JP2005191903A - メッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】信号伝送線路に対する高速化,高周波化ならびに製品の低コスト化のための効率的なガス抜きを両立させる高性能且つ高信頼の積層体基板を提供する。
【解決手段】ストリップラインを構成する上下接地導体CG1、CG2に同一形状の小ホールMHを格子状に配列した格子状ホールパターンLAMH1、LAMH2をそれぞれに形成し,且つ格子状ホールパターンLAMH1、LAMH2の対向する小ホールMHが積層方向に重なるようにして、ストリップラインのインピーダンスZ_cを低減することにより課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体を用いた積層体基板の伝送線路に関するものである。

情報化社会の進展に伴って携帯電話、衛星通信等の移動体通信網あるいはインターネット、高速データ通信等の固定通信網が普及し、これらの通信機器に使用される無線高周波回路または高速デジタル回路に、機器の軽薄短小、低コス化、高性能化を実現する方法として、誘電体を用いた積層体基板が多用されるようになった。積層体基板は大別して電気絶縁材料である樹脂材を使用した有機基板とアルミナセラミック等を使用した無機基板が有る。何れの基板においても、高周波信号あるいは高速デジタル信号を伝送あるいは信号処理するために比較的に面が大きいグランド導体または接地導体を形成する導体層にCu、Auなどの高価な金属導電材料が多量に使用され、その使用量を減少させることが製品のコスト低減の要件の１つになっている。

セラミック積層体基板の場合には、原料セラミック粉末を溶剤および添加剤等で混練したグリーンシートを加工して製品を形成するので焼成工程において基板からガスが発生する。他方、ビルドアップ基板と呼ばれる有機基板の場合には、樹脂を多層に重ねたコア基板の上に、熱硬化性樹脂あるいは感光性樹脂を使用して絶縁層を形成しその上に銅メッキして導体層を形成する。熱硬化性樹脂にも、感光性樹脂にも溶媒、添加剤等が含まれており、基板を熱成形して樹脂をキュアする際にガスが発生する。このように両基板の焼成あるいは熱成形の製造工程において、発生するガスを効率的に放出させてその所要時間を短縮させることが生産効率の向上につながる。

このような金属導電材料の低減およびガス抜きを両立させる方法として、面積の大きい接地導体等に開口部を形成して導体面積を低減し併せて積層体（誘電体／導体）から発生する有機溶媒等のガスを効率的に放出することが行われている。接地導体に開口を設けて発生するガスを逃がす方法として、接地導体の１つであるアース電極にスリット状の開口部を設けて発生するガスを逃げやすくし、アース電極の剥離や、アース電極周囲の誘電体層の剥離が効果的に防げることが特許文献１に記載されている。
特開平５−２９１８０２号公報

しかしながら、接地導体に基板全体サイズにおよぶスリットあるいは方形等の開口部を設けることは、信号を送受する伝送線路の特性について問題が生じる。具体的には、２つの接地導体間に中心導体が挿入された導体３層構造の分布定数線路であるストリップラインや、１つの接地導体の上部に誘電体層を介して中心導体が置かれた導体２層構造の分布定数線路であるマイクロストリップの線路インピーダンス、すなわち特性インピーダンスがその開口部付近で大きく変動することである。

特にデジタル回路に使用されるMPUやRAM等のLSIの性能向上に対する社会的ニーズの増大に伴い、その動作速度［MIPS: Million Instruction Per Second］の向上が要求されてクロック周波数が数GHz以上の高速デジタル信号をこれらの分布定数線路で扱う必要性が生じている。もう一方では、通信機器の普及と更なる増大が求められる社会的ニーズに対して周波数割当等の電波利用容量の逼迫に対処するため移動通信、無線データ通信等の電波利用機器の使用周波数帯の高周波化が進んでおり、それらが扱う高周波信号の帯域が数GHzから数十GHzへと拡大している。このようなデジタル信号の高速化並びに無線関連高周波信号の一層の高周波化に対応するためには、それを扱う積層体基板の伝送線路はその特性インピーダンスが高周波で安定でかつ基準値50Ω等に対して広帯域で高精度に保たれる必要がある。

