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WO2024018767A1 - 導波素子 - Google Patents

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WO2024018767A1
WO2024018767A1 PCT/JP2023/020933 JP2023020933W WO2024018767A1 WO 2024018767 A1 WO2024018767 A1 WO 2024018767A1 JP 2023020933 W JP2023020933 W JP 2023020933W WO 2024018767 A1 WO2024018767 A1 WO 2024018767A1
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WO
WIPO (PCT)
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ground electrode
substrate
resin material
waveguide element
material substrate
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2023/020933
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English (en)
French (fr)
Inventor
健太郎 谷
順悟 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
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Priority to JP2024534959A priority patent/JP7784550B2/ja
Publication of WO2024018767A1 publication Critical patent/WO2024018767A1/ja
Priority to US19/023,830 priority patent/US20250158263A1/en
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    • H05K2201/10098—Components for radio transmission, e.g. radio frequency identification [RFID] tag, printed or non-printed antennas

Definitions

  • the present invention relates to a waveguide element.
  • Waveguide devices are being developed as one of the devices that guide millimeter waves to terahertz waves.
  • Waveguide elements are expected to be applied and developed in a wide range of fields such as optical waveguides, next-generation high-speed communications, sensors, laser processing, and solar power generation.
  • Such a waveguide element includes, for example, an upper substrate that is a flexible substrate; a planar circuit provided on the upper substrate and serving as a connection part for high-frequency signal propagation; and a substrate provided with ground conductor layers on both the front and back surfaces.
  • a mode converter has been proposed in which an upper substrate and a substrate are bonded together with an adhesive layer made of an organic adhesive such as epoxy (see Patent Document 1).
  • a main object of the present invention is to provide a waveguide element that can support a resin material substrate with a support substrate and that can reduce thermal resistance.
  • the waveguide element according to the embodiment of the present invention is capable of guiding electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or more and 20 THz or less.
  • the waveguide element includes a resin material substrate; a conductor layer provided on the resin material substrate; and a support substrate located on the opposite side of the resin material substrate from the conductor layer. The resin material substrate and the support substrate are directly bonded.
  • the waveguide element described in [1] above may further include a first ground electrode.
  • the first ground electrode is located between the resin material substrate and the support substrate.
  • the first ground electrode is in direct contact with the resin material substrate and the support substrate, and the resin material substrate and the support substrate are bonded together. It may also function as a department.
  • the first ground electrode is in direct contact with the resin material substrate, and the waveguide element is configured to connect the first ground electrode and the supporting substrate. It may further include a joint portion for joining.
  • the first ground electrode is in direct contact with the support substrate, and the waveguide element is configured to connect the resin material substrate and the first ground electrode. It may further include a joint portion for joining.
  • the conductor layer is spaced apart from a signal electrode constituting a transmission line capable of propagating the electromagnetic wave; and a second ground electrode arranged thereon.
  • the waveguide element according to [6] above may further include a third ground electrode, a first via, and a second via.
  • the third ground electrode is located on the opposite side of the first ground electrode with respect to the support substrate.
  • the first via electrically connects the second ground electrode and the third ground electrode, and is also electrically connected to the first ground electrode.
  • the second via electrically connects the first ground electrode and the second ground electrode.
  • a plurality of first vias are provided, and a second via is arranged between adjacent first vias among the plurality of first vias.
  • the waveguide element according to [6] above may further include a third ground electrode and a plurality of substrate penetrating vias. The third ground electrode is located on the opposite side of the first ground electrode with respect to the support substrate.
  • the through-substrate via electrically connects the first ground electrode and the third ground electrode.
  • the first ground electrode, the third ground electrode, and the plurality of through-substrate vias constitute a substrate-integrated waveguide capable of propagating electromagnetic waves.
  • the thickness t of the resin material substrate may satisfy the following formula (1). (In the formula, t represents the thickness of the resin material substrate. ⁇ represents the wavelength of the electromagnetic wave guided by the waveguide element. ⁇ represents the relative permittivity of the resin material substrate at 150 GHz.
  • a is (Represents a number of 3 or more.) [10]
  • a in the above formula (1) may represent a numerical value of 6 or more.
  • the thickness t of the resin material substrate may be 100 ⁇ m or less.
  • the thickness t of the resin material substrate may be 1 ⁇ m or more.
  • the waveguide element according to [1] or [2] above may further include a joint. A joint portion is provided between the resin material substrate and the support substrate. The junction may be a SiO2 layer, an amorphous silicon layer, or a tantalum oxide layer.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a waveguide element according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II' of the waveguide element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the arrangement of joint portions in the waveguide element of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the arrangement of the joint portions in the waveguide element of FIG. 2.
  • FIG. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating still another example of the arrangement of the joint portions in the waveguide element of FIG. 2.
  • FIG. FIG. 6 is a schematic perspective view illustrating a modification of the waveguide element of FIG. 1.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a waveguide element according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II' of the waveguide element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII' of the waveguide element shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of a waveguide element according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a sectional view taken along line IX-IX' of the waveguide element shown in FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the waveguide element shown in FIG. 8 taken along line XX'.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI' of the waveguide element shown in FIG.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a modified example of the shape of the via in the waveguide element of FIG. FIG.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the arrangement of vias in the waveguide element of FIG. 12.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view illustrating another modification of the arrangement of vias in the waveguide element of FIG.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view of a waveguide element according to yet another embodiment of the invention.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line XVI-XVI' of the waveguide element shown in FIG.
  • FIG. 17 is a schematic perspective view of a waveguide element according to yet another embodiment of the invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view taken along line XVIII-XVIII' of the waveguide element in FIG. 17.
  • FIG. 19 is an exploded perspective view of the waveguide element of FIG. 17.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the arrangement of vias in the waveguide element of FIG. 12.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view illustrating another modification
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view illustrating a state in which the conductor pin of FIG. 17 is covered with an insulating material.
  • FIG. 21 is a schematic perspective view of a waveguide element according to yet another embodiment of the invention.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view taken along line XXII-XXII' of the waveguide element shown in FIG.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of a waveguide element according to yet another embodiment of the invention.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view illustrating a modification of the waveguide element of FIG. 23.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a waveguide element according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II' of the waveguide element in FIG.
  • the illustrated waveguide element 100 is capable of guiding electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz or more and 20 THz or less, in other words, electromagnetic waves ranging from millimeter waves to terahertz waves.
  • a millimeter wave is an electromagnetic wave that typically has a frequency of about 30 GHz to 300 GHz; a terahertz wave is an electromagnetic wave that typically has a frequency of about 300 GHz to 20 THz.
  • the waveguide element 100 includes a resin material substrate 1, a conductor layer 2, and a support substrate 7.
  • the conductor layer 2 is provided on the resin material substrate 1 .
  • the support substrate 7 is located on the opposite side of the conductor layer 2 with respect to the resin material substrate 1.
  • the resin material substrate 1 and the support substrate 7 are directly bonded. Thereby, the support substrate 7 supports the resin material substrate 1. Therefore, it is possible to improve the mechanical strength of the waveguide element.
  • direct bonding means that two layers or substrates are bonded without intervening an organic adhesive (for example, an adhesive such as a resin).
  • the form of direct bonding can be appropriately set depending on the configurations of the layers or substrates to be bonded to each other.
  • the interface joined by direct bonding is typically amorphous. Therefore, the thermal resistance at the bonding interface can be dramatically reduced compared to resin bonding (resin bonding) using an organic adhesive.
  • an active element for example, an oscillator, a receiver, etc.
  • the form of direct bonding can also include bonding the support substrate and the resin material substrate via the first ground electrode 3 and/or bonding portion 8, which will be described later. Furthermore, by integrating the resin material substrate and the support substrate by direct bonding, peeling in the waveguide element can be effectively suppressed, and as a result, damage to the resin material substrate caused by such peeling (e.g. , cracks) can be suppressed well.
  • Direct bonding can be achieved, for example, by the following procedure.
  • a neutralizing beam is irradiated onto the bonding surfaces of the components (layers or substrates) to be bonded. This activates each bonding surface.
  • the activated bonding surfaces are brought into contact with each other in a vacuum atmosphere and bonded at room temperature.
  • the load during this joining may be, for example, 100N to 20,000N.
  • an inert gas is introduced into a chamber, and a high voltage is applied from a DC power source to electrodes arranged within the chamber.
  • the atomic species constituting the beam are preferably inert gas elements (eg, argon (Ar), nitrogen (N)).
  • the voltage upon activation by beam irradiation is, for example, 0.5 kV to 2.0 kV, and the current is, for example, 50 mA to 200 mA.
  • the direct bonding method is not limited to this, and surface activation methods using FAB (Fast Atom Beam) or ion guns, atomic diffusion methods, plasma bonding methods, and the like can also be applied.
  • the waveguide element 100 includes a first ground electrode 3.
  • the first ground electrode 3 is located between the resin material substrate 1 and the support substrate 7. This can suppress leakage of the electric field generated when a voltage is applied to the conductor layer from the resin material substrate to the support substrate. Therefore, substrate resonance and stray capacitance generation can be suppressed, and propagation loss can be reduced.
  • the first ground electrode 3 is in direct contact with the resin material substrate 1 and the support substrate 7, and functions as a joint that joins the resin material substrate 1 and the support substrate 7.
  • only the first ground electrode 3 is provided between the resin material substrate 1 and the support substrate 7. That is, the resin material substrate 1 and the support substrate 7 are directly bonded via only the first ground electrode 3. According to such a configuration, the thermal resistance of the waveguide element can be stably reduced.
  • the waveguide element 100 further includes a joint 8.
  • the joint portion 8 is provided between the resin material substrate 1 and the support substrate 7.
  • the first ground electrode 3 may be formed on the surface of the resin material substrate 1 opposite to the conductor layer 2, and may be in direct contact with the resin material substrate 1.
  • the joint portion 8 is located between the first ground electrode 3 and the support substrate 7, and joins the first ground electrode 3 and the support substrate 7.
  • the first ground electrode 3 may be formed on the surface of the support substrate 7 on the resin material substrate side, and may be in direct contact with the support substrate 7.
  • FIG. 4 the first ground electrode 3 may be formed on the surface of the support substrate 7 on the resin material substrate side, and may be in direct contact with the support substrate 7.
  • the joint portion 8 is located between the resin material substrate 1 and the first ground electrode 3, and joins the resin material substrate 1 and the first ground electrode 3.
  • the first ground electrode 3 and the joint portion 8 are provided between the resin material substrate 1 and the support substrate 7. That is, the resin material substrate 1 and the support substrate 7 are directly bonded via the first ground electrode 3 and the bonding portion 8 .
  • the waveguide element 100 does not need to include the first ground electrode 3.
  • the joint portion 8 is located between the resin material substrate 1 and the support substrate 7, and joins the resin material substrate 1 and the support substrate 7. In this embodiment, only the joint portion 8 is provided between the resin material substrate 1 and the support substrate 7. In other words, the resin material substrate 1 and the support substrate 7 are directly bonded to each other via the bonding portion 8 only. This also makes it possible to stably reduce the thermal resistance of the waveguide element.
  • no organic material (such as an adhesive) other than the resin material substrate 1 be interposed between the conductor layer and the support substrate.
  • the thermal resistance at the interface between the resin material substrate 1 and the support substrate 7 can be reduced, and characteristic deterioration of active elements and mounted components can be suppressed.
  • a structure in which no organic material (adhesive, etc.) other than the resin material substrate 1 is interposed is a structure in which the resin material substrate 1 and the support substrate 7 (the first ground electrode is formed on either or both of the resin material substrate 1 and the support substrate 7). ) can be obtained by directly joining.
  • the conductor layer 2 typically includes a signal electrode 21.
  • the signal electrode 21 constitutes a transmission line capable of propagating the electromagnetic waves described above.
  • the signal electrode 21 typically has a linear shape extending in a predetermined direction.
  • the width w of the signal electrode 21 is, for example, 2 ⁇ m or more, preferably 20 ⁇ m or more, and, for example, 200 ⁇ m or less, preferably 150 ⁇ m or less.
  • the signal electrode 21 extends over the entire waveguide element 100, but the length of the signal electrode 21 may be any suitable length depending on the use of the waveguide element. Further, a plurality of signal electrodes may be provided in the waveguide element so as to be lined up in the waveguide direction.
  • the conductor layer 2 further includes a second ground electrode 22 in addition to the signal electrode 21.
  • the second ground electrode 22 is spaced from the signal electrode 21 in a direction intersecting (preferably perpendicular to) the longitudinal direction of the signal electrode 21 .
  • a gap (slit) extending in the longitudinal direction of the signal electrode 21 is formed between the signal electrode 21 and the second ground electrode 22.
  • the width g of the void portion (slit) is, for example, 2 ⁇ m or more, preferably 5 ⁇ m or more, and, for example, 100 ⁇ m or less, preferably 80 ⁇ m or less.
  • the conductor layer 2 includes a signal electrode 21 and two second ground electrodes 22a and 22b.
  • the second ground electrode 22a is located on the opposite side of the signal electrode 21 from the second ground electrode 22b.
  • the signal electrode 21 and the two second ground electrodes 22a and 22b constitute a coplanar line as an example of a transmission line. That is, the signal electrode 21 and the second ground electrode 22 are coplanar electrodes. In such a coplanar line, when a voltage is applied to the conductor layer 2, an electric field is generated between the signal electrode 21 and the second ground electrode 22.
  • the above-described high-frequency electromagnetic waves are input to the waveguide element, they couple with the electric field generated between the signal electrode 21 and the second ground electrode 22 and propagate through the resin material substrate 1.
  • the second ground electrode 22 and the first ground electrode 3 may be electrically connected.
  • the ground can be strengthened and stray capacitance due to surrounding lines and elements can be suppressed.
  • a plurality of via holes are formed in the resin material substrate 1, and the vias 6 located in each via hole connect the first ground electrode 3 and the second ground electrode 22a, and the first ground electrode 3 and the second ground electrode 22a.
  • Each of the ground electrodes 22b is short-circuited.
  • the arrangement of the plurality of vias 6 (via holes) is not particularly limited. In the illustrated example, the plurality of vias 6 (via holes) are lined up in the longitudinal direction of the signal electrode 21 .
  • the row of vias 6 that short-circuit the first ground electrode 3 and the second ground electrode 22a and the row of vias 6 that short-circuit the first ground electrode 3 and the second ground electrode 22b are defined in the longitudinal direction of the signal electrode 21. They are spaced apart from each other in the cross direction.
