JPH11145577A - 高周波集積回路およびその製造方法 - Google Patents

高周波集積回路およびその製造方法

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JPH11145577A
JPH11145577A JP9306011A JP30601197A JPH11145577A JP H11145577 A JPH11145577 A JP H11145577A JP 9306011 A JP9306011 A JP 9306011A JP 30601197 A JP30601197 A JP 30601197A JP H11145577 A JPH11145577 A JP H11145577A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 数十GHzの周波数帯で利用するマイクロ波
集積回路を提供する。 【構成】 セラミック基板に焼成前の状態で孔あけし、
その孔に磁性体部品および誘電体部品を嵌め込み、磁性
体部品の焼成温度以下で焼成する。特に磁性体部品とし
てハードフェライトを使用して、焼成後に着磁すること
により、きわめて小形の特性のよい高周波回路が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、セラミック基板に
複数の回路部品を搭載したマイクロ波集積回路(MI
C)およびその回路を形成する製造方法に関する。本発
明は、通信装置、レーダ装置、計測装置、その他に利用
する。本発明は特に、これらの装置に含まれる、フィル
タ回路、アイソレータ、送受信分離回路、アンテナ回
路、その他として利用できる。本発明は、10GHzを
越える高周波用の回路に利用することをねらって開発さ
れたものであるが、利用周波数を限定するものではな
く、10GHz以下の周波数帯の回路にも利用すること
ができる。
【0002】
【従来の技術】セラミック基板に半田付け、あるいはリ
ボン、ワイヤー接続により複数の回路部品を搭載し、マ
イクロ波集積回路(MIC)を形成する技術が知られて
いる。このセラミック基板に搭載される回路部品のう
ち、サーキュレータについてはソフトフェライト基板に
導体を形成した形態が一般的であるが、低温焼結アルミ
ナ基板に焼成前の状態で孔をあけ、この孔にフェライト
を嵌め込み、焼成によりこのフェライトを基板に固定す
る技術が、特開昭61−288486号公報に開示され
ている。
【0003】これはフェライトをセラミック基板に取付
けるための有用な技術であり、本発明もこの技術の流れ
の中にあるが、この従来技術はあくまでもフェライト単
体を低温焼結アルミナ基板に取付けてサーキュレータ部
品を形成する技術であり、その低温焼結アルミナ基板に
複数の相互に関連する回路部品を配置して、集積回路と
して一体化するとの思想には至っていない。誘電体部品
を同一基板に一体化することも思い至っていない。ま
た、そのフェライトとしてハードフェライトを用いるこ
と、そのハードフェライトを焼成後に回路特性に合わせ
て着磁することなどの技術思想には達していない。
【0004】一方、高周波濾波器については、モノリシ
ック・マイクロ波集積回路(以下「MMIC」という)
と一体化する技術が、本願出願人の先願である特開平6
−334413号公報に開示されている。これは、半導
体基板の表面に絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上に導体
線路を形成し、さらにその導体線路の近傍に誘電体共振
器を取付けるものであり、この誘電体共振器は絶縁膜に
形成された凹部に嵌め込むように説明されている。
【0005】しかしながら、この技術では従来のソフト
フェライトを用いたサーキュレータまでを一体化するこ
とはできない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】一方、10GHzを越
える高周波帯がさまざまな装置に利用されるようになっ
た。特に、60GHz帯あるいは70GHz帯に自動車
用レーダ装置あるいは距離測定装置の周波数が割当てら
れることになり、装置の装着場所を考慮してできるだけ
小型化をはかるとともに、大量にかつ安価に、しかも均
一な特性の高周波集積回路を製造する技術が求められる
ことになった。しかし、従来のMIC技術では、サーキ
