(57)【要約】本発明は、高周波受信機、送信機、およびトランシーバを低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）材料から形成する方法に関する。低ｋ厚膜誘電体テープの２つ以上の層、および互いに接触し、および低ｋ厚膜誘電体テープの２つ以上の層、および互いに接触し、高周波トランシーバの経済的な大量生産技術を支援する改善された性質および性能を有する低ｋ高ｋのＬＴＣＣ構造を形成する。本発明は、ＬＴＣＣ受信、送信、およびトランシーバ構造、ならびにそのような構造から製造されたデバイスにも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温同時焼成セラミック基板を有する高周波アンテナの大量生産方法であって：
（ａ）互いに接触する低ｋ厚膜誘電体テープの１つ以上の層を提供して低ｋ層状構造を形成するステップであって、前記低ｋ厚膜誘電体テープの１つ以上の層のそれぞれが、３．５〜６．５の範囲内の誘電率を有し、固形分を基準として：（ａ）４０〜８０重量パーセントのガラス組成物；（ｂ）２０〜６０重量パーセントのセラミック酸化物を含み；（ｃ）有機ポリマーバインダーの溶液中に分散されている、ステップと、
（ｂ）前記低ｋ層状構造を、高ｋ材料の１つ以上の層でできた高ｋ構造と接触させて、露出低ｋ表面および露出高ｋ表面を有する組立体を形成するステップと、
（ｃ）前記露出低ｋ表面上にパッチアンテナパターンを提供するステップと、
（ｄ）前記組立体を処理して低温同時焼成セラミック構造を形成するステップと、
（ｅ）前記露出高ｋ表面上にチップ回路を提供するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記高ｋ構造が、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、および基板上感光性テープ（ＰＴＯＳ）からなる群から選択される高ｋ材料からできており、６．５以上のｋ値を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高ｋ構造が、互いに接触し、それぞれが６．５〜８の範囲内の誘電率を有する厚膜誘電体テープの１つ以上の層である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ガラス組成物が、モルパーセントを基準として、５０〜６％のＢ2Ｏ3、０／５〜５．５％のＰ2Ｏ5、ＳｉＯ2、およびそれらの混合物、２０〜５０％のＣａＯ、２〜１５％のＬｎ2Ｏ3（式中、Ｌｎは希土類元素およびそれらの混合物からなる群から選択される）；
０〜６％のＭI2Ｏ（式中、ＭIはアルカリ元素からなる群から選択される）；および
０〜１０％のＡｌ2Ｏ3から本質的になり、但し前記組成物が水系で粉砕可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ガラス組成物が２〜６ポアズのｌｏｇ粘度範囲を有し、前記セラミック酸化物が、シリカ、シリケート、およびそれらの混合物から本質的になる群から選択され、前記セラミック酸化物が２〜５ｋの範囲内の誘電率を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記低ｋ厚膜誘電体組成物が、（ｄ）酸化銅、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および混合酸化物からなる群から選択される最大５重量パーセントの無機酸化物をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記低ｋ厚膜誘電体テープがＸ−Ｙ拘束を提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
拘束テープを含むステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ガラス組成物が、モルパーセントを基準として、（ｉ）４６〜５７．９６％のＢ2Ｏ3、（ｉｉ）０．５〜８．５％のＰ2Ｏ5、１．７２〜５．００％のＳｉＯ2、およびＰ2Ｏ5とＳｉＯ2との混合物（ここで、Ｐ2Ｏ5とＳｉＯ2との前記混合物の合計のモル比は３．４４〜８．３９％である）からなる群から選択されるガラス網目形成剤、（ｉｉｉ）２０〜５０％のＣａＯ、（ｉｖ）２〜１５％のＬｎ2Ｏ3（式中、Ｌｎは希土類元素およびそれらの混合物からなる群から選択される）；（ｖ）０〜６％のＭＩ2Ｏ（式中、ＭＩはアルカリ元素からなる群から選択される）；および（ｖｉ）０〜１０％のＡｌ2Ｏ3から本質的になり、前記ガラス組成物は、セラミックが充填された不透明ガラス組成物であり、前記ガラス組成物は結晶化前には流動し、但し、前記組成物が水系で粉砕可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
低温同時焼成セラミック基板を有する大量生産された高周波アンテナであって、前記アンテナが：
（ａ）互いに接触する低ｋ厚膜誘電体テープの１つ以上の層であって、それぞれが、３．５〜６．５の範囲内の誘電率を有し、固形分を基準として：（ａ）４０〜８０重量パーセントのガラス組成物；（ｂ）２０〜６０重量パーセントのセラミック酸化物を含み；（ｃ）有機ポリマーバインダーの溶液中に分散された；低ｋ層状構造を形成する、低ｋ厚膜誘電体テープの１つ以上の層と、
（ｂ）互いに接触し、前記低ｋ層状構造と接触する、高ｋ材料の１つ以上の層であって、前記２つ以上の（ａ）層および前記２つ以上の（ｂ）層が、露出低ｋ表面および露出高ｋ表面を有する組立体を形成する、高ｋ材料の１つ以上の層と、
（ｃ）前記露出低ｋ表面上のパッチアンテナパターンと、
（ｄ）処理されて低温同時焼成セラミック構造を形成する前記組立体と、
（ｅ）前記露出高ｋ表面上のチップ回路とを含む、高周波アンテナ。
【請求項１１】
前記高ｋ材料が、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、および基板上感光性テープ（ＰＴＯＳ）からなる群から選択され、６．５以上のｋ値を有する、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記高ｋ材料が、互いに接触し、それぞれが６．５〜８の範囲内の誘電率を有する厚膜誘電体テープの１つ以上の層である、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記ガラス組成物が、モルパーセントを基準として、５０〜６％のＢ2Ｏ3、０／５〜５．５％のＰ2Ｏ5、ＳｉＯ2、およびそれらの混合物、２０〜５０％のＣａＯ、２〜１５％のＬｎ2Ｏ3（式中、Ｌｎは希土類元素およびそれらの混合物からなる群から選択される）；
０〜６％のＭI2Ｏ（式中、ＭIはアルカリ元素からなる群から選択される）；および
０〜１０％のＡｌ2Ｏ3から本質的になり、但し前記組成物が水系で粉砕可能である、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記ガラス組成物が２〜６ポアズのｌｏｇ粘度範囲を有し、前記セラミック酸化物が、シリカ、シリケート、およびそれらの混合物から本質的になる群から選択され、前記セラミック酸化物が２〜５ｋの範囲内の誘電率を有する、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１５】
前記低ｋ厚膜誘電体組成物が、（ｄ）酸化銅、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、および混合酸化物からなる群から選択される最大５重量パーセントの無機酸化物をさらに含む、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１６】
前記低ｋ厚膜誘電体テープが前記処理中のＸ−Ｙ拘束を提供する、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１７】
拘束テープをさらに含む、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１８】
