JP2006303464A

JP2006303464A - 配線基板および回路装置

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Publication number: JP2006303464A
Application number: JP2006075339A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Saida; 敦齋田; Shunichi Imaoka; 俊一今岡; Tetsuo Sawai; 徹郎澤井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP4243284B2; US7450397B2; US20060216484A1

Abstract

【課題】細線化および／または伝送損失の低減が実現された配線基板を開発する。
【解決手段】配線基板１０は、電位が等しい第１の導体２０および第２の導体３０と、第１の導体２０と第２の導体３０との間に設けられた誘電体層４０と、誘電体層４０に埋設された第３の導体５０とを備える。配線基板１０では、第３の導体５０と第１の導体２０との間に位置する誘電体層４０の第１領域４２の膜厚haの方が、第３の導体５０と第２の導体３０との間に位置する誘電体層４０の第２領域４４の膜厚hbより大きい。さらに、第３の導体５０の断面形状は台形状であり、第２の導体３０の側の第３の導体５０の両端部の角度θ１およびθ２は鈍角となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体ＩＣやチップ部品などの電子部品が集積された高周波回路や高周波モジュールにおいて、高周波信号を伝送する容量素子および信号線路を含む配線基板およびそれを用いた回路装置に関する。

従来、複数の半導体ＩＣやチップ部品などの電子部品が集積された高周波回路や高周波モジュールにおいて、高周波信号を伝送する手段として、トリプレート線路を有する配線基板が知られている。

図１０は、従来のトリプレート線路を有する配線基板の断面構造図である。従来の配線基板５００は、第１の接地導体５１０と、第２の接地導体５２０と、第１の接地導体５１０と第２の接地導体５２０との間に設けられた誘電体層５３０と、誘電体層５３０に埋設された信号線路５４０とを備える。信号線路５４０の断面形状は、通常、長方形である。従来の配線基板５００では、信号線路５４０と第１の接地導体５１０との間に位置する誘電体層５３０の第１領域の膜厚ha’と、信号線路５４０と第２の接地導体５２０との間に位置する誘電体層５３０の第２領域の膜厚hb’とは等しくなっている。このような構成例として、たとえば、特許文献１の図６が挙げられる。また、このとき、第１領域の比誘電率εa’と、第２領域の比誘電率εb’とは等しく、それぞれの領域の対接地容量は等しくなっている。

なお、トリプレート線路は、ストリップ線路と称される場合がある。本願明細書におけるトリプレート線路は、ストリップ線路と読み替えることができる。

また、第１の接地導体５１０と第２の接地導体５２０をともに接地しない電位を等しくする一方の信号線路とした場合、他方の信号線路５４０とで構成する櫛形平行平板の容量素子としても機能させることができる。
特開２００３−３９２３９号公報

高周波モジュールについては、さらなる小型化および低伝送損失化が要求されている。高周波モジュールの小型化および低伝送損失化を図る上で、トリプレート線路を有する配線基板における課題としては以下の事項が認められる。なお、容量素子を有する配線基板における課題についても同様である。

トリプレート線路の特性インピーダンス（Z0）は、式（１）で表される。

式（１）において、CT(F/m)はトリプレート線路のキャパシタンスであり、信号線路の対接地容量を表す。図１０に示した従来の配線基板５００を例にとると、対接地容量CTは、信号線路５４０と第１の接地導体５１０との間の静電容量Caと信号線路５４０と第２の接地導体５２０との間の静電容量Cbとの和で定まる。また、L(H/m)はトリプレート線路のインダクタンスである。

式（１）から明らかなように、特性インピーダンス（Z0）は、対接地容量CTの平方根に反比例する。対接地容量CTは、信号線路の幅に比例する。したがって、従来の配線基板では、小型化を図ろうとすると、対接地容量CTが減少するため、特性インピーダンス（Z0）が増加してしまう。すなわち、特性インピーダンス（Z0）を同一に保持する必要性から、従来の配線基板では、細線化が困難であり、高周波モジュールの高密度化の実現を難しくしていた。

