(57)【要約】【課題】断熱容器内の気密性を向上させることが可能な高周波半導体装置モジュールを提供すること。【解決手段】実施形態に係る高周波半導体モジュールは、冷却体上に配置された高周波半導体装置を内部に収容し、一部に開口部を有する断熱容器を具備する。前記高周波半導体装置は、前記冷却体上に配置されたベース板上に設けられ、高周波信号に対して所望の信号処理を行う信号処理回路と、前記ベース板上に、前記信号処理回路に電気的に接続されるように設けられた内部回路と、前記断熱容器の前記開口部内に配置され、電磁結合によって前記内部回路に電気的に接続される電磁結合回路と、前記開口部の内面と前記電磁結合回路との隙間を埋めるように設けられた接着層と、前記電磁結合回路上に、この回路と電気的に接続されるように配置された高さ調整回路と、前記断熱容器の外周面上に配置され、前記高さ調整回路と電気的に接続される外部回路と、を備える。【選択図】図１０
2016162793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却体と、
前記冷却体上に配置された高周波半導体装置と、
前記冷却体および前記高周波半導体装置を内部に収容し、一部に開口部を有する断熱容器と、
を具備する高周波半導体モジュールであって、
前記高周波半導体装置は、
前記冷却体上に配置されたベース板と、
前記ベース板上に設けられ、高周波信号に対して所望の信号処理を行う信号処理回路と、
前記ベース板上に、前記信号処理回路に電気的に接続されるように設けられた内部回路と、
前記断熱容器の前記開口部内に配置され、電磁結合によって前記内部回路に電気的に接続される電磁結合回路と、
前記開口部の内面と前記電磁結合回路との隙間を埋めるように設けられた接着層と、
前記電磁結合回路上に、この回路と電気的に接続されるように配置された高さ調整回路と、
前記断熱容器の外周面上に配置され、前記高さ調整回路と電気的に接続される外部回路と、
を備えることを特徴とする高周波半導体モジュール。
【請求項２】
前記開口部は、この開口部の側壁に設けられた支持部を有し、
前記電磁結合回路は、前記開口部の前記内面の一部を構成する前記支持部の上面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の高周波半導体モジュール。
【請求項３】
前記電磁結合回路はスルーホールを有し、
前記スルーホールを有する前記電磁結合回路は、前記スルーホールが前記支持部の上面上に配置され、
前記接着層は、前記電磁結合回路下面と前記支持部の上面との前記隙間を埋め、かつ前記スルーホールの下端を閉じるように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の高周波半導体モジュール。
【請求項４】
前記電磁結合回路はその側面に導体を有し、
前記導体を有する前記電磁結合回路は、前記電磁結合回路の下面が前記支持部の上面に直接接触するように、前記開口部内に配置され、
前記接着層は、前記電磁結合回路の側面の前記導体と前記開口部の前記側壁との前記隙間を埋めるように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の高周波半導体モジュール。
【請求項５】
前記接着層は、銀ナノ粒子であることを特徴とする請求項３または４に記載の高周波半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば無線通信に使用される受信装置等には、受信した高周波信号を増幅する低雑音増幅素子が使用される。低雑音増幅素子のＮＦ（Ｎｏｉｓｅ  Ｆｉｇｕｒｅ）特性は、動作させる温度を下げるほど向上することが一般に知られている。
【０００３】
低温下において低雑音増幅素子を動作させるための一手段として、低温の冷却体上に低雑音増幅素子を配置するとともに、冷却体上配置された低雑音増幅素子を断熱容器で覆うことが挙げられる。冷却体によって低雑音増幅素子が冷却される。さらに、冷却体上に配置された低雑音増幅素子は断熱容器で覆われるため、外部からの熱の流入が抑制され、低温状態を効率的に維持することができる。
【０００４】
このような構造を有する高周波半導体モジュールとして、低雑音増幅素子に対する高周波信号の入出力に、電磁結合部を用いることが知られている。電磁結合部は、断熱容器の外部と内部との間における電気的な接続を維持しつつ、断熱容器の外部と内部とを非接触にすることができる。したがって、断熱容器の外部から内部への熱の流入が抑制され、冷却体による低雑音増幅素子の冷却効果を高めることができる。
【０００５】
近年、この種の高周波半導体モジュールのさらなる信頼性および断熱性の向上のため、断熱容器内の気密性を向上させることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１７５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態は、断熱容器内の気密性、特に電磁結合部の気密性を向上させることが可能な高周波半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る高周波半導体モジュールは、冷却体と、前記冷却体上に配置された高周波半導体装置と、前記冷却体および前記高周波半導体装置を内部に収容し、一部に開口部を有する断熱容器と、を具備する。前記高周波半導体装置は、前記冷却体上に配置されたベース板と、前記ベース板上に設けられ、高周波信号に対して所望の信号処理を行う信号処理回路と、前記ベース板上に、前記信号処理回路に電気的に接続されるように設けられた内部回路と、前記断熱容器の前記開口部内に配置され、電磁結合によって前記内部回路に電気的に接続される電磁結合回路と、前記開口部の内面と前記電磁結合回路との隙間を埋めるように設けられた接着層と、前記電磁結合回路上に、この回路と電気的に接続されるように配置された高さ調整回路と、前記断熱容器の外周面上に配置され、前記高さ調整回路と電気的に接続される外部回路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの冷却体および高周波半導体装置を示す分解斜視図である。
