JP5909707B2 - 無線モジュール - Google Patents
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Description
本開示は、基板に半導体素子等を実装した無線モジュールに関する。
基板を用いて回路を形成した回路モジュールとして、能動素子及び受動素子を搭載した複数の基板を対向させて電気的に接続し、基板間を樹脂封止した構成のものが知られている。例えば、特許文献1には、アンテナ及び回路を搭載した半導体装置による無線モジュールが開示されている。
特許文献1の半導体装置は、シリコン基板の一面側にアンテナが形成され、その他面側に能動素子である半導体素子が搭載されて、アンテナと半導体素子とがシリコン基板を貫通する貫通ヴィアを介して電気的に接続されている。また、シリコン基板と別体に形成された配線基板には、一面側に受動素子が搭載され、配線基板とシリコン基板とが、配線基板の一面側とシリコン基板の他面側との間に配設された接続部材を介して電気的に接続された構成となっている。
上記のような従来の構成によって、高周波の無線モジュール、特にミリ波帯の無線モジュールを実現しようとすると、インピーダンス不整合による課題が生じる。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、高周波帯にて使用する無線モジュールを構成する場合に、インピーダンス不連続と放射による損失を抑制することにある。
本開示の無線モジュールは、無線回路の実装部品を搭載する第1基板と、前記第1基板に対して積層して配置する第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に前記実装部品を搭載可能な間隔を形成し、前記第1基板と前記第2基板とを電気的に接続する接続部材と、前記接続部材の信号経路が所定のインピーダンスとなるように配置した導電部材と、を備える。
本開示によれば、高周波帯にて使用する無線モジュールを構成する場合に、インピーダンス不連続と放射による損失を抑制できる。
(本開示の一形態を得るに至った経緯)
無線モジュールの構成の一例として、第1基板に能動素子及び受動素子を搭載し、アンテナ等を形成した第2基板を対向配置させて2つの基板間を接続部材によって電気的に接続した構成のものがある。この構成の場合、第1基板に半導体素子(IC等)及びチップコンデンサ、チップ抵抗等の受動素子を実装し、第2基板に半田メッキされたCu(銅)コアボール等による接続部材を実装する。そして、第1基板と第2基板の実装面同士を対向させ、接続部材の半田を溶融させて第1基板に対して電気的に接続した後、モールドレジンを基板間の部品が存在する埋め込み層に充填して樹脂封止する。これにより、複数の基板を積層した構造の無線モジュールが実現される。
無線モジュールの構成の一例として、第1基板に能動素子及び受動素子を搭載し、アンテナ等を形成した第2基板を対向配置させて2つの基板間を接続部材によって電気的に接続した構成のものがある。この構成の場合、第1基板に半導体素子(IC等)及びチップコンデンサ、チップ抵抗等の受動素子を実装し、第2基板に半田メッキされたCu(銅)コアボール等による接続部材を実装する。そして、第1基板と第2基板の実装面同士を対向させ、接続部材の半田を溶融させて第1基板に対して電気的に接続した後、モールドレジンを基板間の部品が存在する埋め込み層に充填して樹脂封止する。これにより、複数の基板を積層した構造の無線モジュールが実現される。
上記のような構成によって、高周波の無線モジュール、特にミリ波帯の無線モジュールを実現しようとすると、インピーダンス不整合による課題が生じる。ミリ波帯等の高周波帯では、Cuコアボール等の接続部材、及びこれを実装する第1基板と第2基板の配線パッドが波長に対して大きいため、インピーダンス不連続及び放射による損失が大きくなる。
例えば、基板における信号線の層とグランド(GND)層の間の誘電体厚さ(基板の絶縁部材の厚さ)を50μm、誘電率を3〜4程度とすると、高周波ICの入出力インピーダンスとして一般的に用いられる50Ωインピーダンスの配線幅は、概ね50μmまたはこれより狭くなる。これに対し、接続部材としてCuコアボールを用いる場合、基板間の埋め込み層に実装される部品高さを例えば200μmとすると、Cuコアボールの径は概ね250μm、これを実装する基板上の配線パッドは250μm以上の大きさが必要となる。これは、配線幅50μmの5倍以上であり、インピーダンスの実成分は小さくなり、虚成分は大きな容量性となるため、配線との間にインピーダンス不連続と放射による損失が生じることになる。
上記事情を鑑み、本開示では、高周波帯にて使用する無線モジュールを構成する場合に、インピーダンス不連続と放射による損失を抑制することが可能な無線モジュールを例示する。
(本開示の実施形態)
以下の実施形態では、本開示に係る無線モジュールの例として、60GHzのミリ波帯等の高周波帯において用いられ、アンテナ及び半導体素子を搭載した無線モジュールの構成例をいくつか示す。
以下の実施形態では、本開示に係る無線モジュールの例として、60GHzのミリ波帯等の高周波帯において用いられ、アンテナ及び半導体素子を搭載した無線モジュールの構成例をいくつか示す。
(第1の実施形態)
第1の実施形態は、基板間を電気的に接続する接続部材として、Cuコアボールを用いた場合の構成例を示す。
第1の実施形態は、基板間を電気的に接続する接続部材として、Cuコアボールを用いた場合の構成例を示す。
ミリ波帯等の高周波帯では、複数の基板を積層した構造の無線モジュールにおいて、接続部材にCuコアボールを用いる場合、Cuコアボール及びこれを実装する基板の配線パッドが波長に対して大きくなる。すなわち、Cuコアボール及び基板の配線パッドが基板上の50Ωインピーダンスの配線幅に対して大きくなるため、インピーダンス不連続及び放射による損失が大きくなる。
例えば、基板間の埋め込み層に実装される部品高さを例えば200μmとすると、Cuコアボールの径は概ね250μm、これを実装する基板上の配線パッドは250μm以上の大きさが必要となる。ここで、基板における信号線の層とグランド(GND)層の間の誘電体厚さ(基板の絶縁部材の厚さ)を50μm、誘電率を3〜4程度とすると、高周波ICの入出力インピーダンスとして一般的に用いられる50Ωインピーダンスの配線幅は、概ね50μmまたはこれより狭くなる。したがって、Cuコアボール及び基板の配線パッドの大きさ(約250μm)が基板の配線幅(約50μm)に対して大きくなり、インピーダンスの不整合が生じる。
