(57)【要約】  平面アンテナは、上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック構造１０と、複数のセラミック層１０の界面の１つに位置する少なくとも１つの放射導体３１と、前記多層セラミック構造の下面、または、複数のセラミック層の、前記放射導体よりも下面側の界面の１つに位置する地導体３２とを備える。
2018003920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック構造と、
前記複数のセラミック層の界面の１つに位置する少なくとも１つの放射導体と、
前記多層セラミック構造の下面、または、前記複数のセラミック層の、前記放射導体よりも下面側の界面の１つに位置する地導体と、
を備えた平面アンテナ。
【請求項２】
前記多層セラミック構造は、前記複数のセラミック層のうち、前記上面と前記少なくとも１つの放射導体との間に位置する第１部分と、前記下面と前記少なくとも１つの放射導体との間に位置する第２部分とを含む、請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項３】
前記第１部分の厚さは７０μｍ以下である、請求項２に記載の平面アンテナ。
【請求項４】
前記第１部分の厚さは５μｍ以上、２０μｍ未満である、請求項２に記載の平面アンテナ。
【請求項５】
前記多層セラミック構造の前記第１部分は前記第２部分と異なる組成を有する、請求項２から４のいずれかに記載の平面アンテナ。
【請求項６】
前記多層セラミック構造の前記第１部分は前記第２部分と同じ組成を有する、請求項２から４のいずれかに記載の平面アンテナ。
【請求項７】
前記放射導体を複数含む請求項１から６のいずれかに記載の平面アンテナ。
【請求項８】
前記放射導体と前記地導体との間隔は、５０μｍ以上、１ｍｍ以下である、請求項１から６のいずれかに記載の平面アンテナ。
【請求項９】
前記放射導体は、前記第１部分および前記第２部分に埋設されており、
前記放射導体の第１部分１０ｃに埋設している部分の高さＨｃは、第２部分１０ｄに埋設している部分の高さＨｄよりも小さい、請求項１から８のいずれかに記載の平面アンテナ。
【請求項１０】
上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック構造と、
前記複数のセラミック層の界面の１つに位置する少なくとも１つの放射導体と、
前記多層セラミック構造の下面、または、前記複数のセラミック層の、前記放射導体よりも下面側の界面の１つに位置する地導体と、
前記複数のセラミック層の前記放射導体よりも前記下面側の界面に位置する複数の導電体パターンと、
前記複数のセラミック層のうち、前記放射導体よりも前記下面側に位置するセラミック層に設けられた複数の導電性ビアと、
を備え、
前記放射導体と、前記地導体と、前記放射導体および前記地導体の間に位置する前記複数のセラミック層の一部によって平面アンテナを構成し、
前記複数の導電体パターンおよび前記複数の導電性ビアによって受動部品および配線を構成している、同時焼成セラミック基板。
【請求項１１】
前記多層セラミック構造は、前記複数のセラミック層のうち、前記上面と前記少なくとも１つの放射導体との間に位置する第１部分と、前記下面と前記少なくとも１つの放射導体との間に位置する第２部分とを含む、請求項１０に記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項１２】
前記第１部分の厚さは７０μｍ以下である、請求項１１に記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項１３】
前記第１部分の厚さは５μｍ以上、２０μｍ未満である、請求項１１に記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項１４】
前記放射導体と前記地導体との間隔は、５０μｍ以上、１ｍｍ以下である、請求項１０から１３のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項１５】
前記放射導体は、前記第１部分および前記第２部分に埋設されており、
前記放射導体の第１部分１０ｃに埋設している部分の高さＨｃは、第２部分１０ｄに埋設している部分の高さＨｄよりも小さい、請求項１０から１４のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項１６】
多層セラミック構造の前記第１部分は前記第２部分と異なる組成を有する、請求項１１から１５のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項１７】
多層セラミック構造の前記第１部分は前記第２部分と同じ組成を有する、請求項１１から１５いずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項１８】
前記放射導体を複数含む請求項１０から１７のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項１９】
前記多層セラミック構造内に形成され、前記放射導体と前記配線とを直接電気的に接続している導電性ビアおよび導電性パターンの少なくとも一方をさらに備える、請求項１０から１８のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項２０】
前記多層セラミック構造内に形成され、前記配線と電気的に接続され、かつ、前記放射導体と電磁結合し得る導電性ビアおよび導電性パターンの少なくとも一方をさらに備える、請求項１０から１８のいずれかに記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項２１】
前記下面に位置しており、前記配線と電気的に接続された複数の電極をさらに備える、請求項２０に記載の同時焼成セラミック基板。
【請求項２２】
請求項２１に記載の同時焼成セラミック基板と、
前記多層セラミック構造の前記下面に位置する前記複数の電極と接続された能動部品と、
