JP4287329B2 - 導波管−平面伝送線路変換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロストリップ線路等の平面伝送線路と導波管との間で、信号を伝送する変換器の製造方法に関し、特に、マイクロ波帯からミリ波帯のような高周波信号を変換するのに適した導波管−平面伝送線路変換器の製造方法に関する。

従来、マイクロストリップ線路等の平面伝送線路から導波管へ、または導波管から平面伝送線路へ高周波信号を伝送する導波管−平面伝送線路変換器が、種々提案されている（例えば、特許文献１）。図５にその一例を示す。図５において、１は矩形導波管 、５はセラミック等の誘電体からなる平板基板、５ａは平板基板５の表面にパターニングされたマイクロストリップ線路、６は一端が開放された中空の短絡導波管終端を示す。

平板基板５は、矩形導波管１と中空の短絡導波管終端６とで挟持されている。短絡導波管終端６の管内寸法は、矩形導波管１の信号の伝送方向に垂直な断面においては、矩形導波管１の管内寸法と同一の断面寸法を有しており、矩形導波管１の信号の伝送方向に垂直な壁面が、矩形導波管１の短絡面となっている。

マイクロストリップ 線路５ａの先端部は、アンテナプローブとなり、短絡導波管終端６の中空部内に突出するよう配置され、短絡導波管終端６に形成された矩形導波管１の短絡面とλ／４（λは導波管管内波長）の寸法で離間する構造となっている。

通常、短絡導波管終端６の凹部は、機械加工により形成され、数１００μｍ程度の加工精度であった。また短絡導波管終端６の組立ては、手作業であるので数１００μｍ程度の組立精度であった。
特開２００２−１００９０７号公報

図５に示す従来の構造の導波管−平面伝送線路変換器をミリ波領域で使用する場合、短絡導波管終端６の加工精度や組立精度が悪いと、特性が設計値からずれてしまうという問題がある。例えば、図６に短絡導波管終端６が定位置からずれた場合の反射係数のシュミレーション結果を示す。設計通り組立られた場合、共振周波数７６．２ＧＨｚで反射係数−５５ｄＢの特性が得られる変換器が、図６の右方向に５０μｍずれた場合、共振周波数７５．９ＧＨｚで反射係数−３５ｄＢに変化してしまう。また左方向に５０μｍずれた場合、共振周波数７５．９ＧＨｚで反射係数−３５ｄＢに変化してしまう。同様に上方向、下方向に５０μｍずれた場合、それぞれ共振周波数７４．４ＧＨｚで反射係数−２５ｄＢ、共振周波数７６．２ＧＨｚで反射係数−２０ｄＢに変化してしまう。特性のずれをなくすためには、短絡導波管終端６の加工精度を上げ、平板基板５と短絡導波管終端６を接続する際の位置合わせ精度が要求され、加工工程、組立工程に時間やコストがかかってしまっていた。

