JP2020022156A - 導波路インターコネクト - Google Patents

Abstract

【課題】チップを他の構成部材に接合するための導波路インターコネクト、および、そのような導波路インターコネクトの形成方法を提供する。【解決手段】誘電体層３０で導波路インターコネクト１００を形成する。導波路インターコネクト１００は、互いに平行な縦軸を有する少なくとも一対の細長い貫通孔４３を備える。それによって、縦軸の方向に延びる誘電体層３０の細長いストライプ４４を形成し、細長い貫通孔４３間の誘電体層３０は導波路４４を形成する。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、チップを他の構成部材に接合するための導波路インターコネクトに関する。さらに、本開示は、そのような導波路インターコネクトの形成方法に関する。

誘電体導波路が、チップ−構成部材間だけでなくチップ間の相互接続において実行可能なオプションとなるように、２つの主な技術的課題に取り組む必要がある。１つ目は、例えば、標準的なプリント回路基板（ＰＣＢ）のプロセス等の標準的な製造プロセスへの誘電体導波路及びその連結部の統合／組み合わせである。２つ目は、特にケーブル代用品として用いられる場合に極めて重要である導波路モードに限定される分野に関し、例えば、過度のクロストークがない複数の平行な通信チャンネルが望まれる場合の基板レベルの統合にも関連する。

本開示は、ＰＣＢ、金属の導波路の分離したブロックのアセンブリ、又はガラス基板等の支持部材と容易に統合することができる導波路インターコネクトを提供することを目的とする。さらに、導波路インターコネクトは、フレキシブルなＰＣＢ、シリコン、又はガラス基板の統合部を形成することができる。これにより、例えば、ＰＣＢ製造の後に、基板とは別に導波路を組み立ててそれを組み付ける必要性をなくす。さらに、相互接続を形成するために標準的な製造技術を用いることができるので、低コストの製造が可能となり、そのため、大量生産が可能となる。最後に、この統合方法は、連結部への導波路の精確な配置、さらには十分に制御されたモード変更動作を確実に行う。導波路インターコネクトを、例えば、チップ間、チップ−アンテナ間、チップ−剛性の空洞の金属の導波路間、チップ−ウエハプローブ間、チップ−遠隔センサプローブ間等のチップ−他の構成部材間の接合のために用いることができる。さらに、導波路の連結部がチップはんだボールが取り付けられる場所と同じ金属層で実現される場合、導波路インターコネクトを、チップのアナログフロントエンド回路に直接接続することができる。

誘電体層で形成され、互いに平行な縦軸を有する一対の細長い貫通孔を備え、それによって、縦軸の方向に延びる誘電体層の細長いストライプを形成し、細長い貫通孔間の誘電体のストライプが導波路を形成する、導波路インターコネクトの本開示によってこの目的が達成される。

本出願によると、導波路は、基準周波数を有する通信信号又は無線周波信号等のある周波数レンジ内で信号を伝播するような寸法である。信号の周波数レンジに応じて、導波路の幅が変わる。導波路の長さは、チップと構成部材との間の長さによって定義される。例えば、提案された導波路インターコネクトは、ＰＣＢ上にベースバンドの銅バスを置き換え、それによって、より小さくより安価なＰＣＢを提供することができる。

本開示の一実施形態では、導波路インターコネクトは、誘電体導波路をパッシブ又はアクティブなモジュールに連結するために、誘電体層の表面上に金属層をプリント又はデポジットすることによって設けられる連結部を誘電体導波路のそれぞれの端部に備える。

連結部の設計は、導波路からモジュールへ及びその逆も同様に伝送される信号の量を決定し、それによって、モジュールへ及びモジュールからの移動に必要な信号の比に応じてフレキシブルなデザインを提供する。

アクティブなモジュールは、無線通信又はレーダー等の半導体チップであってもよい。パッシブなモジュールは、例えば、アンテナやセンサであってもよい。アクティブなモジュールを、アンテナやセンサ等のパッシブなモジュールに連結するために導波路を用いるとき、導波路は、アンテナへ及びアンテナからＲＦ信号を通信するために用いられる。また、いくつかの実施形態では、パッシブなモジュールは、別の平面ＰＣＢ又は金属の導波路構造に配置されてもよい。チップ等のアクティブなモジュールを連結するとき、導波路は、チップ間の通信のために用いられる。

