JP2018026717A - 平面アンテナ、同時焼成セラミック基板、準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールおよび同時焼成セラミック基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能な平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールを提供する。
【解決手段】平面アンテナは、上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック体１０と、多層セラミック体内の複数のセラミック層の界面の１つまたは多層セラミック体の上面に位置する少なくとも１つの放射導体３１と、多層セラミック体内の複数のセラミック層の他の界面の１つまたは多層セラミック体の下面に位置する地導体３２と、多層セラミック体内の放射導体と地導体との間に位置している中空空間１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本願は、平面アンテナ、同時焼成セラミック基板、準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールおよび同時焼成セラミック基板の製造方法に関する。

インターネットによる情報伝達量が飛躍的に増大しており、より大容量の情報を伝搬できる無線通信技術が求められている。また、より高精細な画像のテレビ放送も求められている。

無線通信では、搬送周波数が高いほど、情報伝達に利用する周波数帯域を広くとることができ、多くの情報を伝搬できる。このため、近年では、マイクロ波、特に、１ＧＨｚ程度から１５ＧＨｚ程度の範囲の無線ＬＡＮ、携帯電話通信網、衛星通信などの無線通信が広く利用されている。

このような高周波の無線通信に用いるアンテナには、例えば、平面アンテナが用いられる。特許文献１は、プリント配線基板にアンテナ導体が設けられた、ＧＰＳ受信システム用の平面アンテナを開示している。アンテナ導体は、腐食防止のため、ソルダーレジストで覆われている。特許文献２は、樹脂基板上に、導体膜と、導体膜を覆う保護膜とが設けられたマイクロ波およびミリ波領域の通信システム用平面アンテナを開示している。

特開平６−１４０８３１号公報 特開２０１２−０５４８２６号公報

近年、より大容量の情報を伝搬するための近距離無線通信技術として準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信技術が注目されている。

本願の限定的ではないある例示的な一実施形態は、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能な平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールを提供する。

本開示の平面アンテナは、上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック体と、前記多層セラミック体内の前記複数のセラミック層の界面の１つまたは前記多層セラミック体の前記上面に位置する少なくとも１つの放射導体と、前記多層セラミック体内の前記複数のセラミック層の他の界面の１つまたは前記多層セラミック体の前記下面に位置する地導体と、前記多層セラミック体内の前記放射導体と前記地導体との間に位置している中空空間とを備える。

前記多層セラミック体の上面視において、前記中空空間の外縁は、前記放射導体の全体を囲んでいてもよい。

本開示の同時焼成セラミック基板は、上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック体と、前記多層セラミック体内の前記複数のセラミック層の界面の１つまたは前記多層セラミック体の前記上面に位置する少なくとも１つの放射導体と、前記多層セラミック体内の前記複数のセラミック層の他の界面の１つまたは前記多層セラミック体の前記下面に位置する地導体と、前記多層セラミック体内の前記放射導体と前記地導体との間に位置している中空空間と、前記複数のセラミック層の他の界面であって、前記放射導体よりも前記下面側に位置する他の界面に位置する複数の導電体パターンと、前記複数のセラミック層のうち、前記放射導体よりも前記下面側に位置するセラミック層に設けられた複数の導電性ビアとを備え、前記放射導体と、前記地導体と、前記放射導体および前記地導体の間に位置する前記複数のセラミック層の一部によって平面アンテナを構成し、前記複数の導電体パターンおよび前記複数の導電性ビアによって受動部品および配線を構成している。

前記多層セラミック体の上面視において、前記地導体の外縁は、前記放射導体の全体を囲んでいてもよい。

前記放射導体は、前記多層セラミック体の前記上面に位置していてもよい。

前記中空空間の上面は前記界面の１つと接しており、前記放射導体は前記中空空間と接していてもよい。

前記地導体の一部は前記中空空間と接していてもよい。

前記中空空間の下面は前記他の界面と離間しており、前記地導体は、前記中空空間と前記多層セラミック体の前記下面との間に位置していてもよい。

前記放射導体を複数含んでいてもよい。

本開示の準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールは、上記いずれかに記載の同時焼成セラミック基板と、前記多層セラミック体の前記下面に位置する前記複数の電極と接続された能動部品とを備える。

本開示の同時焼成セラミック基板の製造方法は、放射導体の導電ペーストパターンが配置された第１セラミックグリーンシート、地導体の導電ペーストパターンが配置された第２セラミックグリーンシート、および放射導体よりも大きい貫通開口を有し、前記貫通開口に有機樹脂からなる粒子を含むペーストが充填された少なくとも１つの第３セラミックグリーンシートを含む複数のセラミックグリーンシートを用意する工程（Ａ）と、前記少なくとも１つの第３セラミックグリーンシートの前記貫通開孔の上方領域または下方領域内に前記第１セラミックグリーンシートの前記放射導体の導電ペーストパターンが位置し、かつ、前記少なくとも１つの第３セラミックグリーンシートが前記第１セラミックグリーンシートと前記第２セラミックグリーンシートとの間に位置するように、前記複数のセラミックグリーンシートを積層し圧着させることにより、グリーンシート積層体を得る工程（Ｂ）と、前記グリーンシート積層体を加熱することによって、前記グリーンシート積層体からバインダおよび前記開口内の前記有機樹脂を含むペーストを焼失させ、前記中空空間を有するグリーンシート積層体を焼結させる工程（Ｃ）と包含する。

本開示の実施形態によれば、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能な平面アンテナ、平面アンテナを備えた同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールが提供される。また、平面アンテナを備えた同時焼成セラミック基板の製造方法が提供される。

