JP2016012799A - 高周波伝送線路、アンテナ及び電子回路基板 - Google Patents

高周波伝送線路、アンテナ及び電子回路基板 Download PDF

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亨 井上
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尚志 太田
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Abstract

【課題】交流抵抗が小さく、断線し難い高周波伝送線路を提供すること。
【解決手段】本発明の一側面に係る高周波伝送線路2は、交流電気信号を伝送する高周波伝送線路2であって、金属及びカーボンナノチューブを含み、カーボンナノチューブが、交流電気信号の伝送方向に垂直な高周波伝送線路2の断面の中央部6に偏在する。
【選択図】図2

Description

本発明は、高周波伝送線路、アンテナ及び電子回路基板に関する。
電子部品には、電気信号の伝送のための伝送線路が設けられている。近年の高度情報化時代においては、伝送線路が伝送する交流電気信号の周波数帯域が、高周波数帯域へとシフトしている。例えば、携帯情報端末における通信周波数帯域は、数百[MHz]から数[GHz]に及ぶ。このような高周波数帯域の交流電気信号を伝送する高周波伝送線路では、その導電率を高めて、伝送損失を低減することが要求される。
また、電子部品の小型化に伴う高周波伝送線路の細線化により、高周波伝送線路の断面積が小さくなり、高周波伝送線路の交流抵抗が高くなる。高周波伝送線路の交流抵抗が高いほど、高周波伝送線路で発生するジュール熱が大きくなる。ジュール熱によって加熱された高周波伝送線路は、断線(溶断)し易い。また、高周波伝送線路へ供給される電力が大きいほど、高周波伝送線路は断線し易い。
下記特許文献1には、カーボンナノチューブ同士が導体パターン中でネットワークを形成することにより、導体パターンの導電率及び耐電力性が向上することが開示されている。
国際公開第WO2011/062072号パンフレット
しかしながら、本発明者らは、上記特許文献1に開示された導体パターンによって高周波数帯域の交流電気信号を伝送する場合、導体パターンの交流抵抗が十分には小さくないことを発見した。また本発明者らは、上記特許文献1に開示された導体パターンに大きい電力を供給すると、導体パターンが断線することを発見した。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、交流抵抗が小さく、断線し難い高周波伝送線路、当該高周波伝送線路を備えるアンテナ及び電子回路基板を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る高周波伝送線路は、交流電気信号を伝送する高周波伝送線路であって、金属及びカーボンナノチューブを含み、カーボンナノチューブが、交流電気信号の伝送方向に垂直な高周波伝送線路の断面の中央部に偏在する。
本発明の一側面に係る高周波伝送線路では、中央部におけるカーボンナノチューブの含有率が、0.5〜20体積%であってよい。
本発明の一側面に係るアンテナは、上記本発明の一側面に係る高周波伝送線路を備える。
本発明の一側面に係る電子回路基板は、上記本発明の一側面に係る高周波伝送線路を備える。
本発明によれば、交流抵抗が小さく、断線し難い高周波伝送線路、当該高周波伝送線路を備えるアンテナ及び電子回路基板が提供される。
図1は、本発明の一実施形態に係る電子回路基板の一部分、及び高周波伝送線路の模式図である。 図2a及び図2bは、交流電気信号の伝送方向に垂直な方向における、図1の高周波伝送線路の模式的断面図である。 図3a、図3b、図3c及び図3dは、本発明の一実施形態に係る高周波伝送線路の製造方法を示す模式図である。 図4は、本発明の他の実施形態に係る高周波伝送線路の模式的な斜視図である。 図5は、高周波伝送線路によって伝送される交流電気信号の周波数Fと、各周波数Fにおける高周波伝送線路の交流抵抗Rとの関係を示すグラフである。
以下、場合により図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は下記実施形態に何ら限定されるものではない。なお、各図面において、同一又は同等の構成要素には同一の符号を付す。
図1に示すように、本実施形態に係る電子回路基板16は、高周波伝送線路2と、基板4と、を備えている。高周波伝送線路2は、基板4の表面に沿って設けられている。高周波伝送線路2は、交流電気信号を伝送する。図1に示す直線状の矢印は、交流電気信号の伝送方向を向く。交流電気信号の周波数Fは、例えば、100[MHz]〜3.0[GHz]であってよい。高周波伝送線路2の両端部にはそれぞれ端子10が電気的に接続されている。高周波伝送線路2の形状は、ミアンダパターン(Meander pattern)である。高周波伝送線路2はアンテナ(放射導体及び吸収導体)であってよい。高周波伝送線路2がアンテナである場合、高周波伝送線路2の一方の端部に給電用の端子10が電気的に接続され、給電用の端子10に高周波給電回路(図示せず。)が電気的に接続され、高周波給電回路が接地されていてよい。なお、高周波伝送線路2の形状は、ミアンダパターンに限定されるものではない。高周波伝送線路2は、例えば、直線状であってもよく、曲線状であってもよい。
高周波伝送線路2全体の厚さは、特に限定されないが、例えば、3〜50μm程度であってよい。高周波伝送線路2全体の厚さとは、基板4の表面に垂直な方向における高周波伝送線路2全体の幅である。基板4の表面に平行な方向における高周波伝送線路2全体の幅は、特に限定されないが、例えば、10μm〜30mm程度であってよい。高周波伝送線路2の線路長は、特に限定されないが、例えば、0.1〜100mm程度であってよい。
高周波伝送線路2は、金属及びカーボンナノチューブを含む。ただし、高周波伝送線路2は、金属及び炭素以外の他の元素を含んでもよい。
高周波伝送線路2に含まれる金属は、例えば、銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウム、クロム、チタン及びタンタルからなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。高周波伝送線路2に含まれる金属は、上記の金属のうち二種以上を含む合金であってもよい。上記の金属の中でも、銅は、比較的、高い導電率を有し、安価である。
