(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成されたアンテナ素子と、
該アンテナ素子に接続されるように、前記基板上の前記アンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波の信号を駆動処理する半導体回路と、
前記アンテナ素子と前記半導体回路を気密封止するように前記基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、
該気密封止手段の前記アンテナ素子に対向する領域に設けられた非導電性の電波放射窓とを備え、
前記気密封止手段における、前記電波放射窓への遷移部と前記基板との間隔を、前記半導体回路が形成される部分と該部分に対向する前記気密封止手段との間隔より狭くなるように形成することを特徴とするアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
【請求項２】
前記基板は、前記遷移部と対向する、前記アンテナ素子が配置される第１の面が、前記半導体回路が配置される第２の面より高く形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
【請求項３】
前記基板は、前記第１の面と前記第２の面との間に、傾斜を有する第３の面を有し、この第３の面に沿って前記アンテナ素子と前記半導体回路とを繋ぐ配線がなされていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
【請求項４】
前記基板は、前記第１の面より高い第３の面を有し、この第３の面に、前記気密封止手段の下面の一端面が取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
【請求項５】
前記気密封止手段は、前記遷移部が、前記半導体回路と対向する面より低く形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
【請求項６】
前記気密封止手段は、前記遷移部が、前記半導体回路と対向する面より低い凹状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
【請求項７】
前記電波放射窓は、前記気密封止手段と別体に形成され、その側縁部が前記遷移部において前記気密封止手段の上面に取り付けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
【請求項８】
前記電波放射窓は、前記気密封止手段と別体に形成され、その側縁部が前記遷移部において前記気密封止手段の下面に取り付けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナ素子を内蔵する半導体モジュールに関し、特に３０ＧＨｚから３００ＧＨｚのミリ波周波数領域、及びそれよりやや低い準ミリ波周波数領域に適するアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のレーダセンサやＬＡＮなどの短距離高速通信用にミリ波（３０ＧＨｚから３００ＧＨｚ）を使用した送信および受信装置が必要とされるようになってきた。このようなレーダ用ミリ波の送信装置では、ミリ波を発生する信号源となる半導体デバイス（半導体回路）、ミリ波に情報信号を搬送させるミクサ半導体デバイス、及びミリ波を発信するアンテナ等が備わっている。また、受信装置では、ミリ波受信アンテナ、受信したミリ波信号を増幅する半導体増幅デバイス、及び情報信号を取り出すミクサ半導体デバイスなどが使用される。図１は、ミリ波の送信装置における基本的な回路構成を示す図である。入力端子１０に中間周波数（ＩＦ）信号が入力され、ＩＦ信号はＩＦ信号増幅器６で増幅される。局部発振器７からの搬送波周波数信号は、周波数混合回路（ミクサ回路）８でＩＦ信号増幅器６の出力に従って変調され、電力増幅器９で増幅された後、送信用アンテナ５を通して放射される。受信装置では、逆に、受信アンテナで受信したミリ波信号を増幅した後、局部発振器からの搬送波周波数信号をミクサ回路で混合することにより検波してＩＦ信号を取り出している。
【０００３】
従来より、準ミリ波より低い周波数を用いた無線通信においては、一般にアンテナ素子を除く構成要素を個別にパッケージあるいは筐体に封止して構成される複数の半導体デバイスを用い、これら個別のデバイスの筐体に設けられる外部端子間をケーブルで接続することにより、無線通信システムのサブシステムが形成されていた。マイクロ波回路とアンテナ素子の間をケーブルやコネクタで接続する場合、伝送による信号の劣化という問題が生じる。特に、ミリ波は、アルミナなどの誘電体基板上を伝送する際の損失が大きい。そのため、例えば、特公昭５６−１７８４２号や特公昭５７−４４２４１号等に開示されているように、導波管をベースにした伝送路が用いられることが多い。しかし、導波管は金属材料の精密加工を必要とし、小型で廉価なシステムを実現する上では不向きである。