そこで、本実施形態では、例えば250μmのCuコアボールの導体が50Ωインピーダンスの導体として動作するように、無線モジュールを構成し、インピーダンス不連続及び放射による損失を抑制する。
導体のインピーダンスは、グランドとの距離とその間に存在する誘電体の誘電率によって決まる。よって、接続部材となる250μmの導体を50Ωとするには、グランドとなる導電部材を例えば接続部材から250μm離れた場所に設ければよい。接続部材と導電部材との適切な距離は、接続部材の大きさと部材間の誘電率によって変化する。
図1(A)〜(C)は、本開示の第1の実施形態に係る無線モジュールの構成を示す図であり、(A)は断面図、(B)は第2基板の上から見た平面図、(C)は第2基板を除いた状態で上から見た平面図である。
本実施形態の無線モジュールは、メイン基板となる第1基板11と、サブ基板となる第2基板12とを有する。これらの第1基板11、第2基板12は、例えば誘電率が3〜4程度の誘電体の絶縁材料により形成される。第1基板11は、一面側に銅箔等による配線パターン15が設けられ、無線回路の実装部品として、能動素子としての半導体素子(IC等)13と、チップコンデンサ、チップ抵抗等の受動素子14とが実装され、無線回路が形成されている。また、第1基板11には、接続部材18を電気接続するための配線パッド19が設けられる。
第2基板12は、一面側に銅箔等による面状のグランドパターン16と、円形状の配線パッド17とが形成され、配線パッド17に半田メッキされたCuコアボールによる接続部材18が実装されている。また、第2基板12は、他面側に例えば銅箔によるパッド状のアンテナ20が形成され、貫通ヴィア21により一面側の配線パッド17と電気的に接続されている。
第1基板11の一面側と第2基板12の一面側とは対向配置され、接続部材18の半田を溶融させて第1基板11の配線パッド19に接続することで、接続部材18により第2基板12が第1基板に対して電気的に接続される。この際、接続部材18は、第1基板11の無線回路と第2基板12とのアンテナ20との間の信号の伝送経路(信号線路)となる。また、接続部材18は、第1基板11と記第2基板12との間に半導体素子13等の実装部品を搭載可能な間隔を形成するために設けられる。そして、第1基板11と第2基板12との間の半導体素子13、受動素子14等が存在する埋め込み層には、例えばモールドレジンの封止樹脂22が充填されて封止される。
接続部材18の側方には、接続部材18に対して所定距離となる位置に、端面電極となるインピーダンス調整用の導電部材23が設けられる。導電部材23は、無線モジュールの側部端面に例えば導電メッキを施すことにより形成される。なお、導電部材23は、導電性のものであれば、薄膜、平板部材など、種々のものを用いることができる。導電部材23は、第1基板11に形成されたグランドパターン24と電気的に接続され、グランド電極として機能する。無線モジュールの側部端面に例えば導電メッキを設けて配線を行う場合、EMC対策として行われているシールド技術を適用すればよい。
例えば、Cuコアボールによる接続部材18の径が250μmの場合、導電部材23を設けたモジュール端面側に、導電部材23との距離が約250μmとなる位置に接続部材18を配置する。これによって、基板間の信号線路となる接続部材18において、モジュール端面に形成した導電部材23によるグランド電極との間に、基板厚さ方向の縦構造の伝送線路を構成することができる。この縦構造の伝送線路により、接続部材18と基板の配線との間における寄生容量成分を小さくできる。
図1(A)〜(C)に示すように、接続部材18の直径aと、接続部材18と導電部材23との距離bとが、略等しくなるように接続部材18及び導電部材23を配置する。この際、導電部材23は、接続部材18の信号経路が所定のインピーダンス(本例では50Ω)となるように配置する。ここで、図1(B)、(C)に示すように、接続部材18の直径aは、第1基板11及び第2基板12の配線幅dに対して大きいものの、適切な距離bの位置に導電部材23を設けることで、接続部材18を50Ωインピーダンスの導体として見えるようにできる。
このように、本実施形態の構成によれば、基板間を電気接続する接続部材18のインピーダンスを基板側配線と同様とし、接続部材18と第1基板11及び第2基板12の配線との間のインピーダンス整合をとることができ、インピーダンス不連続及び放射による損失を抑制できる。
図2(A)、(B)は、第1の実施形態の変形例1に係る無線モジュールの構成を示す図であり、(A)は第2基板の上から見た平面図、(B)は第2基板を除いた状態で上から見た平面図である。
第1の実施形態の変形例1は、接続部材18として設けられる信号用のCuコアボールの両側に、グランド用のCuコアボールを導電部材25として配置したものである。なお、グランド用のCuコアボールによる導電部材25は、接続部材18の片側のみに設けてもよい。その他の構成は図1(A)に示した第1の実施形態と同様であり、説明を省略する。
導電部材25は、第1基板11に設けた配線パッド26と接続され、グランドパターン27を介してグランド電極としての導電部材23と電気的に接続されている。なお、導電部材25は導電部材23と接続しなくてもよい。導電部材25は導電部材23と接続した方がより効果的である。
このように、変形例1では、Cuコアボールの周辺にグランド用のCuコアボールを設け、基板間の信号経路となる接続部材18を、グランドとなる導電部材23、25によって凹状に覆う構成としている。これによって、接続部材18からの放射が軽減され、信号伝送時の損失をさらに抑制できる。
図3(A)、(B)は、第1の実施形態の変形例2に係る無線モジュールの構成を示す図であり、(A)は断面図、(B)は第2基板を除いた状態で上から見た平面図である。
第1の実施形態の変形例2は、上述した変形例1に対して、グランド用のCuコアボールによる導電部材25を接続する配線パッド26とグランドパターン24との接続構成を変更したものである。
