JP2017103714A - 多層配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】上面線路および底面線路と信号線ＶＩＡとの接合部において発生する、伝播モードの急変に起因する高周波特性の劣化を軽減する。【解決手段】多層配線基板１０を構成する基板部材より高い誘電率を持つ誘電体からなり、アンチパッド領域１４のうち上面線路１１Ａまたは底面線路１１Ｂからなる信号線路１１の両脇位置に、信号線路１１を挟んで対抗配置された一対のノッチ部２３を設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上面から基板底面まで垂直方向に貫通する高周波線路として擬似同軸線路構造を備えた多層配線基板に関する。

多層配線基板を垂直貫通する高周波線路の構造として、垂直部の信号線ＶＩＡを通じて上面の水平信号線と底面の周辺の信号線へ接続させるＲＦ−ＶＩＡという構成が知られている（例えば、特許文献１など参照）。
図１２は、ＲＦ−ＶＩＡを用いた上面実装型パッケージの断面図である。ここでは、セラミック多層基板からなる多層配線基板の基板上面にＩＣチップを上面実装して、基板上面に形成されている上面線路とＩＣチップとをワイヤボンディングで接続し、これらＩＣチップおよびワイヤボンディングを蓋部により覆う構成となっている。

また、多層配線基板には、グランドプレーンを選択的に除去した平面視円形をなすアンチパッド領域を、基板上面から基板底面へ垂直方向に貫通するＲＦ−ＶＩＡが形成されており、このＲＦ−ＶＩＡの信号ＶＩＡを介して基板上面に形成された上面線路と基板底面に形成された底面線路とが接続されている。
したがって、この底面線路を基板底面のリードピンと接続すれば、底面線路、信号ＶＩＡ、上面線路を介して、リードピンとＩＣチップとが接続されることになり、上面実装型パッケージの外部とＩＣチップとの間で高周波信号をやり取りすることが可能となる。

図１３は、ＲＦ−ＶＩＡの斜視図である。図１４は、ＲＦ−ＶＩＡの平面図である。図１５は、図１４のＢ−Ｂ断面図である。これら図１３〜図１５に示したＲＦ−ＶＩＡは、信号ＶＩＡの周囲に点在配置された複数のグランドＶＩＡを有する擬似同軸線路構造をなしている。グランドＶＩＡは、アンチパッド領域の外側に、信号ＶＩＡを中心とする同心円状に点在配置されている。したがって、これらグランドＶＩＡが、空気あるいはシリコン基板からなる絶縁体を介して信号ＶＩＡの周囲を覆う、いわゆる同軸線路の外部導体として機能することになる。

これにより、高周波信号の伝播時に発生するリターン電流によるインダクタンスを等価回路的に並列接続と等価にし、擬似同軸線路構造が持つインダクタンスの上昇を抑制させ、多層配線基板上面に形成した高周波信号線路の特性インピーダンスと整合させることができる（例えば、特許文献１など参照）。

特開２００４−０８７６８３号公報

しかしながら、このような従来技術では、前述の図１４に示した上面線路および底面線路と信号線ＶＩＡとの特性インピーダンスはそれぞれ５０Ωに設定されており、かつ、これら上面線路および底面線路と信号線ＶＩＡとが直角に接続されている。したがって、高周波信号が上面線路および底面線路から信号線ＶＩＡへ伝播する際、伝播モードが線路モード（CPW：CoPlanar Waveguide）から同軸モードに急激に変換されるため、上面線路および底面線路と信号線ＶＩＡとの接合部において高周波特性が劣化するという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、上面線路および底面線路と信号線ＶＩＡとの接合部において発生する、伝播モードの急変に起因する高周波特性の劣化を軽減できる多層配線基板を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる多層配線基板は、グランドプレーンが選択的に除去された平面視円形状のアンチパッド領域の中心位置において基板上面から基板底面まで垂直方向に貫通して形成された信号線ＶＩＡと、前記アンチパッド領域の外周部に前記信号線ＶＩＡを中心とする同心円状に点在配置された複数のグランドＶＩＡとからなる擬似同軸線路構造を有し、前記基板上面に形成された上面線路と前記基板底面に形成された底面線路とを前記信号線ＶＩＡを介して接続する多層配線基板であって、前記多層配線基板を構成する基板部材より高い誘電率を持つ誘電体からなり、前記アンチパッド領域のうち前記上面線路または前記底面線路からなる信号線路の両脇位置に、前記信号線路を挟んで対抗配置された一対のノッチ部を備えている。