【０００４】
ミリ波帯を対象とした場合、例えば、周波数を３０ＧＨｚとすると、アンテナ素子自体の寸法は１ｃｍであり、電波放射窓の大きさは３ｃｍになり、アンテナ部分の大きさはあまり問題にならなくなる。そこで、アンテナ素子とミリ波回路を１つのモジュールに封止することが、ケーブル、コネクタ、及び導波管等を使用する必要がなくなるため、小型化で廉価なシステムを構成する上では望ましい。
【０００５】
特開昭６３−３１６９０５号公報には、導波管を使用しない構成として、図２に示すような構成が開示されている。この構成は、アンテナ１１の接続線を基板の裏面に引出し、そこにバイアホール(via hole)１３ａを有するマイクロ波集積回路１３をパッケージ１２を介して取り付けるもので、ケーブル、コネクタ、又は導波管等を使用せずにアンテナと送受信用の半導体モジュールを接続できる。ミリ波回路はＧａＡｓ半導体基板に形成され、アンテナ素子はセラミックなどの誘電体基板に形成されるのが一般的で、図２のような構成にするにはこれらを張り合わせる。しかし、アンテナ素子が形成されるセラミック基板の熱伝導率は、銅やタングステンなどと比較すると１桁以上悪く、ミリ波回路の形成される半導体素子の放熱の問題が生じる。
【０００６】
このような問題点を解決するため、アンテナ素子と半導体回路を一つの金属ブロックの同一面上に配置してモジュール化することが考えられる。図３は、このような半導体モジュールの構成例を示す図であり、（１）が上面図であり、（２）が断面図である。図３の（１）に示すように、銅板などの導電体材料の基板２１上に、アンテナ素子２５が形成される誘電体基板２４と、ミリ波用の半導体回路が形成されるＧａＡｓ半導体基板２６、２７を配置し、リード９でそれらの間を接続する。これらのアンテナ素子と半導体回路を覆うように導電体材料の封止カバー２３が配置され、気密封止部３２で蝋付け、レーザ溶接、電気溶接、あるいはパッキング付きでネジ止めすることにより基板２１と接着して気密封止される。アンテナ素子２５はパッチアンテナ、スロットアンテナ等の平面アンテナであり、封止カバー２３のアンテナ素子２５に対向する部分には電磁波放射窓２５が設けられている。電磁波放射窓２５も封止カバー２３に気密封止されている。参照番号２８はこのモジュールを取り付けるためのネジ穴であり、３０はＩＦ信号を供給するための端子であり、３１は電源端子である。
【０００７】
アンテナ素子２５をパッチアンテナとして構成する場合の例を簡単に説明する。この場合、誘電体基板２４として厚さ２００〜５００μｍの厚みを有する石英基板を用いる。石英基板の裏面には地導体として数μｍの厚みの金薄膜を全面に形成し、他方の面に数μｍの厚みの金薄膜で図示のようなアンテナパターンを形成する。アンテナパターンのパッチサイズは、使用する電波の波長サイズ相当の寸法である。電磁波放射窓２５は、アンテナパターンのパッチサイズの数倍の大きさ以上であることが望ましい。
【０００８】
また、気密封止は、窒素などの不活性ガス雰囲気中で行われ、封止カバーの内部に不活性ガスが封入される。これによりモジュール内部の環境が安定し、無線装置としての特性が安定する。
図３に示すような構成とすることにより、小型で廉価なミリ波用の半導体モジュールが実現できる。なお、図３に示すような構成は受信装置にも同様に適用できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すような構成は、小型で廉価なミリ波用の半導体モジュールを実現するが、実際の使用用途によっては各種の不都合がある。第１の問題は指向性である。例えば、図３の構成ではアンテナ素子２５から放射される電波は電磁波放射窓２５を通って約６０°という比較的大きな広がり角で放射される。そのため、距離が長くなると十分な強度の電波を送信できないという問題が生じる。これを解決するため、出力を大きくすることは回路規模を大きくするだけでなく、電波障害の点からも難しい。また、複数のアンテナパターンを配置したアレイアンテナとすることにより指向性を高めることが考えられるが、これはモジュールを大型化するだけでなく、アンテナ素子までの信号の伝送に伴う損失という問題は発生させるため難しい。また、これとは逆に、より広い角度に電波を放射し又はより広い角度から電波を受信する必要がある場合もある。
【００１０】
