JP2015103842A - フェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム走査時における放射特性の劣化を抑えることができる小形で低コストなフェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【解決手段】絶縁膜４の上に複数の放射素子１１が複数の半導体チップ２と同じ間隔で配列されており、絶縁膜４において、再配線パターン５ａ，５ｂが形成されている層より上の層に、複数の放射素子１１が配列されている領域を包含する大きさの領域内に地導体パターン７が連続的に形成されているように構成する。これにより、隣接する放射素子１１の間で励振位相に差をつけてビーム走査を行う場合でも、放射特性の劣化を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の放射素子から構成されるフェーズドアレーアンテナ装置に関するものである。

以下の特許文献１には、小形で低価格なフェーズドアレーアンテナ装置として、放射素子を含む複数の高周波モジュールが実装基板上に配列されているフェーズドアレーアンテナ装置が開示されている。
このフェーズドアレーアンテナ装置では、放射素子のグラウンドが高周波モジュールの内部に設けられており、隣接する高周波モジュール間でグラウンドが分断されているため、ビーム走査時に放射特性が劣化することがある。

特開平１１−３４０７２４号公報（段落番号［００１１］、図４）

従来のフェーズドアレーアンテナ装置は以上のように構成されているので、放射素子のグラウンドが高周波モジュールの内部に設けられ、隣接する高周波モジュール間でグラウンドが分断されている。このため、ビーム走査時に放射特性が劣化することがある課題があった。
また、高周波モジュールの中に設けられた半導体チップで発生した熱は、高周波モジュールから下の実装基板を介して排出されるため、出力の大きな半導体チップを用いる場合には、十分な放熱を行うことができない課題があった。
さらに、多数の高周波モジュールを配列して構成するため部品点数が多く、特に放射素子の間隔が狭いミリ波帯においては、組み立てコストが増大してしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、ビーム走査時における放射特性の劣化を抑えることができる小形で低コストなフェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るフェーズドアレーアンテナ装置は、周期的な間隔で配列されている複数の半導体チップの間に樹脂材料が充填されている再構築ウェハと、再構築ウェハの上に形成されている複数の層からなる絶縁膜と、その絶縁膜の上に周期的な間隔で配列されている複数の放射素子とを備え、その絶縁膜には、半導体チップと接続される導体配線が形成されているとともに、その導体配線が形成されている層より上の層に、複数の放射素子が配列されている領域を包含する大きさの領域内に第１の地導体が連続的に形成されており、その導体配線を通る信号を複数の放射素子に結合する結合手段が第１の地導体に形成されているようにしたものである。

この発明によれば、絶縁膜の上に複数の放射素子が周期的な間隔で配列されており、絶縁膜において、導体配線が形成されている層より上の層に、複数の放射素子が配列されている領域を包含する大きさの領域内に第１の地導体が連続的に形成されているように構成したので、ビーム走査時における放射特性の劣化を抑えることができるフェーズドアレーアンテナ装置が得られる効果がある。

この発明の実施の形態１によるフェーズドアレーアンテナ装置が層毎に分解されている状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１によるフェーズドアレーアンテナ装置の断面構造を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態２によるフェーズドアレーアンテナ装置が層毎に分解されている状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２によるフェーズドアレーアンテナ装置の断面構造を模式的に示す断面図である。 この発明の実施の形態３によるフェーズドアレーアンテナ装置が層毎に分解されている状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３によるフェーズドアレーアンテナ装置の断面構造を模式的に示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるフェーズドアレーアンテナ装置が層毎に分解されている状態を示す斜視図である。
また、図２はこの発明の実施の形態１によるフェーズドアレーアンテナ装置の断面構造を模式的に示す断面図である。
図１及び図２において、再構築ウェハ１は周期的な間隔で配列されている複数の半導体チップ２の間にモールド樹脂３（樹脂材料）が充填されているウェハであり、複数の半導体チップ２とモールド樹脂３が一体化されている。

絶縁膜４は上下２つの層からなり、例えば、スピンコートなどの方法で再構築ウェハ１の上に形成されている。
絶縁膜４には、例えば、スパッタなどの金属成膜によって再配線パターン５ａ，５ｂ（導体配線）が形成されるとともに、導体ヴィア６ａ，６ｂが形成されている。再配線パターン５ａ，５ｂは、導体ヴィア６ａ，６ｂを介して、半導体チップ２の回路と電気的に接続されている。
絶縁膜４において、再配線パターン５ａ，５ｂが形成されている層より上の層には、絶縁膜形成と配線形成のプロセスを再度行うことで、地導体パターン７と導体ヴィア６ｃが形成されている。
第１の地導体である地導体パターン７は複数の半導体チップ２が配列されている領域、即ち、放射素子１１が配列されている領域を包含する大きさの領域内に連続的に形成されている。
地導体パターン７に施されている孔は、再配線パターン５ｂを通る高周波信号を放射素子１１に結合する結合孔８であり、結合孔８は結合手段を構成している。

