(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に金属層が被着形成された誘電体基板からなる被測定物における前記金属層と前記誘電体基板との界面の導電率を測定する方法であって、比誘電率及び誘電正接が既知の誘電体円柱の一方の端面を前記被測定物の誘電体基板と対向させ、他方の端面を導電率が既知の導体板と対向させて挟持してなる誘電体共振器を形成し、該誘電体共振器により生成されたＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）の共振波形から共振周波数ｆ０および無負荷Ｑ，Ｑｕを測定し、前記共振周波数ｆ０および無負荷Ｑ，Ｑｕに基づき、被測定物における前記金属層と前記誘電体基板との界面の高周波導電率を算出することを特徴とする金属層の導電率測定方法。
【請求項２】
前記誘電体共振器への信号の入力と出力を、先端にループアンテナを形成した同軸ケーブルによって行うことを特徴とする請求項１記載の金属層の導電率測定方法。
【請求項３】
前記誘電体共振器への信号の入力と出力を、ＮＲＤガイドによって行うことを特徴とする請求項１記載の金属層の導電率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体基板の内部や両面に形成された金属層の誘電体基板との界面導電率、あるいは表面の導電率を測定するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
一般に、導電率の測定は電気的な材料特性の測定の中で、最も基本的な測定の一つである。特に、誘電体基板の表面にＩＣ素子が搭載され、さらにＩＣ素子と電気的に接続される金属配線層が被着形成された半導体素子用パッケージや、回路基板に於いて、その特性値は設計上重要な要素となる。
【０００３】
従来、導電率の測定は、金属層を流れる直流抵抗を測定することにより測定されてきた。これは、バルク体の導電率を測定することになる。しかし、電気信号の周波数が高くなると、表皮効果により電流は金属層の表面あるいは、金属層が被着された誘電体基板との界面に集中する。金属層の表面では酸化や表面荒さにより導電率は劣化し、金属層の誘電体基板との界面では界面の凹凸形状や導体原子の誘電体基板への拡散、金属層と誘電体基板との反応により導電率が劣化する。
【０００４】
したがって、高周波信号を扱うような半導体素子用パッケージや高周波用回路基板では、誘電体基板表面に被着された金属層の表面とともに界面の導電率測定が重要となる。
【０００５】
本発明者は、すでに金属層の誘電体基板との界面における導電率を誘電体共振器を用いて測定する方法を提案した。この方法では、表面に金属層１０が被着形成された誘電体基板１１からなる被測定物における前記金属層１０と前記誘電体基板１１との界面の導電率を測定する方法であって、図４（ａ）に示すように比誘電率および誘電正接が既知の誘電体円柱１２の両端面を被測定物１１の誘電体基板が誘電体円柱１２と対向するように挟持するか、あるいは図１（ｂ）に示すように、誘電体円柱１２の一方の端面を被測定物の誘電体基板１１と対向させ、他方の端面を導電率が既知の導体板１３と対向させて挟持してなる誘電体共振器を形成し、該誘電体共振器により生成されたＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）の共振波形から共振周波数および無負荷Ｑを測定し、共振周波数および無負荷Ｑに基づき、被測定物における金属層１０と誘電体基板１１との界面の高周波導電率を算出するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記金属層界面の導電率測定方法では、一方の表面に金属層が被着形成された誘電体基板からなる被測定物を、金属層と誘電体基板との同時焼成により作製した場合において、金属層と誘電体基板の収縮率や焼結開始温度の不一致による反りが生じることがあり、試料によっては導電率測定の誤差を増大させる懸案があった。
【０００７】
また、被測定物として、従来の方法では誘電体基板の表面に金属層が形成される場合にのみ適用されるものであるが、高周波回路の設計上、金属層は必ずしも表面に形成されているとは限らず、誘電体基板の内部に形成される場合もあり、そのような誘電体基板内部における導電率の測定も必要とされている。
【０００８】
