(57)【要約】【課題】高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができるモジュール基板の提供に資する。【解決手段】導波管開口を有する矩形導波管構造を表層に接続するモジュール基板であって、誘電体層を介して積層され、伝送線路と伝送線路の一部に形成される結合素子とを有する第１の金属配線層と、第１の金属配線層よりも矩形導波管構造から離れた位置に積層される第２の金属配線層と、を含む複数の金属配線層と、隣り合う金属配線層の間を接続する複数のビアと、を備え、表層に、導波管開口に対向し、表層からの平面視において結合素子を取り囲む第１の開口が設けられ、第１の金属配線層と第２の金属配線層との間の、第１の開口を投影した範囲内に、複数のビアの一部のビアによって囲まれる誘電体層の領域が形成され、平面視における領域のサイズは、導波管開口よりも小さい。【選択図】図４
2018157260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管開口を有する矩形導波管構造を表層に接続するモジュール基板であって、
誘電体層を介して積層され、伝送線路と前記伝送線路の一部に形成される結合素子とを有する第１の金属配線層と、前記第１の金属配線層よりも前記矩形導波管構造から離れた位置に積層される第２の金属配線層と、を含む複数の金属配線層と、
隣り合う金属配線層の間を接続する複数のビアと、
を備え、
前記表層に、前記導波管開口に対向し、前記表層からの平面視において前記結合素子を取り囲む第１の開口が設けられ、
前記第１の金属配線層と前記第２の金属配線層との間の、前記第１の開口を投影した範囲内に、前記複数のビアの一部のビアによって囲まれる誘電体層の領域が形成され、
前記平面視における前記領域のサイズは、前記導波管開口よりも小さい、
モジュール基板。
【請求項２】
前記第１の金属配線層と前記第２の金属配線層との間隔は、少なくとも、前記誘電体層の誘電率および前記結合素子から放射される電磁波の波長に基づいて決定される、
請求項１に記載のモジュール基板。
【請求項３】
前記表層は、導波管開口のサイズに合わせて設けられ、前記矩形導波管構造の位置決めを行うマーカを、
有する、
請求項１に記載のモジュール基板。
【請求項４】
前記表層は、前記第１の金属配線層である、
請求項１に記載のモジュール基板。
【請求項５】
前記第１の開口は、前記導波管開口と同じサイズを有し、
前記矩形導波管構造は、前記導波管開口と前記第１の開口の位置を合わせて、前記モジュール基板に接続される、
請求項１に記載のモジュール基板。
【請求項６】
前記第１の開口は、前記領域のサイズと同じサイズを有し、
前記矩形導波管構造は、前記導波管開口が前記第１の開口の外側に位置するように、前記モジュール基板に接続される、
請求項１に記載のモジュール基板。
【請求項７】
前記表層は、前記第１の金属配線層よりも前記第２の金属配線層から離れた位置に設けられる金属配線層である、
請求項１に記載のモジュール基板。
【請求項８】
前記表層と前記第１の金属配線層との間隔は、前記誘電体層の誘電率および前記結合素子から放射される電磁波の波長に基づいて決定される、
請求項７に記載のモジュール基板。
【請求項９】
前記第１の開口は、前記領域のサイズと同じサイズを有し、
前記矩形導波管構造は、前記導波管開口と前記第１の開口とが一致するように、前記モジュール基板に接続される、
請求項７に記載のモジュール基板。
【請求項１０】
前記第１の開口は、前記導波管開口と同じサイズを有し、
前記第１の金属配線層は、前記領域のサイズと同じサイズの第２の開口を有し、
前記第２の金属配線層と前記第１の金属配線層の間の金属配線層は、前記第１の開口と前記第２の開口とを結ぶ線に沿った開口を有する、
請求項８に記載のモジュール基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、モジュール基板に関する。詳細には、本開示は、アンテナ素子として導波管と集積回路の組み合わせを実現するモジュール基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、広帯域信号を利用できるため、１００ＧＨｚ以上の周波数を用いた高速無線通信システム、あるいは、高分解能のレーダーシステムの検討がなされている。例えば、３００ＧＨｚ帯を用いた高速無線通信システム用のフロントエンド回路、１４０ＧＨｚ帯を用いた高分解能レーダーシステムの集積回路化が試みられている。
【０００３】
従来の無線通信システムあるいはレーダーシステムにおいて、高周波信号（無線信号）を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集するためには、集積回路とアンテナ素子との接続において、アンテナ素子との結合が検討されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、高周波信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集するための集積回路とアンテナ素子との接続について検討がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８９１２８５８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集する構成としては不十分であった。
【０００７】
