JP2011004355A - コプレーナ線路と同軸線路の接続構造およびそれを備えた高周波用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス製の誘電体基板を用いた際に高周波信号の反射損失の発生を抑制することができるコプレーナ線路と同軸線路の接続構造を提供する。
【解決手段】セラミックス製の誘電体基板３と、この誘電体基板３の下面を被覆する金属板４と、電極ライン５と接地導体６とからなるコプレーナ線路２９と、誘電体基板３と金属板４との間に介設されるベタ導体層と、誘電体基板３を貫通するグランドビア７と、導体芯線９と絶縁体１１と外部導体１３とにより形成される同軸線路８とを有し、同軸線路８の一の端部は、導体芯線９が裸出した状態で誘電体基板３を貫通して電極ライン５に接続され、外周導体１３の端部は金属板４に接続され、誘電体基板３は、導体芯線９と電極ライン５の接続部分を中心とする切欠き部１４ａを備え、導体芯線９の側面の一部は、切欠き部１４ａに裸出していることを特徴とするコプレーナ線路と同軸線路の接続構造による。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂基板に接続されることを前提に設計された同軸コネクタと、セラミックからなる誘電体基板上に形成された高周波伝送線路とを接続した際の高周波信号の反射損失を抑制でき、かつ構造が単純で低コスト化可能なコプレーナ線路と同軸線路の接続構造およびそれを備えた高周波用パッケージに関する。

従来、回路基板には一般にＦＲ−４基板（比誘電率ε＝４．６）に代表されるガラス繊維強化エポキシ樹脂基板が用いられてきた。ＧＨｚ以上の高周波用にも、ＦＲ−４、または、この改良材、もしくはフロン樹脂ベースのガラス強化樹脂基板が用いられることが多い。ここに挙げた材質は一般に、ＦＲ−４よりも誘電率が低く、高周波伝送には適した材質であり、またセラミックス基板に比べて安価であるという特徴がある。
このような樹脂基板上に形成されたマイクロストリップ線路、コプレーナ線路等の伝送線路に同軸線路を接続するためのさまざまな同軸コネクタが知られている。たとえば、ＳＭＡコネクタは２０ＧＨｚ付近まで使用可能な代表的なコネクタであり、導体芯線と導体芯線を囲む絶縁体と絶縁体を囲む外周導体からなる。
従来公知のコネクタはその絶縁体として低損失なフッ素樹脂等を用いており、フッ素樹脂と誘電率が近い樹脂基板に接続された場合に良好な伝送特性が得られる。
これまで、樹脂製の誘電体基板に形成される伝送線路と同軸コネクタとの接続部における高周波信号の伝送損失を低減するための従来技術としては以下のものがある。

図１４（ａ）は誘電体基板にＦＲ-４基板（樹脂基板）を用いた場合のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造の一例を示す部分平面図であり、（ｂ）はその部分概念図である。
図１４に示すように、従来のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造１６は、ＦＲ−４基板１７上に電極ライン５と、この電極ライン５を両サイドから挟みながら互いに平行に形成される接地導体６とからなるコプレーナ線路２９が形成され、電極ライン５の端部には、ＦＲ−４基板１７を貫通するビア２６が形成され、さらに、ビア２６の内側面には電極ライン５に接続される導体層２８が形成されている。また、ＦＲ−４基板１７の下面側には、ビア２６の周囲を除くほぼ全面にベタ導体層（図示せず）が形成され、このベタ導体層はグランドビア７を介して接地導体６と接続されている。さらに、グランドビア７は、ビア２６を囲むように複数配置され、電極ライン５の左右にも複数配置されている。
さらに、ＦＲ−４基板１７の下面には金属板４が図示しないベタ導体層を介して貼設されている。この金属板４を備えることで、ＦＲ−４基板１７の機械的強度が向上する。さらに、金属板４には、コネクタ１２をネジ止めするためのネジ穴（図示せず）が形成されている。
また、同軸線路８は、導体芯線９と、この導体芯線９を取り囲むフッ素樹脂等の合成樹脂からなる絶縁体１１（誘電体）と、外周導体１３により構成されている。さらに、この同軸線路８の端部にコネクタ１２が取り付けられており、このコネクタ１２は、ネジ穴（図示せず）が形成されたフリンジ部２７を備えており、このフリンジ部２７が図示しないネジにより金属板４に固定されている。
そして、従来のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造１６においては、電極ライン５と導体芯線９の接続部分近傍において、導体芯線９の周囲に複数のグランドビア７が形成されて擬似同軸線路が構成されることで、同軸線路８との特性インピーダンスが略一定に保たれるようになっている。
さらに、同軸線路８の金属板４に挿入される部分は外周導体１３が除去され絶縁体１１が裸出した状態となり、さらに、その上方側の,ＦＲ−４基板１７に形成されるビア２６に挿入される部分の同軸線路８は、絶縁体１１が除去されて導体芯線９のみとなっている。そして、このような裸出状態の導体芯線９と電極ライン５とは、ビア２６の内側面に形成される導体層２８を介して接続されており、ＦＲ−４基板１７の上面側の導体層２８の端面と、導体芯線９の端部とは、はんだ１０により接合されている。
なお、同軸線路８の外周導体１３は、金属製のコネクタ１２、及び、金属板４、及び、金属板４と接触する接地用のベタ導体層（図示せず）、及び、グランドビア７を介して接地導体６に接続されている。
このような、図１４（a）、（ｂ）に示すようなコプレーナ線路と同軸線路の接続構造１６及びそれを用いた高周波用パッケージ１５によれば、擬似同軸線路を構成する誘電体（ＦＲ−４基板１７（樹脂基板））と同軸線路８を構成する絶縁体１１（誘電体；フッ素樹脂）の誘電率はほぼ一定になるので、高周波信号をスムースに伝送することができるという効果を有する。