（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は同時焼成セラミック基板の実施形態の一例を示す、模式的上面図、模式的下面図、および、（ｂ）の１ｃ−１ｃ線における模式的断面図である。 図１に示す同時焼成セラミック基板の模式的上面図であって、中空空間および地導体を合わせて示す図である。 （ａ）から（ｆ）は、同時焼成セラミック基板の放射導体および地導体の他の配置例を示す断面図である。 （ａ）から（ｆ）は、同時焼成セラミック基板の製造方法の一実施形態による工程断面図である。 （ａ）および（ｂ）は準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信の実施形態を示す下面図および断面図である。 （ａ）および（ｂ）は実験例で用いた平面アンテナの構造を示す断面図および上面図である。 実験例１の結果を示すグラフである。 実験例３の結果を示すグラフである。

本願発明者は、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能な平面アンテナについて詳細に検討した。ミリ波帯域の無線通信は、波長が１ｍｍ〜１０ｍｍであり、３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。準ミリ波帯域の無線通信は、波長が１０ｍｍ〜３０ｍｍであり、１０ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信では、平面アンテナのサイズは数センチあるいはミリメートルのオーダーになる。このため、例えば、準ミリ波・ミリ波無線通信回路を、多層セラミック焼結基板によって構成する場合、多層セラミック焼結基板に平面アンテナを実装することが可能となる。

一方、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信回路では伝送ロスの影響が大きい。無線通信において送信される電波が熱変換されることにより発生する誘電体による損失αは以下の式（１）で示される。ここで、ｆは搬送波の周波数であり、ε_rは誘電体の比誘電率であり、ｔａｎδは誘電体の誘電正接である。式（１）から分かるように、誘電体による損失αはｔａｎδに比例し、ε_rの１／２乗に比例し、ｔａｎδおよびε_rが小さければ損失αも小さくなる。
α∝ｆ・√（ε_r）・tanδ （１）

ε_rおよびｔａｎδは、多層セラミック焼結基板を構成するセラミック材料の物性であるが、セラミックの組成および焼結条件を調整した場合、ε_rおよびｔａｎδの両方が同時に小さくできるとは限らない。本願発明者は、同時焼成セラミック焼結基板に設けられ、構造的にε_rを調整し得る新規な平面アンテナを想到した。以下、本開示の平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールの実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
平面アンテナおよび同時焼成セラミック基板の実施形態を説明する。図１（ａ）および（ｂ）は本開示の実施形態による同時焼成セラミック基板１０１の模式的上面図および下面図である。また図１（ｃ）は、同時焼成セラミック基板１０１の、図１（ｂ）に示す１ｃ−１ｃ線断面である。

[１．平面アンテナおよび同時焼成セラミック基板の構造］
同時焼成セラミック基板１０１は、多層セラミック体１０と、多層セラミック体１０内に設けられた中空空間１５と、少なくとも１つの放射導体３１と、地導体３２とを備える。

多層セラミック体１０は、上面１０ａおよび下面１０ｂを有する。多層セラミック体１０は、グリーンシートを積層し、焼成させることによって得られた複数のセラミック層を有する。多層セラミック体１０には、複数のセラミック層間の明瞭な界面が存在しない場合もある。各セラミック層は、１つのグリーンシートに対応する。

放射導体３１は、上面１０ａまたは複数のセラミック層の界面の１つに位置する。地導体３２は、複数のセラミック層の界面の他の１つであって、放射導体３１よりも下面１０ｂ側、または、下面１０ｂに位置する。図１では、放射導体３１は、上面１０ａ上に位置し、地導体３２は、放射導体３１よりも下面１０ｂ側の多層セラミック体１０の内部に位置している。

多層セラミック体１０の複数のセラミック層は、上面１０ａと地導体３２との間に位置する第１部分１０ｃと、下面１０ｂと地導体３２との間に位置する第２部分１０ｄとを含む。第１部分１０ｃは中空空間１５を含んでいる。図１（ｃ）に示すように、放射導体３１、中空空間１５を含む多層セラミック体１０の第１部分１０ｃおよび地導体３２が平面アンテナ１１を構成している。平面アンテナ１１は、本実施形態ではパッチアンテナであり、放射導体３１と、地導体３２と、放射導体３１および地導体３２とに挟まれた１以上のセラミック層とにより構成されるマイクロストリップアンテナである。

放射導体３１は、電波を放射する放射素子であり、導電性層によって形成される。図１（ａ）に示すように、本実施形態では、放射導体３１は、矩形（方形）形状を有している。しかし、放射導体３１は、円形状あるいは他の形状を有していてもよい。本実施形態では、平面アンテナ１１は６つの放射導体３１を含み、上面１０ａにおいて、２次元に配列されている。放射導体３１は、複数のセラミック層の界面のうちの同じ界面に２次元に配列されていてもよい。複数の放射導体３１はアレイアンテナを構成しており、これにより、放射または受信する電波の指向性が高められる。例えば、放射導体３１の形状が矩形である場合、放射導体３１の一辺の長さは搬送波の波長の１／２であり、より具体的には、５ｍｍ以下である。

中空空間１５は、上面１０ａ上の各放射導体３１と地導体３２との間に位置している。中空空間１５は、多層セラミック体１０を構成しているセラミック材料および他の固体または液体材料で充填されていない空間である。中空空間１５は、大気または焼成時の雰囲気を満たしているガスで満たされている。中空空間１５は、多層セラミック体１０の外部と連通していてもよいし、外部から隔絶された空間であってもよい。