次に、配線基板の低伝送損失化における課題について説明する。

配線基板の伝送損失は、誘電体損失と導体損失の和で定まる。

誘電体損失は、信号線路に伝送される高周波信号の周波数f、誘電体層の比誘電率εr、および誘電体層の誘電正接tanδに比例する。したがって、誘電体損失は、高周波信号の周波数fが一定の条件下では、誘電体層に用いられる絶縁材料に固有の特性で定まる。

一方、導体損失は、比誘電率εrの平方根、高周波信号の周波数fの平方根および信号線路の比抵抗ρの平方根に比例する。

ここで、信号線路の電流密度に関連する表皮効果について説明する。信号線路に高周波信号を伝送すると逆起電力により、信号線路の中心部では電流の流れが阻害され、電流密度が信号線路の導体表面に集中する。この現象を表皮効果と呼び、その際に電流の流れる深さを表皮深さδと呼ぶ。表皮深さδは、式（２）によって表される。

ここで、ωは角周波数(rad/s)、fは周波数(Hz)、μは信号線路の透磁率、σは導電率(S/m)を示す。

式（２）から明らかなように、周波数fが高くなるにつれて、信号線路の表面に電流が集中し、比抵抗ρが見かけ上高くなる。比抵抗ρの上昇は、導体損失の増加を招く。また、信号線路の表面粗さは渦電流による導体損失の要因となるが、表皮深さδが浅くなるにつれて、電流が表面粗さの影響を受けやすくなり、導体損失が増加する。

表皮効果は信号線路のエッジ部で顕著になるという傾向があり、従来の配線基板のように信号線路の断面形状が長方形の場合には、各角部に電流密度が集中する。

導体損失は、上述したように周波数fの平方根自体にも比例するため、周波数fが高くなるにつれて、導体損失が急激に増加する。このように、従来の配線基板では、特に高周波において、信号線路の電流密度が表面に集中することによる導体損失が問題となっていた。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、細線化が実現可能な配線基板およびそれを用いた回路装置の提供にある。また、本発明の他の目的は、伝送損失が低減され、高周波特性が向上した配線基板およびそれを用いた回路装置の提供にある。

本発明のある態様は、配線基板である。当該配線基板は、第１の導体と、当該第１の導体と異なる配線層に設けられ、前記第１の導体と電位が等しい第２の導体との間に設けられた誘電体層と、誘電体層に埋設された第３の導体とを、備え、第３の導体と第１の導体との間に位置する誘電体層の第１領域の膜厚と、第３の導体と第２の導体との間に位置する誘電体層の第２領域の膜厚に差があり、第３の導体の信号の伝送方向と直交する断面において、誘電体層の第１領域および第２領域のうち、より薄い側に面する第３の導体の両端部の角度が鈍角であることを特徴とする。

これによれば、単位面積当たりの静電容量を増加させることにより、同じ容量値を得る場合において第３の導体の幅を狭くすることができ、容量素子の細線化、ひいては配線基板の細線化が可能となる。さらに、誘電体層の第１領域および第２領域のうち、より薄い側に面する第３の導体の両端部に生じる表皮効果が低減されるため、導体損失を低減することができる。

上記態様において、第１領域および第２領域のうち、膜厚が薄い方の領域の比誘電率が、他方の領域の比誘電率より高いことが好ましい。

これによれば、配線基板の静電容量を増大させることができるので、配線基板の細線化を容易にすることができる。

また、上記態様において、第３の導体の伝送方向と直交する断面における第３の導体の形状が台形状であり、誘電体層の第１領域および第２領域のうち、より薄い側と第３の導体の台形状の短辺側とが面してもよい。

上記態様において、第１の導体と、第２の導体の電位が接地されていてもよい。これによれば、対接地容量を増加させることにより、第３の導体の幅を狭くすることによる信号線路の特性インピーダンスの増加を相殺することができるので、信号線路の特性インピーダンスを変えることなく、配線基板の細線化が可能になる。さらに、誘電体層の第１領域および第２領域のうち、より薄い側に面する第３の導体の両端部に生じる表皮効果が低減されるため、導体損失を低減することができる。

