JP2007258762A - 多層基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロストリップ線路が相互接続される多層基板において、マイクロストリップ線路の接地導体間の電位差や、マイクロストリップ線路パターンと接地導体間の経路差を緩和し、電気特性の劣化を低減することを目的とする。
【解決手段】 マイクロストリップ線路パターン及び中間層に設けられた接地導体層を有し、接地導体層より下層側に段差を有した第１の誘電体多層基板と、マイクロストリップ線路パターン及び中間層に設けられた接地導体層を有し、接地導体層より下層側に、第１の誘電体多層基板の段差部分に対向配置された段差を有した第２の誘電体多層基板と、第１、第２の誘電体多層基板の段差部分に配置されるとともに第１、第２の誘電体多層基板の接地導体層に接した突起部を有し、第１、第２の誘電体多層基板が載置されたキャリアを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主としてマイクロ波帯、及びミリ波帯の高周波信号を伝送する多層基板に関するものである。

従来、キャリア上に配置された２つの多層高周波回路基板を接続するために、基板上のマイクロストリップ線路をボンディングワイヤによって電気的に接続していた。このような多層高周波回路基板の接続部では、一方の多層高周波回路基板のマイクロストリップ線路を流れる信号電流が、ボンディングワイヤを介して他方の多層高周波回路基板のマイクロストリップ線路に流れる。また、一方の多層高周波回路基板の接地導体を流れるグラウンド電流が、基板側面に設けた接地導体膜や接地用スルーホールを通ってキャリアに流れ、キャリアや接地導体膜、接地用スルーホールを介して、他方の多層高周波回路基板の接地導体に流れる。（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−３２１５０１（図９、１０）

しかし、特許文献１に示すような、従来の多層高周波回路基板の接続構造では、以下に説明するような問題があった。

まず、このような多層高周波回路基板では、多層基板の表層にあるマイクロストリップ線路パターンと、多層基板の中間層にある接地導体により、マイクロストリップ線路が構成される。このマイクロストリップ線路パターンに高周波信号が、また接地導体にグラウンド電流が流れ、高周波が伝搬する。

この多層高周波回路基板同士を接続し、高周波を伝搬させる場合、多層基板をキャリアまたはケース上に半田付けや導電性接着剤により固定するとともに、マイクロストリップパターン間をワイヤやリボンによって接続する。また、中間層の接地導体は接地用スルーホールを介して最下層の接地導体に接続され、最下層の接地導体間はキャリアを介して相互接続される。

このように構成することで、マイクロストリップ線路上を流れる高周波信号の電流は、ワイヤまたはリボンを介して直接接続される一方、グランド電流は中間層接地導体から接地用スルーホールを流れ、最下層の接地導体からキャリアを介して隣接の接地導体に流れマイクロ波が伝搬する。

この際、接地用スルーホールは高周波信号に対してインダクタンス成分を有するため、多層基板内部の接地用スルーホールを介してグラウンド電流が流れた場合、接地用スルーホールで接続されている、中間層及び最下層の２つの接地導体間には高周波信号の電位差を生じる。特に、高周波信号の周波数が高い場合や多層基板の厚さが厚い場合、スルーホールの高周波信号に対するインピーダンスは高くなるため、２つの接地導体間の電位差は大きくなる。

このように、接地導体の接続経路上で２つの接地導体の間に電位差が生じると、２つの接地導体で挟まれた基板内層に不要伝搬モードが励振されてしまう。このため、高周波回路間の不要結合などの原因となり、高周波回路の特性を劣化させてしまうという問題があった。

また、マイクロストリップ線路パターン間と接地導体間の接続経路の相違によって、マイクロストリップ線路間を伝送される高周波信号電流と、接地導体間を伝送されるグランド電流との間に経路差（電気長の差）を生じ、この経路差によってワイヤまたはリボン等の接続線路に、電波放射や高周波信号の反射が生じ、接続部における高周波信号の反射特性が大きく劣化してしまうという問題も生じていた。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、マイクロストリップ線路が相互接続される多層基板において、マイクロストリップ線路の接地導体間の電位差や、マイクロストリップ線路パターンと接地導体間の経路差を緩和し、電気特性の劣化を低減することを目的とする。

