JP2011010242A - 高周波基板および高周波モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 外部からの不要電磁波の混入、外部への電磁波の放射を防止するとともに、内部における不要な共振の影響を抑制した優れた伝送特性を有する高周波基板および高周波モジュールを提供することである。
【解決手段】 ＭＭＩＣに、積層型導波管線路である接続用導波管接続し、ＭＭＩＣと接続用導波管とは、ボンディングワイヤ、マイクロストリップ線路，変換部を介して接続する。保護部材は、その収容空間内に、ＭＭＩＣ、ボンディングワイヤ、変換部、マイクロストリップ線路を収容する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主としてマイクロ波帯およびミリ波帯で用いる高周波素子を実装するための高周波基板および高周波モジュールに関する。

マイクロ波よりも高い周波数の電磁波、例えば２０ＧＨｚ以上の準ミリ波およびミリ波を利用する無線通信が、大容量のデータを伝送するための手段として、以前から注目され、研究開発が進められている。特に６０ＧＨｚ帯では、世界共通で、広い帯域が通信向けに割り当てられており、このような６０ＧＨｚ帯の電磁波を利用する無線通信は、現在実用化され、光ファイバ通信に代えて、事業所間通信などに用いられ、普及しつつある。また、自動車の安全運転をサポートするものとして、ミリ波帯を用いたレーダーシステムが一般の乗用車に搭載されるようにもなっている。

これらの通信システムで使用される高周波基板には、より広帯域化、小型、多機能、耐不要ノイズ、かつ安価であることの要求が高く、これらの要求に応えるべく、基板の多層化で対応してきた。特に小型化が可能な高誘電率材料であるセラミックスを誘電体層とする多層配線基板は、配線金属との同時焼成技術を用いることで基板の多層化を実現してきた。

このような高周波基板には、複数の高周波デバイスが実装され、それらが高周波デバイスと伝送線路との変換部を介して、伝送線路と接続されることにより高周波回路として動作する。高周波デバイスは、外部から到来する干渉信号の混入を防ぎ、また外部からの水蒸気、侵食性ガス等から高周波デバイスを保護するため、金属キャップや、金属メッキまたは金属メタライズを施したセラミック壁およびカバーなどの保護部材で周囲を囲んで封止される。高周波デバイス自体がパッシベーション絶縁膜で保護される場合もある。

従来は、高周波デバイスに接続される伝送線路にはマイクロストリップ線路、コプレナー線路およびストリップ線路等の金属配線による平面回路が用いられており、上記のように、外部から到来する干渉信号の混入を防ぐこと、外部への電磁波の放射を防ぐことを目的とした場合、高周波デバイスだけではなく、平面回路を構成する金属配線も保護部材の収容空間内に収める必要がある（例えば特許文献１参照）。

特開平９−３６６１６号公報

しかしながら、特許文献１記載のように、平面回路を構成する金属配線も保護部材の内部に収容することから、収容空間が大型化してしまい、高周波デバイスから放射された電磁波の収容空間内における不要な共振が発生し、高周波信号の伝送特性が劣化するという問題点がある。

また、マイクロストリップ線路、コプレナー線路、ストリップ線路等の平面回路の信号線路を用いると、信号線路同士の結合により、信号にノイズが混入するという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部からの不要電磁波の混入、外部への電磁波の放射を防止するとともに、優れた高周波信号の伝送特性を有する高周波基板および高周波モジュールを提供することである。

本発明は、誘電体層および導電体層を積層して成り、高周波素子を実装するための高周波基板において、前記高周波素子に接続される接続体と、第１の積層型導波管線路と、第２の積層型導波管線路と、前記第１の積層型導波管線路と第２の積層型導波管線路との間に設けられる共有線路と、を備える積層型導波管であって、前記第１の積層型導波管線路は、前記接続体に接続された副線路部であって、誘電体層と、該誘電体層を挟んで厚み方向に対向する一対の副線路部主導体層と、この一対の副線路部主導体層を厚み方向に電気的に接続する側壁形成用ビアホール導体群とを含む副線路部と、該副線路部に接続された主線路部であって、前記副線路部の誘電体層よりも厚い誘電体層と、該誘電体層を挟んで厚み方向に対向する一対の主線路部主導体層と、この一対の主線路部主導体層を厚み方向に電気的に接続する側壁形成用ビアホール導体群とを含む主線路部と、前記一対の副線路部主導体層の一方の層と、前記一対の主線路部主導体層の一方の層とが一体的に形成されて成り、前記接続体と電気的に接続される変換部と、を備え、前記第２の積層型導波管線路は、前記第１の積層型導波管線路における誘電体層のうち、少なくとも１つの誘電体層を共有し、この共有誘電体層を含む複数の誘電体層を挟んで厚み方向に対向する一対の主導体層と、この一対の主導体層を厚み方向に電気的に接続する側壁形成用ビアホール導体群と、を含み、前記一対の主導体層の一方の層が、前記変換部よりも厚み方向一方側に位置し、前記一対の主導体層の他方の層が、前記一対の副線路部主導体層の他方の層よりも厚み方向一方側に位置するように設けられ、前記共有線路部は、前記第１の積層型導波管線路および前記第２の積層型導波管線路の両方の誘電体層を挟んで厚み方向に対向する一対の共有線路主導体層と、この一対の共有線路主導体層を厚み方向に電気的に接続する側壁形成用ビアホール導体群と、を含み、前記一対の共有線路主導体層の一方の層が、前記変換部と電気的に接続され、前記一対の共有線路主導体層の他方の層が、前記一対の主導体層の他方の層と電気的に接続されて成る、積層型導波管と、１つの前記高周波素子と、前記接続体と、前記変換部とを内部に収容する収容空間を有し、前記収容空間と外部空間との間で電磁波を遮蔽する保護部材と、を備えるである。

また本発明は、上記の高周波基板に、高周波素子を実装して構成される高周波モジュールである。

本発明によれば、高周波素子は、積層型導波管に接続される。

保護部材は、収容空間と外部空間との間で電磁波を遮蔽し、１つの高周波素子と、該高周波素子に接続される接続体および変換部とを、収容空間内に収容する。

これにより、保護部材により外部からの不要電磁波によるノイズが混入を防ぐとともに、外部への電磁波放射による他の機器への悪影響を防ぐことができる。

また、高周波信号を積層型導波管により伝送することから、高周波信号が外に漏れることなく、従来の高周波基板の表面に設けた平面回路を用いる場合に比べ、優れた伝送特性を有するものとなる。

