JP5978149B2

JP5978149B2 - モード変換器の製造方法

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Publication number: JP5978149B2
Application number: JP2013029486A
Authority: JP
Inventors: 雄介上道
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: EP2958188A4; EP2958188B1; EP2958188A1; JP2014158243A; US10511077B2; US20150349398A1; WO2014126194A1

Description

本発明は、モード変換器の製造方法に係り、特にミリ波帯の通信用のモード変換器に用いられる技術に関する。

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、無免許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。

このような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、非特許文献１、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と表記）を経て、最終的には導波路構造部（導波路２と表記）へと導かれる。

図２８は従来のモード変換器（変換器）の構成例である。図に示すように、モード変換器５１０において、導波路５０２は、前方端面（図２８の右方側）に電波を放射する開口部５２５を有するものとされる。導波路５０２は複数のポスト（柱）壁５２０と上下の接地導体層（銅箔）５２１、５２２により構成されている。導波路５０２には、給電部としてピン（平面回路・導波路変換器）５２３が挿入されている。伝送線路５２４からピン５２３へ導入されたミリ波信号は、導波路５０２の前方の開口部５２５から電磁波として放射される。このモード変換器５１０は、複数の基板５２８Ａ、５２８Ｂ、５２８Ｃが積層されて形成される。ピン５２３は、予めビアを形成しておいた基板５２８Ｂと５２８Ｃを積層し、その後にビア内に導電物を充填することにより形成されている。

一般的な高周波回路設計においては、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てい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。
図２８に示すような構造の場合、所定の周波数帯域において、ピン５２３の長さを所定の値に調節することによって、インピーダンス調整されて反射損を抑制した信号伝送を実現している。その他にも、インピーダンス整合手段の一つとして、ピン５２３と接地導体層５２２との距離を最適化することが考えられる。

しかしながら、従来の変換器の製造方法では、厚みの決まった複数の基板に予めビアを形成しておき、それを積層させてこのピンを製造するため、ピンの長さは基板の厚さ寸法に依存して離散的な値しか取ることができず、所望の長さに調節することができない。また、積層する各々の基板の厚さ寸法そのものが、個別に設定可能なものではなく材料入手性等に依存してしまうこととなる。このため、最適な長さのピンが実現しにくいという問題があった。

また、ピンの長さの調節以外の手段による反射損抑制は、利用可能な帯域が減少するといった帯域制限要因となる可能性が高く得策ではない。
さらに、基板同士の接着に用いられる接着材による伝送損失、各層の材料に起因した伝送特性ばらつき、各基板同士を積層する際に生じる位置ズレ、等の好ましくない状況が発生する。

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

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、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容易なモード変換器の製造方法を提供可能と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の製造方法は、単一の基板と、前記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、前記基板の一方の主面側に形成された高周波伝搬用の平面回路と、前記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の内部に設けられ、前記平面回路と接続されたピンと、を少なくとも備えたモード変換器の製造方法であって、前記基板にレーザー光を照射することにより、前記基板の一方の主面から所望の深さまで改質部を形成する第一工程と、前記改質部を除去することにより、微細孔を形成する第二工程と、前記微細孔の内部に導電性物質を導入することにより、ピンを形成する第三工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ピンの長さを、単一の基板にレーザー改質により形成する改質部の長さとして調節できる。したがって、従来のように、ピンの長さを離散的な値にすることなく、所望の長さのピンを実現することができる。これにより、他の回路要素等による調節をおこなう必要なく、反射損を抑制したモード変換器を実現することができる。

同時に、複数基板の積層体ではなく、単一基材の基板から構成できるため、複数の基材を積層した時に懸念される接着材による損失、各層の材料に起因した特性ばらつき、積層におけるズレ等数々の好ましくない状況を抑制することができる。

本発明の請求項２に係るモード変換器の製造方法は、請求項１において、前記第三工程を行うと同時に、前記接地導体層を形成することを特徴とする。

本発明によれば、ピンと導体Ｂと接地導体層を同一のプロセスで形成することができ、工数を削減し、製造効率を向上することができる。

本発明のモード変換器の製造方法によれば、ピンの長さを自在に調節することが可能となり、他の回路要素等による調節を行うことなく反射損を抑制可能なモード変換器を実現することができる。