ュレータ、高周波濾波器、MMICなどの部品を基板に
接続するエリアが必要であり小型化には限界がある。
【0007】小型化をはかるうえで、従来技術に述べた
ようにMMICと一体化して高周波濾波器を形成する技
術は基本的に優れた技術である。しかし、同様にサーキ
ュレータをMMICに一体化しようとするときに、従来
のサーキュレータでは外部磁石を必要とするために原理
的に不可能になる。さらに、均一な特性を得るために
は、従来のMIC技術では、部品単体がそれぞれ安定し
た特性であったとしても、それらの接続部分で設計で配
慮できない損失が発生し、これを制御することは不可能
であり、基板ごとに特性のばらつきが発生することにな
る。このため組み立て後に特性を調整する必要があり、
作業工数が大きくなるとともにこの作業にはかなりの熟
練者が当たらなければならない問題がある。
【0008】本発明はこのような背景に行われたもので
あって、誘電体部品と磁性体部品とを共に1つの基板に
一体化したマイクロ波集積回路(MIC)およびその製
造方法を提供することを目的とする。本発明は、個別部
品を接続する構造で問題となった接続点の電力損失がほ
とんどなく、信頼性が高い高周波集積回路およびその製
造方法を提供することを目的とする。
【0009】本発明は、特性が安定であり、かつ均一に
製造することができる高周波集積回路およびその製造方
法を提供することを目的とする。本発明は、製造工数の
小さい高周波集積回路およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。本発明は、量産により安価に製造する
ことができる高周波集積回路およびその製造方法を提供
することを目的とする。本発明は、数十GHzの周波数
領域で利用することができるフィルタやアンテナ回路を
設計製造するに適する高周波集積回路およびその製造方
法を提供することを目的とする。本発明は、製造後に電
気的特性を観測しながらその特性を可逆的に調節するこ
とができる高周波集積回路およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の観点は、
高周波集積回路であり、磁性体部品、もしくは磁性体部
品および誘電体部品を一つの集積回路基板内に一体化し
た構造を特徴とする。その複数の回路部品のうちの2以
上の回路部品が関連して所望の高周波特性を形成する構
造である。すなわち、それぞれアイソレータ、サーキュ
レータ、あるいはフィルタを構成する複数の部品が、全
体として一つの高周波特性を有する回路として構成され
る。そのセラミック基板の表面には、回路の導線とし
て、あるいはマイクロストリップ線路として導体が形成
される。
【0011】前記磁性体部品の材料としてハードフェラ
イトを用いることができる。そのハードフェライトは、
サーキュレータまたはアイソレータの構成要素として利
用できる。また、前記誘電体部品は高周波濾波器の構成
要素として利用できる。前記誘電体基板は、有機材料系
基板とすることができ、さらに具体的には、ポリテトラ
フルオロエチレンが適当な材料である。前記誘電体基板
はセラミック基板が適当な材料である。
【0012】本発明の第二の観点は高周波集積回路の製
造方法であり、誘電体基板としてガラスセラミック基板
を用いる場合に、ガラスセラミックのグリーンシートに
複数の孔を穿ち、この孔にそれぞれ回路部品を嵌め、そ
の回路部品の形状が変形する温度以下であってそのグリ
ーンシートの焼成温度以上の温度で焼成を行いセラミッ
ク基板を形成し、そのセラミック基板の焼成過程で、前
記孔の径が収縮する性質を利用して、前記回路部品をそ
のセラミック基板に固着させる工程を含むことを特徴と
する。この回路部品は、磁性体部品および誘電体部品を
含みこれらが1つの基板に一体化されたことを特徴とす
る。本発明のセラミック基板を焼成する温度は800〜
1200°Cが適当である。
【0013】この回路部品の高さは前記セラミック基板
の厚さ以上であり、前記孔は円形であり、前記回路部品
の少なくとも前記グリーンシートに接する部分の外形は
円筒形であることが望ましい。
【0014】前記磁性体部品にハードフェライトを材質
とするものを含む場合には、そのグリーンシートを焼成
する温度はそのハードフェライトが焼成される温度以下
の温度で行い、そのセラミック基板の焼成後に磁場を印
加してハードフェライトに着磁を行う。
【0015】ハードフェライトのキュリー温度はその材