本開示の非限定的な実施例は、高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができるモジュール基板の提供に資することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様に係るモジュール基板は、導波管開口を有する矩形導波管構造を表層に接続するモジュール基板であって、誘電体層を介して積層され、伝送線路と前記伝送線路の一部に形成される結合素子とを有する第１の金属配線層と、前記第１の金属配線層よりも前記矩形導波管構造から離れた位置に積層される第２の金属配線層と、を含む複数の金属配線層と、隣り合う金属配線層の間を接続する複数のビアと、を備え、前記表層に、前記導波管開口に対向し、前記表層からの平面視において前記結合素子を取り囲む第１の開口が設けられ、前記第１の金属配線層と前記第２の金属配線層との間の、前記第１の開口を投影した範囲内に、前記複数のビアの一部のビアによって囲まれる誘電体層の領域が形成され、前記平面視における前記領域のサイズは、前記導波管開口よりも小さい。
【０００９】
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様によれば、高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができるモジュール基板の提供に資する。
【００１１】
本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の導波管と伝送線路の接続の一例を示す図
【図２Ａ】図１の断面Ｓ１を示す図
【図２Ｂ】図１の断面Ｓ２を示す図
【図３】高周波数帯における矩形導波管規格と電磁波の波長と一般的な機械加工手法での寸法公差と高精度な機械加工手法で実現できる寸法公差の関係を示す図
【図４】本開示の実施の形態１に係るモジュール基板の一例を示す平面図
【図５Ａ】図４のＡ１−Ａ２における断面図
【図５Ｂ】図４のＢ１−Ｂ２における断面図
【図５Ｃ】図４のＣ１−Ｃ２における断面図
【図６】高周波数帯における矩形導波管規格のサイズと誘電率を考慮したサイズとの関係を示す図
【図７Ａ】モジュール基板に対して、ＣＭＯＳチップと矩形導波管を接続する構成の一例を示す図
【図７Ｂ】モジュール基板に対して、ＣＭＯＳチップと矩形導波管を接続する構成の一例を示す図
【図８】本開示の実施の形態１に係るモジュール基板の電磁気的な構造の一例を示す図
【図９】本開示の実施の形態２に係るモジュール基板の一例を示す平面図
【図１０Ａ】図９のＡ１−Ａ２における断面図
【図１０Ｂ】図９のＢ１−Ｂ２における断面図
【図１０Ｃ】図９のＣ１−Ｃ２における断面図
【図１１】本開示の実施の形態２に係るモジュール基板の電磁気的な構造の一例を示す図
【図１２】本開示の実施の形態３に係るモジュール基板の一例を示す平面図
【図１３Ａ】図１２のＡ１−Ａ２における断面図
【図１３Ｂ】図１２のＢ１−Ｂ２における断面図
【図１３Ｃ】図１２のＣ１−Ｃ２における断面図
【図１４】本開示の実施の形態４に係るモジュール基板の一例を示す断面図
【図１５】本開示の実施の形態４に係るモジュール基板の電磁気的な構造の一例を示す図
【図１６】本開示の実施の形態５に係るモジュール基板の一例を示す断面図
【図１７】本開示の実施の形態５に係るモジュール基板の電磁気的な構造の一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、従来の導波管と伝送線路の接続の一例を示す図である。図２Ａは、図１の断面Ｓ１を示す図である。図２Ｂは、図１の断面Ｓ２を示す図である。従来、伝送線路として同軸線路が用いられる周波数帯、例えば、マイクロ波帯では、同軸線路と導波管との接続は、図１、図２Ａ、図２Ｂに示す構成をとる。図１、図２Ａ、図２Ｂは、導波管１０１と、結合素子１０２と、反射面１０３を示す。図１、図２Ａ、図２Ｂの構造では、Ｘ軸の正方向に挿入される結合素子１０２が、電磁波を放射し、電力がＺ軸の正方向に伝搬される。
【００１４】
結合素子１０２は、導波管１０１のＨ面に挿入された同軸線路の中心導体であり、結合素子１０２は、ダイポール型アンテナとして挿入される。結合素子１０２から放射される電磁波は、導波管１０１の内部をＴＥ０１モードで両方向（Ｚ軸の正方向および負方向）に伝搬する。
【００１５】
反射面１０３は、導波管１０１の一端を短絡して設けられる。以下では、反射面１０３を適宜バックショート１０３と記載する。バックショート１０３は、結合素子１０２から放射され電力伝搬方向Ｐと反対方向（Ｚ軸の負方向）に伝搬する電磁波を反射する。
【００１６】
例えば、結合素子１０２とバックショート１０３との距離が電磁波の波長λの１／４に設定された場合、バックショート１０３において反射した電磁波は、結合素子１０２の位置にて、２πの位相差をもつ電磁波となり、結合素子１０２からＰ方向に放射された電磁波と同位相で足し合わされて電力伝搬方向Ｐに進行する。そのため、結合素子１０２とバックショート１０３との距離が電磁波の波長λの１／４に該当する周波数において効率的に結合素子１０２から導波管１０１への電磁界結合が実現される。
【００１７】
半導体集積回路を用いた高周波回路において、高周波信号（無線周波数信号）は、主として半導体チップ上に形成したマイクロストリップ線路やコプレーナ導波路などの平面構造の伝送線路により半導体チップ上の出力端子まで伝送される。さらに、半導体チップ上の出力端子は樹脂基板上に形成した平面構造の伝送線路と接続し、その伝送線路上を伝搬する高周波信号をアンテナなどの放射素子に接続する。すなわち、樹脂基板上に形成した平面構造の伝送線路と、導波管構造との結合構造である。
【００１８】
