(57)【要約】【課題】高周波素子とアンテナとを備えた無線通信モジュールの低背化および低コスト化を図る。【解決手段】無線通信モジュール１００は、第１の誘電体基板１１０と、第２の誘電体基板１２０と、高周波素子１３０とを備える。第１の誘電体基板１１０には、アンテナ素子１１２が配置される。第２の誘電体基板１２０は、第１の誘電体基板１１０に実装されており、第１の誘電体基板１１０よりも低い誘電率を有する。高周波素子１３０は、第２の誘電体基板１２０に実装されており、アンテナ素子１１２に高周波信号を供給する。高周波素子１３０と外部電子機器１６０とを接続する直流配線１１５は、第２の誘電体基板１２０内に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ素子が配置された第１の基板と、
前記第１の基板に実装され、前記第１の基板よりも誘電率が低い第２の基板と、
前記第２の基板に実装され、前記アンテナ素子に高周波信号を供給する高周波素子とを備え、
前記第１の基板、前記第２の基板、および前記高周波素子は、前記第１の基板から前記高周波素子に向かう積層方向にこの順に積層されており、
前記高周波素子と外部電子機器とを接続する直流配線は、前記第２の基板内に配置され、
前記高周波素子から前記アンテナ素子に高周波信号を供給する給電配線は、前記第２の基板を貫通し、前記第１の基板内を通って前記アンテナ素子に接続される、無線通信モジュール。
【請求項２】
前記給電配線は、前記第２の基板を前記積層方向に貫通する、請求項１に記載の無線通信モジュール。
【請求項３】
前記第２の基板は、前記積層方向から平面視した場合に、前記第１の基板よりも小さく、かつ前記高周波素子よりも大きい、請求項１または２に記載の無線通信モジュール。
【請求項４】
前記外部電子機器は、前記第１の基板に実装されるコネクタである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線通信モジュール。
【請求項５】
前記第１の基板は、セラミック基板である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線通信モジュール。
【請求項６】
前記第２の基板は、樹脂基板である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の無線通信モジュール。
【請求項７】
前記第２の基板および前記高周波素子は、一体化したパッケージ構造に形成され、
前記無線通信モジュールは、前記パッケージ構造に取付けられた放熱体をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の無線通信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、高周波素子とアンテナとを備えた無線通信モジュールに関し、より特定的には、無線通信モジュールにおける高周波素子の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２０１６／０６３７５９号（特許文献１）には、アンテナと高周波半導体素子とが一体化された無線通信モジュールが開示されている。
【０００３】
国際公開第２０１６／０６３７５９号（特許文献１）に記載の無線通信モジュールにおいては、高周波素子が、アンテナ素子が配置される誘電体基板に直接実装されており、アンテナに電力を供給する給電線および信号用の配線パターンが、誘電基板内に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０６３７５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような無線通信モジュールを搭載した電子機器のさらなる小型化および薄型化が望まれており、そのために、内蔵される各部品をコストの増加を抑制しつつ低背化することが求められている。
【０００６】
本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、高周波素子とアンテナとを備えた無線通信モジュールの、低コスト化および低背化を行なうことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示による無線通信モジュールは、第１の基板と、第２の基板と、高周波素子とを備える。第１の基板には、アンテナ素子が配置される。第２の基板は、第１の基板に実装されており、第１の基板よりも低い誘電率を有している。高周波素子は、第２の基板に実装されており、アンテナ素子に高周波信号を供給する。第１の基板、第２の基板、および高周波素子は、第１の基板から高周波素子に向かう積層方向にこの順に積層されている。高周波素子と外部電子機器とを接続する直流配線は、第２の基板内に配置される。高周波素子からアンテナ素子に高周波信号を供給する給電配線は、第２の基板を貫通し、第１の基板内を通ってアンテナ素子に接続される。
