JP2018023030A

JP2018023030A - モード変換器及びモード変換器の製造方法

Info

Publication number: JP2018023030A
Application number: JP2016153706A
Authority: JP
Inventors: 圭中村; Kei Nakamura; 雄介上道; Yusuke Uemichi
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-08-04
Also published as: JP6750977B2

Abstract

【課題】反射損を抑制した信号伝送を実現することができるモード変換器及びモード変換器の製造方法の提供。【解決手段】一実施形態に係るモード変換器は、基板１０１と、基板１０１の一方の主面１０１ａ及び他方の主面１０１ｂに形成された接地導体からなる広壁と、基板１０１を貫通して形成されて広壁同士を接続する導体からなる狭壁及びショート壁と、から形成された導波路と、基板１０１の一方の主面１０１ａから所定の深さまで形成された孔部１０の内部に設けられた導体からなるピンと、基板１０１の一方の主面１０１ａ側に形成されてピンに接続された伝送線路と、を備え、孔部１０は、膨らんだ先端部１１を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、モード変換器及びモード変換器の製造方法に関するものである。

近年、ミリ波帯を利用した数Ｇ［ｂｐｓ］の高速大容量通信が提案され、その一部が実現されつつある。特に、６０［ＧＨｚ］帯で動作する無線通信機器は、より重要性を増している。国内においては、５９［ＧＨｚ］から６６［ＧＨｚ］までの広い周波数帯域を、特定省電力で利用可能であることから、民生分野への普及が期待されている。加えて７０[ＧＨｚ]から９０[ＧＨｚ]のＥバンド帯についても、同様な理由から注目されており、安価で小型のミリ波通信モジュールの実現が急務となっている。

このような小型で安価なミリ波通信モジュールを実現する形態として、下記特許文献１には、ポスト壁導波路（ＰＷＷ：Post-wall Waveguide）を備えたモード変換器が開示されている。このモード変換器は、基板と、基板の一方の主面及び他方の主面に形成された接地導体からなる広壁と、基板を貫通して形成されて広壁同士を接続する導体からなる狭壁及びショート壁と、基板の一方の主面から所定の深さまで形成された孔部の内部に設けられた導体からなるピンと、基板の一方の主面側に形成されてピンに接続された伝送線路と、を備えている。

特開２０１４−２３６２９１号公報

このようなモード変換器においては、ミリ波信号が伝送線路からピンを介し、導波路である基板の内部に導かれる際の信号の反射を抑制することが極めて重要である。このため、ピンの太さ、長さ、ピンから基板の他方の主面に形成された広壁（接地導体）までの距離を所定の値に調整する必要がある。
このピンは、基板にレーザー光を照射して、基板の一方の主面から所定の深さまで改質部を形成し、この改質部をエッチングにより除去して孔部を形成し、この孔部の内部に導電性物質を導入することで形成することができる。

しかしながら、このようにピンを形成する場合、ピンの直径が基板の一方の主面から離れる（基板内部に進む）に従って細くなってしまう。これは、孔部を形成するエッチャントが、基板の一方の主面から改質部を徐々にエッチングしていくことと、当該エッチングが改質部以外を含め等方的に進むことに由来する。このため、孔部に形成されるピンの先端部の直径が小さくなり、ピンと基板の他方の主面に形成された広壁（接地導体）との間における電気的結合が弱くなり、信号の反射が増大してしまうという問題がある。
なお、孔部の先端部の直径を大きくする目的でエッチング時間を長くした場合、上述の通りエッチングが等方的に進行するため、基板の一方の主面側における孔部の直径も大きくなってしまう。この場合、基板の一方の主面側において伝送線路からピンに導かれるミリ波信号の反射を抑えるために、伝送線路の設計変更が必要になり、また、伝送線路の配線パターン面積が大きくなるといった問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、反射損を抑制した信号伝送を実現することができるモード変換器及びモード変換器の製造方法の提供を目的とする。

（１）本発明の一態様に係るモード変換器は、基板と、前記基板の一方の主面及び前記他方の主面に形成された接地導体からなる広壁と、前記基板を貫通して形成されて前記広壁同士を接続する導体からなる狭壁及びショート壁と、から形成された導波路と、前記基板の一方の主面から所定の深さまで形成された孔部の内部に設けられた導体からなるピンと、前記基板の一方の主面側に形成されて前記ピンに接続された伝送線路と、を備え、前記孔部は、膨らんだ先端部を有する。

（２）上記（１）に記載されたモード変換器であって、前記孔部は、前記基板の一方の主面から離れるに従って細くなる縮径部を有し、前記先端部は、前記縮径部の最小径よりも大きい直径を有する球状に形成されていてもよい。
（３）上記（２）に記載されたモード変換器であって、前記先端部の直径をａ、前記縮径部の最小径をｂとしたときに、１．１≦ａ／ｂ≦１．３の関係を有してもよい。
（４）上記（２）または（３）に記載されたモード変換器であって、前記孔部の先端から前記先端部の中心までの距離をｃ、前記先端部の中心から前記縮径部の最小径までの距離をｄとしたときに、０＜ｄ＜ｃの関係を有してもよい。
（５）上記（２）〜（４）に記載されたモード変換器であって、前記先端部の直径をａ、前記孔部の先端から前記先端部の中心までの距離をｃとしたときに、ａ≦２ｃの関係を有してもよい。