本発明の課題は、前記のように積層体基板に求められる高速化、高周波のニーズとその製品に要求される低コスト化実現のためのガス抜き方法を両立させる高性能・高信頼の積層体基板を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題を解決するために本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板は、第１導体層、第１誘電体層、第２導体層、第２誘電体層および第３導体層をこの順序で積層した積層体基板において、
第１導体層には厚さ方向に導体層を貫通する同一形状のホールを第１方向に第１間隔D_P1で配列され、他方第１方向と直交する第２方向に第２間隔D_P2で配列された第１格子状ホールパターンを有する第１接地導体が形成され、
第２導体層には第１格子状ホールパターンの第１方向にその中心線が平行する帯状導体パターンが中心導体として形成され、
第３導体層には第１導体層上の格子状ホールパターン対して各ホールが積層面方向に重なる第２格子状ホールパターンを有する第２接地導体が形成され、
第１接地導体、中心導体および第２接地導体で構成されるストリップラインの特性インピーダンスZ_cが、第１接地導体および第２接地導体に格子状ホールパターンが配列されていない場合のストリップラインの特性インピーダンスをZ₀としたときに、Z_cがZ₀＋20%以内に収まるように、第１接地導体と第２接地導体に形成された両格子状ホールパターンのホール開口径D_Hと両前記間隔D_P1、D_P2を定めることを特徴とする。

上記本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板は、ストリップラインを構成する第１接地導体と第２接地導体に第１方向に間隔D_P1、第１方向に直角な第２方向に間隔D_P2で配置された第１格子状ホールパターンと第２格子状ホールパターンをそれぞれ設け、第１格子状ホールパターンと第２格子状ホールパターンの各ホールが重なるようにし、中心導体が例えば第１方向に平行するように構成する。このストリップラインの特性インピーダンスZ_cが、両接地導体に格子状ホールパターンがない、いわゆる「ベタアース状」の接地導体を有するストリップラインの特性インピーダンスをZ₀（通常、この値は基準値の50Ωに選ばれる）としたときに、Z_cがZ₀＋20%以内に収まるように格子状ホールパターンの間隔D_P1、D_P2とホール開口径D_Hを定める。

このように積層体基板から発生するガスを接地導体面から抜けや易くするために接地導体面に均一に小ホール（開口部）を分散配置する。これによって信号伝送線路であるストリップラインの特性インピーダンスZ_cを基準の特性インピーダンスZ₀のZ₀＋20%以内に抑えて高速デジタル信号および高周波信号に対する信号伝送線路の性能を安定、向上させることができる。格子状に均一配列された格子状ホールパターンは第１接地導体と第２接地導体上に対向する各ホールが重なるように配置されているので、発生するガスを均等に分散して逃がし、かつ上下のホールが重なっているので効果的にガスを抜くことができる。その結果、これによって接地導体、中心導体等の導体層と誘電体層の間に生じる剥離、空洞、凹凸、起伏を解消することができると共に、導体層と誘電体層の間に残る残留応力を取り除くことができるので、積層体基板の製品の信頼性／品質を向上させる。信号伝送線路の電気的性能については、ホール開口径D_Hがストリップラインの中心導体の形状（特にその幅と、接地導体からの距離）に近い大きさを有する場合には、またホールが全面積に閉める割合が小さい場合には基準値Z₀に対する偏差：Z_c−Z₀を小さく（図５および図７参照）することができる。

また本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板は、中心導体の中心線が積層体基板の積層方向で第１格子状ホールパターンのホール配列の真上に位置するように構成され、その特性インピーダンスZ_cが前記特性インピーダンスZ₀の＋10%以内に収まるように構成することができる。このようにするとストリップラインの中心導体と格子状ホールパターンの重なりが、中心導体の中心線に対して対称で且つその間隔も均等になって線路長の方向に均一に分散される。よって伝送線路のバランスも良くなり、ホールの開口部の影響によって信号伝送線路の特性インピーダンスZ_cが、基準の特性インピーダンスZ₀から増大するその偏差を小さくする（図３および表１参照）ことができる。中心導体とホールの重なりが偏るとストリップラインの特性インピーダンスZ_cについて信号周波数の帯域特性に凹凸を生じる場合があり、信号伝送線路の性能に影響を与えることもある。

また本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板は、中心導体の中心線が積層体基板の積層方向において第１格子状ホールパターンの隣接する２つのホール配列の間に位置するように構成され、その特性インピーダンスZ_cが特性インピーダンスZ₀のZ₀＋5%以内に収まるように構成してもよい。このようにすると格子状に配列されたホールがストリップラインの中心導体に重なることがなく、ホールの配列間隔D_P2（中心導体に直交する第２方向の第２間隔）からホール開口径D_Hを差し引いた無開口領域に中心導体が重なりその近傍にホールの開口が無いように（好ましくは中心導体の中心線がこの無開口領域の中央にくる）D_P2、D_Hを定めるとストリップラインの特性インピーダンスZ_cはZ₀＋5%以内に収めることが可能である。この場合は、本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板はベタアースのストリップラインと近似の構成となり広帯域に渡って良好な性能を示す。

