JP2009094752A

JP2009094752A - 高周波伝送線路

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Publication number: JP2009094752A
Application number: JP2007262879A
Authority: JP
Inventors: Naoya Tamaoki; 尚哉玉置
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】平面回路基板に設けている伝送線路において、線路伝播成分が持つ周波数が高くなると、基板に漏洩する不要な表面波が伝播しやすくなり所望のモードの伝播特性が劣化する。
【解決手段】第１の誘電体層1と、第２誘電体層2と、第１、第２誘電体層に挟まれて積層された第３誘電体層3と、第１および第３誘電体層に挟まれた第１ストリップ導体4aと、第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側の第１誘電体層1と第３誘電体層3を貫くように複数配置される第1ポスト状導体6及び第２ポスト状導体7と、第１ストリップ導体の長手方向に沿って、第１ストリップ導体両側の第1ポスト状導体6の間の第１の誘電体層1内に、第１ストリップ導体の長手方向および第1ポスト状導体の軸方向に垂直な方向を長手方向として複数配置されるフローティングストリップ導体9aを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面回路基板に設けた高周波伝送線路に関し、特に信号伝播方向と直交する方向への漏洩モードの信号を抑制するためにストリップ導体の両サイドに導体ピン（金属ビア）を配置した高周波伝送線路に関する。

従来より、高周波伝送線路としてコプレーナ線路が広く使用されている。これは、誘電体層の表面に信号が伝播する信号導体層が形成され、その両側にグランド導体層が形成されたものであるが、その下面に接地導体層が形成されていることもよくある。また、コプレーナ線路の上下両面に接地導体層を配置する構造も知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このような従来のコプレーナ線路においては、コプレーナ線路を構成するために形成されたグランド導体層とその下面ないし上面に形成された接地導体層とから形成される平行平板において、誘電体基板内を信号の伝搬方向と直交する方向に不要なモードが漏洩することがある。そして、コプレーナ線路を伝搬する信号の周波数が高くなってくると、その不要なモードが漏洩しやすくなるため、信号の伝送損失が増加することになる。

この問題を解決するために、誘電体層内に、ストリップ線路に沿ってストリップ線路を挟むように、接地された金属ビアや導体ピンを配置することが提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献２参照）。図１２は、非特許文献１にて提案されたコプレーナ線路を示す断面図である。非特許文献１に記載された従来のコプレーナ線路においては、セラミック等の誘電体基板１１上にストリップ導体１２が形成されている。また、誘電体基板１１上でストリップ導体１２を挟むように２本の接地導体層１３が形成されている。また、誘電体基板１１の裏面には裏面接地導体層１４が形成されている。そして、グランド導体層１３および裏面接地導体層１４に接続された金属ビア１５が誘電体基板１１に埋め込まれている。
このように構成された従来のコプレーナ線路においては、金属ビア１５により、不要なモードへの漏洩が抑制される。
特開２０００−２２４０６号公報 Nirod K. Das, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.44, pp.169-181, 1996 特開２０００-２６９７０７号公報