前記ガラス組成物が、モルパーセントを基準として、（ｉ）４６〜５７．９６％のＢ2Ｏ3、（ｉｉ）０．５〜８．５％のＰ2Ｏ5、１．７２〜５．００％のＳｉＯ2、およびＰ2Ｏ5とＳｉＯ2との混合物（ここで、Ｐ2Ｏ5とＳｉＯ2との前記混合物の合計のモル比は３．４４〜８．３９％である）からなる群から選択されるガラス網目形成剤、（ｉｉｉ）２０〜５０％のＣａＯ、（ｉｖ）２〜１５％のＬｎ2Ｏ3（式中、Ｌｎは希土類元素およびそれらの混合物からなる群から選択される）；（ｖ）０〜６％のＭＩ2Ｏ（式中、ＭＩはアルカリ元素からなる群から選択される）；および（ｖｉ）０〜１０％のＡｌ2Ｏ3から本質的になり、前記ガラス組成物は、セラミックが充填された不透明ガラス組成物であり、前記ガラス組成物は結晶化前には流動し、但し、前記組成物が水系で粉砕可能である、請求項１０に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）材料から高周波受信機、送信機、およびトランシーバを形成する方法に関する。本発明は、ＬＴＣＣ受信、送信、およびトランシーバ構造、ならびにそのような構造から作製されたデバイスにも関する。
【背景技術】
【０００２】
（ａ）ＬＴＣＣ厚膜材料が十分に低い誘電率（ｋ）を実現し、信号処理用途の電子パッケージの低ｋ部分として使用できるようになる、ＬＴＣＣ厚膜材料中に使用するためのガラスと、（ｂ）信号処理用途の電子パッケージの低ｋ部分として使用するのに十分低いｋが実現されるこのようなＬＴＣＣ厚膜材料との最近の発見によって、このようなＬＴＣＣ厚膜材料を利用するさらなる発見が可能となった。このようなガラスは、２００６年１０月５日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡され許可された米国特許出願第１１／５４３，７４２号明細書に開示され請求されている。このような低ｋ厚膜誘電体組成物は、２００７年６月２９日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１１／８２４，１１６号明細書に開示され請求されている。
【０００３】
相互接続回路基板は、電気的および機械的に相互接続された多数の非常に小さな回路素子から作製される電子回路またはサブシステムの物理的な実現の１つである。これらの様々な種類の電子部品をある配列で組み合わせることが多くの場合望ましく、それによって、それらの部品を物理的に分離して、１つのコンパクトなパッケージ中で互いに隣接して取り付け、互いに電気的に接続、および／またはパッケージから延在する共通の接続に電気的に接続することができる。
【０００４】
複雑な電子回路は、一般に、絶縁性誘電体層によって分離された導体の数層によって回路が構成されることが必要となる。導電層は、誘電体層を通過するビアと呼ばれる導電性経路によって各層の間で相互接続される。このような多層構造によって、回路をよりコンパクトにすることができる。
【０００５】
有用な誘電体テープ組成物の１つが、Ｄｏｎｏｈｕｅらに付与された米国特許第６，１４７，０１９号明細書に開示されている。Ｄｏｎｏｈｕｅらの誘電体テープ組成物では７〜８の範囲内の誘電率が達成され、信号処理用途の電子実装の低ｋ材料としては適していない。
【０００６】
さらに有用な誘電体テープ組成物の１つは、市販の製品番号９５１（Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙより市販される）である。この誘電体テープ組成物では７〜８の範囲内の誘電率が達成され、信号処理用途の電子実装の低ｋ材料としては適していない。
【０００７】
従来利用可能なＬＴＣＣ厚膜材料では、信号処理用途の電子パッケージの低ｋ部分として使用するのに十分低いｋが実現されていない。６を超える誘電率（ｋ）を有する厚膜誘電体層の典型的な使用の１つは、埋め込み受動素子用途である。これらのＬＴＣＣ埋め込み受動素子用途では、誘電体厚膜が一般的である。
【０００８】
しかし、アンテナ、ビーム形成、フィルタ、カプラ、バラン、およびその他の高周波（ＲＦ）信号処理用途では、７〜８より実質的に低いｋ値を有するより低いｋ値の材料、好ましくは２〜５の範囲内の誘電率を有する低ｋ材料を使用することが好ましい。したがって、これらの用途で使用されている材料はＬＴＣＣ材料ではなく、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙより市販されるＴｅｆｌｏｎ（登録商標）などのポリ−テトラ−フルオロ−エチレン（ＰＴＦＥ）材料である。
【０００９】
これらのＰＴＦＥ材料は約２．２〜４の誘電率（ｋ）を実現可能である。この３〜４の誘電率によって、より広い線幅が可能となり、５０オームを維持し、回路のより低い誘電損失、および線のスクリーンパターン化のより低い許容効果を得ることができる。今日では、低ｋのＰＴＦＥ誘電体は、誘電体媒質中の波長がより小さくなるため、３０ＧＨｚを超えるほぼすべてのＲＦモジュールにおいて使用される。
【００１０】
誘電率ｋも、積層材料の電気的性能を制御する重要な材料特性である。電子産業において使用される誘電性積層材料は、一般にそれらの誘電率に基づき、１）２．２〜５．５の範囲内の誘電率を有する低ｋ材料、および２）５．５〜１２の範囲のｋを有する高ｋ材料の２つの広い分類に分けられる。
【００１１】
低ｋ積層体は、一般に、前述のＰＴＦＥ材料などの複雑な有機材料で構成され、高ｋ材料はガラス−セラミック組成物である。
【００１２】
有機積層体は、異なるｋ値を実現するために、それらの分子マトリックス中にガラス、セラミック、またはその他の材料粒子が充填される場合もされない場合もある。ＬＴＣＣ材料は、最も広く使用されているガラスセラミック材料系の１つである。低ｋおよび高ｋの両方の材料系は、それらの誘電率のために、特定の独特の利点が得られる。各材料のグループの具体的な利点の比較を以下の表１．１に示す。
【００１３】
一般にセラミック材料、特にＬＴＣＣ材料は、電子システムレベルの実装に関して特定の非常に興味深い特性、すなわち、（ｉ）高い機械的強度および剛性、（ｉｉ）密封性、（ｉｉｉ）非常に低い吸収性（吸収性は有機材料の場合に重要な問題となる）、（ｉｖ）集積回路（ＩＣ）チップの製造に使用される業界標準の半導体材料に適合する優れたＣＴＥ（熱膨張係数）が得られる。
【００１４】
半導体材料は３〜５ｐｐｍ／℃の範囲内のＣＴＥ値を有し、ＬＴＣＣ材料は、材料の場合の１７ｐｐｍ／℃と比較すると４．５ｐｐｍ／℃に近いＣＴＥ値を有する。ＩＣチップのＣＴＥにＬＴＣＣの値が近いことで、非常に高い信頼性が得られる。
【００１５】
さらに、一般にセラミック材料、特にＬＴＣＣ材料は、（ｖ）より高い誘電率のためにクロストークのレベルが小さくなる。最後に、（ｖｉ）ＬＴＣＣ材料のより高い誘電率のために、非常にコンパクトな回路設計が行われる。
【００１６】
しかし、ＬＴＣＣ材料の高い誘電率ｋによって、特に高周波数におけるアンテナおよびその他の放射素子の製造が困難となる。
【００１７】
ＬＴＣＣ材料のもう１つの欠点は、それらの高い誘電率ｋのために信号伝送速度が低下することである。
【００１８】
上記議論および以下の表１．１に基づくと、低ｋおよび高ｋ誘電率材料の両方が、特定の利点および欠点を有することが明らかになる。
【００１９】
Ｇｕｒｋｏｖｉｃｈらに付与された米国特許第５，７５７，６１１号明細書には、コンデンサなどの埋め込み受動素子を中に有する電子パッケージ、およびその製造方法が開示されている。電子パッケージは、高ｋ誘電体材料の複数の層を含む受動素子部分、低ｋ誘電体材料の複数の層を含む信号処理部分、および受動素子部分と信号処理部分との間の少なくとも１つの緩衝層を含む。Ｇｕｒｋｏｖｉｃｈらは、低ｋ領域と高ｋ領域との間に緩衝層が存在しなくてもよいＬＴＣＣ構造は開示していない。さらに、Ｇｕｒｋｏｖｉｃｈらは、圧力で補助される積層が利用される製造方法を開示している。Ｇｕｒｋｏｖｉｃｈらは、信号処理と関連する受動素子の使用を開示しており、独立した特徴としての受動素子部分および信号処理の能力は開示していない。さらに、Ｇｕｒｋｏｖｉｃらは、すべての層の間のすべての垂直ビアに沿った捕捉パッドの使用を開示している。
