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Dokumentenidentifikation DE10118742B4 22.11.2007
Titel Mikrowellen-Millimeterwellen-Modul mit integrierter Antenne
Anmelder Sharp K.K., Osaka, JP
Erfinder Sakota, Naoki, Sakurai, Nara, JP;
Yamada, Atsushi, Tenri, Nara, JP;
Kitaoka, Koki, Sakurai, Nara, JP
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 17.04.2001
DE-Aktenzeichen 10118742
Offenlegungstag 08.11.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 13/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01Q 23/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

  • Priorität: 18. April 2000, Japan, 2000-116010(P)

Die Erfindung betrifft die Struktur eines Mikrowellen-Millimeterwellen-Moduls mit integrierter Antenne, insbesondere ein derartiges Modul, das eine integrierte Schlitzantenne mit verbessertem Wirkungsgrad und verbesserter Richtwirkung der Antenne aufweist.

Einhergehend mit der Zunahme der Informationsmenge zog Funkkommunikation mit hohen Frequenzen, wie Mikrowellen und Millimeterwellen, Aufmerksamkeit als Datenübertragungsmaßnahme hoher Geschwindigkeit und hoher Kapazität auf sich. Diese Art von Kommunikation benötigt eine Antenne und eine Mikrowellen-Millimeterwellen-Schaltung, die integriert sind, d. h. eine derartige Schaltung mit integrierter Antenne mit kleiner Größe, geringem Gewicht und hohem Funktionsvermögen, um als Sender und Empfänger zu dienen.

Herkömmliche Schlitzantennen werden dadurch aufgebaut, dass ein Schlitz, der einem offenen Ende eines Streifenleiters einer Mikrostreifenleitung gegenüberstehend positioniert ist, mit einem Dielektrikum versehen wird und die Mikrostreifenleitung und der Schlitz elektromagnetisch gekoppelt werden.

Die 6 und 7 zeigen einen Querschnitt eines Mehrschichtsubstrats mit einer herkömmlichen Schlitzantenne. Gemäß 6 verfügt das Mehrschichtsubstrat über ein Durchgangsloch 101, einen Verbindungsleiter 102 in Form eines Streifenleiters, eine Streifenleitung 103 vom Triplettyp, ein Schlitzloch 104 sowie dielektrische Schichten 105a-105d. Eine als Abstrahlungselement verwendete Schlitzantenne und die Tripletstreifenleitung 103 mit HF-Signalschaltungen sind so aufgebaut, dass das Mehrschichtsubstrat gebildet ist. Gemäß 7 werden elektromagnetische Wellen vom Schlitzloch 104 über die HF-Signalschaltungen abgestrahlt, wie es durch den Pfeil 106 dargestellt ist. Die dielektrischen Schichten 105a-105d sind über eine große Anzahl von Durchgangslöchern 101 verbunden. Eine große Anzahl von Durchgangslöchern 101 ist auch um die Schlitzantenne herum vorhanden (siehe z. B. IECE (Institute of Electronics and Communication Engineers) Japan National Conference Record, Vol. 3 (1982), S. 109).

Eine herkömmliche Schlitzantenne dieses Typs zeigt die folgenden Nachteile. Wenn eine Antennenspeiseleitung mit den HF-Signalschaltungen integriert wird, um die Struktur des Mehrschichtsubstrats aufzubauen, sind zwischen den Substraten viele Leiterverbindungen erforderlich. Ferner sind um das Schlitzloch herum auch viele Durchgangslöcher für Anschluss von Masseleiterplatten erforderlich, um einen Parallelplattenmode einzuschränken. Demgemäß weist eine Speiseschaltung eine komplizierte Struktur auf, was ihre Herstellung extrem erschwert.

Zwar besteht der Vorteil, dass die Größe des Systems gesenkt werden kann, jedoch beeinträchtigt eine Impedanz-Fehlanpassung zwischen dem Schlitzloch und dem Raum allgemein den Antennenwirkungsgrad.

Ferner ist aus der Druckschrift DE 198 13 767 A1 ein Mikrowellen-Sender/Empfänger-Modul bekannt, mit einer Baugruppe, die eine Hochfrequenz-Leiterplatte aufweist. Ein Halbleiterchip ist auf der Leiterplatte angebracht. Eine Empfangsantennenstruktur ist auf der Oberseite der Baugruppe ausgebildet und durch einen ersten Schlitz elektromagnetisch mit dem Halbleiterchip verbunden. Eine Sendeantennenstruktur ist auf der Oberseite der Baugruppe an einer anderen Position als die Empfangsantennenstruktur ausgebildet und durch einen zweiten Schlitz elektromagnetisch mit dem Halbleiterchip verbunden. Das Modul besteht im wesentlichen aus zwei abwechselnd gestapelten Leiter- und Isolationsschichten, wobei die Leiterschichten jeweils Löcher aufweisen und die Isolationsschichten eine Dicke von 10 &mgr;m bzw. 500 &mgr;m und eine Dielektrizitätskonstante kleiner als 10 haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrowellen-Millimeterwellen-Modul, welches mit integrierter Antenne ausgebildet ist, zu schaffen, das verbesserte Impedanzanpassung und Wirkungsgrad, kleine Größe und Gewicht und für eine einfachere Herstellbarkeit unkamplizierte Struktur aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.

