JP2005044955A - 積層基板を用いた回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層基板の回路装置における回路素子の配置において、回路素子配置の座グリや埋設加工および手はんだ接続などの熟練と技巧を要する作業を簡素化して容易にし且つ高周波特性の改善を図ことにある。
【解決手段】絶縁基板１３，１４を積層した積層基板両面の表層に回路素子２２，２４の抵抗を分割配置し、これを貫通用導通スルーホール３０を介してラインパターン１２の所定位置に接続する積層基板を用いた回路装置１０を提供し、製造上の量産化と簡素化で低コスト化を図ると共に高周波特性の改善を図る。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、デジタルおよびアナログ信号を処理する高クロック回路やＲＦ（高周波）回路の給電に用いる積層基板を用いた回路装置、特に、ＲＦ回路におけるストリップラインウイルキンソン回路のパワーディバイダ（電力分配器）またはコンバイナ（電力合成器）に好適する積層基板を用いた回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一つの高周波信号を二つ以上に分配したり、二つ以上の高周波信号を一つに合成したりする場合に、パワーディバイダやコンバイナが使用される。周知のＹ型３抵抗電力分配器はＤＣから１ＧＨｚ程度までの使用帯域に対して簡単に設計でき、サイズも抵抗体の大きさ程度で実現できるが、使用周波数帯域がマイクロ波帯やミリ波帯ではアイソレーションがとり難く信号ロスが大きく不適合となる。そして、周波数帯域がマイクロ波帯やミリ波帯では、例えば、非特許文献１に記載のものが知られており、５０Ω系で２分配するウイルキンソンパワーディバイダが略Ｕ字形平面状金属のマイクロストリップラインを基板上に形成して構成する。通常、ウイルキンソンタイプパワーディバイダは、シールドケース内に収容される単一基板上のラインパターン形状設計法による伝送線路およびこれに付随する回路部品により構成され、伝送線路のラインパターンを分配段の分流ラインに応じて特定形状にしている。例えば、特許文献１は絶縁基板に設けた導電性パターンをシールドケース内に配置して空間介在で絶縁するマイクロストリップライン構造を開示する。なお、パワーコンバイナはパワーディバイダの出力信号ポートを入力側、入力信号ポートを出力側として利用される。しかし、シールドケース内への単一基板の収容構造は、平面的回路構成は所要する面積のみならずシールドケースの立体的容積も大きくなり、機器への装着でスペース上の問題を提起している。
【０００３】一方、近年デジタルおよびアナログ回路装置において、小型化やコンパクト化に対応するために積層基板型回路装置が利用されることが多く、この種の積層基板型ＲＦ回路やクロック回路が知られている。例えば、ＲＦ回路や高クロック回路の使用周波数の高域化や、多数の類似回路を同一装置に並置することの増大があり、小型化や複合回路化のための積層構造化も進みつつある。しかし、信号用ラインパターンやグラウンド用シールドパターンを銅箔で形成した絶縁基板の多層構造では、組み込まれる回路部品の実装が難しいと言う問題があった。すなわち、積層基板型回路装置では抵抗器等の回路部品を装着する場合に積層基板に穴あけやざぐり加工を必要としたりするほかに回路部品のラインパターンへのはんだ付け処理があり、作業上高度な技巧と熟練を必要とするほかに面倒な調整作業が要求される等の問題を提起している。
【非特許文献１】雑誌「トランジスタ技術」の１９９９年２月号（ｐｐ３１７〜３２２）の「ウイルキンソン・パワー・ディバイダ」
【特許文献１】特開２００１−２８５０７号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述するようにウイルキンソン回路のパワーディバイダまたはコンバイナにおいて、絶縁基板上の平面回路構成では取り付けスペース上の制約から小型化コンパクト化が困難であったので、これを積層基板構造により解消し、その際に生ずる製作上の問題を解消して同時に製品性能の改良の図れる構造が望まれていた。たとえば、ウイルキンソン回路の信号ラインの設計寸法を正確に再現する積層基板を形成すると共に抵抗器などの所要の回路部品をコンパクトで容易に取り付けたり調整作業を精度よく正確且つ容易に行なえ同時に、信号ロス、アイソレーション、リターンロスとしての電圧定在波比（ＶＳＷＲ）の低下を防ぎ、周波数特性上の変動による製品の不具合を阻止することが望まれている。一方、近年、ＲＦ回路においても高クロック回路などのデジタル回路用集積デバイスの必要性と同様に、複数のラインパターンが利用できる多層化積層基板が重視されている。すなわち、ラインレイアウトの複雑化によって起る信号ラインの直交問題は積層基板の利用によって別の層へ展開することで解消できる。加えて、寸法、重量の制約を解消するためにシールドケースを排除してサイズの縮小化と重量の軽減化を実現する。