また、本発明にかかる上記多層配線基板の一構成例は、前記ノッチ部が、前記アンチパッド領域のうち前記上面線路および前記底面線路の両脇位置にそれぞれ配置されているものである。

また、本発明にかかる上記多層配線基板の一構成例は、前記ノッチ部が、前記信号線ＶＩＡを中心とする同心円状に位置する内側円弧と外側円弧に挟まれた、半径方向に一定幅を持つ平面視扇状を呈しており、前記外側円弧が前記アンチパッド領域の外周縁に沿って形成され、前記内側円弧端部と前記外側円弧端部とを結ぶ一方の扇側面が前記信号線路に沿って形成されているものである。

本発明によれば、アンチパッド領域のうちノッチ領域において局所的に特性インピーダンスが低下して電界結合が強められ、非ノッチ領域において局所的に特性インピーダンスが上昇して電界結合が弱められる。したがって、信号線路と信号線ＶＩＡとの結合部において発生する、伝播モードの急変に起因する高周波特性の劣化を軽減することが可能となる。

本発明の一実施の形態にかかる多層配線基板の平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 ノッチ部を示す平面図である。 接合部における透過特性を示すグラフである。 接合部における反射特性を示すグラフである。 ノッチ部形状を示す説明図である。 ノッチ部形状の違いによる接合部における透過特性を示すグラフである。 ノッチ部形状の違いによる接合部における反射特性を示すグラフである。 ノッチ部誘電率を示す説明図である。 ノッチ部誘電率の違いによる接合部における透過特性を示すグラフである。 ノッチ部誘電率の違いによる接合部における反射特性を示すグラフである。 ＲＦ−ＶＩＡを用いた上面実装型パッケージの断面図である。 ＲＦ−ＶＩＡの斜視図である。 ＲＦ−ＶＩＡの平面図である。 図１４のＢ−Ｂ断面図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態にかかる多層配線基板１０について説明する。図１は、本発明の一実施の形態にかかる多層配線基板の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、ノッチ部を示す平面図である。

本実施の形態にかかる多層配線基板１０は、全体として、接地電位に接続された導体層である接地導体からなるグランドプレーン１２と絶縁体あるいは半導体からなる絶縁層１３とが交互に積層された基板であり、基板上面（最上層）１０Ａに形成された上面線路１１Ａと基板底面（最下層）１０Ｂに形成された底面線路１１Ｂとを、擬似同軸線路構造２０の信号線ＶＩＡ２１を介して接続する機能を有している。

なお、本実施の形態においては、導体層やビアを銅箔、絶縁体を代表的なＦＲ４を使用して図示しているが、決してこれに限ることはない。例えば、導体層やビアを金、絶縁体をセラミックやガラス、あるいは絶縁体の代替として半導体であるＳｉやＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の材料にも適用可能であり、決してこれらに限定されるものではない。

擬似同軸線路構造２０は、各層のグランドプレーン１２が選択的に除去された平面視円形状のアンチパッド領域１４の中心位置において、基板上面１０Ａから基板底面１０Ｂまで垂直方向に貫通して形成された信号線ＶＩＡ２１と、アンチパッド領域１４の外周部に信号線ＶＩＡ２１を中心とする同心円状に点在配置された複数のグランドＶＩＡ２２とから構成されている。

本実施の形態にかかる多層配線基板１０は、上面線路１１Ａまたは底面線路１１Ｂからなる信号線路１１と信号線ＶＩＡ２１とが接続される接合部に、多層配線基板１０の絶縁層１３を構成する基板部材より高い誘電率を持つ誘電体からなるノッチ部２３を設けたことを特徴としている。

図１の例では、アンチパッド領域１４のうち上面線路１１Ａの両脇位置に、上面線路１１Ａを挟んで対抗配置された一対の上面ノッチ部２３Ａが形成されているとともに、アンチパッド領域１４のうち底面線路１１Ｂの両脇位置に、底面線路１１Ｂを挟んで対抗配置された一対の底面ノッチ部２３Ｂが形成されている。本実施の形態では、上面線路１１Ａおよび底面線路１１Ｂの両方に上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂを形成した場合を例として説明するが、いずれか一方だけを形成してもよい。

