JP2009302606A - 伝送線路及び伝送線路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信号の伝送損失を低減した伝送線路及び伝送線路の製造方法を提供する。
【解決手段】一定の厚さを有する絶縁性基板、前記絶縁性基板の上面に形成した信号電極１２、及び、前記絶縁性基板の下面に形成した接地電極１３とにより構成される伝送線路において、前記絶縁性基板に信号電極１２から接地電極１３へ延びる電気力線により前記絶縁性基板の実効的な誘電率と誘電正接を低減させる空洞を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、波形劣化なく高速電気信号を伝送させる低損失な伝送線路及び伝送線路の製造方法に関する。

近年、各種素子の特性向上や各種通信技術の進展によって、高周波信号を低損失で伝送させる伝送線路技術が重要になってきている。
図１１は、従来の伝送線路の構造を示した図である。なお、図１１（ａ）は上面、図１１（ｂ）は裏面、図１１（ｃ）は信号電極の長手方向の側面、図１１（ａ）は信号電極の幅方向の側面を示した図である。
図１１に示すように、従来の伝送線路においては、誘電体基板（絶縁性基板）６１の上下に信号電極６２と接地電極６３を形成したマイクロストリップ線路が多用されている（下記非特許文献１参照）。

このようなマイクロストリップ線路に高速な信号を伝送させようとする場合において、反射により信号劣化が起きないように、特定の特性インピーダンスに合わせて線路の設計が行われることが多い。また、マイクロストリップ線路は伝送信号速度が速くなるに従い、伝送損失が増大するため、伝送損失の小さな線路が用いられる。

特性インピーダンスは、信号電極６２の幅、厚み、誘電体基板の厚みや誘電体基板の誘電率によって変化する。また、伝送損失は、信号電極６２の幅、厚み、誘電体基板の誘電率や誘電正接によって変化する。このため、特性インピーダンスを維持したまま伝送損失を低減する手法として、誘電正接の小さい低誘電率の誘電体基板を用いて、信号電極６２の幅を広くするという手法が用いられる。

豊田 英弘、外４名、「１０Ｇｂｉｔ／ｓ高周波信号伝送に適したプリント配線板構造と特性評価」、電子情報通信学会論文誌、Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｃ、Ｎｏ．１１、２００４年１１月、ｐ．８４７−８５６

しかしながら、信号速度が１０ＧＨｚ以上へと高速化するにつれて、伝送線路には更なる低損失化が求められるようになり、上述したような低損失化手法に限界が生じていた。
また、従来、フレキシブルプリント基板を用いてマイクロストリップ線路を実現する構造がよく用いられる。

図１２は、従来のフレキシブルプリント基板を用いた伝送線路の断面図である。
図１２に示すように、接着剤７４，７６で接着された信号電極７３と接地電極７７を有するポリイミドフィルム７５に、接着剤７２を有するポリイミドフィルム７１、接着材７８を有するポリイミドフィルム７９を挟んで貼り合わせ形成する構成にしたものである。この場合、フレキシブルプリント基板の可撓性を保つため、ポリイミドフィルム７５を薄くして、信号電極７３の幅を狭くする必要があった。このため、伝送損失が大きくなってしまうという問題があった。