  • the via 6 is typically a conductive film formed on the entire inner surface of the via hole.
  • the via 6 is made of a conductive material, typically the same metal as the conductor layer 2 (described later).
  • the entire via hole may be filled with a conductive material.
  • the via is formed of a metal film, the inside thereof may be filled with a conductive material.
  • the conductive material may be the same metal as the via or a different material such as a conductive paste.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of a waveguide element according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a sectional view taken along line IX-IX' of the waveguide element of FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX' of the waveguide element shown in FIG. 8
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI' of the waveguide element shown in FIG.
  • the illustrated waveguide element 101 further includes a third ground electrode 4 in addition to the resin material substrate 1 described above, the conductor layer 2 described above, the first ground electrode 3 described above, and the support substrate 7 described above. There is. Although not shown, the waveguide element 101 may include the above-described joint portion.
  • the third ground electrode 4 is located on the opposite side of the support substrate 7 from the first ground electrode 3 .
  • the third ground electrode 4 is formed on the opposite surface of the support substrate 7 from the first ground electrode 3 and is in direct contact with the support substrate 7 .
  • the first ground electrode is disposed between the resin material substrate and the support substrate, and the third ground electrode is disposed on the opposite side of the support substrate from the first ground electrode. Leakage of electromagnetic waves to the support substrate can be further suppressed.
  • the waveguide element 101 further includes a first via 5 and a second via 6.
  • the first via 5 electrically connects the second ground electrode 22 and the third ground electrode 4, and is also electrically connected to the first ground electrode 3.
  • the waveguide element 101 includes a plurality of the first vias 5 described above (see FIG. 8).
  • the second via 6 electrically connects the first ground electrode 3 and the second ground electrode 22.
  • the second vias 6 are arranged between adjacent first vias 5 among the plurality of first vias 5 (see FIG. 8). According to such a configuration, the first via electrically connects the first ground electrode, the second ground electrode, and the third ground electrode.
  • the ground can be strengthened and stray capacitance caused by surrounding lines and elements can be suppressed. Further, it is possible to add an excellent heat dissipation function to the support substrate, and to suppress transmission in higher-order modes.
  • the relative positional accuracy of the part located between the first ground electrode and the second ground electrode and the part located between the first ground electrode and the third ground electrode can be easily determined. It is possible to ensure that the output voltage is high, and the occurrence of ripples can be suppressed.
  • the second vias are arranged between adjacent first vias, the pitch between the first vias and the second vias on the resin material substrate can be made smaller than the pitch between the first vias on the support substrate. can. Therefore, even if the thickness of the resin material substrate is reduced, sufficient strength of the resin material substrate can be ensured.
  • the first vias 5 are provided on both sides of the signal electrode 21 in a direction intersecting (preferably perpendicular to) the longitudinal direction of the signal electrode 21.
  • the first via that electrically connects the second ground electrode 22a and the third ground electrode 4 will be referred to as the first via 5a
  • the first via that electrically connects the second ground electrode 22b and the third ground electrode 4 will be referred to as the first via 5a.
  • One via may be distinguished from the other as a first via 5b.
  • the first via 5a is in contact with the second ground electrode 22a and the third ground electrode 4, and extends continuously between the second ground electrode 22a and the third ground electrode 4.
  • the first via 5b is in contact with the second ground electrode 22b and the third ground electrode 4, and extends continuously between the second ground electrode 22b and the third ground electrode 4.
  • Each of the first vias 5 a and 5 b penetrates the first ground electrode 3 and is in contact with the first ground electrode 3 .
  • the waveguide element may include only one of the first vias 5a and 5b.
  • the first via 5 is typically a conductive film.
  • the first via 5 is made of a conductive material, typically the same metal as the conductor layer 2 (described later).
  • the shape of the first via 5 corresponds to the shape of the first via hole 51 in which it is arranged. That is, the waveguide element 101 has a plurality of first via holes 51 corresponding to the plurality of first vias 5.
  • the first via hole 51 penetrates the resin material substrate 1, the first ground electrode 3, and the support substrate 7.
  • the first via hole 51 typically has a circular shape when viewed from above the resin material substrate 1.
  • the inner diameter of the first via hole is, for example, 10 ⁇ m or more, preferably 20 ⁇ m or more, and, for example, 200 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or less, more preferably 80 ⁇ m or less.
  • the first via hole 51 has a circular shape when viewed from above the resin material substrate 1, and extends linearly in the thickness direction of the resin material substrate 1, the first ground electrode 3, and the resin material substrate 1. It passes through the support substrate 7.
  • the first via hole is circular and linear, the first via 5 has a columnar or cylindrical shape extending in the thickness direction of the resin material substrate 1.
  • the range of the outer diameter of the first via 5 is the same as the range of the inner diameter of the first via hole.
  • the first via hole 51 may have a circular shape when viewed from above the resin material substrate 1, and may have a tapered shape that becomes smaller in diameter as it approaches the first ground electrode 3. .
  • the first via hole 51 may have a circular shape when viewed from above the resin material substrate 1, and may have a tapered shape that becomes larger in diameter as it approaches the first ground electrode 3.
  • the first via hole has a tapered shape, it is possible to have the characteristics that it becomes easier to form a conductive film in the first via and that it becomes easier to ensure the strength of the support substrate.
  • the first via may be formed such that a conductive material is embedded in the first via hole.
  • the first via 5 When the first via hole is circular and tapered, the first via 5 preferably has an hourglass shape in which the diameter of the contact portion with the first ground electrode 3 is small and the diameter increases as the distance from the first ground electrode 3 increases. .
  • the first via 5 preferably has a shape in which the vertices of two cones are connected to each other. In this case, the maximum outer diameter of the first via 5 falls within the above range.
  • the outer diameter of one end of the first via 5 that contacts the second ground electrode 22 is smaller than the outer diameter of the other end of the first via 5 that contacts the third ground electrode 4.
  • each of the second ground electrode and the third ground electrode is formed so as to close the first via hole, but the respective configurations of the second ground electrode and the third ground electrode are not limited to this. .
  • Each of the second ground electrode and the third ground electrode only needs to be electrically connected to the first via, and may be left open without blocking the first via hole.
  • the plurality of first vias 5a are arranged at intervals in the longitudinal direction of the signal electrode 21.
  • the direction in which the plurality of first vias 5a are lined up is not limited to the longitudinal direction of the signal electrode 21.
  • the plurality of first vias 5a may be arranged at intervals in a direction intersecting (preferably perpendicular to) the longitudinal direction of the signal electrode 21.
  • the waveguide element may have a plurality of rows of first vias 5a lined up in the longitudinal direction of the signal electrode 21 in a direction intersecting (orthogonal to) the longitudinal direction of the signal electrode 21.
  • the pitch P1 of the plurality of first vias 5a is, for example, 40 ⁇ m or more, preferably 60 ⁇ m or more, and, for example, 600 ⁇ m or less, preferably 400 ⁇ m.
  • the thickness is more preferably 200 ⁇ m or less.
  • the waveguide element 101 may include a plurality of first vias 5b similarly to the first vias 5a.
  • the second vias 6 are provided on both sides of the signal electrode 21 in a direction intersecting (preferably perpendicular to) the longitudinal direction of the signal electrode 21.
  • the second via 6a the second via that electrically connects the second ground electrode 22a and the first ground electrode 3
  • the second via 6a the second via that electrically connects the second ground electrode 22b and the first ground electrode 3
  • the two vias may be distinguished from each other by being referred to as the second via 6b.
  • the second via 6a is in contact with the second ground electrode 22a and the first ground electrode 3, and is not in contact with the third ground electrode 4.
  • the second via 6b is in contact with the second ground electrode 22b and the first ground electrode 3, and is not in contact with the third ground electrode 4.
  • the waveguide element may include only one of the second vias 6a and 6b.
  • the second via 6 is typically a conductive film.
  • the second via 6 is made of a conductive material, typically the same metal as the first via 5 (described later).
  • the shape of the second via 6 corresponds to the shape of the second via hole 61 in which it is arranged. That is, the waveguide element 101 has a second via hole 61 corresponding to the second via 6.
  • the second via hole 61 penetrates at least the resin material substrate 1 and does not penetrate the support substrate 7.
  • the second via hole 61 typically has a circular shape when viewed from above the resin material substrate 1.
  • the range of the inner diameter of the second via hole is, for example, the same as the range of the inner diameter of the first via hole described above.
  • the second via hole 61 in the illustrated example penetrates the resin material substrate 1 linearly in the thickness direction of the resin material substrate 1, and does not penetrate the first ground electrode 3.
  • the second via hole 61 is circular and linear, the second via 6 has a columnar or cylindrical shape extending in the thickness direction of the resin material substrate 1.
  • the range of the outer diameter of the second via 6 is the same as the range of the inner diameter of the second via hole.
  • the second via hole 61 may have a conical shape that tapers away from the conductor layer 2.
  • the illustrated second via hole 61 penetrates through the resin material substrate 1 and the first ground electrode 3, and its tip reaches the support substrate 7.
  • the second via 6 preferably has the same conical shape as the second via hole 61.
  • the maximum outer diameter of the second via 6 falls within the range of the inner diameter of the second via hole.
  • the apex portion of the second via 6 (the end of the second via 6 on the opposite side to the conductor layer 2) may reach the support substrate 7.
  • the second ground electrode is formed so as to close the second via hole, but the configuration of the second ground electrode is not limited to this.
  • the second ground electrode only needs to be electrically connected to the second via, and may be open without blocking the second via hole.
  • the second vias 6 are arranged between adjacent first vias 5 among the plurality of first vias 5 arranged in a predetermined direction.
  • the second via 6 is typically located at the center of the interval between adjacent first vias 5.
  • the illustrated waveguide element 101 has a plurality of second vias 6 (a plurality of second vias 6a and a plurality of second vias 6b).
  • the second vias 6 shown in FIGS. 8 to 13 are arranged between the first vias 5 that are adjacent to each other in the longitudinal direction of the signal electrode 21.
  • the second vias 6 shown in FIG. 14 are arranged between the first vias 5 adjacent to each other in a direction intersecting (preferably perpendicular to) the longitudinal direction of the signal electrode 21.
  • the second vias 6 can be placed at any appropriate position as long as they are between the first vias 5 that are adjacent to each other.
  • the second vias 6 may be arranged every n first vias 5 in the direction in which the plurality of first vias are lined up. n is, for example, 1 or more and 5 or less, preferably 1 or 2. More preferably, the first vias 5 and the second vias 6 are arranged alternately. Further, as shown in FIGS. 11 and 12, all of the plurality of second vias 6 may be arranged between adjacent first vias 5, or as shown in FIG. As long as the second vias 6 are arranged between adjacent first vias 5, the second vias 6 that are not arranged between the first vias 5 may be included.
  • the pitch P2 between the first via 5 and the second via 6 that are adjacent to each other is substantially the same as the pitch P1.
  • distance between the centers of adjacent first vias 5a for example, 25 ⁇ m or more, preferably 60 ⁇ m or more, and, for example, 600 ⁇ m or less, preferably 400 ⁇ m or less, more preferably 200 ⁇ m or less.
  • the pitch P2 of the first vias 5 and the second vias 6 in the resin material substrate 1 can be adjusted to the pitch P2 of the first vias 5 and the second vias 6 in the support substrate 7.
  • the pitch P1 can be made smaller than the pitch P1 of 5. Therefore, even if the thickness of the resin material substrate is reduced, sufficient strength of the resin material substrate can be ensured.
  • the waveguide element 101 includes a third via that electrically connects the first ground electrode 3 and the third ground electrode 4 in place of the first via 5. Good too. In other words, the waveguide element 101 separates the second via 6 that connects the first ground electrode 3 and the second ground electrode 22 and the third via that connects the first ground electrode 3 and the third ground electrode 4. You may be prepared for this. However, in such a configuration, the relative positional accuracy of the second via connecting the first ground electrode and the second ground electrode and the third via connecting the first ground electrode and the third ground electrode is It may decrease. In this case, if the positional deviation between the second via and the third via becomes large, ripples may occur in the frequency characteristics. Therefore, it is more preferable for the waveguide element 101 to include the first via 5 because ripples can be suppressed. Moreover, the waveguide element including the first via can be manufactured more smoothly than the waveguide element including the second via and the third via.
  • the waveguide element 101 may include the first via 5 but may not include the second via 6.
  • the first via hole 51 has a tapered shape that becomes larger in diameter as the distance from the first ground electrode 3 increases, and the thickness of the support substrate 7 is greater than that of the resin material substrate 1,
  • the outer diameter of the other end of the first via 5 that contacts the third ground electrode 4 may be larger than the outer diameter of the one end of the first via 5 that contacts the second ground electrode 22 .
  • the waveguide element 101 includes a first via 5 and a second via 6, and by arranging the second via 6 between adjacent first vias 5, interference between the first vias 5 can be suppressed. Therefore, it is preferable.
  • FIG. 15 is a schematic perspective view of a waveguide element according to yet another embodiment of the present invention
  • FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line XVI-XVI' of the waveguide element of FIG. 15.
  • the signal electrode 21 and the first ground electrode 3 constitute a microstrip line as an example of a transmission line. That is, the signal electrode 21 and the first ground electrode 3 are microstrip type electrodes.
  • the waveguide element 102 may include the above-described joint portion.
  • the width w of the signal electrode 21 is, for example, 100 ⁇ m or more, preferably 300 ⁇ m or more, and, for example, 800 ⁇ m or less, preferably 500 ⁇ m or less.
  • the above-described high-frequency electromagnetic waves combine with the electric field generated between the signal electrode 21 and the first ground electrode 3, and are transmitted through the resin material substrate 1. propagate.
  • FIG. 17 is a schematic perspective view of a waveguide element according to yet another embodiment of the present invention
  • FIG. 18 is a cross-sectional view taken along line XVIII-XVIII' of the waveguide element of FIG. 17
  • FIG. 19 is an exploded perspective view of the waveguide element of FIG. 17.
  • the waveguide element 103 in the illustrated example includes the resin material substrate 1 described above, the conductor layer 2 described above, the first ground electrode 3 described above, the support substrate 7 described above, and the third ground electrode 4 described above. It further includes substrate through-vias 9. Note that although not shown, the waveguide element 103 may include the above-described joint portion.
  • Each of the plurality of substrate through-vias 9 electrically connects the first ground electrode 3 and the third ground electrode 4.