Das Modul gemäß dem beigefügten Anspruch 1 verfügt über eine Struktur mit einer ersten, zweiten und dritten dielektrischen Schicht mit jeweils einer Dicke von &lgr;/4 oder weniger und einer relativen Dielektrizitätskonstante von 10 oder weniger, und demgemäß sind die Leitung des Hochfrequenzkreises und der Antennenspeiseleitung elektromagnetisch über das zweite Loch gekoppelt. Hochfrequente Signale, die sich über die Hochfrequenzkreis-Leitung ausbreiten, werden ohne das Durchgangsloch zur Antennenspeiseleitung transportiert, was die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen über die ersten Löcher nach außen erleichtert. Die Dicke der ersten dielektrischen Schicht und die relative Dielektrizitätskonstante derselben erleichtern die Abstrahlung des sich auf der Antennenspeiseleitung ausbreitenden hochfrequenten Signals nach außen über die ersten Löcher. Ferner erlaubt es die auf dem dielektrischen Substrat ausgebildete erste Leiterschicht, dass von den ersten Löchern abgestrahlte elektromagnetische Wellen über das dielektrische Substrat nach außen ausgegeben werden. So kann der Antennenwirkungsgrad durch die Impedanzanpassung zwischen der ersten dielektrischen Schicht und dem dielektrischen Substrat verbessert werden. Ferner werden elektromagnetische Wellen, die in das Substrat (die dielektrischen Schichten) abgestrahlt werden, durch die zweite Leiterschicht teilweise reflektiert. Die reflektierten elektromagnetischen Wellen weisen invertierte Phase auf. Der Abstand d zwischen dem Speiseschlitzloch und dem (nicht gespeisten) Nichtspeise-Schlitzloch beträgt etwa (0,5 + n)&lgr;. Daher weisen vom Nichtspeise-Schlitzloch abgestrahlte elektromagnetische Wellen dieselbe Phase wie diejenigen elektromagnetischen Wellen auf, die vom Speiseschlitzloch abgestrahlt werden.

Die vorstehende Aufgabe und andere Ziele, Merkmale, Erscheinungsformen und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher erkennbar.

1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Millimeterwellen-Moduls mit integrierter Antenne.

3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Moduls des Ausführungsbeispiels mit hergestelltem Laminat.

4 zeigt das Modul gemäß 1, gesehen in der Richtung eines Pfeils IV in 1 zum Veranschaulichen der Anordnung von Schlitzlöchern, einer Antennenspeiseleitung und dergleichen, wie in 1 dargestellt.

5 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Dicke eines organischen Substrats und dem Antennengewinn zum Veranschaulichen eines Simulationsergebnisses betreffend Eigenschaften einer Schlitzantenne im 60-GHz-Band.

6 und 7 zeigen einen Querschnitt eines Mehrschichtsubstrats zum Veranschaulichen einer herkömmlichen Schlitzantenne.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass Komponenten mit derselben Funktion in allen Zeichnungen mit demselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind und die zugehörige Beschreibung nicht wiederholt wird.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Erfindung bei einem Millimeterwellenmodul für das 60-GHz-Band angewandt.

Gemäß den 1 bis 3 bilden eine erste dielektrische Schicht 1c, eine zweite dielektrische Schicht 1b und eine dritte dielektrische Schicht 1a ein Mehrschichtsubstrat 1. Auf diesem sind eine Hochfrequenzkreis-Leitung (Mikrostreifenleitung) 2, eine erste und eine zweite Leiterschicht 6 bzw. 3, erste Löcher 10 und ein zweites Loch 4 in Schlitzform, eine Antennenspeiseleitung 5, ein als dielektrisches Substrat dienendes organisches Substrat 7, ein Halbleiterchip 8, eine Metallabdeckung 9 und eine als Laminier(Verbindungs)harz dienende Kleberschicht (Harzschicht) 11 vorhanden.