また、上記の問題と関連して、アンテナ素子から出力された電波を外部にいかに効率よく放射するか、又は外部から電磁波放射窓に入射する電波をいかに効率よくアンテナ素子で捕らえるかが問題であり、この効率を一層向上させる必要がある。
また、モジュール内には、アンテナ素子と半導体回路が封止カバー内に一緒に収容されており、それぞれから放射される電波が相互に影響を及ぼすという問題があり、更には封止カバーがそれぞれの部分に近接して設けられているために影響を及ぼす。これらの影響は、雑音という形でモジュールの性能を低下させる。
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するためのもので、図３に示したアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールを一層改良することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するため、本発明の第１の態様によれば、電磁波放射窓にレンズ機能を持たせる。これにより、指向性を任意に設定できる。
すなわち、本発明のアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールは、基板と、基板上に形成されたアンテナ素子と、アンテナ素子に接続されるように基板上のアンテナ素子と同じ面に形成され、ミリ波又は準ミリ波の信号を駆動処理する半導体回路と、アンテナ素子と半導体回路を気密封止するように基板に取り付けられる導電性の気密封止手段と、気密封止手段のアンテナ素子に対向する領域に設けられた非導電性の電波放射窓とを備えるアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールにおいて、電波放射窓はレンズであることを特徴とする。
【００１３】
指向性を高めたい場合には、レンズは、ミリ波又は準ミリ波の電波を収束する収束性レンズとし、逆に指向性を低下させたい場合には、発散性のレンズとする。収束性のレンズの場合、レンズの中心軸をアンテナ素子の中心に対してずらすことにより、アンテナ素子が放射又は受信する電波の方向を設定できる。
レンズは、部分的に特性が異なるようにしてもよい。例えば、レンズの中央部が収束性で、レンズの気密封止手段に隣接する周辺部が発散性であるようにする。これにより、レンズの中央部を通過した電波のみを有効とし、周辺部を通過した電波を無効にできる。気密封止手段は導電性であり、それに入射する電波は微少な電流を発生させ、近傍の電界に影響し、そこを通過する電波に悪影響を及ぼすが、この構成によりこのような電波を無効にできる。
【００１４】
また、レンズを、中心軸がアンテナ素子の中心に対して異なる方向にずれた複数の収束性レンズで構成するようにしてもよい。これにより、複数の方向に指向性があるようにできる。
レンズは非導電性であり、気密封止手段は導電性である。そのため、図３に示したのと同様に、レンズは非導電性の材料で製作し、導電性の気密封止手段に気密封止してもよいが、例えば、レンズと気密封止手段全体を非導電性の材料で一体にカバー部材として形成し、その上でアンテナ素子に対向する領域以外の表面に導電性部材を設けるようにすることもできる。一般に、完全に気密封止するためには非導電性の材料としてほうけい酸ガラスやコバールガラスなどのガラスが使用されるが、完全な気密封止が可能であればどのような材料でも構わない。カバー部材の表面に設ける導電性部材は、内側に設けても外側に設けてもよい。
【００１５】
レンズの形状は、円形や方形などのどのような形状でもよく、半導体モジュールの形状などに応じて決定する。また、レンズは一方の面が平面であれば製作が容易である。平面側が外側になるように配置しても内側になるように配置してもよいが、平面側が内側の方が収差の点では好ましいが、平面側が外側であれば、清掃などのモジュールのメンテナンスに有利である。
【００１６】
また、本発明の第２の態様によれば、電波放射窓の気密封止手段に隣接する周辺部に電波吸収体を設けることで、電波放射窓の気密封止手段に近接した部分を通過した電波を遮断して雑音を低減する。これは電波放射窓がレンズの場合にも同様に適用できる。
また、本発明の第３の態様によれば、電波放射窓の少なくとも一方の面に、電波放射窓と異なる材料で作られ、厚さが前記ミリ波又は準ミリ波の電波の電波放射窓での表面反射が小さくなるように設定された反射低減板を設ける。これは光学の分野で一般的な反射防止膜と同じ原理であり、厚さが１／４λの反射低減板を接着することで、表面反射率を低減することができる。このような反射低減板をレンズの表面に設けてもよい。なお、前述のように、電波放射窓やレンズは気密封止する必要があり、ほうけい酸ガラスやコバールガラス等が使用されるが、反射低減板は単に表面に接着するだけで気密封止には関係しないので、ポリエチレンやフッ素樹脂が使用できる。
