JP2007243123A - 電磁界結合構造及び多層配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】スロット結合構造における伝送損失を低減し、特に配線層数が４層以上の多層配線板でも良好な電磁界結合構造及びそれを用いた多層配線板を提供する。
【解決手段】スロット結合型層間接続構造１００は、第１の伝送線路２Ａと、第１の誘電体１Ａと、スロット４Ａを有する第１の地導体３Ａと、第２の誘電体１Ｂと、スロット３Ａに対応する位置にスロット３Ｂ有する第２の地導体３Ｂと、第３の誘電体１Ｃと、第２の伝送線路２Ｂとがこの順に積層されて形成され、一対のスロット４Ａ，４Ｂを介して第１の地導体３Ａと第２の地導体３Ｂとを電磁界的に接続することにより、第１の伝送線路２Ａと第２の伝送線路２Ｂとが電気的に接続される。第１の地導体３Ａ及び第２の地導体３Ｂのそれぞれは、そのスロットの周囲に周期的に形成したビアホール群５により電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層電気回路基板における層間の電気的接続構造、特に、マイクロ波帯からミリ波帯の高い周波数帯で使用されるスロット結合を有する電磁界結合構造に関する。また、その電磁界結合構造を用いた多層配線板に関する。

多層電気回路基板の層間の電気的接続方法としては、低い周波数帯ではスルーホールやビアホールが用いられるのが一般的である。これに対し、マイクロ波帯からミリ波帯の高い周波数帯では、新しい層間接続方法として、電磁界結合を用いた方式が提案されている。電磁界結合を用いた具体的な構造は幾つか考えられるが、その中でも特に、いわゆる「スロット結合」と呼ばれる構造が実用性が高いことで知られている。一般的なスロット結合に関しては、例えばＩＥＥＥ１９９３ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐｐ．１３２１−１３２４、“Ｓｌｏｔ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ−Ｓｉｄｅｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ Ａｎｄ ｃｏｕｐｌｅｒｓ”等で述べられている。

図３は、従来技術によるスロット結合の典型的な構造の模式図である。図３（ａ）は多層基板を横から見た断面図、図３（ｂ）は多層基板の各層上の金属パターンを別々に取り出して並べた平面図である。図に於いて、１Ａと１Ｂは、セラミックなどの絶縁材料から成る基板である。１Ａと１Ｂが計２層積層されて多層基板が構成される。２Ａと２Ｂは、電気的に接続されるべき高周波伝送線路である。３は、多層基板内部のベタパターンであり、グランド層として働く地導体である。４は、グランド層３ａの中に開けられたスロット状の開口部であり、この開口部を通じて高周波伝送線路２Ａと２Ｂが電磁界結合する。６Ａと６Ｂは、高周波伝送線路２Ａと２Ｂの先端の開放端である。スロット４から開放端６Ａと６Ｂまでの距離はおおむね線路実効波長λの１／４程度である。

本明細書に於いては、実際に基板を試作し、マイクロ波帯（２０〜３０ＧＨｚ）で測定したスロット結合の測定結果のグラフを幾つか示す。なお、スロット結合は基板の表と裏の両面に配線が別れているために、そのままではウェハプローバ等を使って高周波測定をすることが困難である。そのため、図４の模式図に示すように、２個のスロット結合を直列に２個接続することでプロービングによる測定を可能にした。そのため、後出のグラフに示す特性は全てスロット結合２個分の特性である。本来のスロット結合１個分の損失は、後出のグラフの損失の概ね半分である。なお、測定結果のグラフには、測定したパターンで使用したマイクロストリップライン長と同じ長さで、層間接続が無いマイクロストリップラインの損失も併せて示した。これにより、スロット結合部の伝送損失が算出できるようにした。

また、スロット結合構造における挿入損失を低減すること、特に３層積層以上の多層基板でも良好な電磁界結合を得ることを目的に、高周波電気回路を構成する多層基板の層間を電気的に接続する手段としてスロット結合型の電磁界結合方式を用い、スロットの形状としてリング形状のスロットを用いた電磁界結合構造に於いて、あるリング状のスロットの内側に別のリング状のスロットが配置された複数のリング形状のスロットを採用し、全体が入れ子状に配置されている電磁界結合構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
ＩＥＥＥ１９９３ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ｐｐ．１３２１−１３２４、"Ｓｌｏｔ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ−Ｓｉｄｅｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ Ａｎｄ Ｃｏｕｐｌｅｒｓ" 特許第３５１２６６８号公報

しかしながら、従来技術のスロット構造では伝送損失が大きく、更なる改善が望まれていた。特に、配線層数が４層以上といった多層配線板でスロット結合を設計する場合、従来技術のスロット結合では、伝送損失の悪化が顕著であった。