平面回路基板に設けている伝送線路において、線路伝播成分が持つ周波数が高くなると、不要なモードの影響によって所望のモードの伝播特性が劣化することがある。例えば、ストリップ線路の基本伝送モードはＴＥＭモードであるが、高周波化に伴ってＴＥモードやＴＭモードなどの、基板に漏洩する不要な表面波が伝播しやすくなることが知られている。図１２に示した従来例の構造では、ストリップ導体下面側ではストリップ導体１２の両側を金属ビア１５により垂直にシールドした構成であるので垂直な電界成分を持つ表面波の漏洩を抑制することはできるが、ストリップ導体上面側では、水平および垂直の電界成分を持つ表面波の漏洩を抑制することができない。そのため、周波数が高くなると、表面波の漏洩により損失が増大し所望のモードの伝播特性が劣化することになる。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、不要な表面波モードの影響を抑制して、所望のモードの伝播特性が劣化しにくい高周波伝送線路を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１誘電体層と、第２誘電体層と、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層に挟まれて積層された第３誘電体層と、前記第１および第３誘電体層に挟まれて形成された第１ストリップ導体と、前記第１誘電体層を貫いて前記第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第1ポスト状導体と、前記第３誘電体層を貫いて前記第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第２ポスト状導体と、前記第１誘電体層の前記第1ポスト状導体の間に前記第１ストリップ導体の長手方向と直交する方向に延在する、前記第１ストリップ導体の長手方向に沿って複数配置された、両端が開放状態の第１のフローティングストリップ導体と、を有することを特徴とする高周波伝送線路、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１誘電体層と、第２誘電体層と、前記第１誘電体層と前記第２誘電体層に挟まれて積層された第３誘電体層と、前記第１および第３誘電体層に挟まれて形成された第１ストリップ導体と、前記第２および第３誘電体層に挟まれて形成された、前記第１ストリップ導体の延在方向と同一方向に延在する第２ストリップ導体と、前記第１誘電体層を貫いて前記第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第1ポスト状導体と、前記第３誘電体層を貫いて前記第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第２ポスト状導体と、前記第２誘電体層を貫いて前記第２ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第３ポスト状導体と、前記第１誘電体層の前記第１ポスト状導体の間に前記第１ストリップ導体の長手方向と直交する方向に延在する、前記第１ストリップ導体の長手方向に沿って複数配置された、両端が開放状態の第１のフローティングストリップ導体と、前記第２誘電体層の前記第３ポスト状導体の間に前記第２ストリップ導体の長手方向と直交する方向に延在する、前記第２ストリップ導体の長手方向に沿って複数配置された、両端が開放状態の第２のフローティングストリップ導体と、を有することを特徴とする高周波伝送線路、が提供される。

そして、好ましくは、前記第３誘電体層の前記第２ポスト状導体の間に前記第１ストリップ導体の長手方向と直交する方向に延在する、前記第１ストリップ導体の長手方向に沿って複数配置された、フローティング状態の第３のフローティングストリップ導体を、更に有する。また、好ましくは、前記第３誘電体層の誘電率は、前記第１および第２誘電体層のそれより小さい。

本発明によれば、第１〜第３ポスト状導体により、垂直な電界成分を持つ表面波の漏洩を抑制することができ、またフローティングストリップ導体により、水平な電界成分を持つ表面波の伝播を制御することができるので、ストリップ導体を伝送される信号の高周波化に伴って発生しやすくなる不要な表面波を制御することができ、所望のモードの伝播特性が劣化しにくい伝送線路を提供することが可能になる。
ここで、フローティングストリップ導体による不要な表面波伝播抑制の効果を示すための、電磁界解析結果を示す。図９は、解析モデルの模式図である。第１誘電体層（比誘電率：εｒ＝１０）の内部に、フローティングストリップ導体が平行に複数配置されている。不要な表面波は、フローティングストリップ導体と平行にそのエレメントが配置されているダイポールアンテナにより、第１誘電体層に平行な電界を持つモードで励振される。励振周波数は40GHzとしている。解析は、FDTD法(Finite Difference Time Domain Method)を用いた市販の３次元電磁界シミュレータにより行った。また、第１誘電体層以外の領域の比誘電率は１とし、解析領域の境界は吸収壁としている。フローティングストリップ導体がない場合の観測面における電界強度分布を図１０に示す。図中、明度が低い（色が黒い）ほど電界強度が強いことを表している。図１０により第１誘電体層に沿って表面波が伝播していることが確認される。一方、図１１は、フローティングストリップ導体がある場合の観測面における電界強度分布であり、第１誘電体層に沿って伝播する表面波が抑制されていることが確認される。以上の解析結果により、フローティングストリップ導体によって表面波伝播が抑制されることが分かる。

次に、本発明による高周波伝送線路の実施の形態について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において各種の変更が可能なものである。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明による高周波伝送線路の第1の実施の形態を示す透視斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ面での断面図である。図１において、１は第１誘電体層、２は第２誘電体層、３は、第１誘電体層１−第２誘電体層２間に形成された、第１および第２誘電体層よりも比誘電率が低い第３誘電体層、４は第１導電層、４ａは、第１導電層４に形成された第１ストリップ導体、５は第２導電層、６は、第１誘電体層１を貫通して形成された、第１ストリップ導体４ａに沿ってその両側に配置された第１ポスト状導体、７は、第３誘電体層３を貫通して形成された、第１ストリップ導体４ａに沿ってその両側に配置された第２ポスト状導体、９ａは、第１誘電体層１内に、第１ストリップ導体４ａの長手方向に沿ってその長手方向が第１ストリップ導体４ａの長手方向と直交するように複数個形成された、両端が開放状態のフローティングストリップ導体である。第１ポスト状導体６と第２ポスト状導体７とは、第１ストリップ導体４ａに沿ってこれと平行に形成された第１導電層４および第２導電層５により一体的に接続されており、そして接地されている。第１ストリップ導体４ａからその両側に配置された第１ポスト導体６までの距離は等距離になされており、また第１ストリップ導体４ａからその両側に配置された第２ポスト導体７までの距離は等距離になされている。つまり、第１ストリップ導体４ａは、２本の第１ポスト導体６列の中央に配置され、また２本の第２ポスト導体７列の中央に配置されている。第１ストリップ導体は、電気信号が伝播する伝送線路として機能している。