伝送線路（コプレーナ線路）と同軸コネクタを接続する他の例として、特許文献１には「マイクロストリップ線路と同軸線路との接続構造」という名称で、マイクロ波回路に使用されるマイクロストリップ線路と同軸線路との接続構造に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示される発明は、文献中に記載される符号をそのまま用いて説明すると、マイクロストリップ線路と同軸線路との接続構造において、同軸線路の中心導体１４ａとマイクロストリップ線路の誘電体基板１１との間、または中心導体１４ａと誘電体基板１１および導電性基板１３の両基板との間に位置する誘電体のうち、中心導体１４ａと線路導体１２側の導電性基板１３面とを結ぶ領域の少なくとも一部１４ｃの誘電率を、これと反対側の領域の誘電率より大きくすることを特徴とするものである。
このような特許文献１に開示される発明によれば、伝送変換損失が少ないマイクロストリップ線路と同軸線路との接続構造を提供することができるという効果を有する。

特開平６−３７５１６号公報

一般に、アルミナに代表されるセラミックスは、樹脂基板に比べて誘電損失が少なく、高熱伝導率で、耐熱性と耐久性を有しているため、これらの特性が要求される回路基板に適用されている。
しかしながら、図１４に示すような従来のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造１６においては、誘電体基板としてＦＲ−４基板１７（樹脂基板）よりも誘電率の高いセラミックス（例えば、アルミナセラミックス）をそのまま用いると、擬似同軸線路を構成する誘電体（セラミックス）と同軸線路８を構成する絶縁体１１（誘電体；フッ素樹脂）の誘電率が異なるので、これらの誘電率の違いに起因するインピーダンスの不整合により高周波信号の反射が発生し、効率的に高周波信号を伝送できないという課題があった。
この場合、誘電体基板であるセラミックス基板を貫通する導体芯線９と、この導体芯線９を囲むように形成されるグランドビア７の距離を離すことで（大きくすることで）擬似同軸線路と同軸線路８の特性インピーダンスを略一定に保つことは可能である。
しかしながら、この場合、グランドビア７を導体芯線９から大きく離す必要があるため、このような接続構造を備えた場合、例えば、高周波用パッケージの小型化に不利になる。また、グランドビア７を導体芯線９から離すことは、高周波信号の伝送にも不利になる。さらに、この場合、外周導体１３の直径とグランドビア７の直径の差が大きくなり過ぎて伝送特性の面で不利になるという不都合もあった。

特許文献１に開示される発明のような、中心導体を囲む誘電体のうち一部の領域の誘電率を反対側の領域の誘電率より大きくする構造では、誘電体の構造が複雑になるという課題があった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものでありその目的は、従来の樹脂製の誘電体基板に接続されることを前提に設計された同軸線路（同軸コネクタ）と、セラミックからなる誘電体基板上に形成される高周波伝送線路（コプレーナ線路）を接続する場合に高周波信号の反射損失を抑制することができ、かつ構造が単純で低コスト化及び量産化が可能なコプレーナ線路と同軸線路の接続構造及びそれを備えた高周波用パッケージを提供することにある。

上記目的を達成するため請求項１記載の発明であるコプレーナ線路と同軸線路の接続構造は、セラミックスからなる誘電体基板と、この誘電体基板の下面を被覆する金属板と、誘電体基板の上面に形成される電極ラインと,この電極ラインを挟んで互いに平行に形成される接地導体と,からなるコプレーナ線路と、誘電体基板と金属板との間に介設されるベタ導体層と、接地導体とベタ導体層を導通すべく誘電体基板を貫通して形成されるグランドビアと、導体芯線とその外側面を被覆する絶縁体とこの絶縁体の外側面を被覆する外部導体とにより形成される同軸線路とを有し、同軸線路の一の端部は、前記導体芯線が裸出した状態で誘電体基板を貫通して電極ラインに接続され、電極ライン側に配置される外周導体の端部は金属板に接続され、誘電体基板は、導体芯線と電極ラインの接続部分を中心とする切欠き部を備え、導体芯線の側面の一部は、切欠き部に裸出していることを特徴とするものである。
上記構成の発明において、誘電体基板をセラミックスにより構成することで、誘電体基板の耐熱性及び耐久性を向上させるという作用を有する。また、金属板はセラミックス製の誘電体基板を補強するとともに、外部からのノイズを遮断するという作用を有する。さらに、ベタ導体層は誘電体基板に金属板を接合するとともに、金属板と共同して外部からのノイズを遮断するという作用を有する。
そして、コプレーナ線路は、誘電体基板の平面方向に高周波信号を伝送するという作用を有する。加えて、誘電体基板に挿通される導体芯線の周囲を囲むように形成される接地導体と、グランドビアとは、導体芯線の周囲に擬似同軸構造を形成して、同軸構造との特性インピーダンスの不連続を緩和するという作用を有する。
通常、誘電体基板としてセラミック基板を用いたコプレーナ線路に従来公知の同軸構造（コネクタ）を接続する場合、同軸線路を構成する導体芯線は誘電率の低い例えば、樹脂製の絶縁体から誘電率の高いセラミックス製の誘電体基板を通って電極ラインに接続されることになる。この場合、セラミックス製の誘電体基板の厚み部分に形成される擬似同軸構造の特性インピーダンスは、誘電体として絶縁体（例えば、フッ素樹脂等）を用いた同軸構造の特性インピーダンスよりも低下するので、セラミックス製の基板と樹脂製の絶縁体の境界で特性インピーダンスの不連続による高周波信号の反射損失が発生してしまう。
このような事情に鑑み、請求項１記載の発明においては、コプレーナ線路を構成する電極ラインとの接続部分近傍において導体芯線の周囲を取り囲むセラミックス製の誘電体基板の一部を切り欠いて切欠き部を形成し、この切欠き部に導体芯線を裸出させている。この結果、セラミックス製の誘電体基板の厚み部分に形成される擬似同軸構造の特性インピーダンスを樹脂製の絶縁体を備えた同軸線路の特性インピーダンスに近づけるという作用を有する。また、これにより、この部分に特性インピーダンスの不連続を緩和するという作用を有する。