【００１７】
更に、本発明の第４の態様によれば、入射するミリ波又は準ミリ波の電波のうち所定の偏波方向の電波を選択的に通過させる偏波板を電波放射窓の上に配置する。特定の偏波方向のミリ波のみを選択的に通過させる偏波板が知られており、この偏波板を使用して特定の送信装置と受信装置の間で偏波の方向を設定すれば選択的に通信を行うことが可能になる。この偏波板は、アンテナ素子の面に垂直な軸の回りに連続的に回転可能であるか、所定角度づつ回転した状態に設定可能で、送信装置と受信装置の配置関係に応じて調整できることが望ましい。この場合には、指向性が高いことが望ましいので、電磁波放射窓を収束性のレンズとすることが望ましい。
【００１８】
また、これに関連して、中心軸がアンテナ素子の面に対して傾いた収束性レンズを、中心軸の方向がアンテナ素子の面に垂直な軸の回りに変えられるようにして、特定の方向に指向性を持たせ、それが調整できるようにしてもよい。
更に、本発明の第５の態様によれば、アンテナ素子と電波放射窓を複数組設けるようにしてもよい。これによりモジュールは大きくなるが、たとえば、送受信装置で、送信と受信を別々の独立した指向性を有するアンテナとすることができ、多用途に対応できるようになる。
【００１９】
更に、本発明の第６の態様によれば、気密封止手段のアンテナ素子に対向する領域以外の、気密封止される側の表面に電波吸収体を設ける。この電波吸収体の表面は、例えば、不規則な凹凸を有するようにする。また、アンテナ素子と半導体回路の境界部と気密封止手段との間に、更に電波吸収体を設けることが望ましい。アンテナ素子から電波が放射されるのはもちろん、半導体回路からも電波が放射される。本発明の半導体モジュールでは、アンテナ素子に対向する電磁波放射窓以外の部分には、導電性の気密封止手段が設けられており、アンテナ素子や半導体回路から放射された電波が気密封止手段に当る。当たった電波の一部は吸収されて電流となるが、一部は反射されてアンテナ素子や半導体回路に当たり、雑音を発生させる。そこで、電磁波放射窓以外の部分に電波吸収体を設ければそこでの電波の反射を低減でき、雑音も低減される。電波吸収体は例えば、フェライトを分散させた樹脂であり、気密封止手段の内側に塗布される。電波吸収体の表面に不規則な凹凸を付けることにより表面積が増大すると共に、共振などが発生するのを防止できる。また、アンテナ素子から出力される電波の強度は大きく、これが半導体回路に当たると影響が大きいが、アンテナ素子と半導体回路の境界部と気密封止手段との間に設けた電波吸収体により、アンテナ素子から半導体回路に当たる電波が大幅に低減できる。
【００２０】
また、図３の構成では、アンテナパターンで電波の広がり角が決定されると共に、アンテナ素子から電磁波放射窓を望む角で広がり角が制限される。そのため、モジュールから放射または受信される電波の広がり角を大きくする場合には、アンテナ素子から電磁波放射窓を望む角を大きくする必要がある。この望む角を大きくするには、電磁波放射窓とアンテナ素子の表面の距離を狭くする必要があり、電磁波放射窓が取り付けられる気密封止手段の封止カバーとの距離を狭くする必要がある。一方、半導体回路については、封止カバーとの距離が狭くなると、電波吸収体等を配置するのが難しくなり、その分放射する電波による雑音が大きくなるという問題がある。そこで、このような問題を解決するには、アンテナ素子が形成される部分とこの部分に対向する電波放射窓との間隔が、半導体回路が形成される部分とこの部分に対向する気密封止手段との間隔より狭くなるようにする。具体的には、基板の表面位置を、アンテナ素子が形成される部分と半導体回路が形成される部分とで異なるようにして、アンテナ素子が形成される部分の方が半導体回路が形成される部分より高くなるようにする。その場合、アンテナ素子が形成される部分と半導体回路が形成される部分との間は傾斜面とする。または、気密封止手段が、アンテナ素子に対向する部分と半導体回路に対向する部分とで表面位置が異なり、アンテナ素子が形成される部分の方が半導体回路が形成される部分より低くなるようにする。その場合、電波放射窓は、気密封止手段の内側に接着されるか、気密封止手段の外側に接着される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図４〜図３３をもとに、本発明の実施の形態について説明する。なお本発明の実施例の半導体モジュールは図３に示した構成と類似の構成を有している。ここでは、図３の構成と異なる点についてのみ説明を行うものとし、図３で示した構成要素と同一の機能部分には同一の参照番号を付して表し、説明を省略している。
