JP2004080034A - エア・キャビティを有する三次元多層高周波モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　伝送線の誘電損失及び受動素子と接地面間の寄生キャパシタンスを減少させる。
【解決手段】　第１、第２及び第３セラミック層を含み、垂直に積層された複数個のセラミック層を有する多層高周波モジュールであって、第１及び第３セラミック層は、それぞれ、その上に回路要素を備え、第２セラミック層は、第１セラミック層及び第３セラミック層との間に位置している。また、第２セラミック層は、空気が満たされた１つまたはそれ以上のエア・キャビティを備え、このエア・キャビティは、第１及び第３セラミック層の回路要素に対して垂直に整列されている。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、三次元の多層高周波モジュール（multilayer RF module）に関し、更に詳しくは、誘電率の低いエア・キャビティを有する多層高周波モジュール及びその製造方法に関する。

　従来から、集積回路ＩＣを相互接続するために種々の技術が開発されている。これらの技術の内の１つは、通常のＰＣＢ技術（printed circuit board technology）に基づいている。複数のＩＣを相互接続するときに使用されるとき、このようなＰＣＢ技術は、度々、ＭＣＭ−Ｌ（Multi-Chip Module Laminate）、または、積層ＭＣＭ（Laminate-MCM）技術と呼ばれている。ＰＣＢ技術は、典型的には、銅と絶縁誘電物質を、必須相互接続構造体を作るためのビルディング・ブロック（building blocks）として使用する。

　ある場合には、２つ以上の積層体が共に積層されて、最終構造体が形成される。積層された各層の間の相互接続は、貫通孔の機械的ドリリングと、それに続くメッキによって形成することができる。ドリリング・プロセスは、多くの基板空間を必要とする。従って、ＰＣＢ技術は、有効な場合もあるが、他の場合等で要求される接続密度を形成することができないこともある。

　高密度の相互接続を実現するため、他のアプローチ方法が提案されている。それらは、薄膜堆積技術を用いるものであって、ＤＯＮＬ（Deposited on laminate）、ＭＣＭ−Ｄ（MCM-Deposited）、またはＭＣＭ堆積技術と呼ばれる
　ＤＯＮＬ技術の重要な特徴の１つは、ＰＣＢの一面のみに、薄膜プロセスを用いて高密度の相互接続基板を作ることである。高密度の相互接続は、導電性薄膜層と絶縁薄膜層を交互に積層することにより形成される。

　ＤＯＮＬ工程は、ＰＣＢ基板の上面に絶縁誘電体層を形成するステップ、誘電体層上に導電性物質を堆積するステップ、導電性物質に回路パターンを形成するステップ、及び、次の絶縁層と導電層を形成するステップを有する、このようにして作られた層は、湿式のケミカルエッチングまたはレーザ・アブレーションのような既存の種々の方法で形成されたビア（vias）を介して接続される。このような方法で、三次元堆積積層構造体が作られ、これによって、高密度の相互接続パターンが物理的に小さい面積に形成されるようにする。

　高密度相互接続のための３つ目の従来方法は、コファイアド（cofired）セラミック基盤を使用し、ＭＬＣ、ＭＬＣ−Ｃ、またはコファイアド・セラミックＭＣＭと呼ばれている。基本的に、ＭＣＭ−Ｃ技術は、セラミック混合物をグリーン・シートに作るステップ、グリーン・シートを乾燥させるステップ、ビアを形成するステップ、ビアが形成されたグリーン・シートを金属ペーストで覆ってセラミックの表面上にパターンを形成するステップ、このように準備されたグリーン・シートを積層するステップ、及び積層構造体をコファイア（cofire）または焼結して所望の相互接続を実現するステップを有する。