【００２０】
両方の種類の積層材料の利点を兼ね備えながら、回路の性能に対する悪影響は制限される、低ｋ層および高ｋ層の両方を有する多層積層構造も提案されている。しかし、それらの製造方法は扱いにくく複雑であり、個別の低ｋおよび高ｋの成分は高価であり、どちらも単位製造当たりのコストを増大させる。このことについては以下により詳細に説明する。
【００２１】
本発明者らは、多くの種類の回路で、ＬＴＣＣ積層構造の単純で容易な製造において、低ｋ材料および高ｋ材料の両方の肯定的な面を併せ持つことによる恩恵を受けられることを発見した。たとえば、トランシーバ（同じ回路中の受信機および送信機の組み合わせ）回路は、そのようなシステムの良い一例である。トランシーバ回路は、携帯電話、無線ネットワーク装置、レーダーシステム、ラジオなどの種々の通信設備において非常に広く使用されている。
【００２２】
トランシーバは、典型的には、半導体、受動素子（分離した部品として、回路基板上に印刷される）、ならびに信号の受信および送信のためのアンテナでできた多数のマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を有する。トランシーバを使用する電子装置の実装の場合、基板材料は、ＭＭＩＣの取り付けを補助でき、ルーティング密度は高いがクロストークは低い電気相互接続を補助する能力を有し、効率的なアンテナ構造を補助できる必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
低ｋ材料および高ｋ材料の両方の性質を併せ持つ、トランシーバ、あるいは受信機および送信機などの他の回路溶の安価な基板材料を簡単に製造できることが必要である。
【００２４】
本発明は、異なる誘電率を有する２つのＬＴＣＣテープ系（一方が低ｋを有し、他方が高ｋを有する）を組み合わせて、トランシーバ用途、あるいは受信機および送信機などの他の回路用途の単一のモノリス多層回路基板を形成することができる、独特で新規な方法およびその結果得られる構造を提供する。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、低温同時焼成セラミック基板を有する高周波アンテナの新規で、独特で、および費用対効果が非常に高い大量生産方法を提供する。それ（Ｔｈｅ）は、（ａ）互いに接触する低ｋ厚膜誘電体テープの１つ以上の層であって、それぞれが、３．５〜６．５の範囲内の誘電率を有し、固形分を基準として：（ａ）４０〜８０重量パーセントのガラス組成物；（ｂ）２０〜６０重量パーセントのセラミック酸化物を含み；（ｃ）有機ポリマーバインダーの溶液中に分散された、１つ以上の層を提供して；低ｋ層状構造を形成するステップと、（ｂ）前記低ｋ層状構造を、高ｋ材料の１つ以上の層でできた高ｋ構造と接触させて、露出低ｋ表面および露出高ｋ表面を有する組立体を形成するステップと、（ｃ）露出低ｋ表面上にパッチアンテナパターンを提供するステップと、（ｄ）組立体を処理して低温同時焼成セラミック構造を形成するステップと、（ｅ）露出高ｋ表面上にチップ回路を提供するステップとを含む。
【００２８】
本発明の実施形態においては、高ｋ構造は、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、および基板上感光性テープ（ＰＴＯＳ）からなる群から選択される高ｋ材料から形成され、６．５以上のｋ値を有する。
【００２９】
本発明の別の実施形態においては、高ｋ構造は、互いに接触し、それぞれが６．５〜８の範囲内の誘電率を有する厚膜誘電体テープの１つ以上の層である。
【００３０】
本発明は、前述の本発明の方法により作製される、独特で費用対効果が非常に高い高周波アンテナをも提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】既存のトランシーバ実装の一例を示している。
【図２Ａ】本発明によるトランシーバパッケージの概略図を示している。
【図２Ｂ】低ｋ層上に印刷されたフェーズドアンテナアレイを示している。
【図２Ｃ】本発明の完成した単一基板のＬＴＣＣトランシーバの断面を示している。
【図２Ｄ】本発明の実施形態と比較した既存のデバイスの費用構造の比較である。
【図３】４つの異なるアンテナ基板材料の周波数の関数としての放射効率の変動を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の方法、ならびに本発明の種々の実施形態を実施することで得られる構造およびデバイスの大幅な改善を説明するための根拠として、両方の種類の積層材料の利点を兼ね備えながら、回路性能に悪影響を与えない、低ｋ層および高ｋ層の両方を有する多層積層構造が使用される現在の技術水準について説明する。しかし、より詳細に検討するように、それらの製造方法は扱いにくく複雑であり、個別の低ｋ成分および高ｋ成分は高価であり、どちらも単位製造当たりのコストを上昇させる。
【００３３】
典型的なトランシーバは、効率的に機能させるために低ｋ材料および高ｋ材料の両方を組み合わせることが必要なため、現在の設計では、トランシーバのチップ取付側に高ｋセラミック材料が使用され、アンテナ側に低ｋ有機材料が使用される。
【００３４】
２つの完全に異なる種類の材料（低ｋ用の有機および高ｋ用のセラミック）の間のこの複合構造によって、性質の非常に大きな不一致が生じ、中間構造材料なしにはこれらの材料を互いに取り付けることはできない。
【００３５】
高度に研磨されおよび精密に機械加工されたアルミニウムでできた金属ベースプレートが、このようなトランシーバパッケージの主要部分として現在使用されている。
【００３６】
これら３つの構成要素；（ｉ）低ｋ有機アンテナ基板、（ｉｉ）高ｋセラミックＭＭＩＣ基板、および（ｉｉｉ）金属ベースプレートは、別々に製造する必要がある。３つの構成要素のそれぞれで、完全に異なる製造方法が使用される。次に、これらが互いに組み立てられて、トランシーバユニットが形成される。
【００３７】
非常に低損失の電気相互接続が、金属板を介したＭＭＩＣセラミック基板および有機アンテナ基板との間に必要である。現在、金属板上に製造できる相互接続構造の最良の設計解は、空気で満たされた導波管であり、これには非常に高い幾何学的精度が必要となる。さらに、積層体（有機およびセラミックの両方）上に印刷されたマイクロストリップ相互接続と、空気で満たされた導波管との間の界面での好適な遷移を設計し、最適化し、製造する必要がある。このような遷移は「損失が大きく」なる傾向にあり、全体としてのシステムの予算の減少が非常に限定される。
【００３８】
さらに、組立ステップには、費用構造に付け加えられる非常に特殊なプロセス用機器が必要である。
【００３９】
３つの異なるサブコンポーネントを取り扱い、それらを空間で操作し、次に信号損失を制限するために最小減の空間不整合で互いに取り付けるための高精度のプロセスが必要となるため、組立段階での大きな歩留まりの効果も存在する。
【００４０】
全体として、トランシーバ実装のこの現在の設計解は非常に複雑で、費用のかかるプロセスであり、その結果、最終システムの費用が高くなって、自動車の適応走行制御（ＡＣＣ）システムのトランシーバ周辺に形成されるシステムの市場での受け入れが制限される。
【００４１】
このようなトランシーバ実装の典型的な一例を図１中に示す。
【００４２】
本発明の実施形態においては、低ｋのＬＴＣＣテープの複数層を使用し、これが高ｋのＬＴＣＣテープの複数層と互いに積層されて、「単一基板ＬＴＣＣ」に加工されることは、トランシーバ実装の解決法を提供する技術分野における大きな進歩となる。同時に、前述の現在の技術水準によって生じる多数の問題は、後述するように解消または大幅に縮小される。
【００４３】
本発明は、低ｋおよび高ｋの両方の積層層を同じモノリス基板中に有するようにＬＴＣＣ材料を設計できることを利用する。本発明の実施形態においては、低ｋのＬＴＣＣテープの複数の層が高ｋのＬＴＣＣテープの複数の層と互いに積層され、加工されて単一基板ＬＴＣＣとなる。本発明の別の実施形態においては、アンテナ構造が低ｋ層上に製造され、一方、ＭＭＩＣが高ｋ層上に搭載される。