請求項２記載の発明であるコプレーナ線路と同軸線路の接続構造は、請求項１記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造であって、導体芯線と電極ラインの接続部分を中心とする切欠部の角度θは、９０°≦θ≦２７０°であることを特徴とするものである。
上記構成の発明は、請求項１記載の発明と同じ作用に加えて、セラミックスの誘電率に応じて導体芯線と電極ラインの接続部分を中心とする切欠部の角度θを９０°≦θ≦２７０°とすることで、導体芯線,誘電体基板及びグランドビアからなる擬似同軸構造における特性インピーダンスを、それに接続される同軸線路における同軸構造の特性インピーダンスに整合させるという作用を有する。

請求項３記載の発明であるコプレーナ線路と同軸線路の接続構造は、請求項１又は請求項２に記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造であって、誘電体基板の比誘電率εは８≦ε≦１０であり、角度θは、θ＝１８０°であることを特徴とするものである。
上記構成の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明と同じ作用を有する。
また、従来、誘電体基板として用いられてきたＦＲ−４基板の誘電率が４．６であるため、請求項３記載の誘電体基板を構成するアルミナ等を主成分とするセラミックスの誘電率が８〜１０である場合に、切欠き部の角度θ＝１８０゜とすることで、コプレーナ線路を構成する電極ラインと導体芯線の接続部分近傍における擬似同軸構造と、同軸構造との特性インピーダンスを整合させるという作用を有する。この場合、切り欠き部を形成するには、誘電体基板を単に一直線に切断すればいいので、請求項３記載の発明の生産性を高めるという作用を有する。

請求項４記載の発明であるコプレーナ線路と同軸線路の接続構造は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造であって、電極ラインと導体芯線の接続部分近傍における電極ラインは、角度θを二等分する直線上に形成されることを特徴とするものである。
上記構成の発明によれば、請求項１乃至請求項３のそれぞれに記載の発明の作用が、広い周波数帯域において得られるという作用を有する。

請求項５記載の発明である高周波用パッケージは、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造を備えたことを特徴とするものである。
上記構成の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造を備えるものであり、請求項１乃至請求項４のそれぞれに記載の発明と同じ作用を有する。この結果、誘電体基板が耐熱性と耐久性を有し、かつ、コプレーナ線路と同軸線路の接続部分における高周波信号の伝送損失の少ない高周波用パッケージを提供するという作用を有する。

本発明の請求項１記載の発明によれば、誘電体基板に耐熱性と耐久性を付与するとともに、電極ラインと導体芯線の接続部分において高周波信号の伝送損失が生じるのを抑制することができるという効果を有する。
また、誘電体基板として比誘電率εの高いセラミックスを用いても、誘電率の違いに起因するインピーダンスの不整合により高周波信号の反射が発生し、効率的に伝送できなくなるという問題を解消することができるという効果を有する。

本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明と同じ効果に加えて、誘電体基板として使用するセラミックスの誘電率に応じて切欠き部の角度を変えることで、電極ラインと導体芯線の接続部分における特性インピーダンスを５０Ωに近づけることができるという効果を有する。
この結果、請求項２記載の発明を備える高周波用電子部品の特性インピーダンスを他の高周波用電子部品の特性インピーダンスと整合させることができるという効果を有する。従って、請求項２記載の発明の汎用性を高めることができるという効果を有する。

本発明の請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のそれぞれの発明と同じ効果に加えて、誘電性基板としてアルミナセラミックス、ガラスセラミックス等を用いることができる。このため、誘電体基板と、電極ライン、接地導体、グランドビアを同時焼成により形成することができる。
また、切欠部の角度θを１８０°にすることで、切欠きの形成を容易にすることができるという効果も有する。
この結果、請求項３記載の発明の製造工程を簡素にすることができるという効果を有する。

本発明の請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のそれぞれに記載される作用が広い周波数帯域において得られるという作用を有する。
この結果、請求項４記載の発明を含む電子部品の設計を容易にすることができ、高性能で信頼性の高い電子部品を提供することができるという効果を有する。

