富士通研、77GHz帯CMOSパワーアンプで出力32mWを実現する実装技術を開発

　

　富士通研究所は10月29日、車載レーダや無線通信端末などへ適用可能なミリ波帯高出力増幅器(パワーアンプ)を実現する実装技術を開発したと発表した。詳細は、10月28日にオランダにて開催された国際会議「EuMC 2012(European Microwave Conference 2012)」で発表された。

　近年、77GHz帯車載レーダや60GHz帯を利用した大容量無線通信端末など、ミリ波を利用したアプリケーションの普及が進みつつある。これらのアプリケーションに用いられるRF送受信ICには、現在、高周波特性に優れた化合物半導体が適用されている。一方で、近年のCMOS技術も微細加工技術の進展により動作速度が化合物半導体並みに向上しており、RF回路を化合物半導体から低価格で大量生産可能なCMOSに置き換えるための研究が進められている。

　RF送受信ICをCMOSチップ上に集積化する際、送信部に使われるパワーアンプの高出力化が課題となっている。微細化の進展とともにCMOSの電源電圧が低下するため、出力電力の大きなパワーアンプを実現することが難しく、化合物半導体並みの電力が得られなかった。

　パワーアンプを高出力化させる手段として、複数個のパワーアンプを並列に配置して、その出力を合成する手法が知られている。この合成回路をCMOSオンチップ配線で形成した場合、配線厚が薄いため配線抵抗が大きく、パワーアンプが出力した電力に対して、出力部に到達するまでに約30%の電力が減衰し、効率が低下していた。一方で、電子機器に一般的に用いられるプリント基板上に電力合成回路を形成する場合、配線の微細加工が難しく、ミリ波帯の高周波信号を伝達するのが困難な上、パワーアンプを含むモジュール全体のサイズが大きくなる問題があった。このため、小型で効率よく電力を合成する回路の実現が望まれていた。

　図1 従来のパワーアンプ合成回路の形式

　今回、パワーアンプから出力されるミリ波帯高周波信号をチップの外のモジュール内で合成する新たな実装技術「再配線技術」を開発し、ミリ波パワーアンプの高出力化を実現した。「再配線技術」とは、半導体部品のパッケージ形式の1つで、チップ化された半導体素子をモールド樹脂によりウェハ状に再構築し、その後、配線工程を経てチップ間の端子パターンを接続するパッケージの形態を言う。ウェハ状に加工されているため、微細な配線パターンを形成することができる。

　また、図2(b)の断面図のように、チップコンデンサなど異なる種類のデバイスも一体集積化することができ、かつ、部品を高密度に実装することが可能。1層の配線層からなる再配線を用いた実装技術は、これまで携帯電話などに使われる小型実装技術として発展してきたが、ミリ波信号の伝送に適した配線構造は開発されておらず、適用例はほとんどなかった。

　図2 再配線を適用した集積パッケージ

　今回、ミリ波帯の高周波信号が伝達できるように、配線層を複数用いる多層配線技術を適用した電力合成器を開発した。再配線で形成する配線層は、図3(b)に示すように、一般的なCMOSオンチップ配線厚に比べて5倍以上厚膜な配線層を形成することが可能。これにより、配線における抵抗を小さくすることができ、合成器の損失を小さくできる。さらに、絶縁膜や、配線パターンの幅を最適化することにより、信号減衰が10%以下となる電力合成回路を開発した。

　図3 CMOSオンチップ配線と再配線の断面比較

　この電力合成回路をCMOSパワーアンプに適用した高出力なパワーアンプモジュールを開発。出力電力が9mWの77GHz帯CMOSパワーアンプを4個並列に配置し、その入出力を再配線技術で形成した合成回路で接続し、電力損失を従来の手法の約30%から10%に低減することで、電力の合成効率90%を達成し、出力電力32mWを実現することに成功した。

　図4 再配線技術を適用したパワーアンプのモジュール写真

　今回、課題となっていたパワーアンプをCMOSチップで作成可能とすることで、すべてのミリ波RF回路をCMOSで実現することが可能となる。これにより、RF送受信ICを小型・低コストに作成し、安価なミリ波アプリケーションを提供することが期待される。また同社では、今回開発した技術を応用し、パワーアンプ以外のミリ波帯RF回路の接続にも広範囲に適用し、低コスト、小型な無線通信モジュールを開発していく計画とコメントしている。