1．まえがき 本論文は，ここ数年の間に国内外の大学，研究機関等 で研究開発された衝突防止レーダ用 77 GHz 帯 MMIC（マ イクロ波モノリシック集積回路）モジュールの技術内容 について，総合的に報告することを目的とする。近年， 衝突防止レーダの実用化が進むにつれて，R&D のター ゲットは性能面よりは低コスト，大量生産性，高歩留り を重要視するようになりつつある。これらの厳しい要求 に応えるために，ミリ波帯モジュールでは特に実装関係 すなわちパッケージ，内部接続，インターフェース等で 様々な技術革新が行われている。またミリ波半導体デバ イス，MMIC についても低コスト，大量生産に向けて 様々な取り組みがなされている。本論文ではまずミリ波 半導体デバイス，77 GHz 帯 MMIC の技術革新について紹 介し，次に 77 GHz 帯 MMIC モジュールの高密度実装技 術，パッケージ，内部接続，インターフェース等の最新 技術動向を紹介する。最後に衝突防止レーダに応用する にあたっての当面および将来の技術課題について述べる。 2．本 論 2.1 衝突防止レーダ 衝突防止レーダはより安全で快適な車社会を目指す高 度道路交通システム (ITS) を構成する重要なシステムの ひとつであり， 高信頼の小容量伝送特性が求められ る1),2)。一方，車々間，路車間通信などマルチメディア 通信には大容量伝送が必要である。これらのシステムは 無線通信技術，ミリ波半導体デバイス，MMIC 技術に大 きく支えられている。ミリ波は大量の情報を瞬時に取り 扱いでき，直線性が良く，他の無線システムとの干渉が 少ない特徴がある。しかし低コストで大量に供給するた めには，技術的課題が山積されているのが現状である。 ミリ波半導体デバイス，MMIC はもちろんのこと，特に ミリ波 MMIC モジュールの実装技術，パッケージ，内部 接続，インターフェース等を如何に低コストで大量に安 定に作るかが最大の関心事である。いままで準マイクロ 波，マイクロ波帯ではノウハウで片付けられていたもの を，ミリ波帯では技術として取り上げ，その完成度を上
ミリ波 ITS 用 77 GHz 帯 MMIC モジュールの
設計手法の現状と将来展望
伊 藤 康 之 *
Technical Trends of the 77-GHz MMIC Module Design Techniques for
Automotive Cruise Control Applications
Yasushi ITOH*
This review paper presents the recent advances in 77-GHz MMIC module design techniques for automotive radar ap-plications. The target of R&D activities is moving from high performance to low cost, mass production, high-yield manu-facturing and testing. In order to meet the stringent requirements, millimeter-wave module design techniques have made significant progress especially in packaging, bonding, and making interface with other modules. In addition, millimeter-wave semiconductor devices and MMICs have made remarkable improvements for low cost and mass production. In this paper, the topics focusing on millimeter-wave semiconductor devices and 77-GHz MMICs are reviewed first. Then the re-cent R&D results on 77-GHz MMIC module design techniques are introduced, showing the technical trend of packaging, bonding, and making interface with other modules for millimeter-wave, highly-integrated, low-cost MMIC modules. Fi-nally, the existing and future module design issues for automotive radar applications are discussed.
INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Vol. 40, No. 1, 2006
*電気電子メディア工学科 教授 平成 17 年 10 月 28 日受付
げる必要がある。 2.2 ミリ波半導体デバイス ミリ波半導体デバイスは表 1 に示すように様々な分野 に応用されている3),4)。この中で最も量産が期待できるの が 76 GHz77 GHz 帯の衝突防止レーダである。このレー ダシステムは現在高級車のみをターゲットとしているが， 近い将来には中級車にも装備される。 ミリ波半導体デバイスの出力対周波数特性を図 1 に示 す5) 。30 GHz を越えるミリ波帯では GaAs（ガリウム砒 素）または InP（インジウムリン）が主流である。しか し SiGe HBT（シリコンゲルマニウムを用いたヘテロ接合 バイポーラトランジスタ）あるいは BiCMOS（バイポー ラトランジスタと MOS 型トランジスタが同居するデバ イス） の性能改善が著しく， 低雑音応用の分野では GaAs や InP にせまる勢いである。一方，高出力応用で