この発明に係る多層基板は、表層に設けられたストリップ導体及び中間層に設けられた接地導体層を有したマイクロストリップ線路と、マイクロストリップ線路の接地導体層より下層側に段差を有した第１の誘電体多層基板と、表層に設けられたストリップ導体及び中間層に設けられた接地導体層を有したマイクロストリップ線路と、マイクロストリップ線路の接地導体層より下層側に、第１の誘電体多層基板の段差部分に対向配置された段差を有した第２の誘電体多層基板と、第１、第２の誘電体多層基板の段差部分に配置されて第１、第２の誘電体多層基板の接地導体層に接した突起部を有し、第１、第２の誘電体多層基板が載置された導体部材と、を備えたものである。

この発明によれば、マイクロストリップ線路のグラウンドがキャリアまたはケース等の導体部材に直に接続されるので、高周波信号電流とグラウンド電流の経路差をなくすことができ、経路差による放射や反射を抑えることが可能となる。

実施の形態１．
この発明に係る実施の形態１による多層基板は、誘電体多層基板間の接続部において、相互接続されるマイクロストリップ線路の接地導体の下部に段差を設け、キャリアやケースに突起を設けて接地導体に密着させることにより、マイクロ波やミリ波等のＲＦ（Radio Frequency）信号の伝送時にグランド電流の経路差を低減することを特徴としている。以下、これについて図を用いて説明する。
図１は、実施の形態１による多層基板を構成する２つの誘電体多層基板の接続構造を示す斜視図であり、図２は多層基板の接続部を示す断面図である。

図において、第１の誘電体多層基板１０は、第１の上層誘電体多層基板１１と、第１の下層誘電体多層基板１４とが上下に積層されて構成される。第１の上層誘電体多層基板１１は、第１のマイクロストリップ線路１９が設けられている。第１のマイクロストリップ線路１９は、第１の上層誘電体多層基板１１の表層に設けられたストリップ導体である第１のマイクロストリップ線路パターン１３と、裏面に設けられた第１の接地導体１５とを有して構成される。第１の接地導体１５は、第１の上層誘電体多層基板１１と第１の下層誘電体多層基板１４間の中間層に設けられる。第１の上層誘電体多層基板１１は、凹状に刳り貫かれたキャビティ７０内に半導体チップ１２が載置されている。第１の上層誘電体多層基板１１の下層には、第１の下層誘電体多層基板１４が段違いで接合され、空隙部が形成されている。すなわち、第１の上層誘電体多層基板１１における第１の接地導体１５より下層側に段差１８が設けられている。

また、第２の誘電体多層基板２０は、第２の上層誘電体多層基板２１と、第１の下層誘電体多層基板２４とが上下に積層されて構成される。第２の上層誘電体多層基板２１は、第２のマイクロストリップ線路２９が設けられている。第２のマイクロストリップ線路２９は、第２の上層誘電体多層基板２１の表層に設けられたストリップ導体である第２のマイクロストリップ線路パターン２３と、裏面に設けられた第２の接地導体２５とを有して構成される。第２の接地導体２５は、第２の上層誘電体多層基板２１と第２の下層誘電体多層基板２４間の中間層に設けられる。第２の上層誘電体多層基板２１は、凹状に刳り貫かれたキャビティ７０内に半導体チップ２２が載置されている。第２の上層誘電体多層基板２１の下層には、第２の下層誘電体多層基板２４が段違いで接合され、空隙部が形成されている。すなわち、第２の上層誘電体多層基板２１における第２の接地導体２５より下層側に段差２８が設けられている。段差１８と段差２８は相互に対向配置されている。

