JP6167006B2

JP6167006B2 - 導波路基板

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Publication number: JP6167006B2
Application number: JP2013213681A
Authority: JP
Inventors: 雄介上道
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: JP2015076836A

Description

本発明は、伝送線路とポスト壁導波路を備えた導波路基板に関する。

近年、ミリ波帯を利用した数Ｇｂｐｓ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、６０ＧＨｚ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、５９〜６６ＧＨｚの広い周波数帯域が、特定小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。

安価で小型のミリ波通信モジュールを実現する形態として、プリント基板による導波路として、ポスト壁導波路（Ｐｏｓｔ−ｗａｌｌＷａｖｅｇｕｉｄｅ、以下「ＰＷＷ」と略す）を利用したミリ波モジュールが開示されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。ＰＷＷは、従来の導波管の側壁（金属壁）を、プリント基板のスルーホール群（ポスト群）で置き換えたものと解釈できる。ＰＷＷの上に実装された無線通信ＩＣ（ＣＭＯＳ−ＩＣ）は、ワイヤボンドやバンプ接続などの方法で、平面回路による伝送線路（マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、ストリップ線路等）に接続されている。無線通信ＩＣから出力されたミリ波信号は、一旦、伝送線路を伝わり、平面回路・導波路変換構造（変換器）を経て、最終的には導波路構造部（ＰＷＷ）へと導かれる。

特開２０１１−１０９４３８号公報

Ｒ．Ｓｕｇａ，ｅｔａｌ．"Ｃｏｓｔ−Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ６０−ＧＨｚＡｎｔｅｎｎａ−ＰａｃｋａｇｅｗｉｔｈＥｎｄ−ＦｉｒｅＲａｄｉａｔｉｏｎｆｒｏｍＯｐｅｎ−ＥｎｄｅｄＰｏｓｔ−ＷａｌｌＷａｖｅｇｕｉｄｅｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＦｉｌｅ−ＴｒａｎｓｆｅｒＳｙｓｔｅｍ，" ２０１１ＩＥＥＥＭＴＴ−ＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｐｐ．３４８−３５１

このＰＷＷにおいては、構成材料に起因する伝送損失が発生する。損失は、大きく分けて導体損失と誘電体損失からなる。導体損失はＰＷＷ内部の電磁波の導波モードに起因し、その大きな割合を、上下の導波路広壁において発生するジュール損失が占める。また、ミリ波帯等の高周波数帯域においては、表皮効果が顕著になる。例えば導体の金属材料が銅（Ｃｕ）の場合、６０ＧＨｚでの表皮深さは２７０ｎｍとなり、導体のごく表層にしか電流が流れない。このため、導体表面が粗い場合、平坦な場合と比較して、導体損失が増加する。したがって、導波路においては、上下の導波路広壁と内部の誘電体材料の密着部は平坦であることが好ましい。

しかしながら、導波路広壁と誘電体材料の密着部が平坦であれば高周波特性は良好であるが、導波路広壁と誘電体材料の間の密着強度が失われる。密着強度の低下は、導波路を導波路外の構成部材又は装置と、ボンディングワイヤやバンプ等の接続手段で接続する際に、工法上、接続部の破壊を引き起こす等、結果に甚大なる悪影響を及ぼし、最悪の場合、導通機能の喪失という障害を及ぼす。導波路広壁と誘電体材料の密着部が平坦であれば密着強度が損なわれやすいという傾向は、誘電体材料の分子構造に起因し、例えば、液晶ポリマーや、テフロン（登録商標）等のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、フッ素樹脂）の誘電正接が小さく、高周波特性が良い材料で顕著である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ポスト壁導波路の伝送損失を悪化させることなく、ポスト壁導波路と外部装置との電気接続や信号伝送を可能とする導波路基板を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、伝送線路とポスト壁導波路を備えた導波路基板であって、前記ポスト壁導波路は、誘電体基板の対向する両面に形成された一対の接地導体層と、前記一対の接地導体層を接続するように前記誘電体基板を貫通するポストからなる一対のポスト壁とから構成され、前記伝送線路は、前記一対の接地導体層のいずれか一方との間に１又は２以上の誘電体層を介して、前記ポスト壁導波路の上に積層され、前記一対の接地導体層と前記誘電体基板との間における前記一対の接地導体層の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ０とし、前記１又は２以上の誘電体層のうち前記伝送線路に接する誘電体層と前記伝送線路との間における前記伝送線路の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ３とするとき、Ｒｚ３＞Ｒｚ０であることを特徴とする導波路基板を提供する。
この場合、前記Ｒｚ０は０．８μｍ以下であることが好ましい。

