(57)【要約】  回路装置は、多層回路キャリア、第１信号伝達ライン、第２信号伝達ライン、信号ライン遷移素子、第１インピーダンス変成器、第２インピーダンス変成器を備える。多層回路キャリアは、第１層および第２層を有する。第１信号伝達ラインは、上記第１層の表面に配置されている。第２信号伝達ラインは、上記第２層の表面に配置されている。信号ライン遷移素子は、上記第１層および第２層を通るとともに、第１信号端と第２信号端とを有する。第１インピーダンス変成器は、上記第１層の表面に配置され、上記第１信号伝達ラインと上記第１信号端との間に電気的に接続されている。第２インピーダンス変成器は、上記第２層の表面に配置され、上記第２信号伝達ラインと上記第２信号端との間に電気的に接続されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１層および第２層を含む複数の層を有する多層回路キャリアと、
上記第１層の表面に配置された第１信号伝達ラインと、
上記第２層の表面に配置された第２信号伝達ラインと、
少なくとも上記第１層および上記第２層を通るとともに、上記第１層の表面に形成された第１信号端と上記第２層の表面に形成された第２信号端とを有する信号ライン遷移素子と、
上記第１層の表面に配置され、上記第１信号伝達ラインと上記第１信号端との間に電気的に接続され、上記第１信号伝達ラインと上記信号ライン遷移素子との間のインピーダンスマッチングを行う第１インピーダンス変成器と、
上記第２層の表面に配置され、上記第２信号伝達ラインと上記第２信号端との間に電気的に接続され、上記第２信号伝達ラインと上記信号ライン遷移素子との間のインピーダンスマッチングを行う第２インピーダンス変成器とを備えたことを特徴とする回路装置。
【請求項２】
上記第１インピーダンス変成器および上記第２インピーダンス変成器のうち少なくとも一つが、四分の一波長変成器によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項３】
上記第１インピーダンス変成器および上記第２インピーダンス変成器のうち少なくとも一つが、多重スタブマッチングネットワークによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項４】
上記多重スタブマッチングネットワークが、複数の開路スタブまたは複数の短絡スタブを有することを特徴とする請求項３に記載の回路装置。
【請求項５】
上記第１インピーダンス変成器および上記第２インピーダンス変成器のうち少なくとも一つが、単一スタブマッチングネットワークによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項６】
上記単一スタブマッチングネットワークが、短絡スタブまたは開路スタブを有することを特徴とする請求項５に記載の回路装置。
【請求項７】
上記信号ライン遷移素子と、上記第１インピーダンス変成器および上記第２インピーダンス変成器とのうちの一つとの間に電気的に接続されたラインセグメントであって、上記信号ライン遷移素子の複素入力インピーダンスを、上記第１インピーダンス変成器および上記第２インピーダンス変成器の一つによって見られる完全に実数のインピーダンスに変換するように構成されたラインセグメントを備えたことを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項８】
上記信号ライン遷移素子が、少なくとも上記第１層および上記第２層を上記多層回路キャリアの厚み方向に通る信号ビアを有し、上記信号ビアの２つの端部が、それぞれ、上記第１信号端および上記第２信号端として働くことを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項９】
上記第１層および上記第２層のうちの一つに配置されて所定の基準電圧を供給する基準電圧面を備え、
上記信号ビアが、上記基準電圧面を通ることを特徴とする請求項８に記載の回路装置。
【請求項１０】
上記信号ビアの周りに配置された複数のシールドビアであって、このシールドビアのそれぞれが所定の基準電圧を伝達するように構成されたシールドビアを備えていることを特徴とする請求項８に記載の回路装置。
【請求項１１】
上記信号ライン遷移素子が、同軸伝達ラインであることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項１２】
上記多層回路キャリアによって支えられるアンテナを備え、
上記第１信号伝達ラインが、上記アンテナのアンテナフィードラインであることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項１３】
上記第２層の表面に載置されて、上記第２信号端に電気的に接続された半導体ダイを備え、
上記半導体ダイが、無線周波数（ＲＦ）信号処理能力を有することを特徴とする請求項１２に記載の回路装置。
【請求項１４】
上記半導体ダイが、上記多層回路キャリアの開口したキャビティに収容されていることを特徴とする請求項１３に記載の回路装置。
【請求項１５】
上記アンテナがスロットアンテナであることを特徴とする請求項１２に記載の回路装置。
【請求項１６】
上記アンテナが、パッチとアンテナ接地面とを有する開口結合パッチアンテナであり、
上記アンテナ接地面が、上記パッチと上記アンテナフィードラインとの間に配置されて開口部を有していることを特徴とする請求項１２に記載の回路装置。
【請求項１７】
上記パッチが、上記多層回路キャリアの内部キャビティに収容されていることを特徴とする請求項１６に記載の回路装置。
【請求項１８】
上記アンテナが、上記第１層の表面に配置されたパッチと、アンテナ接地面とを有するパッチアンテナであり、
上記信号ライン遷移素子は、上記アンテナ接地面を通り、
上記第１信号伝達ラインは、上記パッチの端に結合していることを特徴とする請求項１２に記載の回路装置。
【請求項１９】
上記多層回路キャリアに一体化された熱分散器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔背景技術〕
本発明の記載された実施形態は、高周波信号の伝達に関し、さらに詳しくは、多層回路キャリアの多層膜を通じて信号を送る信号ライン遷移素子を備えるとともにこの信号ライン遷移素子に電気的に接続されたインピーダンス変成器を備えた、回路装置に関する。
