JP2020010148A - 高周波受動部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導体層が基板から剥離することを抑制することが可能な高周波受動部品およびその製造方法を提供する。【解決手段】導波領域を含む誘電体からなる基板１０１と、基板１０１の厚さ方向の少なくとも片面において、平面視で導波領域を囲むように接する導体層１０３と、基板１０１の厚さ方向に交差する側方に設けられた誘電体層１０６と、を備え、導体層１０３の外周部１０３ａの少なくとも一部が、誘電体層１０６に配置されていることを特徴とする高周波受動部品１００。【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波等の高周波通信に利用可能な導波路構造を有する高周波受動部品およびその製造方法に関する。

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。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、例えば、特許文献１には、ポスト壁導波路（Ｐｏｓｔ−ｗａｌｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を利用したモード変換器が提案されている。

特開２０１４−１５８２４３号公報

外部接続用の配線または電磁界を閉じ込める導波路構造等を設けた基板において、配線または導波路構造の広壁等を構成する導体層を基板の直上に設けると、使用環境によっては導体層が基板から剥離することがあった。高周波用途の基板材料を選択する場合は、導体層に対する密着性よりも、高周波特性に優れていることが優先的に要求されることがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、導体層が基板から剥離することを抑制することが可能な高周波受動部品およびその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、導波領域を含む誘電体からなる基板と、前記基板の厚さ方向の少なくとも片面において、平面視で前記導波領域を囲むように接する導体層と、前記基板の厚さ方向に交差する側方に設けられた誘電体層と、を備え、前記導体層の外周部の少なくとも一部が、前記誘電体層に配置されていることを特徴とする高周波受動部品を提供する。

前記導体層が配置された前記誘電体層の面は粗面化されていてもよい。

前記導体層の外周部の隅部が、前記誘電体層に配置されていてもよい。
前記導体層の外周部全体が、前記誘電体層に配置されていてもよい。

上述の高周波受動部品において、前記導波領域が、前記基板の両面に形成された広壁および前記広壁に接続された側壁により囲まれた導波路構造で構成され、前記導体層が、前記広壁の少なくとも一方であってもよい。
また、前記導体層は、少なくとも一部を、樹脂で封止されていてもよい。

また、本発明は、誘電体からなる基板と、前記基板に形成された側壁とを有する高周波受動部品の製造方法であって、前記側壁に対応する凹部を有する基板を作製する工程と、前記凹部内に誘電体層を設ける工程と、前記基板の前記凹部が開口する側とは反対側の面を研磨して、前記誘電体層を前記反対側の研磨された面に露出する工程と、導体層の外周部が、前記誘電体層に配置されるように、前記導体層を形成する工程と、を有することを特徴とする高周波受動部品の製造方法を提供する。

本発明によれば、誘電体層と導体層との配置を工夫することにより、基板から導体層が剥離することを抑制することができる。

高周波受動部品の実施形態を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩに沿う導体層のパターンを例示する断面図である。 原型から型を作製する工程を（ａ）〜（ｃ）の順に示す断面図である。 型から基板を作製する工程を（ａ）〜（ｃ）の順に示す断面図である。 高周波受動部品を作製する工程を（ａ）〜（ｄ）の順に示す断面図である。 外部接続用の配線を設ける工程を（ａ）〜（ｃ）の順に示す断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。

図１に、本実施形態の高周波受動部品１００の断面構造を示す。基板１０１としては、例えば、ガラス基板、サファイア基板、石英基板、樹脂基板などの誘電体基板が挙げられる。基板１０１は、誘電正接が小さい等、高周波特性の優れた材料が好ましい。図１では、基板１０１の厚さ方向が上下となるように表されている。

基板１０１の第１主面１０１ａには、導体層１０３が形成されている。導体層１０３は、配線等を含むことができる。本実施形態の場合、基板１０１の厚さ方向の両主面１０１ａ，１０１ｂに形成された導体層１０３，１０２と、基板１０１の側方に形成された側壁１０４とにより囲まれた空間が導波領域となるように、導波路構造が構成されている。この導波路構造は、例えばミリ波などの高周波信号（電磁波）が伝搬される高周波デバイスとして利用することができる。周波数は特に限定されないが、例えば３０〜３００ＧＨｚ、６０〜８０ＧＨｚ等が挙げられる。導波路構造は、導波路、フィルタ、ダイプレクサ、方向性結合器、分配器等の受動部品（パッシブデバイス）を構成してもよい。