を備えた準ミリ波・ミリ波無線通信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットによる情報伝達量が飛躍的に増大しており、より大容量の情報を伝搬できる無線通信技術が求められている。また、より高精細な画像のテレビ放送も求められている。【０００３】
無線通信では、搬送周波数が高いほど、情報伝達に利用する周波数帯域を広くとることができ、多くの情報を伝搬できる。このため、近年では、マイクロ波、特に、１ＧＨｚ程度から１５ＧＨｚ程度の範囲の無線ＬＡＮ、携帯電話通信網、衛星通信などの無線通信が広く利用されている。【０００４】
このような高周波の無線通信に用いるアンテナには、例えば、平面アンテナが用いられる。特許文献１は、プリント配線基板にアンテナ導体が設けられた、ＧＰＳ受信システム用の平面アンテナを開示している。アンテナ導体は、腐食防止のため、ソルダーレジストで覆われている。特許文献２は、樹脂基板上に、導体膜と、導体膜を覆う保護膜とが設けられたマイクロ波およびミリ波領域の通信システム用平面アンテナを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１４０８３１号公報
【特許文献２】特開２０１２−０５４８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、より大容量の情報を伝搬するための近距離無線通信技術として準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信技術が注目されている。【０００７】
本願の限定的ではないある例示的な一実施形態は、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能な平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の例示的な一実施形態による平面アンテナは、上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック構造と、前記複数のセラミック層の界面の１つに位置する少なくとも１つの放射導体と、前記多層セラミック構造の下面、または、前記複数のセラミック層の、前記放射導体よりも下面側の界面の１つに位置する地導体とを備える。【０００９】
前記多層セラミック構造は、前記複数のセラミック層のうち、前記上面と前記少なくとも１つの放射導体との間に位置する第１部分と、前記下面と前記少なくとも１つの放射導体との間に位置する第２部分とを含んでいてもよい。【００１０】
前記第１部分の厚さは７０μｍ以下であってもよい。【００１１】
前記第１部分の厚さは５μｍ以上、２０μｍ未満であってもよい。【００１２】
前記多層セラミック構造の前記第１部分は前記第２部分と異なる組成を有していてもよい。【００１３】
前記多層セラミック構造の前記第１部分は前記第２部分と同じ組成を有していてもよい。【００１４】
前記平面アンテナは、前記放射導体を複数含んでいてもよい。【００１５】
前記放射導体と前記地導体との間隔は、５０μｍ以上、１ｍｍ以下であってもよい。【００１６】
前記放射導体は、前記第１部分および前記第２部分に埋設されており、前記放射導体の第１部分１０ｃに埋設している部分の高さＨｃは、第２部分１０ｄに埋設している部分の高さＨｄよりも小さくてもよい。【００１７】
本開示の例示的な一実施形態による同時焼成セラミック基板は、上面及び下面を有し、積層された複数のセラミック層を含む多層セラミック構造と、前記複数のセラミック層の界面の１つに位置する少なくとも１つの放射導体と、前記多層セラミック構造の下面、または、前記複数のセラミック層の、前記放射導体よりも下面側の界面の１つに位置する地導体と、前記複数のセラミック層の前記放射導体よりも前記下面側の界面に位置する複数の導電体パターンと、前記複数のセラミック層のうち、前記放射導体よりも前記下面側に位置するセラミック層に設けられた複数の導電性ビアとを備え、前記放射導体と、前記地導体と、前記放射導体および前記地導体の間に位置する前記複数のセラミック層の一部によって平面アンテナを構成し、前記複数の導電体パターンおよび前記複数の導電性ビアによって受動部品および配線を構成している。【００１８】
前記多層セラミック構造は、前記複数のセラミック層のうち、前記上面と前記少なくとも１つの放射導体との間に位置する第１部分と、前記下面と前記少なくとも１つの放射導体との間に位置する第２部分とを含んでいてもよい。【００１９】
前記第１部分の厚さは７０μｍ以下であってもよい。【００２０】
前記第１部分の厚さは５μｍ以上、２０μｍ未満であってもよい。【００２１】
前記放射導体と前記地導体との間隔は、５０μｍ以上、１ｍｍ以下であってもよい。【００２２】
前記放射導体は、前記第１部分および前記第２部分に埋設されており、前記放射導体の第１部分１０ｃに埋設している部分の高さＨｃは、第２部分１０ｄに埋設している部分の高さＨｄよりも小さくてもよい。【００２３】
多層セラミック構造の前記第１部分は前記第２部分と異なる組成を有していてもよい。【００２４】
多層セラミック構造の前記第１部分は前記第２部分と同じ組成を有していてもよい。【００２５】
前記同時焼成セラミック基板は、前記放射導体を複数含んでいてもよい。【００２６】
前記同時焼成セラミック基板は、前記多層セラミック構造内に形成され、前記放射導体と前記配線とを直接電気的に接続している導電性ビアおよび導電性パターンの少なくとも一方をさらに備えていてもよい。【００２７】
前記同時焼成セラミック基板は、前記多層セラミック構造内に形成され、前記配線と電気的に接続され、かつ、前記放射導体と電磁結合し得る導電性ビアおよび導電性パターンの少なくとも一方をさらに備えていてもよい。【００２８】
前記同時焼成セラミック基板は、前記下面に位置しており、前記配線と電気的に接続された複数の電極をさらに備えていてもよい。【００２９】
本開示の例示的な一実施形態による準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールは、上記同時焼成セラミック基板と、前記多層セラミック構造の前記下面に位置する前記複数の電極と接続された能動部品とを備える。
【発明の効果】
【００３０】
