JP3565214B2 - Millimeter wave module - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はミリ波またはマイクロ波を用いた高周波のモジュールおよびこれを用いた無線装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、異方性エッチングによるシリコン基板を用いたミリ波導波路としては、1996年IEEE MTT−Sダイジェスト797頁から800頁に記載されたものが知られている。
【0003】
図9に従来のミリ波導波路の構造を示す。901のシリコン基板に二酸化珪素902(SiO2)を積層し、その上にマイクロストリップ線路903を形成している。シールド構造を得るために金属を積層したキャリア基板904とマイクロマシン加工されたシリコン基板905とを用いて、901のシリコン基板を挟み込むような構造でシールドされたマイクロストリップ線路を形成している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このミリ波導波路においては、マイクロストリップ線路を二酸化珪素で支えて中空に浮いた状態のため、MMICなど他のミリ波部品を実装したモジュール化が困難である。また、強度の面でも課題がある。また、マイクロマシンによる加工を2枚のシリコン基板に施し、強度を得るためにかなり厚い二酸化珪素膜を形成する必要があるために、加工のプロセスが複雑になるという課題がある。
【0005】
本発明は、上記課題を解決するものであり、低損失のフィルタやMMIC等が混載したミリ波モジュールを簡便な加工で実現し、安価なミリ波およびマイクロ波を用いた無線装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、第1のシリコン単結晶基板上に異方性エッチングにより方形状の第1、第2のくぼみを設け、前記第1、第2のくぼみの底面及び側面にグランド面として導体を積層し、入出力線路として第1、第2のコプレナ線路を設け、グランド面として導体を積層した第2の誘電体基板と前記第1のシリコン基板とを前記第1、第2のくぼみを覆うように接合したことにより形成される第1、第2の空洞共振器を有し、前記第2の誘電体基板上に設けたグランド面の一部に、前記第1のコプレナ線路と前記第1の空洞共振器と結合するための第3のコプレナ線路と、前記第1、第2の空洞共振器間を結合する第4のコプレナ線路と、前記第2のコプレナ線路と前記第2の空洞共振器と結合するための第5のコプレナ線路とを設けたことを特徴とするミリ波モジュールとしたものである。
【0007】
これにより、簡便な加工法で、低損失を実現したフィルタとMMICを混載したミリ波モジュールが得られる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、第1のシリコン単結晶基板上に異方性エッチングにより方形状の第1、第2のくぼみを設け、前記第1、第2のくぼみの底面及び側面にグランド面として導体を積層し、入出力線路として第1、第2のコプレナ線路を設け、グランド面として導体を積層した第2の誘電体基板と前記第1のシリコン基板とを前記第1、第2のくぼみを覆うように接合したことにより形成される第1、第2の空洞共振器を有し、前記第2の誘電体基板上に設けたグランド面の一部に、前記第1のコプレナ線路と前記第1の空洞共振器と結合するための第3のコプレナ線路と、前記第1、第2の空洞共振器間を結合する第4のコプレナ線路と、前記第2のコプレナ線路と前記第2の空洞共振器と結合するための第5のコプレナ線路とを設けたことを特徴とするミリ波モジュールであり、空洞共振器の高Q特性から、低損失のフィルタが実現できるとともに、他のMMIC等との接続も容易にできるという作用を有する。
【0009】
請求項2に記載の発明は、請求項1記載のミリ波モジュールを用いたことを特徴とする無線装置であり、簡便な加工法により形成したミリ波モジュールを用いることにより安価な無線装置を実現できるという作用を有する。
【0010】
以下、本発明の実施の形態について、図1から図8を用いて説明する。
【0011】
(実施の形態1)
図1は本実施の形態におけるミリ波モジュールの構造概念図を示し、図1(a)は断面図、図1(b)は斜視図である。図1において、101はシリコン基板、102は異方性エッチングによるくぼみ、103はくぼみ内に積層したグランド金属層、104は空気、105は実装のための金マイクロバンプ、106はミリ波MMIC、107はガラス基板、108はコプレナ線路、109はマイクロストリップ型フィルタの金属配線、110はMMICにバイアスを供給するためのバイアスパッドである。
【0012】
このような構造とすることで、マイクロストリップ型フィルタの電界のほとんどは、誘電体損がない空気層104aに集中するため、フィルタの低損失化が実現できる。
【0013】
また、フリップチップ実装するミリ波MMICの直下にもシリコン基板101にくぼみ102bを設けて、能動素子の間近を空気層104bとするため、フリップチップ実装することによる特性劣化を抑えることができる。
【0014】
さらに、ガラス基板107とMMIC106との接続をコプレナ線路とすることで、シリコン基板101のプロセス工程を簡略化できる。
【0015】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0016】
なお、本実施の形態として、フィルタとMMICの構成を示したが、複数のフィルタやMMICを様々に組み合わせてもよい。また本実施の形態では、くぼみの加工を異方性エッチングとしたが、ドライエッチング加工による方法でも同様の形状が得られることは言うまでもない。
【0017】
(実施の形態2)