前記課題を解決するため、本発明は、伝送線路とポスト壁導波路を備えた導波路基板であって、前記ポスト壁導波路は、誘電体基板の対向する両面に形成された一対の接地導体層と、前記一対の接地導体層を接続するように前記誘電体基板を貫通するポストからなる一対のポスト壁とから構成され、前記伝送線路は、前記一対の接地導体層のいずれか一方との間に１又は２以上の誘電体層を介して、前記ポスト壁導波路の上に積層され、前記誘電体基板が液晶ポリマー又はフッ素系樹脂からなり、前記１又は２以上の誘電体層のうち前記伝送線路に接する誘電体層がポリイミド系樹脂からなることを特徴とする導波路基板を提供する。
この場合、前記一対の接地導体層と前記誘電体基板との間における前記一対の接地導体層の表面の十点平均粗さＲｚと、前記伝送線路に接する誘電体層と前記伝送線路との間における前記伝送線路の表面の十点平均粗さＲｚとが、いずれも０．８μｍ以下であることが好ましい。

前記導波路基板は、前記伝送線路から前記ポスト壁導波路へ高周波信号を注入するための高周波信号注入構造を備えてもよい。
前記高周波信号注入構造は、前記伝送線路から前記誘電体基板の内部に向けて形成されたピン構造を有してもよい。
前記高周波信号注入構造が、前記誘電体基板を貫通する貫通導体式の導波路励振構造であってもよい。
前記高周波信号注入構造の一部が、導電性粒子の集合体、導電性粒子の結集帯、又は微細孔を有する導電性粒子の焼結体からなるものでもよい。

前記導波路基板は前記伝送線路と外部装置との接続手段を備え、前記接続手段が金ワイヤ又は金リボンからなるものでもよい。
前記導波路基板は前記伝送線路と外部装置との接続手段を備え、前記接続手段がスタッドバンプからなるものでもよい。
前記スタッドバンプがＡｕスタッドバンプであり、前記Ａｕスタッドバンプと前記伝送線路との間にＡｕＳｎ材料を有することが好ましい。

本発明によれば、ポスト壁導波路の接地導体層と誘電体基板の間に比べて、伝送線路とこれに接する誘電体層の間の表面粗さが大きいので、あるいは、誘電体基板が液晶ポリマー又はフッ素系樹脂からなり、伝送線路に接する誘電体層がポリイミド系樹脂からなるので、ポスト壁導波路の伝送損失を悪化させることなく、伝送線路の密着強度の低下を抑制することができる。これにより、ポスト壁導波路と外部装置との電気接続や信号伝送が可能になる。

導波路基板の一例を示す斜視図である。（ａ）、（ｂ）は導波路基板の一例を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）はポスト壁導波路の製造工程の一例を示す断面図である。（ａ）〜（ｅ）は伝送線路の製造工程の一例を示す断面図である。平面回路・導波路変換構造の製造工程の一例を示す断面図である。平面回路・導波路変換構造の別の一例を示す断面図である。図６の平面回路・導波路変換構造の斜視図である。半導体素子との接続手段の一例を示す断面図である。半導体素子との接続手段の別の一例を示す断面図である。導体層の表面粗さと伝送線路の減衰定数αとの関係の一例を示すグラフである。導体層の表面粗さとポスト壁導波路の伝送損失との関係の一例を示すグラフである。

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。
図１及び図２に、導波路基板の一例を示す。この導波路基板１０は、ポスト壁導波路１４の上に伝送線路２０を備えた構造を有する。ポスト壁導波路１４は、誘電体基板１１の対向する両面に一対の接地導体層１２，１３が形成され、一対の接地導体層１２，１３を接続するように誘電体基板１１を貫通する多数のポスト１５，１５，・・から一対のポスト壁１８，１８が構成された構造を有する。一対の接地導体層１２，１３及び一対のポスト壁１８，１８がそれぞれ導波管の広壁と狭壁として機能する。

伝送線路２０は、一方の接地導体層１３との間に絶縁層２２を介して、ポスト壁導波路１４の上に積層されている。図２（ａ）の場合、絶縁層２２は伝送線路２０の反対側の面に接着層２３を有する。この接着層２３を介して絶縁層２２と接地導体層１３との密着強度が確保される。なお、ポスト壁１８のポスト１５と伝送線路２０は、図１に示すように同一面上に存在しないが、図２（ａ）では便宜上、同じ断面図に示している。