本発明の請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４記載のいずれか１項に記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造を備えたものであり、請求項１乃至請求項４に記載のそれぞれの発明と同じ効果を有する。
この結果、誘電体基板が耐熱性及び耐久性を有し、かつ、導体芯線と電極ラインの接続部分における高周波信号の伝送損失の少ない高品質な高周波用パッケージを提供することができるという効果を有する。

（ａ）は実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造及びそれを用いた高周波用パッケージの部分平面図であり、（ｂ）は実施例１に係る高周波用パッケージの部分斜視図である。 図１中のＡ−Ａ線矢視断面図である。 一般的な同軸線路の断面図である。 図３に示す同軸線路において内部導体の外周を囲む絶縁体を他の材料に換えた場合の比誘電率εと特性インピーダンスＺ_０の関係を示すグラフである。 図３に示す同軸線路における絶縁体を９６％アルミナと空気を組み合わせて構成した場合の断面の様子を示す概念図である。 図５に示すような同軸線路において９６％アルミナが占有する角度θ_aを変化させた場合の特性インピーダンスＺ_０の変化を示すグラフである。 グランドビアを用いた擬似同軸構造の断面図である。 図７に示す擬似同軸線路において信号ビアの外周を囲む絶縁体を他の材質に換えた場合の比誘電率εと特性インピーダンスＺ_０の関係を示すグラフである。 図７に示す擬似同軸構造における絶縁体に９６％アルミナを用い、その一部を切欠いた際に残存するアルミナの中心角度の変化と特性インピーダンスの関係を示すグラフである。 図７に示す擬似同軸構造において絶縁体を信号ビアを中心に１８０°切欠いた状態における絶縁体の比誘電率εと特性インピーダンスＺ_０の関係を示すグラフである。 （ａ）は実施例２に係る高周波用パッケージの部分平面図であり、（ｂ）は実施例２に係る高周波用パッケージの部分斜視図である。 （ａ）は実施例２に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造において導体芯線近傍の電極ラインが切欠きの切欠き角度θの二等分線上にない場合の一例を示す平面図であり、（ｂ）はその斜視図である。 i）〜iv）のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造においてインピーダンスのマッチング状態をシミュレーションした結果を示すグラフである。 （ａ）は誘電体基板にＦＲ-４基板（樹脂基板）を用いた場合のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造の一例を示す部分平面図であり、（ｂ）はその部分概念図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造及びそれを用いた高周波用パッケージについて実施例１及び実施例２を参照しながら詳細に説明する。

実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造及びそれを用いた高周波用パッケージについて図１乃至１０を参照しながら詳細に説明する。（特に請求項１、請求項２、請求項４、請求項５に対応。）
図１（ａ）は実施例１に係る高周波用パッケージの部分平面図であり、（ｂ）は実施例１に係る高周波用パッケージの部分斜視図である。また、図２は図１中のＡ−Ａ線矢視断面図である。
図１（ａ）,（ｂ）及び図２に示すように、実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ａは、セラミックス製の誘電体基板３の上面に、電極ライン５及びこの電極ライン５を挟んで互いに平行に形成される接地導体６、並びに、この接地導体６上に誘電体基板３の厚み方向を貫通して形成されるグランドビア７とからなるコプレーナ線路２９が形成され、誘電体基板３の下面側には金属板４が図示しないベタ導体層を介して貼設され、さらに、この金属板４にコネクタ１２を備えた同軸線路８が図示しないネジ等で固定されるものである。
また、同軸線路８は、ＦＲ−４基板用の従来公知の同軸線路であり、高周波信号を伝送するためのケーブル状の導体芯線９の外側面が絶縁体１１（誘電体：フッ素樹脂）により被覆され、この絶縁体１１の外側面がさらに外周導体１３により被覆されたものである。
そして、同軸線路８の端部は、外周導体１３が除去されて絶縁体１１が裸出した状態で金属板４に挿設され、このような同軸線路８から、さらに、絶縁体１１が除去された導体芯線９のみが誘電体基板３に形成されるビア２６に挿設されている。
他方、誘電体基板３に形成されるビア２６の内側面には、導体層２８が形成されており、ビア２６内に挿通される導体芯線９の端部は、この導体層２８を介して誘電体基板３に固定され、さらに、誘電体基板３上に形成される電極ライン５の端部と,ビア２６内に挿通される導体芯線９の端部と,ビア２６内側面に形成される導体層２８の上端部は、はんだ１０により接合されている。
さらに、誘電体基板３には、導体芯線９を取り囲む誘電体基板３の一部が導体芯線９を中心に切り取られた切欠き１４ａが形成され、導体芯線９の側面の一部は切欠き１４ａに裸出している。
なお、電極ライン５側に配置される同軸線路８の外周導体１３の端部は、金属板４に接続されている。つまり、同軸線路８の外周導体１３は、金属製のコネクタ１２、及び、金属板４と接触するベタ導体層（図示せず）、及び、グランドビア７を介して接地導体６に電気的に接続されている。

ここで一般的な同軸線路における特性インピーダンスについて説明する。
図３は一般的な同軸線路の断面図である。
図３に示すように、直径ｄ_１を有する内部導体１９の周囲に、この内部導体１９を中心とする、直径Ｄを有する絶縁体２０を備え、さらに、この絶縁体２０の外側面を外周導体１３により被覆してなる同軸線路１８の特性インピーダンスＺ_０は以下に示す数式１により求められる。