【０００２】
ワイヤレスネットワークでは、所望の信号を送信するため、あるいは、所望の信号を他のワイヤレスネットワーク素子から受信するために、受信機または送信機に取り付けられたアンテナを通じて、装置間の接続および通信が達成される。ミリメートル波無線などの無線通信システムでは、離散的な要素は、通常、低い積分レベルに集まっている。半導体素子とそれに必要な送信機／受信機アンテナとを相互に接続するために、これらのシステムは、しばしば、高価でかさばる、パッケージレベルまたはボードレベルのマイクロストリップ構造を用いて組み立てられる。半導体技術とパッケージングエンジニアリングの最近の進歩により、このような無線通信システムのサイズは小さくなり、無線周波数（ＲＦ）のフロントエンド回路を有するアンテナの一体化が一層望まれる。ワイヤレスのユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）アプリケーションのような特定のアプリケーションのために、動作距離はおよそ１メートルに限られ、６０ＧＨｚでおよそ７ｄＢｉの単一のアンテナが、必要なアンテナゲインを供給する。１０メートルの動作距離を有する（ワイヤレスビデオアプリケーションのような）一つの点と点とのアプリケーションや、１０メートルを超える動作距離を有する（レーダーアプリケーションのような）他の点と点とのアプリケーションでは、実際のアプリケーションに依存して、３０ｄＢｉという高いアンテナゲインが必要になる。しかしながら、高いゲインアンテナは、非常に狭いビーム幅を一般に有しているので、消費者にはアンテナを向けるのが非常に困難である。それゆえ、アンテナ指向性図を操縦できる配列（位相配列とも呼ばれる）が必要である。例えば、位相配列は、軍事レーダーに広く用いられている。しかしながら、一体化されたアンテナまたはアンテナ配列を有するＲＦダイをパッケージングすることは非常に困難であり、高価な要素および関連する広範囲の労働によって、非常に高価である。
【０００３】
それゆえ、ワイヤレス通信素子の画期的な組み立てデザインが必要である。
【０００４】
〔先行技術文献〕
〔特許文献〕
〔特許文献１〕  米国特許第７，６９６，９３０号明細書（２０１０年０４月１３日）
〔特許文献２〕  米国特許第７，６９２，５９０号明細書（２０１０年０４月０６日）
〔特許文献３〕  米国特許第４，５３２，４８３号明細書（１９８５年０７月３０日）
〔特許文献４〕  米国特許公開第２０１０／０００１９０６号明細書（２０１０年０１月０７日）
〔特許文献５〕  米国特許公開第２００３／０１５１５５１号明細書（２００３年０８月１４日）
〔特許文献６〕  米国特許公開第２００４／０２３１８７２号明細書（２００４年１１月２５日）
〔特許文献７〕  米国特許公開第２００７／００８０８６４号明細書（２００７年０４月１２日）
〔非特許文献〕
〔非特許文献１〕  H-C Chen, D. Liu, and B. Floyd, Simple radio frequency integrated circuit (RFIC) packages with integrated antennas, US patent application number 12/360538, Jan 2009
【０００５】
〔発明の概要〕
本発明の実施形態に関し、多層回路キャリア（例えば、一体化されたアンテナまたはアンテナ配列を有するパッケージ）の多層膜を通じて高周波信号を送る信号ライン遷移素子（例えば信号ビア）を備えるとともに、この信号ライン遷移素子の信号端に電気的に接続されたインピーダンス変成器を備えた、回路装置を提案する。
【０００６】
本発明の特徴に関し、典型的な回路装置を提案する。典型的な回路装置は、多層回路キャリア、第１信号伝達ライン、第２信号伝達ライン、信号ライン遷移素子、第１インピーダンス変成器、第２インピーダンス変成器を備える。多層回路キャリアは、第１層および第２層を含む複数の層を有する。第１信号伝達ラインは、上記第１層の表面に配置されている。第２信号伝達ラインは、上記第２層の表面に配置されている。信号ライン遷移素子は、少なくとも上記第１層および第２層を通るとともに、上記第１層上の第１信号端と上記第２層上の第２信号端とを有する。第１インピーダンス変成器は、上記第１層の表面に配置され、上記第１信号伝達ラインと上記第１信号端との間に電気的に接続され、上記第１信号伝達ラインと上記信号ライン遷移素子との間のインピーダンスマッチングを行う。第２インピーダンス変成器は、上記第２層の表面に配置され、上記第２信号伝達ラインと上記第２信号端との間に電気的に接続され、上記第２信号伝達ラインと上記信号ライン遷移素子との間のインピーダンスマッチングを行う。
【０００７】
これらおよびその他の本発明の目的は、種々の図面に示された好適な実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に当業者には明らかに自明であろう。
【０００８】
〔図面の簡単な説明〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【０００９】
図２は、図１に示す回路装置の平面図である。
【００１０】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００１１】
図４は、図３に示す回路装置の平面図である。
【００１２】
図５は、接地面を通る信号ビアを示す平面図である。
【００１３】
図６は、電源面を通る信号ビアを示す平面図である。
【００１４】
図７は、四分の一波長変成器によって構成されているインピーダンス変成器を示す図である。
【００１５】
図８は、各ネットワークが、二つの開路スタブを有している多重スタブマッチングネットワークによって構成されているインピーダンス変成器を示す図である。
【００１６】
図９は、各ネットワークが、一つの開路スタブを有している単一スタブマッチングネットワークによって構成されているインピーダンス変成器を示す図である。
【００１７】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００１８】
図１１は、図１０に示す回路装置の平面図である。
【００１９】
