(57)【要約】  本発明は、フリップチップ技術を用いて製造された半導体モジュールのための、表面が金属被覆された２個の半導体基板（ａ、ｂ）を備えたマイクロ波アンテナに関する。パッチアンテナ、すなわち、この種のモジュールの外表面上の、ほかの配線から隔てられ、回路への導通路を備える金属被覆された平面領域は既に公知である。それらは、比較的広い角度で垂直方向に放射させる特性を有している。本発明によれば、半導体基板（ａ、ｂ）の間には限られた一群のバンプ（２）の一列が配列されており、そのバンプ（２）相互の間隔が、放射または受信しようとするマイクロ波信号の半波長（λ０／２）より小さく、そしてその半導体基板（ａ、ｂ）の側壁対（３、４）の少なくとも１つに、開口した放射スロットが形成されていること、そしてバンプ（２）とその放射スロットの間に、半導体モジュールの回路に接続されたバンプ（６）が配置され、マイクロ波アンテナの励起を可能とする。
2007529930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリップチップ技術を用いて製造された半導体モジュールのための、表面が金属被覆された２個の半導体基板（ａ、ｂ）を備えたマイクロ波アンテナであって、その半導体基板（ａ、ｂ）の間には限られた一群のバンプ（２）の一列が配列されており、そのバンプ（２）相互の間隔が、放射または受信しようとするマイクロ波信号の半波長（λ０／２）より小さく、そしてその半導体基板（ａ、ｂ）の側壁対（３、４）の少なくとも１つに、開口した放射スロットが形成されていること、そしてバンプ（２）とその放射スロットの間に、半導体モジュールの回路に接続されたバンプ（６）が配置され、マイクロ波アンテナを励起させることを特徴とするマイクロ波アンテナ。
【請求項２】
バンプ（２）の配列が、放射スロットと一緒になって、本質的に１個の三角形を形成していることを特徴とする、請求項１記載のマイクロ波アンテナ。
【請求項３】
放射スロットのスロット長さ（ｄ）が、放射または受信しようとするマイクロ波信号の約半波長（λ０／２）であることを特徴とする、請求項１または２記載のマイクロ波アンテナ。
【請求項４】
バンプ（２）の高さ（ｈ）が、放射または受信しようとするマイクロ波信号の波長（λ０）よりも本質的に小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項記載のマイクロ波アンテナ。
【請求項５】
半導体モジュールの構造高さが、放射または受信しようとするマイクロ波信号の波長（λ０）の１０分の１より大きいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項記載のマイクロ波アンテナ。
【請求項６】
半導体基板の側壁（３、４）が、放射スロットの領域内で少なくとも部分的に金属被覆（５）を備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項記載のマイクロ波アンテナ。
【請求項７】
マイクロ波アンテナが励起される箇所となるバンプ（６）が、そのマイクロ波アンテナの共振周波数においてインピーダンスに適合するように配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項記載のマイクロ波アンテナ。
【請求項８】
半導体基板（ａ、ｂ）の少なくともいずれか１つの上で、バンプ（２）および放射スロットによってあけられたアンテナ空間の領域内に、１個のモノリシック集積回路が構築されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項記載のマイクロ波アンテナ。
【請求項９】
半導体基板（ａ、ｂ）の間にバンプ（２）が十字形の配置で収納され、結果として、４セクタアンテナが形成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項記載のマイクロ波アンテナ。
【請求項１０】
半導体基板の側壁の金属被覆（５）が、バイアーチェーンによって実現されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項記載のマイクロ波アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリップチップ技術を用いて製造された半導体モジュール（Baugruppe）のための、表面が金属被覆された２個の半導体基板（ａ、ｂ）を備えたマイクロ波アンテナに関する。
【０００２】
フリップチップ技術を用いて実現した接続は広く知られている。フリップチップ技術においては、重なり合っている半導体基板が２個の平面で相互に結合される。たとえば、１個の半導体チップを、１個の支持体または１個の基板と結合させることができる。双方の回路ユニットを結合させるために、ワイヤーボンディングに代わって、いわゆるバンプ（ハンダ−または堅固なめっきの突起物）を使用する。たとえば、いわゆるボールバンプの場合、ワイヤーを片方の基板に結合させ、その後で溶断するかまたは引きちぎる。こうすることによって電導性のこぶ（突起物）が形成されるが、この突起物は、双方の基板を、向かい合っている面の接続部位同士で重ね合わせ、たとえば加熱圧着して結合させる。
【０００３】