また本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板は、第１格子状ホールパターンと第２格子状ホールパターンが積層方向に一致するとき、両格子状ホールパターンの第１間隔D_P1に対するホール開口径D_Hの開口比率をD_H/D_P1とし、特性インピーダンスZ_cが特性インピーダンスZ₀のZ₀＋10%以内に収まるように第１接地導体と第２接地導体とに形成された両格子状ホールパターンの開口比率D_H/D_P1を定めるように構成してもよい。このようにすると、第１接地導体と第２接地導体にそれぞれ形成された第１格子状ホールパターンと第２格子状ホールパターンの対向する各ホールが一致するため、中心導体に対する隣接ホールの影響が中心導体の上下方向（積層体の厚み方向）で均等になりストリップラインの特性インピーダンスZ_cが広帯域に渡って安定する。積層体基板に発生するガスは、上下接地導体の対向する各ホールが一致するので、最良の効率で逃がすことができる。その結果、焼成工程あるいは熱硬化工程等の所要時間を低減し製品の生産性を向上する。

また上下の対向するホールが一致する場合には、解析モデルが簡単になりその所要時間を短縮して設計開発効率を向上するメリットもある。いずれにしても中心導体とホールが略重なる場合には、メッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の特性インピーダンスZ_cと基準の特性インピーダンスZ₀との差の偏差インピーダンスΔZは、ΔZ≒M×(D_H/D_P1)/｛1−N(D_H/D_P1)｝-----(1)、（但しM.N：比例定数）で［後述の(31)と(304)参照］与えられる。よって開口比率(D_H/D_P1)を小さくすることで偏差インピーダンスΔZを小さくしてメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の特性インピーダンスZ_cを基準の特性インピーダンスZ₀に近づけることができる。

また本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板は、第１格子状ホールパターンと第２格子状ホールパターンが積層方向に一致するとき、両格子状ホールパターンの開口比率D_H/D_P1が一定であり、第１接地導体の第１誘電体層に接する面と第２接地導体の第２誘電体層に接する面との距離をBとし、帯幅wを有する中心導体の中心線が前記距離Bの中点に位置するストリップラインにおいて、
両格子状ホールパターンのホール開口径D_Hの円形ホール面積と同一面積を有する等面積正方形開口の辺長をSとしたときに、D_P2-D_H≧(w＋B)/2およびS≦w＋Bを満たすように構成することもできる。このようにすると、中心導体に重なったホール配列の各ホールが中心導体の真下/真上に位置し、メッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の特性インピーダンスZ_cに影響を及ぼす範囲にホール全体が等価的に収まり(精確には円形ホールと同一面積を有する等面積正方形開口が範囲内に収まる)且つ隣接ホール配列の各ホールがこの範囲に重なることが無い。この場合には、メッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の特性インピーダンスZ_cは中心導体に重なったホール配列の配列条件、すなわち間隔D_P1とホール開口径D_Hで一義的に（図５参照）定まる。他のホール配列の影響を受けないため、メッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板に与えるホールの影響は単純なものになるので、伝送線路の位置による部分的変動も無く特性インピーダンスZ_cの周波数特性を平坦かつ安定にできる。前述の特性インピーダンスZ_cに影響を及ぼす範囲R_iは第１接地導体と第２接地導体間の対面間距離をBとしたときに、R_i≒w＋B-----(2)と与えられ、その範囲は帯幅wの中心導体の縁からH＝B/2の離れた２本の平行線の内側（詳細図３参照）領域となる。

また本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板は、中心導体の厚みをｔ、第１誘電体層と第２誘電体層の比誘電率をε_r、前記SがS≧wとしたときに、
特性インピーダンスZ_c：Z_c≒ Z₀＋{15K/(ε_r)^1/2}（S_c/l_A）、中心導体のインダクタンスの形状に伴う補正係数：k≒［log_e{S_c/(w＋t)}］＋1.193＋0.2235(w＋t)/S_c、開口比率D_H／D_P1に関する補正係数：S_c/l_A≒0.781(D_H/D_P1)/{1−0.781(D_H/D_P1)}、中心導体と上下接地導体がなす単位長当たりの容量がホールによって減少することに伴う補正係数：K≒k−4.43×10^-5×Z₀ ²×ε_r×1.13π×(t/H)^1/4×1.13log_e［2.41H/(d_b＋(H²＋d_b ²)^1/2)］、中心導体の中心線と上下接地導体間の距離：H＝B/2，直径D_Hの円形ホールと同一面積を有する等面積正方形開口の辺長：S＝0.886D_H、等面積正方形開口が端効果容量による開口サイズの縮小に伴う補正：S_c＝S log_e{1+(2)^1/2}、当面積正方形の縮小開口が帯幅wの中心導体から食み出した長さ：2d_b＝(S_c−ｗ)から構成される一連の関係式で表される、
特性インピーダンスZ_cを、Z_c−Z₀が最小となるように定めることが好ましい。