本発明に係るモード変換器の製造方法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製造方法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製造方法の一実施形態におけるGRDビアを示す拡大断面図である。本発明に係るモード変換器の製造方法の一実施形態における反射部を示す模式平面図である。本発明に係るモード変換器の製造方法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製造方法の一実施形態における工程を示すための断面図である。本発明に係るモード変換器の製造方法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製造方法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製造方法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製造方法の一実施形態におけるGRDビア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製造方法の一実施形態における反射部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製造方法の一実施形態における反射部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製造方法の一実施形態における反射部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製造方法の一実施形態における反射部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製造方法の一実施形態における反射部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製造方法の一実施形態における反射部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製造方法の一実施形態における反射部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製造方法の一実施形態における反射部の他の例を示す模式斜視図である。本発明に係るモード変換器の製造方法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断面図である。本発明に係るモード変換器の製造方法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。本発明に係るモード変換器の製造方法の一実施形態における反射係数のピン長さ依存性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従来のモード変換器を示す斜視図である。実験例として従来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。実験例として従来のモード変換器において調節をおこなった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製造方法の一実施形態における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。本発明に係るモード変換器の製造方法の一実施形態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。従来のモード変換器を示す正断面図である。

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。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］
本発明の第一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の構成を模式的に示した斜視図であり、図２は、モード変換器１００の構成例を模式的に示した断面図であり、図３は、平面回路からピンにかけての構造を拡大して模式的に示した斜視図であり、図４はGND接続ビアを模式的に示した断面図であり、図５は、反射部である導体柱１１４を模式的に示した平面図である。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、単一の部材からなるガラス基板（基板）１０１、高周波信号伝搬用の平面回路（伝送路）１２２と、ピン（導体ピンともいう）１２３と、反射部であるグランド電位に接続された接地導体層１１１および１１２と、導波路１１０とを備えている。
単一の部材からなるガラス基板は、複数の基板を積層した積層基板、複合基板ではなく、単一材料から構成されたガラス基板である。ガラス基板の代わりに、石英基板や半導体基板を用いてもよい。
導波路１１０は、単一のガラス基板１０１の表裏面に設けられた接地導体層１１１、１１２と、これらの接地導体層１１１、１１２間に立設された複数のポスト壁である導体柱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。

接地導体層１１１、１１２は、ガラス基板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の周辺領域を除いたガラス基板１０１の表裏において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と同じ材料からなる導体柱とされており、ガラス基板１０１の表裏を貫いて複数本形成されている。導体柱１１４の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、ガラス基板１０１の平面視において、開口部１０２に対応する一辺をのぞいた三辺と平行する略矩形のコの字状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、ピンから放射される高周波信号を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、その導体柱１１４の中心軸間距離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に設定される。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よりも小さくなるように設定される。

モード変換器１００は、図１〜図３に示すように、接地導体層１１１に設けられた開口１１１ａからガラス基板１０１内部に形成されたピン１２３と、このピン１２３の外側基端部に接続されて接地導体層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には略均一厚さの絶縁部１２４が積層され、絶縁部１２４の外側表面上に伝送路１２２が形成されている。伝送路１２２は、少なくとも接地導体層１１１が開口された領域と重なるように設けられている。伝送路１２２は、その一端側がピン１２３の外側基端部に接続され、他端側が絶縁部１２４上のＧＳＧパッド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の両外側には、図３に示すように、絶縁部１２４上の伝送路１２２の両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の両外側には、図３に示すように、ＧＮＤビア１２７が隣接される。ＧＮＤビア１２７は、図４に示すように、絶縁部１２４上の伝送路１２２の階層から、絶縁部１２４下の接地導体層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、略均一な外径Ｈ１を有する円筒状である。ピン１２３は、ガラス基板１０１内に、ガラス基板１０１の表裏面に対して垂直に形成されている。そして、後述するように、先端１２３ａが接地導体層１１２と接触しないように長さ寸法Ｈ４が設定される。ピン１２３の基端１２３ｂ側は接地導体層１１１と同階層であるガラス基板１０１表面に、接地導体層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の表面外縁部１２３ｄは、絶縁部１２４に覆われている。ランド１２３ｃの中央側の円環部１２３ｅの表面は、伝送路１２２から延長されるとともに絶縁部１２４の厚さ方向に拡径する導体１２２ａによって伝送路１２２に接続される。ピン１２３の内側面（内面）は、導体１２２ａに接続された導体１２２ｂに覆われている。