【０００５】したがって、本発明は上述する問題に鑑みて提案されたものであり、コストパフォーマンスの高い一括積層、全層貫通の導通スル−ホールを形成した積層基板の表層に回路部品を実装して作業性を容易にし且つ所望の電気的特性が得られる積層基板を用いた回路装置の提供を目的とする。具体的には、ウイルキンソンディバイダまたはコンバイナにおける回路素子の装着を積層基板の外面に装着して作業性の向上を図ると共に所望する性能を発揮する積層型基板を用いた回路装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、出力および入力信号用ポートと、信号ラインパターンを形成した第１の絶縁基板および全面導電パターンを形成した第２の絶縁基板を含む複数の絶縁基板を積層固着した積層基板と、この積層基板の外層面に配置して信号ラインパターンに接続した回路素子とを具備し、回路素子は積層基板に形成した貫通用導通スルーホールを介して所定のラインパターンに接続した積層基板を用いた回路装置が提供される。すなわち、積層基板の第１および第２の絶縁基板を含む複数の絶縁基板間をプリプレグまたはボンデングフィルムの介在により接着され、立体的領域内に複数個の回路形成を可能にしたことを特徴とする積層基板を用いた回路装置が開示される。たとえば、一括して積層された積層基板に全層貫通のスルーホールを形成し、その表裏面に回路素子を実装したＲＦ回路のストリップラインウイルキンソン回路のパワーディバイダまたはパワーコンバイナが提供される。ここでは信号用ラインパターン間に接続する回路素子を外面実装として性能改善を図りつつ製造作業上で工数などを改善して小型化と低コスト化が実現される。
【０００７】換言すると、第１の絶縁基板が信号用ラインパターンを形成した給電側絶縁基板であり、第２の絶縁基板がシールド用アースパターンを形成したグランド側絶縁基板であり、導通スルーホールは積層基板を貫通して信号用導通スルーホールとシールド用導通スルーホールが形成され、シールド用導通スルーホールにより隣接する信号用ラインパターン間を遮蔽するようにした高周波用回路装置である。なお、信号用ラインパターンはストリップラインウイルキンソン回路であり、分流または合流の伝送線路からなり、この伝送線路間に回路素子を接続した積層基板を用いた回路装置である。具体的なパワーディバイダまたはパワーコンバイナの場合、回路素子は膜状またはチップ状抵抗で特性改善用吸収抵抗として機能し、それにより信号の反射損失、挿入損失、あるいはアイソレーションの高周波特性を改善することができる。
【０００８】本発明の別の観点によれば、積層基板は第１および第２の絶縁基板を含む複数の絶縁基板の積層基板内の平面的および立体的空間に複数個のデジタル回路、たとえば高クロック回路を形成したことを特徴とする積層基板を用いた回路装置が提供され、使用する回路素子は積層基板の外層面の表裏両面側で分割して配置することが望ましく、軽薄短小でコンパクトナ回路装置となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】積層基板は、それぞれ絶縁基板の表面に銅箔のグラウンド用パターンや信号給電用ラインパターンを形成した複数個の基板を用意し、絶縁基板と同様な材料からなる接着層のプリプレグまたはボンディングフィルムを交互に組み合わせてプレス加工して作られる。この積層基板には全層貫通の導通スルーホールが形成され、各層のラインパターンと回路素子との接続を導通スルーホールにより可能にする。これによりＲＦ回路におけるシールドのケースレス化が実現でき軽量化とコンパクト化を達成する。従来、この様な積層基板に固定部品や素子を装着するには、積層基板に穴あけやざぐりで装着位置を確保し、所定位置に配置し、次いではんだ付けなどで接続していたが、これが多大な工数と熟練を必要として問題であった。本発明はこうした回路素子の装着に積層基板の全層貫通スル−ホールを形成し、このスルーホールを利用した接続回路を提案する。すなわち、回路素子を積層基板の表層外面に配置すると共に全層貫通スルーホールを介して所定パターンに接続する積層基板型高周波回路装置が提供される。特に、好ましくは、回路素子を積層基板の表層の表裏両面で分割配置して高周波特性の更なる改良を見出した。