  • the first ground electrode 3, the third ground electrode 4, and the plurality of substrate through-vias 9 constitute a substrate integrated waveguide (hereinafter referred to as SIW) capable of propagating electromagnetic waves.
  • SIW substrate integrated waveguide
  • the SIW can be provided on the support substrate, and the support substrate can be effectively used as a waveguide.
  • the signal electrode 21 and the first ground electrode 3 constitute a microstrip line as an example of a transmission line.
  • the second ground electrode 22 further includes a second ground electrode 22c in addition to the above-described first ground electrode 22a and second ground electrode 22b.
  • one end portion of the signal electrode 21 is located between the first ground electrode 22a and the second ground electrode 22b, which are spaced apart from each other.
  • the first ground electrode 22a and the second ground electrode 22b may be electrically connectable to an external element (not shown).
  • the second ground electrode 22c is arranged at a predetermined distance from the other end of the signal electrode 21.
  • the second ground electrode 22c has a substantially C-shape when viewed from above, and surrounds the other end of the signal electrode 21.
  • the conductor layer 2 does not need to include the second ground electrode 22c.
  • the signal electrode 21 may constitute a coplanar electrode as an example of a transmission line, together with the first ground electrode 22a and the second ground electrode 22b.
  • the waveguide element 103 may further include the via 6 described above. This makes it possible to strengthen the ground and suppress stray capacitance due to surrounding lines and elements.
  • each of the second ground electrodes 22a, 22b, and 22c is electrically connected to the first ground electrode 3 through a plurality of vias 6.
  • Each of the plurality of substrate through-vias 9 penetrates the support substrate 7 in the thickness direction, and is arranged periodically on the support substrate 7.
  • the plurality of substrate through-vias 9 include a first via row 9a and a second via row 9b.
  • Each of the first via row 9a and the second via row 9b consists of a plurality of substrate through-vias 9 arranged at intervals in a predetermined direction.
  • the second via array 9b is located away from the first via array 9a in a direction perpendicular to the direction in which the first via array 9a extends.
  • a region surrounded by the first ground electrode 3, the third ground electrode 4, the first via row 9a, and the second via row 9b functions as the SIW.
  • the substrate through-via 9 is made of a conductive material, typically the same metal as the conductor layer 2 (described later).
  • the substrate through-via 9 is arranged within the substrate via hole 91 . That is, the waveguide element 103 has a plurality of substrate via holes 91 corresponding to the plurality of substrate through-vias 9 .
  • the substrate via hole 91 penetrates the first ground electrode 3, the support substrate 7, and the third ground electrode 4 all at once.
  • Substrate through-via 9 is typically a conductive film formed on the entire inner surface of substrate via hole 91 . Note that the substrate via hole 91 may penetrate only the support substrate without penetrating the first ground electrode and the third ground electrode.
  • the substrate via hole is filled with the substrate through-hole so as to contact the first ground electrode and the third ground electrode. Furthermore, when the through-substrate via 9 that connects the first ground electrode 3 and the third ground electrode 4 is formed of a conductive film, the inside thereof may be filled with a material such as resin.
  • the transmission line and the SIW constituted by the signal electrode 21 may be independent of each other, or may be coupled so that electromagnetic waves can propagate.
  • a transmission line (typically a microstrip type transmission line) constituted by the signal electrode 21 and the SIW are coupled by a conductor pin 25.
  • a transmission line mode electromagnetic wave (signal) propagating through a resin material substrate can be converted into a waveguide mode electromagnetic wave propagating through a support substrate via a conductor pin.
  • the support substrate can function as an antenna that radiates electromagnetic waves propagating in a waveguide mode into space in the plane of the substrate.
  • the conductor pin 25 extends from the signal electrode 21 , passes through the resin material substrate 1 , and reaches the SIW on the support substrate 7 .
  • the conductor pin 25 can serve as a propagation medium for electromagnetic waves.
  • the conductor pin 25 is made of a conductor material, typically the same metal as the conductor layer 2 (described later). In the illustrated example, the conductor pins 25 extend in the thickness direction of the resin material substrate 1.
  • the conductor pin 25 may have a columnar shape such as a cylindrical shape, or may have a cylindrical shape (hollow shape) such as a cylindrical shape.
  • a base end of the conductor pin 25 is connected to an end of the signal electrode 21. The free end of the conductor pin 25 is inserted into a recess 71 formed in the support substrate 7 (see FIG.
  • the recessed portion 71 is located between the first via row 9a and the second via row 9b.
  • a portion of the conductor pin 25 between the base end and the free end is inserted into an opening 31 that the first ground electrode 3 has.
  • the conductor pin 25 is preferably insulated from the first ground electrode 3.
  • the opening 31 forms an air layer around the conductor pin 25.
  • the opening 31 is larger than the outer shape of the conductor pin 25, and the entire peripheral edge of the opening 31 is separated from the conductor pin 25.
  • the conductor pin can be insulated from the first ground electrode, and in turn, the signal electrode and the first ground electrode can be stably insulated.
  • substrate resonance due to electric field leakage to the support substrate can be further suppressed.
  • the influence of dielectric loss can be suppressed compared to a structure in which the air layer is filled with resin.
  • the periphery of the conductor pin 25 may be covered with an insulating material 15. This also allows the conductor pin to be insulated from the first ground electrode.
  • the insulating material include resin and SiO 2 .
  • FIG. 21 is a schematic perspective view of a waveguide element according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 22 is a XXII-XXII' cross-sectional view of the waveguide element of FIG. 21.
  • the second ground electrode and vias are omitted for convenience.
  • the waveguide element 104 includes a plurality of signal electrodes 21 located apart from each other. Therefore, the waveguide element 104 includes a plurality of transmission lines corresponding to signal electrodes.
  • the waveguide element 104 includes a conductor layer 2 including a first signal electrode 21a and a second signal electrode 21b, a first conductor pin 25a, and a second conductor pin 25b.
  • the first signal electrode 21a constitutes a first transmission line together with the first ground electrode 3, and the second signal electrode 21b constitutes a second transmission line together with the first ground electrode 3.
  • the first conductor pin 25a couples the SIW, which is composed of the first ground electrode 3, the third ground electrode 4, and the plurality of substrate through-vias 9, to the first transmission line.
  • the second conductor pin 25b couples the SIW composed of the first ground electrode 3, the third ground electrode 4, and the plurality of substrate through-vias 9 to the second transmission line.
  • an electromagnetic wave (signal) in a transmission line mode propagating through the resin material substrate is converted into an SIW mode via the first conductor pin, and then propagated through the support substrate in the SIW mode, and then, The mode can be converted into a transmission line mode in which the resin material substrate is propagated again via the second conductor pin.
  • the electromagnetic waves propagated through the resin material substrate can be emitted from the antenna element provided on the resin material substrate.
  • FIG. 23 is a schematic sectional view of a waveguide element according to yet another embodiment of the present invention
  • FIG. 24 is a schematic sectional view illustrating a modification of the waveguide element of FIG. 23. be.
  • the above-described waveguide element includes one support substrate 7, the number of support substrates 7 is not particularly limited.
  • a plurality of support substrates 7 are arranged at intervals in the thickness direction of the resin material substrate 1, and each of the plurality of support substrates 7 is provided with a substrate integrated waveguide (SIW). According to such a configuration, the antenna portions that radiate electromagnetic waves in the SIW mode can be arrayed in the thickness direction.
  • SIW substrate integrated waveguide
  • such a waveguide element can be used as a phased array antenna in wireless communication.
  • heat generation of the waveguide element may become a problem, but in the above embodiment, the resin material substrate and the support substrate are directly bonded, and the support Since the through-substrate via that penetrates the substrate is connected to the ground electrode, heat can be smoothly radiated from the waveguide element.
  • the third ground electrode 4 is arranged between adjacent support substrates 7 among the plurality of support substrates 7.
  • the SIW provided on each support substrate 7 is formed by metal layers arranged on both sides of the support substrate 7 (i.e., the first ground electrode 3 and the third ground electrode 4, or the two third ground electrodes 4). and a plurality of substrate penetrating vias 9 that penetrate the support substrate 7.
  • a plurality of waveguide units 12 including SIW may be arranged at intervals in the thickness direction of the resin material substrate 1.
  • Each of the plurality of waveguide units 12 includes a first ground electrode 3 , a support substrate 7 , a third ground electrode 4 , and a plurality of substrate through-vias 9 .
  • a spacer substrate 13 may be provided between adjacent support substrates 7 among the plurality of support substrates 7 .
  • the spacer substrate 13 is arranged between adjacent waveguide units 12.
  • a waveguide element including a plurality of SIWs preferably includes the same number of signal electrodes 21 and conductor pins 25 as the SIWs.
  • Each conductor pin 25 couples the transmission path formed by each signal electrode 21 to the corresponding SIW.
  • the conductor pin 25 is inserted from the corresponding signal electrode 21 through the resin material substrate 1 and into the opening 31 of the first ground electrode 3, and is further inserted into the support substrate 7, the third ground electrode 4 and the spacer substrate as necessary. 13 and reaches the target support substrate 7.
  • the signal (electromagnetic wave) from the external signal source X installed on the resin material substrate can be easily propagated to the SIW of each support substrate, while being relatively easy to manufacture. .
  • a "waveguide element” includes both a wafer on which at least one waveguide element is formed (waveguide element wafer) and a chip obtained by cutting the waveguide element wafer.
  • the resin material substrate 1 has an upper surface on which a conductor layer 2 is provided, and a lower surface located within the composite substrate.
  • the thickness of the resin material substrate 1 satisfies the following formula (1), for example.
  • t represents the thickness of the resin material substrate.
  • ⁇ represents the wavelength of the electromagnetic wave guided by the waveguide element.
  • ⁇ represents the relative permittivity of the resin material substrate at 150 GHz.
  • a is (Represents a number of 3 or more.)
  • the thickness of the resin material substrate satisfies the above formula (1), even when the waveguide element guides the above-mentioned high-frequency electromagnetic waves, the induction of slab mode can be suppressed, and the occurrence of substrate resonance can be suppressed. It can be suppressed. Therefore, the waveguide element can sufficiently reduce propagation loss even when guiding the above-described high-frequency electromagnetic waves.
  • development of miniaturization of waveguide elements is progressing, and since circuit integration is expected in the future, it is expected that waveguide elements (line structures) will also be required to be miniaturized accordingly.
  • the resin material substrate is made thinner, which reduces propagation loss and meets the demand for miniaturization. can do.
  • a represents a numerical value of 6 or more.
  • the relative permittivity ⁇ of the resin material substrate 1 at 150 GHz is typically 1.5 or more, typically 4.0 or less, preferably 3.5 or less, and more preferably 3.0 or less.
  • the dielectric loss tangent (dielectric loss) tan ⁇ of the resin material substrate 1 at 150 GHz is typically 0.01 or less, preferably 0.005 or less, and more preferably 0.002 or less. If the dielectric loss tangent is within this range, propagation loss in the waveguide can be reduced. The smaller the dielectric loss tangent, the better.
  • the dielectric loss tangent may be, for example, 0.0001 or more.
  • the propagation loss can be further reduced when guiding the above-mentioned high frequency electromagnetic waves (especially electromagnetic waves of 150 GHz or higher). It can be achieved stably.
  • the dielectric constant ⁇ and the dielectric loss tangent (dielectric loss) tan ⁇ can be measured by terahertz time domain spectroscopy. Further, in this specification, when there is no mention of a measurement frequency regarding the dielectric constant and dielectric loss tangent, it means the dielectric constant and dielectric loss tangent at 150 GHz.
  • the thickness of the resin material substrate 1 that satisfies the above formula (1) is specifically 1 ⁇ m or more, preferably 2 ⁇ m or more, more preferably 10 ⁇ m or more, even more preferably 20 ⁇ m or more, and, for example, 1700 ⁇ m or less, preferably 500 ⁇ m or less, The thickness is more preferably 200 ⁇ m or less, and even more preferably 100 ⁇ m or less. From the viewpoint of miniaturization by reducing the size of the electrode, the thickness of the resin material substrate 1 is preferably 80 ⁇ m or less, and more preferably 60 ⁇ m or less.
  • the thickness of the resin material substrate 1 is preferably 10 ⁇ m or more. In order to ensure strength, the thickness of the resin material substrate 1 is preferably 30 ⁇ m or more, more preferably 40 ⁇ m or more.
  • the thickness and width of the electrodes constituting the waveguide element will be reduced to about several micrometers, and in addition to increasing propagation loss due to the skin effect, line distortion due to manufacturing variations will occur. Performance tolerance is significantly reduced.
  • the thickness of the resin material substrate 1 is less than or equal to the above upper limit, the induction of slab mode and the occurrence of substrate resonance are suppressed, and a waveguide element with low propagation loss over a wide frequency range (that is, a wide band) can be realized.
  • the resin material substrate 1 is made of resin material. Any suitable material may be used as the resin material as long as the effects of the embodiments of the present invention can be obtained. Such materials typically include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE); hydrocarbon resins such as cycloolefin (COP) and cyclic olefin copolymer (COC); liquid crystal polymer (LCP), etc. Examples include liquid crystal resins; polyimide resins such as modified polyimide;
  • the resistivity of the resin material substrate 1 is, for example, 10 7 k ⁇ cm or more, preferably 10 8 k ⁇ cm or more, more preferably 10 9 k ⁇ cm or more, and even more preferably 10 10 k ⁇ cm. That's all.
  • the resistivity may be, for example, 10 16 k ⁇ cm or less.
  • the thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient) of the resin material substrate 1 is not particularly limited.
  • the upper limit of the thermal expansion coefficient (linear expansion coefficient) of the resin material substrate 1 is, for example, 80 ppm/K, preferably 70 ppm/K.
  • the lower limit value of the coefficient of thermal expansion (coefficient of linear expansion) of the resin material substrate 1 is, for example, 10 ppm/K, preferably 12 ppm/K. When the coefficient of thermal expansion is within this range, thermal deformation (typically, warping) of the substrate can be suppressed well. Note that the thermal expansion coefficient can be measured in accordance with JIS standard R1618.
  • Such a resin material substrate 1 is subjected to surface treatment such as surface roughening treatment, if necessary.
  • the conductor layer 2 is formed on the surface (one surface in the thickness direction) of the resin material substrate 1 and is in direct contact with the resin material substrate 1 .
  • the conductor layer 2 is typically made of metal. Examples of the metal include chromium (Cr), nickel (Ni), copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), and titanium (Ti). Metals can be used alone or in combination.