【０００８】
好ましくは、給電配線は、第２の基板を積層方向に貫通する。
好ましくは、第２の基板は、積層方向から平面視した場合に、第１の基板よりも小さく、かつ高周波素子よりも大きい。
【０００９】
好ましくは、外部電子機器は、第１の基板に実装されるコネクタである。
好ましくは、第１の基板は、セラミック基板である。
【００１０】
好ましくは、第２の基板は、樹脂基板である。
好ましくは、第２の基板および高周波素子は、一体化したパッケージ構造に形成される。無線通信モジュールは、パッケージ構造に取付けられた放熱体をさらに含む。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、詳細なインピーダンス設計が不要である直流配線が、アンテナ素子が配置される第１の基板よりも低誘電率の第２の基板に配置される。これにより、無線通信モジュールの低コスト化および低背化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に従う無線通信モジュールのブロック図である。
【図２】実施の形態に従う無線通信モジュールの断面図である。
【図３】図２の無線通信モジュールの斜視図である。
【図４】比較例の無線通信モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１４】
図１は、本実施の形態に従う無線通信モジュール１００の機能を説明するための機能ブロック図である。無線通信モジュール１００は、複数のアンテナ素子（以下、単に「アンテナ」とも称する。）１１２と、当該複数のアンテナ１１２に接続される高周波素子の一例であるＲＦＩＣ（Radio  Frequency  Integrated  Circuit）１３０と、ＲＦＩＣ１３０に電源を供給する電源部１９０とを含む。無線通信モジュール１００は、外部に設けられた主機器２００から伝達される信号を受けて、アンテナ１１２から放射するとともに、アンテナ１１２で受信した信号を主機器２００に伝達する。
【００１５】
複数のアンテナ１１２の各々は、電波を放射する放射素子、および電波を受信する受信素子として動作する。本実施の形態においては、複数のアンテナ１１２はマトリクス状に配置され、アンテナアレイを構成する。
【００１６】
ＲＦＩＣ１３０は、複数のアンテナ１１２に対してそれぞれ設けられるスイッチ１３１と、受信用ローノイズアンプ１３２と、送信用パワーアンプ１３３とを含む。また、ＲＦＩＣ１３０は、主機器２００に接続され、受信経路ＲＸと送信経路ＴＸとを切換えるためのスイッチ１３４と、アンテナ１１２において受信された受信信号を集約するための信号合成器（コンバイナ）１３５と、スイッチ１３４からの送信信号を各アンテナ１１２に分配するための信号分配器（ディバイダ）１３６とをさらに含む。ＲＦＩＣ１３０は、たとえば、上記の機器を含む１チップの集積回路部品として形成される。
【００１７】
アンテナ１１２の各々は、対応するスイッチ１３１を介して、受信用ローノイズアンプ１３２および送信用パワーアンプ１３３の一方に選択的に接続される。受信用ローノイズアンプ１３２は、アンテナ１１２で受信した受信信号を低雑音で増幅する。受信用ローノイズアンプ１３２の出力は、コンバイナ１３５で集約されて、スイッチ１３４を介して主機器２００に出力される。送信用パワーアンプ１３３は、ディバイダ１３６で分配された主機器２００からの入力信号を増幅する。送信用パワーアンプ１３３の出力は、スイッチ１３１を介してアンテナ１１２へ伝達され、アンテナ１１２から放射される。
【００１８】
電源部１９０は、主機器２００から供給された電源および信号から、ＲＦＩＣ１３０を駆動するための電源電圧を生成する。
【００１９】
図２は、本実施の形態に従う無線通信モジュール１００が、ベースバンド基板１７０に実装された状態の断面図である。
【００２０】
図２を参照して、無線通信モジュール１００は、第１の誘電体基板１１０および第２の誘電体基板１２０をさらに備える。
【００２１】