従って、本発明は、金属層界面の導電率測定において、試料の反りの発生を抑制し、同時に誘電体基板の内部に金属層が形成された試料における金属層の誘電体基板との界面における導電率の測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題に対して検討を重ねた結果、誘電体基板の内部に基板と平行になるように金属層を形成した被測定物を作製し、比誘電率および誘電正接が既知の誘電体円柱の両端面を前記被測定物の誘電体基板が前記誘電体円柱と対向するように挟持するか、あるいは前記誘電体円柱の一方の端面を、前記被測定物の誘電体基板と対向させ、他方の端面を導電率が既知の導体板と対向させて挟持してなる誘電体共振器を形成し、該誘電体共振器により生成されたＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）の共振波形から共振周波数ｆ0および無負荷Ｑ，Ｑｕを測定し、前記共振周波数ｆ0および無負荷Ｑ，Ｑｕに基づき、被測定物における前記金属層と前記誘電体基板との界面の高周波導電率を算出することによって精度の高い界面導電率の測定が可能となることを見いだした。
【００１１】
又、上記の誘電体共振器への信号の入力と出力を、先端にループアンテナを形成した同軸ケーブルや、ＮＲＤガイドによって行うことによって、マイクロ波領域からミリ波領域における上記導電率を測定することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の測定方法における測定システムの基本的構成の一実施例を示すブロック図である。図１によれば、シンセサイズドスイーパー１から出力されたマイクロ波信号は、２つに分割され、一方は基準用としてネットワークアナライザー２に入力される。他方は、導電率測定用の誘電体共振器３に入力され、透過した信号がネットワークアナライザー２に入力されるように構成される。
【００１３】
次に、本発明の界面及び表面導電率の測定方法とその原理について説明する。本発明の測定方法は、所定の寸法比（高さ／直径）を有する誘電体円柱の両端面に、縁端効果が無視できる程度に充分大きな導体板（通常は誘電体円柱の直径の３倍程度の直径を有する導体板）を平行に設けて挟持した電磁界共振器を構成した場合、ＴＥomn共振モードによって導体に流れる高周波電流は短絡面、即ち、誘電体円柱と対向した導体板の面だけに分布することを利用している。
【００１４】
つまり本発明においては、金属層４が内部に被着された誘電体基板５を被測定物として、図２（ｂ）に示すように、誘電体円柱６を、前記被測定物の誘電体基板５が誘電体円柱６の一方の端面と対向し、誘電体円柱６の他方の端面を導電率既知の導体板７と対向するように、挟持して誘電体共振器Ｂを構成する。
【００１５】
なお、図２（ａ）は参考例であり、比誘電率、誘電正接が既知の誘電体材料からなり、所定の寸法比（高さ／直径）を有する誘電体円柱６を、前記被測定物の誘電体基板５が誘電体円柱６の端面と対向するようにして、両端から挟持して誘電体共振器Ａを構成するものである。
【００１６】
上記の誘電体共振器Ａ，Ｂにおいては、金属層４と導体板７の面積を縁端効果が無視できる程度に充分大きく設定すれば（誘電体共振器の３倍程度に設定することが望ましい）、ＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３，・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）によって金属層４に流れる高周波電流は、金属層４と誘電体基板５の界面だけに分布することを利用して、界面導電率を測定することができる。
【００１７】
より具体的には、図２（ａ）に示した誘電体共振器Ａを構成した場合には、測定されたＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３、・・・、ｎ＝１，２，３、・・・）の共振周波数ｆ0と無負荷Ｑ、Ｑuから下記数１の（１）式によって界面導電率sintを算出することができる。
【００１８】
【数１】
0003735501.tif 000002
【００１９】
ただし、Ａ、Ｂ1、Ｂ2は下記数２の（２）（３）（４）式により計算する。
【００２０】
【数２】
0003735501.tif 000003
【００２１】