Die Hochfrequenzkreis-Leitung 2 wird durch Goldplattieren auf einer Oberfläche der dritten dielektrischen Schicht 1a (erste Oberfläche des Mehrschichtsubstrats 1) hergestellt. Die Leiterschicht 6 mit einer Anzahl von als Antennenelementen entsprechenden ersten Löchern 10 (z. B. Schlitzlöchern entsprechen 16 Elementen, 36 Elementen und dergleichen) wird auf einer Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht 1c (zweite Oberfläche des Mehrschichtsubstrats 1) hergestellt, und auf der anderen Fläche (zweite innere Schicht des Mehrschichtsubstrats 1) wird eine Antennenspeiseleitung 5 zum Versorgen der ersten Löcher 10 hergestellt. Auf einer Fläche der zweiten dielektrischen Schicht 1b (erste innere Schicht des Mehrschichtsubstrats 1) wird eine Leiterschicht 3 mit dem zweiten Loch auf beinahe der gesamten Fläche hergestellt. Um das Mehrschichtsubstrat 1 herum werden Durchgangslöcher (nicht dargestellt) angeordnet, um Gleichspannungssignale und Zwischenfrequenzsignale von innen nach außen zu liefern.

Das Mehrschichtsubstrat 1 ist ein Keramiksubstrat mit einem linearen Expansionskoeffizienten von 4-10 ppm/°C. Dieses Substrat 1 besteht aus drei Schichten mit jeweils einer Dicke von 150 &mgr;m, so dass es eine Gesamtdicke von 450 &mgr;m aufweist. Der Halbleiterchip 8 ist auf der Hochfrequenzkreis-Leitung 2 auf der Oberflächenschicht des Mehrschichtsubstrats 1 mittels Au-Kontakthöckern montiert, die durch Kugelbonden, das eine herkömmliche Technik ist, hergestellt wurden. Der Halbleiterchip 8 wird durch ein Flip-Chip-Verfahren unter Verwendung von Thermokompressionsbonden über die Au-Kontakthöcker mit dem Mehrschichtsubstrat 1 verbunden. Als derartiges Keramiksubstrat können z. B. ein Dickschicht-Schaltkreissubstrat, ein Dünnschicht-Schaltkreissubstrat, ein Spezialfunktions-Schaltkreissubstrat und dergleichen aus z. B. Aluminiumoxid- oder Glaskeramik verwendet werden. Die erste bis dritte dielektrische Schicht 1c-1a verfügen über eine jeweilige Dicke von a3, a2 bzw. a1, die alle einem Viertel der Wellenlänge &lgr; oder weniger der sich durch die dielektrischen Schichten ausbreitenden elektromagnetischen Wellen entsprechen. Die erste bis dritte dielektrische Schicht 1c-1a verfügen über eine relative Dielektrizitätskonstante von 10 oder weniger.

Die Metallabdeckung 9 besteht aus Kovar oder dergleichen, wobei eine Seite mit einem Lötmaterial beschichtet und so mit dem Mehrschichtsubstrat 1 verlötet ist.

Das organische Substrat 7 besteht aus einem organischen Harz, einem Verbundmaterial aus einem organischen Harz, oder dergleichen (speziell einem Fluorglassubstrat oder einem Substrat aus Polytetrafluorethylen), mit einer Dicke, die in Kombination mit der der Kleberschicht 11 im Bereich von 350 bis 800 &mgr;m liegt. Das organische Substrat 7 verfügt über eine relative Dielektrizitätskonstante vorzugsweise von 2 bis 4. Es kann aus einem organischen Material bestehen, das zu einer Folie ausgebildet ist und eine Kleberschicht trägt.

Die Antennenspeiseleitung 5, die Hochfrequenzkreis-Leitung 2 und die ersten Löcher 10 und das zweite Loch 4 bilden ein Mehrschichtsubstrat 1 mit der unten angegebenen Positionsbeziehung.

Gemäß 4 sind die auf der dritten dielektrischen Schicht 1 hergestellte Hochfrequenzkreis-Leitung 2 und die auf der ersten dielektrischen Schicht 1c hergestellte Antennenspeiseleitung 5 so ausgebildet, dass sie in der Dickenrichtung der Schichten das in der zweiten dielektrischen Schicht 1b ausgebildete zweite Loch 4 überlappen.

Das in der ersten dielektrischen Schicht 1c ausgebildete erste Loch 10 besteht aus einem Speiseschlitzloch 10a und einem Nichtspeise-Schlitzloch 10b, wobei nur das Speiseschlitzloch 10a so angeordnet ist, dass es in der Richtung der Schichtdicke mit der Antennenspeiseleitung 5 überlappt. D. h., dass nur das Speiseschlitzloch 10a durch die Antennenspeiseleitung 5 gespeist wird.

Speiseschlitzlöcher 10a und Nichtspeise-Schlitzlöcher 10b sind abwechselnd in der Richtung rechtwinklig zur Richtung angeordnet, in der sich die Schlitzlöcher erstrecken (die Richtung, in der sich Funkwellen ausbreiten (Richtung X in 4)). Der zwischen den Schlitzlöchern eingestellte Abstand beträgt ungefähr das 1,5-fache der Wellenlänge &lgr; der sich durch die dielektrischen Schichten im Mehrschichtsubstrat 1 ausbreitenden elektromagnetischen Wellen (nachfolgend als effektive Wellenlänge bezeichnet).