図1(A)に示した第1の実施形態では、第1基板11のグランドパターン24と、グランド電極としての導電部材23とが、第1基板11の端面において接続されている。図2(B)に示した第1の実施形態の変形例1では、第1基板11上のグランド用の配線パッド26が、グランドパターン27を介して導電部材23に接続されている。
一方、変形例2では、第1基板11において、配線パッド26とグランドパターン24とを接続するヴィア101が設けられている。ヴィア101は、配線パッド26に対して複数設けられ、複数のヴィア101によってグランドパターン24と電気的に接続される。
このように、変形例2では、グランド用の配線パッド26をグランドパターン27及び導電部材23を介してグランドパターン24と接続するだけでなく、ヴィア101によって短い経路で配線パッド26とグランドパターン24とを接続している。これにより、グランドにおける抵抗成分及び寄生成分による電位差が小さくなり、安定したグランド電位を得られる。
図4は、第1の実施形態の変形例3に係る無線モジュールの構成を示す図であり、第2基板を除いた状態で上から見た平面図である。
第1の実施形態の変形例3は、上述した変形例2に対して、配線パッド26の構成を変更したものである。図3(B)に示した第1の実施形態の変形例2では、配線パッド26と導電部材23とがグランドパターン27の線路によって接続されている。
一方、変形例3では、第1基板11において、広い平面状のパターン(ベタパターン)によるグランドパターン102が設けられ、配線パッド26とグランドパターン27の機能を含む構成となっている。グランドパターン102には、グランド用のCuコアボールによる導電部材25が接続されるとともに、グランド電極である導電部材23が接続される。そして、グランドパターン102は、信号用のCuコアボールによる接続部材18を接続する配線パッド19の周りを取り囲む形状となっている。
このように、変形例3では、グランド用の配線パッド26の代わりに平面状のパターンによるグランドパターン102を設けることで、グランド電位を安定化させ、信号ラインのシールド効果を高められる。
図5は、第1の実施形態の変形例4に係る無線モジュールの構成を示す図であり、第2基板の上から見た平面図である。
第1の実施形態の変形例4は、上述した第1の実施形態及びその変形例1に対して、アンテナ20を接続する貫通ヴィア21の配置構成を変更したものである。図1(A)に示した第1の実施形態では、接続部材18が配線パッド17及び貫通ヴィア21を介してアンテナ20と接続され、接続部材18からアンテナ20に信号が伝送される構成となっている。
一方、変形例4では、第2基板12において、貫通ヴィア21が配線パッド17から外れた位置にずらして(オフセットして)設けられ、配線パッド17より接続部材側配線111が延出され、接続部材側配線111が貫通ヴィア21と接続されている。第2基板12の他面側は、パッド状のアンテナ20が貫通ヴィア21と接続されている。
このように、変形例4では、例えば60GHzのミリ波帯等の高周波信号が伝送される信号用の接続部材18が、貫通ヴィア21上に位置しないように構成することで、貫通ヴィア21の穴埋めを、接続部材18を直接搭載するよりも簡易な材料、例えば、ソルダレジストにて行うことが出来る。
図6は、第1の実施形態の変形例5に係る無線モジュールの構成を示す図であり、第2基板の上から見た平面図である。
第1の実施形態の変形例5は、上述した変形例4に対して、貫通ヴィア21の周辺の構成を変更したものである。変形例5では、第2基板12において、信号用の接続部材18及び配線パッド17の反対面側の周囲を取り囲むように、円弧状のグランドパターン112が設けられる。グランドパターン112は、さらに貫通ヴィア21の周りを囲むように、略C字状に形成されている。さらに、グランドパターン112においてヴィア113が複数設けられ、ヴィア113によって第2基板12のグランドパターンと電気的に接続される。
このように、変形例5では、グランドパターン112を設け、信号が伝送される配線パッド17と貫通ヴィア21とを取り囲む構成とすることにより、電磁界の漏れを小さくできる。なお、グランドのパターンと信号ラインとを特定の間隔、例えば100μm〜200μmとしておくことで、高周波プローブにて信号の測定をすることが可能となる。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、信号用のCuコアボールによる接続部材の周辺に、端面電極のグランド電極及び/またはグランド用のCuコアボールを設け、接続部材のインピーダンスを調整する構造を示した。第2の実施形態は、接続部材の周辺に専用部品の導電部材を配置した構成例を示す。
第1の実施形態では、信号用のCuコアボールによる接続部材の周辺に、端面電極のグランド電極及び/またはグランド用のCuコアボールを設け、接続部材のインピーダンスを調整する構造を示した。第2の実施形態は、接続部材の周辺に専用部品の導電部材を配置した構成例を示す。
図7(A)、(B)は、本開示の第2の実施形態に係る無線モジュールの構成を示す図であり、(A)は第1基板を上から見た平面図、(B)は断面図である。
接続部材18として設けられる信号用のCuコアボールの周囲を囲むように、四角の枠状の金属材料からなる導電部材31が配置される。導電部材31は、第1基板11または第2基板12に実装される。図示例では、導電部材31は第2基板12に実装され、第2基板12のグランドパターン16に電気的に接続されている。なお、導電部材31は、全体を金属材料で形成したものに限らず、樹脂等の部材の外表面を金属メッキ等の導電体で被覆したものでもよい。その他の構成は図1(A)に示した第1の実施形態と同様であり、説明を省略する。
図7(A)、(B)に示すように、接続部材18の直径aと、接続部材18と導電部材31との距離bとが、略等しくなるように接続部材18に対して導電部材31を配置する。例えば、Cuコアボールによる接続部材18の径が250μmの場合、導電部材31の内壁と接続部材18との距離が約250μmとなるように、導電部材31を形成して配置する。これにより、接続部材18のインピーダンスを基板側配線と同様の、例えば50Ωとすることができる。