本発明の他の態様は、上述した配線基板と、接地配線を有する回路素子と、を含む回路装置であって、第１の導体および第２の導体のうち、一方の導体が、接地配線からなることを特徴とする。

これによれば、回路素子に設けられた接地配線が、第１の導体を兼ねることにより、配線基板の配線層を２層にしたままで回路装置を形成することができる。この結果、上述したような効果を発揮する配線層を含む回路装置の構造を簡便化、小型化することができる。

上記態様において、一方の導体が、前記接地配線と前記誘電体層とを接着する導電性の接着層をさらに含んでもよい。これによれば、回路素子に設けられた接地配線と、実装後に一体となる導電性の接着層が、第１の導体を兼ねることにより、配線基板の配線層を２層にしたままで回路装置を形成することができる。この結果、上述したような効果を発揮する配線層を含む回路装置の構造を簡便化、小型化することができる。

本発明によれば、配線基板を容易に細線化することができる。また、本発明によれば、配線基板の伝送損失を低減し、高周波特性を向上させることができる。

（実施形態１）
図１は、実施形態１の配線基板１０の断面形状を示す。図１の断面は、配線基板１０の伝送方向と直交する面である。配線基板１０は、第１の導体２０と、第２の導体３０と、第１の導体２０と第２の導体３０との間に設けられた誘電体層４０と、誘電体層４０に埋設された第３の導体５０と、誘電体層４０に埋設された第１の導体２０と第２の導体３０とを電気的に接続するビア（図示していない）を備える。このように、配線基板１０は、容量素子を有する。また、第１の導体２０および第２の導体３０の電位を接地にすることにより、配線基板１０は、トリプレート線路を有する。

本実施形態の配線基板１０では、第３の導体５０と第１の導体２０との間に位置する誘電体層４０の第１領域４２の膜厚haの方が、第３の導体５０と第２の導体３０との間に位置する誘電体層４０の第２領域４４の膜厚hbより大きい。第３の導体５０の断面形状は台形状であり、第２の導体３０の側の第３の導体５０の両端部の角度θ１およびθ２は鈍角となっている。また、台形状の短辺側が誘電体層４０の第２領域４４と面している。

ここで、実施形態１の配線基板１０のように、膜厚haを膜厚hbより大きくすることによる効果について説明する。

配線基板１０の容量CTは、第３の導体５０と第１の導体２０との間の静電容量Caと第３の導体５０と第２の導体３０との間の静電容量Cbとの和で定まり、膜厚haおよび膜厚hbを用いると、式（３）のように表すことができる。

ここで、ε0は真空の誘電率(8.855×10^-12F/m)を表し、S(m²)は第１の導体２０および第２の導体３０とそれぞれ対向する第３の導体５０の一方の面および他方の面の面積である。なお、式（３）は、誘電体層４０の比誘電率が均一であること、かつ第３の導体５０の一方の面の面積と他方の面の面積とが等しいことを前提条件とする。

さらに、kを膜厚haおよび膜厚hbの和(k=ha+hb)とし、膜厚haをkに対する比率に変換した膜厚比han（han＝ha/k）を用いると、容量CTは、式（４）のように表すことができる。

式（４）で表される容量CTを膜厚比hanが0.5のときの容量CT（han0.5）で規格化することにより式（５）が得られる。

また、容量CTは、式（３）で示されるとおり、誘電体層の膜厚haとhbに逆比例し、膜厚が薄いほど容量CTが増加すること、さらに容量CTへの寄与は、薄い方の誘電体層の膜厚hbの方が厚い方の誘電体層の膜厚haに比べて大きいことがわかる。特に、薄い方の誘電体層の膜厚hbは、誘電体層に埋設された導体の厚さhcの１倍以上２倍以下であることが好ましい。上記の範囲の膜厚hbにおいては、導体のエッジ部への表皮効果による電流密度の集中を、上下の角部に効果的に分散させることができ、導体損失を低減することができる。なお、厚さhcは、１０〜３０μｍとすることができ、典型的には、２５μｍである。また、膜厚hbは、２０〜６０μｍとすることができ、典型的には、４０μｍである。

