JP2007129111A - 立体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば宇宙太陽発電システムのアクティブ集積アンテナに用いると好適な、比較的低コストで、効果的な廃熱機構を備えた、小型、高性能、軽量の立体基板を提供する。
【解決手段】回路配線と接地配線を備えた絶縁板からなる平面基板に対して、平面基板を横断する直線に沿って接地配線側から絶縁板の厚さ方向の中途に達する複数の溝を設け、直線に沿って溝を拡大しながら折曲げ、拡大された溝に絶縁物を充填して製造することを特徴とし、好ましくは、折曲げられた部分を被覆するように金属薄板が設けられ、回路配線がストリップラインを含むマイクロ波回路・アンテナ配線からなり、ストリップラインの一部が折曲げ部を横断しており、さらに立体・平面基板を複数個備え、一の基板の回路配線がビアホールを貫通する金属ピンを介して、他の基板の回路配線の端部に接続され、接地配線に廃熱板が付着されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、立体基板に係り、特に、マイクロ波回路に好適に適用できる立体基板に関するものである。

宇宙太陽発電システム（Ｓｐａｃｅ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ、以下、ＳＳＰＳと略する）は、宇宙空間の衛星上で太陽光エネルギーをマイクロ波に変換し地上に無線電力伝送するシステムであり、最初にグレーザー（Ｐ．Ｅ．Ｇｌａｓｅｒ）によって提案された［非特許文献１参照］。

ＳＳＰＳは２４時間発電が可能で、かつ火力発電のように２酸化炭素等の温室効果ガスを排出しない、クリーンな次世代基幹電力源として期待されているが、ＳＳＰＳを実現するためにはマイクロ波送電技術の確立がキーポイントであり、高性能かつ高効率・小型軽量なマイクロ波送電システムの開発が必要になる。
この要請に応え得る有力候補として、アクティブ集積アンテナ（Ａｃｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ、以下、ＡＩＡと略する）技術を用いたマイクロ波送電システムがある［非特許文献２〜５参照］。

ＡＩＡは、発振器や増幅器などの能動素子を含む回路と平面アンテナとを一体的に構成したものであり、送信器とアンテナとを別々に作成する従来のシステムと比較して伝搬損が軽減でき小型軽量化が図れる。
またＡＩＡによれば発振、増幅、放射などの機能を別々の基板上に実現し、それぞれの基板を電磁的に結合することで容易に多機能なアンテナを実現できる。
本願の発明者は、ＡＩＡ技術を用いて増幅器、移相器などの回路と平面アンテナを一体とした、薄型構造のマイクロ波送電用フェイズドアレイの試作研究を進めている。

本ＡＩＡの、増幅器をはじめとする回路部はグレーティングローブの発生を抑えるため約０．７波長四方（３．５ｃｍ四方）内に収め、かつ薄さを維持しなければならない。
その一方、高出力デバイスから発生する熱の処理もマイクロ波送電システムとして重要な課題である。
熱問題はデバイスレベルからも重要なファクターであり［非特許文献６、７参照］、その実装技術も重要である。

何故ならば、熱的な不安定性はデバイスの破壊や増幅器の異常発振などの不安定動作につながり、位相、振幅誤差としてマイクロ波電力ビーム形成に影響を及ぼすからである。
またＳＳＰＳでは、本ＡＩＡは静止軌道上の衛星に搭載されるので、放熱手段は限定されており、しかも軽量化が要請されるので、熱制御システムの検討はＳＳＰＳ実現に向けて一つの重要課題となっている。

このように、ＳＳＰＳのＡＩＡには、集積化、廃熱、軽量化という重要課題が立ちはだかっており、ＡＩＡのような集積システムでは、どのように廃熱機構を構成するかは非常に重要な問題である。
例えば、表面を平面アンテナ基板面、裏面を能動回路基板面とし、その間に放熱体としてヒートシンクもしくはヒートパイプを挟む構造が考えられる。
この構造は比較的単純な構成ではあるが、発熱量の増加に伴い廃熱板の重量が激増することや、アンテナと能動回路基板の高周波的な結合が困難になるという課題が生ずる。

非特許文献８では、放熱のためのアルミ板に穴を開け、そこに同軸ケーブルを埋め込むことでアンテナと増幅器出力を結合させ対処しているが、製作精度を上げるのが困難である。
またＡＩＡの能動回路の単位モジュールを平面状に配列させる必要があり、素子の間隔が半波長強以内に制限されていることを考慮すると、ヒートシンクを横方向へ広げることができない。
従って、ヒートシンクの分だけ厚みを増やして対処しなければならないが、これによりアンテナと能動回路間の距離が増大することになり回路の挿入損失が大きくなってしまう。