【００４４】
本発明は、完全にセラミックである構造を提供するので、表１．１で前述したセラミック材料の全ての利点が得られる。具体的には、（ｉ）高い機械的強度および剛性、（ｉｉ）密封性、（ｉｉｉ）非常に低い吸水性、（ｉｖ）（ＩＣ）チップに対するＣＴＥ（熱膨張係数）の優れた一致、（ｖ）より高い誘電率のためにより低レベルのクロストーク、および（ｖｉ）非常にコンパクトな回路設計のすべてが本発明の単一基板ＬＴＣＣによって得られる。
【００４５】
ＭＭＩＣとアンテナ分岐回路とを分離する必要性は、１つの共通の基板中に両方の機能が組み合わされるので、本発明によって解消される。さらに、本発明のＬＴＣＣ構造は金属ベースプレートインターポーザーが不要であるため、コストが大きく削減される。現行の方法の歩留まりの低下の主要な原因である複雑な組立ステップが完全になくなり、コストの大幅な削減が実現される。さらに、組立ステップがなくなることで、サイクル時間が短縮され、したがって組立体ラインの処理量が大幅に改善される。最後に、印刷伝送ライン（たとえば、マイクロストリップ、共平面導波管、ストリップライン）から空気で満たされた導波管への変更が不要になり、システム予算の削減が改善される。
【００４６】
本発明で提案される１つの基板ＬＴＣＣに使用される製造方法は単に標準的なＬＴＣＣプロセス、すなわち、スクリーン印刷、積層、および焼成を使用するため、ＬＴＣＣ処理に一般に必要なもの以外のさらなる特殊な設備への資本投資が不要である。
【００４７】
図２Ａは、本発明によるトランシーバパッケージの概略図を示している。図２Ｂは、低ｋ層上に印刷されたフェーズドアンテナアレイを示している。図２Ｃは、本発明の完成した単一基板ＬＴＣＣトランシーバの断面を示している。図２Ｄは、現在の技術水準と、本発明の実施形態との費用構造の比較である。
【００４８】
放射効率は、アンテナアレイの重要な運転パラメータの１つである。放射効率は、放射される電磁エネルギーと、種々の損失機構によって散逸される電磁エネルギーとの比である。典型的な損失機構としては、導電性素子の抵抗損失、基板材料の誘電損失、ならびに表面波の励起および伝播による損失が挙げられる。抵抗損失および誘電損失は、高い導電性を有する導体、および低い損失正接を有する基板材料を選択することによって減少させることができる。しかし、表面波損失は重要であり、誘電体の厚さおよび基板の誘電率に依存する。表面波損失は、特定の基板厚さの場合、アンテナ基板の誘電率とともに増加する。さらに、表面波は、放射線パターンの性質に悪影響を与え、その結果、副ローブレベルおよび干渉偏波効果が大きくなる。表面波損失の影響は、動作周波数の増加とともに大きくなる。したがって、アンテナ材料の誘電率を比較的低く維持することが非常に重要である。しかし、誘電率が低すぎる場合には、より大きな金属化パターンを含むアンテナが必要になり、それによって、アンテナアレイの全体のサイズが大きくなる。次にこれによって、システム全体の占有面積が仕様を超える。本発明の複合的な低ｋ／高ｋの組み合わせのＬＴＣＣ基板によって、回路全体の占有面積をより小さく維持する必要性と、同時に比較的高い放射効率との間の非常に良好なバランスが実現される。
【００４９】
図３は、４つの異なるアンテナ基板材料の周波数の関数としての放射効率の変動を示している。すべての場合で、周波数が増加するとともに放射効率が低下している。しかし、周波数に伴う放射効率の低下速度は、最高誘電率の材料（この場合誘電率が１０のアルミナ）で最高となる。したがって、周波数とともに放射効率が低下する悪影響を軽減するためには、アンテナ基板の誘電率が低いことが好都合であることが明らかである。さらに、低誘電率の利点は、高周波数においてより顕著となる。以下の表３は、考慮される材料の種々の周波数における放射効率の絶対値を示している。
【００５０】
【表３】
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【００５１】
本発明による低ｋ／高ｋ構造は、一方の側でトランシーバ中のアンテナ基板として機能する３．５〜６．５の範囲内、または別の実施形態においては４〜５の範囲内の誘電率を有する低ｋ層を有する。表から明らかなように、本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造は、本発明の多層積層ＬＴＣＣ構造中に低ｋ層が存在するために、標準ＬＴＣＣおよびアルミナの両方を含めた他のセラミック材料と比較して、３０ＧＨｚを超える周波数で放射効率の顕著な改善が得られる。
【００５２】
アンテナサイズに対する効果は、本発明の多層積層ＬＴＣＣ構造のもう１つの利点である。典型的なトランシーバアレイアンテナは、アンテナ金属化パターンの大きなマトリックスと各素子とで構成され、全体のマトリックスは長方形または円形などの単純な幾何学的形状をとる。一般に、トランシーバ全体の面積を基準とすると、アレイアンテナは最大のサブシステムである。したがって、システム全体の占有面積を小さく維持するために、アンテナアレイが湿る面積を最小限にすることが重要である。
【００５３】
各アンテナ素子の大きさは、アンテナ基板の誘電率に依存し、誘電率に逆相関する。これは、高い誘電率を有する材料がアンテナ基板として使用される場合、特定の動作周波数で、得られる素子のサイズが小さくなることを意味する。
【００５４】
しかし、より良い放射効率のためには、アンテナ基板は、より低い誘電率を有する必要がある。明らかに、高放射効率と、より小さな面積との要求は、同時に満たすことができず、設計上で妥協する必要性が生じる。したがって、良好な放射効率を十分小さな占有面積とともに保証するためには、中間の誘電率を有するアンテナ基板が必要となる。
【００５５】
一例として、表４は、一般に使用される電子実装材料での長方形マイクロストリップパッチアレイの各素子によって占められる面積を示している。アレイ全体は、一般に１００〜１０００個のこれらの素子で構成され、大きな面積の構造となる。
【００５６】
【表４】
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【００５７】
表４より明らかなように、アンテナ素子の最小面積は誘電率が約１０のアルミナの場合に実現され、有機材料では、アンテナの大きさはほぼ３倍になる。放射線効率（表３）およびアンテナ素子の面積（表４）を比較することによって、より小さな占有面積を有し、最高の放射効率を有する有機材料よりも小さい占有面積を有するＬＴＣＣと比較して、本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造が、より良好な放射効率が実現されることが分かる。
【００５８】
したがって、本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造の別の独特の利点は、既存の設計と比較した場合に、アンテナ放射効率と回路全体の面積との間に要求される妥協が実現されることである。
【００５９】
相互接続サイズに対する効果は、本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造のさらに別の利点である。電子実装に用いられるあらゆる誘電体基板の主要な機能の１つは、低損失の電気相互接続を実現する媒体を提供することである。これらの相互接続は、制御されたインピーダンス伝送ラインの形態をとり、種々の部品およびサブシステムの間、最も重要には集積回路チップの間で信号を伝達する。
【００６０】
相互接続を画定する金属化の幅は、インピーダンスの制御における重要なパラメータであり、誘電率の逆関数である。低誘電率を有する基板材料の場合は、相互接続の幅を広くする必要があり、逆の場合も同様である。したがって、低ｋ材料上の相互接続はより多くの空間をとり、そのため回路全体の占有面積が非常に大きくなる。他方、狭い制御されたインピーダンスの相互接続では、より高い誘電率の材料上で容易に実現できる。本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造は、基板のチップ取付側が６．５〜８．０程度の誘電率を有するＬＴＣＣ層で構成されるので、この点に関して独特の利点が得られる。