【図２】高周波半導体装置の第１の電磁結合回路を拡大して示す斜視図である。
【図３Ａ】第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の高さ調整回路を、斜め上方から見た場合の斜視図である。
【図３Ｂ】第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の高さ調整回路を、斜め下方から見た場合の斜視図である。
【図４】図３Ａおよび図３Ｂに示す第１の高さ調整回路、および第１の電磁結合回路、を示す分解斜視図である。
【図５】図４の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿った、第１の高さ調整回路および第１の電磁結合回路の部分断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの冷却体および高周波半導体装置を示す斜視図である。
【図７】第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの一断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの断熱容器の一部を示す斜視図である。
【図９】第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの要部を示す斜視図である。
【図１０】第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の電磁結合回路およびその周囲を拡大して示す部分断面図である。
【図１１】第２の実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の電磁結合回路およびその周囲を拡大して示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施形態に係る高周波半導体モジュールは、冷却体と、この冷却体上に配置された高周波半導体装置と、冷却体および高周波半導体装置を内部に収容する断熱容器と、を具備する。高周波半導体装置は冷却体によって低温にされる。そして、冷却体および高周波半導体装置が断熱容器で覆われているため、外部からの熱の流入が抑制され、低温状態を効率的に維持することができる。したがって、高周波半導体装置は低温で動作することができ、ＮＦ（Ｎｏｉｓｅ  Ｆｉｇｕｒｅ）特性を向上させることができる。以下に、このような実施形態に係る高周波半導体モジュールについて、図面を参照して説明する。
【００１１】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの冷却体および高周波半導体装置を示す分解斜視図である。図１に示すように、高周波半導体装置１０は、冷却体１１上に配置されている。
【００１２】
冷却体１１上に配置される高周波半導体装置１０において、例えばＣｕによって構成されるキャリアプレートであるベース板１２の表面上には、高周波信号に対して信号処理を行う信号処理回路１３が配置されている。信号処理回路１３は、絶縁基板１４と、この基板１４の上面上に設けられた複数の高周波半導体素子１５（以下、半導体素子と称する場合もある。）と、絶縁基板１４の上面上に設けられ、複数の半導体素子１５に接続される分岐・整合回路１６および合成・整合回路１７と、によって構成される。
【００１３】
絶縁基板１４は例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）によって構成される基板である。複数の半導体素子１５の各々は、例えば低雑音増幅素子である。また、分岐・整合回路１６および合成・整合回路１７にはそれぞれ、ランゲカプラおよび整合線路等が含まれている。
【００１４】
なお、図示は省略しているが、信号処理回路１３には、キャパシタ素子等も設けられている。
【００１５】
このような信号処理回路１３に対して断熱容器１８（図７等）の外部から高周波信号を入力する部分、および信号処理回路１３から出力される高周波信号を断熱容器１８の外部に出力する部分、はそれぞれ、電磁結合部１９、２０によって構成されている。電磁結合部１９、２０は、信号処理回路１３に電気的に接続されている。そして、電磁結合部１９、２０は、断熱容器１８の内部と外部とを電磁結合によって電気的に接続すると同時に、断熱容器１８の内部と外部とを非接触にする。以下に、電磁結合部１９、２０について詳述する。
【００１６】
信号処理回路１３に対して断熱容器１８（図７等）の外部から高周波信号を入力する入力側の電磁結合部１９である第１の電磁結合部１９は、信号処理回路１３に電気的に接続される内部回路である内部入力回路２１、および内部入力回路２１の上方に配置された第１の電磁結合回路２２、によって構成されている。
【００１７】
内部入力回路２１は、例えば超伝導回路であって、超伝導基板２３（酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板等の基板上に、ＹＢＣＯ薄膜（不図示）と保護層となる金（Ａｕ）薄膜（不図示）が設けられた基板）上のＹＢＣＯ薄膜及び金薄膜をドライエッチングすることにより、超伝導基板２３にＷ字状の配線２４を設けることによって構成されている。この内部入力回路２１は、ベース板１２の上面上に配置され、ベース板１２に設けられた板バネ等の固定具２５によって、ベース板１２に対して押し付けられている。そして、信号処理回路１３の分岐・整合回路１６に、ワイヤー等の接続導体２６によって電気的に接続されている。
