高周波装置及び高周波モジュール
【課題】高周波信号の挿入損失が小さく、信頼性の高い高周波装置及び高周波モジュールを提供する。
【解決手段】高周波装置１０は、半導体素子３６が第一面に搭載されるモジュール基板３２と、アンテナ素子３８を備えるアンテナ基板３４と、から構成される高周波モジュール３０と、電源・制御回路基板２０と、を備える。モジュール基板３２は、半導体素子３６に繋がる導波路３２１，３５１を第一面近傍に有する。アンテナ基板３４は、モジュール基板３２の第一面に接合され、導波路３２１，３５１とアンテナ素子３８とに接続される導波管３４０，３７０を有する。電源・制御回路基板２０は、モジュール基板３２における一面の反対側の第二面に接合される。このような構成により、高周波信号が流れる部位と電源・制御信号が流れる部位とを離間させることで、相互に生じるノイズを抑制する。
【解決手段】高周波装置１０は、半導体素子３６が第一面に搭載されるモジュール基板３２と、アンテナ素子３８を備えるアンテナ基板３４と、から構成される高周波モジュール３０と、電源・制御回路基板２０と、を備える。モジュール基板３２は、半導体素子３６に繋がる導波路３２１，３５１を第一面近傍に有する。アンテナ基板３４は、モジュール基板３２の第一面に接合され、導波路３２１，３５１とアンテナ素子３８とに接続される導波管３４０，３７０を有する。電源・制御回路基板２０は、モジュール基板３２における一面の反対側の第二面に接合される。このような構成により、高周波信号が流れる部位と電源・制御信号が流れる部位とを離間させることで、相互に生じるノイズを抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波信号を送受信する高周波装置及び高周波モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信技術の発達に伴い、回路基板上にアンテナ素子を備えるアンテナ一体型の高周波モジュールが各方面で利用されている。アンテナ一体型の高周波モジュールとして、基板の一方の表面あるいは内部にアンテナ素子が設けられ、他方の表面にアンテナ素子と接続された半導体素子を搭載してなるアンテナ基板と、表面又は内部に導体パターンが被着形成されたモジュール基板とを具備し、モジュール基板の表面にアンテナ基板を実装してなるアンテナモジュールが特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、モジュールをマザーボード（電源・制御回路基板）に実装して機器を組み立てる際の工程短縮あるいはコスト削減の観点から、リードレス化された高周波モジュールをマザーボードにＢＧＡ（Ball Grid array）接続する技術が特許文献２に開示されている。
【０００４】
特許文献２に開示された高周波モジュールにおいて、高周波パッケージ（あるいは高周波モジュール）の高周波信号は、ＢＧＡの半田間の空間、及びマザーボードに形成された導波管を介して、半導体素子とアンテナとの間で入出力される。また、その他の信号、接地及び電源端子はＢＧＡを介してマザーボードに接続されている。この構造によって、リード接続に比べて接続工程のスループットを高くしている。更に、半田のセルフアライメントによって、導波管の位置合わせを容易にし、組立コストを削減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４２００６号公報
【特許文献２】特開２００８−２５２２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、高周波信号と電源・制御信号とがモジュール基板の同じ面側に集中しているため、高周波信号が電源・制御信号へノイズとして混入する問題があり、機能信頼性の高いものではなかった。
【０００７】
また、特許文献２に開示された技術は、高周波信号が、高周波モジュールとマザーボードとの接続部である半田ボール間の空間を通過することとなるため、高周波信号の挿入損失が大きくなってしまう問題があった。
【０００８】
また、導波管モードに変換され、モジュール基板の厚みに依存する高周波信号の損失を抑えるために、モジュール基板の厚みを薄くするという対応も考えられる。しかし、モジュール基板の厚みを薄くすると、全体として高周波モジュールの剛性が低くなる。このため、一定水準の品質のための所定の剛性基準を満たすことが難しくなり、高周波モジュールそのものの歩留まりが低くなってしまう。また、モジュール基板の厚みを薄くするとモジュール基板の反りが大きくなり、これによって、電源・制御回路基板への搭載歩留まりが低くなってしまう問題があった。
【０００９】
以上説明したように、ＢＧＡの半田ボール間の空間を介して、アンテナ構造体と電源・制御回路基板とが高周波信号を入出力する高周波モジュールでは、ＢＧＡの半田ボール間の空間を通過する分、高周波信号の挿入損失が大きくなってしまう問題があった。また、基板厚みに比例して高周波信号の挿入損失が大きくなってしまう問題があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高周波信号の挿入損失が小さく、信頼性の高い高周波装置及び高周波モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点に係る高周波装置は、
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成されたモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
から構成される高周波モジュールと、
前記モジュール基板における前記一面の反対側の第二面に接合され、前記高周波モジュールを制御する電源・制御回路基板と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の観点に係る高周波モジュールは、
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成され、電源・制御回路基板が前記一面の反対側の第二面に接合されるモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高周波信号の挿入損失が小さく、信頼性の高い高周波装置及び高周波モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る高周波装置を示す断面図である。
【図２】アンテナが一体化された高周波モジュールを示す拡大断面図である。
【図３】モジュール基板における導波路を示す拡大断面図である。
【図４】モジュール基板における導波路を示す拡大断面図である。
【図５】モジュール基板におけるアンテナ基板接続面を示す上面図である。
【図６】アンテナ基板のキャップ構成部を示す断面図である。
【図７】第１変形例に係るモジュール基板におけるアンテナ基板接続面を示す上面図である。
【図８】第２変形例に係る高周波モジュールを示す拡大断面図である。
【図９】第３変形例に係る高周波モジュールを示す拡大断面図である。
【図１０】第４変形例に係るアンテナ基板のキャップ構成部を示す断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る高周波モジュールを示す断面図である。
【図１２】アンテナ基板とモジュール基板とから成るキャップ構成部を示す断面図である。
【図１３】第５変形例に係るアンテナ基板とモジュール基板とから成るキャップ構成部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る高周波装置及び高周波モジュールの実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
＜第１実施形態＞
図１に、本発明の実施形態に係る高周波装置１０の断面図を示す。高周波装置１０は、電源・制御回路を有する電源・制御回路基板（マザーボード）２０と、電源・制御回路に使用される電子部品２２と、高周波信号を送受信する高周波モジュール３０とを備える。
【００１７】
電源・制御回路基板２０は、外部の給電回路（不図示）から給電された電荷を蓄え、この電荷を電源電力として、高周波装置１０に設けられた電子部品２２に供給するものである。また、電源・制御回路基板２０は、高周波信号の送信動作及び受信動作の切替信号等の制御信号を高周波モジュール３０に供給するものである。
【００１８】
電源・制御回路基板２０の下面には、複数の電子部品２２がフリップチップ接続によって搭載されている。フリップチップ接続は、電子部品２２がミリ波帯の信号を送受信する場合に、接続部の伝送損失を小さくできるために好適である。電子部品２２をフリップチップ接続する際のバンプの材料は限定されないが、金（Ａｕ）スタッドバンプ又は半田バンプ等が好適に用いられる。また、電源・制御回路基板２０の上面の一部に、導電性接合材３２０によって、高周波モジュール３０がＢＧＡ接続されている。なお、電子部品２２には、例えば、電源回路用部品や信号処理用ＩＣや受動素子部品等が用いられるが、これに限定されない。また、電子部品２２は、図１に示すように電源・制御回路基板２０における上面（高周波モジュール３０との接続面）に搭載してもよい。その接合部材・方法も限定されないが、半田等を用いるのが好適である。