地導体３２は、マイクロストリップアンテナにおけるグランドとして機能し、導電性層によって形成される。

図２は、同時焼成セラミック基板１０１の上面図であり、中空空間１５および地導体３２を、それぞれ、破線および一点鎖線で示している。図２に示すように、上面１０ａの上面視において、各中空空間１５の外縁（ｏｕｔｅｒ ｅｄｇｅ）は、対応する放射導体３１の全体を完全に囲んでいることが好ましい。つまり、各放射導体３１は、多層セラミック体１０の積層方向において、対応する中空空間１５の領域内に全体が位置していることが好ましい。また、上面視において、地導体３２の外縁も放射導体３１のアレイ全体を完全に囲んでいることが好ましい。つまり放射導体３１は、多層セラミック体１０の積層方向において、地導体３２の領域内に全体が位置していることが好ましい。本実施形態では、地導体３２は、放射導体３１のアレイ全体よりも大きなサイズを有しているが、平面アンテナ１１は、６つの地導体３２を備えていてもよい。この場合、上面視において、各地導体３２の外縁が対応する放射導体３１を完全に囲んでいることが好ましい。つまり各放射導体３１は、多層セラミック体１０の積層方向において、対応する地導体３２の領域内に全体が位置していることが好ましい。

図１（ｃ）に示すように、平面アンテナ１１において、放射導体３１と地導体３２との間に位置する物質の比誘電率が平面アンテナ１１の放射効率に影響する。式（１）で示すように、平面アンテナ１１の誘電体による損失αは比誘電率ε_rの１／２乗に比例し、ε_rが小さいほど、損失αも小さくなる。平面アンテナ１１によれば、放射導体３１と地導体３２との間には中空空間１５が位置しており、中空空間１５を満たしている気体は、種類および組成によらず、概ね１である。これに対し、多層セラミック体１０を構成するセラミック材料の比誘電率は、例えば３から１５程度である。このため、放射導体３１と地導体３２との間の実効比誘電率は、中空空間１５が設けられない場合に比べて小さくなる。つまり、平面アンテナ１１は中空空間１５を有することによって、誘電体による損失が抑制され、高い放射効率を実現し得る。また、実効比誘電率が低減すること、誘電体による損失αを小さくすることができ、平面アンテナの広帯域化およびゲイン（利得）の増大を図ることも可能になる。

また、放射導体３１と地導体３２との誘電体としての実効比誘電率は、中空空間１５の高さを変えることによって調整できる。図１（ｃ）に示すように、放射導体３１と地導体３２との間隔をＨとし、中空空間１５の積層方向の高さをｈｓとし、セラミック層の合計の高さをｈｃとした場合、Ｈ＝ｈｃ＋ｈｓであり、ｈｃ/Ｈを小さくすることによって、あるいは、ｈｓ/Ｈを大きくすることによって、実効比誘電率を小さくすることができ、平面アンテナの放射効率を高めることができる。つまり、多層セラミック体１０を構成しているセラミック材料を変更することなく、放射効率に影響する誘電体の実効比誘電率を調整することが可能である。

放射導体３１と地導体３２との間の間隔Ｈは、例えば、５０μｍ以上１ｍｍ以下である。これにより、準ミリ波・ミリ波帯のマイクロストリップアンテナを構成することができる。中空空間１５の高さｈｓは、大きいほど実効比誘電率を小さくできるため、好ましい。しかし、中空空間１５の高さｈｓが大きくなりすぎると、例えば、放射導体３１を支持するセラミック層が薄くなり、構造的強度が十分に得られなくなる可能性がある。このため、中空空間１５の高さｈｓは、例えば、２５μｍ以上９００μｍ以下であることが好ましい。

同時焼成セラミック基板の平面アンテナ１１において、多層セラミック体１０における放射導体３１、地導体３２および中空空間１５の配置には、種々の改変が可能である。図３（ａ）から図３（ｄ）に、一例を示す。これらの図において、地導体３２は、１つの放射導体３１に対応した大きさで示されているが、地導体３２は、図１および図２に示すように、６つの放射導体３１のアレイに対応する大きさを有していてもよい。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、放射導体３１は、多層セラミック体１０の上面１０ａに配置することができる。この構成によれば、放射導体３１が、直接電波が放射される外部環境と接しているため、高い放射効率が得られる。図３（ａ）に示すように、この場合、中空空間１５の下面１５ｂは、地導体３２から離間しており、中空空間１５の下面１５ｂと地導体３２との間に、セラミック層が存在していてもよい。あるいは、図３（ｂ）に示すように、地導体３２は中空空間１５と接しており、地導体３２が下面１５ｂを規定していてもよい。

また、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、放射導体３１は中空空間１５と接していてもよい。具体的には、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示す形態では、複数のセラミック層の界面のうち、放射導体が位置する界面によって、中空空間１５の上面１５ａが規定され、上面１５ａに放射導体３１が位置している。この構造によれば、放射導体３１がセラミック層で覆われ、外部環境に露出しないため、放射導体３１が外部環境に曝され、腐食したり、酸化したりすることにより、放射効率が低下したり、アンテナの特性が変化するのを抑制することができる。また、同時焼成セラミック基板１０１を用いて準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールを製造する際に、放射導体３１に何らかの外力が加わり、変形等が生じるのを抑制することができる。特に、準ミリ波・ミリ波帯のアンテナはサイズが小さく、小さな形状変化であっても大きな特性の変化を生じ得るため、放射導体３１を保護することは重要である。