誘電体層上に金属層をプリント又はデポジットすることによって、連結構造は、標準的な製造プロセスを用いて導波路インターコネクトに容易に統合される。

想定される連結トポロジー（ｃｏｕｐｌｅｒ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ）は、導波路の１又は複数のモードを立ち上げるために、ビバルディスタイル（Ｖｉｖａｌｄｉ−ｓｔｙｌｅ）、ディファレンシャルダイポール、ループ、又は導波路周囲に配置されるメタルホーン、又は上記の組み合わせを含む。標準的な製造プロセスを用いて容易にプリント又はデポジットすることができ、幅広いバンド幅及び適したモードのフィールドマッチを提供するため、楕円形のテーパを有するプレナー型のビバルディスタイルの連結部等の連結部が好ましい。

本開示の実施形態では、誘電体層はフレキシブルである。誘電体層は、ポリイミド、液晶ポリマー、又はポリプロピレンで形成されてもよい。好ましくは、ＰＴＦＥ等の低損失ポリマーが用いられる。

フレキシブルな導波路インターコネクトは、導波路インターコネクトを取り付ける必要がある具体的な構造に応じて設計オプションを増加させる。導波路インターコネクトを、過度の屈曲ロスが生じることなくある程度の曲率半径で曲げることができる。例えば、１００ＧＨｚでは、３０ｃｍの屈曲半径が許容可能である。許容できる屈曲半径の当該値は、動作周波数に反比例するスケールである。

本開示の他の実施形態では、導波路インターコネクトは、第１の支持部材又は第１及び第２の支持部材の上部に設けられ、導波路を取り囲む空気の流路が連続的に形成されるように配置される。支持部材は、ガラス基板又はプリント回路基板（ＰＣＢ）であってもよい。

本開示の別の実施形態では、誘電体層は、第１の支持部材又は第１及び第２の支持部材への誘電体層の取り付け及び／又は配置のために、誘電体導波路のそれぞれの端部の周囲に少なくとも１つの貫通孔を備える。

貫通孔によって、導波路インターコネクトを支持部材に容易に取り付け及び配置することができる。

本開示の実施形態では、少なくとも１つの貫通孔が、少なくとも１つの支持部材を貫通して延びる。

延在する貫通孔は、例えば、導波路を固定するための構造を取り囲む２つの金属内に導波路を並べるのに役立ち、さらに、連結部から導波路への放熱ロスを防ぐための電磁気的なシールド構造として役立つ。

本開示のある実施形態では、導波路インターコネクトは、異なる長さ及び／又は幅を有してもよい１又は複数の導波路を備える。導波路は、通信信号や無線周波数信号等の異なる周波数を有する信号が伝播できるような寸法であってもよい。伝播する信号の周波数レンジに応じて、導波路の幅が変わってもよい。導波路の幅は、動作周波数に反比例する。例えば、１００ＧＨｚレンジの動作において、導波路の幅は３ｍｍレンジであって、１ＴＨｚレンジの動作において、導波路の幅は３００ミクロンレンジである。上述のように、長さは、チップと構成部材との間の距離によって定義される。

異なる周波数レンジを有する信号の伝播のために複数の導波路を設けることによって、導波路インターコネクトを、通信及びデータ相互接続の両方として用いることができる。

本開示の実施形態では、少なくとも１つの金属線が、誘電体層の表面上に金属層をプリント又はデポジットすることによって設けられる。

誘電体層に金属線をプリント又はデポジットすることによって、相互接続を、上記に加えて、基準バンドＩ／Ｏ信号及び電力分配のために用いることができる。

本開示の別の対象は、導波路インターコネクトを形成する方法である。当該方法は、ａ）誘電材料の層を設けるステップと、ｂ）互いに平行な縦軸を有する少なくとも一対の細長い貫通孔を誘電体層で切り取り、それによって導波路を形成するステップとを含む。

当該方法は、導波路インターコネクトの安価で容易な製造を可能にする標準的な製造プロセスステップを用いる。

本開示の実施形態では、当該方法は、導波路をパッシブ又はアクティブなモジュールに連結するために、誘電体層の表面上に金属層をプリント又はデポジットすることによって、導波路のそれぞれの端部に連結部を設けるステップをさらに含む。

