JP2007306314A - 導波管接続構造とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度に変化が生じたとしても導波管接続部からの電波漏れは少なく、また回路基板やウエーブガイド板の変形、反り、うねりによる間隙があったとしても電波漏れが少ない導波管接続構造を提供する。
【解決手段】プリント基板５に設けられた回路基板導波管８を取り囲む形でドーム状の導体バンプ９が点列状に配列されており、この導体バンプ９を介して対向する金属製のウエーブガイド板１２に固定ネジ１４の押圧で接触させる構造とすることで、接続面の平坦性が多少悪い場合においても、また環境温度に変化が生じても良好な導波管接続構造を達成でき、伝送損失が少なくなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばプリント基板上に高周波回路モジュールを表面実装して成る回路基板と、金属製のウエーブガイド板とを組み合わせる際において、両者を貫通する形で設けられた高周波の電波を伝送する導波管同士を接続する部分に適用される導波管接続構造とその製造方法に関するものである。

波長がミリメータで表わされるような高周波の電波信号（ミリ波）を、低損失で伝送するには通常導波管が用いられる。導波管を製品に採用する場合には製品を組み立てる工程があるため、どうしても導波管に接続部が必要となる。
導波管同士を接続する場合において注意すべき事項は、接続部の間隙から電波が漏洩する現象である。漏洩量が多いと電波の伝送損失が生じることになり、製品性能が低下してしまう。また漏洩した電波は、場合によっては隣接した導波管やその他の電子回路へのノイズ成分として悪影響を及ぼす場合もある。
このため接続部で生じる電波信号の損失を最低限に抑えて、電波を効率良く伝送する手段が従来から検討されている。

一般に用いられる導波管の接続は、それぞれの導波管にフランジを設け、ボルトで締結する方法であるが、その時に一方のフランジの接合面にガイドピンを突設し、他方のフランジにガイドピンが嵌合する嵌合穴を設けて、導波管の開口部がずれないようにしたもの（特許文献１参照）や、両フランジの間に導電性ゴム材などのガスケットを設けて電波の漏れを防止したもの（特許文献２参照）が知られている。

また最近は、プリント基板上に高周波回路モジュールを表面実装して成る回路基板に開口部を設けて導波管とし、この導波管をウエーブガイド板に設けた導波管と接合して、両者の導波管を通じて高周波の電波を伝送するようにしたものが知られている。
このような導波管接続構造において、回路基板の導波管とウエーブガイド板の導波管を隙間なく接触させるため、導電性樹脂をウエーブガイド板の導波管の開口部周辺に塗布し、回路基板との間で挟み込むようして導波管同士を接続するようにしたもの（特許文献３参照）や、回路基板とウエーブガイド板とを単に接着またはネジ止めにより固定するようにしたもの（特許文献４参照）が知られている。
特開２００３−１１０３０１号公報 特開平６−３５０３０１号公報 特開２００４−２５４０６８号公報（図１参照） 特開２００５−４５８３６号公報（図５参照）

特許文献１の技術を用いた場合、平面度の高い導波管同士を直接接触させて締結する必要があるため、高い剛性や加工精度を有する金属製のフランジ同士などを接続する場合には最適技術だが、接触面に微小な凹凸や反り、ゆがみなどがある回路基板と金属のウエーブガイド板との接続部などにこの技術を適用することは、対象部位の強度や表面精度の点から困難であった。また小型化を志向する製品への適用も困難であった。

特許文献２の技術を用いた場合、導電性ゴム材等によるガスケットを別途準備する必要があり、部品数の増加によるコストアップやガスケットと導波管とを挟み込む際の位置ずれなどの課題があるため、回路基板と金属のウエーブガイド板との接続部などにこの技術を適用することは、コストと仕上がりの安定性の点から困難であった。

特許文献３の技術を用いた場合、導電性樹脂の塗布という工作上困難な問題（樹脂は粘性体であるので、硬化までに流動したり硬化時間を必要とする）や、位置ずれなどの問題があり、回路基板と金属のウエーブガイド板との接続部などにこの技術を適用することは、製品の精度達成のためのコストアップ（専用治工具・装置類の導入、製品組立に要する時間の増大）や仕上がりの安定性の点から困難であった。

特許文献４の技術を用いた場合、特許文献１と同様に平面度の高い導波管同士を直接接触させて締結する必要があるため、高い剛性や加工精度を有する金属製の基板同士などを接続する場合には最適技術だが、接触面に微小な凹凸や反り、ゆがみなどがある回路基板と金属のウエーブガイド板との接続部などにこの技術を適用することは、対象部位の強度や表面精度の点から困難であった。