放射導体３１が中空空間１５と接している場合、図３（ｃ）に示すように、中空空間１５の下面１５ｂは、地導体３２から離間しており、中空空間１５の下面１５ｂと地導体３２との間に、セラミック層が存在していてもよい。あるいは、図３（ｄ）に示すように、地導体３２は中空空間１５と接しており、地導体３２が下面１５ｂを規定していてもよい。

また、上面視において、中空空間１５が地導体３２よりも大きいサイズを有している場合には、図３（ｅ）および（ｆ）に示すように、複数のセラミック層の界面のうち、地導体３２が位置する界面によって、中空空間１５の下面１５ｂが規定され、下面１５ｂに地導体３２が位置していてもよい。特に図３（ｆ）に示す構造によれば、放射導体３１と地導体３２との間は、中空空間１５のみが介在しているため、実効比誘電率をほぼ１にすることができ、損失αを大きく低減できる。

同時焼成セラミック基板１０１は配線回路を備えていてもよい。具体的には、図１（ｃ）に示すように、同時焼成セラミック基板１０１は、地導体３２よりも下面１０ｂ側に位置する複数のセラミック層の境界に設けられた受動部品パターン３３および配線パターン３５と、地導体３２よりも下面１０ｂ側に位置する複数のセラミック層に設けられた導電性ビア３４とをさらに備えていてもよい。受動部品パターン３３は、例えば、導電性層あるいは、所定の抵抗値を有するセラミックであり、インダクタ、コンデンサ、抵抗等を構成している。また、導電性ビア３４および配線パターン３５は、受動部品パターン３３、地導体３２等と接続され、所定の回路を構成している。

多層セラミック体１０の下面１０ｂには、例えば、外部の基板と接続するための、電極２１、受動部品を接続するための電極２２および集積回路等の受動部品を接続するための電極２３が位置している。導電性ビア３４は、電極２１、２２、２３と配線パターン３５等とを電気的に接続している。

地導体３２よりも下面１０ｂ側に位置する複数のセラミック層に設けられたこれらの構成要素により、受動部品を含む配線回路１２が構成される。配線回路１２の上述した、電極２２および電極２３に受動部品および集積回路等が接続されることによって、無線通信回路が構成される。

配線回路１２と平面アンテナ１１の放射導体３１とは多層セラミック体１０内に形成された導電性ビア３４および配線パターン３５の少なくとも一方によって直接電気的に接続されていてもよい。あるいは、導電性ビア３４および配線パターン３５の少なくとも一方が放射導体３１と電磁結合し得る位置に配置されていてもよい。この場合、例えば、地導体３２にスロットを設け、スロットを介して放射導体３１と配線パターン３５とを配置してもよいし、放射導体３１と地導体３２との間に配線パターン３５を設けてもよい。

同時焼成セラミック基板１０１は、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ、Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板であってもよいし、高温焼成セラミック（ＨＴＣＣ、Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板であってもよい。高周波特性の観点では、低温焼成セラミック基板を用いた方が好ましい場合がある。多層セラミック体１０のセラミック層、放射導体３１、地導体３２、受動部品パターン３３、配線パターン３５、導電性ビア３４には、焼成温度、用途等および無線通信の周波数等に応じたセラミック材料および導電性材料が用いられる。放射導体３１、地導体３２、受動部品パターン３３、配線パターン３５、導電性ビア３４を形成するための導電性ペーストと、多層セラミック体１０のセラミック層を形成するためのグリーンシートが同時に焼成（Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ）される。同時焼成セラミック基板１０１が低温焼成セラミック基板である場合、８００℃から１０００℃程度の温度範囲で焼結することができるセラミック材料および導電性材料を用いる。例えばＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒを主成分とし、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｋを副成分とするセラミック材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒを主成分とし、Ｃａ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋを副成分とするセラミック材料、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｄを含むセラミック材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｇを含むセラミック材料が用いられる。また、ＡｇまたはＣｕを含む導電性材料が用いられる。セラミック材料の誘電率は３〜１５程度である。同時焼成セラミック基板１０１が高温焼成多層セラミック基板である場合、Ａｌを主成分とするセラミック材料および、Ｗ（タングステン）またはＭｏ（モリブデン）を含む導電性材料を用いることができる。

より具体的には、ＬＴＣＣ材料として、例えば、比誘電率５〜１０のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｇｄ−Ｏ系誘電体材料、Ｍｇ₂ＳｉＯ₄からなる結晶相とＳｉ−Ｂａ−Ｌａ−Ｂ−Ｏ系からなるガラス等からなる誘電体材料、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｒ−Ｏ系誘電体材料、Ａｌ−Ｓｉ−Ｂａ−Ｏ系誘電体材料、高誘電率（比誘電率５０以上）のＢｉ−Ｃａ−Ｎｂ−Ｏ系誘電体材料等様々な材料を用いることができる。

例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｒ−Ｏ系誘電体材料は、主成分としてＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｉの酸化物を含む場合は、主成分であるＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、ＴｉをそれぞれＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＳｒＯ、ＴｉＯ₂に換算したとき、Ａｌ₂Ｏ₃：１０〜６０質量％、ＳｉＯ₂：２５〜６０質量％、ＳｒＯ：７．５〜５０質量％、ＴｉＯ₂：２０質量％以下（０を含む）を含有することが好ましい。また、その主成分１００質量部に対して、副成分として、Ｂｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｏの群のうちの少なくとも１種をＢｉ₂Ｏ₃換算で０．１〜１０質量部、Ｎａ₂Ｏ換算で０．１〜５質量部、Ｋ₂Ｏ換算で０．１〜５質量部、ＣｏＯ換算で０．１〜５質量部含有することが好ましく、更に、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｇの群のうちの少なくとも１種をＣｕＯ換算で０．０１〜５質量部、Ｍｎ₃Ｏ₄換算で０．０１〜５質量部、Ａｇを０．０１〜５質量部含有することが好ましい。その他不可避不純物を含有することもできる。