料の性質によりおおよそ400〜700°Cの範囲にあ
り、着磁工程はセラミック基板の焼成後に、このキュリ
ー温度近傍から室温まで冷却される冷却期間中に行うこ
とがよい。もちろん室温に達した後でも、着磁または消
磁、あるいは着磁状態の調節を行うことができる。着磁
工程は、そのハードフェライトに印加する磁場を加減す
ることによりその集積回路の電気的特性を見ながらその
特性を調節することが望ましい。
【0016】ガラスセラミック基板の焼成前にグリーン
シートの段階で、パンチング加工により複数の孔を穿
ち、この孔にそれぞれ回路部品を嵌め、その後に焼成を
行う。パンチング加工により孔をあけることにより、相
互の位置関係は均一にかつ高い精度で製作することがで
きる。この相互の位置関係は、焼成による形状の収縮が
あることから、複数回の試作により、それぞれの焼成後
の最終形状が所望の形状になるように調節する。いった
んこの調節ができると、同一形状の集積回路を多数それ
ぞれ個別に形状を調節することなく製造することができ
る。
【0017】グリーンシートにあける孔の大きさについ
ても、それぞれ焼成後に磁性体部品および誘電体部品が
適当に堅固に固着されるように、これも複数回の試作に
より調節する。いったん調節ができると、同一形状の集
積回路を多数均一に製造することができる。
【0018】回路部品の高さ(セラミック基板表面に垂
直な方向の長さ)は基板の厚さと同等あるいはそれ以上
とすることがよい。特に、磁性体部品はその高さを基板
の厚さと等しくすることが望ましい。これは、磁性体部
品の場合には、基板と部品との間に導体をまたがるよう
に形成することが多く、このとき導体に段差が生じて特
性が劣化するからである。誘電体部品の場合には、部品
の高さが基板の厚さより高い場合も工作が可能であり、
その場合には、部品の形状の自由度が大きくなり、多様
な回路を設計することができるようになる。
【0019】グリーンシートに設ける孔の形状は円形と
し、その孔に嵌める回路部品の外形状は、少なくともそ
の基板に接する部分では円筒形状とすることが、部品を
締めつける力が均一になることから最も望ましい。回路
部品の外面形状を楕円筒形状など円筒形状以外の形状と
することも可能であるが、この場合には、最適に固着さ
れるように繰り返し試験を行う回数が多くなる。
【0020】磁性体部品としてハードフェライトをその
材料とすることにより、外部磁石を不要とすることがで
きる。数十GHzの周波数領域で使用する高周波集積回
路では、外部磁石により磁性体素子に磁界をあたえるこ
とにより、アイソレータやサーキュレータなどの回路を
実現しようとすると、形状が小さく、素子の間の距離が
小さいことから、目的の素子だけでなく、近隣の他の素
子に対しても磁界が影響を与えることになり、その相互
作用が複雑になり設計が難しくなる。これに対して、ハ
ードフェライトを用いることにより、他の素子に対して
磁界が影響を及ぼすことが少なくなり所望の特性を比較
的単純な設計により実現することができようになる。
【0021】グリーンシートの焼成温度は、磁性体部
品、特にハードフェライトの性質が変わらないような温
度を選ぶことが必要であるが、試験をした結果、ハード
フェライトのキュリー温度以上で焼成を行う場合にも、
焼成完了後に温度を降下させ、ハードフェライトの温度
がキュリー温度近傍またはそれより低くなったときに、
ハードフェライトに磁界を与えてふたたび磁気配列を整
えることにより、所望の特性が得られることがわかっ
た。ハードフェライトの焼成温度およびキュリー温度は
フェライトの種類により一律ではないから、焼成工程の
温度および着磁工程の温度はそれぞれ材料の性質により
選択する。焼成温度を必ずしもハードフェライトのキュ
リー温度以上に設定する必要はない。
【0022】焼成完了後に着磁を行う場合に、試料が室
温に到達してから行うことも可能であるが、比較的高温
度から温度を下げながら行うと所望の値に着磁しやす
い。また、いったん着磁してから、高周波回路を電気的
に動作させ、その特性を観測しながら着磁の状態を強く
あるいは弱く変更することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
【0024】
【実施例】(第一実施例)図1は本発明実施例高周波集
積回路の全体斜視図である。この例は、18×11×
0.3mmのガラスセラミック基板に、レーダ用送受信
機の入出力回路を形成したものである。このレーダ用送
