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JP5679061B2 - 高周波モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、受動素子から構成される回路と、能動素子を含む回路とを備えた高周波モジュールに関する。
現在、携帯電話機等の無線通信端末では、1つのアンテナを複数の通信システムで共用することが一般的になっている。このようなアンテナの共用を実現するために、従来の無線通信端末は、アンテナを各通信システムの送受信回路に切り替えて接続するスイッチ回路を備える。また、現在の高調波規制等の制限から、アンテナから外部へ高調波信号やノイズ等の不要波が伝搬しないようにするために、アンテナの接続端子にバンドパスフィルタ等のフィルタ回路を接続することがある。このため、現在の携帯電話機では、アンテナとスイッチ回路とを、バンドパスフィルタで接続する高周波モジュールが用いられることがある。
この従来の高周波モジュールでは、バンドパスフィルタは、インダクタやキャパシタ等の受動素子で構成される。スイッチ回路は、FET等の能動素子を含んで構成される。
そして、これらバンドパスフィルタとスイッチ回路とは、特許文献1に示すように、1つのベース基板上に集約して形成される。図8は、従来の高周波モジュール10Pの構造を概略的に示す平面図である。なお、図8では、各素子と外部回路へ接続するランドとを接続するパターンは省略している。
半導体からなるベース基板100Pには、能動素子群から形成されるスイッチ(SW)形成部101、パワーアンプ(PA)形成部102、ローノイズアンプ(LNA)形成部103が形成されている。また、ベース基板100Pには、バンドパスフィルタを構成する受動素子であるインダクタとなるスパイラル電極111P,112P,113P、および、バンドパスフィルタを構成する受動素子であるキャパシタ121,122,123となる平板電極が形成されている。また、ベース基板100Pの表面には、これらとは別に、外部回路へ接続するためのランド電極131P,141P,142P,143P,151P,152P,153Pが形成されている。
特開2005−229057号公報
受動素子群からなるバンドパスフィルタを、能動素子群からなるSW類と同じ基板上に形成する場合、図8に示したように、バンドパスフィルタを構成する受動回路形成領域902Pの面積が、SW類を構成する能動回路形成領域901Pよりも、一般的に大きくなる。これは、受動素子群に含まれるインダクタを構成するスパイラル電極111P,112P,113Pが、他の回路素子よりも大きくなるからである。したがって、高周波モジュールが大型化してしまう、という問題がある。さらに、バンドパスフィルタの特性を向上させるために、Q値の高いインダクタを形成しようとすると、スパイラル電極の電極幅および電極間隔を広くしなければならず、インダクタの専有面積が大きくなる。このため、高周波モジュールがさらに大型化してしまう、という問題がある。
したがって、本発明の目的は、必要な伝送特性を得ながら小型化が可能な高周波モジュールを提供することにある。
この発明の高周波モジュールは、少なくとも1つのインダクタおよび少なくとも1つのキャパシタを含む受動素子群からなる第1の回路と、少なくとも1つの能動素子を含む第2の回路と、を備える。高周波モジュールでは、第1の回路のキャパシタおよび第2の回路の能動素子が、単一のチップ素子に形成されている。
この構成では、受動素子群の中でも、大きな形成面積を必要とするインダクタが、キャパシタが形成されているチップ素子に必ずしも形成されていないので、チップ素子が小型になる。この際、インダクタは、チップ素子に形成した引き回し電極や、後述するボンディングワイヤ、当該チップ素子が実装される外部回路基板に形成したパターン電極で実現すれば、第1の回路を構成することが可能である。
また、この発明の高周波モジュールのインダクタは、チップ素子を外部回路基板へ実装する導電性ワイヤを含んで実現されることが好ましい。
この構成では、インダクタを導電性ワイヤ(ボンディングワイヤ)で実現しており、チップ素子および外部回路基板へインダクタ用のパターン電極を形成せずとも、第1の回路のインダクタを実現できる。これにより、高周波モジュールの小型化が可能になる。また、元来、チップ素子を外部回路基板に接続するために、導電性ワイヤ(ボンディングワイヤ)が必要であるので、接続用の導電性ワイヤとインダクタとを兼用でき、より小型化が可能になる。