多層セラミック体１０の第１部分１０ｃは第２部分１０ｄと同じ組成を有し、同じ材料によって形成されていてもよい。あるいは、平面アンテナ１１の放射効率を高めるために、多層セラミック体１０の第１部分１０ｃは第２部分１０ｄと異なる組成を有し、異なる材料によって形成されていてもよい。第１部分１０ｃが第２部分１０ｄと異なる組成を有することにより、第２部分１０ｄと異なる誘電率を有することが可能となり、放射効率を向上させることが可能となる。

［２．同時焼成セラミック基板１０１の製造方法］
次に同時焼成セラミック基板１０１の製造方法を説明する。同時焼成セラミック基板１０１は、ＬＴＣＣ基板またはＨＴＣＣ基板と同様の製造方法を用いて製造することができる。

（１） セラミックグリーンシートを用意する工程（Ａ）
例えば、まず、上述した元素を含むセラミック材料を用意し、必要に応じて、例えば７００℃〜８５０℃で仮焼し、粉砕することにより造粒する。セラミック材料にガラス成分の粉末、有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加し、これらの混合物のスラリーを得る。誘電率を異ならせるため等により、多層セラミック体１０の第１部分１０ｃと第２部分１０ｄとを異なる材料によって形成する場合には、異なる材料を含む２種類のスラリーを用意する。また、上述した導電性材料の粉末を有機バインダおよび溶剤等と混合し、導電ペーストを得る。

ドクターブレード法、圧延（押し出し）法、印刷法、インクジェット式塗布法、転写法等を用いて、図４（ａ）に示すように、スラリーから所定の厚さの層をキャリアフィルム６０上に形成し、乾燥させる。スラリーの層を切断することによって、セラミックグリーンシート６１を得る。

セラミックグリーンシート６１に導電ペーストを印刷し、図４(ｂ)及び(ｃ)に示すように、放射導体の導電ペーストパターン３１’が配置されたセラミックグリーンシート（第１セラミックグリーンシート）７１、地導体の導電ペーストパターン３２’が配置されたセラミックグリーンシート（第２セラミックグリーンシート）７２を得る。また、図４（ｄ）に示すように、同時焼成セラミック基板１０１内で構成する回路に従い、レーザ、メカ式パンチャ等を用いて複数のセラミックグリーンシート６１にビアホール６２を形成し、スクリーン印刷法を用いて各ビアホールに導電ペースト３４’を充填する。スクリーン印刷等によって、導電ペーストをセラミックグリーンシートに印刷し、配線パターンのための導電ペーストパターン３５’および受動部品パターンのための導電ペーストパターン３３’が配置されたセラミックグリーンシート７４を得る。

図４（ｅ）に示すように、レーザ、メカ式パンチャ等を用いてセラミックグリーンシート６１に中空空間１５に対応する貫通開口１５’を形成する。貫通開口１５’は放射導体の導電ペーストパターン３１’よりも大きい。

貫通開口１５’に充填する有機樹脂からなる粒子を含むペーストを用意する。有機樹脂からなる粒子、バインダおよび溶剤を混合しペーストを調製する。有機樹脂からなる粒子には、例えば、平均粒径が、１μｍ以上３０μｍ以下であり、ポリメタクリル酸メチル等のアクリル系樹脂、有機樹脂の中実粒子、中空粒子または多孔性粒子を用いることができる。このような有機樹脂からなる粒子は、セラミックフィルター等の造孔材、強度を要する有機軽量フィラー等の用途に市販されている。熱膨張性マイクロカプセルを用いてもよい。熱膨張性マイクロカプセルは、低沸点炭化水素を熱可塑性高分子殻で覆った構造を有し、加熱すると、高分子の殻が軟化するとともに、低沸点炭化水素が気化し、膨張する。熱膨張性マイクロカプセルを用いる場合には、あらかじめ熱処理によって膨張させておくことが好ましい。グリーンシート積層体を形成後、脱バインダ工程等において熱膨張性マイクロカプセルが膨張することにより、貫通開口１５’が変形するのを抑制するためである。バインダおよび溶剤には、同時焼成セラミック基板の製造に用いられる一般的なバインダおよび溶剤を用いることができる。

用意した有機樹脂からなる粒子を含むペーストをセラミックグリーンシート６１の貫通開口１５’に印刷などによって充填し、貫通開口１５’に有機樹脂の粒子を含むペースト６３が充填されたセラミックグリーンシート（第３セラミックグリーンシート）７３を得る。

（２）グリーンシート積層体を得る工程（Ｂ）
用意したセラミックグリーンシート７１、７２、７３、７４を積層する。図４（ｆ）に示すように、まず、所定の配線回路を構成するように、複数のセラミックグリーンシート７４を、仮圧着を行いながら積層する。その後、セラミックグリーンシート７３がセラミックグリーンシート７１とセラミックグリーンシート７２との間に位置するように、積層する。具体的には、セラミックグリーンシート７２を複数のセラミックグリーンシート７４上に配置し、その上にセラミックグリーンシート７３を配置する。形成すべき中空空間１５の高さに応じて、セラミックグリーンシート７３を複数配置してもよい。その後、セラミックグリーンシート７３にセラミックグリーンシート７１を配置する。セラミックグリーンシート７３の貫通開口１５’の上方領域または下方領域内にセラミックグリーンシート７１の放射導体の導電ペーストパターン３１’が位置し、かつ、セラミックグリーンシート７３がセラミックグリーンシート７１とセラミックグリーンシート７２との間に位置するように位置合わせを行う。これにより、グリーンシート積層体７５が得られる。