は GaAs が依然として主流であるが，GaN HEMT（窒化 ガリウムを用いたヘテロ接合電界効果トランジスタ）の 性能改善が著しく，これもまた GaAs にせまる勢いであ る。携帯電話と同様，最初は GaAs などの化合物半導体 が主流であっても，価格面で圧倒的な優位性を有する Si デバイス，SiGe HBT や BiCMOS が衝突防止レーダ応用 にも一役買うのは間違いない。 77-GHz帯 MMIC にはどういうミリ波半導体デバイスが 使用されているのかを表 2 に示す。合計 43 のデバイスの ほとんどは GaAs である。InP はガンダイオード，バラ クタダイオードや HBT の半導体材料として用いられて おり，これらは 77-GHz 帯発振器に使用される。GaAs に 置き換えるには，GaAs の高周波特性，パワー特性の改 善が必要である。 次に Si については，SiGe HBT や BiCMOS の高周波特 性の改善が Infineon 社により積極的に行われている6) 。 今後 56 年の間に GaAs と SiGe が混在したモジュール が出現すると考えられる。GaN については，ここ数年の 間 に GaN デ バ イ ス の 高 周 波 特 性 の 改 善 が 進 み ， 0.25100 mm AlGaN/GaN HEMT を用いて 30 GHz 帯で最 大有能電力利得 6.2 dB，出力 2 W が得られたとの報告が ある7)
。いずれにせよ SiGe, GaN は次世代のミリ波 MMIC モジュールのキーデバイスであることは間違いない。 2.3 77-GHz 帯 MMICs 77-GHz 帯フロントエンドモジュールを構成する MMIC には増幅器，発振器，ミクサ，スイッチ，逓倍器があ る。これらの MMIC のキーワードは GaAs，コプレーナ， フリップチップであり，以下 MMIC のトピックス，技術 動向を紹介する。 2.3.1 77-GHz 帯 MMIC 増幅器 77-GHz帯 MMIC 低雑音および電力増幅器の代表的な 特性を表 3 に示す。それぞれの増幅器について，参考文 献，発表年，増幅器の種類，IC の種類，チップサイズ， 基板材料，デバイスの種類，ゲート長，ゲート幅，伝送 表 1 ミリ波半導体デバイスの応用分野3),4)
Field Application Frequency (GHz)
Wireless Terrestrial 59–64 (USA)
Communication Broadband 54–66 (Europe)
Satellite Two-Way Link 12–18 (Up)
Communication 26–40 (Down)
Road Transport Vehicle–Vehicle 63–64
Telematics Automotive Radar 76–77
Military Imaging 94
表 2 77-GHz帯 MMIC に使用されているミリ波半導
体デバイス
Device Si InP GaAs
Diode Schottky 1 0 2 Varactor 0 2 2 PIN 0 0 4 Gunn 0 2 3 FET MESFET 0 0 1 pHEMT 0 0 25 BJT HBT 0 1 0 Sum 1 5 37
Total number of semiconductor devices43
線路の種類，1 段あたりの利得，電力密度を示した。 表 3 に示した増幅器のほとんどは，プロセスの完成度 が高いゲート長が 0.10.15 mm の GaAs pHEMT（歪格子 系ヘテロ接合電界効果トランジスタ）を使用している。 参考文献9)12)に記載されている低雑音増幅器はコプレー ナ線路を用い，フリップチップ実装されている。一方， 参考文献8),13),14) に記載されている電力増幅器はマイクロ ストリップ線路を用い，フェースアップの構造を採用し ている。なお基板は放熱性と出力改善のために厚みを薄 くしている。参考文献11),12) では，フリップチップ構造の コプレーナ線路のデータベースが少ないため，インピー ダンスの実測と電磁界シミュレーションを行っている。 参考文献10) は金のバンプの通過損失を測定しており， 15mm 厚の金バンプで通過損失が 0.15 dB@77 GHz であっ たと報告している。またフリップチップ実装による利得 の変化が 77 GHz で約 1 dB であったと報告している。 2.3.2 77-GHz 帯 MMIC 発振器 77-GHz帯 MMIC 発振器の代表的な特性を表 4 に示す。 それぞれの発振器について，参考文献，発表年，発振器 の種類，IC の種類，チップサイズ，基板材料，デバイス の種類，ゲート長，ゲート幅，伝送線路の種類，1 段あ たりの利得，電力密度を示した。 MMIC タイプの発振器15),17) には，集積化が容易になる ように InP HBT や GaAs pHEMT が用いられる。一方，
HMIC タイプの発振器16),18)20)には，高出力を得るために GaAs または InP のガンダイオードが用いられる。これ らのガンダイオードは挿入損失を低減し生産性が向上す るようフリップ実装されている。ミリ波帯では高周波特 性および出力特性に優れた GaAs ガンダイオードが主流 である。HEMT や HBT などのトランジスタは出力特性 の改善が課題である。最近 SiGe デバイスの高周波特性 の改善が著しく，0.35 mm SiGe HBT を用いた VCO が， 74 GHz 帯で 14 GHz の可変帯域幅を有する特性を示して いる21) 。 2.3.3 77-GHz 帯 MMIC ミクサ 77-GHz帯 MMIC ミクサの代表的特性を表 5 に示す。そ れぞれのミクサについて，参考文献，発表年，ミクサの 種類，IC の種類，チップサイズ，実装方法，基板，デバ 表 3 77-GHz MMIC 低雑音および電力増幅器の代表的な特性 (a)