特許文献１は、集積回路と導波管との結合構造におけるバックショートを開示する。特許文献１では、集積回路の高周波出力がミリ波基板上に形成されたマイクロストリップラインにより伝送され、樹脂基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）に開けられた矩形状の穴の上部に配置される。特許文献１では、ミリ波基板を覆う形態のバックショートを別途形成し、マイクロストリップラインに対向する位置に配置する。この構造においては、導波管サイズと同一のバックショートが形成される。
【００１９】
従来構成の導波管結合構造では、例えば、マイクロ帯では波長が１０ｃｍ前後、ミリ波帯とされる３０ＧＨｚでは波長が１ｃｍ前後であり、従来技術の機械加工で実現できる加工物の公差（例えば±０．１ｍｍ）を用いて作製した機構で得られる位置合わせ精度に対して２桁ほど大きな構造体である。そのため、加工精度や位置合わせ精度は、通常の技術で実現できるものであった。
【００２０】
一方、１００ＧＨｚ以上の周波数では波長が１ｍｍ〜３ｍｍであるため、従来技術による機械加工や、機械的な機構による位置合わせでは十分な精度を得ることは困難である。
【００２１】
図３は、高周波数帯(無線周波数帯)における矩形導波管規格と電磁波の波長と一般的な機械加工手法での寸法公差（±０．０２ｍｍ）と高精度な機械加工手法で実現できる寸法公差（±０．００５ｍｍ）の関係を示す図である。図３は、各周波数帯に対応するＥＩＡ（Electronic Industries Alliance）規格の導波管の規格名称とそのサイズを示す。また、電磁波の波長としては、代表的な周波数の電磁波における空気中の１波長と１／４波長、誘電率３．０の媒質中の１波長と１／４波長を示す。また、各導波管の規格のサイズに対する寸法公差の比率を示す。
【００２２】
３００ＧＨｚ帯の矩形導波管規格であるＷＲ３では、その内壁のサイズ（幅方向Ｗ×高さ方向Ｈ）は、０．８６４ｍｍ×０．４３２ｍｍである。矩形導波管のサイズを基準として、±１％程度の精度で伝送線路を矩形導波管内の設定した位置に配置する場合、Ｘ軸方向（高さ方向Ｈ：Ｘ軸方向）に対しては±０．００５ｍｍの位置合わせ精度となる。また、電磁波の伝搬方向に対して、１／４波長のバックショートを用いる場合、±１％程度の精度でバックショートを形成するためには、Ｚ軸方向で±０．００２５ｍｍの位置合わせ精度となる。
【００２３】
これらの位置合わせ精度を機械加工による構造体で実現する場合は、高精度な機械加工手法と高精度な位置合わせ機構を導入するため、製造歩留まりの低下および製造コストの上昇などが考えられる。
【００２４】
上述した機械加工の精度、機械的な位置合わせ手法に対し、樹脂多層基板や半導体パッケージ製造に用いられるビルドアップ工法およびセミアディティブ工法によるパターニング手法は、一般的な機械加工手法での寸法公差に対して１桁ほど精度のよい加工が可能である。このため、樹脂多層基板と導波管とを組み合わせて導波管接続構造を形成する場合、所望の位置合わせ精度を簡易な手法で実現することが期待できる。
【００２５】
その一方、樹脂材の誘電率が空気より大きいため、伝送線路と導波管の間で効率の良い電磁界的な結合（高周波信号伝送媒体としての接続）を実現するためには、導波管内の媒体である空気と樹脂多層基板の媒体である樹脂材との誘電率の不連続性に起因するインピーダンスミスマッチを低減する方策が検討されている。
【００２６】
本開示は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、１００ＧＨｚ帯以上の信号を扱う高周波通信システムあるいはレーダーシステムにおいて、高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができる樹脂多層基板によるモジュール基板の提供に資する。
【００２７】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は一例であり、本開示は以下の実施の形態により限定されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
図４は、本開示の実施の形態１に係るモジュール基板１０の一例を示す平面図である。図５Ａは、図４のＡ１−Ａ２における断面図である。図５Ｂは、図４のＢ１−Ｂ２における断面図である。図５Ｃは、図４のＣ１−Ｃ２における断面図である。
【００２９】
モジュール基板１０は、４層の金属配線層（配線層１１ａ〜配線層１１ｄ）、およびその配線層間の誘電体層１２を有する。モジュール基板１０は、例えば、ビルドアップ工法により積層基板として形成される。４層の金属配線層（配線層１１ａ〜配線層１１ｄ）は、誘電体層１２を介して積層される。
【００３０】
配線層１１ａは、モジュール基板１０の表層であり、伝送線路１３と結合素子１４と接地導体面１５と位置合わせマーク１８とを有する。
【００３１】
伝送線路１３は、配線層１１ａに形成され、ＣＭＯＳチップ２の高周波端子２ａ（図７Ｂ参照）に接続する。
【００３２】
結合素子１４は、伝送線路１３の端部の、矩形導波管構造３の導波管開口３ａ（図７Ｂ参照）に対向する位置に形成される。
【００３３】
接地導体面１５は、伝送線路１３の両脇（Ｙ軸の正方向と負方向）に形成される。接地導体面１５は、配線層１１ａから配線層１１ｄまでビア構造１６により接続される。
【００３４】
配線層１１ａにおいて、結合素子１４の周囲は、位置合わせマーク１８を除き、矩形導波管構造３の導波管開口３ａ（図７Ｂ参照）と同一形状で剥離される。以下、金属配線層において、剥離された箇所を、開口と記載する。つまり、配線層１１ａは、結合素子１４の周囲に、位置合わせマーク１８を除き、矩形導波管構造３の導波管開口３ａと同一形状の開口１９ａを有する。開口１９ａのＸ軸方向に沿った長さは、Ｈであり、開口１９ａのＹ軸方向に沿った長さは、Ｗである。なお、金属配線層における開口は、内部が空隙であっても良いし、内部に誘電体層１２が積層されていても良い。
【００３５】