【００６１】
したがって、本発明の基板による低ｋ／高ｋＬＴＣＣ構造は、低ｋ層上に良好な放射効率およびより小さなサイズのアンテナを製造することができ、同時に高ｋ層上に狭い制御されたインピーダンスのチップ相互接続を支持することができる。これによって、一方がアンテナ機能に最適化され、他方がチップ取付および相互接続に最適化された２つの別々の基板材料を有する必要がなくなり、それによってトランシーバ回路の設計、組立、および製造が顕著に簡略化される。
【００６２】
埋め込み受動素子の集積化の可能性が、本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造のもう一つの利点である。一般に、トランシーバ回路は、多数の種々の受動素子を使用することで、種々の電気的機能が実現される。抵抗器およびコンデンサは、トランシーバの最も広く必要とされる受動機能である。本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造は多層セラミック複合材料であるので、抵抗器およびコンデンサ膜ペーストをＬＴＣＣテープとともに同時焼成し、金属化して、受動素子を積層体中に埋め込むことができ、それによって基板の外面上の貴重な回路面積が開放される。
【００６３】
図２Ｃを参照すると、本発明の単一基板ＬＴＣＣトランシーバには、ＬＴＣＣ構造の個別の層および／またはパッチアンテナグリッドおよび／またはＭＭＩＣデバイスの間の電気相互接続に関して本明細書において議論した基板によって生じる特定の要求および制限が存在しない。設計の要求および設計者の創造性に依存して、ＭＭＩＣ間、およびＭＭＩＣとアンテナとの間で、あらゆる単純または複雑な相互接続案が生じうる。これらの相互接続は、各基板層の界面上の信号トレース、異なる層上のビア接続トレースなどによって形成された経路を有することができる。このことは、当技術分野において既に周知のあらゆる多層またはＬＴＣＣ回路の場合と全く同じである。相互接続の個別の性質とは無関係に、高ｋ材料はトレースを狭くできるため多数の相互接続線を特定の面積中に同時に配置できるという意味で、高ｋ層は、非常に高い相互接続または導体の密度が可能となる。同時に、アンテナの製造は低ｋ層上で行うことができる。
【００６４】
本発明の実施形態においては、設計者が使用を望む個別のトランシーバ構成に依存して、１つ以上のＭＭＩＣが存在することができる。別の実施形態においては、ＭＭＩＣパッケージおよびＭＭＩＣを有さないパッケージと非常に類似して実装されるトランジスタが存在することができる。一般に、本発明は、本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造の低ｋ表面上にＭＭＩＣおよび／またはトランジスタなどの能動部品を含む。
【００６５】
本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造の低ｋ表面上のＭＭＩＣおよび／またはトランジスタなどの能動部品のそれぞれと、およびパッチアンテナグリッドと間には接続の最小数は存在しない。このような構成は、個別の設計に依存する。上記の説明にかかわらず、本発明による低ｋ／高ｋのＬＴＣＣ構造の低ｋ表面上のＭＭＩＣおよび／またはトランジスタなどの能動部品の１つと、アンテナグリッドとの間には、少なくとも１つの相互接続が必要である。本発明の実施形態においては、この１つの線接続は、すべてのアンテナグリッドに給電するために「分岐」することができる。本発明の別の実施形態においては、アンテナグリッドの各素子は、独立した専用の相互接続で給電する、各素子用のＭＭＩＣの組を有することができる。典型的なシステム設計の１つでは、アンテナグリッドに給電する複数のＭＭＩＣから始まる２０程度の相互接続が存在することができる。
【００６６】
本明細書において使用される場合、用語「厚膜」および「厚膜ペースト」は、有機媒体中の微粉砕固体の分散体であって、ペーストのコンシステンシーを有するか、テープキャスティング可能なスラリーであり、スクリーン印刷、ならびに吹き付け、浸漬、インクジェット、またはロールコーティングに適したレオロジーを有する分散体を意味する。本明細書において使用される場合、用語「厚膜」は、処理後に数ミクロン以上の厚さの膜を形成する、スクリーン印刷ビヒクル中の粉末の懸濁液またはテープキャスティング可能なスラリーを意味する。この粉末は、典型的には、機能相、ガラス、および基板に接着させるためなどのその他の添加剤を含む。ビヒクルは、典型的には有機樹脂、溶媒、およびレオロジー的な理由の添加剤を含む。このようなペーストの有機媒体は、通常、溶媒中に溶解させた液体バインダーポリマーと種々のレオロジー剤とで構成され、これらすべては焼成プロセス中に完全に熱分解する。このようなペーストは、抵抗性または導電性のいずれであってもよく、場合によっては誘電性であってもよい。本発明の厚膜組成物は、焼成中に焼結させるために必要な機能性固体としての無機バインダーを含有する。好適な有機媒体材料のより詳細な議論は、Ｕｓａｌａに付与され参照により本明細書に援用される米国特許第４，５３６，５３５号明細書に見ることができる。ある実施形態においては、焼成した誘電体厚膜層は、１つの印刷層またはテープ層で約３〜３００ミクロンであり、その中のあらゆる範囲が含まれる。さらなる実施形態においては、焼成した誘電体厚膜層の厚さは３〜５ミクロンの範囲内、５〜１０ミクロンの範囲内、１０〜１５ミクロンの範囲内、３０〜２５０ミクロンの範囲内である。
【００６７】
Ｉ．高ｋ誘電体テープ組成物
本発明は、市販の誘電性体厚膜テープ組成物を、外部または内部のいずれかの拘束テープとして使用する。これらの市販の高ｋ誘電体厚膜テープは、ホウ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、またはボロホスホシリケートガラスの網目構造などの結晶性ガラスを主成分とする系を含み、市販のテープの番号９５１、９４３、または参照により本明細書に援用される米国特許出願第１１／５４３７４２号明細書に記載のテープにおいて使用されている（Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙより市販される）。これらの市販の高ｋテープは本発明において特に有用である。本明細書において使用される場合、「高ｋ」テープは６〜８ｋの範囲内である。上記の誘電体テープは、標準的な拘束テープではない。標準的な拘束テープは、機能性テープ層と反応し、回路を損傷せずにＬＴＣＣデバイスから除去することができない。
【００６８】
本発明において有用な高ｋテープは、典型的には非常に反応性であり、外部または内部で使用した場合の前述の標準的な拘束テープと反応する可能性があり；したがって誘電損失および誘電率などの高周波特性が低下しうる。したがって、標準的な拘束テープは、高周波用途に使用されるこれらのホウ酸塩系低損失誘電体テープとの併用には有用ではない。
【００６９】
本発明は、以前に開発された低ｋ誘電体厚膜組成物およびそれらの使用方法を使用し、これによって以下のことが得られる：（１）現在利用可能なｋ≒６〜８よりも低い誘電率での高周波用途の低誘電損失テープ、（２）拘束テープを使用しない場合で、現在利用可能な７〜１２％の収縮値よりも低い収縮値、（３）ある実施形態においては、高ｋ誘電体テープ（市販の製品番号９４３、９５１、および米国特許出願第１１／５４３７４２号明細書に開示される市販のテープ）を拘束する性質が追加された低ｋテープ、そして最後に（４）低ｋ誘電体テープは高ｋ誘電体テープと反応し、焼成すると層間剥離が起こらない連続構造が得られ、そのため回路設計者は、適切な位置で回路の機能特性を制御するために回路のｚ方向での適切な位置で数種類のｋ値のテープを使用することができる。ある実施形態においては、低ｋテープおよび高ｋテープの焼成後、均一構造（すなわち、個別のテープ層が区別できない構造）が結果として得られる。