Ref. Year Type IC Size [mm2] Substrate Device
8) 1997 PA MMIC 1.51.2 GaAs pHEMT
PA MMIC 31.2 GaAs pHEMT
9) 1998 LNA MMIC 2.52 GaAs pHEMT
10) 1998 LNA MMIC 2.41.1 GaAs pHEMT
11) 1999 LNA MMIC — GaAs pHEMT
12) 2000 LNA MMIC 2.21.7 GaAs pHEMT
13) 2000 PA MMIC 2.31.6 GaAs pHEMT
PA MMIC 2.31.6 GaAs pHEMT
14) 2003 PA MMIC 3x.2 GaAs pHEMT
(b)
Ref. Lg [mm] Wg [mm] Stage Trans. Line G [dB/Stage] P [W/mm]
8) 0.15 100 (Final) 3 MS 4.5 0.15 0.15 100 (Final) 3 CPW 3 0.09 9) 0.15 80 4 CPW 4.4 — 10) 0.15 — 3 CPW 5.7 — 11) — — 3 CPW 5.3 — 12) 0.1 75 2 CPW 5.6 — 13) 0.1 640 (Final) 3 MS 4 0.16 0.1 1280 (Final) 3 MS 2.7 0.16 14) 0.1 640 (Final) 2 MS 5 0.22
イスの種類，RF 周波数，変換損，LO 出力，伝送線路の 種類を示した。ひとつのバランでバランス型構成をとれ るシングルバランスミクサが積極的に開発されている 24),25),27)29)。デバイスのペアリングの問題もなく簡単な回 路構成が魅力的である。FET を抵抗，ダイオード，また は 3 端子デバイスとして使うかどうかは，ミクサに対す る仕様，すなわち変換損，雑音指数，局部発振器の出力 レベル，消費電流，線形性に大きく依存する。 表 5 において，文献24)記載のミクサはミクサ全体がフ リップチップ実装されている。一方，文献26),27) において は，ダイオードチップのみがフリップチップ実装されて いる。表 5 に示すミクサのほとんどは GaAs pHEMT ま たは MESFET（MES 型電界効果トランジスタ）を用い ている。しかし Infineon は低廉化のために Si SBD
(Schot-tky Barrier Diode) を用いている26)。ミリ波帯ミクサに Si
SBDs が使用され始めたということは，77-GHz 帯ミクサ も本格的に大量生産，低コスト の時代に突入したことを 意味する。 2.3.4 77-GHz 帯 MMIC スイッチ 77-GHz帯 MMIC スイッチの代表的特性を表 6 に示す。 それぞれのスイッチについて，参考文献，発表年，ス イッチの種類，IC の種類，チップサイズ，実装方法，基 板，デバイスの種類，周波数帯，挿入損失，アイソレー ション，スイッチングスピードを示した。 ミリ波帯スイッチには GaAs PIN ダイオードが用いら れる。GaAs PIN は低損失，高アイソレーション，速い スイッチングスピードを有し，また MMIC への集積化が 容易である。GaAs PIN ダイオードは高出力特性にも優 れているため，送信モジュールにも使用される。GaAs PIN ダイオードは数ナノ秒の TTL ドライバでも駆動が可 能である。 2.3.5 38/76-GHz 帯 MMIC 逓倍器 38/76-GHz帯 MMIC 逓倍器の代表的特性を表 7 に示す。 それぞれの逓倍器について，参考文献，発表年，逓倍器 の種類，IC の種類，チップサイズ，実装方法，基板，デ バイスの種類，周波数帯，変換損，入力電力のレベル， 飽和出力，伝送線路の種類を示した。 発振は直接発振と低い周波数からの逓倍に分けられ る。逓倍器は設計自由度があり，また低い周波数帯で高 Q共振回路を使えるメリットがある。逓倍器には受動， 能動の 2 つのタイプがあり，ここで紹介する文献35)37)記 載の逓倍器はすべて GaAs pHEMT を用いた能動タイプ である。受動タイプは回路構成が簡単で高出力化が可能 であるが，変換損が大きくミリ波には向かない。 表 4 77-GHz MMIC 発振器の代表的な特性 (a)
Ref. Year Type IC Size [mm2] Jisso Substrate
15) 1997 FIX MMIC 1.52 Face-Up InP
16) 1999 FIX+VCO HMIC 5.43.6 Flip-Chip GaAs
17) 1999 VCO MMIC 0.921.92 Face-Up GaAs
18) 2000 FIX HMIC 6.54 Flip-Chip InP
19) 2000 VCO HMIC 5.43.6 Flip-Chip InP
20) 2001 FIX HMIC — Flip-Chip GaAs
21) 2003 VCO MMIC — — SiGe
(b)
Ref. Device Freq [GHz] Tuning [MHz] Power [mW] C/N [dBc/Hz] Offset [kHz]
15) HBT 77.6 1400 0.5 — — 16) Gunn 53.73 — 63.1 87.67 100 17) pHEMT 76.4 2000 5 78 1000 18) Gunn 77.1 — 87.7 78 100 19) Gunn 76.45 770 42.7 76 100 20) Gunn 38.2 — 120 — — 21) HBT 74 14000 3.5 96.5 1000