Ｐ．Ｅ．Ｇｌａｓｅｒ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．１６２，ｐｐ．８５７−８６６，１９６８． 篠原真毅，ＭＷＥ２００３ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｐ．３５７−３６２，Ｄｅｃ．２００３． 川崎繁男，他， 信学技報，ＭＷ２００２，２１−２６，２００２． 川崎繁男，他，信学技報，ＳＰＳ２００４−１３，Ｆｅｂ．２００５． 七日市一嘉，他，信学総大，Ｃ−２−１２９，Ｍａｒ．２００５． 中島成，信学論（Ｃ），Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｃ，Ｎｏ．５，ｐｐ．４２４−４３２，２００４． 葛原正明，他，信学論（Ｃ），Ｖｏｌ．Ｊ８６−Ｃ，Ｎｏ．４，ｐｐ．３９６−４０３，２００３． 七日市一嘉，他，信学技報，ＳＰＳ２００５−０８，Ｊｕｎ．２００５．

本発明の目的は、上記のようなＳＳＰＳ（宇宙太陽発電システム）におけるＡＩＡ（アクティブ集積アンテナ）における諸問題を解決するためになされたものであり、比較的低コストで製造できるにも拘らず、効果的な廃熱機構を備えた、小型、高性能、軽量の立体基板を用いたＡＩＡを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による立体基板は、第１面に回路配線、第２面に接地配線を備えた絶縁板からなる平面基板に対して、前記平面基板を横断する直線に沿って第２面側から前記絶縁板の厚さ方向の中途に達する複数の溝を設け、前記直線に沿って前記平面基板を第２面が外側になるように前記溝を拡大しながら折り曲げ、前記拡大された溝に液状又はゲル状の絶縁物を充填して製造することを特徴とする。

また請求項２に記載の発明は、請求項１に係り、前記折り曲げられた部分に沿って、さらに、前記折り曲げられた部分を被覆するように金属薄板が設けられ、少なくとも第２面の接地配線に付着され、電気的に短絡されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に係り、前記回路配線が、複数のストリップラインを含むマイクロ波回路の回路配線、及び／又はマイクロ波のアンテナ配線からなり、前記複数のストリップラインの一部が前記折り曲げ部を横断していることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の立体基板、及び／又は平面基板を複数個備え、前記立体基板及び／又は平面基板のうちの、第１の基板の回路配線が前記第１の基板に設けられたビアホールを貫通する金属ピンを介して、第２の基板の回路配線と、前記第２の基板の端部において相互に接続されて複合立体回路をなすことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに係り、前記第２面の接地配線、又は前記第１面に搭載された回路素子に接触して、少なくとも１個の、廃熱板、冷却管、又はヒートパイプが付着されていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載する立体基板では、通常の平面基板を用いて、断面が直角又は任意の角度に折り曲げられた形状の立体基板が安価に得られる。
これと同等の立体基板を、例えば、絶縁板を射出成形し、得られた立体絶縁板の第１、２面に各々、回路配線、接地配線のパターンを蒸着、又は回路配線、接地配線のパターンシートを貼付して製造することは不可能ではないが、大変高価になる。

本発明の請求項２に記載する立体基板では、折り曲げられた部分の接地配線の電気的、熱的特性が、折り曲げる前と比べて実質的に同等に確保できる。

本発明の請求項３に記載する立体基板では、折り曲げ部にかかる回路配線を最小限の本数のストリップラインに限定することができるので、実質的に特性劣化のない、マイクロ波回路用基板が得られる。

本発明の請求項４に記載する立体基板では、複数の基板の回路配線間の接続が実質的に基板の絶縁板の厚さに相当する距離で可能になり、回路配線の特性が実質的に劣化しないので、コンパクトでかつ回路配置の自由度の高い複合立体基板が得られる。

本発明の請求項５に記載する立体基板では、 ３次元空間内の適切な位置に廃熱板を設置することができるので、コンパクトでありながら熱設計の自由度の高い基板が得られる。

以下、本発明に係る実施の形態と効果を、図面を参照して具体的に説明する。
図１〜５は、第１の実施例に係る立体基板の製造手順の、各々、第１〜５ステップを示す模式図である。
図６は第２の実施例に係り、第１の実施例による立体基板であって、これをストリップラインの特性評価用に試作したものであり、（Ａ）は本試作品の斜視図（写真）、（Ｂ）（Ｃ）は本試作品の、各々、反射損失と挿入損失の実測結果である。
図７は、第１の実施例による立体基板を用いた、第３の実施例に係る複合立体基板によるアクティブ集積アンテナを示す模式図である。

図１は、第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第１ステップを示す模式図である。
平面基板１は、エポキシ樹脂製の絶縁板１３と、その第１面に銅薄膜製の回路配線１１、その第２面に銅薄膜製の接地配線１５を各々、接着剤層１２、１４を介して備える。
なお、第１面の回路配線１１の中にも接地配線が含まれるが、第１面の接地配線は図示しないビア（ｖｉａ）を介して第２面の接地配線に接続される。