【００２２】
図４は、本発明の第１実施例の半導体モジュールの構造を示す図であり、図３の構成と異なるのは電磁波放射窓２２がミリ波の電波を収束するように働く収束性レンズ４１である点であり、具体的には凸レンズである。この凸レンズ４１はほうけい酸ガラスやコバールガラスなどで作られ、蝋付け、レーザ溶接、あるいは電気溶接などにより導電性のカバー２３に封止される。但し、プラスチック材料でも完全に封止できればかまわない。収束性レンズを使用すると、アンテナ素子から放射される電波が収束され、指向性が高くなる。
【００２３】
図５と図６は、第１実施例のレンズ形状の例を示す図であり、図５は円形の場合を示し、図６は方形の場合を示す。レンズ２５の形状は、アンテナパターン２５と外部への放射特性により適当な形状に決められる。
図４から図６では、凸レンズは平凸レンズであり、外側が凸面になるように配置したが、図７に示すように平凸レンズの凸面が内側になるように配置したしてもよい。これにより、レンズ面の清掃等が容易になるが、収差の点からは外側を凸面とした方が収差が小さい。ただし、実際には収差はあまり問題にはならない。
【００２４】
図８は、レンズを発散性の凹レンズ４４とした変形例を示す図である。このような凹レンズを使用することにより、放射される電波は広い角度範囲に広がり、また広い角度範囲の電波を受信することができる。レンズの特性はアンテナパターン２５と外部への放射特性により適当な形状に決められる。
レンズは、部分的に特性が異なるようにしてもよい。例えば、図９に示すように、レンズを、中央部が収束性で、レンズ４５の封止カバー２３に隣接する周辺部が発散性であるレンズ４５とする。中央部の凸レンズの中心軸がパッチアンテナの中心に一致しており、アンテナ素子に直角な方向に電波を放射し、その方向から来る電波を受信するとすると、直角な方向から中央部に入射する電波はパッチアンテナの中心に集められる。これに対して、たとえ同じ方向からくる電波であっても、周辺部の凹レンズの部分に入射する電波は、発散され、パッチアンテナの中心には集まらない。このように、図９に示す形状のレンズを使用することにより、レンズの中央部を通過した電波のみを有効とし、周辺部を通過した電波を無効にできる。
【００２５】
封止カバー２３は導電性であり、それに入射する電波は微少な電流を発生させ、近傍の電界に影響し、そこを通過する電波に悪影響を及ぼす。そのため、レンズ４５を通過する電波のうち、周辺部を通過する電波は封止カバー２３の縁から悪影響を受ける。しかし、図９のレンズ４５であれば、周辺部を通過する電波はパッチアンテナの中心に集められないので、電気信号に変換されず、影響が小さくなる。
【００２６】
これまでの例では、レンズは一方向にのみ指向性を有したが、図１０に示すような複数の方向に指向性を有するレンズ４６を使用することもできる。更に、凸レンズの指向方向は、レンズの中心軸のアンテナパターンの中心に対する位置関係で決定される。例えば、図１１では凸レンズ４７の中心軸はアンテナ素子２５の中心から左にずれた位置にあるが、これにより放射された電波は左の方向に向かい、またこの方向からくる電波がアンテナ素子２５の中心に集められる。いいかえれば、図１１に示した凸レンズ４７は、左側が厚いプリズムの上に図４に示した凸レンズを載せた形状であり、プリズムにより左の方向に指向性を示すと共に、凸レンズにより指向性を示すといえる。なお、指向性を示す方向は２方向とは限らず、３方向や４方向などでもよい。また、図１１に示しレンズ４７は、図１２に示すレンズ４８のように外側が平面になるように配置してもよい。
【００２７】
次に、これまで説明した第１実施例のレンズの製作方法について説明する。レンズは非導電性であり、気密封止手段は導電性である。そのため、レンズは非導電性の材料で製作し、導電性の気密封止手段に気密封止してもよいが、例えば、レンズと気密封止手段全体を非導電性の材料で一体にカバー部材として形成し、その上でアンテナ素子に対向する領域以外の表面に導電性部材を設けるようにすることもできる。図１３から図１５はこのような構造例を示す図である。例えば、図１３に示すように、レンズ５１を含めた封止カバー５０をほうけい酸ガラスやコバールガラスなどで製作し、レンズ５１の部分以外の内側の部分に導電性部材５２を形成し、チッ素ガスなどを入れて気密封止する。なお、一般に完全な封止を行うためには、ほうけい酸ガラスやコバールガラスなどのガラスが使用されるが、完全な気密封止が可能であればどのような材料でも構わない。カバー部材の表面に設ける導電性部材は、図１３のように内側に設けても、図１４のように外側に設けてもよい。また、図１５に示すように、レンズの一面を平面とし、その平面が外側になるようにしてもよい。