第１の誘電体基板１１０は、誘電体の内部に複数の導体パターンが層状に形成された多層基板である。第１の誘電体基板１１０は、たとえば、誘電率が５以下の低温同時焼成セラミックス（Low  Temperature  Co-fired  Ceramics：ＬＴＣＣ）で形成されている。ＬＴＣＣのようなセラミック基板を用いると、その焼成工程において、表層に配置された配線パターン（たとえば、銅）が溶融して表面粗さが小さくなり、それによって表皮抵抗が小さくなる。これによって、配線損失を低減することができる。たとえば、２８ＧＨｚ以上のミリ波帯においては、表皮効果により、このような配線損失の低減効果が顕著になる。よて、第１の誘電体基板１１０としてセラミック基板を用いることにより、特にミリ波帯の無線通信モジュール１００について通信品質を向上することができる。
【００２２】
第１の誘電体基板１１０には、図１に示したアンテナ１１２が配置される。なお、図２においては、アンテナ１１２が第１の誘電体基板１１０の内部に配置される構成の例を示しているが、アンテナ１１２は、第１の誘電体基板１１０の上面１１６に配置されるものであってもよい。
【００２３】
第２の誘電体基板１２０も、第１の誘電体基板１１０と同様に、誘電体の内部に複数の導体パターンが層状に形成された多層基板である。第２の誘電体基板１２０は、第１の誘電体基板１１０よりも誘電率が低い材料で形成されている。第２の誘電体基板１２０として、たとえば、誘電率が５未満のＰＣＢ基板等の樹脂基板を用いることができる。
【００２４】
第２の誘電体基板１２０は、第１の誘電体基板１１０の下面１１７に実装されている。また、第２の誘電体基板１２０の第１の誘電体基板１１０に対向する面とは反対の面には、はんだバンプ１２５を介してＲＦＩＣ１３０が実装されている。すなわち、第１の誘電体基板１１０、第２の誘電体基板１２０、およびＲＦＩＣ１３０は、第１の誘電体基板１１０からＲＦＩＣ１３０に向かう方向（積層方向）に、この順序で積層されている。
【００２５】
第２の誘電体基板１２０のサイズは、積層方向に平面視した場合に、第１の誘電体基板１１０よりも小さく、かつＲＦＩＣ１３０よりも大きい。第２の誘電体基板１２０には、ＲＦＩＣ１３０に加えて、電源部１９０を含む他の電子機器１９５も実装されている。
【００２６】
第２の誘電体基板１２０およびＲＦＩＣ１３０は、一体化したパッケージ構造に形成される。この構造により、第２の誘電体基板１２０およびＲＦＩＣ１３０を１つの部品として第１の誘電体基板１１０に実装することができる。本実施の形態では、第２の誘電体基板１２０およびＲＦＩＣ１３０は、電子機器１９５とともに、封止樹脂１４０によりモールドされて一体化されたパッケージ構造に形成される。封止樹脂としては、たとえば、エポキシ樹脂、シアネート樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。封止樹脂１４０を用いてモールドすることによって、第２の誘電体基板１２０に実装される機器（ＲＦＩＣ１３０，電子機器１９５）を保護することができる。また、ＲＦＩＣ１３０の放熱性をさらに高めるために、放熱体としてのヒートシンク１８０を当該パッケージ構造に取り付けてもよい。
【００２７】
なお、第２の誘電体基板１２０およびＲＦＩＣ１３０は、封止樹脂１４０によってモールドされていなくてもよく、この構成の場合、ヒートシンク１８０はＲＦＩＣ１３０に直接または接着剤等を介して取り付けられていてもよい。
【００２８】
第１の誘電体基板１１０の下面１１７には、さらに外部電子機器１６０が実装される。外部電子機器１６０は、具体的にはコネクタであり、ベースバンド基板１７０に設けられた対応するコネクタ１６２に接続されて、ベースバンド基板１７０に実装される主機器２００との電気的接続を実現する。
【００２９】
第１の誘電体基板１１０に含まれるアンテナ１１２には、給電配線１１４を介してＲＦＩＣ１３０から高周波信号が供給される。給電配線１１４は、第２の誘電体基板１２０を積層方向に延在するように貫通し、第１の誘電体基板１１０の多層基板内を通ってアンテナ１１２に接続される。
【００３０】
一方、ＲＦＩＣ１３０とコネクタ１６０とを接続する直流配線１１５は、第２の誘電体基板１２０の多層基板内に配置され、さらに第１の誘電体基板１１０の下面１１７を通ってコネクタ１６０に接続される。
【００３１】
外部の主機器２００とＲＦＩＣ１３０とは、コネクタ１６０および直流配線１１５を介して信号を伝達する。
【００３２】