外部から信号を入力するインターフェースである外部接続用パッドパターン９は地導体パターン７と同一面に設けられており、導体ヴィア６ｃを介して再配線パターン５ａと接続されている。
アンテナ基板１０は地導体パターン７の上に、外部接続用パッドパターン９と重ならないように配置されている。
アンテナ基板１０には、複数の半導体チップ２と同じ間隔で、複数の放射素子１１が配列されている。
金属ベース１２は再構築ウェハ１の下側に取り付けられている。

次に動作について説明する。
図１のフェーズドアレーアンテナ装置では、外部接続用パッドパターン９が、ワイヤボンディングやフレキシブル基板などによって、外部基板（図示せず）と接続されており、外部接続用パッドパターン９が外部基板から高周波信号、制御信号、電源などの供給を受ける。
外部接続用パッドパターン９から入力された信号（高周波信号、制御信号、電源など）は、導体ヴィア６ｃを介して再配線パターン５ａに伝搬され、その再配線パターン５ａによって分配されたのち、導体ヴィア６ａを介して、複数の半導体チップ２に伝搬される。

半導体チップ２は、例えば、可変減衰器や可変移相器を搭載しており、外部接続用パッドパターン９から入力された信号を受けると、その信号における制御信号にしたがって可変減衰器や可変移相器を制御することで、外部接続用パッドパターン９から入力された高周波信号の振幅や位相を調整する。
半導体チップ２により振幅や位相が調整された高周波信号は、導体ヴィア６ｂを介して再配線パターン５ｂに出力される。
再配線パターン５ｂを伝搬した高周波信号は、結合孔８によって放射素子１１と結合され、放射素子１１から空間に電波が放射される。

ここで、放射素子１１のグラウンドとして作用する地導体パターン７は、半導体チップ２が配列されている領域（放射素子１１が配列されている領域）を包含する大きさの領域内に連続して形成されているので、各放射素子１１の励振分布に依らずに、安定的な放射特性を得ることができる。
また、半導体チップ２に含まれる回路の損失によって発生した熱は、モールド樹脂３を介して金属ベース１２に伝えられる。半導体チップ２から金属ベース１２までの距離は短いため、効率よく排熱することが可能である。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、絶縁膜４の上に複数の放射素子１１が複数の半導体チップ２と同じ間隔で配列されており、絶縁膜４において、再配線パターン５ａ，５ｂが形成されている層より上の層に、複数の放射素子１１が配列されている領域を包含する大きさの領域内に地導体パターン７が連続的に形成されているように構成したので、隣接する放射素子１１の間で励振位相に差をつけてビーム走査を行う場合でも、放射特性の劣化を抑えることができるフェーズドアレーアンテナ装置が得られる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、金属ベース１２が再構築ウェハ１の下側に取り付けられているように構成したので、再構築ウェハ１内の半導体チップ２で発生した熱を効率よく金属ベース１２に排熱することができるようになり、その結果、出力が大きな半導体チップ２が搭載される場合でも、動作時の装置内部の温度上昇が小さいフェーズドアレーアンテナ装置を実現することができる。

さらに、この実施の形態１によれば、再構築ウェハ１に対する絶縁膜４と配線パターンの形成を、すべて一括で行うことが可能であるため、放射素子１１毎に部品を組み立てる必要がない。このため、組み立てコストが小さなフェーズドアレーアンテナ装置を実現することができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるフェーズドアレーアンテナ装置が層毎に分解されている状態を示す斜視図である。
また、図４はこの発明の実施の形態２によるフェーズドアレーアンテナ装置の断面構造を模式的に示す断面図である。
図３及び図４において、図１及び図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。

上記実施の形態１では、上下２つの層からなる絶縁膜４が用いられているものを示したが、この実施の形態２では、３つの層からなる絶縁膜２１が用いられている例を説明する。
絶縁膜２１の中間の層には、再配線パターン５ａ，５ｂ及び導体ヴィア６ａ，６ｂが形成されている。
絶縁膜２１の上の層には、導体ヴィア６ｃ、地導体パターン７、結合孔８及び外部接続用パッドパターン９が形成されている。
絶縁膜２１の下の層には、第２の地導体である地導体パターン２２及び導体ヴィア２３ａ，２３ｂが形成されている。