　セラミックは比較的に高い誘電率を有している。この高い誘電率のために、特に多数のセラミック層があるので、ＭＣＭ中のＩＣチップの間の相互接続ノードの容量性負荷が大きく増加する。容量性負荷は、周波数特性を悪化させ、ＭＣＭ中での電力損失を増加させる。更に、高くなった誘電率は、多くの場合、特性インピーダンスを低下させる。このような場合、小さくなった導電断面のため、相互接続の直列抵抗損失が増加するという二次効果が生ずる。従って、マルチチップモジュール内でのセラミック基板の使用により、数百メガヘルツ以上の周波数領域において、装置の性能が制限されることが知られている。

　特に、前述のＭＣＭ−Ｃ方法の中で用いられるＬＴＣＣ（low temperature cofired ceramic）は、約７．０の比較的に高い誘電率を有し、大きな誘電損失を発生し、インダクタ及びキャパシタのような受動素子の中で、接地面によって発生する寄生キャパシタンスにより性能が低下する。そのような大きな誘電損失は、１０ＧＨｚ以上の多層高周波モジュールを製造する際に重要な問題となる。更に、接地によって発生する寄生キャパシタンスは、自己共振周波数及びＱ−ファクタのような、受動素子要素の特性の悪化を生じさせる。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の第一の目的は、内部にエア・キャビティ（air cavities）が形成された三次元多層高周波モジュール及びその製造方法を提供することにあり、それによって、集積された受動素子と接地面との間に発生する寄生キャパシタンスを減少させることにある。

　本発明の他の目的は、内部にエア・キャビティが形成された三次元多層高周波モジュール及びその製造方法を提供することにあり、それによって、例えば、マイクロ・ストリップライン、ストリップ、及びコプラナー導波路（coplanar wave guide）のような伝送線の中で生ずる誘電損失を減少することにある。

　本発明の更に他の目的は、内部にエア・キャビティが形成された三次元多層高周波モジュール及びその製造方法を提供することにあり、それによって、相互接続密度を増加させ、その結果として、伝送線と受動素子の間の干渉を減少させることにある。

　本発明の更に他の目的は、内部にエア・キャビティが形成された三次元多層高周波モジュール及びその製造方法を提供することにある。この方法では、エア・キャビティが連続的に形成され、この方法は、光通信モジュールを製造する過程において、光ファイバ、反射鏡及び光学素子の配置に適応することができる。

　上記目的を達成するため、本発明の一つの態様によれば、本発明の多層高周波モジュールは、第１、第２及び第３セラミック層を含む垂直に積層された複数個のセラミック層を有し、前記第１及び第３セラミック層は、それぞれ、その上に回路要素を備え、前記第２セラミック層は、前記第１セラミック層及び第３セラミック層との間に位置し、空気が満たされた少なくとも１つのエア・キャビティを備え、このエア・キャビティは、前記第１及び第３セラミック層の回路要素に対して垂直に整列されていることを特徴とする。

　本発明の他の態様によれば、本発明の多層高周波モジュールを製造する方法は、少なくとも３つのグリーン・シート（green sheets）を準備するステップと、少なくとも１つのエア・キャビティを前記少なくとも３つのグリーン・シートの内の１つに形成するステップと、残りの２つのグリーン・シートのそれぞれの上に回路要素を形成するステップと、前記少なくとも３つのグリーン・シートを積層して、積層グリーン・シート構造体を形成するステップと、前記積層グリーン・シート構造体を圧着して焼結するステップとを有し、前記少なくとも１つのエア・キャビティは、前記残りの２つのグリーン・シート上に形成された回路要素間に位置することを特徴とする。

　多層高周波モジュールに低い誘電率を有するエア・キャビティを形成することにより、例えば、マイクロ・ストリップライン、ストリップ、及びコプラナー導波路のような伝送線の誘電損失が顕著に減少する。更に、回路要素、例えば、インダクタ、キャパシタ及びフィルタのような受動素子の寄生キャパシタンスの発生が顕著に減少し、これによって、自己共振周波数及びＱ−ファクタのような受動素子特性が改善される。さらに、干渉を減少させることにより、三次元多層高周波モジュールの相互接続密度が大きく増大する。なお、本発明によれば、キャビティを互いに離して配置せずに、連続的に配置することもできる。それにより、光通信モジュールを製造する際に、光ファイバ、反射鏡及び光素子の整列を容易にすることができる。