このように構成すると、特性インピーダンスZ_cはZ_c≒ Z₀＋{15K/(ε_r)^1/2}（S_ｃ/l_A）-----(3)で与えられ、メッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の形状・構成（ｗ、t、B、D_H、D_P1、D_P2）を最適化することによりその特性インピーダンスZ_cと基準の特性インピーダンスZ₀との差である偏差インピーダンスΔZを最小［後述の(303)、(304)参照］にすることができる。試作評価段階では偏差インピーダンスΔZを、ΔZ≦５Ωにすることが可能であり、本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板を50Ωの伝送線路（通常使用される各種分布定数線路）に接続したときに、最良の伝送特性を得ることが可能である。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の最良形態を説明する。図１に本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板(以後、「MHGSL」という)の模式的な基本構造を示す。［１Ａ］において、MHGSL1は、厚さ14.5umの第１接地導体GC1(以後、「下側接地導体」ともいう)を有する第１導体層CL1、厚さH≒４０umで比誘電率ε_rを有する誘電体層DL1、厚さ14.5umの中心導体MC(以後、「線路」ともいう)を形成した第２導体層CL2、厚さH≒４０umで比誘電率ε_rを有する誘電体層DL2および厚さ14.5umの第２接地導体GC2(以後、「上側接地導体」ともいう)を有する第３導体層CL3の順序に最下層から最上層に積層されている。なお、第１接地導体GC1と第２接地導体GC2には、同一形状のホールMHを格子状に配列した第１格子状ホールパターンLAMH1と第２格子状ホールパターンLAMH2がそれぞれ形成されている。
本発明のMHGSLの第１接地導体GC1上に形成された第１格子状ホールパターンLAMH1の詳細を［１Ｂ］に示す。円形開口を有するホールMHの開口径（直径）はD_Hであり、このMHが中心導体MCと平行な第１方向に第１間隔（隣接するMHの中心間距離）D_P1で、また中心導体MCと直交する第２方向に間隔D_P2で格子状に配置され、幅ｗの帯状導体パターンである中心導体MCは第１方向の１つのホール配列の真上に位置する。実際の製品の形態は、図２に示すように設計仕様に合わせて、図１で表されるMHGSLを使用した伝送線路／フィルタなどを幾層にも積層した複合積層体基板１０で構成される。この場合には、中心導体MCはMeander Line 構造等を採用してその線路長を最適（例えば1/4波長など）値に設定することが可能である。

ここで発明のMHGSL1を採用した複合積層体基板１０の具体的構成について、アルミナセラミックスを誘電体材料として使用した無機基板を例にとって説明する。各誘電体層DL(DL1、DL2)は比誘電率ε_rを有する誘電体材料で形成され、誘電体材料にはアルミナ含有量を９８％以上としたアルミナ質セラミックス、ムライト質セラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、窒化珪素セラミックス、炭化珪素セラミックスおよびガラスセラミックス等、高周波領域において誘電損失が小さい材質が適用される。この場合、比誘電率ε_rはε_r＝5〜20に調整される。また、各導体層CL(CL1、CL2、CL3)には分布定数線路（ストリップライン他）やコンデンサの電極、あるいはグランド面（接地導体他）が金属導体で形成され、金属導体の材質としては、例えばセラミック誘電体層の材質としてガラスセラミックスを用いる場合には、Ag、Au、Cuのいずれかを主成分とするものを使用することができる。

次に本発明のMHGSL１を採用した複合積層体基板１０の製造方法について簡単に説明する。まず、誘電体層DLとなるべきセラミックグリーンシートを用意する。該セラミックグリーンシートは、セラミック誘電体層の原料セラミック粉末（例えば、ガラスセラミック粉末の場合、ホウケイ酸ガラス粉末とアルミナ等のセラミックフィラー粉末との混合粉末）に溶剤（アセトンなど）、結合剤［アクリル系樹脂（例えば、ポリアクリル酸エステル）など］、可塑剤（ブチルベンジルフタレート等）、解膠剤［脂肪酸（グリセリントリオレート等）など］の添加剤を配合して混練し、ドクターブレード法等によりシート状に成形したものである。

そして、このセラミックグリーンシート上に、導体層CL（接地導体、中心導体を含む）である各種導体パターン（格子状ホールパターンLAMH1、LAMH2または中心導体MCの帯状パターンなど）あるいは電極導体を金属粉末を使用して所定の形状に形成する。この金属粉末形状はCuまたはAgを主成分とする金属粉末のペーストを用いて公知のスクリーン印刷法により形成される。導体層の金属粉末形状を形成したら、その上に別のセラミックグリーンシートを重ね、さらに金属粉末形状印刷／セラミックグリーンシート積層の工程を繰り返し、セラミック積層体基板１０となるべきグリーン積層体を得る。上記のグリーン積層体は、個々のセラミック積層体基板１０(本発明のMHGSL1を採用)の導体層金属粉末形状が所定配置・配列にて連続的に複数形成されたものであり、これをカッターを用いて切断線に沿って切断・分離することにより、各々個別にセラミック積層体１０となるべき分離グリーン積層体が得られる。これを焼成することにより、図２に示すような、複合積層体基板１０が得られる。

