JP5702418B2

JP5702418B2 - モード変換器

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Publication number: JP5702418B2
Application number: JP2013054224A
Authority: JP
Inventors: 雄介上道
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: JP2014179935A

Description

本発明は、モード変換器に係り、特にミリ波信号等による通信に用いられる導波路に用いて好適な技術に関する。

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。特に、６０［ＧＨｚ］帯で動作する無線通信機器は、より重要性を増している。国内においては、５９［ＧＨｚ］から６６［ＧＨｚ］までの広い周波数帯域を、特定省電力で利用可能であることから、民生分野への普及が期待されており、安価で小型のミリ波通信モジュールの実現が急務となっている。

特許文献１には、プリント基板による導波路（ポスト壁導波路アンテナ：PWA Post-wall Waveguide Antenna）を利用したミリ波モジュールが開示されている。特許文献１の図１〜図７に示すように、この技術は従来の導波路の側壁（金属壁）を、プリント基板のスルーホール群（ポスト群）で置き換えたものである。特許文献１の図１〜図７に示すように、無線通信ＩＣ（ＣＭＯＳ−ＩＣ）がＰＷＡの上に実装されており、ワイヤボンドやバンプ接続などの方法で無線通信ＩＣ（特許文献１の明細書中では半導体チップ４と表記。以下同）から出力されたミリ波信号は、一旦、平面回路による伝送線路（マイクロストリップ、コプレーナ、ストリップ等の線路２４と表記）を伝わり、平面回路・導波路変換構造（中心導体２３＝ピン）を経て、最終的には導波路構造部（導波路２）へと導かれる。特許文献１における中心導体（ピン）２３は、プリント基板に貫通穴を形成し、貫通穴の内面に銅メッキを施すことにより形成されている。

一般的な高周波回路においては、回路Ａと回路Ｂを接続する場合にインピーダンス整合が取られるように設計することが必要である。これは、回路Ａから回路Ｂの接続点において信号を反射なく伝送させることを意味している。つまり、回路Ａとしての平面回路・伝送線路から回路Ｂとしての導波路の接続点において、信号が反射することなく伝送させることが必要である。従来構造の場合、所定の周波数帯域において、ピンの長さを所定の値に調整することによって、反射損を抑制した信号伝送を実現してインピーダンス整合が取られている。

特開２０１１−１０９４３８号公報

R.Suga，et al. "Cost-Effective 60-GHz Antenna-Package With End-Fire Radiation from Open-Ended Post-Wall Waveguide for Wireless File-Transfer System，" 2011 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, pp. 348-351 T. Kai, et al., "A coaxial line to post-wall waveguide transition for a cost-effective transformer between a RF-device and a planar slot-array antenna in 60-GHz band," IEICE Trans. COMMUN., E98-B, no.5, pp. 1646-1653, May 2006.

近年、携帯電話等の携帯端末へモード変換器を搭載する要求が高まっており、それに伴いモード変換器そのものを小型化、薄型化したいという要求がある。例えば特許文献１のモード変換器を小型化、薄型化しようとすると、導波路が形成される基板を薄くする必要がある。しかし、基板を薄くすると、外力が作用した際に基板そのものが変形しやすくなる。そして、微細孔の内部に形成したピンに応力が加わり、ピンが微細孔の内面から剥離したり、ピン自体が破損したりする可能性があり、結果的に所望の高周波信号の注入がおこなえなくなるという問題があった。

本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、小型化、特に薄型化され、この薄型化に対応して曲げ耐性を有するモード変換器を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係るモード変換器は、フレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の一方の主面および他方の主面に形成された接地導体層と、
前記フレキシブル基板の一方の主面側に形成された接続部と、
前記フレキシブル基板の一方の主面から所望の深さまで形成された微細孔と、
前記微細孔の内部に充填された導体からなり前記接続部に接続されるピンと、
を少なくとも備えていることを特徴とする。

本発明によれば、フレキシブル基板と、前記フレキシブル基板の一方の主面および他方の主面に形成された接地導体層と、前記フレキシブル基板の一方の主面側に形成された接続部と、前記フレキシブル基板の一方の主面から所望の深さまで形成された微細孔と、前記微細孔の内部に充填された導体からなり前記接続部に接続されるピンと、を少なくとも備えていることにより、薄型化された導波路において外力等によりフレキシブル基板が変形した場合でも、微細孔内に充填された導体によってピンが形成されているため、フレキシブル基板の変形による応力耐性が向上する。これにより、フレキシブル基板が変形したとしても、ピンと微細孔内面との間に剥離が生じたり、ピン自体が破損したりする不具合を防止し、モード変換器における所望の高周波信号の注入を維持することができる。

本発明の請求項２に係るモード変換器は、前記フレキシブル基板の厚さが３００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項３に係るモード変換器は、前記導体が、多孔質体であることを特徴とする。

本発明の請求項４に係るモード変換器は、前記導体が、導電性ペーストを加熱処理することにより形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、外力によってフレキシブル基板が変形した場合でも、微細孔内に充填された導体によってピンが形成されているため、フレキシブル基板の変形による応力耐性が向上する。これにより、フレキシブル基板が変形したとしても、ピンと微細孔内面との間に剥離が生じたり、ピン自体が破損したりする不具合を防止し、モード変換器における所望の高周波信号の注入を維持することができる。