以上のような課題は、導波管接続構造を必要とする製品の低コスト化、小型化、軽量化、メンテナンスの容易性などの妨げになっていた。特に回路基板と金属のウエーブガイド板との接続など異種材料を組み合わせて成る導波管接続部に適用する場合には、次のような課題も配慮せねばならない。
例えば、回路基板と金属のウエーブガイド板との接続構造体に温度変化が加わった場合を考える。回路基板の構成要素の一つであるプリント基板の平面方向の熱膨張係数は、例えば代表的な基材であるＦＲ−４の場合、１６．５×１０^−６／℃である（基材が変わってもこの値はほぼ同じに調整されている）。一方、金属のウエーブガイド板の熱膨張係数は、最も一般的に用いられるアルミニウムの場合を考えると、その組成によって値は多少変化するが、概ね２４×１０^−６／℃前後である。

これらが互いに固定ネジで締結された状態で環境温度に変化が生じると、両者の熱膨張差に起因するバイメタル現象によって変形が発生する。その結果、回路基板やウエーブガイド板の導波管接続部の間隙が変化するため、間隙が大きくなるような状況にあっては導波管接続部から電波が漏れ出してしまい、伝送損失の原因となる。
また、漏れ出した電波は場合によっては隣接する導波管やその他の電子回路へのノイズ成分として悪影響を及ぼす場合もあり（アイソレーション特性の低下）、これによって電子回路の効率や動作の信頼性が低下するといった問題が生じていた。
一方、このような温度変化が生じない環境にあったとしても、回路基板やウエーブガイド板に変形、反り、うねりと言った工作精度に起因するような原因によって間隙が生じた場合は、温度変化に関係なくとも、同様な不都合を生む原因となっていた。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、環境温度に変化が生じたとしても導波管接続部からの電波漏れは少なく、また回路基板やウエーブガイド板の変形、反り、うねりによる間隙があったとしても電波漏れが少ない導波管接続構造を提供すると共に、その接続構造を少ない工程数で低コストで得ることを可能とする導波管接続構造の製造方法を提供することを目的とする。

この発明は、導波管を有する回路基板と、この回路基板の導波管と対向する導波管を有した金属性のウエーブガイド板とを接合することにより、両導波管同士を接続する導波管接続構造において、回路基板のウエーブガイド板側には少なくとも導波管を取り囲む形でドーム状または円筒状の導体バンプが点列状に配列され、回路基板とウエーブガイド板とを加圧接触することにより、ドーム状の導体バンプを介して回路基板とウエーブガイド板との電気的接続が得られるようにしたものである。

またこの発明は、それぞれ導波管を有する回路基板と金属性のウエーブガイド板とを接合することにより、両導波管同士を接続する導波管接続構造の製造方法において、回路基板への部品実装工程時に導波管を取り囲む形でドーム状または円筒状の導体バンプを点列状に配列する工程、導体バンプを挟んで回路基板の導波管と金属性のウエーブガイド板の導波管とが一致するよう位置合わせする工程、位置合わせ後に回路基板とウエーブガイド板とを固定ネジで押圧することにより、導体バンプを介して回路基板とウエーブガイド板とを加圧接触する工程を備えたものである。

この発明の導波管接続構造を用いると、回路基板とウエーブガイド板間において、回路基板のウエーブガイド板側に形成したドーム状または円筒状の導体バンプがウエーブガイド板表面に加圧接触することで両者が電気的に接続される。そして導体バンプはアース電位であり、導波管を取り囲む形で敷設されているため、この部分が導波管と同様の働きをすることにより、導波管同士を接続する時に、接続部の間隙から電波が漏洩する現象を防ぐことが可能となる。
更に、接続は導体バンプを介してのみ行われるため、回路基板全体としてはウエーブガイド板とは面接触せず、導体バンプ部以外の部分では電気的に絶縁された形になる。このため回路基板側に貫通スルーホールなどがあり、信号線路や制御線路がランドを通じて露出している場合においても回路基板とウエーブガイド板に直接接触することが無いため、回路基板側に絶縁用のフイルム材などを挿入したり、絶縁コーティング処理する必要が無く、その分低コストになるという効果がある。
また、回路基板の片側に導体バンプが設けられているため、ガスケットや導電性樹脂等を用いる方法に比べて位置あわせが容易になるという効果もある。
更に導体バンプは回路基板への部品実装工程時に同時に形成することができるため、その接続構造を少ない工程数で低コストで得ることができる。