また、この発明の高周波モジュールは、次の構成であることが好ましい。高周波モジュールは、インダクタおよびキャパシタが接地されている。高周波モジュールのチップ素子は、キャパシタを接地するグランドビアを備える。そして、外部回路基板に形成される導電性ワイヤをボンディングするランドと、外部回路基板に形成されるグランドビアが接続される電極とが、一体化された共通グランド電極である。
この構成では、インダクタとキャパシタが接地する回路構成である場合に、インダクタ用のグランド電極とキャパシタ用のグランド電極とが共通化される。これにより、外部回路基板のインピーダンス(インダクタンス等)に影響されることなく、第1の回路の伝送特性が安定する。
また、この発明の高周波モジュールは、第1の回路がアンテナに接続するバンドパスフィルタであり、第2の回路がバンドパスフィルタに接続するスイッチ回路であることが好ましい。
この構成では、第1の回路と第2の回路との具体例を示している。このように、第1の回路にバンドパスフィルタを適用し、第2の回路にスイッチ回路を適用することで、無線通信のフロントエンド回路に、上述の構成を適用できる。したがって、無線通信のフロントエンド回路用の高周波モジュールを小型化することができる。
この発明によれば、受動素子群からなる回路と能動素子群からなる回路を備えた高周波モジュールを、必要な伝送特性を得ながら小型に形成することができる。
本発明の実施形態に係る高周波モジュールの回路ブロック図である。 本発明の実施形態に係る高周波モジュールに含まれるバンドパスフィルタとスイッチの複合回路の回路ブロック図である。 本発明の第1の実施形態に係る高周波モジュールを構成する半導体チップ素子の平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る高周波モジュールの平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る高周波モジュールの概略構成を示す側面断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る高周波モジュールの実装状態を示す平面図である。 本発明の第2の実施形態に係る高周波モジュールの側面断面図である。 第2の実施形態に係る高周波モジュールのバンドパスフィルタの通過特性を示す図である。 第1の実施形態に係る高周波モジュールのバンドパスフィルタの通過特性を示す図である。 従来の高周波モジュールの構造を概略的に示す平面図である。
本発明の第1の実施形態に係る高周波モジュールについて、図を参照して説明する。図1Aは、本発明の実施形態に係る高周波モジュール10の回路ブロック図であり、図1Bは、高周波モジュール10に含まれるバンドパスフィルタBPFとスイッチSWの複合回路11の回路ブロック図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係る高周波モジュール10を構成する半導体チップ素子20の平面図である。図3は、本発明の第1の実施形態に係る高周波モジュール10の平面図である。図4は、本発明の第1の実施形態に係る高周波モジュール10の概略構成を示す側面断面図である。なお、図2、図3、図4は、本願発明の特徴的な構成のみを分かりやすく説明するためのものであり、各素子間の接続パターンや図1の回路構成するための詳細のパターンは適宜省略している。また、図1の回路構成に対して、図2、図3、図4では、キャパシタ数が異なる(少ない)が、これは説明を分かりやすくするために部分的に図示を省略したものであり、実際には、回路構成に応じた数のキャパシタが形成されている。
まず、後述の高周波モジュール10の構造の理解を容易にするために、本実施形態の高周波モジュール10の回路構成について、図1を参照して説明する。
高周波モジュール10は、バンドパスフィルタBPF、スイッチSW、パワーアンプPA1,PA2,PA3、ローノイズアンプLNA1,LNA2,LNA3を備える。バンドパスフィルタBPFとスイッチSWとで複合回路11が構成される。