図３に示すように、上面ノッチ部２３Ａは、半径方向に一定幅Ｗを持つ平面視円弧形状をなしている。より具体的には、信号線ＶＩＡ２１を中心とする同心円状に位置する内側円弧２３Ｐと外側円弧２３Ｒに挟まれた、半径方向に一定幅Ｗを持つ平面視扇状（幅広円弧状）を呈しており、外側円弧２３Ｒがアンチパッド領域１４の外周縁１４Ｒに沿って形成され、内側円弧２３Ｐ端部と外側円弧２３Ｒ端部とを結ぶ扇側面２３Ｑの一方が信号線路１１に沿って形成されている。また、上面ノッチ部２３Ａは、基板上面１０Ａから基板上面１０Ａ直下のグランドプレーン１２までの高さ（深さ）を有している。ここでは、上面ノッチ部２３Ａについてのみ説明するが、底面ノッチ部２３Ｂの形状についても同様である。

このようにして、基板部材の誘電率εｒ１より高い誘電率εｒ２を持つ上面ノッチ部２３Ａを、上面線路１１Ａ近傍に形成すると、アンチパッド領域１４のうち上面線路１１Ａに沿った上面ノッチ部２３Ａ側のノッチ領域１４Ａにおいて、局所的に特性インピーダンスが低下して電界結合が強められる。一方、アンチパッド領域１４のうち信号線ＶＩＡ２１を挟んでノッチ領域１４Ａと対抗する非ノッチ領域１４Ｂでは、局所的に特性インピーダンスが上昇して電界結合が弱められる。

また、図３に示した平面視円弧形状とすることにより、信号線ＶＩＡ２１から等しい距離にノッチ部２３を配置することができ、より電界結合の強化効果を効率よく得ることができる。なお、上面ノッチ部２３Ａの底面ノッチ部２３Ｂの形状については、これに限定されるものではない。

したがって、上面線路１１Ａを伝播する高周波信号について、上面線路１１ＡでのＣＰＷモードから信号線ＶＩＡ２１での同軸モードへのモード変換がスムーズに行われることになる。このため、上面線路１１Ａと信号線ＶＩＡ２１との接合部における、透過特性および反射特性をともに改善でき、良好な高周波特性を得ることが可能となる。ここでは、上面ノッチ部２３Ａについてのみ説明したが、底面ノッチ部２３Ｂの形状についても同様である。

上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂの形成有無による高周波特性の違いについて説明する。図４は、接合部における透過特性を示すグラフである。図５は、接合部における反射特性を示すグラフである。図４において、特性３０は上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂを形成していない場合の透過減衰量を示す周波数特性であり、特性３１は上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂを形成した場合の透過減衰量を示す周波数特性である。図５において、特性３２は上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂを形成していない場合の反射減衰量を示す周波数特性であり、特性３３は上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂを形成した場合の反射減衰量を示す周波数特性である。

これら特性４０，４１は、次のような条件下におけるシミュレーションにより求めた。
シミュレーション手法：有限要素法／ＨＦＳＳ
セラミック材料：アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）
セラミック誘電率：εｒ１＝９．８
セラミック誘電正接：ｔａｎδ＝０．００６
セラミック積層数：８
セラミック厚：０．２５４ｍｍ
信号ＶＩＡ高さ：２．０３２ｍｍ（＝０．２５４ｍｍ×８層分）
Ａｕメタル厚：０．００１ｍｍ
信号線路パラメータ（特性インピーダンスＺｏ＝５０Ω）
信号線路幅Ｌ＝０．１ｍｍ
信号線路−ＧＮＤギャップＳ＝０．０５ｍｍ
ノッチ部誘電率：εｒ２＝１００（＞εｒ１）
ノッチ部誘電正接：ｔａｎδ＝０．００６

図４によれば、周波数１５ＧＨｚ以上の領域において、特性３１の透過減衰量のほうが特性３０と比べて小さくなっており、上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂを形成することにより接合部で発生する透過減衰量を削減できていることがわかる。
また、図５によれば、周波数領域のほぼ全般にわたって、特性３３の反射量のほうが特性３２と比べて小さくなっており、上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂを形成することにより接合部で発生する反射量を削減できていることがわかる。

上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂの形状・面積による高周波特性の違いについて説明する。図６は、ノッチ部形状を示す説明図であり、図６（ａ）はノッチ部なし、図６（ｂ）はノッチ部：形状Ａ（面積小）、図６（ｃ）はノッチ部：形状Ｂ（面積中）、図６（ｄ）はノッチ部：形状Ｃ（面積大）を示している。図７は、ノッチ部形状の違いによる接合部における透過特性を示すグラフである。図８は、ノッチ部形状の違いによる接合部における反射特性を示すグラフである。シミュレーション条件は前述と同じである。

図７によれば、周波数１５ＧＨｚ以上の領域において、平面視面積が大きいほど接合部で発生する透過減衰量を削減できていることがわかる。また、図８によれば、周波数領域のほぼ全般にわたって、平面視面積が大きいほど接合部で発生する反射量を削減できていることがわかる。