なお、図４では、１つのセラミックグリーンシート７３で中空空間１５となる領域を形成しているが、必ずしもこれに限定されない。例えば、セラミックグリーンシート７３を複数用意して積層して、貫通開口１５´及びペースト６３を多段に重ねるように設けることで、高さの増大した１つの中空空間１５を形成することもできる。

次に、グリーンシート積層体７５の複数のセラミックグリーンシート７１〜７４を互いに圧着させる。例えば、グリーンシート積層体７５を枠体内に装填し、冷間等方加圧（ＣＩＰ）装置などを用いて本圧着を行う。

（３）グリーンシート積層体を焼結させる工程（Ｃ）
まず脱バインダを行う。具体的には、グリーンシート積層体７５に含まれる樹脂、溶媒などの有機成分を加熱し、除去する。この工程において、中空空間１５となる貫通開口１５’に充填されたペースト６３も除去する。例えば、２００℃以上６００℃以下の範囲の温度で、１２０分以上６００分以下の時間保持する。保持温度は一定であってもよいし、変化してもよい。この工程により、グリーンシート積層体７５に含まれる樹脂および溶媒が消失（蒸発）する。ペースト６３中の有機樹脂からなる粒子は、例えば、約３５０℃〜６００℃の範囲の温度で消失する。一般的な多層セラミック基板の製造過程における脱バインダ工程において、セラミックグリーンシートに挟まれた導電パターンにおける導電ペーストおよびセラミックグリーンシートのビアホールに充填された導電ペーストが除去し得るように、セラミックグリーンシートに囲まれているペースト６３も気体となって除去される。ペースト６３が除去された貫通開口１５’は、大気または脱バインダあるいは焼結中の雰囲気を構成するガスで満たされる。

次に、脱バインダ後のグリーンシート積層体７５を焼結させる。具体的には、セラミックグリーンシートに含まれるセラミックの焼結温度で、グリーンシート積層体７５を保持し、セラミックの焼結を行う。例えば、８５０℃以上９４０℃以下の範囲の温度で、１００分以上１８０分以下の時間、保持する。

図１（ｃ）に示すように、焼結後、下面１０ｂに電極２１、２２、２３を配置することによって、同時焼成セラミック基板１０１が得られる。

本実施形態の同時焼成セラミック基板によれば、準ミリ波・ミリ波無線通信用の配線回路、受動部品および平面アンテナを備える。このため、同時焼成セラミック基板に準ミリ波・ミリ波無線通信用のチップセット等を実装することによって、アンテナも備えた無線モジュールが実現する。例えば、搬送波が２４ＧＨｚ以上であれば、矩形の放射導体の大きさは６ｍｍ×６ｍｍ以下となり、同時焼成セラミック基板によって構成される無線モジュールに好適に配置することができる。

また、放射導体３１と地導体３２との間に、中空空間を有するため、平面アンテナにおける実効比誘電率を小さくすることができ、誘電体による損失を抑制し、平面アンテナの放射効率を高めることができる。また、中空空間１５の高さを変えることによって、平面アンテナにおける実効比誘電率を変化させることができる。したがって、同じセラミックス材料を用いても、比誘電率を異ならせることにより、特性の異なる平面アンテナを実現することができる。

また、本実施形態の同時焼成セラミック基板の製造方法によれば、有機樹脂からなる粒子を含むペーストを中空空間となる貫通開口に充填し、グリーンシート積層体７５を作製するため、圧着等によって貫通開口が変形したり空間が縮小されることなく、中空空間を有する同時焼成セラミック基板を得ることができる。

なお、本実施形態おいて説明した平面アンテナの放射導体３１および地導体３２の形状、数、配置は模式的な一例に過ぎない。例えば、複数の放射導体のうち、一部を地導体３２から異なる距離に位置するセラミック層の界面に配置してもよい。また、放射導体にスロットを設けてもよい。また、平面アンテナは、放射導体の他に、給電されない導体をさらに含んでおり、放射導体と、セラミック層を介して積層されていてもよい。

（第２の実施形態）
準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールの実施形態を説明する。図５（ａ）は、本開示の無線通信モジュールの実施形態を示す模式的下面図であり、図５（ｂ）は、基板に実装された無線通信モジュールを示す模式的断面図である。無線通信モジュール１０２は、第１の実施形態の同時焼成セラミック基板１０１と、半田バンプ４１と、受動部品４２と能動部品４３とを備える。半田バンプ４１は、同時焼成セラミック基板１０１の下面１０ｂに位置する電極２１に設けられている。受動部品４２は、例えば、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗等であり、電極２２に半田などによって接合されている。能動部品４３は、例えば、無線通信用のチップセットであり、受信回路、送信回路、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ/Ａコンバータ、ベースバンドプロセッサ、メディアアクセスコントローラ等を含むものであり、電極２３に半田などによって接合されている。

無線通信モジュール１０２は、例えば、電極５２が設けられた回路基板５１にフリップチップボンディングによって、フェイスダウンで、つまり、受動部品４２および能動部品４３が回路基板５１と対向するように接合される。同時焼成セラミック基板１０１と回路基板５１との間には、例えば、封止樹脂５３が充填される。

