JP2005347924A

JP2005347924A - 高周波信号伝送線路基板

Info

Publication number: JP2005347924A
Application number: JP2004163075A
Authority: JP
Inventors: Noboru Kubo; 昇久保
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】高周波の信号が伝播でき、配線の分岐前後の特性インピーダンスを整合でき、安定した伝送特性を有する高周波信号伝送線路基板を提供する。
【解決手段】複数の誘電体基板１１、１１ａ、１１ｂの積層体の両主面のそれぞれに設けられる第１、第２の配線１２、１７及び第１、第２の配線１２、１７を繋ぐ信号線用ビア１３を有する特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送するための伝送線路がいずれか一方の主面に設けられる分岐点１８で２分配される高周波信号伝送線路基板１０において、伝送線路の信号線用ビア１３で１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を構成すると共に、積層体の一方の主面に露出する信号線用ビア１３の端面と第２の配線１７との接続部を分岐点１８とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝送線路に高周波用の信号を通過させるための高周波信号伝送線路基板に関し、より詳細には、伝送線路の途中に設ける分岐点で伝送線路が２分配される高周波信号伝送線路基板に関する。

近年のモジュールの高周波化に伴い、半導体素子を搭載して高周波の信号を伝播させるための高周波信号伝送線路基板には、単なる電気的接続では、例えば、信号線を伝播する信号の反射、クロストーク等の伝送線路としての電磁波的挙動が顕著になるため、反射ノイズや、不要電磁放射（ＥＭＩ）等の様々なノイズの対策が必要となっている。この高周波用伝送線路基板は、セラミックやプラスチックからなる誘電体基板に高速動作に対応でき、ノイズの発生要因を減少するような電気的設計の考慮を行いながら導体金属で信号線や、グランド等を形成して作製されている。

通常、高周波信号伝送線路基板を用いて高出力の増幅を行う場合には、アンプの耐電力等の理由から１つのアンプではなく、複数のアンプを高周波信号伝送線路基板に搭載させることが行われる。このような場合、複数のアンプへ信号を入力させるためには、アンプへの入力側の配線を分岐する必要があるが、高周波信号においては、ただ単に入力側の配線を分岐するのではなく、基板全体としての伝送線路の特性インピーダンスの整合を行う必要がある。

この特性インピーダンスの整合を行うために、例えば、図４（Ａ）に示すように、高周波信号伝送線路基板５０は、基板の表面側の配線から信号を入力させ信号線用ビア５１を介して裏面側の特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送する配線に分岐点５２を設ける場合に、分岐前に特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路の繋ぎ配線５３を設けて伝送線路を形成している。又は、図４（Ｂ）に示すように、高周波信号伝送線路基板５０ａは、基板の表面側から信号を入力させ信号線用ビア５１を介して裏面側の特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送する配線に分岐点５２を設ける場合に、分岐後の特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送する配線のそれぞれに特性インピーダンス２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路の繋ぎ配線５４を設けて伝送線路を形成している。また、特性インピーダンスの整合方法には、図４（Ｃ）に示すように、高周波信号伝送線路基板５０ｂは、基板の表面側の特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送する配線に分岐点５２を設ける場合に、分岐前に特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路の繋ぎ配線５５を設け、２箇所の信号線用ビア５１を介してそれぞれ裏面側に特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送する配線を延設させて伝送線路を形成している。また、図示しないが、高周波信号伝送線路基板５０ｂは、基板の表面側の特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送する配線に分岐点５２を設ける場合に、分岐後に特性インピーダンス２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路の繋ぎ配線５５を分岐したそれぞれに設け、それぞれに延設する信号線用ビア５１を介してそれぞれ裏面側に特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送する配線を延設させて伝送線路を形成している場合もある。なお、図５に示すように、この特性インピーダンスの算出は、特性インピーダンスＺ_１の配線５６と特性インピーダンスＺ_２の配線５７を整合させて接続するには、中間に特性インピーダンスＺ_Ｍ＝（Ｚ_１・Ｚ_２）^１／２の波長／４の長さの繋ぎ配線５８を設けることで伝送線路を形成していることの原理から算出されている。