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００２０】
図１３は、図１２に示す回路装置の平面図である。
【００２１】
図１４は、本発明の第５の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００２２】
図１５は、本発明の第６の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００２３】
図１６は、本発明の第７の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００２４】
図１７は、本発明の第８の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００２５】
図１８は、本発明の第９の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００２６】
図１９は、プリント回路基板に取り付けられた回路装置を示す図である。
【００２７】
図２０は、本発明の第１０の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【００２８】
図２１は、半導体ダイと４つのアンテナとを結合させる、提案された信号ライン遷移デザインを用いる、典型的な、素子４個の位相配列を示す図である。
【００２９】
〔発明の詳細な説明〕
特定の要素を参照するために、明細書および以降の請求項じゅうにおいて特定の用語を用いる。当業者であれば理解できる通り、製造者は、要素を異なる名前で呼ぶ。この文書は、名前が異なるが機能が異ならない要素同士を区別することを意図しない。以下の説明および請求項では、「含む」（「include」と「comprise」）との用語は、終わりの制限が決められていないので、「含むが、…には限定されない」という意味に解釈すべきである。また、「電気的に接続」（electrically connected）との用語は、間接または直接の電気的接続を意味することを意図している。したがって、もしある装置が別の装置に電気的に接続されていれば、その接続は、直接の電気的接続、または、他の装置と接続とを介する間接の電気的接続を通じてのものである。
【００３０】
本発明の概念は、ミリメートル波（ｍｍＷａｖｅ）の範囲内またはそれを超える周波数の信号を伝達する、多層膜の垂直遷移デザインのように、多層膜の信号線遷移デザインを供給することである。例えば、本発明の典型的な実施形態は、多層回路キャリアの多層膜（例えば基板層）を通じて信号を通すとともに、インピーダンス変成器にそれぞれ電気的に接続された二つの信号端を有する信号ライン遷移素子を備えた回路装置を提案する。このように、アンテナの性能への影響を最小限にして、一体化されたアンテナおよび／または半導体ダイを有する低コストの回路装置（例えば低コストのパッケージ）を実現できる。加えて、提案された回路装置は、プリント回路基板（ＰＣＢ）の製造処理や低温で共に火を付けた（co-fired）セラミックス（ＬＴＣＣ）の製造処理などと両立する。提案された回路装置のさらなる説明を以下に述べる。
【００３１】
図２とともに図１を参照する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る回路装置の横断面図である。図２は、図１に示す回路装置の平面図である。典型的な回路装置１００は、多層回路キャリア１０２、第１信号伝達ライン１０４、第２信号伝達ライン１０６、信号ライン遷移素子１０８、第１インピーダンス変成器１１０、第２インピーダンス変成器１１２を備えるが、これに限定されない。多層回路キャリア１０２は、第１層１１４および第２層１１６を含む複数の層を有する。説明目的のみのため、図１には二つの層しか示していないが、多層回路キャリア１０２に含まれる層の総数は実際のデザインを考慮して決められることに留意されたい。第１信号伝達ライン１０４は、５０オームのようなインピーダンスを有し、第１層１１４の表面Ｓ１に配置されている。第２信号伝達ライン１０６は、５０オームのようなインピーダンスを有し、第２層１１６の表面Ｓ２に配置されている。信号ライン遷移素子１０８は、多層回路キャリア１０２に含まれる少なくとも第１層１１４および第２層１１６を通るとともに、第１層１１４上の第１信号端Ｔ１と第２層１１６上の第２信号端Ｔ２とを有する。例えば、信号ライン遷移素子１０８は、第１層１１４および第２層１１６を多層回路キャリア１０２の厚み方向に通る電気的接続素子（例えば信号ビア）によって構成されていてもよい。信号ビアは、任意の利用可能な処理によって形成できることに留意されたい。例えば、もしＰＣＢ製造処理を行うならば、信号ビアは、そこに詰めるいかなる金属材料も無いメッキホールによって実現できる。しかしながら、もしＬＴＣＣ製造処理を行うならば、信号ビアは、金属材料（例えばＡｇ、ＣｕまたはＡｕ）を詰めた穴で実現できる。簡単に言えば、もし垂直な信号伝達の供給の目的が達成できるならば、所望の信号ビアを実現するためには任意のビア構造を採用できる。第１インピーダンス変成器１１０は、第１層１１４の表面Ｓ１に配置され、第１信号伝達ライン１０４と信号ライン遷移素子１０８の第１信号端Ｔ１との間に電気的に接続され、第１信号伝達ライン１０４と信号ライン遷移素子１０８との間のインピーダンスマッチングを行うように構成されている。第２インピーダンス変成器１１２は、第２層１１６の表面Ｓ２に配置され、第２信号伝達ライン１０６と信号ライン遷移素子１０８の第２信号端Ｔ２との間に電気的に接続され、第２信号伝達ライン１０６と信号ライン遷移素子１０８との間のインピーダンスマッチングを行うように構成されている。
【００３２】
信号ライン遷移素子１０８は所望のインピーダンス（例えば５０オーム）を有しないこともあるので、第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２は、アンテナフィードインピーダンス（典型的には５０オーム）が、理想的でない信号ライン遷移素子１０８を通じて変わらないようにするための、インピーダンスマッチングネットワークとして動作するのに用いられる。このように、所望されない信号ロスを減少させることによって、信号伝達性能が向上する。それに加えて、第１信号伝達ライン１０４と第２信号伝達ライン１０６とは、それぞれ異なる層に配置され、第１信号伝達ライン１０４と第２信号伝達ライン１０６との間の角度θは任意である。このように、信号ライン遷移が系統的にデザインされ、信号経路デザインは非常に柔軟であり、それゆえ、どんな応用の要求にも容易に適合することができる。