実施の形態１
図１はこの発明の実施の形態１を示す導波管接続構造の断面図、図２は回路基板の裏面を示す平面図、図３は回路基板の裏面に導波管を取り囲む形で配置された導体バンプの配置例を示す図、図４は図１のＡ部断面拡大図、図５はドーム状導体バンプの形成方法を示す図である。以下、これらの図を用いて、この発明の実施の形態１による導波管接続構造について説明する。
図１において、高周波回路モジュール１は、セラミック基板２の上に高周波半導体素子３や電子部品などを搭載し、それらをキャップ４で封止して構成される。更に、有機高分子材料を主成分とするプリント基板５の上に高周波回路モジュール１を表面実装することによって回路基板６が構成される。この高周波回路モジュール１の表面実装は、セラミック基板２の裏面に形成された端子とプリント基板５の上面に形成された端子をはんだボール７で接続することにより行われ、高周波回路モジュール１とプリント基板５とが電気的及び機械的に接合される。このはんだボール７での接合方法については、特許文献３および４に詳細に記載されているので、ここでは説明は省略する。

なおプリント基板５は高周波回路モジュール１を表面実装する前に、回路基板導波管８やドーム状の導体バンプ９が形成される。回路基板の導波管８は、図１に示すようにプリント基板５の厚さ方向にドリルやルータを用いて機械的に開口部を設け、開口部の壁とその上下の必要な部分にスルーホールめっきを施すことで実現する。
またドーム状の導体バンプ９は、図２に示すようにプリント基板５の高周波回路モジュール１搭載側とは反対面（裏面）であるウエーブガイド板（後述する）側に、プリント基板５への部品実装工程の時に一緒に導波管８を取り囲む形ではんだを点列状に配列することで実現する。なお点列状に配置したドーム状の導体バンプ９はすべてアース電位に接続されている。

なおドーム状の導体バンプ９は、図２に示すようにその用途によってシールドバンプ９ａとスペーサバンプ９ｂの２種類がある。それぞれ図に示すような部位に配置する。シールドバンプ９ａは導波管接続部の電気的な性能に直接関わる部分で、回路基板の導波管８を取り囲むような形で点列状に配置される。導波管８の周囲以外、例えばシールドバンプ９ａの外周側に設けられるスペーサバンプ９ｂは、回路基板５とウエーブガイド板１２の間隙ｇを一定に保つためのもので、後述する固定ネジを用いて回路基板５とウエーブガイド板１２を締結した場合のスペーサとなるものである。但し、これらバンプ９ａ、９ｂの構成材料や形状は全く同じもので、この発明では機能の説明のため、便宜上区別して説明する。
なお図２は、ドーム状の導体バンプ９のレイアウトの一事例であって、必ずしもこの図の通りに並ぶ必要は無い。図２は、シールド機能と間隙調整機能を有するバンプがあるということを説明するために用いた。もちろん両者の機能を共有するバンプを用いることも可能である。

更に、プリント基板５には、対角線上に２つの回路基板位置決めピン用穴１０ａ、１０ｂが設けられ、一方は円形で、他方は小判形となっている。また後述するウエーブガイド板１２と接合するためのネジ止め用穴１１（図示では８個）が設けられている。

高周波回路モジュール１をプリント基板５上に表面実装する前に、ドーム状の導体バンプ９が形成されたプリント基板５は、アルミ等の金属板を加工して成るウエーブガイド板１２と位置合わせを行うために、プリント基板５の位置決めピン用穴１０ａ、１０ｂとウエーブガイド板１２の位置決めピン用穴とに位置決めピン１３が挿入される。そしてプリント基板５の導波管とウエーブガイド板１２の導波管とが一致するように位置合わせをした後に両者が固定ネジ１４で締結される。この場合、プリント基板５とウエーブガイド板１２とはドーム状の導体バンプ９を介して固定ネジ１４で加圧接触するだけで、プリント基板５に形成された導体バンプ９は加熱する必要はない。このように固定ネジ１４で加圧接触させても、回路基板６とウエーブガイド板１２との間にはスペーサバンプ９ｂにより、一定の間隙ｇが形成されるようになっている。なおこのように間隙ｇがあっても後述するように導波管接続部から電波漏れが生じることはない。
なおウエーブガイド板１２はプリント基板５と固定する前に、ウエーブガイド板の導波管１５および回路基板位置決めピン用穴１０ａ、１０ｂに対応したウエーブガイド板位置決めピン用穴が形成される。ウエーブガイド板１２に導波管１５を形成する方法は、図１に示すようにアルミ等の金属から成るウエーブガイド板１２の厚さ（６ｍｍ）方向に機械加工などで開口部を設けて実現する。ウエーブガイド板導波管１５の寸法、形状等はプリント基板５の導波管８と同等である。