受信機の入出力回路は、自動車のフロント部分に装備さ
れ、前方を走行する車両との車間距離を計測するために
利用するレーダ装置の試作装置である。自動車用のレー
ダ装置には、60〜70GHz帯(波長4.3〜5.0
mm)の周波数が割当てられることになった。
【0025】図1に示すように、ガラスセラミックの基
板1に、一個の誘電体部品2、二個の磁性体部品3およ
びそれぞれ三個ずつ合計六個の誘電体部品4が埋め込ま
れている。そして金属(具体的には金)によるマイクロ
ストリップラインL、および電極Mがその表面に形成さ
れている。
【0026】図2はこの実施例の回路構成図である。図
2に矢印で示すMICと表示する部分が、図1に示す一
枚の基板に集積回路として形成されている。図2により
この回路構成を説明すると、送信部TXで発生する60
GHz帯の電磁波はマイクロストリップ線路Lに供給さ
れ、バンドパスフィルタFを介してスプリアス波が除去
されて、サーキュレータCの第一端子に供給される。サ
ーキュレータCはこの第一端子の信号を第二端子に出力
してアンテナAに供給する。アンテナAからこの信号は
電磁波として空中に送信される。
【0027】このアンテナAに電磁波として到来する受
信波(レーダの場合は反射波)は、サーキュレータCの
第二端子に供給され、サーキュレータCはこれを第三端
子に出力する。サーキュレータCの第三端子にはアイソ
レータIの第一端子が接続されている。アイソレータI
はこの第一端子に入力された信号を第二端子に出力す
る。このアイソレータIの第三端子にはこの回路の特性
インピーダンスに等しい抵抗値の終端抵抗器Rが接続さ
れている。このアイソレータIの第二端子の出力信号は
バンドパスフィルタFを経由して雑音が除去され、マイ
クロストリップ線路Lを経由して、受信部RXの入力端
子に供給される。
【0028】サーキュレータCは第一端子の信号を第二
端子に供給するが、第二端子の信号を第一端子に供給す
ることはない。また第二端子の信号は第三端子に供給す
るが、第三端子の信号を第二端子に供給することはな
い。アイソレータIは第一端子の信号を第二端子に供給
するが、第二端子の信号は終端抵抗器Rに吸収されて第
一端子に供給することはない。サーキュレータCおよび
アイソレータIのこの作用は、公知のように磁性体部品
により実現される。
【0029】図2に示すサーキュレータCおよびアイソ
レータIはそれぞれ一個の磁性体部品3に金属電極を設
けることにより形成される。アンテナAは一個の誘電体
部品に金属電極を設けることにより形成される。さら
に、バンドパスフィルタFは、それぞれ3個の誘電体部
品4により形成される。終端抵抗器Rは基板1の表面に
設けられた抵抗体により形成される。
【0030】図3および図4は本発明実施例高周波集積
回路を製造する工程を説明する図である。図3に示すよ
うに、ガラスセラミック基板の焼成前のグリーンシート
状態の基板1’にはパンチング加工により孔があけられ
る。そしてその孔にはそれぞれ円柱形状に加工された、
誘電体部品2としてのセラミック誘電体、磁性体部品3
としてのハードフェライト、および誘電体部品4として
のセラミック誘電体が嵌めこまれる。そして、図4に示
すように、セラミックの焼成が行われる。この焼成温度
は、ハードフェライトの焼成温度より低い温度が選ばれ
る。さらに具体的にはこの実施例では約870°Cに制
御された。室温に冷却した後に、印刷マスクを使用し
て、金導体ペーストを印刷し、焼き付けを行いセラミッ
ク基板の表面、磁性体部品および誘電体部品の表面に密
着させた。焼き付けの温度は約850°Cとした。この
焼き付け後に空気中で自然に冷却を行い、その表面温度
が約600°Cに達したときに、磁性体部品3に磁界を
与えて冷却しながら着磁した。
【0031】上記実施例の複数の試料について、構造的
には良好な仕上がりが得られた。フィルタ部分について
は、従来技術である接着により誘電体素子を配列した場
合に比べて、通過帯域の周波数利得特性のリップルが約
1〜2dB少なくなり、通過域特性が平坦化された。
【0032】サーキュレータ部分について、外部磁石を
使用しないで着磁したハードフェライトを使用する場合
の効果を詳しく検討した。すなわち、サーキュレータの
動作中心周波数が55GHzから64GHzになるよう
に金属導体の大きさを少しずつ変化させた5個の試料に
ついて、アイソレーション帯域幅は2.5GHz〜1.