【００１８】
第１の電磁結合回路２２は、電磁結合によって内部入力回路２１に電気的に接続される回路であり、内部入力回路２１の配線２４に対して電磁結合によって高周波信号を供給する回路である。第１の電磁結合回路２２は、内部入力回路２１の上方に、内部入力回路２１から離間するように配置されている。第１の電磁結合回路２２は、例えば内部入力回路２１から１ｍｍ程度上方に離間した位置に配置されている。なお、第１の電磁結合回路２２は、後述する断熱容器１８によって所定位置に支持される（図７および図１０）。第１の電磁結合回路２２の支持構造については後に詳述する。
【００１９】
図２は、第１の電磁結合回路２２を拡大して示す斜視図である。図２に示すように、第１の電磁結合回路２２において、例えば厚さ１ｍｍ程度のアルミナ等によって構成される絶縁基板２７の上面上には、Ｉ字状の配線２８ａが設けられている。また、絶縁基板２７の上面上には、Ｉ字状の配線２８ａに接続される引き出し配線２８ｂ、および引き出し配線２８ｂに接続されるパッド電極２８ｃ、が設けられている。さらに、絶縁基板２７の上面上には、Ｉ字状の配線２８ａ、引き出し配線２８ｂ、およびパッド電極２８ｃ、の周囲を囲うように接地金属２９が設けられている。
【００２０】
他方、図２に点線で示すように、絶縁基板２７の下面上の全面には接地金属３０が設けられており、接地金属３０の一部は、Ｕ字状に除去されている。絶縁基板２７の周辺部には、この基板２７を貫通するスルーホール３１が設けられており、絶縁基板２７の上面上の接地金属２９と下面上の接地金属３０とは、スルーホール３１内に設けられる導体６１によって電気的に接続されている（図１０）。
【００２１】
このような第１の電磁結合回路２２は、絶縁基板２７の上面上に設けられたＩ字状の配線２８ａに高周波信号が入力されると、その高周波信号は、電磁結合によって、この回路２２の下方に配置される内部入力回路２１のＷ字状の配線２４に伝達される。
【００２２】
次に、信号処理回路１３から出力される高周波信号を断熱容器１８（図７等）の外部に出力する出力側の電磁結合部である第２の電磁結合部２０は、信号処理回路１３に電気的に接続される内部回路である内部出力回路３２、および内部出力回路３２の上方に配置された第２の電磁結合回路３３、によって構成されている。
【００２３】
内部出力回路３２は、例えば信号処理回路１３から延在するアルミナ等の絶縁基板１４の表面上に、金（Ａｕ）によって、信号処理回路１３の合成・整合回路１７から延在するように、Ｗ字状に配線３４を設けることによって構成されている。この内部出力回路３２は信号処理回路１３とともにベース板１２の上面上に配置され、ベース板１２に設けられた板バネ等の固定具２５によって、信号処理回路１３とともにベース板１２に対して押し付けられている。
【００２４】
第２の電磁結合回路３３は、電磁結合によって内部出力回路３２に電気的に接続される回路であり、内部出力回路３２の配線３４から電磁結合によって高周波信号が供給される回路である。第２の電磁結合回路３３は、内部出力回路３２の上方に、内部出力回路３２から離間するように配置されている。第２の電磁結合回路３３は、例えば内部出力回路３２から１ｍｍ程度上方に離間した位置に配置されている。なお、第２の電磁結合回路３３の具体的な構成は、図２に示す第１の電磁結合回路２２と同様に構成されており、絶縁基板の上面上に、Ｉ字状の配線３５ａ、引き出し配線３５ｂ、およびパッド電極３５ｃが設けられており、また、これらの周囲を囲うように接地金属３６が設けられている。そして、絶縁基板の下面上の全面には接地金属が設けられており、この接地金属は、絶縁基板を貫通するスルーホール内の導体を介して、絶縁基板の上面上の接地金属３６に電気的に接続されている。このような第２の電磁結合回路３３は、第１の電磁結合回路２２と同様に、後述する断熱容器１８によって所定位置に支持される（図７および図１０）。第２の電磁結合回路３３の支持構造については後に詳述する。
【００２５】
このような第２の電磁結合回路３３の下方に配置される内部出力回路３２のＷ字状の配線３４に高周波信号が入力されると、その高周波信号は、電磁結合によって、第２の電磁結合回路３３の表面のＩ字状の配線３５ａに伝達される。
【００２６】
以上に説明したように、第１、第２の電磁結合部１９、２０は、断熱容器１８の内部と外部とを電磁結合によって電気的に接続する。第１、第２の電磁結合部１９、２０は、上述したように断熱容器１８の内部と外部とを非接触にするが、これについては後述する。
【００２７】
第１の電磁結合部１９の第１の電磁結合回路２２は、モジュールの外部から高周波信号を受け取る第１の外部信号線３７を有する外部回路である外部入力回路３８に電気的に接続される。また、第２の電磁結合部２０の第２の電磁結合回路３３は、モジュールの外部に高周波信号を送出する第２の外部信号線３９を有する外部回路である外部出力回路４０に電気的に接続される。外部入力回路３８および外部出力回路４０はそれぞれプリント基板であって、絶縁基板４１の上面上に第１の外部信号線３７または第２の外部信号線３９を設けることによって構成されている。外部入力回路３８および外部出力回路４０はそれぞれ、後述する断熱容器１８の外周面上に配置される（図７）。なお、外部入力回路３８および外部出力回路４０にはそれぞれ、接地される接地用線路４２も設けられている。
【００２８】
なお、第１の電磁結合回路２２と、外部入力回路３８と、の高さ方向における位置は異なっている。この理由については後述するが、このように高さ方向における位置が互いに異なるため、これらの回路２２、３８間を、例えばワイヤー等の第１の接続導体で接続することを考えると、第１の接続導体の長さが長くなる。この結果、第１の接続導体でのインダクタンス（または抵抗、放射損）が大きくなる。