図2は本実施の形態におけるミリ波モジュールの構造概念図を示し、図2(a)は断面図、図2(b)は表面及び裏面の状態図である。図2において第1の実施の形態と異なるのは、ガラス基板107の裏面にグランド面111を設け、グランド面をスルーホール112を介してシリコン基板101のグランドと接続している点であり、それ以外の符号については図1と同様である。
【0018】
このような構造とすることで、マイクロストリップ型フィルタ109の近傍に発生する電界が、上下のグランド103aと111に囲まれてシールドされることにより、電界の放射による損失劣化を抑えることができるとともに、本発明のミリ波モジュールを筐体に実装する際に、筐体によるフィルタ特性への影響を防ぐことができる。
【0019】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0020】
(実施の形態3)
図3は本実施の形態におけるミリ波モジュールの断面構造の概念図を示す。図3において第1の実施の形態と異なるのは、シリコン基板の代わりとして、方形状の穴を設けた第1のセラミック基板201b、201cと、穴を設けない第2のセラミック基板201aを貼り合わせることで、第3のセラミック基板を形成し、シリコン基板と同様のくぼみ形状を形成した点である。くぼみの底面にはそれぞれグランド層として203a、203bをそれぞれ積層し、このくぼみにより空気層204が形成される。それ以外の符号については図1と同様である。
【0021】
このような構造とすることで、第1の実施の形態と同様の効果を安価なセラミック基板を用いて実現できる。
【0022】
また、本実施の形態において、第1のセラミック基板として201b、201cの2層構造を示しており、このような構造とすることで、空気層の厚さを204aでは2層分、204bでは1層分とすることが容易に可能であり、必要に応じて空気層の厚さを変化させることができる。
【0023】
なお、本実施の形態においては、第3のセラミック基板201を3層構造としたが、4層以上の構成でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【0024】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0025】
(実施の形態4)
図4は本実施の形態におけるミリ波モジュールの断面構造の概念図を示す。図4において第3の実施の形態と異なる点は、穴を設けない第1のセラミック基板201aと穴を設けた第2のセラミック基板201bとの接合面にグランド面205を設け、くぼみの底面に設けたグランド面203bとグランド面205の間をスルーホール210で接続し、ガラス基板107とMMIC106との間をコプレナ線路でなくマイクロストリップ線路で接続できようにした点である。それ以外の符号については、図3と同様である。
【0026】
このような構造とすることで、コプレナ線路とマイクロストリップ線路の変換部がなくなり、設計性が向上する。
【0027】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0028】
(実施の形態5)
図5は本実施の形態におけるミリ波モジュールの断面構造の概念図を示す。図5において第4の実施の形態と異なる点は、穴を設けないセラミック基板の代わりとして、アルミや真ちゅうなどの導電性金属206を用いた点である。それ以外の符号については、図4と同様である。
【0029】
このような構造とすることで、簡素な構造で第4の実施の形態と同様の効果が得られる。
【0030】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0031】
(実施の形態6)
図6は本実施の形態におけるミリ波モジュールの構造概念図を示し、図6(a)は断面図、図6(b)は斜視図である。図6において、301はガラス基板、302はシリコン基板、303は異方性エッチングにより設けたくぼみ、304はくぼみ内に積層したグランド金属層、305は空気、306は実装のための金マイクロバンプ、307はミリ波MMIC、308はコプレナ線路、309はマイクロストリップ型フィルタの金属配線、310はMMICにバイアスを供給するためのバイアスパッドである。
【0032】
このような構造とすることで、第1の実施の形態と同様に、空気層305を絶縁層としたマイクロストリップ型フィルタが実現でき、フィルタの低損失化が実現できる。
【0033】
また、フリップチップ実装するミリ波MMIC307の直下のガラス基板301に方形状の穴311を設ければ、能動素子の間近を空気とするため、フリップチップ実装することによる特性劣化を抑えることができる。
【0034】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0035】
(実施の形態7)
図7は本実施の形態におけるミリ波モジュールの構造概念図を示し、図7(a)は断面図、図7(b)は斜視図である。また、図8は図7のミリ波モジュールに使用するガラス基板の表面構造を示す概念図である。図7において、401はシリコン基板、402は異方性エッチングにより設けたくぼみ、403はくぼみ内に積層したグランド金属層、404は空気、407はガラス基板、408a、408bはシリコン基板401上に設けた第1、第2のコプレナ線路、409a、409bはそれぞれガラス基板上に設けた第3、第4のコプレナ線路、410はガラス基板407上に設けた第5のコプレナ線路配線である。411はシリコン基板401とガラス基板407上のグランド金属を取り除いた窓である。
【0036】
くぼみ404とガラス基板上に形成されたグランド金属とで閉じ込められた空間は、くぼみ404の一辺を自由空間の波長の2分の1近傍の周波数で共振する、空洞共振器として作用する。この空洞共振器の間をガラス基板上に設けた第5のコプレナ線路配線410で結合し、また入出力を第3、第4のコプレナ線路409で空洞共振器と結合し、シリコン基板401上の入出力線路となる、第1第2のコプレナ線路408a、408bと接続することで、入出力がコプレナ線路構造の空洞共振器フィルタが実現する。
【0037】
