JP3141692B2 - ミリ波用検波器 - Google Patents

ミリ波用検波器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波からミリ波
帯における通信装置、計測機器に利用されるミリ波用検
波器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ミリ波帯における平面アンテナは、給電
系における損失が大きいため、平面アンテナとダウンコ
ンバータなどの能動回路を一体化したモノリシックアン
テナが提案されている。平面アンテナをガリウム砒素な
どの半導体基板面上に、能動素子と合わせて、製作する
ものや、平面アンテナと能動回路を別々の基板で構成
し、両者を張り合わせたハイブリッドタイプのモノリシ
ックアンテナ構成も提案されている。一方能動回路は、
ガリウム砒素基板上にモノリシック化されつつあるが、
ミリ波帯では、ガリウム砒素より高速なデバイスが実現
できるインジウムリン系の基板も用いられている。
【０００３】以下に従来の平面アンテナについて説明す
る。図１０は、従来のミリ波用モノリシック平面アンテ
ナの断面図である。図１０において、１０１は石英基
板、１０２は石英基板１０１上に作られたマイクロスト
リップアンテナ、１０３は接地導体、１０４は結合スロ
ットである。１０５はガリウム砒素基板によるＭＭＩＣ
で、ダウンコンバータがＭＭＩＣ化されている。
【０００４】以上のように構成されたミリ波用モノリシ
ックアンテナについて、以下その動作について説明す
る。石英基板１０１の上面にマイクロストリップアンテ
ナ１０２を構成し、裏面は接地面とし、結合用のスロッ
ト１０４がパターン形成されている。一方ガリウム砒素
基板１０５上には、増幅器、ミキサを内蔵したダウンコ
ンバータ１０６と給電のためのマイクロストリップ線路
１０７がＭＭＩＣ化されている。スロット１０４とマイ
クロストリップ線路の位置を合わせるように石英基板１
０１とガリウム砒素基板１０５を張り合わせることで、
マイクロストリップアンテナに生じた電界は、スロット
１０４を通じマイクロストリップ線路へ電磁界結合によ
り伝送される。このモノリシックアンテナの詳細は、１
９９２年電子情報通信学会秋季大会講演論文集第２分冊
Ｃ−５０に述べられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な構成では、給電用のマイクロストリップ線路と能動回
路をすべてモノリシック化しているために、高い製作精
度が得られるものの、高価なガリウム砒素基板のチップ
面積が大きいため、能動回路の歩留まりも劣化し、低価
格化が困難である。また、ガリウム砒素基板上に給電用
のマイクロストリップ線路を設けているために、ガリウ
ム砒素基板の基板厚を精度よく研磨する必要がある。さ
らに、石英基板とガリウム砒素基板を張り合わせる際の
位置合わせに精度が要求されるという欠点も有してい
る。
【０００６】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、ミリ波帯でのアンテナを含めた受動素子を比較的安
価な基板上に構成し、能動素子をフリップチップ実装に
より実装することにより、量産性に優れた、小形かつ高
精度なミリ波用検波器を低価格で提供することを目的と
する。
【０００７】
【課題を解決する手段】この目的を達成するために本発
明のミリ波用検波器は、接地導体膜を積層するととも
に、前記接地導体膜上に誘電体膜を積層した第１の半導
体基板と、前記第１の半導体基板上にもうけられた誘電
体基板と、前記誘電体膜上に設けられ、前記誘電体基板
上にもうけられた平面アンテナの放射電極に給電を行う
マイクロストリップ線路と、前記マイクロストリップ線
路上にフリップチップ実装により実装された第２の半導
体基板と、前記第２の半導体基板に設けられた信号を検
波する信号検波回路または信号を発生する信号発生回路
とを有し、前記誘電体基板は、前記誘電体基板上に設け
られた前記放射電極と、前記放射電極への給電を裏面で
行なう給電端子と、前記給電端子と前記放射電極とを接
続するスルーホールとを具備し、前記誘電体基板をフリ
ップチップ実装により、前記給電端子と前記マイクロス
トリップ線路とを接続した構造である。
【０００８】
【０００９】また、信号を検波する回路または信号を発
生する回路を設けた第２の半導体基板と、裏面を接地面
とした、第２の誘電体基板に第２の半導体基板より大き
な面積の凹部を設け、凹部に前記第２の半導体基板をフ
リップチップ実装し、第３の誘電体基板上に第４の平面
アンテナを設け、前記第４の平面アンテナへの給電を裏
面に第２の給電端子を設け、前記第２の給電端子と前記
第４の平面アンテナとをスルーホールで接続し、前記第
３の誘電体基板を前記第２の半導体基板の上方にフリッ
プチップ実装により、第２の給電端子と前記マイクロス