  • the conductor layer 2 may be a single layer, or may be formed by laminating two or more layers.
  • the conductor layer 2 is formed on the resin material substrate 1 by a known film forming method (for example, plating, sputtering, vapor deposition, printing).
  • the thickness of the conductor layer 2 is, for example, 1 ⁇ m or more, preferably 4 ⁇ m or more, and, for example, 20 ⁇ m or less, preferably 10 ⁇ m or less.
  • the first ground electrode 3 is provided on the surface of the resin material substrate 1 (preferably a roughened surface) and/or on the surface of the support substrate 7. For example, it is formed by sputtering.
  • the first ground electrode 3 can be made of the same metal as the conductor layer 2. Further, the metal of the first ground electrode 3 may be the same as the metal of the conductor layer 2, or may be different from the metal of the conductor layer 2.
  • the thickness range of the first ground electrode 3 is similar to the thickness range of the conductor layer 2.
  • a metal layer is formed on both the resin material substrate 1 and the support substrate 7, and these metal layers are directly joined to form the first ground electrode 3. Good too. In this case, the bonding interface is formed inside the first ground electrode.
  • the third ground electrode 4 is formed on the surface of the support substrate 7 on the side opposite to the first ground electrode 3, for example, by sputtering or plating.
  • the third ground electrode 4 can be made of the same metal as the conductor layer 2. Further, the metal of the third ground electrode 4 may be the same as the metal of the conductor layer 2, or may be different from the metal of the conductor layer 2.
  • the thickness range of the third ground electrode 4 is similar to the thickness range of the conductor layer 2.
  • the third ground electrode 4 does not necessarily have to be formed on the entire surface of the supporting substrate 7 on the side opposite to the first ground electrode.
  • the support substrate 7 has an upper surface located within the composite substrate and a lower surface exposed to the outside.
  • the support substrate 7 is provided to increase the strength of the composite substrate, thereby making it possible to reduce the thickness of the resin material substrate. Any suitable configuration may be adopted as the support substrate 7.
  • Specific examples of materials constituting the support substrate 7 include indium phosphide (InP), silicon (Si), glass, sialon (Si 3 N 4 -Al 2 O 3 ), mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 , 2Al).
  • the thermal conductivity of the support substrate 7 is, for example, 90 W/Km or more, preferably 150 W/Km or more, and typically 500 W/Km or less.
  • the thermal conductivity of the support substrate is preferably 150 W/Km or more, and the material of the support substrate is preferably silicon (Si), aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC ), or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the material of the support substrate is preferably selected from single crystal quartz, amorphous quartz, spinel, AlN, sapphire, aluminum oxide, SiC, magnesium oxide or silicon. Among the materials for such a support substrate, silicon is more preferred.
  • the thickness of the support substrate 7 is, for example, ⁇ /4 ⁇ b or more, preferably ⁇ /2 ⁇ , where ⁇ b is the relative permittivity of the support substrate 7 and ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave guided by the waveguide element. b , and for example, 2 ⁇ / ⁇ b or less, preferably 3 ⁇ /2 ⁇ b or less, more preferably ⁇ / ⁇ b or less. If the thickness of the support substrate is equal to or greater than the above lower limit, it is possible to stably improve the mechanical strength of the waveguide element.
  • the thickness of the supporting substrate is equal to or less than the above upper limit, slab mode propagation can be suppressed, the waveguide element can be made thinner (mechanical strength of the waveguide element can be maintained), and substrate resonance can be suppressed.
  • the spacing between adjacent supporting substrates 7 is preferably about ⁇ /2, which is suitable for the antenna pitch.
  • the thickness of the support substrates 7 is less than the above-mentioned interval, an appropriate antenna pitch can be ensured by providing a spacer substrate 13 between adjacent support substrates.
  • the material constituting the support substrate has a small dielectric loss tangent.
  • the dielectric loss tangent is preferably 0.07 or less.
  • the joint portion may have one layer, or two or more layers may be laminated.
  • the joint is typically constructed from an inorganic material.
  • Examples of the bonding portion include a SiO 2 layer, an amorphous silicon layer, and a tantalum oxide layer.
  • the joint is a metal film selected from gold (Au), titanium (Ti), platinum (Pt), chromium (Cr), copper (Cu), tin (Sn), or a combination (alloy) thereof. You can.
  • the bonding portion is a metal film, it is possible to stably ensure adhesion with the ground electrode made of metal, and it is possible to suppress migration.
  • an amorphous silicon layer is preferred.
  • the thickness of the joint portion is, for example, 0.001 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, preferably 0.1 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less.
  • Example 1 1-1. Fabrication of waveguide element (coplanar line) A waveguide element shown in FIG. 3 was fabricated.
  • a 0.1 mm thick polyimide substrate (resin material substrate) was prepared, and after roughening the surface of the polyimide substrate, a gold film was formed by sputtering to form a ground electrode. Next, an amorphous silicon film was formed on the ground electrode by sputtering. After film formation, the amorphous silicon film was polished and planarized.
  • the arithmetic mean roughness of a square 10 ⁇ m (10 ⁇ m square area; the same applies hereinafter) of the surface of the amorphous silicon film was measured using an atomic force microscope, it was 0.2 nm.
  • a silicon wafer (support substrate) with a thickness of 525 ⁇ m was prepared.
  • the arithmetic mean roughness of a square 10 ⁇ m surface of the silicon wafer surface was measured and found to be 0.2 nm.
  • the amorphous silicon surface formed on the ground electrode and the silicon wafer were bonded as follows. First, a polyimide substrate and a silicon wafer are placed in a vacuum chamber, and in a vacuum on the order of 10 -6 Pa, high-speed Ar neutralization is applied to both bonding surfaces (the amorphous silicon surface formed on the ground electrode and the surface of the silicon wafer). An atomic beam (acceleration voltage 1 kV, Ar flow rate 60 sccm) was irradiated for 70 seconds.
  • the polyimide substrate and silicon wafer were left to cool for 10 minutes, and then the amorphous silicon surface formed on the ground electrode and the bonding surface of the silicon wafer (the surface beam irradiated surface of the polyimide substrate and silicon wafer) were brought into contact. , 4.90 kN for 2 minutes to bond the polyimide substrate and silicon wafer. That is, a polyimide substrate and a silicon wafer were directly bonded via an amorphous silicon layer (joint portion). After bonding, the silicon wafer was polished to a thickness of 200 ⁇ m to form a composite wafer. In the obtained polyimide substrate/ground electrode/junction/silicon composite substrate, no defects such as peeling were observed at the bonding interface.
  • a resist was applied to the surface of the polyimide substrate opposite to the silicon wafer (polished surface), and patterned by photolithography to expose the portion where the coplanar electrode pattern was to be formed. Thereafter, a coplanar electrode pattern was formed by sputtering on the upper surface of the polyimide substrate exposed from the resist.
  • the length of the signal electrode in the waveguide direction was 10 mm.