また、電源・制御回路基板２０の周縁には、高周波装置１０を他の装置などにネジによって固定するための、厚さ方向に貫通する複数の固定用孔２４が形成されている。なお、高周波装置１０の固定方法は、この固定方法に限定されるものではない。
【００１９】
高周波モジュール３０は、図２に拡大して断面が示されているように、主にモジュール基板３２、アンテナ基板３４、半導体素子３６及びアンテナ素子３８を備える。
【００２０】
モジュール基板３２は、周波数変換するための信号を発振する発振器（図示せず）等を備える。
モジュール基板３２の下面（第二面）には、電源・制御回路基板２０に接合するための導電性接合材３２０が形成されている。モジュール基板３２の上面（第一面）には、半導体素子搭載部３２６が形成されている。半導体素子３６は、導電性接合材３６０によって半導体素子搭載部３２６に接合・搭載されている。さらに、モジュール基板３２の上面に誘電体から成るアンテナ基板３４が一体的に接合されている。更に、モジュール基板３２は、半導体素子３６の搭載面近傍の内層に、導体配線（銅線等）から成り、送信高周波信号が通る１本の導波路３２１、及び受信高周波信号が通る５本の導波路３５１を備える。導波路３２１の一方の端部は、後述の導波管ポート３２４に対向し、他方の端部は、ビア３２５及び半導体素子搭載部３２６を介して半導体素子３６に繋げられている。５本の導波路３５１の一方の端部は、後述の５つの導波管ポート３５４の夫々に対向し、他方の端部は、ビア３５５及び半導体素子搭載部３２６を介して半導体素子３６に繋げられている。
【００２１】
また、図３に拡大して示すように、導波路３２１，３５１の夫々は、ビア３２５，３５５の夫々によって垂直方向に一体的に半導体素子搭載部３２６と接続される。なお、これに限らず、図４に示すように、ビア３２５，３５５を介してモジュール基板３２の表面に一部が露出され、半導体素子搭載部３２６ａと水平方向に一体的に接続されている導波路３２１ａ，３５１ａであってもよい。
【００２２】
また、モジュール基板３２の導波路３２１，３５１には、高周波信号伝搬性及び放熱性の点からコプレーナ線路が好適であるが、これに限定されない。
更に、詳細については後述するが、導波路３２１，３５１の一方の端部のそれぞれに、導波管３４０，３７０に適応するモード又は導波路３２１，３５１に適応するモードに変換するモード変換部３２３，３５３が設けられている。
【００２３】
図５は、モジュール基板３２のアンテナ基板３４との接合面におけるパターンの例を示すものである。図５に示されるように、接地電位のベタパターン３２９には、導波管ポート３２４，３５４の抜きパターン、半導体素子搭載部３２６の抜きパターン、及び半導体素子３６の接続パッド３２８が設けられている。
【００２４】
半導体素子３６は、高周波信号の増幅、変復調、フィルタリングや周波数変換等を行うものである。本実施形態に係る高周波モジュール３０は、１個の半導体素子３６のみを備えるものとして説明するが、複数であってもよい。
【００２５】
アンテナ基板３４の下面には、１つの送信用導波管ポート３２４及び５つの受信用導波管ポート３５４が設けられている。送信用導波管ポート３２４を開放端とし、導体で覆われた中空の管から成る１本の導波管３４０がアンテナ基板３４に形成されている。また、受信用導波管ポート３５４を開放端とし、導体で覆われた中空の管から成る５本の導波管３７０がアンテナ基板３４に形成されている。アンテナ基板３４の上面には、６個のアンテナ素子３８が、導波管３４０，３７０のそれぞれの他方の開放端に繋がるように一体的に搭載されている。アンテナ素子３８は、誘電体をベースとし、誘電体に設けた孔の内部に金属膜を形成した導波管とスロットアレイとからなる平面アンテナである。
また、アンテナ基板３４における半導体素子３６に対向する部位には、キャップ構成部（凹部）３４２が形成されている。また、アンテナ基板３４のキャップ構成部３４２は、モジュール基板３２に搭載された半導体素子３６を覆い（収容し）、電磁シールドとして機能する。
【００２６】
次に、アンテナ基板３４のキャップ構成部３４２の断面図を図６に示す。キャップ構成部３４２は、アンテナ基板３４の下面から上方に凹状に窪み、半導体素子３６を覆うように形成されている。キャップ構成部３４２は、その表面に、導体３４４が形成されていることを特徴としている。このように、キャップ構成部３４２に導体３４４が形成されていることにより、半導体素子３６とその外部にある電子部品２２との電磁遮蔽の効果を高めることができる。
【００２７】
次に、上記のように構成された高周波モジュール３０の動作について説明する。半導体素子３６からアンテナ素子３８へ出力される高周波信号は、半導体素子３６の搭載面上あるいはビア３２５を介して搭載面近傍の内層の導波路３２１を伝搬し、モード変換部３２３によってモードを変換される。変換された高周波信号は、送信用導波管ポート３２４、及びアンテナ基板３４に形成された導波管３４０を介して、アンテナ素子３８に伝搬される。
【００２８】
逆に、アンテナ素子３８から半導体素子３６へ出力される高周波信号は、アンテナ基板３４に形成された導波管３７０及び受信用導波管ポート３５４を介して、モジュール基板３２内に伝搬し、モード変換部３５３によってモードを変換される。変換された高周波信号は、導波路３５１及びビア３５５を介して半導体素子３６に入力される。
【００２９】
半導体素子３６に入出力される高周波信号は、モジュール基板３２に設けられた導波路３２１，３５１内のモード変換部３２３，３５３により、導波管３４０，３７０に適応するモード又は導波路３２１，３５１に適応するモードに変換される。このため、高周波装置１０の高周波信号は、従来のものと異なり、電源・制御回路基板２０の厚みへの依存度が低く、ＢＧＡ（導電性接合材３２０）間の空間を経ることがない。つまり、高周波信号は、アンテナ素子３８と半導体素子３６との間で、導波管３４０，３７０及び導波路３２１，３５１によって、短距離で入出力される。このため、高周波信号の挿入損失が抑制される。
【００３０】
このように、高周波信号が入出力されるのは、高周波モジュール３０内のみであり、電源・制御回路基板２０には入出力されない。よって、高周波モジュール３０は、高周波信号と電源・制御信号とが相互に関わり合うことがなく（ノイズが生じず）、ＥＭＩ耐性に優れたものとなる。
【００３１】
また、モジュール基板３２及びアンテナ基板３４は、高周波信号での誘電損失が小さい材料であるポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）を主成分としたプリント基板、液晶ポリマー（ＬＣＰ）基板、又は低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板等で形成されるものが望ましい。特にＰＰＥを主成分としたプリント基板は、プリント基板からなるマザーボードへの２次実装接続信頼性及びコストの点から好適である。なお、これに限定されず、モジュール基板３２及びアンテナ基板３４は、有機基板やセラミック基板等で形成されるものであってもよい。このように、有機基板やセラミック基板等の低損失誘電体から形成されたモジュール基板３２及びアンテナ基板３４を用いることにより、高周波信号の損失を小さくすることができる。したがって、高周波信号の損失を抑えることのみ考慮すると有機基板やセラミック基板が好適である。なお、コスト面を含めて考慮に入れると、ＰＰＥを主成分としたプリント基板が適している。
また、アンテナ基板３４とモジュール基板３２との接続方法は、導電性接着剤や半田等で接続されるようにしてもよく、これに限定されない。
【００３２】
上記のように構成された高周波モジュール３０が電源・制御回路基板２０にＢＧＡ接続されることで、高周波装置１０が低コストで製造される。
【００３３】
また、高周波モジュール３０は、アンテナ素子３８を一体的に備えている。このため、高周波装置１０においては、図１に示すように、電源・制御回路基板２０における高周波モジュール３０の搭載面の反対面であり、従来、アンテナが接合されていた面に、電子部品２２を搭載することが可能となり装置の小型化が可能となっている。
【００３４】
また、アンテナ素子３８とモジュール基板３２とのインターフェイスに導波管３４０，３７０が形成されている。このようにすることで、高周波モジュール３０の製造過程において、アンテナ基板３４に接合する前に、アンテナ素子３８を導波管３４０，３７０に接触させることにより、その動作確認を容易に行うことができる。そのため、検査済みのアンテナを接続することにより、アンテナ素子３８が一体的に形成された高周波モジュール３０を高歩留まりで製造することができる。
【００３５】
＜第１変形例＞
第１変形例に係るモジュール基板３３におけるアンテナ基板３４との接合面のパターンは、図７に示すように、図５に示されたベタパターン３２９の代わりに、ドットパターン３３０が形成されているものである。パターンには、少なくとも導波管ポート３２４，３５４及び接続パッド３２８が形成されていればよく、図５に示された例及び図７に示された第１変形例によるものに限定されない。なお、図５及び図７に示すように送信用導波管ポート３２４が１つ（送信１チャンネル）、受信用導波管ポート３５４が５つ（受信５チャンネル）であるものとして説明したが、本発明の構成は、それぞれのチャンネル数を限定するものではない。
【００３６】
＜第２変形例＞