高周波伝送線路2に含まれるカーボンナノチューブは、特に限定されない。カーボンナノチューブとは、例えば、円筒状に閉じた継ぎ目のないグラフェンシートから構成される。カーボンナノチューブはそれを構成する層(グラフェンシート)の数を基準として、一層構造のシングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)、二層構造のダブルウォールカーボンナノチューブ(DWCNT)、又は三層以上から構成される構造のマルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)に分類される。MWCNTとは、換言すれば、円筒状に閉じた複数のグラフェンシートが入れ子状に積層された構造を有する。カーボンナノチューブは、SWCNT、DWCNT及びMWCNTからなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。カーボンナノチューブは直線状であってよい。カーボンナノチューブは屈曲していてもよい。カーボンナノチューブの屈曲部分、又はカーボンナノチューブの断面の閉塞部分には、炭素から構成される六員環以外の環(例えば、五員環又は七員環)が存在していてもよい。カーボンナノチューブが化学的に修飾され、カーボンナノチューブが官能基を有していてよい。カーボンナノチューブは、例えば、化学的蒸着堆積法、触媒気相成長法、アーク放電法、又はレーザー蒸発法によって製造される。
カーボンナノチューブの直径(太さ)は、例えば、1〜50nmであってよい。カーボンナノチューブの長さは、例えば、100〜250000nmであってよい。カーボンナノチューブのアスペクト比は、例えば、100〜5000であってよい。アスペクト比とは、カーボンチューブの長さ(nm)をカーボンチューブの直径(nm)で除した値である。
図2a又は図2bに示すように、交流電気信号の伝送方向に垂直な方向における高周波伝送線路2の断面は、周縁部8と中央部6とを有する。換言すれば、周縁部8と中央部6とを有する断面の垂線(法線)は、交流電気信号の伝送方向に平行である。周縁部8とは、高周波伝送線路2の一部であり、高周波伝送線路2の表面からの距離(深さ)が5μm以下である部分である。周縁部8は、高周波伝送線路2の表面からの距離(深さ)が2μm以下、又は1μm以下である部分であってもよい。中央部6とは、高周波伝送線路2の一部であり、周縁部8に囲まれた部分である。図2aに示すように、中央部6は、周縁部8によって完全に囲まれていなくてもよい。中央部6が周縁部8によって囲まれていない部分は、図2aに示すように下面側にある必要はなく、例えば側面側にあってもよく、天面側にあってもよい。図2bに示すように、中央部6は、周縁部8によって完全に囲まれていてもよい。なお、周縁部8は、交流電気信号の伝送方向において連続的に延在しており、周縁部8に囲まれた中央部6も交流電気信号の伝送方向において連続的に延在している。
中央部6には、多数のカーボンナノチューブが偏在する。つまり、多数のカーボンナノチューブは、交流電気信号の伝送方向において連続的に延在する中央部6内に偏在している。
高周波数帯域の交流電気信号を伝送する高周波伝送線路2では、表皮効果が発生する。表皮効果では、高周波電気信号(電流)が高周波伝送線路2を流れるとき、電流密度は、高周波伝送線路2の表面近傍において高くなり、表面から離れるほど低くなる。ここで、高周波伝送線路2の表面近傍とは、例えば、高周波伝送線路2の表面からの距離(深さ)が5μm以下、2μm以下、又は1μm以下である領域である。上記の通り、周縁部8は、高周波伝送線路2の表面からの距離(深さ)が5μm以下である部分であるので、周縁部8とは、高周波伝送線路2の表面近傍と言い換えられる。つまり、周縁部8とは、表皮効果によって電流が集中する部分といえる。交流電気信号の周波数が高いほど、高周波伝送線路2の周縁部8(表面近傍)における電流密度が高くなる。したがって、交流電気信号の周波数が高いほど、高周波伝送線路2の実効断面積が小さくなり、高周波伝送線路2の交流抵抗は高くなる。このような理由から、高周波伝送線路2の交流抵抗を低減するためには、高周波伝送線路2の周縁部8(表面近傍)の導電率を高める必要がある。
しかし、仮にカーボンナノチューブが高周波伝送線路の全体に均一に分散している場合、高周波伝送線路の周縁部(表面近傍)には、金属のみならず、カーボンナノチューブが存在する。カーボンナノチューブの導電率は、金属単体の導電率よりも低い。したがって、周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率が高いほど、周縁部の導電率が低下してしまう。つまり、周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率が高いほど、周縁部の抵抗が増加する。高周波数帯域では、表記効果により交流電気信号が周縁部に集中し易いので、周縁部の抵抗の増加によって、高周波伝送線路全体の交流抵抗も増加し易い。また、周縁部の抵抗の増加に伴い、周縁部で発生するジュール熱も増加する。周縁部で発生したジュール熱の増加に伴い、周縁部の温度が上昇する。周縁部の温度の上昇に伴い、周縁部の抵抗及び高周波伝送線路全体の交流抵抗が増加してしまう。
仮に高周波伝送線路が金属のみならなる場合、高周波伝送線路の導電率は、カーボンナノチューブを含む高周波伝送線路の導電率よりも高い。また、高周波伝送線路において発生するジュール熱は、カーボンナノチューブを含む高周波伝送線路において発生するジュール熱よりも小さい。しかし、金属単体の熱伝導率はカーボンナノチューブの熱伝導率よりもはるかに低い。したがって、金属のみからなる高周波伝送線路では、カーボンナノチューブを含む高周波伝送線路に比べて、ジュール熱が蓄積され易い。ジュール熱によって高周波伝送線路が加熱され、高周波伝送線路の交流抵抗が増加してしまう。また、交流電気信号の周波数が増加すると、表皮効果によって高周波伝送線路の交流抵抗が高まり、ジュール熱が増加する。表皮効果によって電流が周縁部に集中するので、ジュール熱は周縁部に局所的に蓄積され易い。したがって、高周波伝送線路が金属のみならなる場合、特に高周波数帯域においてジュール熱に起因する交流抵抗の増加が顕著になる。