【００３３】
第１インピーダンス変成器１１０と信号ライン遷移素子１０８との間に電気的に接続された、オプション部材である一つのショートラインセグメント１１８があり、第２インピーダンス変成器１１２と信号ライン遷移素子１０８との間に電気的に接続された、オプション部材である他の一つのショートラインセグメント１２０があることに留意されたい。各ショートラインセグメントのライン長は、インピーダンス変成器で見られるラインインピーダンスが完全に実数となるように調整可能である。しかしながら、代替のデザインでは、可変長を有するショートラインセグメント１１８・１２０は省いてもよい。それゆえ、第１インピーダンス変成器１１０は信号ライン遷移素子１０８の第１信号端Ｔ１に直接接続されてもよく、また、第２インピーダンス変成器１１２は信号ライン遷移素子１０８の第２信号端Ｔ２に直接接続されてもよい。
【００３４】
第１信号伝達ライン１０４、第１インピーダンス変成器１１０およびオプションのショートラインセグメント１１８は、第１層１１４の表面Ｓ１上の一つの金属層上でその道順を決めてもよく、第２信号伝達ライン１０６、第２インピーダンス変成器１１２およびオプションのショートラインセグメント１２０は、第２層１１６の表面Ｓ２上の他の一つの金属層上でその道順を決めてもよい。しかしながら、第１層１１４を、回路装置１００を用いることによって実現されるさらに多くの機能を可能にする、より多くの層に置き換えることもできる。また、第２層１１６を、より多くの層や、異なる材料に置き換えることもできる。例えば、表面Ｓ２上に形成される入力／出力パッドの混雑を減少させるために、さらなる金属層を付加することもでき、これにより、回路装置１００と、回路装置１００上に載置される半導体ダイとの間のインターフェースのデザインが簡素化される。
【００３５】
信号伝達性能を向上させる目的で、所望でない信号ロスをさらに減らすために、電磁シールド技術を用いることもできる。例えば、信号ライン遷移素子１０８は、同軸伝達ラインによって構成されてもよく、および／または、信号ライン遷移素子１０８は、多層回路キャリア１０２に含まれる層の一つに配置されて電源電圧または接地電圧などの所定の基準電圧を供給するように構成された少なくとも一つの基準電圧面を通る。信号ライン遷移素子１０８は信号運搬を意図しているので、信号ライン遷移素子１０８のいかなる物理的な信号運搬素子（例えば信号ビア）も、基準電圧面を通るときに、基準電圧面から絶縁される。例えば、基準電圧面１１１は、第１層１１４と第２層１１６とに間に形成してもよい。この実施形態では、信号ライン遷移素子１０８の周りの領域は、導電性面材料から離れており、それゆえアンチパッド１０９として機能する。基準電圧面１１１を通って信号を通すために信号ライン遷移素子１０８を用いるのは、説明のためだけであり、本発明の限定を意図したものではない。
【００３６】
同軸伝達ラインは、導電性のシールド構造によって囲まれる内部導体である。このように、提案された回路装置が高周波アプリケーション（例えばｍｍＷａｖｅアプリケーション）に用いられるときには、所望でない放射による信号ロスを、この導電性のシールド構造によって防止または軽減することができる。同様に、電源面や接地面などの基準電圧面が高周波動作環境下で直流短絡（DC-shorted）されるので、所望でない放射による信号ロスも、基準電圧面によって軽減することができる。簡単に言えば、外部シールドを供給する同軸伝達ラインを用いたときには、提案された多層信号ライン遷移デザインは、層の厚みとはほとんど無関係に、非常に高い性能を有する。
【００３７】
図４とともに図３を参照する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る回路装置の横断面図である。図４は、図３に示す回路装置の平面図である。回路装置２００は、図１と類似の構成およびその構成に形成された追加部材を有している。この実施形態では、多層回路キャリア２０２は、第１層１１４、第２層１１６、および、第１層１１４の上の第３層２０４を備えている。ここでは、説明のためにだけ、３つだけ層を示している点に留意されたい。また、一つの基準電圧面２０６が、第３層２０４上に配置されて、所定の基準電圧を供給するようになっており、また、他の一つの基準電圧面２０８が、第１層１１４と第２層１１６との間に配置されて、所定の基準電圧を供給するようになっている。限定としてではなく、例として、基準電圧面２０６は、アンテナ（図示せず）のアンテナ接地面とすることができ、また、基準電圧面２０８は、半導体ダイや他の回路（図示せず）の接地面とすることができる。さらに、信号ライン遷移素子２１４は、信号ビア２１２と、信号ビア２１２の周りに配置された複数のシールドビア２１０とによって実現される、同軸伝達ラインである。シールドビアは、利用できる任意の処理によって形成可能である点に留意されたい。例えば、もしＰＣＢ製造処理を行うならば、シールドビアは、そこに詰めるいかなる金属材料も無いメッキホールによって実現できる。しかしながら、もしＬＴＣＣ製造処理を行うならば、シールドビアは、金属材料（例えばＡｇ、ＣｕまたはＡｕ）を詰めた穴で実現できる。簡単に言えば、もし信号ビアのシールドの目的が達成できるならば、所望のシールドビアを実現するためには任意のビア構造を採用できる。図３に示すように、信号ビア２１２は、少なくとも第１層１１４および第２層１１６を多層回路キャリア２０２の厚み方向に通る。言い換えれば、信号ビア２１２は、垂直伝達経路を供給する。さらに、図３からわかるように、信号ビア２１２の２つの端部は、それぞれ、信号ライン遷移素子２１４の第１信号端Ｔ１および第２信号端Ｔ２として機能する。シールドビア２１０のそれぞれは、基準電圧面２０６・２０８間に接続されて、所定の基準電圧を伝達するのに用いられる。例えば、基準電圧面２０６・２０８が両方とも接地面であれば、シールドビア２１０は接地ビアとして働く。図５は、図３の基準電圧面２０８のような接地面５０２を通る信号ビア２１２を示す平面図である。上述のように、信号ライン遷移素子のいかなる物理的な信号運搬素子（例えば信号ビア）も、基準電圧面を通るときに、基準電圧面から絶縁される。それゆえ、図３からわかるように、信号ビア２１２は、接地面５０２を通るときに接地面５０２に電気的に接続されない。