図５は、従来技術によるスロット結合を、前記説明のように４層構造の多層配線板に適用した場合の典型的な構造の模式図である。図５（ａ）は、多層基板を横から見た断面図、図５（ｂ）は、多層基板の各層上のメタルパターンを別々に取り出して並べた平面図である。図において、３Ａと３Ｂは多層基板内部に隠れたグランド層たる地導体であり、４Ａと４Ｂは、そのグランド層に設けられたスロット状の開口部である。図６は、４層構造のスロット結合の伝送損失を測定するために、実際に試作した基板の断面図（図６（ａ））および各層の金属パターンを示す図（図６（ｂ））である。図６に示した基板の伝送損失（Ｓ２１パラメータ）を測定した結果を図７に示す。同図には、スロット結合の伝送損失を算出するために、測定したスロット結合パターンと同じ長さのマイクロストリップ線路の伝送損失を併せて示した。また、スロット結合は２４ＧＨｚ帯を中心に設計した。図７から、スロット結合１個当たりの伝送損失は２４ＧＨｚ時で約３．７ｄＢであることがわかる。

図７の実験における、図６の構造の設計値を説明する。基板材料としては、１ＧＨｚ時の比誘電率が３．６のガラスエポキシ系プリント配線板材料を用い、１層当たり０．５ｍｍの厚みとした。配線層数は４層である。伝送線路２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、特性インピーダンスが５０Ωとなるようにライン幅を１．１ｍｍとしたマイクロストリップ線路である。スロット４Ａと４Ｂの寸法は、３．８ｍｍ×１．１ｍｍである。

このように、従来技術のスロット結合では、配線層数が４層以上の多層配線板で伝送損失が大きく悪化してしまう。この原因としては伝送線路２Ａと２Ｂの間の電磁界結合が弱まることにある。電磁界結合が弱まる理由は２つある。まず、第１は伝送線路２Ａと２Ｂの間の距離が多層基板の厚みの分だけ遠くなるためである。第２に、図５の構造では「鏡像」関係を利用して電磁界結合を強める設計法が取れないためである。即ち、図３のような通常のスロット結合では、伝送線路２Ａと２Ｂの上の電磁界モードが、地導体（グランド層）３を挟んで鏡像の関係にあることによって安定し、強いモード結合を得ている。それに対し、図５の構造では伝送線路２Ａと２Ｂの鏡像関係の中心の位置（多層基板の厚み方向の中央）には地導体（グランド層）がないために鏡像原理によってモード結合を強めることができないためである。

本発明の目的は、上記のようなスロット結合構造における伝送損失を低減することにあり、特に配線層数が４層以上の多層配線板でも良好な電磁界結合構造、及びそれを用いた多層配線板を得ることにある。

請求項１に記載の電磁界結合構造は、誘電体層を挟む一対の導体層において、各導体層は少なくとも１つのスロットを有し、前記一対の導体層のスロットの少なくとも一対を介して、前記一対の導体層を電磁界的に接続する電磁界結合構造であって、前記一対の導体層のそれぞれは、そのスロットの周囲に周期的に形成したビアホール群により電気的に接続されていることを要旨とする。

請求項２に記載の多層配線板は、第１の伝送線路と、第１の誘電体層と、少なくとも１つのスロットを有する第１の導体層と、第２の誘電体層と、前記少なくとも１つのスロットに対応する位置にスロットを有する第２の導体層と、第３の誘電体層と、第２の伝送線路とがこの順に積層されて形成され、少なくとも一対のスロットを介して前記第１の導体層と前記第２の導体層とを電気的に接続することにより、前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路とが電磁界的に接続される多層配線板であって、前記第１の導体層及び前記第２の導体層のそれぞれは、そのスロットの周囲に周期的に形成したビアホール群により電気的に接続されていることを要旨とする。

請求項３に記載の多層配線板は、請求項２に記載の多層配線板において、前記ビアホール群の各ビアホール間の間隔を、前記多層配線板で使用する周波数に対応する線路実効波長の４分の１以下としたことを要旨とする。

本発明によれば、配線層が例えば４層以上の多層配線板の基板表裏の伝送線路をスロット結合する場合において、各中間層に形成したスロットの周囲にビアホールを形成し、異なる層のスロット間を接続することで、擬似的に１つのスロットと等価な構造となり、伝送損失の低減が図れる。本発明によれば、更に電磁波のパラレルプレート成分を抑制することが出来、より低損失な層間接続が可能となる。本発明によれば、マイクロ波からミリ波帯の高周波信号を低損失で層間接続できる多層配線板を得ることが可能となる。

