JP6407701B2 - 高周波相互接続素子 - Google Patents

Description

本発明は、高周波装置における能動または受動部品の相互接続の分野に関する。より具体的には、Ｑ／Ｖ帯域における用途のＭＭＩＣチップの相互接続に関する。

マイクロ波スペクトルは一般に、０．３〜１０００ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲の周波数に対して定義されている。１〜１００ＧＨｚで使用される周波数に対して高周波という用語が一般に用いられる。高周波範囲は、関連付けられた各種の技術的用途に応じて複数の帯域に分割されている。これらの帯域は、周波数範囲がほぼ３０〜５０ＧＨｚであるＱ帯域、および周波数範囲が５０〜７５ＧＨｚであるＶ帯域を含んでいる。

ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）チップの名称でも知られる高周波モノリシック集積回路は、マイクロ波分野で用途がある電気回路に用いられる部品である。これらの部品は例えば、通信および航法システムで用いられる。

各ＭＭＩＣチップは、例えばアンプ回路、ミキサーまたは発振器等の複数の回路を含んでいてよい。１個のＭＭＩＣチップは、高周波信号と低周波信号の間にインターフェースを提供すべく、上面の縁の周囲に接触パッドを含んでいる。

ＭＭＩＣチップは一般に、ＭＭＩＣチップとの相互接続を確実にすべく金属化された部分を含む、基板とも呼ばれる支持面上に搭載されている。ＭＭＩＣチップの表面上の接触パッドと基板の相互接続用の金属化された部分との間の相互接続は一般に、配線またはマイクロストリップにより実現される。

高周波数において、ＭＭＩＣチップとの接続は一般に、金の導線または細片によりなされる。本発明がＭＭＩＣチップだけでなく、より一般にマイクロエレクトロニクス複合技術に見られる能動および／または受動部品（例えば平面フィルタ、各種遷移部）にも応用できる点に留意されたい。導波管は、電磁波（高周波信号）の伝播させる中空の機械部分であり、平面素子とは異なり歪みが極めて少なく、特に平面素子に素子が配線されている場合、顕著な不連続性を有するため電磁波の伝搬が大幅に劣化する点が更に悪い。これらの導波管の主な短所は、一般に平面技術を利用して作られる部品（能動または受動）との互換性である。

高周波用途において、必要な情報の伝送を可能にするため高い相互接続密度が求められる。更に、伝送路の品質を維持するために、すなわち伝送路のインピーダンスを確実に保持して無用な反射の原因となる不連続性が生じないようにすると共に信号の歪みを最小限に抑えるべく比較的長さが短い接続によりチップ同士を相互接続しなければならない。

特にＱおよびＶ帯域における周波数を増大させるには、一般に実装が高価且つ困難な調整を制限すべく相互接続技術において相当の努力を払わねばならない。更に、高周波機能の集積には異種技術の利用すなわち高さが異なる部品を集積する必要があるが、結果的に高さの段差が生じ、不都合なことに往々にして周波数の増大の妨げとなる。より厳密には、従来の平坦な部品同士の相互接続では、周波数が低い場合にのみ波長に対して相応の電気路（例えば最大１ミリメートル）を生成することができる。

いくつかの相互接続技術が知られている。特に２個の部品を配線により接続可能にする有線技術が挙げられるが、結果的に帯域幅が大幅に制限される。また、いわゆる「インターポーザー」技術を用いることも可能であるが、同技術による相互接続は信頼性が余り高くない。接触面が向き合うようにチップを反転させる「フリップチップ」技術も挙げられる。フリップチップ技術は解決が困難な技術面および量産面での問題を孕んでいる。特に、電磁気環境の制御に問題があり、空間制御および熱管理が困難である。更に、フリップチップ技術は、部品間での高さの大きい段差（典型的に１００μｍ超）の補償を考慮していない。

本発明は、５００マイクロメートルを超える広帯域相互接続を可能にすると共に相互接続を熱膨張に影響され難くし、且つ様々な高さの段差に対応する、すなわち適合可能な適応できる高周波相互接続素子を提案することにより、ＱおよびＶ帯域等の高い周波数範囲で利用可能な高周波装置における有線相互接続の重要性を下げることを目的とする。