枠状の導電部材31を部品として実装することで、信号線路となる中心の接続部材18に対するグランドとして導電部材31が機能し、基板間の信号線路が同軸構造に近い伝送路構成となる。なお、図7(B)に示すように、導電部材31は、接続部材18が実装された配線パッド19からの配線パターン15が通る部分に切り欠き32を設けて配線と干渉しないようにすることで、信号線路との結合を軽減できるように構成してもよい。
このように、本実施形態の構成によれば、第1の実施形態と同様に、接続部材18と第1基板11及び第2基板12の配線との間のインピーダンス整合をとることができ、インピーダンス不連続及び放射による損失を抑制できる。
図8は、第2の実施形態の変形例に係る無線モジュールの構成を示す平面図である。
第2の実施形態の変形例は、無線モジュールの基板上の広い部分を囲む枠状の導電部材35を設けたものである。変形例の導電部材35は、接続部材18の周囲を囲むとともに、基板に実装された半導体素子13、受動素子14等の部品を囲むように構成される。この導電部材35は、第1基板11または第2基板12に実装され、グランドパターンに電気的に接続される。
この変形例では、接続部材18とともに基板上の部品を囲む導電部材35によって、放熱効果、EMC効果を高めることができる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、接続部材自体の構成を変更し異なる構造の部品とした構成例を示す。
第3の実施形態は、接続部材自体の構成を変更し異なる構造の部品とした構成例を示す。
接続部材としてCuコアボールを用いた場合、Cuコアボールの径は、基板間の埋め込み層に配置された部品の高さによって決まる。この場合、Cuコアボール全体が一様な導体であり、この導体の全てを信号が通るため、基板上の配線との寸法差によりインピーダンス不連続が生じる。
複数基板を積層した回路モジュールの構造において、第1基板と第2基板を張り合わせたモジュールとしての強度は、埋め込み層に充填された封止樹脂によって保たれるため、Cuコアボールの役目は第1基板と第2基板の間の導通である。Cuコアボールが球形であるのは接続部材を所定位置への配置時に接続部材の向きを気にせずに行えるためであるが、縦横比が異なった部品を所望の方向で基板に実装することは一般的に行われており、複数基板の積層構造を実現するための必須の条件ではない。
そこで、本実施形態では、接続部材に必要とされる、埋め込み層に配置された「部品に接触しない間隔を作り出す」という役割を果たしつつ、インピーダンス不連続を生じさせない構成例をいくつか示す。
図9は、本開示の第3の実施形態に係る無線モジュールの構成例1を示す斜視図である。構成例1は、Cuコアボールの代わりに、円柱形状の接続部材41を設けた例である。
接続部材41は、円柱形状に形成され、中心部に信号線路となる円柱状の信号線導体42を有し、円管状の絶縁部材43を介して円柱の外周部に周回状にグランド導体44が設けられる。すなわち、接続部材41は、信号伝送用の同軸部品となっている。グランド導体44は信号線導体42のインピーダンスを調整する導電部材として機能する。この同軸構造により、接続部材41と基板の配線との間における寄生容量成分を小さくできる。
ここで、信号線導体42の直径a1と、信号線導体42とグランド導体44との距離b1とが、略等しくなるように構成されている。また、接続部材41は、第1基板と第2基板との間に例えば半導体素子の実装部品を搭載可能な間隔を形成するために設けられる。接続部材41は、図示しないが、基板に実装された状態では、信号線導体42が基板の配線パターンに接続され、グランド導体44が基板のグランドパターンに接続される。その他の構成は図1(A)に示した第1の実施形態と同様であり、説明を省略する。
例えば、第1基板側に半導体素子が搭載されているとすると、この半導体素子からの引き出し線に同軸部品の接続部材41が接続されるように、第1基板に配線パターン及びグランドパターンを形成する。すなわち、第1基板には、接続部材41の中心部の信号線導体42に対応して信号線の配線パターン、その周辺にグランド導体44に対応してグランドパターンをそれぞれ形成する。
これにより、同軸の信号線とグランドが接続され、基板上の平面構造の伝送線路から接続部材41の同軸伝送路に信号が伝わり、インピーダンス不連続を小さくできる。なお、基板の信号線路と同軸部品の接続部材41のグランド導体44とが接触しないように、接続部材41の外周部に形成するグランド導体44に切り欠き45を設けてもよい。
図10は、本開示の第3の実施形態に係る無線モジュールの構成例2を示す斜視図である。構成例2は、Cuコアボールの代わりに、角柱形状の接続部材51を設けた例である。
接続部材51は、角柱形状に形成され、絶縁部材53の対向する端面(図中上下の面)を貫通するように、複数(図示例では9個)の導電体によるヴィアが設けられる。中心部には、信号が通過する信号用ヴィア52が形成され、信号用ヴィア52の周辺を囲むように、8個のグランド用ヴィア54がそれぞれ形成されている。ここで、信号用ヴィア52の直径a2と、信号用ヴィア52とグランド用ヴィア54との距離b2とが、略等しくなるように構成される。接続部材51の構成により、擬似的な同軸伝送路が形成される。グランド用ヴィア54は信号用ヴィア52のインピーダンスを調整する導電部材として機能する。
構成例2では、接続部材を直方体とすることができるため、実装時の部品ピックアップが容易になる。また、接続部材51の直方体側面に位置調整用の電極55を設けることで、半田実装時に側方からのオートアライメント効果によって位置ずれを少なくすることができる。
図11は、本開示の第3の実施形態に係る無線モジュールの構成例3を示す斜視図である。構成例3は、Cuコアボールの代わりに、角柱形状で信号線部分が露呈した構造の接続部材61を設けた例である。
接続部材61は、構成例1の接続部材41を角柱形状として略半分に切断した形状となっている。すなわち、一側面の中央部に、対向する端面(図中上下の面)を貫通する角柱状の信号線導体62を有し、絶縁部材63を介して角柱の外周部における信号線導体62が存在する面を除く3面にグランド導体64が設けられる。信号線導体62は、一側面が外側に露呈している。ここで、信号線導体62の幅a3と、信号線導体62とグランド導体64との距離b3とが、略等しくなるように構成されている。グランド導体64は信号線導体62のインピーダンスを調整する導電部材として機能する。