そして、絶縁体２０をＦＲ−４基板以外に、例えば、空気や、９６％アルミナに構成した場合の特性インピーダンスＺ_０（Ω）を上記数式１により求めたものを、比誘電率εを横軸として座標軸上にプロットしたものが図４である。ただし、内部導体１９の直径ｄ_１をｄ＝０.５ｍｍ、絶縁体２０の直径ＤをＤ＝２.８ｍｍであるとする。また、絶縁体２０の比誘電率をεとする。
図４は図３に示す同軸線路において内部導体の外周を囲む絶縁体を他の材料に換えた場合の比誘電率εと特性インピーダンスＺ_０の関係を示すグラフである。
図４に示すように、図３に示す同軸線路１８の特性インピーダンスＺ_０は、空気、ＦＲ−４基板、９６％アルミナの順で高い値を示すのに対して、比誘電率εは、９６％アルミナ、ＦＲ−４（合成樹脂）、空気の順で高くなっている。
通常、高周波用の電子部品の特性インピーダンスＺ_０は、概ね５０Ωになるよう調整されているため、内部導体１９の周囲を単一の材質のみで囲む場合には絶縁体２０としてＦＲ−４が最も適しているといえる。

他方、上記数式１からも明らかなように、図３に示すような同軸線路１８の特性インピーダンスＺ_０は、内部導体１９の直径ｄ_１、及び、絶縁体２０の直径Ｄが一定の場合、絶縁体２０を構成する材料の比誘電率εにより決まると言え、比誘電率εが大きいほど同軸線路１８の特性インピーダンスＺ_０は小さくなる。
ここで発明者は、鋭意研究の結果、絶縁体２０を単一の材料で構成する代わりに、比較的大きな比誘電率εを有する材質と,比較的小さな比誘電率εを有する材質を組み合わせて用いることによっても、同軸線路１８の特性インピーダンスを５０Ωに近似させることができることを見出した。
より具体的には、同軸線路１８の断面における絶縁体２０の一部を、例えば９６％アルミナで構成し、他の一部を空気により構成することで、すなわち、同軸線路１８の断面の状態を不均一にすることでその特性インピーダンスを５０Ωに近似させることができることを見出したのである。
しかもこの場合、絶縁体２０の一部を空気で構成するため、実質的には絶縁体２０は一部を切欠いた９６％アルミナで構成されることになる。そして、９６％アルミナはＦＲ−４よりも耐熱性や耐久性の点で優れているので、同軸線路１８の耐熱性及び耐久性を向上することができる。

次に、図３に示す同軸線路１８の絶縁体２０を不均一にした場合の特性インピーダンスの変化、すなわち、同軸線路１８の絶縁体２０を、例えば、９６％アルミナと空気により構成した場合の特性インピーダンスの変化について説明する。
図５は図３に示す同軸線路における絶縁体を９６％アルミナと空気を組み合わせて構成した場合の断面の様子を示す概念図である。なお、図３に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
図５に示すような断面が不均一同軸線路１８では、内部導体１９を中心とする角度θ_aｌの部分が９６％アルミナ２１により構成され、残りの（３６０°−θ_aｌ）の部分が空気２２より構成されている。
そして、図５に示すような同軸線路１８においてアルミナが占有する角度θ_aｌを０°から３６０°まで９０°ずつ増加させた際の特性インピーダンスＺ_０のシミュレーション結果は、図６に示す通りである。
図６は図５に示すような同軸線路において９６％アルミナが占有する角度θ_aを変化させた場合の特性インピーダンスＺ_０の変化を示すグラフである。
図６中の黒く塗りつぶした四角で示されるように、同軸線路１８において９６％アルミナ２１が占有する角度θ_aｌがθ_aｌ＝０°の場合、その特性インピーダンスＺ_０は、絶縁体２０の全てが空気２２により構成された場合の特性インピーダンスＺ_０と一致し、その後、９６％アルミナ２１が占有する角度θ_aｌが増加するにつれ、同軸線路１８の特性インピーダンスは曲線を描きながら徐々に低下し、最終的には絶縁体２０の全てを９６％アルミナ２１で構成した場合の特性インピーダンスＺ_０に一致する。
上述のようなシミュレーションにより得られた数値を結ぶ曲線を９６％アルミナ２１の占有角度θ_aｌ（°）と、空気２２の占有角度θ_air（°）＝（３６０°−θ_aｌ）を用いて近似式で表わすと、以下に示す数式２となる。
なお、以下の数式２において、Ｚ_airは、絶縁体２０の全てを空気２２で構成した場合の特性インピーダンスであり、Ｚ_aｌは、絶縁体２０の全てを９６％アルミナ２１で構成した場合の特性インピーダンスである。

さらに、上記数式２中のθ_aｌにθ_aｌ＝０°,９０°,１８０°,２７０°,３６０°を代入して得られる特性インピーダンスＺ_０は図６中において黒く塗り潰した三角で示した。
図６から明らかなように、同軸線路１８における９６％アルミナ２１の占有角度θ_aｌを変化させた場合のシミュレーション結果と、数式２に数値を代入して得られた数値を図６のグラフ上にプロットしてそれぞれをつないだ曲線は概ね一致している。