上述の目的のため、本発明の主題は、２個の部品間の高周波相互接続素子であり、各部品がほぼ平坦な上面および当該上面に配置された信号線を含み、部品の上面を含む平面が互いにほぼ平行であって高さの段差として知られる距離だけ離されており、当該高周波相互接続素子が、
・下面と、第１の軸および第１の軸に垂直な第２の軸により画定されるほぼ平坦な上面とを含む基板と、
・基板の下面に配置された信号線が上面の平面に突出することにより第１の軸を形成する信号線と、
・当該素子の信号線を各部品の信号線に電気的に接続させることが可能な少なくとも２個の接触パッドとを含み、
基板の上面が、第２の軸に沿って波形をなしており、第１の軸に沿って基板に柔軟性を与えることができることを特徴とする。

例示的な実施形態の詳細説明および添付図面の説明を精査することにより本発明に対する理解が深まり、他の利点も明らかになろう。

従来技術の配線による２個の部品の相互接続を模式的に示す。 従来技術の配線による２個の部品の相互接続を模式的に示す。 本発明による高周波相互接続素子の第１の変型例を模式的に示す。 本発明による高周波相互接続素子の第２の変型例を模式的に示す。 本発明による高周波相互接続素子の第３の変型例を模式的に示す。 本発明による高周波相互接続素子の第４の変型例を模式的に示す。 本発明による高周波相互接続素子の第５の変型例を模式的に示す。 基板の製造方法のステップを模式的に示す。

明快さを旨として、異なる図面において同一要素は同一参照番号を付されている。

図１ａ、１ｂに、従来技術の配線による２個の部品１０、２０の相互接続を模式的に示す。図１ａは、部品および接続の上面図である。図１ｂは、部品および接続の正面図である。部品１０は、信号線１１が配置された上面１２と、信号線１１の両側に２個の接地面１３、１４とを含んでいる。同様に、部品２０は、信号線２１が配置された上面２２と、信号線２１の両側に２個の接地面２３、２４とを含んでいる。信号線１１、２１は例えば、いわゆるマイクロストリップ線であってよい。部品１０、２０の相互接続は配線によりなされている。換言すれば、ケーブル３０は、信号線１１、２１を接続することにより２個の部品１０、２０を相互接続する。図１ｂに強調表示しているように、部品１０と２０の高さは等しくなく、部品同士の高さに段差または差異が生じる。部品の高さが異なる場合、ケーブル３０は部品の高さが等しい場合よりも必然的に長くなる。この種の相互接続により、極めた高い周波数であっても良好な電気的性能を得ることが可能になるものの、提案する相互接続素子と比較して帯域幅が相対的に制約され、高さの段差および部品間距離が制約される。

図２に、本発明による高周波相互接続素子６０の第１の変型例を示す。高周波相互接続素子６０は、２個の部品４０、５０を相互接続する。部品４０は、ほぼ平坦な上面４２および上面４２に配置された信号線４１を含む。同様に、部品５０はほぼ平坦な上面５２および上面５２に配置された信号線５１を含んでいる。要素４０、５０の上面４２、５２を含む平面４３、５３は、互いにほぼ平行であって、高さの段差７０として知られる距離だけ離されている。高周波相互接続素子６０は、下面８１および第１のＸ軸および第１のＸ軸に垂直な第２のＹ軸により画定されるほぼ平坦な上面８２を含む基板８０を含んでいる。高周波相互接続素子６０は、基板８０の下面８１に配置された信号線８３を含んでいて、信号線８３が上面８２のＸＹ平面に突出することにより第１のＸ軸を形成している。高周波相互接続素子６０は更に、素子６０の信号線８３を各部品４０、５０の信号線４１、５１に各々電気的に接続可能な少なくとも２個の接触パッド９０、９１を含んでいる。本発明によれば、基板８０の上面８２は、第２のＹ軸に沿って波形をなしており、第１のＸ軸に沿って基板８０の柔軟性に適合可能である。

各材料は特定の柔軟性を有し、基板に柔軟性を与える能力を基板の柔軟性を向上させる能力として理解すべきであることは明らかである。

一つの面の波形は、波形軸として知られる、当該面上の一軸に沿った一連の溝からなり、これらの溝は波形軸に平行であり、従って互いに平行である。これらの溝は異なる波形パターンを有していてよい。波形パターンは、波形軸に垂直な軸に沿った波形面の断面を考慮することにより画定される。良く知られた波形面として波形鉄板がある。本出願では、「波形」という用語が「波状」という用語と同義であるとする。波形は、本明細書に記述するように、製造方法に依らない。従って、波形面は、例えば鋳造、ミリング、曲げ加工、または三次元印刷によりを得られる。より広義には、波状面の波形軸に垂直な断面は略正弦曲線であるが、三角形、鋸歯状、または他の任意のパターンであってもよく、当該パターンは周期的または非周期的に、繰り返しまたは別のパターンと交互に現れてもよい。