このように回路基板６とウエーブガイド板１２は共に導波管８、１５を有しており、位置決めピン１３を用いて位置合わせを行った後に固定ネジ１４によって締結されることで、ドーム状の導体バンプ９を介して回路基板６とウエーブガイド板１２との電気的接続が得られる。またドーム状の導体バンプ９を介して固定ネジ１４によって締結することにより両者の導波管８、１５の開口部はズレることなく正確に固定される。

このように回路基板の構成要素であるプリント基板５のうち、ウエーブガイド板１２と接する側に設けられたドーム状の導体バンプ９を導波管開口部の周囲に点列状に形成して配列し、これをアース電位に接続する接続構造を採用することにより、回路基板６とウエーブガイド板１２の密着強度が増し、温度変化によって発生する熱変形が、両者の間に間隙を作るように作用しても、固定ネジ１４とドーム状導体バンプ９の押え込み構造によって回路基板６とウエーブガイド板１２の弾性力に基づく接触が維持され、発生した熱応力が当該部位に作用しても、これに耐えうる構造とすることができる。そのため、導波管接続部における電波の漏れや損失を問題にならないレベル以下で維持できることができる。また回路基板６とウエーブガイド板１２に工作精度の不十分さに起因する間隙が存在する状況であっても、同様に電波の漏れが生じないようにすることができる。
また異種材料で形成されている回路基板６とウエーブガイド板１２とが固定ネジ１４による締結を行った後に熱変形に起因して生じる接続部の微細な反り等に対しても、シールドバンプ９ａがしゅう動することによって新たな熱応力を生じることなく安定した接続が維持される。

次に回路基板６の構成要素のひとつであるプリント基板５にドーム状の導体バンプ９を形成する配置例について、図３に基づき詳細に説明する。なおここでのドーム状の導体バンプ９は導波管接続部の電気的な性能に直接関わる部分のシールドバンプ９ａについてのみで、スペーサバンプ９ｂについては特にこれに限定されない。
プリント基板５は厚さ１．６ｍｍのＦＲ−４基板を使用した。回路基板導波管８の開口部の寸法は、ミリ波の周波数（例えば７６．５ＧＨｚ）を扱う場合に多用されている標準的な導波管寸法である長辺２．５４ｍｍ、短辺１．２７ｍｍとした（めっき後の仕上がり寸法）。
プリント基板５を加工する際は、上述したドリルやルータを用いて機械的に開口部を設けるが、このような加工を行うと導波管８のコーナー部は９０°の角度を有する加工が出来ず、図３に示すように、必ずアール（Ｒ）と呼ばれる未加工部分が生ずる。すなわち長方形ではなく、小判型の導波管が形成されるが、このような形状であっても電気的には実用上大きな問題は生じない。

プリント基板のパッド電極（＝バンプ径）は直径０．６５ｍｍとした。バンプピッチは約０．９ｍｍ、バンプ高さは０．２５ｍｍである。バンプの材料ははんだである。バンプ形成前のパッド電極表面には５μｍ厚さのニッケルめっきと、０．１μｍ厚さの金めっきを施した（このニッケルめっき層、金めっき層については、図示せず）。
図３は円形パッドを用いたシールドバンプ９ａの配置事例を示す。導波管８の周囲に設けるシールドバンプ９ａは、導波管開口部の外周部を取り囲むように設置する。シールドバンプ９ａのバンプ間のピッチは、バンプ間の隙間がこの種のシールドを行う場合の値として良く知られているλ／４（λは使用する電波の波長）が望ましく、λ／８以下であればいっそう良い結果が期待できる。このようにシールドバンプ９ａが点列状に配置され、シールドバンプ９ａ間に隙間があったとしても、バンプピッチをλ／４以下にしておれば、その隙間から電波が漏洩して伝送損失が生じるようなことが起きない。

今、高周波のミリ波の使用周波数ｆ０として、７６．５ＧＨｚと想定した場合、ここで空気中を伝搬する電磁波（＝光）の波長をλとすると、
光速Ｃ＝波長λ×周波数ｆ０から
波長λ＝光速Ｃ／周波数ｆ０
＝（２．９９７９×１０ｅ８［ｍ／ｓ］）／７６．５×１０ｅ９［Ｈｚ］
＝０．００３９１８８［ｍ］＝３．９２ｍｍとなる。
したがってλ／４＝３．９２／４＝０．９８ｍｍとなり、工作精度等を加味して少しきつめに見積もると、上述したように「バンプピッチは約０．９ｍｍ」となる。