また、高周波基板の表面に平面回路を設けずに、内層に設けることから、高周波基板に実装する高周波素子等の配置の自由度が高くなり、設計の容易なものとなる。

また、高周波基板の内層にある第２の積層型導波管から高周波基板の表層までを第１の積層型導波管により導出するため、特性インピーダンスの整合のとれた、優れた高周波信号の伝送特性を有するものとなる。

さらに、保護部材は、１つの高周波素子と、表層に形成された変換部が形成された領域とのみを封止すればよいため、保護部材を小型化することができる。これにより、保護部材により形成される封止空間を小さくすることができるので、不要な共振の発生を抑制した、優れた送受信特性実現することができる。

本発明の実施の一形態である高周波基板１の構成を示す斜視図である。 図１の切断面線ＩＩ−ＩＩで切断したときの断面図である。 変換部１０の構成を説明するための図である。 変換部１０を含む接続構造を誘電体層ごとに展開した平面図である。

図１は、本発明の実施の一形態である高周波基板１の構成を示す斜視図である。なお、基板の内部およびキャップ（保護部材）の内部の構造がわかるように、内層配線、ＭＭＩＣ、ボンディングワイヤなどを実線で示した。図２は、図１の切断面線ＩＩ−ＩＩで切断したときの断面図である。

高周波基板１の表面には、受信用ＭＭＩＣ２、送信用ＭＭＩＣ３が実装されて高周波モジュールを構成しており、受信用ＭＭＩＣ２、送信用ＭＭＩＣ３をそれぞれ保護するための保護部材４，５が、保護部材４，５と基板表面とで構成される収容空間内に受信用ＭＭＩＣ２、送信用ＭＭＩＣ３を収容するように設けられている。

高周波基板１の、受信用ＭＭＩＣ２、送信用ＭＭＩＣ３が実装されている面とは反対の面において、高周波基板１は、アンテナ基板１００に積層される。

受信用ＭＭＩＣ２と送信用ＭＭＩＣ３とは、これらを接続する積層型導波管線路によって電気的に接続される。

積層型導波管線路は、誘電体層が２つの導体層とこれらを電気的に接続するビアホール導体群とで囲まれるように構成され、高周波信号を伝送させるための線路のうち、誘電体（導波管）に高周波信号を伝送させるものである。

積層型導波管線路は、第１の積層型導波管線路（以下、変換用導波管ということもある）と第２の積層型導波管線路（以下、接続用導波管という）と、共有線路部とを有する。

接続用導波管６と受信用ＭＭＩＣ２とは、ボンディングワイヤ７および第１の積層型導波管の変換部９を介して接続される。受信用ＭＭＩＣ２の図示しない接続パッドにボンディングワイヤ７の一方端が接続され、ボンディングワイヤ７の他方端が変換部９に接続される。変換部９は、接続用導波管６に一方端部６ａで接続される。

積層型導波管線路および表面配線から積層型導波管線路への変換部の詳細については、後述する。

ボンディングワイヤ７と変換部９とは、直接的に接続してもよいし、本実施形態のように、マイクロストリップ線路１１を介して接続してもよい。また、マイクロストリップ線路１１には、インピーダンス整合用のスタブ１１ａを設けることが好ましい。

接続用導波管６と送信用ＭＭＩＣ３との接続も同様に、ボンディングワイヤ８および変換部１０を介して行われる。

送信用ＭＭＩＣ３の図示しない接続パッドにボンディングワイヤ８の一方端が接続され、ボンディングワイヤ８の他方端が変換部１０に接続される。変換部１０は、接続用導波管６に他方端部６ｂで接続される。

ボンディングワイヤ８と変換部１０とは、直接的に接続してもよいし、マイクロストリップ線路１２を介して接続してもよく、マイクロストリップ線路１２には、インピーダンス整合用のスタブ１２ａを設けることが好ましい。

接続用導波管６は、その略中央部分において、基板の裏面に設けられた送信ポートに接続する積層型導波管１３（以下では、送信用導波管という）とスロット１４を介して接続している。送信用導波管１３は、送信ポート１３ａを有し、アンテナ基板１００の送信用導波管１０１の一方端と接続される。送信用導波管１０１は、アンテナ基板１００を厚み方向に貫通する貫通孔による中空導波管で実現される。送信用導波管１０１の他方端は、アンテナ基板１００の裏面に解放される開口部であり、この開口がスロットアンテナとして開口寸法に応じた周波数の高周波を放射する。

したがって、送信用ＭＭＩＣ３から出力されて接続用導波管６を伝送した高周波信号は、その一部がスロット１４を介して送信用導波管１３を伝送し送信ポート１３ａに至る。送信ポート１３ａから出力された高周波信号は、アンテナ基板１００の送信用導波管１０１を伝送し、送信用導波管１０１のスロットアンテナから放射される。

ここで、送信用ＭＭＩＣ３から送信用導波管１０１のスロットアンテナまでの高周波信号の伝送方向に沿った距離、すなわち、送信用ＭＭＩＣ３から接続用導波管６，スロット１４，送信用導波管１３，送信ポート１３ａ，送信用導波管１０１までの長さは、送信用ＭＭＩＣ３と受信用ＭＭＩＣ２との高周波信号の伝送方向に沿った距離、すなわち、送信用ＭＭＩＣ３から接続用導波管６を経て受信用ＭＭＩＣ２までの長さに比べて短くしている。これにより、送信用ＭＭＩＣ３を送信ポート１３ａの近傍に配置することができるため、伝送損失を低減することができる。このことより、ＳＮ比を改善することができ、高性能な送受信特性を実現できる。

また、送信用ＭＭＩＣ３から出力されて接続用導波管６を伝送した高周波信号の一部は、送信用導波管１３を伝送し、一部は、一方端部６ａを介して受信用ＭＭＩＣ２へと伝送される。