ここで（１）式のｔａｎd1とｔａｎd2はそれぞれ誘電体円柱６と誘電体基板５の誘電正接、（２）式のmは金属層４の透磁率、wはw＝２pｆ0、∬｜Ｈ｜2ｄｓは上下の金属層界面での磁界の積分、Ｗeは共振器の電界エネルギー、（３）（４）式のＷd1eとＷd2eは誘電体円柱６内と誘電体基板５内の電界エネルギーである。
【００２２】
尚、Ｗe、Ｗd1e、Ｗd2eの計算に必要な誘電体円柱６と誘電体基板５の比誘電率e'1、e'2や誘電正接ｔａｎd1とｔａｎd2はＪＩＳ規格「ＪＩＳ  Ｒ  １６２７」や「小林、佐藤、信学技法ＭＷ８７−７（１９８７）」に開示された空洞共振器法によって測定する。
【００２３】
また、図２（ｂ）に示した誘電体共振器Ｂを構成した場合には、測定されたＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３，・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）の共振周波数ｆ0と無負荷Ｑ、Ｑuから下記数３の（５）式によって界面導電率sintを算出することができる。
【００２４】
【数３】
0003735501.tif 000004
【００２５】
ただしＡtop、Ａbottom、Ｂ1、Ｂ2は下記数４の（６）（７）（８）（９）式により計算する。
【００２６】
【数４】
0003735501.tif 000005
【００２７】
ここで（５）式のsmetalは導体板７の導電率、（６）式のmtopは金属層４の透磁率、∬｜Ｈ｜2ｄｓtopは金属層４の界面の磁界での積分、（７）式のmbottomは導体板７の透磁率、∬｜Ｈ｜2ｄｓbottomは導体板７と誘電体円柱６との対向面での磁界の積分である。尚、導体板７の導電率smetalはＪＩＳ規格「ＪＩＳ  Ｒ  １６２７」によって測定する。
【００２８】
さらに参考例において、金属層４が両表面に被着された誘電体基板５を被測定物として、表面導電率を測定する場合には、図３（ａ）に示すように、比誘電率、誘電正接が既知の誘電体材料からなり、所定の寸法比（高さ／直径）を有する誘電体円柱６を、前記被測定物の金属層４が誘電体円柱６の端面と対向するようにして、両端から挟持して誘電体共振器Ｃを構成する。
【００２９】
あるいは図３（ｂ）に示すように、誘電体円柱６を、前記被測定物の金属層４が誘電体円柱６の一方の端面と対向し、誘電体円柱６の他方の端面を導電率既知の導体板７と対向するように、挟持して誘電体共振器Ｄを構成する。
【００３０】
上記の誘電体共振器Ｃ，Ｄにおいては、金属層４と導体板７の面積を縁端効果が無視できる程度に充分大きく設定すれば（誘電体共振器の３倍程度に設定することが望ましい）、ＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３，・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）によって金属層４に流れる高周波電流は、金属層４と誘電体円柱６の対向面だけに分布することを利用して、表面導電率を測定することができる。
【００３１】
より具体的には、図３（ａ）に示した誘電体共振器Ｃを構成した場合には、測定されたＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３，・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）の共振周波数ｆ0と無負荷Ｑ、Ｑuから下記数５の（１）式によって表面導電率ssurを算出することができる。
【００３２】
【数５】
0003735501.tif 000006
【００３３】
ただし、Ａ、Ｂ1は下記数６の（１１）（１２）式により計算する。
【００３４】
【数６】
0003735501.tif 000007
【００３５】
ここで（１０）式のｔａｎd1は誘電体円柱６の誘電正接、（１１）式のmは金属層４の透磁率、wはw＝２pｆ0、∬｜Ｈ｜2ｄｓは上下の金属層対向面での磁界の積分、Ｗeは共振器の電界エネルギー、（１２）式のＷd1eは誘電体円柱６内の電界エネルギーである。
【００３６】
また、図３（ｂ）に示した誘電体共振器Ｄを構成した場合には、測定されたＴＥomnモード（ｍ＝１，２，３，・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）の共振周波数ｆ0と無負荷Ｑ、Ｑuから下記数７の（１３）式によって表面導電率ssurを算出することができる。