Beim Modul mit integrierter Antenne gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit der oben erörterten Struktur werden HF-Signale, die durch die mit dem Halbleiterchip 8 verbundene Hochfrequenzkreis-Leitung 2 übertragen werden, durch elektromagnetische Kopplung mittels der Überlappungsstruktur mit dem zweiten Loch 4 über die Antennenspeiseleitung 5 den Speiseschlitzlöchern 10a zugeführt und demgemäß von diesen abgestrahlt.

Elektromagnetische Wellen, die von den Schlitzlöchern 10a in das Substrat (dielektrische Schichten) abgestrahlt werden, streuen teilweise in das Mehrschichtsubstrat 1, um an der Leiterschicht 3 reflektiert zu werden. Die Streuung elektromagnetischer Wellen ist in der Richtung rechtwinklig zur Erstreckungsrichtung der Speiseschlitzlöcher 10a auffällig. Die Phase der elektromagnetischen Wellen wird bei Reflexion an der Leiterschicht 3 invertiert. Nichtspeise-Schlitzlöcher 10b befinden sich in einer Entfernung, die einer Wellenlänge entspricht, die ungefähr das 1,5-fache der effektiven Wellenlänge innerhalb des Mehrschichtsubstrats ist, von den durch die Antennenspeiseleitung 5 gespeisten Schlitzlöchern 10a, wobei der Abstand zwischen den Speiseschlitzlöchern 10a und der Leiterschicht 3 relativ zur effektiven Wellenlänge vernachlässigbar ist. Daher werden die streuenden elektromagnetischen Wellen von den Nichtspeise-Schlitzlöchern 10b mit derselben Phase wie die von den Speiseschlitzlöchern 10a abgestrahlten Wellen abgestrahlt. Obwohl keine Einspeisung in die Nichtspeise-Schlitzlöcher 10b erfolgt, wirken sie wie die gespeisten Schlitzlöcher 10a.

Tatsächlich wird davon ausgegangen, dass die streuenden elektromagnetischen Wellen an einem Ende des Substrats als nicht wirksame Wellen abstrahlen. Jedoch können derartige elektromagnetische Streuwellen gemäß diesem Ausführungsbeispiel als gewünschte elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden.

Die in 4 dargestellte Anordnung des Ausführungsbeispiels erlaubt eine Gesamtanzahl von Schlitzen von z. B. 36 Elementen, wobei die Anzahl der dargestellten Speiseschlitzlöcher 10a 16 Elementen entspricht, so dass die Gesamtanzahl der Schlitzlöcher mindestens das Doppelte der Anzahl der Speiseschlitzlöcher 10a sein kann. Die Länge der Antennenspeiseleitung 5 kann kürzer als diejenige gemacht werden, wie sie erforderlich wäre, wenn alle Schlitzlöcher versorgt werden sollten, und demgemäß können Abstrahlungsverluste der Antennenspeiseleitung 5 gesenkt werden, wodurch der Antennenwirkungsgrad gesteigert werden kann.

Obwohl der Abstand zwischen den Speiseschlitzlöchern 10a und den Nichtspeise-Schlitzlöchern 10b hier als diejenige Länge definiert ist, die ungefähr 1,5 Mal größer als die effektive Wellenlänge &lgr; ist, besteht keine Beschränkung des Abstands auf diese Definition. Der Abstand kann als solcher definiert werden, der ungefähr das (0,5+n)-fache (n ist eine ganze Zahl mindestens vom Wert 0) der effektiven Wellenlänge innerhalb des Mehrschichtsubstrats 1 entspricht, um es zu ermöglichen, dass jeweilige Phasen elektromagnetischer Wellen, die von jeweiligen Schlitzlöchern abgestrahlt werden, gleich sind. Wenn jedoch der Abstand ungefähr das 0,5-fache der effektiven Wellenlänge ist, entspricht der Abstand zwischen Speiseschlitzlöchern 10a beinahe der effektiven Wellenlänge. Dann weisen elektromagnetische Streuwellen von einem bestimmten Speiseschlitzloch 10a eine Phase entgegengesetzt zu derjenigen von elektromagnetischen Wellen auf, die von einem diesem bestimmten Schlitzloch 10a benachbarten Speiseschlitzloch 10a abgestrahlt werden, was zu geschwächten elektromagnetischen Wellen führt. Der Abstand zwischen einem Speiseschlitzloch 10a und einem Nichtspeise-Schlitzloch 10b beträgt so wünschenswerterweise ungefähr das (0,5+n)-fache (n ist eine ganze Zahl mindestens vom Wert 1) der effektiven Wellenlänge. Ein größerer Wert von n senkt die Strahlungsmenge von Nichtspeise-Schlitzlöchern 10b. Daher kann die größte Wirkung dann erzielt werden, wenn n den Wert 1 hat. Wenn der Abstand zwischen einem Speiseschlitzloch 10a und einem Nichtspeise-Schlitzloch 10b das (0,5+n)-fache (n ist eine ganze Zahl mindestens vom Wert 1) der effektiven Wellenlänge beträgt, beträgt der Abstand zwischen Speiseschlitzlöchern 10a ungefähr das (1+2n)-fache der effektiven Wellenlänge (z. B. das 3-fache der Wellenlänge). Dann werden elektromagnetische Streuwellen von einem bestimmten Speiseschlitzloch 10a mit einer Phase entgegengesetzt zu derjenigen elektromagnetischer Wellen von einem diesem bestimmten Speiseschlitzloch 10a benachbarten Speiseschlitzloch 10a abgestrahlt, wie oben erläutert. Jedoch beträgt der Abstand zwischen Speiseschlitzlöchern 10a das 3-fache oder mehr der effektiven Wellenlänge, so dass die Phasenumkehr zu beinahe keinem Problem führt.