表 5 77-GHz MMIC ミクサの代表的な特性
(a)
Ref. Year Type (1) Type (2) IC Size [mm2] Jisso
22) 1998 Balanced Diode MMIC 1.51 Face-Up
Single Resistive MMIC 1.51 Face-Up
Balanced Resistive MMIC 1.51 Face-Up
Single Active MMIC 1.51 Face-Up
23) 1998 Self Osc. — MMIC 21 —
24) 1998 SNG BAL Diode MMIC 1.61.7 Flip-Chip
25) 1999 SNG BAL Diode MMIC — —
26) 2001 2Balanced — HMIC 1012 Flip-Chip
27) 2001 SNG BAL Diode HMIC 5.43.6 Flip-Chip
28) 2001 SNG BAL Resistive MMIC 2.71.2 Face-Up
29) 2003 SNG BAL Diode MMIC 0.70.8 Face-Up
(b)
Ref. Substrate Device Freq [GHz] Conv. L/G [dB] Lo. PW [dBm] Trans. Line
22) GaAs pHEMT 76.5 9.5 7 CPW GaAs pHEMT 76.5 8.5 3 CPW GaAs pHEMT 76.5 13.5 1 CPW GaAs pHEMT 76.5 2 0 CPW 23) GaAs pHEMT 77 12 6 MS 24) GaAs MESFET 77.1 14.7 3.5 CPW 25) GaAs pHEMT 76.77 3 2 — 26) Si SBD 76.5 10 6 MS 27) GaAs SBD 75.93 7.8 10 MS 28) GaAs pHEMT 77 22.5 0 MS 29) GaAs pHEMT 77 11 2 MS
SNG BAL: Single-device Balanced; SBD: Schottky Barrier Diode; Conversion LG: Conversion Loss or Gain; Lo. PW: Local Power.
表 6 77-GHz MMIC スイッチの代表的な特性
(a)
Ref. Year Type IC Size [mm2] Jisso Trans. Line
30) 1997 SW network MMIC 1.82.1 Face-Up MS
31) 1998 SPDT MRD Guide — — MRD Guide
32) 1999 SP3T MMIC 1.10.9 Face-Up CPW
33) 2001 SP3T MMIC 2.21.4 Face-Up CPW
34) 2003 SPDT MMIC 1.451 Face-Up MS
(b)
Ref. Substrate Device Freq [GHz] Loss [dB] Isolation [dB] SW speed
30) GaAs PIN 77 1.2 32 2nS
31) GaAs PIN 77 2.5 20 —
32) GaAs PIN 76.5 1.4 20 —
33) GaAs PIN 76.5 1.5 31 —
2.4 77-GHz 帯 MMIC モジュール ミリ波 MMIC モジュールのパッケージには様々なタイ プがある。例えば導波管をベースにした従来のメタル パッケージ，MCM（マルチチップモジュール：複数の IC を平面的に並べてパッケージに収納する構造），SiP（シ ステムインパッケージ：パッケージと IC の両方に回路 を形成して一体化，集積化を図る構造），SoC（システム オンチップ：いわゆるワンチップモジュールでパッケー ジの機能も有する構造）などである。技術的動向はメタ ルパッケージから高集積化，低廉化が期待できる SiP や SoC に移行しつつある。どのようなパッケージ材料を選 ぶのか，どのようなダイボンディング手法を用いるのか， また外部回路とのインターフェースをどうするのか等は ミリ波モジュールを設計する際の重要な技術課題である。 77-GHz帯 MMIC モジュールの代表的なパッケージおよ び IC の集積レベルを表 8 に示す。それぞれの MMIC モ ジュールについて，参考文献，発表年，機能，モジュー ルタイプ，パッケージ材料，モジュールサイズ，収納す る IC 数，インターフェースを示した。77-GHz 帯 MMIC モジュールは MMIC から構成されるため，パッケージの 構 造 は 基 本 的 に MCM に な る 。 そ れ ぞ れ の MMIC は フェースアップまたはフリップチップでダイボンディン グされるため，モジュールサイズは MMIC チップサイズ の和より大きくなる。 この問題を解決する方法として，MMIC の回路の一部 をパッケージの多層基板上に形成する SiP，すべての回 路を 1 チップ上に 3 次元的に形成する SoC がある。以下 77-GHz帯 MMIC モジュールの例として，導波管をベース としたメタルパッケージ，MCM, SiP, SoC を紹介する。 2.4.1 導波管をベースとしたメタルパッケージ 従来の導波管をベースにしたメタルパッケージとは， 導波管をインターフェースとするミリ波コンポーネント 表 7 38/76-GHz 帯 MMIC 逓倍器の代表的な特性 (a)
Ref. Year Type (1) Type (2) IC Size [mm2] Jisso
35) 1999 Single-ended active MMIC 11.5 Face-Up
36) 2000 Balanced active MMIC 2.92.5 Face-Up