本開示の実施形態では、当該方法のステップａ）は、第１の支持部材又は第１及び第２の支持部材の間に誘電体層を設けるステップをさらに含み、ステップｂ）は、形成された少なくとも１つの導波路の周囲の支持部材を取り除き、それによって、形成された導波路を取り囲む連続的な空気の流路を形成するステップをさらに含む。材料に応じて、支持部材は、レーザーカット、スタンピング、メカニカルミリング／ルーティング、ケミカル又は反応性イオンエッチング等の方法によるリムーバー（ｒｅｍｏｖｅｒ）であってもよい。

本開示の実施形態では、支持部材は、ガラス基板、プリント回路基板（ＰＣＢ）、又はシリコン基板である。

この方法は、上で述べた導波路インターコネクトと同様の利点を有する。

本開示を理解しやすくするために、添付の図１及び図５の説明と共に、以下でいくつかの例示的な実施形態を説明する。

支持部材の上部に設けられた導波路インターコネクトの平面図 支持部材の上部に設けられた導波路インターコネクトのＢ−Ｂ’に沿った断面図 支持部材の上部に設けられた導波路インターコネクトのＡ−Ａ’に沿った断面図 チップ間の相互接続として提案された導波路インターコネクトを用いたマルチチップの配置の平面図 チップ間の相互接続として提案された導波路インターコネクトを用いたマルチチップの配置のＢ−Ｂ’に沿った断面図 チップ間の相互接続として提案された導波路インターコネクトを用いたマルチチップの配置のＡ−Ａ’に沿った断面図 チップ間の相互接続として提案された導波路インターコネクトを用いたマルチチップの配置の底面図 楕円形のテーパを有するプレナー型のビバルディスタイルの連結部 提案された導波路インターコネクトを備える分離したブロックアダプタ 提案された導波路インターコネクトを備える分離したブロックアダプタ

本開示において、特定の実施形態に関していくつかの図面を参照して記載しているが、本開示は、それに限定されず、また請求項によっても限定されない。図面は、概略的にのみ図示され、限定的なものではない。図面において、説明に役立つように、いくつかの部材の大きさは誇張されていてもよく、スケール通りに図示されていなくてもよい。寸法及び相対的な寸法は、必ずしも、本開示で実際に行われる縮小と一致していない。

本開示に係る導波路インターコネクト１００は、ＲＦ通信又はレーダーにおける半導体チップ、基準信号の分配器、リモートアンテナ又は近距離センサへの相互接続等のモジュール間の通信の相互接続として用いることができる。

導波路インターコネクトは、互いに平行な縦軸を有する一対の細長い貫通孔４３を備え、貫通孔の縦軸方向に延びる細長いストライプ４４を形成する誘電体層３０で形成される。形成された細長い誘電体のストライプ４４は、細長い貫通孔間の誘電体層のストライプが導波路を形成するような寸法を有する。

導波路の幅は、動作周波数に反比例する。例えば、１００ＧＨｚのレンジの動作に関して、導波路の幅は３ｍｍのレンジであって、１ＴＨｚのレンジの動作に関して、導波路の幅は３００ミクロンのレンジである。応用例は、７６〜８１ＧＨｚ帯又はより高周波数帯（例えば、１４０ＧＨｚ以上）のミリ波の自動車レーダーにおけるモジュール（例えば、半導体チップ）間の基準信号の分配、中間レンジ（最大３０ｍ）の無線ミリ波通信システムにおけるケーブル、通信のためのミリ波周波数を用いた、コンシューマーエレクトロニクスのチップ−アンテナ接続、セキュリティポータルのためのミリメートル−ＴＨｚ撮像システム、基準信号が複数のユニットに分配される必要がある非商用ミリ波レーダーシステム、アンテナ間の局部発振器の信号分配に係る無線ミリ波のアストロノミーシステム（ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅ ｒａｄｉｏ ａｓｔｒｏｎｏｍｙ ｓｙｓｔｅｍｓ）を含む。

