図られている。このような携帯電話機では各送受信系の構成に必要な高周波信号処理回路を基板に搭載している。

従来の、高周波信号処理回路の一般的構成では、アンテナから入力された受信信号とアンテナに給電する送信信号とを切り替えるための送信用及び受信用デュプレクサが設けられている。

アンテナから入ってきた無線信号は、受信用デュプレクサの前段に設けられた整合回路を通って受信用デュプレクサに入力され、ここで受信信号が選択的に通過される。受信信号は、低雑音増幅器で増幅され、信号処理回路に供給される。

一方、送信信号は、所定の送信通過帯域内の送信信号を通過させる高周波フィルタを通ってノイズを落とされ、高周波電力増幅回路に伝えられる。高周波電力増幅回路は、この送信信号を電力増幅し、前記送信用デュプレクサに供給する。

従来、前記送信用及び受信用デュプレクサ、整合回路、高周波電力増幅回路、高周波フィルタなどがそれぞれ個別部品として製造され、基板の上面にディスクリートに搭載されている。また、最近では、前記送信用及び受信用デュプレクサとして、所定の基板の表面に半田を用いて直接、フリップチップ実装するベアＳＡＷチップを用いたものが提案されている。

図７は、高周波モジュールの一例を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は、誘電体基板の裏面のパターン図である。図７に示す高周波モジュールは、セラミックスからなる誘電体基板５１の表面に、電力増幅用半導体素子５２が実装されており、ワイヤーボンディングで誘電体基板５１表面の電極と接続されている。また、送信用及び受信用のデュプレクサとして、ベアＳＡＷチップ５３ａ、５３ｂが誘電体基板５１の表面に直接、フリップチップ実装される。また、誘電体基板５１の表面には、フィルタ５４が実装されたり、誘電体基板５１の内部には、配線パターンによって、カプラ５５や分波回路５６、整合回路５７などが形成される。

また、誘電体基板５１の裏面には、図７（ｂ）に示すように、入出力および電源ラインの端子５８と、その他グランド端子５９が形成されている。

また、この高周波モジュールは、強度などの信頼性の点から、誘電体基板としてセラミックスが用いられ、セラミックスのグリーンシートに導体ペーストを用いて所定の導体パターンに印刷塗布した後に積層し、焼成して誘電体基板を作成した後、その誘電体基板５１の表面に電力増幅用半導体素子５２、ベアＳＡＷチップ５３ａ、５３ｂやその他の電子部品を半田などによって実装して組み立てられている。（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００２−４３９７７号 特許第３１０８１０７号

しかしながら、上記デュプレクサのＳＡＷチップ５３ａまたは５３ｂからなるＳＡＷフィルタ１０１を含む回路は、図８に示すように、ＳＡＷフィルタエレメント１０１のグランドとＳＡＷフィルタを搭載したパッケージや基板のグランドとの間に発生する寄生インダクタンス１０２の影響により、通過帯域に対して低周波側の減衰極が低くなり、減衰特性が劣化するという問題があった。

小型化、低背化を図るために、モジュールを構成する誘電体基板２３の厚みを薄くすることが望まれるが、高周波モジュールの高機能化を図るためには、誘電体基板２３の内部に様々な機能を内蔵する必要があるために、その厚みを薄くするも限界があった。その結果、デュプレクサの受信側のＳＡＷフィルタの低域側減衰量が劣化し、さらに送信から受信へ漏れる送信電力つまりアイソレーションが劣化することになるという問題があった。

従って、本発明は上記従来技術における問題点を除去し、さらに小型化及び高機能が可能で、かつ前記寄生インダクタンスを低減し、ＳＡＷフィルタの低周波側減衰特性が劣化するのを防止した高周波モジュールを提供することを目的とする。

本発明の高周波モジュールは、誘電体層を積層してなる誘電体基板の表面あるいは内部に、少なくとも高周波部を構成する電力増幅用半導体素子と整合回路で構成された電力増幅器と、該電力増幅器に入る信号のノイズを除去するフィルタと、該電力増幅器の出力を検出するための方向性結合器及び検波回路と、送受信の信号を分けるデュプレクサと、前記誘電体基板の底面に外部接続用端子を具備してなる高周波モジュールであって、前記モジュール基板の表面側に、前記電力増幅器の電力増幅用半導体素子および前記デュプレクサの送信用フィルタを実装し、前記モジュール基板の底面側にキャビティを設け、該キャビティ内に前記デュプレクサの送信用フィルタを収納、実装してなることを特徴とする。