このような導波路基板１０は、少なくとも３つの導体層（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）を含む。第１の導体層（Ｌ１）及び第２の導体層（Ｌ２）は、導波管の広壁にあたる接地導体層１２，１３であり、第３の導体層（Ｌ３）は、伝送線路２０を含む導体層２１である。また、導波路基板１０は、図２に示すように、少なくとも３つの誘電体層（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）を含む。第１の誘電体層（Ｄ１）は、ポスト壁導波路１４を構成する誘電体基板１１である。第２の誘電体層（Ｄ２）は、伝送線路２０とポスト壁導波路１４を接着させる機能を有する接着層２３である。第３の誘電体層（Ｄ３）は、伝送線路２０に接する絶縁層２２である。

平面回路からなる伝送線路２０は、ＴＥＭモード（電界と磁界の振動方向が互いに垂直であり、かついずれの振動方向も伝搬方向に垂直であるモード）により信号を伝搬するＴＥＭ線路である。これに対して、ポスト壁導波路１４は、ＴＥモード（電界のみが断面方向に振動し、磁界は伝送方向に成分をもつモード）により信号を伝搬する。伝送線路２０は、例えばマイクロストリップ線路、コプレーナ線路、ストリップ線路等から構成することができる。

（本発明の第１の態様）
表面粗さに関しては、ポスト壁導波路１４中のＴＥモードでは、上下の接地導体層１２，１３の表面粗さによる高周波特性への影響（導体損失の増大）が大きい。このため、接地導体層１２，１３と誘電体基板１１との間における導体層の表面粗さをなるべく小さくすることが好ましい。また、伝送線路２０に接する誘電体層（絶縁層）２２と伝送線路２０との間における導体層の表面粗さは、高周波特性への影響（伝送線路における導体損失の増大）があるものの、密着性を確保するため、表面粗さを大きくすることが好ましい。

参考として、図１０に、伝送線路（マイクロストリップ線路）を構成する導体層（銅箔）の表面粗さＲｚが０．８μｍ（鎖線）、１．３μｍ（破線）、又は２．０μｍ（実線）である、それぞれの場合の伝送線路の減衰定数α（ｄＢ／ｍｍ）の一例を示す。このグラフに示すように、Ｒｚが０．８μｍ以上の場合、Ｒｚが大きいほどαが大きくなる傾向があり、伝送線路の伝送損失に明確な差があることが分かる。
また、図１１に、ポスト壁導波路の接地導体層（銅箔）の表面粗さＲｚが０．５μｍ（破線）又は０．８μｍ（実線）であるそれぞれの場合のポスト壁導波路の伝送損失（ｄＢ）の一例を示す。このグラフに示すように、Ｒｚが０．５μｍの場合と０．８μｍの場合とで、ポスト壁導波路の伝送損失に明確な差がないことが分かる。

そこで、本発明の第１の態様においては、伝送線路２０に接する絶縁層２２と伝送線路２０との間における伝送線路２０の表面粗さＲ３を、接地導体層１２，１３と誘電体基板１１との間における接地導体層１２，１３の表面粗さＲ０より大きくする（Ｒ３＞Ｒ０）。例えば、表面粗さを十点平均粗さＲｚの指標で表すとすれば、接地導体層１２，１３と誘電体基板１１との間における接地導体層１２，１３の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ０とし、伝送線路２０に接する誘電体層（絶縁層）２２と伝送線路２０との間における伝送線路２０の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ３とするとき、Ｒｚ３＞Ｒｚ０とする。Ｒｚ０が０．８μｍ以下であることが好ましい。また、Ｒｚ３は０．８μｍより大きいこと（Ｒｚ３＞０．８μｍ）が好ましい。Ｒｚ０の範囲（数値）は、例えば、０．８μｍに限らず、０．５μｍでもよい。Ｒｚ３の範囲（数値）は、例えば、１．３μｍや２．０μｍが挙げられる。

接地導体層１２と誘電体基板１１との間における接地導体層１２の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ１、接地導体層１３と誘電体基板１１との間における接地導体層１３の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ２とするとき、これらがいずれもＲｚ３より小さければ、Ｒｚ１＞Ｒｚ２でもよく、Ｒｚ１＝Ｒｚ２でもよく、Ｒｚ１＜Ｒｚ２でもよい。すなわち、Ｒｚ３＞Ｒｚ１＝Ｒｚ２でもよく、Ｒｚ３＞Ｒｚ１＞Ｒｚ２でもよく、Ｒｚ３＞Ｒｚ２＞Ｒｚ１でもよい。