第２の変形例に係る高周波モジュール４０は、図８に示すように、フィルム基板から成るモジュール基板４００を備えるものである。モジュール基板４００は、アンテナ基板３４と一体的に接合されていることにより剛性が十分に保たれているため、フィルム基板とすることができる。第２の変形例に係る高周波モジュール４０が、フィルム基板であるモジュール基板４００を備えることで、高周波モジュール４０及びこれを備える高周波装置１０をコンパクトにすることができる。
【００３７】
なお、モジュール基板４００の材質は、上記モジュール基板３２及びアンテナ基板３４の材質と同様のものでもよく、これに限定されない。例えば、モジュール基板４００の材質は、ポリイミドが好適に用いられる。
【００３８】
＜第３変形例＞
また、上記のアンテナ素子３８は、誘電体をベースとし、誘電体に設けた孔の内部に金属膜を形成した導波管とスロットアレイとからなる平面アンテナであるとして説明したが、これに限定されない。例えば、本発明に係る高周波モジュールは、図９に示すように、ホーンアンテナ４２８を備える高周波モジュール４２であってもよい。また、アンテナ基板３４の導波管３４０，３７０に、金属から成るアンテナを接続した構造でもよい。
【００３９】
＜第４変形例＞
また、キャップ構成部３４２は、その表面が導体３４４に覆われているものであるとして説明したが、これに限定されない。例えば、図１０に示すように、キャップ構成部３４２の表面が電波吸収体３４６に覆われているものであってもよい。電波吸収体３４６は、例えば、板金、金属メッシュ又は合成ゴム等から成るものであるが、電磁遮蔽の効果を奏するものであればこれに限定されない。電波吸収体３４６が形成されていることにより、導体３４４が形成されている例と同様に、キャップ構造部３４２の電磁遮蔽の効果が高められる。このように、キャップ構成部３４２の表面を所望の材質（上記の導体３４４又は電波吸収体３４６等）で覆うことで、半導体素子３６の電磁的な周辺環境を、アンテナ基板３４の材質に依らずに調整することができる。
【００４０】
＜第２実施形態＞
図１１は、本発明の他の実施形態に係る高周波装置１０の高周波モジュール５０を示す断面図である。本実施形態に係る高周波モジュール５０は、第１実施形態に係る高周波モジュール３０と異なり、モジュール基板５２の上面側（アンテナ基板５４に接合される面側）にキャビティ（キャップ構成部）５２２が形成され、このキャビティ５２２内に半導体素子３６が収容・搭載されている。更に、モジュール基板５２は、半導体素子搭載部３２６よりも下層に、半導体装置３６の搭載面に対し略平行に配設された導波路５２０，５５０を備える。導波路５２０，５５０の一方の端部は、導波管ポート３２４，３５４の夫々に対向し、その近傍にモード変換部３２３，３５３が設けられ、他方の端部は、ビア３２５，３５５の夫々及び半導体素子搭載部３２６を介して半導体素子３６に繋げられている。
【００４１】
更に、モジュール基板５２は、導波路５２０，５５０の一方の端部と導波管ポート３２４，３５４との間に、６本のスロット５２５を有し、スロット５２５以外で高周波信号の伝搬を制限（遮蔽）する導体板（伝搬制限部）５２４を備える。６本のスロット５２５は、１つの送信用導波管ポート３２４及び５つの受信用導波管ポート３５４に対向する位置に対応する数（本実施形態においては６つ）だけ導体板５２４に形成されている。なお、このスロット５２５と導波管ポート３２４，３５４とは、対応する位置に対応する数だけ形成されていればよく、その数は任意である。
また、誘電体から成るアンテナ基板５４には、図６及び図１０を参照して説明したキャップを構成するための凹部３４２は形成されていない。その他の高周波モジュール５０の主な構成は、第１実施形態に係る高周波モジュール３０の構成と同様である。
【００４２】
本実施形態に係る高周波モジュール５０は、モジュール基板５２側に、半導体素子３６が収容・搭載されていることで、半導体素子３６に下側に形成される導波路５２０，５５０が、アンテナ基板５４に形成された導波管３４０，３７０の導波管ポート３２４，３５４と離間することなる。このような場合であっても、高周波信号は、スロット５２５を介して、モード変換部３２３から送信用導波管ポート３２４に略直線的に伝搬することとなる。同様に、高周波信号は、スロット５２５を介して、受信用導波管ポート３５４からモード変換部３５３に略直線的に伝搬することとなる。このように、スロット５２５を有する導体板５２４を備えることで、送受信に好適な高周波信号のみが導波管３４０，３７０と導波路５２０，５５０との間を通ることとなり、ノイズの発生を抑制することができる。
【００４３】
なお、本実施形態に示すように、導体板５２４を、モジュール基板５２に半導体素子３６を収容するキャビティ５２２が形成される高周波モジュール５０が備えるようにすることが好適であるが、本発明はこれに限定されず、実施形態１のようなモジュール基板５２に半導体素子３６を収容するキャビティ５２２が形成されるものが備えるようにしてもよい。このような場合でも、導波路５２０，５５０と導波管３４０，３７０が離れているような構成であれば、導体板５２４は、ノイズの発生の抑制に特に効果的に機能する。
【００４４】
また、本実施形態に係る高周波モジュール５０は、低損失であり、低コストで製造可能であるという、第１実施形態に係る高周波モジュール３０と同様の効果を奏し得る。更に、本実施形態に係る高周波モジュール５０は、アンテナ基板５４の構造が単純となるため、低コストで製造される。
【００４５】
なお、モジュール基板３２は、キャビティ５２２を形成することを要するため、キャビティ５２２の有無によるコスト差が比較的小さいセラミック基板が適しているが、これに限定されるものではない。また、高周波モジュール５０は、上方に位置するアンテナ基板５４の下面で半導体素子３６がキャップされることになるため、第１実施形態に係る高周波モジュール３０と同様にＥＭＩ耐性も優れている。
【００４６】
次に、本実施形態に係る高周波モジュール５０のキャップ構成部は、図１２に示すように、モジュール基板５２のキャビティ５２２とアンテナ基板５４とから構成される。アンテナ基板５４における半導体素子３６に対向する下面には、キャビティ５２２の開放端を覆うように、導体５４４が形成されている。このように、キャップ構成部に導体５４４が形成されていることにより、半導体素子３６に対する電磁遮蔽の効果が高められる。
【００４７】
＜第５変形例＞
また、アンテナ基板５４における半導体素子３６に対向する下面は、導体５４４に覆われているものであるとして説明したが、これに限定されない。例えば、図１３に示すように、アンテナ基板５４における半導体素子３６に対向する下面に、キャビティ５２２の開放端を覆うように、電波吸収体５４６が形成されているものであってもよい。電波吸収体５４６は、例えば、板金、金属メッシュ又は合成ゴム等から成るものであるが、電磁遮蔽の効果を奏するものであれば、これに限定されない。電波吸収体５４６が形成されていることにより、キャップとしての電磁遮蔽の効果を高めることができる。このように、アンテナ基板５４における半導体素子３６に対向する下面を所望の材質（上記の導体５４４又は電波吸収体５４６等）で覆うことで、半導体素子３６の電磁的な周辺環境を、アンテナ基板５４の材質に依らずに調整することができる。
【００４８】
上記実施形態において、本発明の範囲及び広い趣旨から逸れなければ、多様な変形を加えるようにしてもよい。つまり、上記実施形態は、本発明を説明することを意図するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００４９】
例えば、図１、図２、図８、図９及び図１１に、導電性接合材３２０から成るＢＧＡ接続用のバンプを図示したが、バンプは無くてもよく、その場合はモジュール基板３２，４００，５２が接続される電源・制御回路基板２０側に半田を供給するようにしてもよい。また、モジュール基板３２，４００，５２は、ソルダーレジストが積層された構成を備えるようにしてもよい。
【００５０】
また、電子部品２２及び半導体素子３６の接続方法においては、上記実施形態のように、フリップチップ接続に限定せず、ワイヤボンディング接続等を用いるようにしてもよい。また、電子部品２２及び半導体素子３６の種類、サイズや数、半田バンプのサイズやピッチは限定されない。
【００５１】
また、半導体素子３６や電子部品２２の封止に、所望の材質のアンダーフィル樹脂を用いるようにしてもよい。もしアンダーフィル樹脂を用いるのであれば、半導体素子３６や電子部品２２との熱膨張差が小さいものを用いるのが好ましい。また、半導体素子３６や電子部品２２の入出力端子ピッチが、例えば１５０μｍ以下に微細化されたものであり、バンプ間の空間が小さい場合でも、アンダーフィル樹脂は、ボイド（気孔）等の発生がなく十分に充填される必要がある。また、アンダーフィル樹脂を構成する無機フィラーが、半導体素子３６や電子部品２２に損傷を与えない必要がある。これらの観点から、無機フィラーと有機樹脂の複合体からなる材料がアンダーフィル樹脂に好適である。特に、アンダーフィル樹脂は、最大粒径５μｍ以下の無機フィラー４０〜６０ｗｔ％と有機樹脂からなる複合体が適している。
【００５２】
また、モジュール基板３２，４００，５２の電極材料も限定されないが、有機基板の場合は銅（Ｃｕ）が好適であり、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板の場合は銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）合金が好適である。また、電極の表面処理も限定はされないが、下地にニッケル（Ｎｉ）めっきバリアが用いられた金（Ａｕ）めっき処理であるのが、電子部品２２の接続に好適である。