本開示の実施形態によれば、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能な平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールが実現し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は同時焼成セラミック基板の実施形態の一例を示す、模式的上面図、模式的下面図、および、（ｂ）の１ｃ−１ｃ線における模式的断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１に示す同時焼成セラミック基板における、放射導体および地導体の形状を示す平面図である。
【図３】（ａ）は、同時焼成セラミック基板の第１部分および第２部分と放射導体との位置関係の一例を示す模式図であり、（ｂ）から（ｆ）は、（ａ）に示す構造を製造するための工程断面図である。
【図４】（ａ）は、同時焼成セラミック基板の第１部分および第２部分と放射導体との位置関係の他の例を示す模式図であり、（ｂ）から（ｄ）は（ａ）に示す構造を製造するための工程断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、放射導体への給電構造の例を示す部分的な分解斜視図である。
【図６】（ａ）は準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールの実施形態の一例を示す、模式的下面図であり、（ｂ）は、回路基板に実装された準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールの模式的断面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、図１に示す平面アンテナの構造における第１部分の厚さと放射効率との関係および第１部分の厚さと最大利得との関係を計算によって求めた結果を示す図である。
【図８】図１に示す平面アンテナの構造における第１部分の誘電損失と放射効率との関係を計算によって求めた結果を示す図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、第１部分のｔａｎδが０．００２であるとして比誘電率を異ならせた場合における、図１に示す平面アンテナの構造の第１部分の厚さと放射効率との関係および第１部分の厚さと最大利得との関係を計算によって求めた結果を示す図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、第１部分のｔａｎδが０．００５であるとして比誘電率を異ならせた場合における、図１に示す平面アンテナの構造の第１部分の厚さと放射効率との関係および第１部分の厚さと最大利得との関係を計算によって求めた結果を示す図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、セラミック層の比誘電率が６である、ｔａｎδを０．００２、０．００３、０．００５に設定した場合の厚さｄ１と放射効率との関係および厚さｄ１と最大利得との関係をそれぞれ示す。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、第１部分１０ｃの厚さｄ１が２０μｍである場合の厚さｄ２と放射効率との関係および厚さｄ２と最大利得との関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本開示の平面アンテナは、例えば、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能である。ミリ波帯域の無線通信は、波長が１ｍｍ〜１０ｍｍであり、３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。準ミリ波帯域の無線通信は、波長が１０ｍｍ〜３０ｍｍであり、１０ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信では、平面アンテナのサイズは数センチあるいはミリメートルのオーダーになる。このため、例えば、準ミリ波・ミリ波無線通信回路を、多層セラミック焼結基板（例えば同時焼成セラミック基板１０１）によって構成する場合、多層セラミック焼結基板に本開示の平面アンテナを実装することが可能となる。
【００３３】
一方、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信回路では伝送ロスの影響が大きい。このため、特許文献１、２に開示されるように、電波を送受信する平面アンテナの表面を保護膜等で覆うと、伝導ロスが生じてしまい、高効率で電波を伝送できないと考えられていた。しかし、本願発明者が検討したところ、特許文献１に開示された樹脂などではなく、セラミック、例えば、多層セラミック基板を構成するセラミックで平面アンテナを覆う場合、放射効率の低下を抑制し得ることが分かった。以下、本開示の平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールの実施形態を詳細に説明する。
【００３４】
（第１の実施形態）
平面アンテナおよび同時焼成セラミック基板の実施形態を説明する。図１（ａ）および（ｂ）は本開示の実施形態による同時焼成セラミック基板１０１の模式的上面図および下面図である。また図１（ｃ）は、同時焼成セラミック基板１０１の、図１（ｂ）に示す１ｃ−１ｃ線断面である。
【００３５】
同時焼成セラミック基板１０１は、多層セラミック構造１０と、少なくとも１つの放射導体３１と、地導体３２とを備える。
【００３６】
多層セラミック構造１０は、上面１０ａおよび下面１０ｂを有する。多層セラミック構造１０は、グリーンシートを積層し、焼成させることによって得られた複数のセラミック層を有する。多層セラミック構造１０は、複数のセラミック層間の明瞭な境界が存在しない場合もある。各セラミック層は、１つのグリーンシートに対応する。
【００３７】
放射導体３１は、複数のセラミック層の界面の１つに位置する。また、地導体３２は、複数のセラミック層の界面の他の１つであって、放射導体３１よりも下面１０ｂ側、または、下面１０ｂに位置する。図１では、地導体３２は、放射導体３１よりも下面１０ｂ側の多層セラミック構造１０の内部に位置している。
