(57)【要約】【課題】良好な伝送特性を有する安価な高周波モジュールを提供する。【解決手段】誘電体板の両面に設けられた導体層の間を電気的に導通させる複数の導通ポスト３が２列に形成され、該複数の導通ポストと導体層とで囲まれた誘電体の部分によりポスト壁導波路が形成された導波路基板１と、導波路基板上に実装されて高周波信号を発生する半導体回路チップ２と、半導体回路チップから出力される高周波信号を導波路基板に導くボンディングワイヤ５と、導波路基板上に設けられ、ボンディングワイヤにより生じる伝送線路の不連続を吸収するモード変換回路６を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体板の両面に設けられた導体層の間を電気的に導通させる複数の導通ポストが２列に形成され、該複数の導通ポストと前記導体層とで囲まれた誘電体の部分によりポスト壁導波路が形成された導波路基板と、
前記導波路基板上に実装されて高周波信号を発生する半導体回路チップと、
前記半導体回路チップから出力される高周波信号を前記導波路基板に導くボンディングワイヤと、
前記導波路基板上に設けられ、前記ボンディングワイヤにより生じる伝送線路の不連続を吸収するモード変換回路と、
を備えることを特徴とする高周波モジュール。
【請求項２】
前記モード変換回路は、前記導波路基板上のパターンによって形成されたコプレーナ線路を備え、該コプレーナ線路の信号導体がモード変換用ヴィアホールによって該半導体回路チップが搭載された面と反対面の導体層に接続されることにより前記ポスト壁導波路とコプレーナ線路とのモード変換が行われるとともに、該モード変換用ヴィアホールの近傍に、前記誘電体板の両面の導体層を接続するモード変換補助用ヴィアホールを有することを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波信号を伝送する高周波モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車レーダーなどといった高周波の電磁波を信号として取り扱うシステムにおいて、高周波信号の発生および増幅を行う素子とアンテナとを結ぶ信号線路を実現する際に、どのように高周波信号を伝播させるかが問題となる。
【０００３】
従来、１８［ＧＨｚ］程度までの周波数帯域の電磁波を取り扱う場合は、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路といった絶縁体上に金属パターンを設けた線路構造が用いられてきたが、１８［ＧＨｚ］を超える周波数帯域の電磁波を取り扱う場合は、線路を伝送される信号のエネルギーの一部が空中に放射されるため、信号の伝送特性が著しく劣化する。
【０００４】
そこで、信号のエネルギーが空中に放射されないポスト壁導波路（誘電体導波管）が用いられている。ポスト壁導波路は、絶縁性の基板の両面に設けられたグランド層を２列に形成された複数のヴィアホールによって連続的に接続した構造を有し、グランド層およびヴィアホールによって囲まれた基板内の空間が導波管と等価の伝送線路を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４０３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ポスト壁導波路と高周波信号を送受する半導体回路チップとを接続する場合、通常は、基板上にパターンによって形成されたマイクロストリップ線路またはコプレーナ線路にインピーダンス整合回路を装荷することによりボンディングワイヤの誘導性を５０Ωの特性インピーダンスに整合し、５０Ωの伝送線路からポスト壁導波路へのモード変換が行われている。
【０００７】
半導体回路チップからの信号を導くボンディングワイヤの伝送モードを一度マイクロストリップ線路またはコプレーナ線路といった平面回路の伝送モードにモード変換し、その後、ポスト壁導波路用に変換する構造では２回のモード変換が必要になる。その結果、変換損失によってミリ波信号の伝送特性が劣化する。
【０００８】