【００５３】
以上、説明したように、本発明に係る高周波モジュールにおいては、アンテナを備えるアンテナ基板と、半導体素子を備えるモジュール基板とが接合されている。このため、本発明に係る高周波モジュールにおいては、従来のようなアンテナと半導体素子との間に余分な基板（例えば従来技術における電源・制御回路基板）がなく、高周波信号がＢＧＡ間の空間を通ることがない。したがって、アンテナと半導体素子との間で送受される高周波信号の挿入損失を抑制でき、その高周波信号の信頼性を高めることができる。また、従来のように、アンテナと半導体素子との間に余分な基板がないため、この基板に導波管を形成する必要が無く、製造コストを削減することができる。
【００５４】
また、本発明に係る高周波装置においては、モジュール基板の第一面側に、半導体素子が搭載され、及びアンテナ基板が接合され、第二面側に電源・制御回路基板が接合されている。このため、電源・制御回路基板とモジュール基板との間で送受信される電気信号と、アンテナと半導体素子との間で導波管及び導波路を介して送受信される高周波信号との干渉を抑制できる。また、本発明に係る高周波装置は、従来と異なり、電源・制御回路基板におけるモジュール基板搭載面の反対面にアンテナ基板が接合されておらず、小型化に好適な構成である。
【００５５】
また、半導体素子がアンテナ基板とモジュール基板とに囲繞されることで、高周波信号と外部に流れる電気信号との相互のノイズの発生が抑制される。
【００５６】
また、半導体素子を収容する凹部がアンテナ基板に形成されていることで、モジュール基板にキャビティを形成する必要が無くなる。このようにすることで、モジュール基板の構造を単純にすることができ、高周波モジュールを低コストで製造可能となる。
【００５７】
また、半導体素子を収容するキャビティがモジュール基板に形成されていることで、アンテナ基板に凹部を形成する必要が無くなる。このようにすることで、アンテナ基板の構造を単純にすることができ、高周波モジュールを低コストで製造可能となる。
【００５８】
また、アンテナ基板及びモジュール基板における半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部が導体で覆われているようにすることで、半導体素子とその外部にある電子部品との電磁遮蔽の効果を高めることができる。
【００５９】
また、アンテナ基板及びモジュール基板における半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は電波吸収体で覆われているようにすることで、半導体素子とその外部にある電子部品との電磁遮蔽の効果を高めることができる。
【００６０】
モジュール基板とアンテナ基板とが接合され、全体として高い剛性を有することで、モジュール基板をフィルム基板とすることができ、高周波モジュール及びこれを備える高周波装置をコンパクトにすることができる。
【００６１】
アンテナ基板及び／又はモジュール基板を有機基板で形成することで、高周波モジュール基板を低コストで製造することができる。
【００６２】
また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００６３】
（付記１）
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成されたモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
から構成される高周波モジュールと、
前記モジュール基板における前記一面の反対側の第二面に接合され、前記高周波モジュールを制御する電源・制御回路基板と、
を備える、
ことを特徴とする高周波装置。
【００６４】
（付記２）
前記半導体素子は、前記アンテナ基板と前記モジュール基板とに囲繞される、ことを特徴とする付記１に記載の高周波装置。
【００６５】
（付記３）
前記アンテナ基板には、前記半導体素子を収容する凹部が形成されている、ことを特徴とする付記２に記載の高周波装置。
【００６６】
（付記４）
前記モジュール基板には、前記半導体素子を収容するキャビティが形成されている、ことを特徴とする付記２に記載の高周波装置。
【００６７】
（付記５）
前記モジュール基板は、前記導波管のポートに対向する位置に前記高周波信号を通すスロットを有し該スロット以外で前記高周波信号の伝搬を制限する伝搬制限部を備える、ことを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の高周波装置。
【００６８】
（付記６）
前記アンテナ基板及び前記モジュール基板における前記半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は導体で覆われている、ことを特徴とする付記２乃至５のいずれかに記載の高周波装置。
【００６９】
（付記７）
前記アンテナ基板及び前記モジュール基板における前記半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は電波吸収体で覆われている、ことを特徴とする付記２乃至５のいずれかに記載の高周波装置。
【００７０】
（付記８）
前記モジュール基板はフィルム基板である、ことを特徴とする付記１乃至７のいずれかに記載の高周波装置。
【００７１】
（付記９）
前記アンテナ基板及び／又は前記モジュール基板は有機基板から形成される、ことを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の高周波装置。
【００７２】
（付記１０）
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成され、電源・制御回路基板が前記一面の反対側の第二面に接合されるモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
を備える、
ことを特徴とする高周波モジュール。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 高周波装置
２０ 電源・制御回路基板（マザーボード）
２２ 電子部品
３０，４０，４２，５０ 高周波モジュール
３２，４００，５２ モジュール基板
３２１，３２１ａ，３５１，３５１ａ，５２０，５５０ 導波路
３２４ 送信用導波管ポート
３２５，３５５ ビア
３４，５４ アンテナ基板
３４０，３７０ 導波管
３４２ キャップ構成部（凹部）
３４４，５４４ 導体
３４６，５４６ 電磁吸収体
３５４ 受信用導波管ポート
３６ 半導体素子
３８ アンテナ素子
４２８ ホーンアンテナ
５２２ キャップ構成部（キャビティ）
５２４ 導体板（伝搬制限部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波信号を送受信する高周波装置及び高周波モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信技術の発達に伴い、回路基板上にアンテナ素子を備えるアンテナ一体型の高周波モジュールが各方面で利用されている。アンテナ一体型の高周波モジュールとして、基板の一方の表面あるいは内部にアンテナ素子が設けられ、他方の表面にアンテナ素子と接続された半導体素子を搭載してなるアンテナ基板と、表面又は内部に導体パターンが被着形成されたモジュール基板とを具備し、モジュール基板の表面にアンテナ基板を実装してなるアンテナモジュールが特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、モジュールをマザーボード（電源・制御回路基板）に実装して機器を組み立てる際の工程短縮あるいはコスト削減の観点から、リードレス化された高周波モジュールをマザーボードにＢＧＡ（Ball Grid array）接続する技術が特許文献２に開示されている。
【０００４】
特許文献２に開示された高周波モジュールにおいて、高周波パッケージ（あるいは高周波モジュール）の高周波信号は、ＢＧＡの半田間の空間、及びマザーボードに形成された導波管を介して、半導体素子とアンテナとの間で入出力される。また、その他の信号、接地及び電源端子はＢＧＡを介してマザーボードに接続されている。この構造によって、リード接続に比べて接続工程のスループットを高くしている。更に、半田のセルフアライメントによって、導波管の位置合わせを容易にし、組立コストを削減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４２００６号公報
【特許文献２】特開２００８−２５２２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、高周波信号と電源・制御信号とがモジュール基板の同じ面側に集中しているため、高周波信号が電源・制御信号へノイズとして混入する問題があり、機能信頼性の高いものではなかった。
【０００７】
また、特許文献２に開示された技術は、高周波信号が、高周波モジュールとマザーボードとの接続部である半田ボール間の空間を通過することとなるため、高周波信号の挿入損失が大きくなってしまう問題があった。
【０００８】