Nun wird das organische Substrat 7 beschrieben.

Das organische Substrat 7 wird mit der Abstrahlungsseite (betreffend die elektromagnetischen Wellen) des Mehrschichtsubstrats 1, wie es oben erörtert ist, beispielsweise durch die unten erläuterte Prozedur verbunden (auf diese Seite auf laminiert). Als Erstes wird ein Kleber oder Harz mittels eines Spenders oder dergleichen auf die andere Seite des Mehrschichtsubstrats 1 als derjenigen, auf der der Halbleiterchip 8 montiert ist, aufgetragen. Dann wird auf Ecken der anderen Seite des Mehrschichtsubstrats, wo die Verbindung erfolgen soll, ein UV-Harz für zeitweilige Befestigung, um eine Positionsverschiebung zu verhindern, als oben beschriebener Kleber oder als Harz aufgetragen. Das Mehrschichtsubstrat 1 mit der darauf vorhandenen Metallabdeckung 9 wird in einem vertieften Teil eines Tischs positioniert und an diesem befestigt. Das organische Substrat 7 wird an einem Druckausübungswerkzeug befestigt, es erfolgt eine Ausrichtung des Mehrschichtsubstrats 1 und des organischen Substrats 7 in Bezug aufeinander, und dann werden die Substrate 1 und 7 mittels des Klebers oder des Harzes miteinander verbunden (aufeinanderlaminiert).

Das Modul mit integrierter Antenne gemäß dem Ausführungsbeispiel verfügt über die zweite und dritte dielektrische Schicht 1b und 1a mit jeweils einer Dicke von &lgr;/4 oder weniger, und demgemäß sind die Hochfrequenzkreis-Leitung 2 und die Antennenspeiseleitung 5 elektromagnetisch gekoppelt. Über die Hochfrequenzkreis-Leitung 2 auf dem Mehrschichtsubstrat 1 übertragene HF-Signale werden wegen der elektromagnetischen Kopplung mittels der Überlappungsstruktur in Bezug auf die Schlitzlöcher 4 über die Antennenspeiseleitung 5 an eine Anzahl von Schlitzlöchern 10 übertragen. Wenn kein organisches Substrat 7 vorhanden wäre, würde die von der Raumimpedanz verschiedene Impedanz der Schlitzlöcher 10, d. h. die Impedanz-Fehlanpassung, zu einer Reflexion elektromagnetischer Wellen führen, die direkt von den Schlitzlöchern 10 in den Raum abgestrahlt werden sollten, wodurch die Antennencharakteristik beeinträchtigt wäre. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist jedoch das organische Substrat 7 so aufgebracht, dass es alle Schlitzlöcher 10 bedeckt, um Oberflächenwellen innerhalb des organischen Substrats zu löschen, die von jeweiligen Schlitzlöchern 10 abgestrahlt werden, um es dadurch zu ermöglichen, elektromagnetische Wellen wirkungsvoll in den Raum abzustrahlen. Auf diese Weise werden elektromagnetische Wellen in der durch den Pfeil 10 in 2 dargestellten Richtung abgestrahlt.