本発明に係るモード変換器の一実施形態における導波路を示す斜視図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態を示す正断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態を示す斜視図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態におけるＧＲＤビアを示す正断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における導体柱を示す模式平面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態におけるピンの例を示す模式断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における工程を示すための模式断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態におけるピンの他の例を示す模式断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における導波路の他の例を示す模式平面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における導波路の他の例を示す斜視図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における導波路の他の例を示す模式平面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における導波路の他の例を示す模式平面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における導波路の他の例を示す模式平面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における導体柱の他の例を示す模式断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態における導体柱の他の例を示す模式断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態におけるミリ波通信モジュールの例を示す模式正断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態におけるミリ波通信モジュールの他の例を示す模式側断面図である。本発明に係るモード変換器の一実施形態におけるピンの他の例を示す斜視図である。実験例としてシミュレーションをおこなったモード変換器を示す斜視図である。実験例としてシミュレーションをおこなったモード変換器における平面回路を示す拡大斜視図である。図２０のモード変換器における周波数帯域をシミュレーションした結果を示すグラフである。実験例としてシミュレーションをおこなったモード変換器における平面回路の他の例を示す拡大斜視図である。図２２のモード変換器における周波数帯域をシミュレーションした結果を示すグラフである。本発明に係るモード変換器の一実施形態において製造したピンの縦断面を示す写真である。

以下、本発明に係るモード変換器の第１実施形態を図面に基づいて発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、省略した部分がある。

［モード変換器の構成］
本実施形態に係るモード変換器１００の構成について、図１から図５を用いて説明する。図１は、モード変換器１００を示す斜視図であり、図２は、モード変換器１００を模式的に示した断面図であり、図３は、接続部を示す拡大斜視図、図４はＧＮＤビアを示す断面図、図５は、反射部である導体柱１１４を模式的に示した模式平面図である。図において、符号１００はモード変換器である。

本実施形態のモード変換器１００は、図１，図２に示すように、基板（フレキシブル基板）１０１に設けられたピン（導体ピン）１２３を有する導波路１１０と、上基板（フレキシブル基板）１２４に設けられ高周波信号伝搬用の接続部となる伝送路（平面回路）１２２とを有し、これらの基板１０１と基板１２４とが貼り合わせられた構成とされている。

導波路１１０は、基板１０１の表裏面に設けられた接地導体層（導体膜）１１１，１１２と、これら接地導体層１１１，１１２間に立設された複数のポスト(柱)壁である導体柱１１４とで囲まれた領域であり、ピン１２３から放射される電磁波信号が伝搬する経路として機能する。導波路１１０の一端側には、接地導体層１１１、１１２や、導体柱１１４は配されておらず、電磁波信号が放射される開口部となっている。また、開口部と反対側が反射部１１０Ａとなっている。

基板１０１は厚さ５００μｍ程度、あるいは、３００μｍ程度、２００μｍ程度、１００μｍ程度とすることができる。ここで「程度」とは、±５０μｍの厚み幅を持つことを意味する。基板１０１の構成材料としては、特に限定されるものではないが、可撓性を有するフレキシブル基板として、例えばポリイミド樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ガラスエポキシ樹脂、エポキシ樹脂にガラスクロス（繊維）を含んだ基板（ＦＲ４）などを用いることができ、例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）とすることができる。

接地導体層１１１，１１２は、基板１０１表裏面に設けられた銅薄膜等とされ、少なくともピン１２３の周辺領域をのぞいた基板１０１全面に設けられている。
導体柱１１４は、図１に示すように、接地導体層１１１，１１２と同材の導体からなる同一径寸法の円筒状とされており、それぞれの端部が接地導体層１１１と接地導体層１１２とに接続されている。複数の導体柱１１４は、導波路１１０を平面視して開口部に対応する部分である一辺をのぞいた略矩形となるように配列されている。この複数の導体柱１１４の配列は、ピン１２３から発振される高周波信号を反射して外部に漏洩しないように設定される。具体的には、隣り合う導体柱１１４が離間して配置された場合、その中心間距離Ｌは、図５に示すように、導体柱１１４の直径ｄの２倍よりも小さくなるよう設定される。つまり、導体柱１１４の再近接位置どうしの間隔Ｘは、導体柱１１４の直径ｄと同等かこれよりも小さくなるよう設定される。また、導体柱１１４の内部はいずれも導体で充填されていない。また、導体柱１１４を形成する円柱状の導体はいずれも接地導体層１１１，１１２よりも薄い導体膜からなっている。なお、導体柱１１４の内部は樹脂等の絶縁体で充填することや、なにも充填しないこともできる。

モード変換器１００は、図１〜図３に示すように、基板１０１に内在するように接地導体層１１１に設けられた開口１１１ａから導波路１１０内部に挿入されたピン１２３と、このピン１２３の外側基端部に接続されて接地導体膜１１１より外側に位置する平面回路（伝送路）１２２を有する。

接地導体層１１１には略均一厚さの上基板（基板）１２４が積層されて接着層１２４ａを介して接着される。上基板１２４には、平面視してピン１２３と同じ位置に、上基板１２４を貫通する孔部γ内に貫通導体１２３Ａが設けられている。貫通導体１２３Ａの外側端部は、上基板１２４表面に位置するピン端子（接続部）１２３ｂとされ、伝送路１２２の一端側に接続されている。
上基板１２４は基板１０１と同様の材質からなり、例えばフレキシブル基板とされて、基板１０１の半分以下の厚み、つまり、ピン１２３の長さ程度の厚み以下の寸法とすることができる。