半導体チップ１２、２２は、半導体素子が実装されたＭＩＣ（monolithic microwave circuit）や、ＭＭＩＣ（monolithic microwave integrated circuit）等のマイクロ波帯やミリ波帯の高周波信号を処理する高周波回路で構成される。半導体チップ１２の上面に複数個形成された導体パッド（端子）１６は、それぞれ第１の誘電体多層基板１０上の導体パッド１７や、第１のマイクロストリップ線路パターン１３に、ボンディングワイヤを介在して接続される。半導体チップ２２の上面に複数個形成された導体パッド（端子）２６は、それぞれ第２の誘電体多層基板２０上の導体パッド２７や、第１のマイクロストリップ線路パターン２３に、金のボンディングワイヤや金のリボン等の導体接続部材５０を介在して接続される。

キャリア１は、鉄ニッケルコバルト合金等の金属導体で形成された導体部材を用いる。或いは、セラミック基板の表面を導体層でメタライズした導体部材を用いても良い。キャリア１の上面には、上面が平坦な突起部２が設けられている。キャリア１の上には、第１の誘電体多層基板１０と第２の誘電体多層基板２０とがそれぞれ載置され、半田や、樹脂の混成された接着剤に導体粒子が含有された導電性接着剤等の、接合材または接着剤６０により接合されている。勿論、第１、第２の誘電体多層基板１０、２０を、キャリア１にねじ止めすることによって接合しても良い。

このように、キャリア１、第１の誘電体多層基板１０、及び第２の誘電体多層基板２０が接合されることにより、実施の形態１による多層基板が構成される。これによって、第１のマイクロストリップ線路１９と第２のマイクロストリップ線路２９が電気的に接続される。

また、段差１８及び段差２８で形成される空間内に、突起部２が収容され、第１の接地導体１５と第２の接地導体２５が突起部２の上面３に接して、接合材または接着剤６０により密接に接合されている。このようにして、第１の接地導体１５及び第２の接地導体２５が、直接キャリア１に接地するための段構造が構成され、第１の接地導体１５と第２の接地導体２５とが電気的に接続される。

第１の上層誘電体多層基板１１の一端部と第２の上層誘電体多層基板２１の一端部とは、互いに近接して配置されている。各多層基板の製造上の寸法公差や組立誤差等の制約により、間隙を０にすることは出来ないが、この間隙は小さくなる程好ましい。

なお、この間隙の底部２００には、突起部２の上面３に相当する箇所に、接合材または接着剤６０がはみ出ないように細心の注意を払う必要がある。このため、接合材または接着剤６０として半田を用いる場合は、底部２００に半田濡れ性の低い誘電体や半田レジストを塗布すると良い。また、接着剤を用いる場合は、底部２００周辺の接着剤の塗布量が少なくする、または０になるように調整すれば良い。

図３は、キャリア１と第１の誘電体多層基板１０の接合作業の状態を示しており、（ａ）は第１の上層誘電体多層基板１５、（ｂ）は第１の下層誘電体多層基板１４、（ｃ）はキャリア１を示す。
図において、まず、キャリア１の上に、接合材または接着剤６０により第１の下層誘電体多層基板１４を接合する。次に、第１の下層誘電体多層基板１４の上に、接合材または接着剤６０により第１の上層誘電体基板１５を接合することにより、接合作業がなされる。なお、キャリア１と第２の誘電体多層基板２０の接合も同様にして行われるので、ここではその説明を略する。

また、図３（ａ）に示すように、第１の上層誘電体多層基板１５に設けられたキャビティ７０の底面には、接地導体１５に接続された複数の接地導体ビア７１が配列されている。これによって、半導体チップ１２を実装したときに、半導体チップ１２のグランドを十分に取ることができる。また、接地導体ビア７１は、半導体チップ１２による発熱を放熱するためのサーマルビアとしても機能する。

次に、第１の誘電体多層基板１０と第２の誘電体多層基板２０との接続部分での動作について説明する。
第１のマイクロストリップ線路パターン１３上を流れる高周波信号の電流は、ボンディングワイヤまたは導体リボン等の導体接続部材５０を介して、直接隣接する第２のマイクロストリップ線路パターン２３に流れる。また、第１の接地導体１５を流れるグランド電流は、キャリア１の突起部２の表面に流れ、この電流が隣接する第２の接地導体２５に直接流れる。