従来の高周波信号伝送線路基板には、入出力端子から基板中央部に向かって異なる比誘電率を有する材料を複合化した基板に伝送線路を設け、特性インピーダンスの整合を図るものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、従来の高周波信号伝送線路基板には、基板の中に比透磁率及び／又は比誘電率の異なる部分を設け、伝送線路の特性インピーダンスの整合を図るものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−２８３６１９号公報特開２００４−３２７６６号公報

しかしながら、前述したような従来の高周波信号伝送線路基板は、次のような問題がある。
（１）基板の裏面側の配線に分岐点を設け、分岐前後の特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送する配線に特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路の繋ぎ配線を設ける伝送線路は、繋ぎ配線の基板の中で占める部分が基板表面や、裏面に伝送線路以外の配線を密に配置する場合の配置の妨げとなっている。
（２）基板の表面側や、裏面側に伝送線路以外の配線を密に配置することを容易に行うために、裏面側の信号線用ビアから繋ぎ配線までの部分は、配線設計的には無しとすることも可能であるが、信号線用ビアを特性インピーダンスＺ_０とするためのグランドパターンと、ビアとの間に断面視して設計上必要な間隔を設けなければならないので、この間隔によって裏面側の平面的な繋ぎ配線を特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路に設計するのが難しくなっている。
（３）信号線用ビアを特性インピーダンスＺ_０とするためには、信号線用ビアからのグランド用ビア配置距離や、グランドパターンまでのくり抜きの大きさを比較的大きくする必要があるので、基板の中間層に伝送線路以外の他の配線を密に配置させるのが難しくなっている。また、ビア同軸部の高次伝搬モードにおける発生周波数は、信号線用ビアからグランド用ビアまでの配置距離や、信号線用ビアからグランドパターンまでのくり抜きの大きさを大きくすることによって低くなるので、より高周波では伝送損失が悪化する問題がある。
（４）信号線用ビアからグランド用ビアまでの配置距離や、信号線用ビアからグランドパターンまでのくり抜きの大きさは、信号線用ビアの直径を小さくすることで縮小することができるが、この場合には、信号線用ビアの断面積が縮小するので、信号線用ビアを通過させる電流許容量が低下する問題がある。
（５）基板の表面側の配線に分岐点を設け、分岐点前後にそれぞれ特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路や、特性インピーダンス２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路の繋ぎ配線を設ける伝送線路は、信号線用ビアが２箇所必要となり、信号線用ビアへの配線も２箇所となるので、比較的大きな設置領域が必要となる。また、信号線用ビアの高次伝搬モードにおける発生周波数は、信号線用ビアからグランド用ビアまでの配置距離や、信号線用ビアからグランドパターンまでのくり抜きの大きさを大きくすることによって低くなるので、より高周波では伝送損失が悪化する問題がある。
（６）伝送線路の特性インピーダンスの整合を図るために、高周波信号伝送線路基板の中に比透磁率及び／又は比誘電率の異なる部分を設けるのは、部分的に比透磁率及び／又は比誘電率が異なる複合基板を作製するのが難しい。また、多層からなる高周波信号伝送線路基板の場合には、適用が難しい。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高周波の信号が伝播でき、配線の分岐前後の特性インピーダンスを整合でき、安定した伝送特性を有する高周波信号伝送線路基板を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る高周波信号伝送線路基板は、複数の誘電体基板の積層体の両主面のそれぞれに設けられる第１、第２の配線及び第１、第２の配線を繋ぐ信号線用ビアを有する特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送するための伝送線路がいずれか一方の主面に設けられる分岐点で２分配される高周波信号伝送線路基板において、伝送線路の信号線用ビアで１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を構成すると共に、積層体の一方の主面に露出する信号線用ビアの端面と第２の配線との接続部を分岐点とする。