トリップ線路とを接続した第４の平面アンテナを設けた
第３の誘電体基板を前記第２の半導体基板の上方にフリ
ップチップ実装し、前記第２の半導体基板と給電端子と
をマイクロストリップ線路で接続した構造を有する。
【００１０】誘電体膜として二酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）またはポリミドを用い
る構造を有する。
【００１１】第２の半導体基板としてガリウム砒素基板
を用い、半導体素子としてＭＥＳＦＥＴ、ＨＢＴ、ＨＥ
ＭＴまたはダイオードを用いた検波回路を設けた構造を
有する。
【００１２】
【作用】この構成によって、比較的チップ面積を必要と
しない、ミリ波帯の能動素子にだけ高価な基板を用いる
ため、安価となるとともに、チップ面積が小さいためミ
リ波帯デバイスとしての歩留まりも向上する。ミリ波帯
のダウンコンバータや検波回路などを安価に構成するこ
とができる。また、それぞれの基板は通常の半導体プロ
セスにより製作されるため、パターン精度が高く、フリ
ップチップ実装法も実装精度が高く、量産性に優れる。
【００１３】
【実施例】（実施例１） 以下、本発明の第１の参考例について、図面を参照しな
がら説明する。図１は本発明の第１の参考例におけるミ
リ波用検波器の構造を示す断面図、図２は同構造を示す
立体図である。
【００１４】図１、図２において、１はシリコンによる
第１の半導体基板、２は第１の半導体基板１上に設けら
れた接地導体膜である。３は誘電体膜で、具体的には二
酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜である。４は第１の平面ア
ンテナである。５は第２の半導体基板で、ショットキー
バリアダイオードによる検波回路を作成したガリウム砒
素基板である。６はフリップチップ実装の接続部となる
バンプ、７は第１の平面アンテナ４に給電するためのマ
イクロストリップ線路、８は検波された信号を取り出す
出力信号端子である。
【００１５】以上のような構成において、ガリウム砒素
による第２の半導体基板５をベアチップの状態で、第１
の平面アンテナ４の給電用マイクロストリップ線路７上
にフリップチップ実装を行っていることにより、平面ア
ンテナ４と検波回路を設けた第２の半導体基板５との間
にボンディングワイヤなどの寄生リアクタンス成分が少
ないため、損失を小さくでき、ミリ波帯において高感度
の検波器が実現できる。また、比較的安価なシリコンに
よる第１の半導体基板１上に大きな面積の平面アンテナ
４を構成し、高価なガリウム砒素による第２の半導体基
板５上に検波回路だけを設ける構成とすることにより、
ガリウム砒素ＩＣのチップ面積を小さくすることがで
き、安価な構成が可能となる。
【００１６】一方、通常のシリコンプロセスにより、第
１の平面アンテナ４とマイクロストリップ線路７を構成
するために、１μｍ以下のパターン精度も容易に実現す
ることができ、ミリ波帯で課題となる高い製作精度を容
易に実現することができ、量産性にも優れた構成であ
り、ミリ波帯のモノリシックアンテナを容易に実現でき
る。
【００１７】（実施例２） 以下、本発明の第１の実施例について、図面を参照しな
がら説明する。図３は本発明の第１の実施例におけるミ
リ波用検波器の構造を示す断面図である。
【００１８】以下、本発明の第２の実施例について図面
を参照しながら説明する。図３において、図１、図２に
おける第１の実施例と異なる点は、シリコン基板１上に
作成した第１の平面アンテナ４の代わりに、第１の誘電
体基板９上に第２の平面アンテナ１０を設け、アンテナ
自身をフリップチップ実装により実装した点で、１１は
スルーホール、１２は給電端子である。
【００１９】このような構成とすることにより、平面ア
ンテナ１０と接地面との間隔を広くとれるため、アンテ
ナ１０の放射効率を高くすることができ、高感度のミリ
波用検波器が実現できる。
【００２０】なお、本実施例では、別のチップ上に設け
たアンテナ１０をフリップチップ実装しているが、低損
失が要求される共振器やフィルタなどを別チップで構成
し、フリップチップ実装し、発振器や受信機などを構成
してもよい。
【００２１】また、第１、第２の実施例において第１の
半導体基板としてシリコンを用いているが、セラミック
やガラスなどの誘電体基板を用いても同様の効果を得る
ことができる。
【００２２】（実施例３） 以下、本発明の第２の参考例について、図面を参照しな
がら説明する。図４は本発明の第２の参考例におけるミ
リ波用検波器の構造を示す断面図、図５は同構造を示す
立体図である。
【００２３】図４、図５において、５は検波回路を構成
したガリウム砒素による第２の半導体基板である。７は
給電用のマイクロストリップ線路で、図１、図２、図３
の第１、第２の実施例と異なる点は、第１の半導体基板
１の代わりに第２の誘電体基板１３を用い、第２の誘電