以上のことから、本発明は、信号の伝送損失を低減した伝送線路及び伝送線路の製造方法を提供することを目的とし、特に１０ＧＨｚ以上の高速信号を波形ひずみなく伝送させる場合において、信号の伝送損失を低減した伝送線路及び伝送線路の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る伝送線路は、
一定の厚さを有する絶縁性基板、前記絶縁性基板の上面に形成した信号電極、及び、前記絶縁性基板の下面に形成した接地電極とにより構成される伝送線路において、
前記絶縁性基板に信号電極から接地電極へ延びる電気力線により前記絶縁性基板の実効的な誘電率と誘電正接を低減させる空洞を備えた
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る伝送線路は、第１の発明に係る伝送線路において、
前記空洞は、前記信号導体の両端から前記信号導体の幅の３倍以内の前記信号導体を包含する領域に対面する前記絶縁性基板の一部又は全体に形成されたものである
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第３の発明に係る伝送線路は、
一定の厚さを有する第一の絶縁性基板の下面に形成した信号電極、及び、信号伝送方向に形成した長穴を有する第二の絶縁性基板を、前記信号電極の両端から前記信号電極の幅の３倍以内の前記信号電極を包含する領域と前記長穴とが対面するように貼り合わされ、
更に、前記第二の絶縁性基板、及び、上面に接地電極を形成した第三の絶縁性基板を貼り合わされたものである
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第４の発明に係る伝送線路は、第１の発明から第３の発明のいずれか１つに係る伝送線路において、
前記絶縁性基板は可撓性材料で形成されたものである
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第５の発明に係る伝送線路の製造方法は、
一定の厚さを有する絶縁性基板、前記絶縁性基板の上面に形成した信号電極、及び、前記絶縁性基板の下面に形成した接地電極とにより構成される伝送線路の製造方法において、
前記絶縁性基板に信号電極から接地電極へ延びる電気力線により前記絶縁性基板の実効的な誘電率と誘電正接を低減させる空洞を形成する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第６の発明に係る伝送線路の製造方法は、第５の発明に係る伝送線路の製造方法において、
前記空洞は、前記信号導体の両端から前記信号導体の幅の３倍以内の前記信号導体を包含する領域に対面する前記絶縁性基板の一部又は全体に形成する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第７の発明に係る伝送線路の製造方法は、
一定の厚さを有する第一の絶縁性基板の下面に形成した信号電極、及び、信号伝送方向に形成した長穴を有する第二の絶縁性基板を、前記信号電極の両端から前記信号電極の幅の３倍以内の前記信号電極を包含する領域と前記長穴とが対面するように貼り合わせ、
更に、前記第二の絶縁性基板、及び、上面に接地電極を形成した第三の絶縁性基板を貼り合わせる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第８の発明に係る伝送線路の製造方法は、第５の発明から第７の発明のいずれか１つに係る伝送線路の製造方法において、
前記絶縁性基板は可撓性材料で形成する
ことを特徴とする。

本発明によれば、信号の伝送損失を低減した伝送線路及び伝送線路の製造方法を実現することが可能であり、特に１０ＧＨｚ以上の高速信号を波形ひずみなく伝送させる場合において、信号の伝送損失を低減した伝送線路及び伝送線路の製造方法を実現することが可能である。

以下、本発明に係る伝送線路及び伝送線路の製造方法の実施例について、図面を参照して説明する。

以下に本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路の構造及び構成方法について説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路の断面図である。
図１に示すように、本実施例に係るマイクロストリップ線路では、信号電極１２は、誘電体基板（絶縁性基板）１１−１上に形成されている。信号電極１２の材質は銅であり、厚みは３０ミクロンである。接地電極１３は、誘電体基板（絶縁性基板）１１−３下に形成されている。接地電極１３の材質は銅であり、厚みは３０ミクロンである。また、誘電体基板（絶縁性基板）１１−２には空洞である貫通穴１６が形成されており、貫通穴１６の幅は５ミリメートルである。なお、誘電体基板１１−１，１１−２，１１−３には可撓性材料を用いることもできる。

図２は、本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路の構成方法を示した図である。
図２に示すように、各誘電体基板１１−１，１１−２，１１−３を貼り合わせることによって、本実施例に係るマイクロストリップ線路を構成する。この際、貫通穴１６の両端は、信号電極１２の両端から測定して、信号電極１２の幅ｗの３倍以内の距離ｄ以内の信号電極１２を包含する位置に配置する。つまり、貫通穴１６の両端は、信号電極１２の両端から測定して、ｄ≦３ｗの信号電極１２を包含する位置に配置する。

これは、信号電極１２の長手方向の両端から信号電極１２の幅の３倍以内の位置から外れた位置では、信号電極１２から接地電極１３へ延びる電気力線が少なく、誘電体基板１１−２の実効的な誘電率と誘電正接を低減させる効果を十分に発揮することができなくなるためである。

ここで、本発明に係る伝送線路に含まれる構造例と含まれない構造例を示す。図３は、本発明に係る伝送線路に含まれる構造例を示した図、図４は、本発明に係る伝送線路に含まれない構造例を示した図である。なお、本実施例では、例として、信号電極１２の長手方向の両端から信号電極１２の幅の３倍以内となるように値を設定したが、本発明の本質は信号電極１２から接地電極１３へ延びる電気力線により誘電体基板１１−２の実効的な誘電率と誘電正接を低減させるという所にあり、誘電体基板１１−２の実効的な誘電率と誘電正接を低減させる効果を発揮するのに十分な信号電極１２から接地電極１３へ延びる電気力線を得られる範囲内であればこれ以外の値を適宜設定することも可能である。