ドーム状のシールドバンプ９ａは例えばプリント基板５上に設けられた電極パッド上にはんだで形成する。バンプ高さは回路基板５とウエーブガイド板１２の組み合わせに起因する変形の度合いにもよるが、試作による検証を重ねた結果、少なくとも０．２ｍｍあれば実用上問題は生じないことが判った。これは印刷用ステンシルを用いてはんだペーストをプリント基板５に供給する際にはんだペーストの抜けを考えた場合の実用上の最大値が０．３ｍｍ厚さであることを考えると工作上都合の良い数値である。したがってシールドバンプ９ａのバンプ高さは最大０．３ｍｍ、最小０．２ｍｍで、好ましくは０．２５ｍｍということになる。

ドーム状導体バンプ９は、一般的なプリント基板の部品実装工程で広く使用されているプロセスであるはんだ印刷法を適用して実現することができる。以下に詳細を説明する。図４は、図１のＡ部の拡大断面図である。図４において回路基板の構成要素であるプリント基板５の表面には、パッド電極５ａとソルダーレジスト５ｂとがあらかじめ形成されている。
パッド電極５ａは、ドーム状の導体バンプ９を取り付けるための電極であり、通常は銅箔をエッチングして形成される。銅箔は空気中に放置しておくと酸化してはんだの濡れ性が低下するので、通常は酸化防止処理が行われる。広く行われている方法のひとつにニッケルめっき処理と金めっき処理がある。

ソルダーレジスト５ｂは、リフロー実装時に、溶融したはんだが互いに接続（ブリッジ）しないように分離する役割、あるいはプリント基板５が湿潤な環境下に置かれた場合に発生することが知られているマイグレーション現象から導体間のショートを防ぐ目的で、耐熱性に優れた樹脂材料をスクリーン印刷した後に加熱硬化させて形成される。

次に、このようなプリント基板５上にドーム状の導体バンプ構造（シールドバンプとスペーサバンプの総称）を得るための製造方法について図５に基づいて説明する。
図５（ａ）は、高周波回路モジュールを実装するプリント基板５の裏面（高周波回路モジュールを実装する面の反対側の面）の要所を示す断面図である。図５（ａ）に示すように、プリント基板の裏面には、上述したようなパッド電極５ａとソルダーレジスト層５ｂが形成されている。この工程では、プリント基板５の反対面には、高周波回路モジュール等の電子部品がまだ実装されていない状態である。パッド電極５ａについては、銅箔の上にニッケルめっきと金めっきが施されている状態である（図示せず）。

次に、図５（ｂ）に示すように、パッド電極５ａの表面に、印刷法ではんだペースト９０を供給する。パッド電極５ａの開口部と同一寸法の開口部２１ａを有するステンシル２１を位置ずれすることの無いようプリント基板５の上に重ね、次いでプリント基板５上に、はんだペースト９０を、スキージ２２を用いて印刷、供給する。これでステンシル２１の開口部２１ａの形状を反映した、はんだペースト９０のパターンが形成される。

次に、図５（ｃ）の断面工程図に示すように、ステンシル２１を取り去ると、パッド電極５ａ上にはんだペースト９０の供給が完了する。このとき、はんだペースト９０は、例えば０．３ｍｍ厚さのステンシル２１を用いると、供給されるはんだペースト９０の高さもおよそ０．３ｍｍとなるように印刷がなされる。

次に、図５（ｄ）の断面工程図に示すように、はんだペースト９０の印刷を完了したプリント基板５を、リフロー装置に投入してはんだを溶融させる。これにより、印刷したはんだが溶融して凝固することにより、ドーム状の導体バンプ９を形成することが出来る。
必要なら、上記はんだ付けプロセス終了後に、プリント基板５上に残留したフラックスを洗浄して、清浄なはんだ表面にする。

以上でプリント基板５の裏面に図４に示したようなドーム状の導体バンプ９を形成することができる。
なお、図１では、ドーム状導体バンプ９を、シールドバンプ９ａとスペーサバンプ９ｂとに分けて図示しているが、両者はその使用目的によって名称を使い分けているに過ぎず、材料の組成、外観や形状は全く同じもので、この発明では両者をまとめてドーム状導体バンプとして説明している。

次にこの発明の導波管接続構造の製造方法について簡単に説明する。まず回路基板６を構成するプリント基板５の部品実装工程時に図５で説明した通りの工程で、導波管８を取り囲む形でドーム状の導体バンプ９を点列状に配列する。
その後、プリント基板５の反対側（電子部品実装面）に、上述したプロセスと同様に、はんだペーストを印刷して、高周波回路モジュール１や他の電子部品を搭載し、同じくリフロー処理することで部品実装が完了し、回路基板６が完成する。
次に導体バンプ９を挟んでプリント板の導波管８と金属性のウエーブガイド板１２の導波管１５とが一致するよう、それぞれの位置決めピン穴に位置決めピン１３を挿入して位置合わせする。この位置合わせをした後にプリント基板５とウエーブガイド板１２とを固定ネジ１４で押圧することにより、導体バンプ９を介してプリント基板５とウエーブガイド板１２とを加圧接触する。この固定ネジ１４による締結の時に、導体バンプ９のスペーサバンプ９ｂが、プリント基板５とウエーブガイド板１２との間に一定の間隙ｇを保つように機能する。こうしてそれぞれ導波管を有するプリント基板５と金属性のウエーブガイド板１２とを接合することにより、両導波管同士が接続される。
なおこの発明が、回路基板６とウエーブガイド板１２の導波管部の接続構造の形成を特徴とするものであるため、高周波回路モジュール１の実装についてはその詳細な説明を省略する。