体基板１３の裏面に第３の平面アンテナ１４を設け、ス
ルーホール１５により、マイクロストリップ線路７と第
３の平面アンテナ１４を接続した点である。
【００２４】このような構成とすることにより第３の平
面アンテナ１４と、第２の半導体基板１３上の検波回路
を異なる面上に構成できるため、ガリウム砒素による第
２の半導体基板５が第３の平面アンテナ１４の放射パタ
ーンに与える影響を小さくすることができる。また、立
体的な構造のため、小形化が実現できる。
【００２５】（実施例４） 以下、本発明の第３の参考例について、図面を参照しな
がら説明する。図６は本発明の第３の参考例におけるミ
リ波用検波器の構造を示す断面図である。
【００２６】図６において、図４の第３の実施例と異な
る点は、第３の平面アンテナ１４と給電用のマイクロス
トリップ線路７との結合をスロット１６による電磁界結
合を用いた点である。
【００２７】このような構成とすることにより、第２の
誘電体基板１３にスルーホールを設ける必要がなく、製
作が容易となる。
【００２８】（実施例５） 以下、本発明の第４の参考例について、図面を参照しな
がら説明する。図７は本発明の第４の参考例におけるミ
リ波用検波器の構造を示す断面図である。
【００２９】図７において、図６の第４の実施例と異な
るのは、第３の平面アンテナ１４と検波回路との結合を
給電用のマイクロストリップ線路を介さずに、検波回路
から直接スロット１６を介して電磁界結合するように構
成した点である。
【００３０】このような構成とする事により、給電用の
マイクロストリップ線路による損失分もなく、効率的な
給電が可能となり、高感度の検波回路が実現できる。
【００３１】（実施例６） 以下、本発明の第２の実施例について、図面を参照しな
がら説明する。図８は本発明の第２の参考例におけるミ
リ波用検波器の構造を示す断面図、図９は同立体図であ
る。
【００３２】図８、図９において、５は第２の半導体基
板として検波回路を構成したガリウム砒素基板、７は給
電用のマイクロストリップ線路、１７は第３の誘電体基
板、１８は第４の誘電体基板、１９は第４の平面アンテ
ナ、２０はスルーホール、２１は給電端子である。第３
の誘電体基板１７の裏面を接地面としたマイクロストリ
ップ構造で、表面にガリウム砒素による第２の半導体基
板５が設けられるような凹部を設けている。凹部にガリ
ウム砒素による第２の半導体基板５をフリップチップ実
装し、給電用のマイクロストリップ線路７は、凹部の外
側まで配置し、凹部に蓋をするように第４の平面アンテ
ナ１９を設けた第４の誘電体基板１８をフリップチップ
実装により実装する。
【００３３】このような構成とすることにより、立体的
な構造のため、小形化が実現できる。また、裏面が接地
面であるため、本実施例のモジュールをさらに、別の基
板に実装することが容易である。また、ガリウム砒素基
板５が第４の誘電体基板１８により保護するパッケージ
の役割をすることができる。
【００３４】なお、本実施例において第３、第４の誘電
体基板１７、１８の代わりに、シリコン基板やガラス基
板上に積層した誘電体膜を用い、積層を厚さを部分的に
変化させることによって実現してもよい。
【００３５】なお、すべての実施例において第２の半導
体基板５としてガリウム砒素基板を用いているが、シリ
コン基板やインジウムリン基板などの上に構成した能動
回路でもよいことは言うまでもない。
【００３６】また、すべての実施例において検波された
信号を処理するデジタル信号処理回路を構成した第２の
半導体基板５をさらにフリップチップ実装したマルチチ
ップモジュールにしてもよい。
【００３７】また、すべての実施例において、平面アン
テナと能動回路との組み合わせを複数を設け、アンテナ
アレイを構成することにより効率が高まることは言うま
でもない。
【００３８】
【発明の効果】以上のように本発明は、能動素子と受動
素子と異なるプロセスで作成し、フリップチップ技術で
組み合わせる構成により、比較的チップ面積を必要とし
ない、ミリ波帯の能動素子にだけ高価な基板を用い、チ
ップ面積を必要とする平面アンテナや受動素子を安価な
基板に構成することが可能となり、量産性に優れた安価
なミリ波用検波器を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考例におけるミリ波用検波器
の断面図
【図２】本発明の第１の参考例におけるミリ波用検波器
の立体図
【図３】本発明の第１の実施例におけるミリ波用検波器
の断面図
【図４】本発明の第１の実施例におけるミリ波用検波器
の断面図
【図５】本発明の第２の参考例におけるミリ波用検波器
の立体図
【図６】本発明の第２の参考例におけるミリ波用検波器
の断面図
【図７】本発明の第３の参考例におけるミリ波用検波器
の断面図
【図８】本発明の第２の実施例におけるミリ波用検波器
の断面図
【図９】本発明の第２の実施例におけるミリ波用検波器