また、前記デュプレクサを構成する送信用フィルタおよび受信用フィルタは、いずれもＳＡＷフィルタからなることが望ましく、その場合、前記ＳＡＷフィルタは、バンプを介してフリップチップ実装されてなり、さらに前記バンプによる実装部をリング状に配置された半田によって封止してなることを特徴とする。

さらに、前記底面側のキャビティ内の底部にグランド電極が設けられており、前記グランド電極を前記誘電体基板の底面側に形成されたグランド端子と接続してなることを特徴とする。

本発明によれば、前記モジュール基板の底面側にキャビティを設け、該キャビティ内に前記デュプレクサの送信用フィルタを収納、実装してなることによって、モジュール基板の底面側に形成されグランド端子との接続長さを短くすることができる結果、受信用フィルタ中のエレメントのグランドとモジュール基板のグランド端子間に発生する寄生インダクタンスを小さくすることが可能になり、フィルタの低域側減衰特性の劣化を低減することが出来る。また、送信フィルタと受信フィルタを分割するために、送信から受信に電力が漏れるアイソレーション特性を向上させることができる。さらに、ＳＡＷフィルタを誘電体基板の表面と底面に配置するため、デュプレクサの占める面積比率を小さくすることができる結果、高周波モジュールの小型化も可能となる。

以下に、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、携帯電話装置等の移動体通信機器に用いられる、ＣＤＭＡデュアルバンド方式の高周波信号処理回路のブロック構成図を示す。

このＣＤＭＡデュアルバンド方式では、セルラー方式８００ＭＨｚ帯及びＰＣＳ方式１．９ＧＨｚ帯の周波数バンドを持った２つの送受信系と、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）による測位機能を利用するためＧＰＳの受信バンド１．５ＧＨｚ帯を持った１つの受信系とから構成される。

図１において、１はアンテナ、２は周波数帯を分けるためのＬＰＦ，ＨＰＦを含む分波器、３ａは１．９ＧＨｚ帯の送信系を分離するＳＡＷデュプレクサ、３ｂは同受信系を分離するＳＡＷデュプレクサ、４ａは８００ＭＨｚ帯の送信系を分離するＳＡＷデュプレクサ、４ｂは同受信系を分離するＳＡＷデュプレクサである。また、１２は前記分波器２から取り込まれるＧＰＳ信号を通過させるためのＳＡＷフィルタである。３ｃ，４ｃは、受信信号の位相を回転させる整合回路である。

送信系では、送信信号処理回路ＲＦＩＣ１７から出力されるセルラー送信信号は、ＳＡＷフィルタを有するＢＰＦ９でノイズが落とされ、高周波電力増幅回路７に伝えられる。送信信号処理回路ＲＦＩＣ１７から出力されるＰＣＳ送信信号は、ＳＡＷフィルタを有するＢＰＦ１０でノイズが落とされ、高周波電力増幅回路８に伝えられる。

高周波電力増幅回路７，８は、それぞれ８００ＭＨｚ帯，１．９ＧＨｚ帯の周波数で駆動され、送信電力を増幅する。増幅された送信信号は、方向性結合器５，６を通り、前記ＳＡＷデュプレクサ４ａ，３ａに入力される。

方向性結合器５，６は、高周波電力増幅回路７，８からの出力信号のレベルをモニタして、そのモニタ信号に基づいて高周波電力増幅回路のオートパワーコントロールする機能があり、そのモニタ出力は、検波用回路１１に入力される。

一方、受信系は、ＳＡＷデュプレクサ４ｂ，３ｂで分離された受信信号を増幅する低雑音増幅器ＬＮＡ１４，１３と、受信信号からノイズを除去する高周波フィルタ１６，１５とを備えている。高周波フィルタ１６，１５を通った受信信号は、受信信号処理回路ＲＦＩＣ１８に伝えられ信号処理される。また、前記ＧＰＳ用ＳＡＷフィルタ１２で分離されたＧＰＳ信号は、受信信号処理回路ＲＦＩＣ１８で信号処理される。

前記デュプレクサの構成は限定されないが、好ましくは、３６°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３結晶、６４°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ_３結晶、４５°Ｘカット−Ｚ伝搬のＬｉＢ_４Ｏ_７結晶などからなる基板上に、櫛歯状のＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極が形成されたものである。