前記目的に沿う本発明に係る高周波信号伝送線路基板は、複数の誘電体基板の積層体の両主面のそれぞれに設けられる第１、第２の配線及び第１、第２の配線を繋ぐ信号線用ビアと繋ぎ配線を有する特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送するための伝送線路がいずれか一方の主面に設けられる分岐点で２分配される高周波信号伝送線路基板において、第１の配線と一方の端部を接続し、他方の端部を積層体の一方の主面に露出する信号線用ビアの端面に接続する繋ぎ配線と、信号線用ビアとで１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を構成すると共に、積層体の他方の主面に露出する信号線用ビアの端面と第２の配線との接続部を分岐点とする。

請求項１記載の高周波信号伝送線路基板は、伝送線路の信号線用ビアで１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を構成すると共に、積層体の一方の主面に露出する信号線用ビアの端面と第２の配線との接続部を分岐点とするので、伝送線路に繋ぎの配線や、２つの信号線用ビアを設ける必要がなく、表面側や、裏面側や、中間層に伝送線路以外の配線を密に配置させることができる。また、信号線用ビアは、繋ぎ配線の役目をしているので、グランドパターンまでのくり抜きの大きさを大きくして伝送線路に高周波の信号を通過させても、伝送損失の悪化を防止することができると共に、信号線用ビアは、断面積を縮小する必要がないので、信号線用ビアを通過する電流許容量の低下の問題を発生させない。更に、高周波信号伝送線路基板は、基板の中に比透磁率及び／又は比誘電率の異なる部分を設けるような複合基板を用いる必要がないので、高周波信号伝送線路基板を容易に作製することができる。

請求項２記載の高周波信号伝送線路基板は、第１の配線と一方の端部を接続し、他方の端部を積層体の一方の主面に露出する信号線用ビアの端面に接続する繋ぎ配線と、信号線用ビアとで１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を構成すると共に、積層体の他方の主面に露出する信号線用ビアの端面と第２の配線との接続部を分岐点とするので、伝送線路に２つの信号線用ビアを設ける必要がなく、基板の表面側や、裏面側や、中間層に伝送線路以外の配線を密に配置させることができる。また、伝送線路以外の配線を密に配置させるのに、信号線用ビアと、あまり配置密度には影響のない繋ぎ配線とで１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を構成するのが容易であり、伝送線路に高周波の信号を通過させても、伝送損失の悪化を防止することができる。また、信号線用ビアは、繋ぎ配線の役目を兼ねているので、グランドパターンまでのくり抜きの大きさを大きくして伝送線路に高周波の信号を通過させても、伝送損失の悪化を防止することができると共に、信号線用ビアは、断面積を縮小する必要がないので、信号線用ビアを通過する電流許容量の低下の問題を発生させない。更に、高周波信号伝送線路基板は、基板の中に比透磁率及び／又は比誘電率の異なる部分を設けるような複合基板を用いる必要がないので、高周波信号伝送線路基板を容易に作製することができる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波信号伝送線路基板の斜視図、展開図、図２は同高周波信号伝送線路基板の変形例の展開図、図３は同高周波信号伝送線路基板の伝送特性のシミュレーション結果のグラフである。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る高周波信号伝送線路基板１０は、複数枚、例えば本実施の形態では３枚のセラミックや、プラスチック等の誘電体基板１１、１１ａ、１１ｂを重ね合わせて積層して形成する積層体から構成されている。この高周波信号伝送線路基板１０は、両主面のいずれか一方の主面の、例えば上層の誘電体基板１１の上表面に、高周波用信号を伝送させるための信号線用の金属導体からなる特性インピーダンスＺ_０系の第１の配線１２と、この第１の配線１２と接続して誘電体基板１１、中間層の誘電体基板１１ａ及び下層の誘電体基板１１ｂを貫通して高周波の信号を伝送するための信号線用ビア１３を誘電体基板１１の上表面に端面を露出して有している。また、高周波信号伝送線路基板１０は、上層の誘電体基板１１の直下の中間層の誘電体基板１１ａと、下層の誘電体基板１１ｂのそれぞれの上表面に、第１の配線１２や信号線用ビア１３を形成するのに用いられる金属導体と実質的に同じ金属導体を用いたべたパターンや、島状パターン等からなるグランド用の金属導体パターン１４、１４ａを有している。