図２は、式（５）に基づいて算出された膜厚比hanが0.5のときの容量CT(han=0.5)を基準とした膜厚比hanと容量CTとの関係を示すグラフである。図２より、膜厚比hanが0.5のときに容量CTが極小となり、膜厚比hanが0.5より小さくなるにつれて、または膜厚比hanが0.5より大きくなるにつれて、容量CTが増加することがわかる。容量CTの増加は、膜厚比han≦0.2または膜厚比han≧0.8の領域において顕著である。なお、図１に例示した配線基板１０は、膜厚比hanが0.5より大きい場合に相当する。

図２から、従来の配線基板のように、膜厚比hanを0.5とするよりも、膜厚比hanと膜厚比hbn（ここでhbn＝hb/k＝1-hbn）に差がある方が容量CTが大きくなる。また、第１の導体２０と第２の導体３０の電位を接地にすることで得られるトリプレート線路においては、式（１）に示した特性インピーダンスZ0を低減することができることが理解される。

このように、本実施形態の配線基板１０では、第３の導体５０を第１の導体２０と第２の導体３０との中心位置からずらすことにより、容量CTが増大するので、第３の導体５０の幅を従来より細線化しても、容量値の大きい容量素子が得られる。また、第１の導体２０と第２の導体３０の電位を接地にすることで得られるトリプレート線路においては、第３の導体５０の幅を従来より細線化しても、特性インピーダンスZ0を細線化前と同一に保持することが可能となる。

次に、実施形態１の配線基板１０のように、角度θ１およびθ２が鈍角であることによる効果について説明する。

実施形態１の配線基板１０のように、膜厚hbが膜厚haより小さい場合には、第２の導体３０に近い側の第３の導体５０の表面に電磁界分布が集中し、上述したように、表皮効果がエッジ部で顕著になる結果、第２の導体３０に近い側の第３の導体５０の両端部に電磁界分布が集中する。

ところが、実施形態１の配線基板１０では、第２の導体３０に近い側の第３の導体５０の両端部の角度θ１およびθ２が鈍角に形成されているため、電磁界分布の集中が生じにくくなり、導体損失が低減される。

（配線基板の形成方法）
図１に示した配線基板１０の形成方法について以下に説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、膜厚がhaのエポキシ樹脂等の絶縁材料で形成された基板１００の一方の面に第３の導体形成用の銅箔１１０が貼られ、他方の面に第１の導体用の銅箔１２０が貼られた２層基板１３０を用意する。ここで、第３の導体形成用の銅箔１１０の膜厚をhcとする。第３の導体形成用の銅箔１１０の上に第３の導体を形成するためのレジスト１１２を塗布する。なお、図３（ａ）では、図１に示した配線基板１０と上下関係が逆になっている。

次に、図３（ｂ）に示すように、ウエットエッチングにより、レジスト１１２をマスクとして等方性エッチングを行う。レジスト１１２は、リソグラフィーによりパターニングを行うことにより、所望の形状を得ることができる。次に、塩化第２鉄を主成分とする溶液により、銅箔１１０をエッチング加工する。これにより、銅箔１１０の断面が台形状に整形され、断面形状が台形状の第３の導体１１４が形成される。なお、エッチング加工において、エッチング液を加圧噴射することにより、台形がより鋭角になる作用が生じる。

次に、図３（ｃ）に示すように、レジストを除去し、第３の導体１１４の上部を露出させる。

一方、図４（ａ）に示すように、膜厚がhb+hcのエポキシ樹脂等の絶縁材料で形成された基板１５０の一方の表面に第２の導体用の銅箔１６０が貼られた単層基板１７０を用意する。