基板１０１の第２主面１０１ｂ側の導体層１０２、および基板１０１の側方における側壁１０４には、樹脂等からなる誘電体層１０６が設けられている。ここで、基板１０１の側方とは、厚さ方向に交差する方向であり、例えば導波路構造の長手方向または幅方向である。また、基板１０１の第１主面１０１ａ側の導体層１０３には、樹脂等からなる封止層１０７が設けられている。基板１０１の第１主面１０１ａ側の導体層１０３の外周部１０３ａは、誘電体層１０６に配置されている。

本実施形態によれば、導体層１０３と誘電体層１０６との配置を工夫することにより、基板１０１から導体層１０３が剥離することを抑制することができる。この理由については、特に本発明を限定するものではないが、例えば次のような仮説が考えられる。もし、導体層１０３の端面を基板１０１上に配置した場合、使用環境によっては導体層１０３が基板１０１から剥離する場合がある。例えば、低温から高温への温度上昇や、高温から低温への温度降下が甚だしいと、導体層１０３を構成する材料と、基板１０１を構成する材料との熱膨張率の違いから、層間に応力が生じるおそれがある。また、導体層１０３の剥離は、導体層１０３の外周部１０３ａを起点とする。そこで、基板１０１の側方に誘電体層１０６を設け、導体層１０３の外周部１０３ａを誘電体層１０６に配置することにより、導体層１０３の外周部１０３ａが基板１０１に接することなく、誘電体層１０６を介して応力を緩和する状況になる。このため、導体層１０３の外周部１０３ａの剥離が抑制できると考えられる。

一般に、高周波特性がよい材料は、配線、広壁等の導体層となる金属との密着性が低い。金属との密着性を高めるため、導体層が設けられる基板の主面を粗面化する等も考えられるが、導波領域を構成する面が粗面化されると、高周波特性を悪化させる要因となる。そこで、剥離の起点となり得る導体層１０３の外周部１０３ａが、導波路構造の外側に設けられた誘電体層１０６に配置される。導体層１０３が配置される誘電体層１０６の面１０６ａを粗面化して、金属との密着性を高めてもよい。ここで、面１０６ａは、基板１０１の第１主面１０１ａに沿う面である。導体層１０３が配置された誘電体層１０６の面１０６ａが粗面化されている箇所が導波路構造の外側であるため、粗面化されても導波路の高周波特性に影響しないで、金属との密着性を高めることができる。

誘電体層１０６に配置された導体層１０３の外周部１０３ａは少なくとも隅部、あるいは外周部全体であることが好ましい。

図１に示す導波路構造では、詳しくは後述するが、モード変換機構となる貫通電極１０５を設けてもよい。また、封止層１０７上には、導体層１０３に電気的に接続される再配線層１０９，１１１を設けることができる。再配線層１０９，１１１は各々、ビア１０８，１１０を介して導体層１０３と接続することができる。ここで、ビア１０８および再配線層１０９は、モード変換機構となる貫通電極１０５と接続されている。また、ビア１１０および再配線層１１１は、側壁１０４と接続されている。

図２に、導体層１０３の平面上のパターンを例示する。端面１０３ｃを有する円形状のパターンは、モード変換機構となる貫通電極１０５と接続される導体層１０３を示す。２つのモード変換機構は、導波路の長手方向の両端部に設けられてもよい。周囲の導体層１０３は、導波路構造の広壁となる部分である。広壁となる導体層１０３の外周部１０３ａは、上述したように、図１に示す誘電体層１０６に配置される。広壁とモード変換機構とを絶縁するパターンの周囲における導体層１０３の端面１０３ｂ，１０３ｃは、パターンが小さく、または閉じた形状であるため、基板１０１上に直接配置されても剥離が起きにくい。

次に、本実施形態の高周波受動部品を製造する方法の一例を説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、原型から型を作製する工程を順に示す。図４（ａ）〜（ｃ）は、型から基板を作製する工程を順に示す。図５（ａ）〜（ｄ）は、基板に高周波受動部品を作製する工程を順に示す。図６（ａ）〜（ｃ）は、外部接続用の配線を設ける工程を順に示す。

本実施形態による高周波受動部品の製造方法は、概略として、図３に示すように、側壁に対応する凹部１１および貫通電極に対応する凹部１２を有する原型１０をガラスから作製する工程と、原型１０を用いて、原型１０の凹部１１，１２に対応する凸部２１，２２を有する型２０を金属から作製する工程と、図４に示すように、型２０を用いて、型２０の凸部２１，２２に対応する凹部３１，３２を有する基板３５を樹脂からなる基板材料３０から作製する工程と、図５に示すように、基板３５の凹部３１，３２が開口する側とは反対側の第１主面３４を研磨して、基板３５の凹部３１，３２を基板３５の第１主面３６に露出する工程と、を有する。基板３５の第１主面３６に露出した凹部３１，３２には各々、側壁４５、貫通電極４６を設けることができる。