本発明は、１回のモード変換で半導体回路チップからポスト壁導波管へ信号を伝播することにより、良好な伝送特性を有する安価な高周波モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、実施形態に係る高周波モジュールは、誘電体板の両面に設けられた導体層の間を電気的に導通させる複数の導通ポストが２列に形成され、該複数の導通ポストと導体層とで囲まれた誘電体の部分によりポスト壁導波路が形成された導波路基板と、導波路基板上に実装されて高周波信号を発生する半導体回路チップと、半導体回路チップから出力される高周波信号を導波路基板に導くボンディングワイヤと、導波路基板上に設けられ、ボンディングワイヤにより生じる伝送線路の不連続を吸収するモード変換回路を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る高周波モジュールの構造を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る高周波モジュールで使用されるモード変換回路の構造を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る高周波モジュールの解析に使用される解析モデルの上面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る高周波モジュールの解析モデルのヴィアホール位置による反射特性の変化をスミスチャート上にマッピングして示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る高周波モジュールにおいて、モード変換補助用ヴィアホールが存在しない場合の解析モデルを示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る高周波モジュールにおいて、モード変換補助用ヴィアホールが存在しない場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る高周波モジュールにおいて、モード変換補助用ヴィアホールが存在する場合の解析モデルを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る高周波モジュールにおいて、モード変換補助用ヴィアホールが存在する場合のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る高周波モジュールは、ミリ波インターポーザ基板により構成されている。図１は、本発明の第１の実施形態に係る高周波モジュールの構造を示す図である。
【００１３】
この高周波モジュールは、導波路基板を構成する両面銅張りの単層樹脂基板１の表面に、半導体回路チップであるミリ波ＭＭＩＣチップ２をダイマウントし、ミリ波ＭＭＩＣチップ２がダイマウントされている部分には裏面の地導体に接続された導通ポストを構成するヴィアホール３が設けられている。
【００１４】
ミリ波ＭＭＩＣチップ２の電極は、ボンディングワイヤ５により、単層樹脂基板１の表面に形成された導体パターンに接続されている。ミリ波信号以外の信号および電源の配線は単層樹脂基板１の端面に設けられた端面スルーホール４に接続され、この端面スルーホール４によってマザー基板の電極（図示しない）に接続される。
【００１５】
一方、ミリ波ＭＭＩＣチップ２で発生されたミリ波信号は、ボンディングワイヤ５を介して、単層樹脂基板１の表面の導体パターンによって構成されたモード変換回路６に導かれる。このモード変換回路６に導かれたミリ波信号は、単層樹脂基板１の表面および裏面に形成された導体層（具体的には銅によるグランドパターン）と、それらを接続する、２列に設けられた複数のヴィアホール３により構成されたポスト壁導波路の伝送モードにモード変換される。このポスト壁導波路から出力されるミリ波信号は、図示しないアンテナの給電口まで引き回され、アンテナへ送られる。
【００１６】
以上説明したように、第１の実施形態に係る高周波モジュールによれば、上述した構造により、セラミックの焼成基板を有する従来の高周波モジュールの構造よりも工数が少なく、材料コストも抑えることが可能になる。
【００１７】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る高周波モジュールは、ミリ波インターポーザ基板に用いるモード変換回路（ボンディングワイヤ−ポスト壁導波路モード変換回路）を具体化したものである。高周波モジュールを実現するミリ波インターポーザ基板の最も重要な要素として、ミリ波ＭＭＩＣチップ２の電極からボンディングワイヤ５を介して単層樹脂基板１上の導体パターンへ接続し、その後、ポスト壁導波路の伝送モードへモード変換するモード変換回路が挙げられる。
