JP2004104816A - 誘電体導波管線路および配線基板 - Google Patents

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    • H01L2223/6633—Transition between different waveguide types

Abstract

【課題】多層基板あるいは半導体パッケージにおける伝送線路として利用可能であり、積層化技術を用いて容易に作製可能な誘電体導波管線路と配線基板を提供する。
【解決手段】誘電体１を挟み平行に形成された一対の主導体層２、３と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で主導体層２、３間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群４と、バイアホール群４と接続され、主導体層２、３と平行に形成された副導体層６とを具備し、主導体層２、３、バイアホール群４および副導体層６に囲まれた導波管領域によって電気信号を伝達する誘電体導波管線路であって、少なくとも一方の主導体層２、３に、高周波伝送線路と電磁結合させるためのスロット孔７を形成する。
【選択図】図１

Description

　本発明は、主にマイクロ波及びミリ波等の高周波の信号を伝達するための誘電体導波管線路およびそれを具備する多層配線基板や半導体パッケージなどの配線基板に関するものである。
　従来より、マイクロ波やミリ波の高周波の信号を伝達するための線路としては、同軸線路、導波管、誘電体導波管、マイクロストリップ線路等が知られている。
　また、最近では、配線回路内には、種類の異なる線路が複数配設され、これら相互間の結合技術が必要となっており、結合方法としても様々な方法が報告されている。例えば、同軸線路と導波管または誘電体導波管の結合は、同軸線路の信号線を導波管内に挿入して結合される。その他、ストリップ線路、マイクロ波線路との結合は、電磁結合によって行われている。
　最近に至り、多層構造の配線基板内に、誘電体導波管を積層技術によって形成することが望まれており、例えば、特開平６−５３７１１号においては、誘電体基板を一対の主導体層で挟み、さらに導体層間を接続する二列に配設されたバイアホール群によって、側壁を形成した導波管線路が提案されている。この導波管線路は、誘電体材料の四方を一対の主導体層とバイアホール群による疑似的な導体壁で囲むことによって導体壁内領域を信号伝達用の線路としたものである。
特開平６−５３７１１号
　このような配線基板の内部に配設される積層型の誘電体導波管線路を、主にマイクロ波及びミリ波用のセラミック多層基板あるいは半導体パッケージの伝送線路として用いる上で、基板表面に実装されたＩＣ素子や高周波素子と接続するには、基板表面に形成されるマイクロストリップ線路やコプレーナ線路を介して接続することが考えられるが、これまで、上記の積層型誘電体導波管線路と他の伝送線路との結合構造については、具体的に検討されていないのが現状であった。
　しかし、これら従来の線路には、次のような問題点がある。まず、ストリップ線路またはマイクロストリップ線路はその構成が非常に簡単で、積層化技術による作製に適しているが、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯では伝送特性が劣化するという問題点がある。
　一方、導波管は伝送特性において非常に優れているが、サイズ的に大きいという欠点がある。例えば、６０ＧＨｚ用の標準的な矩形導波管であってもその内径は３．７６ｍｍ×１．８８ｍｍであり、マイクロ波またはミリ波用の多層基板あるいは半導体パッケージに適用するには大きすぎる。これに対して、その内部に誘電体が詰まった誘電体導波管は、誘電体の比誘電率をεとすると、導波管サイズは１／ε１／２となるので、比誘電率の大きい誘電体を用いることによって、導波管のサイズを小さくすることが出来る。しかし、基本的には誘電体の外側は導体壁で覆われている必要があるため、積層化技術により作製する事は困難であった。