受信用ＭＭＩＣ２は、接続用導波管６と接続するとともに、受信した高周波信号を伝送する積層型導波管（以下では、受信用導波管という）１５にも接続される。

受信用ＭＭＩＣ２と受信用導波管１５との接続は、接続用導波管６との接続と同様に、ボンディングワイヤ１６および変換部１７を介して接続される。

受信用ＭＭＩＣ２の図示しない接続パッドにボンディングワイヤ１６の一方端が接続され、ボンディングワイヤ１６の他方端が変換部１７に接続される。変換部１７は、受信用導波管１５に一方端部１５ａで接続される。

ボンディングワイヤ１６と変換部１７とは、直接的に接続してもよいし、マイクロストリップ線路１８を介して接続してもよい。また、マイクロストリップ線路１８には、インピーダンス整合用のスタブ１８ａを設けることが好ましい。

受信用導波管１５は、受信ポート１５ｃを有し、アンテナ基板１００の受信用導波管１０２の一方端と接続される。受信用導波管１０２は、中空導波管で実現され、受信用導波管１０２の他方端は、アンテナ基板１００の裏面に解放される開口部である。この開口がスロットアンテナとして開口寸法に応じた周波数の高周波信号を受信する。

したがって、受信用導波管１０２のスロットアンテナで受信した高周波信号は、アンテナ基板１００の受信用導波管１０２を伝送し、受信ポート１５ｃを介して受信用導波管１５を伝送する。受信用導波管１５を伝送した高周波信号は、変換部１７およびボンディングワイヤ１６を経て受信用ＭＭＩＣ２に入力される。

そして、受信用ＭＭＩＣ２から受信用導波管１０２のスロットアンテナまでの高周波信号の伝送方向に沿った距離、すなわち、受信用ＭＭＩＣ２から受信用導波管１５，受信用導波管１０２までの長さは、送信用ＭＭＩＣ３と受信用ＭＭＩＣ２との高周波信号の伝送方向に沿った距離、すなわち、送信用ＭＭＩＣ３から接続用導波管６を経て受信用ＭＭＩＣ２までの長さに比べて短くしている。これにより、受信用ＭＭＩＣ２と受信ポート１５ｃとを近接配置させることができるので伝送する高周波信号のＳＮ比を高くすることができる。

このような高周波基板１の表面に保護部材４，５が配置されている。保護部材４，５を設ける目的は、外部からの不要電磁波が信号線路に結合して信号にノイズが混入することを防ぐとともに、外部へ電磁波を放射することにより、他の機器に悪影響を及ぼすことを防止するものである。保護部材４，５は、アルミニウムなどの金属からなる金属筐体によって形成するのが好ましい。保護部材４，５を金属筐体とすることによって、電磁波の遮蔽性が高く、放熱性がよくなる。また、金属筐体に限らず、樹脂筐体やセラミックス筐体の内面に金属めっきや金属メタライズを施したものでもよい。

本発明の高周波基板１は、ＭＭＩＣなどの高周波半導体デバイス同士の接続、および送受信用のアンテナ基板との接続において、積層型導波管線路および積層型導波管線路の変換部を用いている。これにより、基板表面に露出し、保護部材によって保護するべき箇所は、ＭＭＩＣ２，３、ボンディングワイヤ７，８，１６、変換部９，１０，１７、マイクロストリップ線路１１，１２，１８のみである。ＭＭＩＣ２，３同士の接続は、上記のように、基板に内層される積層型導波管線路である接続用導波管６によって成されるので、従来のような、ＭＭＩＣ２，３同士を接続する露出した平面線路が不要となっている。

また、本実施形態では、ＭＭＩＣと積層型導波管への変換部とは、ボンディングワイヤとマイクロストリップ線路を介して接続しているが、ボンディングワイヤやマイクロストリップ線路とは接続に必須の構成ではなく、たとえば、ＭＭＩＣの接続パッドから直接変換部にワイヤボンディングを施してもよい。また、ＭＭＩＣと変換部との接続をワイヤボンディングではなく、金属バンプやはんだボールなどによるフリップチップ接続であってもよい。

このように、保護部材４，５は、半導体デバイスと変換部、およびこれらを接続する接続体とをその収容空間内に収めるようにすれば十分に保護機能を実現することができる。そして、これらを収容するための収容空間は、面積が、高周波基板１表面のうち、１つの半導体デバイスと、この１つの半導体デバイスに接続する変換部と、これらを接続するための接続体がと設けられた領域であり、高さが、保護部材の高さとなるような空間である。

このような本実施形態によれば、保護部材の大きさ、すなわち保護部材の収容空間の体積を従来に比べて大幅に小さくすることができる。これにより、高周波デバイスから放射された電磁波の収容空間内における不要な共振の発生を防止することができる。

保護部材の収容空間内で生じる共振は、矩形共振器による共振と同様に考えることができる。不要な共振の発生を防止するためには、収容空間内部には１／４誘電体導波管共振器の共振モード（ＴＥ１０１モード）と類似したモードが発生するため、そのモードの最低次のモードの共振周波数を動作周波数範囲外に設定する。

ＴＥ１０１モードに類似したモードの最低次のモードの共振周波数は式（１）で与えられる。

ここで、ｆは共振周波数（ＧＨｚ）を示し、ａは矩形共振器の長手方向の寸法（ｍｍ）を示し、ｃは矩形共振器の高さ方向の寸法（ｍｍ）を示し、εｒは、共振器内の誘電体の比誘電率を示す。

式（１）からわかるように、長手方向のサイズａおよび高さ方向のサイズｃが小さければ小さいほど共振周波数は高くなる。

矩形共振器のサイズは、すなわち保護部材の収容空間の大きさと同じと考えられるので、保護部材の収容空間が小さくすることで、共振周波数を、使用動作周波数の最大周波数よりも高い周波数側に設定することもできる。