（６）本発明の一態様に係るモード変換器の製造方法は、基板と、前記基板の一方の主面及び前記他方の主面に形成された接地導体からなる広壁と、前記基板を貫通して形成されて前記広壁同士を接続する導体からなる狭壁及びショート壁と、から形成された導波路と、前記基板の一方の主面から所定の深さまで形成された孔部の内部に設けられた導体からなるピンと、前記基板の一方の主面側に形成されて前記ピンに接続された伝送線路と、を備えるモード変換器の製造方法であって、先端部が膨らんだ前記孔部を形成する孔部形成工程を有する。

（７）上記（６）に記載されたモード変換器の製造方法であって、前記孔部形成工程は、前記基板の一方の主面側からレーザー光を照射することにより前記基板に改質部を形成し、該改質部の前記基板の前記所定の深さにおけるピッチを、前記基板の一方の主面側におけるピッチよりも密にする第一工程と、前記改質部を除去することにより、先端部が膨らんだ前記孔部を形成する第二工程と、を有してもよい。

上記本発明の態様によれば、反射損を抑制した信号伝送を実現することができるモード変換器及びモード変換器の製造方法を提供できる。

一実施形態に係るモード変換器を示す斜視図である。図１に示すモード変換器の断面模式図である。図１に示すモード変換器が備える伝送線路の拡大斜視図である。一実施形態に係るピンを形成する孔部の形状を示す断面図である。一実施形態に係るモード変換器の製造方法を示す工程図である。図５に示すモード変換器の製造方法における孔部形成工程を説明する説明図である。従来のモード変換器の製造方法における孔部形成工程を説明する説明図である。一実施形態に係るモード変換器の信号反射のシミュレーションモデルを示す図である。図８に示すシミュレーションモデルを用いて信号反射のシミュレーション結果を示すグラフである。一実施形態に係る孔部の形状の一変形例を示す断面図である。一実施形態に係る孔部の形状の一変形例を示す断面図である。

以下、一実施形態に係るモード変換器を図面に基づいて発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、省略した部分がある。

図１は、一実施形態に係るモード変換器１００を示す斜視図である。図２は、図１に示すモード変換器１００の断面模式図である。図３は、図１に示すモード変換器１００が備える伝送線路１２２の拡大斜視図である。
本実施形態のモード変換器１００は、図１及び図２に示すように、基板１０１と、基板に設けられた導波路１１０と、導波路１１０の内部に挿入されたピン１２３と、ピン１２３に接続された伝送線路１２２（平面回路）と、を有する。

導波路１１０は、基板１０１の一方の主面１０１ａ及び他方の主面１０１ｂに設けられた接地導体（導体膜）からなる広壁１１１，１１２と、これら広壁１１１，１１２間に立設された複数のポスト(柱)壁である導体柱１１４からなる狭壁１１０Ｂおよびショート壁１１０Ａと、で囲まれた領域であり、ピン１２３から放射される電磁波信号が伝搬する経路として機能する。導波路１１０の一端側には、広壁１１１、１１２や、狭壁１１０Ｂおよびショート壁１１０Ａは配されておらず、電磁波信号が放射される開口部１０２となっている。また、開口部１０２の反対側が反射部となるショート壁１１０Ａとなっている。

導波路１１０は、伝送線（例えば、同軸線（coaxial cable)）から方形導波路（rectangular waveguide）への信号変換装置として、同軸線−導波路信号変換する構成に類似し、いわゆる、方形導波路ＴＥ_１０モードに変換するプローブ変換をおこなうものとされている。なお、導波路１１０は、異なるモードに接続する等、開口部１０２がない構成とすることもできる。

導波路１１０は、広壁１１１，１１２、狭壁１１０Ｂおよびショート壁１１０Ａで形成された方形導波路とされ、プローブ変換のプローブとなるピン１２３が広壁１１１に形成された開口部１１１ａから、広壁１１１に垂直方向に内部に挿入されている。ショート壁１１０Ａとピン１２３は平行となるように設けられている。

基板１０１は、ガラス基板から形成されている。ガラス基板としては、石英ガラス、ソーダガラスなどを用いることができる。なお、基板１０１は、誘電体であれば特に限定されるものではなく、例えば、可撓性を有するフレキシブル基板から形成することもできる。フレキシブル基板としては、例えばポリイミド樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ガラスエポキシ樹脂、エポキシ樹脂にガラスクロス（繊維）を含んだ基板（ＦＲ４）などを用いることができ、例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）とすることができる。

広壁１１１，１１２は、基板１０１の一方の主面１０１ａ及び他方の主面１０１ｂに設けられた銅薄膜などとされ、少なくともピン１２３の周辺領域をのぞいた基板１０１全面に設けられている。
導体柱１１４は、広壁１１１，１１２と同材の導体からなる同一径寸法の円筒状とされており、それぞれの端部が広壁１１１と広壁１１２とに接続されている。複数の導体柱１１４は、導波路１１０を平面視して開口部１０２に対応する部分である一辺をのぞいた略矩形となるように配列されて狭壁１１０Ｂおよびショート壁１１０Ａを形成している。