37) 2001 Single-ended active MMIC 1.21.4 Face-Up
(b)
Ref. Substrate Device Freq [GHz] Conv. L/G [dB] Input PW [dBm] Psat [dBm]
35) GaAs pHEMT 38/76 4 10 10
36) GaAs pHEMT 38/76 3.3 0 5
37) GaAs pHEMT 38.25/76.5 10 5 9.0
表 8 77-GHz 帯 MMIC モジュールの代表的なパッケージおよび IC の集積レベル
Ref. Year Function MDL Type PKG Size [mm2] Number of ICs Interface
38) 1999 Front-End WG Metal — 4 WG
39) 2004 Front-End MCM Metal 6060 6 WG
40) 2000 Tranceiver SiP GlassMetal — 6 —
41) 1997 Front-End MCM Metal — 3 —
42) 1998 Tranceiver MCM Metal — 3 —
43) 1999 Tranceiver SiP Metal — 6 —
44) 2004 Receiver SiP SiMetal 1111 6 —
45) 1998 Tranceiver SoC — 32 5 CPW
をお互いに接続したもののことである。例として，77-GHz帯レーダのフロントエンド38)を図 2 に示す。フロン トエンドはガン発振器，E 面の 3 dB カップラ，フィンラ インミクサから構成されている。すべてのコンポーネン トはメタルパッケージでできており導波管のインター フェースを有する。導波管をインターフェースとするた め，パッケージサイズは大きく，集積レベルは低い。 2.4.2 77-GHz 帯 MCM 77-GHz帯 MCM の代表的な例39) を図 3 に示す。図 3 は 77-GHz 帯送受信モジュールであり，(a) VCO，(b) 逓倍器， (c) 増幅器，(d) コンバータ，(e) 分配器，(f) DRO から構成 される。これらの 6 種類の MMIC または HMIC は基板ま たはパッケージにフェースアップの状態で直接ダイボン ドされる。MMIC または HMIC 間が 50 W 線路を介して接 続される。この MCM のサイズは 60 mm2 である。 2.4.3 77-GHz 帯 SiP 77-GHz帯 SiP の概念図44) を図 4 に示す。MCM や SoC と異なり，SiP のすべての回路がシングルチップまたは マルチチップ上に形成されるわけではない。図 4 では， フィルタやアンテナの回路が IC 上ではなくパッケージの 多層基板上に形成されている。この多層基板はマイクロ マシン技術によってエッチング加工された 2 枚の Si 基板 に挟まれる。 77-GHz帯 SiP のもうひとつの例40)を図 5 に示す。図 5 は 6 種類の MMIC から構成される 77-GHz 帯の送信モ ジュールである。MMIC は (a) 76-GHz 帯ミクサ，(b) 19/38 帯逓倍器，(c) 19-GHz 帯増幅器，(d) 19-GHz 帯発振器, (e) 76-GHz 帯スイッチ，(f) 38/76-GHz 帯逓倍器＋増幅器であ る。 2.4.4 77-GHz 帯 SoC 77-GHz 帯 SoC の代表的な例45) を図 6 に示す。図 6 は 77-GHz の送信モジュール IC であり，(a) 2 段構成の低雑 音増幅器, (b) 2 段構成の中出力増幅器，(c) ラットレース カップラ，(d) ミクサ，(e) 2 段構成の高出力増幅器から構 図 2 77-GHz 帯レーダのフロントエンド38) 図 3 77-GHz 帯 MCM の代表的な例39) 図 4 77-GHz 帯 SiP の概念図44) 図 5 77-GHz 帯 SiP の例40)
成される。MCM や SiP と異なり，送信モジュールのす べての回路が GaAs MMIC の 1 チップ上に形成されてい る。チップサイズは 32 mm2 である。さらに集積度を上 げるためには，チップ上に多層の誘電体膜を形成し，そ こに分布定数素子や集中定数素子を形成する。 2.4.5 77-GHz 帯セラミクスパッケージ セラミクスパッケージはマイクロ波帯の半導体のパッ ケージに幅広く用いられている。しかしミリ波帯になる と，セラミクスパッケージの不要な共振モードを避ける ために，メタルパッケージが用いられる場合が多い。図 7はミリ波帯のメタルパッケージの例49) であり，入出力 端子にマイクロストリップ線路 ストリップ線路 マイ クロストリップ線路の構造を採用している。この構造は 周波数帯が W 帯ぐらいになると，設計や試作の精度が 得られず，実現が難しくなる問題がある。 この問題を解決するために，様々な構造のセラミクス パッケージが開発されている。図 8 の例では，入出力端 子部分にマイクロストリップ線路 スロット線路 マイク ロストリップ線路の構造を採用しており，電磁界結合を 利用して 2 つの線路を結びつけている49)。図 9 の例では， 入出力端子部分にマイクロストリップ線路 バイアホール コプレーナ線路の構造を採用し，垂直給電を行ってい る48) 。 2.5 衝突防止レーダ応用に当たっての課題 ミリ波帯 MMIC モジュールが，本格的に衝突防止レー ダ等の ITS へ応用されはじめたのに伴い，R&D のター ゲットも性能面よりコスト，大量生産性，歩留りを重視 する方向に向かいつつある。しかし低コスト，大量生産， 高歩留りへの取り組みは始まったばかりであり，次に示 すような解決すべき技術課題が山積しているのが現状で ある。
・ GaAs Gunn diode の高周波特性の改善