しかしながら特性インピーダンスＺ_０を検討すべき場所は、実際には誘電体基板中であるため、一般的な同軸線路１８のように絶縁体２０の外部を外周導体１３で完全に囲うことは不可能である。そこで、誘電体基板中に形成される内部導体１９としての信号ビアから一定間隔離れた位置で,かつ, 信号ビアを中心とする一定角度毎にそれぞれグランドビアを設けることで擬似同軸構造としている。
ここで擬似同軸構造における特性インピーダンスＺ_０について検討する。
図７はグランドビアを用いた擬似同軸構造の断面図である。なお、図３乃至図６に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
図７に示すように、擬似同軸構造２３は、絶縁体２０からなる誘電体基板に直径ｄ_２を有する信号ビア２４が設けられ、この信号ビア２４から一定の距離で,かつ,この信号ビア２４を中心とする角度４５°毎に１つずつ直径Ｐのグランドビア２５が形成されたものである。
図７に示す擬似同軸構造２３において、絶縁体２０を空気２２、ＦＲ−４基板、９６％アルミナ２１に変えた場合のそれぞれの材質の比誘電率εと特性インピーダンスＺ_０の関係についてシミュレーションを実施し、その結果を図８に示した。
なお、このシミュレーションにおいては、図７中における信号ビア２４の直径ｄ_２をｄ_２＝０.５ｍｍ、信号ビア２４の中心からグランドビア２５までの距離ＱをＱ＝２.８ｍｍ、グランドビア２５の直径ＰをＰ＝０.５ｍｍにそれぞれ設定した。

図８は図７に示す擬似同軸線路において信号ビアの外周を囲む絶縁体を他の材質に換えた場合の比誘電率εと特性インピーダンスＺ_０の関係を示すグラフである。
図８に示すように、図７に示す擬似同軸線路２３において信号ビア２４の外周を囲む絶縁体２０を他の材質に換えた場合、図３に示す同軸線路１８とほぼ同じ結果が得られた。
従って、図７に示す擬似同軸構造２３は図３に示す同軸線路１８と同等の作用・効果を有すると言える。
つまりこのことは、図７に示す擬似同軸構造２３の絶縁体２０としてＦＲ−４に代えて、９６％アルミナ２１及び空気２２を組み合せたもの用いることができることを意味している。
具体的には、図７に示す擬似同軸構造２３において、絶縁体２０を例えば９６％アルミナ２１により構成し、信号ビア２４から一定（少なくとも距離Ｐ以上）まの領域の９６％アルミナ２１の一部をグランドビア２５を含んだ状態で、信号ビア２４を中心とする切欠き角度を形成しながら切り欠くことで、擬似同軸構造２３における特性インピーダンスＺ_０を、絶縁体２０にＦＲ−４を用いた場合の特性インピーダンスＺ_０（Ｚ_０＝５０Ω）に近似させることができる。
なお、図７に示す擬似同軸構造２３を構成する絶縁体２０の一部を空気に置換する場合、別の言葉で言い換えると、図７に示す擬似同軸構造２３を構成する絶縁体２０の一部を切り欠く場合、その最少単位は、信号ビア２４を中心とする切欠き角度が４５°となる領域で,かつ,その切欠き角度の二等分線上にグランドビア２５の中心が配置される領域とする。
つまり、図７に示す擬似同軸構造２３の一部を切欠いて空気に置換する場合、グランドビア２５を含む領域を、信号ビア２４を中心とする切欠き角度４５°を最少切欠き単位として切り取ればよい。

図７に示す擬似同軸構造２３の絶縁体２０を９６％アルミナ２１により構成し、さらに、この擬似同軸構造２３から上述の条件を満たしながら９６％アルミナ２１の一部を信号ビア２４を中心に角度４５°ずつ切欠いた場合の特性インピーダンスＺ_０の変化をシミュレーションして得られた数値を座標軸上にプロットしたものが図９である。なお、図７に示す擬似同軸構造２３において、絶縁体２０の９６％アルミナ２１の一部が切欠かれた領域には、グランドビア２５を形成することができないので、切欠き部分はグランドビア２５を備えないという設定でシミュレーションを実施している。
図９は図７に示す擬似同軸構造における絶縁体に９６％アルミナを用い、その一部を切欠いた際に残存するアルミナの中心角度の変化と特性インピーダンスの関係を示すグラフである。なお、シミュレーションによって得られた値は黒く塗りつぶした四角で示した。また、併せて先に述べた数式２のθ_aｌにθ_aｌ＝０°,９０°,１８０°,２７０°,３６０°を代入して得られる特性インピーダンスＺ_０をそれぞれ黒く塗り潰した三角で示した。
図９からも明らかなうに、図７に示す擬似同軸構造における絶縁体２０に９６％アルミナを用いその一部を切欠いた際の特性インピーダンスＺ_０と、数式２に所望の数値を代入して得られる特性インピーダンスＺ_０はほぼ一致しているといえる。
したがって、図７に示すような擬似同軸構造２３における絶縁体２０をＦＲ−４よりも比誘電率εが高い材料（例えば、セラミックス）とＦＲ−４よりも比誘電率εが低い材料（例えば、空気）とによる不均一な構成とすることで、絶縁体２０にＦＲ−４を用いた場合の特性インピーダンスに近づけることができるという効果を有する。
具体的には、図７に示すような擬似同軸構造２３における絶縁体２０をＦＲ−４よりも比誘電率εが高い材料（例えば、セラミックス）で構成する場合、絶縁体２０を信号ビア２４を中心に９０°〜２７０°の範囲内で切欠いて（ただし、切欠き部を増加させる際の最小単位は、信号ビア２４を中心とし、かつ、グランドビア２５を含む角度４５°の範囲。）空気に置換することで、その特性インピーダンスを絶縁体２０にＦＲ−４を用いた場合の特性インピーダンスに近づけることができる。

