JP2023000630A - 回路基板及び高周波モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、任意の層間の厚みを有する回路基板において、高周波信号を給電可能にすることを目的とする。【解決手段】本開示は、誘電体基板に配置されている第１の導体線路と、前記第１の導体線路の配置されている誘電体基板を貫通するビア導体と、誘電体基板のうちの前記第１の導体線路とは異なる面に配置され、前記ビア導体と接続されている第２の導体線路と、前記ビア導体の周囲に配置され、前記ビア導体の貫通する誘電体基板と同じ誘電体基板を貫通する複数の貫通導体と、前記第１の導体線路及び前記第２の導体線路の少なくとも一方に接続されている整合器と、を備える回路基板である。【選択図】図１

Description

本開示は、回路基板における層間給電技術に関する。

回路基板の反対面に給電する場合、単一のビア（ｖｉａ）導体を用いて給電するのが一般的である。しかし、ミリ波帯のように電波が短い場合、高周波信号が回路基板の反対面に給電されにくい問題があった。

この問題を解決するため、ミリ波帯の高周波信号の層間給電技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、ビア導体の長さを高周波信号の波長λに対して所定の範囲にすることで、ミリ波帯の高周波信号を給電可能にする。このため、特許文献１では、ビア導体の長さによって層間の厚みが制限される問題がある。

特開２００３－２０４２０９号公報

そこで、本開示は、任意の層間の厚みを有する回路基板において、高周波信号を給電可能にすることを目的とする。

本開示の回路基板は、
誘電体基板に配置されている第１の導体線路と、
前記第１の導体線路の配置されている誘電体基板を貫通するビア導体と、
誘電体基板のうちの前記第１の導体線路とは異なる面に配置され、前記ビア導体と接続されている第２の導体線路と、
前記ビア導体の周囲に配置され、前記ビア導体の貫通する誘電体基板と同じ誘電体基板を貫通する複数の貫通導体と、
前記第１の導体線路及び前記第２の導体線路の少なくとも一方に接続されている整合器と、
を備える。

本開示の高周波モジュールは、
本開示の回路基板を用いた高周波モジュールであって、
前記第１の導体線路又は前記第２の導体線路を用いたアンテナ素子と、
前記アンテナ素子へ供給する高周波信号を生成する信号処理部と、
を備え、
前記ビア導体は、前記信号処理部からの高周波信号を前記アンテナ素子へ給電する。

本開示は、ビア導体の周囲に複数の貫通導体が配置されている回路基板において、前記第１の導体線路及び前記第２の導体線路の少なくとも一方に整合器が配置されているため、任意の層間の厚みを有する回路基板においても高周波信号を給電することができる。

回路基板の平面図であり、（ａ）は上面を示し、（ｂ）は下面を示す。 回路基板のＡ－Ａ’断面構成例である。 本開示の回路基板の構成例である。 複数の貫通導体の配置例である。 複数の貫通導体の配置例である。 複数の貫通導体の配置例である。 実施形態の貫通導体の配置例である。 Ｂ－Ｂ’断面構成の一例である。 Ｃ－Ｃ’断面構成の一例である。 回路基板の製造過程の一例である。 回路基板の製造過程の一例である。 回路基板の製造過程の一例である。 誘電体基板の第２層及び第３層にずれがある場合の回路基板の断面構成例である。 誘電体基板の第２層及び第３層に形成するパターン抜き部の一例である。 第２層及び第３層のパターン抜き部を拡大した場合の回路基板の断面構成例である。 反対面への出力レベルの比較例であり、（ａ）はパターン抜き部を拡大しない場合を示し、（ｂ）はパターン抜き部を拡大した場合を示す。 実施形態のアンテナ基板の一例である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（第１の実施形態）
図１及び図２に、本実施形態の回路基板の一例を示す。本実施形態の回路基板は、誘電体基板１１と、誘電体基板１１の上面に配置されている導体線路１２と、誘電体基板１１の下面に配置されている導体線路１４と、を備える。導体線路１２及び１４は、誘電体基板１１を貫通するビア導体１６で接続されている。