このような特性変動は、ミリ波領域に限らず、マイクロ波帯からミリ波帯のような高周波領域の信号伝達において顕著であることが確認されている。そこで本発明は、上記問題点を解消し、特に、マイクロ波帯からミリ波帯のような高周波帯域での伝送信号の変換に適した導波管−平面伝送線路変換器の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、製造コストを低減した導波管−平面伝送線路変換器の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、 導波管と、短絡面を形成する短絡導波管終端とで、前記導波管の開口部に伝送線路終端のアンテナプローブが位置するように平板基板を挟持する構造の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、前記短絡導波管終端を形成する基材上に、前記短絡導波管終端の凹部を形成するための開口パターニングを備えたマスク材を形成した後、前記マスク材の開口内に露出する前記基材表面に、微細砥粒を噴射させて前記基材上に、前記導波管を伝送する伝送信号の管内波長λの略λ／４に相当する深さの凹部を形成し、該凹部の底面を短絡面とする前記短絡導波管終端を形成する工程と、前記導波管と前記短絡導波管終端とで、前記平板基板を挟持する工程とを含むことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、前記基材上に、前記導波管を伝送する伝送信号の管内波長λの略λ／４に相当する深さより前記基材表面に形成する金属薄膜の厚さに相当する深さだけ深い凹部を形成し、その後前記金属薄膜を形成し、前記凹部の底面を短絡面とする前記短絡導波管終端を形成する工程を含むことを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、前記基材上に複数の前記凹部を形成した後、前記基材を個片化することで、複数の前記短絡導波管終端を同時に形成する工程を含むことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１、２または３いずれか記載の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、前記導波管と前記短絡導波管終端とで前記平板基板を挟持する工程は、前記平板基板あるいは前記短絡導波管終端の一方あるいは両方にバンプ電極を形成し、該バンプ電極を介して前記平板基板上に前記短絡導波管終端を接着させる工程を含むことを特徴とするものである。
請求項５に係る発明は、請求項４記載の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、前記バンプ電極を、前記平板基板と前記短絡導波管終端の接着部の一部に位置するように形成することを特徴とするものである。

本発明の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法によれば、簡便に、かつ精度良く、短絡導波管終端６を形成することができる。特に凹部１３を形成する際、マスク材を形成して凹部形成領域を開口する場合、通常の半導体装置の製造方法を用いることができるので、寸法精度は、±５％程度となり、非常に制御性が良い。さらにマイクロブラスト加工法によれば、加工表面の粗さＲａは、Ｒａ＝０.０２μｍ程度と非常にスムーズとなり、損失等の問題もない製造方法を提供することができる。

また本発明の製造方法は、短絡導波管終端６を形成する基材１０上に、複数の凹部１３を同時に形成できるため、個片化のための工程を追加するだけで、従来の機械加工やレーザ加工法による１個毎の製造方法に較べて、製造コストを低く抑えることができる。

本発明の導波管−平面伝送線路変換器を用いて発振器を形成する場合、短絡導波管終端６の開口寸法や深さを設計通りに形成することができるので、特性ばらつきの少ない発振器を形成することができる。

また、短絡導波管終端６と平板基板５との接着をバンプ電極１６を用いて行うため、通常の半導体装置の実装工程に使用する製造装置を用いることにより、位置合わせ精度良く接着することができ、特性ばらつきの少ない導波管−平面伝送線路変換器や発振器を形成することができる。特に本発明では、バンプ電極１６を接着面全周に形成する必要がないので、バンプ電極１６の形成領域（接合面積）を適宜設定することで、通常の半導体装置の実装工程に使用されるフリップチップボンダーをそのまま使用することができ、好ましい。

以下、本発明について説明する。図１は導波管−マイクロストリップ線路変換器の説明図である。図１において、２は裏面側に矩形導波管（図示せず）が形成された筐体 、５はセラミック等の誘電体からなる半絶縁性の平板基板、５ａは平板基板５の表面にパターニングされたマイクロストリップ線路、６は一端が開放された中空の短絡導波管終端である。本発明により形成された短絡導波管終端６の斜視図を図２に示す。図２では、図１に示す短絡導波管終端６を裏面側から示している。

図１に示すように、導波管が形成された筐体２と短絡導波管終端６とで平板基板５を挟持する構造となっている。短絡導波管終端６は凹状となっており、筐体２の裏面側に設置されている矩形導波管の信号の伝送方向に垂直な断面（平板基板５表面に平行な断面）における管内寸法は、矩形導波管と同一の断面寸法となっている。また、開放された一端が、平板基板５の表面に接着し、凹部の底面部が矩形導波管の終端面となる。