　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。

　本発明のＭＣＭ基板は、通常、いわゆるＬＴＣＣ（low temperature cofired ceramic）工程を用いて製造される。ＬＴＣＣ用低温セラミックは市販されており、約８５０℃で焼結され、アルミナと同様な熱膨張を示す。低温プロセスは、空気焼成抵抗（air-fired resistors）の使用を可能にし、また、伝導性の高い金属、Ａｇ及びＡｕの使用を可能にする。

　本発明のＬＴＣＣプロセスは、グリーン・シート（または非焼成のシート）を用いて開始される。開発される特定のＭＣＭの要求に合わせて、グリーン・シートは穿孔されるか、または他の方法でビアやエア・キャビティが形成される。本発明のエア・キャビティは、ビアと共に同一工程で作られるので、エア・キャビティを形成する追加工程が不要である。その後で、従来のビアは金属プラグを形成する導電性金属で満たされ、これに対して、本発明のエア・キャビティは空の状態のまま残される。

　空気が満たされているこのようなエア・キャビティは、適用対象の性質に応じて様々な形状、例えば、円筒状や多角形の柱状などを取り得る。しかし、各々のエア・キャビティの大きさや直径は、後続の高圧積層工程において、エア・キャビティが潰されるかあるいは隣接するグリーン・シートの突出により埋められることを防ぐために、好ましくは、約１５０〜２００μｍを超えないようにする。

　次に、導電性ペーストが、例えば、スクリーン・プリティング方法によって、このように処理されたグリーン・シート上にプリントされ乾燥される。このようにして形成された金属層は、例えば、接地面、電力面、伝送線、抵抗のような受動素子、および／または、チップ間の相互接続の役割を担う。

　次に、グリーン・シートが互いに積層され、それによって、ビア、エア・キャビティ及び金属層が、設計に従って適切に整列される。それから、積層されたグリーン・シートが、圧着される。このとき、エア・キャビティ内へ隣接するグリーン・シートが突出すること、および／または、エア・キャビティが割れたり潰れたりすることを防止するために、好ましくは、約７０℃の温度、約２５００〜２７００ｐｓｉ（約１７〜１９ＭＰａ）の圧力下で（従来の加工圧力より１０％低い）、約１０分程度、圧着が行われる。

　その後、未焼結の積層構造は、要求に応じて正六面体に切断される。切断された未焼結のチップは、次いで、ＬＴＣＣプロセスの約８５０℃の低温で焼結され、ＭＣＭ基板が形成される。このＭＣＭ基板の上に、後に、ＩＣチップ、および／または、モジュールが搭載される。

　図１に、内部にエア・キャビティを有する、本発明に基づく三次元多層高周波モジュールを示す。

　複数個の積層されたセラミック層１〜７は、エア・キャビティ８が形成されている層２、６を含む。最下層１は、例えば、接地面の役割を担い、最上層７には、例えば、ＩＣチップ、モジュール、トランジスタ、及び、抵抗、キャパシタ、インダクタのような他の回路要素が搭載される。セラミック層の厚さは、約１００μｍである。

　セラミック層１、３、５、７上には、金属層（またはパターン）９〜１２がそれぞれ存在する。図示のように、セラミック層２のエア・キャビティ８は、平行な金属層９、１０の重なり合った個所に位置し、セラミック層６のエア・キャビティ８は、平行な金属層１１、１２の重なり合った個所に位置する。