保護部材４，５を小さくするために、変換部９，１０は、全てを収容空間内に収める必要はなく、変換部９，１０上に接触するように保護部材４，５を設けることも可能である。

これにより、保護部材４，５の収容空間を小さくするとともに、変換部９，１０と保護部材４，５との間での熱移動を容易にし、ＭＭＩＣ２，３の冷却効率を向上させることができる。ＭＭＩＣ２，３で発生した熱は、実装される基板の誘電体層への移動、ボンディングワイヤを介した伝送線路への移動、空気中への放散により冷却される。ボンディングワイヤを介した伝送線路への移動において、変換部９，１０が保護部材４，５と接触することで、保護部材４，５への熱移動が生じ、保護部材４，５から空気中へ熱が放散される。

また、後述する変換用接続管の変換部の構成からも保護部材４，５を小さくすることができる。このメカニズムについては変換部の説明のときに合わせて説明する。

さらに、この実施形態のように、高周波素子が複数ある場合においては、従来のように、半導体デバイス同士を接続する平面線路が無いので、保護部材は、１つの収容空間内に２以上の半導体デバイスを収容する必要がなく、１つの収容空間につき、１つの半導体デバイスを収容することができる。

たとえば、本実施形態では、１つの保護部材４によって形成される収容空間内に、１つの受信用ＭＭＩＣ２と、変換部９，１７とを収容している。また、１つの保護部材５によって形成される収容空間には、送信用ＭＭＩＣ３と、変換部１０とを収容している。

保護部材の収容空間内に、１つの半導体デバイスのみを収容できることから、保護部材の収容空間内における半導体デバイス間の信号の結合を防止することができる。本実施形態のように、受信用ＭＭＩＣ２と送信用ＭＭＩＣ３とが実装される送受信用の高周波基板では、特に送信用ＭＭＩＣ３から出力された信号による受信用ＭＭＩＣ２への影響が大きいので、これらの高周波デバイスを個別の保護部材により、異なる収容空間に収容することで、アイソレーション性の極めて高い高周波基板を実現することができる。

なお、上述のような、送信用ＭＭＩＣ３から送信用導波管１０１のスロットアンテナまでの高周波信号の伝送方向に沿った距離、および受信用ＭＭＩＣ２から受信用導波管１０２のスロットアンテナまでの高周波信号の伝送方向に沿った距離を、送信用ＭＭＩＣ３から受信用ＭＭＩＣ２までの高周波信号の伝送方向に沿った距離に比べて短くする構成は、送信用ＭＭＩＣ３と受信用ＭＭＩＣ２との接続を高周波基板１の内部に配置された接続用導波管６を用い、更に送信用ＭＭＩＣ３と受信用ＭＭＩＣ２とを個別に保護部材４，５に収容することにより始めて実現するものである。すなわち、接続用導波管６を用いない場合には、送信用ＭＭＩＣ３と受信用ＭＭＩＣ２とを高周波基板１の表層に形成する信号線路（平面回路）で接続することとなるため、ＭＭＩＣ２，３を平面回路ごと一つの保護部材内に収容する必要が生じる。そのため、ＭＭＩＣ２，３同士の干渉を防ぐためにＭＭＩＣ２，３を十分に離間して配置すると保護部材が大きくなり共振の影響が大きくなる。一方、保護部材内の共振の影響を抑えるためにＭＭＩＣ２，３を近接配置して保護部材を小さくすると、ＭＭＩＣ２，３間の干渉が生じる。このように、ＭＭＩＣ２，３間の干渉を抑制し、かつ保護部材による共振の影響を抑制した状態で、高周波信号のＳＮ比を大きくしロスの少ない構成とするためには、接続用導波管６を基板内部に配置し、その接続用導波管６から変換部を介して基板表面に引き出した構成とし、ＭＭＩＣ２，３を個別に小さな保護部材４，５に収容することができる、本実施形態の高周波基板１の構成が必要である。

また、上述のようにＭＭＩＣ２，３と受信用および送信用導波管１０２，１０１の導波管開口との高周波信号の伝送方向に沿った距離を短くするとともに、ＭＭＩＣ２，３間の高周波信号の伝送方向に沿った距離も短くすることが好ましい。このような各要素の配置として最適な構成は、透過状態の平面視でＭＭＩＣ２，３を送受信ポート１３ａ，１５ｃの位置の内側に配置する（平面視での、送信用導波管１０１の導波管開口と受信用導波管１０２の導波管開口との間の間隔を、送信用ＭＭＩＣ３と受信用ＭＭＩＣ２との間隔に比べて長くする）ことにより得られる。このような構成も、高周波基板１の内部に配置する積層型導波管線路を用いて行なうことにより所望の距離を有するような配置とすることができる。

以上のように、本発明の高周波基板１は、保護部材４，５により外部からの不要電磁波によるノイズが混入を防ぐとともに、外部への電磁波放射による他の機器への悪影響を防ぐという従来の効果に加えて、保護部材内で生じる共振の影響を抑制した、優れた高周波信号の伝送特性を有するものとなる。

また、同じ基板上に複数の半導体デバイスが搭載されている場合には、実装されている半導体デバイス同士のアイソレーション性を極めて高くすることができるという効果を発揮する。例えば、特に送信用ＭＭＩＣと受信用ＭＭＩＣとを実装した送受信用の高周波モジュールにおいて、ＭＭＩＣ同士のアイソレーション特性を高めて、高品質な送受信特性を実現することができる。

ここで、積層型導波管線路およびその変換部について説明する。

以下、高周波基板１に設けられる複数の変換部のうち、変換部１０について説明するが、他の変換部９，１７も同様に構成することができる。

図３は、変換部１０の構成を説明するための図である。図３（ａ）は、変換部１０の平面図であり、図３（ｂ）は、マイクロストリップ線路１２と接続用導波管６との接続部分の断面図である。

高周波基板１は、複数の誘電体層が積層され、これらの誘電体層間に導体層が設けられ内層配線が形成される。たとえば、本実施形態では、複数の誘電体層３１，３２，３３，３４が、高周波基板１のＭＭＩＣが実装された表面側からこの順に積層され、誘電体層のうち、基板表面を含む誘電体層３１上に形成されるマイクロストリップ線路１２と、上側の複数の誘電体層（本実施形態では誘電体層３１，３２）を含んで形成され、マイクロストリップ線路１２と変換部１０を介して接続する第１の積層型導波管副線路部２１と、上側の誘電体層の一部（本実施形態では誘電体層３１，３２，３３）を含んで形成され、第１の積層型導波管副線路部２１と接続する第２の積層型導波管副線路部２２と、下側の複数の誘電体層（本実施形態では誘電体層３１，３２，３３，３４）を含んで形成され、第２の積層型導波管副線路部２２と接続する積層型導波管主線路部２３とが形成される。