【００７０】
本発明は、新規の低ｋおよび低誘電損失テープを使用する。さらに本発明に記載の低ｋテープは、市販の誘電体厚膜テープに対して適合性であり、ＬＴＣＣ構造の特定の層中に使用することができる。新規の低ｋテープは、市販のあらゆる機能性ＬＴＣＣテープよりも低収縮性であり、現在利用可能な他の機能性グリーンテープ（たとえば前述の高ｋ誘電体テープ）を併用する場合に、これを拘束するさらなる性質を有する。
【００７１】
典型的には、ＬＴＣＣテープは、除去可能なポリマーフィルム上に無機固体と有機固体と一時的溶媒とのスラリーをキャスティングすることによって形成される。このスラリーは、ガラス粉末と、セラミック酸化物フィラー材料と、有機系樹脂−溶媒系（媒体）とからなり、これらを配合し処理することによって、分散し懸濁した固体を含有する流体が得られる。均一な厚さおよび幅のコーティングが形成されるように、除去可能なポリマーフィルムの表面にスラリーをコーティングすることによって、テープが作製される。
【００７２】
一実施形態においては、高周波ＬＴＣＣ用途の誘電体テープ層として使用できるＬＴＣＣテープ材料は、米国特許出願第１１／５４３７４２号明細書に開示されている。
【００７３】
さらに、米国特許出願第１１／５４３７４２号明細書の誘電体厚膜テープ組成物のある実施形態は、本発明において高ｋ厚膜テープ層として有用である。この誘電体テープは、毒性の可能性がある成分が除去されるように設計されており、均一であり６〜８の範囲内の比較的低い誘電率を示す。さらに、この誘電体テープは、最高９０ＧＨｚ、または場合により金属充填量に依存してより高い値までの広い周波数範囲にわたって低誘電損失性能を有する。
【００７４】
ＩＩ．低ｋ厚膜誘電体テープ組成物
低ｋテープは、市販の「ＬＴＣＣ回路機能性テープ」と比較して非常に小さい収縮を示し、さらに、ＬＴＣＣ構造のｚ方向で使用した場合に他の市販のテープを拘束し、処理後に除去する必要がない。低ｋテープは、高密度ＬＴＣＣ回路の形成に使用される場合に導体および受動電子材料に対して処理および材料の適合性を示す。低ｋテープ系または「低ｋテープ系複合系」と他の市販の低損失テープとの併用によって、９０ＧＨｚ以上までの周波数にわたって低誘電損失が得られ、ＰＴＦＥ構造よりも回路設計の自由度が高く、優れたＸ−Ｙ拘束効果が得られ、本発明に記載のＬＴＣＣ系の標準的な処理条件下で層が剥離することなく低ｋテープと高ｋテープとの間で良好な接合が得られる。本発明の厚膜誘電体テープ層の間には緩衝層は不要である。
【００７５】
本発明の実施形態においては、ＲＦ、マイクロ波、および／またはミリ波の信号処理能力を１つのモジュール、パッケージ、または基板により高密度で集積できる自己拘束ＬＴＣＣ系が提供される。複数の高ｋおよび低ｋ誘電体層を１つの複合モジュール、パッケージ、または基板（すなわち、構造）中にともに使用することができ、Ｘ−Ｙ方向で自己拘束され、低ｋおよび低損失をも有する、ＬＴＣＣおよび多層セラミック系は存在しない。本発明は、種々の高ｋ値および低ｋ値、厚さ、ならびに損失値からなる層の組み合わせを１つのＬＴＣＣ構造中で使用する。
【００７６】
ＬＴＣＣデバイスに有用な市販の誘電体グリーンテープは約６〜７の最低誘電率を有する。回路設計者は、市販の誘電体厚膜ＬＴＣＣテープよりもはるかに低いｋ値を探し求めている。低Ｋ誘電体は、３０ＧＨｚを超えるほぼすべてのＲＦモジュールで使用される。積層体中の特定のｚ方向の位置で６〜８より小さいＫの層を配置できれば、回路設計者の自由度がより高くなる。
【００７７】
ここで、モジュールの外層上に低Ｋ誘電体を使用するので、アンテナはＰＴＦＥにおいて設計されるものと同様である。低Ｋを使用することで、より幅広いＲＦ線で、５０オームの抵抗を維持することができる。このことにより：（１）線幅の許容誤差の影響が狭い線よりも少ないため、幅広い線は歩留まりが高いこと、および（２）幅広い線は狭い線よりも良好な性能が得られる（すなわち減衰が少ない）ことの二重の効果が設計に対して与えられる。
【００７８】
あらゆるグリーンテープはＬＴＣＣ処理中に収縮する。収縮は：テープ中に存在する無機酸化物の粒度および粒度分布；有機材料と無機材料との比；ポリマーの「開裂」（ｕｎ−ｚｉｐｐｉｎｇ）および解重合、ならびに炭素質種の「焼失」の動力学；ガラス軟化の動力学；テープ中のガラス成分と、無機フィラー材料が存在する場合の無機フィラー材料との相互作用；ガラスが結晶性の場合の、結晶の核形成および成長などの多くのパラメータと関連性がある。収縮は３次元の減少であるが、ＬＴＣＣ回路設計者にとっての最も重要な側面はＸ−Ｙ収縮である。好ましい結晶成長であれば、設計に対する影響は少ない。しかし長い結晶成長では、表面粗さ、望ましくない性質のばらつきが生じうる。Ｘ−Ｙ収縮が０である、および／または可能な最低レベルに収縮を制御することが望ましい。セラミックの専門家は、ＬＴＣＣテープを制御し拘束する材料およびテープを開発している。これらの拘束テープは、アルミナおよびシリカなどのＬＴＣＣの加工温度において最小限で焼結可能なセラミック材料を主成分とする。これらの拘束テープに対する他の要求は、回路の焼結後にＬＴＣＣ回路の表面から容易に除去できるべきであること；すなわち機能性テープ層に対する反応性が最低限となるべきことである。ある拘束テープは、機能性テープの複合層のＺ方向に挿入することによって内部で使用され、それらが回路の一部となり、外部での拘束に使用されるテープとは異なり除去されない。このようなすべての利用可能な内部拘束テープは、高周波用途に必要な誘電率よりも高い誘電率を有する。高周波用途に使用され、前述の項で説明したＬＴＣＣテープは、ホウ酸塩ガラスまたは放映酸塩ガラス、またはボロホスホシリケートガラスが主成分の系であり、これはＬＴＣＣ処理条件で結晶化し、低粘度「残存ガラス」が残存する。外部拘束テープは「残存ガラス」と反応するため、回路の損傷、および／または残留物の残存を引き起こすことなく処理後に除去することが困難である。表面上にこのような残留物が残存すると、表面上に機能単位を付け加えることが不可能になる。拘束テープを使用せずに設計の要求に応じるために、０または許容される最低限の収縮に近い低い収縮値を有するＬＴＣＣテープが開発されると理想的である。
【００７９】
テープを内部および／または外部から拘束し、複合材料の収縮を最小限まで減少させることは、将来のデバイスの要求条件に対する必須の要求である。標準的な拘束テープは、それらのテープの化学的性質では使用することはできないが、その理由は、それらが互いに反応し、処理後に除去することができず、そのため、コントレイニング（ｃｏｎｔｒａｉｎｉｎｇ）テープが機械的に除去した場合に、誘電特性の低下：Ｋ、誘電損失、および回路表面の損傷の増加が起こるからである。
【００８０】
本発明は、ガラスの結晶化を制御し、「残存」ガラスの粘度を制御し、焼成した複合材料の誘電率を低下させるためのセラミック酸化物フィラーを有するホウ酸塩、ホウケイ酸塩、またはボロホスホシリケートの結晶性ガラス系テープにも関する。さらに、この新規のテープは、他の市販の低誘電損失テープと適合させることができ、そのため数種類の特性機能を得るために互いに一体化させることができる。
【００８１】
さらに、低Ｋおよび低損失誘電特性を有する特定の層を回路中に組み込もうと回路設計者が望むのであれば、適合した化学的性質を有するあらゆるＬＴＣＣ複合系中に本発明のテープを組み込むことができる。このような組み込みによって、系中の他のテープ層の機能特性の変化を誘導することもできる。
【００８２】
本発明の材料は、鉛カドミウムの酸化物などの毒性金属酸化物を含まないことを特徴とする。本発明の材料は、現在のテープ誘電体材料において有用な約８５０〜８７５℃における処理が意図されている。処理条件は、特にＬＴＣＣ回路用に調節することができる。本発明のテープは、スクリーン印刷またはテープキャスティング、またはその他の類似の加工条件によって取り付けられた導体、埋め込みコンデンサ、およびその他の受動電気部品と同時焼成することが意図されている。
【００８３】
Ａ．セラミック酸化物