・ GaAs Gunn diodes の GaAs MMIC または SiP への集積 化 ・ミリ波帯における GaAs 基板上コプレーナ線路のデー タライブラリの構築 ・フリップチップのバンプまたはピラーの S パラメータ取 得および等価回路モデリング ・メタルパッケージにかわるミリ波帯低コストセラミク スパッケージの開発 ・ミリ波帯 SiP 用多層基板の材料および構造の開発 ・ミリ波帯 SiGe HBT/BiCMOS MMIC の開発
図 6 77-GHz 帯 SoC の代表的な例45) 図 7 ミリ波帯のメタルパッケージの例49) 図 8 入出力端子部分にマイクロストリップ線路 ス ロット線路マイクロストリップ線路の構造を採 用したパッケージ49) 図 9 入出力端子部分にマイクロストリップ線路 バ イアホールコプレーナ線路の構造を採用した パッケージ48)
3．結 論 77-GHz帯 MMIC モジュールの最近のトピックスおよび 技術開発動向について述べた。R&D のターゲットはすで に性能面からコスト，大量生産性，高歩留りに移りつつ あり，このことは過去 10 年の間に低コストミリ波 MMIC モジュールの量産性についての論文が数多く発表されて いることからも伺える。今後 10 年を展望すると，いま だ GaAs MMIC を主体としたモジュールが主流となるが， 低コストと量産性に優れた SiGe HBT や BiCMOS が高周 波特性，出力特性を持続して改善され，GaAs におきか わっていくのも間違いない。 参 考 文 献
1) M. Fujise, “Millimeter-wave ITS communication system:
For safer and more comfortable vehicle”, Journal of the IEICE, Vol. 87, No. 9, 744–749, September 2004.
2) Journal of the IEICE, Vol. 87, No. 9, 743–769, September
2004.
3) S. Curtis, “Low-cost packaging is priority for
millimeter-wave MMICs”, Compound Semiconductor, Vol. 11, No. 1, pp. 21–24, 2005.
4) R. Stevenson, “Compound semiconductor device”,
Com-pound Semiconductor, Vol. 10, No. 5, pp. 18–20, 2005.
5) Y. Itoh and K. Honjo, “Fundamental Perspective of
Fu-ture High Power Devices and Amplifiers for Wireless Communication Systems”, IEICE Trans. Electron., Vol. E86-C, No. 2, pp. 108–119, February 2003.
6) W. Schelmbauer, H. Pretl, L. Maurer, B. Adler, R. Weigel,
R. Hagelauer, and J. Fenk, “An analog Baseband chain for a UMTS zero-IF receiver in a 75 GHz SiGe BiCMOS technology”, 2002 IEEE IMS Digest, pp. 13–16.
7) T. Inoue, K. Kasahara, H. Miyamoto, Y. Ando, Y.
Okamoto, T. Nakayama, and M. Kuzuhara, “Ka-band 2.3W power AlGaN/GaN Heterojunction FET”, IEICE Technical Report, ED2002-265, January 2003.
8) N. Kurita, K. Kamozaki, and H. Kondoh, “77GHz-band
MMIC power amplifier”, IEICE NTCV, C-2-37, March 1997.
9) T. Hirose, T. Shimura, K. Ono, K. Makiyama, Y. Ohashi,
and Y. Watanabe, “A multistage MMIC amplifier for W-band applications”, IEICE NTCV, C-2-23, March 1998.
10) K. Maruhashi, M. Ito, H. Kusamitsu, Y. Morishita, and K.
Ohata, “RF performance of a 77 GHz monolithic CPW amplifier with flip-chip interconnections”, 1998 IEEE IMS, pp. 1095–1098.
11) K. Ono, T. Hirose, T. Shimura, K. Makiyama, Y. Ohashi,
and Y. Watanabe, “Flip-chip MMIC design with coplanar Wave-guide transmission line for multistage W-band amplifier”, IEICE NTCV, C-2-61, March 1999.
12) Y. Arai, Y. Ogawa, T. Hamada, H. Fujishiro, and S. Seki,
“A 76GHz-band coplanar MMIC high gain amplifier”, IEICE NTCV, C-2-54, March 2000.