【００３７】
【数７】
0003735501.tif 000008
【００３８】
ただしＡtop、Ａbottom、Ｂ1は下記数８の（１４）（１５）式により計算する。
【００３９】
【数８】
0003735501.tif 000009
【００４０】
ここで（１３）式のsmetalは導体板７の導電率、（１４）式のmtopは金属層４の透磁率、 w はw＝２pｆ0、∬｜Ｈ｜2ｄｓtopは金属層４の界面の磁界の積分、（１５）式のmbottomは導体板７の透磁率、∬｜Ｈ｜2ｄｓbottomは導体板７と誘電体円柱６との対向面での磁界の積分である。Ｗeは共振器の電界エネルギー、（１６）式のＷd1eは誘電体円柱６内の電界エネルギーである。
【００４１】
【実施例】
同時焼成で内層に銅メタライズ層を形成したガラスセラミックス基板（被測定試料Ｎｏ．１）、片側表面に銅メタライズ層を形成したガラスセラミックス基板（被測定試料Ｎｏ．２）、両面の表層に銅メタライズ層を形成したガラスセラミックス基板（被測定試料Ｎｏ．３）を作成した。ガラスセラミック層の１層の厚さは０．１３６ｍｍ、銅メタライズ層の厚さは１０μｍである。使用したガラスセラミックスの比誘電率は４．７、誘電正接は７×１０−４である。なお、被測定試料Ｎｏ．１は本発明実施例、被測定試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４は参考例である。
【００４２】
被測定試料Ｎｏ．２にはガラスセラミックスと銅メタライズ層の収縮率の差等に起因する２〜３ｍｍの反りが発生したが、本発明における測定基板の構造である被測定試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．３においては反りは認められなかった。
【００４３】
表１に界面導電率と表面導電率の測定結果を示す。測定誤差は５回の繰り返し測定における標準偏差である。誘電体円柱として使用したサファイア円柱の寸法、誘電特性を表２に示す。
【００４４】
【表１】
0003735501.tif 000010
【００４５】
【表２】
0003735501.tif 000011
【００４６】
表１、表２の結果から明らかなように、被測定試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．３においては測定誤差は１％以内に収まり、界面導電率sintと表面導電率ssurの差が明確に認められたが、反りのある被測定試料Ｎｏ．２の測定結果では測定誤差が１０％程度あり、界面導電率sintと表面導電率ssurの差が誤差の範囲内に入ってしまい精度が低いことがわかる。
【００４７】
以上詳述した通り、本発明によれば、金属層界面の導電率を測定するにあたって、誘電体基板の内層に金属層を被着した試料における金属層の誘電体基板との界面の導電率を測定することができ、同時焼成で測定試料を作成する場合においても、金属層と誘電体基板の収縮率等の違いによって試料の変形、反りが発生せず、良好な測定精度が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明における金属層界面及び金属層表面の導電率測定システムの基本的構成を示すブロック図である。
【図２】  金属層界面の導電率測定に用いられる誘電体共振器の構造を示す概略図であり、（ａ）はその参考例、（ｂ）は本発明の一例を示すものである。
【図３】  金属層表面の導電率測定に用いられる誘電体共振器の構造を示す概略図であり、（ａ）はその参考例、（ｂ）は参考例の他の例を示すものである。
【図４】  従来の金属層界面の導電率測定に用いられる誘電体共振器の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
１  シンセサイズドスイーパ
２  ネットワークアナライザ
３，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ  誘電体共振器
４  金属層
５  誘電体基板
６  誘電体円柱
７  導体板
【図１】
0003735501.tif 000012
【図２】
0003735501.tif 000013
【図３】
0003735501.tif 000014
【図４】
0003735501.tif 000015