JP2000114821A

JP2000114821A - 高周波用配線基板

Info

Publication number: JP2000114821A
Application number: JP10276203A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Shino; 直行志野; Hidehiro Arikawa; 秀洋有川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2000-04-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】誘電体基板の表面に信号導体線およびグランド
層が薄膜形成法によって形成されたコプレーナ線路にお
いて，薄膜形成法自体の厚さのばらつきに対しても特性
インピーダンスの変化を抑制する。【解決手段】セラミック誘電体基板１と、基板１表面に
信号導体線２と、信号導体線２の両脇に設けられたグラ
ンド層３、４とが気相法あるいはメッキ法など薄膜形成
法によって形成されたコプレーナ線路を具備する高周波
用配線基板において、コプレーナ線路の信号導体線２お
よびグランド層３、４の厚みを４μｍ以上とし、また、
コプレーナ線路の少なくとも信号導体線２の最表面を厚
み１μｍ以上の金によって形成し、さらには、セラミッ
ク誘電体層１をアルミナを９８重量％以上含有するアル
ミナ質セラミックスにより形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波からミ
リ波帯領域の高周波回路素子を搭載した高周波用配線基
板に関し、特に、コプレーナ線路を具備し、高周波信号
の特性を劣化させることなく半導体素子や回路部品に信
号を伝送することができる高周波用配線基板に関するも
のである。

【０００２】

【従来技術】従来より、１ＧＨｚ以上の高周波信号を伝
送するための線路としては、一般にマイクロストリップ
線路が使用されている。このマイクロストリップ線路
は、例えば、図３に示すように、誘電体基板の表面に信
号導体線が被着形成され、誘電体基板の裏面一面にグラ
ンド層が形成され、信号導体線とグランド層との距離ｒ
（誘電体基板厚みに相当）を制御して、信号導体線とグ
ランド層との電磁場を利用して高周波信号を伝送させる
ものである。そして、信号導体線の線幅と導体線の厚み
によって特性インピーダンスを制御するものである。

【０００３】しかし、このマイクロストリップ線路で
は、誘電体基板厚みｒの値が顕著に特性インピーダンス
に効いてくる。特に、近年の薄型化により誘電体層厚み
を薄くするほど、層厚みのバラツキ因子が大きくなる結
果、高周波伝送線路における特性インピーダンスが安定
しないという問題がある。

【０００４】しかも、マイクロストリップ線路では、品
質のチェックの場合、信号導体線幅のみならず、誘電体
層厚みを厳密に測定せねばならず、特にグランド層が誘
電体基板の内部に設けられている場合には、基板を切断
して断面を観察する必要があるために非常に品質管理が
難しいものであった。

【０００５】例えば、特開平８−２２８１０５号に提案
されたマイクロストリップ線路においては、特殊な誘電
体基板を用いることにより、高周波信号の伝送損失を低
減するものであるが、上記のような誘電体基板の薄肉化
に伴う特性インピーダンスのバラツキについては何ら検
討されていない。

【０００６】そこで、上記マイクロストリップ線路に代
わって、例えば、特開平９−２３１０６号に示すような
コプレーナ線路が使用される傾向がある。このコプレー
ナ線路は、図１に示すように、誘電体基板１の表面に１
本の信号導体線２が形成され、その両側にグランド層
３、４を有するものであり、さらに場合によっては、誘
電体基板１の底面一面にグランド層５が形成される。こ
のコプレーナ線路の特性インピーダンスは、誘電体基板
１の厚みｒ、信号導体線２とその両側のグランド層３と
の距離ｍ、そして信号導体線の幅、厚みなどに依存して
いる。

【０００７】このコプレーナ線路では、前記マイクロス
トリップ線路と違い、信号導体線２がグランド層３、４
の２方向、さらにはグランド層５を含めた３方向から囲
まれているために、誘電体基板１厚みｒの特性インピー
ダンスへの影響が小さく、線路の厚さや、両側のグラン
ド層３と信号導体線２との距離ｍによる影響が大きくな
る。

【０００８】また、気相法やメッキ法などの薄膜形成法
によって厚みが１μｍ以下、厚い場合でも２μｍ以下の
信号導体線２やグランド層３，４を形成した場合、一般
的なスクリーン印刷法などに比較して線縁を精度良く形
成できることから、特性インピーダンスのズレが生じに
くく、また品質のチェックの点でも前記距離ｍを測定す
ることにより容易にチェックできることからコプレーナ
線路では特性インピーダンスを容易に制御可能であり、
特性インピーダンスのずれからくる伝送信号の損失を抑
えることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】近年、伝達情報の増大
から伝送信号も１０ＧＨｚ以上の高周波化が進むととも
に、特性インピーダンスの変化による伝送損失も増大す
ることから、さらに特性インピーダンスを高精度に制御
し、伝送信号の損失を抑えることが要求されている。