図３は、図２の無線通信モジュール１００を、第１の誘電体基板１１０の下面１１７方向から見た斜視図である。なお、図３においては、無線通信モジュール１００がベースバンド基板１７０から取り外された状態の図となっている。
【００３３】
図３を参照して、封止樹脂１４０によってパッケージ化された第２の誘電体基板１２０およびＲＦＩＣ１３０は、第１の誘電体基板１１０の下面１１７の中央付近に配置される。また、封止樹脂１４０の表面に、ヒートシンク１８０が取り付けられている。
【００３４】
コネクタ１６０は、第１の誘電体基板１１０の下面１１７の封止樹脂１４０から離間した位置に配置されている。
【００３５】
ここで、比較例として、従来から知られている無線通信モジュール１００Ａの断面図を図４に示す。比較例の無線通信モジュール１００Ａにおいては、図２における第２の誘電体基板１２０を用いられておらず、ＲＦＩＣ１３０および電子機器１９５が第１の誘電体基板１１０に直接実装される構成となっている。
【００３６】
第１の誘電体基板１１０の下面１１７には、接地端子１５０および信号端子１５２が設けられる。接地端子１５０および信号端子１５２は、柱状の導電材料で形成されており、第１の誘電体基板１１０の下面１１７から突出するように配置されている。第１の誘電体基板１１０は、これらの接地端子１５０および信号端子１５２により、実装基板１２０Ａに電気的に接続される。
【００３７】
ＲＦＩＣ１３０、電子機器１９５、接地端子１５０および信号端子１５２は、第１の誘電体基板１１０と実装基板１２０Ａとの間に、封止樹脂１４０Ａによってモールドされている。
【００３８】
信号端子１５２は、第１の誘電体基板１１０内に配置された直流配線１１５によって、ＲＦＩＣ１３０と接続される。信号端子１５２は、実装基板１２０Ａの表面に形成された信号用の導体パターンＳＩＧに接続される。
【００３９】
接地端子１５０は、第１の誘電体基板１１０内の図示しない接地層と接続される。また、接地端子１５０は、実装基板１２０Ａ内の配線パターンを介して、実装基板１２０Ａ内部の接地パターンＧＮＤに接続される。
【００４０】
実装基板１２０Ａの導体パターンＳＩＧおよび接地パターンＧＮＤは、コネクタ１６５を介してベースバンド基板１７０に接続される。また、放熱のためのヒートシンク１８０は、実装基板１２０Ａの下面側に配置される。
【００４１】
図４で示した無線通信モジュール１００Ａにおいては、ＲＦＩＣ１３０と信号端子１５２とを接続する直流配線１１５が第１の誘電体基板１１０内に配置されている。ここで、第１の誘電体基板１１０においては、上述のようにアンテナ１１２へ高周波信号を供給する給電配線１１４が配置されている。挿入損失を低減して高周波信号を効率的に伝達するためには、当該給電配線１１４の特性インピーダンスを５０Ωあるいは７５Ωなどの所定のインピーダンスに調整することが望ましい。そのため、第１の誘電体基板１１０をＬＴＣＣのような比較的誘電率の高い材料で形成した場合、給電配線１１４のライン幅を補足することができるので、高密度配線が可能となる。ただし、この場合、直流配線１１５と給電配線１１４との結合による給電配線１１４の特性インピーダンスの影響を抑制するために、直流配線１１５が配置される部分の第１の誘電体基板１１０の厚みＨ４を厚くして、給電配線１１４との距離を確保する必要がある。これにより、図４の比較例においては、第１の誘電体基板１１０の全体の厚みＨ３が厚くなる傾向にある。そうすると、無線通信モジュール１００Ａの装置全体の高さが大きくなるので、結果として、当該無線通信モジュール１００Ａを含む通信機器の小型化，薄型化を妨げる要因になり得る。
【００４２】
一方で、図２に示した本実施の形態に従う無線通信モジュール１００では、直流配線１１５が、第１の誘電体基板１１０よりも誘電率の低い第２の誘電体基板１２０内に配置されている。直流配線１１５については、高周波信号が通過する給電配線１１４に比べて、特性インピーダンスが所定のインピーダンスからずれた場合であっても、通過する信号への影響は少ない。このため、比較的低誘電率の第２の誘電体基板１２０に直流配線１１５を配置することにより、第２の誘電体基板１２０内に配置される直流配線１１５間の結合を抑制しやすい。よって、第２の誘電体基板１２０内に直流配線１１５を配置した構成は、第１の誘電体基板１１０内に直流配線１１５を配置した構成に比べて、結合を確保するために必要な厚みを小さくすることができる。