本実施例においては、各誘電体基板１１−１，１１−２，１１−３の厚みは１００ミクロン、材質はＦＲ−４で、誘電率４．４、誘電正接０．０２である。このマイクロストリップ線路で特性インピーダンス５０Ωが要求されるような場合において、信号電極１２の幅ｗは９００ミクロンに設定される。

次に、本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路の伝送損失特性について説明する。
図５は、本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路の伝送損失を高周波電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ）により計算した結果を示した図である。
なお、図５においては、横軸に信号周波数、縦軸に伝送損失を示している。また、この図５には比較のため、長穴の開いていない誘電体基板６１を用いた図１１に示す従来のマイクロストリップ線路での計算結果も示している。なお、従来構造のマイクロストリップ線路の信号電極６２の幅は、特性インピーダンスを５０Ωとするため、５４０ミクロンにしている。

図５に示すように、１０ＧＨｚでは、従来のマイクロストリップ線路と第１の実施例に係るマイクロストリップ線路共に、伝送損失が０．５ｄＢ以下と小さい。信号周波数が増大するに従い伝送損失も増大し、４０ＧＨｚになると、従来構造では１ｄＢ以上の伝送損失を示すのに対し、第１の実施例に係るマイクロストリップ線路では０．５ｄＢ以下の損失に留まっていることがわかる。

更に、信号周波数が６０ＧＨｚまで増大すると、従来のマイクロストリップ線路では２ｄＢ以上と伝送損失が拡大するが、第１の実施例に係るマイクロストリップ線路では０．７ｄＢ程度の損失であった。従来のマイクロストリップ線路と同等の０．５ｄＢ／ｃｍ以下の伝送損失が要求されると仮定すると、従来のマイクロストリップ線路では１０ＧＨｚ程度までしか使用できなかったものが、第１の実施例に係るマイクロストリップ線路では、４０ＧＨｚ程度まで使用することができることを示している。

以上のように、本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路を作製すれば、信号電極１２の直下に誘電正接のない空洞を設けることができ、これにより誘電体基板１１−２の実効的な誘電率と誘電正接を小さくすることができるため、伝送損失を低減した伝送線路を実現することができる。

以下に本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の構造及び構成方法について説明する。
図６は、本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の断面図である。
図６に示すように、本実施例に係るマイクロストリップ線路は、ポリイミドフィルム（絶縁性基板）３１，３５，３９、接着剤３２，３４，３６，３８、銅箔３３，３７により構成されている。なお、貫通穴３１３は後述する可撓性誘電体フィルム３１０，３１１，３１２により囲まれる空洞である。

図７は、本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の構成方法を示した図である。
はじめに、フレキシブルプリント基板用の基板材料として、銅箔積層の可撓性誘電体フィルム３１０を用意する。この銅箔積層の可撓性誘電体フィルム３１０は、ポリイミドフィルム３１上と、シート状の接着剤３２及び銅箔３３で構成されており、ポリイミドフィルム３１の厚みは１２．５ミクロン、接着剤３２の厚みは１３ミクロン、銅箔３３の厚みは３５ミクロンである。なお、図６，７では、シート状の銅箔３３に化学的エッチング等を施し、マイクロストリップ線路の信号電極としている。

次に、両面に接着剤３４，３６が形成された可撓性誘電体フィルム３１１を用意する。この可撓性誘電体フィルム３１１に、貫通穴３１３を銅箔３３とほぼ同じ長さに形成する。ここでは、貫通穴３１３の幅を５００ミクロンにしている。なお、可撓性誘電体フィルム３１１を構成するポリイミドフィルム３５の厚みは５０ミクロン、接着剤３４，３６の厚みは１３ミクロンである。

最後に、片面に銅箔３７を積層した可撓性誘電体フィルム３１２を用意する。なお、この可撓性誘電体フィルム３１２を構成するポリイミドフィルム３９の厚みは１２．５ミクロン、接着剤３８の厚みは１３ミクロン、銅箔３７の厚みは１８ミクロンである。
以上説明した３枚の可撓性誘電体フィルム３１０，３１１，３１２を図６に示すように貼り合わせることにより、本実施例に係るマイクロストリップ線路を形成する。