この基板の上には、通常、モノリシック集積回路が構築されているが、その場合には、バンプが回路要素の電気的結合に役立つ。しかしながら個々のバンプは、双方の基板の間隔を保つというだけの理由から備えていてもよい。さらに熱伝導の目的にもバンプが好んで利用される。フリップチップモジュールは、自己専用の発信−および／または受信アンテナ、そして場合により自己専用の電力供給系を備えることができるので、その結果、自立型の発信−／受信用モジュールが成立する。いわゆるパッチアンテナ、すなわち、この種のモジュールの外表面上の、ほかの配線から隔てられ、回路への導通路を備える金属被覆された平面は、公知である。この導通路は、場合により、片方の基板を貫通する垂直な貫通接続（“バイア”）によって実現可能である。
【０００４】
ＤＥ  ６９１  １８  ０６０  Ｔ２から、たとえば、モノリシック集積マイクロ波回路（ＭＭＩＣ）を基にしたフリップチップ技術によるマイクロ波レーダー発信機／受信機であって、近傍域レーダー信号の発信および受信用として、この種のパッチアンテナを装備したものが公知になっている。パッチアンテナに関する一般的な解説は、R.E.Munson, Conformed Microstrip Antennas and Microstrip Phases arrays, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.22, 1975 pp.74-78 またはJ.-F. Zurcher, F.E.Gardiol, Broadband Patch Antennas, Boston, Artech House Inc., 1995のなかに見いだすことができる。
【０００５】
公知のアンテナは、比較的広い角度で垂直方向に放射させる特性を有している。しかしながら、特定の用途については、側面方向の放射または受信、あるいは全方向への放射もまた望ましい。
【０００６】
本発明にとっての課題は、上述した種類の、側面方向または全方向の放射、または受信をも可能にするマイクロ波アンテナを提供することをベースとする。
【０００７】
この課題は、本発明の請求項１の特徴によって解決されている。目的に応じた態様は、下位請求項（従属項）の対象とされる。
【０００８】
それによると、表面が金属被覆された半導体基板の間の、限られた一群のバンプの列の配列は、そのバンプ相互の間隔が、放射または受信しようとするマイクロ波信号の半波長より小さいように、そしてその半導体基板の側壁対の少なくとも１つに、開口した放射スロットが形成されるように、そしてバンプ列と放射スロットの間に、半導体モジュールの回路に接続されたバンプが配置され、マイクロ波アンテナを励起させるように決められている。
【０００９】
これらのバンプにより、側面にスロット開口部を有する平行板電導モジュールが形成される。このスロット開口部は、バンプの高さに相当する高さを有している。
【００１０】
この放射スロットは、目的に合わせて、放射または受信しようとするマイクロ波信号の波長の約半分の長さを有している。バンプの高さは、放射または受信しようとするマイクロ波信号の波長よりも、本質的に小さくなければならない。
【００１１】
バンプの配列は、放射スロットと一緒になって、好ましくは、本質的に三角形のアンテナ空間を形成する。
【００１２】
マイクロ波アンテナの側面方向の指向性を高めるために、半導体基板の側壁は、放射スロットの領域内で、好ましくは、少なくとも部分的に金属被覆されている。
【００１３】
このマイクロ波アンテナは、通常のプレーナ構築手法を利用することで、側面方向に向けて放射するアンテナの実現を可能とする。プレーナ構築に通例使用されるパッチアンテナでは、これまで垂直指向性のもののみが可能であった。この利点に加え、マイクロ波アンテナの寸法は、波長の半分だけあればよい。したがってこのアンテナは、特に１０〜１５０GHzの周波数領域に適していて、小型の一体化された指向性放射器の構築を可能にする。
【００１４】
本発明のマイクロ波アンテナのさらなる利点は、モジュールの外側表面上で、アンテナのためのほんのわずかな面積が占拠されるだけでよいということである。
【００１５】
半導体基板上に複数のマイクロ波アンテナを配置すると、３６０°までの放射角を達成することが可能になる。このマイクロ波アンテナは、従来のパッチアンテナに対して、同時に濾波器として利用できるという、さらなる特別な利点を有するが、それは、マイクロ波アンテナの励起箇所となるバンプを、マイクロ波アンテナが共振周波数にのみインピーダンス適合を示すよう配置できるからである。
【００１６】
１個または複数個のパッチアンテナと組み合わせることによって、有利なことに本発明のマイクロ波アンテナで、すべての空間方向への全方向放射が達成できる。
【００１７】
本発明のマイクロ波アンテナを備えたモジュールの構築は、通常のフリップチップ技術に従うことによる。基板は、コプレーナＭＭＩＣ法（ＭＭＩＣ＝マイクロ波モノリシック集積回路）を使用することで、単に金属被覆体として、または場合により回路体として製造される。背面加工の枠組みで、目的に応じ、側壁の金属被覆を周縁部におけるバイア柵（via-Zaeune）として、また同様に、必要とされる前面と背面の電気的結合をバイアとして実現させる。その後、一方の基板上にバンプを形成させ、さらにそのウエハをチップへと切断分割し、そして最後に両方のチップ（基板）をフリップチップ結合させる。
【００１８】