また、導波管モードに変換され、モジュール基板の厚みに依存する高周波信号の損失を抑えるために、モジュール基板の厚みを薄くするという対応も考えられる。しかし、モジュール基板の厚みを薄くすると、全体として高周波モジュールの剛性が低くなる。このため、一定水準の品質のための所定の剛性基準を満たすことが難しくなり、高周波モジュールそのものの歩留まりが低くなってしまう。また、モジュール基板の厚みを薄くするとモジュール基板の反りが大きくなり、これによって、電源・制御回路基板への搭載歩留まりが低くなってしまう問題があった。
【０００９】
以上説明したように、ＢＧＡの半田ボール間の空間を介して、アンテナ構造体と電源・制御回路基板とが高周波信号を入出力する高周波モジュールでは、ＢＧＡの半田ボール間の空間を通過する分、高周波信号の挿入損失が大きくなってしまう問題があった。また、基板厚みに比例して高周波信号の挿入損失が大きくなってしまう問題があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高周波信号の挿入損失が小さく、信頼性の高い高周波装置及び高周波モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点に係る高周波装置は、
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成されたモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
から構成される高周波モジュールと、
前記モジュール基板における前記一面の反対側の第二面に接合され、前記高周波モジュールを制御する電源・制御回路基板と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の観点に係る高周波モジュールは、
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成され、電源・制御回路基板が前記一面の反対側の第二面に接合されるモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高周波信号の挿入損失が小さく、信頼性の高い高周波装置及び高周波モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態に係る高周波装置を示す断面図である。
【図２】アンテナが一体化された高周波モジュールを示す拡大断面図である。
【図３】モジュール基板における導波路を示す拡大断面図である。
【図４】モジュール基板における導波路を示す拡大断面図である。
【図５】モジュール基板におけるアンテナ基板接続面を示す上面図である。
【図６】アンテナ基板のキャップ構成部を示す断面図である。
【図７】第１変形例に係るモジュール基板におけるアンテナ基板接続面を示す上面図である。
【図８】第２変形例に係る高周波モジュールを示す拡大断面図である。
【図９】第３変形例に係る高周波モジュールを示す拡大断面図である。
【図１０】第４変形例に係るアンテナ基板のキャップ構成部を示す断面図である。
【図１１】第２実施形態に係る高周波モジュールを示す断面図である。
【図１２】アンテナ基板とモジュール基板とから成るキャップ構成部を示す断面図である。
【図１３】第５変形例に係るアンテナ基板とモジュール基板とから成るキャップ構成部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る高周波装置及び高周波モジュールの実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
＜第１実施形態＞
図１に、本発明の実施形態に係る高周波装置１０の断面図を示す。高周波装置１０は、電源・制御回路を有する電源・制御回路基板（マザーボード）２０と、電源・制御回路に使用される電子部品２２と、高周波信号を送受信する高周波モジュール３０とを備える。
【００１７】
電源・制御回路基板２０は、外部の給電回路（不図示）から給電された電荷を蓄え、この電荷を電源電力として、高周波装置１０に設けられた電子部品２２に供給するものである。また、電源・制御回路基板２０は、高周波信号の送信動作及び受信動作の切替信号等の制御信号を高周波モジュール３０に供給するものである。
【００１８】
電源・制御回路基板２０の下面には、複数の電子部品２２がフリップチップ接続によって搭載されている。フリップチップ接続は、電子部品２２がミリ波帯の信号を送受信する場合に、接続部の伝送損失を小さくできるために好適である。電子部品２２をフリップチップ接続する際のバンプの材料は限定されないが、金（Ａｕ）スタッドバンプ又は半田バンプ等が好適に用いられる。また、電源・制御回路基板２０の上面の一部に、導電性接合材３２０によって、高周波モジュール３０がＢＧＡ接続されている。なお、電子部品２２には、例えば、電源回路用部品や信号処理用ＩＣや受動素子部品等が用いられるが、これに限定されない。また、電子部品２２は、図１に示すように電源・制御回路基板２０における上面（高周波モジュール３０との接続面）に搭載してもよい。その接合部材・方法も限定されないが、半田等を用いるのが好適である。
また、電源・制御回路基板２０の周縁には、高周波装置１０を他の装置などにネジによって固定するための、厚さ方向に貫通する複数の固定用孔２４が形成されている。なお、高周波装置１０の固定方法は、この固定方法に限定されるものではない。
【００１９】
高周波モジュール３０は、図２に拡大して断面が示されているように、主にモジュール基板３２、アンテナ基板３４、半導体素子３６及びアンテナ素子３８を備える。
【００２０】
モジュール基板３２は、周波数変換するための信号を発振する発振器（図示せず）等を備える。
モジュール基板３２の下面（第二面）には、電源・制御回路基板２０に接合するための導電性接合材３２０が形成されている。モジュール基板３２の上面（第一面）には、半導体素子搭載部３２６が形成されている。半導体素子３６は、導電性接合材３６０によって半導体素子搭載部３２６に接合・搭載されている。さらに、モジュール基板３２の上面に誘電体から成るアンテナ基板３４が一体的に接合されている。更に、モジュール基板３２は、半導体素子３６の搭載面近傍の内層に、導体配線（銅線等）から成り、送信高周波信号が通る１本の導波路３２１、及び受信高周波信号が通る５本の導波路３５１を備える。導波路３２１の一方の端部は、後述の導波管ポート３２４に対向し、他方の端部は、ビア３２５及び半導体素子搭載部３２６を介して半導体素子３６に繋げられている。５本の導波路３５１の一方の端部は、後述の５つの導波管ポート３５４の夫々に対向し、他方の端部は、ビア３５５及び半導体素子搭載部３２６を介して半導体素子３６に繋げられている。
【００２１】
また、図３に拡大して示すように、導波路３２１，３５１の夫々は、ビア３２５，３５５の夫々によって垂直方向に一体的に半導体素子搭載部３２６と接続される。なお、これに限らず、図４に示すように、ビア３２５，３５５を介してモジュール基板３２の表面に一部が露出され、半導体素子搭載部３２６ａと水平方向に一体的に接続されている導波路３２１ａ，３５１ａであってもよい。
【００２２】
また、モジュール基板３２の導波路３２１，３５１には、高周波信号伝搬性及び放熱性の点からコプレーナ線路が好適であるが、これに限定されない。
更に、詳細については後述するが、導波路３２１，３５１の一方の端部のそれぞれに、導波管３４０，３７０に適応するモード又は導波路３２１，３５１に適応するモードに変換するモード変換部３２３，３５３が設けられている。
【００２３】
図５は、モジュール基板３２のアンテナ基板３４との接合面におけるパターンの例を示すものである。図５に示されるように、接地電位のベタパターン３２９には、導波管ポート３２４，３５４の抜きパターン、半導体素子搭載部３２６の抜きパターン、及び半導体素子３６の接続パッド３２８が設けられている。
【００２４】
半導体素子３６は、高周波信号の増幅、変復調、フィルタリングや周波数変換等を行うものである。本実施形態に係る高周波モジュール３０は、１個の半導体素子３６のみを備えるものとして説明するが、複数であってもよい。
【００２５】
アンテナ基板３４の下面には、１つの送信用導波管ポート３２４及び５つの受信用導波管ポート３５４が設けられている。送信用導波管ポート３２４を開放端とし、導体で覆われた中空の管から成る１本の導波管３４０がアンテナ基板３４に形成されている。また、受信用導波管ポート３５４を開放端とし、導体で覆われた中空の管から成る５本の導波管３７０がアンテナ基板３４に形成されている。アンテナ基板３４の上面には、６個のアンテナ素子３８が、導波管３４０，３７０のそれぞれの他方の開放端に繋がるように一体的に搭載されている。アンテナ素子３８は、誘電体をベースとし、誘電体に設けた孔の内部に金属膜を形成した導波管とスロットアレイとからなる平面アンテナである。
また、アンテナ基板３４における半導体素子３６に対向する部位には、キャップ構成部（凹部）３４２が形成されている。また、アンテナ基板３４のキャップ構成部３４２は、モジュール基板３２に搭載された半導体素子３６を覆い（収容し）、電磁シールドとして機能する。
【００２６】