次に図２は、第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第２ステップを示す模式図である。
平面基板１の第２面側から、平面基板を横断する直線２９に沿って、直線の近傍に複数本の溝２１を設ける。
溝２１は、絶縁板１３の厚み方向の中途に達するものであり、適切な刃（図示せず）を用いて手動又は自動で絶縁板１３に切り込みを入れることにより形成される。
溝の長さと方向は必ずしも厳密に揃っていなくてもよいが、溝の基板平面上での密度は、直線の近傍では一定の範囲にある。

次に図３は、第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第３ステップを示す模式図である。
上記図２において、直線の断面点２９に沿って楔型２８を当てて、第１面を内側にして平面基板１を直角に折り曲げると、図で水平部分１１〜１５と垂直部分１１ａ〜１５ａからなる立体基板２が得られる。
折り曲げ部では主に溝が変形し、溝２３のように拡大される。

次に図４は、第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第４ステップを示す模式図である。
液状又はゲル状誘電体を第２面に塗布することにより、立体基板２の溝２１、２３はすべて、誘電体３１、３３により充填され、第２面の折り曲げ部の表面は平滑化される。

次に図５は、第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第５ステップを示す模式図である。
第２面の折り曲げ部の表面に導電性薄膜テープ又は延伸性金属薄膜からなる金属薄板４０が付着されて、溝２１、２３と折り曲げにより生じた接地配線１５の亀裂が補填されて、立体基板２が完成する。
なお、折り曲げ部の内側２９には圧縮変形が生じているので、回路配線１１−１１ａの接続部も要すれば補修される。

折り曲げ角度は、直角以外の任意の角度でもよく、また、複数箇所について折り曲げることも可能であり、例えば、射出成形した絶縁板を用いる場合に比べて、立体基板が簡単かつ安価に得られる。

図６は第２の実施例に係り、上記第１の実施例による立体基板であって、ストリップラインの特性評価用に試作した立体基板に関するものである。
図６（Ａ）は試作品の斜視図（写真）である。
本試作品において、絶縁板の誘電率は４．５、絶縁板の厚さは０．４６ｍｍ、回路配線・接地配線用の銅箔の厚さは０．０１８ｍｍ、誘電損失は０．００５、であり、回路配線としては、１本のストリップラインのみを設け、そのライン幅を０．８４４ｍｍにとって、特性インピーダンスを５０Ωとした。
ストリップラインの両端には、特性評価のため、ＢＮＣコネクタが接続されている。
また本実施例では、立体基板の折れ曲がり部の形状維持のため、立体基板と実質的に同一角度に折り曲げられた支持板が、立体基板の第２面（図において背面）にネジ留めされている。

図６（Ｂ）（Ｃ）は本試作品の、各々、反射損失と挿入損失の実測結果である。
本図において、ａ、ｂは各々、折り曲げ後、折り曲げ前の特性を示す。
反射損失、挿入損失ともに、折り曲げ前後で周波数特性が若干ずれるが、折り曲げによって全体として損失の悪化は実質的に見られないので、本発明による立体基板が十分実用に耐えることが分かった。

図７は、第３の実施例に係る複合立体基板によるアクティブ集積アンテナを示す模式図である。
本実施例では、上記第１の実施例による立体基板２（第２の基板）を、別の平面基板３（第１の基板）と組み合わせて複合立体回路を構成する。

立体基板２の水平部分の省略された部分（図で水平部分の左方）には、図示しないマイクロ波回路本体が搭載されていて、本図ではマイクロ波回路本体のうち、発熱の著しい部分の例として出力回路の一部を図示する。回路素子１６は、出力ＦＥＴトランジスタであり、立体基板２の第１面に搭載され、入力用の回路配線１９と、出力用の回路配線１１に接続されている。
それから延伸された回路配線（ストリップライン）１１は折れ曲がり部で折り曲げられて回路配線（ストリップライン）１１ａとなり、図で垂直に上方に延伸されている。
別の平面基板３は第１面にアンテナを形成する回路配線５１を備え、第２面に接地配線５５を備える。

平面基板３にはビアホール（ｖｉａ ｈｏｌｅ）６１が設けられ、金属ピン６２がビアホール６１を貫通しており、金属ピン６２は、その一端６２ａで回路配線（ストリップライン）１１ａの端部と、他端に設けられた廂部６２ｂで回路配線（アンテナ配線）５１と接続されている。
これらの接続には、直接又はワイヤによる、ハンダ又は超音波ボンディングが用いられる。

この方法によれば、金属ピン６２のうちの、基板３の厚さ（例えば０．５ｍｍ）に相当する部分を除いて、回路配線（ストリップライン）１１、１１ａからアンテナ配線５１に至る配線は全て、接地配線１５、１５ａ、５５、又は金属薄板４０により、絶縁板を介して裏打ちされているので、配線の特性は実質的に悪化しない。