一方、本実施形態では、カーボンナノチューブが中央部6に偏在するので、周縁部8における金属の含有率は、中央部6における金属の含有率よりも高い。したがって、本実施形態では、高周波伝送線路2の周縁部8の導電率が、高周波伝送線路2の中央部6の導電率よりも高く、高周波伝送線路2の周縁部8の抵抗は、高周波伝送線路2の中央部6の抵抗よりも低い。換言すれば、本実施形態では、カーボンナノチューブが中央部6に偏在するため、カーボンナノチューブが周縁部8の導電性を損ない難い。したがって、本実施形態と、周縁部が中央部と同程度の含有率でカーボンナノチューブを含む高周波伝送線路と、を比較すると、本実施形態では、周縁部8の抵抗及び高周波伝送線路2全体の交流抵抗のいずれも低い。また本実施形態では、表皮効果により周縁部8の電流密度が増加したとしても、周縁部8の抵抗が低いため、高周波伝送線路2の交流抵抗が増加し難く、周縁部におけるジュール熱の発生も抑制される。
また本実施形態では、金属よりも熱伝導率が高いカーボンナノチューブが偏在した中央部6が、熱伝導路として機能する。つまり、中央部6が放熱する。したがって、金属のみからなる高周波伝送線路と比較すると、本実施形態に係る高周波伝送線路2において発生したジュール熱は、高周波伝送線路2内に蓄積され難い。したがって、本実施形態では、ジュール熱による高周波伝送線路2の加熱が抑制され、加熱による高周波伝送線路2の交流抵抗の増加も抑制される。特に、高周波数帯域においては、表皮効果による交流抵抗及びジュール熱の増加が顕著であるため、放熱性に優れた本実施形態に係る高周波伝送線路2の交流抵抗は、金属のみからなる高周波伝送線路の交流抵抗を下回り易い。
以上のように、本実施形態では、周縁部8の高い導電率と中央部6の高い熱伝導率との相乗効果によって、交流抵抗及びジュール熱の増加、並びに蓄熱が抑制される。また、本実施形態では、中央部6に偏在するカーボンナノチューブ自体が高い電流密度耐性を有する。これらの理由から、本実施形態に係る高周波伝送線路2では、大きな電力が供給されたとしても、断線又は溶断が起き難い。
本実施形態に係る高周波伝送線路2がアンテナである場合、本実施形態に係るアンテナにおける放射効率及び吸収効率は、カーボンナノチューブがアンテナ全体に均一に分散する場合に比べて、向上する。ここで、放射効率とは、例えば、アンテナが放射する全電力の、アンテナに供給される全電力に対する比と定義される。吸収効率とは、例えば、アンテナが吸収する全電力の、アンテナに照射される全電力に対する比として定義される。
中央部6におけるカーボンナノチューブの含有率は、例えば、中央部6の全体積に対して0.5〜20体積%であってよい。カーボンナノチューブの含有率が0.5体積%以上である場合、中央部6の熱伝導率が高まり易い。カーボンナノチューブの含有率が20体積%以下である場合、カーボンナノチューブ自体の比較的低い導電率に起因する高周波伝送線路2全体の交流抵抗の増加が抑制され易い。中央部6はカーボンナノチューブに加えて上記の金属を含んでよい。中央部6における金属の含有率は、例えば、中央部6の全体積に対して80〜95.5体積%であってよい。金属の含有率が80体積%以上である場合、中央部6における金属自体の比較的高い導電率により、高周波伝送線路2全体の交流抵抗が低減され易い。中央部6はカーボンナノチューブのみからなっていてもよい。
中央部6におけるカーボンナノチューブの含有率は、例えば、以下の方法で測定されてよい。まず、交流電気信号の伝送方向に垂直な方向における高周波伝送線路2の断面を走査型電子顕微鏡で観察する。この断面の中央部6に露出する各カーボンナノチューブの断面積を測定し、各カーボンナノチューブの断面積の合計値を求める。また、上記断面に露出する中央部6全体の面積を測定する。カーボンナノチューブの断面積の合計値を中央部6全体の面積で除した値に、100を乗じることにより、中央部6におけるカーボンナノチューブの含有率が算出される。つまり、中央部6におけるカーボンナノチューブの含有率は、上記断面に露出する中央部6全体においてカーボンナノチューブの断面積が占める割合(百分率)に等しい。なお、周縁部8におけるカーボンナノチューブの含有率は、上記断面に露出する周縁部8全体においてカーボンナノチューブの断面積が占める割合(百分率)に等しい。
周縁部8の厚さ(周縁部8の深さ)dは、0.1〜5μmであってよい。周縁部8が薄すぎる場合、高周波伝送線路2の直流抵抗が増加し易い。周縁部8が厚過ぎる場合、表記効果により電流が集中する高周波伝送線路2の表面近傍と中央部とが離れ過ぎるため、表面近傍で発生したジュール熱を、熱伝導路である中央部6を介して放熱することが困難になる。
カーボンナノチューブの導電率は、金属単体の導電率より低いので、周縁部8におけるカーボンナノチューブの含有率が低いほど、高周波伝送線路2全体の交流抵抗が低減され易い。換言すれば、周縁部8における金属の含有率(体積比率)が高いほど、高周波伝送線路2全体の交流抵抗が低減され易い。したがって、周縁部8の主成分は、上記の金属であることが好ましい。周縁部8における金属の含有率は、周縁部8の全体積に対して95体積%より大きく100体積%以下であってよく、99体積%以上100体積%以下であってよい。周縁部8は上記の金属のみならなっていてよい。ただし、周縁部8の導電性を損なわない程度の微量のカーボンナノチューブが、周縁部8に含まれていてもよい。
基板4は、例えば、半導体基板であってよく、絶縁性基板であってもよい。基板4を構成する物質は、シリコン、ガリウムヒ素、炭化珪素、若しくは窒化ガリウム等の半導体、エポキシ樹脂が含浸したガラス繊維、ポリカーボネート樹脂、ABS樹脂、若しくはアクリル樹脂等の誘電性樹脂、又はガラスセラミック等の誘電性無機化合物であってよい。基板4の厚さは、特に限定されないが、例えば、50μm〜2mmであってよい。
次に、本実施形態に係る高周波伝送線路2の製造方法を、以下に説明する。以下の製造方法は、図2bに示す断面を有する高周波伝送線路2の製造方法である。
図3aに示すように、シード層8aを基板4の表面に形成する。例えば、高周波伝送線路2に含まれる金属が銅である場合、銅及びクロムからなるシード層8aを形成する。シード層8aは、高周波伝送線路2の周縁部8の一部を構成する。シード層8aは、例えば、スパッタリングにより形成されてよい。スパッタリングの実施時間により、シード層8aの厚さを制御することができる。
