ガラス基板上への平面型25GHz 帯バンドパスフィルタの実装

ガラス基板（Glass Core Substrate: GCS）を用いた25GHz帯の平面型バンドパスフィルタ（BPF）の実装は、次世代の高速通信や6Gに向けた非常に有力なアプローチです。従来のFR-4やセラミック基板と比較して、ガラス基板は優れた電気的特性と寸法安定性を備えています。

25GHz帯における具体的な実装手法と設計のポイントを整理します。

1. ガラス基板を採用するメリット

25GHzという高周波領域において、ガラス基板には以下の利点があります。

• 低誘電損失（Low Tan δ）: 樹脂系基板に比べ誘電損失が極めて小さく、フィルタの挿入損失（Insertion Loss）を最小限に抑えられます。

• 表面粗度の極小化: ガラス表面は非常に平滑であるため、導体損失（スキンエフェクトによる影響）を低減でき、高いQ値の共振器を形成可能です。

• 熱膨張係数（CTE）の整合: 半導体チップ（Si）に近いCTEを持つため、フリップチップ実装等の信頼性が高く、SiP（System in Package）化に適しています。

2. フィルタトポロジーの選定

平面型（Planar）の実装では、以下の構造が一般的です。

• インターディジタル形（Interdigital Filter）: 小型化が可能ですが、25GHzでは指の幅や間隔が非常に微細になるため、フォトリソグラフィの精度が求められます。

• ヘアピン形（Hairpin Filter）: 実装面積を抑えつつ、タップ結合の調整が比較的容易です。

• 結合線形（Coupled-Line Filter）: 基本的な構造ですが、高精度なエッチングが必要です。

• SIW（Substrate Integrated Waveguide）: ガラス基板に貫通ビア（TGV: Through Glass Via）を形成し、導波管構造を擬似的に再現します。放射損失を抑えられるため、25GHz帯では非常に高いパフォーマンスを発揮します。

3. 実装上のキーテクノロジー

25GHz帯の性能を最大限に引き出すためには、以下のプロセスが重要になります。

TGV（Through Glass Via）技術

ガラス基板特有の技術で、基板を貫通する垂直配線を形成します。

• インダクタンスの低減: 従来のワイヤボンディングに比べ寄生インダクタンスを劇的に減らせます。

• シールド構造: ビアを並べることでアイソレーションを高め、フィルタ間の干渉を抑制します。

薄膜微細加工

• スパッタリング/めっき: ガラス上にシード層を形成し、電解めっきで導体を形成します。

• L/S（Line and Space）: 25GHzのBPFでは、結合係数を制御するために10μmオーダーの微細な線幅制御が必要です。

4. 設計・測定時の注意点

• 誘電率のばらつき: ガラス材料（例：AGC、コーニング等）によって誘電率（$\epsilon_r$）が異なるため、実測値に基づいたシミュレーション（EM解析）が必須です。

• 吸湿性の影響: ガラス自体は吸湿しませんが、表面のビルドアップ層（樹脂）がある場合は、環境変化による位相ズレを考慮する必要があります。

• VNAによる評価: 実装後は、GSG（Ground-Signal-Ground）プローブを用いたベクトルネットワークアナライザによる特性評価を行います。25GHzではコネクタの寄生成分が大きいため、de-embedding（除去）処理が不可欠です。

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