13) H. Wang, L. Samoska, T. Gaier, A. Peralta, H. H. Liao, Y.
C. Cehn, M. Nishimoto, and R. Lai, “Monolithic power amplifiers covering 70–113 GHz”, 2000 IEEE RFIC, pp. 39–42.
14) H. Chang, H. Wang, M. Yu, and Y. Shu, “A 77-GHz MMIC
power amplifier for automotive radar applications”, IEEE MWCL, Vol. 13, No. 4, pp. 143–145, April 2003.
15) H. Wang, L. Tran, J. Cowles, E. Lin, P. Huang, T. Block,
D. Streit, and A. Oki, “Monolithic 77- and 94-GHz InP-based HBT MMIC VCOs”, 1997 IEEE RFIC, pp. 91–94.
16) K. Watanabe, T. Deguchi, and A. Nakagawa, “V-band
planar Gunn oscillators and VCOs on AlN substrates using flip-chip bonding technology”, 1999 IEEE IMS, pp. 13–16.
17) H. J. Siweris, H. Tischer, T. Grave, and W. Kellner, “A
monolithic W-band HEMT VCO with feedback topology”, 1999 IEEE IMS, pp. 17–20.
18) T. Yoshida, K. Kawaguchi, T. Deguchi, and A.
Naka-gawa, “77GHz band InP flip-chip Gunn Oscillator”, IEICE NTCV, C-2-31, March 2000.
19) A. Nakagawa, K. Watanabe, T. Yoshida, T. Deguchi, and
Y. Oki, “77GHz planar Gunn VCOs on AlN substrates using novel flip-chip InP Gunn diode”, 2000 IEEE IMS, pp. 1205–1208.
20) K. Miyatani, T. Yodhisa, T. Deguchi, H. Sakota, and A.
Nakagawa, “Fabrication of 38GHz-Band GaAs flip-chip Gunn oscillators using thermo-sonic bonding technique”, IEICE NTCV, C-2-13, September 2001.
21) H. Li, H. M. Rein, R. E. Makon, and M. Schwerd,
“Wide-band VCOs in SiGe Production Technology Operating Up to about 70 GHz, IEEE MWCL, Vol. 13, No. 10, pp. 425–427, October 2003.
22) L. Verweyen, H. Massler, M. Neumann, U. Schaper, and
W. Haydl, “Coplanar integrated mixers for 77-GHz auto-motive applications”, IEEE MWGL, Vol. 8, No. 1, pp. 38–40, January 1998.
23) M. J. Roberts, S. Iezekiel, and C. M. Snowden, “A compact
subharmonically pumped MMIC self oscillating Mixer for 77 GHz applications”, 1998 IEEE IMS, pp. 1435–1438.
24) R. Shimon, D. Caruth, J. Middleton, H. Hsia, and M. Feng,
“Low cost coplanar 77 GHz Single-balanced mixer using ion-implanted GaAs Schottky diodes”, 1998 IEEE IMS, pp. 1439–1442.
25) K. Yamaguchi, Y. Iseki, Y. Fuchida, N. Ono, M. Sugiura,
M. Amano, and E. Takagi, “A 76 GHz MMIC gate mixer”, IEICE NTCV, C-2-10, March 1999.
26) M. M. Kaleja, A. J. Herb, R. H. Rasshofer, and E. M.
Biebl, “An I-Q mixer at 76.5 GHz using flip-chip mounted silicon Schottky diodes”, 2001 IEEE IMS, pp. 1653–1656.
27) K. Watanabe, T. Yoshida, and A. Nakagawa, “76 GHz
SBD”, IEICE NTCV, C-2-9, September 2001.
28) K. Kagaoka, T. Nagasaku, N. Kurita, and H. Kondoh,
“MMIC down converter for millimeter-wave radar mod-ule”, IEICE NTCV, C-2-10, September 2001.
29) H. J. Siweris and H. Tischer, “Monolithic coplanar
77 GHz balanced HEMT mixer with very small chip size”, 2003 IEEE IMS, pp. 125–128.
30) J. Putnam, M. Barter, K. Wood, and J. LeBlanc, “A
mono-lithic GaAs PIN switch network for a 77 GHz automotive collision warning radar”, 1997 IEEE RFIC, pp. 225–228.
31) F. Kuroki, K. Kawauchi, M. Sugioka, T. Fukuchi, and T.
Yoneyama, “NRD guide SPDT switch at 77 GHz band”, IEICE NTCV, C-2-21, September 1998.
32) Y. Tanaka, M. Usui, H. Hayashi, H. Tsukada, and M.
Kanechika, “A 76GHz SP3T PIN diode switch MMIC”, IEICE NTCV, C-2-41, March 1999.