本発明の平板基板５は、マイクロストリップ線路等の平面伝送線路を形成するため、半絶縁性誘電体からなるセラミック、シリコン、シリコンカーバイド、ダイヤモンド等から形成されている。特に高電力半導体装置を実装する場合には、窒化アルミニウム、シリコン、シリコンカーバイド、ダイヤモンドのように、比抵抗が１×１０⁶Ω・ｃｍ以上で、熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上の半絶縁性平板基板を用いるのが好ましい。以下、本発明について詳細に説明する。

まず、本発明の第１の実施例について説明する。なお図３及び図４は、図２に示す本発明により形成された短絡導波管終端６の、Ａ−Ａ’断面に相当する製造工程を示している。

まず、厚さ５００μｍ程度のアルミニウム等の金属、セラミックまたはシリコン半導体等の基材１０を用意する。ここで、基材１０の厚さは、導波管の管内波長（λ）のλ/４に相当する厚さより充分厚いものを用意する。基材１０上にパターニングのためのマスク材となる厚み１００μｍ程度の感光性のドライフィルムからなるマスク材１１をラミネートする（図３ａ）。

通常の半導体装置の製造工程に用いられるフォトリソグラフ法に従い、フォトマスクを介してマスク材１１の一部に紫外線を照射し、現像、乾燥することにより、矩形導波管の開口とほぼ同一寸法の方形に開口するマスクパターンを形成する（図３ｂ）。

いわゆるマイクロブラスト加工法により凹部を形成するため、圧縮空気のキャリアーガスにより加速された直径数μｍ〜数十μｍの炭化珪素からなる微細砥粒１２をノズルから基材１０表面に噴射させる。微細砥粒１２は、マスク材１１の開口部に露出する基材１０表面に、高速かつ高密度に衝突することにより、基材１０に凹部１３を形成する（図３ｃ）。ここで、凹部１３の深さは、矩形導波管を伝送する伝送信号の管内波長λの略λ/４に相当する深さか、後述する金属薄膜１４の厚さに相当する深さだけ深く形成することとし、基材１０を貫通することはない。その後、マスク材１１を除去することにより、表面に凹部１３が形成された基材１０が得られる（図３ｄ）。次に基材１０表面に、たとえば電子ビーム蒸着装置を用いて、金属薄膜１４（導電性の薄膜）を形成する（図３ｅ）。ここで、基材１０が導電性物質からなる場合には、金属薄膜１４を形成する工程は省略することが可能である。

通常のフォトリソグラフ法により、図１に示す平板基板５との接合面の一部を開口するように、フォトレジスト１５をパターニングする（図４ａ）。メッキ法により、平板基板５との接合面の一部領域に露出する金属薄膜１４上に導電性金属、たとえば金メッキ層からなるバンプ電極１６を形成する（図４ｂ）。その後、フォトレジスト１５を除去することにより、平板基板５との接合面の一部領域にバンプ電極１６が形成する（図４ｃ）。最後に、例えばダイシングブレードを用いて個片化し、個々の短絡導波管終端６が完成する（図４ｄ）。

以上のように形成した短絡導波管終端６は、熱圧着、超音波の印加、あるいは異方性導電性樹脂を使用する通常の半導体装置の実装方法である、いわゆるフリップチップボンディング法により、平板基板５表面に接着する。

なおバンプ電極１６は、平板基板５側に形成しても良いし、短絡導波管終端６及び平板基板５の両方に形成しても良い。またバンプ電極１６は、金（Ａｕ）からなるメッキ層で形成する場合に限るものではなく、金錫（ＡｕＳｎ）、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）からなる金属を、メッキ法以外の方法で形成しても同様な効果が得られる。さらに、バンプ電極１６を平板基板５との接合面の一部領域に形成する代わりに、接着面全周に形成しても良い。ただし、通常のフリップチップボンダーを用いるフリップチップボンディング法によって接着する場合には、接着面積が大きくなると、荷重や超音波の印加量を増やす必要があり、通常の半導体装置の実装方法とは異なる条件となる場合が生じてしまう。通常の半導体装置の実装方法と同様な条件で接着する方が接着性の信頼性上好ましいので、通常の条件で接着でき、かつ十分な接着強度を得られる範囲に接着面積を設定するのが好ましい。