スイッチSWは、バンドパスフィルタBPFに対して、パワーアンプPA1,PA2,PA3、ローノイズアンプLNA1,LNA2,LNA3のいずれかを選択的に接続する。パワーアンプPA1およびローノイズアンプLNA1は、第1の周波数帯域を使用帯域とする第1通信信号用である。パワーアンプPA2およびローノイズアンプLNA2は、第2の周波数帯域を使用帯域とする第2通信信号用である。パワーアンプPA3およびローノイズアンプLNA3は、第3の周波数帯域を使用帯域とする第3通信信号用である。なお、第1通信信号、第2通信信号、第3通信信号は、部分的に周波数帯域が重なっても構わないが、完全には一致しない。
パワーアンプPA1は、外部回路からの第1通信信号の送信信号を増幅し、スイッチSWへ出力する。パワーアンプPA2は、外部回路からの第2通信信号の送信信号を増幅し、スイッチSWへ出力する。パワーアンプPA3は、外部回路からの第3通信信号の送信信号を増幅し、スイッチSWへ出力する。ローノイズアンプLNA1は、スイッチSWからの第1通信信号の受信信号を増幅し、外部回路へ出力する。ローノイズアンプLNA2は、スイッチSWからの第2通信信号の受信信号を増幅し、外部回路へ出力する。ローノイズアンプLNA3は、スイッチSWからの第3通信信号の受信信号を増幅し、外部回路へ出力する。
バンドパスフィルタBPFは、一方端がスイッチSWに接続し、他方端がアンテナANTに接続する。バンドパスフィルタBPFは、第1、第2、第3の通信信号の周波数帯域を通過帯域とし、他の周波数帯域を減衰域とする帯域通過型フィルタである。バンドパスフィルタBPFは、各通信信号の高調波成分に対する減衰量が十分確保できるような特性であり、特に、通過帯域の上限側及び下限側に減衰極があることが好ましい。
このため、バンドパスフィルタBPFは、図1Bに示すような回路構成からなる。バンドパスフィルタBPFでは、アンテナANT側端とスイッチSW側端との間に、キャパシタC10,C20の直列回路が接続されている。キャパシタC10のアンテナANT側の端部は、インダクタL01とキャパシタC01の並列回路を介して接地されている。キャパシタC10とキャパシタC20の接続点は、インダクタL02とキャパシタC02の並列回路を介して接地されている。キャパシタC20のスイッチSW側の端部は、インダクタL03とキャパシタC03との並列回路を介して接地されている。キャパシタC10,C20の直列回路には、キャパシタC12が並列接続されている。この回路構成によって、上述のような通過特性および減衰特性からなる伝送特性のバンドパスフィルタを実現できる。
このような回路構成からなる高周波モジュール10は、図2、図3、図4に示すように、半導体チップ素子20を外部回路基板300に実装することによって実現される。この際、図1における網掛けの回路範囲が、半導体チップ素子20によって実現される。
半導体チップ素子20は、ベース基板100を備える。ベース基板100は、平板状に形成されており、図4に示すように、半導体基板111と絶縁層112とからなる。半導体基板111は、例えばp型半導体からなり、部分的にn型ドーピング領域111dを有する。
半導体基板111の一方主面(以下、表面とする。)には、所定の電極パターンが形成されるとともに、絶縁層112が形成される。そして、絶縁層112の半導体基板111側と反対側の面にも、所定の電極パターンが形成されている。
これらの電極パターンは、上述のバンドパスフィルタBPFのキャパシタC、および、スイッチSW、パワーアンプPA1,PA2,PA3、ローノイズアンプLNA1,LNA2,LNA3を構成する電界効果トランジスタFET(以下、単にFETとする。)群を実現するように形成されている。
具体的な構成例としては、図4に示すように、半導体基板111の表面のキャパシタ形成領域には、キャパシタCを形成するための第1平板電極121Dが形成されている。そして、絶縁層112を介在させて、第1平板電極121Dに所定面積で対向するように、第2平板電極121Uが形成されている。
また、図4に示すように、半導体基板111の表面の2つの隣接するn型ドーピング領域111dを含むFET形成領域には、異なる2つのn型ドーピング領域111dのそれぞれに、ソース用電極PSとドレイン用電極PDとが形成されている。そして、これらソース用電極PSとドレイン用電極PDとの間の絶縁層112の半導体基板111側と反対側の面に、ゲート用電極PGが形成されている。