【００３８】
多層セラミック構造１０の複数のセラミック層は、上面１０ａと放射導体３１との間に位置する第１部分１０ｃと、下面１０ｂと放射導体３１との間に位置する第２部分１０ｄとを含む。図１（ｃ）に示すように、上面１０ａから地導体３２までに位置する複数のセラミック層、放射導体３１および地導体３２が平面アンテナ１１を構成している。平面アンテナ１１は、本実施形態ではパッチアンテナであり、放射導体３１と、地導体３２と、放射導体３１および地導体３２とに挟まれた１以上のセラミック層とにより構成されるマイクロストリップアンテナである。
【００３９】
多層セラミック構造１０において、第１部分１０ｃと、第２部分１０ｄとの界面Ｌｂは、同時焼成セラミック基板１０１の断面を、光学顕微鏡等で観察した場合において、セラミック層の界面が確認できる場合には、確認される界面の位置で特定される。また、明瞭な界面が確認できない場合には、上面１０ａと下面１０ｂとの間隔で定義される高さを、多層セラミック構造１０の作製時に積層したセラミックグリーンシートの層数で除して、１層あたりのセラミック層の厚さを求め、求めた厚さを、放射導体３１の上に形成したセラミックグリーンシートの数で乗じることによって、第１部分１０ｃの厚さ、つまり、第１部分１０ｃと、第２部分１０ｄとの界面Ｌｂの位置を求めることができる。
【００４０】
図２（ａ）は、放射導体３１の形状および配列を示す平面図である。放射導体３１は、電波を放射する放射素子であり、導電性層によって形成される。本実施形態では、放射導体３１は、矩形（方形）形状を有している。例えば、放射導体３１の形状が矩形である場合、放射導体３１の一辺の長さは搬送波の波長の１／２であり、より具体的には、５ｍｍ以下である。しかし、放射導体３１は、円形状あるいは他の形状を有していてもよい。
【００４１】
本実施形態では、平面アンテナ１１は６つの放射導体３１を含み、複数のセラミック層の界面のうちの同じ界面に２次元に配列されている。つまり、放射導体３１は、アレイアンテナを構成している。この構成により、アンテナ数が増えるため、最大利得を高めることが可能となる。また、放射または受信する電波の指向性を調整することが可能となり、広角度あるいは狭角度の指向性を実現することが可能となる。また、複数の平平面アンテナの一部が故障した場合でも、アンテナとしての機能を維持し得るため、アンテナの信頼性を高めることが可能である。
【００４２】
図２（ｂ）は、地導体３２の形状を示す平面図である。地導体３２も導電性層によって形成される。図２（ａ）および（ｂ）に示すように、多層セラミック構造１０の積層方向から見て、地導体３２は、放射導体３１のアレイの領域３１ｒを完全に含むサイズを有し、かつ、領域３１ｒを完全に含むように、放射導体３１に対して配置されていることが好ましい。
【００４３】
多層セラミック構造１０の第１部分１０ｃは、放射導体３１が外部環境に露出しないように、放射導体３１の全体を完全に覆っている。これにより、放射導体３１が外部環境に曝され、腐食したり、酸化したりすることにより、放射効率が低下したり、アンテナの特性が変化するのを抑制することができる。また、同時焼成セラミック基板１０１を用いて準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールを製造する際に、放射導体３１に何らかの外力が加わり、変形等が生じるのを抑制することができる。特に、準ミリ波・ミリ波帯のアンテナはサイズが小さく、小さな形状変化であっても大きな特性の変化を生じ得るため、放射導体３１を保護することは重要である。
【００４４】
第１部分１０ｃの表面でもある上面１０ａの表面粗さＲａは、例えば、０．５μｍ以下である。上面１０ａの表面の粗さＲａは、好ましくは、０．１μｍ以上、０．３μｍ以下であり、より好ましくは、０．１５μｍ以上、０．２μｍ以下である。表面粗さＲａがこの範囲であると、第１部分１０ｃの層を厚さ均一にでき、劣化し難い膜とすることが可能である。
【００４５】
膜の表面粗さＲａが０．５μｍと超えると、端子のメッキ等で表面が薬液に晒されるときに、膜が劣化或いはエッチングされ易くなることがある。耐食性や対候性の観点から、表面粗さＲａは０．５μｍ以下が好ましい。膜の表面粗さＲａが０．１５μｍより小さくなると、加工の難易度が高くなり、工数がかかって製造の効率が低下することがあるので、表面粗さＲａは０．１５μｍ以上が好ましい。なお、表面粗さＲａは算術平均粗さである。
【００４６】
また、第１部分１０ｃは、放射導体３１の保護層として機能するため、緻密であることが好ましい。このため、第１部分１０ｃの気孔率（空孔率）は第２部分１０ｄの気孔率よりも小さいことが好ましい。例えば、第１部分１０ｃの気孔率は２％以下が好ましく、１．５％以下がより好ましく、１．０％以下がさらに好ましい。気孔率が高いと、表面粗さＲａも大きくなる傾向が有るので、Ｒａを抑制する観点から気孔率を小さくすることが望ましい。なお、気孔率（％）は、層の断面を観察して、（気孔の面積の合計）／（観察した面積）×１００という計算で求める。
【００４７】
以下において詳細に説明するように、第１部分１０ｃの厚さｄ１は、７０μｍ以下であることが好ましい。これにより、平面アンテナとして一般的に使用される、Ａｕ/Ｎｉメッキアンテナと同等以上の放射効率を実現することができる。上述したように、放射導体３１は、第１部分１０ｃと第２部分１０ｄとに埋設されているため、第１部分１０ｃの厚さｄ１は、放射導体３１が位置する部分とその他の部分とで異なる。本開示では、第１部分１０ｃの厚さｄ１は、放射導体３１が位置している領域における厚さを意味している。
【００４８】
なお、放射効率は、多層セラミック構造１０の第１部分１０ｃの比誘電率に依存する。後述するように同時焼成セラミック基板１０１を低温で焼成するためには、例えば、セラミック層の比誘電率は小さいほうが好ましい。比誘電率が５〜１０程度の低比誘電率のセラミックを用いてもＡｕ/Ｎｉメッキを施した平面アンテナと同等以上の放射効率を実現するためには、第１部分１０ｃの厚さｄ１は、２０μｍ未満であることがより好ましい。