マイクロストリップ線路１２と接続用導波管６とを接続する積層型導波管線路（変換用導波管，第１の積層型導波管線路）は、マイクロストリップ線路１２に接続され誘電体層３１を含む第１の積層型導波管副線路部２１と、第１の積層型導波管副線路部２１に接続され誘電体層３２を含む第２の積層型導波管副線路部２２と、第２の積層型導波管副線路部２２に接続され誘電体層３３を含む積層型導波管主線路部２３とから構成される。

これら各線路部の詳細な構成は後述するが、各線路部の端部がマイクロストリップ線路１２から遠ざかる方向に所定の距離ずつずれるように、階段状に設けられる。

また、変換用積層型導波管は、それぞれの線路部毎に誘電体層の厚みが異なるように構成され、具体的にはマイクロストリップ線路１２から遠ざかるにしたがって誘電体層の厚みが段階的に厚くなり、すなわち第１の積層型導波管副線路部２１における一対の主導体層に挟まれた誘電体層が最も薄く、積層型導波管主線路部２３における一対の主導体層に挟まれた誘電体層が最も厚くなっている。

マイクロストリップ線路１２は、誘電体層３１を厚み方向に挟んで対向するストリップ導体１２ｂとグランド（接地）導体１２ｃとで構成されている。

マイクロストリップ線路１２と接続用導波管６との接続部分を構成し、高周波基板１の表面に設けられる変換部１０は、第１の積層型導波管副線路部２１、第２の積層型導波管副線路部２２、積層型導波管主線路部２３のそれぞれの主導体層のうち、高周波基板１の表面に設けられる上側主導体層２１１，２２１，２３１で構成され、これら上側主導体層２１１，２２１，２３１が一体的に形成されたものである。

変換部１０の信号伝送方向に対する幅方向寸法Ｗは、主導体層の幅方向寸法と同一であり、伝送信号の周波数などによって適宜設定すればよく、また、幅寸法は伝送させる高周波信号の遮断周波数を考慮して設定される。たとえば、伝送信号の周波数が７６．５ＧＨｚのときはＷ＝１．１５ｍｍであり、遮断周波数は約４３ＧＨｚで設定される。

また、下側主導体層２１２，２２２，２３２の信号伝送方向端部は、伝送信号の波長λの１／４ずつ信号伝送方向にずれて設けられる。変換部１０の信号伝送方向に平行な長さ方向寸法Ｌは、平面視したときに下側主導体層２１２，２２２，２３２を覆うように３λ／４に設定される。たとえば、伝送信号の周波数が７０〜８５ＧＨｚのときはＬ＝０．９ｍｍである。

なお、変換部１０の上記幅方向寸法Ｗおよび長さ方向寸法Ｌは、変換部として最小限必要な寸法であって、変換部１０は、幅方向寸法が両側に大きくなるように形成されてもよく、長さ方向寸法がストリップ導体１２ａとの接続部分とは反対側に向かって延びるように形成されてもよい。

変換用導波管は、上記のような一対の導体層（上側主導体層および下側主導体層）とともにビアホール導体群４１，４２を含んで構成される。

ビアホール導体群４１，４２は、積層型導波管線路を伝送する伝送信号の遮断波長の１／２以下の間隔で信号伝送方向に沿って配列し、積層型導波管線路における電気的な側壁を形成し、この側壁と一対の導体層によって導波管が構成される。

側壁形成用のビアホール導体群４１，４２において、隣り合うビアホール導体の間隔が伝送する信号の遮断波長よりも大きいと、この積層型導波管線路に給電された電磁波はビアホール導体とビアホール導体との隙間から漏れてしまい、側壁と一対の主導体層によって形成される疑似的な導波管に沿って伝播しなくなってしまう。これに対し、側壁形成用ビアホール導体群４１、４２において、隣り合うビアホール導体の間隔が遮断波長の１／２以下であると、電磁波はビアホール導体とビアホール導体との隙間から漏れることなく反射しながら積層型導波管線路の信号伝送方向に伝播される。

なお、側壁形成用ビアホール導体群４１，４２を構成するビアホール導体は、隣り合うビアホール導体の間隔が、一定間隔に設けられることが好ましいが、少なくとも伝送する信号の遮断波長の１／２以下の間隔であれば良く、その範囲内で適宜設定することができる。

また、変換用導波管を形成する２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２の外側にさらに側壁形成用ビアホール導体群を設けて、側壁形成用ビアホール導体群による疑似的な側壁を、伝送方向に対する幅方向に２重、３重に形成することにより、電磁波の漏れをより効果的に防止することができる。

図４を参照して誘電体層毎に具体的に説明する。図４（ａ）〜図４（ｄ）は、誘電体層３１，３２，３３，３４を層ごとに展開し、高周波基板１の一表面側から見た平面図である。図４（ｅ）は、誘電体層３４を他表面側から見た平面図である。

図４（ａ）に示すように、誘電体層３１の表面には、ストリップ導体１２と、これに接続される上側主導体層２１１，２２１，２３１（変換部１０）が形成される。変換部１０を主導体層とする変換用導波管から接続用導波管６へと接続する構造においては、両者の積層型導波管に共有される共有線路部を介して接続される。共有線路部の上側主導体層５１は、一端が上側主導体層２３１の端部に接続して形成される。また、誘電体層３１の内部には、２列の側壁形成用ビアホール導体群４１、４２が形成される。

さらに、共有線路部の他端に近接する部位と接続用導波管６の端部とは上から見て重なっていて、図４（ａ）には、この共有線路部の上側主導体層５１の他端に近接する部位と接続用導波管６の上側主導体層６１の端部とを電気的に接続する５本のビアホール導体からなる境界壁形成用ビアホール導体群４３が、信号伝送方向とは垂直な方向に伝送信号の遮断波長の１／２以下の間隔で誘電体層３１内部に配列され、この境界からの高周波信号の漏れを防止する。なお、境界壁形成用ビアホール導体群４３における両端の２本のビアホール導体は、側壁形成用ビアホール導体群４１，４２と共有される。