33) Y. Tanaka, H. Uda, H. Hayashi, H. Ueda, and M. Usui, “A
76 GHz CPW type PIN switch MMIC with high isolation”, IEEE NTCV, C-2-45, March 2001.
34) J. Kim, W. Ko, S. Kim, J. Jeong, and Y. Kwon, “A
high-per-formance 40–85 GHz MMIC SPDT switch FET-inte-grated transmission line structure”, IEEE MWCL, Vol. 13, No. 12, pp. 505–507, December 2003.
35) Y. Campos-Roca, L. Verweyen, M. Neumann, M.
Fernan-dez -Barciela, M. C. Curas-Francos, E. Sanchez, A. Huls-mann, and M. Schechtweg, “Coplanar pHEMT MMIC frequency multipliers for 76-GHz automotive radar”, IEEE MGWL, Vol. 9, No. 6, pp. 242–244, June 1999.
36) H. Uchino, T. Hirose, K. Nakamura, Y. Aoki, and Y.
Watanabe, “A flip-chip mounted 38/76 GHz single bal-anced frequency multiplier”, IEICE NTCV, C-2-15, Sep-tember 2000.
37) A. Werthof, H. Tischer, and T. Grave, “High gain
PHEMT frequency doubler for 76 GHz automotive radar”, 2001 IEEE IMS, pp. 107–110.
38) W. Menzel, D. Pilz, and R. Leberer, “A 77 GHz FM/CW
radar front-end with a low-profile low-loss printed an-tenna”, 1999 IEEE IMS, pp. 1485–1488.
39) W. Mayer, M. Meilchen, W. Grabherr, P. Nuchter, and R.
Guhl, “Eight-channel 77-GHz front-end module with high-performance synthesized signal generator for FM/CW sensor applications”, IEEE Trans. MTT, Vol. 52, No. 3, pp. 993–999, March 2004.
40) I. Gresham, N. Jain, T. Budka, A. Alexanian, N.
Kinaya-man, B. Ziegnar, S. Brown, and P. Staecker, “A 76–77 GHz pulsed-doppler radar module for autonomous
cruise control applications”, 2000 IEEE IMS, pp. 1551–1554.
41) H. J. Siweris, A. Werthof, H. Tischer, T. Grave, H.
Weth-mann, R. H. Rasshofer, and W. Kellner, “A mixed Si and GaAs chip set for millimeter-wave automotive radar front-ends”, 2000 IEEE RFIC, pp. 191–194.
42) H. J. Siweris, A. Werthof, H. Tischer, U. Schaper, A.
Schafer, L. Verweyen, T. Grave, G. Bock, M. Schlechtweg, and W. Kellner, “Low cost GaAs pHEMT MMICs for millimeter-wave sensor applications”, 1998 IEEE IMS, pp. 227–230.
43) T. V. Kerssenbrock and P. Heide, “Nobel 77 GHz flip-chip
sensor modules for automotive radar applications”, 1999 IEEE IMS, pp. 289–292.
44) K. Takahashi and Y. Ogura, “Microwave and
millimeter-wave packaging technology using micromachining fab-rication”, Journal of the IEICE, Vol. 87, No. 1, pp. 47–52, January 2004.
45) L. Verweyen, H. J. Siweris, M. Neumann, U. Schaper, R.
Osorio, A. Werthof, K. Kudszus, H. Massler, H. Tischer, W. Reinert, A. Hulsmann, W. H. Haydl, T. Meier, W. Kell-ner, and M. Schlechtweg, “Coplanar transceiver MMIC 77 GHz automotive applications based on a nonlinear de-sign approach”, 1998 IEEE RFIC, pp. 1–4.
46) T. Shimura, Y. Kawasaki, Y. Ohashi, K. Shirakawa, T.
Hi-rose, S. Aoki, H. Someta, K. Makiyama, and S. Yokokawa, “76 GHz flip-chip MMICs for automotive radars”, 1998 IEEE IMS, pp. 525–528.
47) D. Dawn, Y. Ohashi, and T. Shimura, “Probe pad
struc-ture for multi module scheme at 76GHz band”, IEICE NTCV, C-2-64, March 2000.
48) Y. Ohashi, “Millimeter-wave flip chip MMICs and
pack-aging technology”, Journal of the IEICE, Vol. 87, No. 11, pp. 943–947, November 2004.
49) K. Kitazawa, S. Koriyama, H. Minamiue, and M. Fujii,
“77-GHz-band surface mountable ceramic package”, IEEE Trans. MTT, vol. 48, No. 9, pp. 1488–1491, Septem-ber 2000.
50) S. Aoki, H. Someta, S. Yokoyama, K. Ono, T. Hirose, and
Y. Ohashi, “A flip-chip bonding technology using gold pillars for millimeter-wave applications”, 1997 IEEE IMS, pp. 731–734.
51) H. Mizutani, N. Shida, T. Saryo, T. Kuwabara, T. Eda, T.
Matsumura, and M. Funabashi, “76-GHz MMIC chip set for compact, low cost and highly reliable automotive radar system”, 1999 IEEE IMS, pp. 91–94.