続いて、図3bに示すように、フォトレジスト30をシード層8aの表面に塗布する。続いて、フォトレジストの露光及び現像を行い、フォトレジスト30で囲まれたミアンダパターン状の凹部30aを形成する。
続いて、図3cに示すように、ミアンダパターン状の中央部6を、凹部30a内に形成する。中央部6は、金属及びカーボンナノチューブを含むめっき液を用いた電解めっきによって形成されてよい。つまり、中央部6は、金属及びカーボンナノチューブを含むめっき膜からなっていてよい。電解めっき液中のカーボンナノチューブの含有量によって、中央部6におけるカーボンナノチューブの含有率を制御することができる。めっき液の濃度、又はめっきの実施時間等により、中央部6の厚さを制御することができる。めっき液は、カーボンナノチューブを分散させるための分散剤を含んでよい。分散剤は、例えば、ポリスチレンスルホン酸塩、ポリビニルピロリドン系重合体、水溶性セルロース、又は水溶性セルロース誘導体であってよい。
続いて、図3dに示すように、フォトレジスト30と、基板4の表面に残存するシード層8aと、を、基板4の表面から除去する。金属を含む周縁部8を、中央部6の表面に形成する。周縁部8の主成分は、金属である。周縁部8は、金属のみからなっていてよい。周縁部8の形成方法は、周縁部8を構成する金属の種類に応じて、適宜選択されてよい。周縁部8の形成方法は、例えば、めっき、スパッタリング、又は化学気相蒸着(CVD)であってよい。めっきは、無電解めっき又は電解めっきであってよい。
以上の工程によって、基板4と、基板4の表面に沿って設けられた高周波伝送線路2と、を備える電子回路基板16が完成する。なお、中央部6及び周縁部8の形成方法によっては、シード層8aは必ずしも形成しなくてもよい。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。
例えば、図2aに示す断面を有する高周波伝送線路2を製造する場合、銅及びカーボンナノチューブを含むめっき液を用いた電解めっき又は無電解めっきにより、シード層8aを形成すればよい。この場合、シード層8aは、高周波伝送線路2の中央部6の一部を構成する。
中央部6の形成方法は、上記の方法に限定されない。例えば、金、銀、銅、鉄、コバルト、ニッケル又はスズ等の触媒成分を、凹部30a内のシード層8aの表面に付着させる。続いて、メタン又はアセチレン等の炭化水素ガスを熱分解して、カーボンナノチューブを触媒成分上に成長させる。続いて、めっき、スパッタリング又はCVDにより、金属成分をカーボンナノチューブ間の隙間に充填させる。これらの工程により、金属及びカーボンナノチューブを含む中央部6を形成してもよい。
図4に示すように、高周波伝送線路2は円柱状であってよい。つまり、高周波伝送線路2は、円柱状の中央部6と、中央部6の側面を覆う円筒状の周縁部8、とを備えてよい。このような円柱状の高周波伝送線路2が、電子回路基板のスルーホール又はビアホール内に形成されていてよい。高周波伝送線路は角柱状であってもよい。
上記の高周波伝送線路を備えるトランジスタ、IC、コンデンサ、インダクタ、フィルタ及び電磁シールド等においても、上記実施形態の同様の作用効果が達成される。
以下、本発明の内容を実施例及び比較例を用いてより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
表面に熱酸化膜が形成されたシリコン基板を準備した。シリコン基板の寸法は、横30mm×縦30mm×厚さ0.625mmであった。
スパッタリングにより、クロム及び銅からなるシード層を、熱酸化膜が形成されたシリコン基板の表面に形成した。このシード層は、周縁部の一部を構成するものである。シード層の厚さは均一であった。
フォトレジストを、シード層の表面に塗布した。続いて、フォトレジストの露光及び現像を行い、ミアンダパターン状の凹部を形成した。
銅及びカーボンナノチューブを含む電解めっき液を用いて、電解めっきを行った。この電解めっきにより、銅及びカーボンナノチューブからなるミアンダパターン状の中央部を、凹部内に形成した。中央部の厚さは均一であった。中央部の形成に用いた電解めっき液におけるカーボンナノチューブの含有率は、0.1g/Lに調整した。
続いて、フォトレジストと、残存するシード層と、を、シリコン基板の表面から除去した。銅を含み、カーボンナノチューブを含まない無電解めっき液を用いて、無電解めっきを行った。この無電解めっきにより、銅からなる周縁部を、中央部の表面に形成した。周縁部の厚さは均一であった。
以上の工程を経て、シリコン基板の表面に沿って設けられたミアンダパターン状の高周波伝送線路を作製した。この高周波伝送線路における交流電気信号の伝送方向は、シリコン基板の表面に平行な方向である。シリコン基板の表面に平行な方向における高周波伝送線路の幅は、均一であり、10μmであった。シリコン基板の表面に垂直な方向における高周波伝送線路の厚さは、均一であり、10μmであった。高周波伝送線路全体の線路長は19.7mmであった。シリコン基板の表面(交流電気信号の伝送方向)に垂直な方向における高周波伝送線路の断面を、走査型電子顕微鏡で観察した。この断面は、図2bに示すように、矩形状の中央部6と、中央部6の4辺を囲む周縁部8と、からなることが確認された。周縁部8の厚さは均一であった。周縁部8の厚さは、2μmであった。中央部6におけるカーボンナノチューブの含有率は、中央部6の全体積に対して0.5体積%であった。周縁部8におけるカーボンナノチューブの含有率は、周縁部8の全体積に対して0体積%であった。つまり、カーボンナノチューブが中央部6に偏在していた。
(実施例2〜5)
実施例2〜5では、中央部の形成に用いる電解めっき液におけるカーボンナノチューブの含有率を調整して、中央部におけるカーボンナノチューブの含有率を下記表1に示す値に制御した。この点を除いて実施例1と同様の方法で、実施例2〜5其々の高周波伝送線路を作製した。中央部におけるカーボンナノチューブの含有率を除いて、実施例2〜5其々の高周波伝送線路の寸法、形状、断面の構成、及び組成は、実施例1の高周波伝送線路と同様であった。なお、実施例2の中央部の形成に用いた電解めっき液におけるカーボンナノチューブの含有率は、0.2g/Lであった。実施例3の中央部の形成に用いた電解めっき液におけるカーボンナノチューブの含有率は、1.2g/Lであった。実施例4の中央部の形成に用いた電解めっき液におけるカーボンナノチューブの含有率は、2.5g/Lであった。実施例5の中央部の形成に用いた電解めっき液におけるカーボンナノチューブの含有率は、5.0g/Lであった。下記表1に示す「CNT」とは、カーボンナノチューブを意味する。