このようにして、グラウンド電流が接地導体からキャリアを介して、直接隣接の接地導体に流れるので、特許文献１に示された従来の技術のように、接地用スルーホールによるインダクタンス成分が生じることがなく、基板内層に不要伝搬モードが励振されてしまうことがない。さらに、第１、第２の接地導体１５、２５がキャリア１に直に接続され、キャリア１の突起部２を介して直線的に接続されているので、高周波信号電流とグラウンド電流の経路差を無くすことができる。また、接地用スルーホールを介在しないので、基板端面までの間で接地導体がグラウンド電流に対してオープンスタブのように動作することもなく、接続部での共振に起因して発生する、高周波信号の反射特性の劣化が生じることもなくなる。

以上のように構成することで、マイクロストリップ線路間の接続部において、良好な伝搬特性を得ることが可能となるとともに、インダクタンス成分を打ち消すような整合回路を設ける必要もなく、高周波回路の簡素化ができるという利点がある。

ここで、比較例として、特許文献１に示されるような従来の多層基板の接続構造を、図４に示す。
図において、第１の誘電体多層基板８０は、誘電体多層基板８１、８５が積層されて構成される。誘電体多層基板８１の表層にはマイクロストリップ線路パターン８２が形成され、誘電体多層基板８１、８５の中間層には接地導体８３が設けられて、マイクロストリップ線路が構成される。第２の誘電体多層基板９０は、誘電体多層基板９１、９５が積層されて構成される。誘電体多層基板９１の表層にはマイクロストリップ線路パターン９２が形成され、誘電体多層基板９１、９５の中間層には接地導体９３が設けられて、マイクロストリップ線路が構成される。第１、第２の誘電体多層基板８０、９０は、一端部が対向し、離間してキャリア９９上に載置される。また、接地導体８３、９３は接地用スルーホール８６、９６により接地導体９８に接続され、接地導体９８を介してキャリア９９に接続される。なお、ギャップｄは両基板間の寸法公差に応じた大きさとなる。

この場合、マイクロストリップ線路パターンに高周波信号が、また接地導体８３、９３にグラウンド電流が流れ、高周波が伝搬する。離間したマイクロストリップ線路パターン間は導電性部材５０によって電気的に接続される。中間層の接地導体８３、９３は接地用スルーホール８６、９６を介して最下層の接地導体９８に接続され、相互に電気的に接続する。このように構成することで、マイクロストリップ線路上を流れる高周波信号の電流は、ワイヤまたはリボンを介して直接接続される一方、グランド電流は中間層接地導体８３からそれぞれ迂回して接地用スルーホール８６を流れ、最下層の接地導体８８からキャリア９９を介して隣接の接地導体９８、接地用スルーホール９６及び接地導体９３と流れ、マイクロ波が伝搬する。

ここで、接地用スルーホールのインダクタンス成分により、接地用スルーホールで接続されている２つの接地導体の間には高周波信号の電位差を生じる。これによって従来の多層基板は、２つの接地導体で挟まれた基板内層に不要伝搬モードが励振されてしまうため、マイクロストリップ線路に接続される高周波回路間で不要結合を生じ、高周波特性が劣化する。また、接地用スルーホールからそれぞれ基板端面までの間の接地導体がグラウンド電流に対してオープンスタブのように動作するため、この部分の長さが高周波信号の波長のおよそ１/４の長さ、あるいはその奇数倍の長さになる周波数において共振を生じて、接続部における高周波信号の反射特性が大きく劣化する。さらに、グランド電流は図中の矢印に示した経路ｇを流れ、経路ｆとの間に経路差を生じる。この経路差を伝搬信号におけるπ／２の位相差に設定できればいいが、困難を極める。また、ギャップｄを０にすることは不可能であり、図４に示す構造では、接地導体８３、９３を直に接続することは出来ない。