【００２９】
また、一般に、第１の電磁結合回路２２の各配線２８ａ、２８ｂおよびパッド電極２８ｃは５０Ωのインピーダンスを有するように設計されており、外部入力回路３８の第１の外部信号線３７も同様に５０Ωのインピーダンスを有するように設計されている。一方、パッド電極２８ｃと第１の外部信号線３７とを接続する第１の接続導体をワイヤーとすると、そのインピーダンスが５０Ωから乖離し、その結果、パッド電極２８ｃと第１の外部信号線３７との間にインピーダンスの不整合が発生する。第１の接続導体の長さが短いときには、インピーダンスの不整合は小さいが、上記のように第１の接続導体の長さが長くなると、第１の接続導体によるインピーダンスの不整合が大きくなり、反射損が大きくなる。
【００３０】
このように、第１の電磁結合回路２２と、外部入力回路３８と、の高さ方向における位置が異なっていると、上記問題が生じ、入力損失が増大する。
【００３１】
そこで、第１の電磁結合回路２２の上面上には、第１の電磁結合回路２２と外部入力回路３８とを電気的に接続する第１の接続配線４３を有する第１の高さ調整回路４４が、例えば銀ナノ粒子によって固定されている。第１の電磁結合回路２２上に、この回路２２に電気的に接続されるように第１の高さ調整回路４４を設けることによって、第１の接続配線４３が、第１の電磁結合回路２２のパッド電極２８ｃを、外部入力回路３８が配置される高さ位置まで電気的に引き出す。第１の接続配線４３のインピーダンスを、第１の電磁結合回路２２のパッド電極２８ｃおよび外部入力回路３８の第１の外部信号線３７に整合するように、例えば５０Ωに設計することにより、第１の接続配線４３を、パッド電極２８ｃおよび第１の外部信号線３７、と整合させることができる。そして、第１の接続配線４３と外部入力回路３８の第１の外部信号線３７とは同じ高さ位置に存在するため、これらを電気的に接続する後述の第１の接続導体４５の長さを短くでき、第１の接続導体４５のインダクタンス（または抵抗、放射損）を小さくできるとともに、第１の接続配線４３と第１の外部信号線３７とのインピーダンスの不整合を小さくすることができる。その結果、第１の電磁結合回路２２と外部入力回路３８との間の配線（第１の接続配線４３および第１の接続導体４５によって構成される高周波信号の線路）においてインピーダンスが不連続になることを抑制することができる。
【００３２】
図３Ａは、実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の高さ調整回路を、斜め上方から見た場合の斜視図である。また、図３Ｂは、実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の高さ調整回路を、斜め下方から見た場合の斜視図である。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、第１の高さ調整回路４４は、筒状の側壁および天板によって構成される箱状の第１の誘電体６０に、第１の接続配線４３および接地金属５１を設けることによって構成されている。第１の誘電体６０は例えばセラミック、アルミナ等によって構成され、第１の接続配線４３および接地金属５１はそれぞれ、例えば金等の金属薄膜によって構成される。
【００３３】
第１の誘電体６０の側壁には、側壁および天板を貫通する貫通孔６１が設けられている。そして、この貫通孔６１の内壁はメタライズされており、これが配線４３ａとして機能する。そして、貫通孔６１の上端を含む第１の誘電体６０の天板の上面の一部には、貫通孔６１の内部の配線４３ａに接続される帯状の配線４３ｂが設けられており、貫通孔６１の下端を含む第１の誘電体６０の側壁の下面の一部には、貫通孔６１の内部の配線４３ａに接続される島状の配線４３ｃが設けられている。第１の接続配線４３は、貫通孔６１の内部の配線４３ａ、第１の誘電体６０の天板の上面の帯状の配線４３ｂ、および第１の誘電体６０の側壁の下面の島状の配線４３ｃ、によって構成されている。
【００３４】
他方、接地金属５１は、第１の誘電体６０の表面全面に、第１の接続配線４３に接しないように設けられている。
【００３５】
図４は、第１の高さ調整回路および第１の電磁結合回路を示す分解斜視図である。また、図５は、図４の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿った、第１の高さ調整回路および第１の電磁結合回路の部分断面図である。図４および図５に示すように、第１の高さ調整回路４４は、第１の誘電体６０の側壁の下面の島状の配線４３ｃが、第１の電磁結合回路２２の上面のパッド電極２８ｃに、例えば銀ナノ粒子（不図示）を介して接続され、第１の誘電体６０の下面の接地金属５１が、第１の電磁結合回路２２の上面の接地金属２９に、例えば銀ナノ粒子（不図示）を介して接続されるように、第１の電磁結合回路２２上に設けられる。このようにして、第１の高さ調整回路４４の第１の接続配線４３は、第１の電磁結合回路２２の上面のパッド電極２８ｃに電気的に接続される。
【００３６】
なお、第１の誘電体６０の天板の上面の帯状の配線４３ｂには、後述する第１の接続用基板４９上に設けられた第１の信号用リード線４５（図１）が接続され、第１の誘電体６０の天板の上面の接地金属５１には、後述する接地用リード線５０（図１）が接続される。このように、第１の高さ調整回路４４の第１の接続配線４３は、第１の接続用基板上４９の第１の信号用リード線４５を介して、外部入力回路３８の第１の外部信号線３７に電気的に接続される。
【００３７】