【００１８】
ミリ波信号にとって、ボンディングワイヤ５は非常に大きな誘導性の伝送線路となるため、単層樹脂基板１上のパターンにボンディングワイヤ５を単純に接続すると反射によって伝送特性が著しく劣化する。
【００１９】
そこで、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、通常は、単層樹脂基板１上のパターンで形成されたマイクロストリップ線路またはコプレーナ線路にインピーダンス整合回路を装荷することにより、ボンディングワイヤ５の誘導性を５０Ωの特性インピーダンスに整合し、５０Ωの伝送線路からポスト壁導波路の伝送モードへのモード変換が行われている。
【００２０】
このように、ボンディングワイヤ５の伝送モードを一度マイクロストリップ線路またはコプレーナ線路といった平面回路の伝送モードにモード変換し、その後、ポスト壁導波路の伝送モードに変換する構造では２度のモード変換が必要になり、変換損失によってミリ波信号の伝送特性が劣化する。
【００２１】
図２は、第２の実施形態に係る高周波モジュールで使用されるモード変換回路の構造を示す図である。このモード変換回路は、ミリ波ＭＭＩＣチップ２とモード変換用パターン１１とがボンディングワイヤ５により接続され、モード変換用パターン１１の終焉部に設けられたモード変換用ヴィアホール１２によって裏面の地導体と接続されている。
【００２２】
これにより、ミリ波ＭＭＩＣチップ２からボンディングワイヤ５を介して伝播されるＴＥＭモードのミリ波信号は、単層樹脂基板１から成るインターポーザ基板内に引き込まれＴＥ１０モードとなり、ポスト壁導波路を伝播していく。なお、図２において、符号１５は、アンテナ給電口との接続回路を示している。
【００２３】
ここで、モード変換用ヴィアホール１２の近傍に、接地に接続されたモード変換補助用ヴィアホール１３およびインピーダンスを整合するための整合用ヴィアホール１４を設けることにより、より強く単層樹脂基板１内に電界を引き込むことを可能にし、モード変換時に空中に放射される電力を抑制し、良好な伝送特性を有するモード変換回路が実現されている。この構造における目標値は以下の通りである。
【００２４】
・周波数範囲：７６〜７７［ＧＨｚ］
・反射特性：  ≦−１５［ｄＢ］
・伝送特性：  ≧−１．０［ｄＢ］
また、インターポーザ基板（単層樹脂基板１）およびボンディングワイヤ５の材質は以下の通りである。
【００２５】
・誘電率：３．８
・誘電正接：０．００２
・基板厚：０．７５ｍｍ
・導体厚：１８μｍ
・ボンディングワイヤ径：２０μｍ
・ボンディングワイヤ材質：Ａｕ
次に、整合用ヴィアホール１４の働きを説明する。この整合用ヴィアホール１４の働きを確認するために、実際のインターポーザ基板と同じ２．３ｍｍ幅のポスト壁導波路内のヴィアホールにおけるインピーダンスの変化をＡｎｓｏｆｔ社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて計算した。
【００２６】
図３は、３次元電磁界シミュレータで使用した解析モデルの上面図である。なお、この解析モデルを用いた計算では導体損および誘電体損は無視している。図４は、この解析モデルにおいて、ポスト壁導波路を形成するヴィアホール３からポスト壁導波路内のヴィアホール２１までの距離ａを０．５ｍｍから１ｍｍまで０．１ｍｍステップで変化させたときの７６．５［ＧＨｚ］における反射特性Ｓ１１の変化をスミスチャート上にマッピングして示す図である。なお、図４における符号２２は、解析信号励起ポートである。また、図４中の符号１〜６は、以下の距離ａを示している。
【００２７】
１：ａ＝０．５ｍｍ
２：ａ＝０．６ｍｍ
３：ａ＝０．７ｍｍ
４：ａ＝０．８ｍｍ
５：ａ＝０．９ｍｍ
６：ａ＝１ｍｍ
図４を参照すると、ポスト壁導波路内のヴィアホール２１が、ポスト壁導波路を形成するヴィアホール３から離れるに従いスミスチャートのアドミタンス曲線をなぞって左回転することを確認できる。このインピーダンス変換作用を用いてモード変換回路によって引き起こされるインピーダンス不整合を整合する。
【００２８】
次に、モード変換補助用ヴィアホール１３が存在しないモード変換回路のシミュレーション結果を説明する。図５は、図２に示すモード変換用パターン１１およびモード変換用ヴィアホール１２と、整合用ヴィアホール１４を用いてボンディングワイヤ−ポスト壁導波路変換を行うインターポーザ基板の３次元電磁界解析モデルを示す。この解析モデルは、図２に示すモード変換回路からモード変換補助用ヴィアホール１３を除去したものと同等である。なお、符号３１は、アンテナ給電口との接続ポートである。