次に、アンテナ基板３４のキャップ構成部３４２の断面図を図６に示す。キャップ構成部３４２は、アンテナ基板３４の下面から上方に凹状に窪み、半導体素子３６を覆うように形成されている。キャップ構成部３４２は、その表面に、導体３４４が形成されていることを特徴としている。このように、キャップ構成部３４２に導体３４４が形成されていることにより、半導体素子３６とその外部にある電子部品２２との電磁遮蔽の効果を高めることができる。
【００２７】
次に、上記のように構成された高周波モジュール３０の動作について説明する。半導体素子３６からアンテナ素子３８へ出力される高周波信号は、半導体素子３６の搭載面上あるいはビア３２５を介して搭載面近傍の内層の導波路３２１を伝搬し、モード変換部３２３によってモードを変換される。変換された高周波信号は、送信用導波管ポート３２４、及びアンテナ基板３４に形成された導波管３４０を介して、アンテナ素子３８に伝搬される。
【００２８】
逆に、アンテナ素子３８から半導体素子３６へ出力される高周波信号は、アンテナ基板３４に形成された導波管３７０及び受信用導波管ポート３５４を介して、モジュール基板３２内に伝搬し、モード変換部３５３によってモードを変換される。変換された高周波信号は、導波路３５１及びビア３５５を介して半導体素子３６に入力される。
【００２９】
半導体素子３６に入出力される高周波信号は、モジュール基板３２に設けられた導波路３２１，３５１内のモード変換部３２３，３５３により、導波管３４０，３７０に適応するモード又は導波路３２１，３５１に適応するモードに変換される。このため、高周波装置１０の高周波信号は、従来のものと異なり、電源・制御回路基板２０の厚みへの依存度が低く、ＢＧＡ（導電性接合材３２０）間の空間を経ることがない。つまり、高周波信号は、アンテナ素子３８と半導体素子３６との間で、導波管３４０，３７０及び導波路３２１，３５１によって、短距離で入出力される。このため、高周波信号の挿入損失が抑制される。
【００３０】
このように、高周波信号が入出力されるのは、高周波モジュール３０内のみであり、電源・制御回路基板２０には入出力されない。よって、高周波モジュール３０は、高周波信号と電源・制御信号とが相互に関わり合うことがなく（ノイズが生じず）、ＥＭＩ耐性に優れたものとなる。
【００３１】
また、モジュール基板３２及びアンテナ基板３４は、高周波信号での誘電損失が小さい材料であるポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）を主成分としたプリント基板、液晶ポリマー（ＬＣＰ）基板、又は低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板等で形成されるものが望ましい。特にＰＰＥを主成分としたプリント基板は、プリント基板からなるマザーボードへの２次実装接続信頼性及びコストの点から好適である。なお、これに限定されず、モジュール基板３２及びアンテナ基板３４は、有機基板やセラミック基板等で形成されるものであってもよい。このように、有機基板やセラミック基板等の低損失誘電体から形成されたモジュール基板３２及びアンテナ基板３４を用いることにより、高周波信号の損失を小さくすることができる。したがって、高周波信号の損失を抑えることのみ考慮すると有機基板やセラミック基板が好適である。なお、コスト面を含めて考慮に入れると、ＰＰＥを主成分としたプリント基板が適している。
また、アンテナ基板３４とモジュール基板３２との接続方法は、導電性接着剤や半田等で接続されるようにしてもよく、これに限定されない。
【００３２】
上記のように構成された高周波モジュール３０が電源・制御回路基板２０にＢＧＡ接続されることで、高周波装置１０が低コストで製造される。
【００３３】
また、高周波モジュール３０は、アンテナ素子３８を一体的に備えている。このため、高周波装置１０においては、図１に示すように、電源・制御回路基板２０における高周波モジュール３０の搭載面の反対面であり、従来、アンテナが接合されていた面に、電子部品２２を搭載することが可能となり装置の小型化が可能となっている。
【００３４】
また、アンテナ素子３８とモジュール基板３２とのインターフェイスに導波管３４０，３７０が形成されている。このようにすることで、高周波モジュール３０の製造過程において、アンテナ基板３４に接合する前に、アンテナ素子３８を導波管３４０，３７０に接触させることにより、その動作確認を容易に行うことができる。そのため、検査済みのアンテナを接続することにより、アンテナ素子３８が一体的に形成された高周波モジュール３０を高歩留まりで製造することができる。
【００３５】
＜第１変形例＞
第１変形例に係るモジュール基板３３におけるアンテナ基板３４との接合面のパターンは、図７に示すように、図５に示されたベタパターン３２９の代わりに、ドットパターン３３０が形成されているものである。パターンには、少なくとも導波管ポート３２４，３５４及び接続パッド３２８が形成されていればよく、図５に示された例及び図７に示された第１変形例によるものに限定されない。なお、図５及び図７に示すように送信用導波管ポート３２４が１つ（送信１チャンネル）、受信用導波管ポート３５４が５つ（受信５チャンネル）であるものとして説明したが、本発明の構成は、それぞれのチャンネル数を限定するものではない。
【００３６】
＜第２変形例＞
第２の変形例に係る高周波モジュール４０は、図８に示すように、フィルム基板から成るモジュール基板４００を備えるものである。モジュール基板４００は、アンテナ基板３４と一体的に接合されていることにより剛性が十分に保たれているため、フィルム基板とすることができる。第２の変形例に係る高周波モジュール４０が、フィルム基板であるモジュール基板４００を備えることで、高周波モジュール４０及びこれを備える高周波装置１０をコンパクトにすることができる。
【００３７】
なお、モジュール基板４００の材質は、上記モジュール基板３２及びアンテナ基板３４の材質と同様のものでもよく、これに限定されない。例えば、モジュール基板４００の材質は、ポリイミドが好適に用いられる。
【００３８】
＜第３変形例＞
また、上記のアンテナ素子３８は、誘電体をベースとし、誘電体に設けた孔の内部に金属膜を形成した導波管とスロットアレイとからなる平面アンテナであるとして説明したが、これに限定されない。例えば、本発明に係る高周波モジュールは、図９に示すように、ホーンアンテナ４２８を備える高周波モジュール４２であってもよい。また、アンテナ基板３４の導波管３４０，３７０に、金属から成るアンテナを接続した構造でもよい。
【００３９】
＜第４変形例＞
また、キャップ構成部３４２は、その表面が導体３４４に覆われているものであるとして説明したが、これに限定されない。例えば、図１０に示すように、キャップ構成部３４２の表面が電波吸収体３４６に覆われているものであってもよい。電波吸収体３４６は、例えば、板金、金属メッシュ又は合成ゴム等から成るものであるが、電磁遮蔽の効果を奏するものであればこれに限定されない。電波吸収体３４６が形成されていることにより、導体３４４が形成されている例と同様に、キャップ構造部３４２の電磁遮蔽の効果が高められる。このように、キャップ構成部３４２の表面を所望の材質（上記の導体３４４又は電波吸収体３４６等）で覆うことで、半導体素子３６の電磁的な周辺環境を、アンテナ基板３４の材質に依らずに調整することができる。
【００４０】
＜第２実施形態＞
図１１は、本発明の他の実施形態に係る高周波装置１０の高周波モジュール５０を示す断面図である。本実施形態に係る高周波モジュール５０は、第１実施形態に係る高周波モジュール３０と異なり、モジュール基板５２の上面側（アンテナ基板５４に接合される面側）にキャビティ（キャップ構成部）５２２が形成され、このキャビティ５２２内に半導体素子３６が収容・搭載されている。更に、モジュール基板５２は、半導体素子搭載部３２６よりも下層に、半導体装置３６の搭載面に対し略平行に配設された導波路５２０，５５０を備える。導波路５２０，５５０の一方の端部は、導波管ポート３２４，３５４の夫々に対向し、その近傍にモード変換部３２３，３５３が設けられ、他方の端部は、ビア３２５，３５５の夫々及び半導体素子搭載部３２６を介して半導体素子３６に繋げられている。
【００４１】
更に、モジュール基板５２は、導波路５２０，５５０の一方の端部と導波管ポート３２４，３５４との間に、６本のスロット５２５を有し、スロット５２５以外で高周波信号の伝搬を制限（遮蔽）する導体板（伝搬制限部）５２４を備える。６本のスロット５２５は、１つの送信用導波管ポート３２４及び５つの受信用導波管ポート３５４に対向する位置に対応する数（本実施形態においては６つ）だけ導体板５２４に形成されている。なお、このスロット５２５と導波管ポート３２４，３５４とは、対応する位置に対応する数だけ形成されていればよく、その数は任意である。
また、誘電体から成るアンテナ基板５４には、図６及び図１０を参照して説明したキャップを構成するための凹部３４２は形成されていない。その他の高周波モジュール５０の主な構成は、第１実施形態に係る高周波モジュール３０の構成と同様である。
【００４２】
本実施形態に係る高周波モジュール５０は、モジュール基板５２側に、半導体素子３６が収容・搭載されていることで、半導体素子３６に下側に形成される導波路５２０，５５０が、アンテナ基板５４に形成された導波管３４０，３７０の導波管ポート３２４，３５４と離間することなる。このような場合であっても、高周波信号は、スロット５２５を介して、モード変換部３２３から送信用導波管ポート３２４に略直線的に伝搬することとなる。同様に、高周波信号は、スロット５２５を介して、受信用導波管ポート３５４からモード変換部３５３に略直線的に伝搬することとなる。このように、スロット５２５を有する導体板５２４を備えることで、送受信に好適な高周波信号のみが導波管３４０，３７０と導波路５２０，５５０との間を通ることとなり、ノイズの発生を抑制することができる。