このような構造によってキャパシタCおよびFETを形成することで、図2、図3に示すように、ベース基板100を平面視して、スイッチ形成部101、パワーアンプ形成部102、ローノイズアンプ形成部103が配列して形成される。なお、パワーアンプ形成部102には、上述の各パワーアンプPA1,PA2,PA3が形成されており、ローノイズアンプ形成部103には、上述の各ローノイズアンプLNA1,LNA2,LNA3が形成されている。これらにより、能動回路形成領域901が構成される。
また、図2、図3に示すように、ベース基板100を平面視して、キャパシタ121,122,123が形成される。これにより、受動回路形成領域902Uが構成される。このように、ベース基板100上の受動回路形成領域902Uを、キャパシタ121,122,123のみで形成し、形成面積の大きなインダクタをベース基板100上に形成しないことで、半導体基板を主体とするベース基板100を小型に形成することができる。
ベース基板100の表面(FETやキャパシタが形成される側の面)には、上述の機能回路とともに、外部接続用のランド電極131,141,142,143,151,152,153,201,202,203が形成されている。これらのランド電極は、所定パターンで配列して形成されており、例えば、図2に示すように、ランド電極131は、ベース基板100を平面視した第1辺の近傍に形成されている。ランド電極131は、アンテナ接続用のランド電極である。
ランド電極151,152,153は、第1辺に対向する第2辺に沿って、当該第2辺の近傍に形成されている。ランド電極151,152,153は、送信信号入力用のランドである。
ランド電極141,142,143は、第1辺および第2辺に直交する第3辺に沿って、当該第3辺の近傍に形成されている。ランド電極141,142,143は、受信信号出力用のランドである。
ランド電極201,202,203は、第3辺に対向する第4辺に沿って、当該第4辺の近傍に形成されている。ランド電極201,202,203は、インダクタ用の導電性ワイヤを形成するためのランドである。
上述の構成からなる半導体チップ素子20は、図3に示すように、上述の各ランド電極が外部回路基板300側と反対側に向くように、所謂フェイスアップの状態で、外部回路基板300へ実装される。この際、半導体チップ素子20は、仕様に応じて導電性もしくは絶縁性の接着剤によって、外部回路基板300へ装着される。
外部回路基板300には、グランド接続用の基板上ランド電極311,312,313が形成されている。基板上ランド電極311,312,313は、グランド電極350に接続されている。基板上ランド電極311,312,313は、半導体チップ素子20のランド電極201,202,203に対向するように配置されている。基板上ランド電極311とランド201は、Cuからなるワイヤボンディングによって結線される。これにより、基板上ランド電極311とランド201とは、所定のループ形状からなる導電性ワイヤ211によって接続される。導電性ワイヤ211のワイヤ長およびワイヤの太さは、上述のインダクタL01として必要とするインダクタンスが得られるように設定されている。
基板上ランド電極312とランド202も、Cuからなるワイヤボンディングによって結線される。これにより、基板上ランド電極312とランド202とは、所定のループ形状からなる導電性ワイヤ212によって接続される。導電性ワイヤ212のワイヤ長およびワイヤの太さは、上述のインダクタL02として必要とするインダクタンスが得られるように設定されている。
基板上ランド電極313とランド203も、Cuからなるワイヤボンディングによって結線される。これにより、基板上ランド電極313とランド203とは、所定のループ形状からなる導電性ワイヤ213によって接続される。導電性ワイヤ213のワイヤ長およびワイヤの太さは、上述のインダクタL03として必要とするインダクタンスが得られるように設定されている。
なお、ワイヤの太さは、より太いほうがQ値が良くなるため、好ましい。
また、本実施形態では、ワイヤの材料としてCuを用いたが、AuやAg等も用いることができる。ここで、材料の導電率としては、AuよりCuのほうが大きく、さらにCuよりもAgのほうが大きい。このため、ワイヤを構成する材料として、CuやAgを用いるほうがより好ましい。