外縁部１２３ｄの外径寸法（ランド１２３ｃの外径寸法）Ｈ３、ランド１２３ｃに接続される部分の導体１２２ａの外径寸法Ｈ２、および、ピン１２３の外径寸法Ｈ１は、Ｈ３＞Ｈ２＞Ｈ１となるように設定される。

ピン１２３は、少なくともその表面がＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどの導体から形成されていればよく、円筒状のピン１２３の中心部分が表面と同様の導体や、空洞、あるいは、絶縁樹脂等で占有される構造とすることができる。導体の形成方法には、めっき法、導電性ペースト充填法を用いる方法などがある。

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）、（ｃ）のように、ピン先端が鋭角的に尖った形状であっても良い。図６（ｂ）、（ｃ）のように鋭角的に尖った先端形状であれば、ピン先端と接地導体層との距離の制御精度が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。

伝送路１２２、ピン１２３、接地導体層１１１および１１２、導体柱１１４は、ガラス基板１０１または絶縁部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。ＴｉまたはＣｒからなる膜は、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、ピン１２３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めっき層とすることができる。

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

まず、準備工程として、図７（ａ）に示すように、基材としてのガラス基板１０１を用意する。例えば、ウエハ状をした大面積のガラス基板であり、厚みは８５０μｍである。

［第一工程］
次いで、図７（ｂ）に示すように、第一工程として、ガラス基板１０１にレーザー照射し、改質部α、改質部βを改質する。
改質部αは、ピン１２３の長さＨ４に対応する所望の深さまで形成される。改質部βは複数の導体柱１１４に対応してガラス基板１０１を貫通するように形成され、かつ、改質部βは径寸法ｄを有するとともに、隣接する改質部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。ガラス基板１０１は、例えばパイレックス（登録商標）からなるものを利用することができ、レーザー光としては、パルス幅が２５０ｆｓのフェムト秒レーザーを用い、これを集光照射し、その焦点を走査することにより改質部を形成する。上記の改質部α、βの寸法（長さ、太さ）は、レーザー照射の条件（焦点のサイズ、走査距離）により制御することができる。

［第二工程］
次いで、第二工程として、改質した改質部αおよび改質部βをエッチングにより除去する。このエッチング工程におけるエッチングは、容器（不図示）内に入れた所定の薬液中に改質部α、βを形成したガラス基板１０１を浸漬することにより行う。これにより、改質部αはガラス基板１０１の一方の主面（表面）１０１ａ側から、改質部βは、ガラス基板１０１の両主面から薬液によりウェットエッチングされ、ガラス基板１０１内から除去される。

その結果、図７（ｃ）に示すように、改質部α及び改質部βが存在していた部分に、微細孔α及び微細孔βが形成される。本実施形態では、薬液としてフッ酸を主成分とする酸溶液か、または、水酸化カリウムを主成分とする酸溶液を用いることができる。第二工程におけるエッチングは、改質されている部分が改質されていない部分に比べて非常に早くエッチングされる現象を利用するものであり、結果として改質部α、βの形状に起因した微細孔α、βを形成することができる。本実施形態においては、微細孔α、βの孔径は、製造する部分の用途に応じて、１０μｍ〜３００μｍの範囲で適宜設定することができる。
尚、上述した手法（レーザーによる基板改質と酸溶液を用いた改質部のエッチング）により形成される微細孔αは、その底部が図６（ａ）に示したように丸みを帯びた形状となる。したがって、微細孔αに形成されるピンは、図６（ａ）のように先丸形状となる。

［第三工程］
次いで、第三工程として、第二工程において形成した微細孔α及び微細孔βの内部に導電性物質を導入し、ピン１２３及び導体柱１１４を形成する。
まず、図７（ｄ）に示すように、シード層１２１ａをガラス基板１０１の表面１０１ａおよび微細孔α、βの内部に形成するとともに、図７（ｅ）に示すように、シード層１２１ｂをガラス基板１０１の他方の主面（裏面）１０１ｂに形成する。シード層１２１ａ、１２１ｂ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。