【００２８】
図１６と図１７は、本発明の第２実施例の半導体モジュールの構造を示す図である。図１６は、図４と類似の構造であるが、凸レンズ５９の封止カバー２３に隣接する周辺部に電波吸収体６０が設けられている点が異なる。この電波吸収体６０により、封止カバーの縁から悪影響を受けるレンズ５９の周辺部を通過する電波を遮断している。これにより雑音が低減される。図１７は、図３に示した電磁波放射窓の封止カバー２３に近接した部分に電波吸収体６１を設けた例である。
【００２９】
光学の分野では、レンズなどの表面での反射を低減するため、反射面に異なる屈折率の誘電体材料で厚さが１／４λの薄膜を形成することが行われる。ミリ波についても同様の原理で表面反射を低減できる。図１８は、このような反射防止処理を行った第３実施例の半導体モジュールの構造を示す図であり、図１９はその原理を説明する図である。図示のように、電磁波放射窓２２の両面に反射低減板６２と６３が設けられている。
【００３０】
例えば、電波の固有インピーダンスをη、透磁率をμ、誘電率をεとすると、η＝（μ／ε）1 / 2 である。真空ではη０＝３７７（オーム）であり、透磁率は真空の場合とほぼ同じとみなすことができれば、比誘電率をεｒとすると、
η＝３７７／（εｒ）1 / 2 である。例えば、電磁波放射窓２２をほうけい酸ガラスとした場合のεｒ（２）＝４．８であり、η（２）＝１７２になる。反射低減板６２の板厚を１／４λとすれば、反射低減板６２でのインピーダンスη（１）が（η０×η（２））1 / 2 となるようにすれば整合板と見なせる。この関係から、反射低減板６２の比誘電率ε（１）は、ε（１）＝２．１９となり、このような材質のもの、例えば、ポリエチレンやフッ素樹脂などで１／４λの厚さの板を作り密着させればよいことが分かる。このような材質でこのような厚さの板であれば、図１９に示すように、反射低減板６２の表面で反射する電波と電磁波放射窓２２で反射される電波の位相が半波長分ずれ互いに弱め合うため反射が低減される。
【００３１】
表面反射は電磁波放射窓２２の両面で発生するので、このような反射低減板は電磁波放射窓２２の両面に設けることが望ましい。また、電磁波放射窓２２の厚さも同時に最適化することにより、透過率を最大に設定できる。
図１９は、図４の構成で電磁波放射窓２２の代わりに設けられたレンズ４１の一方の面に反射低減板６４を設けた例を示す図である。
【００３２】
なお、電波放射窓やレンズは気密封止する必要があり、ほうけい酸ガラスやコバールガラス等が使用されるが、反射低減板は単に表面に接着するだけで気密封止には関係しないので、ポリエチレンやフッ素樹脂が使用できる。
特定の偏波方向のミリ波のみを選択的に通過させる偏波板が知られている。この偏波板を使用して特定の送信装置と受信装置の間で偏波の方向を設定すれば選択的に通信を行うことが可能になる。図２０は、このような偏波板を設けた第５実施例の半導体モジュールの構造を示す図であり、（１）は偏波板の構成を、（２）は半導体モジュールの構造を示す。
【００３３】
この偏波板は、図２０の（１）に示すように誘電率の異なる２種類の誘電体を積層したもので、特定の偏波方向のミリ波のみを選択的に通過させる。このような偏波板６５を図２０の（２）に示すように、電磁波放射窓２２の上に回転可能に配置する。参照番号６６は偏波板６５のフレームであり、６７はフレームが嵌め合わされる回転ガイドであり、このような機構により偏波板６５はアンテナ素子２５の面に垂直な軸の回りに連続的に回転可能である。なお、所定の回転位置で固定するための機構も設けられるが、ここでは省略してある。
【００３４】
次に第５実施例の半導体モジュールの使用方法について、図２１を参照して説明する。送信側として２台の送信モジュールＡとＢがあり、受信側として２台の受信モジュールＣとＤがあり、それぞれ図２０に示すような偏波板６５が設けられているとする。例えば、図２１の（１）に示すように、送信モジュールＡを垂直偏波、Ｂを水平偏波になるように設定し、受信モジュールＣを水平偏波、Ｄを垂直偏波になるように設定したとすると、ＡとＤの組及びＢとＣの組で送受信が可能になる。一方、ＡとＣ、ＢとＤの間では電波が受けにくくなり送受信が行えない。従って、送信モジュールと受信モジュールがそれぞれ２台あっても送受信を行う組を選択的に設定できる。また、図２１の（１）の配置で、受信モジュールＣとＤに設けている偏波板６５を９０°回転させて、偏波方向の状態を、図２１の（２）に示すように、送信モジュールＡを垂直偏波、Ｂを水平偏波になるように設定し、受信モジュールＣを垂直偏波、Ｄを水平偏波になるように設定したとすると、ＡとＣの組及びＢとＤの組で送受信が可能になる。
【００３５】