またビルドアップ法で樹脂材を積層して有機基板を形成する場合には、各誘電体層DL1、DL2は樹脂誘電体シートにて形成され、例えば感光性樹脂で構成されたビルドアップ層となっている。感光性樹脂組成物はエポキシ樹脂（FR4:Fiber Reinforced）等にて構成され比誘電率ε_rはε_r＝２〜４に調整されている。樹脂を誘電体とする積層体基板１０の製造方法は次のようになる。樹脂を多層に積層したコア基板に感光性樹脂をコートし、その上に導体パターンを作製するためのフォトマスクを重ね紫外線で露光、現像することで、格子状ホールパターンLAMH1、LAMH2、帯状パターンなどの導体パターンに応じたフォトバイアを形成する。表面処理剤等で樹脂の表面を粗面化した後に無電解銅メッキしてフォトバイア部に銅薄膜を形成し、さらに電解銅メッキして所定厚（数十um）の導体層を前述の導体パターンに応じて形成する。この感光性樹脂のコートから電解銅メッキの工程を繰り返すことで誘電体層（誘電体層DL1、DL2に相当）と導体層（CL1、CL2、CL3に相当）を交互に積層し、積層体基板１０を連続的に面状配列した樹脂シートを作製する。カッターを用いてこの樹脂シートを切断線に沿って切断・分離することにより、各々個別に有機積層体基板１０となるべき分離樹脂シートが得られる。最後にこの分離樹脂シートを熱処理して樹脂層のキュアを行い樹脂層が硬化され、複合積層体基板１０が得られる。

前述のように、セラミック積層体基板の製造に際して、原料セラミック粉末を溶剤および添加剤等で混練したグリーンシートを加工して製品を形成するので焼成工程において基板からガスが発生する。また、ビルドアップ基板と呼ばれる有機基板の製造において、樹脂を多層に重ねたコア基板の上に熱硬化性樹脂あるいは感光性樹脂を使用して絶縁層を形成しその上に銅メッキして導体層を形成する。熱硬化性樹脂、感光性樹脂はいずれにも溶媒、添加剤等が含まれており、基板を熱処理して樹脂をキュアする際等にガスが発生する。このように基板の焼成あるいは熱処理の製造工程において発生するガスを、誘電体層を挟む各導体層にメッシュ状の小ホールMHを分散配置させてガスを効率的に放出させ、セラミックの焼成工程あるいは樹脂の熱処理工程の所要時間を短縮させることは生産効率の向上につながる。

格子状に小ホールMHを均一配列した前述の格子状ホールパターンLAMH1、LAMH2は、第１接地導体と第２接地導体上に対向する各ホールMHが重なるように配置されているので、発生するガスを均等に分散して逃がし、かつ上下のホールMHが重なっているので効果的にガスを放出することができる。その結果、接地導体、中心導体等の導体層と誘電体層の間に生じる可能性がある剥離、空洞、凹凸、起伏などを解消することができると共に、導体層と誘電体層の間に残る残留応力を取り除くことができるので、積層体基板の製品の信頼性／品質を一層向上させることができる。第１接地導体GC1、第２接地導体GC2上に形成された各格子状ホールパターンLAMH1、LAMH2におけるホールMHをどのように配列（ホールの開口径D_H、第１間隔D_P1および第２間隔D_P2）するか。この条件設定によって、メッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板MHGLS1の特性インピーダンスZ_c（線路インピーダンス）を、第１接地導体GC1、第２接地導体GC2上に格子状ホールパターンLAMH1、LAMH2が無いときのストリップラインの特性インピーダンスZ₀（以後、このインピーダンスを「基準インピーダンス」という）にどの程度近づけることができるか、これが本発明の中心課題である。即ち、特性インピーダンスZ_cの基準インピーダンスZ₀に対する偏差ΔZ、ΔZ＝Z_c−Z₀-----(20) と格子状ホールパターンLAMH1、LAMH2におけるホールMHの最適配列の関係について以下に説明する。