5 zeigt ein Simulationsergebnis für die Charakteristik einer Schlitzantenne abhängig von der Dicke des organischen Substrats 7 für das 60-GHz-Band. Aus diesem Ergebnis ist erkennbar, dass der Antennengewinn insbesondere dann seinen Maximalwert erreicht, wenn die Dicke des organischen Substrats 7 600 &mgr;m beträgt, wobei die Dicke vorzugsweise im Bereich von ungefähr 350 bis ungefähr 800 &mgr;m liegt. Tatsächlich beeinflusst die Dicke der für die Verbindung verwendeten Kleberschicht (Harzschicht) 11 die Antennencharakteristik. Daher beträgt die Gesamtdicke des organischen Substrats 7 und der Kleberschicht 11, die das Modul aufbauen, wünschenswerterweise von 350 bis 800 &mgr;m (0,1 bis 0,3 Mal so groß wie die effektive Wellenlänge innerhalb des organischen Substrats 7). Die Kleberschicht 11 ist beträchtlich dünner als das organische Substrat 7. Daher ist hier angenommen, dass die Kleberschicht 11 Eigenschaften hinsichtlich des Brechungsindex und dergleichen aufweist, die denen des organischen Substrats 7 entsprechen.

Wenn das organische Substrat 7 und das Mehrschichtsubstrat 1 jeweilige lineare Expansionskoeffizienten aufweisen, die um eine Größenordnung verschieden sind, und wenn sie integriert werden, tritt im Allgemeinen eine Verwindung auf, die auf 25 mm 10 &mgr;m oder mehr beträgt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zum Verhindern des Auftretens einer Verwindung ein Harz auf Siliconbasis als Kleberschicht 11 zum Befestigen des organischen Substrats 7 am Mehrschichtsubstrat 1 verwendet, wobei diese Kleberschicht 11 eine Dicke von 25 bis 100 &mgr;m aufweist. Dann wirkt keine übermäßige Belastung auf den montierten Halbleiterchip, und demgemäß kann ein Modul hoher Zuverlässigkeit erhalten werden. Außerdem können die Substrate mit geringem Druck aneinander befestigt werden.

Weitere Verbesserungen der Antennencharakteristik sind dadurch möglich, dass ein Kleber oder ein Harz mit kleiner Dielektrizitätskonstante, wie z. B. ein Harz auf Fluorbasis, verwendet wird, wobei der Kleber oder das Harz eine Dielektrizitätskonstante von 3,5 oder kleiner aufweist.

Gemäß 1 verfügt das Mikrowellen-Millimeterwellen-Modul mit integrierter Antenne gemäß dem Ausführungsbeispiel über das organische Substrat 7, die auf diesem vorhandene Leiterschicht 6, in der eine Anzahl erster Löcher 10 zum Abstrahlen erster magnetischer Wellen ausgebildet ist, die auf der ersten Leiterschicht G vorhandene erste dielektrische Schicht 1c, die auf dieser vorhandene Antennenspeiseleitung 5, die auf der Antennenspeiseleitung 5 vorhandene zweite dielektrische Schicht 1b, die auf dieser vorhandene zweite Leiterschicht 3 mit dem in ihr ausgebildeten zweiten Loch 4, die auf der zweiten Leiterschicht 3 vorhandene dritte dielektrische Schicht 1a, die auf dieser vorhandene Hochfrequenzkreis-Leitung 2 und den mit dieser verbundenen Halbleiterchip 8, in dem eine Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Schaltung ausgebildet ist. Die erste, zweite und dritte dielektrische Schicht 1c, 1b und 1a weisen jeweils eine Dicke von höchstens &lgr;/4 auf, wobei &lgr; die Wellenlänge elektromagnetischer Wellen repräsentiert, die sich durch die dielektrischen Schichten ausbreiten. Die erste, zweite und dritte dielektrische Schicht 1b, 1c und 1a weisen eine relative Dielektrizitätskonstante von höchstens 10 auf.

Vorzugsweise sind das organische Substrat 7 und die erste Leiterschicht 6 durch eine Harzschicht 11 aufeinanderlaminiert, wobei die Gesamtdicke des organischen Substrats 7 und der Harzschicht 11 0,1 bis 0,3 Mal so groß wie &lgr; ist.

Vorzugsweise enthält die Harzschicht 11 Silicon oder Fluor.