以上のように形成した短絡導波管終端は、半導体製造技術を用いて形成するため、加工バラツキがほとんどなく形成することができる。具体的には、従来の機械加工では加工精度は数１００μｍ程度であったが、本発明ではフォトリソグラフ法を用いて凹部１３を形成するために、数μｍ程度のズレとなり、ミリ波帯などの高周波帯に使用しても周波数特性のバラツキ等が発生しない。

また、短絡導波管終端６と平板基板５との接合も、半導体製造技術を用いて形成するため、接着の位置ズレがほとんど無く、周波数特性のバラツキが発生しない。

なお、短絡導波管終端６の凹部１３を形成する際、フォトレジスト１１のパターニング形状は、適宜設定できるため、導波管形状に合わせて任意の形状に形成することができる。

本発明による導波管−平面伝送線路変換器の主要部の構成を示す斜視説明図である。 本発明の第１の実施例による導波管−平面伝送線路変換器の短絡導波管終端を示す図である。 本発明の第１の実施例を説明する図である。 本発明の第１の実施例を説明する図である。 従来の導波管−平面伝送線路変換器の一例を示す斜視説明図である。 従来の導波管−平面伝送線路変換器の短絡導波管終端の位置ずれにおける共振周波数と反射係数の変動を示すである。

符号の説明

１：導波管、２：筐体、５：平板基板、５ａ：マイクロストリップ線路、
６：短絡導波管終端、１０：基材、１１：マスク材、１２：微細砥粒、１３：凹部、
１４：金属薄膜、１５：フォトレジスト、１６：バンプ電極

Claims (5)

1. 導波管と、短絡面を形成する短絡導波管終端とで、前記導波管の開口部に伝送線路終端のアンテナプローブが位置するように平板基板を挟持する構造の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、
   前記短絡導波管終端を形成する基材上に、前記短絡導波管終端の凹部を形成するための開口パターニングを備えたマスク材を形成した後、前記マスク材の開口内に露出する前記基材表面に、微細砥粒を噴射させて前記基材上に、前記導波管を伝送する伝送信号の管内波長λの略λ／４に相当する深さの凹部を形成し、該凹部の底面を短絡面とする前記短絡導波管終端を形成する工程と、
   前記導波管と前記短絡導波管終端とで、前記平板基板を挟持する工程とを含むことを特徴とする導波管−平面伝送線路変換器の製造方法。
2. 請求項１記載の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、
   前記基材上に、前記導波管を伝送する伝送信号の管内波長λの略λ／４に相当する深さより前記基材表面に形成する金属薄膜の厚さに相当する深さだけ深い凹部を形成し、その後前記金属薄膜を形成し、前記凹部の底面を短絡面とする前記短絡導波管終端を形成する工程を含むことを特徴とする導波管−平面伝送線路変換器の製造方法。
3. 請求項１または２いずれか記載の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、
   前記基材上に複数の前記凹部を形成した後、前記基材を個片化することで、複数の前記短絡導波管終端を同時に形成する工程を含むことを特徴とする導波管−平面伝送線路変換器の製造方法。
4. 請求項１、２または３いずれか記載の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、
   前記導波管と前記短絡導波管終端とで前記平板基板を挟持する工程は、前記平板基板あるいは前記短絡導波管終端の一方あるいは両方にバンプ電極を形成し、該バンプ電極を介して前記平板基板上に前記短絡導波管終端を接着させる工程を含むことを特徴とする導波管−平面伝送線路変換器の製造方法。
5. 請求項４記載の導波管−平面伝送線路変換器の製造方法において、
   前記バンプ電極を、前記平板基板と前記短絡導波管終端の接着部の一部に位置するように形成することを特徴とする導波管−平面伝送線路変換器の製造方法。

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