導体柱１１４の配列は、ピン１２３から発振される高周波信号を反射して外部に漏洩しないように設定される。具体的には、隣り合う導体柱１１４が離間して配置された場合、その中心間距離は、導体柱１１４の直径の２倍よりも小さくなるよう設定される。つまり、導体柱１１４の再近接位置同士の間隔は、導体柱１１４の直径と同等かこれよりも小さくなるよう設定される。また、導体柱１１４の内部は、図２に示すように、絶縁体１２４で充填されている。なお、導体柱１１４の内部は、絶縁体１２４で充填されてなくても良いし、絶縁体１２４でなく導体で充填されていても良い。

広壁１１１には、略均一厚さの絶縁体１２４が積層されている。絶縁体１２４の外側表面上には、接続部としての伝送線路１２２が形成されている。伝送線路１２２は、すくなくとも広壁１１１の開口部１１１ａを跨ぐように設けられ、一端側がピン１２３に接続され、他端側が絶縁体１２４上のＧＳＧパッド１２５（高周波信号入力端子）に接続されて、マイクロストリップラインとなっている。ＧＳＧパッド１２５の両外側には、図３に示すように、伝送線路１２２の延在方向に直交する方向に、ＧＮＤパッド１２６が離間して配置される。ＧＮＤパッド１２６には、それぞれＧＮＤビア１２７が設けられている。ＧＮＤビア１２７は、絶縁体１２４上の伝送線路１２２の階層と、基板１０１表面の広壁１１１の階層とを電気的に接続する。

ピン１２３は、図２に示すように、基板１０１の一方の主面１０１ａから所定の深さまで形成された孔部１０の内部に設けられた導体からなる。このピン１２３は、略均一な外径寸法Ｈ１を有する円筒状として、基板１０１に内在し、先端１２３ａが広壁１１２と接触しない位置となるように長さ寸法Ｈ４が設定される。このピン１２３は、基板１０１内に、基板１０１の一方の主面１０１ａ及び他方の主面１０１ｂに対して垂直に形成されている。ピン１２３の基端１２３ｂには、基板１０１の一方の主面１０１ａに広壁１１１と同階層で、広壁１１１と同一材料からなるフランジ状のランド１２３ｃが周設される。平面視して円環状とされるランド１２３ｃの外縁部１２３ｄの外径寸法（ランド１２３ｃの外径寸法）Ｈ３、ランド１２３ｃに接続される部分の導体１２２ａの外径寸法Ｈ２、および、ピン１２３の外径寸法Ｈ１は、Ｈ３＞Ｈ２＞Ｈ１となるように設定される。

ランド１２３ｃの外縁部１２３ｄは、絶縁体１２４に覆われている。ランド１２３ｃの中央側の円環部１２３ｅの表面は、伝送線路１２２から延長されるとともに絶縁体１２４の厚さ方向に拡径する導体１２２ａによって伝送線路１２２に接続される。導体１２２ａは、ピン１２３の内側面（内面）まで設けられている。
ピン１２３は、少なくともその表面がＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどの導体から形成されていればよく、その内側面の導体１２２ａが表面と同様の導体から形成され、導体１２２ａの内側面が空洞、あるいは、絶縁樹脂等で占有される構造とすることができる。この導体の形成方法には、めっき法、スパッタ法を用いる方法などがある。また、ピン１２３は、その内部が導体で充填されていてもよく、例えば、導電性ペーストを充填し、それを加熱・焼成した導体としてもよい。

伝送線路１２２は、図３に示すように、広壁１１１と略平行である絶縁体１２４の表面上を、ピン１２３からＧＳＧパッド１２５（高周波信号入力端子）まで直線状に延在している。この伝送線路１２２の幅寸法は、入力インピーダンス整合部として適宜調整することができる。伝送線路１２２には、絶縁体１２４上のＧＳＧパッド１２５に接続された側に、絶縁体１２４の表面において伝送線路１２２と直交する方向に延在するように開放スタブ１２２ｂが設けられている。開放スタブ１２２ｂは、伝送線路１２２の両側において、それぞれＧＮＤパッド１２６と所定の離間状態を形成するように設けられている。開放スタブ１２２ｂの幅寸法は、伝送線路１２２の幅の半分程度とされている。また、伝送線路１２２には、伝送線路１２２とＧＳＧパッド１２５とが接続される部分に、伝送線路１２２よりも幅細となる狭隘部１２２ｃが設けられている。

これら伝送線路１２２、開放スタブ１２２ｂ、狭隘部１２２ｃからなる平面回路は、入力インピーダンス整合部を構成する。ここでは、伝送線路１２２の幅寸法および長さ寸法、開放スタブ１２２ｂの幅寸法および長さ（張り出し）寸法、開放スタブ１２２ｂにおけるＧＮＤパッド１２６との離間形状、狭隘部１２２ｃの幅寸法および長さ寸法、導体１２３Ａの長さ寸法等を調整することで位相回転量、インダクタンス成分、または、容量成分の大きさを制御し、入力インピーダンスの整合を図ることができる。この平面回路は、図示しない半導体素子（高周波回路）と接続され、高周波信号を送受することが可能となっている。なお、高周波信号としては、ミリ波を挙げることができるが、伝送信号として伝搬可能な信号であれば、例えばテラヘルツ波（サブミリ波）等の更に高い周波数を有する信号であってもよい。