　エア・キャビティ８を、垂直に整列されて重ねられた実質的に平行な二つの金属層９、１０及び１１、１２（それらは、エア・キャビティ８に隣接している）の間に配置する方法は、ここに示された実施例のみに限定されない。即ち、金属層９、１０及び１１、１２は、本発明の実施例の効果を実現するために、実質的に平行でなくても良い。金属層は、そのような配置方法と同じでなくても良く、その間に１つまたはそれ以上のエア・キャビティを有する、垂直に整列されて重なり合った領域を有してれば、他の配置方法であっても良い。

　さらに、金属層及びエア・キャビティは、連続する３つのセラミック層に形成されなくても良い。即ち、１つまたはそれ以上の挿入セラミック層が、一対のセラミック層間に位置していても良く、それらの各層は金属層を有し、また、少なくとも１つの挿入セラミック層は、金属層の重なり合った領域に１つまたはそれ以上のエア・キャビティを有す。

　最後に、エア・キャビティは、必ずしも金属層間にのみ位置していなくても良い。その代わりに、金属線、受動及び能動回路要素、並びにチップ及びモジュールを含む回路要素間の重複領域に形成することができ、やはり、それらの間の相互干渉を減少させる効果を有する。

　以上において、本発明について、好ましい実施例を示して説明したが、本願の特許請求の範囲で規定される発明の精神及び範囲を逸脱することなく、様々な変更及び変形が可能であることは、当業者であれば理解することができるであろう。

本発明に基づく三次元多層高周波モジュールの概略を示す斜視図。 図１の三次元多層高周波モジュールに形成されたエア・キャビティを示す断面図。

符号の説明

　１〜７・・・セラミック層、
　８・・・エア・キャビティ、
　９〜１２・・・金属層。

Claims (9)

1. 　多層高周波モジュールであって、
   　第１、第２及び第３セラミック層を含む垂直に積層された複数個のセラミック層を有し、
   　前記第１及び第３セラミック層は、それぞれ、その上に回路要素を備え、
   　前記第２セラミック層は、前記第１セラミック層及び第３セラミック層との間に位置し、空気が満たされた少なくとも１つのエア・キャビティを備え、
   　このエア・キャビティは、前記第１及び第３セラミック層の回路要素に対して垂直に整列されていることを特徴とする多層高周波モジュール。
2. 　前記エア・キャビティは、円筒状の形状を備えていることを特徴とする請求項１に記載の多層高周波モジュール。
3. 　前記エア・キャビティは、その直径が約１００μｍから５００μｍまでの範囲よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の多層高周波モジュール。
4. 　前記回路要素は、金属パターンであることを特徴とする請求項１に記載の多層高周波モジュール。
5. 　多層高周波モジュールを製造する方法であって、
   　少なくとも３つのグリーン・シートを準備するステップと、
   　少なくとも１つのエア・キャビティを前記少なくとも３つのグリーン・シートの内の１つに形成するステップと、
   　残りの２つのグリーン・シートのそれぞれの上に回路要素を形成するステップと、
   　前記少なくとも３つのグリーン・シートを積層して、積層グリーン・シート構造体を形成するステップと、
   　前記積層グリーン・シート構造体を圧着して焼結するステップとを有し、
   　前記少なくとも１つのエア・キャビティは、前記残りの２つのグリーン・シート上に形成された回路要素の間に位置することを特徴とする多層高周波モジュール製造方法。
6. 　前記少なくとも１つのエア・キャビティは、円筒状の形状を備えていることを特徴とする請求項５に記載の多層高周波モジュール製造方法。
7. 　前記少なくとも１つのエア・キャビティは、その直径が約１００μｍから５００μｍまでの範囲よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の多層高周波モジュール製造方法。
8. 　前記積層グリーン・シート構造体を圧着するステップは、約７０℃の温度、約２５００〜２７００ｐｓｉの圧力下で約１０分間、実施されることを特徴とする請求項５に記載の多層高周波モジュール製造方法。
9. 　前記回路要素は、金属パターンであることを特徴とする請求項５に記載の多層高周波モジュール製造方法。
   
   
   
   
   

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