【００４３】
なお、本実施形態に示すように、導体板５２４を、モジュール基板５２に半導体素子３６を収容するキャビティ５２２が形成される高周波モジュール５０が備えるようにすることが好適であるが、本発明はこれに限定されず、実施形態１のようなモジュール基板５２に半導体素子３６を収容するキャビティ５２２が形成されるものが備えるようにしてもよい。このような場合でも、導波路５２０，５５０と導波管３４０，３７０が離れているような構成であれば、導体板５２４は、ノイズの発生の抑制に特に効果的に機能する。
【００４４】
また、本実施形態に係る高周波モジュール５０は、低損失であり、低コストで製造可能であるという、第１実施形態に係る高周波モジュール３０と同様の効果を奏し得る。更に、本実施形態に係る高周波モジュール５０は、アンテナ基板５４の構造が単純となるため、低コストで製造される。
【００４５】
なお、モジュール基板３２は、キャビティ５２２を形成することを要するため、キャビティ５２２の有無によるコスト差が比較的小さいセラミック基板が適しているが、これに限定されるものではない。また、高周波モジュール５０は、上方に位置するアンテナ基板５４の下面で半導体素子３６がキャップされることになるため、第１実施形態に係る高周波モジュール３０と同様にＥＭＩ耐性も優れている。
【００４６】
次に、本実施形態に係る高周波モジュール５０のキャップ構成部は、図１２に示すように、モジュール基板５２のキャビティ５２２とアンテナ基板５４とから構成される。アンテナ基板５４における半導体素子３６に対向する下面には、キャビティ５２２の開放端を覆うように、導体５４４が形成されている。このように、キャップ構成部に導体５４４が形成されていることにより、半導体素子３６に対する電磁遮蔽の効果が高められる。
【００４７】
＜第５変形例＞
また、アンテナ基板５４における半導体素子３６に対向する下面は、導体５４４に覆われているものであるとして説明したが、これに限定されない。例えば、図１３に示すように、アンテナ基板５４における半導体素子３６に対向する下面に、キャビティ５２２の開放端を覆うように、電波吸収体５４６が形成されているものであってもよい。電波吸収体５４６は、例えば、板金、金属メッシュ又は合成ゴム等から成るものであるが、電磁遮蔽の効果を奏するものであれば、これに限定されない。電波吸収体５４６が形成されていることにより、キャップとしての電磁遮蔽の効果を高めることができる。このように、アンテナ基板５４における半導体素子３６に対向する下面を所望の材質（上記の導体５４４又は電波吸収体５４６等）で覆うことで、半導体素子３６の電磁的な周辺環境を、アンテナ基板５４の材質に依らずに調整することができる。
【００４８】
上記実施形態において、本発明の範囲及び広い趣旨から逸れなければ、多様な変形を加えるようにしてもよい。つまり、上記実施形態は、本発明を説明することを意図するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００４９】
例えば、図１、図２、図８、図９及び図１１に、導電性接合材３２０から成るＢＧＡ接続用のバンプを図示したが、バンプは無くてもよく、その場合はモジュール基板３２，４００，５２が接続される電源・制御回路基板２０側に半田を供給するようにしてもよい。また、モジュール基板３２，４００，５２は、ソルダーレジストが積層された構成を備えるようにしてもよい。
【００５０】
また、電子部品２２及び半導体素子３６の接続方法においては、上記実施形態のように、フリップチップ接続に限定せず、ワイヤボンディング接続等を用いるようにしてもよい。また、電子部品２２及び半導体素子３６の種類、サイズや数、半田バンプのサイズやピッチは限定されない。
【００５１】
また、半導体素子３６や電子部品２２の封止に、所望の材質のアンダーフィル樹脂を用いるようにしてもよい。もしアンダーフィル樹脂を用いるのであれば、半導体素子３６や電子部品２２との熱膨張差が小さいものを用いるのが好ましい。また、半導体素子３６や電子部品２２の入出力端子ピッチが、例えば１５０μｍ以下に微細化されたものであり、バンプ間の空間が小さい場合でも、アンダーフィル樹脂は、ボイド（気孔）等の発生がなく十分に充填される必要がある。また、アンダーフィル樹脂を構成する無機フィラーが、半導体素子３６や電子部品２２に損傷を与えない必要がある。これらの観点から、無機フィラーと有機樹脂の複合体からなる材料がアンダーフィル樹脂に好適である。特に、アンダーフィル樹脂は、最大粒径５μｍ以下の無機フィラー４０〜６０ｗｔ％と有機樹脂からなる複合体が適している。
【００５２】
また、モジュール基板３２，４００，５２の電極材料も限定されないが、有機基板の場合は銅（Ｃｕ）が好適であり、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板の場合は銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）合金が好適である。また、電極の表面処理も限定はされないが、下地にニッケル（Ｎｉ）めっきバリアが用いられた金（Ａｕ）めっき処理であるのが、電子部品２２の接続に好適である。
【００５３】
以上、説明したように、本発明に係る高周波モジュールにおいては、アンテナを備えるアンテナ基板と、半導体素子を備えるモジュール基板とが接合されている。このため、本発明に係る高周波モジュールにおいては、従来のようなアンテナと半導体素子との間に余分な基板（例えば従来技術における電源・制御回路基板）がなく、高周波信号がＢＧＡ間の空間を通ることがない。したがって、アンテナと半導体素子との間で送受される高周波信号の挿入損失を抑制でき、その高周波信号の信頼性を高めることができる。また、従来のように、アンテナと半導体素子との間に余分な基板がないため、この基板に導波管を形成する必要が無く、製造コストを削減することができる。
【００５４】
また、本発明に係る高周波装置においては、モジュール基板の第一面側に、半導体素子が搭載され、及びアンテナ基板が接合され、第二面側に電源・制御回路基板が接合されている。このため、電源・制御回路基板とモジュール基板との間で送受信される電気信号と、アンテナと半導体素子との間で導波管及び導波路を介して送受信される高周波信号との干渉を抑制できる。また、本発明に係る高周波装置は、従来と異なり、電源・制御回路基板におけるモジュール基板搭載面の反対面にアンテナ基板が接合されておらず、小型化に好適な構成である。
【００５５】
また、半導体素子がアンテナ基板とモジュール基板とに囲繞されることで、高周波信号と外部に流れる電気信号との相互のノイズの発生が抑制される。
【００５６】
また、半導体素子を収容する凹部がアンテナ基板に形成されていることで、モジュール基板にキャビティを形成する必要が無くなる。このようにすることで、モジュール基板の構造を単純にすることができ、高周波モジュールを低コストで製造可能となる。
【００５７】
また、半導体素子を収容するキャビティがモジュール基板に形成されていることで、アンテナ基板に凹部を形成する必要が無くなる。このようにすることで、アンテナ基板の構造を単純にすることができ、高周波モジュールを低コストで製造可能となる。
【００５８】
また、アンテナ基板及びモジュール基板における半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部が導体で覆われているようにすることで、半導体素子とその外部にある電子部品との電磁遮蔽の効果を高めることができる。
【００５９】
また、アンテナ基板及びモジュール基板における半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は電波吸収体で覆われているようにすることで、半導体素子とその外部にある電子部品との電磁遮蔽の効果を高めることができる。
【００６０】
モジュール基板とアンテナ基板とが接合され、全体として高い剛性を有することで、モジュール基板をフィルム基板とすることができ、高周波モジュール及びこれを備える高周波装置をコンパクトにすることができる。
【００６１】
アンテナ基板及び／又はモジュール基板を有機基板で形成することで、高周波モジュール基板を低コストで製造することができる。
【００６２】
また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００６３】
（付記１）
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成されたモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
から構成される高周波モジュールと、
前記モジュール基板における前記一面の反対側の第二面に接合され、前記高周波モジュールを制御する電源・制御回路基板と、
を備える、
ことを特徴とする高周波装置。
【００６４】
（付記２）
前記半導体素子は、前記アンテナ基板と前記モジュール基板とに囲繞される、ことを特徴とする付記１に記載の高周波装置。
【００６５】
（付記３）