以下、図面に基づいて、本発明における電磁界結合構造の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明におけるスロット結合型層間接続構造（電磁界結合構造）の実施形態についての概略構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態に係るスロット結合型層間接続構造１００は、図１に示すように、第１の伝送線路２Ａ、第１の誘電体１Ａ、第１の地導体３Ａ、第２の誘電体１Ｂ、第２の地導体３Ｂ、第３の誘電体１Ｃ、第２の伝送線路２Ｂが、この順に上から積層されて構成されている。ここで、第１の地導体３Ａ及び第２の地導体３Ｂには、それぞれ第１の伝送線路２Ａ及び第２の伝送線路２Ｂの終端部から線路実効波長λの概略１／４程度の位置にスロット４Ａ及びスロット４Ｂが形成される。このスロットの長手方向の大きさは、線路実効波長λの概略１／２程度である。

また、第１の地導体３Ａと第２の地導体３Ｂとは、スロット４Ａとスロット４Ｂの周囲に形成した周期構造ビアホール５によって電気的に接続されている。このとき、周期構造ビアホール５の周期構造形状は、特に規定するものではないが、その位置は、スロット４Ａとスロット４Ｂの近傍に形成するのが好ましい。また、周期構造ビアホールのピッチ（間隔）は、線路実効波長λの１／４以下とすることが好ましい。

本発明のスロット結合型層間接続構造（電磁界結合構造）を実現するための材料の仕様としては、一般的な多層配線板材料であれば特に問題はなく、セラミック系や有機系の配線板材料を用いることができる。また、伝送損失を抑制するためには、低誘電率かつ低誘電正接の配線板材料が好ましい。このような材料として、例えば、低誘電正接高耐熱多層材料として市販されているＭＣＬ−ＬＸ−６７Ｙ（日立化成工業株式会社製、商品名）やＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ（日立化成工業株式会社製、商品名）がある。また、多層配線板を作製する際に用いる銅箔に関しても特に規定はなく、一般的なものを用いることができるが、伝送損失を抑制するためには銅箔の粗化形状はできるだけ平坦なものが好ましい。このような材料として、例えば３ＥＣ−ＶＬＰ−１２（三井金属鉱業株式会社製、商品名）がある。

以下、本発明のスロット結合型層間接続構造（電磁界結合構造）の実施例について説明する。

まず、板厚０．５ｍｍ及び銅箔厚さ１２μｍの銅張り積層板（日立化成工業株式会社製、商品名ＭＣＬ−ＬＸ−６７Ｙ）に、後にエッチングにより形成するスロットの周囲に周期構造ビアホール５の穴あけをし、無電解めっきを施す。そして１．１ｍｍ×３．８ｍｍのスロット６ａ及び６ｂをエッチングによりパターニングして内層回路板（３Ａ、１Ｂ、３Ｂ）を作製する（ステップＳ１）。

次に、上から１２μｍ銅箔（三井金属鉱業株式会社製、商品名３ＥＣ−ＶＬＰ−１２）、プリプレグ（日立化成工業株式会社製、商品名ＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ）、ステップＳ１で得られた内層回路板、プリプレグ（日立化成工業株式会社製、商品名ＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ）、１２μｍ銅箔（三井金属鉱業株式会社製、商品名３ＥＣ−ＶＬＰ−１２）の順にそれらを重ね、温度２３０℃、圧力３ＭＰａ、時間６０分の条件で積層一体化した多層回路板（２Ａ、１Ａ、３Ａ、１Ｂ、３Ｂ、１Ｃ、２Ｂ）を作製する（ステップＳ２）。

最後に、ステップＳ２で得られた多層回路板に対し、内層回路板に形成したスロットと対応する位置に、幅１．１ｍｍの伝送線路をエッチングによりパターニングしてスロット結合型層間接続構造１００を得る。作製したスロット結合型層間接続構造１００の断面構造および各層のメタルパターンを図８に示す。

（比較例１）
まず、板厚０．５ｍｍ及び銅箔厚さ１２μｍの銅張り積層板（日立化成工業株式会社製、商品名ＭＣＬ−ＬＸ−６７Ｙに対して、１．１ｍｍ×３．８ｍｍのスロット６ａ及び６ｂをエッチングによりパターニングして内層回路板（３Ａ、１Ｂ、３Ｂ）を作製する（ステップＳ１´）。図２に比較例のスロット結合型層間接続構造の概略構成である分解斜視図を示す。