図１は、導波路として機能する２つの誘電体のストライプ４４を形成する２対の細長い貫通孔４３を有する導波路インターコネクト１００を示す。導波路４４において長さＬは同じであるが、幅Ｗは異なる。導波路の厚みＨは、誘電体層３０の厚みによって決定される。導波路の断面形状は、矩形状である。なお、多角形、楕円形、円形の断面形状であってもよい。必然的に、導波路に接続されるモジュール間の距離と、導波路を通じて伝わる信号の周波数レンジとの間の距離に応じて、導波路の長さ及び幅は変わる。上述したように、１００ＧＨｚの周波数レンジの通信信号において、導波路は３ｍｍのレンジの寸法を有していてもよく、当該導波路の幅のスケールは、動作周波数に反比例する。導波路インターコネクトは、同じ参照トーン（ｓａｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏｎｅ）を共有する別々のチップ又はモジュール間での基準信号の分配に関する通信チャンネル及び／又は相互接続として機能するように構成される導波路を備えてもよい。

隣接する導波路間の好ましくないクロストークを防ぐために、それらの間において十分な幅で切り取るべきである。例えば、最適幅が３ｍｍレンジである１００ＧＨｚの場合、隣接する導波路間の切り取り幅も、略同じレンジであるべきである。複数の隣接する導波路を用いるときのクロストークの要件に応じて、当該切り取りを狭く又は広くするようにしてもよく、その結果、クロストークが増加又は減少する。

導波路インターコネクト１００には、誘電体の導波路４４のそれぞれの端部で連結部４５が設けられてもよい。それぞれの連結部４５は、導波路を信号源５０に連結する。信号源５０は、半導体チップ５０であってもよい。連結部及び導波路インピーダンスは、一致しており、略同じ高域応答周波数を有しているべきである。導波路は、断面領域に応じたカットオフ周波数を有する高域特性を備える。想定される連結トポロジーは、導波路内に１又は複数のモードを起動するために、ビバルディスタイル、ディファレンシャルダイポール、ループ、又は導波路の周囲に配置されるメタルホーン、又は上記の組み合わせを含む。

導波路に加えて、さらに、導波路インターコネクトは、電力を供給するための１つ又は複数の金属線４１、又はチップ間の電気信号のための１つ又は複数の金属線４２を備えてもよい。（通常、金属トラックとも呼ばれる）金属線は、連結部と同様の標準的な製造プロセスを用いて、誘電体層の上面に設けられてもよい。それゆえ、連結部及び電力線は、１つの製造ステップで提供されてもよい。

誘電体層３０は、フレキシブルな誘電体層であってもよい。例えば、誘電体層は、ＰＴＦＥ、液晶ポリマー、ポリプロピレン等の低損失ポリマー（ｌｏｗ−ｌｏｓｓ ｐｏｌｙｍｅｒ）で形成されてもよい。

導波路インターコネクト１００は、例えば、ＰＣＢやガラス基板等の支持部材２０の上部に配置されてもよい。導波路が適切に機能するために、例えば、図１Ｂ及び図１Ｃに示す導波路を取り囲む支持部材の一部を取り除くことによって、導波路を取り囲む空気の流路が連続的に設けられるべきである。例えば、レーザーカット、スタンピング、メカニカルミリング／ルーティング、ケミカル又は反応性イオンエッチング等に用いられる材料に適したサブトラクティブの製造技術を用いて、導波路４４の周囲のＰＣＢ基板を取り除くことができる。図示するように、すでに形成された２つの導波路４４の下方の支持部材２０は、取り除かれており、全体的に空気で取り囲まれている２つの導波路と、支持部材によって部分的に支持される誘電体層とが残る。

あるいは、誘電体層は、２つの支持部材の間に配置されてもよい。上記と同様に、導波路の伝播特性を維持するために、導波路４４の周囲の基板の一部を、それぞれの導波路を取り囲む空気の流路が連続的に形成されるように取り除かなければならない。

さらに、導波路インターコネクト１００は、誘電体層の支持部材への取り付け及び／又は配置を容易にするために、誘電体の導波路のそれぞれの端部の周囲に貫通孔４６を備えてもよい。あるいは、図１に示すような複数の貫通孔をさらに用いてもよい。誘電体層が２つの支持部材間に配置される場合、いくつかの貫通孔を、誘電体層を第１の支持部材に対して並べるために用いてもよく、残りの貫通孔を第２の支持部材に対して並べるために用いてもよい。