なお、「接地導体層と誘電体基板との間における接地導体層の表面粗さ（十点平均粗さ）」とは、接地導体層が誘電体基板に積層される側における、接地導体層を構成する導体層（銅箔など）の表面粗さ（十点平均粗さ）である。また、「伝送線路に接する誘電体層と伝送線路との間における伝送線路の表面粗さ（十点平均粗さ）」とは、伝送線路が誘電体層に積層される側における、伝送線路を構成する導体層（銅箔など）の表面粗さ（十点平均粗さ）である。導体層の表面粗さは、導体層を誘電体基板や誘電体層に積層した後でも、通常の積層方向では変化はないと見てよい。積層後に導体層の表面粗さ（十点平均粗さ）を確認する場合、例えば、導波路基板を切断して、その断面を撮影し、断面における導体層の表面形状を観察する方法により、表面粗さを測定することができる。

第１の態様では、導波路の伝送損失を少なくするため、平坦な表面が求められるＬ１及びＬ２に導波路外部への接続機能を持たせるのではなく、その上部に設けたＬ３に導波路外部への接続機能を持たせている。すなわち、導波路の損失に影響するＬ１−Ｄ１間及びＤ１−Ｌ２間では導体表面に比較的大きな表面粗さを付与せず、代わりに、Ｌ３−Ｄ３間で導体表面に比較的大きな表面粗さを付与することで、導波路の損失を悪化させることなく、かつ、外部との接続あるいは信号伝送機能を両立させることができる。ただし、Ｌ３−Ｄ３間の導体表面には大きな表面粗さを付与しているので、これに起因したＴＥＭ線路の損失悪化をなるべく避けるために、伝送線路２０の長さ（図２（ａ）におけるＬ）を短くとることが好ましい。

第１の態様の場合、誘電体基板１１と絶縁層２２の材料は同一でもよい。高周波特性が良い（誘電正接が小さい）材料として、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、あるいはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂）を用いることが好ましい。

（本発明の第２の態様）
誘電体材料については、ポスト壁導波路１４中のＴＥモードでは、誘電体基板１１の高周波特性（誘電正接など）による高周波特性への影響（誘電体損失の増大）が大きい。このため、誘電体基板１１を構成する誘電体材料として、高周波特性が良い（誘電正接が小さい）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、あるいはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂）を用いることが好ましい。また、伝送線路２０に接する誘電体層（絶縁層）２２を構成する誘電体材料として、伝送線路２０を構成する金属などの導体材料との密着性に優れたポリイミド系樹脂を用いることが好ましい。

この場合、導体層と誘電体層の間における導体層の表面粗さは、上述した導体損失の観点から、なるべく小さいことが好ましい。例えば、表面粗さを十点平均粗さＲｚの指標で表すとすれば、接地導体層１２，１３と誘電体基板１１との間における接地導体層１２，１３の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ０とするとき、Ｒｚ０が０．８μｍ以下であることが好ましい。また、伝送線路２０に接する誘電体層（絶縁層）２２と伝送線路２０との間における伝送線路２０の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ３とするとき、Ｒｚ３が０．８μｍ以下であることが好ましい。Ｒｚ０及びＲｚ３の範囲（数値）は、例えば、０．８μｍに限らず、０．５μｍでもよい。なお、本態様における表面粗さ（十点平均粗さ）の定義は、第１の態様と同様である。

第２の態様では、導波路の伝送損失を少なくするため、平坦な表面が求められるＬ１及びＬ２に導波路外部への接続機能を持たせるのではなく、その上部に設けたＬ３に導波路外部への接続機能を持たせている。また、Ｄ３の誘電体材料として、導体層との密着性に優れたポリイミド系樹脂を用いることで、導波路の損失を悪化させることなく、かつ、外部との接続あるいは信号伝送機能を両立させることができる。ただし、Ｌ３が接するＤ３には、導波路を構成するＤ１の誘電体材料よりも誘電正接が比較的大きな材料を用いているので、これに起因したＴＥＭ線路の損失悪化をなるべく避けるために、伝送線路２０の長さ（図２（ａ）におけるＬ）を短くとることが好ましい。

（導波路基板の構成例）
伝送線路２０とポスト壁導波路１４との間は、高周波信号注入構造とするための平面回路・導波路変換構造（変換器）により接続されている。図１及び図２の変換器は、伝送線路２０から誘電体基板１１の内部に向けて挿入されたピン構造の変換器５０である。この変換器５０は、図１〜図５では、誘電体基板１１に形成されている下部導体１６と、絶縁層２２に形成されている上部導体２４の組み合わせにより構成されている。接地導体層１３と下部導体１６（図２（ａ）では下部導体１６の周囲のランド１７）との間には間隙１７ａが設けられ、下部導体１６と接地導体層１２との間は誘電体（図２（ａ）では接着層２３の一部）で絶縁される。