このように、インダクタを導電性ワイヤ211,212,213で実現することで、半導体チップ素子20上にインダクタを形成しなくても、バンドパスフィルタBPFを実現することができる。そして、このような導電性ワイヤ211,212,213からなるインダクタを用いることで、インダクタとキャパシタが形成される受動回路形成領域902を小さくすることができ、高周波モジュール10の小型化が可能になる。また、導電性ワイヤ211,212,213を用いることで、平面状のスパイラル電極を用いる場合よりも、小さい面積でQ値の高いインダクタを実現することができる。これにより、伝送特性(通過特性および減衰特性)に優れた小型の高周波モジュールを実現することができる。
また、これら導電性ワイヤ211,212,213は、所定間隔をおいて、略平行に形成されている。この構成により、インダクタ形成領域の専有面積をさらに小さくできる。これにより、より特性に優れた小型の高周波モジュールを実現することができる。
外部回路基板300には、受信信号出力用の基板上ランド電極321,322,323が形成されている。基板上ランド電極321,322,323は、半導体チップ素子20のランド電極141,142,143に対向するように配置されている。基板上ランド電極321,322,323とランド電極141,142,143は、それぞれワイヤボンディングで結線されている。これにより、基板上ランド電極321とランド電極141は、導電性ワイヤ221で接続され、基板上ランド電極322とランド電極142は、導電性ワイヤ222で接続され、基板上ランド電極323とランド電極143は、導電性ワイヤ223で接続される。
外部回路基板300には、送信信号入力用の基板上ランド電極331,332,333が形成されている。基板上ランド電極331,332,333は、半導体チップ素子20のランド電極151,152,153に対向するように配置されている。基板上ランド電極331,332,333とランド電極151,152,153は、それぞれワイヤボンディングで結線されている。これにより、基板上ランド電極331とランド電極151は、導電性ワイヤ231で接続され、基板上ランド電極332とランド電極152は、導電性ワイヤ232で接続され、基板上ランド電極333とランド電極153は、導電性ワイヤ233で接続される。
外部回路基板300には、アンテナ用の基板上ランド電極341が形成されている。基板上ランド電極341は、半導体チップ素子20のランド電極131に対向するように配置されている。基板上ランド電極341とランド電極131は、それぞれワイヤボンディングで結線されている。これにより、基板上ランド電極341とランド電極131は、導電性ワイヤ241で接続される。
以上のような構成を用いることで、受動素子群からなる回路と能動素子群を有する回路とを含む高周波モジュールを、優れた伝送特性を有しながら、小型に形成することができる。
次に、本発明の第2の実施形態に係る高周波モジュールについて、図を参照して説明する。図5は、本発明の第2の実施形態に係る高周波モジュール10Aの実装状態を示す平面図である。図6は、本発明の第2の実施形態に係る高周波モジュール10Aの側面断面図である。なお、図5、図6も、図2、図3と同様に、特徴的な構成が分かりやすいように、適宜省略して図示している。
本実施形態の高周波モジュール10Aは、グランドビア電極401,402,403を備える点、外部回路基板300Aに共通グランド電極350Aを備える点を除いて、第1の実施形態に示した高周波モジュール10と同じである。したがって、これら異なる点のみを、説明する。
グランドビア電極401,402,403は、半導体基板111を表面(絶縁層112の形成面)から裏面(外部回路基板300Aへの当接面)に亘って貫通する貫通孔によって形成される。貫通孔内には導電性材料が充填されている。グランドビア電極401,402,403は、半導体基板111の表面の各キャパシタと、半導体基板111の裏面側のグランド用接続電極(図示せず)を導通している。なお、グランドビア電極401,402,403は、キャパシタの平板電極の範囲内に形成される態様に限るものではなく、キャパシタの平板電極の近傍に形成してもよい。