次いで、図７（ｆ）に示すように、微細孔α周囲のシード層１２１ａ上にめっきによりレジスト１１５を形成する。レジスト１１５は、ガラス基板の表面１０１ａで平面視して円環状をなしており、微細孔αおよびランド１２３ｃ部分を除いた開口１１１ａに対応する領域を覆うよう形成される。レジスト１１５の内径寸法Ｈ３は、ランド１２３ｃの外径寸法）Ｈ３を考慮して設定される。レジスト１１５としては、例えば、液状ネガレジスト、フィルム状ネガレジスト、液状ポジレジスト、フィルム状ポジレジストを適用することができる。

次いで、図７（ｇ）に示すように、レジスト１１５を除くシード層１２１ａ、１２１ｂの表面に、めっき法を用いて銅を積層させ、ピン１２３、接地導体層１１１および１１２、導体柱１１４となる層を成長させる。ピン１２３は、微細孔α内部および微細孔α周囲のランド１２３ｃとなるガラス基板の表面１０１ａに形成され、接地導体層１１１は、ガラス基板表面１０１ａの開口１１１ａ外側、導体柱１１４は微細孔β内部に形成される。さらに、ガラス基板１０１の裏面１０１ｂに形成されたシード層１２１ｂに接地導体層１１２を形成する。

銅めっきの厚みは、少なくともミリ波帯の高周波信号が流れるときに電流密度が高くなる表皮深さよりも厚いことが望ましい。６０ＧＨｚの高周波信号における表皮深さが２７０ｎｍなので、２μｍ程度とすれば十分である。
なお、銅めっきによるピン１２３、導体柱１１４は、微細孔α、β内部に完全に充填されていなくとも良く、微細孔α、β内部に完全に充填されていてもよい。

次いで、レジスト剥離工程として、図６（ｈ）に示すように、レジスト１１５を剥離する。さらに、残存するシード層１２１ａエッチングをおこなう。これにより接地導体層１１１、ランド１２３ｃ、開口部１１１ａを形成する。

［第四工程］
次いで、第四工程として、図６（ｊ）に示すように、接地導体層１１１上およびランド１２３ｃの外周部１２３ｄ上に絶縁部１２４を形成する。絶縁部１２４は、ピン１２３となる微細孔α部分とその周囲のランド１２３ｃの中央側の円環部１２３ｅとなる部分、および、平面回路（伝送線路）１２２終端部のＧＮＤビア１２７となる部分に除去された開口部１２４ａ、１２４ｂを形成する。
微細孔α周辺の開口部１２４ａは、その径寸法Ｈ２となるように設定され、これによって、図２に示すように、ランド１２３ｃに接続される部分の導体１２２ａの外径寸法Ｈ２を設定する。

第四工程としては、まず、絶縁部１２４は、例えば液状の感光性樹脂をスピンコート法で接地導体層１１１および開口部１１１ａ部分のガラス基板の表面１１１ａ上に塗布する。次いで、フォトリソグラフィー法により微細孔α周辺の開口部１２４ａと、ＧＮＤビア１２７となる開口部１２４ｂとを除去し、絶縁部１２４を形成する。次いで、残存した感光性樹脂を熱処理することで硬化する。
なお、開口部１２４ａにおいて円環部１２３ｅ上に除去しきれなかった感光性樹脂が残る場合、これらの除去にはＣＦ_４ガスや０_２ガスによるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）プロセスの実施が大変有効である。

［第五工程］
次いで、伝送路１２２を形成する。図６（ｋ）に示すように、シード層１２８を絶縁部１２４の表面と、ランド１２３ｃの円環部１２３ｅ及び微細孔αの内部と、開口部１２４ｂ内部とに形成する。シード層１２８は、シード層１２１ａ、１２１ｂと同じく、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。

次いで、伝送路形成工程の前工程であるレジスト形成工程として、図６（ｍ）に示すように、伝送路１２２となる部分以外のシード層１２８上にめっきによりレジスト１２９を形成する。レジスト１２９は、伝送路１２２となる部分およびＧＳＧパッド１２５、ＧＮＤパッド１２６、ＧＮＤビア１２７となる部分を除いた領域を覆うよう形成される。レジスト１２９の材料は、レジスト１１５と同等のものでよい。

次いで、伝送路形成工程として、図６（ｎ）に示すように、レジスト１２９を除くシード層１２８の表面に、銅めっきをおこない、伝送路１２２となる層を成長させる。同時に、銅めっきの厚みは、少なくともミリ波帯の高周波信号が流れるときに電流密度が高くなる表皮深さよりも厚いことが望ましい。６０ＧＨｚの高周波信号における表皮深さが２７０ｎｍなので、２μｍ程度とすれば十分である。

