JP3565214B2 - ミリ波モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はミリ波またはマイクロ波を用いた高周波のモジュールおよびこれを用いた無線装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、異方性エッチングによるシリコン基板を用いたミリ波導波路としては、1996年IEEE MTT−Sダイジェスト797頁から800頁に記載されたものが知られている。
【0003】
図9に従来のミリ波導波路の構造を示す。901のシリコン基板に二酸化珪素902(SiO2)を積層し、その上にマイクロストリップ線路903を形成している。シールド構造を得るために金属を積層したキャリア基板904とマイクロマシン加工されたシリコン基板905とを用いて、901のシリコン基板を挟み込むような構造でシールドされたマイクロストリップ線路を形成している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このミリ波導波路においては、マイクロストリップ線路を二酸化珪素で支えて中空に浮いた状態のため、MMICなど他のミリ波部品を実装したモジュール化が困難である。また、強度の面でも課題がある。また、マイクロマシンによる加工を2枚のシリコン基板に施し、強度を得るためにかなり厚い二酸化珪素膜を形成する必要があるために、加工のプロセスが複雑になるという課題がある。
【0005】
本発明は、上記課題を解決するものであり、低損失のフィルタやMMIC等が混載したミリ波モジュールを簡便な加工で実現し、安価なミリ波およびマイクロ波を用いた無線装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、第1のシリコン単結晶基板上に異方性エッチングにより方形状の第1、第2のくぼみを設け、前記第1、第2のくぼみの底面及び側面にグランド面として導体を積層し、入出力線路として第1、第2のコプレナ線路を設け、グランド面として導体を積層した第2の誘電体基板と前記第1のシリコン基板とを前記第1、第2のくぼみを覆うように接合したことにより形成される第1、第2の空洞共振器を有し、前記第2の誘電体基板上に設けたグランド面の一部に、前記第1のコプレナ線路と前記第1の空洞共振器と結合するための第3のコプレナ線路と、前記第1、第2の空洞共振器間を結合する第4のコプレナ線路と、前記第2のコプレナ線路と前記第2の空洞共振器と結合するための第5のコプレナ線路とを設けたことを特徴とするミリ波モジュールとしたものである。
【0007】
これにより、簡便な加工法で、低損失を実現したフィルタとMMICを混載したミリ波モジュールが得られる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、第1のシリコン単結晶基板上に異方性エッチングにより方形状の第1、第2のくぼみを設け、前記第1、第2のくぼみの底面及び側面にグランド面として導体を積層し、入出力線路として第1、第2のコプレナ線路を設け、グランド面として導体を積層した第2の誘電体基板と前記第1のシリコン基板とを前記第1、第2のくぼみを覆うように接合したことにより形成される第1、第2の空洞共振器を有し、前記第2の誘電体基板上に設けたグランド面の一部に、前記第1のコプレナ線路と前記第1の空洞共振器と結合するための第3のコプレナ線路と、前記第1、第2の空洞共振器間を結合する第4のコプレナ線路と、前記第2のコプレナ線路と前記第2の空洞共振器と結合するための第5のコプレナ線路とを設けたことを特徴とするミリ波モジュールであり、空洞共振器の高Q特性から、低損失のフィルタが実現できるとともに、他のMMIC等との接続も容易にできるという作用を有する。
【0009】
請求項2に記載の発明は、請求項1記載のミリ波モジュールを用いたことを特徴とする無線装置であり、簡便な加工法により形成したミリ波モジュールを用いることにより安価な無線装置を実現できるという作用を有する。
【0010】
以下、本発明の実施の形態について、図1から図8を用いて説明する。
【0011】
(実施の形態1)
図1は本実施の形態におけるミリ波モジュールの構造概念図を示し、図1(a)は断面図、図1(b)は斜視図である。図1において、101はシリコン基板、102は異方性エッチングによるくぼみ、103はくぼみ内に積層したグランド金属層、104は空気、105は実装のための金マイクロバンプ、106はミリ波MMIC、107はガラス基板、108はコプレナ線路、109はマイクロストリップ型フィルタの金属配線、110はMMICにバイアスを供給するためのバイアスパッドである。
【0012】
このような構造とすることで、マイクロストリップ型フィルタの電界のほとんどは、誘電体損がない空気層104aに集中するため、フィルタの低損失化が実現できる。
【0013】
また、フリップチップ実装するミリ波MMICの直下にもシリコン基板101にくぼみ102bを設けて、能動素子の間近を空気層104bとするため、フリップチップ実装することによる特性劣化を抑えることができる。
【0014】
さらに、ガラス基板107とMMIC106との接続をコプレナ線路とすることで、シリコン基板101のプロセス工程を簡略化できる。
【0015】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0016】