空洞共振器はQ値が高いため、低損失のフィルタが実現できる。また、シリコン基板401とガラス基板407は、各々のグランド配線上に設けた窓411どうしを陽極接合することにより実現するために、空気層404の高さ方向の精度が高く、目的とする共振周波数が精度よく実現できる。
【0038】
さらに、入出力がコプレナ構造であるため、MMICなどの他の部品との接続も容易に実現できる。
【0039】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0040】
なお、本実施の形態ではシリコン基板401とガラス基板407の接合方法を陽極接合としたが、他の実施の形態に示した金マイクロバンプを用いた実装法を用いてもよいことは言うまでもない。
【0041】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、簡易な加工法で準平面的な構造上に低損失のフィルタが実現でき、MMIC等との接続も簡易にでき、小型化と高性能化の双方を満足したミリ波モジュールとそれを用いた無線装置が安価でできるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
(b)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの斜視概念図
【図2】(a)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
(b)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールに使用するガラス基板の表面及び裏面の構造図
【図3】本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
【図4】本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
【図5】本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
【図6】(a)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
(b)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの斜視概念図
【図7】(a)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
(b)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールに使用するシリコン基板の斜視概念図
【図8】本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールに使用するガラス基板の表面の構造図
【図9】従来のミリ波導波路の断面構造図
【符号の説明】
101、302、401 シリコン基板
102、303、402 くぼみ
103、111、203、205、304、403 グランド面
104、204、305、404 空気層
105、306 マイクロバンプ
106、307 MMIC
107、301、401、407 ガラス基板
108、208、308、408、409、410 コプレナ線路
109、309 マイクロストリップ型フィルタパターン
110、310 バイアスパッド
112、210 スルーホール
201a 方形状の穴を有しないセラミック基板
201b、201c 方形状の穴を有するセラミック基板
206 導電性金属
311 穴
411 窓[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-frequency module using millimeter waves or microwaves and a wireless device using the module.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a millimeter-wave waveguide using a silicon substrate by anisotropic etching, a waveguide described in IEEE MTT-S Digest, pp. 797 to 800, 1996 is known.
[0003]
FIG. 9 shows a structure of a conventional millimeter wave waveguide. Silicon dioxide 902 (SiO 2) is laminated on a
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In this millimeter-wave waveguide, since the microstrip line is supported by silicon dioxide and floated in a hollow state, it is difficult to make a module in which other millimeter-wave components such as an MMIC are mounted. There is also a problem in strength. In addition, there is a problem that a processing process is complicated because it is necessary to perform processing by a micromachine on two silicon substrates and form a considerably thick silicon dioxide film in order to obtain strength.