(比較例1)
比較例1では、中央部の形成後、実施例1の中央部の形成に用いた電解めっき液から、周縁部を形成した。つまり、比較例1では、無電解めっきではなく、電解めっきにより、周縁部を形成した。この点を除いて実施例1と同様の方法で、比較例1の高周波伝送線路を作製した。比較例1の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例1の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。比較例1の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例1の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。つまり、比較例1の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、比較例1の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。換言すれば、比較例1の高周波伝送線路全体にわたって、カーボンナノチューブが均一に分布していることが確認された。比較例1の高周波伝送線路の寸法及び形状は、実施例1の高周波伝送線路と同様であった。
(比較例2)
比較例2では、中央部の形成後、実施例2の中央部の形成に用いた電解めっき液から、周縁部を形成した。つまり、比較例2では、無電解めっきではなく、電解めっきにより、周縁部を形成した。この点を除いて実施例2と同様の方法で、比較例2の高周波伝送線路を作製した。比較例2の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例2の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。比較例2の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例2の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。つまり、比較例2の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、比較例2の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。換言すれば、比較例2の高周波伝送線路全体にわたって、カーボンナノチューブが均一に分布していることが確認された。比較例2の高周波伝送線路の寸法及び形状は、実施例2の高周波伝送線路と同様であった。
(比較例3)
比較例3では、中央部の形成後、実施例3の中央部の形成に用いた電解めっき液から、周縁部を形成した。つまり、比較例3では、無電解めっきではなく、電解めっきにより、周縁部を形成した。この点を除いて実施例3と同様の方法で、比較例3の高周波伝送線路を作製した。比較例3の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例3の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。比較例3の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例3の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。つまり、比較例3の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、比較例3の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。換言すれば、比較例3の高周波伝送線路全体にわたって、カーボンナノチューブが均一に分布していることが確認された。比較例3の高周波伝送線路の寸法及び形状は、実施例3の高周波伝送線路と同様であった。
(比較例4)
比較例4では、中央部の形成後、実施例4の中央部の形成に用いた電解めっき液から、周縁部を形成した。つまり、比較例4では、無電解めっきではなく、電解めっきにより、周縁部を形成した。この点を除いて実施例4と同様の方法で、比較例4の高周波伝送線路を作製した。比較例4の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例4の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。比較例4の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例4の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。つまり、比較例4の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、比較例4の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。換言すれば、比較例4の高周波伝送線路全体にわたって、カーボンナノチューブが均一に分布していることが確認された。比較例4の高周波伝送線路の寸法及び形状は、実施例4の高周波伝送線路と同様であった。
(比較例5)