前記高周波電力増幅回路の構成も限定されないが、好ましくは、高周波信号を増幅する機能を持ち、小型化、高効率化を図るためにＧａＡｓＨＢＴ（ガリウム砒素ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ）構造、又はＰ−ＨＥＭＴ構造のＧａＡｓトランジスタやシリコン若しくはゲルマニウムトランジスタを含む半導体素子で形成されている。

以上のような構成の高周波信号処理回路を含む移動体通信機器においては、各部に対する小型化、軽量化の要求が大きく、これらの要求を考慮して、高周波信号処理回路は、所望の特性が達成できる単位でモジュール化されている。

すなわち、図１で太い点線２２で示したように、分波器２、ＳＡＷデュプレクサ３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ、高周波電力増幅回路７，８、方向性結合器５，６などを含む分波系回路及び送信系回路が、１つの基板に形成された１つの高周波モジュール２２を形成している。

なお、高周波モジュール２２を、８００ＭＨｚ帯の高周波モジュールと、１．９ＧＨｚ帯の２つの高周波モジュールに分けるという実装方法も可能である。さらに低雑音増幅器ＬＮＡ１３，１４と受信用高周波フィルタ１５，１６を含んだモジュールを追加して形成してもよい。

以下、８００ＭＨｚ帯と、１．９ＧＨｚ帯の２つの周波数帯を含む１つの高周波モジュール２２に基づいて説明する。

図２に、高周波モジュール２２の概略平面図を示し、図３にその概略断面図を示す。高周波モジュール２２は、同一寸法形状の９層の誘電体層が積層された多層基板２３を有している。

多層基板２３の表層には、各種のパターン、各種チップ部品のほか、ＢＰＦ９，１０、ＧＰＳ用のＳＡＷフィルタ１２、検波用回路１１、ＳＡＷデュプレクサとしてベアＳＡＷチップ３ａ，４ａ，３ｂ，４ｂ、及び高周波電力増幅回路７，８の一部を構成する電力増幅用半導体素子２４，２５などが搭載され、これらは半田などで誘電体層上の導体パターンに実装、搭載されている。

電力増幅用半導体素子２４，２５は、多層基板２３上の導体パターンとワイヤーボンディングで接続されている。電力増幅用半導体素子２４、２５の周囲には、同じく高周波電力増幅回路７、８の一部を構成する電力増幅用整合回路２６、２７がチップ部品や導体パターンで形成されている。

なお、電力増幅用半導体素子２４、２５、電力増幅用整合回路２６、２７などは、多層基板の裏面に搭載するようにしてもよい。

多層基板２３の内部には、整合回路３ｃ，４ｃと、方向性結合器５，６とが内装され、さらに電力増幅用半導体素子２４，２５とＢＰＦ９，１０との間にＤＣカット用結合コンデンサ２８、ＢＰＦ９，１０と接地との間にコンデンサ２９が内装されている。

構造的にいえば、これらの内部素子を構成する、分布定数線路、結合線路、分布型コンデンサ、抵抗などの導体パターンが誘電体層中にそれぞれ形成されている。例えば、方向性結合器５、６を構成する結合線路は２枚の相重なる誘電体層上にそれぞれ形成されている。そして、各誘電体層には複数の層にわたって、回路を縦に接続するため必要なビアホール導体が縦方向に形成されている。特に、電力増幅用半導体素子２４、２５で発生する熱を逃がすため誘電体層を上下に貫通するサーマルビア５０が設けられている。

一方、誘電体基板２３の表面に実装されるベアＳＡＷチップの実装構造について説明する。図４（ａ）は、ベアＳＡＷチップの実装面側の表面パターンおよび高周波モジュール側の実装部のパターン図、（ｂ）はベアＳＡＷチップをフリップチップ実装したときの概略断面図である。

図４（ａ）に示すように、ベアＳＡＷチップは、タンタル酸リチウム単結晶等の圧電基板３０の表面に、一対の入出力端子３１ａ、３１ｂと、櫛歯状共振子電極３２、およびこれらを封止するために、接地用端子３３がリング状に被着形成されている。一方、誘電体基板２３側には、上記端子と対向する位置に一対の入出力用電極３４ａ、３４ｂ、接地用電極３５がリング状に形成されており、各端子、電極とを半田３６によって接着してフリップチップ実装される。かかる構成によって、接地用端子３３および接地用電極３５によって囲まれた領域は、気密な空間３７を形成し、励振電極である櫛歯状の共振子電極３２は、この気密空間３７内に封止される。