この際、貫通穴３１３は、銅箔３３の両端から測定して、銅箔３３の幅の３倍以内の距離以内の銅箔３３を包含する位置に配置する。
本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路に特性インピーダンス５０Ωが要求される場合においては、信号電極の幅を１５０ミクロンに設定すればよい。

また、上述した本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の別の形態を図８，９に示す。図６は、本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の断面図、図７は、本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の構成方法を示した図である。
なお、上述した構造との違いは、信号電極３３と接地電極の銅箔３７とが短絡しないように、ポリイミド保護膜４１，４２を形成した点である。各ポリイミド保護膜４１，４２の厚みは１０ミクロンである。

本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の別の形態に特性インピーダンス５０Ωが要求される場合においては、信号電極の幅を１１０ミクロンに設定すればよい。なお、信号電極の幅は、ポリイミドフィルム３１，３５，３９、接着剤３２，３４，３６，３８、ポリイミド保護膜４１，４２の誘電率は３．４、誘電正接は０．０３４として計算した設計値である。

次に、本発明の第２の実施例及び第２の実施例の別の形態に係るマイクロストリップ線路の伝送損失特性について説明する。
図１０は、本発明の第２の実施例及び第２の実施例の別の形態に係るマイクロストリップ線路の伝送損失を高周波電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ）により計算した結果を示した図である。
なお、図１０においては、横軸に信号周波数、縦軸に伝送損失を示している。また、参考として、従来のフレキシブルプリント基板について計算した結果についても示している。

図１０に示すように、１０ＧＨｚでは、従来のマイクロストリップ線路では伝送損失が０．６ｄＢと比較的大きくなっているが、第２の実施例に係るマイクロストリップ線路及び第２の実施例の別の形態に係るマイクロストリップ線路では共に０．２ｄＢ以下と小さくなっている。

信号周波数が増大するに従い伝送損失も増大し、３０ＧＨｚになると、従来のマイクロストリップ線路では１．７ｄＢの伝送損失を示すのに対し、第２の実施例の別の形態に係るマイクロストリップ線路では、ポリイミド保護膜４１，４２の誘電正接の影響で０．５ｄＢ程度と大きくなっているものの、ポリイミド保護膜のない第２の実施例に係るマイクロストリップ線路では、０．３ｄＢ以下の損失に留まっていることがわかる。

更に、信号周波数が６０ＧＨｚまで増大すると、従来のマイクロストリップ線路では３．５ｄＢと伝送損失が拡大するが、第２の実施例に係るマイクロストリップ線路では０．５ｄＢ以下の損失を示し、第２の実施例の別の形態に係るマイクロストリップ線路でも、０．９ｄＢの伝送損失であった。

従来のマイクロストリップ線路の線路における１０ＧＨｚの伝送損失０．６ｄＢ／ｃｍ程度の値が、伝送線路の性能指数として要求されると仮定すると、以上の結果から、第２の実施例に係るマイクロストリップ線路とすることで信号周波数が３０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ程度まで使用可能な伝送線路が実現できることがわかる。

以上のように、本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路を作製すれば、貫通穴３１３を有する可撓性誘電体フィルム３１１を使用することで、信号電極である銅箔３３の直下に誘電正接のない空洞を設けることができ、基板の実効的な誘電率と誘電正接が小さくなることで、従来、伝送損失低減に障害となっていた誘電正接による伝送損失の増大を回避することができ、伝送損失を低減した伝送線路を実現することができる。

なお、上述した各実施例においては、マイクロストリップ線路を例に挙げたが、これ以外にも、例えば、コプレナ線路に適用してもよい。また、基板の誘電正接を減らすため、誘電正接のない空洞を用いたが、空洞の代わりに、誘電正接が小さいことで知られているシリコーンや液晶ポリマーを用いてもよい。

また、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく様々に変形が可能であるということは、当該技術分野における常識的な知識を持つ者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で定められるべきものである。