図２２は、図２０の（２）に示した構造に、更に収束性レンズ６８を設けたもので、収束性レンズ６８と偏波板６５は一緒に回転できるようになっている。
図２３は、図２２の構造で、収束性レンズ６８と偏波板６５が連続的に回転できるのはなく、９０°づつ偏波方向を変えられるようにしたものであり、ネジを外して取り外した後、方向を変えて取り付けることにより、方向が変えられる。
【００３６】
また、指向性を利用して、特定の送信モジュールと受信モジュールの間でのみ通信を行うようにすることもできる。図２４はこのための構成を有する第６実施例の半導体モジュールの構造を示す図である。このモジュールでは、図１１に示したような、電波を放射する方向及び電波を受信する方向に指向性があり、その方向がアンテナ素子の面に垂直な方向から傾いている構造を利用し、そこで使用されるレンズ７１を回転可能にしている。このレンズ７１を回転することにより、指向性を示す方向を変えることができ、特定の送信モジュールと受信モジュールの間で特に強い指向性を有するように調整すれば、選択的に通信が行える。
【００３７】
図２５は、第７実施例の半導体モジュールの構造を示す図である。第７実施例のモジュールでは、２組のアンテナ素子２５ａ、２５ｂと電波放射窓７２ａ、７２ｂを設けている。これによりモジュールは大きくなるが、たとえば、一方を送信用に、他方を受信用に使用することができ、送受信モジュールをすることができる。それぞれの電波放射窓７２ａ、７２ｂの部分に、これまで説明した構造を適用して指向性などを独立に所望の特性とすることができる。
【００３８】
図２６は、第８実施例の半導体モジュールの構造を示す図である。第８実施例のモジュールでは、封止カバー２３のアンテナ素子２５に対向する領域以外の部分の内側表面に電波吸収体７３を設けている。本発明の構成では、アンテナ素子と半導体回路が同一の基板上に設けられているため、アンテナ素子とから電波が放射されるのはもちろん、半導体回路からも電波が放射される。本発明の半導体モジュールでは、アンテナ素子に対向する電磁波放射窓以外の部分には、導電性の気密封止手段が設けられており、アンテナ素子や半導体回路から放射された電波が気密封止手段に当る。当たった電波の一部は吸収されて電流となるが、一部は反射されてアンテナ素子や半導体回路に当たり、雑音を発生させる。そこで、電磁波放射窓以外の部分に上記のような電波吸収体７３を設ければそこでの電波の反射を低減でき、雑音も低減される。電波吸収体は例えば、フェライトを分散させた樹脂であり、気密封止手段の内側に塗布される。
【００３９】
電波吸収体７３の表面は、例えば、図２７に示す電波吸収体７４のように、不規則な凹凸を有するようにしてもよい。このように電波吸収体の表面に不規則な凹凸を付けることにより表面積が増大すると共に、共振などが発生するのを防止できる。
また、アンテナ素子から出力される電波の強度は大きく、これが半導体回路に当たると影響が大きい。そこで、図２８に示すように、アンテナ素子と半導体回路の境界部と気密封止手段との間に電波吸収体を設けることにより、アンテナ素子から半導体回路に当たる電波が大幅に低減できる。
【００４０】
また、図３の構成では、アンテナパターンで電波の広がり角が決定されと共に、アンテナ素子から電磁波放射窓を望む角で広がり角が制限される。そのため、モジュールから放射または受信される電波の広がり角を大きくする場合には、アンテナ素子から電磁波放射窓を望む角を大きくする必要がある。この望む角を大きくするには、電磁波放射窓とアンテナ素子の表面の距離を狭くする必要があり、電磁波放射窓が取り付けられる気密封止手段の封止カバーとの距離を狭くする必要がある。一方、半導体回路については、封止カバーとの距離が狭くなると、電波吸収体等を配置するのが難しくなり、その分放射する電波による雑音が大きくなるという問題がある。そこで、このような問題を解決するには、アンテナ素子が形成される部分とこの部分に対向する電波放射窓との間隔が、半導体回路が形成される部分とこの部分に対向する気密封止手段との間隔より狭くなるようにする。
【００４１】
具体的には、図２９に示すように、銅板などの導電体材料の基板８１の表面位置を、アンテナ素子２５が形成される誘電体基板２４が搭載される部分の方が、ミリ波用の半導体回路が形成されるＧａＡｓ半導体基板２６が搭載される部分より高くする。このような構成により、封止カバ２３の上面位置がフラットで、ＧａＡｓ半導体基板２６に対向する部分と電磁波放射窓２２の位置が同じ高さであっても、アンテナ素子２５と電磁波放射窓２２の間の距離は狭くなり、アンテナ素子から電磁波放射窓を望む角を大きくできる。
【００４２】