この高周波信号伝送線路基板１０には、グランド用の金属導体パターン１４、１４ａと信号線用ビア１３との間に、信号線用ビア１３部の高周波伝送特性の悪化を防止するため、及び短絡防止用のために、信号線用ビア１３を中にして金属導体パターン１４、１４ａにパターンを設けないくり抜き部１５が設けられている。また、この高周波信号伝送線路基板１０には、信号線用ビア１３部の高周波伝送特性の悪化を防止するために、中間層の金属導体パターン１４と下層の金属導体パターン１４ａを電気的に接続し、信号線用ビア１３を中にて周囲に複数のグランド用ビア１６が設けられている。なお、このグランド用の金属導体パターン１４、１４ａの接続用端子は、図示しないが、上層の誘電体基板１１に設けられるグランド用の金属導体パターン１４と接続するビアを介して表面に設けられる配線に接続して設けられている。

この高周波信号伝送線路基板１０は、両主面のいずれか一方の主面の、例えば下層の誘電体基板１１ｂの下表面である基板の裏面に露出する信号線用ビア１３の端面と、第２の配線１７との接続部を分岐点１８として、特性インピーダンスＺ_０系の第２の配線１７がこの分岐点１８で２つに分配されている。そして、この高周波信号伝送線路基板１０は、分岐点１８前後の第１の配線１２と、第２の配線１７の伝送線路を特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送するための配線とするために、信号線用ビア１３が特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路に構成されている。この高周波信号伝送線路基板１０の信号線用ビア１３の特性インピーダンスを１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路に構成するには、信号線用ビア１３の直径、信号線用ビア１３と信号線用ビア１３周囲のグランド用ビア１６との距離、誘電体基板１１ａ、１１ｂのくり抜き部１５の大きさ、及び高周波信号伝送線路基板１０の厚さを調整することで行っている。

この高周波信号伝送線路基板１０は、２分配することによる余分な配線や、余分な信号線用ビア１３の設置領域を必要としなくなり、また、信号線用ビア１３を特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路に設計するため、信号線用ビア１３の直径を縮小しなくてもよくなる。これにより、高周波信号伝送線路基板１０は、従来の特性インピーダンスＺ_０系に設計する場合より信号線用ビア１３からのグランド用ビア１６の配置距離や、くり抜き部１５の大きさを縮小できるので、信号線用ビア１３がグランド用ビア１６及び／又はグランド用の金属導体パターン１４、１４ａからなる周囲のグランド部を備えた伝送線路部における高次伝搬モードが発生しにくくなり、より高周波までの対応が可能となる。また、高周波信号伝送線路基板１０は、信号線用ビア１３の直径を縮小する必要がないので、電流許容量を低下させなくてもよくなる。