少量のＳｉＯ2が加えられた本明細書に記載の組成物は、Ａｇ系の導体線との適合性に関して顕著な改善を示した。Ａｇ導体線の近傍で相互作用する傾向は、高粘度「残存ガラス」が得られるガラスから作製した試験テープ組成物において抑制される。予期せぬことに報告される誘電損失特性は、組成物中に少量のＳｉＯ2を加えても、テープ誘電体の誘電特性は大きく変化しないことを示している。この場合に示されたガラスへの少ない添加量のＳｉＯ2の添加は、Ｄｏｎｏｈｕｅらの米国特許第（６，１４７，０１９）号明細書には報告されていない。ＳｉＯ2の添加は誘電損失に関して有益ではないことが示された。
【００８４】
本発明においては、誘電率およびグリーンテープ収縮を低下させてＬＴＣＣ設計者の低ｋ要求を満たすために、はるかに多量のシリカが第２の結晶相フィラーとして、ホウ酸塩ガラスまたはホウケイ酸塩ガラスまたはボロホスホシリケートガラスに加えられる。
【００８５】
したがって、本発明は、低ｋ厚膜誘電体テープ組成物であって、全無機組成物の重量％を基準として：（１）４０〜８０％、好ましくは４５〜５５％の、ホウ酸塩系、またはホウケイ酸塩、またはボロホスホシリケート系のガラス組成物、たとえば米国特許第６，１４７，０１９号明細書に記載される化学的性質のガラス；２００６年１０月５日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡され許可された米国特許出願第１１／５４３，７４２号明細書に開示され請求されるガラス；Ｇｒｅｅｎ  Ｔａｐｅ  ９５１中に使用されるＤＵＰＯＮＴガラス、またはピーク焼成温度において２〜６ポアズのｌｏｇ粘度範囲を有する類似の結晶性ガラス、（２）２０〜６０％、好ましくは３０〜５０％の、ガラスの化学的性質に適合するセラミック酸化物または混合酸化物フィラー、たとえばシリカ、シリケート、（３）０〜５％の他の無機酸化物および化合物、たとえば酸化銅および類似の化学的性質を有するその他のものを含む低ｋ厚膜誘電体テープ組成物を提供する。
【００８６】
Ｂ．ガラスフリット
テープ組成物の配合においては、セラミック材料の量に対するガラスの量が重要である。２０〜６０重量％のフィラー範囲が、十分な緻密化の実現において望ましいと考えられる。フィラー濃度が６０重量％を超えると、焼成構造は十分に緻密化せず、孔隙が多くなりすぎる。望ましいガラス対フィラー比の範囲内では、焼成中に、フィラー相が液体ガラスと飽和するようになるのは明らかである。ガラス−フィラー比の変動は、軟化点におけるガラスの粘度、「残存ガラス」の粘度、およびいわゆるガラス「網目構造形成剤」に対するフィラーの性質にも依存する
【００８７】
焼成時に組成物のより高い緻密化を実現するためには、無機固体の粒度が小さいことが重要である。特に、実質的にすべての粒子が１５ｕｍを超えるべきではなく、好ましくは１０ｕｍを超えるべきではない。これらの最大サイズの制限下では、ガラスおよびセラミックフィラーの両方の粒子の少なくとも５０％が、１ｕｍを超え６ｕｍ未満であることが好ましい。
【００８８】
本発明において使用されるガラス組成物の一実施形態は、モルパーセントを基準として、５０〜５６％のＢ2Ｏ3、０．５〜５．５％のＰ2Ｏ5、ＳｉＯ2、およびそれらの混合物、２０〜５０％のＣａＯ、２〜１５％のＬｎ2Ｏ3（式中、Ｌｎは希土類元素およびそれらの混合物からなる群から選択される）；０〜６％のＭI2Ｏ（式中、ＭIはアルカリ元素からなる群から選択される）；および０〜１０％のＡｌ2Ｏ3から本質的になるボロホスホシリケートガラス網目であり、但し、この組成物は水系で粉砕可能（ｗａｔｅｒ  ｍｉｌｌａｂｌｅ）である。本発明において使用される別のガラスは、Ｄｏｎａｈｕｅに記載されており、別のものがＨａｎｇらに記載されている。
【００８９】
本発明において使用されるガラス組成物のさらなる一実施形態は、モルパーセントを基準として、（ｉ）４６〜５７．９６％のＢ2Ｏ3、（ｉｉ）０．５〜８．５％のＰ2Ｏ5、１．７２〜５．００％のＳｉＯ2、およびＰ2Ｏ5とＳｉＯ2の混合物（ここで、Ｐ2Ｏ5とＳｉＯ2との混合物の合計のモル比は３．４４〜８．３９％である）からなる群から選択されるガラス網目形成剤、（ｉｉｉ）２０〜５０％のＣａＯ、（ｉｖ）２〜１５％のＬｎ2Ｏ3（式中、Ｌｎは希土類元素およびそれらの混合物からなる群から選択される）；（ｖ）０〜６％のＭＩ2Ｏ（式中、ＭＩはアルカリ元素からなる群から選択される）；および（ｖｉ）０〜１０％のＡｌ2Ｏ3から本質的になるガラス組成物であり、前記ガラス組成物は、セラミックが充填された不透明ガラス組成物であり、前記ガラス組成物は結晶化前には流動し、但し、この組成物は水系で粉砕可能である。
【００９０】
本発明において使用される無機フィラーは、表面積が０．５〜１５．０ｍ2／ｇ、好ましくは７．０〜１３．０ｍ2／ｇであるシリカ粉末である。８５０℃の最高焼成温度で２〜６ポアズのｌｏｇ粘度範囲を有する結晶性ガラスのぬれ特性に適合する他の混合セラミック酸化物および／またはセラミック酸化物の混合物。
【００９１】
Ｃ．有機媒体
ガラスおよびセラミック無機固体が分散される有機媒体は、揮発性有機溶媒中に溶解した有機ポリマーバインダーと、任意選択的に可塑剤、剥離剤、分散剤、剥離剤、消泡剤、安定剤、および湿潤剤などの他の溶解した材料とで構成される。
【００９２】
結合効率をより良くするため、全組成物を基準として少なくとも５重量％のポリマーバインダーを９０重量％の固体（ガラスおよびセラミックフィラーを含む）に対して使用することが好ましい。しかし、３０重量％以下のポリマーバインダーおよびその他の可塑剤などの低揮発性改質剤、および最低７０％の無機固体を使用することがより好ましい。これらの制限内で、熱分解によって除去する必要がある有機物の量を減少させ、焼成による十分な緻密化を促進するよりよい粒子充填を得るために、バインダーおよびその他の低揮発性有機改質は可能な最小量で使用することが望ましい。
【００９３】
従来、種々のポリマー材料がグリーンテープ用のバインダーとして使用されており、たとえば、ポリ（ビニルブチラール）、ポリ（酢酸ビニル）、ポリ（ビニルアルコール）、セルロース系ポリマー、たとえばメチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシエチルセルロース、アタクチックポリプロピレン、ポリエチレン、ケイ素ポリマー、たとえばポリ（メチルシロキサン）、ポリ（メチルフェニルシロキサン）、ポリスチレン、ブタジエン／スチレンコポリマー、ポリスチレン、ポリ（ビニルピロリドン）（ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ  ｐｙｒｏｌｌｉｄｏｎｅ））、ポリアミド、高分子量ポリエーテル、エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのコポリマー、ポリアクリルアミド、ならびに種々のアクリルポリマー、たとえばポリアクリル酸ナトリウム、ポリ（アクリル酸低級アルキル）、ポリ（メタクリル酸低級アルキル）、ならびにアクリル酸低級アルキルおよびメタクリル酸低級アルキルの種々のコポリマーおよびマルチポリマーが使用されている。メタクリル酸エチルとアクリル酸メチルとのコポリマー、およびアクリル酸エチルとメタクリル酸メチルとメタクリル酸とのターポリマーが、スリップキャスティング材料のバインダーとして従来使用されている。
【００９４】
１９８５年８月２０日に発行されＵｓａｌａに付与された米国特許第４，５３６，５３５号明細書には、０〜１００重量％のメタクリル酸Ｃ1-8アルキル、１００〜０重量％のＣ1-8アクリル酸アルキル、および０〜５重量％のアミンのエチレン系不飽和カルボン酸の相溶性マルチポリマーの混合物である有機バインダーが開示されている。上記ポリマーは、最大量の誘電性固体とともに最小量で使用することができるので、これらは好ましくは本発明の誘電体組成物の製造に選択される。この理由のため、上記参照のＵｓａｌａの出願は参照により本明細書に援用される。
【００９５】