さらに、第２の誘電体基板１２０内に直流配線１１５を配置した構成は、第１の誘電体基板１１０内の給電配線１１４および第２の誘電体基板１２０を貫通する給電配線１１４と直流配線１１５との結合についても抑制しやすい。そのため、図４の比較例に比べると、第２の誘電体基板１２０の厚みＨ２を図４における第１の誘電体基板１１０の厚みＨ４よりも薄くすることができる。すなわち、図２における第１の誘電体基板１１０と第２の誘電体基板１２０の厚みの合計（Ｈ１＋Ｈ２）を、図４における第１の誘電体基板１１０の厚みＨ３よりも小さくすることができる（Ｈ１＋Ｈ２＜Ｈ３）。これにより、無線通信モジュール１００の低背化が実現できるとともに、誘電体基板の必要量が削減できるので、製造コストを低減することが可能となる。
【００４３】
なお、第２の誘電体基板１２０においては、誘電率が低いことから給電配線１１４の特性インピーダンスを５０Ω等の所定のインピーダンスに設計することが困難となり得る。そのため、給電配線１１４は、第２の誘電体基板１２０を積層方向に貫通させて最短距離で通過するようにして、特性インピーダンスが所定のインピーダンスからずれた場合に生じる損失を最小化している。また、第２の誘電体基板１２０を貫通する給電配線１１４を囲むように複数のグランドビアを設けてもよい。このような構成により、当該給電配線１１４と複数のグランドビアとは、当該給電配線１１４を中心導体とする第２の誘電体基板１２０を積層方向に貫通する同軸線路に相当する構成となる。よって、当該給電配線１１４の特性インピーダンスを所定のインピーダンスに調整できるため、給電配線１１４を通過する信号への影響をさらに少なくすることができる。
【００４４】
さらに、本実施の形態の無線通信モジュール１００は、図４における実装基板１２０Ａを用いずに、第１の誘電体基板１１０に実装されたコネクタ１６０を用いてベースバンド基板１７０に接続されている。そのため、図４の無線通信モジュール１００Ａに比べて、さらに低背化を行なうことが可能となっている。
【００４５】
また、本実施の形態の無線通信モジュール１００では、実装基板１２０Ａを用いていないために、ＲＦＩＣ１３０と無線通信モジュール１００の下面側表面との距離（すなわち、封止樹脂１４０の厚み）が、図４の無線通信モジュール１００Ａよりも薄くできる。これにより、比較例に比べてＲＦＩＣ１３０等の放熱効率が向上し、耐電力性を向上させることができる。
【００４６】
上記説明では、給電配線１１４は、第２の誘電体基板１２０を積層方向に貫通するとした。しかし、これに限らず、給電配線１１４は、例えば、第２の誘電体基板１２０を積層方向およびこれに直交する方向に延設されることにより、第２の誘電体基板１２０を貫通してもかまわない。
【００４７】
また、上記説明では、積層方向から平面視した場合に、第２の誘電体基板１２０は、第１の誘電体基板１１０よりも大きく、かつＲＦＩＣ１３０よりも大きいとした。しかし、これに限らず、第２の誘電体基板１２０は、例えば、当該平面視した場合に、ＲＦＩＣ１３０と同一形状かつ同一サイズであってもかまわない。
【００４８】
また、上記説明では、第２の誘電体基板１２０に実装される高周波素子としてＲＦＩＣ１３０を例に説明した。しかし、これに限らず、高周波素子は、例えば、上述したＲＦＩＣ１３０に含まれるスイッチ１３１、受信用ローノイズアンプ１３２、および送信用パワーアンプ１３３の少なくとも１つを有する回路部品であってもかまわない。
【００４９】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５０】
１００，１００Ａ  無線通信モジュール、１１０  第１の誘電体基板、１２０  第２の誘電体基板、１１２  アンテナ、１１４  給電配線、１１５  直流配線、１１６  上面、１１７  下面、１２０Ａ  実装基板、１２５  はんだバンプ、１３０  ＲＦＩＣ、１３１，１３４  スイッチ、１３２  受信用ローノイズアンプ、１３３  送信用パワーアンプ、１３５  コンバイナ、１３６  ディバイダ、１４０  封止樹脂、１５０  接地端子、１５２  信号端子、１６０，１６２，１６５  コネクタ、１７０  ベースバンド基板、１８０  ヒートシンク、１９０  電源部、１９５  電子機器、２００  主機器、ＧＮＤ  接地パターン、ＲＸ  受信経路、ＳＩＧ  導体パターン、ＴＸ  送信経路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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