  • an RF signal generator was coupled to the input side of the waveguide element using a probe, and an electromagnetic wave was coupled to the RF signal receiver by installing the probe on the output side of the waveguide element.
  • a voltage was applied to the RF signal generator to cause the RF signal generator to transmit electromagnetic waves with a frequency of 150 GHz.
  • electromagnetic waves were propagated to the coplanar line (waveguide element).
  • the RF signal receiver measured the RF power of the electromagnetic waves output from the coplanar line. When the propagation loss (dB/cm) was calculated from the measurement results, the result was 1 dB/cm.
  • Example 1 Evaluation of Heat Dissipation Performance
  • the waveguide element of Example 1 was subjected to heat conduction analysis using the finite element method (FEMTET manufactured by Murata Software).
  • FEMTET finite element method
  • the thermal conductivity of polyimide is 0.2 W/mK
  • the thermal conductivity of silicon is 150 W/mK
  • the thermal conductivity of gold is 300 W/mK. It was set as mK.
  • the resin material substrate and the support substrate were directly bonded via the ground electrode and the bonding portion, and since the bonding interface was amorphous, the thermal interfacial resistance of the interface was set to zero.
  • the thermal resistance of the waveguide element was 90 K/W. This confirmed that direct bonding improved heat dissipation.
  • Example 2 A waveguide element was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the ground electrode and the silicon wafer were directly bonded using solder (AuSn: thermal conductivity 50 W/mK) instead of the amorphous silicon layer. .
  • the thermal resistance of the obtained waveguide element was analyzed in the same manner as the above evaluation of heat dissipation performance. As a result, the thermal resistance of the waveguide element was 90 K/W.
  • a coplanar electrode was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the polyimide substrate on which the ground electrode was formed and the silicon wafer were hardened and bonded using polyimide adhesive (organic adhesive) instead of direct bonding.
  • a waveguide element including a polyimide substrate, a ground electrode, a polyimide adhesive layer, and a support substrate was obtained.
  • the propagation loss of the obtained waveguide element was calculated in the same manner as in Example 1. As a result, the propagation loss was 1.0 dB/cm.
  • the thermal resistance of the obtained waveguide element was analyzed in the same manner as in Example 1. As a result, the thermal resistance of the waveguide element was 150 K/W.
  • the waveguide element according to the embodiment of the present invention can be used in a wide range of fields such as waveguides, next-generation high-speed communications, sensors, laser processing, and solar power generation, and is particularly suitable for use as a waveguide for millimeter waves to terahertz waves. It can be done.
  • Such waveguide elements can be used, for example, in antennas, bandpass filters, couplers, delay lines (phasers), or isolators.

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Abstract

樹脂材料基板を支持基板によって支持でき、かつ、熱抵抗の低減を図ることができる導波素子が提供される。本発明の実施形態による導波素子は、周波数が３０ＧＨｚ以上２０ＴＨｚ以下である電磁波を導波可能である。導波素子は、樹脂材料基板と；樹脂材料基板の上部に設けられる導体層と；樹脂材料基板に対して前記導体層と反対側に位置している支持基板と；を備えており、樹脂材料基板と支持基板とは直接接合されている。

Description

導波素子
　本発明は、導波素子に関する。
　ミリ波～テラヘルツ波を導波する素子の１つとして、導波素子の開発が進められている。導波素子は、光導波路、次世代高速通信、センサ、レーザー加工、太陽光発電等の幅広い分野への応用および展開が期待されている。そのような導波素子として、例えば、フレキシブル基板である上基板と；上基板に設けられ高周波信号伝搬用の接続部となる平面回路と；表裏両面に接地導体層が設けられる基板と；を備え、上基板と基板とが、エポキシなどの有機系接着剤から構成される接着層により貼り合わされている、モード変換器が提案されている（特許文献１参照）。
特開２０１４－２３６２９１号公報
　しかし、特許文献１に記載のモード変換器では、上基板と基板とが有機系接着剤により接着されているので、接着部分の熱抵抗を低減することは困難である。そのため、このようなモード変換器に能動素子（例えば、発振器、受信器など）を実装すると、能動素子から上基板に伝達した熱を放散できずに、上基板が加熱されてしまう場合がある。この場合、上基板に接続される他の部材（例えば、その他の能動素子、実装部品）に熱が伝達され、それら部材の特性が劣化するおそれがある。
　本発明の主たる目的は、樹脂材料基板を支持基板によって支持でき、かつ、熱抵抗の低減を図ることができる導波素子を提供することにある。
［１］本発明の実施形態による導波素子は、周波数が３０ＧＨｚ以上２０ＴＨｚ以下である電磁波を導波可能である。導波素子は、樹脂材料基板と；該樹脂材料基板の上部に設けられる導体層と；該樹脂材料基板に対して導体層と反対側に位置している支持基板と；を備えている。該樹脂材料基板と該支持基板とは直接接合されている。
［２］上記［１］に記載の導波素子は、第１接地電極をさらに備えていてもよい。第１接地電極は、上記樹脂材料基板と上記支持基板との間に位置している。
［３］上記［２］に記載の導波素子において、上記第１接地電極は、上記樹脂材料基板および上記支持基板と直接接触しており、上記樹脂材料基板と上記支持基板とを接合する接合部として機能してもよい。
［４］上記［２］に記載の導波素子において、上記第１接地電極は、上記樹脂材料基板と直接接触しており、上記導波素子は、上記第１接地電極と上記支持基板とを接合する接合部をさらに備えていてもよい。
［５］上記［２］に記載の導波素子において、上記第１接地電極は、上記支持基板と直接接触しており、上記導波素子は、上記樹脂材料基板と上記第１接地電極とを接合する接合部をさらに備えていてもよい。
［６］上記［１］から［５］のいずれかに記載の導波素子において、上記導体層は、上記電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する信号電極と；該信号配線と間隔を空けて配置されている第２接地電極と；を備えていてもよい。
［７］上記［６］に記載の導波素子は、第３接地電極と、第１ビアと、第２ビアと、をさらに備えていてもよい。該第３接地電極は、上記支持基板に対して上記第１接地電極と反対側に位置している。該第１ビアは、上記第２接地電極と上記第３接地電極とを電気的に接続し、かつ、上記第１接地電極と電気的に接続されている。該第２ビアは、上記第１接地電極と上記第２接地電極とを電気的に接続している。第１ビアは、複数設けられており、第２ビアは、複数の第１ビアのうち互いに隣り合う第１ビアの間に配置されている。
［８］上記［６］に記載の導波素子は、第３接地電極と、複数の基板貫通ビアと、をさらに備えていてもよい。該第３接地電極は、上記支持基板に対して上記第１接地電極と反対側に位置している。該基板貫通ビアは、上記第１接地電極と上記第３接地電極とを電気的に接続している。第１接地電極と第３接地電極と複数の基板貫通ビアとは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管を構成している。
［９］上記［１］から［８］のいずれかに記載の導波素子において、上記樹脂材料基板の厚みｔは、下記式（１）を満たしていてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 （式中、ｔは、樹脂材料基板の厚みを表す。λは、導波素子に導波される電磁波の波長を表す。εは、樹脂材料基板の１５０ＧＨｚにおける比誘電率を表す。ａは、３以上の数値を表す。）
［１０］上記［９］に記載の導波素子において、上記式（１）におけるａが６以上の数値を表してもよい。
［１１］上記［１］から［１０］のいずれかに記載の導波素子において、上記樹脂材料基板の厚みｔは、１００μｍ以下であってもよい。
［１２］上記［１］から［１１］のいずれかに記載の導波素子において、上記樹脂材料基板の厚みｔは、１μｍ以上であってもよい。
［１３］上記［１］または［２］に記載の導波素子は、接合部をさらに備えていてもよい。接合部は、上記樹脂材料基板と上記支持基板との間に設けられている。接合部は、ＳｉＯ２層、アモルファスシリコン層、又は酸化タンタル層であってもよい。
　本発明の実施形態によれば、樹脂材料基板を支持基板によって支持でき、かつ、熱抵抗の低減を図ることができる導波素子を実現することができる。
図１は、本発明の１つの実施形態による導波素子の概略斜視図である。 図２は、図１の導波素子のＩＩ－ＩＩ´断面図である。 図３は、図２の導波素子における接合部の配置の一例を説明する概略断面図である。 図４は、図２の導波素子における接合部の配置の別の例を説明する概略断面図である。 図５は、図２の導波素子における接合部の配置のさらに別の例を説明する概略断面図である。 図６は、図１の導波素子の変形例を説明する概略斜視図である。 図７は、図６の導波素子のＶＩＩ－ＶＩＩ´断面図である。 図８は、本発明の別の実施形態による導波素子の概略斜視図である。 図９は、図８の導波素子のＩＸ－ＩＸ´断面図である。 図１０は、図８の導波素子のＸ－Ｘ´断面図である。 図１１は、図８の導波素子のＸＩ－ＸＩ´断面図である。 図１２は、図９の導波素子におけるビアの形状の変形例を説明する概略断面図である。 図１３は、図１２の導波素子におけるビアの配置の変形例を説明する概略断面図である。 図１４は、図９の導波素子におけるビアの配置の別の変形例を説明する概略断面図である。 図１５は、本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略斜視図である。 図１６は、図１５の導波素子のＸＶＩ－ＸＶＩ´断面図である。 図１７は、本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略斜視図である。 図１８は、図１７の導波素子のＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ´断面図である。 図１９は、図１７の導波素子の分解斜視図である。 図２０は、図１７の導体ピンを絶縁材料によって覆った状態を説明する概略断面図である。 図２１は、本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略斜視図である。 図２２は、図２１の導波素子のＸＸＩＩ－ＸＸＩＩ´断面図である。 図２３は、本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略断面図である。 図２４は、図２３の導波素子の変形例を説明する概略断面図である。
　以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
Ａ．導波素子の全体構成
Ａ－１．導波素子１００の全体構成
　図１は、本発明の１つの実施形態による導波素子の概略斜視図であり；図２は、図１の導波素子のＩＩ－ＩＩ´断面図である。
　図示例の導波素子１００は、周波数が３０ＧＨｚ以上２０ＴＨｚ以下である電磁波、言い換えれば、ミリ波～テラヘルツ波の電磁波を導波可能である。なお、ミリ波とは、代表的には周波数が３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚ程度の電磁波であり；テラヘルツ波とは、代表的には周波数が３００ＧＨｚ～２０ＴＨｚ程度の電磁波である。
　導波素子１００は、樹脂材料基板１と、導体層２と、支持基板７とを備えている。導体層２は、樹脂材料基板１の上部に設けられている。支持基板７は、樹脂材料基板１に対して導体層２と反対側に位置している。樹脂材料基板１と支持基板７とは直接接合されている。これによって、支持基板７は、樹脂材料基板１を支持している。そのため、導波素子の機械的強度の向上を図ることができる。
　本明細書において「直接接合」とは、有機系接着剤（例えば、樹脂などの接着剤）を介在させることなく２つの層または基板が接合していることを意味する。直接接合の形態は、互いに接合される層または基板の構成に応じて適切に設定され得る。さらに、直接接合により接合された界面は、代表的には、アモルファス化している。そのため、接合界面の熱抵抗を、有機系接着剤を用いた樹脂接着（樹脂接合）と比較して飛躍的に小さくできる。これにより導波素子に能動素子（例えば、発振器、受信器など）を実装する場合、能動素子から生じた熱が樹脂材料基板に伝達しても、そのような熱を樹脂材料基板から支持基板を介してパッケージへ円滑に逃がすことができる。その結果、樹脂材料基板が加熱されることを抑制でき、樹脂材料基板に接続される他の部材（例えば、その他の能動素子、実装部品）の特性劣化を抑制できる。直接接合の形態は、後述の第１接地電極３および／または接合部８を介した支持基板と樹脂材料基板の接合も含むことができる。
　さらに、樹脂材料基板と支持基板とを直接接合により一体化することで、導波素子における剥離を良好に抑制することができ、結果として、このような剥離に起因する樹脂材料基板の損傷（例えば、クラック）を良好に抑制することができる。