図３（ａ）に示すように、原型１０は、凹部１１，１２が開口した第２主面１３と、この第２主面１３とは反対側にある第１主面１４とを有する。凹部１１，１２は第１主面１４に到達せず、底部が閉鎖されている。本実施形態で原型１０とは、基板３５と同様な形状を有し、原型１０の形状を型２０に転写し、さらに型２０の形状を基板材料３０に転写するために用いられる。つまり、原型１０は、直接基板３５を成形するための型２０ではなく、型２０の元となるマスター型である。

原型１０を構成する誘電体としては、ガラスが挙げられる。ガラスとしては、多成分ガラス、石英ガラス（シリカガラス）、ケイ酸塩ガラス等が挙げられる。ガラスと同様な材料として、サファイア、合成石英、天然石英、半導体等の無機材料を採用することもできる。原型１０を構成する誘電体基板は、例えばウエハ状をした大面積の基板であってもよい。図３では原型１０の凹部１１，１２を下向きに表示しているが、下向きとは異なる向きに原型１０を配置してもよい。

原型１０に凹部１１，１２を形成する方法としては、ドリル等の穿孔機械、レーザ、エッチング等が挙げられる。例えば、レーザの集光照射により、ガラス等の材料を局所的に改質した後、改質により溶解性が高くなった部分をウェットエッチングで選択的に除去する方法が挙げられる。例えばフェムト秒レーザアシストエッチングにより、位置精度および加工精度の高い加工が可能となる。ここでいうフェムト秒レーザーアシストエッチングとは、第一に、パルス幅１０ｐｓ以下の超短パルスレーザーを集光走査させることで集光部に沿って、クラックあるいは構造変性部からなる改質部を設け、次いで、エッチングによって改質部を選択的にエッチングし凹部１１，１２などを設ける加工法を指す。アスペクト比（径に対する深さの比率）が高い微細孔を形成できるだけでなく、テーパ形状、段差形状等を含む任意形状の凹部が加工できる。テーパ形状は、材料の第２主面から第１主面または内部に向けて、径または形状が小さくなってもよく、逆に、径または形状が大きくなってもよい。

図３（ｂ）に示すように、例えばＮｉ等の金属を用いた電鋳、メッキ等により、原型１０の凹部１１，１２と第２主面１３に金属を付着させ、型２０を形成する。原型１０の凹部１１，１２に堆積した金属から凸部２１，２２が構成され、原型１０の第２主面１３に堆積した金属から基部２３が構成される。原型１０と型２０とを剥離することにより、図３（ｃ）に示すように、基部２３の片面に凸部２１，２２が突出して形成された型２０が得られる。原型１０を構成する材料は耐久性に優れるため、同一の原型１０を用いて、原型１０から型２０を作製する工程を複数回繰り返して行うことができる。

図４（ａ）に示すように、樹脂からなる基板材料３０を準備し、図４（ｂ）に示すように、型２０の凸部２１，２２に基板材料３０を重ね合わせる。基板材料３０は、平坦なフィルム、シート等でもよい。基板材料３０として好ましい樹脂としては、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、フッ素樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等が挙げられる。図４では型２０の凸部２１，２２を上向きに表示しているが、上向きとは異なる向きに型２０を配置してもよい。

基板材料３０を構成する樹脂が熱可塑性樹脂である場合、加熱により樹脂を軟化させ、ホットエンボス法により、型２０の形状を基板材料３０に転写させ、凸部２１，２２に対応する形状の凹部３１，３２を形成することができる。基板材料３０が熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等の硬化性樹脂である場合は、液状などの流動性を有する未硬化の状態で基板材料３０を型２０に塗布し、型２０と重ね合わせたまま樹脂を硬化させることで、凸部２１，２２に対応する形状の凹部３１，３２を形成することができる。

型２０と基板材料３０とを剥離することにより、図４（ｃ）に示すように、型２０の基部２３に接した第２主面３３に凹部３１，３２が形成された基板３５が得られる。第２主面３３は、凹部３１，３２が開口した側の面である。また、第１主面３４は、第２主面３３とは反対側の面である。凹部３１，３２は第１主面３４に到達せず、底部が閉鎖されている。型２０を構成する材料は耐久性に優れるため、同一の型２０を用いて、凹部３１，３２を有する基板３５を成形する工程を複数回繰り返して行うことができる。