位置合わせマーク１８は、開口１９ａの内側に金属パターンによって形成される。
【００３６】
配線層１１ａの下方（Ｚ軸の負方向）に位置する配線層１１ｂおよび配線層１１ｃは、それぞれ、配線層１１ａに形成した開口１９ａより狭い（小さい）面積で矩形に剥離された開口１９ｂ、開口１９ｃを有する。開口１９ｂ、開口１９ｃは、Ｚ軸の正方向からの平面視において、同じ位置に形成される。Ｘ軸方向に沿った開口１９ｂ、開口１９ｃの長さは、Ｈｅであり、Ｙ軸方向に沿った開口１９ｂ、開口１９ｃの長さは、Ｗｅである（図４参照）。
【００３７】
配線層１１ｄは、表層である配線層１１ａに対する裏面の金属配線層である。配線層１１ｄは、結合素子１４から放射され、Ｚ軸の負方向に進行する電磁波を反射するバックショートとして機能する。
【００３８】
この構成において、モジュール基板１０の膜厚方向（Ｚ軸の負方向）に誘電体材料を媒質とする疑似的な矩形導波管の一部が形成される。また、使用する周波数に対して、配線層１１ｄをバックショート（反射面）とするために、誘電体層１２の誘電率に応じて誘電体層１２の厚みおよび／または金属配線層の数を変更する。
【００３９】
そして、この構成において、配線層１１ａと配線層１１ｄとの間に、複数のビア構造１６によって囲まれる誘電体層の領域Ｒが形成される。例えば、Ｘ軸方向に沿った領域Ｒの長さは、Ｈｅであり、Ｙ軸方向に沿った領域Ｒの長さは、Ｗｅである。また、配線層１１ａと配線層１１ｄとの間隔は、λｅ／４である。λｅは、誘電体層１２の内部を伝搬する電磁波の実効波長である。
【００４０】
例えば、ＨｅおよびＷｅは、接続される導波管のサイズと誘電体層の誘電率を考慮して決定される。
【００４１】
図６は、高周波数帯における矩形導波管規格のサイズと誘電率を考慮したサイズとの関係を示す図である。図６は、図３と同様の矩形導波管規格のサイズと、矩形導波管規格のサイズを誘電率３．０と誘電率４．０の２つの誘電率に基づいて変換したサイズを示す。矩形導波管規格のサイズを誘電率に基づいて変換したサイズとは、該当する誘電率の媒質により充填され、矩形導波管規格のサイズと同等の特性を有する導波管のサイズである。
【００４２】
例えば、誘電層の誘電率が３．０の場合、ＨｅおよびＷｅは、図６における誘電率３．０に基づいて変換したサイズに相当する長さであっても良い。ただし、ＨｅおよびＷｅは、これらに限定されない。ＨｅおよびＷｅは、Ｈｅ＜Ｈ、Ｗｅ＜Ｗであれば良い。
【００４３】
このような構成により、導波管構造への電磁波の伝送特性を最適化できる。また、誘電体層１２を誘電率の異なる他の材料とすることでも電磁波の伝送特性を最適化できる。
【００４４】
次に、モジュール基板１０と、矩形導波管構造とＣＭＯＳチップとの接続について、説明する。
【００４５】
図７Ａ、図７Ｂは、モジュール基板１０に対して、ＣＭＯＳチップ２と矩形導波管構造３を接続する構成の一例を示す図である。図７Ａは、ＣＭＯＳチップ２の設置位置Ｓを含むモジュール基板１０の平面図を示し、図７Ｂは、図７Ａ中のＡ１−Ａ２に沿ったモジュール基板１０の断面と、モジュール基板１０に接続するＣＭＯＳチップ２と矩形導波管構造３の断面を示す。
【００４６】
ＣＭＯＳチップ２は、モジュール基板１０とフリップチップ実装により接続され、ＣＭＯＳチップ２上の高周波端子２ａは、モジュール基板１０上の伝送線路１３に対して接続される。
【００４７】
矩形導波管構造３は、モジュール基板１０の配線層１１ａ（表層）に対向する導波管開口３ａと、導波管開口３ａを端部とし電力伝搬方向（Ｚ軸の正方向）に沿った管３ｂを有し、結合素子１４の位置と位置合わせを行って、モジュール基板１０に接続される。Ｘ軸に沿った矩形導波管の導波管開口３ａの長さは、Ｈであり、Ｙ軸に沿った矩形導波管の導波管開口３ａの長さは、Ｗである。
【００４８】
矩形導波管構造３の導波管開口３ａと配線層１１ａの開口１９ａの位置が揃うように、矩形導波管構造３をＺ軸の正方向から負方向へ接続することにより、矩形導波管構造３とＣＭＯＳチップ２が接続するモジュール基板１０とが一体的に構成される。この構成により、結合素子１４から放射された電磁波は、矩形導波管構造３の管３ｂを通り、外部へ放射される。
【００４９】
図８は、本実施の形態１に係るモジュール基板１０の電磁気的な構造の一例を示す図である。図８は、モジュール基板１０と、矩形導波管構造３とを接続した構成を図２Ａに示した従来の導波管と伝送線路の接続図に対比させて模式的に示す。モジュール基板１０の誘電体層１２により結合素子１４からバックショート（配線層１１ｄ）までの距離が、λ／４からλｅ／４へと短くなり、膜厚方向（Ｚ軸方向）に形成した疑似的な矩形導波管構造のサイズも小さくなる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態１によれば、矩形導波管構造３と接続するモジュール基板１０に、誘電体層の誘電率を考慮して等価的に導波管の一部を形成することができる。この構成により、結合素子１４に対するバックショートをモジュール基板１０の内部に形成できるため、高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができる。
【００５１】
また、結合素子１４からバックショート（配線層１１ｄ）までの距離は樹脂基板の膜厚で規定されるものであり、この膜厚の製造ばらつきは一般的な製造方法によっても±０．００２ｍｍ程度を実現できる。このため、図１に示した機械加工による位置合わせ機構よりも簡便にバックショートを構成することができる。
【００５２】