以上に説明した第１の高さ調整回路４４を、第１の電磁結合回路２２に整合するように第１の電磁結合回路２２上に設けることによって、第１の電磁結合回路２２のＩ字状の配線２８ａは、外部入力回路３８が配置される高さ位置まで引き出されている。そして、第１の高さ調整回路４４と外部入力回路３８とを第１の接続導体４５で接続することにより、第１の接続導体４５でのインダクタンス（または抵抗、放射損）を小さくできるとともに、第１の高さ調整回路４４と外部入力回路３８との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。この結果、第１の電磁結合回路２２と外部入力回路３８との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。
【００３８】
このように設けられる第１の高さ調整回路４４は、第１の電磁結合回路２２の上面の引き出し配線２８ｂおよびＩ字状の配線２８ａのバックショートとなるように構成されている。すなわち、図５に示すように、第１の誘電体６０の側壁の高さＨ（側壁下端から天板下面までの長さＨ）は、第１の電磁結合回路２２の引き出し配線２８ｂおよびＩ字状の配線２８ａを伝送される高周波信号が、第１の誘電体６０で囲われる空間Ｓ内に放射されることが抑制されるようになっている。従って、高周波信号の引き出し配線２８ｂおよびＩ字状の配線２８ａでの損失を抑制することができる。
【００３９】
ここで、高周波信号の波長をλとしたとき、上記高さＨをλ／４にすると、引き出し配線２８ｂおよびＩ字状の配線２８ａを伝送される高周波信号の空間Ｓ内への放射が最も抑制される。したがって、第１の誘電体６０は、上記高さＨが実質的にλ／４となるように構成されている。ここで、高さＨが実質的にλ／４であるとは、製造誤差等によってλ／４からαだけずれた場合も含まれる。すなわち、高さＨが実質的にλ／４であるとは、Ｈ＝（λ／４）±αであることを意味する。
【００４０】
このような構造は、出力側においても同様になっている。すなわち、第２の電磁結合回路３３の上面上には、第２の電磁結合回路３３と外部出力回路４０とを電気的に接続する第２の接続配線４６を有する第２の高さ調整回路４７が、例えば銀ナノ粒子によって固定されている。第２の電磁結合回路３３上に、この回路３３に整合した状態で電気的に接続されるように第２の高さ調整回路４７を設けることによって、第２の電磁結合回路３３のＩ字状の配線３５ａは、外部出力回路４０が配置される高さ位置まで引き出されている。そして、第２の高さ調整回路４７と外部出力回路４０とを第２の接続導体４８で接続することにより、第２の接続導体４８の長さを短くでき、インダクタンス（または抵抗、放射損）を小さくできるとともに、第２の高さ調整回路４７と外部出力回路４０との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。この結果、第２の電磁結合回路３３と外部出力回路４０との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。さらに、第２の高さ調整回路４７は、第２の電磁結合回路３３の上面の引き出し配線３５ｂおよびＩ字状の配線３５ａのバックショートとなるように構成されている。従って、高周波信号の引き出し配線３５ｂおよびＩ字状の配線３５ａでの損失も抑制される。
【００４１】
図１を参照する。第１の高さ調整回路４４と外部入力回路３８とは同じ高さに設けられているため、これらを接続する第１の接続導体４５として、ワイヤーが適用されてもよい。しかしながら、本実施形態において、第１の接続導体４５として、後述する断熱容器１８の外周面上に配置される第１の接続用基板４９上に設けられた第１の信号用リード線４５が適用されている。第１の信号用リード線４５は、第１の高さ調整回路４４の第１の接続配線４３と外部入力回路３８の第１の外部信号線３７とを接続する。なお、第１の接続用基板４９上において、第１の信号用リード線４５の両側には、接地用リード線５０も設けられており、これらの接地用リード線５０は、第１の高さ調整回路４４の接地金属５１と、外部入力回路３８の接地用線路４２と、を接続する。
【００４２】
同様に、第２の高さ調整回路４７と外部出力回路４０とは同じ高さに設けられているため、これらを接続する第２の接続導体４８として、ワイヤーが適用されてもよい。しかしながら、本実施形態において、第２の接続導体４８として、後述する断熱容器１８の外周面上に配置される第２の接続用基板５２上に設けられた第２の信号用リード線４８が適用されている。第２の信号用リード線４８は、第２の高さ調整回路４７の第２の接続配線４６と外部出力回路４０の第２の外部信号線３９とを接続する。なお、第２の接続用基板５２上において、第２の信号用リード線４８の両側には、接地用リード線５３も設けられており、これらの接地用リード線５３は、第２の高さ調整回路４７の接地金属５４と、外部出力回路４０の接地用線路４２と、を接続する。
【００４３】
図６は、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの冷却体１１および高周波半導体装置１０を示す斜視図である。以上説明した高周波半導体装置１０（以下、半導体装置１０と称する場合もある。）は、実際には、図６に示すように組み立てられて構成される。このような半導体装置１０は、冷却体１１上に配置されている。したがって、半導体装置１０は、低温下において動作することができ、ＮＦ特性を向上させることができる。
【００４４】
図７は、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの一断面図である。図７に示すように、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュール１００において、冷却体１１上に配置された半導体装置１０は、その一部を除いて、内部が実質的に真空状態となっている断熱容器１８に覆われている。断熱容器１８は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって構成される金属容器である。