次に動作について説明する。
図３のフェーズドアレーアンテナ装置では、外部接続用パッドパターン９が、ワイヤボンディングやフレキシブル基板などによって、外部基板（図示せず）と接続されており、外部接続用パッドパターン９が外部基板から高周波信号、制御信号、電源などの供給を受ける。
外部接続用パッドパターン９から入力された信号（高周波信号、制御信号、電源など）は、導体ヴィア６ｃを介して再配線パターン５ａに伝搬され、その再配線パターン５ａによって分配されたのち、導体ヴィア６ａ，２３ａを介して、複数の半導体チップ２に伝搬される。

半導体チップ２は、例えば、可変減衰器や可変移相器を搭載しており、外部接続用パッドパターン９から入力された信号を受けると、その信号における制御信号にしたがって可変減衰器や可変移相器を制御することで、外部接続用パッドパターン９から入力された高周波信号の振幅や位相を調整する。
半導体チップ２により振幅や位相が調整された高周波信号は、導体ヴィア２３ｂ，６ｂを介して再配線パターン５ｂに出力される。
再配線パターン５ｂを伝搬した高周波信号は、結合孔８によって放射素子１１と結合され、放射素子１１から空間に電波が放射される。

この実施の形態２では、再配線パターン５ａ，５ｂに対して、上下に地導体パターン７，２２を設け、それぞれストリップ線路を構成している。
再配線パターン５ａ，５ｂと半導体チップ２との間に地導体パターン２２が設けられているため、再配線パターン５ａ，５ｂと半導体チップ２上に形成された回路との間の結合を抑えることができる。
したがって、外部から各半導体チップ２に信号を供給するための配線パターンを、半導体チップ２から離して配置する必要がないため、より高密度な配線を有するフェーズドアレーアンテナ装置を実現することができる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３によるフェーズドアレーアンテナ装置が層毎に分解されている状態を示す斜視図である。
また、図６はこの発明の実施の形態３によるフェーズドアレーアンテナ装置の断面構造を模式的に示す断面図である。
図５及び図６において、図３及び図４と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。

上記実施の形態１，２では、半導体チップ２と放射素子１１の接続関係が１対１である例を示したが、この実施の形態３では、半導体チップ２と放射素子１１の接続関係が１対多である例を示している。
即ち、図５のフェーズドアレーアンテナ装置では、１つの半導体チップ２に対して、４つの放射素子１１が対応付けられている。
各々の半導体チップ２は、高周波信号を４分配する分配回路を備えており、それぞれの高周波信号の振幅及び位相を可変減衰器及び可変移相器によって所望の状態に変化させたのち、それぞれの高周波信号を導体ヴィア２３ｂ，６ｂ、再配線パターン５ｂ及び結合孔８を介して４つの放射素子１１に出力することで、４つの放射素子１１を励振するようにしている。

この実施の形態３によれば、１つの半導体チップ２から高周波信号が複数の放射素子１１に供給されるため、回路を集積して半導体チップ２に信号を入力するためのパッド数を減らすことができるようになり、その結果、放射素子１１の１個当りの半導体チップ２の面積を小さくすることができ、より小形で低価格なフェーズドアレーアンテナ装置を実現することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 再構築ウェハ、２ 半導体チップ、３ モールド樹脂（樹脂材料）、４ 絶縁膜、５ａ，５ｂ 再配線パターン（導体配線）、６ａ，６ｂ，６ｃ 導体ヴィア、７ 地導体パターン（第１の地導体）、８ 結合孔（結合手段）、９ 外部接続用パッドパターン（インターフェース）、１０ アンテナ基板、１１ 放射素子、１２ 金属ベース、２１ 絶縁膜、２２ 地導体パターン（第２の地導体）、２３ａ，２３ｂ 導体ヴィア。

Claims (6)

1. 周期的な間隔で配列されている複数の半導体チップの間に樹脂材料が充填されている再構築ウェハと、
   前記再構築ウェハの上に形成されている複数の層からなる絶縁膜と、
   前記絶縁膜の上に周期的な間隔で配列されている複数の放射素子とを備え、
   前記絶縁膜には、前記半導体チップと接続される導体配線が形成されているとともに、前記導体配線が形成されている層より上の層に、前記複数の放射素子が配列されている領域を包含する大きさの領域内に第１の地導体が連続的に形成されており、
   前記導体配線を通る信号を前記複数の放射素子に結合する結合手段が前記第１の地導体に形成されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
2. 前記絶縁膜には、前記導体配線が形成されている層より下の層に第２の地導体が形成されていることを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
3. 外部から信号を入力するインターフェースが前記絶縁膜に形成されており、前記インターフェースから入力された信号が前記導体配線を介して前記複数の半導体チップに伝搬されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
4. 前記再構築ウェハの下方に金属ベースが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
5. 前記結合手段は、前記第１の地導体に施されている結合孔であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
6. 前記半導体チップと前記放射素子の接続関係が１対多であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のフェーズドアレーアンテナ装置。

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