回路基板５１に実装された無線通信モジュール１０２において、同時焼成セラミック基板１０１の上面１０ａは、回路基板５１と反対側に位置している。このため、受動部品４２および能動部品４３、あるいは、回路基板５１の影響を受けることなく、準ミリ波・ミリ波帯の電波を平面アンテナ１１から放射し、また、外部から到達する準ミリ波・ミリ波帯の電波を平面アンテナ１１で受信することができる。また、平面アンテナ１１は、中空区間１５を備えているため、同時焼成セラミック基板に設けられているにもかかわらず、実効比誘電率が小さいことにより、高い放射効率を実現し得る。したがって、高い放射効率で電波の送受信が可能なアンテナを備え、小型であり、かつ、表面実装が可能な無線通信モジュールが実現し得る。

（実験例）
［実験例１］
中空空間によって実効比誘電率を制御できることを計算によって確かめた。図６に示す形状の平面アンテナを用い、実効比誘電率を計算した。図６に示すように、中空空間に接する地導体３２にスロット３８を設け、給電ライン３７および接地導体３９からなるマイクロストリップラインからスロット３８を介して、放射導体３１に電力を供給するモデルを用いた。Ｈ＝０．４ｍｍ、Ｌｃ／Ｌｐ＝２として、ｈｃの値を異ならせた。多層セラミックを構成する材料Ａ〜Ｄの比誘電率は２、４、６、８と設定した。結果を図７に示す。図７において、横軸はｈｃ/Ｈの値を示し、縦軸は実効比誘電率を示す。

ｈｃ／Ｈ＝１は中空空間がない場合であり、多層セラミック体１０の材料がＡからＤのいずれであっても、ｈｃ／Ｈが１より小さくなると、実効比誘電率は大きく低下する。特に多層セラミック体１０の材料の比誘電率が大きいほど、実効比誘電率は小さくなる。ｈｃ／Ｈが０．４〜０．８の範囲では、実効比誘電率の値の変化は小さい。

具体的には、ｈｃ／Ｈが０．４〜０．８の範囲において、材料Ａ（比誘電率は２）であれば、実効比誘電率は、１．５〜１．７の範囲であり、材料Ｄ（比誘電率は８）であれば、実効比誘電率は、４．３〜４．６の範囲である。

これらの結果から、中空空間を設けることによって、多層セラミック体１０の材料の比誘電率を大きく低下させる効果が得られることが分かった。また、ｈｃ／Ｈが小さくなるに従い、実効比誘電率も小さくなることが分かった。

［実験例２］
平面アンテナの構造の違いによる実効比誘電率を計算によって確認した。放射導体３１、地導体３２および中空空間１５の平面形状は実験例１と同じであり、図３（ａ）、（ｂ）、（ｄ）に示す構造における放射効率を計算によって求めた。図中に示すＨ、ｈ１、ｈ２は以下の通りである。放射導体３１および地導体３２の厚さは０であるとして計算している。また、多層セラミックを構成する材料の比誘電率を６に設定した。
Ｈ：０．４ｍｍ
ｈ１：０．１６ｍｍ
ｈ２：０．０８ｍｍ

結果を表１に示す。

表１から分かるように、同じ比誘電率の多層セラミックを用いても、放射導体３１、地導体３２および中空空間１５の位置を異ならせることにより、実効比誘電率を変化させることが可能である。したがって、アンテナの放射効率向上、広帯域化およびゲインの増大を図ることができるとともに、目的や仕様に応じて、実効比誘電率を変換させ、アンテナの特性を調整することが可能となる。

［実験例３］
誘電体として、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）およびガラスエポキシ（ＦＲ−４）の物性を用い、実験例１と同様、中空空間の高さを異ならせ、放射効率を計算によって求めた。計算には、表２に示す比誘電率およびｔａｎδの値を用いた。結果を図８に示す。

図８から分かるように、ガラスエポキシを誘電体として用いた平面アンテナおよび低温同時焼成セラミックを誘電体として用いた平面アンテナのいずれにおいても、ｈｃ／Ｈが小さくなるに従い、放射効率は大きくなる。しかし、誘電体材料によって、放射効率の変化は異なる。具体的には、ガラスエポキシを誘電体として用いた平面アンテナでは、中空空間の高さが小さくなり、誘電体の高さ比ｈｃ／Ｈが大きくなるほど、放射効率が大きく低下する。これに対して、低温同時焼成セラミックを誘電体として用いた平面アンテナでは、誘電体の高さ比が大きくなっても、あまり放射効率は低下しない。これは、セラミックおよびガラスエポキシのいずれであっても、中空空間のｔａｎδはゼロであるのに対し、ガラスエポキシのｔａｎδはセラミックよりも大きいため、誘電体の高さ比が大きくなるにつれてｔａｎδによる損失αが増大し、放射効率が低下するからと考えられる。このように本開示の平面アンテナは、特に誘電体としてセラミックを用いた場合に、高い放射効率が得られることがわかる。

本開示の平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールは、種々の高周波無線通信用のアンテナおよびアンテナを含む無線通信回路に好適に用いることが可能であり、特に準ミリ波・ミリ波帯の無線通信に好適に用いられ得る。