上面ノッチ部２３Ａおよび底面ノッチ部２３Ｂの誘電率による高周波特性の違いについて説明する。図９は、ノッチ部誘電率を示す説明図であり、図９（ａ）はノッチ部なし、図９（ｂ）はノッチ部誘電率εｒ２＝３０、図９（ｃ）はノッチ部誘電率εｒ２＝１００、図９（ｄ）はノッチ部誘電率εｒ２＝１（空気）を示している。図１０は、ノッチ部誘電率の違いによる接合部における透過特性を示すグラフである。図１１は、ノッチ部誘電率の違いによる接合部における反射特性を示すグラフである。シミュレーション条件は前述と同じである。

図１０によれば、周波数１５ＧＨｚ以上の領域において、誘電率が高いほど接合部で発生する透過減衰量を削減できていることがわかる。また、図１１によれば、周波数領域のほぼ全般にわたって、誘電率が高いほど接合部で発生する反射量を削減できていることがわかる。
したがって、ノッチ部２３の形状・面積・誘電率は、独立して制御することができ、結果として、これらパラメータにより高周波特性を任意に調整することが可能となる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、多層配線基板１０を構成する基板部材より高い誘電率を持つ誘電体からなり、アンチパッド領域１４のうち上面線路１１Ａまたは底面線路１１Ｂからなる信号線路１１の両脇位置に、信号線路１１を挟んで対抗配置された一対のノッチ部２３を設けたものである。

これにより、アンチパッド領域１４のうちノッチ領域１４Ａにおいて局所的に特性インピーダンスが低下して電界結合が強められ、非ノッチ領域１４Ｂにおいて局所的に特性インピーダンスが上昇して電界結合が弱められる。したがって、信号線路１１と信号線ＶＩＡ２１との結合部において発生する、伝播モードの急変に起因する高周波特性の劣化を軽減することが可能となる。

また、ノッチ部２３は、多層配線基板１０の基板上面（最上層）１０Ａや基板底面（最下層）１０Ｂの一部領域を高誘電体部材に変更するという工程により形成・変更できる。このため、多層配線基板１０の製造した後においても、接合部の高周波特性を確認し、必要に応じて、ノッチ部２３の誘電率・形状・サイズなどのパラメータを調整することにより、高周波特性を改善することが可能である。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１０…多層配線基板、１０Ａ基板上面（最上層）、１０Ｂ基板底面（最下層）、１１…信号線路、１１Ａ…上面線路、１１Ｂ…底面線路、１２…グランドプレーン、１３…絶縁層、１４…アンチパッド領域、１４Ｒ…外周縁、２０…擬似同軸線路構造、２１…信号線ＶＩＡ、２２…グランドＶＩＡ、２３…ノッチ部、２３Ａ…上面ノッチ部、２３Ｂ…底面ノッチ部、２３Ｐ…内側円弧、２３Ｒ…外側円弧、２３Ｑ…扇側面。

Claims (3)

1. グランドプレーンが選択的に除去された平面視円形状のアンチパッド領域の中心位置において基板上面から基板底面まで垂直方向に貫通して形成された信号線ＶＩＡと、前記アンチパッド領域の外周部に前記信号線ＶＩＡを中心とする同心円状に点在配置された複数のグランドＶＩＡとからなる擬似同軸線路構造を有し、前記基板上面に形成された上面線路と前記基板底面に形成された底面線路とを前記信号線ＶＩＡを介して接続する多層配線基板であって、
   前記多層配線基板を構成する基板部材より高い誘電率を持つ誘電体からなり、前記アンチパッド領域のうち前記上面線路または前記底面線路からなる信号線路の両脇位置に、前記信号線路を挟んで対抗配置された一対のノッチ部を備えることを特徴とする多層配線基板。
2. 請求項１に記載の多層配線基板であって、
   前記ノッチ部は、前記アンチパッド領域のうち前記上面線路および前記底面線路の両脇位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする多層配線基板。
3. 請求項１に記載の多層配線基板であって、
   前記ノッチ部は、前記信号線ＶＩＡを中心とする同心円状に位置する内側円弧と外側円弧に挟まれた、半径方向に一定幅を持つ平面視扇状を呈しており、前記外側円弧が前記アンチパッド領域の外周縁に沿って形成され、前記内側円弧端部と前記外側円弧端部とを結ぶ一方の扇側面が前記信号線路に沿って形成されていることを特徴とする多層配線基板。