上基板１２４の外側表面上には、接続部としての伝送路１２２が形成されている。伝送路１２２は、すくなくとも接地導体層１１１の開口１１１ａを跨ぐように設けられ一端側がピン端子１２３ｂを介してピン１２３に接続され、他端側が上基板１２４上のＧＳＧパッド（高周波信号入力端子）１２５に接続されて、マイクロストリップラインとなっている。ＧＳＧパッド１２５の伝送路１２２に対する両外側には、図３に示すように、上基板１２４上の伝送路１２２の延在方向に直交する向き両外側位置となるように、ＧＮＤパッド１２６が離間して配置される。

ＧＮＤパッド１２６には、図３に示すように、その両外側位置にそれぞれＧＮＤビア１２７が設けられ、ＧＮＤビア１２７は、貫通導体１２３Ａと同様の構成とされている。ＧＮＤビア１２７は、図４に示すように、上基板１２４上の伝送路１２２の階層から、基板１２４表面の接地導体層１１１の階層まで接続するように設けられる。

ピン１２３は、図２に示すように、径寸法Ｈ１を有する柱状として、基板１０１内に内在し、先端１２３ａが導体膜１１２と接触しない位置となるように、例えば、基板１０１の半分程度となるように長さ寸法Ｈ４が設定される。ピン１２３は、接地導体層１１１，１１２の面垂直方向に設けられる。ピン１２３の基端側には、図２、図３に示すように、接地導体層１１１と同階層である基板１０１表面に、導体膜１１１と同一材料からなるフランジ状のランド１２３ｃが周設される。平面視して円環状とされるランド１２３ｃ表面外縁部は、接着層１２４ａを介して上基板１２４に覆われている。ピン１２３の基端側は基板１０１外側にむけてピン１２３を延長した形状とされる貫通導体１２３Ａを介して伝送路１２２に接続される。

伝送路１２２は、図３に示すように、接地導体層１１１と略平行である上基板１２４表面上に延在し、貫通導体１２３Ａ外側端部位置においては、この貫通導体１２３Ａよりも径寸法の大きなピン端子１２３ｂに接続されている。伝送路１２２は、ピン端子１２３ｂからＧＳＧパッド（高周波信号入力端子）１２５まで直線状に延在するとともに、その幅寸法は、貫通導体１２３Ａおよびピン１２３の径寸法と等しく設定することができる。伝送路１２２の幅寸法は、後述するように、入力インピーダンス整合部として適宜調整されることができる。

伝送路１２２には、上基板１２４上のＧＳＧパッド（高周波信号入力端子）１２５に接続された側に、基板１２４表面において伝送路１２２と直交する方向に延在するように開放スタブ１２２ｂが設けられている。開放スタブ１２２ｂは、伝送路１２２の両側において、それぞれＧＮＤパッド１２６と所定の離間状態を有するように設けられる。開放スタブ１２２ｂの幅寸法は、伝送路１２２の幅の半分程度とされている。
伝送路１２２は、また、伝送路１２２とＧＳＧパッド（高周波信号入力端子）１２５とが接続される部分に、伝送路よりも幅細となる狭隘部１２２ａが設けられる。

これら伝送路１２２、開放スタブ１２２ｂ、狭隘部１２２ａからなる平面回路は、入力インピーダンス整合部を構成する。ここでは、伝送路１２２の幅寸法および長さ寸法、開放スタブ１２２ｂの幅寸法および長さ（張り出し）寸法、開放スタブ１２２ｂにおけるＧＮＤパッド１２６との離間形状、狭隘部１２２ａの幅寸法および長さ寸法、貫通導体１２３Ａの長さ寸法等を調整することで位相回転量、インダクタンスまたは容量を制御し、入力インピーダンスの整合を図る。

ピン１２３は少なくともその表面が接地導体層１１１と同様の導体から形成されることができ、本実施形態においては、その中心部分は、表面と同様かまたは異なる性質の導体で充填された構造とされる。具体的には、ピン１２３の表面が、メッキ法によって形成されたＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどの薄膜であり、円筒状のピン１２３の中心部分（内部）が、導電性ペーストを充填し、それを加熱・焼成した導体となっている。本発明のピン１２３の断面構造を観察した写真を図２４に示す。
ピン１２３の中心部分（内部）は、図２４の写真、および、図３で拡大された円内に模式的に示すように、導体内部に微小な空隙Ｖを多数含んだ多孔質体である。これは、後述するように、導電性ペーストを加熱処理して形成したことに起因するものである。
このように、微小な空隙Ｖを多数含んだ導体からなるピン１２３であると、フレキシブル基板１０１が変形したとしても、ピン１２３と微細孔α内面との間に剥離が生じたり、ピン１２３自体が破損したりする不具合を防止でき、レキシブル基板１０１の変形による応力耐性が向上するというメリットが生ずる。また、応力耐性を向上させるために、空隙Ｖの大きさ及び密度（配置）をピン１２３内部で好ましい状態に制御する。

図６は、他の実施形態におけるピン１２３の先端形状を示したものである。
ピン１２３は、図６（ａ）のように、先端１２３ａが丸みを帯びた先丸形状であってもよい。あるいは、図６（ｂ）のように、ピン先端１２３ａの中央が鋭角的に尖った形状や、図６、（ｃ）のように、ピン先端の周縁側が鋭角的に尖った形状であってもよい。図６（ａ）〜（ｃ）のように尖った先端形状であれば、ピン先端１２３ａと接地導体層１１２との距離の制御精度が緩和するので好ましい。特に、図６（ｂ）（ｃ）のように鋭角的に尖った先端形状であれば、ピン先端１２３ａと接地導体層１１２との距離の制御精度がより緩和するので好ましい。結果として、製造上、インピーダンス整合しやすいという利点がある。