図４に、本発明による高周波相互接続素子６０の変型例を示す。図４において、基板８０の波形上面８２は、第２のＹ軸に垂直な略正弦曲線の断面を有している。換言すれば、波形軸がＹ軸である。

図５に、本発明による高周波相互接続素子６０の別の変型例を示す。図５において、基板８０の波形上面８２は、第２のＹ軸に垂直な略三角形の断面を有している。

図６に、本発明による高周波相互接続素子６０の別の変型例を示す。図６において、基板８０の波形上面８２は、第２のＹ軸に垂直な略鋸歯状の断面を有している。

第２のＹ軸に垂直な基板８０の上面８２の断面は、他の任意の幾何学的形状をなしていてよい。第２のＹ軸に垂直な基板８０の上面８２の断面が複数の異なる波形パターンをなしていてもよい。換言すれば、基板８０の波形上面８２は例えば、上面の一部で第２のＹ軸に垂直な略鋸歯状の断面を有し、第２のＹ軸に垂直な略正弦曲線の断面を有していてよい。

基板８０の上面８２が第２のＹ軸に沿って波形であることで基板８０に対しＹ軸に沿って高い剛性を与える。更に、上面８２が波形であることで基板８０に対しＸ軸に沿って柔軟性を与える。この特性は、各部品が異なる材料からなるため、特に有利である。異なる性質の材料は異なる仕方で膨張する。例えば空間領域において、支持部１２０の上に配置された少なくとも２個の部品４０、５０と、少なくとも２個の部品４０、５０間の高周波相互接続素子６０とを含む高周波装置２００の部材は、−５５℃〜１２５℃の間で変動する温度に晒される。異なる熱膨張係数を有する部品は異なる仕方で膨張するため、結果として部品同士の相互接続に不具合が生じる恐れがある。しかし、板８０の上面８２がＹ軸に沿って波形であるため、基板はＸ軸に沿って柔軟である。基板８０がＸ軸に沿って柔軟性であるため、部品の熱膨張の差異を補償することができる。本発明による高周波相互接続素子６０は、膨張の影響を受け難いと言える。

本発明によれば、高周波相互接続素子６０は、部品４０、５０の高さの段差７０を補償可能な手段を含んでいる。図３に、本発明による高周波相互接続素子６０の変型例を示す。本発明によれば、接触パッド９０は、部品４０、５０の高さの段差７０を補償可能な手段に属する複数の段差を含んでいる。図３において、接触パッド９０は、３個の段差９２、９３、９４を含んでいるが、２個の、または４個以上の段差を含んでいてもよい。１個の段差は接触パッドである。換言すれば、部品４０、５０の高さの段差７０を補償するために複数の接触パッドが重ね合わされている。一般に、最大８個まで接触パッドを重ね合わせることができるため、最大１００マイクロメートルまで部品の高さの段差７０を補償することが可能になる。

図４に、１００マイクロメートルを超える部品の高さの段差７０を補償可能にする、本発明による高周波相互接続素子６０の変型例を模式的に示す。基板８０は、第１のＸ軸に略垂直な２個の側面１００、１０１を含んでいる。基板の高さ８０は、第１のＸ軸および第２のＹ軸に略垂直な第３のＺ軸に沿った上面８２と下面との間の距離である。本発明によれば、基板８０の２個の側面１００、１０１は、部品の高さの段差７０を補償可能な手段に属する異なる基板の高さ１１０、１１１を有している。従って、基板８０の形状により、部品の高さの段差７０を補償することが可能になる。

更に、高周波相互接続素子は、基板８０の下面に配置されていて追加的な部品（図４に示さず）を相互接続可能な第２の信号線１０３を含んでいてよい。

図７に模式的に示すように、このような基板８０は直接加工により製造可能である。実際、コンピューター支援設計ソフトウェアにより基板の三次元形状を画定することができる。加工方法は、以下のステップを含んでいる。基板の下面全体にわたり紛体を拡散させる（ステップ３００）。基板の下面全体にわたり紛体を選択的な融合させる動作（ステップ３１０）により、基板の幾何学的形状を画定することが可能になる。基板は次いで、高周波線を製造すべく金属化されてよい（ステップ３２０）。三次元加工または追加的加工は、ミリング等の減法技術よりも容易に実施できる。

無論、部品の高さの段差７０を補償可能な手段が、極めて大きい高さの段差７０を補償可能にすべく、異なる基板の高さおよび接触パッドの重ね合わせを有している基板８０であってよいことが理解されよう。