　また、特開平６ー５３７１１号に示されている誘電体基板を用いた導波管線路は、誘電体基板と導波管との一体化を図るとともに、生産性の向上を図るという点で優れたものである。しかし、使用する周波数のわずかな変動によって透過特性が変動するという問題があった。また、誘電体基板の比誘電率が低い場合、多層基板または半導体パッケージに適用するためには、使用する周波数が限られる。例えば、伝送線路幅を１ｍｍ以下にするためには約１００ＧＨｚ以上の高周波域でないと実現できない。また、多くの誘電体基板は誘電正接が大きいため、導波管構造をとっても誘電損失が大きいという問題点があった。
　従って、本発明の目的は、多層基板あるいは半導体パッケージにおける伝送線路として利用可能であり、積層化技術を用いて容易に作製可能な誘電体導波管線路と配線基板を提供することにある。
　発明者らは、積層型の誘電体導波管線路と他の伝送線路との結合構造について検討を重ねた結果、誘電体導波管線路における主導体層の一部にスロット孔を形成し、このスロット孔を介して、他の伝送線路を対峙させることにより結合できることを見いだしたものである。
　即ち、本発明の誘電体導波管線路は、誘電体を挟み平行に形成された一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群と、前記バイアホール群と接続され、前記主導体層と平行に形成された副導体層とを具備し、前記主導体層、前記バイアホール群および前記副導体層に囲まれた導波管領域によって電気信号を伝達する誘電体導波管線路であって、少なくとも一方の主導体層に、高周波伝送線路と電磁結合させるためのスロット孔を形成したことを特徴とするものである。
　また、前記高周波伝送線路が、マイクロストリップ線路からなり、前記スロット孔と対峙する位置に形成されてなることを特徴とする。さらに、前記高周波伝送線路が、コプレーナ線路からなり、前記スロット孔が形成された主導体層に形成されてなることを特徴とする。
　また、本発明の配線基板は、誘電体基板に、誘電体導波管線路と、マイクロストリップ線路とを形成してなるものであり、前記誘電体導波管線路が、誘電体を挟み平行に形成され且つ少なくとも一方にスロット孔が形成された一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群と、前記バイアホール群と接続され、前記主導体層と平行に形成された副導体層とを具備するとともに、前記マイクロストリップ線路を前記スロット孔と対峙する位置に形成することにより、前記誘電体導波管線路と前記マイクロストリップ線路とを電磁結合させたことを特徴とするものである。
　また、本発明の他の配線基板は、誘電体基板に、誘電体導波管線路と、コプレーナ線路とを形成してなるものであって、前記誘電体導波管線路が、誘電体を挟み平行に形成され且つ少なくとも一方にスロット孔が形成された一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群と、前記バイアホール群と接続され、前記主導体層と平行に形成された副導体層とを具備するとともに、前記コプレーナ線路を前記スロット孔が形成された主導体層にて前記スロット孔と連結させることによって前記誘電体導波管線路と前記コプレーナ線路とを電磁結合させたことを特徴とするものである。
　本発明の誘電体導波管線路および配線基板によれば、主導体層の一部にスロット孔を形成することによって、容易に他の高周波伝送線路と電磁結合することができ、信号の伝達が可能となる。しかも、かかる構造を有する誘電体導波管線路および配線基板は、従来のセラミックス積層技術を応用して容易に作製することができ、また、比誘電率の高いセラミックスを用いることによって高密度配線の多層配線基板や半導体パッケージ等に十分適用でき、マイクロ波からミリ波まで安定した特性の導波管線路を形成することができる。
　以下、本発明を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の誘電体導波管線路の一実施例を説明するための概略斜視図である。図１において、１は誘電体基板、２、３は主導体層、４はバイアホールである。
　図１によれば、誘電体１を挟んで所定の間隔ａをもって一対の主導体層２、３が平行に形成されている。主導体層２、３は、誘電体１の少なくとも線路形成位置を挟む上下面の一面に形成されている。また、主導体層２、３間には、主導体層２、３とを電気的に接続するバイアホール４が多数設けられている。バイアホール４群は、所定間隔ｂをもって二列に配列され、かつバイアホールのそれぞれは、信号伝達方向、つまり線路形成方向に所定間隔ｃをもって形成されている。