なお、ドーム状の導体バンプ９を形成しているはんだ材は、通常は反対側の高周波回路モジュール他の電子部品を実装する際に使用するはんだと同一組成のはんだペースト、すなわち同じ融点を有するはんだを用いる。
例えば鉛フリーはんだを用いる場合にはＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（融点２２０℃）を使用する。この場合、高周波回路モジュール他の電子部品をはんだ付けするためのリフロー実装工程において、ドーム状はんだは再溶融するが、冷却すれば再び元の状態に復帰するので、再溶融することによる弊害は特に生じ無い。

但し、高周波回路モジュールや、他の電子部品をプリント基板５上に実装する際に裏面にあらかじめ形成したドーム状はんだ９が再溶融することによる変形や万が一のドーム状はんだ同士のブリッジ現象を避けたい場合には、プリント基板の表裏で融点の異なるはんだを使用することが出来る（いわゆるステップはんだ）。ステップはんだの事例としては例えば鉛フリーはんだ同士の組み合わせを望む場合には、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（融点２２０℃）とＳｎ−５Ｓｂはんだ（融点２４０℃）の組み合わせが考えられる。 要するに、高周波回路モジュールや、他の電子部品をプリント基板５上に実装する際に、導体バンプ９が溶融して点列状に配置した隙間がはんだで塞がれるようなことが起きないようにする。

以上のとおり、この発明の導波管接続構造の製造工程に関して述べると、ドーム状導体バンプ９をはんだ印刷とリフローにより形成することが可能なため、これ以上の付加的な製造設備を必要とせず、従って製造工程の負荷を増大させることがなく、低コストで、信頼性の高い導波管接続構造を実現することができる。
また接触による接続構造を行うため、リワーク等が必要な場合には接続部の取り外し、再取付が簡単に行えることも利点として挙げられる。

上述したような、導波管接続構造について、間隙調整用のスペーサバンプ９ｂには特にレイアウト上の制約は無いが、シールドバンプ９ａは導波管の接続部の電気特性に深く関わるため、そのレイアウト情報は重要である。このため導波管接続構造に関わる設計情報を得るため、導体バンプ構造をモデル化し、電磁界解析プログラムにより、シールドバンプ９ａ位置の最適設計を行い、損失の少ない実装構造を導いた。その説明を図６および図７に基づいて行う。

ここでは図６に示す解析モデルを用いて、回路基板導波管８の端面からシールドバンプ９ａ端面までの距離Ｇを変化させた場合における接続部の電気的損失の解析事例を説明する。
回路基板の構成要素のひとつであるプリント基板５はＦＲ−４基材とし、回路基板導波管８の開口部の寸法は、ミリ波の周波数を扱う場合において多用されている標準的な導波管寸法である長辺が２．５４ｍｍ、短辺が１．２７ｍｍとした。ここに示す事例はシミュレーションであるため、図３で説明した導波管コーナ部のアール（Ｒ）形状は特に配慮していない（アールの影響を無視しても解析結果には影響しない）。隣接する回路基板導波管８との距離は１ｍｍ、プリント基板パッド電極（＝バンプ径）は０．６５ｍｍとした。バンプピッチは０．９ｍｍ、バンプ高さは０．２５ｍｍである（図示せず）。バンプの材料ははんだである。

シールドバンプ９ａは図６に示すようにＡ、Ｂの２種類を設定した。シールドバンプ９ａＡの位置（回路基板導波管の端面からシールドバンプ端面までの距離Ｇ）を変化させながら電磁界シミュレータを用いた解析を実施した。ここでＡ、Ｂの２種類のシールドバンプ９ａを設定したのは単に解析上の区別をするためであって、両者に違いは無い。

実験に用いたモデルは次のようなものである。
解析ケース１：Ｇ＝０μｍ、回路基板導波管の端面とバンプ端面が接しているもの。
解析ケース２：Ｇ＝５０μｍであるもの。
解析ケース３：Ｇ＝１００μｍであるもの。
解析ケース４：Ｇ＝１５０μｍであるもの。
解析ケース１〜４は、図１に示す断面構造に近い形状とし、各ケースについて三次元モデルを作製し、アンソフト社の高周波３次元電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ）を用いて解析を実施した。