また、配線層１１ａの開口１９ａの内部に形成した位置合わせマーク１８に対し、矩形導波管構造３の管３ｂのＺ軸の正方向から位置合わせマーク１８の位置を光学的手法により計測することによって、矩形導波管構造３に対する結合素子１４の位置合わせを精度よく行うことができる。例えば、矩形導波管構造３の管３ｂの軸方向から、カメラによって位置合わせマーク１８を検出し、検出した位置と矩形導波管構造３の導波管開口３ａの位置とを合わせて、矩形導波管構造３をモジュール基板１０に接続することができる。また、この手法は、自動化が可能であるため、モジュール基板１０と矩形導波管構造３を含むモジュールの製造コスト下げることができる。
【００５３】
なお、位置合わせマーク１８の長さを、使用する電磁波の波長の１／８以下の長さで形成することにより、電磁波の伝送特性への影響を小さくできる。また、上面から見て（Ｚ軸の正方向から見て）、位置合わせマーク１８を配線層１１ｂの開口１９ｂの外側に配置することも伝送特性への影響を小さくできる。
【００５４】
また、モジュール基板１０の下方に他の誘電体基板、あるいは金属基板を配置しモジュール基板の支持体とすることで、モジュール基板の機械的強度を増すことができる。
【００５５】
（実施の形態２）
図９は、本開示の実施の形態２に係るモジュール基板２０の一例を示す平面図である。図１０Ａは、図９のＡ１−Ａ２における断面図である。図１０Ｂは、図９のＢ１−Ｂ２における断面図である。図１０Ｃは、図９のＣ１−Ｃ２における断面図である。なお、図９、図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて、図４、図５Ａ〜図５Ｃと同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
【００５６】
モジュール基板２０は、表層である配線層２１ａ、および、配線層２１ａと配線層１１ｂとの間にビア構造２６が設けられる点で、モジュール基板１０と相違する。
【００５７】
配線層２１ａは、モジュール基板２０の表層であり、伝送線路１３と結合素子１４と接地導体面２５と位置合わせマーク２８を有する。
【００５８】
伝送線路１３は、配線層２１ａに形成され、ＣＭＯＳチップ２の高周波端子２ａ（図７Ｂ参照）に接続する。
【００５９】
結合素子１４は、伝送線路１３の端部の、矩形導波管構造３の導波管開口３ａ（図７Ｂ参照）に対向する位置に形成される。
【００６０】
接地導体面２５は、伝送線路１３の両脇（Ｙ軸の正方向と負方向）に形成される。接地導体面２５は、配線層２１ａから配線層１１ｄまでビア構造１６またはビア構造２６により接続される。
【００６１】
位置合わせマーク２８は、開口２９ａの外側かつ矩形導波管構造３の導波管開口３ａが位置する設置位置の内側に、金属パターンの一部を剥離することによって形成される。
【００６２】
配線層２１ａにおいて、結合素子１４の周囲は、誘電体層１２の誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管の形状で剥離される。誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管の形状とは、例えば、図６に示した、等価的な導波管サイズの形状である。配線層２１ａは、結合素子１４の周囲に、誘電体層１２の誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管形状の開口２９ａを有する。Ｘ軸方向に沿った開口２９ａの長さは、Ｈｅであり、Ｙ軸方向に沿った開口２９ａの長さは、Ｗｅである。
【００６３】
ビア構造２６は、配線層２１ａに形成した開口２９ａの周囲に配置される。
【００６４】
この構成において、モジュール基板２０の膜厚方向（Ｚ軸の負方向）に誘電体材料を媒質とする疑似的な矩形導波管の一部が形成される。
【００６５】
図１１は、本実施の形態２に係るモジュール基板２０の電磁気的な構造の一例を示す図である。図１１は、モジュール基板２０と、矩形導波管構造３とを接続した構成を図２Ａに示した従来の導波管と伝送線路の接続図に対比させて模式的に示す。モジュール基板２０の誘電体層１２により結合素子１４からバックショート（配線層１１ｄ）までの距離がλ／４からλｅ／４へと短くなり、膜厚方向（Ｚ軸の負方向）に形成した疑似的な矩形導波管構造のサイズも小さくなる。また、配線層２１ａの開口２９ａが誘電体層１２の誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管の形状を有しているため、結合素子１４からバックショートまでが連続的になる。
【００６６】
以上説明したように、本実施の形態２によれば、矩形導波管構造３と接続するモジュール基板２０に、誘電体層の誘電率を考慮して等価的に導波管の一部を形成することができる。この構成により、結合素子１４に対するバックショートをモジュール基板２０の内部に形成できるため、高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができる。
【００６７】
また、配線層２１ａの開口２９ａの外側に金属パターンを剥離して形成した位置合わせマーク１８に対し、矩形導波管構造３の管３ｂのＺ軸の正方向から位置合わせマーク２８の位置を光学的手法により計測することによって、矩形導波管構造３の導波管開口３ａに対する結合素子１４の位置合わせを精度よく行うことができる。また、配線層２１ａの開口２９ａの外側に位置合わせマーク２８を形成することにより、位置合わせマーク２８の伝送特性に対する影響を低減できる。
【００６８】
また、配線層２１ａの開口２９ａを矩形導波管構造３の導波管開口３ａよりも小さくできるため、矩形導波管構造３との接続において、モジュール基板２０と密着することによって、電気的特性が改善できる。
【００６９】
（実施の形態３）