9GHzが得られた。
【0033】これに対して比較例として、従来技術にし
たがってハードフェライトではなく、ソフトフェライト
を使用し、同様構造を3個の試料について製作し、裏面
から円柱形状のサマリウム・コバルト系の外部磁石を接
触させて磁界を与える方法を採り同様の測定を行った。
その結果、アイソレーション帯域幅は0.8〜0.9G
Hzであり、ハードフェライトに着磁する本発明実施例
が2倍ないし3倍の広い帯域幅でアイソレーション効果
があることが観測された。
【0034】(第二実施例)つぎに図1で説明した高周
波集積回路の基板1の材質として、ガラスセラミック基
板ではなく、有機材料系基板を用いた場合について説明
する。その回路構成および作用は前記第一実施例で説明
したものと同様であるので繰り返しを省く。
【0035】その製造方法の第一例は、有機材料系基板
としてポリテトラフルオロエチレンを材質とする基板
に、埋め込む円筒形状の部品の直径より0.05〜0.
1mm程度大きい孔をあける。その孔の内壁に接着剤を
塗布し、磁性体部品および(または)誘電体部品を嵌め
込み接着する。その後、基板の一方の面に各部品の間が
所望の位置関係になるように、メッキにより金属導体を
形成する。基板の反対面には前面に金属導体を形成す
る。
【0036】その製造方法の第二例は、金属箔の上に磁
性体部品を導電性接着剤を用いて貼り付け、誘電体部品
を導電性接着剤もしくは絶縁性接着剤で貼り付ける。こ
のとき誘電体部品は磁性体部品と等しい高さに、あるい
はそれ以上の高さにする。この金属箔の前記部品が貼り
付けられた面と同一面上に、有機樹脂を磁性体部品と等
しい高さになるように塗布し、これを硬化させることに
より有機材料系基板を形成する。その後に、この基板の
表面に、各部品の間が所望の位置関係になるようにメッ
キにより金属導体を形成する。
【0037】その製造方法の第三例は、有機材料系基板
に、埋め込む円筒形状の部品の直径より0.05〜0.
1mm程度大きい孔をあける。一方金属箔の上に磁性体
部品を導電性接着剤で貼り付け、誘電体部品を導電性接
着剤もしくは絶縁性接着剤で貼り付ける。このとき誘電
体部品の高さを磁性体部品の高さと等しくもしくはそれ
以上に設定する。この金属箔に貼り付けられた部品を有
機材料系基板の孔に挿入し、金属箔を有機材料系基板表
面に接着剤で接着する。このとき磁性体部品が基板表面
と等しくなるように、基板の厚さを選定する。その後
に、前記部品の周囲の隙間を有機樹脂で埋める。さらに
その後に、基板の前記金属箔を接着した面とは反対の面
に、各部品の間が所望の位置関係になるように金属導体
をメッキにより形成する。
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
り60ないし70GHz帯の周波数領域で使用すること
ができる高周波集積回路が実現できることがわかった。
本発明の高周波集積回路は、量産を行う場合に、均一な
特性であり、安定な特性の製品を安価に製造することが
できる。特に、誘電体基板に埋め込まれたハードフェラ
イトに着磁することにより、外部磁石を不要とする構造
が有効であることが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例高周波集積回路の全体構成を示す
斜視図。
【図2】本発明実施例高周波集積回路の電気回路ブロッ
ク構成図。
【図3】本発明実施例高周波集積回路のグリーンシート
に磁性体部品および誘電体部品を嵌める様子を説明する
ための斜視図。
【図4】本発明実施例高周波集積回路の製造工程を説明
する流れ図。
【符号】
1 基板 1’グリーンシート状態の基板 2 誘電体部品 3 磁性体部品(ハードフェライト使用) 4 誘電体部品 A アンテナ C サーキュレータ F フィルタ I アイソレータ L マイクロストリップ線路 M 金属配線 R 終端抵抗器 RX 受信部 TX 送信部