比較例5では、中央部の形成後、実施例5の中央部の形成に用いた電解めっき液から、周縁部を形成した。つまり、比較例5では、無電解めっきではなく、電解めっきにより、周縁部を形成した。この点を除いて実施例5と同様の方法で、比較例5の高周波伝送線路を作製した。比較例5の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例5の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。比較例5の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率は、実施例5の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。つまり、比較例5の周縁部におけるカーボンナノチューブの含有率は、比較例5の中央部におけるカーボンナノチューブの含有率と同じであることが確認された。換言すれば、比較例5の高周波伝送線路全体にわたって、カーボンナノチューブが均一に分布していることが確認された。比較例5の高周波伝送線路の寸法及び形状は、実施例5の高周波伝送線路と同様であった。
(参考例1)
参考例1では、銅を含み、カーボンナノチューブを含まない電解めっき液から、中央部を形成した。この点を除いて実施例1と同様の方法で、参考例1の高周波伝送線路を作製した。参考例1の高周波伝送線路は実質的に銅のみからなっていた。つまり、参考例1の高周波伝送線路は、カーボンナノチューブを含まなかった。参考例1の高周波伝送線路の寸法及び形状は、実施例1の高周波伝送線路と同様であった。
<交流抵抗の測定>
周波数F[GHz]が下記表1に示す値である交流電気信号を、実施例1の高周波伝送線路に流し、各周波数F[GHz]における高周波伝送線路の交流抵抗R(F)[Ω]を、インピーダンスアナライザで計測した。交流抵抗R(F)とは、高周波伝送線路(ミアンダパターン)の一方の端部と、他方の端部との間の抵抗である。同様の方法で、各周波数F[GHz]における参考例1の高周波伝送線路の交流抵抗Rcu(F)[Ω]を計測した。そして、各周波数F[GHz]におけるR(F)のRcu(F)に対する比r(F)を求めた。r(F)は、下記数式Aで表される。各周波数Fにおける実施例1のr(F)を、下記表1に示す。なお、周波数F[GHz]が0である電気信号とは、直流の電気信号を意味する。よって、R(0)は、実施例1の高周波伝送線路の直流抵抗であり、Rcu(0)は、参考例1の高周波伝送線路の直流抵抗である。
r(F)=R(F)/Rcu(F) (A)
下記表1に示す参考例1のr(F)は、Rcu(F)/Rcu(F)と定義される。したがって、下記表1に示す参考例1のr(F)はいずれも、1.00である。
実施例1と同様で、実施例2〜5及比較例1〜5其々のr(F)を求めた。実施例2〜5及比較例1〜5其々のr(F)を、下記表1に示す。
<破壊電力の測定>
実施例1の高周波伝送線路に0.1Wの電力を印加し、電力を段階的に上昇させ、高周波伝送線路が溶断した時点の電力(破壊電力EP)を測定した。各段階における電力印加時間は5分間であった。破壊電力EPの測定において、実施例1の高周波伝送線路に供給した交流電気信号の周波数は1.00[GHz]であった。同様の方法で、参考例1の高周波伝送線路の破壊電力EPcuを測定した。そして、実施例1の破壊電力EPの参考例1の破壊電力EPcuに対する比r−epを求めた。r−epは、下記数式Bで表される。各周波数Fにおける実施例1のr−epを、下記表1に示す。
r−ep=EP/EPcu (B)
下記表1に示す参考例1のr−epは、EPcu/EPcuと定義される。よって、参考例1のr−epは1.00である。
実施例1と同様で、実施例2〜5及比較例1〜5其々のr−epを求めた。実施例2〜5及比較例1〜5其々のr−epを、下記表1に示す。r−epが大きいほど、高周波伝送線路が溶断し難い。
Figure 2016012799
[実施例1、比較例1及び参考例1の比較]
中央部におけるカーボンナノチューブの含有率が同じである実施例1及び比較例1を比較した。いずれの周波数F[GHz]においても、実施例1のr(F)は、比較例1のr(F)よりも小さいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、実施例1の交流抵抗R(F)は、比較例1の交流抵抗R(F)よりも小さいことが確認された。実施例1の小さい交流抵抗R(F)は以下の要因1及び2に依る、と本発明者らは推測する。
<要因1> 実施例1の高周波伝送線路全体におけるカーボンナノチューブの含有率は、比較例1に比べて小さい。したがって、実施例1の高周波伝送線路全体の導電率は、比較例1の高周波伝送線路全体の導電率よりも高い。
<要因2> 実施例1及び比較例1のいずれにおいても、周波数F[GHz]が高いほど、表皮効果によって交流電気信号が高周波伝送線路の表面近傍に集中し易い。したがって、実施例1及び比較例1のいずれにおいても、周波数F[GHz]が高いほど、高周波伝送線路の表面近傍の導電率が、高周波伝送線路全体の交流抵抗に影響し易くなる。つまり、周波数F[GHz]が高いほど、高周波伝送線路の表面近傍の導電率の低下によって、高周波伝送線路全体の交流抵抗が増加し易くなる。しかし、実施例1の周縁部は、実質的に銅からなり、カーボンナノチューブを含まない。一方、比較例1の周縁部は、銅及びカーボンナノチューブを含む。したがって、実施例1の周縁部の抵抗は、比較例1の周縁部の抵抗よりも小さい。したがって、高周波数帯域における表皮効果により、交流電気信号が高周波伝送線路の周縁部に集中する場合、実施例1の周縁部における交流電気信号の伝送は阻害され難く、実施例1の周縁部近傍におけるジュール熱の発生も抑制される。
実施例1と参考例1とを比較した。周波数F[GHz]が1.25[GHz]以上である場合、実施例1のr(F)は、1.00未満であることが確認された。つまり、周波数F[GHz]がある閾値以上である場合、実施例1の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より小さいことが確認された。
周波数F[GHz]の増加に伴い、実施例1のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]が高いほど、実施例1の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いことが確認された。
高周波数帯域における実施例1及び参考例1の上記関係は、以下の要因3に依る、と本発明者らは推測する。