１０ 多層セラミック体
１０ａ 上面
１０ｂ 下面
１０ｃ 第１部分
１０ｄ 第２部分
１１ 平面アンテナ
１２ 配線回路
１５ 中空空間
１５’ 貫通開口
１５ａ 上面
１５ｂ 下面
２１、２２、２３ 電極
３１ 放射導体
３１’、３２’、３３’、３５’ 導電ペーストパターン
３２ 地導体
３３ 受動部品パターン
３４ 導電性ビア
３４’ 導電ペースト
３５ 配線パターン
３７ 給電ライン
３８ スロット
３９ 接地導体
４１ 半田バンプ
４２ 受動部品
４３ 能動部品
５１ 回路基板
５２ 電極
５３ 封止樹脂
６０ キャリアフィルム
６１ セラミックグリーンシート
６２ ビアホール
６３ ペースト
７１、７２、７３、７４ セラミックグリーンシート
７５ グリーンシート積層体
１０１ 同時焼成セラミック基板
１０２ 無線通信モジュール

Claims (18)

1. 上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック体と、
   前記多層セラミック体内の前記複数のセラミック層の界面の１つまたは前記多層セラミック体の前記上面に位置する少なくとも１つの放射導体と、
   前記多層セラミック体内の前記複数のセラミック層の他の界面の１つまたは前記多層セラミック体の前記下面に位置する地導体と、
   前記多層セラミック体内の前記放射導体と前記地導体との間に位置している中空空間と、
   を備えた平面アンテナ。
2. 前記多層セラミック体の上面視において、前記中空空間の外縁は、前記放射導体の全体を囲んでいる、請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 前記多層セラミック体の上面視において、前記地導体の外縁は、前記放射導体の全体を囲んでいる、請求項１に記載の平面アンテナ。
4. 前記放射導体は、前記多層セラミック体の前記上面に位置している、請求項１から３のいずれかに記載の平面アンテナ。
5. 前記中空空間の上面は前記界面の１つと接しており、
   前記放射導体は前記中空空間と接している、請求項１から４のいずれかに記載の平面アンテナ。
6. 前記地導体の一部は前記中空空間と接している、請求項１から５のいずれかに記載の平面アンテナ。
7. 前記中空空間の下面は前記他の界面と離間しており、
   前記地導体は、前記中空空間と前記多層セラミック体の前記下面との間に位置している、請求項１から５のいずれかに記載の平面アンテナ。
8. 前記放射導体を複数含む請求項１から７のいずれかに記載の平面アンテナ。
9. 上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック体と、
   前記多層セラミック体内の前記複数のセラミック層の界面の１つまたは前記多層セラミック体の前記上面に位置する少なくとも１つの放射導体と、
   前記多層セラミック体内の前記複数のセラミック層の他の界面の１つまたは前記多層セラミック体の前記下面に位置する地導体と、
   前記多層セラミック体内の前記放射導体と前記地導体との間に位置している中空空間と、
   前記複数のセラミック層の他の界面であって、前記放射導体よりも前記下面側に位置する他の界面に位置する複数の導電体パターンと、
   前記複数のセラミック層のうち、前記放射導体よりも前記下面側に位置するセラミック層に設けられた複数の導電性ビアと、
   を備え、
   前記放射導体と、前記地導体と、前記放射導体および前記地導体の間に位置する前記複数のセラミック層の一部によって平面アンテナを構成し、
   前記複数の導電体パターンおよび前記複数の導電性ビアによって受動部品および配線を構成している、同時焼成セラミック基板。
10. 前記多層セラミック体の上面視において、前記中空空間の外縁は、前記放射導体の全体を完全に囲んでいる、請求項９に記載の同時焼成セラミック基板。
11. 前記多層セラミック体の上面視において、前記地導体の外縁は、前記放射導体の全体を完全に囲んでいる、請求項９に記載の同時焼成セラミック基板。
12. 前記放射導体は、前記多層セラミック体の前記上面に位置している、請求項９から１１のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
13. 前記中空空間の上面は前記界面の１つと接しており、
    前記放射導体は前記中空空間と接している、請求項９から１２のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
14. 前記地導体の一部は前記中空空間と接している、請求項９から１３のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
15. 前記中空空間の下面は前記他の界面と離間しており、
    前記地導体は、前記中空空間と前記多層セラミック体の前記下面との間に位置している、請求項９から１４のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
16. 前記放射導体を複数含む請求項９から１５のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
17. 請求項９から１６のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板と、
    前記多層セラミック体の前記下面に位置する前記複数の電極と接続された能動部品と、
    を備えた準ミリ波・ミリ波無線通信モジュール。
18. 放射導体の導電ペーストパターンが配置された第１セラミックグリーンシート、地導体の導電ペーストパターンが配置された第２セラミックグリーンシート、および放射導体よりも大きい貫通開口を有し、前記貫通開口に有機樹脂からなる粒子を含むペーストが充填された少なくとも１つの第３セラミックグリーンシートを含む複数のセラミックグリーンシートを用意する工程（Ａ）と、
    前記少なくとも１つの第３セラミックグリーンシートの前記貫通開孔の上方領域または下方領域内に前記第１セラミックグリーンシートの前記放射導体の導電ペーストパターンが位置し、かつ、前記少なくとも１つの第３セラミックグリーンシートが前記第１セラミックグリーンシートと前記第２セラミックグリーンシートとの間に位置するように、前記複数のセラミックグリーンシートを積層し圧着させることにより、グリーンシート積層体を得る工程（Ｂ）と、
    前記グリーンシート積層体を加熱することによって、前記グリーンシート積層体からバインダおよび前記開口内の前記有機樹脂を含むペーストを焼失させ、前記中空空間を有するグリーンシート積層体を焼結させる工程（Ｃ）と
    を包含する、同時焼成セラミック基板の製造方法。

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