図４は、一実施形態に係るピン１２３を形成する孔部１０の形状を示す断面図である。なお、図４においては、孔部１０の先端部１１の周辺領域Ａの拡大図を併せて図示している。
図４に示すように、ピン１２３を形成する孔部１０は、基板１０１の一方の主面１０１ａから所定の深さまで形成されている。この孔部１０は、膨らんだ先端部１１と、基板１０１の内部に進むに従って細くなる縮径部１２と、を有する。

縮径部１２は、基板１０１の一方の主面１０１ａから離れるに従って細くなる。本実施形態の縮径部１２は、略逆立ち円錐台形状を有する。先端部１１は、縮径部１２の最小径よりも大きい直径を有する球状に形成されている。本実施形態の先端部１１は、略真円の球形状を有する。先端部１１と縮径部１２との接続部分には、括れ部１３が形成されている。括れ部１３は、縮径部１２の最小径を規定する。また、基板１０１の一方の主面１０１ａに開口する縮径部１２の開口部１４は、縮径部１２の最大径を規定する。

先端部１１は、括れ部１３よりも径方向に膨出した膨出部１５を有する。この膨出部１５は、球面状に形成されている。膨出部１５の最大幅を規定するライン（深さ）には、先端部１１の中心１１ａが配置される。先端部１１の中心１１ａは、膨出部１５の球面の中心である。先端部１１の内壁面の下端は、孔部１０の先端１０ａを形成する。孔部１０の先端１０ａは、基板１０１の一方の主面１０１ａから最も離れた位置に配置される。すなわち、孔部１０の先端１０ａが最も深い位置に配置され、先端部１１の中心１１ａ、括れ部１３、開口部１４の順に浅くなる。

孔部１０の形状は、先端部１１の直径（幅寸法）をａ、縮径部１２の最小径（幅寸法）をｂとしたときに、１．１≦ａ／ｂ≦１．３の関係を有することが好ましい。ａ／ｂが１．１よりも小さくなると、後述のように、ピン１２３と基板１０１の他方の主面１０１ｂに形成された広壁１１２との間における電気的結合が弱くなり、信号の反射損を抑制する効果が薄れるためである。また、ａ／ｂが１．３よりも大きくなると、ピン１２３の成膜不良を起こし易くなる。すなわち、先端部１１の直径が大きくなると、ピン１２３を形成するスパッタやめっきなどが、括れ部１３の裏側の膨出部１５に付着し難くなるためである。なお、この１．３という数値は、出願人及び発明者のモード変換器１００の製造実績に裏付けられたものである。

また、孔部１０の形状は、孔部１０の先端１０ａから先端部１１の中心１１ａまでの距離をｃ、先端部１１の中心１１ａから縮径部１２の最小径までの距離をｄとしたときに、０＜ｄ＜ｃの関係を有することが好ましい。ｄ＝０であると、括れ部１３が形成されない、すなわち、膨らんだ先端部１１が形成されないためである。また、ｄが、ｃ（すなわち先端部１１の半径）よりも大きくなると、先端部１１と縮径部１２とが分離してしまうためである。

また、孔部１０の形状は、先端部１１の直径をａ、孔部１０の先端１０ａから先端部１１の中心１１ａまでの距離をｃとしたときに、ａ≦２ｃの関係を有することが好ましい。ａが、２ｃよりも大きくなると、先端部１１の形状が横長の扁平型となるため、ピン１２３の成膜不良を起こし易くなる。すなわち、先端部１１が横長になると、ピン１２３を形成するスパッタやめっきなどが、括れ部１３の裏側の膨出部１５に付着し難くなるためである。

次に、上記構成のモード変換器１００の製造方法について、図５〜図７を参照して説明する。
図５は、一実施形態に係るモード変換器１００の製造方法を示す工程図である。図６は、図５に示すモード変換器１００の製造方法における孔部形成工程を説明する説明図である。図７は、従来のモード変換器の製造方法における孔部形成工程を説明する説明図である。

先ず、準備工程として、図５（ａ）に示すように、基材としての基板１０１を用意する。例えば、基板１０１は、ウエハ状をした大面積のガラス基板である。
次いで、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、基板１０１に、ピン１２３を形成するための孔部１０と、導体柱１１４を形成するための孔部２０と、を形成する（孔部形成工程）。