　かかる構造において、所定間隔ａに対する制限は特にないが、シングルモードで用いる場合には、前記間隔ｂに対して、ｂ／２程度または２ｂ程度とすることがよく、所定間隔ｃは、遮断波長以下の間隔に設定されることで電気的な壁を形成している。
　平行におかれた一対の主導体層２、３間にはＴＥＭ波が伝播できるため、バイアホール４の間隔ｃが遮断波長λｃよりも大きいと、この線路に電磁波を給電しても、ここで作られる疑似的な導波管に沿って伝播しない。しかし、バイアホール間隔ｃが遮蔽波長λｃよりも小さいと、電磁波は伝送線路に対して垂直方向に伝播することができず、反射しながら伝送線路方向に伝播される。その結果、図１の構成によれば、主導体層２，３および多数のバイアホール４群によって囲まれる断面積ａ×ｂのサイズの領域Ａが誘電体導波管線路５となる。
　なお、バイアホール４群は二列のみならず、四列あるいは六列に配設して、バイアホール４による疑似的な導体壁を二重、三重に形成することにより、導体壁からの電磁波の漏れをより防止することができる。
　また、かかる誘電体導波管線路においては、主導体層２、３の間に、導波管線路の側壁を形成するバイアホール４と接続され、主導体層２、３と平行に形成された副導体層６を形成する。この副導体層６の形成によって、導波管線路内部から見ると、線路の側壁はバイアホール４と副導体層６によって細かな格子状になることから、線路からの電磁波の遮蔽効果を高めることができるのである。
　また、本発明によれば、上記誘電体導波管線路における主導体層２、３のうち少なくとも一方に導体を形成しないスロット孔７を形成する。このスロット孔７は、主導体層の導波管線路における領域Ａに面する一部に長孔として形成され、図１によれば、スロット孔７の長手方向が導波管線路方向と平行になるように形成されている。そして、主導体層２に形成されたスロット孔７と対峙する位置に、高周波伝送線路としてマイクロストリップ線路８が形成され、このスロット孔７を介して、導波管線路５とマイクロストリップ線路８とは電磁結合される。
　かかる結合構造において、誘電体導波管線路５におけるａ，ｂをａ≒２ｂの関係にすると誘電体１の上下面を電界と平行になる面とするＴＥ１０を主モードとして伝播する導波管と類似の構造となり、図１の結合構造でのマイクロストリップ線路８では、ＴＥＭ波に近いモードが伝播する。従って、具体的には、伝播させる電磁波の波長をλとすると、マイクロストリップ線路８のスロットの中心から線路端までの長さをλ／４程度、スロット孔７の長手方向長さをλ／２程度とすると、導波管線路５と電磁結合させることができる。
　上記図１および図１の平面図である図２（ａ）および図２（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である図２（ｂ）は、マイクロストリップ線路８と導波管線路５とのＴＥ１０モードによる結合構造であって、この高周波伝送線路８は、平面的に見てスロット孔７の長手方向に対して伝送線路方向が導波管線路の中央部で直角に交差するように形成される。そして、マイクロストリップ線路８と導波管線路５の端部との長さｄをλ／４程度とすると、端部で反射されて逆位相となった電波（図の下方に進んだ電波）は、図の上方向に進んだ電波と同位相で加わり、良好な特性が得られる。
　また、図３はマイクロストリップ線路８と導波管線路５とのＴＭ１１モードによる結合構造である。図３（ａ）の平面図および図３（ａ）におけるＹ−Ｙ’断面図に示されるように、スロット孔７の長手方向が誘電体導波管線路５の線路方向に対して直角となるように形成され、マイクロストリップ線路８をスロット孔７の長手方向に対して伝送線路方向が導波管線路の中央部で直角に交差するように形成される。そして、スロット孔７と導波管線路５の端部との長さｅをλ／４程度とすると、ＴＥ１０モードの場合と同様に良好な特性が得られる。
　図１乃至図３に示した構造によって、誘電体導波管線路とマイクロストリップ線路とは電磁的に結合され、両線路間の信号の伝達が可能となる。そして、配線基板として、例えば、上記の配線基板の表面に形成されたマイクロストリップ線路と配線基板表面に実装されたＩＣ素子や高周波素子とを電気的に接続し、図１乃至図３のとの接合構造によって、高周波導波管線路はマイクロストリップ線路を介してＩＣ素子や高周波伝送線路との信号の伝達が可能となるのである。