本発明のモジュールを用いて、たとえば近距離レーダーシステムおよび他のセンサー類、マイクロモジュールタグ類、ならびにすべての種類のチップカードおよび類似のシステム、さらに短距離をギガヘルツ領域で交信する使い捨て物品、などに用いる半導体モジュールが製造できる。従来のパッチアンテナと組み合わせることもまた可能であり、その結果、全体として球形放射を達成し得る。
【００１９】
以下、本発明を、実施例をもとにしてより詳細に説明する。付随する図面については最後に示す。
【００２０】
図１は、本発明のマイクロ波アンテナを備えたフリップチップ構築物の側面図を示す。このアンテナは、表面に金属被覆をした２個の基板ａおよびｂをフリップチップ手法で組み立てることによって造られる（金属被覆１）。これは、集積回路を備えた半導体基板にも当てはまる。フリップチップ手法において通例であるように、両基板ａおよびｂは、表面でバンプ２によって相互に結合される。このようにして、基板ａとｂの間にスロット長さｄの側面スロット開口部を有する平行板電導構造体が形成される。このスロット開口部は、バンプ２の高さｈに相当する高さｈを有している。典型的には、この高さｈは５０〜１００μmの値になり、そしてこれだと、周波数領域１０〜１５０GHzに対応する自由空間波長λ０より明らかに小さい。基板ａおよびｂの側壁３および４は、側面指向性を目標とするのであれば、十分に電導性でなければならない。このため、その側壁は、ここで一般に検討される金属被覆５が施されるが、これは、実用的には基板ａおよびｂの周縁部におけるバイアの柵によっても実現可能である。積み重ねた層の合計高さｄａ＋ｄｂ＋ｈ（ｄａ、ｄｂ＝基板ａ、ｂの厚さ）は、自由空間波長λ０の１０分の１よりも小さくてはいけない。
【００２１】
図２は、図１の中の面Ａ−Ａ’における、すなわちアンテナ平面における断面図を示し、図３は、図２の中の対称面Ｂ−Ｂ’における断面図を示す。マイクロ波アンテナは、両基板ａおよびｂの間に対応して並んでいるバンプ２によって形成された三角形の空間からなっている。その空間は、前方の長い側では放射のために開口しており（スロット長さｄ）、他の２つの側では、それぞれがバンプ２の列によってふさがれている。バンプ２の間隔は、自由空間波長の半分λ０／２よりも小さい。スロット長さｄは、自由空間波長の約半分λ０／２でなければならない。アンテナの配置はホーン型放射器に似ているが、その僅少の高さｈおよび電導性側壁３および４のため、むしろスロット型アンテナとして作用する。
【００２２】
アンテナの励起、すなわち受信の場合の、発信−または送出口における信号供給は、Ｅ／Ａ−バンプ６を有する両基板ａおよびｂの間で局所的に行われる。場合により、このＥ／Ａ−バンプ６は、基板ａおよび／またはｂ上に一体化されているコプレーナフロントエンド回路と直結させることができ、こうすることで、伝送損失は最小化される。コプレーナ回路は相互に結合した一体化平面になり、一般には三角形のアンテナ空間の小領域を占拠するだけなので、アンテナの動作には変更をもたらすのはわずかに過ぎない。
【００２３】
提示したマイクロ波アンテナは、放射によって発振が制御される空間共振器として動作する。この性質は、Ｅ／Ａ−バンプ６の位置を最適化することにより、狭い帯域への変調に利用し得る。これにより、同時に濾波器としての作用が得られる：共振周波数以外のすべての周波数は正しく適合できなくなり、そのため弱められる。共振周波数は、本質的にバンプ２が形成している三角形の諸寸法によって与えられる。
【００２４】
図１〜３の構造は、図４に示すような、すなわち３６０°領域を有効域とする４セクタアンテナへと完結させることができる。
【００２５】
２４GHzアンテナについての具体的な一実施形態において、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板としての基板ａおよびｂ（基板ａおよびｂは、それぞれ６２５μm厚）に金めっきを施した。スロット長さｄは、１２．５mmであった。電導性側壁３、４は、バイアーチェーン（Viaketten）を用いて実現した（直径４００μm、１mmピッチ（中心間の距離））。バンプ２は、直径約８０μmを有する金−スズ（ＡｕＳｎ）バンプとして仕上げ、チップは、出来上がり高さｈが約８０μmのフリップチップ接合を実施した。フロントエンド回路は、三角形のアンテナ空間内の同一平面上（たとえば、基板ａ上）に配置した。アンテナの励起は、フロントエンドを基板ｂ上の金属被覆１と結合させているＥ／Ａ−バンプ６を通して生起させた。フロントエンド回路の中間周波数または基本帯域が、基板の背面へとバイアを通じて送出された。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のマイクロ波アンテナを備えたフリップチップモジュールの側面図。
【図２】本発明のバンプ列および典型的励起箇所Ｅ／Ａを併せて示した、図１における面Ａ−Ａ’の断面図。
【図３】図２における面Ｂ−Ｂ’の断面図。
【図４】４セクタアンテナの場合の、図２に対応する図面。
【符号の説明】
【００２７】
１  金属被覆
２  バンプ
３  側壁
４  側壁
５  金属被覆
６  Ｅ／Ａ−バンプ
ａ、ｂ  基板
ｄ  スロット長さ
ｈ  高さ
ｄａ  厚さ（基板ａの）
ｄｂ  厚さ（基板ｂの）
λ０  自由空間波長
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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