【００１０】一方、分流または合流伝送線路は導電性パターンをストリップラインウイルキンソン回路で形成し、このパターン間に接続する回路素子に吸収抵抗を用いたパワーディバイダまたはパワーコンバイナを提供する。本発明に係るストリップライン構造の利用では、パワーディバイダとするかパワーコンバイナとするかは、複数個の信号ポートのうちどのポートを入力または出力にするかによって決定される。以下の具体例はパワーディバイダについて説明するが、パワーコンバイナとするには「分配」と「合成」、「入力」と「出力」の用語を読み替えることで理解できよう。
【００１１】
【実施例】本発明に係る積層型高周波回路装置の実施例は、ウイルキンソン回路パワーディバイダに適用され、以下その要部拡大断面を示す図面を参照しつつ詳述する。図１および図２に示す本発明の積層基板を用いた回路装置１０は、出力および入力信号用ポート（図示せず）を有するラインパターン１２を形成した第１の絶縁基板１４および導電パターン１１を形成した第２の絶縁基板１３を含む複数の絶縁基板をプリプレグ１５の介在により積層固着した積層基板で構成され、チップ抵抗の回路素子２０をこの積層基板の外層面に配置し導通スルーホール３０を介してラインパターン１２に接続している。積層固着工程は加圧による一体的成形で、各パターン位置を正確に合わせた状態のもとで行なわれる。なお、第１の絶縁基板１４はそのラインパターン１２が信号用伝送線路Ｓ２層で形成した給電側絶縁基板であってその裏面には全面に導電パターンのシールド用Ｇ３層が形成され、第２の絶縁基板１３はその表面に導電パターン１１がシールド用Ｇ１層として略全面に形成したグランド側絶縁基板であり、導通スルーホール３０、３１、３２はこれらの積層基板を貫通して形成されそれぞれ所定のパターンに接続している。この内、信号用導通スルーホール３０、３１は回路素子２０をラインパターン１２と接続するのに利用され、シールド用導通スルーホール３２は平面的に隣接する別の高周波回路から電磁的に遮蔽するのに利用される。このようにして、ラインパターン１２の伝送線路Ｓ２が二つの導電パターン１１のグランド層Ｇ１とＧ２で立体的にシールドされたＧ１−Ｓ２−Ｇ３層からなる一つの高周波ブロックを構成する。なお、信号用導通スルーホール３１は別の高周波ブロックをＧ４−Ｓ５−Ｇ６層で構成する場合の回路素子２０の接続用として使用される。図２は積層前の絶縁基板１４を部分的に示す平面図で、第１の絶縁基板１４上に銅箔のラインパターン１２がストリップラインウイルキンソン回路の信号用伝送線路として形成された状態を示している。なお、上述するように、一対の絶縁基板で形成した１−３層ストリップラインと同時に別の一対の絶縁基板をプリプレグを介して接着して４−６層ストリップラインを形成する併設回路は作業の効率化と共にコンパクト化に役立つなど多層構造積層基板を用いた回路装置の利点を示すものである。この場合に回路素子２０のチップ抵抗は導通スルーホール３１を介して伝送線路Ｓ５層に接続され、立体的領域内の併設構造を示している。また、この実施例は、プリプレグの介在により絶縁基板間を固着したが、プレプレグに替えて絶縁性ボンディングフィルムを使用してもよい。
【００１２】図３は本発明の別の実施例を示し、回路素子を積層基板の外面である表裏両面側の表層に分割して配置する構造である。以下、積層基板の両面に回路素子を分割配置した実施例を示すが、図１に示す実施例とは回路素子の配置状態を除き略同じであり、同一部分は同一符号で示して詳細な説明を省略する。すなわち、図３に示す実施例は、図１の実施例ではチップ抵抗回路素子２０を積層基板の表面側のみに配置したのに対し、表裏両面側の表層にそれぞれ抵抗２２、２４として分割配置している。この場合、抵抗２２、２４の抵抗値Ｒ１、Ｒ２は、図１に示す抵抗２０の所望する抵抗値Ｒと同様にするためにはＲ＝Ｒ１＊Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）の関係式で選定されなければならない。このような分割配置は高周波回路におけるラインパターンがオープン（開放）状態のフリーターミナルが存在せず、後述するように高周波特性上で顕著な改善効果が確認された。なお、実施例に示す導通スルーホールは銅箔スルーホール以外に、はんだや導通ピンなどをスルーホールに挿入して導通状態を得ることもできる。