　直接接合は、例えば、以下の手順で実現され得る。高真空チャンバー内（例えば、１×１０－６Ｐａ程度）において、接合される構成要素（層または基板）のそれぞれの接合面に中性化ビームを照射する。これより、各接合面が活性化される。次いで、真空雰囲気で、活性化された接合面同士を接触させ、常温で接合する。この接合時の荷重は、例えば１００Ｎ～２００００Ｎであり得る。１つの実施形態においては、中性化ビームによる表面活性化を行う際には、チャンバーに不活性ガスを導入し、チャンバー内に配置した電極へ直流電源から高電圧を印加する。このような構成であれば、電極（正極）とチャンバー（負極）との間に生じる電界により電子が運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、好ましくは不活性ガス元素（例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ））である。ビーム照射による活性化時の電圧は例えば０．５ｋＶ～２．０ｋＶであり、電流は例えば５０ｍＡ～２００ｍＡである。なお、直接接合の方法は、これに限定されることはなく、ＦＡＢ（Ｆａｓｔ　Ａｔｏｍ　Ｂｅａｍ）やイオンガンによる表面活性化法、原子拡散法、プラズマ接合法等も適用できる。
　１つの実施形態において、導波素子１００は、第１接地電極３を備えている。第１接地電極３は、樹脂材料基板１と支持基板７との間に位置している。これによって、導体層に電圧が印加されたときに生じる電界が、樹脂材料基板から支持基板に漏洩することを抑制できる。そのため、基板共振や浮遊容量発生を抑制でき、伝搬損失の低減を図り得る。
　図示例では、第１接地電極３は、樹脂材料基板１および支持基板７と直接接触しており、樹脂材料基板１と支持基板７とを接合する接合部として機能する。本実施形態では、樹脂材料基板１と支持基板７との間に、第１接地電極３のみ設けられている。つまり、樹脂材料基板１と支持基板７とは、第１接地電極３のみを介して直接接合されている。このような構成によれば、導波素子の熱抵抗を安定して低減できる。
　図３に示すように、１つの実施形態において、導波素子１００は、接合部８をさらに備えている。接合部８は、樹脂材料基板１と支持基板７との間に設けられている。第１接地電極３は、樹脂材料基板１における導体層２と反対側の表面上に形成され、樹脂材料基板１と直接接触していてもよい。図３に示す実施形態では、接合部８は、第１接地電極３と支持基板７との間に位置し、第１接地電極３と支持基板７とを接合している。
　また、図４に示すように、第１接地電極３は、支持基板７における樹脂材料基板側の表面上に形成され、支持基板７と直接接触していてもよい。図４に示す実施形態では、接合部８は、樹脂材料基板１と第１接地電極３との間に位置し、樹脂材料基板１と第１接地電極３とを接合している。
　図３および図４に示す実施形態では、樹脂材料基板１と支持基板７との間に、第１接地電極３および接合部８が設けられている。すなわち、樹脂材料基板１と支持基板７とは、第１接地電極３および接合部８を介して直接接合されている。これら実施形態によっても、導波素子の熱抵抗を安定して低減できる。
　なお、図５に示すように、導波素子１００は、第１接地電極３を備えなくてもよい。図５に示す実施形態では、接合部８は、樹脂材料基板１と支持基板７との間に位置し、樹脂材料基板１と支持基板７とを接合している。本実施形態では、樹脂材料基板１と支持基板７との間に、接合部８のみ設けられている。つまり、樹脂材料基板１と支持基板７とは、接合部８のみを介して直接接合されている。これによっても、導波素子の熱抵抗を安定して低減できる。
　これらのように、導体層と支持基板の間には樹脂材料基板１以外の有機材料（接着剤など）が介在しないことが好ましい。これにより、樹脂材料基板１と支持基板７の界面における熱抵抗を小さくすることができ、能動素子や実装部品の特性劣化を抑制できる。樹脂材料基板１以外の有機材料（接着剤など）が介在しない構造は、樹脂材料基板１と支持基板７（樹脂材料基板１と支持基板７のいずれか、または両方に第１接地電極が形成されていてもよいし、されていなくてもよい。）を直接接合することで得られる。
　図１および図２に示すように、導体層２は、代表的には、信号電極２１を含んでいる。信号電極２１は、上記した電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する。信号電極２１は、代表的には、所定方向に延びる線形状を有している。信号電極２１の幅ｗは、例えば２μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上、例えば２００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下である。
　なお、図１では、信号電極２１は、導波素子１００の全体にわたって延びているが、信号電極２１の長さは、導波素子の用途に応じて任意の適切な寸法を採用し得る。また、信号電極は、導波素子において、導波方向に並ぶように複数設けられていてもよい。
　１つの実施形態において、導体層２は、信号電極２１に加えて、第２接地電極２２をさらに備えている。第２接地電極２２は、信号電極２１の長手方向と交差（好ましくは直交）する方向において、信号電極２１と間隔を空けて配置されている。これによって、信号電極２１と第２接地電極２２との間には、信号電極２１の長手方向に延びる空隙部（スリット）が形成される。当該空隙部（スリット）の幅ｇは、例えば２μｍ以上、好ましくは５μｍ以上、例えば１００μｍ以下、好ましくは８０μｍ以下である。
　図示例では、導体層２は、信号電極２１と、２つの第２接地電極２２ａ，２２ｂとを備えている。第２接地電極２２ａは、信号電極２１に対して、第２接地電極２２ｂと反対側に位置している。図１から図１４に示す導波素子では、信号電極２１と、２つの第２接地電極２２ａ，２２ｂとは、伝送線路の一例としてのコプレーナ線路を構成する。すなわち、信号電極２１および第２接地電極２２は、コプレーナ型電極である。
　このようなコプレーナ線路では、導体層２に電圧が印加されると、信号電極２１と第２接地電極２２との間に電界が生じる。上記した高周波数の電磁波は、導波素子に入力されると、信号電極２１と第２接地電極２２との間に生じた電界と結合して、樹脂材料基板１中を伝搬する。
　また、図６および図７に示すように、第２接地電極２２と第１接地電極３とは導通していてもよい。第２接地電極２２と第１接地電極３とが導通していると、グランドを強化でき、周囲の線路や素子による浮遊容量を抑制できる。
　図示例では、樹脂材料基板１に複数のビアホールが形成されており、各ビアホール内に位置するビア６によって、第１接地電極３と第２接地電極２２ａ、および、第１接地電極３と第２接地電極２２ｂのそれぞれが、短絡されている。複数のビア６（ビアホール）の配置は特に制限されない。図示例では、複数のビア６（ビアホール）は、信号電極２１の長手方向に並んでいる。第１接地電極３と第２接地電極２２ａとを短絡するビア６の列と、第１接地電極３と第２接地電極２２ｂとを短絡するビア６の列とは、信号電極２１の長手方向と交差する方向に互いに間隔を空けて配置されている。ビア６は、代表的には、ビアホールの内面全体に形成される導電膜である。ビア６は、導電性材料から構成され、代表的には導体層２と同様の金属（後述）で構成される。ビアホールには、ホール内全体に導電性材料が充填されていてもよい。ビアが金属膜で形成される場合、その内部は導電性材料で充填されていてもよい。導電性材料は、ビアと同じ金属であってもよく、導電性ペーストなどの異なる材料であってもよい。
Ａ－２．導波素子１０１の全体構成
　図８は、本発明の別の実施形態による導波素子の概略斜視図であり；図９は、図８の導波素子のＩＸ－ＩＸ´断面図であり；図１０は、図８の導波素子のＸ－Ｘ´断面図であり；図１１は、図８の導波素子のＸＩ－ＸＩ´断面図である。
　図示例の導波素子１０１は、上記した樹脂材料基板１、上記した導体層２、上記した第１接地電極３、および、上記した支持基板７に加えて、第３接地電極４をさらに備えている。なお、図示しないが、導波素子１０１は、上記した接合部を備えていてもよい。第３接地電極４は、支持基板７に対して第１接地電極３と反対側に位置している。図示例では、第３接地電極４は、支持基板７における第１接地電極３と反対側の表面上に形成されて、支持基板７と直接接触している。このような構成によれば、第１接地電極が樹脂材料基板と支持基板との間に配置され、第３接地電極が支持基板に対して第１接地電極と反対側に配置されているので、電磁波が支持基板に漏洩することをより一層抑制できる。
　１つの実施形態において、導波素子１０１は、第１ビア５と、第２ビア６と、をさらに備えている。図９に示すように、第１ビア５は、第２接地電極２２と第３接地電極４とを電気的に接続し、かつ、第１接地電極３と電気的に接続されている。導波素子１０１は、上記した第１ビア５を複数備えている（図８参照）。図１０に示すように、第２ビア６は、第１接地電極３と第２接地電極２２とを電気的に接続している。第２ビア６は、複数の第１ビア５のうち互いに隣り合う第１ビア５の間に配置されている（図８参照）。このような構成によれば、第１ビアが第１接地電極と第２接地電極と第３接地電極とを電気的に接続している。そのため、グランドを強化でき、周囲の線路や素子による浮遊容量を抑制できる。また、支持基板に優れた放熱機能を付加することができ、かつ、高次モードでの伝送を抑制することができる。また、第１ビアにおいて、第１接地電極と第２接地電極との間に位置する部分と、第１接地電極と第３接地電極との間に位置する部分との相対的な位置精度を簡便に確保することができ、リップルの発生を抑制することができる。
　さらに、第２ビアが互いに隣り合う第１ビアの間に配置されているので、樹脂材料基板における第１ビアおよび第２ビアのピッチを、支持基板における第１ビアのピッチよりも小さくすることができる。そのため、樹脂材料基板を薄厚化しても、樹脂材料基板の強度を十分に確保することができる。
Ａ－２－１．第１ビア
　図９に示すように、導波素子１０１において、第１ビア５は、信号電極２１の長手方向と交差（好ましくは直交）する方向において、信号電極２１の両側に設けられている。以下では、第２接地電極２２ａと第３接地電極４とを電気的に接続する第１ビアを第１ビア５ａとし、第２接地電極２２ｂと第３接地電極４とを電気的に接続する第１ビアを第１ビア５ｂとして互いに区別する場合がある。
　第１ビア５ａは、第２接地電極２２ａおよび第３接地電極４と接触しており、第２接地電極２２ａと第３接地電極４との間を連続的に延びている。第１ビア５ｂは、第２接地電極２２ｂおよび第３接地電極４と接触しており、第２接地電極２２ｂと第３接地電極４との間を連続的に延びている。第１ビア５ａ，５ｂのそれぞれは、第１接地電極３を貫通しており、第１接地電極３と接触している。なお、導波素子は、第１ビア５ａ，５ｂのうちいずれか一方のみを備えていてもよい。
　第１ビア５は、代表的には導電膜である。第１ビア５は、導電性材料から構成され、代表的には導体層２と同様の金属（後述）で構成される。第１ビア５の形状は、それが配置される第１ビアホール５１の形状に対応する。つまり、導波素子１０１は、複数の第１ビア５に対応して、複数の第１ビアホール５１を有している。第１ビアホール５１は、樹脂材料基板１、第１接地電極３および支持基板７を貫通している。第１ビアホール５１は、代表的には、樹脂材料基板１の上方から見て円形状を有する。第１ビアホールが円形状を有する場合、第１ビアホールの内径は、例えば１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であり、例えば２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは８０μｍ以下である。
　図９では、第１ビアホール５１は、樹脂材料基板１の上方から見て円形状を有し、かつ、樹脂材料基板１の厚み方向に直線的に、樹脂材料基板１、第１接地電極３および支持基板７を貫通している。第１ビアホールが円形かつ直線的である場合、第１ビア５は、樹脂材料基板１の厚み方向に延びる円柱形状または円筒形状を有する。この場合、第１ビア５の外径の範囲は、上記第１ビアホールの内径の範囲と同様である。
　図１２に示すように、第１ビアホール５１は、樹脂材料基板１の上方から見て円形状を有し、かつ、第１接地電極３に近づくにつれて小径となるテーパ形状を有していてもよい。また、図示しないが、第１ビアホール５１は、樹脂材料基板１の上方から見て円形状を有し、かつ、第１接地電極３に近づくにつれて大径となるテーパ形状であってもよい。
　第１ビアホールがテーパ形状であると、第１ビア内の導電膜を形成しやすくなる、支持基板の強度が確保しやすくなる、という特徴を持たすことができる。また、第１ビアは、導電性材料が第１ビアホールに埋め込まれるように形成されていてもよい。
　第１ビアホールが円形かつテーパ形状である場合、第１ビア５は、好ましくは、第１接地電極３との接触部分が小径となり、第１接地電極３から離れるにつれて大径となる砂時計形状を有する。言い換えれば、第１ビア５は、好ましくは、２つの円錐の頂点同士が連結された形状を有する。この場合、第１ビア５の最大外径が上記の範囲内となる。１つの実施形態において、第２接地電極２２と接触する第１ビア５の一端部の外径は、第３接地電極４と接触する第１ビア５の他端部の外径よりも小さい。第１ビア５において、第１接地電極に対して導体層２側のテーパ角は、第１接地電極に対して第３接地電極側のテーパ角よりも小さい。
　なお、図示例では、第２接地電極および第３接地電極のそれぞれが、第１ビアホールを塞ぐように形成されているが、第２接地電極および第３接地電極のそれぞれの構成はこれに限定されない。第２接地電極および第３接地電極のそれぞれは、第１ビアと導通されていればよく、第１ビアホールを塞ぐことなく開放していてもよい。
　また、図８～図１２に示す導波素子１０１では、複数の第１ビア５ａが、信号電極２１の長手方向に互いに間隔を空けて並んでいる。複数の第１ビア５ａが並ぶ方向は、信号電極２１の長手方向に限定されない。図１４に示すように、複数の第１ビア５ａは、信号電極２１の長手方向と交差（好ましくは直交）する方向に互いに間隔を空けて並んでいてもよい。また、導波素子は、信号電極２１の長手方向に並ぶ第１ビア５ａの列を、信号電極２１の長手方向と交差（直交）する方向に複数有してもよい。
　図１２に示すように、複数の第１ビア５ａのピッチＰ１（互いに隣り合う第１ビア５ａの中心間の距離）は、例えば４０μｍ以上、好ましくは６０μｍ以上であり、例えば６００μｍ以下、好ましくは４００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下である。
　また、導波素子１０１は、第１ビア５ａと同様に、複数の第１ビア５ｂを備えていてもよい。
Ａ－２－２．第２ビア
　図８に示すように、導波素子１０１において、第２ビア６は、信号電極２１の長手方向と交差（好ましくは直交）する方向において、信号電極２１の両側に設けられている。以下では、第２接地電極２２ａと第１接地電極３とを電気的に接続する第２ビアを第２ビア６ａとし、第２接地電極２２ｂと第１接地電極３とを電気的に接続する第２ビアを第２ビア６ｂとして互いに区別する場合がある。第２ビア６ａは、第２接地電極２２ａおよび第１接地電極３と接触しており、かつ、第３接地電極４と接触していない。第２ビア６ｂは、第２接地電極２２ｂおよび第１接地電極３と接触しており、かつ、第３接地電極４と接触していない。なお、導波素子は、第２ビア６ａ，６ｂのうちいずれか一方のみを備えていてもよい。
　第２ビア６は、代表的には導電膜である。第２ビア６は、導電性材料からから構成され、代表的には第１ビア５と同様の金属（後述）で構成される。第２ビア６の形状は、それが配置される第２ビアホール６１の形状に対応する。つまり、導波素子１０１は、第２ビア６に対応する第２ビアホール６１を有している。
　図１０に示すように、第２ビアホール６１は、少なくとも樹脂材料基板１を貫通し、かつ、支持基板７を貫通しない。第２ビアホール６１は、代表的には、樹脂材料基板１の上方から見て円形状を有する。第２ビアホールが円形状を有する場合、第２ビアホールの内径の範囲は、例えば、上記した第１ビアホールの内径の範囲と同様である。
　図示例の第２ビアホール６１は、樹脂材料基板１の厚み方向に直線的に樹脂材料基板１を貫通し、第１接地電極３を貫通しない。第２ビアホール６１が円形状かつ直線的である場合、第２ビア６は、樹脂材料基板１の厚み方向に延びる円柱形状または円筒形状を有する。この場合、第２ビア６の外径の範囲は、上記第２ビアホールの内径の範囲と同様である。
　図１２に示すように、第２ビアホール６１は、導体層２から離れるにつれて先細りとなる円錐形状を有していてもよい。図示例の第２ビアホール６１は、樹脂材料基板１および第１接地電極３を貫通し、その先端が支持基板７に到達している。第２ビアホール６１が円錐形状である場合、第２ビア６は、好ましくは、第２ビアホール６１と同様の円錐形状を有する。この場合、第２ビア６の最大外径が、上記第２ビアホールの内径の範囲内となる。また、第２ビア６の頂点部（第２ビア６における導体層２と反対側の端部）は、支持基板７に到達していてもよい。
　なお、図示例では、第２接地電極が、第２ビアホールを塞ぐように形成されているが、第２接地電極の構成はこれに限定されない。第２接地電極は、第２ビアと導通されていればよく、第２ビアホールを塞ぐことなく開放していてもよい。
　図１１～図１４に示すように、第２ビア６は、所定方向に並ぶ複数の第１ビア５のうち、互いに隣り合う第１ビア５の間に配置されている。第２ビア６は、代表的には、互いに隣り合う第１ビア５の間の間隔の中央に位置している。
　図示例の導波素子１０１は、複数の第２ビア６（複数の第２ビア６ａ、および、複数の第２ビア６ｂ）を有している。図８～図１３に示す第２ビア６は、信号電極２１の長手方向に互いに隣り合う第１ビア５の間に配置されている。図１４に示す第２ビア６は、信号電極２１の長手方向と交差（好ましくは直交）する方向に互いに隣り合う第１ビア５の間に配置されている。
　また、第２ビア６は、互いに隣り合う第１ビア５の間であれば、任意の適切な位置に配置できる。第２ビア６は、複数の第１ビアが並ぶ方向において、ｎ個の第１ビア５毎に配置されてもよい。ｎは、例えば１以上５以下であり、好ましくは１または２である。より好ましくは、第１ビア５と第２ビア６とは交互に配置される。また、複数の第２ビア６は、図１１および図１２に示すように、そのすべてが互いに隣り合う第１ビア５の間に配置されてもよく、図１３に示すように、少なくとも１つが互いに隣り合う第１ビア５の間に配置されていれば、第１ビア５の間に配置されていない第２ビア６を含んでいてもよい。