接続部材61は、第2基板12に実装された状態では、信号線導体62が基板の配線パターン28に接続され、グランド導体64が基板のグランドパターン29に接続される。信号線導体62がむき出しの構成によって、第2基板12側の配線パターン28は、接続部材61の底面部分の信号線導体62ではなく、接続部材61の側面の信号線導体62と半田接続することになり、接続不良の確認が容易になる。また、グランド導体64の接続によって、接続部材61の位置合わせが容易にできる。なお、側面に位置調整用の電極65を設けることで、半田実装時に側方からのオートアライメント効果によって位置ずれを少なくすることができる。
図12は、本開示の第3の実施形態に係る無線モジュールの構成例4を示す斜視図である。構成例4は、Cuコアボールの代わりに、半円柱形状で信号線部分が露呈した構造の接続部材71を設けた例である。
接続部材71は、構成例1の円柱状の接続部材41を略半分に切断した形状となっている。すなわち、平面の側面の中央部に、対向する端面(図中上下の面)を貫通する半円柱状の信号線導体72を有し、絶縁部材73を介して外周部における半円柱の円弧の側面にグランド導体74が設けられる。信号線導体72は、一側面が外側に露呈している。ここで、信号線導体72の幅a4と、信号線導体72とグランド導体74との距離b4とが、略等しくなるように構成されている。グランド導体74は信号線導体72のインピーダンスを調整する導電部材として機能する。
接続部材71は、第2基板12に実装された状態では、信号線導体72が基板の配線パターン28に接続され、グランド導体74が基板のグランドパターン29に接続される。構成例3と同様、信号線導体72がむき出しの構成によって、第2基板12側の配線パターン28は、接続部材71の底面部分の信号線導体72ではなく、接続部材71の平面の側面の信号線導体72と半田接続することになり、接続不良の確認が容易になる。また、グランド導体74の接続によって、接続部材61の位置合わせが容易にできる。なお、側面に位置調整用の電極75を設けることで、半田実装時に側方からのオートアライメント効果によって位置ずれを少なくすることができる。
上述したように、第3の実施形態では、Cuコアボールの代わりに、グランド導体を有し同軸伝送路を形成する接続部材を設けることで、基板間に実装部品を配置する間隔を形成しつつ、接続部材と基板の配線との間のインピーダンス整合をとることができる。これにより、インピーダンス不連続及び放射による損失を抑制できる。
(本開示の他の実施形態に至る経緯)
従来、半導体基板上に、高周波信号を発生させる発信器を持つ高周波回路とパッチアンテナとが一方の面に形成された半導体チップが、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)基板に実装された撮像装置が知られている(例えば、参考特許文献1参照)。
[参考特許文献1]日本国特開2004−205402号公報
従来、半導体基板上に、高周波信号を発生させる発信器を持つ高周波回路とパッチアンテナとが一方の面に形成された半導体チップが、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits)基板に実装された撮像装置が知られている(例えば、参考特許文献1参照)。
[参考特許文献1]日本国特開2004−205402号公報
しかしながら、パッチアンテナと高周波回路とは基板厚み方向における長さ(高さ)が異なることが多い。この場合、モジュール基板を他の基板に実装する際、パッチアンテナの実装面側からモジュール基板をピックアップすると、ピックアップする工具(吸引器)の先が電子部品(例えば発信器を含む高周波回路)と干渉してしまうことがある。
上記事情を鑑み、本開示では、無線モジュールのアンテナ実装面に電子部品が実装されている場合であっても、無線モジュールをアンテナ実装面側から容易にピックアップすることができる無線モジュールを例示する。
(第4の実施形態)
図13は本開示の第4の実施形態における無線モジュールの構成例を示す側断面図である。
図13に示す無線モジュール300において、モジュール基板310は、多層基板であり、ICの配線等を行う。モジュール基板310の第1の面211(図13では上面)には、アンテナ部320やTcxo330(Temperature compensated crystal Oscillator:温度補償水晶発振器)等の電子部品が実装されている。したがって、第1の面211は、アンテナ部320が設けられるアンテナ実装面である。
図13は本開示の第4の実施形態における無線モジュールの構成例を示す側断面図である。
図13に示す無線モジュール300において、モジュール基板310は、多層基板であり、ICの配線等を行う。モジュール基板310の第1の面211(図13では上面)には、アンテナ部320やTcxo330(Temperature compensated crystal Oscillator:温度補償水晶発振器)等の電子部品が実装されている。したがって、第1の面211は、アンテナ部320が設けられるアンテナ実装面である。
アンテナ部320は、例えば配線によるアンテナパターンにより形成されるパッチアンテナである。モジュール基板310の第2の面212(図13では下面)には、RLC等のチップ部品340やIC部品350などの電子部品が実装される。
無線モジュール300は、セット基板400に実装される。この場合、モジュール基板310の第2の面212側がセット基板400の実装面に接触する。第2の面212に実装される電子部品に対して、セット基板400が直接接触しないように、モジュール基板310の第2の面212には、枠基板360が配置される。枠基板360は、例えば方形形状となっており、モジュール基板310の第2の面212の周端部に配置される。この場合、無線モジュール300は、モジュール基板310と枠基板360とにより、キャビティ型の構造となる。なお、モジュール基板310は、多層基板によって構成されてもよい。