次に、図５に、高周波モジュールの裏面の導体パターン図を示す。誘電体基板２３の裏面には、外部回路に接続するためのモジュールの入出力端子や電源端子３８と、グランド端子３９が設けられている。

本発明によれば、デュプレクサの送信側のＳＡＷフィルタ４ａ，４ｂを表面側に実装搭載し、受信側のＳＡＷフィルタ４ｂ、５ｂを、誘電体基板２３の底面に実装搭載することが重要である。

即ち、デュプレクサの送信側のＳＡＷフィルタ４ａ、５ａは、誘電体基板２３の表面に形成された導体パターンにフリップチップ実装されており、ＳＡＷフィルタ４ａ、５ａのグランドは、ビアホール導体４１を介して誘電体基板２３の裏面のグランド端子３９と接続されている。

一方、デュプレクサの送信側のＳＡＷフィルタ４ｂ、５ｂは形成されたキャビティ４３内に収納し、キャビティ４３内の底面に形成された実装パターンに直接フリップチップ実装することが重要である。

そして、キャビティ４３の底面には、図４（ａ）と同様に、一対の入出力用電極３４ａ、３４ｂ、接地用電極３５がリング状に形成されており、受信側のＳＡＷフィルタ４ｂ、５ｂが半田によってフリップチップ実装されている。また、接地用電極３５は、キャビティ６０の周囲に形成されたビアホール導体４２によって、誘電体基板２０の裏面に形成されたグランド端子３９と接続されている。

本発明によれば、受信用ＳＡＷフィルタを高周波モジュールにおける誘電体基板２３の裏面にキャビティを設け、その中にて収納搭載させることによってが、最短でモジュール基板のグランド端子と接続される結果、受信用フィルタのエレメントのグランドとグランド端子間に発生する寄生インダクタンスを小さくすることができる。

特に本発明によれば、キャビティ４３の深さが、誘電体基板２３全体厚みの５０％以下であることによって、寄生インダクタンスをより効果的に小さくすることができる。

また、受信用のＳＡＷフィルタのグランドと、グランド端子とを接続するビアホール導体の直径が大きいほど、インダクタンスを小さくすることができることから、特にこのビアホール導体４２の直径は５０μｍ以上、特に１００μｍ以上であることが好適である。

また、誘電体基板の底面におけるキャビティ４３内に樹脂などを充填してＳＡＷフィルタを樹脂封止することが信頼性を高めるうえで望ましい。

なお、本発明における高周波モジュールは、セラミック誘電体基板２３と、その表面や内部に配設された導体パターンや、ビア導体によって構成されるものであって、セラミックスからなるシート成形体の表面に、導体ペーストを印刷塗布するとともに、垂直導体として、シート状成形体に貫通穴を形成して導体ペーストを充填してビア導体を形成した後、それらシート状成形体を積層し、シート状成形体と導体ペーストとを焼成することによって作製され、各セラミック誘電体層と導体パターンとが交互に配置した多層の配線構造を有するものである。

本発明の高周波モジュールにおける誘電体基板は、例えばアルミナセラミックス、ムライトセラミックス、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックスの群から選ばれる少なくとも１種で構成することが好適である。とりわけ、導体パターンやビア導体を形成する導体としてＣｕ、Ａｇなどの低抵抗導体を使用することができ、しかもこれら低抵抗導体と同時焼成して形成することができる利便性から、１０００℃以下で焼成可能なガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックスが最も望ましい。

図６（ａ）（ｂ）にてグランドインダクタにおける特性を示す。まず、（ａ）の実線１）は、送信フィルタに対してグランドインダクタンスが無いときの減衰量特性を示したものである。これに対して、受信フィルタを誘電体基板２３表面側に実装し、誘電体基板２３表面から底面へビアホール導体４１を介して誘電体基板２３の底面のグランド端子に接続した場合、誘電体基板２３の基板厚みがあることから、グランドインダクタンスが生じ、例えば、厚み０．６ｍｍのセラミック誘電体基板において、直径０．１ｍｍのビアホール導体のインダクタンスは、０．６ｎＨに値する。このようなインダクタンスが発生すると、点線２）に示すように、高周波側で５ｄB程度減衰特性を良好にすることができる。

一方、（ｂ）で示す受信フィルタにおいて、グランドインダクタンスが無いときの特性を実線１）で示す。また、上記と同様に、受信フィルタを誘電体基板の表面側に実装した時の減衰量特性を点線２）で示す。実線１）と点線２）とを比較して明らかなように、低周波数側で、送信バンドの減衰量は５〜１０ｄB劣化する。