【００４５】
冷却体１１内には、冷却用の冷媒（例えば液体窒素）の流路となるパイプ５５が設けられており、このパイプ５５は、冷却体１１の側面から外部方向に延在している。断熱容器１８は、冷却体１１から延在するパイプ５５に、断熱材５６を介して固定されている。すなわち、冷却体１１を含む半導体装置１０は、パイプ５５によって、断熱容器１８内の所定位置に固定されている。なお、冷却体１１は、熱を能動的に外部に放熱する、いわゆる冷凍機であってもよい。
【００４６】
図８は、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される断熱容器の一部を示す斜視図であり、図９は、半導体装置に断熱容器を設けることによって構成される第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールの要部を示す斜視図である。なお、図８に示す断熱容器の一部は、半導体装置上に配置される断熱容器である。上述の図７、および図８、図９にそれぞれ示すように、断熱容器１８の２箇所には開口部５７が設けられている。そして、断熱容器１８は、第１、第２の高さ調整回路４４、４７の各々が開口部５７内に配置されるようにして、半導体装置１０上に配置されている。なお、図７に示すように、上述の第１、第２の電磁結合回路２２、３３は、断熱容器１８の開口部５７を封止するように配置され、例えば銀ナノ粒子によって固定される。第１、第２の電磁結合回路２２、３３がこのように固定されることによって、第１、第２の電磁結合回路２２、３３は、内部入力回路２１、内部出力回路３２の上方に、これらの回路２１、３２から離間するように配置される。さらに、第１、第２の電磁結合回路２２、３３をこのように固定することによって、断熱容器１８の内部は密閉される。そして、少なくとも第１、第２の電磁結合回路２２、３３より水平断面におけるサイズが小さい第１、第２の高さ調整回路４４、４７は、開口部５７の側壁から離間した状態で、開口部５７内に配置される。
【００４７】
また、図７および図９にそれぞれ示すように、第１、第２の接続用基板４９、５２および外部入出力回路３８、４０は、開口部５７近傍の断熱容器１８の外周面上に配置されている。
【００４８】
ここで、第１、第２の電磁結合回路２２、３３の上面と、断熱容器１８の外周面上に配置される外部入出力回路３８、４０の上面と、が同程度の高さとなる程度に断熱容器１８の厚さが薄ければ、前述した第１、第２の高さ調整回路４４、４７は不要となる。しかし、このように断熱容器１８を薄くすると、十分な断熱効果が補償されないばかりか、断熱容器１８の機械的強度も極めて弱くなり、高周波半導体モジュール１００の信頼性を損なう恐れがある。したがって、断熱容器１８は、十分に厚い金属によって構成される必要がある。この結果、第１、第２の電磁結合回路２２、３３の上面と、断熱容器１８の外周面上に配置される外部入出力回路３８、４０の上面と、の高さ位置は異なってしまう。したがって、上述したように、第１、第２の高さ調整回路４４、４７が必要となる。
【００４９】
なお、図７および図８に示すように、断熱容器１８の内面には、断熱容器１８の内部方向に延在する複数の遮蔽板５８が設けられている。他方、図１、図６、および図７に示すように、ベース板１２のうち、内部入力回路２１を挟む複数個所と、信号処理回路１３および内部出力回路３２を略囲う複数個所と、にはそれぞれ、溝５９が設けられている。そして、断熱容器１８は、図７に示すように、各遮蔽板５８がベース板１２の各溝５９内に、溝５９に接触しないように挿入されるようにして配置される。このように遮蔽板５８を有する断熱容器１８を配置することによって、断熱容器１８と半導体装置１０とを接触させずに、半導体装置１０と断熱容器１８との間の空間を電磁空間的に細かく分離することができる。この結果、断熱容器１８から半導体装置１０への熱の流入を抑制し、かつ半導体装置１０と断熱容器１８との間の空間の共振周波数を、使用周波数帯において無視できる程度に高くすることができる。
【００５０】
なお、本実施形態において、遮蔽板５８および溝５９は、半導体装置１０の内部入力回路２１上の空間と、信号処理回路１３および内部出力回路３２上の空間と、を電磁空間的に分離しているが、さらに、信号処理回路１３上の空間と内部出力回路３２上の空間とを電磁空間的に分離するように、遮蔽板５８および溝５９が設けられていてもよい。
【００５１】
以上に説明した高周波半導体モジュール１００において、第１の電磁結合回路２２および第２の電磁結合回路３３は、以下に説明するようにして断熱容器１８に支持される。図１０は、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の電磁結合回路およびその周囲を拡大して示す部分断面図である。なお、図１０において、内部入力回路２２および信号処理回路１３は簡略化されている。
【００５２】
図１０に示すように、断熱容器１８の開口部５７の下端には、開口部５７の側壁から内部方向に突出する支持部６２が設けられている。そして、第１の電磁結合回路２２は、断熱容器１８の開口部５７内において、第１の電磁結合回路２２の全てのスルーホール３１が支持部６２の上面上に配置されるように、支持部６２上に配置されている。
【００５３】