<要因3> 実施例1及び参考例1のいずれにおいても、周波数F[GHz]が高いほど、表皮効果によって交流電気信号が高周波伝送線路の表面近傍に集中し易い。したがって、実施例1及び参考例1のいずれにおいても、周波数F[GHz]が高いほど、高周波伝送線路の表面近傍の導電率が、高周波伝送線路全体の交流抵抗に影響し易くなる。つまり、周波数F[GHz]が高いほど、高周波伝送線路の表面近傍の導電率の低下によって、高周波伝送線路全体の交流抵抗が増加し易くなる。しかし、実施例1では、銅よりも熱伝導率が高いカーボンナノチューブが偏在した中央部6が、熱伝導路として機能する。つまり、中央部6が放熱する。したがって、銅のみからなる参考例1の高周波伝送線路と比較すると、実施例1の高周波伝送線路において発生したジュール熱は、高周波伝送線路内に蓄積され難い。したがって、実施例1では、ジュール熱による高周波伝送線路の加熱が抑制され、加熱による高周波伝送線路の交流抵抗の増加も抑制される。交流電気信号の周波数の増加に伴い、表皮効果に起因して交流抵抗及びジュール熱が増加する。したがって、交流電気信号の周波数が高いほど、放熱性に優れた実施例1の高周波伝送線路の交流抵抗の増加が、銅のみからなる参考例1の高周波伝送線路の交流抵抗の増加よりも抑制され易い。
比較例1と参考例1とを比較した。いずれの周波数F[GHz]においても、比較例1のr(F)は、1.00以上であることが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、比較例1の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)以上であることが確認された。これは、参考例1の高周波伝送線路が実質的に銅のみからなる一方で、比較例1では、銅よりも導電率が低いカーボンナノチューブが高周波伝送線路全体に分布していること起因する。
周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例1のr(F)が減少することが確認された。換言すれば、周波数F[GHz]の増加に伴い、参考例1の交流抵抗Rcu(F)が比較例1の交流抵抗R(F)に近づく傾向があった。これは、以下の要因4に依る、と本発明者らは推測する。
<要因4> 比較例1の高周波伝送線路は、カーボンナノチューブを含有するので、実施例1と同様の放熱機能を有する。したがって、表皮効果に起因して交流抵抗及びジュール熱が増加する高周波数帯域では、放熱性を有する比較例1の高周波伝送線路の交流抵抗は、銅のみからなる参考例1の高周波伝送線路の交流抵抗よりも増加し難い。
上述した実施例1、比較例1及び参考例1それぞれの各周波数(F)における交流抵抗(R)を、模式的に図5に示す。なお、図5に示す「純Cu」の曲線は、発熱しない理想的な銅のみからなる高周波伝送線路の交流抵抗を示すものである。つまり、「純Cu」の交流抵抗は、ジュール熱に影響されず、表皮効果のみによって増加する。
[実施例2、比較例2及び参考例1の比較]
中央部におけるカーボンナノチューブの含有率が同じである実施例2及び比較例2を比較した。いずれの周波数F[GHz]においても、実施例2のr(F)は、比較例2のr(F)よりも小さいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、実施例2の交流抵抗R(F)は、比較例2の交流抵抗R(F)よりも小さいことが確認された。周波数F[GHz]が1.25[GHz]以上である場合、実施例2のr(F)は、1.00未満であることが確認された。つまり、周波数F[GHz]がある閾値以上である場合、実施例2の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より小さいことが確認された。周波数F[GHz]の増加に伴い、実施例2のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]が高いほど、実施例2の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いが確認された。いずれの周波数F[GHz]においても、比較例2のr(F)は、1.00より大きいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、比較例2の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より大きいことが確認された。周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例2のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例2の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いことが確認された。
[実施例3、比較例3及び参考例1の比較]
中央部におけるカーボンナノチューブの含有率が同じである実施例3及び比較例3を比較した。いずれの周波数F[GHz]においても、実施例3のr(F)は、比較例3のr(F)よりも小さいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、実施例3の交流抵抗R(F)は、比較例3の交流抵抗R(F)よりも小さいことが確認された。周波数F[GHz]が1.25[GHz]以上である場合、実施例3のr(F)は、1.00未満であることが確認された。つまり、周波数F[GHz]がある閾値以上である場合、実施例3の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より小さいことが確認された。周波数F[GHz]の増加に伴い、実施例3のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]が高いほど、実施例3の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いことが確認された。いずれの周波数F[GHz]においても、比較例3のr(F)は、1.00より大きいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、比較例3の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より大きいことが確認された。周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例3のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例3の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いことが確認された。