以上のように構成することで、第１ストリップ導体４ａの伝送信号の高周波化に伴って発生しやすくなる不要な表面波を抑制することができる。つまり、第１、第２のポスト状導体により、垂直な電界成分を持つ表面波の漏洩を抑制することができ、また第2のストリップ導体により、水平な電界成分を持つ表面波を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明による高周波伝送線路の第２の実施の形態を示す断面図である。図２において、図１に示す第１の実施の形態と同等部分には同一の参照記号を付し、重複する説明は省略する（この点は以下の実施の形態に付いても同様である）。本実施の形態の高周波伝送線路では、図1に示す高周波伝送線路に対し、第１ストリップ導体４ａからその両側の第１ポスト状導体６までの水平方向の各距離が等しく、かつその各距離の和d1が伝送信号の第１誘電体層内での波長λ_１の1/2以下とし、第１ストリップ導体４ａからその両側の第２ポスト状導体７までの水平方向の各距離が等しく、かつその各距離の和d２が伝送信号の第３誘電体層内での波長λ_２の1/2以下としている。例えば、第１ストリップ導体を伝搬される信号の周波数が１０GHz、また第１誘電体層１の比誘電率が10、第３誘電体層３の比誘電率が5の場合には、d1＜300/10/√10/2=4.7mm、d2＜300/10/√5/2=6.7mmとする。4.7mm、6.7mm以下とすることで、導波管のカットオフ状態と同様のメカニズムにより、垂直の電界成分を持つ表面波の伝播は有効に抑制される。

（第３の実施の形態）
図３は、本発明による高周波伝送線路の第３の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態においては、図１に示す第１の実施の形態において形成されていたフローティングストリップ導体９ａの外に、第３誘電体層３内にその両端が開放状態のフローティングストリップ導体９ｂが形成されている。フローティングストリップ導体９ｂは、第１ストリップ導体４ａの長手方向に沿ってその長手方向が第１ストリップ導体４ａの長手方向と直交するように複数個形成されている。本実施の形態においては、フローティングストリップ導体が第１誘電体層１内の外に第３誘電体層３内にも形成されていることにより、第３誘電体層３側への表面波の漏洩が抑制されることにより、第１の実施の形態の場合よりもより損失の少ない信号伝送が可能になる。

（第４の実施の形態）
図４は、本発明による高周波伝送線路の第４の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態の伝送線路に対して、第２ストリップ導体５ａ、フローティングストリップ導体９ｃ、第３ポスト状導体８を追加したものである。第２ストリップ導体５ａは、第３誘電体層３を挟んで第１ストリップ導体４ａと対向して第２誘電体層２上に配置されており、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体は高周波信号を伝播する伝送線路として機能している。第２ストリップ導体５ａの両側に第２ストリップ導体５ａの長手方向に沿って、第２誘電体層２を貫くように複数の第３ポスト状導体８が列状に配置されている。第２ストリップ導体５ａからその両側の第３ポスト状導体８までの水平方向の各距離は等しく、かつその各距離の和d3は、伝送信号の第２誘電体層２内での波長λ_３の1/2以下になされている。なお、本実施の形態において、第１ストリップ導体４ａを挟む第１ポスト状導体間の距離と、第１ストリップ導体４ａを挟む第２ポスト状導体間の距離は、第２の実施の形態の場合と同様である。
また、第２ストリップ導体５ａ下方の第２誘電体層２内に、第２ストリップ導体５ａの長手方向と直交する方向を長手方向とする、両端が開放状態のフローティングストリップ導体９ｃが設けられている。フローティングストリップ導体９ｃは、第２ストリップ導体５ａの長手方向に沿って、複数設けられている。
以上の構成を有することで、第２ストリップ導体５ａの伝送成分の高周波化に伴って発生しやすくなる不要な表面波を制御することができる。つまり、第１、第２、第３のポスト状導体により、垂直な電界成分を持つ表面波の伝播を抑制することができ、またフローティングストリップ導体９ｃにより、第２ストリップ導体５ａを伝送される信号について、水平な電界成分を持つ表面波の伝播を抑制することができる。また、第３誘電体層３の誘電率が低いので第１ストリップ導体４ａと第２ストリップ導体５ａとの結合を低く抑えることが可能になる。