図１２は、本開示の実施の形態３に係るモジュール基板３０の一例を示す平面図である。図１３Ａは、図１２のＡ１−Ａ２における断面図である。図１３Ｂは、図１２のＢ１−Ｂ２における断面図である。図１３Ｃは、図１２のＣ１−Ｃ２における断面図である。なお、図１２、図１３Ａ〜図１３Ｃにおいて、図９、図１０Ａ〜図１０Ｃと同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
【００７０】
モジュール基板３０は、モジュール基板２０の表層である配線層２１ａが、配線層３１ａと配線層３１ｅに置き換わっている。そして、配線層３１ａと配線層３１ｅとを接続するビア構造３６が追加される。
【００７１】
配線層３１ａは、伝送線路１３と結合素子１４とを有する。
【００７２】
伝送線路１３は、配線層３１ａに形成され、ＣＭＯＳチップ２の高周波端子２ａ（図７Ｂ参照）に接続する。
【００７３】
結合素子１４は、伝送線路１３の端部の、矩形導波管構造３の導波管開口３ａ（図７Ｂ参照）に対向する位置に形成される。
【００７４】
配線層３１ａにおいて、結合素子１４の周囲は、誘電体層１２の誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管の開口の形状で剥離される。配線層３１ａは、結合素子１４の周囲に、誘電体層１２の誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管形状の開口３９ａを有する。開口３９ａのＸ軸方向に沿った長さは、Ｈｅであり、開口３９ａのＹ軸方向に沿った長さは、Ｗｅである。
【００７５】
配線層３１ｅは、モジュール基板３０の表層であり、伝送線路１３および結合素子１４を覆う接地面である。配線層３１ｅは、接地導体面３５および位置合わせマーク３８を有する。
【００７６】
接地導体面３５は、配線層３１ｅから配線層１１ｄまでビア構造１６またはビア構造３６により接続される。
【００７７】
位置合わせマーク３８は、開口３９ｅの外側かつ矩形導波管構造３の導波管開口３ａが位置する設置位置の内側に、金属パターンの一部を剥離することによって形成される。
【００７８】
ＣＭＯＳチップ２（図７Ｂ参照）は、配線層３１ｅに接続し、配線層３１ｅと配線層３１ａとを接続するビア構造３６を介して、配線層３１ａの伝送線路１３に接続する。
【００７９】
配線層３１ｅにおいて、配線層３１ａの開口３９ａをＺ軸の正方向に投影した位置に、誘電体層１２の誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管の形状で剥離されることにより形成された開口３９ｅを有する。開口３９ｅのＸ軸方向に沿った長さは、Ｈｅであり、開口２９ａのＹ軸方向に沿った長さは、Ｗｅである。
【００８０】
ビア構造３６は、配線層３１ｅに形成した開口３９ｅの周囲および配線層３１ａに形成した開口３９ａの周囲に配置され、他の配線層と電気的に接続される。
【００８１】
この構成において、モジュール基板３０の膜厚方向（Ｚ軸の負方向）に誘電体材料を媒質とする疑似的な矩形導波管の一部が形成される。
【００８２】
以上説明したように、本実施の形態３によれば、矩形導波管構造３と接続するモジュール基板３０に、誘電体層の誘電率を考慮して等価的に導波管の一部を形成することができる。この構成により、結合素子１４に対するバックショートをモジュール基板３０の内部に形成できるため、高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができる。
【００８３】
また、配線層３１ｅに形成した開口３９ｅの周囲に新たにビア構造３６を配置する。これにより、対向する矩形導波管構造３に対してモジュール基板３０を密着させることができ、モジュール基板３０と矩形導波管構造３の結合部分での電気的特性が改善できる。
【００８４】
（実施の形態４）
図１４は、本開示の実施の形態４に係るモジュール基板４０の一例を示す断面図である。モジュール基板４０の平面図は、図１２に示したモジュール基板３０の平面図と同様である。図１４は、図１２のＡ１−Ａ２における断面図に相当する、モジュール基板４０の断面図を示す。なお、図１４において、図１２、図１３Ａ〜図１３Ｃと同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
【００８５】
モジュール基板４０は、モジュール基板３０の表層である配線層３１ｅが、配線層４１ｅ〜４１ｊに置き換わっている。そして、配線層４１ｅ〜配線層４１ｊの間を接続するビア構造４６が追加される。
【００８６】
配線層４１ｅは、モジュール基板４０の表層であり、位置合わせマーク（図１２参照）を有する。表層である配線層４１ｅと、結合素子１４を有する配線層３１ａの間隔は、λｅ／２である。
【００８７】
ＣＭＯＳチップ２（図７Ｂ参照）は、配線層４１ｅに接続し、配線層４１ｅから配線層４１ｊまでを接続するビア構造４６および配線層４１ｊと配線層３１ａとを接続するビア構造３６を介して、配線層３１ａの伝送線路１３に接続する。
【００８８】
配線層４１ｅにおいて、配線層３１ａの開口３９ａ（図１３Ｂ参照）をＺ軸の正方向に投影した位置に、誘電体層１２の誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管の形状で剥離されることにより形成された開口４９ｅを有する。開口４９ｅのＸ軸方向に沿った長さは、Ｈｅであり、開口４９ｅのＹ軸方向に沿った長さは、Ｗｅである（図１２参照）。
【００８９】
配線層４１ｆ〜配線層４１ｊにおいても、それぞれ、配線層３１ａの開口３９ａをＺ軸の正方向に投影した位置に、誘電体層１２の誘電率による波長短縮を考慮した矩形導波管の形状で剥離されることにより形成された開口４９ｆ〜４９ｊを有する。
【００９０】