図１では、伝送線路２０を含む絶縁層２２上の導体層２１（以下「上部導体層」という。）は、ＧＳＧ（接地−信号−接地）構造のＧＳＧパッド２８、ＧＳＧパッド２８の信号パッド２５を下部導体１６のパッド２１ａと接続する信号伝送路２１ｂ、トリミング可能な開放スタブ２１ｃ等を含む。ＧＳＧパッド２８の接地パッド２６は、図２（ｂ）に示すように、絶縁層２２及び接着層２３を貫通する接地ビア２７により、接地導体層１３と接続されている。接地導体層１２，１３は、図示しないが、接地（グランド）電位となるように外部に接続されている。上部導体層２１による平面回路には、インピーダンス整合素子等を備えていてもよい。例えば、信号伝送路２１ｂの幅寸法及び長さ寸法、開放スタブ２１ｃの幅寸法及び長さ（張り出し）寸法、開放スタブ２１ｃにおける接地パッド２６との離間形状等を調整することで位相回転量、インダクタンス成分、または、容量成分の大きさを制御し、インピーダンスの整合を図ることができる。

伝送線路２０からポスト壁導波路１４へ高周波信号を注入するための高周波信号注入構造（変換器）のピン構造は、誘電体基板１１に形成される下部導体１６と、接地導体層１３上の誘電体層（絶縁層２２及び接着層２３）を貫通する上部導体２４の二体から構成してもよい。ピンが１種類の導体で形成されてもよく、２種類以上の導体を積層した構成でもよい。ピンの内部は空洞でもよく、導体が充填されてもよく、誘電体が充填されてもよい。ピンの先端形状は丸みを帯びた形状でも尖った形状でもよい。

ピン構造の変換器の場合、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することができる。下部導体１６は銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の導体から形成することができる。下部導体１６と誘電体基板の密着性を高めるため、間に密着層（図示せず）としてチタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）等の膜を設けることが好ましい。密着層は、下部導体１６と誘電体基板１１との密着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の膜が３００ｎｍ以上である場合には、ＴｉまたはＣｒの膜は４０ｎｍ程度であることが望ましい。

ポスト壁導波路１４は、ポスト壁１８に直交するショート壁１９を有する。ショート壁は、接地導体層１２，１３を接続するように誘電体基板１１を貫通する１又は２以上のポスト１５から構成されている。変換器５０から誘電体基板１１に放射された信号は、ポスト壁導波路１４中で、ショート壁１９から離れる方向に伝送される。

各ポスト１５は、誘電体基板１１に形成した貫通孔の内面に導体を積層したり、貫通孔に導体を充填したりして柱状の導体となるように形成される。貫通孔の断面形状は円形に限らず、四角形、多角形、その他の形状であってもよい。隣接するポスト１５の配列や間隔は、高周波信号がポスト壁導波路１４の外部に漏洩しないように設定される。例えば、隣接するポスト１５，１５間の中心間距離をポスト１５の直径の２倍以下とすることが挙げられる。

図１及び図２に示す導波路基板１０の製造方法について、図３〜５を用いて説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、ポスト壁導波路１４の製造工程における基板の要部を、製造工程の順に、段階的に示した断面図である。図４（ａ）〜（ｅ）は、伝送線路２０の製造工程における基板の要部を、製造工程の順に、段階的に示した断面図である。図５は、図３（ｄ）のポスト壁導波路１４と図４（ｅ）の伝送線路２０を組み合わせる段階を示した断面図である。なお、図３及び図５では、図２（ａ）と同様に、ポスト１５と伝送線路２０を同じ断面図に示している。

ポスト壁導波路１４の製造工程においては、まず、準備工程として、図３（ａ）に示すように、基材として誘電体基板１１の両面に導体層１２，１３を有する積層基板を用意する。製造工程中の導体層１２，１３は、接地されていなくてもよい。例えば、積層基板としては厚さ１００〜５００μｍ程度のフレキシブル基板が挙げられる。導体層１２，１３は例えば銅箔などの銅箔膜が好ましい。導体層１２，１３の厚さ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。周波数６０ＧＨｚでは、信号電流の表皮深さが２７０ｎｍなので、厚さを２μｍ程度とすれば十分である。

次いで、図３（ｂ）に示すように、孔あけ工程として、図３（ａ）の積層基板にレーザーアブレーションやドリル等の加工手段により、貫通孔１５ａ及び有底穴１６ａの凹部形状を形成する。これらの凹部形状は、図３（ｃ）のポスト１５及び下部導体１６に対応するように形成される。貫通孔１５ａは、ポスト１５の位置に対応して、誘電体基板１１を貫通するように形成される。有底穴１６ａは、下部導体１６の長さに対応する所望の深さ、かつ、径寸法に対応する太さで形成される。