なお、本実施の形態として、フィルタとMMICの構成を示したが、複数のフィルタやMMICを様々に組み合わせてもよい。また本実施の形態では、くぼみの加工を異方性エッチングとしたが、ドライエッチング加工による方法でも同様の形状が得られることは言うまでもない。
【0017】
(実施の形態2)
図2は本実施の形態におけるミリ波モジュールの構造概念図を示し、図2(a)は断面図、図2(b)は表面及び裏面の状態図である。図2において第1の実施の形態と異なるのは、ガラス基板107の裏面にグランド面111を設け、グランド面をスルーホール112を介してシリコン基板101のグランドと接続している点であり、それ以外の符号については図1と同様である。
【0018】
このような構造とすることで、マイクロストリップ型フィルタ109の近傍に発生する電界が、上下のグランド103aと111に囲まれてシールドされることにより、電界の放射による損失劣化を抑えることができるとともに、本発明のミリ波モジュールを筐体に実装する際に、筐体によるフィルタ特性への影響を防ぐことができる。
【0019】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0020】
(実施の形態3)
図3は本実施の形態におけるミリ波モジュールの断面構造の概念図を示す。図3において第1の実施の形態と異なるのは、シリコン基板の代わりとして、方形状の穴を設けた第1のセラミック基板201b、201cと、穴を設けない第2のセラミック基板201aを貼り合わせることで、第3のセラミック基板を形成し、シリコン基板と同様のくぼみ形状を形成した点である。くぼみの底面にはそれぞれグランド層として203a、203bをそれぞれ積層し、このくぼみにより空気層204が形成される。それ以外の符号については図1と同様である。
【0021】
このような構造とすることで、第1の実施の形態と同様の効果を安価なセラミック基板を用いて実現できる。
【0022】
また、本実施の形態において、第1のセラミック基板として201b、201cの2層構造を示しており、このような構造とすることで、空気層の厚さを204aでは2層分、204bでは1層分とすることが容易に可能であり、必要に応じて空気層の厚さを変化させることができる。
【0023】
なお、本実施の形態においては、第3のセラミック基板201を3層構造としたが、4層以上の構成でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【0024】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0025】
(実施の形態4)
図4は本実施の形態におけるミリ波モジュールの断面構造の概念図を示す。図4において第3の実施の形態と異なる点は、穴を設けない第1のセラミック基板201aと穴を設けた第2のセラミック基板201bとの接合面にグランド面205を設け、くぼみの底面に設けたグランド面203bとグランド面205の間をスルーホール210で接続し、ガラス基板107とMMIC106との間をコプレナ線路でなくマイクロストリップ線路で接続できようにした点である。それ以外の符号については、図3と同様である。
【0026】
このような構造とすることで、コプレナ線路とマイクロストリップ線路の変換部がなくなり、設計性が向上する。
【0027】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0028】
(実施の形態5)
図5は本実施の形態におけるミリ波モジュールの断面構造の概念図を示す。図5において第4の実施の形態と異なる点は、穴を設けないセラミック基板の代わりとして、アルミや真ちゅうなどの導電性金属206を用いた点である。それ以外の符号については、図4と同様である。
【0029】
このような構造とすることで、簡素な構造で第4の実施の形態と同様の効果が得られる。
【0030】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0031】
(実施の形態6)
図6は本実施の形態におけるミリ波モジュールの構造概念図を示し、図6(a)は断面図、図6(b)は斜視図である。図6において、301はガラス基板、302はシリコン基板、303は異方性エッチングにより設けたくぼみ、304はくぼみ内に積層したグランド金属層、305は空気、306は実装のための金マイクロバンプ、307はミリ波MMIC、308はコプレナ線路、309はマイクロストリップ型フィルタの金属配線、310はMMICにバイアスを供給するためのバイアスパッドである。
【0032】
このような構造とすることで、第1の実施の形態と同様に、空気層305を絶縁層としたマイクロストリップ型フィルタが実現でき、フィルタの低損失化が実現できる。
【0033】
また、フリップチップ実装するミリ波MMIC307の直下のガラス基板301に方形状の穴311を設ければ、能動素子の間近を空気とするため、フリップチップ実装することによる特性劣化を抑えることができる。
【0034】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0035】
(実施の形態7)
図7は本実施の形態におけるミリ波モジュールの構造概念図を示し、図7(a)は断面図、図7(b)は斜視図である。また、図8は図7のミリ波モジュールに使用するガラス基板の表面構造を示す概念図である。図7において、401はシリコン基板、402は異方性エッチングにより設けたくぼみ、403はくぼみ内に積層したグランド金属層、404は空気、407はガラス基板、408a、408bはシリコン基板401上に設けた第1、第2のコプレナ線路、409a、409bはそれぞれガラス基板上に設けた第3、第4のコプレナ線路、410はガラス基板407上に設けた第5のコプレナ線路配線である。411はシリコン基板401とガラス基板407上のグランド金属を取り除いた窓である。