図４（ｂ）に示すように、誘電体層３２の表面には、マイクロストリップ線路１２を構成するグランド導体１２ｃ、副導体層５３、接続用導波管６を構成する上側主導体層６１が一体的に形成される。また、誘電体層３２の内部には、２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２が形成される。この側壁形成用ビアホール導体群４１，４２は、それぞれ８本のビアホール導体で構成されている。

図４（ｃ）に示すように、誘電体層３３の表面には、下側主導体層２２２、副導体層５４、接続用導波管６を構成する副導体層５５が電気的に接続されて一体的に形成されている。また、誘電体層３３の内部には、２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２が形成される。この側壁形成用ビアホール導体群４１、４２は、それぞれ８本ずつのビアホール導体で構成されている。

図４（ｄ）に示すように、誘電体層３４の表面には、下側主導体層２３２、接続用導波管６を構成する副導体層５６が形成される。また、誘電体層３４の内部には、２列の側壁形成用ビアホール導体群４１，４２が形成される。誘電体層３４の内部に形成された側壁形成用ビアホール導体群４１、４２は、それぞれ５本のビアホール導体で構成されている。

さらに、変換部１０を備える変換用導波管の端部と共有線路部の一端に近接する部位とは上から見て重なっていて、下側主導体層２３２端部と共有線路部の下側主導体層５２とを電気的に接続するビアホール導体からなる境界壁形成用ビアホール導体群が、信号伝送方向とは垂直な方向に信号の遮断波長の１／２以下の間隔で配列され、この境界からの高周波信号の漏れを防止するように境界壁を形成している。なお、このビアホール導体群の配列における両端の２本のビアホール導体は、側壁形成用ビアホール導体群４１，４２と共有している。

図４（ｅ）に示すように、誘電体層３４の裏面には、接続用導波管６を構成する下側主導体層６２が形成される。なお、図４（ｅ）には示していないが、共有線路部を構成する下側主導体層５２の一端に近接する部位には、図４（ｄ）に示す境界壁形成用ビアホール導体群４３が接続されている。また、接続用導波管６を構成する下側主導体層６２には、図４（ｄ）に示す側壁形成用ビアホール導体群４１、４２が接続されている。

このように、高周波基板１の表面に設けられ、接続体（この例ではボンディングワイヤ８と直接接続された線路導体，この例ではマイクロストリップ線路１２）と接続用導波管６との接続構造は、変換用導波管と共有線路部とで構成される。

この変換用導波管は、この例では第１の積層型導波管副線路部２１，第２の積層型導波管副線路部２２，積層型導波管主線路部２３と変換部１０を含んでなるが、一対の副線路部主導体層が、積層型導波管主線路部２３の誘電体層よりも薄い誘電体を挟持するような構成となっていればよく、第１の積層型導波管副線路部２１，第２の積層型導波管副線路部２２の一方を省略してもよい。

そして、この変換用導波管に接続される接続用導波管６は、接続用導波管６を構成する上側主導体層６１が変換部１０よりも厚み方向で下側（内層側）に位置し、下側主導体層６２が、積層型導波管主線路部２３の下側主導体層２３２よりも下側に位置するように設けられるように配置している。

また、共有線路部は、変換用導波管および接続用導波管６の両方の誘電体層を挟んで厚み方向に対向する上側主導体層５１と下側主導体層５２と、この主導体層５１．５２を厚み方向に電気的に接続するビアホール群とを含んでおり、上側主導体層５１は変換部１０と電気的に接続され、下側主導体層５２は下側主導体層６２と電気的に接続されるように構成されている。

このように、信号伝送方向に沿って導波管を構成する誘電体層の厚みを厚くすることで、マイクロストリップ線路１２と変換用導波管線路における積層型導波管主線路部２３との特性インピーダンスを整合させやすく、設計しやすくなる。したがって、いわゆる積層ずれなど製造上の不具合が生じたとしても特性の変動が少なく、変換損失を小さくするように特性インピーダンスを整合させることができる。

導波管幅であるビアホール導体群４１とビアホール導体群４２との間隔のみの変更によって調整を図ろうとすると、幅の変更によって第１の積層型導波管線路２の管内を伝送する高周波信号の波長が変化してしまう。そうすると、特性インピーダンスを整合するための調整が困難となる。

これに対し、本発明の実施形態によれば誘電体層厚みの変更による調整を図るので、変換用積層型導波管線路の管内波長が変化しない。また、変換部１０の周波数帯域は１０ＧＨｚ以上と広帯域であるため、これにより、特性インピーダンスを整合するための調整が容易であり、また特性インピーダンス整合の自由度とバラツキによる安定度も向上する。

また、接続用導波管６においては、一対の主導体層の一方の層（６１）が、変換部１０よりも厚み方向一方側、すなわち内層側に配置することにより、主導体層６１を表面に配置せず内層に設けることができるので、本接続構造を有する高周波基板１では、他の線路導体や高周波回路素子等の回路要素をより多く基板表面実装することができ、小型でありかつより高機能な高周波回路を構成することができる。

なお、本実施形態では、ストリップ導体１２と、第１の積層型導波管副線路部２１を構成する上側主導体層２１１と、第２の積層型導波管副線路部２２を構成する上側主導体層２２１と、積層型導波管主線路部２３を構成する上側主導体層２３１が同一平面上に形成され、それぞれの端部同士が直接電気的に接続されている。また、グランド導体１２ｃと、第１の積層型導波管副線路部２１を構成する下側主導体層２１２と、第２の積層型導波管副線路部２２を構成する下側主導体層２２２と、積層型導波管主線路部２３を構成する下側主導体層２３２のそれぞれの端部同士がビアホール導体を信号波長の２分の１未満の間隔で配列した境界壁形成用ビアホール導体群により、厚み方向に電気的に接続された構成となっている。しかし、これに限定されず、各上側主導体層を境界壁形成用ビアホール導体群により厚み方向に電気的に接続し、各下側主導体層を同一平面上に形成して直接電気的に接続した構成としてもよく、各上側主導体層および各下側主導体層をそれぞれ境界壁形成用ビアホール導体群により厚み方向に電気的に接続した構成としてもよい。