そこで、図３、５のように本発明に基づき、受信フィルタを送信フィルタと分割し、モジュールのセラミック誘電体基板裏面に深さ０．３ｍｍのキャビティを形成し、その中に厚み２５０μｍのＳＡＷチップからなる受信フィルタをフリップチップ実装し、キャビティ内に樹脂を充填し封止した。その結果、受信フィルタのグランドインダクタンスは、ＳＡＷチップのグランドからビアホール導体４２を介して、誘電体基板２３裏面のグランド端子３９に接続した。かかる構造によれば、グランドインダクタンスが０．６ｎＨから０．３ｎＨに減少し、図６（ｂ）の一点鎖線３）に示すとおり、低周波側が５ｄＢ程度改善され、良好な減衰特性が得られる。

ＣＤＭＡデュアルバンド方式の高周波信号処理回路の代表的なブロック構成図を示す。 図１の回路を具備する高周波モジュールの概略平面図を示す。 図２の高周波モジュールの概略断面図を示す。 （ａ）は、ベアＳＡＷチップの実装面側の表面パターンおよび高周波モジュール側の実装部のパターン図、（ｂ）はベアＳＡＷチップをフリップチップ実装したときの概略断面図を示す。 本発明の高周波モジュールの裏面の導体パターン図を示す。 ＳＡＷフィルタのグランドインダクタンスによる特性を示した図である。 従来の高周波モジュールの一例を示す概略断面図である。 グランドインダクタを持ったＳＡＷフィルタの等価回路図である。

符号の説明

１・・・・・・・アンテナ
２・・・・・・・分波器
３、４・・・・・デュプレクサ
５、６・・・・・方向性結合器（カプラ）
７、８・・・・・電力増幅器
９、１０・・・・送信用ＳＡＷフィルタ
１１・・・・・・検波回路
１２・・・・・・受信用 ＧＰＳ ＳＡＷフィルタ
１３、１４・・・ＬＮＡ
１５、１６・・・受信用ＳＡＷ フィルタ
１７・・・・・・送信用ＲＦＩＣ
１８・・・・・・受信用ＲＦＩＣ
１９・・・・・・べースバンドＩＣ
２０・・・・・・ＴＣＸＯ
２１・・・・・・ＶＣＯ
２２・・・・・・高周波モジュール
２３・・・・・・誘電体基板
２４、２５・・・電力増幅用半導体素子
２６、２７・・・電力増幅整合回路
３０・・・・・・ＳＡＷエレメント
３１・・・・・・ＳＡＷ入出力電極
３２・・・・・・ＳＡＷフィルタ電極
３３・・・・・・ＳＡＷ気密封止電極
３４・・・・・・入出力電極バンプ
３５・・・・・・気密封止電極バンプ
４０・・・・・・エポキシ樹脂
４１・・・・・・表層・底面間のビア
４２・・・・・・ビアホール導体
４３・・・・・・キャビティ
５５・・・・・・カプラ（内蔵部品）
５６・・・・・・分波回路（内蔵部品）
５７・・・・・・整合回路（内蔵部品）
５８・・・・・・入出力端子
５９・・・・・・グランド端子

Claims (5)

1. 誘電体層を積層してなる誘電体基板の表面あるいは内部に、少なくとも高周波部を構成する電力増幅用半導体素子と整合回路で構成された電力増幅器と、該電力増幅器に入る信号のノイズを除去するフィルタと、該電力増幅器の出力を検出するための方向性結合器及び検波回路と、送受信の信号を分けるデュプレクサと、前記誘電体基板の底面に外部接続用端子を具備してなる高周波モジュールであって、
   前記モジュール基板の表面側に、前記電力増幅器の電力増幅用半導体素子および前記デュプレクサの送信用フィルタを実装し、前記モジュール基板の底面側にキャビティを設け、該キャビティ内に前記デュプレクサの送信用フィルタを収納、実装してなることを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記デュプレクサを構成する送信用フィルタおよび受信用フィルタが、いずれもＳＡＷフィルタからなることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
3. 前記ＳＡＷフィルタは、バンプを介してフリップチップ実装されてなることを特徴とする請求項２項記載の高周波モジュール。
4. 前記底面側のキャビティ内の底部にグランド電極が設けられており、前記グランド電極を前記誘電体基板内に設けられたビアホール導体を介して前記誘電体基板の底面側に形成されたグランド端子と接続してなることを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか記載の高周波モジュールを具備することを特徴とする通信機器。

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