積層基板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ことができる。貫通孔１５ａや有底穴１６ａの径は、特に限定されないが、例えば１０〜３００μｍ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、ポスト壁導波路１４の厚さを薄くするほど、つまり、誘電体基板１１を薄くするほど、下部導体１６の長さ（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、誘電体基板の厚さが３００μｍ以下の場合、ピン長さを１０μｍレベルで制御することが望ましい。

次いで、図３（ｃ）に示すように、ポスト１５及び下部導体１６を構成する導体層を、貫通孔１５ａ及び有底穴１６ａの内部に形成する。導体層は、例えばＣｒ／Ｃｕ，Ｔｉ／Ｃｕ等のシード層の上に、Ｃｕ等のメッキ層を形成した積層構造が好ましい。シード層の厚さは例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍであり、スパッタリングで形成することができる。メッキ層の厚さ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。周波数６０ＧＨｚでは、信号電流の表皮深さが２７０ｎｍなので、２μｍ程度の厚さとすれば十分である。このとき、シード層やメッキ層等の導体層が、誘電体基板１１の表裏面の導体層１２，１３上に同時に形成されてもよい。

次いで、図３（ｄ）に示すように、下部導体１６の周囲の間隙１７ａに対応する領域をエッチングにより除去し、ランド１７を形成する。この際、間隙１７ａとなる位置に開口を有するレジストを形成してエッチングすることで、間隙１７ａとなる位置の導体層１３を選択的に除去することができる。銅箔をエッチングする場合、塩化第二鉄液や塩化第二銅液等の酸溶液を用いたウェットエッチングを利用することができる。

下部導体１６の形成後、下部導体１６を有する有底穴１６ａの内部に、ペースト状の導電性材料（導電性ペースト）をスクリーン印刷等の手段で充填してもよい。この場合、まず、基板の全表面にシート状のカバーを貼付し、有底穴１６ａに対応する部分のみ除去して貫通孔を形成する。この状態で、基板全面に導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布すると、カバーの貫通孔を通して有底穴１６ａにペーストを充填することができる。その後、シートを除去して、下部導体１６の内部のみにペーストを充填した状態とすることができる。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を用いることができる。カバーに貫通孔を形成する方法としては、誘電体基板１１と導体層１２，１３の積層基板に貫通孔１５ａを形成するときと同様に、エネルギーを調整したレーザー加工等を用いることができる。

伝送線路２０の製造工程においては、まず、準備工程として、図４（ａ）に示すように、基材として絶縁層２２の片面に導体層２１を有する積層基板を用意する。導体層２１は例えば銅箔などの銅箔膜が好ましい。導体層２１の厚さ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。周波数６０ＧＨｚでは、信号電流の表皮深さが２７０ｎｍなので、厚さを２μｍ程度とすれば十分である。

次いで、図４（ｂ）に示すように、導体層２１をエッチングして、図１のパッド２１ａ、信号伝送路２１ｂ、開放スタブ２１ｃ、信号パッド２５、接地パッド２６などの平面回路を形成する。この際、平面回路の形状にパターニングしたレジストを形成し、これ以外の導体層２１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ことができる。その後、レジストをレジスト剥離液により除去する。さらに、ＣＦ_４ガスやＯ_２ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを実施することもできる。この際、上述したように、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ことができる。図４においては、平面回路として、パッド２１ａと信号伝送路２１ｂのみが示されている。

次いで、図４（ｃ）に示すように、絶縁層２２の裏面全体に、接着層２３を形成する。接着層２３としては、エポキシ系やアクリル系の接着剤、あるいは液晶ポリマー（ＬＣＰ）による接着層が用いられる。接着層２３は、高周波特性が劣る材料を用いる場合もあるので、接着層２３の厚さを絶縁層２２の厚さより薄くすることが好ましい。接着層２３より絶縁層２２を厚くすることで、損失の低減を図ることができる。

次いで、図４（ｄ）に示すように、誘電体層（絶縁層２２と接着層２３）に、レーザーアブレーション等の加工手段により、開口部２４ａを形成する。開口部２４ａは、図２の上部導体２４や接地ビア２７に対応する位置に設けられる。開口部２４ａは、絶縁層２２の上では、信号伝送路２１ｂのパッド２１ａや接地パッド２６といった平面回路に電気的に接続するように、絶縁層２２と接着層２３を貫通して形成される。レーザーの照射条件を調節することで、導体層２１を貫通せず、絶縁層２２と接着層２３を貫通する開口部２４ａを形成することができる。図４（ｄ）においては、パッド２１ａの下の開口部２４ａのみが示されている。