【0036】
くぼみ404とガラス基板上に形成されたグランド金属とで閉じ込められた空間は、くぼみ404の一辺を自由空間の波長の2分の1近傍の周波数で共振する、空洞共振器として作用する。この空洞共振器の間をガラス基板上に設けた第5のコプレナ線路配線410で結合し、また入出力を第3、第4のコプレナ線路409で空洞共振器と結合し、シリコン基板401上の入出力線路となる、第1第2のコプレナ線路408a、408bと接続することで、入出力がコプレナ線路構造の空洞共振器フィルタが実現する。
【0037】
空洞共振器はQ値が高いため、低損失のフィルタが実現できる。また、シリコン基板401とガラス基板407は、各々のグランド配線上に設けた窓411どうしを陽極接合することにより実現するために、空気層404の高さ方向の精度が高く、目的とする共振周波数が精度よく実現できる。
【0038】
さらに、入出力がコプレナ構造であるため、MMICなどの他の部品との接続も容易に実現できる。
【0039】
そして、このように簡易な方法で作製されたミリ波モジュールを用いることにより、安価な無線装置を実現することができる。
【0040】
なお、本実施の形態ではシリコン基板401とガラス基板407の接合方法を陽極接合としたが、他の実施の形態に示した金マイクロバンプを用いた実装法を用いてもよいことは言うまでもない。
【0041】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、簡易な加工法で準平面的な構造上に低損失のフィルタが実現でき、MMIC等との接続も簡易にでき、小型化と高性能化の双方を満足したミリ波モジュールとそれを用いた無線装置が安価でできるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
(b)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの斜視概念図
【図2】(a)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
(b)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールに使用するガラス基板の表面及び裏面の構造図
【図3】本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
【図4】本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
【図5】本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
【図6】(a)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
(b)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの斜視概念図
【図7】(a)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールの断面構造図
(b)本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールに使用するシリコン基板の斜視概念図
【図8】本発明の一実施の形態によるミリ波モジュールに使用するガラス基板の表面の構造図
【図9】従来のミリ波導波路の断面構造図
【符号の説明】
101、302、401 シリコン基板
102、303、402 くぼみ
103、111、203、205、304、403 グランド面
104、204、305、404 空気層
105、306 マイクロバンプ
106、307 MMIC
107、301、401、407 ガラス基板
108、208、308、408、409、410 コプレナ線路
109、309 マイクロストリップ型フィルタパターン
110、310 バイアスパッド
112、210 スルーホール
201a 方形状の穴を有しないセラミック基板
201b、201c 方形状の穴を有するセラミック基板
206 導電性金属
311 穴
411 窓
Claims (2)
- 第1のシリコン単結晶基板上に異方性エッチングにより方形状の第1、第2のくぼみを設け、前記第1、第2のくぼみの底面及び側面にグランド面として導体を積層し、入出力線路として第1、第2のコプレナ線路を設け、グランド面として導体を積層した第2の誘電体基板と前記第1のシリコン基板とを前記第1、第2のくぼみを覆うように接合したことにより形成される第1、第2の空洞共振器を有し、前記第2の誘電体基板上に設けたグランド面の一部に、前記第1のコプレナ線路と前記第1の空洞共振器と結合するための第3のコプレナ線路と、前記第1、第2の空洞共振器間を結合する第4のコプレナ線路と、前記第2のコプレナ線路と前記第2の空洞共振器と結合するための第5のコプレナ線路とを設けたことを特徴とするミリ波モジュール。
- 請求項1記載のミリ波モジュールを用いたことを特徴とする無線装置。
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