　図１２に示すように、互いに隣り合う第１ビア５と第２ビア６とのピッチＰ２（互いに隣り合う第１ビア５ａと第２ビア６ａとの中心間の距離）は、実質的にピッチＰ１（互いに隣り合う第１ビア５ａの中心間の距離）の１／２であって、例えば２５μｍ以上、好ましくは６０μｍ以上であり、例えば６００μｍ以下、好ましくは４００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下である。
　このように、第２ビア６を互いに隣り合う第１ビア５の間に配置することで、樹脂材料基板１における第１ビア５および第２ビア６のピッチＰ２を、支持基板７における第１ビア５のピッチＰ１よりも小さくすることができる。そのため、樹脂材料基板を薄厚化しても、樹脂材料基板の強度を十分に確保できる。
Ａ－２－３．導波素子１０１の変形例
　図示しないが、導波素子１０１は、第１ビア５に代えて、第１接地電極３と第３接地電極４とを電気的に接続する第３ビアを備えていてもよい。つまり、導波素子１０１は、第１接地電極３と第２接地電極２２とを接続する第２ビア６と、第１接地電極３と第３接地電極４とを接続する第３ビアとを別々に備えていてもよい。しかし、そのような構成では、第１接地電極と第２接地電極とを接続する第２ビアと、第１接地電極と第３接地電極とを接続する第３ビアとの相対的な位置精度が低下する場合がある。この場合、第２ビアと第３ビアとの位置ずれが大きくなると周波数特性においてリップルが発生するおそれがある。そのため、導波素子１０１は、第１ビア５を備えることが、リップルを抑制できるのでより好ましい。また、第１ビアを備える導波素子は、第２ビアおよび第３ビアを備える導波素子と比較して、円滑に製造し得る。
　また、図示しないが、導波素子１０１は、第１ビア５を備える一方、第２ビア６を備えなくてもよい。しかし、図１２に示すように、第１ビアホール５１が第１接地電極３から離れるにつれて大径となるテーパ形状を有し、かつ、支持基板７の厚みが樹脂材料基板１よりも大きいと、第２接地電極２２と接触する第１ビア５の一端部の外径よりも、第３接地電極４と接触する第１ビア５の他端部の外径が大きくなる場合がある。この場合、第２ビア６を設けずに複数の第１ビア５のピッチを上記したピッチＰ２のように狭くすると、第１ビア５の他端部同士が干渉するおそれがある。そのため、導波素子１０１は、第１ビア５および第２ビア６を備え、第２ビア６を互いに隣り合う第１ビア５の間に配置することが、第１ビア５同士の干渉を抑制できるので好ましい。
Ａ－３．導波素子１０２の全体構成
　図１５は、本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略斜視図であり；図１６は、図１５の導波素子のＸＶＩ－ＸＶＩ´断面図である。
　導波素子１０２では、信号電極２１は、第１接地電極３とともに、伝送線路の一例としてのマイクロストリップ線路を構成する。すなわち、信号電極２１および第１接地電極３は、マイクロストリップ型電極である。なお、図示しないが、導波素子１０２は、上記した接合部を備えていてもよい。
　信号電極２１がマイクロストリップ型電極である場合、信号電極２１の幅ｗは、例えば１００μｍ以上、好ましくは３００μｍ以上、例えば８００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下である。
　信号電極および第１接地電極がマイクロストリップ型電極である場合、上記した高周波数の電磁波は、信号電極２１と第１接地電極３との間に生じた電界と結合して、樹脂材料基板１中を伝搬する。
Ａ－４．導波素子１０３の全体構成
　図１７は、本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略斜視図であり；図１８は、図１７の導波素子のＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩ´断面図であり；図１９は、図１７の導波素子の分解斜視図である。
　図示例の導波素子１０３は、上記した樹脂材料基板１、上記した導体層２、上記した第１接地電極３、上記した支持基板７、および、上記した第３接地電極４に加えて、複数の基板貫通ビア９をさらに備えている。なお、図示しないが、導波素子１０３は、上記した接合部を備えていてもよい。複数の基板貫通ビア９のそれぞれは、第１接地電極３と第３接地電極４とを電気的に接続している。第１接地電極３と第３接地電極４と複数の基板貫通ビア９とは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管（以下、ＳＩＷとする。）を構成する。これによって、支持基板にＳＩＷを設けることができ、支持基板を導波管として有効に利用できる。
　図示例では、信号電極２１は、第１接地電極３とともに、伝送線路の一例としてのマイクロストリップ線路を構成する。
　１つの実施形態において、第２接地電極２２は、上記した第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂに加えて、第２接地電極２２ｃをさらに含んでいる。本実施形態において、互いに間隔を空けて配置される第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂの間には、信号電極２１の一端部が位置している。第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂは、図示しない外部素子と電気的に接続可能であってもよい。第２接地電極２２ｃは、信号電極２１の他端部に対して所定の間隔を空けて配置されている。第２接地電極２２ｃは、上方から見て略Ｃ字形状を有しており、信号電極２１の他端部を囲んでいる。導体層２は、第２接地電極２２ｃを備えなくてもよい。なお、信号電極２１は、第１接地電極２２ａおよび第２接地電極２２ｂとともに、伝送線路の一例としてのコプレーナ型電極を構成してもよい。
　また、導波素子１０３は、上記したビア６をさら備えていてもよい。これによって、グランドを強化でき、周囲の線路や素子による浮遊容量を抑制できる。図示例では、第２接地電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃのそれぞれが、複数のビア６により、第１接地電極３と電気的に接続されている。
　複数の基板貫通ビア９のそれぞれは、支持基板７を厚み方向に貫通しており、支持基板７において周期的に配置されている。代表的には、複数の基板貫通ビア９は、第１ビア列９ａと第２ビア列９ｂとを含んでいる。第１ビア列９ａおよび第２ビア列９ｂのそれぞれは、所定方向に互いに間隔を空けて並ぶ複数の基板貫通ビア９からなる。第２ビア列９ｂは、第１ビア列９ａの延びる方向と直交する方向において、第１ビア列９ａから離れて位置している。１つの実施形態では、支持基板７において、第１接地電極３と第３接地電極４と第１ビア列９ａと第２ビア列９ｂとによって囲まれる領域が、ＳＩＷとして機能する。
　図１８に示すように、基板貫通ビア９は、導体材料から構成され、代表的には導体層２と同様の金属（後述）で構成されている。基板貫通ビア９は、基板ビアホール９１内に配置される。つまり、導波素子１０３は、複数の基板貫通ビア９に対応して、複数の基板ビアホール９１を有している。図示例では、基板ビアホール９１は、第１接地電極３、支持基板７および第３接地電極４を一括して貫通している。基板貫通ビア９は、代表的には、基板ビアホール９１の内面全体に形成される導電膜である。なお、基板ビアホール９１は、第１接地電極および第３接地電極を貫通せずに支持基板のみを貫通していてもよい。この場合、基板貫通ビアは、第１接地電極および第３接地電極と接触するように、基板ビアホールに充填される。また、第１接地電極３と第３接地電極４とを導通する基板貫通ビア９が導電膜で形成される場合、その内部は樹脂などの材料で充填されていてもよい。
　導波素子１０３において、信号電極２１が構成する伝送線路とＳＩＷとは、互いに独立していてもよく、電磁波が伝搬可能となるように結合されていてもよい。１つの実施形態では、信号電極２１が構成する伝送線路（代表的にはマイクロストリップ型伝送線路）とＳＩＷとは、導体ピン２５によって結合されている。これによって、電磁波の伝搬モードを、伝送線路モードと導波管モードとに変換可能である。例えば、樹脂材料基板を伝搬する伝送線路モードの電磁波（信号）を、導体ピンを介して、支持基板を伝搬する導波管モードの電磁波に変換できる。支持基板は、導波管モードで伝搬する電磁波を基板面内方向に空間放射するアンテナとして機能し得る。
　導体ピン２５は、信号電極２１から、樹脂材料基板１を貫通して、支持基板７におけるＳＩＷに到達している。導体ピン２５は、電磁波の伝搬媒質となり得る。導体ピン２５は、導体材料から構成され、代表的には導体層２と同様の金属（後述）で構成されている。図示例では、導体ピン２５は、樹脂材料基板１の厚み方向に延びている。導体ピン２５は、円柱形状などの柱形状であってもよく、円筒形状などの筒形状（中空形状）であってもよい。導体ピン２５の基端部は、信号電極２１の端部に接続されている。導体ピン２５の遊端部は、支持基板７に形成される凹部７１に挿入されている（図１９参照）。凹部７１は、第１ビア列９ａと第２ビア列９ｂとの間に位置している。導体ピン２５における基端部と遊端部との間の部分は、第１接地電極３が有する開口部３１に挿通されている。
　導体ピン２５は、好ましくは、第１接地電極３から絶縁されている。１つの実施形態において、図１８に示すように、開口部３１は、導体ピン２５の周囲に空気層を形成している。開口部３１は導体ピン２５の外形よりも大きく、開口部３１の周縁部の全体が導体ピン２５から離れている。これによって、導体ピンを第１接地電極から絶縁でき、ひいては、信号電極と第１接地電極とを安定して絶縁できる。また、支持基板への電界の漏れによる基板共振をより一層抑制できる。さらに、空気層に樹脂が充填されている構造と比較して誘電体損失の影響を抑制できる。
　なお、図２０に示すように、導体ピン２５の周囲を絶縁材料１５で覆ってもよい。これによっても、導体ピンを第１接地電極から絶縁できる。絶縁材料としては、例えば、樹脂、ＳｉＯ２が挙げられる。
Ａ－５．導波素子１０４の全体構成
　図２１は、本発明の別の実施形態による導波素子の概略斜視図であり；図２２は、図２１の導波素子のＸＸＩＩ－ＸＸＩＩ´断面図である。なお、図２１では、便宜上、第２接地電極およびビアを省略している。
　導波素子１０４は、互いに離れて位置する複数の信号電極２１を備えている。そのため、導波素子１０４は、信号電極に対応する伝送線路を複数備えている。図示例では、導波素子１０４は、第１信号電極２１ａおよび第２信号電極２１ｂを含む導体層２と、第１導体ピン２５ａと、第２導体ピン２５ｂと、を備えている。第１信号電極２１ａは、第１接地電極３とともに第１の伝送線路を構成し、第２信号電極２１ｂは、第１接地電極３とともに第２の伝送線路を構成している。第１導体ピン２５ａは、第１接地電極３、第３接地電極４および複数の基板貫通ビア９から構成されるＳＩＷと、第１の伝送線路とを結合している。第２導体ピン２５ｂは、第１接地電極３、第３接地電極４および複数の基板貫通ビア９から構成されるＳＩＷと、第２の伝送線路とを結合している。
　これによって、１つの実施形態では、樹脂材料基板を伝搬する伝送線路モードの電磁波（信号）を、第１導体ピンを介してＳＩＷモードに変換した後、ＳＩＷモードで支持基板を伝搬させ、次いで、第２導体ピンを介して再び樹脂材料基板を伝搬する伝送線路モードに変換することができる。本実施形態では、樹脂材料基板を伝搬した電磁波は、樹脂材料基板に設けられたアンテナ素子から放出され得る。
Ａ－６．導波素子１０５の全体構成
　図２３は、本発明のさらに別の実施形態による導波素子の概略断面図であり；図２４は、図２３の導波素子の変形例を説明する概略断面図である。
　上記した導波素子では、１つの支持基板７を備えるが、支持基板７の個数は特に制限されない。導波素子１０５では、支持基板７が、樹脂材料基板１の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置され、複数の支持基板７のそれぞれに基板集積導波管（ＳＩＷ）が設けられている。このような構成によれば、ＳＩＷモードで電磁波を放射するアンテナ部分を厚み方向にアレイ化できる。そのため、このような導波素子は、無線通信においてフェーズドアレイアンテナとして用いることができる。なお、信号（電磁波）を伝送する基板を複数集積した場合、導波素子の発熱が問題となる場合があるが、上記の実施形態では、樹脂材料基板および支持基板が直接接合されており、支持基板を貫通する基板貫通ビアが接地電極に接続されているので、導波素子から円滑に放熱され得る。
　図２３に示すように、導波素子１０５では、複数の支持基板７のうち互いに隣り合う支持基板７の間に、第３接地電極４が配置されている。これによって、各支持基板７に設けられるＳＩＷは、当該支持基板７の両側に配置される金属層（すなわち、第１接地電極３および第３接地電極４、または、２つの第３接地電極４）と、当該支持基板７を貫通する複数の基板貫通ビア９とによって構成される。
　図２４に示すように、導波素子１０５では、ＳＩＷを含む導波管ユニット１２が、樹脂材料基板１の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置されていてもよい。複数の導波管ユニット１２のそれぞれは、第１接地電極３と支持基板７と第３接地電極４と複数の基板貫通ビア９とを備えている。
　複数の支持基板７のうち互いに隣り合う支持基板７の間には、スペーサー基板１３が設けられていてもよい。１つの実施形態において、スペーサー基板１３は、互いに隣り合う導波管ユニット１２の間に配置されている。スペーサー基板を設けることにより、複数の支持基板におけるアンテナ部分の間隔を調整できる。とりわけ、複数のアンテナ部分の間隔をλ／２に調整すれば、電磁波の放射角を十分に走査できる。スペーサー基板の材料として、代表的には、樹脂材料基板と同様の樹脂材料（後述）が挙げられる。
　また、複数のＳＩＷを備える導波素子は、好ましくは、ＳＩＷと同数の信号電極２１および導体ピン２５を備える。各導体ピン２５は、各信号電極２１が構成する伝送経路と、対応するＳＩＷとを結合する。導体ピン２５は、対応する信号電極２１から、樹脂材料基板１を貫通し、第１接地電極３の開口部３１に挿通され、さらに必要に応じて支持基板７、第３接地電極４およびスペーサー基板１３を貫通して、対象の支持基板７に到達している。このような構成によれば、比較的容易に作製可能でありながら、樹脂材料基板上に設置した外部信号源Ｘからの信号（電磁波）を、各支持基板のＳＩＷに容易に伝搬することができる。
　本明細書において「導波素子」は、少なくとも１つの導波素子が形成されたウエハー（導波素子ウエハー）および当該導波素子ウエハーを切断して得られるチップの両方を包含する。
　以下、樹脂材料基板、導体層、第１接地電極、第３接地電極、支持基板および接合部の具体的な構成について説明する。
Ｂ．樹脂材料基板
　図１に示すように、樹脂材料基板１は、導体層２が設けられる上面と、複合基板内に位置する下面と、を有する。樹脂材料基板１の厚みは、例えば、下記式（１）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 （式中、ｔは、樹脂材料基板の厚みを表す。λは、導波素子に導波される電磁波の波長を表す。εは、樹脂材料基板の１５０ＧＨｚにおける比誘電率を表す。ａは、３以上の数値を表す。）
　樹脂材料基板の厚みが上記式（１）を満足すると、導波素子が上記した高周波数の電磁波を導波する場合であっても、スラブモードの誘起を抑制でき、かつ、基板共振の発生を抑制できる。そのため、上記導波素子は、上記した高周波数の電磁波を導波する場合であっても、伝搬損失を十分に低減できる。
　また、導波素子は小型化の開発が進められており、将来的には回路の集積化が見込まれるため、導波素子（線路構造）もそれに伴う小型化が求められると予想される。上記の導波素子において、樹脂材料基板の厚みが上記式（１）を満たすと、樹脂材料基板の薄板化が図られているので、伝搬損失の低減を図りながら、小型化の要望にも対応することができる。
　１つの実施形態において、上記式（１）において、ａは６以上の数値を表す。
　樹脂材料基板の厚みが、ａが６以上の数値を表す式（１）を満足すると、上記した高周波数の電磁波を導波する場合の伝搬損失の低減を安定して図ることができる。
　樹脂材料基板１の１５０ＧＨｚにおける比誘電率εは、代表的には１．５以上であり、代表的には４．０以下、好ましくは３．５以下、より好ましくは３．０以下である。
　樹脂材料基板１の１５０ＧＨｚにおける誘電正接（誘電体損失）ｔａｎδは、代表的には０．０１以下、好ましくは０．００５以下、より好ましくは０．００２以下である。
　誘電正接がこのような範囲であれば、導波路における伝搬損失を小さくすることができる。誘電正接は小さいほど好ましい。誘電正接は、例えば０．０００１以上であり得る。
　樹脂材料基板の比誘電率εおよび誘電正接（誘電体損失）ｔａｎδが上記の範囲であると、上記した高周波数の電磁波（特に１５０ＧＨｚ以上の電磁波）を導波する場合の伝搬損失の低減をより安定して図り得る。なお、比誘電率εおよび誘電正接（誘電体損失）ｔａｎδは、テラヘルツ時間領域分光法によって測定できる。また、本明細書において、比誘電率および誘電正接に関して測定周波数の言及がない場合、１５０ＧＨｚにおける比誘電率および誘電正接を意味する。
　上記式（１）を満たす樹脂材料基板１の厚みは、具体的には１μｍ以上、好ましくは２μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは２０μｍ以上であり、例えば１７００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下である。電極のサイズを小さくすることによる小型化の観点から、樹脂材料基板１の厚みは、８０μｍ以下が好ましく、さらに６０μｍ以下が好ましい。また、導波素子を伝搬する電磁波の周波数が３０ＧＨｚ以上５ＴＨｚ以下である場合、樹脂材料基板１の厚みは、好ましくは１０μｍ以上である。強度確保のため、樹脂材料基板１の厚みは３０μｍ以上が好ましく、さらに４０μｍ以上が好ましい。