なお、図２９では基板８１に直角な段差があり、リード８２にも直角な段差があるが、このような段差は好ましくないので、図３０に示すように、段差部分を傾斜面とし、リード８４も傾斜に沿ったものにすることが望ましい。また、傾斜面の縁の部分が、図３１に示すように、緩やかに変化するようにすることが一層望ましい。
【００４３】
また、アンテナ素子が形成される部分とこの部分に対向する電波波放射窓との間隔が、半導体回路が形成される部分とこの部分に対向する気密封止手段との間隔より狭くなるようにする別の方法としては、図３２に示すように、封止カバー９０の電波波放射窓２２が取り付けられる部分の高さを、半導体回路に対向する部分より低くする。この場合、電波波放射窓２２を、図３２に示すように封止カバー９０の下側に取り付けても、図３３に示すように、封止カバー９０の上側に取り付けてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で廉価なミリ波用の半導体モジュールを実現するためにアンテナ素子と半導体回路を共通の基板上に隣接した配置した上で、アンテナ素子に対向する部分に電磁放射窓を設けた導電性の封止カバーで封止した半導体モジュールにおいて、用途に応じて電波の指向性を任意に設定できるようになる。
【００４５】
また、モジュール内にアンテナ素子と半導体回路が一緒に収容され、それらに近接して封止カバーが設けられているために、それぞれから放射される電波が相互に悪影響を及ぼして雑音を発生するという問題があったが、これによる雑音を低減できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が対象とする半導体モジュールの基本構成例を示すブロック図である。
【図２】アンテナ素子が形成される基板の裏面に半導体回路基板を貼り合わせる従来の半導体モジュールの構成例を示す図である。
【図３】アンテナ素子と半導体回路を一つの金属ブロックの同一面上に配置してモジュール化した構成例を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例のモジュール構造を示す図である。
【図５】第１実施例におけるレンズ形状の例を示す図である。
【図６】第１実施例におけるレンズ形状の別の例を示す図である。
【図７】第１実施例の第１の変形例を示す図である。
【図８】第１実施例の第２の変形例を示す図である。
【図９】第１実施例の第３の変形例を示す図である。
【図１０】第１実施例の第４の変形例を示す図である。
【図１１】第１実施例の第５の変形例を示す図である。
【図１２】第１実施例の第６の変形例を示す図である。
【図１３】第１実施例の封止カバーの第１の構造例を示す図である。
【図１４】第１実施例の封止カバーの第２の構造例を示す図である。
【図１５】第１実施例の封止カバーの第３の構造例を示す図である。
【図１６】本発明の第２実施例のモジュールの窓構造を示す図である。
【図１７】本発明の第２実施例のモジュールの窓構造の別の例を示す図である。
【図１８】本発明の第３実施例のモジュール構造を示す図である。
【図１９】本発明の第４実施例のモジュールのレンズ部材を示す図である。
【図２０】本発明の第５実施例のモジュールの構成を示す図である。
【図２１】第５実施例のモジュールの使用例を示す図である。
【図２２】第５実施例のモジュールの変形例を示す図である。
【図２３】第５実施例のモジュールの別の変形例を示す図である。
【図２４】本発明の第６実施例のモジュールの構造を示す図である。
【図２５】本発明の第７実施例のモジュールの構造を示す図である。
【図２６】本発明の第８実施例のモジュールの構造を示す図である。
【図２７】第８実施例のモジュールの変形例を示す図である。
【図２８】本発明の第９実施例のモジュールの構造を示す図である。
【図２９】本発明の第１０実施例のモジュールの構造を示す図である。
【図３０】第１０実施例のモジュールの変形例を示す図である。
【図３１】第１０実施例のモジュールの変形例を示す図である。
【図３２】本発明の第１１実施例のモジュールの構造を示す図である。
【図３３】第１０実施例のモジュールの変形例を示す図である。
【符号の説明】
５…アンテナ
６…ＩＦ増幅器
７…局部発振器
８…周波数混合器（ミクサ）
９…電力増幅器
２１…基板
２２…電磁波放射窓
２３…封止カバー
２４…アンテナ素子用基板
２５…アンテナパターン
２６、２７…半導体回路用基板
４１…レンズ
６１…電波吸収体
６２、６３…反射低減板
６５…偏波器
７３、７４、７５…電波吸収体
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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