上述のような解析ケースにおいて使用周波数ｆ０（エフゼロ）における次のような値を求め、導波管接続部の性能を確認した。すなわち、Ｇ＝０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍを与えた場合の通過特性（Ｓ２１）、反射特性（Ｓ１１）、アイソレーション特性（Ｓ４１）を求めた。
解析結果を図７のグラフに示す。ここでグラフには使用周波数ｆ０を中心とする近隣１５ＧＨｚの周波数帯域についても解析結果を表示している。

解析の結果、以下のことが明らかになった。使用周波数ｆ０における解析結果を見ると、すべての解析ケースにおいて通過特性（Ｓ２１）は損失がほとんどゼロ、アイソレーション特性（Ｓ４１）は−９０ｄＢ以下であり、すべてのＧ値において十分な値を示している。
但し、反射特性（Ｓ１１）に関しては次のような差が確認できた（数値が小さいほど低損失である）。
解析ケース１（Ｇ＝０μｍ） ：周波数ｆ０において −７０ｄＢ
解析ケース２（Ｇ＝５０μｍ） ：周波数ｆ０において −３０ｄＢ
解析ケース３（Ｇ＝１００μｍ）：周波数ｆ０において −２５ｄＢ
解析ケース４（Ｇ＝１５０μｍ）：周波数ｆ０において −２１ｄＢ

解析結果から明らかなことは、距離Ｇは可能な限り小さな値とすることが良好な電気特性、つまり導波管接続部の損失を低く抑えることができることを示している。これよりシールドバンプ９ａは実装上のルールが許す限り回路基板導波管８の端部に近づけて設置することが望ましいと言える（但しＧ＝０μｍではシールドバンプを形成するために供給した、はんだペーストが溶融時にスルーホール内に流入してしまうため工作できないという問題がある）。

上述した解析から、シールドバンプを回路基板導波管の周辺に設置する場合については、距離Ｇを出来る限り小さく取ることが望ましく、可能ならば５０μｍ以下とすることが好ましい。
この結果は実装面積の有効活用面からも好ましい結果をもたらす。すなわち回路基板導波管８の端部に近い位置にシールドバンプ９ａを設置することが最も電気特性上有利となるが、このことは同時に、導波管接続部が必要とする実装面積を最低限に押さえ込むことが出来る条件を満たしていることになる。すなわち、限られた面積で複数の導波管を接続する必要があるような高密度実装要求に対して非常に有利となる。

このように、シールドバンプ９ａ間の間隙を使用周波数のλ／４以下の値になるよう、且つシールドバンプ９ａは回路基板導波管８の端面からシールドバンプ９ａ端面までの距離Ｇが５０μｍ以下（但し０μｍは除く）となるよう回路基板導波管８の周辺に出来るだけ近接させて配置することにより、導波管接合部を通過する電波を最低限の損失で伝送することができ、優れた電気特性を有する導波管接続構造を提供することができる。

実施の形態２
一方、上述の例では、ドーム状導体バンプ９の構成材料としてはんだを用いる方法を述べたが、ドーム状導体バンプは、はんだ以外の材料に依っても形成することができる。はんだ以外の材料を用いる場合には、ドーム状のバンプ形状に限らず、円筒状のバンプやそれ以外の形状であってもシールド機能を満足できるのであればどのような形状であっても差し支えない。ゴム系や類似の材料を用いた場合には導体バンプを弾性体とし、より良好な接触状態を増大させることも可能となる。

はんだ以外の材料によってドーム状導体バンプを形成する場合には、一例として室温硬化または加熱硬化タイプの導電性樹脂のような材料を使用することが出来る。とりわけ弾性に富むよう配慮されたエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの導電性樹脂を、上述したはんだを用いた事例と同じくステンシルを用いた印刷法により一括供給し、室温、もしくは加熱硬化させて形成する方法が利用できる。
またはディスペンサを用い、シールドバンプを一点ごとに供給、または多数のディスペンサを用いて多点同時供給する方法も利用できる。
また自動部品実装機（マウンタ）設備が利用できる場合には、あらかじめ個片化してリール供給可能な状態にした導電ゴムなどの部品を、導電性接着剤などで貼り付ける方法が考えられる。
それ以外にはボールボンダを用いてプリント基板のパッド電極上に直接金バンプを形成したり、アルミの超音波ワイヤボンディングを実施してバンプを形成することも可能である。