【００４９】
第１部分１０ｃの厚さｄ１は小さいほど損失が少ないため、アンテナ特性の観点では、特に下限に制限はない。しかし、第１部分１０ｃの厚さｄ１が小さくなりすぎると、厚さを均一にすることが困難になる場合がある。均一な厚さの第１部分１０ｃを形成するためには、第１部分１０ｃの厚さｄ１は、例えば、５μｍであることが好ましい。つまり、第１部分の厚さｄ１は５μｍ以上、７０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上、２０μｍ未満であることがより好ましい。第１部分１０ｃは１つのセラミック層であってもよいし、２以上のセラミック層によって構成されていてもよい。
【００５０】
多層セラミック構造１０の第１部分１０ｃが薄くなると（厚さが小さくなると）、同時焼成セラミック基板１０１の製造時に、放射導体３１となる導電パターンを含むグリーンシート積層体を圧着させる際に、放射導体３１となる導電パターンの厚さによる応力が、上面１０ａ側では、第１部分１０ｃとなるセラミックグリーンシートに集中する。このため、第１部分１０ｃとなるセラミックグリーンシートおよび／または焼結後の第１部分１０ｃにクラックが生じやすい。
【００５１】
このため、図３（ａ）に示すように、多層セラミック構造１０中の放射導体３１において、第１部分１０ｃに埋設している部分の高さＨｃは、第２部分１０ｄに埋設している部分の高さＨｄよりも小さいほうが好ましい。高さＨｃおよびＨｄは、上述した定義に基づく第１部分１０ｃと第２部分１０ｄとの界面の位置Ｌｂから、放射導体３１の上面３１ａまたは下面３１ｂまでの距離で定義される。
【００５２】
あるいは、図４（ａ）に示すように、多層セラミック構造１０中の放射導体３１の概ね全体が、第２部分１０ｄに埋設されていることが好ましい。つまり第１部分１０ｃに埋設している部分の高さＨｃはほぼゼロであり、第２部分１０ｄに埋設している部分の高さＨｄが放射導体３１の高さとほぼ等しいことが好ましい。後述するように、この構造によれば、同時焼成セラミック基板１０１の製造時に、第１部分１０ｃとなるセラミックグリーンシートに加わる応力を低減することができるため、上述したクラックの発生を抑制することができる。
【００５３】
放射導体３１と地導体３２との間隔である放射導体３１と地導体３２との間のセラミック層の厚さｄ２は、例えば、５０μｍ以上、１ｍｍ以下である。これにより、準ミリ波・ミリ波帯のマイクロストリップアンテナを構成することができる。厚さｄ２は、好ましくは、７０μｍ以上、１８０μｍ以下であり、より好ましくは、１００μｍ以上、１５０μｍ以下である。厚さｄ２がこの範囲の値であることによって、平面アンテナ１１は、高い放射効率と高い最大利得を達成することが可能となる。
【００５４】
同時焼成セラミック基板１０１は、地導体３２よりも下面１０ｂ側に位置する複数のセラミック層の境界に位置する受動部品パターン３３および配線パターン３５と、地導体３２よりも下面１０ｂ側に位置する複数のセラミック層に設けられた導電性ビア３４をさらに備えていてもよい。受動部品パターン３３は、例えば、導電性層あるいは、所定の抵抗値を有するセラミックであり、インダクタ、コンデンサ、抵抗等を構成している。また、導電性ビア３４および配線パターン３５は、受動部品パターン３３、地導体３２等と接続され、所定の回路を構成している。
【００５５】
図１（ｂ）に示すように、多層セラミック構造１０の下面１０ｂには、例えば、外部の基板と接続するための、電極２１、受動部品を接続するための電極２２および集積回路等の受動部品を接続するための電極２３が位置している。導電性ビア３４は、電極２１、２２、２３と配線パターン３５等とを電気的に接続している。
【００５６】
地導体３２よりも下面１０ｂ側に位置する複数のセラミック層に設けられたこれらの構成要素により、受動部品を含む配線回路１２が構成される。配線回路１２の上述した、電極２２および電極２３に受動部品および集積回路等が接続されることによって、無線通信回路が構成される。
【００５７】
配線回路１２と平面アンテナ１１の放射導体３１とは多層セラミック構造１０内に形成された導電性ビア３４および配線パターン３５の少なくとも一方によって直接電気的に接続されていてもよい。図５（ａ）は、導電性ビア３４によって放射導体３１と配線回路１２を接続する構成を模式的に示している。地導体３２に貫通穴３２ｃを設け貫通穴３２ｃに導電性ビア３４配置する。導電性ビア３４の一端を放射導体３１に接続し、他端を図示しない配線回路１２に接続する。
【００５８】
あるいは、導電性ビア３４および配線パターン３５の少なくとも一方が放射導体３１と電磁結合し得る位置に配置されていてもよい。この場合、例えば、図５（ｂ）に示すように、地導体３２にスロット３２ｄを設け、スロット３２ｄを介して放射導体３１とストリップ導体３７とを配置することがきる。ストリップ導体３７は、図示しない配線回路１２に接続される。あるいは、放射導体３１と地導体３２との間にストリップ導体３７を設けてもよい。
【００５９】
同時焼成セラミック基板１０１は、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ、Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板であってもよいし、高温焼成セラミック（ＨＴＣＣ、Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板であってもよい。高周波特性の観点では、低温焼成セラミック基板を用いた方が好ましい場合がある。多層セラミック構造１０のセラミック層、放射導体３１、地導体３２、受動部品パターン３３、配線パターン３５、導電性ビア３４には、焼成温度、用途等および無線通信の周波数等に応じたセラミック材料および導電性材料が用いられる。放射導体３１、地導体３２、受動部品パターン３３、配線パターン３５、導電性ビア３４を形成するための導電性ペーストと、多層セラミック構造１０のセラミック層を形成するためのグリーンシートが同時に焼成（Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ）される。