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体基板に複数の孔が設けられ、この
    孔にそれぞれ回路部品が埋め込まれ、その誘電体基板の
    表面に導体が形成されたことを特徴とする高周波集積回
    路。
  2. 【請求項2】 前記回路部品は、磁性体部品およびまた
    は誘電体部品である請求項1記載の高周波集積回路。
  3. 【請求項3】 前記複数の回路部品のうち2以上の回路
    部品が関連して所望の高周波特性を形成する構造である
    請求項1記載の高周波集積回路。
  4. 【請求項4】 前記磁性体部品の材料はハードフェライ
    トであり、そのハードフェライトは、サーキュレータま
    たはアイソレータの構成要素である請求項2記載の高周
    波集積回路。
  5. 【請求項5】 前記誘電体部品は高周波濾波器の構成要
    素である請求項2記載の高周波集積回路。
  6. 【請求項6】 前記誘電体基板は、有機材料系基板であ
    る請求項1記載の高周波集積回路。
  7. 【請求項7】 前記有機材料系基板は、ポリテトラフル
    オロエチレンである請求項6記載の高周波集積回路。
  8. 【請求項8】 前記誘電体基板はセラミック基板である
    請求項1記載の高周波集積回路。
  9. 【請求項9】 グリーンシートに複数の孔を穿ち、この
    孔にそれぞれ回路部品を嵌め、その回路部品の形状が変
    形する温度以下であってそのグリーンシートの焼成温度
    以上の温度で焼成を行いセラミック基板を形成し、その
    セラミック基板の焼成過程で、前記孔の径が収縮する性
    質を利用して、前記回路部品をそのセラミック基板に固
    着させる工程を含むことを特徴とする高周波集積回路の
    製造方法。
  10. 【請求項10】 一枚のセラミック基板に、前記回路部
    品として磁性体部品およびまたは誘電体部品を含む請求
    項9記載の高周波集積回路の製造方法。
  11. 【請求項11】 前記セラミック基板を焼成する温度は
    800〜1200°Cである請求項10記載の高周波集
    積回路の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記磁性体部品は、その高さが前記セ
    ラミック基板の厚さとほぼ等しい請求項10記載の高周
    波集積回路の製造方法。
  13. 【請求項13】 前記誘電体部品は、その高さが前記セ
    ラミック基板の厚さ以上である請求項10記載の高周波
    集積回路の製造方法。
  14. 【請求項14】 前記孔は円形であり、前記回路部品の
    少なくとも前記グリーンシートに接する部分の外形は円
    筒形である請求項10記載の高周波回路の製造方法。
  15. 【請求項15】 前記磁性体部品の材質はハードフェラ
    イトであり、前記セラミック基板の焼成後に、そのハー
    ドフェライトに磁場を印加して着磁する工程を含む請求
    項10記載の高周波集積回路の製造方法。
  16. 【請求項16】 前記着磁する工程はそのハードフェラ
    イトの温度がそのキュリー温度近傍から室温に冷却され
    るまでの冷却期間に設定する請求項15記載の高周波集
    積回路の製造方法。
  17. 【請求項17】 そのハードフェライトはサーキュレー
    タおよびまたはアイソレータ用の回路部品であり、印加
    する磁場を加減することにより高周波特性を調節する工
    程を含む請求項16記載の高周波集積回路の製造方法。
  18. 【請求項18】 前記セラミック基板の焼成後に、その
    セラミック基板の表面および前記回路部品の表面に連続
    する導体を形成する工程を含む請求項10記載の高周波
    集積回路の製造方法。
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