実施の形態３
次に、この発明の実施の形態３について図８を用いて説明する。図８は上述の図３に示すシールドバンプ配置事例に相当する他のシールドバンプ配置事例である。
図３の例ではシールドバンプ９ａは円形のパッド電極上に形成したドーム状バンプであったが、実施の形態３では、同じドーム状のバンプではあるが、パッド電極が円形ではなく、図８で示したような長方形または異形のパッド電極の上に形成したドーム状のシールドバンプ９ａになっているのが特徴である。
このような形状を採用する利点は、円形のシールドバンプで回路基板導波管８を取り囲むよりも、シールドバンプ９ａ間に形成される間隙を小さく押さえることが可能となるため、電波の漏れを少なく押さえる必要がある場合に適用することによってより優れたシールド機能を提供できることである。

このような異形のシールドバンプ９ａを形成する方法であるが、プロセス的には、実施の形態１で述べたドーム状バンプの形成方法と全く同じ要領で形成することが可能である。すなわち図８の形状に形成したステンシルを用いてはんだを供給し、リフロー処理すれば良い。
このため、製造工程を変更すること無く、安価にシールド機能を向上させた導波管接続構造を提供することが可能である。

この発明の実施の形態１を示す導波管接続構造の断面図。 この発明の実施の形態１における回路基板の裏面を示す平面図。 この発明の実施の形態１におけるシールドバンプの配置例を示す図。 図１のＡ部拡大断面図。 ドーム状導体バンプの形成方法を示す図。 シールドバンプの効果を解析したモデル図。 電磁界解析によるバンプ接続部の解析結果図。 この発明の実施の形態３におけるシールドバンプの配置例を示す図。

符号の説明

１：高周波回路モジュール ２：高周波半導体素子
３：セラミック基板 ４：キャップ
５：プリント基板 ５ａ：パッド電極 ５ｂ：ソルダーレジスト
６：回路基板
７：はんだボール ８：回路基板導波管
９：導体バンプ ９ａ：シールドバンプ ９ｂ：スペーサバンプ
１２：ウエーブガイド板 １３：位置決めピン
１４：固定ネジ １５：ウエーブガイド板導波管

Claims (12)

1. 導波管を有する回路基板と、この回路基板の導波管と対向する導波管を有した金属性のウエーブガイド板とを接合することにより、前記両導波管同士を接続する導波管接続構造において、前記回路基板のウエーブガイド板側には少なくとも導波管を取り囲む形でドーム状または円筒状の導体バンプが点列状に配列され、前記回路基板とウエーブガイド板とを加圧接触することにより、前記ドーム状の導体バンプを介して前記回路基板と前記ウエーブガイド板との電気的接続が得られるようにした導波管接続構造。
2. 前記導体バンプは回路基板に設けられた円形のパッド電極上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の導波管接続構造。
3. 前記導体バンプは回路基板に設けられた矩形のパッド電極上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の導波管接続構造。
4. 前記導体バンプははんだで構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の導波管接続構造。
5. 前記導体バンプは弾性を有する導電性樹脂で構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の導波管接続構造。
6. 前記導体バンプは金バンプまたはアルミバンプで構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の導波管接続構造。
7. 前記導体バンプは、導波管を取り囲むように配置され導波管接続の電気的機能をなすシールドバンプと、導波管の周囲以外に配置され回路基板とウエーブガイド板との間隙を一定に保つためのスペーサバンプとからなる請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の導波管接続構造。
8. 前記導体バンプのバンプ高さは０．３ｍｍ〜０．２ｍｍとしたことを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１つに記載の導波管接続構造。
9. 前記導体バンプのバンプ間の間隙は導波管を通過する高周波信号の１／４波長以下としたことを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１つに記載の導波管接続構造。
10. 前記回路基板の導波管の端面から導体バンプの端面までの距離は５０μｍ以下としたことを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１つに記載の導波管接続構造。
11. それぞれ導波管を有する回路基板と金属性のウエーブガイド板とを接合することにより、前記両導波管同士を接続する導波管接続構造の製造方法において、前記回路基板への部品実装工程時に導波管を取り囲む形でドーム状または円筒状の導体バンプを点列状に配列する工程、前記導体バンプを挟んで前記回路基板の導波管と前記金属性のウエーブガイド板の導波管とが一致するよう位置合わせする工程、前記位置合わせ後に前記回路基板とウエーブガイド板とを固定ネジで押圧することにより、前記導体バンプを介して前記回路基板とウエーブガイド板とを加圧接触する工程を備えた導波管接続構造の製造方法。
12. 前記導体バンプは、はんだ、弾性を有する導電性樹脂、金バンプまたはアルミバンプのいずれかで構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の導波管接続構造の製造方法。

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