発明における設計開発とその評価の過程で明らかとなったメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板MHGLS1の特性インピーダンスZ_cに関する高周波線路解析の結果の要点を簡単に説明する。その際、通常知られている回路解析・線路解析の過程についてはその説明を省略する。まず、図３を用いて解析するメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板MHGLS1の線路モデルについて特徴を説明する。線路の中心導体MCの真上／真下に配列されたホールMHと線路構造については次の通りである。後述の図５に示される第１接地導体GC1と第２接地導体GC2の導体間距離をBとし、B=2H-----(21)としたときその中点に線路幅w（帯状パターンの帯幅）の中心導体MCの中心が位置する。

中心導体MCと第１接地導体GC1と第２接地導体GC2がなす線路長方向の単位長当たりの総合容量C_tは略、中心導体（線路）MCの両端から距離Hにある２つの平行線AB、CDに挟まれた領域内にある中心導体MCと第１接地導体GC1と第２接地導体GC2の結合により生じることが分かった。隣接する２つのホールMH1、MH2の線路方向、すなわち第１方向の第１間隔はD_P1で、そのホールMH1,MH2のホール開口径をD_Hとする。図４で定義されるホールMH1、MH2に対する縮小補正等価正方形開口SQ_cの辺長をS_cとすると、線路MCの端からこの縮小補正等価正方形開口SQ_cの開口端APE_R、APE_Lまでの距離をそれぞれd_bとする。また隣接する縮小補正等価正方形開口SQc1とSQc2との端辺間距離l_Aは、l_A＝D_P1−S_c-----(22)で与えられる。次に図４を使用して、ホールMH、等面積正方形開口SQiおよび縮小補正等価正方形開口SQcの関係を説明する。開口径D_HのホールMHの開口面積と同一面積を有する等面積正方形開口SQiとし、その辺長をSとする。この等面積正方形開口SQiに対する端効果容量C_Sfにより、等面積正方形開口SQiの開口を縮小補正した縮小補正等価正方形開口SQcの辺長をS_cとする。このときS＝{(π)^1/2/2}≒0.886D_H-----(23)、S_c＝S log_e{1＋(2)^1/2}≒0.881S-----(24)の関係を有し、よってS_c≒0.781D_H-----(25)を得る。

次に、図５を使用してMHGSL1の線路長方向に対する断面構成、並びに下側接地導体GC1、上側接地導体GC2と中心導体（線路）MCの間の結合によって生じる容量について説明する。下側接地導体GC1と上側接地導体GC2に形成された第１格子状ホールパターンLAMH1と第２格子状ホールパターンLAMH2のホール配列は積層体基板１０の積層方向、即ち線路の長さ方向に一致し、対向する上下のホールMHt（下側接地導体GC1）とMHb（上側接地導体GC2）の開口も一致している。よってこのMHt、MHbによって作成された縮小補正等価正方形開口SQcb（下側接地導体GC1）とSQct（上側接地導体GC2）は線路幅ｗの真上／真下に位置する。真空の誘電率をε₀、誘電体の比誘電率をε_rとしたときに、中心導体MCと下側接地導体GC1、上側接地導体GC2の間で形成される板極間容量C_pは(101)で与えられるが中心導体MCの上下位置における下側接地導体GC1、上側接地導体GC2は開口S_cとなっているので、S_c≧w、S_c≦w＋B-----(26)の関係を有していれば、この板極間容量C_pはC_p＝0-----(102)となる。

厚さtの中心導体MCと下側接地導体GC1、上側接地導体GC2の間で形成される端効果容量C_f（中心導体MCの側面から放射状に伸びる電気力線がその下方あるいは上方に有る下側接地導体GC1、上側接地導体GC2に届く範囲で両者の結合が生じて発生する容量）は、種々の電磁解析並びにコンピュータ解析の結果として(103)で近似（今回の発明における大きな特徴の1つである）できることが分かった。縮小補正等価正方形開口SQcbの開口端と中心導体MCの端の距離d_bはd_b＝(S_c−w)/2-----(27)で与えられ、この開口SQcb、SQctによって減少した端効果容量C_f1、C_f2、C_f3、C_f4は(104)で表すことができる。以上より、線路長方向に対して単位長(um)当たりの総合容量をC_tとすると、g(B,t,w)≡C_t/（ε₀ε_r）＝(1.13)²π（t/H）^1/4 log_e［H{1＋(2)^1/2}/｛d_b＋(d_b ²＋H²)^1/2｝］-----(106)と与えられる。