【００１０】しかしながら、従来の薄膜形成法によって
信号導体線やグランド層が形成されたコプレーナ線路に
おいても、特性インピーダンスのばらつきが生じるとい
う問題があった。

【００１１】この問題について検討を行った結果、従来
の薄膜形成法によって厚さが２μｍ以下のレベルで形成
された信号導体線およびそのグランド層を具備するコプ
レーナ線路においては、そもそも薄膜形成法による厚さ
のばらつきが±１μｍ程度存在することから、この厚さ
のばらつきによって特性インピーダンスが変化している
ことがわかった。

【００１２】なお、コプレーナ線路に関する特開平５−
１９９０１９号や特開平９−２３１０６号などにおいて
も、この厚さのばらつきによる特性インピーダンスの変
化については具体的に検討されておらず、この厚さのば
らつきによる特性インピーダンスの変化を抑制するため
の具体的な方法については全く検討されていないのが現
状である。

【００１３】従って、本発明は、誘電体基板の表面に信
号導体線およびグランド層が薄膜形成法によって形成さ
れたコプレーナ線路において，薄膜形成法自体の厚さの
ばらつきに対しても特性インピーダンスの変化を抑制し
たコプレーナ線路を具備する高周波用配線基板を提供す
ることを目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記薄膜
形成法による厚さのばらつきと特性インピーダンスとの
関係について検討を重ねた結果、薄膜形成法によって形
成された信号導体線やグランド層の厚さを厚くするに従
い、特性インピーダンスの変化が次第に小さくなり，特
に４μｍ以上に厚くすることにより特性インピーダンス
の変化を顕著に抑制でき、伝送損失を低減できることを
見いだし本発明に至った。

【００１５】即ち、本発明の高周波用配線基板は、セラ
ミック誘電体基板と、該基板表面に信号導体線と、該信
号導体線の両脇に設けられたグランド層とが気相法ある
いはメッキ法によって形成されたコプレーナ線路を具備
する高周波用配線基板において、前記コプレーナ線路の
前記信号導体線および前記グランド層の厚みが４μｍ以
上であることを特徴とするものであり、特に、前記コプ
レーナ線路の前記信号導体線および前記グランド層の最
表面が厚み１μｍ以上の金によって形成されてなるこ
と、さらに前記誘電体基板が、５０ＧＨｚにおける誘電
損失が１５×１０^-4以下であり、特にアルミナを９８重
量％以上含有するアルミナ質セラミックスからなること
が望ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の高周波用配線基板は、図
１に示すように、誘電体基板１の表面に１本の信号導体
線２が形成され、その両側にグランド層３、４を有する
ものであり、さらに場合によっては、誘電体基板１の底
面一面にグランド層５が形成された構造を基本構造をす
るものであり、信号導体線２およびグランド層３、４
は、いずれも薄膜形成法によって形成されるものであ
る。薄膜形成法としては、蒸着法、スパッタリング法、
化学気相成長法（ＣＶＤ法）、イオンプレーティング
法、レーザーアブレーション法などの気相法、電解メッ
キあるいは無電解メッキなどのメッキ法などが挙げられ
る。

【００１７】本発明によれば、薄膜形成法によって形成
されるコプレーナ線路を構成する信号導体線２およびグ
ランド層３、４の厚さがいずれも４μｍ以上、特に５μ
ｍ以上であることが重要である。即ち、厚さを４μｍ以
上とすることにより、気相法やメッキ法などの薄膜形成
法による膜厚のバラツキによる特性インピーダンスの変
化、具体的には特性インピーダンスの設計値からのズレ
の発生を抑制することができ、伝送信号の周波数が１０
ＧＨｚ以上となる場合においてもその伝送損失を低減す
ることができる。

【００１８】このコプレーナ線路の厚さを厚くするほど
特性インピーダンスの変化を抑制でき、同時に伝送損失
も低減できるが、気相法やメッキ法などの薄膜形成法で
厚い膜厚を得るのは時間がかかりコスト増につながる。
そのため、コストの点から膜厚は１５μｍ以下が望まし
い。