次いで、図６（ｐ）に示すように、レジスト１２９の剥離とシード層１２８のエッチングをおこなう。これによりマイクロストリップラインとなる伝送路１２２を形成される。

このような工程によって、ピン１２３を有するモード変換器１００をガラス基板１０１に形成することができる。

本実施形態においては、単一の部材からなるガラス基板１０１を用い、レーザー照射による改質でピン１２３となる改質部αの長さを設定できるので、ガラス基板１０１の厚み寸法以内であればどのような長さのピン１２３であっても形成することも可能である。したがって、従来のようにピンの長さが離散的とはならず、信号の反射が最小となるように最適なピン長を実現することが可能となる。すなわち、無線通信ＩＣから伝送路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を製造することができる。

また、インピーダンス整合の状況は、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となる微細孔αの径を調整できるので、ドリル加工やレーザー加工でしか微細孔の径を定義できない従来技術よりも高い調整能力を有する。

また、本発明のモード変換器１００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ビア−ビアの接続をおこなう従来技術とは異なり、単一のガラス基板１０１内に内在したピン１２３を形成できる。したがって、ピンの途中におけるランド構造が必要なく、ピン径が一定でないランド構造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。

本実施形態のモード変換器１００は、図２８に示した複数の基板の積層体ではなく、単一の基材から構成されるため、複数の基材を積層する時に懸念される、接着材による損失や、各層ごとの特性ばらつき、各層どうしの位置ズレ等の好ましくない状況を全て回避することが可能となる。

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とを同時並行に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。

また、外縁部１２３ｄの外径寸法（ランド１２３ｃの外径寸法）Ｈ３、ランド１２３ｃに接続される部分の導体１２２ａの外径寸法Ｈ２、および、ピン１２３の外径寸法Ｈ１が、Ｈ３＞Ｈ２＞Ｈ１となるように設定されることで、導体１２２ａが外縁部１２３ｄからはみ出してしまうことを防止することができる。
そして、後工程（レジスト形成や樹脂形成時）において、外縁部１２３ｄに対するアライメントがズレたときに、外径寸法Ｈ２が外径寸法Ｈ３、Ｈ１に対して大きい程、このズレによる断線を回避できる可能性が高まる。

本実施形態によれば、ガラス基板１０１を用いているので、エポキシ樹脂にガラスクロス（繊維）を含んだ従来の基板（ＦＲ４）に比べ、軽量で低損失なモード変換器を実現することができる。

上述した実施形態においては、図２に示すように、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、図８に示すように、角度θ０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、微細孔α内部における金属付着効果を向上させて、スパッタ法で形成されるシード層１２１ａ、めっき法による接地導体層１１１の形成を確実におこなうことができる。

さらに、図９に示すように、角度θ１を有するように先端部１２３ａが基端部１２３ｂに比べて拡径するようにすることができる。この場合、ピン１２３におけるミリ波信号の導入をスムーズにすることが可能となる。さらに、導波路への結合効率を高めることができるため、ミリ波信号の導入をスムーズにすることが可能となる。

さらに、図１０に示すように、角度θ３、角度θ４を有するように基端部から先端部１２３ａ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。この場合、微細孔αはガラス基板１０１の裏面１０１ｂに貫通するとともに、裏面の接地導体層１１２がピン１２３と離間するように導体層１１２には、開口１１２ａをもうけることができる。これにより、ピン１２３長さＨ４を長くする場合に対応するとともに、微細孔αがガラス基板１０１の裏面１０１ｂにも開口しているので、エッチング時間を短くすることができる。
また、角度θ３、角度θ４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。
なお、微細孔αの表面１０１ａ側または裏面１０１ｂ側を絶縁物１２３ｇで閉塞した構造とすることもできる。

さらに、図６に示すように、ピン１２３の先端部１２３ａが曲率をもった形状であってもよい。図６のような先端部１２３ａであれば、図２や図８、図９に描かれているような角部を備えていないので、ピン１２３と接地導体層１１２との間に生じる電界が角部に集中せず、ピン１２３と接地導体層１１２との間の電界状態を均質な状態とすることができる。