次に、上から１２μｍ銅箔（三井金属鉱業株式会社製、商品名３ＥＣ−ＶＬＰ−１２）、プリプレグ（日立化成工業株式会社製、商品名ＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ）、ステップＳ１´で得られた内層回路板、プリプレグ（日立化成工業株式会社製、商品名ＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ）、１２μｍ銅箔（三井金属鉱業株式会社製、商品名３ＥＣ−ＶＬＰ−１２）の順にそれらを重ね、温度２３０℃、圧力３ＭＰａ、時間６０分の条件で積層一体化した多層回路板（２Ａ、１Ａ、３Ａ、１Ｂ、３Ｂ、１Ｃ、２Ｂ）を作製する（ステップＳ２´）。

最後に、ステップＳ２´で得られた多層回路板に対し、内層回路板に形成したスロットと対応する位置に、幅１．１ｍｍの伝送線路をエッチングによりパターニングしてスロット結合型層間接続構造１０００を得る。作製したスロット結合型層間接続構造１０００の断面構造および各層のメタルパターンを図６に示す。

以上のように作製した２４ＧＨｚ帯スロット結合型層間接続構造１００と１０００に対して、伝送線路２Ａと伝送線路２Ｂに、高周波プローブ（Ｃａｓｃａｄｅ製、商品名ＡＣＰ−ＧＳＧ５００）を接触させ、同軸ケーブル（ＳＵＨＮＥＲ製、商品名ＳＵＣＯＦＬＥＸ１００）を介して接続されたネットワークアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製、商品名Ｅ８３６４Ｂ）から電力を供給すると共に、伝送線路２Ａから伝送線路２Ｂの端面に電力が通過する際の伝送損失を測定した。伝送損失を測定した結果を図９に示す。また、各スロット結合型層間接続構造の２４ＧＨｚ時の特性をまとめて下記表１に示す。なお下記表１中の構造１００は、実施例１で作製したスロット結合型層間接続構造１００を、構造１０００は、比較例１で作製したスロット結合型層間接続構造１０００を表す。

図９及び表１から、スロット結合型層間接続構造１００（実施例１）は、スロット結合型層間接続構造１０００（比較例１）よりも２４ＧＨｚ近傍での伝送損失が小さいことがわかる。

本発明によるスロット結合型層間接続構造の実施形態の概略構成を示す分解斜視図である。 比較例のスロット結合型層間接続構造の概略構成を示す分解斜視図である。 従来技術によるスロット結合の典型的な構造の模式図であり、（ａ）は多層基板を横から見た断面図、（ｂ）は多層基板の各層上の金属パターンを別々に取り出して並べた平面図である。 スロット結合の模式図であり、（ａ）は多層基板を横から見た断面図、（ｂ）は多層基板の各層上の金属パターンを別々に取り出して並べた平面図である 従来技術によるスロット結合の典型的な構造の模式図であり、（ａ）は、多層基板を横から見た断面図、（ｂ）は、多層基板の各層上のメタルパターンを別々に取り出して並べた平面図である。 従来技術のスロット結合型層間接続構造の断面図及び各層のメタルパターンである。 基板の伝送損失（Ｓ２１パラメータ）を測定したグラフである。 本発明によるスロット結合型層間接続構造の断面図（ａ）及び各層のメタルパターン（ｂ）である。 スロット結合型層間接続構造の伝送損失を測定したグラフである。

符号の説明

１００ 本発明によるスロット結合型層間接続構造
１０００ 従来技術によるスロット結合型層間接続構造
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 有機材料などの絶縁材料
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 伝送線路（マイクロストリップ線路）
３、３Ａ、３Ｂ 地導体
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ スロット
５、５Ａ、５Ｂ 周期構造ビアホール
６Ａ、６Ｂ 伝送線路の開放端

Claims (3)

1. 誘電体層を挟む一対の導体層において、各導体層は少なくとも１つのスロットを有し、前記一対の導体層のスロットの少なくとも一対を介して、前記一対の導体層を電磁界的に接続する電磁界結合構造であって、
   前記一対の導体層のそれぞれは、そのスロットの周囲に周期的に形成したビアホール群により電気的に接続されていることを特徴とする電磁界結合構造。
2. 第１の伝送線路と、第１の誘電体層と、少なくとも１つのスロットを有する第１の導体層と、第２の誘電体層と、前記少なくとも１つのスロットに対応する位置にスロットを有する第２の導体層と、第３の誘電体層と、第２の伝送線路とがこの順に積層されて形成され、少なくとも一対のスロットを介して前記第１の導体層と前記第２の導体層とを電気的に接続することにより、前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路とが電磁界的に接続される多層配線板であって、
   前記第１の導体層及び前記第２の導体層のそれぞれは、そのスロットの周囲に周期的に形成したビアホール群により電気的に接続されていることを特徴とする多層配線板。
3. 前記ビアホール群の各ビアホール間の間隔を、前記多層配線板で使用する周波数に対応する線路実効波長の４分の１以下としたことを特徴とする請求項２に記載の多層配線板。

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