枠基板360の電極361は、セット基板400に半田付けされ、物理的および電気的に接続される。これにより、モジュール基板310および枠基板360と、セット基板400と、が導通されて信号伝送が可能となる。
モジュール基板310および枠基板360の基板厚さ方向(図13におけるz方向)の長さd1は、例えば1mm程度である。チップ部品340やIC部品350の部品厚さ方向(図13におけるz方向)の長さd2は、例えば0.2〜0.3mm程度である。枠基板360を含む無線モジュール300がセット基板400に実装されても、モジュール基板310に実装された電子部品がセット基板400に接触することはない。
モジュール基板310の第1の面211側では、アンテナ部320とTcxo330等の電子部品とが、モールド部材(例えばモールド樹脂)によって一体でモールドされ、モールド部270が形成される。モールド部370は、アンテナ部320および周辺の電子部品を包囲している。モールド部材としては特に制約は無いが,誘電正接(tanδ)が小さい方が、モールド部370における電気損失が小さいことは言うまでもない。
本実施形態では、無線モジュール300がセット基板400に実装されるときには、モジュール基板310の第1の面211側からピックアップ装置によりピックアップされ、セット基板400に実装される。したがって、モールド部370がピックアップされることになり、第1の面211に設けられるアンテナ部320と電子部品との段差によるピックアップ時の干渉を防止でき、無線モジュール300のピックアップが容易になる。
また、モールド部370の周端面213(天井面)は、モジュール基板310と平行かつ平坦となることが好ましい。これにより、無線モジュール300を一層容易に吸着によりピックアップすることができる。
このように、本実施形態の無線モジュール300は、アンテナ部320が設けられるアンテナ実装面としての第1の面211側からピックアップされる無線モジュールであって、アンテナ部320が実装されるモジュール基板310と、モジュール基板310の第1の面211において、アンテナ部320を含む電子部品がモールドされたモールド部370を備える。これにより、ピックアップする工具による吸引の確実性が向上する。つまり、無線モジュールのアンテナ実装面に電子部品が実装されている場合であっても、容易に無線モジュールをアンテナ実装面側からピックアップすることができる。
(第5の実施形態)
図14は本開示の第5の実施形態における無線モジュールの構成例を示す側断面図である。
図14に示す無線モジュール300Bと図13に示した無線モジュール300との相違点は、無線モジュール300Bが導波部380を備える点である。
図14は本開示の第5の実施形態における無線モジュールの構成例を示す側断面図である。
図14に示す無線モジュール300Bと図13に示した無線モジュール300との相違点は、無線モジュール300Bが導波部380を備える点である。
図14に示すように、導波部380は、モールド部370の周端面213(モールド面)に設けられ、アンテナ部320による電波の送受を補助する。導波部380は、例えば導波器として機能する導体パターンにより形成される。
通常、モールド部370を形成するモールド樹脂はアンテナ特性は考慮していないため、アンテナ部320から見ると好ましくない誘電体である。アンテナ部320は空気(誘電率ε=1)を想定して形成されているが、誘電率ε=3〜4の樹脂がアンテナを包囲することで、アンテナの特性が変わることがある。無線モジュール300Bは、導波部380を備えることで、アンテナ特性を再調整して良好な状態に保つことができる。
導波部380がモールド部370上に設けられる位置として、以下の3パターンが考えられる。
図15は無線モジュール300Bのアンテナ部320と導波部380との位置関係の第1例を示す上面図である。
第1例では、導波部380は、モールド部370の周端面213におけるアンテナ部320と対向する位置に設けられる。これにより、アンテナ部320により送電または受電される電力の損失が最も小さくなり、良好に電波の送受を行うことができる。つまり、ピックアップする工具による吸引の確実性が向上するとともに、アンテナ特性を良好な状態に保つことができる。なお、モールド部370の周端面213において、モールド部370の外側に向かって導波部380が設けられる。
図15に示す例では、アンテナ部320がモジュール基板310の第1の面211において2×2のアレー構成となっている。同様に、導波部380がモールド部370の周端面213において2×2のアレー構成となっている。アンテナ部320および導波部380を2×2のアレー構成とすることで、位相合成や振幅合成を行うことが容易になる。なお、アンテナ部320および導波部380の2×2のアレー構成は一例であり、1つのパターンで構成されても、より多数のパターンが格子状に配列されてもよい。多数のパターンが配列された方が、アンテナ特性は良好になる。
図15のような導波部380を備えることで、モジュール基板310を再設計することなく、モールド部370上の導波部380として機能するパターンを適宜変更することで、アンテナ利得やアンテナ利得の周波数特性を変更することができる.また,モールド後では製造時ばらつきを調整するためのアンテナ部320のパターンカットは困難であるが,モールド部370上のパターンをカットすることで、これが可能となる。
さらに、モールド部370が存在することで、空気よりも高い誘電率の誘電体層の厚み(図14におけるz方向の長さ)が増すため、導波部380はアンテナ部320よりも大きいことが望ましい。つまり、導波部380がモールド部370のモールド面上に設けられた領域が、アンテナ部320がアンテナ実装面上に設けられた領域よりも大きいことが望ましい。これにより、一層アンテナ特性を良好に調整することができる。
図16は無線モジュール300Bのアンテナ部320と導波部380との位置関係の第2例を示す上面図である。
第2例では、導波部380は、モールド部370の周端面213におけるアンテナ部320と対向する位置から所定距離d3だけ離れた位置に設けられる。つまり、導波部380のモールド面における位置とアンテナ部320のアンテナ実装面における位置とがずらして(オフセットして)配置される。