【００３８】
基準電圧面は、接地面でも電源面でも、高周波動作環境下で直流短絡されている点に留意されたい。このように、高周波アプリケーションに関して、基準電圧面２０８は、電源面とすることもできる。図６は、図３の基準電圧面２０８のような電源面６０２を通る信号ビア２１２を示す平面図である。図３に示す回路装置２００が、高周波アプリケーションのアンテナ（図示せず）を支えるのに用いられる場合には、電源面６０２の内部切断領域に、背面放射を軽減するためのリフレクタ６０４を配置してもよい。しかしながら、これは説明のためだけのものである。代替のデザインでは、リフレクタ６０４は、電源面６０２の内部領域から除去して、多層回路キャリア２０２の他の層に配置してもよい（例えば、電源面６０２と、アンテナフィードラインとして働く第１信号伝達ライン１０４との間に配置する）。あるいは、リフレクタ６０４は電源面６０２の内部領域から除去して、電源面６０２自体が、背面放射を軽減するための、アンテナのリフレクタとして機能する。上述のように、信号ライン遷移素子のいかなる物理的な信号運搬素子（例えば信号ビア）も、基準電圧面を通るときに、基準電圧面から絶縁される。それゆえ、図６からわかるように、信号ビア２１２は、電源面６０２を通るときに、電源面６０２に電気的に接続されない。
【００３９】
第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２との少なくとも一つは、四分の一波長変成器によって構成することができる。例えば図３に示す回路装置２００であれば、第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２はそれぞれ、図７に示す四分の一波長変成器７１０・７１２によって構成することができる。第１信号伝達ライン１０４と第２信号伝達ライン１０６とのそれぞれは、インピーダンスＺＳを有する。例えば、インピーダンスＺＳは、完全に実数のインピーダンスＲＳであり、５０オームなどである。信号ライン遷移素子２１４のインピーダンスが複素数値であれば、ショートラインセグメント１１８の長さは、複素数の入力インピーダンスを、四分の一波長変成器７１０によって見られる完全に実数のインピーダンスＲＬに変換するために適切に設定することができる。しかしながら、信号ライン遷移素子２１４のインピーダンスが完全に実数のインピーダンスＲＬであれば、ショートラインセグメント１１８は省くことができる。四分の一波長変成器７１０のインピーダンスＺ０は、以下の式に従い簡単に決定できる。
【００４０】
【数１】
2012520652.tif 000003
【００４１】
また、四分の一波長変成器７１０のライン長はλ／４と等しい。ここで、λは、伝達される正弦波信号（例えばＲＦ信号）の波長であり、以下の式に従い容易に決定できる。
【００４２】
【数２】
2012520652.tif 000004
【００４３】
正弦波信号の伝達については、上記式（２）のＶが、位相速度（すなわち、光速／√（εｒ）、３×１０８／√（εｒ）  ｍ／ｓ）を表す。そして、上記式（２）のｆが、伝達される正弦波信号の周波数を表す。例えば、ｍｍＷａｖｅアプリケーションでは、ＲＦ信号のカバーされる周波数範囲は５７ＧＨｚないし６６ＧＨｚとすることができる。それゆえ、四分の一波長変成器７１０のライン長は、カバーされる周波数範囲の中間値（すなわち６１．５ＧＨｚ）に従って決定することができる。
【００４４】
当業者であれば、インピーダンスＺ０’（Ｚ０’はＺ０と同一でも異なっていてもよい）と、他の四分の一波長変成器７１２のライン長λ／４との決め方を容易に理解することができるので、簡潔さのため、さらなる説明はここでは省く。
【００４５】
上述のインピーダンス変成器の構成は、四分の一波長変成器には限定されない点に留意されたい。例えば、一つの代替デザインでは、第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２とのうちの少なくとも一つは、複数の開路スタブ（open-circuited stub）を有している多重スタブマッチングネットワーク（例えば二重スタブマッチングネットワーク）、または、開路スタブを有している単一スタブマッチングネットワークによって構成によって構成してもよい。例えば図３に示す回路装置２００では、第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２とは、それぞれ、図８に示す二つの開路スタブ８１１＿Ａ・８１１＿Ａ／８１３＿Ａ・８１３＿Ｂをそれぞれ有する二重スタブマッチングネットワーク８１０・８１２によって構成され、また、第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２とは、それぞれ、図９に示す一つの開路スタブ９１１／９１３をそれぞれ有する単一スタブマッチングネットワーク９１０・９１２によって構成される。第１信号伝達ライン１０４／第２信号伝達ライン１０６と信号ライン遷移素子２１４との間の要求されるインピーダンスマッチングを供給するという同じ目的が達成される。
【００４６】
他の一つの代替デザインでは、第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２とのうちの少なくとも一つは、複数の短絡スタブ（short-circuited stub）を有している多重スタブマッチングネットワーク（例えば二重スタブマッチングネットワーク）、または、短絡スタブを有している単一スタブマッチングネットワークによって構成してもよい。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る回路装置の横断面図である。図１１は、図１０に示す回路装置の平面図である。図１２は、本発明の第４の実施形態に係る回路装置の横断面図である。図１３は、図１２に示す回路装置の平面図である。図１０の実施形態の回路装置３００と図３の実施形態の回路装置２００との大きな違いは、第１インピーダンス変成器１１０が、さらに、短絡ビア３０２＿Ａ・３０２＿Ｂを通じて、第１基準電圧面（例えば接地面）２０６に電気的に接続され、第２インピーダンス変成器１１２が、さらに、短絡ビア３０４＿Ａ・３０４＿Ｂを通じて、第２基準電圧面（例えば接地面）２０８に電気的に接続されていることである。同様に、図１２の実施形態の回路装置４００と図３の実施形態の回路装置２００との大きな違いは、第１インピーダンス変成器１１０が、さらに、短絡ビア４０２を通じて、第１基準電圧面（例えば接地面）２０６に電気的に接続され、第２インピーダンス変成器１１２が、さらに、短絡ビア４０４を通じて、第２基準電圧面（例えば接地面）２０８に電気的に接続されていることである。