貫通孔は、連結部に対して下部の支持部材を並べるために、１つ又は両方の支持部材を貫通してさらに延びてもよい。また、当該延在した貫通孔は、連結部に関するシールド構造として機能する。

図２は、チップ間の相互接続として提案された導波路インターコネクトを用いたマルチチップの配置を示す。導波路４４は、ＰＣＢ基板２０に支持される誘電体層３０の上部に配置される２つの半導体チップ５０を接続する。チップのうちの１つからのＲＦ通信信号は、第１の連結部４５を用いて導波路４４の一端部に入力され、第２の連結部４５を用いて導波路の他端部で他方のチップによって受信される。それぞれの連結部は、金属層を含む。連結部の形状及び寸法は、単なる例示であって制限的であるとみなされない。連結部は、例えば、誘電体層の上面に金属層をプリント又はデポジットすることによって、標準的な製造プロセスを用いて提供されてもよい。導波路に対する連結部のより適切な配置のために、連結部は、導波路が形成される前に設けられる。連結部は、電磁気的横波モード（ＴＥＭ）を、同軸の供給ポートから電気的横表面波モード（ＥＭ）に変更する。連結部は、楕円形のテーパを有する、プレナー型のビバルディスタイルの連結部であってもよい。コプレナー型のビバルディスタイルの連結部は、誘電体層へのデポジット又はプリントを容易に行える平面構造を備える。図３は、コプレナー型のビバルディスタイルの連結部の一部を示す。連結部の歯状部分は、波が導波路に供給されるように形成された導波路内に配置されるべきである。

想定さえるフルシステムの統合の実施例が示され、それぞれの半導体チップに関する４×４のアンテナアレイ６０がＰＣＢ基板の底部に配置される。

誘電体層内で細長い貫通孔を単に切り取って、それによって導波路を形成することで、導波路インターコネクトは容易に組み立てられる。誘電材料に応じて、切り取りステップは、レーザーカット、スタンピング、メカニカルミリング／ルーティング、ケミカル又は反応性イオンエッチング等の方法を含む。

導波路が形成された後、導波路のそれぞれの端部において、連結部がプリント又はデポジットされる。一方、連結部に対する導波路の精確な配置、さらには十分に制御されたモード変更動作を確実に行うために、導波路の形成よりも前に誘電体層に連結部を配置することが好ましい。

いくつかの実施形態では、誘電体層は、例えば、標準的な接合技術を用いることによって第１の支持部材上に、又は第１及び第２の支持部材の間に設けられてもよい。その後、形成された導波路の少なくとも１つの周囲の支持部材は、形成された導波路を連続的な空気の流路が取り囲むように、例えば、レーザーカット、スタンピング、メカニカルミリング／ルーティング、ケミカル又は反応性イオンエッチング等によって取り除かれる。

フレキシブルなＰＣＢ基板、ｆＰＣＢを用いるとき、導波路の誘電体層は、支持部材の一部を形成する。ｆＰＣＢは、剛性部とフレキシブル部とを構成する。フレキシブル部は、誘電体層を備え、通常、剛性部の上部に配置される。上述のフレキシブル部に導波路を形成し、すでに形成された導波路の下方のｆＰＣＢの剛性部を取り除くことによって、ｆＰＣＢのフレキシブル部を相互接続として用いることができることを本発明者は見出した。次に、導波路のそれぞれの端部において、上述の方法と同様に、連結部がフレキシブル部の上部にプリント又はデポジットされる。このように、導波路インターコネクトは、ｆＰＣＢの統合部を形成する。これにより、例えば、ＰＣＢ製造の後に、基板とは別に導波路を組み立ててそれを組み付ける必要性をなくす。連結部を備える金属のトポロジーと、導波路を実現する切り取りとの間で優れた配置精度を達成することができるので、この統合方法は、連結部への導波路の精確な配置、さらには十分に制御されたモード変更動作を確実に行う。さらに、相互接続を形成するために標準的な製造技術を用いることができるので、低コストの製造が可能となり、そのため、大量生産が可能となる。