ビア構造４６は、開口４９ｅ〜開口４９ｊの周囲および配線層３１ａに形成した開口３９ａ（図１３Ｂ参照）の周囲に配置され、他の配線層と電気的に接続される。
【００９１】
この構成において、モジュール基板４０の膜厚方向（Ｚ軸の負方向および正方向）に誘電体材料を媒質とする疑似的な矩形導波管の一部が形成される。
【００９２】
図１５は、本実施の形態４に係るモジュール基板４０の電磁気的な構造の一例を示す図である。図１５は、モジュール基板４０と、矩形導波管構造３とを接続した構成を図２Ａに示した従来の導波管と伝送線路の接続図に対比させて模式的に示す。モジュール基板４０の誘電体層１２により結合素子１４からバックショート（配線層１１ｄ）までの距離が、λ／４からλｅ／４へと短くなり、膜厚方向（Ｚ軸の負方向）に形成した疑似的な矩形導波管構造のサイズ（Ｚ軸方向の長さ）も、λ／２からλｅ／２へと小さくなる。また、結合素子１４が形成された配線層３１ａよりも上方（Ｚ軸の正方向）の配線層４１ｅ〜配線層４１ｊにより、結合素子１４から放射方向（Ｚ軸の正方向）に、長さがλｅ／２の擬似的な導波管構造を形成できる。
【００９３】
以上説明したように、本実施の形態４によれば、矩形導波管構造３と接続するモジュール基板４０に、誘電体層の誘電率を考慮して等価的に導波管の一部を形成することができる。この構成により、結合素子１４に対するバックショートをモジュール基板４０の内部に形成できるため、高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができる。
【００９４】
また、結合素子１４が形成された配線層３１ａよりも上方（Ｚ軸の正方向）の配線層４１ｅ〜配線層４１ｊにより、結合素子１４から放射方向側に、長さがλｅ／２の擬似的な導波管構造を形成できる。この構成により、結合素子１４に対する誘電体層１２と空気との境界で生じるインピーダンスミスマッチの影響を低減することができる。
【００９５】
（実施の形態５）
図１６は、本開示の実施の形態５に係るモジュール基板５０の一例を示す断面図である。モジュール基板５０の平面図は、結合素子１４および伝送線路１３が内層に設けられる点を除いて、図４に示したモジュール基板１０の平面図と同様である。図１６は、図４のＡ１−Ａ２における断面図に相当する、モジュール基板５０の断面図を示す。
【００９６】
また、モジュール基板５０は、結合素子１４が設けられる配線層３１ａよりも上方（Ｚ軸の正方向）に複数の配線層が設けられる点では、モジュール基板４０と共通である。そのため、図１６において、図１４と同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
【００９７】
モジュール基板５０では、モジュール基板４０の配線層４１ｅ〜配線層４１ｊが、配線層５１ｅ〜配線層５１ｊに置き換わっている。
【００９８】
配線層５１ｅは、モジュール基板５０の表層であり、位置合わせマーク（図４参照）を有する。表層である配線層５１ｅと、結合素子１４を有する配線層３１ａの間隔は、λｅ／２である。
【００９９】
ＣＭＯＳチップ２（図７Ｂ参照）は、配線層５１ｅに接続し、配線層５１ｅから配線層５１ｊまでを接続するビア構造５６および配線層５１ｊと配線層３１ａとを接続するビア構造３６を介して、配線層３１ａの伝送線路１３に接続する。
【０１００】
配線層５１ｅにおいて、矩形導波管形状と同一形状で剥離されて形成された開口５９ｅを有する。開口５９ｅのＸ軸方向に沿った長さは、Ｈであり、開口５９ａのＹ軸方向に沿った長さは、Ｗである（図４参照）。
【０１０１】
配線層５１ｆ〜配線層５１ｊにおいては、配線層５１ｅの開口５９ｅと配線層３１ａの開口３９ａ（図１３Ｂ参照）との間が連続的になるように、順に、小さく金属パターンを剥離することによって、開口５９ｆ〜開口５９ｊが形成される。例えば、図１６の断面図では、配線層５１ｆ〜配線層５１ｊにおいて、開口５９ｅの端と開口３９ａの端とを結ぶ直線Ｌ１、直線Ｌ２との間を剥離することにより、開口５９ｆ〜開口５９ｊが形成される。
【０１０２】
ビア構造５６は、開口５９ｅ〜開口５９ｊの周囲および配線層３１ａに形成した開口３９ａの周囲に配置され、他の配線層と電気的に接続される。
【０１０３】
この構成において、モジュール基板５０の膜厚方向（Ｚ軸の負方向および正方向）に誘電体材料を媒質とする疑似的な矩形導波管の一部が形成される。
【０１０４】
図１７は、本実施の形態５に係るモジュール基板５０の電磁気的な構造の一例を示す図である。図１７は、モジュール基板５０と、矩形導波管構造３とを接続した構成を図２Ａに示した従来の導波管と伝送線路の接続図に対比させて模式的に示す。モジュール基板５０の誘電体層１２により結合素子１４からバックショート（配線層１１ｄ）までの距離が、λ／４からλｅ／４へと短くなり、膜厚方向（Ｚ軸の負方向）に形成した疑似的な矩形導波管構造のサイズ（Ｚ軸方向の長さ）もλ／２からλｅ／２へと小さくなる。また、結合素子１４が形成された配線層３１ａよりも上方（Ｚ軸の正方向）の配線層５１ｅ〜配線層５１ｊにより、結合素子１４から放射方向（Ｚ軸の正方向）に、長さがλｅ／２のテーパ状（ホーン状）の擬似的な導波管構造を形成できる。
【０１０５】
以上説明したように、本実施の形態５によれば、矩形導波管構造３と接続するモジュール基板５０に、誘電体層の誘電率を考慮して等価的に導波管の一部を形成することができる。この構成により、結合素子１４に対するバックショートをモジュール基板５０の内部に形成できるため、高効率かつ低損失に、１００ＧＨｚ帯以上の信号を空間に放射する、あるいは、空間の電力を収集することができる。
【０１０６】
また、結合素子１４が形成された配線層３１ａよりも上方（Ｚ軸の正方向）の配線層５１ｅ〜配線層５１ｊにより、結合素子１４から放射方向に、長さがλｅ／２のテーパ状（ホーン状）の擬似的な導波管構造を形成できるため、モジュール基板５０内の疑似的な導波管構造と矩形導波管構造３の接続構造上の不連続が緩和され、良好な電磁波の伝送ができる。