積層型導波管を構成する誘電体層が複数層からなる場合は、誘電体層間に主導体層と平行に副導体層を設けることが好ましい。副導体層は、同じ列に属し、同じ誘電体層を貫通する各ビアホール導体群を、列ごとにそれぞれ個別に電気的に接続し、ビアホール導体群の配列方向に延びる帯状の導体層である。

このような副導体層は、図４における導体層５３，５４，５５が、これに相当し、ビアホール導体群と副導体層とによって、格子状に形成された側壁が得られ、様々な方向の電磁波漏れを遮蔽することができる。また、副導体層は、ビアホール導体の大きなランドとしても機能し、積層ずれによって生じるビアホール導体の厚み方向の接続不良を抑制することができる。ビアホール導体の厚み方向の接続不良が生じると、接続不良部分で電磁波の漏れが発生しやすくなり、伝送損失が大きくなってしまうが、副導体層を設けることでこれを防止することができる。

さらに、複数のＭＭＩＣを互いに接続するような場合、接続用導波管６の構造が直線構造だけではなく、本実施形態のように、湾曲構造の線路部分を設ける場合がある。高周波信号の伝搬においては湾曲構造で放射が起こるが、副導体層を設けることで、電磁遮蔽の役目を担うため、湾曲構造での放射を抑え低損失な伝送線路を実現することができる。

本発明では、このような高周波基板１に内層される積層型導波管を用いて、接続用導波管６による半導体デバイスへの接続、送信用導波管１３による送信用アンテナとの接続、受信用導波管１５による受信用アンテナとの接続を実現している。

したがって、これらの接続に必要な伝送線路は、全て基板内に設けられ、外部からのノイズ混入を防ぐとともに、外部への電磁波放射による他の機器への悪影響を防ぐことができる。さらに、基板の内部においては、積層型導波管同士での結合が生じることはないので、伝送線路同士の結合によるクロストークノイズの混入なども発生しない。特に送信用ＭＭＩＣ３から出力された信号による受信用ＭＭＩＣ２への影響が大きいので、積層型導波管を用いることで、アイソレーション性の極めて高い高周波基板を実現することができる。

さらに、同じ積層型導波管を用いる構成のうち、従来のような変換部に同軸構造を用いる場合は、伝送信号が接続プローブの長さによって共振するため、反射特性において、この共振による共振周波数で極を持つ特性になる。また、同軸構造では、中心導体に電流密度が集中するため、伝送損失が大きくなり、多層基板内での積層型導波管の伝送モードであるＴＥ１０モードへの変換構造が必要となり、この変換構造を設ける分の厚みが基板に必要になる。

これに対して、本発明の変換部は、共振が生じるような構造を持たないため、信号伝送特性における周波数応答がよく、たとえば、周波数が１０ＧＨｚ以上において、−１５ｄＢ以上の反射特性を実現できる。また、電流密度の集中も生じないので、伝送損失を小さく抑えることができ、同軸構造を用いた構成に対して基板の厚みを薄くでき、小型、安価を実現することができ、さらに低損失、広帯域な構造であるため高感度な高周波モジュールが実現できる。

そして、変換用導波管を用いて接続用導波管とストリップ線路との間の特性インピーダンスを整合させているため、高周波基板１の表層に整合回路を設ける必要がない。このため、高周波基板１の表層に露出するのは接続体と変換部のみであるため、保護部材は、この両者と高周波素子とを収容すればよく、収容空間を小型化することができる。

例えば、伝送信号の周波数が７６．５ＧＨｚの場合には、遮断周波数は約４３ＧＨｚで設定され、変換部１０の信号伝送方向に対する幅方向寸法Ｗを１．１５ｍｍ、信号伝送方向に平行な長さ方向寸法Ｌを０．９ｍｍ、２．１ｍｍ×３．５ｍｍのサイズのＭＭＩＣを用いた場合には、保護部材の形状は長手方向のサイズを７．５ｍｍ，厚み方向のサイズを０．８ｍｍとすることができる。この大きさでの共振周波数は７９ＧＨｚであり、使用する周波数より十分高くすることができる。

ＭＭＩＣ２，３への駆動用のバイアス電圧は、以下のようにして供給する。

ＭＭＩＣの接続パッドと、基板表面に設けられたバイアス供給用パッドとをワイヤボンディング接続またはフリップチップ接続により接続し、バイアス供給用パッドと、基板表面に設けられた外部接続用パッドとを、基板に内層されるバイアス供給用配線で接続する。外部接続用パッドにバイアス電圧供給源を接続することで、ＭＭＩＣに対して駆動用のバイアス電圧を供給することができる。

本実施形態では、受信用ＭＭＩＣ２の接続パッドと、基板表面に設けられたバイアス供給用パッド５００とをボンディングワイヤ５０１により接続し、バイアス供給用パッド５００と、基板表面に設けられた外部接続用パッド５０２とを、基板に内層されるバイアス供給用配線５３で接続する。また、送信用ＭＭＩＣ３の接続パッドと、基板表面に設けられたバイアス供給用パッド６００とをボンディングワイヤ６０１により接続し、バイアス供給用パッド６００と、基板表面に設けられた外部接続用パッド６０２とを、基板に内層されるバイアス供給用配線６０３で接続する。

上記のような構成を有する高周波基板の誘電体層としては、高周波信号の伝送を妨げることがない特性を有するものであればとりわけ限定するものではないが、伝送線路を形成する際の精度および製造の容易性の点からセラミックスからなることが望ましい。

たとえば、ガラスセラミックス、アルミナ質セラミックスや窒化アルミニウム質セラミックス等のセラミック原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状になすとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらセラミックグリーンシートの各々に適当な打ち抜き加工を施すとともに、導体ペーストをビアホールへ充填し、配線パターン、ベタパターンを印刷したものを積層し、ガラスセラミックスの場合は８５０〜１０００℃、アルミナ質セラミックスの場合は１５００〜１７００℃、窒化アルミニウム質セラミックスの場合は１６００〜１９００℃の温度で焼成することによって製作される。