また、本実施形態においては、ピン１２３から延伸されてきた伝送線路１２２の終端はＧＳＧパッド１２５となり、ＧＮＤパッド１２６にＧＮＤビア１２７が隣接しているが、ＧＮＤビア１２７は、図３に示すように、ＧＮＤパッド１２６に対してＧＳＧパッド１２５の反対側でもよいが、図１１に示すように、ＧＮＤパッド１２６に対してピン１２３から延長した伝送路１２２をさらに延長した位置のＧＮＤビア１２７ａでも、ＧＮＤパッド１２６に対してピン１２３側位置のＧＮＤビア１２７ｂでもよい。また、ＧＮＤビア１２７は、ＧＮＤビア１２７ａ方向に任意の長さ分ずれた位置に配されていてもよいし、ＧＮＤビア１２７ｂ方向に任意の長さ分ずれた位置に配されていてもよい。なお、図１１では、ＧＮＤビアの位置を説明するために、ＧＮＤパッド１２６に対して異なる位置のＧＮＤビアを同時に記載した平面図である。

さらに、本実施形態においては、図１に示すように、反射部１１０を複数の導体柱１１４を有するものとしたが、図１２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、第一工程、第二工程において、連続した微細孔とすることもできる。
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、開口１０２の外側位置にガラス基板１０１がある構成としたが、図１２に示すように、ガラス基板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から構成される反射部１１０であるため、第一工程、第二工程において、ガラス基板１０１に長孔β１を形成した場合でも、ガラス基板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、図１３に示すように、多数の円柱を平面視において重なるように連続して形成することで長孔β１とすることもできる。

さらに、図１４に示すように、矩形の反射部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を形成して反射部１１０が離間した状態とすることができる。この場合、ピン周りの環境がポストではなく密閉空間となるので電磁波注入時のピン周りからの電磁波漏洩を阻止することができる。
また、図１５に示すように、矩形の反射部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１４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。
これらのように反射部１１０が離間してガラス基板がモード変換器１００となる反射部１１０内側と外側で連続した状態を形成することで、ガラス基板１０１が分離してしまうことがない。

また、図１６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。

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の径寸法をガラス基板１０１の表面１０１ａから裏面１０１ｂまで均一となるように設定したが、図１７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、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１２１ａ、銅めっきの導体柱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。

さらに、図１８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。

また、図１９に示すように、微細孔βおよび長孔β１の内部には導体が充填されておらず、中空状とされていてもよい。
また、この場合、スリット壁１４７の対向する内面の間に対応する部分だけに上下の接地導体層１１１、１１２を設けることができる。この場合、導体柱１４６の両端は確実に接地導体層１１１、１１２と接続されることが好ましい。

このように、反射部１１０において、複数の導体柱１１４から構成する反射部１１０を、スリット壁１４１、１４２、１４３、１４４、１４７を有する構造とすることで、大幅に電磁波の漏洩を抑えることが可能となり、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することができる。また、スリット壁を採用することにより、導体柱１１４だけ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と接地導体層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。

本実施形態のモード変換器１００は、図２０に示すように、ミリ波通信モジュール２００とすることができる。ミリ波通信モジュール２００は、モード変換器１００と、導波路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２００は、モード変換器１００の形成されたガラス基板１０１表面に、ＧＮＤとなる接地導体層１１１および絶縁部１２４上の伝送路１２２が設けられるとともに、これら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。ミリ波帯の高周波信号では、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接続が望ましい。

また、本実施形態のモード変換器１００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２１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２２は、ピンの長さと反射損との関係を示すシミュレーション結果である。図２２中の枠内において、Ｈに続く数字がピンの長さ（単位：μｍ）である。

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。ガラス基板の厚みは、８５０μｍに設定した。グラフより、想定される周波数において、信号を反射させないためには適切なピンの長さが存在することがわかる。例えば、信号伝送によく利用される６０ＧＨｚミリ波においては、ピンの長さが６９７．５μｍの場合に、反射が最も少ないことがわかる。なお、高周波回路設計においては、反射係数は−２０ｄＢ以下となることが望ましい。