外部回路基板300Aの表面(半導体チップ素子20Aの実装面)には、高周波モジュール10Aの受動回路形成領域902Aにおける半導体チップ素子20Aに係る領域を含むように、素子用グランド電極352が形成されている。素子用グランド電極352は、基板上ランド電極311A,312A,313A、およびこれらを共通に接続する共通化電極351とともに、一体形成されている。これにより、インダクタとキャパシタとで共通化されたグランド電極350Aが構成される。
このように、インダクタとキャパシタを接地するためのグランド電極を共通化することで、次のような効果が得られる。図7Aは、第2の実施形態に係る高周波モジュール10Aのバンドパスフィルタの通過特性を示す図であり、図7Bは、第1の実施形態に係る高周波モジュール10のバンドパスフィルタの通過特性を示す図である。各図において、破線に示す通過特性と実線に示す通過特性は、外部回路基板のインピーダンス(インダクタンス)が異なる。
図7に示すように、第2の実施形態に係る高周波モジュール10Aの構成を用いることで、外部回路基板のインピーダンスによる影響を少なくすることができる。すなわち、インダクタとキャパシタのグランドを共通化することで、安定した通過特性の高周波モジュールを実現することができる。このように、第2の実施形態の構成を用いれば、より安定して優れた特性が得られる高周波モジュールを小型に形成することができる。
なお、上述の各実施形態では、バンドパスフィルタBPF、スイッチSW、パワーアンプPA、およびローノイズアンプLNAを含む高周波モジュールを例に説明したが、これに限られるものではない。少なくとも1つのインダクタと少なくとも1つのキャパシタを含む受動素子群からなる回路と、少なくとも1つの能動素子を含む回路とをそれぞれ少なくとも1つずつ備える高周波モジュールであれば、上述の構成を適用することができる。
10,10A,10P:高周波モジュール、
11:複合回路、
20:半導体チップ素子、
100,100P:ベース基板、
101:スイッチ形成部、102:パワーアンプ形成部、103:ローノイズアンプ形成部、
111P,112P,113Pスパイラル電極、
121,122,123:キャパシタ、
121D:第1平板電極、121U:第2平板電極、
131,141,142,143,151,152,153,201,202,203,131P,141P,142P,143P,151P,152P,153P:ランド電極、
211,212,213,221,222,223,231,232,233,241:導電性ワイヤ、
300,300A:外部回路基板、
311,312,313,321,322,323,331,332,333,341:基板上ランド電極、
350,350A:グランド電極、351:共通化電極、352:素子用グランド電極、
401,402,403:グランドビア電極、
901,901P:能動回路形成領域、902,902U,902P:受動回路形成領域、
C01,C02,C03,C10,C20,C12:キャパシタ、
L01,L02,L03:インダクタ、
BPF:バンドパスフィルタ、
SW:スイッチ、
PA1,PA2,PA3:パワーアンプ、
LNA1,LNA2,LNA3:ローノイズアンプ、
ANT:アンテナ

Claims (2)

  1. 少なくとも1つのインダクタおよび少なくとも1つのキャパシタを含む受動素子群からなる第1の回路と、
    少なくとも1つの能動素子を含む第2の回路と、を備え、
    前記第1の回路の前記キャパシタおよび前記第2の回路の前記能動素子が、単一のチップ素子に形成され
    前記インダクタは、該チップ素子を外部回路基板へ実装する導電性ワイヤを含んで実現され、
    前記インダクタおよび前記キャパシタが接地されており、
    前記チップ素子は、前記キャパシタを接地するグランドビアを備え、
    前記外部回路基板に形成される前記導電性ワイヤをボンディングするランドと、前記外部回路基板に形成される前記グランドビアが接続される電極とが、一体化された共通グランド電極である、高周波モジュール
  2. 前記第1の回路は、アンテナに接続するバンドパスフィルタであり、
    前記第2の回路は、前記バンドパスフィルタに接続するスイッチ回路である、請求項1に記載の高周波モジュール。
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