また、立体基板２の水平部分の第１面に搭載された出力ＦＥＴ回路素子１６の背面（図で上面）と、立体基板２の垂直部分の第２面に設けられた接地配線１５ａには、各々、ヒートパイプ７１、７６が付着されている。

ヒートパイプ７１、７６は、内壁７２、７７で囲まれた中空部を備え、基板２に接する側の内壁には、フィン７３、７８が植えられており、フィンを除く中空部は冷媒で満たされており、複合立体回路基板の外部まで、図で紙面の奥方向に延長されて、その端部には外部フィン（図示せず）が設けられている。

冷媒は、例えば上記出力ＦＥＴトランジスタなどの発熱により温められると気化して、図で符番７４、７９で示すように、紙面に垂直な方向に、この場合図で紙面の奥方向に流れ、上記外部フィンが設けられた、ヒートパイプ端部で冷却されて液化する。

このようにして、宇宙の真空中でも輻射により、高い放熱効率を得ることができる。
ヒートパイプ７１、７６の断面形状は、図示したような矩形に限られず多角形又は円形でもよく、円形の場合は、立体回路基板との接触面積を確保するため、適宜の形状の良熱伝導部材が介在される。

また、所要放熱効率が比較的低い場合は、ヒートパイプ７１、７６の一部又は全部を、通常の良熱伝導材質からなる廃熱板又は冷却管で置き換えることができる。

このようにして、マイクロ波回路本体、アンテナ、廃熱板を、立体的にコンパクトに構成することができ、しかも回路特性を犠牲にすることなく、かつ高い放熱効率を持つようにできる。

以上、宇宙太陽発電システム（ＳＳＰＳ）におけるアクティブ集積アンテナ（ＡＩＡ）という具体的な実施例について説明したが、本願の発明のスコープは、それに留まらず、特許請求の範囲に記載されたすべての立体基板に及ぶ。

第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第１ステップを示す模式図である。 第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第２ステップを示す模式図である。 第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第３ステップを示す模式図である。 第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第４ステップを示す模式図である。 第１の実施例に係る立体基板の製造手順の第５ステップを示す模式図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は第２の実施例に係り、（Ａ）は試作品の斜視図（写真）、（Ｂ）（Ｃ）は本試作品の、各々反射損失と挿入損失の実測結果である。 第３の実施例に係る複合立体基板によるアクティブ集積アンテナを示す模式図である。

符号の説明

１、３ 平面基板
２ 立体基板
１１、１１ａ、１９、５１ 回路配線
１２、１２ａ、１４、１４ａ、５２、５４ 接着剤層
１３、１３ａ、５３ 絶縁板
１５、１５ａ、５５ 接地配線
１６ 回路素子
２１ 溝
２３ （拡大された）溝
２８ 楔型
２９ 直線（の断面点）
３１、３３ （充填された）誘電体
４０ 金属薄板
６１ ビアホール（ｖｉａ ｈｏｌｅ）
６２ 金属ピン
６２ａ 金属ピンの一端
６２ｂ 金属ピンの廂部
７１、７６ ヒートパイプ
７２、７７ ヒートパイプの内壁
７３、７８ フィン
７４、７９ （冷媒の）流れる方向

Claims (5)

1. 第１面に回路配線、第２面に接地配線を備えた絶縁板からなる平面基板に対して、前記平面基板を横断する直線に沿って第２面側から前記絶縁板の厚さ方向の中途に達する複数の溝を設け、前記直線に沿って前記平面基板を第２面が外側になるように前記溝を拡大しながら折り曲げ、前記拡大された溝に液状又はゲル状の絶縁物を充填して製造することを特徴とする立体基板。
2. 前記折り曲げられた部分に沿って、さらに、前記折り曲げられた部分を被覆するように金属薄板が設けられ、少なくとも第２面の接地配線に付着され、電気的に短絡されていることを特徴とする請求項１に記載の立体基板。
3. 前記回路配線が、複数のストリップラインを含むマイクロ波回路の回路配線、及び／又はマイクロ波のアンテナ配線からなり、前記複数のストリップラインの一部が前記折り曲げ部を横断していることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体基板。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の立体基板、及び／又は平面基板を複数個備え、前記立体基板及び／又は平面基板のうちの、第１の基板の回路配線が前記第１の基板に設けられたビアホール（ｖｉａ ｈｏｌｅ）を貫通する金属ピンを介して、第２の基板の回路配線と、前記第２の基板の端部において相互に接続されて複合立体回路をなすことを特徴とする立体基板。
5. 前記第２面の接地配線、又は前記第１面に搭載された回路素子に接触して、少なくとも１個の、廃熱板、冷却管、又はヒートパイプが付着されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の立体基板。