　次に、図４は、導波管線路とコプレーナ線路とのＴＥ１０モードによる結合構造を示すもので（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ’断面図である。
図４によれば、主導体層２には、長孔からなるスロット孔９が、長手方向が導波管線路５の線路方向と平行な方向に形成されている。また、コプレーナ線路９は、スロッ孔９が形成された主導体層２に形成されており、主導体層２に形成されたスロット孔９と直交するように連結されている。
　また、図５は、導波管線路とコプレーナ線路とのＬＳＥモードによる結合構造を示すもので（ａ）は平面図、（ｂ）は、そのＹ−Ｙ’断面図である。図５によれば、主導体層２には、長孔からなるスロット孔９が、長手方向が導波管線路５の線路方向と垂直な方向に形成されている。また、コプレーナ線路１０は、スロッ孔９が形成された主導体層２に形成されており、主導体層２に形成されたスロット孔９と直交するように連結されている。
　図４および図５に示した構造によって、誘電体導波管線路５とコプレーナ線路１０とは電磁的に結合され、両線路間の信号の伝達が可能となる。そして、配線基板として、例えば、上記のコプレーナ線路をＩＣ素子や高周波素子と電気的に接続し、前記コプレーナ線路との接合構造によって、高周波導波管線路はコプレーナ線路を介して信号の伝達が可能となるのである。
　上記の導波管線路によれば、誘電体導波管となるので誘電体１の比誘電率をεとすると、導波管サイズは通常の導波管の１／ε1/2 の大きさになる。従って、誘電体１を比誘電率の大きい材料によって構成するほど、導波管サイズは小さくすることができ、高密度に配線が形成される多層配線基板または半導体パッケージの伝送線路として利用可能な大きさになる。
　本発明における誘電体１としては、誘電体として機能し高周波信号の伝達を妨げることのない特性を有するものであれば、とりわけ限定するものではないが、後述するように、線路を形成する際の精度および製造の容易性の点からは誘電体１は、セラミックスからなることが望ましい。
　誘電体セラミックスとしては、これまで、様々な比誘電率を持つセラミックスが知られているが、本発明の導波管線路によって高周波の信号を伝達するためには、誘電体セラミックスは常誘電体であることが望ましい。これは、一般に強誘電体セラミックスは、高周波領域では誘電損失が大きく伝送損失が大きくなるためである。従って、誘電体基板の比誘電率は４〜１００程度が適当である。
　また、一般に配線基板やパッケージに形成される配線層の線幅は最大でも１ｍｍであることから、比誘電率１００の材料を用い、上部がＨ面、即ち磁界が上下の面に平行に巻く電磁界分布になるように用いた場合、用いることのできる最小の周波数は１５ＧＨｚと算出され、マイクロ波領域でも利用可能となる。一方、一般的に誘電体基板として樹脂が用いられるが、この樹脂からなる誘電体は比誘電率が約２程度であるため、線幅が１ｍｍの場合、約１００ＧＨｚ以上でないと利用することができない。
　また、このような常誘電体セラミックスの中には、アルミナ、シリカ等のように誘電正接が非常に小さなものが多いが、全ての常誘電体が利用可能であるわけではない。導波管の場合、導体による損失はほとんどなく、信号伝送時の損失のほとんどは誘電体による損失である。誘電体による損失α（ｄＢ／ｍ）は、下記のように表される。
（数１）
　α＝27.3・ｔａｎδ／λ／｛１−（λ／λｃ）２｝１／２
　式中、ｔａｎδは、誘電体の誘電正接、λは、誘電体中の波長、λｃは、遮断波長である。
　規格化された矩形導波管（ＷＲＪシリーズ）形状に準ずると、数１中の｛１−（λ／λｃ）２｝１／２は０．７５程度である。従って、実用に共し得る伝送損失−１００（ｄＢ／ｍ）以下にするには、下記数２の関係が成立するように誘電体を選択することが必要である。
（数２）
　ｆ・ε１／２ ・ｔａｎδ≦０．８
　式中、ｆは使用する周波数（ＧＨｚ）である。
　図１乃至図５に示した誘電体導波管線路は、セラミックス多層化技術と同様な方法で容易に作製できる。例えば、誘電体１を形成し得るセラミック粉末をドクターブレード法や圧延法によってシート状成形体（グリーンシート）を作製する。