ピン１２３表面、導体柱１１４は、基板１０１の表面側から、チタン（Ｔｉ）またはクロム（Ｃｒ）からなる膜、銅（Ｃｕ）からなる膜を、順に積層した膜構成とすることができる。ＴｉまたはＣｒからなる膜は、ミリ波帯の電磁波の表皮効果によって、基板との密着精度が損なわれない範囲において、薄いほど望ましい。例えば、Ｃｕからなる膜が３００ｎｍ以上である場合には、ＴｉまたはＣｒからなる膜は４０ｎｍ程度であることが望ましい。
伝送路１２２、開放スタブ１２２ｂ、狭隘部１２２ａなどの平面回路は、同様に、上基板１２４の表面側から、チタン（Ｔｉ）またはクロム（Ｃｒ）からなる膜、銅（Ｃｕ）からなる膜を、順に積層してなることができる。
接地導体層１１１および接地導体層１１２も基板１０１の表面側から、チタン（Ｔｉ）またはクロム（Ｃｒ）からなる膜、銅（Ｃｕ）からなる膜を、順に積層してなることができる。

これらは、いずれもミリ波帯の電磁波伝送に適した状態とされ、例えば、銅部分は後述するようにメッキ層とすることができる。なお、基板１０１表裏面の接地導体層１１１および接地導体層１１２、上基板１２４表面の伝送路１２２、開放スタブ１２２ｂ、狭隘部１２２ａなどの平面回路としては、基板１０１、上基板１２４に導体膜が形成された基材を利用することもできる。

［モード変換器の製造方法］
図１〜図５に示した導波路１００の製造方法について、図７を用いて説明する。図７は、モード変換器の製造過程における基板の要部を、製造工程の順に、段階的に示した正断面図である。

［ポスト壁導波路構造］
まず、準備工程として、図７（ａ）に示すように、基材として基板１０１を用意する。例えば、基板１０１は厚み１００μｍ〜５００μｍ程度のフレキシブル基板とされる。ここで「程度」とは、±５０μｍの厚み幅を持つことを意味する。基板１０１の表裏面には銅薄膜からなる導電層１１１，１１２が形成されたものとされる。
接地導体層１１１，１１２の厚みは少なくともミリ波帯の表皮深さよりも厚いことが望ましい。６０ＧＨｚで表皮深さが２７０ｎｍなので、２μｍ程度とすれば十分である。

次いで、図７（ｂ）に示すように、孔あけ工程として、基板１０１にレーザーアブレーションあるいはドリル等の加工手段により、凹部（キャビティ）α、孔部βを形成する。
凹部αは、ピン１２３の長さＨ４に対応する所望の深さ、かつ、径寸法Ｈ１に対応する太さまで形成される。孔部βは複数の導体柱１１４に対応して基板１０１を貫通するように形成され、かつ、孔部βは径寸法ｄを有するとともに、隣接する孔部βとの距離Ｘが直径ｄよりも小さくなるように形成される。

基板１０１をフレキシブル基板とした場合には、例えば、液晶ポリマー基板（ＬＣＰ基板）に対して、レーザー強度が調整されたＵＶ−ＹＡＧレーザー、ＣＯ_２レーザー等でレーザーを照射することで凹部形状を形成する。

その結果、図７（ｂ）に示すように、基板１０１に凹部α、孔部βが形成される。微細孔である凹部α、孔部βの孔径は、製造するモード変換器１００の用途に応じて、１０μｍ〜３００μｍの範囲で適宜設定することができる。
薄い基板を用いたモード変換器においては、導波路の厚みを薄くするほど、つまり、導波路が形成される基板を薄くするほど、ピン長さが伝送特性に影響する度合いが大きくなる。そのため、ピン長さをより一層精密に設計する必要がある。例えば、厚みが３００μｍ以下の薄い導波路では、ピン長さを１０μｍレベルで制御する必要がある。

次いで、図７（ｃ）に示すように、シード層およびメッキ層からなる導体層１２１ａ、導体層１２１ｂを、凹部α，孔部βの内部に形成する。シード層は例えばＣｒ／Ｃｕ，Ｔｉ／Ｃｕなどで厚みは１０ｎｍ〜５００ｎｍとされ、スパッタリングで形成することができる。メッキ層は銅メッキとされる。銅メッキ層の厚みは少なくともミリ波帯の表皮深さよりも厚いことが望ましい。６０ＧＨｚで表皮深さが２７０ｎｍなので、導体層１２１ａ、導体層１２１ｂは、２μｍ程度の厚さとすれば十分である。このとき、導体層１２１ａ、導体層１２１ｂと同等の導体層を、基板１０１の表裏面の接地導体層１１１，１１２上に同時に形成してもよい。

次いで、図7（ｄ）に示すように、凹部α周囲の開口１１１ａに対応する領域をエッチングにより除去し、ランド１２３ｃを形成する。この際、開口１１１ａ以外にレジストを形成してエッチングすることで、レジストを除く導体層１１１の部分を除去し、開口１１１ａ、ランド１２３ｃを形成する。開口１１１ａ形成工程は、塩化第二鉄液、塩化第二銅液等の酸溶液を用いたウエットエッチングとすることができる。