【００１９】また、本発明におけるコプレーナ線路は、
信号導体線２およびグランド層３、４に加え、なおかつ
誘電体層を介して、信号導体線２およびグランド層３、
４の下方の誘電体基板１の裏面あるいは誘電体基板１内
部にグランド層５を設けることにより、さらに特性イン
ピーダンスを安定化することができる。なお、このグラ
ンド層５の厚みは特に限定されるものでなく、前記薄膜
形成法、印刷法、あるいは誘電体基板１と同時焼成によ
って０．１〜３０μｍの厚みで形成することができる。
また、場合によって誘電体基板１の裏面に接合された金
属板をグランド層５として適用することも可能である。

【００２０】また、本発明によれば、誘電体基板１の表
面に形成された信号導体線２およびグランド層３、４
は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏの群から
選ばれる少なくとも１種の金属によって形成することが
望ましいが、特に、少なくとも信号導体線２における最
外層がＡｕ（金）によって形成されていることが好まし
い。

【００２１】これは、化学的に安定なＡｕを最外層とす
ることによって、線路の腐食による線路の電気特性の変
化、特に酸化による抵抗の増加による伝送特性の劣化を
抑えることができる。さらに、伝送信号はその周波数が
高くなるに従い、線路の外縁側を伝送する傾向にある。
その信号が主に伝送する深さを表皮深さδとすると、こ
の表皮深さδは、下記数１で表される。

【００２２】

【数１】

【００２３】この数１からわかるように、表皮深さは周
波数ｆの−１／２乗に比例しており、信号周波数が高い
ほど表皮深さは小さくなり、信号導体線の表面部分を信
号が伝搬する。そのため、最表面に抵抗の低いＡｕを形
成することにより、そのＡｕ層を信号が伝搬することが
できる結果、伝送損失を低減することができる。このＡ
ｕ層の厚みとしては１μｍ以上、特に１．５μｍ以上で
あることが望ましい。但し、このＡｕ層の厚みにおいて
も前記コストの観点から７μｍ以下であることが望まし
い。

【００２４】また、配線基板における誘電体基板１は、
セラミックス、有機樹脂、有機樹脂−セラミック複合材
料、ガラスなどの誘電体材料が用いられるが、高周波信
号の伝送損失を低減する上で、５０ＧＨｚにおける誘電
損失が１５×１０^-4以下の低誘電損失、誘電率１．５〜
１１の誘電体材料が好適に使用される。これは、信号の
損失が、信号導体線２の周りに存在する誘電体による誘
電損失ｔａｎδにリニアに依存するためである。

【００２５】特に、その中でも誘電体基板としては、高
強度、絶縁性などの点から、アルミナを９８重量％以
上、特に９９重量％以上含有するアルミナ質セラミック
スからなることが望ましい。そして、アルミナ質セラミ
ックスの誘電損失は、アルミナの含有量が高いほど小さ
いため、アルミナの含有量を９８重量％以上とすること
により、信号の損失をさらに低減できる。なお、アルミ
ナ質セラミックス中には、焼結助剤としてＳｉＯ₂、Ｃ
ａＯ、ＭｇＯなど、黒色化剤として、Ｍｏ、Ｗ、ＭｏＯ
₃、ＷＯ₃、ＴｉＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃などが総量で２重量
％以下、特に１重量％以下の割合で含有される。

【００２６】このセラミック誘電体基板１は、例えば、
アルミナ粉末に、適宜前記焼結助剤や、前記黒色化剤を
添加混合し、有機樹脂、有機溶剤などを加えてスラリー
を調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法な
どにより所定厚みのグリーンシートを成形したり、前記
混合粉末をプレス成形などによって所定厚みのシートに
成形した後、適宜配線層などをＷ、Ｍｏなどの高融点金
属を含有する導体ペーストを印刷した後、１５００〜１
７００℃で焼成することにより作成することができる。

【００２７】例えば、グランド層５を上記アルミナ質セ
ラミックスからなる誘電体基板１と同時焼成して形成す
る場合には、適宜、グランド層５をＷ、Ｍｏなどの高融
点金属を含有するペーストを印刷して上記温度で焼成す
ることにより作成できる。

【００２８】

【実施例】平均粒径が２．０μｍ、純度９９．９％のア
ルミナ粉末に、焼結助剤としてＳｉＯ₂、ＭｇＯを２：
１の重量比で所定量添加した混合物に、有機樹脂、有機
溶剤を加えて２４時間ボールミルにより混合してスラリ
ーを調製し、これを用いてドクターブレード法によりグ
リーンシートを形成した。そしてこのグリーンシートの
片面に、Ｍｏと有機樹脂、有機溶剤からなる導体ペース
トによってスクリーン印刷法を用いグランド層のパター
ンを印刷して積層した後、１４００〜１７００℃の加湿
された窒素水素混合雰囲気中で相対密度９９％以上に緻
密化させてセラミック誘電体基板を作製した。なお、作
製したアルミナ質セラミックスの５０ＧＨｚにおける誘
電損失を測定した結果、アルミナ量９２重量％で３０×
１０^-4、９８重量％で１０×１０^-4、９９重量％で５×
１０^-4であった。