（第５の実施の形態）
図５は、本発明による高周波伝送線路の第５の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は、図４に示す第４の実施の形態の伝送線路に対して、第３誘電体層３内にフローティングストリップ導体９ｂが追加されたものである。フローティングストリップ導体９ｂは、第１ストリップ導体４ａの長手方向と直交する方向を長手方向として両端が開放状態になされ、第１ストリップ導体４ａの長手方向に沿って、第１ストリップ導体４ａと第２ストリップ導体５ａの中間に複数個形成されている。本実施の形態においては、フローティングストリップ導体が第１、第２誘電体層内の外に第３誘電体層３内にも形成されていることにより、第３誘電体層３側への表面波の漏洩が抑制されることになり、第４の実施の形態の場合よりもより高品位の信号伝送が可能になる。また、第１ストリップ導体４ａと第２ストリップ導体５ａとの間にフローティングストリップ導体９ｂを配置したことにより、第１ストリップ導体４ａと第２ストリップ導体５ａとの結合を一層低減することができる。

（第６の実施の形態）
図６は、本発明による高周波伝送線路の第６の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は、図４に示す第４の実施の形態に対して、第２ポスト状導体に代えて導電性ボール７ａが用いられており、そして第３誘電体層３の材料としてアンダーフィラー材が用いられている。つまり、本実施の形態においては、第１誘電体層１および第１ストリップ導体４ａを含む多層配線基板と、第２誘電体層２および第２ストリップ導体５ａを含む多層配線基板とを作製し、両配線基板をフリップチップ型実装方式により合体した後、両配線基板間にアンダーフィル（第３誘電体層３）を形成している。
異なる誘電率の誘電体層を積層する製造プロセスで第１、第３および第２の誘電体層の積層構造を実現する場合には、製造プロセスが複雑で製造コストが上昇したり、また各誘電体層における収縮率などの特性の違いから、製造信頼性が低下することがある。本実施の形態のようにフリップチップ型実装方式を採用する場合、そのような問題を回避することができ、比較的容易な工程で安価にかつ信頼性高く本発明の構成を実現することができる。

（第７の実施の形態）
図７は、本発明による高周波伝送線路の第７の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は、図６に示す第６の実施の形態における第３誘電体層３を空気３ａとしたものである。第３誘電体層を誘電率の低い空気とすることで、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体の誘電体損や伝送遅延を小さくすることができる。
第６、第７の実施の形態では、導電性ボールを用いて２枚の配線基板間を接続していたがこの方法に代え、バンプを用いて接続するようにしてもよい。すなわち、一方の配線基板上にバンプを形成しておき、これを用いて両配線基板間の接続を行なう。また、第１導電体層と第２導電体層とを導電性ボールや金属バンプで接続する構造や、第３誘電体層をアンダーフィラー材や空気とする構成は、第２ストリップ導体や第３ポスト状導体がない場合にも採用することができる。

（第８の実施の形態）
図８は、本発明による高周波伝送線路の第８の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態では、図４に示される第４の実施の形態の場合のように第１のストリップ導体と第２のストリップ導体とが完全に重なるようには対向しておらず、第１のストリップ導体４ａに対し第２ストリップ導体５ａがずれて対向配置されている。このようにすることで、第１ストリップ導体と第２ストリップ導体との特性インピーダンス等の特性を調整できる。