そして、開口部５７の内面の一部を構成する支持部６２の上面と第１の電磁結合回路２２との隙間には接着層６３が設けられている。接着層６３としては、気密性が極めて良い材料によって構成される接着剤が適用され、例えば銀ナノ粒子が好適に用いられる。このような接着層６３によって、第１の電磁結合回路２２は、開口部５７の内面の一部である支持部６２の上面に固定されている。このとき、接着層６３は、第１の電磁結合回路２２と支持部６２との間を埋めるとともに、第１の電磁結合回路２２のスルーホール３１の下端を閉じる。このように、支持部６２上に、接着層６３を介して第１の電磁結合回路２２を固定することにより、第１の電磁結合回路２２は、断熱容器１８に支持されるとともに、断熱容器１８の内部を密閉することができる。
【００５４】
なお、図示は省略するが、第２の電磁結合回路３３も第１の電磁結合回路２２と同様に、断熱容器１８の開口部５７内の支持部上に、第２の電磁結合回路３３と支持部との間を埋めるとともに、第２の電磁結合回路３３のスルーホールの下端を閉じる接着層を介して固定されている。
【００５５】
以上に説明した第１の実施形態に係る高周波半導体モジュール１００によれば、第１の電磁結合回路２２は、開口部５７の内面の一部である支持部６２の上面と第１の電磁結合回路２２との隙間を埋めるとともに、第１の電磁結合回路２２のスルーホール３１の下端を閉じるように設けられた接着層６３によって、断熱容器１８の開口部５７の支持部６２上に固定されている。第２の電磁結合回路３３も第１の電磁結合回路２２と同様に、開口部５７の内面の一部である支持部の上面と第２の電磁結合回路３３との隙間を埋めるとともに、第２の電磁結合回路２３３のスルーホールの下端を閉じるように設けられた接着層によって、断熱容器１８の開口部５７の支持部上に固定されている。したがって、単に第１、第２の電磁結合回路２２、３３を開口部５７内の支持部６２上に配置した場合と比較して、断熱容器１８内の気密性を向上させることができる。
【００５６】
＜第２の実施形態＞
図１１は、第２の実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の電磁結合回路およびその周囲を拡大して示す部分断面図である。図１１においても図１０と同様に、内部入力回路２２および信号処理回路１３は簡略化されている。
【００５７】
図１１に示すように、第２の実施形態に係る高周波半導体モジュールは、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュール１００と比較して、第１の電磁結合回路の支持構造が異なっている。また、これに応じて、第１の電磁結合回路の構造も異なっている。なお、図示を省略するが、第２の実施形態に係る高周波半導体モジュールにおいては、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュール１００と比較して、第２の電磁結合回路の構造およびこの回路の支持構造も異なっている。したがって、以下に、図１１を参照して、第２の実施形態に係る高周波半導体モジュールに適用される第１の電磁結合回路およびその支持構造について説明する。なお、以下の説明において、第１の実施形態に係る高周波半導体モジュール１００と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５８】
図１１に示すように、第２の実施形態に係る高周波半導体モジュールにおいて、第１の電磁結合回路７１は、スルーホールを具備しない回路であり、上面の接地金属２９と下面の接地金属３０とは、絶縁基板２７の側面に設けられた導体７２によって電気的に接続されている。このような第１の電磁結合回路７１が、開口部５７の内面の一部である開口部５７の側壁との間に隙間が設けられるように、断熱容器１８の開口部５７内の支持部６２上に配置されている。ここで、第１の電磁結合回路７１と支持部６２との間に接着剤は設けられておらず、両者は直接接触している。
【００５９】
このように支持部６２上に配置された第１の電磁結合回路７１は、開口部５７の内面の一部である側壁と第１の電磁結合回路７１との隙間を埋めるように設けられた接着層７３により、開口部５７の側壁に固定されている。接着層７３としては、第１の実施形態において適用された接着剤６３と同様に、気密性が極めて良い材料によって構成される接着剤が適用され、例えば銀ナノ粒子が好適に用いられる。このように、開口部５７の側壁に接着層７３を介して第１の電磁結合回路７１を固定することにより、第１の電磁結合回路７１は、断熱容器１８に支持されるとともに、断熱容器１８の内部を密閉することができる。
【００６０】
なお、このように、第１の電磁結合回路７１と支持部６２とは直接接触しており、両者の間に接着層は介在しない。したがって、内部入力回路２１と第１の電磁結合回路７１との間隔を高い精度で制御することができ、両者の電磁結合度を高精度に調整することができる。第２の電磁結合回路についても同様であり、第２の電磁結合回路と内部出力回路３２との電磁結合度を高精度に調整することができる。
【００６１】
しかし、本実施形態において、第１の実施形態の第１の電磁結合回路２２が適用された場合、スルーホール３１、および第１の電磁結合回路２２と支持部６２との僅かな隙間、によって、断熱容器１８の内部と外部とが空間的に接続される。このように、第２の実施形態において、スルーホールを有する第１の電磁結合回路を適用した場合、気密性が確保されない。したがって、本実施形態においては、上面の接地金属２９と下面の接地金属３０とが絶縁基板２７の側面に設けられた導体７２によって電気的に接続された第１の電磁結合回路７１が適用されている。
【００６２】
図示は省略するが、第２の実施形態における第２の電磁結合回路も第１の電磁結合回路７１と同様に、断熱容器１８の開口部５７の側壁に、第２の電磁結合回路と開口部５７の側壁との間を埋める接着層を介して固定されている。
【００６３】