[0005]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problem, to realize a millimeter-wave module in which a low-loss filter, an MMIC, and the like are mixed by simple processing, and to provide an inexpensive wireless device using millimeter waves and microwaves. With the goal.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, the present invention provides a first silicon single crystal substrate, in which rectangular first and second depressions are provided by anisotropic etching, and bottom and side surfaces of the first and second depressions. A second dielectric substrate having a conductor laminated as a ground plane, first and second coplanar lines provided as input / output lines, and a conductor laminated as a ground plane, and the first silicon substrate, First and second cavity resonators formed by joining to cover the second hollow are provided on a part of a ground surface provided on the second dielectric substrate. A third coplanar line for coupling the coplanar line with the first cavity resonator, a fourth coplanar line coupling between the first and second cavity resonators, and the second coplanar line; Fifth coplanar for coupling with the second cavity resonator Is obtained by the millimeter wave module, characterized in that a and road.
[0007]
As a result, a millimeter-wave module in which a low-loss filter and an MMIC are mounted together can be obtained by a simple processing method.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the first aspect of the present invention, first and second depressions having a rectangular shape are provided on a first silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and bottom surfaces of the first and second depressions are provided. A second dielectric substrate having the conductor laminated as a ground surface on the side surface, first and second coplanar lines provided as input / output lines, and a conductor laminated as a ground surface is formed by the first silicon substrate and the first dielectric substrate. , Having first and second cavity resonators formed by bonding so as to cover the second depressions, wherein the first and second cavity resonators are provided on a part of a ground surface provided on the second dielectric substrate. , A third coplanar line for coupling with the first cavity resonator, a fourth coplanar line for coupling between the first and second cavity resonators, and the second coplanar line. And a fifth coplanar line for coupling with the second cavity resonator A millimeter wave module, characterized in that a preparative, an effect that a high Q characteristic of the cavity resonator, with a low-loss filter can be realized, connected to other MMIC or the like can be facilitated.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a wireless device using the millimeter-wave module according to the first aspect, and an inexpensive wireless device is realized by using a millimeter-wave module formed by a simple processing method. Has the effect of being able to.
[0010]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0011]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the structure of a millimeter wave module according to the present embodiment, in which FIG. 1A is a sectional view and FIG. 1B is a perspective view. In FIG. 1, 101 is a silicon substrate, 102 is a recess formed by anisotropic etching, 103 is a ground metal layer laminated in the recess, 104 is air, 105 is a gold microbump for mounting, 106 is a millimeter-wave MMIC, 107 Is a glass substrate, 108 is a coplanar line, 109 is a metal wiring of a microstrip filter, and 110 is a bias pad for supplying a bias to the MMIC.
[0012]
With such a structure, most of the electric field of the microstrip filter is concentrated on the
[0013]
In addition, the
[0014]
Further, by using a coplanar line for the connection between the
[0015]
By using the millimeter-wave module manufactured by such a simple method, an inexpensive wireless device can be realized.
[0016]
Although the configuration of the filter and the MMIC has been described as the present embodiment, a plurality of filters and the MMIC may be variously combined. Further, in the present embodiment, the recess is formed by anisotropic etching, but it is needless to say that a similar shape can be obtained by a dry etching method.
[0017]
(Embodiment 2)
2A and 2B are conceptual diagrams showing the structure of the millimeter-wave module according to the present embodiment. FIG. 2A is a sectional view, and FIG. 2 is different from the first embodiment in that a ground surface 111 is provided on the back surface of a
[0018]
With such a structure, the electric field generated in the vicinity of the
[0019]
By using the millimeter-wave module manufactured by such a simple method, an inexpensive wireless device can be realized.
[0020]
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows a conceptual diagram of a cross-sectional structure of the millimeter wave module according to the present embodiment. FIG. 3 differs from the first embodiment in that instead of a silicon substrate, first
[0021]
With such a structure, the same effect as that of the first embodiment can be realized using an inexpensive ceramic substrate.
[0022]
Further, in the present embodiment, a two-layer structure of 201b and 201c is shown as the first ceramic substrate, and with such a structure, the thickness of the air layer is two for 204a and one for 204b. Layering can be easily performed, and the thickness of the air layer can be changed as necessary.