本発明の第1の実施の形態を示す斜視図と断面図。本発明の第２の実施の形態を示す断面図。本発明の第３の実施の形態を示す断面図。本発明の第４の実施の形態を示す断面図。本発明の第５の実施の形態を示す断面図。本発明の第６の実施の形態を示す断面図。本発明の第７の実施の形態を示す断面図。本発明の第８の実施の形態を示す断面図。本発明の効果を説明するための解析モデルを示す模式図。フローティングストリップ導体がない場合の電界強度分布を示す図。フローティングストリップ導体がある場合の電界強度分布を示す図。従来例の断面図。

符号の説明

１第１誘電体層
２第２誘電体層
３第３誘電体層
３ａ空気
４第１導電体層
４ａ第１ストリップ導体
５第２導電体層
５ａ第２ストリップ導体
６第１ポスト状導体
７第２ポスト状導体
７ａ導電性ボール
８第３ポスト状導体
９ａ、９ｂ、９ｃフローティングストリップ導体
１１誘電体基板
１２ストリップ導体
１３接地導体層
１４裏面接地導体層
１５金属ビア

Claims

第１誘電体層と、
第２誘電体層と、
前記第１誘電体層と前記第２誘電体層に挟まれて積層された第３誘電体層と、
前記第１および第３誘電体層に挟まれて形成された第１ストリップ導体と、
前記第１誘電体層を貫いて前記第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第1ポスト状導体と、
前記第３誘電体層を貫いて前記第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第２ポスト状導体と、
前記第１誘電体層の前記第1ポスト状導体の間に前記第１ストリップ導体の長手方向と直交する方向に延在する、前記第１ストリップ導体の長手方向に沿って複数配置された、両端が開放状態の第１のフローティングストリップ導体と、
を有することを特徴とする高周波伝送線路。
第１誘電体層と、
第２誘電体層と、
前記第１誘電体層と前記第２誘電体層に挟まれて積層された第３誘電体層と、
前記第１および第３誘電体層に挟まれて形成された第１ストリップ導体と、
前記第２および第３誘電体層に挟まれて形成された、前記第１ストリップ導体の延在方向と同一方向に延在する第２ストリップ導体と、
前記第１誘電体層を貫いて前記第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第1ポスト状導体と、
前記第３誘電体層を貫いて前記第１ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第２ポスト状導体と、
前記第２誘電体層を貫いて前記第２ストリップ導体の長手方向に沿ってその両側に複数配置された、接地された第３ポスト状導体と、
前記第１誘電体層の前記第１ポスト状導体の間に前記第１ストリップ導体の長手方向と直交する方向に延在する、前記第１ストリップ導体の長手方向に沿って複数配置された、両端が開放状態の第１のフローティングストリップ導体と、
前記第２誘電体層の前記第３ポスト状導体の間に前記第２ストリップ導体の長手方向と直交する方向に延在する、前記第２ストリップ導体の長手方向に沿って複数配置された、両端が開放状態の第２のフローティングストリップ導体と、
を有することを特徴とする高周波伝送線路。
前記第３誘電体層の前記第２ポスト状導体の間に前記第１ストリップ導体の長手方向と直交する方向に延在する、前記第１ストリップ導体の長手方向に沿って複数配置された、両端が開放状態の第３のフローティングストリップ導体を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波伝送線路。
前記第３誘電体層の誘電率は、前記第１および第２誘電体層のそれより小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高周波伝送線路。
前記第１ポスト状導体、前記第２ポスト状導体、または、前記第３ポスト状導体は、前記第１または第２ストリップ導体の中心を通り、前記第１または第２ストリップ導体の表面に垂直な平面に対して対称的に配置されており、前記第１または第２ストリップ導体を挟む２つの前記第１ポスト状導体、前記第２ポスト状導体、または、前記第３ポスト状導体間の距離は、伝送信号のそのポスト状導体の存在する誘電体内での波長の1/2以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高周波伝送線路。
前記第２ポスト状導体が導電性ボールまたは金属バンプであることを特徴とする請求項１、２、４または５のいずれかに記載の高周波伝送線路。
前記第３誘電体層の材質がアンダーフィラー材または空気であることを特徴とする請求項１、２、または、４から６のいずれかに記載の高周波伝送線路。
前記第１ストリップ導体の長手方向の中心線を通る前記第１ストリップ導体の表面に垂直な平面と、前記２ストリップ導体の長手方向の中心線を通る前記第２ストリップ導体の表面に垂直な平面とが、平行で一定の間隔を隔てていることを特徴とする請求項２から７のいずれかに記載の高周波伝送線路。