先ず、図５（ｂ）に示すように、基板１０１にレーザー光Ｌを照射し、改質部α、改質部βを形成する。改質部αは、ピン１２３の長さＨ４に対応する所定の深さまで形成する。改質部βは、複数の導体柱１１４に対応して基板１０１を貫通するように形成する。基板１０１は、例えばパイレックス（登録商標）からなるものを利用することができ、レーザー光Ｌとしては、パルス幅がフェムト秒であるフェムト秒レーザーを用い、これを集光照射し、その焦点を走査することにより改質部α，βを形成する。改質部α，βの寸法（長さ、太さ）は、レーザー照射の条件（焦点のサイズ、走査距離）により制御することができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、改質部α，βをエッチングにより除去する。このエッチングは、容器（不図示）内に入れた所定の薬液中に改質部α，βを形成した基板１０１を浸漬することにより行う。これにより、改質部αは、基板１０１の一方の主面１０１ａ側から、改質部βは、基板１０１の両方の主面１０１ａ，１０１ｂから薬液によりウェットエッチングされ、基板１０１内から除去される。

その結果、図５（ｃ）に示すように、改質部α及び改質部βが存在していた部分に、孔部１０及び孔部２０が形成される。本実施形態では、薬液としてフッ酸を主成分とする酸溶液か、または、水酸化カリウムを主成分とする酸溶液を用いることができる。このエッチングは、改質されている部分が改質されていない部分に比べて非常に早くエッチングされる現象を利用するものであり、結果として改質部α，βの形状に起因した孔部１０，２０を形成することができる。

この孔部形成工程においては、基板１０１の一方の主面１０１ａ側からレーザー光Ｌを照射することにより基板１０１に改質部αを形成し、孔部１０を形成する。改質部αは、詳細には、図６に示すように、基板１０１のピン１２３の長さ寸法Ｈ４に対応する所定の深さにおけるピッチが、基板１０１の一方の主面１０１ａ側におけるピッチよりも密になるように形成する（第一工程）。すなわち、改質部αは、基板１０１の一方の主面１０１ａから所定の深さ近傍までが第１のピッチＰ１で形成され、その深さから基板１０１のピン１２３の長さ寸法Ｈ４に対応する所定の深さまでが第１のピッチＰ１よりも短い第２のピッチＰ２で形成される。この第２のピッチＰ２は、基板１０１の内側に向かうに従って徐々に短くなっている。

レーザー光Ｌは、パルス幅１０ｐｓ以下の極短パルスレーザーであり、集光させた焦点Ｆに改質部αを形成することができる。すなわち、レーザー光Ｌの焦点Ｆを走査することで、基板１０１の改質したい箇所に改質部αを形成することができる。このため、例えば、屈曲や分岐など自由度の高い孔部１０を形成することも可能である。ここで、改質プロセスの進行に伴い、焦点Ｆに至るレーザー光Ｌの少なくとも一部が、先に形成された改質部α、すなわちレーザー光Ｌの照射によって改質された領域を伝播しないように、レーザー光Ｌの焦点Ｆを走査することが好ましい。具体的には、基板１０１の深い位置（基板１０１のピン１２３の長さ寸法Ｈ４に対応する所定の深さ）から、基板１０１の浅い位置（基板１０１の一方の主面１０１ａ）に向かって、レーザー光Ｌの焦点Ｆを走査することが好ましい。

一般的に、レーザー光Ｌによる改質部αは、基板１０１よりも高屈折率であるが、改質部αとその近傍の屈折率分布は僅かに不均一であるため、改質部αを伝播する光はランダムに反射、屈折する。したがって、基板１０１の内部においては、レーザー光Ｌが集光部に伝播するまでに改質部αを伝播することがないため、ビーム径が拡がるのを防止し、ピーク強度が小さくなるのを抑制することができる。また、レーザー光Ｌの少なくとも一部が改質部αを伝播しないことにより、レーザー光Ｌの照射によって改質される領域を早く形成することができる。

従来では、図７（ａ）に示すように、基板１０１にレーザー光Ｌを照射して、基板１０１の一方の主面１０１ａから所定の深さまで一定のピッチ（第１のピッチＰ１）で改質部αを形成し、この改質部αをエッチングにより除去していた。このため、図７（ｂ）に示すように、基板１０１の一方の主面１０１ａから離れる（基板内部に進む）に従って細くなる孔部１０´が形成されていた。これは、孔部１０´を形成するエッチャントが、基板１０１の一方の主面１０１ａから改質部αを徐々にエッチングしていくことと、当該エッチングが改質部α以外を含め等方的に進むことに由来する。このため、孔部１０´は、縮径部１２の下部が丸みを帯びた形状に形成され、その先端部１１は細くなっている。

一方、本手法では、図６（ａ）に示すように、基板１０１の一方の主面１０１ａ側からレーザー光Ｌを照射することにより基板１０１に改質部αを形成し、該改質部αの基板１０１の所定の深さにおける第２のピッチＰ２を、基板１０１の一方の主面１０１ａ側における第１のピッチＰ１よりも密にしている。このため、改質部αを除去することにより、図６（ｂ）に示すように、先端部１１が膨らんだ孔部１０を形成することができる（第二工程）。すなわち、基板１０１の所定深さでは、選択的にエッチングされる改質部αが広く形成されることになり、当該改質部αにおけるエッチングが他の改質部αよりも優先的にエッチングされるため（エッチング速度が速いため）、膨らんだ先端部１１を有する孔部１０を形成することができる。