Gemäß den 1 und 4 verfügt das Mikrowellen-Millimeterwellen-Modul mit integrierter Antenne gemäß dem Ausführungsbeispiel über die erste Leiterschicht 6 mit einer Anzahl von in ihr ausgebildeten ersten Löchern 10 zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen, die auf dieser ersten Leiterschicht 6 vorhandene erste dielektrische Schicht 1c, die auf dieser vorhandene Antennenspeiseleitung 5, die auf dieser Antennenspeiseleitung 5 vorhandene zweite dielektrische Schicht 1b, die auf dieser vorhandene zweite Leiterschicht 3, in der das zweite Loch 4 ausgebildet ist, die auf der zweiten Leiterschicht 3 vorhandene dritte dielektrische Schicht 1a, die auf dieser vorhandene Hochfrequenzkreis-Leitung 2, die über das zweite Loch 4 elektromagnetisch mit der Antennenspeiseleitung 5 gekoppelt ist, und einen mit der Hochfrequenzkreis-Leitung 2 verbundenen Halbleiterschicht 8, in dem eine Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Schaltung ausgebildet ist. Zu den ersten Löchern 10 gehören ein durch die Antennenspeiseleitung 5 gespeistes Speiseschlitzloch 10a und ein von ihr nicht gespeistes Nichtspeise-Schlitzloch 10b, wobei der Abstand d zwischen einem Speiseschlitzloch 10a und einem Nichtspeise-Schlitzloch 10b ungefähr (0,5+n)&lgr; beträgt, wobei &lgr; die Wellenlänge von sich durch die dielektrischen Schichten ausbreitenden elektromagnetischen Wellen repräsentiert und n eine ganze Zahl mindestens vom Wert 1 ist.

Vorzugsweise hat n den Wert 1.

Vorzugsweise verfügt das Mikrowellen-Millimeterwellen-Modul mit integrierter Antenne ferner über ein organisches Substrat 7, das abgewandt von der ersten Leiterschicht 6 platziert ist.

Vorzugsweise verfügen die erste, zweite und dritte dielektrische Schicht 1c, 1b und 1a jeweils über eine Dicke von &lgr;/4, wobei &lgr; die Wellenlänge von sich durch die dielektrischen Schichten ausbreitenden elektromagnetischen Wellen repräsentiert, und sie verfügen über eine relative Dielektrizitätskonstante von höchstens 10.

Vorzugsweise sind das organische Substrat 7 und die erste Leiterschicht G durch eine Harzschicht aufeinanderlaminiert, und die Gesamtdicke des organischen Substrats 7 und der Harzschicht 11 ist 0,1 bis 0,3 Mal so groß wie &lgr;.

Vorzugsweise enthält die Harzschicht 11 Silicon oder Fluor.

Beispiel 1

Als Mehrschichtsubstrat 1 aus Keramik mit einer Dielektrizitätskonstante von 4-10 wurde eine Aluminiumoxidkeramik mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 8,9 verwendet. Die Hochfrequenzkreis-Leitung 2, die Leiterschicht 3 mit dem zweiten Loch 4 und die Antennenspeiseleitung 5 wurden dadurch gleichzeitig hergestellt, dass eine Wolframmetallisierung gebrannt wurde, woraufhin die Oberflächen der Hochfrequenzkreis-Leitung 2 und der Leiterschicht 6 mit Gold plattiert wurden. Als auf die Oberfläche einer Anzahl von Schlitzlöchern 10 aufzutragender Kleber (Harz) wurde ein Siliconharz (Dielektrizitätskonstante von 3,1) verwendet. So wurden Proben mit variierter Kleber(Harz)dicke und Proben mit variierter Dicke des organischen Substrats hergestellt.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Dicke des Klebers (des Harzes) dadurch kontrolliert werden kann, dass Druckausübungsbedingungen beim Aufeinanderlaminieren des Mehrschichtsubstrats und des organischen Substrats oder beim Aushärten des Harzes eingestellt werden. Gemäß diesem Beispiel wurden Proben mit einer Kleberschicht (Harzschicht) 11 mit einer Dicke von 25 &mgr;m und 100 &mgr;m hergestellt.

Proben wurden dadurch hergestellt, dass ein Mehrschichtsubstrat 1 und ein organisches Substrat 7 aufeinanderlaminiert wurden. Messergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Wie es aus der Tabelle 1 erkennbar ist, kann eine Antenne mit hohem Wirkungsgrad dadurch hergestellt werden, dass ein organisches Substrat 7 auf eine Anzahl von Schlitzlöchern 10 aufgebracht wird. Insbesondere wurde der maximale Gewinn dann erzielt, wenn die Gesamtdicke (Dicke des organischen Substrats + Dicke der Kleberschicht) 625 &mgr;m betrug.

Beispiel 2

Proben wurden wie beim Beispiel 1 unter Verwendung eines Harzes auf Fluorbasis als Kleber (Harz), der auf die Oberfläche einer Anzahl von Schlitzlöchern 10 aufzutragen ist, mit kleinerer Dielektrizitätskonstante (2,9) als der von Siliconharz und durch Aufeinanderlaminieren eines Mehrschichtsubstrats 1 und eines organischen Substrats 7 hergestellt. Messergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 1

Aus einem Vergleich zwischen der Tabelle 1 und der Tabelle 2 ist es erkennbar, dass ein höherer Wirkungsgrad dann erzielt werden kann, wenn das Harz auf Fluorbasis (ein Fluor enthaltendes Harz) mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante verwendet wird, wofür die Werte in Tabelle 2 angegeben sind, wenn jeweils dieselbe Dicke für das organische Substrat (450 &mgr;m, 600 &mgr;m) und dieselbe Dicke für die Kleberschicht (100 &mgr;m) verwendet werden.