本発明は、波形劣化なく高速電気信号を伝送させる低損失な伝送線路に利用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路の断面図である。 本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路の構成方法を示した図である。 本発明に係る伝送線路に含まれる構造例を示した図である。 本発明に係る伝送線路に含まれない構造例を示した図である。 本発明の第１の実施例に係るマイクロストリップ線路の伝送損失を高周波電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ）により計算した結果を示した図である。 本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の断面図である。 本発明の第２の実施例に係るマイクロストリップ線路の構成方法を示した図である。 本発明の第２の実施例の別の形態に係るマイクロストリップ線路の断面図である。 本発明の第２の実施例の別の形態に係るマイクロストリップ線路の構成方法を示した図である。 本発明の第２の実施例及び第２の実施例の別の形態に係るマイクロストリップ線路の伝送損失を高周波電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ）により計算した結果を示した図である。 従来の伝送線路の構造を示した図である。 従来のフレキシブルプリント基板を用いた伝送線路の断面図である。

符号の説明

１１−１ 誘電体基板
１１−２ 誘電体基板
１１−３ 誘電体基板
１２ 信号電極
１３ 接地電極
１６ 貫通穴
ｗ 信号電極の幅
ｄ 信号電極の両端から貫通穴の縁までの距離
３１ ポリイミドフィルム
３２ 接着剤
３３ 銅箔
３４ 接着剤
３５ ポリイミドフィルム
３６ 接着剤
３７ 接地電極
３８ 接着剤
３９ ポリイミドフィルム
３１０ 可撓性誘電体フィルム
３１１ 可撓性誘電体フィルム
３１２ 可撓性誘電体フィルム
３１３ 貫通穴
４１ 信号電極の保護膜
４２ 接地電極の保護膜
６１ 誘電体基板
６２ 信号電極
６３ 接地電極
７１ ポリイミドフィルム
７２ 接着剤
７３ 信号電極
７４ 接着剤
７５ ポリイミドフィルム
７６ 接着剤
７７ 接地電極

Claims (8)

1. 一定の厚さを有する絶縁性基板、前記絶縁性基板の上面に形成した信号電極、及び、前記絶縁性基板の下面に形成した接地電極とにより構成される伝送線路において、
   前記絶縁性基板に信号電極から接地電極へ延びる電気力線により前記絶縁性基板の実効的な誘電率と誘電正接を低減させる空洞を備えた
   ことを特徴とする伝送線路。
2. 前記空洞は、前記信号導体の両端から前記信号導体の幅の３倍以内の前記信号導体を包含する領域に対面する前記絶縁性基板の一部又は全体に形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の伝送線路。
3. 一定の厚さを有する第一の絶縁性基板の下面に形成した信号電極、及び、信号伝送方向に形成した長穴を有する第二の絶縁性基板を、前記信号電極の両端から前記信号電極の幅の３倍以内の前記信号電極を包含する領域と前記長穴とが対面するように貼り合わされ、
   更に、前記第二の絶縁性基板、及び、上面に接地電極を形成した第三の絶縁性基板を貼り合わされたものである
   ことを特徴とする伝送線路。
4. 前記絶縁性基板は可撓性材料で形成されたものである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の伝送線路。
5. 一定の厚さを有する絶縁性基板、前記絶縁性基板の上面に形成した信号電極、及び、前記絶縁性基板の下面に形成した接地電極とにより構成される伝送線路の製造方法において、
   前記絶縁性基板に信号電極から接地電極へ延びる電気力線により前記絶縁性基板の実効的な誘電率と誘電正接を低減させる空洞を形成する
   ことを特徴とする伝送線路の製造方法。
6. 前記空洞は、前記信号導体の両端から前記信号導体の幅の３倍以内の前記信号導体を包含する領域に対面する前記絶縁性基板の一部又は全体に形成する
   ことを特徴とする請求項５に記載の伝送線路の製造方法。
7. 一定の厚さを有する第一の絶縁性基板の下面に形成した信号電極、及び、信号伝送方向に形成した長穴を有する第二の絶縁性基板を、前記信号電極の両端から前記信号電極の幅の３倍以内の前記信号電極を包含する領域と前記長穴とが対面するように貼り合わせ、
   更に、前記第二の絶縁性基板、及び、上面に接地電極を形成した第三の絶縁性基板を貼り合わせる
   ことを特徴とする伝送線路の製造方法。
8. 前記絶縁性基板は可撓性材料で形成する
   ことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の伝送線路の製造方法。

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