図５に戻り、次いで、孔部形成工程において形成した孔部１０及び孔部２０の内部に導電性物質を導入し、ピン１２３及び導体柱１１４を形成する。
まず、図５（ｄ）に示すように、シード層１２１ａを基板１０１の一方の主面１０１ａおよび孔部１０，２０の内部に形成するとともに、図５（ｅ）に示すように、シード層１２１ｂを基板１０１の他方の主面１０１ｂに形成する。シード層１２１ａ、１２１ｂは、例えば、Ｃｒ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕなどで厚みは１０ｎｍ〜５００ｎｍとされ、スパッタリングで形成することができる。

次いで、図５（ｆ）に示すように、孔部１０周囲のシード層１２１ａ上にめっきによりレジスト１１５を形成する。レジスト１１５は、ガラス基板の一方の主面１０１ａで平面視して円環状をなしており、孔部１０およびランド１２３ｃ部分を除いた開口部１１１ａに対応する領域を覆うよう形成される。レジスト１１５の内径寸法は、ランド１２３ｃの外径寸法）Ｈ３を考慮して設定される。レジスト１１５としては、例えば、液状ネガレジスト、フィルム状ネガレジスト、液状ポジレジスト、フィルム状ポジレジストを適用することができる。

次いで、図５（ｇ）に示すように、レジスト１１５を除くシード層１２１ａ、１２１ｂの表面に、めっき法を用いて銅を積層させ、ピン１２３、広壁１１１および１１２、導体柱１１４となる層を成長させる。ピン１２３は、孔部１０の内部および孔部１０周囲のランド１２３ｃとなる基板１０１の一方の主面１０１ａに形成され、広壁１１１は、基板１０１の一方の主面１０１ａの開口部１１１ａ外側、導体柱１１４は孔部２０の内部に形成される。
さらに、基板１０１の他方の主面１０１ｂに形成されたシード層１２１ｂに広壁１１２を形成する。

銅めっきの厚みは、少なくともミリ波帯の高周波信号が流れるときに電流密度が高くなる表皮深さよりも厚いことが望ましい。例えば、６０ＧＨｚの高周波信号では、信号電流の表皮深さが２７０ｎｍなので、２μｍ程度とすれば十分である。
なお、銅めっき法で形成されたピン１２３、導体柱１１４は、孔部１０，２０の内壁面を導体で覆い、且つ、孔部１０，２０の中心軸には導体が配されていない形態となる。あるいは、孔部１０，２０の内部を完全に充填してもよい。

次いで、図５（ｈ）に示すように、レジスト１１５を剥離する。さらに、残存するシード層１２１ａエッチングを行う。これにより広壁１１１、ランド１２３ｃ、開口部１１１ａを形成する。

次いで、図５（ｊ）に示すように、広壁１１１上およびランド１２３ｃの外周部１２３ｄ上に絶縁体１２４を形成する。絶縁体１２４は、ピン１２３となる孔部１０部分とその周囲のランド１２３ｃの中央側の円環部１２３ｅとなる部分、および、伝送線路（平面回路）１２２終端部のＧＮＤビア１２７となる部分に除去された開口部１２４ａ、１２４ｂを形成する。
孔部１０周辺の開口部１２４ａは、その外径寸法Ｈ２となるように設定され、これによって、図２に示すように、ランド１２３ｃに接続される部分の導体１２２ａの外径寸法Ｈ２を設定する。

絶縁体１２４は、例えば、液状の感光性樹脂をスピンコート法で広壁１１１および開口部１１１ａ部分に塗布する。次いで、フォトリソグラフィー法により孔部１０周辺の開口部１２４ａと、ＧＮＤビア１２７となる開口部１２４ｂとを除去し、絶縁体１２４を形成する。次いで、残存した感光性樹脂を熱処理することで硬化する。
なお、開口部１２４ａにおいて円環部１２３ｅ上に除去しきれなかった感光性樹脂が残る場合、これらの除去にはＣＦ_４ガスやＯ_２ガスによるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）プロセスの実施が大変有効である。

次いで、伝送線路１２２を形成する。図５（ｋ）に示すように、シード層１２８を絶縁体１２４の表面と、ランド１２３ｃの円環部１２３ｅ及び孔部１０の内部と、開口部１２４ｂ内部とに形成する。シード層１２８は、シード層１２１ａ、１２１ｂと同じく、例えばＣｒ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕなどで厚みは１０ｎｍ〜５００ｎｍとされ、スパッタリングで形成することができる。

次いで、伝送線路形成工程の前工程であるレジスト形成工程として、図５（ｍ）に示すように、伝送線路１２２となる部分以外のシード層１２８上にめっきによりレジスト１２９を形成する。レジスト１２９は、伝送線路１２２となる部分およびＧＳＧパッド１２５、ＧＮＤパッド１２６、ＧＮＤビア１２７となる部分を除いた領域を覆うよう形成される。レジスト１２９の材料は、レジスト１１５と同等のものでよい。