次いで、図４（ｅ）に示すように、充填工程として、ペースト状の導電性材料（導電性ペースト）をスクリーン印刷等の手段で開口部２４ａに充填してもよい。この際、接着層２３の面全体に導電性ペーストを塗布した後に、スキージ等で押圧することで、開口部２４ａに上部導体２４となる導電性ペーストを充填することができる。導電性ペーストは、開口部２４ａの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、開口部２４ａの内部に完全に充填されていることが望ましい。

図３（ｄ）のポスト壁導波路１４と図４（ｅ）の伝送線路２０を組み合わせるには、図５に示すように、下部導体１６と上部導体２４の位置や他の位置を合わせて貼り合わせ、加熱加圧処理することで、接着層２３により接着することができる。加熱加圧処理は、接着層２３がポスト壁導波路１４の導体層１３に接着されるとともに、下部導体１６と上部導体２４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。上述したように、下部導体１６の内部にも導電性ペーストを充填しておくと、接続が確実になり好ましい。

導電性ペーストは、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）等の導電性粒子（導体粒子）を含み、これ以外にフィラーやバインダーとして樹脂やフラックス等を含むことができる。印刷法を用いて導電性ペーストを微細な凹部に充填する場合、高アスペクト比の凹部に導体を形成することが容易になる。これにより、導波路基板を小型化・薄型化するため、変換器のピン構造を小さく形成する場合であっても、所望の長さのピンを安定的に形成することができる。このようにして製造された変換器（高周波信号注入構造）は、その一部に、導電性粒子の集合体、導電性粒子の結集帯、又は微細孔を有する導電性粒子の焼結体を含むものとなる。

高周波信号注入構造は、誘電体基板を貫通しないピン構造に限らず、誘電体基板を貫通する貫通導体式の導波路励振手段であってもよい。図６及び図７に、貫通導体式の導波路励振手段の一例を示す。この貫通導体式の変換器６０では、下部導体１６が誘電体基板１１を貫通し、両端のランド１７，１７は、それぞれ間隙１７ａ，１７ｂにより接地導体層１２，１３から分離されている。貫通導体式の変換器の製造は図３〜５に示す製造方法と同様に製造可能である。主な変更点としては、図３（ｂ）の工程では有底穴１６ａが接地導体層１２に到達するまで形成し、図３（ｄ）の工程では接地導体層１２，１３のそれぞれに、図６に示すように間隙１７ａ，１７ｂを形成する、等が挙げられる。

貫通導体式の変換器の利点としては、例えば誘電体基板１１の厚さが比較的薄い（例えば３００μｍ未満）の場合や、５０Ωのインピーダンス整合を実現したい場合に、伝送線路２０の長さ（図２（ａ）のＬ）を短くでき、ＴＥＭ線路部における損失を低減できることが挙げられる。

（外部装置との接続）
ポスト壁導波路を備えた導波路基板の上には、伝送線路と外部装置との接続手段を備えることができる。外部装置としては、集積回路（ＩＣ）等の半導体装置が挙げられる。
図８の構成では、導波路基板１０の上に半導体装置３０が配置されている。伝送線路２０と半導体装置３０との間は、バンプ３１により電気的に接続されている。半導体装置３０から出力された高周波信号は、伝送線路２０と変換器５０を経てポスト壁導波路１４の信号に変換され、ポスト壁導波路１４におけるショート壁１９とは反対側の端部に出口１４ａから高周波信号Ｗが外部に放射される。この例の半導体装置３０は、導波路基板１０においてポスト壁導波路１４とは異なる位置に配置されている。

導波路基板１０は、直流（ＤＣ）回路３２を含み、直流回路３２と半導体装置３０との間は、別のバンプ３１により電気的に接続されている。直流回路３２はスルーホール３３を経て導波路基板１０の裏面に達している。母基板４０上に形成された回路と導波路基板１０の裏面における直流回路３２との間は、バンプ４２によりバンプ３１により電気的に接続されている。母基板４０上に導波路基板１０を固定するためのバンプ４２や、導波路基板１０の上に半導体装置３０を固定するためのバンプ３１は、回路や伝送路において電気的接続が必要な箇所に限らず、所望の数及び配置を設けることができる。