しかし、この実施の形態１による多層基板は、上掲したとおり、表層に第１のマイクロストリップ線路パターン１３（ストリップ導体）が設けられ、中間層に接地導体層１５が設けられてマイクロストリップ線路１９が構成された第１の上層誘電体基板１１と、第１の上層誘電体基板１１が積層される第１の下層誘電体基板１４と、を有した第１の誘電体多層基板１０と、表層に第２のマイクロストリップ線路パターン２３（ストリップ導体）が設けられ、中間層に接地導体層２５が設けられてマイクロストリップ線路２９が構成された第２の上層誘電体基板２１と、第２の上層誘電体基板２１が積層される第２の下層誘電体基板２４と、を有した第２の誘電体多層基板２０と、第１、第２の誘電体多層基板１０、２０を載置するとともに、突起部２が設けられたキャリア１（導体部材）とを備え、第１の誘電体多層基板１０は、第１のマイクロストリップ線路１９の一端部側における接地導体層１５の下層側で第１の下層誘電体基板１４が除去された空隙部を有し、第２の誘電体多層基板２０は、第２のマイクロストリップ線路２９の一端部側における接地導体層２５の下層側で第２の下層誘電体基板２４が除去された空隙部を有して、第１、第２の誘電体多層基板１０、２０の空隙部が対向配置されるとともに、キャリア１の突起２が各空隙部内の接地導体層１５、２５に接して配置され、第１、第２の誘電体多層基板１０、２０は、マイクロストリップ線路１３、２３の一端部側で、第１、第２のマイクロストリップ線路パターン１３、２３（ストリップ導体）が相互接続されたことを特徴とする。

これによって実施の形態１による多層基板は、多層基板のマイクロストリップ線路の接続部分について、マイクロストリップ線路のグラウンド電流が流れる中間層の接地導体を、キャリアに直接半田付け、接着、ネジ止め等により電気的に接地できる段差構造とすることで、マイクロストリップ線路のグラウンドがキャリアに直に接続されるので、高周波信号電流とグラウンド電流の経路差を無くすことができ、経路差による放射や反射を抑えることが可能となる。

次いで、この実施の形態１による他の実施態様について説明する。
図５は、実施の形態１による多層基板の接続部の、第１の他の実施態様を説明する図であり、図１、２と同一符号のものは同一のものを示す。図５（ａ）は図１に対応したキャリア１と第１の誘電体多層基板１０との接続前の状態を示し、（ｂ）はキャリア１と第１の誘電体多層基板１０との他の接続態様を示す図である。なお、第２の誘電体多層基板２０の接続についても、同様のため説明を省く。

図（ａ）において、キャリア１の突起２は、図の矢印の方向に移動すると、第１の誘電体多層基板１０の段差１９に嵌合し、突起２の上面３が第１の誘電体多層基板１０の接地導体１５に接して接合される。
一方、図（ｂ）において、第１の誘電体多層基板１０は、第１の誘電体多層基板１０における接地導体１５の下層側に凹溝部３１が形成されている。キャリア１の突起５は、図の矢印の方向に移動すると、第１の誘電体多層基板１０の凹溝部３１に嵌合する。この際、突起５の上面が第１の誘電体多層基板１０の接地導体１５に接して接合される。突起５は、図１、２に示した突起２と同様に、第１、第２の接地導体１５、２５を電気的に直に接続するグランドとして機能する。

図６は、実施の形態１による多層基板の接続部における、第２の他の実施態様を説明する図であり、図１、２と同一符号のものは同一のものを示す。
図６（ａ）において、キャリア１は、半田または導電性接着剤７によって、塊状部材６を上面に接合して、突起部を構成している。この塊状部材６は、半田または導電性接着剤６０によって、第１、第２の接地導体１５、２５に接して密接に接合される。これによって塊状部材６は、図１、２に示した突起２と同様に、第１、第２の接地導体１５、２５を電気的に直に接続するグランドとして機能する。さらに、第１、第２の接地導体１５、２５の高さ寸法にばらつきがあっても、半田または導電性接着剤６０による接合層で寸法ばらつきを吸収することができる。