多くの場合ポリマーバインダーは、バインダーポリマーに対して少量の可塑剤も含み、この可塑剤はバインダーポリマーのガラス転移温度（Ｔｇ）を低下させる機能を果たす。当然ながら、可塑剤の選択は、改質する必要があるポリマーによって主として決定される。種々のバインダー系で使用されている可塑剤の中では、フタル酸ジエチル、フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ブチルベンジル、リン酸アルキル、ポリアルキレングリコール、グリセロール、ポリ（エチレンオキシド）、ヒドロキシエチル化アルキルフェノール、ジアルキルジチオホスホネート、およびポリ（イソブチレン）が挙げられる。これらの中で、アクリルポリマー系では、比較的低濃度で効率的に使用できるため、フタル酸ブチルベンジルが最も頻繁に使用される。
【００９６】
キャスティング溶液の溶媒成分は、ポリマーが完全に溶解し、大気圧で比較的少ない加熱によって分散体から溶媒を蒸発させることができる十分高い揮発性が得られるように選択される。さらに、溶媒は、有機媒体中に含まれる他のあらゆる添加剤の沸点または分解温度よりも低温で十分沸騰する必要がある。したがって、大気圧沸点が１５０℃未満である溶媒が最も頻繁に使用される。そのような溶媒としては、アセトン、キシレン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、メチルエチルケトン、酢酸エチル、１，１，１−トリクロロエタン、テトラクロロエチレン、酢酸アミル、２，２，４−トリエチルペンタンジオール−１，３−モノイソブチレート、トルエン、塩化メチレン、およびフルオロカーボンが挙げられる。上記の個々の溶媒は、バインダーポリマーを完全に溶解させなくてもよい。しかし、他の溶媒と混合した場合に、それらは十分に機能する。このことは、十分に当業者の知識の範囲内にある。環境に有害なクロロカーボンの使用が回避されるので、特に好ましい溶媒は酢酸エチルである。
【００９７】
溶媒およびポリマーに加えて、テープの亀裂を防止し、ブランキング、印刷、および積層などのコーティングされた状態のテープの取扱性の範囲を広げるために、可塑剤が使用される。好ましい可塑剤の１つは、Ｒｏｈｍ  ａｎｄ  Ｈａａｓ  Ｃｏ．製造のＢＥＮＺＯＦＬＥＸ（登録商標）４００であり、これはポリプロピレングリコールジベンゾエートである。
【００９８】
用途
前述のガラス、セラミックフィラー、ポリマーバインダー、および溶媒のスラリー分散体の薄層を可撓性基材上にキャスティングし、キャストした層を加熱して揮発性溶媒を除去することで、グリーンテープが形成される。これによって、溶媒を含まないテープ層が形成される。次に、テープは、打ち抜いてシートにされるか、またはロール形態で回収される。グリーンテープは典型的には、多層電子回路の誘電性または絶縁性材料として使用される。グリーンテープのシートは、回路の実際の寸法よりも幾分大きいサイズで各コーナーの位置決め孔とともに打ち抜かれる。多層回路の種々の層に接続するために、グリーンテープ中にビアホールが形成される。これは、典型的には機械的な打ち抜きによって行われる。しかし、鋭く集光されたレーザーまたはその他の方法を使用して、グリーンテープを揮発させてビアホールを形成することができる。典型的なビアホールのサイズは０．００４インチ〜０．２５インチの範囲である。層間の相互接続は、ビアホールに厚膜導電性インクを満たすことによって形成される。通常このインクは、標準的なスクリーン印刷技術によって塗布される。回路の各層は、導体トラックをスクリーン印刷することによって完成される。また、抵抗器インクまたは高誘電率インクを選択された層上に印刷して、抵抗性または容量性回路素子を形成することができる。さらに、多層コンデンサ産業において使用されるものと類似の特別に配合された高誘電率グリーンテープを、多層回路の一部として組み込むことができる。
【００９９】
回路の各層が完成した後、個々の層を順番に並べて積層する。層間の正確な位置合わせを保証するために、限定された一軸または静水圧加圧ダイを使用する。積層組立体をホットステージカッター（ｈｏｔ  ｓｔａｇｅ  ｃｕｔｔｅｒ）でトリムする。焼成は、典型的には標準的な厚膜コンベヤベルト炉中、またはプログラムされた加熱サイクルの箱形炉中で行われる。この方法は、上部および／または底部の導体を、拘束された焼結構造の一部として同時焼成することもでき、上部層および底部層として従来の剥離テープを使用し、焼成後に剥離テープを除去し清浄にする必要がない。
【０１００】
本発明の焼成したテープ（またはフィルム）の誘電特性は、存在する全体の結晶およびガラスの量および／または質、ならびにその他の要因に依存する。低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）デバイスの誘電特性は、使用される導体にも依存する。ある実施形態においては、導体と誘電体テープとの相互作用によって、デバイスの誘電体部分の化学的性質が変化することがある。加熱プロファイルの調節、および／またはテープ中のフィラーの質および／または量の変更、および／または導体の化学的性質の変更によって、当業者は誘電率および／または誘電損失値を変化させることができる。
【０１０１】
本明細書において使用される場合、用語「焼成」は、組立体を空気などの酸化性雰囲気中、ある温度で、組立体の層中のすべての有機材料を揮発（焼失）させるのに十分な時間加熱して、層中のすべてのガラス、金属、または誘電体材料を焼結させ、それによって組立体全体を緻密化させることを意味する。
【０１０２】
隣接する機能性層の適切な導電性経路にビアが正しく接続されるように、層の積層ステップのそれぞれについて、正確に位置合わせを行う必要があることは当業者には理解されよう。
【０１０３】
用語「機能性層」は、導電性、抵抗性、または容量性の機能を有する印刷されたグリーンテープを意味する。したがって、前述したように、典型的なグリーンテープ層の上には、１つ以上の抵抗器回路および／またはコンデンサならびに導電性回路を印刷することができる。
【０１０４】
１０を超える層を有する多層積層体は、有機熱分解に十分な時間を得るために、典型的には焼成サイクルが２０時間を超えうることが必要となることも理解されよう。
【０１０５】
本発明の組成物の使用は、一般に、多層回路を含む電子製品の形成、ならびに限定するものではないが、高周波センサー、マルチモードレーダーモジュール、電気通信部品およびモジュール、ならびにアンテナなどのマイクロ波およびその他の高周波回路部品の形成に使用することができる。本発明に記載のシステムは、マイクロ波機能を１つのモジュール、パッケージ、または基板上により高度に集積することができる。他の主要な意義は、複数の誘電体層を使用し、１つの複合モジュール、パッケージ、または基板中で互いに使用することができる、他のＬＴＣＣまたは多層セラミック系が存在しないことである。本発明は、種々のＫ値、厚さ、損失値からなる層の組み合わせを１つの複合構造中で使用する。
【０１０６】
多層回路の形成
本発明は、前記回路が０〜５％の範囲内のｘ，ｙ−収縮を実現し、前記低ｋ拘束テープ層が２〜５の範囲内のｋ値を有し、前記テープによって、高周波数ＬＴＣＣ回路設計者の個別の回路の要求に応じて、数種類のテープを本発明に記載のテープと混合または一致させる自由度が高くなるステップを含む多層回路の形成方法をさらに提供する。
【０１０７】
これらの多層回路は、誘電体層を絶縁することによって分離された数層の導体で回路が構成されることが必要である。絶縁される誘電体層は、本発明のテープの１つ以上の層によって構成することができる。導体層は、誘電体層を介した導電性経路によって層間で相互接続される。誘電体層および導体層で構成された多層構造を焼成すると、回路を機能させることができる複合材料が形成される（すなわち電気的に機能する複合構造が形成される）。本明細書において定義される複合材料は、多層構造の焼成によって得られる個別の部品から構成される構造材料であり、これによって電気的に機能する回路が得られる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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