次に、前述の図３に示す線路が連続した場合に、MHGSL1である線路が形成する特性インピーダンスZ_cとその反射係数Γ_Tを導出する。図６に本発明のMGHSL1の線路の等価回路を示す。直列インダクタンスL_sと接地容量C_sで構成され破線で囲まれたブロック回路ECs1、---ECsnが、図３の縮小補正等価正方形開口SQc部分の等価回路（正方形開口の辺長S_cに対応した線路で表示）に相当し、また接地容量C_sは図５の単位長当たりの総合容量C_tに関係する。ブロック回路ECs1、---Ecsnの合成インピーダンスをZ_sとし、その反射係数をΓ_sと定める。図３において開口部が無い線路長l_Aの領域が、各ブロック回路ECs1、---Ecsnの前後に接続されている、基準インピーダンスZ₀、電気長θ_A、線路長l_Aの単位分割線路に相当する。MHGSL1において中心導体MCの頂上/直下に位置するホール配列にn個のホールMH（縮小補正等価正方形開口SQc）が形成されている場合に、MHGSL1の線路の等価回路はブロック回路ECs1、---ECsnとそれに挟まれた単位分割線路(Z₀、θ_A、l_A)がn個直列に接続された構成になる。ここで等価回路各部のインピーダンス並びにその反射係数を求めると次のようになる。ブロック回路ECs1、---Ecsnの合成インピーダンスZ_sは縮小補正等価正方形開口SQcが生じるインダクタンスをLs、図５の単位長当たりの総合容量C_tに伴う接地容量C_sをC_s＝S_cC_t-----(28)とするとZ_s≒Z₀＋jω(L_s−C_sZ₀ ²)/2-----(201)で近似される。この合成インピーダンスZ_sに対する反射係数Γ_sは(202)で与えられ、Γ_s≪1-----(29)であるのでMHGSL1の線路の等価回路の総合反射係数Γ_Tは最終的に(205)のように求められる。

この(205)には線路長2(n+1)θ_Aに伴う位相回転部が含まれるので、これを除いたMHGSL1の線路の特性インピーダンスZ_cに相当する反射係数Γ_tは、(206)に(202)や種々の関係式の(208)を適用して最終的に、Γ_t≒7.5K/{(ε_r)^1/2Z₀}(S_c/l_A)-----(209)と求まる。このとき、特性インピーダンスZ_cに対する反射係数Γ_tは、やはりΓ_t≪1-----(30)であるから、Z_c＝Z₀(1＋Γ_t)/(1−Γ_t)≒Z₀(1＋2Γ_t)-----(301)と近似できる。この(301)に(209)を適用して、最終的に特性インピーダンスZ_cは、Z_c≒Z₀＋{15K/(ε_r)^1/2}(S_c/l_A)-----(302)と導かれる。但し、係数KはK≒［log_e{S_c/(w＋t)}+1.193+0.2235(w＋t)/S_c］−4.43×10^-5×Z₀ ²×ε_r g(B,t,w)-----(303)で与えられ、前述の縮小補正等価正方形開口SQcに対する総合容量C_tを表す(106)が適用される。よって、特性インピーダンスZ_cの基準インピーダンスZ₀に対する偏差ΔZは(302)と(20)から、ΔZ≒{15K/(ε_r)^1/2}(S_c/l_A)-----(304)と求まる。本発明の最大の特徴である(304)の作用を大まかに分析してみると、先ずS_c/l_A≒0.781D_H/(D_P1−0.781D_H）＝0.781(D_H/D_P1)/{1−0.781（D_H/D_P1）}-----(31)
を小さく［即ち、開口比率：(D_H/D_P1)を小さく］すればそれに比例する偏差ΔZ は当然に小さくなる。もし、S_c/l_Aを一定［即ち、開口比率：(D_H/D_P1)＝一定］とした場合には、S_c≒0.781D_H-----(25)で与えられるS_cを小さく（即ちホールMHの開口径D_Hを小さく）するとd_b＝(S_c−w)/2-----(27)で与えられるd_bも小さくなり、(106)で与えられるg(B,t,w)が大きくなるため、最終的に(303)で与えられる係数Kが小さくなり偏差ΔZを小さくできることが判る。

米国マイクロソフト社の表計算ソフトExcel用いて、上記の (302)、(303)、 (106)他の一連の関係式を計算処理した結果を図７に示す。この数値解析では、積層体基板１０の誘電体の比誘電率をε_r=2.9とし、ストリップラインの形状について、上下接地導体GC1とGC2の面間距離をB＝80.5um、中心導体MCの幅と厚みをそれぞれw＝31um、t＝14.5umと設定し、上下接地導体GC1とGC2に格子状ホールパターンLAMHが無いストリップラインの特性インピーダンス（基準線路インピーダンス）をZ₀＝50Ωとした。このとき、格子状ホールパターンLAMHに対するホール間隔D_P（＝550、220、165um）ホール開口径D_H（＝250、100、75um）の組合わせを変えて、本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板MHGSL1の特性インピーダンス（線路総合インピーダンス）Z_cを求めた。図７の解析１、２，３のいずれの場合も開口比率はD_H/D_P≒0.45で一定であるが、ホール開口径D_Hが一番小さいD_H＝75umのときに、基準インピーダンスZ₀＝50Ωに対するメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板MHGSL1の特性インピーダンスZ_cの偏差ΔZがΔZ≒5.26Ωで最小になっていることが分かる。最後に本発明のMHGSL1に対する電磁解析シミュレーションの結果を表１に示し、本発明の効果を簡単に説明する。このシミュレーションはアプライド・シミュレーション・テクノロジ社のApsimFDTDを使用したFDTD(Finite Different Time Domain ：時間領域有限差分法)の電磁解析Simulation を適用して行われた。