前記アンテナ基板には、前記半導体素子を収容する凹部が形成されている、ことを特徴とする付記２に記載の高周波装置。
【００６６】
（付記４）
前記モジュール基板には、前記半導体素子を収容するキャビティが形成されている、ことを特徴とする付記２に記載の高周波装置。
【００６７】
（付記５）
前記モジュール基板は、前記導波管のポートに対向する位置に前記高周波信号を通すスロットを有し該スロット以外で前記高周波信号の伝搬を制限する伝搬制限部を備える、ことを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の高周波装置。
【００６８】
（付記６）
前記アンテナ基板及び前記モジュール基板における前記半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は導体で覆われている、ことを特徴とする付記２乃至５のいずれかに記載の高周波装置。
【００６９】
（付記７）
前記アンテナ基板及び前記モジュール基板における前記半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は電波吸収体で覆われている、ことを特徴とする付記２乃至５のいずれかに記載の高周波装置。
【００７０】
（付記８）
前記モジュール基板はフィルム基板である、ことを特徴とする付記１乃至７のいずれかに記載の高周波装置。
【００７１】
（付記９）
前記アンテナ基板及び／又は前記モジュール基板は有機基板から形成される、ことを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の高周波装置。
【００７２】
（付記１０）
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成され、電源・制御回路基板が前記一面の反対側の第二面に接合されるモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
を備える、
ことを特徴とする高周波モジュール。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 高周波装置
２０ 電源・制御回路基板（マザーボード）
２２ 電子部品
３０，４０，４２，５０ 高周波モジュール
３２，４００，５２ モジュール基板
３２１，３２１ａ，３５１，３５１ａ，５２０，５５０ 導波路
３２４ 送信用導波管ポート
３２５，３５５ ビア
３４，５４ アンテナ基板
３４０，３７０ 導波管
３４２ キャップ構成部（凹部）
３４４，５４４ 導体
３４６，５４６ 電磁吸収体
３５４ 受信用導波管ポート
３６ 半導体素子
３８ アンテナ素子
４２８ ホーンアンテナ
５２２ キャップ構成部（キャビティ）
５２４ 導体板（伝搬制限部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成されたモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
から構成される高周波モジュールと、
前記モジュール基板における前記一面の反対側の第二面に接合され、前記高周波モジュールを制御する電源・制御回路基板と、
を備える、
ことを特徴とする高周波装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、前記アンテナ基板と前記モジュール基板とに囲繞される、ことを特徴とする請求項１に記載の高周波装置。
【請求項３】
前記アンテナ基板には、前記半導体素子を収容する凹部が形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の高周波装置。
【請求項４】
前記モジュール基板には、前記半導体素子を収容するキャビティが形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の高周波装置。
【請求項５】
前記モジュール基板は、前記導波管のポートに対向する位置に前記高周波信号を通すスロットを有し該スロット以外で前記高周波信号の伝搬を制限する伝搬制限部を備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項６】
前記アンテナ基板及び前記モジュール基板における前記半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は導体で覆われている、ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項７】
前記アンテナ基板及び前記モジュール基板における前記半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は電波吸収体で覆われている、ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項８】
前記モジュール基板はフィルム基板である、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項９】
前記アンテナ基板及び／又は前記モジュール基板は有機基板から形成される、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項１０】
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成され、電源・制御回路基板が前記一面の反対側の第二面に接合されるモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
を備える、
ことを特徴とする高周波モジュール。
【請求項１】
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成されたモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
から構成される高周波モジュールと、
前記モジュール基板における前記一面の反対側の第二面に接合され、前記高周波モジュールを制御する電源・制御回路基板と、
を備える、
ことを特徴とする高周波装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、前記アンテナ基板と前記モジュール基板とに囲繞される、ことを特徴とする請求項１に記載の高周波装置。
【請求項３】
前記アンテナ基板には、前記半導体素子を収容する凹部が形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の高周波装置。
【請求項４】
前記モジュール基板には、前記半導体素子を収容するキャビティが形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の高周波装置。
【請求項５】
前記モジュール基板は、前記導波管のポートに対向する位置に前記高周波信号を通すスロットを有し該スロット以外で前記高周波信号の伝搬を制限する伝搬制限部を備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項６】
前記アンテナ基板及び前記モジュール基板における前記半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は導体で覆われている、ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項７】
前記アンテナ基板及び前記モジュール基板における前記半導体素子を囲繞する部位の少なくとも一部は電波吸収体で覆われている、ことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項８】
前記モジュール基板はフィルム基板である、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項９】
前記アンテナ基板及び／又は前記モジュール基板は有機基板から形成される、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の高周波装置。
【請求項１０】
高周波信号を送受信する半導体素子が第一面に搭載され、前記半導体素子に繋がる導波路が前記第一面近傍に形成され、電源・制御回路基板が前記一面の反対側の第二面に接合されるモジュール基板と、
前記モジュール基板の前記第一面に接合され、前記半導体素子から前記高周波信号を受信、及び／又は前記半導体素子に前記高周波信号を発信するアンテナを備え、前記導波路と前記アンテナとに接続される導波管が形成されたアンテナ基板と、
を備える、
ことを特徴とする高周波モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１８２６８２（Ｐ２０１２−１８２６８２Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４４４７８（Ｐ２０１１−４４４７８）
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１日（２０１１．３．１）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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