【００１３】図４（ａ）および（ｂ）は前述する２つの実施例の積層基板を用いた回路装置に関するそれぞれの電気回路的模式図である。図４（ａ）は回路素子のチップ抵抗を積層基板の表面のみに配置した図１の実施例の等価的回路図であり、入力信号ポートＲｇから分流して結合するストリップラインＬ＝λ／４の位置で抵抗値２Ｒｌ＝Ｒの吸収抵抗が接続され、２つの出力信号ポートＲ１から分配出力が導出される。この場合、２−６層間のスルーホールはオープンで開放状態にあることを示すのに対し、１−２層間のスルーホールは抵抗Ｒが積層基板の表層で接続されるのでクローズ状態となっている。そして、パワーディバイダの分配分流された信号は出力信号ポートＲｌに結合している。一方、図３の実施例の等価的回路を示す図４（ｂ）の場合は、回路素子の抵抗が積層基板の表裏両面に配置されて接続された状態にあり、両面側のスルーホールともクローズ（閉止）状態にあり、オープン部分が存在しない。ここでは端子間の抵抗値は図４（ａ）と同様にＲとなるように、それぞれの分割抵抗の抵抗値はＲ１およびＲ２であり、抵抗値Ｒとの関係は、関係式Ｒ＝Ｒ１＊Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）を満足するように選定される。注目すべきはこれらの等価回路図によるオープンかクローズかの相違により高周波特性に顕著な違いを生ずることが判明した。
【００１４】図５（ａ）および（ｂ）は前述する２つの実施例とそれぞれの電気回路的模式図で示された相違により生ずる高周波特性の差異を明示する電磁界シミュレータによる電気的特性図を示す。先ず、回路素子を積層基板一方の表層にのみ配置すると導通スルーホールの他方がオープンとなるが、その結果、高周波特性曲線は図５（ａ）に示される。特性図には出力ポートの反射損失とアイソレーションを示している。図５（ｂ）は、積層基板の両面に抵抗を配置してクローズ状態とした場合の同様な高周波特性曲線を示している。比較対比のために同一目盛で示されるが、後者、抵抗分割で両面搭載することは周波数帯域７〜１２ＧＨｚにおいて反射損失およびアイソレーション特性が顕著に改善されたことを示す。すなわち、片面配置より両面分割配置は電気的高周波特性から明らかなように明白な改善効果が示された。
【００１５】本発明の実施例はストリップライン構造のウイルキンソン２分配パワーディバイダが積層基板を用いたＲＦ回路装置で構成したものであるが、本発明はアナログおよびデジタルの各種回路にも適用される。たとえば、本発明は３分配や４分配など多数分岐の分配器への適用や合成器への適用も積層基板を用いた回路装置で実現されるほか、デジタル回路のクロック回路にも適用され、高クロック回路では顕著な効果が期待される。また、従来に比べて、コンパクト化が容易に可能であり、従来のざぐりや穴あけによる回路素子の配置構造と比べて製造上リフロー処理の適用による量産化や構造の簡素化が図られ、また一括積層で製作可能なため積層工程の簡略化によるコスト面でのメリットなどの実用的効果が得られる。応用例としては、ディバイダやコンバイナに限らず高周波回路装置に広く利用でき、一括積層全層貫通スルーホールによる製造上のメリットに加えてスルーホールのオープン端をなくすことで高周波特性などの性能向上に寄与できる。
【００１６】加えて、平面的と同時に立体的領域内に異なる回路装置を併置することが可能となり回路装置の小型コンパクト化が実現できる。図６は立体的に複数回路を併置する場合の積層基板における個別の基板と積層後の状態を示す。これは、実施例２に示す場合の１−３層で形成する第１のストリップラインおよび４−６層で形成する第２のストリップラインについて、それぞれの平面図（ａ）および（ｂ）並びに重ね合わされて積層した状態の平面図を拡大して示している。図では絶縁基板とラインパターンおよびスルーホールのレイアウト的平面を示すのみであるが、図６（ｃ）に示すように、積層構造によって同じ平面内でも立体的に異なる領域を利用して回路配置することができる。ここでは回路素子を接続するスルーホール３０、３１とシールドに用いるスルーホール３２との関連性を示すと共に２つののストリップライン回路が同一の積層基板を用いた回路装置で互いに接近して配置され、コンパクト化の実現に寄与できる。