次いで、充填工程として、図7（ｅ）に示すように、ペースト状の導電性材料をスクリーン印刷等の手段で凹部α内に充填する。
まず、基板１０１全表面にシート状のカバーを貼付し、凹部αに対応する部分のみ除去し貫通孔を形成する。この状態で、基板１０１全面に導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布して凹部α内にペーストを充填する。その後、シートを除去して、図7（ｅ）に示すように、開口１１１ａにはペーストを充填せずに凹部α内のみペーストを充填した状態とする。
カバーとしては、たとえばステンレス、アルミ合金からなるメタルマスクが用いられ、る。
貫通孔形成としては、孔部β形成と同様にメタルマスクにエネルギーを調整したレーザー加工等を用いることが可能である。

ペースト状の導電性材料としては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）等の導電体を含むものとされ、これ以外にフィラーとしてのフラックス等を含むこともできる。
なお、ペースト導体は、微細孔α内部に完全に充填されていなくともよいが、気密性を要求される場合などには、微細孔α内部に完全に充填されていることが望ましい。このように、ポスト壁導波路構造を形成する。
本発明のモード変換器のように小型化・薄型化しようとすると、必然的にピンも小さく形成する必要があり、そのためにはピンが形成される高アスペクト比の孔（微細孔）をさらに小さくする必要がある。しかしながら、小さな孔であるほどの内部に導体を形成することが困難となる。
本発明は、印刷法を用いて導電性ペースト微細孔の内部に充填しているため、微細孔の内奥まで導電性ペーストを充填することが可能となり、所望の長さのピンを安定的に形成することができる。

［上部伝送構造］
まず、準備工程として、図７（ｆ）に示すように、基材として上基板１２４を用意する。上基板１２４は、基板１０１と同材のとされて、基板１０１の半分の厚みであるフレキシブル基板とされ、その表面には銅薄膜からなる導電層１２２Ａが形成されたものとされる。
導体層１２２Ａの厚みは少なくともミリ波帯の表皮深さよりも厚いことが望ましい。６０ＧＨｚで表皮深さが２７０ｎｍなので、２μｍ程度とすれば十分である。

次いで、図7（ｇ）に示すように、上基板１２４表面に、伝送路１２２、開放スタブ１２２ｂ、狭隘部１２２ａ、ＧＮＤパッド１２６、ＧＳＧパッド（高周波信号入力端子）１２５などの平面回路を形成する。この際，平面回路形状にパターニングしたレジストを形成し、これ以外の導電層１２２Ａをエッチングにより除去することで、これらの平面回路を形成する。その後、レジストをレジスト剥離液により除去する。こさらに、ＣＦ_４ガスや０_２ガスによるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）プロセスを実施することもできる。
この際、入力インピーダンス整合をとるためにそれぞれの平面回路における各寸法をそれぞれ設定する。具体的には、伝送路１２２の幅寸法および長さ寸法、開放スタブ１２２ｂの幅寸法および長さ寸法、開放スタブ１２２ｂにおけるＧＮＤパッド１２６との離間形状、狭隘部１２２ａの幅寸法および長さ寸法、貫通導体１２３Ａの長さ寸法を例示できる。なお、図においては、平面回路として、伝送路１２２のみを示してある。

次いで、図7（ｈ）に示すように、上基板１２４裏面全体に、接着層１２４ａを形成する。
接着層１２４ａとしては、ＬＣＰフィルムあるいはポリイミドとされる基板１２４に対してエポキシ系やアクリル系の接着剤、あるいはＬＣＰによる接着層が用いられる。

次いで、図7（ｉ）に示すように、上基板１２４に、レーザーアブレーション等の加工手段により、孔部γを形成する。孔部γは、貫通導体１２３ＡおよびＧＮＤビア１２７に対応するものとされ、形成位置、形成寸法が設定される。孔部γは、上基板１２４の表面（上側）では、伝送路１２２やＧＮＤパッド１２６といった平面回路を貫通しないように、また、上基板１２４の裏面（下側）では、接着層１２４ａを貫通して形成される。これらは、レーザー照射条件を設定することで調節する。

次いで、充填工程として、図7（ｊ）に示すように、ペースト状の導電性材料をスクリーン印刷等の手段で孔部γ内に充填する。
この際、上基板１２４の全裏面にペースト状導電材料を塗布した後に、スキージ等で押圧して孔部γ内に充填する。この場合、たとえば印刷圧力０．２５ＭＰａ〜０．５ＭＰａ
印刷速度５ｍｍ／ｓｅｃ〜３０ｍｍ／ｓｅｃとすることができる。
なお、貫通導体１２３Ａは、孔部γ内部に完全に充填されていなくともよいが、気密性を要求される場合などには、孔部γ内部に完全に充填されていることが望ましい。このように上部伝送構造を形成する。

次いで、図7（ｅ）に示す基板１０１に形成されたポスト壁導波路構造と、図7（ｊ）に示す上基板１２４に形成された上部伝送構造とを、凹部αと孔部γとを位置あわせして貼り合わせ、加熱加圧処理することで接着する。
基板１０１と上基板１２４とを貼り合わせる加熱加圧処理は、たとえば加熱温度１８０℃、圧力１ＭＰａ、加熱時間６０ｍｉｎとすることができる。この加熱加圧処理は、接着層１２４ａが接地導体層１１１表面に接着されるとともに、凹部αおよび孔部γ内に充填された導電性ペーストから形成される導体どうしが接続すればよく、平面回路が変形しない程度の処理条件とされる。