の立体図
【図１０】従来のミリ波用検波器の分解及び断面立体図
【符号の説明】
１ 第１の半導体基板 ２ 接地導体膜 ３ 誘電体膜 ４ 第１の平面アンテナ ５ 第２の半導体基板 ６ バンプ ７ マイクロストリップ線路 ８ 出力信号端子 ９ 第１の誘電体基板 １０ 第２の平面アンテナ １１、１５、２０ スルーホール １２、２１ 給電端子 １３ 第２の誘電体基板 １４ 第３の平面アンテナ １６ スロット １７ 第３の誘電体基板 １８ 第４の誘電体基板 １９ 第４の平面アンテナ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−25046（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−67919（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−140528（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−183328（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−114811（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−77729（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−37532（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−67911（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−55826（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−55609（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−125510（ＪＰ，Ｕ) 米国特許5248947（ＵＳ，Ａ) 米国特許5023624（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01Q 13/08 H01Q 23/00 H01L 23/12 301 ５Ｋ０６２ ５Ｋ０１１ ５Ｋ０６０ ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 接地導体膜を積層するとともに、前記接
    地導体膜上に誘電体膜を積層した第１の半導体基板と、
    前記第１の半導体基板上にもうけられた誘電体基板と、
    前記誘電体膜上に設けられ、前記誘電体基板上にもうけ
    られた平面アンテナの放射電極に給電を行うマイクロス
    トリップ線路と、前記マイクロストリップ線路上にフリ
    ップチップ実装により実装された第２の半導体基板と、
    前記第２の半導体基板に設けられた信号を検波する信号
    検波回路または信号を発生する信号発生回路とを具備
    し、前記誘電体基板は、前記誘電体基板上に設けられた
    前記放射電極と、前記放射電極への給電を裏面で行なう
    給電端子と、前記給電端子と前記放射電極とを接続する
    スルーホールとを具備し、前記誘電体基板をフリップチ
    ップ実装により、前記給電端子と前記マイクロストリッ
    プ線路とを接続したことを特徴とするミリ波用検波器。
  2. 【請求項２】 信号を検波する回路または信号を発生す
    る回路を設けた第２の半導体基板と、裏面を接地面と
    し、前記第２の半導体基板より大きな面積の凹部を表面
    に設け、当該凹部に前記第２の半導体基板をフリップチ
    ップ実装した第３の誘電体基板と、前記第３の誘電体基
    板の凹部を塞ぐようにフリップチップ実装した第４の誘
    電体基板と、前記第４の誘電体基板上に設けられた第４
    の平面アンテナと、前記第４の平面アンテナへの給電を
    前記第４の誘電体基板のスルーホールを介して裏面から
    行なう給電端子と、前記給電端子と前記第２の半導体基
    板のフリップチップ接続部を接続する給電用のマイクロ
    ストリップ線路とを具備したミリ波用検波器。
  3. 【請求項３】 誘電体膜として二酸化シリコン、窒化シ
    リコンまたはポリミドを用いたことを特徴とする請求項
    １〜２記載のミリ波用検波器。
  4. 【請求項４】 第２の半導体基板としてガリウム砒素基
    板を用い、半導体素子としてＭＥＳＦＥＴ、ＨＢＴ、Ｈ
    ＥＭＴまたはダイオードを用いた検波回路を設けたこと
    を特徴とする請求項１〜３記載のミリ波用検波器。
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