図２３は、図２８に示す従来の積層構造タイプのモード変換器におけるシミュレーションモデルである。このタイプでは、ピン５２３を実現したプリント基板ポスト壁導波路（ＰＷＷ）５１０、５１０Ａ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５２４端のポート５２４ａ、ポート５２４ｂとなっており、ピン５２３を通じてマイクロストリップの伝送モード（準ＴＥＭモード）は導波路の伝送モードであるＴＥ_１０モードに変換される。ピン５２３中心間の距離は１０ｍｍと設定した。

図２４は、図２３に示す従来の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の距離の最適化を６０ＧＨｚで行なった。なお、ピン長は従来の基板積層構造によって実現できるある特定の値とした。一般的にマイクロ波回路では反射損が−２０ｄＢより低くなるように設計されることが望ましい。このグラフにおいて、Ｓ１１＜−２０ｄＢとなる周波数領域を帯域と定義する。
図２４に示す結果から、ピンと後方ポスト壁との距離の最適化を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−２０ｄＢを下回っていることが分かる。即ち帯域は１ＧＨｚ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、この従来の手法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、ピンの長さが従来技術では特定の値しか実現できないので、インピーダンス整合が十分に取れないという理由に起因すると考えられる。
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、この従来の手法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、ピンの長さが従来技術では特定の値しか実現できないので、インピーダンス整合が十分に取れないという理由に起因すると考えられる。

図２５は、従来技術ではピンの長さが自由に調整できないことから生じるインピーダンス不整合の問題を、導波管外部にインピーダンス整合素子を加え、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、帯域は前項の１ＧＨｚ程度から４ＧＨｚまで、大幅に広帯域化されていることが分かる。しかしながら、アプリケーションの帯域幅は７ＧＨｚであるため、まだ改善度合いは十分とは言い難い。

図２６は、本発明に係るモード変換器の製造方法によりピンを実現したガラスポスト壁導波路（ＰＷＷ）のシミュレーションモデルである。信号入出力ポートはマイクロストリップ線路端の１２５、１２５となっており、ピン１２３を通じてマイクロストリップの伝送モード（準ＴＥＭモード）は導波路の伝送モードであるＴＥ_１０モードに変換される。励振ビア中心間の距離は１０ｍｍと設定した。

図２７は、図２６の本発明に係るモード変換器の製造方法によりピンを実現したガラスポスト壁導波路（ＰＷＷ）のシミュレーション結果である。ピンと後方ポスト壁の距離の最適化を６０ＧＨｚで行なった。加えて、ピン長に関しても６０ＧＨｚで最適化を行なった。一般的にマイクロ波回路では反射損が−２０ｄＢより低くなるように設計されることが望ましい。このグラフにおいて、Ｓ１１＜−２０ｄＢとなる周波数領域を帯域と定義する。
図２７に示す結果から、ビアと後方ポスト壁の距離、同時にピン長の最適化を６０ＧＨｚで行なっているため、少なくともこの例では５５．５ＧＨｚ以上の１４ＧＨｚ以上にも渡る広い帯域が確保できていることが分かる。
これにより、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ということが分かる。

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・・・ガラス基板（基板、基材）、
１０１ａ・・・表面（一方の主面）、１０１ｂ・・・裏面（他方の主面）、
１０２・・・導波路、１１０・・・反射部、１１１、１１２・・・接地導体層、
１１４・・・導体柱、１１５・・・レジスト、１２０・・・モード変換器、
１２２・・・平面回路（伝送路）、１２３・・・ピン、１２４・・・絶縁部、
１２３ｃ・・・ランド、１２３ｄ・・・外縁部、１２３ｅ・・・円環部、
１２２ａ、１２２ｂ・・・導体、１２５・・・ＧＳＧパッド、１２６・・・ＧＮＤパッド、
１２７・・・GNDビア、１２９・・・レジスト。

Claims

単一の基板と、前記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、前記基板の一方の主面側に形成された高周波伝搬用の平面回路と、前記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の内部に設けられ、前記平面回路と接続されたピンと、を少なくとも備えたモード変換器の製造方法であって、
前記基板にレーザー光を照射することにより、前記基板の一方の主面から所望の深さまで改質部を形成する第一工程と、
前記改質部を除去することにより、微細孔を形成する第二工程と、
前記微細孔の内部に導電性物質を導入することにより、ピンを形成する第三工程と、を有することを特徴とするモード変換器の製造方法。
前記第三工程を行うと同時に、前記接地導体層を形成することを特徴とする請求項１に記載のモード変換器の製造方法。