例えば、図16に示すように、導波部380がアンテナ部320よりも左側の場合には、左方向に電波が放射される。一方、導波部380がアンテナ部320よりも右側の場合には、右方向に電波が放射される。このように、電波を放射したい方向に導波部380がずれるように配置する。
このような導波部380を設けることで、モジュール基板310を再設計することなく、モールド部370の周端面213上のパターンを変更することで、アンテナ指向性を変更する(ビームチルトする)ことができる。また、モジュール基板310にアンテナ部320が実装された後であっても、柔軟にアンテナ指向性を変更することができる。
図17は無線モジュール300Bのアンテナ部320と導波部380との位置関係の第3例を示す上面図である。
第3例では、図17に示すように、導波部380は、モールド部370の周端面213において、アンテナ部320がアンテナ実装面において設けられた領域から所定の回転角度θだけ回転された領域に設けられている。つまり、図17において、導波部380の領域を示す矩形の向きと、アンテナ部320の領域を示す矩形の向きと、が回転した関係となるような位置関係で、導波部380が周端面213上に実装される。これにより、アンテナ部320から放射される電波の偏波面(アンテナ偏波面)を変更することができる。
モールド面における導波部380の位置とアンテナ実装面におけるアンテナ部320の位置(xy平面上の位置)とは、ほぼ同位置となる。回転角度θは、90度に満たない角度である。回転角度θを調整することで、回転角度θの大きさに応じて、アンテナ偏波面を所望の偏波面にすることができる。例えば、アンテナ偏波面を垂直偏波面から水平偏波面にしたり、水平偏波面から垂直偏波面にしたり、直線偏波を円偏波にしたりすることができる。なお、このようなアンテナ偏波面の変更は、モジュール基板310を再設計することなく、モールド部370の周端面213上の導波部380としてのパターンを変更することで実現することができる。
さらに、導波部380とアンテナ部320との位置関係を回転位置関係とする代わりに、導波部380の共振周波数とアンテナ部320の共振周波数とが異なるように設計してもよい。これによっても、アンテナ偏波面を変更することができる。
例えば、アンテナ部320の共振周波数を60GHz、導波部380の共振周波数を59.5GHzとなるように、両者の共振周波数を微妙にずらすことによって、励振タイミングが若干異なるようになる。これにより、アンテナ偏波面を変更することができる。
(開示の一態様の概要)
本開示の第1の無線モジュールは、無線回路の実装部品を搭載する第1基板と、前記第1基板に対して積層して配置する第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に前記実装部品を搭載可能な間隔を形成し、前記第1基板と前記第2基板とを電気的に接続する接続部材と、前記接続部材の信号経路が所定のインピーダンスとなるように配置した導電部材と、を備える。
この構成により、例えばミリ波帯等の高周波帯にて使用する無線モジュールを構成する場合に、接続部材の信号経路のインピーダンス整合をとることができ、インピーダンス不連続と放射による損失を抑制できる。
本開示の第1の無線モジュールは、無線回路の実装部品を搭載する第1基板と、前記第1基板に対して積層して配置する第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に前記実装部品を搭載可能な間隔を形成し、前記第1基板と前記第2基板とを電気的に接続する接続部材と、前記接続部材の信号経路が所定のインピーダンスとなるように配置した導電部材と、を備える。
この構成により、例えばミリ波帯等の高周波帯にて使用する無線モジュールを構成する場合に、接続部材の信号経路のインピーダンス整合をとることができ、インピーダンス不連続と放射による損失を抑制できる。
本開示の第2の無線モジュールは、上記第1の無線モジュールであって、
前記接続部材は、信号経路を形成する導体を含むものであり、前記導電部材は、前記接続部材の導体に対して所定距離を離れた位置に配置され、前記第1基板または前記第2基板のグランドと接続される。
前記接続部材は、信号経路を形成する導体を含むものであり、前記導電部材は、前記接続部材の導体に対して所定距離を離れた位置に配置され、前記第1基板または前記第2基板のグランドと接続される。
本開示の第3の無線モジュールは、上記第2の無線モジュールであって、
前記接続部材は、導体の部材であり、前記導電部材は、前記接続部材と別部材である。
前記接続部材は、導体の部材であり、前記導電部材は、前記接続部材と別部材である。
本開示の第4の無線モジュールは、上記第2の無線モジュールであって、
前記接続部材は、信号線導体と、前記信号線導体に対して所定距離を離れた位置に配置され前記導電部材として機能するグランド導体とを含むものである。
前記接続部材は、信号線導体と、前記信号線導体に対して所定距離を離れた位置に配置され前記導電部材として機能するグランド導体とを含むものである。
本開示の第5の無線モジュールは、上記第4の無線モジュールであって、
前記グランド導体の接続部材と接続される前記第1基板または前記第2基板に形成された配線パッドと、前記配線パッドと前記第1基板または前記第2基板のグランドとを接続するヴィアとを備える。
前記グランド導体の接続部材と接続される前記第1基板または前記第2基板に形成された配線パッドと、前記配線パッドと前記第1基板または前記第2基板のグランドとを接続するヴィアとを備える。
本開示の第6の無線モジュールは、アンテナ部が設けられるアンテナ実装面側からピックアップされる無線モジュールであって、前記アンテナ部が実装されるモジュール基板と、前記モジュール基板の前記アンテナ実装面において、前記アンテナ部を含む電子部品がモールドされたモールド部と、を備える。
この構成により、無線モジュールのアンテナ実装面に電子部品が実装されている場合であっても、モールド部によってアンテナ部と電子部品との段差によるピックアップ時の干渉を防止でき、無線モジュールをアンテナ実装面側から容易にピックアップすることができる。
この構成により、無線モジュールのアンテナ実装面に電子部品が実装されている場合であっても、モールド部によってアンテナ部と電子部品との段差によるピックアップ時の干渉を防止でき、無線モジュールをアンテナ実装面側から容易にピックアップすることができる。