本発明は、０．３ＧＨｚ以降の周波数領域に適用できる。より具体的には、本発明は、１〜１０００ＧＨｚの間で、好適には周波数範囲が約３０〜５０ＧＨｚの間であるＱ帯域、および周波数範囲が約５０〜７５ＧＨｚの間にあるＶ帯域で使用される周波数に適用できすることができる。

従って本発明による高周波相互接続素子により、高周波装置の製造における有線相互接続の重要性を下げることが可能になる。時には厳しい製造上の制約が課される様々な環境に適合できようよう、柔軟で扱い易い。

無論、本発明は、記述する実施形態に限定されず、変型例としての実施形態を、請求項に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に含めることができる。

１０，２０，４０，５０ 部品
１１，２１，４１，５１，８３，１０３ 信号線
１２，２２，４２，５２，８２ 上面
１３，１４，２３，２４ 接地面
３０ ケーブル
４３，５３ 平面
６０ 高周波相互接続素子
７０ 高さの段差
８０ 基板
８１ 下面
９０，９１ 接触パッド
９２，９３，９４ 段差
１００，１０１ 側面
１１０，１１１ 基板の高さ
１２０ 支持部
２００ 高周波装置

Claims (11)

1. ２個の部品（４０，５０）間の高周波相互接続素子（６０）であって、各部品がほぼ平坦な上面（４２，５２）および前記上面（４２，５２）に配置された信号線（４１，５１）を含み、前記部品（４０，５０）の前記上面（４２，５２）を含む平面が互いにほぼ平行であって高さの段差（７０）として知られる距離だけ離されており、前記高周波相互接続素子（６０）が、
   ・下面と、第１の軸（Ｘ）および前記第１の軸（Ｘ）に垂直な第２の軸（Ｙ）により画定されるほぼ平坦な上面（８２）とを含む基板（８０）と、
   ・前記基板（８０）の前記下面に配置された信号線（８３）が前記上面（８２）の前記平面（ＸＹ）に突出することにより前記第１の軸（Ｘ）を形成する信号線（８３）と、
   ・前記素子（６０）の前記信号線（８３）を各部品（４０，５０）の前記信号線（４１，５１）に電気的に接続させることが可能な少なくとも２個の接触パッド（９０，９１）とを含み、
   前記基板（８０）の前記上面（８２）が、前記第２の軸（Ｙ）に沿って波形をなしており、前記第１の軸（Ｘ）に沿って前記基板（８０）に柔軟性を与えることができることを特徴とする素子。
2. 前記部品（４０、５０）の前記高さの段差（７０）を補償可能な手段を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
3. 前記少なくとも２個の接触パッドのうち１個（９０）が、前記部品（４０、５０）の前記高さの段差（７０）を補償可能な前記手段に属する、複数の段差（９２，９３，９４）を含んでいることを特徴とする、請求項２に記載の素子。
4. 前記基板（８０）が、前記第１の軸（Ｘ）に略垂直な２個の側面（１００、１０１）を含み、基板の高さ（１１０、１１１）が、前記第１の軸（Ｘ）および前記第２の軸（Ｙ）に略垂直な第３の軸（Ｚ）に沿った上面（８２）と前記下面との間の距離であり、前記基板（８０）の前記２個の側面（１００、１０１）が、前記部品（４０、５０）の前記高さの段差（７０）を補償可能な、異なる基板の高さ（１１０、１１１）を有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の素子。
5. 前記基板（８０）の前記下面に配置されていて追加的な部品を相互接続可能な第２の信号線（１０３）を更に含んでいることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の素子。
6. 前記基板（８０）の前記波状の上面（８２）が、前記第２の軸（Ｙ）に垂直な略正弦曲線断面を有していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の素子。
7. 前記基板（８０）の前記波状の上面（８２）が、前記第２の軸（Ｙ）に垂直な略三角形断面を有していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の素子。
8. 前記基板（８０）の前記波状の上面（８２）が、前記第２の軸（Ｙ）に垂直な略鋸歯状の断面を有していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の素子。
9. 支持部（１２０）の上に配置された少なくとも２個の部品（４０、５０）と、請求項１〜８のいずれか１項に記載の前記少なくとも２個の部品（４０、５０）間の高周波相互接続素子（６０）とを含む高周波装置（２００）の部材。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の素子の基板の製造方法であって、
    ・前記基板の前記下面全体にわたり紛体を拡散させるステップと
    ・前記紛体を選択的に融合させて前記基板の幾何学的形状を画定可能にするステップとを含む方法。
11. 高周波線を製造すべく、前記基板を金属化するステップを更に含むことを特徴とする、請求項１０に記載の製造方法。

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