このような工程によって、モード変換器１００を形成することができる。

本実施形態においては、基板１０１の厚さに対し半分程度の深さ寸法を有する微細孔（凹部）αをレーザーアブレーションによって形成し、この内部にペースト状の導体を充填するので、スパッタ、メッキなどで形成した場合に比べ、微細化した場合でも、ピン１２３長を正確に設定することができる。したがって、信号の反射が最小となるような励振ピン長を正確に実現することが可能となる。すなわち、無線通信ＩＣから平面回路(伝送路)１２２を伝わってきたミリ波信号を損失なく効果的に伝送することが可能なモード変換器１００を製造することができる。
また、導体ペーストを充填してピン１２３を形成したため、ピン１２３が外力が作用した場合でも電気的に変形せず、入力インピーダンス整合を容易に維持することができる。

また、インピーダンス整合状況は、ピン１２３の直径にも左右されると考えられるが、エッチング条件によりピン１２３となる凹部αの径を調整できるので、高い調整能力を有する。

また、本実施形態の導波路１１０は、複数の基板を積層することで形成され、積層界面のランド構造によってピン１２３の途中でビア−ビアの接続をおこなう従来技術に比べ、単一基板１０１内に内在したピン１２３を形成できるので、導波路１１０内部でピン１２３の途中におけるランド構造が必要なく、ピンの径の変化による信号反射の悪影響も低減させることが可能である。

本実施形態の製造方法によれば、ピン１２３と反射部１１０となる複数の導体柱１１４とを同時並行して形成することが可能なため、製造に必要なプロセス数を削減して工数を減らし、作業時間と製造コストを低減することが可能となる。

本実施形態の製造方法によれば、図7（ｅ）に示す基板１０１に形成されたポスト壁導波路構造と、図7（ｊ）に示す上基板１２４に形成された上部伝送構造とを、別々に形成しているため、ピン１２３の長さ等の調節をモード変換器１００製造後にすることが可能となる。

本実施形態によれば、平面回路が上基板１２４表面、つまりモード変換器１００の最表面に形成されており、モード変換器の外側から平面回路の形状調整（トリミング）を容易に行うことができる。例えば、ピン１２３を設計通りの長さで形成できず、所望の特性が得られなかったとしても、モード変換器１００を製造後に平面回路をトリミングすることにより、伝送特性の調整を行うことができる。

本実施形態によれが、基板１０１および上基板１２４にフレキシブル基板を用いているので、軽量で低損失な導波路が実現できる。同時に、可撓性を有することで、多彩な利用が可能となる。

上述した実施形態においては、図２に示すように、励振ピン１２３の径寸法を基端部１２３ｂから先端部１２３ａまで均一となるように設定したが、側面が角度を有するように先端部１２３ａが基端部１２３ｂに比べて縮径するようにすることができる。この場合、凹部α内部における金属付着効果を向上させて、シード層および銅メッキの導体膜１２１ａ、の形成および導電ペースト充填によるピン１２３の形成における確実性を向上することができる。

また、本実施形態においては、入力インピーダンス整合部として、伝送線路１２２、開放スタブ１２２ｂ、狭隘部１２２ａからなる平面回路を図３に示すような構成としたが、他の構成とすることもできる。
なお、開放スタブ１２２ｂは、伝送路１２２の片側だけに同じ張り出し長さを有するように設けた場合には、伝送路１２２の線路長が長くしたのと同等の効果を有する。また、開放スタブ１２２ｂは、伝送路１２２の延在する中心軸に対して対称に設けることが好ましい。また、伝送路１２２の両側で非対称とすることもできる。このように開放スタブ１２２ｂの形状・配置は入力インピーダンスとしてきわめて大きな効果を奏する。

さらに、本実施形態においては、図１に示すように、導波路１１０を複数の導体柱１１４を有するものとしたが、図９に示すように、平面視矩形であり、モード変換器から電波放射される開口１０２に対向する後方壁となる辺は複数の導体柱１１４とし、また、ピン１２３から開口１０２に向かう方向に延在する２辺は、その方向に連続したスリット壁１４１とし、連続した孔β１を形成することもできる。このように後方壁となる辺を複数の導体柱１４０とすることにより、仮に、一部の導体柱において電気的にオープンとなる等の不具合が生じたとしても、残りの導体柱が接地導体層と接続されていれば、機能を維持することができる。また、側壁反射部をスリット壁１４１とすることにより、導体柱よりも電磁波の漏洩を、さらに効果的に防止することができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、導波路１１０の開口１０２の外側位置に基板１０１がある構成としたが、図９に示すように、基板１０１の端にまでスリット壁１４１を形成することもできる。この場合、ピン１２３の後ろ側が複数の導体柱１４０から構成される導波路１１０であるため、基板１０１に長孔β１を形成した場合でも、基板１０１が分離してしまうことがない。
このような構成により、電磁波進行方向の側壁が連続壁になっているため、導体の配置
が不連続であることによる電磁波姿態の乱れを防止することができる。

また、このように長孔β１を形成した場合、図１０に示すように、多数の円柱を平面視して重なるように連続して形成した長孔β１とすることもできる。

さらに、図１１に示すように、矩形の導波路１１０のうち開口１０２以外の三辺を連続する長孔β２を形成してコ字状に連続するスリット壁１４２とするとともに開口１０２付近のみ離間した導体柱１４０を形成して導波路１１０が離間した状態とすることができる。
また、図１２に示すように、矩形の導波路１１０のうち開口１０２以外の三辺にそれぞれ連続する孔β１，β３を形成し、対応したスリット壁１４１，１４３とするとともに、各辺の交わる部分には導体柱１４０を設けて、導波路１１０が離間した状態を形成することができる。
また、図１３に示すように、矩形の導波路１１０のうち開口１０２以外の三辺にそれぞれ連続する長孔β１、β３を形成し、対応したスリット壁１４１、１４３とするとともに、各辺の交わる部分には導体柱１４０を設けて、反射部１１０が離間した状態を形成することができる。この場合、不連続部がポスト1個分のみであるため、この不連続部における電磁波の姿態の乱れを最小限に抑えることでき、且つ、図１２に示した構造よりも機械的に安定した構造とすることができる。これらのように導波路１１０が離間して基板がモード変換器１００となる導波路１１０内部側と外側で連続した状態を形成することで、基板１０１が分離してしまうことがない。