【００４７】
二つの短絡スタブ１１１１＿Ａ・１１１１＿Ａ／１１１３＿Ａ・１１１３＿Ｂをそれぞれ有する二重スタブマッチングネットワーク１１１０・１１１２によってそれぞれ構成される、上述の第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２とを、図１１に示す。また、二つの短絡スタブ１３１１／１３１３をそれぞれ有する単一スタブマッチングネットワーク１３１０・１３１２によってそれぞれ構成される、上述の第１インピーダンス変成器１１０と第２インピーダンス変成器１１２とを、図１３に示す。第１信号伝達ライン１０４／第２信号伝達ライン１０６と信号ライン遷移素子２１４との間の要求されるインピーダンスマッチングを供給するという同じ目的が達成される。
【００４８】
上記事項は説明のためのものであり、図１に示す回路装置１００に備えられる第１インピーダンス変成器１１０および第２インピーダンス変成器１１２のうちの少なくとも一つを実現するために、典型的なインピーダンス変成器の構成を用いることもできる点に留意されたい。このことは、本発明の範囲に含まれる。
【００４９】
上記の提案された典型的な回路装置のそれぞれは、その中に一体化された、アンテナおよび／または半導体ダイを備えることができる。それゆえ、上記第１信号伝達ライン１０４はアンテナフィードラインとして機能することができ、また、上記第２信号伝達ライン１０６は、ＲＦ信号処理能力を有する、載置された半導体ダイを接続するのに用いられることができる。限定としてではなく、例として、本発明の典型的な回路装置は、特別にデザインされた多層信号ライン遷移デザインによる高周波アプリケーションに対して適切である。以下では、一体化されたアンテナをその中にそれぞれ備えたいくつかの典型的な回路装置を示す。
【００５０】
図１４は、本発明の第５の実施形態に係る回路装置の横断面図である。典型的な回路装置１４００は、複数の層１４０１〜１４０５を有する多層回路キャリア１４０６、アンテナフィードラインとして機能する第１信号伝達ライン１４０７、第２信号伝達ライン１４０８、信号ビア１４０９と複数のシールドビア１４１０とを有する信号ライン遷移素子１４１１、第１インピーダンス変成器１４１２、第２インピーダンス変成器１４１３、半導体ダイ（例えば、少なくともＲＦ信号処理能力を有するＲＦダイ）１４１４、パッチ１４１５とアンテナ接地面１４１６とを有するパッチアンテナ１４１７、同じ層にリフレクタを有する／有しない電源面１４１８、を備えているが、これに限定されない。当業者であれば、図３と図４とに示した典型的なデザインについての上記段落を読んだ後に、図１４に示す多層膜信号ライン遷移デザインの特徴を容易に理解することができるので、簡潔さのため、さらなる説明はここでは省く。
【００５１】
図１４に示すように、層１４０１の同じ表面に、第２信号伝達ライン１４０８と半導体ダイ１４１４とが載置されている。半導体ダイ１４１４は、多層回路キャリア１４０６と半導体ダイ１４１４との間で信号（例えばＲＦ信号）を伝達または受信するための第２信号伝達ライン１４０８に電気的に接続されている。例えば、半導体ダイ１４１４は、フリップチップボンディング法によって、層１４０１上に載置されている。この典型的な実施形態では、パッチアンテナ１４１７は、開口部と結合したパッチアンテナである。したがって、パッチ１４１５とアンテナフィードライン（すなわち第１信号伝達ライン１４０７）との間に配置されたアンテナ接地面１４１６は、開口部１４１９を有し、この開口部１４１９を通ってアンテナフィードラインにパッチ１４１５が結合されるようになっている。さらに、パッチ１４１５は、より良いアンテナ性能を達成するために、多層回路キャリア１４０６の内部キャビティ（例えば空気キャビティ）に収容されている。
【００５２】
しかしながら、もしアンテナのバンド幅の要求が重要でなければ、通常の開口部と結合したパッチアンテナが用いられる。本発明の第６の実施形態に係る回路装置の横断面図である図１５を参照する。典型的な回路装置１５００は、複数の層１５０１〜１５０４を有する多層回路キャリア１５０５を備えている。図１５からわかるように、多層回路キャリア１５０５には、パッチアンテナ１５１７のパッチ１５１５を収容する内部キャビティは形成されていない。それゆえ、内部キャビティが不要なので、製造コストを下げることができる。
【００５３】
図１４および図１５に示す上記典型的な実施形態では、開口部に結合したパッチアンテナが用いられる。しかしながら、多層回路キャリアは、エッジフィードパッチアンテナのような通常のパッチアンテナを支持するために用いることもできる。本発明の第７の実施形態に係る回路装置の横断面図である図１６を参照する。典型的な回路装置１６００は、複数の層１６０１〜１６０３を有する多層回路キャリア１６０４を備えている。層１６０３の同じ表面に、第１信号伝達ライン１４０７と、パッチアンテナ１６１７のパッチ１６１６との両方が載置されている。さらに、第１信号伝達ライン１４０７は、アンテナフィードラインとして作用し、パッチ１６１６の端に直接接続されている。図１６からわかるように、パッチアンテナ１６１７のアンテナ接地面１６１５は、その中に開口部を持たないパッチ１６１６の下方に配置されている。
【００５４】
パッチアンテナが、提案した回路装置に一体化できる唯一のアンテナ構造というわけではない点に留意されたい。本発明の第８の実施形態に係る回路装置の横断面図である図１７を参照する。典型的な回路装置１７００は、複数の層１７０１〜１７０３を有する多層回路キャリア１７０４を備えている。図１７に示すように、層１７０３の表面にスロットアンテナ１７１７が形成されており、スロットアンテナ１７１７は、スロットアンテナ１７１７のアンテナ接地面１７１６に形成されて放射素子として機能するスロット１７１５を有する。