次いで、伝送線路形成工程として、図５（ｎ）に示すように、レジスト１２９を除くシード層１２８の表面に、銅めっきをおこない、伝送線路１２２となる層を成長させる。同時に、銅めっきの厚みは、少なくともミリ波帯の高周波信号が流れるときに電流密度が高くなる表皮深さよりも厚いことが望ましい。例えば、６０ＧＨｚの高周波信号では、信号電流の表皮深さが２７０ｎｍなので、２μｍ程度とすれば十分である。

次いで、図５（ｐ）に示すように、レジスト１２９の剥離とシード層１２８のエッチングをおこなう。これによりマイクロストリップラインとなる伝送線路１２２が形成される。

このような工程によって、ピン１２３を有するモード変換器１００を基板１０１に形成することができる。

続いて、上記構成のモード変換器１００の信号反射損の抑制効果について、図８及び図９を参照して説明する。
図８は、一実施形態に係るモード変換器１００の信号反射のシミュレーションモデルを示す図である。図９は、図８に示すシミュレーションモデルを用いて信号反射のシミュレーション結果を示すグラフである。

図８に示すように、このシミュレーションでは、３つのモデルを用いた。一つは、比較例としての従来構造の孔部１０´であり、他の二つは、本発明の実施例１としての孔部１０Ａと本発明の実施例２としての孔部１０Ｂである。孔部１０´は、先端部１１が膨らんでないモデルである。また、孔部１０Ａ及び孔部１０Ｂは、先端部１１が膨らんでいるモデルである。孔部１０Ａと孔部１０Ｂとの違いは、ａの寸法が孔部１０Ａよりも孔部１０Ｂの方が大きい点である。その他の反射特性に影響を与える条件は、孔部１０´，１０Ａ，１０Ｂで共通である。具体的なシミュレーション条件は、基板１０１の全高Ｈは５３６μｍとし、孔部１０´，１０Ａ，１０Ｂの長さ寸法Ｈ４は４４５μｍとし、孔部１０´，１０Ａ，１０Ｂの開口部１４の外径寸法Ｈ１は１００μｍとした。ここで、孔部１０´のａは、７０μｍ（すなわちａ＝ｂ）とした。孔部１０Ａ，１０Ｂのａ、ｂ、ｃ、ｄ、ａ／ｂの各値は、下記表１に示す。

表１に示すように、実施例１である孔部１０Ａでは、ａが８０μｍであり、ｂが７１．３μｍであるため、ａ／ｂが１．１２となり、上述した１．１≦ａ／ｂ≦１．３の関係を満たす。また、実施例１である孔部１０Ａでは、ｃが４０μｍであり、ｄが２１．１μｍであるため、上述した０＜ｄ＜ｃの関係を満たす。また、実施例１である孔部１０Ａでは、ａが８０μｍであり、ｃが４０μｍであるため、上述したａ≦２ｃの関係を満たす。

また、実施例２である孔部１０Ｂでは、ａが９０μｍであり、ｂが７４．１μｍであるため、ａ／ｂが１．２２となり、上述した１．１≦ａ／ｂ≦１．３の関係を満たす。また、実施例２である孔部１０Ｂでは、ｃが４５μｍであり、ｄが２８．４μｍであるため、上述した０＜ｄ＜ｃの関係を満たす。また、実施例２である孔部１０Ｂでは、ａが９０μｍであり、ｃが４５μｍであるため、上述したａ≦２ｃの関係を満たす。

図９は、横軸に周波数、縦軸に反射係数を表したグラフであり、下に凸である程信号の反射損が小さいことを示している。この図９に示すシミュレーション結果から明らかなように、信号の反射損に関して、膨らんだ先端部１１を有する孔部１０Ａ，１０Ｂは、従来構造の孔部１０´に対して優位性があることが確認された。具体的に、このシミュレーション結果では、７０〜７５ＧＨｚのＥバンド帯において極めて高い反射損抑制効果があることが確認された。すなわち、本実施形態では、孔部１０の先端部１１を膨らませているため、孔部１０に形成されるピン１２３の先端部の直径を太らせて設計値に近付けることができたため、ピン１２３と基板１０１の他方の主面１０１ｂに形成された広壁１１２との間における電気的結合を強め、信号の反射を抑制できたものと考えられる。

このように、上述の本実施形態によれば、基板１０１と、基板１０１の一方の主面１０１ａ及び他方の主面１０１ｂに形成された接地導体からなる広壁１１１，１１２と、基板１０１を貫通して形成されて広壁１１１，１１２同士を接続する導体からなる狭壁１１０Ｂ及びショート壁１１０Ａと、から形成された導波路１１０と、基板１０１の一方の主面１０１ａから所定の深さまで形成された孔部１０の内部に設けられた導体からなるピン１２３と、基板１０１の一方の主面１０１ａ側に形成されてピン１２３に接続された伝送線路１２２と、を備え、孔部１０は、膨らんだ先端部１１を有する、という構成を採用することによって、反射損を抑制した信号伝送を実現することができるモード変換器１００が得られる。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