【００２９】
図６は、この解析モデルの計算結果を示す。図５におけるミリ波ＭＭＩＣチップ２側のポートをポート１、ポスト壁導波路側のポートをポート２としており、また、この解析における導体損および誘電体損は無視している。図６において、符号１はミリ波ＭＭＩＣチップ２から見た反射特性Ｓ１１、符号２はポスト壁導波路ポートから見た反射特性Ｓ２１、符号３は伝送特性Ｓ２１、符号４は反射特性目標範囲、符号５は伝送特性目標範囲を示している。
【００３０】
図６より、モード変換補助用ヴィアホール１３が存在しない場合、反射特性Ｓ１１およびＳ２２≦−７［ｄＢ］（７６〜７７［ＧＨｚ］）伝送特性Ｓ２１≧−２．９７［ｄＢ］（７６〜７７［ＧＨｚ］）であり、上述した目標値を未達であることを確認できる。加えて、反射特性がＳ１１およびＳ２２が非対称になっていることも確認でき、この解析において、導体損および誘電体損を無視しているため、図６に示される伝送特性の劣化は、モード変換回路により信号の電力が空中に放射されていることに起因すると考えられる。
【００３１】
これを確認するため、図５における平面によって示される解析モデルの断面Ｂに電界強度の分布を調べると、図示は省略するが、解析境界に向かって電界強度が大きくなることを確認でき、図６における伝送特性劣化の要因が放射損失であることが裏付けられる。
【００３２】
次に、モード変換補助用ヴィアホール１３が存在するモード変換回路のシミュレーション結果を説明する。上記解析に使用されたモード変換補助用ヴィアホール１３が存在しないモード変換回路に、図２に示したモード変換補助用ヴィアホール１３を追加し、Ａｎｓｏｆｔ社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて計算した。
【００３３】
図７は、解析モデルを示し、図８は、この解析モデルの計算結果を示す。図８において、符号１はミリ波ＭＭＩＣチップ２から見た反射特性Ｓ１１、符号２はポスト壁導波路ポートから見た反射特性Ｓ２１、符号３は伝送特性Ｓ２１、符号４は反射特性目標範囲、符号５は伝送特性目標範囲を示している。
【００３４】
図７におけるミリ波ＭＭＩＣチップ２側のポートをポート１、ポスト壁導波路側のポートをポート２として定義している。図８より、モード変換補助用ヴィアホール１３が存在する場合、反射特性≦−１６［ｄＢ］（７６〜７７［ＧＨｚ］）、伝送特性≧−０．４６［ｄＢ］であり、図６に示したモード変換補助用ヴィアホール１３が存在しない場合と比較し、反射特性および伝送特性が向上していることを確認できる。
【００３５】
また、断面Ｂにおける電界強度分布は、モード変換補助用ヴィアホール１３が存在しない場合に較べて、図示は省略するが、境界近傍の電界強度が小さくなり、空中に放射される信号の電力が小さくなっていることを確認できる。これによって、上述した目標値を達成できたことを確認できる。
【００３６】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、安価で単純な構造を有するミリ波インターポーザ基板を用いた高周波モジュールを提供でき、また、その要素回路である単層樹脂基板で実現可能なモード変換回路について、３次元電磁界シミュレータにより、目標を達成していることを確認できた。すなわち、本発明の第１の実施形態によれば、安価な構造で良好な伝送特性を有する高周波モジュールを実現できる。
【００３７】
以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１‥単層樹脂基板（導波路基板）、２‥ミリ波ＭＭＩＣチップ（半導体回路チップ）、３‥ポスト壁導波路を形成するヴィアホール、４‥端面スルーホール、５‥ボンディングワイヤ、６‥モード変換回路、１１‥モード変換用パターン、１２‥モード変換用ヴィアホール、１３‥モード変換補助用ヴィアホール、１４‥整合用ヴィアホール、１５‥アンテナ給電口との接続回路、２１‥ポスト壁導波路内のヴィアホール、２２‥解析信号励起ポート、３１‥アンテナ給電口との接続ポート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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