以上に説明した第２の実施形態に係る高周波半導体モジュールにおいては、スルーホールを具備しない第１の電磁結合回路７１が適用される。そして、このような第１の電磁結合回路７１が、断熱容器１８の開口部５７の側壁に、第１の電磁結合回路７１と開口部５７の側壁との間を埋める接着層７３を介して固定されている。第２の電磁結合回路も第１の電磁結合回路７１と同様に、スルーホールを具備しない回路であり、このような第２の電磁結合回路が、断熱容器１８の開口部５７の側壁に、第２の電磁結合回路と開口部５７の側壁との間を埋める接着層を介して固定されている。したがって、単に第１、第２の電磁結合回路７１を開口部５７の支持部６２上に配置した場合と比較して、断熱容器１８内の気密性を向上させることができる。
【００６４】
さらに、本実施形態に係る高周波半導体モジュールにおいては、上述したように、第１の電磁結合回路７１と開口部５７の支持部６２とが直接接触しており、両者の間に接着層が介在しない。したがって、内部入力回路２１と第１の電磁結合回路７１との間隔を高い精度で制御することができ、両者の電磁結合度を高精度に調整することができる。第２の電磁結合回路についても同様であり、第２の電磁結合回路と内部出力回路３２との電磁結合度を高精度に調整することができる。
【００６５】
以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣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。これらの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。
【００６６】
例えば、第１の高さ調整回路の接地金属５１は、第１の誘電体６０の内面には設けられなくてもよい。また、第１の誘電体６０の内部には、さらに誘電体が設けられていてもよい。また、第１の誘電体の形状についても箱状に限定されず、筒状であってもよいし、板状であってもよい。さらに、第１の接続配線４３は、第１の誘電体６０を貫通するように設けられなくてもよく、例えば第１の誘電体の表面に設けられてもよい。このように、第１の高さ調整回路の構造は、上述の構造に限定されない。第２の高さ調整回路の構造についても同様である。
【００６７】
また、第１、第２の高さ調整回路の構造によっては、第１、第２の電磁結合回路２２、３３に対して電磁シールドの効果を有さない場合があり、この場合には、第１、第２の電磁結合回路２２、３３に電磁シールドを設けてもよい。
【００６８】
また、内部入力回路２１に超伝導回路を用い、内部出力回路３２は信号処理回路１３と一体的に設けられているが、内部入力回路２１とともに内部出力回路３２にも超伝導回路を用いてもよいし、内部入力回路２１を信号処理回路１３と一体的に設け、内部出力回路３２にのみ超伝導回路を用いてもよい。
【００６９】
また、内部入力回路２１、信号処理回路１３、および内部出力回路３２はそれぞれベース板１２上に配置されており、固定具２５によって上方から押さえつけられることによってベース板１２に固定されているが、上記各回路２１、１３、３２は、ベース板１２に対して接着剤等によって固定されてもよい。
【００７０】
また、断熱容器１８に設けられる遮蔽板５８は、高周波信号が通り抜けないように設けられた金属製のばね等であってもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０・・・高周波半導体装置（半導体装置）
１１・・・冷却体
１２・・・ベース板
１３・・・信号処理回路
１４・・・絶縁基板
１５・・・高周波半導体素子（半導体素子）
１６・・・分岐・整合回路
１７・・・合成・整合回路
１８・・・断熱容器
１９・・・（第１の）電磁結合部
２０・・・（第２の）電磁結合部
２１・・・内部入力回路
２２、７１・・・第１の電磁結合回路
２３・・・超伝導基板
２４・・・配線
２５・・・固定具
２６・・・接続導体
２７・・・絶縁基板
２８ａ・・・Ｉ字状の配線
２８ｂ・・・引き出し配線
２８ｃ・・・パッド電極
２９・・・接地金属
３０・・・接地金属
３１・・・スルーホール
３２・・・内部出力回路
３３・・・第２の電磁結合回路
３４・・・配線
３５ａ・・・Ｉ字状の配線
３５ｂ・・・引き出し配線
３５ｃ・・・パッド電極
３６・・・接地金属
３７・・・第１の外部信号線
３８・・・外部入力回路
３９・・・第２の外部信号線
４０・・・外部出力回路
４１・・・絶縁基板
４２・・・接地用線路
４３・・・第１の接続配線
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ・・・配線
４４・・・第１の高さ調整回路
４５・・・第１の接続導体（第１の信号用リード線）
４６・・・第２の接続配線
４７・・・第２の高さ調整回路
４８・・・第２の接続導体（第２の信号用リード線）
４９・・・第１の接続用基板
５０・・・接地用リード線
５１・・・接地金属
５２・・・第２の接続用基板
５３・・・接地用リード線
５４・・・接地金属
５５・・・パイプ
５６・・・断熱材
５７・・・開口部
５８・・・遮蔽板
５９・・・溝
６０・・・第１の誘電体
６１、７２・・・導体
６２・・・支持部
６３、７３・・・接着層
１００・・・高周波半導体モジュール
【図１】
2016162793.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
2016162793.tif 000005
【図３Ｂ】
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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】
2016162793.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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