例えば、本発明は、以下のような変形例を採用し得る。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図１０及び図１１は、一実施形態に係る孔部１０の形状の一変形例を示す断面図である。
図１０に示す孔部１０は、略楕円の球形状に膨らんだ先端部１１Ａを有する。先端部１１Ａは、楕円の長軸が基板１０１の厚み方向に沿って設定され、楕円の短軸が基板１０１の幅方向に沿って設定された縦長の楕円形状を有する。この先端部１１Ａは、例えば、図６（ａ）に示す第２のピッチＰ２の間隔を少し広げることで形成することができる。
一方、図１１に示す孔部１０は、縮径部１２の軸心に対して偏心した略真円の球形状の先端部１１Ｂを有する。先端部１１Ｂは、孔部１０の片側にのみ膨出部１５を形成している。この先端部１１Ｂは、例えば、レーザー光Ｌの焦点Ｆを、基板１０１の深さ方向だけでなく幅方向にも走査することで形成することができる。
図１０及び図１１に示す構成であっても、孔部１０に形成されるピン１２３の先端部の直径を太らせ、設計値に近付けることができるため、信号の反射損を低減することができる。なお、先端部１１の形状は、球状に限らず、例えば、立方体や直方体、その他の多角形の立体や、球体や多角形の立体が歪んだ異形の立体であっても良い。なお、これら変形例であっても、１．１≦ａ／ｂ≦１．３の関係、０＜ｄ＜ｃの関係、及びａ≦２ｃの関係を満たすことが好ましい。

また、上記実施形態では、レーザー光Ｌを照射することにより改質部αを形成し、改質部αを除去することにより孔部１０を形成したが、例えば、機械加工により孔部１０を形成してもよく、また。機械加工とレーザ改質エッチングを組み合わせて孔部１０を形成してもよい。

また、例えば、伝送線路１２２は、マイクロストリップ線路（ＭＳＬ：Micro-Strip Line）や、コプレーナ線路（ＣＰＷ：CoPlanar Waveguide）、ストリップ線路等により構成されていてもよい。なお、上記実施形態では、伝送線路１２２としてＭＳＬが形成されているが、ＣＰＷ等の他のＴＥＭ線路であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、狭壁１１０Ｂ及びショート壁１１０Ａが導体柱１１４である構成について例示したが、この構成に限定されるものではなく、例えば、スリット状に形成されていてもよい。この形態としては、上述した特許文献１の図１０及び図１１に示すような形態を採用することができる。

１０…孔部、１０ａ…先端、１０Ａ…孔部、１０Ｂ…孔部、１１…先端部、１１ａ…中心、１１Ａ…先端部、１１Ｂ…先端部、１２…縮径部、１００…モード変換器、１０１…基板、１０１ａ…一方の主面、１０１ｂ…他方の主面、１１０…導波路、１１０Ａ…ショート壁、１１０Ｂ…狭壁、１１１…広壁、１１２…広壁、１２２…伝送線路（平面回路）、１２３…ピン、Ｌ…レーザー光、α…改質部

Claims

基板と、
前記基板の一方の主面及び前記他方の主面に形成された接地導体からなる広壁と、前記基板を貫通して形成されて前記広壁同士を接続する導体からなる狭壁及びショート壁と、から形成された導波路と、
前記基板の一方の主面から所定の深さまで形成された孔部の内部に設けられた導体からなるピンと、
前記基板の一方の主面側に形成されて前記ピンに接続された伝送線路と、を備え、
前記孔部は、膨らんだ先端部を有する、ことを特徴とするモード変換器。
前記孔部は、前記基板の一方の主面から離れるに従って細くなる縮径部を有し、
前記先端部は、前記縮径部の最小径よりも大きい直径を有する球状に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のモード変換器。
前記先端部の直径をａ、前記縮径部の最小径をｂとしたときに、
１．１ ≦ ａ／ｂ ≦ １．３
の関係を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のモード変換器。
前記孔部の先端から前記先端部の中心までの距離をｃ、前記先端部の中心から前記縮径部の最小径までの距離をｄとしたときに、
０＜ｄ＜ｃ
の関係を有する、ことを特徴とする請求項２または３に記載のモード変換器。
前記先端部の直径をａ、前記孔部の先端から前記先端部の中心までの距離をｃとしたときに、
ａ ≦ ２ｃ
の関係を有する、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のモード変換器。
基板と、
前記基板の一方の主面及び前記他方の主面に形成された接地導体からなる広壁と、前記基板を貫通して形成されて前記広壁同士を接続する導体からなる狭壁及びショート壁と、から形成された導波路と、
前記基板の一方の主面から所定の深さまで形成された孔部の内部に設けられた導体からなるピンと、
前記基板の一方の主面側に形成されて前記ピンに接続された伝送線路と、を備えるモード変換器の製造方法であって、
先端部が膨らんだ前記孔部を形成する孔部形成工程を有する、ことを特徴とするモード変換器の製造方法。
前記孔部形成工程は、
前記基板の一方の主面側からレーザー光を照射することにより前記基板に改質部を形成し、該改質部の前記基板の前記所定の深さにおけるピッチを、前記基板の一方の主面側におけるピッチよりも密にする第一工程と、
前記改質部を除去することにより、先端部が膨らんだ前記孔部を形成する第二工程と、を有する、ことを特徴とする請求項６に記載のモード変換器の製造方法。