図４は、提案された導波路インターコネクトを用いた分離したブロックアダプタを示す。分離したブロックアダプタにおいて、単一の導波路４４を有する導波路インターコネクト１００は、空気で満たされた（ａｉｒ−ｆｉｌｌｅｄ）金属の導波路フランジ７１（例えば、ＷＲ−１０、ＷＲ−８、ＷＲ−６等）への移行をもたらす導波路のそれぞれの側の２つの金属部７０の間に配置される。金属部は、ピン８０を用いて導波路に対して配置され、（図示しない）ねじを用いて固定される。図４Ａは、導波路インターコネクトの平面図を示し、図４Ｂは、図４Ａの導波路インターコネクトを用いた分離したブロックアダプタの側面図を示す。例えば、測定機器のフロントエンドとウエハプローブとの間で短い接続（通常１ｍ未満）が必要とされるウエハのメトロジーアプリケーションに関して、信号経路のある長さに金属の導波路インターコネクトを置き換えるためにこの配置を用いることができる。当該配置によって、同じ対の分離したブロックアダプタを用いて、異なる長さを有する導波路の再組立てを都合よく行うことができる。

Claims (15)

1. 互いに平行な縦軸を有する少なくとも一対の細長い貫通孔を備え、それによって、縦軸の方向に延びる誘電体層の細長いストライプを形成し、細長い貫通孔間の誘電体層が導波路を形成する、誘電体層で作られる導波路インターコネクト。
2. 形成された導波路の少なくとも１つは、異なる長さ及び／又は異なる幅を有する、請求項１に記載の導波路インターコネクト。
3. 誘電体導波路のそれぞれの端部において、誘電体導波路をパッシブ又はアクティブなモジュールに連結するための連結部が、誘電体層の表面上に金属層をプリント又はデポジットすることによって設けられる、請求項１又は２に記載の導波路インターコネクト。
4. 連結部は、楕円形のテーパを有するプレナー型のビバルディスタイルランチャーである、請求項３に記載の導波路インターコネクト。
5. 少なくとも１つの電力線は、誘電体層の表面上に金属層をプリント又はデポジットすることによって設けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の導波路インターコネクト。
6. 誘電体層はフレキシブルである、請求項１から５のいずれか一項に記載の導波路インターコネクト。
7. 誘電体層は、ポリイミド又は液晶ポリマーで形成される、請求項６に記載の導波路インターコネクト。
8. 導波路インターコネクトは、第１の支持部材の上部、又は第１及び第２の支持部材間に設けられ、導波路を取り囲む空気の流路が連続的に形成されるように配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載の導波路インターコネクト。
9. 誘電体層は、誘電体層を第１の支持部材又は第１及び第２の支持部材に取り付け及び／又は配置するために、誘電体導波路のそれぞれの端部の周囲に少なくとも１つの貫通孔を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の導波路インターコネクト。
10. 少なくとも１つの貫通孔は、少なくとも１つの支持部材を貫通して延びる、請求項９に記載の導波路インターコネクト。
11. 通信接続として機能するように構成される少なくとも１つの導波路と、無線周波接続として機能するように構成される少なくとも１つの導波路と、を備える、請求項９又は１０に記載の導波路インターコネクト。
12. ａ）誘電材料の層を設けるステップと、
    ｂ）互いに平行な縦軸を有する少なくとも一対の細長い貫通孔を誘電体層で切り取り、それによって導波路を形成するステップと、
    を含む、導波路インターコネクトを形成する方法。
13. 導波路をパッシブ又はアクティブなモジュールに連結するために、誘電体層の表面上に金属層をプリント又はデポジットすることによって、導波路のそれぞれの端部に連結部を設けるステップをさらに含む、請求項１２に記載の導波路インターコネクトを形成する方法。
14. ステップａ）は、第１の支持部材又は第１及び第２の支持部材の間に誘電体層を設けるステップをさらに含み、ステップｂ）は、形成された少なくとも１つの導波路の周囲の支持部材を取り除き、それによって、形成された導波路を取り囲む連続的な空気の流路を形成するステップをさらに含む、請求項１２又は１３に記載の導波路インターコネクトを形成する方法。
15. 支持部材は、ガラス基板又はプリント回路基板（ＰＣＢ）である、請求項１４に記載の導波路インターコネクトを形成する方法。

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