図５（ａ）に示すように、第２主面３３に凹部３１，３２が開口した基板３５に対して、第２主面３３側に第１導体層４１，４２，４３が形成される。これらのうち、第１導体層４１は凹部３１の内壁に、第１導体層４２は凹部３２の内壁に、第１導体層４３は第２主面３３に、それぞれ形成されている。凹部３１，３２の内壁に各々形成された第１導体層４１，４２は、基板３５の第１主面３４側に露出していない。第１導体層４１，４２はブラインドビアを構成している。

第１導体層４１，４２，４３のような導体層を形成する方法としては、スパッタ、蒸着、無電解メッキ、電解メッキ、導体ペーストなどの１種または２種以上が挙げられる。２種以上の導体材料または成膜方法を併用してもよく、２種以上の導体を積層して導体層を構成してもよい。絶縁体上に導体層を形成する場合には、スパッタ、蒸着、無電解メッキにより目標より薄い膜厚でシード層を形成した後、電解メッキにより目標の膜厚まで導体を積層してもよい。第１導体層４１，４２，４３の表面（基板３５に接する側とは反対側の外面）には、酸化防止のため、ＮｉＡｕ，ＮｉＰｄＡｕ等の酸化防止層を設けてもよい。また、第１導体層４３が配線、パッド等の形状を有するようにパターニング等を適宜行ってもよい。

図５（ｂ）に示すように、第２主面３３に第１導体層４３が形成された基板３５の第２主面３３側を、絶縁材４４で被覆する。絶縁材４４は、凹部３１には充填されるが、凹部３２内には充填されなくてもよい。絶縁材４４としては、例えば樹脂が挙げられる。これにより、後述するように、基板３５の第１主面３４を研磨する際に、第２主面３３側の第１導体層４１，４２，４３を保護することができる。また、基板３５の第１主面３４を研磨し、凹部３１，３２が基板３５の第１主面３４に露出した際に、絶縁材４４が接合材または接着材として機能し、導波路構造４８が基板３５から離反することを防ぐことができる。

図５（ｃ）に示すように、基板３５の第１主面３４を研磨することにより、凹部３１，３２が新たな第１主面３６に露出する。また、凹部３１，３２に形成された第１導体層４１，４２が新たな第１主面３６に露出されて、側壁４５、貫通電極４６となる。側壁４５および貫通電極４６の形状は各々、原型１０の凹部１１，１２の形状に従って、精密に形成された凹部３１，３２の形状に基づく。これにより、樹脂からなる基板３５に高精度な側壁および貫通孔を作製することができる。

図５（ｄ）に示すように、基板３５の第１主面３６に第２導体層４７を形成する。第２導体層４７を形成する方法は、上述したように、第１導体層４１，４２，４３を形成する方法と同様でよい。基板３５を構成する誘電体が、第１導体層４３と第２導体層４７と側壁４５とで囲まれる領域を有することにより、導波管と同様な導波路構造４８を構成することができる。また、第２導体層４７を形成する前に、第１主面３６側に露出した絶縁材４４を粗面化してもよい。

導波路構造４８の内部に設けられる貫通電極４６は、モード変換機構を構成してもよい。モード変換機構は、導波路構造４８の外部に設けられる配線層（図６（ｃ）の再配線層５３）と接続され、配線層から導波路構造に対して電気信号を入力したり、または導波路構造から配線層に対して電気信号を出力したりすることができる。

図６（ａ）に示されるように、第２導体層４７のパターニングなどを適宜行ってもよい。また、上述したように、第２導体層４７の表面（基板３５に接する側とは反対側の外面）に酸化防止層を設けてもよい。層構成、パターニング等に関して、第１主面３６に形成された第２導体層４７が、第２主面３３に形成された第１導体層４３と同様であってもよく、互いに異なってもよい。ここでは、例えばモード変換機構となる貫通電極４６と、側壁４５とが、間隙４９を介して分断される。

パターン状のレジストを用いてパターン状の導体層を形成する方法としては、（１）パターン状のレジストを形成した後に導体層を形成し、レジスト上に積層された導体層をレジストと一緒に除去して、レジストのない領域に導体層を残す方法（リフトオフ）や、（２）全面的に導体層を形成した上にパターン状のレジストを形成した後、レジストに覆われていない領域の材料層をエッチング等で除去し、さらに必要に応じて不要なレジストを除去する方法などが挙げられる。エッチング法としては、適宜、ドライエッチング、ウェットエッチング等の各種から選択することができる。