また、図９に示すように、図７に示す擬似同軸構造２３において９６％アルミナ２１からなる絶縁体２０を信号ビア２４を中心に１８０°切欠いた場合に、すなわち、擬似同軸構造２３において残存する９６％アルミナ２１が信号ビア２４を中心に１８０°である場合に、擬似同軸構造２３の特性インピーダンスＺ_０は約５０Ωに近似する
。
ここで、図７に示す擬似同軸構造２３の絶縁体２０を信号ビア２４を中心に１８０°切欠いた条件下において、絶縁体２０の比誘電率を様々に変えた場合の特性インピーダンスＺ_０をシミュレーションにより求め、その結果を座標軸上にプロットしたものが図１０である。
図１０は図７に示す擬似同軸構造において絶縁体を信号ビアを中心に１８０°切欠いた状態における絶縁体の比誘電率εと特性インピーダンスＺ_０の関係を示すグラフである。
図１０に示すように、図７に示す擬似同軸構造２３において絶縁体２０を信号ビア２４を中心に１８０°切欠いた場合、比誘電率εがε＝８〜１０の範囲内にある絶縁体２０を用いることで、そのインピーダンスＺ_０を５０Ωに近似させることができる。

ここで再び図１及び図２の説明に戻るが、以上述べた理由により、実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ａ,及び,それを備えた高周波用パッケージ１ａによれば、誘電体基板３に導体芯線９を中心とする切欠きを形成することで、誘電体基板３に到達するまでの同軸線路８における特性インピーダンスと、誘電体基板３とそれを貫く導体芯線９とグランドビア７により構成される擬似同軸構造における特性インピーダンスとを整合させることができるという効果を有する。
この結果、同軸線路８から誘電体基板３上の電極ライン５に高周波信号を伝送する際に、誘電体基板３内において高周波信号の反射損失が生じるのを防止することができるという効果を有する。
加えて、実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ａ,及び,それを備えた高周波用パッケージ１ａにおいては、誘電体基板３として従来のＦＲ−４基板に代えてセラミックスを用いることが可能になるとともに、誘電体基板３とそれを貫く導体芯線９とグランドビア７により構成される擬似同軸構造をコンパクトにすることができるので、製品の耐熱性や耐久性を向上することができると同時に、従来品と同程度に製品を小型化することができるという効果を有する。

さらに、実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ａ及びそれを用いた高周波用パッケージ１ａにおいては、誘電体基板３に形成される切欠き１４ａの切欠き角度θを二等分する直線上に導体芯線９の接続部分近傍に形成される電極ライン５が配置されるよう構成してもよい。
この場合、高周波信号の周波数を上昇させた際に、実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ａにおける特性インピーダンスの変動を小さくすることができるという効果を有する。この場合、実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ａを含む電子部品の設計を容易にすることができるという効果を有する。

実施例２に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造及びそれを備えた高周波用パッケージについて図１１を参照しながら詳細に説明する。（特に、請求項３乃至請求項６に対応。）
実施例２に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造及びそれを備えた高周波用パッケージは、実施例１のそれぞれと同じ構成に加え、誘電体基板３の切欠き角度θを特定の角度にしたものである。ここでは、実施例１に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造及びそれを備えた高周波用パッケージとの相違点に重点をおいて説明する。
図１１（ａ）は実施例２に係る高周波用パッケージの部分平面図であり、（ｂ）は実施例２に係る高周波用パッケージの部分斜視図である。なお、図１又は図２に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
図１１に示すように、実施例２に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ｂ及びそれを用いたコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ｂは、誘電体基板３に形成される切欠き１４ｂの切欠き角度θをθ＝１８０°としたことを特徴とするものである。なお、図１１中のＢ−Ｂ線矢視断面図は、先の図２と同じである。
この場合、先にも述べたように、誘電体基板３として比誘電率εがε＝８〜１０のものを用いることでその特性インピーダンスを５０Ωに近づけることができるという効果を有する。

さらに、実施例２に係る誘電体基板３を特にセラミックスで構成する場合、その製造工程において、導体芯線９を誘電体基板３に接続するためのビア２６を形成した後、このビア２６の内側面に導体ペーストを印刷し,この後,これらを同時焼成して焼結させ、最後に内側面に導体層２８を備えた中空のビア２６を二等分するように誘電体基板３を切断することで、図１１に示すような切欠き１４ｂを備えた誘電体基板３を得ることができる。
この結果、実施例２に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ｂ及びそれを備えた高周波用パッケージ１ｂの生産性を大幅に向上することができるという効果を有する。