【０１０７】
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【０１０８】
＜本開示のまとめ＞
本開示のモジュール基板は、導波管開口を有する矩形導波管構造を表層に接続するモジュール基板であって、誘電体層を介して積層され、伝送線路と前記伝送線路の一部に形成される結合素子とを有する第１の金属配線層と、前記第１の金属配線層よりも前記矩形導波管構造から離れた位置に積層される第２の金属配線層と、を含む複数の金属配線層と、隣り合う金属配線層の間を接続する複数のビアと、を備え、前記表層に、前記導波管開口に対向し、前記表層からの平面視において前記結合素子を取り囲む第１の開口が設けられ、前記第１の金属配線層と前記第２の金属配線層との間の、前記第１の開口を投影した範囲内に、前記複数のビアの一部のビアによって囲まれる誘電体層の領域が形成され、前記平面視における前記領域のサイズは、前記導波管開口よりも小さい。
【０１０９】
また、本開示のモジュール基板において、前記第１の金属配線層と前記第２の金属配線層との間隔は、少なくとも、前記誘電体層の誘電率および前記結合素子から放射される電磁波の波長に基づいて決定される。
【０１１０】
また、本開示のモジュール基板において、前記表層は、導波管開口のサイズに合わせて設けられ、前記矩形導波管構造の位置決めを行うマーカを有する。
【０１１１】
また、本開示のモジュール基板において、前記表層は、前記第１の金属配線層である。
【０１１２】
また、本開示のモジュール基板において、前記第１の開口は、前記導波管開口と同じサイズを有し、前記矩形導波管構造は、前記導波管開口と前記第１の開口の位置を合わせて、前記モジュール基板に接続される。
【０１１３】
また、本開示のモジュール基板において、前記第１の開口は、前記領域のサイズと同じサイズを有し、前記矩形導波管構造は、前記導波管開口が前記第１の開口の外側に位置するように、前記モジュール基板に接続される。
【０１１４】
また、本開示のモジュール基板において、前記表層は、前記第１の金属配線層よりも前記第２の金属配線層から離れた位置に設けられる金属配線層である。
【０１１５】
また、本開示のモジュール基板において、前記表層と前記第１の金属配線層との間隔は、前記誘電体層の誘電率および前記結合素子から放射される電磁波の波長に基づいて決定される。
【０１１６】
また、本開示のモジュール基板において、前記第１の開口は、前記領域のサイズと同じサイズを有し、前記矩形導波管構造は、前記導波管開口と前記第１の開口とが一致するように、前記モジュール基板に接続される。
【０１１７】
また、本開示のモジュール基板において、前記第１の開口は、前記導波管開口と同じサイズを有し、前記第１の金属配線層は、前記領域のサイズと同じサイズの第２の開口を有し、前記第２の金属配線層と前記第１の金属配線層の間の金属配線層は、前記第１の開口と前記第２の開口とを結ぶ線に沿った開口を有する。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本開示は、高速無線通信用、高分解能レーダーシステム用のモジュールに適用できる。
【符号の説明】
【０１１９】
２  ＣＭＯＳチップ
２ａ  高周波端子
３  矩形導波管構造
３ａ  導波管開口
３ｂ  管
１０、２０、３０、４０、５０  モジュール基板
１１ａ〜１１ｄ、２１ａ、３１ａ、３１ｅ、４１ｅ〜４１ｊ、５１ｅ〜５１ｊ  配線層
１２  誘電体層
１３  伝送線路
１４  結合素子
１５、２５、３５  接地導体面
１６、２６、３６、４６、５６  ビア構造
１８、２８、３８  位置合わせマーク
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、２９ａ、３９ａ、３９ｅ、４９ｅ〜４９ｊ、５９ｅ〜５９ｊ  開口
１０１  導波管
１０２  結合素子
１０３  反射面（バックショート）
【図１】
2018157260.tif 000003
【図２Ａ】
2018157260.tif 000004
【図２Ｂ】
2018157260.tif 000005
【図３】
2018157260.tif 000006
【図４】
2018157260.tif 000007
【図５Ａ】
2018157260.tif 000008
【図５Ｂ】
2018157260.tif 000009
【図５Ｃ】
2018157260.tif 000010
【図６】
2018157260.tif 000011
【図７Ａ】
2018157260.tif 000012
【図７Ｂ】
2018157260.tif 000013
【図８】
2018157260.tif 000014
【図９】
2018157260.tif 000015
【図１０Ａ】
2018157260.tif 000016
【図１０Ｂ】
2018157260.tif 000017
【図１０Ｃ】
2018157260.tif 000018
【図１１】
2018157260.tif 000019
【図１２】
2018157260.tif 000020
【図１３Ａ】
2018157260.tif 000021
【図１３Ｂ】
2018157260.tif 000022
【図１３Ｃ】
2018157260.tif 000023
【図１４】
2018157260.tif 000024
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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