また、図１３に示すように、開口１０２の外側に、反射部が広がった状態のスリット壁１４４設けることもできる。この場合、Ｈ面扇型ホーンアンテナを構成することができ、アンテナ利得を向上させることが可能となる。

これらのように、隙間のある導体柱１１４の一部をスリット壁１４１，１４２，１４３，１４４を有する構造とすることで、導波路１００を形成する導体膜１１１，１１２間の導波路１１０の大部分をスリット壁１４１，１４２，１４３，１４４に置き換えることができる。これにより、従来よりも大幅に電磁波の漏洩を抑えることができ、アンテナの放射効率の向上や、導波路の放射損失の削減に貢献できる。また、スリット壁を採用することにより、すべてが導体柱１１４の場合よりも電流が流れる面積が大きくなるため、すべてのポスト壁１１４の場合に起こりうるポスト壁１１４と導体膜１１１，１１２の電気的非導通による伝送モードの乱れ・破綻とそのリスクを大幅に軽減することが可能となる。

上述した実施形態においては、図１、図２に示すように、導体柱１１４の径寸法を接地導体層１１１から裏面の接地導体層１１２まで均一となるように設定したが、図１４に示すように、角度θ５を有するように表面１０１ａから裏面１０１ｂに向かって縮径するようにすることができる。この場合、孔β内部における金属付着効果を向上させて、シード層、銅メッキの導体１２１ａの形成を確実におこなうことが可能となる。この場合、微細孔β内部における金属付着効果を向上させて、シード層、銅メッキによる導体柱１１４の形成を確実におこなうことが可能となる。また、角度θ５を有することにより、微細孔α内部における金属付着効果を向上させて、シード層、銅メッキによる接地導体層１１１の形成を確実におこなうことが可能となる。

さらに、図１５に示すように、角度θ６，角度θ７を有するように表面１０１ａから裏面１０１ｂに向けて縮径してから拡径するようにすることができる。角度θ６、角度θ７を有することにより、微細孔α内部における金属付着効果を向上させて、シード層１２１ａ、銅めっきの接地導体層１１１の形成を確実におこなうことが可能となる。

本実施形態のモード変換器１００は、図１６に示すように、ミリ波通信モジュール用基板２００とすることができる。
ミリ波通信モジュール用基板２００は、モード変換器１００と、モード変換器１００の一例として上面側にフリップチップ接続された無線送受信機能素子を有する無線通信ＩＣ（半導体チップ）２１０を有している。ミリ波通信モジュール用基板２００は、導波路１００の形成された基板１０１表面に、ＧＮＤとなる接地導体層１１１および上基板１２４上の伝送路１２２が設けられるとともに、伝送路１２２と同階層とされる図示しない回路が設けられるとともに、伝送線路１２２終端のＧＳＧパッド１２５と無線通信ＩＣ（半導体チップ）２１０の端子２１１が接続される。ミリ波等の高い周波数では、寄生インダクタンスの影響が非常に大きくなるため、ワイヤボンドよりもバンプによる短距離実装が望ましい。

本実施形態のモード変換器１００は、また、図１７に示すように、ミリ波通信モジュール用基板２００Ａとすることができる。
図１７に示すミリ波通信モジュール用基板２００Ａが、図１６に示すミリ波通信モジュール用基板２００と異なる点は、ピン端子（接続部）１２３ｂがＧＳＧパッド１２５とされており、このピン端子１２３ｂに無線通信ＩＣ（半導体チップ）２１０の端子２１１が接続される。
これ以外の対応する構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、ＧＮＤビア１２７に接続されるＧＮＤパッド１２６には、無線通信ＩＣ（半導体チップ）２１０の端子２１２が接続される。このように、伝送路１２２、開放スタブ１２２ｂ、狭隘部１２２ａ等を有しない平面回路とすることもできる。ミリ波通信モジュール用基板２００Ａでも、は、端子２１１，２１２は、ミリ波等の高い周波数において、寄生インダクタンスの影響が非常に大きくなるため、ワイヤボンドよりもバンプによる短距離実装が望ましい。

また、本実施形態の励振ピン構造１２０は、図３に示すように、マイクロストリップラインとされたが、図１８に示すように、コプレーナとすることもできる。この場合、ＰＷＡの上面ＧＮＤ層となる接地導体層１１１と同じ層に、信号線路１３２を形成する。

＜実験例＞
以下、本発明に係る実験例について説明する。

図１９は、本発明に係るモード変換器により薄型化を実現したプリント基板ポスト壁導波路（ＰＷＷ）のシミュレーションモデルである。このタイプでは、プリント基板ポスト壁導波路（ＰＷＷ）１００の開口をそれぞれ対向して配置した状態とした。信号入出力ポートはマイクロストリップ線路１２２端のポート１２５、ポート１２５となっており、ピン端子１２３ｂを通じてマイクロストリップの伝送モード（ＴＥＭモード）は導波路の伝送モードであるＴＥ１０モードに変換される。ピン１２３中心間の距離は１０ｍｍと設定した。