次に、図４（ｂ）に示すように、第３の導体１１４を挟み込むように、２層基板１３０と単層基板１７０とを熱圧着により張り合わせる。張り合わされた２層基板１３０および単層基板１７０の上下を逆にすると、図１に示した配線基板１０が得られる。なお、銅箔１２０および銅箔１６０には、リソグラフィー法およびエッチング法により配線パターンが形成される。さらに、銅箔１２０と銅箔１６０とを結ぶビアホールをドリル、レーザなどによるビア加工によって形成し、ビアホールに銅などの導体を埋め込むことにより、銅箔１２０と銅箔１６０とを電気的に接続する。これにより、銅箔１２０（図１の第１の導体２０）と銅箔１６０（図１の第２の導体３０）とが等電位となる。なお、銅箔１２０および銅箔１６０のいずれかを接地することにより、銅箔１２０および銅箔１６０を接地することができる。

（実施形態２）
図５は、実施形態２に係る配線基板２００の構造を示す断面図である。本実施形態に係る配線基板２００は容量素子である。配線基板２００は、第１の導体２２０と、第２の導体２３０と、第１の導体２２０と第２の導体２３０との間に設けられた誘電体層２４０と、誘電体層２４０に埋設された第３の導体２５０と、第１の導体２２０と第２の導体２３０とを電気的に接続するビア２６０とを備える。

配線基板２００は、第１の導体２２０、第２の導体２３０および第３の導体２５０が重なり合った領域（図５の領域Ｓ）において、櫛型容量を有する。第１の導体２２０と第３の導体２５０との間の静電容量をCaとし、第２の導体２３０と第３の導体２５０との間の静電容量をCbとすると、配線基板２００の総静電容量は、CT=Ca+Cbとなる。

本実施形態の配線基板２００では、第１の導体２２０と第３の導体２５０との間隔Haに比べて、第２の導体２３０と第３の導体２５０との間隔Hbが短くなっている。これにより、式（４）あるいは式（５）を用いて説明したように、配線基板２００の総静電容量CTが増大する。この結果、第３の導体２５０の幅を従来より細線化しても、容量値の大きい容量素子を得ることができる。

（実施形態３）
図６は、実施形態３に係る回路装置３００の構造を示す断面図である。回路装置３００は、配線基板１０と回路素子３１０とを有する。本実施形態の配線基板１０は、接地配線３３０と誘電体層４０との間に接着層３２０が設けられていることを除けば、実施形態１の配線基板１０と同様な構成を有する。

回路素子３１０は、たとえば、集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）などの半導体チップ、あるいは表面実装型の受動部品や、これらを集積した電子部品である。回路素子３１０は、その実装面に接地配線３３０を有する。

配線基板１０と回路素子３１０とは、接着層３２０により接着されている。接着層３２０としては、導電性を有する銀ペーストなどを用いることができる。

これによれば、回路素子３１０の接地配線３３０と、実装後に一体となる導電性の接着層３２０が、実施形態１における第１の導体２０を兼ねることにより、配線基板１０の配線層を２層にしたままで回路装置３００を形成することができる。この結果、実施形態１の配線基板による効果が得られるとともに、回路装置の構造を簡便化、小型化することができる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の実施の形態では、第３の導体５０の形状は台形状であり、第２の導体３０に近い側の第３の導体５０の両端部では、直線的な短辺と直線的な斜辺とにより角度θ１および角度θ２の角が形成されている。しかし、図７に示すように、第２の導体３０に近い側の第３の導体６０の両端部は丸みを付けられていてもよい。この場合、図８に示すように、第３の導体６０の短辺６１を外挿した線と、斜辺６２、斜辺６３を外挿した線とがそれぞれなす角の角度θ１およびθ２が鈍角であればよい。