同時焼成セラミック基板１０１が低温焼成セラミック基板である場合、８００℃から１０００℃程度の温度範囲で焼結することができるセラミック材料および導電性材料を用いる。例えばＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒを主成分とし、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｋを副成分とするセラミック材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒを主成分とし、Ｃａ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋを副成分とするセラミック材料、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｄを含むセラミック材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｇを含むセラミック材料が用いられる。また、ＡｇまたはＣｕを含む導電性材料が用いられる。セラミック材料の誘電率は３〜１５程度である。同時焼成セラミック基板１０１が高温焼成多層セラミック基板である場合、Ａｌを主成分とするセラミック材料および、Ｗ（タングステン）またはＭｏ（モリブデン）を含む導電性材料を用いることができる。
【００６０】
より具体的には、ＬＴＣＣ材料として、例えば、低誘電率（比誘電率５〜１０）のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｇｄ−Ｏ系誘電体材料、Ｍｇ2ＳｉＯ4からなる結晶相とＳｉ−Ｂａ−Ｌａ−Ｂ−Ｏ系からなるガラス等からなる誘電体材料、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｒ−Ｏ系誘電体材料、Ａｌ−Ｓｉ−Ｂａ−Ｏ系誘電体材料、高誘電率（比誘電率５０以上）のＢｉ−Ｃａ−Ｎｂ−Ｏ系誘電体材料等様々な材料を用いることができる。
【００６１】
例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｒ−Ｏ系誘電体材料は、主成分としてＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｉの酸化物を含む場合は、主成分であるＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、ＴｉをそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｒＯ、ＴｉＯ2に換算したとき、Ａｌ2Ｏ3：１０〜６０質量％、ＳｉＯ2：２５〜６０質量％、ＳｒＯ：７．５〜５０質量％、ＴｉＯ2：２０質量％以下（０を含む）を含有することが好ましい。また、その主成分１００質量部に対して、副成分として、Ｂｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｏの群のうちの少なくとも１種をＢｉ2Ｏ3換算で０．１〜１０質量部、Ｎａ2Ｏ換算で０．１〜５質量部、Ｋ2Ｏ換算で０．１〜５質量部、ＣｏＯ換算で０．１〜５質量部含有することが好ましく、更に、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｇの群のうちの少なくとも１種をＣｕＯ換算で０．０１〜５質量部、Ｍｎ3Ｏ4換算で０．０１〜５質量部、Ａｇを０．０１〜５質量部含有することが好ましい。その他不可避不純物を含有することもできる。
【００６２】
多層セラミック構造１０の第１部分１０ｃは第２部分１０ｄと同じ組成を有し、同じ材料によって形成されていてもよい。あるいは、平面アンテナ１１の放射効率を高めるために、多層セラミック構造１０の第１部分１０ｃは第２部分１０ｄと異なる組成を有し、異なる材料によって形成されていてもよい。第１部分１０ｃが第２部分１０ｄと異なる組成を有することにより、第２部分１０ｄと異なる誘電率を有することが可能となり、放射効率を向上させることが可能となる。
【００６３】
第１部分１０ｃの気孔率を第２部分１０ｄ気孔率よりも小さくするためには、第１部分１０ｃとなるセラミックグリーンシート中の結合剤、可塑剤などの有機成分の添加量を第２部分１０ｄとなるセラミックグリーンシートよりも少なくする。
【００６４】
同時焼成セラミック基板１０１は、ＬＴＣＣ基板またはＨＴＣＣ基板と同様の製造方法を用いて製造することができる。
【００６５】
例えば、まず、上述した元素を含むセラミック材料を用意し、必要に応じて、例えば７００℃〜８５０℃で仮焼し、粉砕することにより造粒する。セラミック材料にガラス成分の粉末、有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加し、これらの混合物のスラリーを得る。誘電率を異ならせるため等により、多層セラミック構造１０の第１部分１０ｃと第２部分１０ｄとを異なる材料によって形成する場合には、異なる材料を含む２種類のスラリーを用意する。また、上述した導電性材料の粉末を有機バインダおよび溶剤等と混合し、導電ペーストを得る。
【００６６】
ドクターブレード法、圧延（押し出し）法、印刷法、インクジェット式塗布法、転写法等を用いて、スラリーから所定の厚さの層をキャリアフィルム上に形成し、乾燥させる。スラリーの層を切断することによって、セラミックグリーンシートを得る。
【００６７】
次に、同時焼成セラミック基板１０１内で構成する回路に従い、レーザ、メカ式パンチャ等を用いて複数のセラミックグリーンシートにビアホールを形成し、スクリーン印刷法を用いて各ビアホールに導電ペーストを充填する。また、スクリーン印刷等によって、導電ペーストをセラミックグリーンシートに印刷し、配線パターン、受動部品パターン、放射導体のパターンおよび地導体のパターンをセラミックグリーンシートに形成する。
【００６８】
上述した導電ペーストが配置されたセラミックグリーンシートを、仮圧着を行いながら順次積層し、グリーンシート積層体を形成する。その後、グリーンシート積層体からバインダを除去し、脱バインダ後のグリーンシート積層体を焼成する。これにより、同時焼成セラミック基板１０１が完成する。