次いで、図２を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る高周波信号伝送線路基板１０の変形例の高周波信号伝送線路基板１０ａを説明する。高周波信号伝送線路基板１０ａは、基本的には上記の高周波信号伝送線路基板１０と同様な構成で形成されているので、高周波信号伝送線路基板１０と異なる部分について説明する。
図２に示すように、高周波信号伝送線路基板１０ａは、第１の配線１２と誘電体基板１１、１１ａ、１１ｂの積層体の一方の主面に露出する信号線用ビア１３との間に、第１の配線１２と一方の端部を接続し、他方の端部を信号線用ビア１３の端面に接続する繋ぎ配線１９を設けている。この高周波信号伝送線路基板１０ａは、積層体の厚さの調整不可により、第１の配線１２、信号線用ビア１３、及び第２の配線１７で形成される伝送線路の信号線用ビア１３の線路長に不足が発生し、信号線用ビア１３を特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路に設計することができなくなった場合に、誘電体基板１１の上面において、信号線用ビア１３接続部の配線パターンの幅、長さ、形状を調整することによる繋ぎ配線１９を設けることで、容易に不足した特性インピーダンス１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を追加することができる。

それぞれの厚さが０．２０ｍｍ、外形が７０ｍｍ×４０ｍｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる３枚の誘電体基板に、タングステンからなる導体金属を用いて配線や信号線用ビアの伝送線路、グランドパターンやグランド用ビア等をスクリーン印刷で形成し、３枚を重ね合わせて積層して積層体を形成し、焼成して第１の配線、繋ぎ配線、信号線用ビア、及び第２の配線からなる伝送線路を有する高周波信号伝送線路基板（上記の高周波信号伝送線路基板１０ａに相当する）を作製した。そして、この高周波信号伝送線路基板について、高周波信号の伝送特性として示されるＳパラメーターのＳ１１である反射係数、Ｓ２１である通過係数を有限要素法を用いたシミュレーションによって調査した。

図３に示すように、Ｓパラメータシミュレーションを行った結果は、周波数が２５ＧＨｚ付近の高周波領域で、反射係数Ｓ１１が−２５ｄＢ以下で良好な結果を示し、通過係数Ｓ２１が−４ｄＢ以上で良好な結果を示した。

本発明は、伝送線路に高周波用の信号を２分配して通過させることができる高周波信号伝送線路基板であり、特性インピーダンスの整合をして、例えば複数のアンプへの信号を入力させるため等に用いることができる。

（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波信号伝送線路基板の斜視図、展開図である。同高周波信号伝送線路基板の変形例の展開図である。同高周波信号伝送線路基板の伝送特性のシミュレーション結果のグラフである。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来の高周波信号伝送線路基板の展開図である。従来からの特性インピーダンスの算出方法の説明図である。

符号の説明

１０、１０ａ：高周波信号伝送線路基板、１１：誘電体基板、１２：第１の配線、１３：信号線用ビア、１４、１４ａ：金属導体パターン、１５：くり抜き部、１６：グランド用ビア、１７：第２の配線、１８：分岐点、１９：繋ぎ配線

Claims

複数の誘電体基板の積層体の両主面のそれぞれに設けられる第１、第２の配線及び該第１、第２の配線を繋ぐ信号線用ビアを有する特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送するための伝送線路がいずれか一方の主面に設けられる分岐点で２分配される高周波信号伝送線路基板において、
前記伝送線路の前記信号線用ビアで１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を構成すると共に、前記積層体の一方の主面に露出する前記信号線用ビアの端面と前記第２の配線との接続部を前記分岐点とすることを特徴とする高周波信号伝送線路基板。
複数の誘電体基板の積層体の両主面のそれぞれに設けられる第１、第２の配線及び該第１、第２の配線を繋ぐ信号線用ビアと繋ぎ配線を有する特性インピーダンスＺ_０系の高周波用信号を伝送するための伝送線路がいずれか一方の主面に設けられる分岐点で２分配される高周波信号伝送線路基板において、
前記第１の配線と一方の端部を接続し、他方の端部を前記積層体の一方の主面に露出する前記信号線用ビアの端面に接続する前記繋ぎ配線と、前記信号線用ビアとで１／２^１／２・Ｚ_０の波長／４線路を構成すると共に、前記積層体の他方の主面に露出する前記信号線用ビアの端面と前記第２の配線との接続部を前記分岐点とすることを特徴とする高周波信号伝送線路基板。