また、図６（ｂ）に示すように、塊状部材６を、径の大きさが規定された導体スペーサが含有された接着剤で接着しても良い。これによって、塊状部材６を所定の高さに設置することが可能となる。

図７は、実施の形態１による多層基板の接続部における、第３の他の実施態様を説明する図であり、図１、２と同一符号のものは同一のものを示す。
図において、この実施態様では、キャリア１の代わりに、金属製のケース１００（導体部材）を用いたことを特徴とする。ケース１００には、キャリア１と同様にして、突起２が設けられており、突起２が第１、第２の接地導体１５、２５に接して密接に接合される。ケース１００の上面には、上蓋１０１が溶接されて、気密が維持される。

以上説明したとおり、この実施の形態には他の各種実施態様があり、発明の主旨とするところを満足すれば、図１〜図７に限られたものではないことは、論を待たない。

この発明の実施の形態１による多層基板を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による多層基板の接続構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による多層基板の積層作業を示す斜視図である。 従来の多層基板を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による多層基板の第１の他の態様を示す図である。 この発明の実施の形態１による多層基板の第２の他の態様を示す図である。 この発明の実施の形態１による多層基板の第３の他の態様を示す図である。

符号の説明

１ キャリア（導体部材）、２ 突起部、１０ 第１の誘電体多層基板、１１ 第１の上層誘電体基板、１３ 第１のマイクロストリップ線路パターン（ストリップ導体）、１４ 第１の下層誘電体基板、１５ 接地導体層、１９ マイクロストリップ線路、２０ 第２の誘電体多層基板、２１ 第２の上層誘電体基板、２３ 第２のマイクロストリップ線路パターン（ストリップ導体）、２４ 第２の下層誘電体基板、２５ 接地導体層、２９ マイクロストリップ線路、１００ ケース（導体部材）。

Claims (2)

1. 表層に設けられたストリップ導体及び中間層に設けられた接地導体層を有したマイクロストリップ線路と、マイクロストリップ線路の接地導体層より下層側に段差を有した第１の誘電体多層基板と、
   表層に設けられたストリップ導体及び中間層に設けられた接地導体層を有したマイクロストリップ線路と、マイクロストリップ線路の接地導体層より下層側に、上記第１の誘電体多層基板の段差部分に対向配置された段差を有した第２の誘電体多層基板と、
   上記第１、第２の誘電体多層基板の段差部分に配置されて第１、第２の誘電体多層基板の接地導体層に接した突起部を有し、上記第１、第２の誘電体多層基板が載置された導体部材と、
   を備えた多層基板。
2. 表層にストリップ導体が設けられ、中間層に接地導体層が設けられて第１のマイクロストリップ線路が構成された上層誘電体基板と、上層誘電体基板が積層される下層誘電体基板と、を有した第１の誘電体多層基板と、
   表層にストリップ導体が設けられ、中間層に接地導体層が設けられて第２のマイクロストリップ線路が構成された上層誘電体基板と、上層誘電体基板が積層される下層誘電体基板と、を有した第２の誘電体多層基板と、
   上記第１、第２の誘電体多層基板を載置するとともに、突起部が設けられた導体部材と、
   を備え、
   上記第１の誘電体多層基板は、上記第１のマイクロストリップ線路の一端部側における接地導体層の下層側で下層誘電体基板が除去された空隙部を有し、
   上記第２の誘電体多層基板は、上記第２のマイクロストリップ線路の一端部側における接地導体層の下層側で下層誘電体基板が除去された空隙部を有し、
   上記第１、第２の誘電体多層基板の空隙部が対向配置されるとともに、上記導体部材の突起が上記各空隙部内の接地導体層に接して配置され、
   上記第１、第２の誘電体多層基板は、第１、第２のマイクロストリップ線路の一端部側で、上記第１、第２のストリップ導体が相互接続されたことを特徴とする多層基板。

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