[実施例4、比較例4及び参考例1の比較]
中央部におけるカーボンナノチューブの含有率が同じである実施例4及び比較例4を比較した。いずれの周波数F[GHz]においても、実施例4のr(F)は、比較例4のr(F)よりも小さいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、実施例4の交流抵抗R(F)は、比較例4の交流抵抗R(F)よりも小さいことが確認された。周波数F[GHz]が1.50[GHz]以上である場合、実施例4のr(F)は、1.00未満であることが確認された。つまり、周波数F[GHz]がある閾値以上である場合、実施例4の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より小さいことが確認された。周波数F[GHz]の増加に伴い、実施例4のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]が高いほど、実施例4の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いことが確認された。いずれの周波数F[GHz]においても、比較例4のr(F)は、1.00より大きいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、比較例4の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より大きいことが確認された。周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例4のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例4の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いことが確認された。
[実施例5、比較例5及び参考例1の比較]
中央部におけるカーボンナノチューブの含有率が同じである実施例5及び比較例5を比較した。いずれの周波数F[GHz]においても、実施例5のr(F)は、比較例5のr(F)よりも小さいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、実施例5の交流抵抗R(F)は、比較例5の交流抵抗R(F)よりも小さいことが確認された。周波数F[GHz]が2.00[GHz]である場合、実施例5のr(F)は、1.00未満であることが確認された。つまり、周波数F[GHz]が2.00[GHz]である場合、実施例5の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より小さいことが確認された。周波数F[GHz]の増加に伴い、実施例5のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]が高いほど、実施例5の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いことが確認された。いずれの周波数F[GHz]においても、比較例5のr(F)は、1.00より大きいことが確認された。つまり、いずれの周波数F[GHz]においても、比較例5の交流抵抗R(F)は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)より大きいことが確認された。周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例5のr(F)が減少する傾向があることが確認された。つまり、周波数F[GHz]の増加に伴い、比較例5の交流抵抗R(F)の増加は、参考例1の交流抵抗Rcu(F)の増加より抑制され易いことが確認された。
[破壊電力の評価]
上記表1に示すように、全実施例のr−epは、1.00より大きいことが確認された。また、全実施例のr−epは、全比較例のr−epより大きいことが確認された。つまり、全実施例の高周波伝送線路の破壊電力は、参考例1及び全比較例の破壊電力より大きいことが確認された。つまり、全実施例の高周波伝送線路は、参考例1及び全比較例の高周波伝送線路に比べて、溶断し難いことが確認された。全実施例の大きい破壊電力は、以下の要因5に依る、と本発明者らは推測する。
<要因5> 実施例では、周縁部の高い導電率と中央部の高い熱伝導率との相乗効果によって、交流抵抗及びジュール熱の増加、並びに蓄熱が抑制される。また、実施例では、中央部に偏在するカーボンナノチューブ自体が高い電流密度耐性を有する。これらの理由から、実施例に係る高周波伝送線路では、大きな電力が供給されたとしても、溶断が起き難い。一方、比較例では、周縁部が中央部と同じ含有率でカーボンナノチューブを含むため、周縁部の導電率が実施例に比べて低い。したがって、比較例では、上記の相乗効果が得ら難い。参考例1の高周波伝送線路は、カーボンナノチューブを含まないため、高周波伝送線路全体の熱伝導率が実施例より低く、また高周波伝送線路全体の電流密度耐性が実施例に劣る。
本発明によれば、交流抵抗が小さく、断線し難い高周波伝送線路、当該高周波伝送線路を備えるアンテナ及び電子回路基板が提供される。
2…高周波伝送線路(又はアンテナ)、4…基板、6…中央部、8a…シード層、8…周縁部、10…端子、16…電子回路基板、30…フォトレジスト、30a…凹部、d…周縁部の厚さ。

Claims (4)

  1. 交流電気信号を伝送する高周波伝送線路であって、
    金属及びカーボンナノチューブを含み、
    前記カーボンナノチューブが、前記交流電気信号の伝送方向に垂直な前記高周波伝送線路の断面の中央部に偏在する、
    高周波伝送線路。
  2. 前記中央部における前記カーボンナノチューブの含有率が、0.5〜20体積%である、
    請求項1に記載の高周波伝送線路。
  3. 請求項1又は2に記載の高周波伝送線路を備えるアンテナ。
  4. 請求項1又は2に記載の高周波伝送線路を備える電子回路基板。
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