シミュレーションには３次元電磁界解析ソフトＨＦＳＳを用いた。基板１０１の厚みは、１７５μｍに設定した。なお、高周波回路設計においては、反射係数は−１５ｄＢ以下となることが望ましい。

図２０は平面回路部分を拡大した斜視図である。図２０に示すモデルでは、狭隘部１２２ａは設けず、開放スタブ１２２ｂおよび、伝送路１２２と同等の幅寸法とされる接続部１２２Ａを有する。

図２１は、図２０に示す幅広の接続部とされた平面回路を有するモード変換器に対応するシミュレーションモデルを用いたプリント基板ポスト壁導波路の反射係数のシミュレーション結果である。
ピンと後方ポスト壁１１０Ａの距離の最適化を６０ＧＨｚで行なった。なお、ピン１２３長は基板１０１の厚さの半分とし、上基板１２４の厚さはピン１２３長の２／３に対応する値とした。このマイクロ波回路では反射損が−１５ｄＢより低くなるように設計されることが望ましい。ピン１２３と後方ポスト壁１１０Ａ間距離の最適化を、使用周波数６０ＧＨｚに対応する波長λに対し、通常最適化で使用されるλ／４ではなく、基板１０１の薄型化に対応してλ／２として最適化した。

このグラフにおいて、Ｓ１１＜−１５ｄＢとなる周波数領域を帯域と定義する。
図２１に示す結果から、ピン１２３と後方ポスト壁１１０Ａ間距離の最適化を使用周波数６０ＧＨｚで行なっているため、６０ＧＨｚ周辺の幅１ＧＨｚ程度の帯域に渡って−１１５ｄＢを下回っていることが分かる。即ち帯域は２ＧＨｚ程度である。

しかしながら、６０ＧＨｚの特定省電力無線通信に用いられる帯域幅は７ＧＨｚ〜９ＧＨｚとなるので、この開放スタブ１２２ｂを伝送路１２２に設けただけの平面回路のモデルではこのアプリケーションの仕様を満たさないということになる。
これは専ら、図２０に示す平面回路形状では、入力インピーダンス整合が十分に取れてないという理由に起因すると考えられる。

図２２は、図２０に示す平面回路形状に対して、伝送路１２２とＧＳＧパッド（高周波信号入力端子）１２５との接続部分に狭隘部１２２ａを設けたモデルである。
図２３は、インピーダンス不整合の問題を、狭隘部１２２ａとしてインピーダンス整合手段を加え、調整を行なった後のシミュレーション結果となる。
インピーダンス整合という作業を行なったため、帯域は５ＧＨｚまで、大幅に広帯域化されていることが分かる。これに加えて、伝送路１２２の幅寸法および長さ寸法、開放スタブ１２２ｂの幅寸法および長さ寸法、開放スタブ１２２ｂとＧＳＧパッド（高周波信号入力端子）１２５との離間状態を調整することにより、５７〜６６ＧＨｚの範囲で各々設定されている世界各国の免許不要の６０ＧＨｚ帯域を十分に満たすことができる。

さらに、図２２に示すモード変換器に対応するシミュレーションモデルにおいて、基板厚さを変化させてシミュレーションをおこない、同様にして、Ｓ１１＜−１５ｄＢとなる周波数領域を帯域として算出し、帯域幅が７ＧＨｚ〜９ＧＨｚとなった場合を「優」、帯域幅が５ＧＨｚ〜７ＧＨｚとなった場合を「良」、帯域幅が５ＧＨｚ以下となった場合を「不良」と表記することにする。その結果、基板１０１厚さ、つまり、導波路１１０厚さが１７５μｍのとき「優」、同２５０μｍのとき「優」、同３００μｍのとき「良」、同４００μｍのとき「不良」、同５００μｍのとき「不良」、同５５０μｍのとき「不良」となった。
この結果から、本発明は、導波路厚さが薄いときに十分な帯域を得ることが可能であることがわかる。

本発明は、ミリ波帯を利用した数Ｇｂｐｓの高速大容量通信用のデバイスとして、広く適用することができる。

１００・・・モード変換器、１０１・・・基板（フレキシブル基板）、
１０１ａ・・・表面、１０１ｂ・・・裏面、１１１ａ・・・開口部、
１１０・・・導波路、１１１，１１２・・・接地導体層、１１４・・・導体柱、
１２０・・・励振ピン構造、１２２・・・平面回路（伝送路）、１２３・・・ピン、
１２３Ａ・・・貫通導体、１２４・・・上基板（フレキシブル基板）、１２３ｂ・・・ピン端子（接続部）、１２３ｃ・・・ランド、１２５・・・ＧＳＧパッド（高周波信号入力端子）、
１２６・・・ＧＮＤパッド、１２７・・・ＧＮＤビア、

Claims

フレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板の一方の主面および他方の主面に形成された接地導体層と、
前記フレキシブル基板の一方の主面側に形成された接続部と、
前記フレキシブル基板の一方の主面から所望の深さまで形成された微細孔と、
前記微細孔の内部に充填された導体からなり前記接続部に接続されるピンと、
を少なくとも備え、
前記導体が、多孔質体であることを特徴とするモード変換器。
前記フレキシブル基板の厚さが３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の
モード変換器。
前記導体が、導電性ペーストを加熱処理することにより形成されていることを特徴とす
る請求項１または２記載のモード変換器。