[0023]
Although the third ceramic substrate 201 has a three-layer structure in the present embodiment, it goes without saying that a similar effect can be obtained with a configuration having four or more layers.
[0024]
By using the millimeter-wave module manufactured by such a simple method, an inexpensive wireless device can be realized.
[0025]
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a conceptual diagram of a cross-sectional structure of the millimeter wave module according to the present embodiment. 4 is different from the third embodiment in that a
[0026]
With such a structure, there is no converter between the coplanar line and the microstrip line, and the design is improved.
[0027]
By using the millimeter-wave module manufactured by such a simple method, an inexpensive wireless device can be realized.
[0028]
(Embodiment 5)
FIG. 5 shows a conceptual diagram of a cross-sectional structure of the millimeter wave module according to the present embodiment. FIG. 5 differs from the fourth embodiment in that a
[0029]
With such a structure, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained with a simple structure.
[0030]
By using the millimeter-wave module manufactured by such a simple method, an inexpensive wireless device can be realized.
[0031]
(Embodiment 6)
FIGS. 6A and 6B are conceptual views showing the structure of the millimeter-wave module according to the present embodiment. FIG. 6A is a sectional view and FIG. 6B is a perspective view. In FIG. 6, 301 is a glass substrate, 302 is a silicon substrate, 303 is a recess provided by anisotropic etching, 304 is a ground metal layer laminated in the recess, 305 is air, 306 is a gold microbump for mounting, 307 is a millimeter-wave MMIC, 308 is a coplanar line, 309 is a metal wiring of a microstrip filter, and 310 is a bias pad for supplying a bias to the MMIC.
[0032]
With such a structure, a microstrip filter using the
[0033]
Further, if a
[0034]
By using the millimeter-wave module manufactured by such a simple method, an inexpensive wireless device can be realized.
[0035]
(Embodiment 7)
FIGS. 7A and 7B are conceptual views of the structure of the millimeter-wave module according to the present embodiment. FIG. 7A is a sectional view, and FIG. 7B is a perspective view. FIG. 8 is a conceptual diagram showing a surface structure of a glass substrate used in the millimeter wave module of FIG. In FIG. 7, 401 is a silicon substrate, 402 is a recess provided by anisotropic etching, 403 is a ground metal layer laminated in the recess, 404 is air, 407 is a glass substrate, 408a and 408b are provided on the
[0036]
The space confined by the recess 404 and the ground metal formed on the glass substrate acts as a cavity resonator that resonates one side of the recess 404 at a frequency near half the wavelength of free space. The cavity resonators are coupled by a fifth
[0037]
Since the cavity resonator has a high Q value, a low-loss filter can be realized. In addition, since the
[0038]
Further, since the input and output have a coplanar structure, connection with other components such as an MMIC can be easily realized.
[0039]
By using the millimeter-wave module manufactured by such a simple method, an inexpensive wireless device can be realized.
[0040]
In this embodiment, the bonding method between the
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a low-loss filter can be realized on a quasi-planar structure by a simple processing method, connection with an MMIC or the like can be simplified, and both miniaturization and high performance are satisfied. An advantageous effect is obtained that a reduced millimeter-wave module and a wireless device using the same can be manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a sectional structural view of a millimeter wave module according to an embodiment of the present invention; FIG. 2B is a conceptual perspective view of a millimeter wave module according to an embodiment of the present invention; FIG. FIG. 3B is a cross-sectional structural view of a millimeter wave module according to one embodiment; FIG. 3B is a structural diagram of the front and back surfaces of a glass substrate used in the millimeter wave module according to one embodiment of the present invention; FIG. 4 is a cross-sectional view of a millimeter-wave module according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of a millimeter-wave module according to an embodiment of the present invention. a) Cross-sectional structural view of a millimeter wave module according to an embodiment of the present invention (b) Conceptual perspective view of a millimeter wave module according to an embodiment of the present invention [FIG. 7] (a) According to an embodiment of the present invention Cross-sectional structure of millimeter wave module (B) Conceptual perspective view of a silicon substrate used for a millimeter wave module according to one embodiment of the present invention. FIG. 8 is a structural diagram of a surface of a glass substrate used for a millimeter wave module according to one embodiment of the present invention. 9 Cross-sectional structure diagram of conventional millimeter-wave waveguide
101, 302, 401
107, 301, 401, 407
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