【００１７】
【発明の効果】上記実施例に示すように本発明の積層基板を用いた回路装置は平面的および立体的領域内で近接して複数個のデジタルおよびアナログ的回路装置が容易に構成され、小型と軽量等コンパクト化に有利な設計上レイアウトを容易に実現できる。また、回路素子を積層基板の表層に配置するので製造上リフローはんだを可能にして作業の容易化と簡素化が図られ、コスト面での低減化と共に精度の向上にも寄与する。特に、高クロック回路やパワーディバイダなどのＲＦ回路では回路素子を積層基板の両面表層に分割配置することで、反射ロスやアイソレーションの高周波特性の改善に役立ち、さらに一括積層で製作可能なため積層工程の簡略化による低コスト化と共に製品品質の向上が図れるなど実用的効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例の積層基板を用いた回路装置の要部拡大断面図、
【図２】同じく図１の回路装置の一部で基板上のラインパターンを示す平面図、
【図３】同じく別の実施例の積層基板を用いた回路装置の要部拡大断面図、
【図４】同じく図１および図３の実施例における電気的等価回路の模式図、
【図５】図４の回路模式図のシュミレーションによる高周波特性図、および
【図６】図２の実施例におけるラインパターンの配置関係を示す平面図である。
【符号の説明】
１０：積層基板を用いた回路装置
１１：導電パターン（シールド用導電パターン）
１２；ラインパターン（信号用伝送線路）
１３：第２の絶縁基板（グラウンド用絶縁基板）
１４；第１の絶縁基板（給電用絶縁基板）
１５：プリプレグ（ボンディングフィルム）
２０、２２、２４：回路素子（抵抗）
３０、３１：接続用導通スルーホール
３２：シールド用導通スルーホール

Claims (8)

1. 出力および入力信号用ポートと、ラインパターンを形成した第１の絶縁基板および導電パターンを形成した第２の絶縁基板を含む複数の絶縁基板を積層固着した積層基板と、この積層基板の外層面に配置して前記ラインパターンに接続の回路素子とを具備し、前記積層基板に形成した導通スルーホールを介して前記回路素子を所定のラインパターンに接続した積層基板を用いた回路装置。
2. 前記積層基板は前記第１および第２の絶縁基板を含む複数の絶縁基板をプリプレグまたはボンデングフィルムの介在により固着され、立体的領域内に所定の回路を構成したことを特徴とする請求項１に記載の積層基板を用いた回路装置。
3. 前記第１の絶縁基板はそのラインパターンが信号用伝送線路で形成した給電側絶縁基板、前記第２の絶縁基板はその導電パターンがシールド用として略全面に形成したグランド側絶縁基板であり、前記導通スルーホールは前記積層基板を貫通して形成され、信号用導通スルーホールとシールド用導通スルーホールを有し、前記シールド用導通スルーホールが前記信号用伝送線路の形成する高周波回路を電磁的遮蔽することを特徴とする請求項１または２に記載の積層基板を用いた回路装置。
4. 前記積層基板は前記第１および第２の絶縁基板を含む複数の絶縁基板の平面的および立体的領域内にデジタル回路、たとえば高クロック回路を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の積層基板を用いた回路装置。
5. 前記回路素子は前記積層基板の外層面の表裏両面側で分割して配置したことを特徴とする請求項１ないし４に記載の積層基板を用いた回路装置。
6. 前記信号用伝送線路はストリップラインウイルキンソン回路であり、分流または合流する伝送線路間に前記回路素子を接続したことを特徴とする請求項５に記載の積層基板を用いた回路装置。
7. 前記回路素子が吸収抵抗であり、前記ストリップラインウイルキンソン回路によりパワーディバイダまたはパワーコンバイナを構成したことを特徴とする請求項６に記載の積層基板を用いた回路装置。
8. 前記吸収抵抗は前記積層基板の表裏両面に分割して並列的接続で配置され、所望する抵抗値Ｒとするとき、分割配置したそれぞれの抵抗値Ｒ１およびＲ２は、関係式Ｒ＝Ｒ１＊Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）を満足するように選定したことを特徴とする請求項７に記載の積層基板を用いた回路装置。

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