【００６９】
図３（ａ）および図４（ａ）を参照して説明したように、放射導体３１が第２部分１０ｄにより深く埋め込まれた構造を有する同時焼成セラミック基板１０１を作製する場合には、仮圧着を行いながらセラミックグリーンシートを積層し、多層セラミック構造１０の第２部分１０ｄに相当する部分までを作製する。
【００７０】
その後、図３（ａ）に示す構造を作製する場合には、図３（ｂ）に示すように、第２部分１０ｄに相当するグリーンシート積層体１０ｄ’上に、厚さｔの放射導体３１となる導電ペーストのパターン３１’を形成する。その上に、パターン３１’を覆うように、例えば、ＰＥＴ等の樹脂製のシート１３を配置する。図３（ｃ）に示すように、金型などを用いてシート１３の上からパターン３１’をグリーンシート積層体１０ｄ’に押し付ける。グリーンシート積層体１０ｄ’を構成しているセラミックグリーンシートよりもシート１３の硬度が高いため、シート１３よりもグリーンシート積層体１０ｄ’の表面のほうが変形しやすい。その結果、パターン３１’は、ｔ／２以上の深さでグリーンシート積層体１０ｄ’に埋設される。その後、図３（ｄ）に示すように、シート１３を除去し、図３（ｅ）に示すように、パターン３１’を覆って、グリーンシート積層体１０ｄ’上にセラミックグリーンシート１４を配置する。金型などでセラミックグリーンシート１４をグリーンシート積層体１０ｄ’に押し付け、圧着させることによって、図３（ｆ）に示すように、グリーンシート積層体１０’が得られる。グリーンシート積層体１０’において、パターン３１’はｔ／２以上の深さで第２部分１０ｄに相当する部分１０ｄ’’に埋設され、ｔ／２以下の深さで第１部分１０ｃに相当する部分１０ｃ’に埋設されている。
【００７１】
その後、グリーンシート積層体１０’からバインダを除去し、脱バインダ後のグリーンシート積層体を焼成する。これにより、同時焼成セラミック基板１０１が完成する。
【００７２】
図４（ａ）に示す構造を作製する場合には、図４（ｂ）に示すように、第２部分１０ｄに相当するグリーンシート積層体１０ｄ’上に、厚さｔの放射導体３１となる導電ペーストのパターン３１’を形成する。金型などを用いてパターン３１’をグリーンシート積層体１０ｄ’に押し付け、図４（ｃ）に示すように、パターン３１’のほぼ全体をグリーンシート積層体１０ｄ’の表面から内部に埋設させる。
【００７３】
その上に、パターン３１’’を覆うように、グリーンシート積層体１０ｄ’’上にセラミックグリーンシート１４を配置する。金型などでセラミックグリーンシート１４をグリーンシート積層体１０ｄ’’に押し付け、圧着させる。これにより、図４（ｄ）に示すグリーンシート積層体１０’’が得られる。グリーンシート積層体１０’’において、パターン３１’はほぼ全体が第２部分１０ｄに相当する部分１０ｄ’’に埋設されている。
【００７４】
その後、グリーンシート積層体１０’からバインダを除去し、脱バインダ後のグリーンシート積層体を焼成する。これにより、同時焼成セラミック基板１０１が完成する。
【００７５】
本実施形態の同時焼成セラミック基板によれば、準ミリ波・ミリ波無線通信用の配線回路、受動部品および平面アンテナを備える。このため、同時焼成セラミック基板に準ミリ波・ミリ波無線通信用のチップセット等を実装することによって、アンテナも備えた無線モジュールが実現する。
【００７６】
また、多層セラミック構造１０の第１部分１０ｃが放射導体３１の全体を完全に覆っているため、放射導体３１を外部環境および外力から保護することができ、放射効率が低下したり、アンテナの特性が変化したりするのを抑制することができる。
【００７７】
なお、本実施形態おいて説明した平面アンテナの放射導体３１および地導体３２の形状、数、配置は模式的な一例に過ぎない。例えば、複数の放射導体のうち、一部を地導体３２から異なる距離（ｄ２）に位置するセラミック層の界面に配置してもよい。また、放射導体にスロットルを設けてもよい。また、平面アンテナは、放射導体の他に、給電されない導体をさらに含んでおり、放射導体と、セラミック層を介して積層されていてもよい。
【００７８】
（第２の実施形態）
準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールの実施形態を説明する。図６（ａ）は、本開示の無線通信モジュールの実施形態を示す模式的下面図であり、図６（ｂ）は、基板に実装された無線通信モジュールを示す模式的断面図である。無線通信モジュール１０２は、第１の実施形態の同時焼成セラミック基板１０１と、半田バンプ４１と、受動部品４２と能動部品４３とを備える。半田バンプ４１は、同時焼成セラミック基板１０１の下面１０ｂに位置する電極２１に設けられている。受動部品４２は、例えば、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗等であり、電極２２に半田などによって接合されている。能動部品４３は、例えば、無線通信用のチップセットであり、受信回路、送信回路、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ/Ａコンバータ、ベースバンドプロセッサ、メディアアクセスコントローラ等を含む。
【００７９】
無線通信モジュール１０２は、例えば、電極５２が設けられた回路基板５１にフリップチップボンディングによって、フェイスダウンで、つまり、受動部品４２および能動部品４３が回路基板５１と対向するように接合される。同時焼成セラミック基板１０１と回路基板５１との間には、例えば、封止樹脂５３が充填される。
【００８０】
回路基板５１に実装された無線通信モジュール１０２において、同時焼成セラミック基板１０１の上面１０ａは、回路基板５１と反対側に位置している。このため、受動部品４２および能動部品４３、あるいは、回路基板５１の影響を受けることなく、準ミリ波・ミリ波帯の電波を平面アンテナ１１から放射し、また、外部から到達する準ミリ波・ミリ波帯の電波を平面アンテナ１１で受信することができる。したがって、アンテナを備え、小型であり、かつ、表面実装が可能な無線通信モジュールが実現し得る。
【００８１】
（実験例１）