バンプとしては、微細化が可能であることからスタッドバンプ、メッキバンプ、半田（ソルダー）バンプ等が挙げられる。スタッドバンプはワイヤの先端を溶融して形成したボールを切断してバンプとするものであり、ワイヤボンディングと同様の装置が利用可能である。スタッドバンプとしてはＡｕスタッドバンプが好適であり、Ａｕスタッドバンプと前記伝送線路との間にＡｕＳｎ材料を有することが好ましい。Ａｕスタッドバンプは、細径のＡｕワイヤから形成でき、微細化が可能である。金錫合金（ＡｕＳｎ）は、鉛フリーで比較的低融点のための、接合材料として好適である。

図９は、図８とは異なる例を示す。この構成では、導波路基板１０に設けられた凹部に半導体装置３０が配置され、半導体装置３０と伝送線路２０及び直流回路３２との接続は、図８のバンプ３１に代えて、ワイヤ３４やリボンが用いられている。これらの接続手段としては、金ワイヤ又は金リボンが好ましい。金（Ａｕ）は導電性、耐食性、信頼性が良好であり、空気中でも酸化せずに接続作業が可能であるので、作業性に優れる。

接続手段は、表面実装によるバンプ３１やワイヤ３４等に限らず、スルーホール実装によるピン端子などが挙げられる。表面実装の場合、導波路基板１０の片側に半導体装置３０を実装することが可能である。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
高周波信号としては、ミリ波が挙げられるが、導波管構造による伝搬が可能であれば、テラヘルツ波（サブミリ波）等の更に高い周波数を有する信号でもよい。

１０…導波路基板、１１…誘電体基板、１２，１３…接地導体層、１４…ポスト壁導波路、１５…ポスト、１６…下部導体、１８…ポスト壁、２０…伝送線路、２１…導体層、２２…絶縁層（誘電体層）、２３…接着層（誘電体層）、２４…上部導体、３０…半導体装置、３１…バンプ、３４…ワイヤ、５０，６０…変換器。

Claims

伝送線路とポスト壁導波路を備えた導波路基板であって、
前記ポスト壁導波路は、誘電体基板の対向する両面に形成された一対の接地導体層と、前記一対の接地導体層を接続するように前記誘電体基板を貫通するポストからなる一対のポスト壁とから構成され、
前記伝送線路は、前記一対の接地導体層のいずれか一方との間に１又は２以上の誘電体層を介して、前記ポスト壁導波路の上に積層され、
前記一対の接地導体層と前記誘電体基板との間における前記一対の接地導体層の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ０とし、前記１又は２以上の誘電体層のうち前記伝送線路に接する誘電体層と前記伝送線路との間における前記伝送線路の表面の十点平均粗さＲｚをＲｚ３とするとき、Ｒｚ３＞Ｒｚ０であることを特徴とする導波路基板。
前記Ｒｚ０は０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の導波路基板。
伝送線路とポスト壁導波路を備えた導波路基板であって、
前記ポスト壁導波路は、誘電体基板の対向する両面に形成された一対の接地導体層と、前記一対の接地導体層を接続するように前記誘電体基板を貫通するポストからなる一対のポスト壁とから構成され、
前記伝送線路は、前記一対の接地導体層のいずれか一方との間に１又は２以上の誘電体層を介して、前記ポスト壁導波路の上に積層され、
前記誘電体基板が液晶ポリマー又はフッ素系樹脂からなり、前記１又は２以上の誘電体層のうち前記伝送線路に接する誘電体層がポリイミド系樹脂からなることを特徴とする導波路基板。
前記一対の接地導体層と前記誘電体基板との間における前記一対の接地導体層の表面の十点平均粗さＲｚと、前記伝送線路に接する誘電体層と前記伝送線路との間における前記伝送線路の表面の十点平均粗さＲｚとが、いずれも０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の導波路基板。
前記導波路基板は、前記伝送線路から前記ポスト壁導波路へ高周波信号を注入するための高周波信号注入構造を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の導波路基板。
前記高周波信号注入構造が、前記誘電体基板を貫通する貫通導体式の導波路励振構造であることを特徴とする、請求項５に記載の導波路基板。
前記高周波信号注入構造の一部が、導電性粒子の集合体、導電性粒子の結集帯、又は微細孔を有する導電性粒子の焼結体からなることを特徴とする請求項５又は６に記載の導波路基板。
前記導波路基板は前記伝送線路と外部装置との接続手段を備え、前記接続手段が金ワイヤ又は金リボンからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の導波路基板。
前記導波路基板は前記伝送線路と外部装置との接続手段を備え、前記接続手段がスタッドバンプからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の導波路基板。
前記スタッドバンプがＡｕスタッドバンプであり、前記Ａｕスタッドバンプと前記伝送線路との間にＡｕＳｎ材料を有することを特徴とする請求項９に記載の導波路基板。