【００５５】
図１４ないし図１７に示す上記典型的な実施形態では、半導体ダイが、多層回路キャリアの外部表面（例えば底面）の上に載置されている。しかしながら、提案された信号ライン遷移デザインでは、半導体ダイは、多層回路キャリアの開口キャビティに配置されてもよい。図１８は、本発明の第９の実施形態に係る回路装置の横断面図である。典型的な回路装置１８００は、複数の層１８０１〜１８０６を有する多層回路キャリア１８０７を備えている。この典型的な実施形態では、開口部と結合した上記パッチアンテナ１５１７は、多層回路キャリア１８０７と一体化されている。しかしながら、代替のデザインでは、他のアンテナ構造を用いることもできる。図１８に示すこの典型的な実施形態では、電源面１８０８は、層１８０１と層１８０２との間に配置され、リフレクタ（または他の回路）１８０９は層１８０３と層１８０４との間に配置され、半導体ダイ１４１４は多層回路キャリア１８０７の開口キャビティ１８１０に収容され、フリップチップボンディング法によって層１８０３上に載置されてもよい。
【００５６】
その上にアンテナおよび／または半導体ダイを支持する、提案された回路装置は、さらにプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付けられてもよい。例えば、提案された回路装置をＰＣＢに取り付けるために、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）などの表面実装技術を用いることもできる。典型的な回路装置１４００を例にとる。図１９は、ＰＣＢ１９０２に取り付けられた回路装置１４００を示す図である。もし熱放散が解決すべき問題であれば、ヒートシンク１９０４を用いることもできる。しかしながら、提案された回路装置の内部に熱放散器を導入することもできる。本発明の第１０の実施形態に係る回路装置の横断面図である図２０を参照する。典型的な回路装置２０００は、複数の層２００１〜２００７を有する多層回路キャリア２００８を備えている。回路装置２０００は、図１４に示す回路装置１４００に基づいており、さらに、多層回路キャリア２０８に一体化されている熱放散器２０１１を備えている。この典型的な実施形態では、熱放散器２０１１は、少なくとも一つの熱放散ビア２００９と、少なくとも一つの熱放散板（例えば接地面）２０１０とを備えている。
【００５７】
上述の通り、本発明の実施形態によれば、信号経路デザインは系統的にデザインできる。それゆえ、信号経路デザインは非常に柔軟であり、任意のアプリケーションの要求に容易に応えることができる。図２１は、半導体ダイと４つのアンテナとを結合させる、上述の信号ライン遷移デザインを用いる、典型的な、素子４個の位相配列（アンテナ配列）を示す図である。典型的な回路装置２１００によって実現されるこの素子４個の位相配列（アンテナ配列）においては、４つのパッチアンテナが用いられる。それゆえ、少なくともＲＦ信号処理能力を有する半導体ダイ２１０２が取り付けられる多層回路キャリア（例えば上述の多層回路キャリアの一つ）の上に、４つのパッチ２１０４＿１〜２１０４＿４が載置されている。第１信号伝達ライン（すなわちアンテナフィードライン）２１０６＿１〜２１０６＿４は、各パッチ２１０４＿１〜２１０４＿４に結合されており、また、各第１インピーダンス変成器２１０５＿１〜２１０５＿４、多層回路キャリアの多層膜をそれぞれ通る各信号ビア２１０８＿１〜２１０８＿４、各第２インピーダンス変成器２１０７＿１〜２１０７＿４、各第２信号伝達ライン２１１０＿１〜２１１０＿４、を介して、半導体ダイ２１０２に電気的に接続されている。さらに、好ましくない結合を避けて所望でない信号ロスを減少させるために、シールドビア２１０９を設けてもよい。当業者であれば、上記典型的な回路装置に関する段落を読んだ後に、各パッチと半導体ダイとの間の信号経路デザインを容易に理解することができるので、簡潔さのため、さらなる説明はここでは省く。
【００５８】
図２１からわかるように、パッチ２１０４＿１と半導体ダイ２１０２との間の信号経路デザインと、パッチ２１０４＿２と半導体ダイ２１０２との間の信号経路デザインとは対称であり、パッチ２１０４＿３と半導体ダイ２１０２との間の信号経路デザインと、パッチ２１０４＿４と半導体ダイ２１０２との間の信号経路デザインとも対称である。しかしながら、これは説明のためだけのものである。すなわち、パッチ２１０４＿１〜２１０４＿４の信号経路デザインは、実際のデザインを考慮して、同一または異なるものとすることができる。さらに、提案された多層膜信号ライン遷移デザインは、四角形のアンテナ配列、円形のアンテナ配列、三角形のアンテナ配列などに適用可能である点に留意されたい。
【００５９】
当業者であれば、本発明の教示を保ちながら装置および方法の無数の変形や変更が行えることを容易に理解するだろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図２】図１に示す回路装置の平面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図４】図３に示す回路装置の平面図である。
【図５】接地面を通る信号ビアを示す平面図である。
【図６】電源面を通る信号ビアを示す平面図である。
【図７】四分の一波長変成器によって構成されているインピーダンス変成器を示す図である。
【図８】各ネットワークが、二つの開路スタブを有している多重スタブマッチングネットワークによって構成されているインピーダンス変成器を示す図である。