　そして、そのグリーンシートに対して、それぞれの層に応じてメタライズインクを各層の導体パターンに従い印刷し、また、誘電体導波管線路の側壁部を形成するバイアホールをパンチング、レーザー等によって形成し、そのホール内にメタライズインクを充填する。このようにして、主導体層や副導体層およびバイアホールが形成れた複数のグリーンシートを位置合わせして積層し、これらを同時焼成することにより、本発明の導波管線路および配線基板を形成することができる。
　この同時焼成技術によって製造する場合、例えば、誘電体セラミックスが、アルミナである場合、主導体層、副導体層、バイアホール、高周波伝送線路は、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属によって形成し、誘電体セラミックスがガラス−セラミックス等の場合には、主導体層、副導体層、バイアホール、高周波伝送線路は、銅、銀等によって形成すればよい。
本発明における導波管線路とマイクロストリップ線路とのＴＥ１０モードの結合構造を説明するための概略斜視図である。 図１の結合構造の（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。 本発明における導波管線路とマイクロストリップ線路とのＴＭ１１モードの結合構造を説明するための（ａ）平面図および（ｂ）（ａ）のＹ−Ｙ’断面図である。 本発明における導波管線路とコプレーナ線路とのＴＥ１０モードの結合構造を説明するための（ａ）平面図および（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。 本発明における導波管線路とコプレーナ線路とのＴＭ１１モードの結合構造を説明するための（ａ）平面図および（ｂ）（ａ）のＹ−Ｙ’断面図である。
符号の説明
１　誘電体基板
２、３　主導体層
４　バイアホール
５　導波管線路
６　副導体層
７、９　スロット孔
８　マイクロストリップ線路
１０　コプレーナ線路

Claims (5)

  1. 誘電体を挟み平行に形成された一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群と、前記バイアホール群と接続され、前記主導体層と平行に形成された副導体層とを具備し、前記主導体層、前記バイアホール群および前記副導体層に囲まれた導波管領域によって電気信号を伝達する誘電体導波管線路であって、少なくとも一方の主導体層に、高周波伝送線路と電磁結合させるためのスロット孔を形成したことを特徴とする誘電体導波管線路。
  2. 前記高周波伝送線路が、マイクロストリップ線路からなり、前記スロット孔と対峙する位置に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の誘電体導波管線路。
  3. 前記高周波伝送線路が、コプレーナ線路からなり、前記スロット孔が形成された主導体層に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の誘電体導波管線路。
  4. 誘電体基板に、誘電体導波管線路と、マイクロストリップ線路とを形成してなる配線基板であって、前記誘電体導波管線路が、誘電体を挟み平行に形成され且つ少なくとも一方にスロット孔が形成された一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群と、前記バイアホール群と接続され、前記主導体層と平行に形成された副導体層とを具備するとともに、前記マイクロストリップ線路を前記スロット孔と対峙する位置に形成することにより、前記誘電体導波管線路と前記マイクロストリップ線路とを電磁結合させたことを特徴とする配線基板。
  5. 誘電体基板に、誘電体導波管線路と、コプレーナ線路とを形成してなる配線基板であって、前記誘電体導波管線路が、誘電体を挟み平行に形成され且つ少なくとも一方にスロット孔が形成された一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群と、前記バイアホール群と接続され、前記主導体層と平行に形成された副導体層とを具備するとともに、前記コプレーナ線路を前記スロット孔が形成された主導体層にて前記スロット孔と連結させることによって前記誘電体導波管線路と前記コプレーナ線路とを電磁結合させたことを特徴とする配線基板。
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