最後に、本発明の効果を検証する目的で、i）誘電体基板にＦＲ−４を用いた従来のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造（図１４を参照。）と、ii）図１４に示す従来のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造において誘電体基板を９６％アルミナ２１としたコプレーナ線路と同軸線路の接続構造と、iii）実施例２に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ｂ（ただし、導体芯線９近傍の電極ライン５は切欠き１４ｂの切欠き角度θの二等分線上に配置される。）と、iv）実施例２に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造２ｂにおいて導体芯線９近傍の電極ライン５が切欠き１４ｂの切欠き角度θの二等分線上にない場合のそれぞれにおいて高周波信号の伝送状態を比較するシミュレーションを実施した。また、上記i）〜iv）のそれぞれにおいて、誘電体基板の材質、その切欠きの有無,及び,切欠きの中心角度以外の条件は全て同一にした。
なお、上記iv）のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造は図１２に示す通りである。 図１２（ａ）は実施例２に係るコプレーナ線路と同軸線路の接続構造において導体芯線近傍の電極ラインが切欠きの切欠き角度θの二等分線上にない場合の一例を示す平面図であり、（ｂ）はその斜視図である。なお、図１,２及び図１１に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。また、図１２中のＣ−Ｃ線矢視断面図は、先の図２と同じである。
図１２に示すように、iv）のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造は、導体芯線９の近傍における電極ライン５の中心線と切欠き１４ｂの二等分線のなす角度は４５°となっている。

図１３は上記i）〜iv）のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造においてインピーダンスのマッチング状態をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１３において縦軸はＳパラメータのＳ１１を表している。
i）の場合、〜１０ＧＨｚにおいて２０ｄＢ以上のマッチングが得られ、そこから周波数の上昇に伴いマッチングはなだらかに悪化するが、２０ＧＨｚでも１８ｄＢ程度のマッチングが得られている。
ii）の場合、４ＧＨｚ程度まではi）と遜色ないがそこから急に悪化し、１０ＧＨｚ以上では１０ｄＢ以下となる。
iii）の場合、２０ＧＨｚまで周波数の上昇に伴い緩やかに悪化するが、１０ＧＨｚでは２０ｄＢ、２０ＧＨｚでも１２ｄＢと良好なマッチングが得られている。
iv）の場合、周波数に対する挙動が他とは異なっている。１０ＧＨｚまでは比較的なだらかな悪化をするが、１０〜１７ＧＨｚまではほぼ平坦に１８〜２０ｄＢ程度のマッチングが得られる。その反面、１７ＧＨｚ以上の周波数ではマッチングが急激に悪化する。
i）と比較すれば、iii）が最も望ましく、次いでii）、最後にiv）の順になる。

従って、図１２に示すようなシミュレーション結果から、導電体基板として９６％アルミナ２１（比誘電率εがε＝８〜１０であるセラミックス。）を用い、導体芯線を中心にその一部を切欠く（切欠き角度θが９０°から２７０°の範囲内）ことで、高周波信号の良好な伝送特性を示すコプレーナ線路と同軸線路の接続構造を提供することができるといえる。また、特に、誘電体基板上に形成されかつ導体芯線の近傍における電極ラインを誘電体基板の切欠き角度の二等分線上に配置することで、高周波信号の伝送特性を良好にすることができると言える。

以上説明したように、本発明は同軸線路の導体芯線から誘電体基板上のコプレーナ線路に高周波信号を伝送する際の反射損失の発生を抑制するとともに、誘電体基板が耐熱性及び耐久性を有するコプレーナ線路と同軸線路の接続構造およびそれを備えた高周波用パッケージであり、高周波信号を用いる電子部品の分野において利用可能である。

１ａ,１ｂ…高周波信号用パッケージ ２ａ,２ｂ…コプレーナ線路と同軸線路の接続構造 ３…誘電体基板 ４…金属板 ５…電極ライン ６…接地導体 ７…グランドビア ８…同軸線路 ９…導体芯線 １０…接合材 １１…絶縁体 １２…コネクタ １３…外周導体 １４ａ,１４ｂ…切欠き １５…高周波用パッケージ １６…接続構造 １７…ＦＲ−４基板 １８…同軸線路 １９…内部導体 ２０…絶縁体 ２１…９６％アルミナ ２２…空気 ２３…擬似同軸構造 ２４…信号ビア ２５…グランドビア ２６…ビア ２７…フリンジ部 ２８…導体層 ２９…コプレーナ線路

Claims (5)

1. セラミックスからなる誘電体基板と、
   この誘電体基板の下面を被覆する金属板と、
   前記誘電体基板の上面に形成される電極ラインと,この電極ラインを挟んで互いに平行に形成される接地導体と,からなるコプレーナ線路と、
   前記誘電体基板と前記金属板との間に介設されるベタ導体層と、
   前記接地導体と前記ベタ導体層を導通すべく前記誘電体基板を貫通して形成されるグランドビアと、
   導体芯線とその外側面を被覆する絶縁体とこの絶縁体の外側面を被覆する外部導体とにより形成される同軸線路とを有し、
   前記同軸線路の一の端部は、前記導体芯線が裸出した状態で前記誘電体基板を貫通して前記電極ラインに接続され、
   前記電極ライン側に配置される前記外周導体の端部は前記金属板に接続され、
   前記誘電体基板は、前記導体芯線と前記電極ラインの接続部分を中心とする切欠き部を備え、
   前記導体芯線の側面の一部は、前記切欠き部に裸出していることを特徴とするコプレーナ線路と同軸線路の接続構造。
2. 前記導体芯線と前記電極ラインの接続部分を中心とする前記切欠部の角度θは、９０°≦θ≦２７０°であることを特徴とする請求項１記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造。
3. 前記誘電体基板の比誘電率εは８≦ε≦１０であり、
   前記角度θは、θ＝１８０°であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造。
4. 前記電極ラインと前記導体芯線の接続部分近傍における前記電極ラインは、前記角度θを二等分する直線上に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のコプレーナ線路と同軸線路の接続構造を備えた高周波用パッケージ。