【図９】各ネットワークが、一つの開路スタブを有している単一スタブマッチングネットワークによって構成されているインピーダンス変成器を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図１１】図１０に示す回路装置の平面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図１３】図１２に示す回路装置の平面図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図１６】本発明の第７の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図１７】本発明の第８の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図１８】本発明の第９の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図１９】プリント回路基板に取り付けられた回路装置を示す図である。
【図２０】本発明の第１０の実施形態に係る回路装置の横断面図である。
【図２１】半導体ダイと４つのアンテナとを結合させる、提案された信号ライン遷移デザインを用いる、典型的な、素子４個の位相配列を示す図である。
【図１】
2012520652.tif 000005
【図２】
2012520652.tif 000006
【図３】
2012520652.tif 000007
【図４】
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【図５】
2012520652.tif 000009
【図６】
2012520652.tif 000010
【図７】
2012520652.tif 000011
【図８】
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【図９】
2012520652.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2012520652.tif 000017
【図１４】
2012520652.tif 000018
【図１５】
2012520652.tif 000019
【図１６】
2012520652.tif 000020
【図１７】
2012520652.tif 000021
【図１８】
2012520652.tif 000022
【図１９】
2012520652.tif 000023
【図２０】
2012520652.tif 000024
【図２１】
2012520652.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１層および第２層を含む複数の層を有する多層回路キャリアと、
上記第１層の表面に配置された第１信号伝達ラインと、
上記第２層の表面に配置された第２信号伝達ラインと、
少なくとも上記第１層および上記第２層を通るとともに、上記第１層の表面に形成された第１信号端と上記第２層の表面に形成された第２信号端とを有する信号ライン遷移素子と、
上記第１層の表面に配置され、上記第１信号伝達ラインと上記第１信号端との間に電気的に接続され、上記第１信号伝達ラインと上記信号ライン遷移素子との間のインピーダンスマッチングを行う第１インピーダンス変成器と、
上記第２層の表面に配置され、上記第２信号伝達ラインと上記第２信号端との間に電気的に接続され、上記第２信号伝達ラインと上記信号ライン遷移素子との間のインピーダンスマッチングを行う第２インピーダンス変成器とを備えたことを特徴とする回路装置。
【請求項２】
上記第１インピーダンス変成器および上記第２インピーダンス変成器のうち少なくとも一つが、四分の一波長変成器、多重スタブマッチングネットワーク、または単一スタブマッチングネットワークによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項３】
上記信号ライン遷移素子と、上記第１インピーダンス変成器および上記第２インピーダンス変成器とのうちの一つとの間に電気的に接続されたラインセグメントであって、上記信号ライン遷移素子の複素入力インピーダンスを、上記第１インピーダンス変成器および上記第２インピーダンス変成器の一つによって見られる完全に実数のインピーダンスに変換するように構成されたラインセグメントを備えたことを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項４】
上記信号ライン遷移素子が、少なくとも上記第１層および上記第２層を上記多層回路キャリアの厚み方向に通る信号ビアを有し、上記信号ビアの２つの端部が、それぞれ、上記第１信号端および上記第２信号端として働くことを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項５】
上記第１層および上記第２層のうちの一つに配置されて所定の基準電圧を供給する基準電圧面を備え、
上記信号ビアが、上記基準電圧面を通ることを特徴とする請求項４に記載の回路装置。
【請求項６】
上記信号ビアの周りに配置された複数のシールドビアであって、このシールドビアのそれぞれが所定の基準電圧を伝達するように構成されたシールドビアを備えていることを特徴とする請求項４に記載の回路装置。
【請求項７】
上記信号ライン遷移素子が、同軸伝達ラインであることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項８】
上記多層回路キャリアによって支えられるアンテナを備え、上記第１信号伝達ラインが、上記アンテナのアンテナフィードラインであり、
上記第２層の表面に載置されて、上記第２信号端に電気的に接続された半導体ダイを備え、上記半導体ダイが、無線周波数（ＲＦ）信号処理能力を有することを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項９】
上記半導体ダイが、上記多層回路キャリアの開口したキャビティに収容されていることを特徴とする請求項８に記載の回路装置。
【請求項１０】
上記アンテナがスロットアンテナであるか、
上記アンテナが、パッチとアンテナ接地面とを有する開口結合パッチアンテナであり、上記アンテナ接地面が、上記パッチと上記アンテナフィードラインとの間に配置されて開口部を有し、上記パッチが、上記多層回路キャリアの内部キャビティに収容されているか、または、
上記アンテナが、上記第１層の表面に配置されたパッチと、アンテナ接地面とを有するパッチアンテナであり、上記信号ライン遷移素子は、上記アンテナ接地面を通り、上記第１信号伝達ラインは、上記パッチの端に結合していることを特徴とする請求項８に記載の回路装置。
【国際調査報告】
2012520652.tif 000026