表１よりFDTDのシミュレーション結果の特性インピーダンスZ_cと高周波線路解析結果の特性インピーダンスZ_cの差異は１Ω以内であり本発明のMHGSL1は高精度に設計できることが分かる。また基準インピーダンスZ₀に対する本発明のMHGSL1の特性インピーダンスZ_cの偏差ΔZの最小値は、ΔZ≒5Ωと基準インピーダンスの約Z₀＋10%以内に収まっていることが分かる。図７のExcel計算ソフトで試算した結果では、開口比率D_H/D_P≒0.45の一定条件の下で、D_P＝110(um)、D_H＝50(um)の最良の組合わせにてZ_c≒52Ωが得られている。これは本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板MHGSL1の電気性能が優れていることを示す。以上の結果から、本発明のMHGSL1は製造工程における発生ガスの効率的な放出という生産性、および線路インピーダンスの最適化という電気的性能の両面において大きな効果を奏することが判った。

本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の基本構成を示す模式構造図。 本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板を採用した複合積層体基板の模式構造図。 本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板における格子状ホールパターンのホールと線路の中心導体の位置関係を説明する図。 上下接地導体に形成された格子状ホールパターンの円形ホール開口、等面積正方形開口および縮小補正等価正方形開口の関係を示す図。 本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の中心導体と開口を有する上下接地導体との結合よって生じる容量を説明する図。 本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板におけるホール開口部の等価回路とホール間隔部分の線路とからなる周期的構成を表す等価回路図。 本発明のメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板の特性インピーダンスを導出する関係式を適用した計算ソフトExcelの計算結果を示す図。

符号の説明

1 メッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板（MHGSL、信号伝送線路、線路、ストリップライン）
10 複合積層体基板
CL1、CL2、CL3 導体層
DL1、DL2 誘電体層
LAMH1、LAMH2 格子状ホールパターン
MH1、NH2 ホール
CG1 第１接地導体（下側接地導体）
CG2 第２接地導体（上側接地導体）
MC 中心導体（帯状導体パターン、線路）
SQi 等面積正方形開口
SQc 縮小補正等価正方形開口
C_p 板極間容量
C_f 端効果容量
Z_c 特性インピーダンス
Z₀ 基準の特性インピーダンス（基準インピーダンス）
ΔZ 偏差インピーダンス（特性インピーダンスZ_cと基準インピーダンスZ₀の偏差）
D_P1 第１ホール間隔
D_P2 第２ホール間隔
D_H ホール開口径
D_H/D_P 開口比率
S 等面積正方形開口の辺長
S_c 縮小補正等価正方形開口の辺長
B 上側接地導体と下側接地導体の面間距離(導体間距離)
w 中心導体の帯幅(幅)
t 中心導体の厚さ
C_t 単位長当たりの総合容量
Ec_s ブロック回路
Γ_T、Γ_t、Γ_s 反射係数

Claims (1)

1. 第１導体層、第１誘電体層、第２導体層、第２誘電体層および第３導体層をこの順序で積層した積層体基板において、
   前記第１導体層には厚さ方向に導体層を貫通する同一形状のホールを第１方向に第１間隔D_P1で配列され、他方第１方向と直交する第２方向に第２間隔D_P2で配列された第１格子状ホールパターンを有する第１接地導体が形成され、
   前記第２導体層には前記第１格子状ホールパターンの前記第１方向にその中心線が平行する帯状導体パターンが中心導体として形成され、
   前記第３導体層には前記第１導体層上の前記格子状ホールパターン対して各ホールが積層面方向に重なる第２格子状ホールパターンを有する第２接地導体が形成され、
   前記第１接地導体、前記中心導体および前記第２接地導体で構成されるストリップラインの特性インピーダンスZ_cが、前記第１接地導体および前記第２接地導体に前記格子状ホールパターンが配列されていない場合のストリップラインの特性インピーダンスをZ₀としたときに、Z_cがZ₀＋20%以内に収まるように、前記第１接地導体と前記第２接地導体に形成された前記両格子状ホールパターンのホール開口径D_Hと両前記間隔D_P1、D_P2を定めることを特徴とするメッシュホールグランドストリップライン構造を有する積層体基板。

Images