これにより、第２の導体３０に近い側の第３の導体６０の両端部における電磁界分布の集中をより疎にすることができ、導体損失をさらに低減することができる。

なお、上述したような配線基板１０の形成プロセスにおいては、第２の導体３０に近い側の第３の導体５０の両端部には、微視的に見ればある程度の曲率が生じざるを得ず、請求項１に記載したように「前記誘電体層の前記第１領域および前記第２領域のうち、より薄い側に面する前記第３の導体の両端部の角度が鈍角である」という場合には、たとえば走査型電子顕微鏡で観察したときに、両端部が丸みを帯びていることも請求の範囲に含まれることは明らかである。

また、第２の導体３０の側の第３の導体５０の両端部の角度θ１およびθ２が鈍角であるような第３の導体の断面形状としては、図１のような台形状に限られず、図９に示すように長方形をベースとして、第２の導体３０に近い側の両端部が切り取られたような多角形の第３の導体７０であってもよい。このような断面形状の第３の導体によっても、配線基板を容易に細線化することができるとともに、配線基板の伝送損失を低減することができる。

以上説明した実施形態においては、比誘電率が同一の材料で誘電体層が形成されていることが前提となっている。しかし、本発明の適用範囲は誘電体層の比誘電率が均一である場合に限定されず、第１領域４２の誘電体層と第２領域４４の誘電体層の比誘電率を変えた構成も可能である。

第１領域４２の誘電体層と第２領域４４の誘電体層のうち、膜厚が薄い方の誘電体層に比誘電率が高い誘電材料を用いることにより、配線基板１０の静電容量を増大させることができるので、配線基板１０の細線化をより促進することができる。

なお、第１領域４２の誘電体層および第２領域４４の誘電体層の比誘電率を変えることは、図４（ａ）に示したように、絶縁材料で形成された基板１００および基板１５０を貼り合わせて誘電体層を形成する手法により、容易に実現される。図４（ａ）において、膜厚が薄い方の基板１００の材料として、たとえば、比誘電率が７．０のアルミナフィラー入りエポキシ樹脂を用い、膜厚が厚い方の基板１５０の材料として、比誘電率が約４．４のエポキシ樹脂（ＦＲ４）を用いることができる。

実施形態１の配線基板の断面形状を示す図である。膜厚比hanと静電容量CTとの関係を示すグラフである。実施形態１の配線基板を形成する方法を示す断面図である。実施形態１の配線基板を形成する方法を示す断面図である。実施形態２の配線基板を示す断面図である。実施形態３に係る回路装置３００の構造を示す断面図である。配線基板の変形例を示す断面図である。配線基板の変形例における第３の導体を拡大した図である。配線基板の他の変形例を示す断面図である。従来の配線基板の断面形状を示す図である。

符号の説明

１０配線基板、２０第１の導体、３０第２の導体、４０誘電体層、５０第３の導体。

Claims

第１の導体と、
前記第１の導体と異なる配線層に設けられ、前記第１の導体と電位が等しい第２の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体との間に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層に埋設された第３の導体とを、
備え、
前記第３の導体と前記第１の導体との間に位置する前記誘電体層の第１領域の膜厚と、前記第３の導体と前記第２の導体との間に位置する前記誘電体層の第２領域の膜厚に差があり、
前記第３の導体の信号の伝送方向と直交する断面において、前記誘電体層の前記第１領域および前記第２領域のうち、より薄い側に面する前記第３の導体の両端部の角度が鈍角であることを特徴とする配線基板。
前記第１領域および前記第２領域のうち、膜厚が薄い方の領域の比誘電率が、他方の領域の比誘電率より高いことを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
前記第３の導体の伝送方向と直交する断面における前記第３の導体の形状が台形状であり、
前記誘電体層の前記第１領域および前記第２領域のうち、より薄い側と前記第３の導体の前記台形状の短辺側とが面することを特徴とする請求項１または２に記載の配線基板。
前記第１の導体と、前記第２の導体の電位が接地されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配線基板。
請求項４に記載の配線基板と、接地配線を有する回路素子と、を含む回路装置であって、
前記第１の導体および前記第２の導体のうち、一方の導体が、前記接地配線からなることを特徴とする回路装置。
前記一方の導体が、前記接地配線と前記誘電体層とを接着する導電性の接着層をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の回路装置。