また、ストリップ導体、グランド導体および一対の導体層などの金属導体層としては、たとえば誘電体層がアルミナ質セラミックスからなる場合には、タングステン・モリブデンなどの金属粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシア等の酸化物や有機溶剤・溶媒等を添加混合した導体ペーストを厚膜印刷法によりセラミックグリーンシート上に印刷し、しかる後、約１６００℃の高温で同時焼成し、厚み１０〜１５μｍ以上となるようにして形成する。なお、金属粉末としては、ガラスセラミックスの場合は銅・金・銀が、アルミナ質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックスの場合はタングステン・モリブデンが好適である。また、主導体層の厚みは一般的に５〜５０μｍ程度とされる。

配線基板の誘電体層としては、上記のようなセラミックスからなることが好ましいが、伝送信号の周波数や製造コストなどの観点から、樹脂材料を用いることもできる。誘電体層として使用可能な樹脂材料としては、たとえば、ＰＴＥＴ、液晶ポリマー、ＦＲ４、フッ素樹脂、フッ素ガラス樹脂などが挙げられる。この場合の金属導体としては、たとえば銅箔の貼り付け、銅めっき膜をエッチングなどによりパターン形成したものを使用することができる。

なお、以上の実施形態では、高周波素子として、送信用ＭＭＩＣと受信用ＭＭＩＣの双方を有する構成を用いて説明したが、本発明は、高周波素子と基板内に内層された積層型導波管との接続構造と、これらを封止する保護部材に特徴を有するものであり、高周波素子は複数である必要はない。例えば、高周波素子として、１つの高周波素子で送受信用の機能を有するものを用いた場合には、高周波基板１に１つの保護部材を設ければよい。

また、アンテナ基板に設けられた導波管の開口部に接続されるアンテナをさらに設けてもよい。このようなアンテナとしては、例えばアンテナ基板の開口部から徐々に開口径を大きくするような多層基板を用いればよい。

１ 高周波基板
２ 受信用ＭＭＩＣ ３ 送信用ＭＭＩＣ
４，５ 保護部材
６ 接続用導波管
７，８ ボンディングワイヤ
９，１０ 変換部
１３ 送信用導波管
１５ 受信用導波管

Claims (8)

1. 誘電体層および導電体層を積層して成り、高周波素子を実装するための高周波基板において、
   前記高周波素子に接続される接続体と、
   第１の積層型導波管線路と、第２の積層型導波管線路と、前記第１の積層型導波管線路と第２の積層型導波管線路との間に設けられる共有線路と、を備える積層型導波管であって、
   前記第１の積層型導波管線路は、
   前記接続体に接続された副線路部であって、誘電体層と、該誘電体層を挟んで厚み方向に対向する一対の副線路部主導体層と、この一対の副線路部主導体層を厚み方向に電気的に接続する側壁形成用ビアホール導体群とを含む副線路部と、
   該副線路部に接続された主線路部であって、前記副線路部の誘電体層よりも厚い誘電体層と、該誘電体層を挟んで厚み方向に対向する一対の主線路部主導体層と、この一対の主線路部主導体層を厚み方向に電気的に接続する側壁形成用ビアホール導体群とを含む主線路部と、
   前記一対の副線路部主導体層の一方の層と、前記一対の主線路部主導体層の一方の層とが一体的に形成されて成り、前記接続体と電気的に接続される変換部と、を備え、
   前記第２の積層型導波管線路は、
   前記第１の積層型導波管線路における誘電体層のうち、少なくとも１つの誘電体層を共有し、この共有誘電体層を含む複数の誘電体層を挟んで厚み方向に対向する一対の主導体層と、
   この一対の主導体層を厚み方向に電気的に接続する側壁形成用ビアホール導体群と、を含み、
   前記一対の主導体層の一方の層が、前記変換部よりも厚み方向一方側に位置し、前記一対の主導体層の他方の層が、前記一対の副線路部主導体層の他方の層よりも厚み方向一方側に位置するように設けられ、
   前記共有線路部は、
   前記第１の積層型導波管線路および前記第２の積層型導波管線路の両方の誘電体層を挟んで厚み方向に対向する一対の共有線路主導体層と、
   この一対の共有線路主導体層を厚み方向に電気的に接続する側壁形成用ビアホール導体群と、を含み、
   前記一対の共有線路主導体層の一方の層が、前記変換部と電気的に接続され、前記一対の共有線路主導体層の他方の層が、前記一対の主導体層の他方の層と電気的に接続されて成る、
   積層型導波管と、
   １つの前記高周波素子と、前記接続体と、前記変換部とを内部に収容する収容空間を有し、前記収容空間と外部空間との間で電磁波を遮蔽する保護部材と、を備える高周波基板。
2. 前記ビアホール導体群は２列からなり、
   前記積層型導波管は、前記一対の副線路部主導体層間，前記一対の主線路部主導体層間，前記一対の主導体層間，または前記一対の共有線路主導体層間に、これら主導体層と平行に形成され、前記ビアホール導体群を列ごとにそれぞれ個別に電気的に接続する、少なくとも一対の副導体層をさらに備える請求項１に記載の高周波基板。
3. 前記高周波素子は、高周波信号の送受信用の機能を有する請求項１または２に記載の高周波基板。
4. 前記高周波素子を実装する面とは反対の面に高周波信号の入出力ポートを備え、
   前記積層型導波管は、前記高周波素子と前記入出力ポートとを接続する入出力用積層型導波管とを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の高周波基板。
5. 前記接続体は、
   ボンディングワイヤと、
   前記一対の副線路部主導体層によって挟まれる前記誘電体層を挟んで厚み方向に対向するストリップ導体およびグランド導体を有するマイクロストリップ線路と、を含み、
   前記ストリップ導体と前記変換部とが電気的に接続されるとともに、前記高周波素子と、前記変換部とはワイヤボンディングにより接続される請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波基板。
6. 前記接続体は、金属バンプまたははんだボールを含み、前記高周波素子と、前記変換部とはフリップチップ接続される請求項１〜５のいずれか１つに記載の高周波基板。
7. 前記保護部材は、一部が前記変換部に接して配置されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の高周波基板。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の高周波基板に、高周波素子を実装して構成される高周波モジュール。
   

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