　樹脂材料基板１の厚みが上記下限を下回ると、導波素子を構成する電極の厚みや幅が数μｍ程度まで小さくなり、表皮効果による影響で伝搬損失が大きくなることに加え、製造ばらつきによる線路性能のトレランスが著しく低下する。
　樹脂材料基板１の厚みが上記上限以下であると、スラブモードの誘起や基板共振の発生が抑制され、広い周波数範囲にわたって伝搬損失が小さい（すなわち、広帯域の）導波素子を実現できる。
　樹脂材料基板１は、樹脂材料で構成されている。樹脂材料として、本発明の実施形態による効果が得られる限りにおいて任意の適切な材料が用いられ得る。そのような材料としては、代表的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂；シクロオレフィン（ＣＯＰ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などのハイドロカーボン系樹脂；液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの液晶系樹脂；変性ポリイミドなどのポリイミド系樹脂；が挙げられる。
　樹脂材料基板１の抵抗率は、例えば１０７ｋΩ・ｃｍ以上であり、好ましくは１０８ｋΩ・ｃｍ以上であり、より好ましくは１０９ｋΩ・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは１０１０ｋΩ・ｃｍ以上である。抵抗率がこのような範囲であれば、電磁波が電子伝導に影響を与えることなく、材料中を低損失で伝搬することができる。この現象は、詳細には明らかではないが、抵抗率が小さいと電磁波が電子と結合し電磁波のエネルギーが電子伝導に奪われるために損失となると推察され得る。この観点から、抵抗率は大きいほど好ましい。抵抗率は、例えば１０１６ｋΩ・ｃｍ以下であり得る。
　樹脂材料基板１の熱膨張係数（線膨張係数）は、特に限定されない。樹脂材料基板１の熱膨張係数（線膨張係数）の上限値は、例えば８０ｐｐｍ／Ｋであり、好ましくは７０ｐｐｍ／Ｋである。また、樹脂材料基板１の熱膨張係数（線膨張係数）の下限値は、例えば１０ｐｐｍ／Ｋであり、好ましくは１２ｐｐｍ／Ｋである。熱膨張係数がこのような範囲であれば、基板の熱変形（代表的には、反り）を良好に抑制することができる。なお、熱膨張係数はＪＩＳ規格Ｒ１６１８に準拠して測定することができる。
　このような樹脂材料基板１には、必要に応じて、粗面処理などの表面処理が施される。
Ｃ．導体層
　１つの実施形態において、導体層２は、樹脂材料基板１の表面（厚み方向の一方面）上に形成されており、樹脂材料基板１と直接接触している。
　導体層２は、代表的には金属で構成される。金属として、例えば、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）が挙げられる。金属は、単独でまたは組み合わせて使用できる。導体層２は、単一層であってもよく、２層以上が積層されて形成されてもよい。導体層２は、公知の成膜方法（例えばめっき、スパッタリング、蒸着、印刷）によって、樹脂材料基板１上に形成される。
　導体層２の厚みは、例えば１μｍ以上、好ましくは４μｍ以上であり、例えば２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。
Ｄ．第１接地電極および第３接地電極
　１つの実施形態において、第１接地電極３は、樹脂材料基板１の表面（好ましくは粗面化処理された表面）、および／または、支持基板７の表面上に、例えばスパッタリングによって形成される。第１接地電極３は、導体層２と同様の金属で構成可能である。また、第１接地電極３の金属は、導体層２の金属と同じであってもよく、導体層２の金属と異なっていてもよい。第１接地電極３の厚みの範囲は、導体層２の厚みの範囲と同様である。
　また、第１接地電極３が接合部として機能する場合、樹脂材料基板１および支持基板７の両方に金属層を形成し、それら金属層を直接接合して、第１接地電極３を形成してもよい。この場合、接合界面は、第１接地電極の内部に形成される。
　図８に示すように、１つの実施形態において、第３接地電極４は、支持基板７における第１接地電極３と反対側の表面上に、例えばスパッタリングまたはめっきによって形成される。第３接地電極４は、導体層２と同様の金属で構成可能である。また、第３接地電極４の金属は、導体層２の金属と同じであってもよく、導体層２の金属と異なっていてもよい。第３接地電極４の厚みの範囲は、導体層２の厚みの範囲と同様である。第３接地電極４は、必ずしも支持基板７における第１接地電極と反対側の表面全体に形成されなくてもよい。
Ｅ．支持基板
　支持基板７は、複合基板内に位置する上面と、外部に露出する下面と、を有する。支持基板７は、複合基板の強度を高めるために設けられており、これにより、樹脂材料基板の薄厚化が可能になる。支持基板７としては、任意の適切な構成が採用され得る。支持基板７を構成する材料の具体例としては、インジウムリン（ＩｎＰ）、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、サイアロン（Ｓｉ３Ｎ４－Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２，２Ａｌ２Ｏ３・３ＳｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、サファイア、石英（単結晶石英、アモルファス石英など）、水晶、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）が挙げられる。
　支持基板７の熱伝導率は、例えば９０Ｗ／Ｋｍ以上、好ましくは１５０Ｗ／Ｋｍ以上であり、代表的には５００Ｗ／Ｋｍ以下である。
　導波素子に発振器や受信器等の能動素子を実装する場合、導波素子の放熱性能の向上を図ることが好ましい。そのため、支持基板に熱伝導率の高い材料を使用することが望まれる場合がある。この場合、支持基板の熱伝導率は、好ましくは１５０Ｗ／Ｋｍ以上であり、支持基板の材料は、好ましくは、シリコン（Ｓｉ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、または、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）から選択される。
　また、支持基板７にＳＩＷが形成される場合、ＳＩＷを伝搬する電磁波の損失を低減するために、誘電体損失ｔａｎδの小さい材料が好ましい。この場合、支持基板の材料は、好ましくは、単結晶石英、アモルファス石英、スピネル、ＡｌＮ、サファイア、酸化アルミニウム、ＳｉＣ、酸化マグネシウム、または、シリコンから選択される。
　このような支持基板の材料のなかでは、より好ましくはシリコンが挙げられる。
　支持基板７の厚みは、支持基板７の比誘電率をεｂ、導波素子に導波される電磁波の波長をλとすると、例えばλ／４√εｂ以上、好ましくはλ／２√εｂ以上であり、例えば２λ／√εｂ以下、好ましくは３λ／２√εｂ以下、より好ましくはλ／√εｂ以下である。支持基板の厚みが上記下限以上であれば、導波素子の機械強度の向上を安定して図ることができる。支持基板の厚みが上記上限以下であれば、スラブモード伝搬の抑制、導波素子の薄型化（導波素子の機械強度保持）、および基板共振の抑制を図ることができる。
　図２３および図２４に示すように、支持基板７が樹脂材料基板１の厚み方向において互いに間隔を空けて複数配置される場合、フェーズドアレイアンテナとして用いるのであれば、互いに隣り合う支持基板７の間隔はアンテナピッチに適したλ／２程度であることが望ましい。支持基板７の厚みが前記間隔に満たない場合、隣り合う支持基板の間にスペーサー基板１３を設けることで、適切なアンテナピッチを確保することができる。
　コプレーナ線路では支持基板を構成する材料の誘電正接は小さいほうが好ましい。コプレーナ線路の場合、樹脂材料基板の厚みが小さくなると、伝搬する電磁波が支持基板に染み出すことがあり、誘電正接を小さくすることで伝搬損失を抑制することができる。この観点で、誘電正接は０．０７以下であることが好ましい。
Ｆ．接合部
　図３および図４に示すように、接合部は、１層であってもよく、２層以上が積層されていてもよい。接合部は、代表的には、無機材料から構成される。接合部として、例えば、ＳｉＯ２層、アモルファスシリコン層、酸化タンタル層が挙げられる。接合部は、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、または、それらの組み合わせ（合金）から選択される金属膜であってもよい。接合部が金属膜であると、金属からなる接地電極との密着性を安定して確保でき、マイグレーションを抑制することができる。これら接合部のなかでは、好ましくはアモルファスシリコン層が挙げられる。接合部の厚みは、例えば０．００１μｍ以上１０μｍ以下であり、好ましくは０．１μｍ以上３μｍ以下である。
　以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。
＜実施例１＞
　１－１．導波素子（コプレーナ線路）の作製
　図３に示す導波素子を作製した。
　０．１ｍｍ厚みのポリイミド基板（樹脂材料基板）を用意して、ポリイミド基板の表面を粗面化処理をした後、金膜をスパッタリング（スパッタ）により成膜して接地電極を形成した。次いで、接地電極上にアモルファスシリコン膜をスパッタにて形成した。成膜後、アモルファスシリコン膜を研磨して、平坦化処理をした。ここで、原子間力顕微鏡を用いて、アモルファスシリコン膜の表面の□１０μｍ（１０μｍ四方の領域；以下同様）の算術平均粗さを測定したところ、０．２ｎｍであった。
　また、厚み５２５μｍのシリコンウエハー（支持基板）を用意した。原子間力顕微鏡を用いて、シリコンウエハーの表面の□１０μｍの表面の算術平均粗さを測定したところ、０．２ｎｍであった。
　その後、接地電極上に形成されたアモルファスシリコン面とシリコンウエハーとを、以下のように接合した。まずポリイミド基板とシリコンウエハーとを真空チャンバーに投入し、１０－６Ｐａ台の真空中で、双方の接合面（接地電極上に形成されたアモルファスシリコン面とシリコンウエハーの表面）に高速Ａｒ中性原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量６０ｓｃｃｍ）を７０秒間照射した。照射後、１０分間放置してポリイミド基板およびシリコンウエハーを放冷したのち、接地電極上に形成されたアモルファスシリコン面とシリコンウエハーの接合面（ポリイミド基板とシリコンウエハーの表面ビーム照射面）を接触させ、４．９０ｋＮで２分間加圧してポリイミド基板とシリコンウエハーとを接合した。すなわち、ポリイミド基板とシリコンウエハーとを、アモルファスシリコン層（接合部）を介して直接接合した。接合後、シリコンウエハーの厚みが２００μｍになるまで研磨加工し複合ウエハーを形成した。得られたポリイミド基板／接地電極／接合部／シリコン複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
　次いで、ポリイミド基板におけるシリコンウエハーと反対側の表面（研磨面）にレジストを塗布して、フォトリソグラフィーによって、コプレーナ型電極パターンを形成する部分を露出するようにパターニングした。その後、レジストから露出するポリイミド基板の上面に、スパッタによって、コプレーナ型電極パターンを形成した。信号電極の導波方向の長さは、１０ｍｍであった。
　以上によって、コプレーナ型電極と、樹脂材料基板と、接地電極と、支持基板とを備える導波素子を得た。
　１－２．伝搬損失の算出
　次いで、導波素子の入力側にプローブにてＲＦ信号発生機を結合し、導波素子の出力側にプローブに設置してＲＦ信号受信機に電磁波を結合した。
　次いで、ＲＦ信号発生機に電圧を印加して、ＲＦ信号発生機に、周波数１５０ＧＨｚの電磁波を送信させた。これによって、電磁波が、コプレーナ線路（導波素子）に伝搬された。ＲＦ信号受信機は、コプレーナ線路から出力される電磁波のＲＦパワーを測定した。測定結果から、伝搬損失（ｄＢ／ｃｍ）を算出したところ、その結果は１ｄＢ／ｃｍであった。
　１－３．放熱性能の評価
　実施例１の導波素子について、有限要素法（ムラタソフトウエア社製ＦＥＭＴＥＴ）を用いて、熱伝導解析を行った。熱伝導解析において、ポリイミド（樹脂材料基板）の熱伝導率は０．２Ｗ／ｍＫとし、シリコン（支持基板）の熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫとし、金（接地電極）の熱伝導率は３００Ｗ／ｍＫとした。実施例１では、樹脂材料基板と支持基板とが、接地電極および接合部を介して直接接合されており、接合界面はアモルファス化しているので界面の熱的な界面抵抗をゼロに設定した。この解析の結果、導波素子の熱抵抗は９０Ｋ／Ｗであった。これによって、直接接合による放熱性の向上が確認された。
＜実施例２＞
　アモルファスシリコン層に代えて、はんだ（ＡｕＳｎ：熱伝導率５０Ｗ／ｍＫ）を用いて、接地電極とシリコンウエハーとを直接接合したこと以外は、実施例１と同様にして、導波素子を作製した。得られた導波素子の熱抵抗を、上記放熱性能の評価と同様にして解析した。その結果、導波素子の熱抵抗は９０Ｋ／Ｗであった。
＜比較例１＞
　接地電極が形成されたポリイミド基板とシリコンウエハーとを、直接接合に代えて、ポリイミド接着剤（有機系接着剤）を用いて硬化接着したこと以外は、実施例１と同様にして、コプレーナ型電極と、ポリイミド基板と、接地電極と、ポリイミド接着剤層と、支持基板とを備える導波素子を得た。
　得られた導波素子について、実施例１と同様にして伝搬損失を算出した。その結果、伝搬損失は、１．０ｄＢ／ｃｍであった。
　また、得られた導波素子について、実施例１と同様にして熱抵抗を解析した。その結果、導波素子の熱抵抗は１５０Ｋ／Ｗであった。
　本発明の実施形態による導波素子は、導波路、次世代高速通信、センサ、レーザー加工、太陽光発電等の幅広い分野に用いられ得、特に、ミリ波～テラヘルツ波の導波路として好適に用いられ得る。このような導波素子は、例えば、アンテナ、バンドパスフィルタ、カプラ、遅延線（位相器）、またはアイソレータに用いられ得る。
　１　　　　樹脂材料基板
　２　　　　導体層
　２１　　　信号電極
　２２　　　第２接地電極
　３　　　　第１接地電極
　４　　　　第３接地電極
　５　　　　第１ビア
　６　　　　第２ビア
　７　　　　支持基板
　８　　　　接合部
　９　　　　基板貫通ビア
１００　　　導波素子
１０１　　　導波素子
１０２　　　導波素子

Claims (13)

  1. 　周波数が３０ＧＨｚ以上２０ＴＨｚ以下である電磁波を導波可能な導波素子であって、
    　樹脂材料基板と、
    　前記樹脂材料基板の上部に設けられる導体層と、
    　前記樹脂材料基板に対して前記導体層と反対側に位置している支持基板と、を備え、
    　前記樹脂材料基板と前記支持基板とは直接接合されている、導波素子。
  2. 　前記樹脂材料基板と前記支持基板との間に位置している第１接地電極をさらに備える、請求項１に記載の導波素子。
  3. 　前記第１接地電極は、前記樹脂材料基板および前記支持基板と直接接触しており、前記樹脂材料基板と前記支持基板とを接合する接合部として機能する、請求項２に記載の導波素子。
  4. 　前記第１接地電極は、前記樹脂材料基板と直接接触しており、
    　前記導波素子は、前記第１接地電極と前記支持基板とを接合する接合部をさらに備える、請求項２に記載の導波素子。
  5. 　前記第１接地電極は、前記支持基板と直接接触しており、
    　前記導波素子は、前記樹脂材料基板と前記第１接地電極とを接合する接合部をさらに備える、請求項２に記載の導波素子。
  6. 　前記導体層は、前記電磁波を伝搬可能な伝送線路を構成する信号電極と；前記信号配線と間隔を空けて配置されている第２接地電極と；を備える、請求項２に記載の導波素子。
  7. 　前記支持基板に対して前記第１接地電極と反対側に位置している第３接地電極と、
    　前記第２接地電極と前記第３接地電極とを電気的に接続し、かつ、前記第１接地電極と電気的に接続されている第１ビアと、
    　前記第１接地電極と前記第２接地電極とを電気的に接続する第２ビアと、をさらに備え、
    　前記第１ビアは、複数設けられ、
    　前記第２ビアは、複数の前記第１ビアのうち互いに隣り合う第１ビアの間に配置されている、請求項６に記載の導波素子。
  8. 　前記支持基板に対して前記第１接地電極と反対側に位置している第３接地電極と、
    　前記第１接地電極と前記第３接地電極とを電気的に接続する複数の基板貫通ビアと、をさらに備え、
    　前記第１接地電極と前記第３接地電極と前記複数の基板貫通ビアとは、電磁波を伝搬可能な基板集積導波管を構成する、請求項６に記載の導波素子。
  9. 　前記樹脂材料基板の厚みｔは、下記式（１）を満たす、請求項１に記載の導波素子：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     （式中、ｔは樹脂材料基板の厚みを表し；λは導波素子に導波される電磁波の波長を表し；εは樹脂材料基板の１５０ＧＨｚにおける比誘電率を表し；ａは３以上の数値を表す）。
  10. 　前記式（１）において、ａが６以上の数値を表す、請求項９に記載の導波素子。
  11. 　前記樹脂材料基板の厚みｔは、１００μｍ以下である、請求項１に記載の導波素子。
  12. 　前記樹脂材料基板の厚みｔは、１μｍ以上である、請求項１に記載の導波素子。
  13. 　前記樹脂材料基板と前記支持基板との間に設けられる接合部をさらに備え、
    　前記接合部が、ＳｉＯ２層、アモルファスシリコン層、又は酸化タンタル層である請求項１に記載の導波素子。
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