本開示の第7の無線モジュールは、上記第6の無線モジュールであって、更に、
前記モールド部の周端面における前記アンテナ部と対向する位置に、前記アンテナ部による電波の送受を補助する導波部を備える。
前記モールド部の周端面における前記アンテナ部と対向する位置に、前記アンテナ部による電波の送受を補助する導波部を備える。
本開示の第8の無線モジュールは、上記第7の無線モジュールであって、
前記導波部がモールド部上に設けられた領域は、前記アンテナ部が前記モジュール基板上に設けられた領域よりも大きい。
前記導波部がモールド部上に設けられた領域は、前記アンテナ部が前記モジュール基板上に設けられた領域よりも大きい。
本開示の第9の無線モジュールは、上記第6の無線モジュールであって、
前記モールド部の周端面における前記アンテナ部と対向する位置から所定距離離れた位置に、前記アンテナ部による電波の送受を補助する導波部を備える。
前記モールド部の周端面における前記アンテナ部と対向する位置から所定距離離れた位置に、前記アンテナ部による電波の送受を補助する導波部を備える。
本開示の第10の無線モジュールは、上記第6から第9のいずれかの無線モジュールであって、
前記導波部は、前記モールド部の周端面において、前記アンテナ部が前記アンテナ実装面において設けられた領域から所定角度回転された領域に設けられる。
前記導波部は、前記モールド部の周端面において、前記アンテナ部が前記アンテナ実装面において設けられた領域から所定角度回転された領域に設けられる。
本開示の第11の無線モジュールは、上記第6から第9のいずれかの無線モジュールであって、
前記導波部の共振周波数と前記アンテナ部の共振周波数とが異なる。
前記導波部の共振周波数と前記アンテナ部の共振周波数とが異なる。
なお、本開示は、本開示の趣旨ならびに範囲を逸脱することなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が様々な変更、応用することも本開示の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
本出願は、2011年12月2日出願の日本特許出願(特願2011-265019)、及び2011年12月7日出願の日本特許出願(特願2011-268042)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本開示は、高周波帯にて使用する無線モジュールを構成する場合に、インピーダンス不連続と放射による損失を抑制できる効果を有し、例えば、ミリ波帯等の無線通信に用いる半導体素子等を実装した無線モジュール等として有用である。
11 第1基板
12 第2基板
13 半導体素子
14 受動素子
15、28 配線パターン
16、24、27、29、102、112 グランドパターン
17、19、26 配線パッド
18、41、51、61、71 接続部材
20 アンテナ
21 貫通ヴィア
22 封止樹脂
23、25、31、35 導電部材
42、62、72 信号線導体
43、53、63、73 絶縁部材
44、64、74 グランド導体
52 信号用ヴィア
54 グランド用ヴィア
101、113 ヴィア
111 接続部材側配線
211 モジュール基板の第1の面(アンテナ実装面)
212 モジュール基板の第2の面
213 モールド部の周端面(モールド面)
300、300B 無線モジュール
310 モジュール基板
320 アンテナ部
330 Tcxo
340 チップ部品
350 IC部品
360 枠基板
361 電極
370 モールド部
380 導波部
400 セット基板
12 第2基板
13 半導体素子
14 受動素子
15、28 配線パターン
16、24、27、29、102、112 グランドパターン
17、19、26 配線パッド
18、41、51、61、71 接続部材
20 アンテナ
21 貫通ヴィア
22 封止樹脂
23、25、31、35 導電部材
42、62、72 信号線導体
43、53、63、73 絶縁部材
44、64、74 グランド導体
52 信号用ヴィア
54 グランド用ヴィア
101、113 ヴィア
111 接続部材側配線
211 モジュール基板の第1の面(アンテナ実装面)
212 モジュール基板の第2の面
213 モールド部の周端面(モールド面)
300、300B 無線モジュール
310 モジュール基板
320 アンテナ部
330 Tcxo
340 チップ部品
350 IC部品
360 枠基板
361 電極
370 モールド部
380 導波部
400 セット基板
Claims (5)
- 無線回路の実装部品を搭載する第1基板と、
前記第1基板に対して積層して配置する第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板との間に前記実装部品を搭載可能な間隔を形成し、前記第1基板と前記第2基板とを電気的に接続し、信号経路を形成する導体を含む接続部材と、
前記接続部材の導体に対して所定距離を離れた位置に配置され、前記第1基板または前記第2基板のグランドと接続する導電部材と、
を備え、
前記接続部材は、所定幅の信号線を用いて、前記実装部品と接続され、
前記接続部材の直径は、前記信号線の所定幅より幅広く、
前記所定距離は、前記接続部材の直径と略等しい、
無線モジュール。 - 請求項1に記載の無線モジュールであって、
前記接続部材は、導体の部材であり、
前記導電部材は、前記接続部材と別部材である、無線モジュール。 - 請求項1に記載の無線モジュールであって、
前記接続部材は、信号線導体と、前記信号線導体に対して所定距離を離れた位置に配置され前記導電部材として機能するグランド導体とを含むものである、無線モジュール。 - 請求項3に記載の無線モジュールであって、
前記グランド導体の接続部材と接続される前記第1基板または前記第2基板に形成された配線パッドと、前記配線パッドと前記第1基板または前記第2基板のグランドとを接続するヴィアとを備える、無線モジュール。 - 請求項1に記載の無線モジュールであって、
前記接続部材の信号経路が所定のインピーダンスとなるように配置されている、無線モジュール。
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