図６（ｂ）に示されるように、第２導体層４７上に、樹脂等の誘電体からなる封止層５０を設けてもよい。封止層５０には、第２導体層４７に通じる開口５１を設けることができる。封止層５０が感光性を持つ材料からなる場合はフォトリソグラフィーを用いることができる。また、封止層５０が非感光性を持つ材料からなる場合は印刷法を用いることができる。

図６（ｃ）に示されるように、封止層５０上に再配線層５３，５５を設け、上述の開口５１にビア５２，５４を設けてもよい。導波路構造４８等の受動部品を有する基板３５において、基板３５が複数の受動部品を搭載している場合は、受動部品ごとに基板を切断する個片化工程を有してもよい。基板を切断する手段としては、ブレードダイサー、レーザーなどの公知の加工手段が挙げられる。

図６（ｃ）に示される受動部品を個片化することにより、図１に示す高周波受動部品１００を得ることができる。ここで、図１の基板１０１は、図６（ｃ）の基板３５に相当し、図１の導体層１０２，１０３は、図６（ｃ）の第１導体層４３および第２導体層４７にそれぞれ相当する。図１の側壁１０４は、図６（ｃ）の側壁４５に相当し、図１の貫通電極１０５は、図６（ｃ）の貫通電極４６に相当する。また、図１の誘電体層１０６は、図６（ｃ）の絶縁材４４に相当し、図１の封止層１０７は、図６（ｃ）の封止層５０に相当する。また、図１のビア１０８，１１０および再配線層１０９，１１１は、図６（ｃ）のビア５２，５４および再配線層５３，５５にそれぞれ相当する。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。改変としては、各実施形態における構成要素の追加、置換、省略、その他の変更が挙げられる。また、２以上の実施形態に用いられた構成要素を適宜組み合わせることも可能である。

図１に示す高周波受動部品１００を製造する際に、図４（ｃ）に示すように、側壁となる凹部３１および貫通孔となる凹部３２が形成されている基板３５を作製する方法は、原型１０に凹部１１，１２を形成する方法と同様にしてもよい。例えば、基板材料３０がガラス、石英等である場合は、フェムト秒レーザアシストエッチング等により凹部３１，３２を形成してもよい。この場合は、図３および図４に示す工程を省略して、図５および図６に示す工程を行うことで、図１に示す高周波受動部品１００を製造することができる。

上述の実施形態に係る高周波受動部品においては、同一の基板に複数の部品が構成されてもよい。基板に構成される他の部品は、高周波用の受動部品に限らず、他の受動部品や能動部品等を含んでもよい。部品をモジュール化することにより、高周波モジュールを構成することもできる。本実施形態の高周波モジュールは、例えば、上述の高周波受動部品を備えるモジュールである。モジュールには、機能に必要な種々の部品を組み込むことができる。

３５，１０１…基板、４１，４２，４３…第１導体層、４４…絶縁材（誘電体層）、４５，１０４…側壁、４６，１０５…貫通電極、４７…第２導体層、４８…導波路構造、１００…高周波受動部品、１０２，１０３…導体層、１０６…誘電体層、５０，１０７…封止層。

Claims (7)

1. 導波領域を含む誘電体からなる基板と、前記基板の厚さ方向の少なくとも片面において、平面視で前記導波領域を囲むように接する導体層と、前記基板の厚さ方向に交差する側方に設けられた誘電体層と、を備え、
   前記導体層の外周部の少なくとも一部が、前記誘電体層に配置されていることを特徴とする高周波受動部品。
2. 前記導体層が配置された前記誘電体層の面は粗面化されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波受動部品。
3. 前記導体層の外周部の隅部が、前記誘電体層に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波受動部品。
4. 前記導体層の外周部全体が、前記誘電体層に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波受動部品。
5. 前記導波領域が、前記基板の両面に形成された広壁および前記広壁に接続された側壁により囲まれた導波路構造で構成され、
   前記導体層が、前記広壁の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波受動部品。
6. 前記導体層は、少なくとも一部を、樹脂で封止されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波受動部品。
7. 誘電体からなる基板と、前記基板に形成された側壁とを有する高周波受動部品の製造方法であって、
   前記側壁に対応する凹部を有する基板を作製する工程と、
   前記凹部内に誘電体層を設ける工程と、
   前記基板の前記凹部が開口する側とは反対側の面を研磨して、前記誘電体層を前記反対側の研磨された面に露出する工程と、
   導体層の外周部が、前記誘電体層に配置されるように、前記導体層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする高周波受動部品の製造方法。

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