【００２９】次に、このセラミック誘電体基板の表面に
スパッタリング法により、密着層としてＴｉを０．１μ
ｍ成膜したのち、Ｃｕを表１の厚みで成膜しフォトレジ
ストで信号導体線およびグランド層からなる特性インピ
ーダンスが５０Ωのコプレーナ線路のパターンを形成し
た。そして、そのＣｕスパッタリング膜の表面に電解メ
ッキ法にてＮｉおよびＡｕを表１の所定厚みで成膜し
た。なお、表１の数値は線路の全体厚みの平均値であ
り、カッコ内は１０本のコプレーナ線路を形成した時の
厚さのバラツキを示す。

【００３０】得られた配線基板に対してネットワークア
ナライザーを用いて信号周波数４５〜５０ＧＨｚまでの
伝送特性を測定した。一方の端子から信号を入射して他
方の端子に透過してきた伝送信号を計測し、電力比のＳ
２１パラメータ（ｄＢ）を計算した。信号導体線が、１
０、１５、２０、３０、４０、５０ｍｍの長さの異なる
コプレーナ線路を準備し、両端の入出力端子部のみの損
失を算出し表１に示した。表中のＳ２１のデータは、信
号周波数５０ＧＨｚの値である。さらに、作製したコプ
レーナ線路による特性インピーダンスのばらつきを表１
に示した。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１から明らかなように、薄膜形成法によ
る膜厚を厚くするほど損失Ｓ２１はは小さくなる傾向に
あり、全体厚みが３μｍの試料Ｎo.１では１ｄＢであ
り、特性インピーダンスのばらつきが５Ωであるのに対
して、全体厚みが４μｍとなる試料Ｎo.２では０．７ｄ
Ｂまで低減するとともに特性インピーダンスのばらつき
は３Ω以内となり、５μｍの試料Ｎo.３では０．６ｄＢ
まで低減されるとともに特性インピーダンスのばらつき
は１Ω以内に抑制された。全体厚みが５μｍ以上では損
失の低減はほとんど変化が無なかった。

【００３３】また、試料Ｎo.３、６、７からアルミナ含
有量を多くすることにより伝送損失は減少することがわ
かる。また、試料Ｎo.３、８、９、１０から、Ａｕの厚
みを厚くすることにより損失が低減されることがわか
る。

【００３４】図２に試料Ｎo.１，２，３，６のＳ２１の
周波数依存性を示す。この図２の結果からも、膜厚が厚
いほどＳ２１は低くなる傾向に有り、周波数が高くなる
ほど膜厚の影響は大きくなり、膜厚が５μｍ以上では大
きな差が見られないことがわかる。

【００３５】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の高周波
用配線基板は、セラミックス誘電体基板表面に気相法あ
るいはメッキ法などの薄膜形成法によって形成されたコ
プレーナ線路を有し、そのコプレーナ線路の厚みを４μ
ｍ以上にすることにより、特性インピーダンスのバラツ
キを低減でき、信号の伝送損失を低く抑えることが可能
となる。これにより信号周波数が１０ＧＨｚ以上の高周
波領域においても伝送損失を低減した信号の伝送が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】コプレーナ線路を具備した高周波用配線基板の
基本構造を説明するための図である。

【図２】実施例における試料Ｎo.１、２、３、４のＳ２
１の周波数依存性を示す図である。

【図３】マイクロストリップ線路の構造を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１セラミック誘電体基板２信号導体線３、４、５グランド層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体基板と、該基板表面に信号導体線
と、該信号導体線の両脇に設けられたグランド層とが気
相法あるいはメッキ法によって形成されたコプレーナ線
路を具備する高周波用配線基板において、前記コプレー
ナ線路の前記信号導体線および前記グランド層の厚みが
４μｍ以上であることを特徴とする高周波用配線基板。
【請求項２】前記コプレーナ線路の少なくとも前記信号
導体線の最表面が厚み１μｍ以上の金によって形成され
てなることを特徴とする請求項１記載の高周波用配線基
板。
【請求項３】前記誘電体基板が、５０ＧＨｚにおける誘
電損失が１５×１０^-4以下であることを特徴とする請求
項１記載の高周波用配線基板。
【請求項４】前記誘電体基板が、アルミナを９８重量％
以上含有するアルミナ質セラミックスからなることを特
徴とする請求項１記載の高周波用配線基板。