放射導体の表面にセラミック層を設けた場合における放射効率を調べるため、第１の実施形態の平面アンテナ１１（図１）に相当する構造を用い、第１部分１０ｃの厚さｄ１を変えた場合の放射効率を計算によって求めた。放射導体３１は６０ＧＨｚの電波を送信し得るように設計した。セラミック層の誘電率は４であると設定した。図７（ａ）に第１部分１０ｃの厚さｄ１と放射効率との関係を示す。また、図７（ｂ）に第１部分１０ｃの厚さｄ１と最大利得との関係を示す。比較のため、放射導体上にメッキを施し、表面を露出させた平面アンテナの放射効率を測定したところ、０．８５程度であった。このメッキは、Ａｕ：０．１μｍ／Ｐｄ：０．１５μｍ／Ｎｉ：１２μｍの３層構造を有しており、放射導体には厚さ１２μｍのＡｇ層を用いた。
【００８２】
図７に示すように、放射導体を覆うセラミック層である第１部分１０ｃの厚さが大きくなるにつれて放射効率（および最大利得）は低下する。比較例と同程度以上の放射効率を得るためには、第１部分１０ｃの厚さｄ１は７０μｍ以下であることが好ましいことが分かる。また、特に、厚さｄ１が、２０μｍ未満であれば、より高い放射効率（および最大利得）が得られることが分かる。
【００８３】
図８は、第１の実施形態の平面アンテナ１１（図１）に相当する構造において、第１部分１０ｃの材料の誘電損失ｔａｎδを変化させた場合における放射効率を計算した結果を示す。図８に示すように誘電損失が小さくなるほど、アンテナの放射効率は高くなる。図８に示すように、有機樹脂は比較的大きな誘電損失を有しており、例えば、誘電損失ｔａｎδは５０×１０-4以上である。このように比較的大きな誘電損失を有する材料を放射導体の表面に設ける場合、放射効率が大きく低下しやすい。これに対して、ＬＴＣＣ基板用のセラミックは誘電損失が小さいため、高い放射効率が得られることが分かった。
【００８４】
（実験例２）
第１部分１０ｃの比誘電率と平面アンテナ１１との特性の関係を調べるため、セラミック層の比誘電率を異ならせ、実験例１と同様にして放射効率および最大利得を計算によって求めた。図９（ａ）および（ｂ）は、セラミック層のｔａｎδが０．００２である場合の放射効率との関係および最大利得と厚さｄ１との関係をそれぞれ示し、図１０（ａ）および（ｂ）は、セラミック層のｔａｎδが０．００５である場合の放射効率との関係および最大利得と厚さｄ１との関係をそれぞれ示す。各図において、比誘電率が６、８、１０である場合の計算結果を示している。また、図１１（ａ）および（ｂ）は、セラミック層の比誘電率が６である、ｔａｎδを０．００２、０．００３、０．００５に設定した場合の厚さｄ１と放射効率との関係および厚さｄ１と最大利得との関係をそれぞれ示す。
【００８５】
これらの結果によれば、第１部分１０ｃの比誘電率が大きくなるにつれて、放射効率および最大利得は低下する傾向を示す。しかし、厚さｄ１が２０μｍ未満であれば、第１部分１０ｃの比誘電率が１０程度であっても、Ａｕ/Ｎｉメッキを施した平面アンテナと同等以上の放射効率および最大利得を実現できることが分かる。
【００８６】
（実験例３）
放射導体３１と地導体３２との間のセラミック層の厚さｄ２と平面アンテナ１１との特性の関係を調べるため、第２部分１０ｄの厚さｄ２を変えた場合の放射効率および最大利得を計算によって求めた。図１２（ａ）および（ｂ）は、第１部分１０ｃの厚さｄ１が２０μｍである場合の厚さｄ２と放射効率との関係および厚さｄ２と最大利得との関係を示す。
【００８７】
放射効率は、厚さｄ２が大きくなるにつれて向上し、１５０μｍ程度以上では、ほぼ一定となる。これに対して最大利得は所定の厚さｄ２の範囲でより大きくなる。図１２（ａ）および（ｂ）から、厚さｄ２は、７０μｍ以上、１８０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上、１５０μｍ以上であることがより好ましいことが分かる。これにより、高い放射効率と最大利得を得ることができる。
【００８８】
これらの結果から、準ミリ波・ミリ波通信用の平面アンテナの放射導体をセラミック材料で覆うことによって、放射効率の低下を抑制しつつ、放射導体を保護することが可能であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本開示の平面アンテナ、同時焼成セラミック基板および準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールは、種々の高周波無線通信用のアンテナおよびアンテナを含む無線通信回路に好適に用いることが可能であり、特に準ミリ波・ミリ波帯の無線通信に好適に用いられ得る。
【符号の説明】
【００９０】
１０      多層セラミック構造
１０ａ    上面
１０ｂ    下面
１０ｃ    第１部分
１０ｄ    第２部分
１１      平面アンテナ
１２      配線回路
２１、２２、２３      電極
３１      放射導体
３１ｒ    領域
３２      地導体
３３      受動部品パターン
３４      導電性ビア
３５      配線パターン
４１      半田バンプ
４２      受動部品
４３      能動部品
５１      回路基板
５２      電極
５３      封止樹脂
１０１    同時焼成セラミック基板
１０２    無線通信モジュール
【図１】
2018003920.tif 000003
【図２】
2018003920.tif 000004
【図３】
2018003920.tif 000005
【図４】
2018003920.tif 000006
【図５】
2018003920.tif 000007
【図６】
2018003920.tif 000008
【図７】
2018003920.tif 000009
【図８】
2018003920.tif 000010
【図９】
2018003920.tif 000011
【図１０】
2018003920.tif 000012
【図１１】
2018003920.tif 000013
【図１２】
2018003920.tif 000014
【国際調査報告】
2018003920.tif 000015
2018003920.tif 000016
2018003920.tif 000017
2018003920.tif 000018