Die vorstehende Erörterung zu diesem Ausführungsbeispiel begrenzt die Erfindung nicht auf die hier beschriebene spezielle Form. Z. B. ist die Erfindung auch in anderen Frequenzbändern als dem 60-GHz-Band anwendbar. Insbesondere kann die hier beschriebene Struktur im Frequenzband von 50 bis 70 GHz verwendet werden, wobei dieselbe Wirkung wie beim oben erörterten Ausführungsbeispiel erzielt wird. Ferner kann alternativ jede beliebige Modulstruktur verwendet werden, die von der in 1 dargestellten verschieden ist. Obwohl die in 4 dargestellten Schlitzlöcher 10 dazu dienen, 16 Elemente zu speisen, kann mit einer anderen Anzahl von Elementen derselbe Effekt erzielt werden. Außerdem kann die abwechselnde Anordnung von Speiseschlitzlöchern 10a und Nichtspeise-Schlitzlöchern 10b durch eine andere Anordnung ersetzt werden, bei der zwei Nichtspeise-Schlitzlöcher 10b zwischen einander benachbarten Speiseschlitzlöchern 10a in der Richtung rechtwinklig zur Richtung vorhanden sind, in der sich die Schlitzlöcher 10 erstrecken.

Gemäß der Erfindung kann der Wirkungsgrad einer Schlitzantenne durch Auflaminieren eines organischen Substrats und durch Festlegen der Gesamtdicke einschließlich der Dicke einer Kleberschicht verbessert werden. So kann eine Schlitzantenne mit hohem Wirkungsgrad erzeugt werden. Demgemäß kann ein Mikrowellen-Millimeterwellen-Modul mit integrierter Antenne mit hervorragenden Eigenschaften erhalten werden.

Ferner können durch die Struktur von Schlitzlöchern mit Speiseschlitzlöchern und Nichtspeise-Schlitzlöchern die Übertragungsverluste einer Antennenspeiseleitung gesenkt werden, wodurch der Antennenwirkungsgrad gesteigert werden kann.


Anspruch[de]
Mikrowellen-Millimeterwellen-Modul, welches mit einer Antenne integriert ausgebildet ist, mit:

– einer ersten Leiterschicht (6) mit einer in ihr ausgebildeten Anzahl erster Löcher (10) zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen;

– einer auf dieser vorhandenen ersten dielektrischen Schicht (1c);

– einer auf dieser vorhandenen Antennenspeiseleitung (5);

– einer auf dieser vorhandenen zweiten dielektrischen Schicht (1b);

– einer auf dieser vorhandenen zweiten Leiterschicht (3), in der ein zweites Loch (4) ausgebildet ist;

– einer auf der zweiten Leiterschicht vorhandenen dritten dielektrischen Schicht (1a);

– einer auf dieser vorhandenen Hochfrequenzkreis-Leitung (2), die durch das zweite Loch (4) elektromagnetisch mit der Antennenspeiseleitung gekoppelt ist; und

– einem mit der Hochfrequenzkreis-Leitung verbundenen Halbleiterchip (8), in dem eine Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Schaltung ausgebildet ist;

– wobei zu den ersten Löchern (10) ein von der Antennenspeiseleitung gespeistes Antennenschlitzloch (10a) und ein nicht von dieser gespeistes Nichtspeise-Schlitzloch (10b) gehören; und

– der Abstand d zwischen einem Speiseschlitzloch und einem Nichtspeise-Schlitzloch ungefähr (0,5+n)&lgr; beträgt, wobei &lgr; die Wellenlänge von sich durch die dielektrischen Schichten ausbreitenden elektromagnetischen Wellen repräsentiert und n eine ganze Zahl mindestens vom Wert 1 ist.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass n den Wert 1 hat. Modul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein dielektrisches Substrat (7), das abgewandt von der ersten Leiterschicht (6) plaziert ist. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Substrat (7) eine relative Dielektrizitätskonstante von mindestens 2 und höchstens 4 aufweist. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite und dritte dielektrische Schicht (1c, 1b, 1a) jeweils eine Dicke von &lgr;/4 oder weniger und eine relative Dielektrizitätskonstante von 10 oder weniger aufweisen. Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Substrat (7) und die erste Leiterschicht (6) durch ein Laminatharz (11) aufeinanderlaminiert sind, wobei die Gesamtdicke des dielektrischen Substrats und des Laminatharzes 0,1 bis 0,3 Mal so groß wie &lgr; ist. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminatharz (11) Silicon oder Fluor enthält.






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