本実施形態では、誘電体基板１１が第１層１１－１から第４層１１－４を備え、導体線路１２が第１層１１－１の上面に配置され、導体線路１４が第４層１１－４の下面に配置されている例を示す。導体線路１２及び１４は、それぞれ第１及び第２の導体線路として機能する。第１層１１－１及び第４層１１－４は、それぞれ第１及び第２の誘電体基板として機能する。

導体線路１２及び１４の少なくともいずれかは、アンテナ素子に接続されているか、或いはアンテナ素子に用いられている。例えば、導体線路１２は部品実装面に配置されている給電線路として機能し、導体線路１４はアンテナ素子として機能し、ビア導体１６は給電導体として機能する。これにより、部品実装面からその反対面に配置されているアンテナ素子に給電するアンテナ基板を構成することができる。このような構成では、ミリ波帯のように電波が短い場合、ビア導体１６のみでは導体線路１２からの高周波信号が導体線路１４に給電されにくい。

本実施形態の回路基板は、図３に示すように、ビア導体１６の周囲に配置され、誘電体基板１１を貫通する複数の貫通導体２０を備える。複数の貫通導体２０は、ビア導体１６を中心とする点対称に配置されている。このように、本開示は、ビア導体１６の周囲に複数の貫通導体２０を配置することによる、同軸ケーブルを模した構造を採用する。これにより、本開示の回路基板は、給電のための導波路を確保し、同軸ケーブル形状を有する給電用変換器として機能させることができる。

例えば、図４に示すように、６本の貫通導体２２～２４、２６～２８が、ビア導体１６を中心とする半径φ_２０の同心円上に、ビア導体１６を囲むように配置されている。貫通導体２２～２４、２６～２８は、ビア導体１６と同様に、第１層１１－１から第４層１１－４の全てを貫通する。そのため、貫通導体２２～２４、２６～２８は、半径φ_２０の同心円上のうち、導体線路１２と重ならない位置に配置されている。貫通導体２２～２４の間隔及び貫通導体２６～２８の間隔は、任意であるが、例えば、ビア導体１６を中心とする点対称になるように、等しい間隔で配置されている。

例えば、図５に示すように、８本の貫通導体２１～２８が、ビア導体１６を中心とする半径φ_２０の同心円上に、ビア導体１６を囲むように配置されている。図５の例では、導体線路１２と重なる位置に配置されている複数の貫通導体２１及び２５を備える。この場合、貫通導体２１及び２５は、図６に示すように、第１層１１－１及び第４層１１－４の間に配置されている第２層１１－２及び第３層１１－３のみを貫通させる。

このように、本開示は、ビア導体１６の周囲に複数の貫通導体を配置することで、給電のための導波路を確保する。本実施形態では、さらに、ビア導体１６での高周波信号の伝送特性を調整するため、導体線路１２及び１４の延長線上に整合器１２Ｍ及び１４Ｍを備える。本開示の回路基板は、ビア導体１６での高周波信号の伝送特性を調整するため、整合器１２Ｍ及び１４Ｍの長さ、給電元の導体線路１２の線路幅の調整、給電先の導体線路１４の線路幅の調整を行う。これにより、本開示は、ビア導体１６を用いた反対面への給電を行うことを可能にする。

図７に、本実施形態の貫通導体の配置例を示す。この例では、導体線路１２に沿って貫通導体３１及び３２が配置され、整合器１２Ｍ及び１４Ｍの周囲に貫通導体３３～３５が配置されている。図８及び図９に、Ｂ－Ｂ’断面構成及びＣ－Ｃ’断面構成の一例を示す。貫通導体３３～３５は、図８に示すように、誘電体基板１１の第１層１１－１から第４層１１－４までを貫通する。貫通導体３２は、図９に示すように、誘電体基板１１の第１層１１－１及び第４層１１－４のみを貫通する。貫通導体３１も、貫通導体３２と同様に、誘電体基板１１の第１層１１－１及び第４層１１－４のみを貫通する。

以上説明したように、本実施形態の回路基板は、ビア導体１６の周囲に複数の貫通導体を配置することで同軸ケーブル形状の変換器を構成し、導体線路１２及び１４に整合器１２Ｍ及び１４Ｍを設けている。これにより、本実施形態の回路基板は、任意の層間の厚みを有する回路基板に対し、高周波信号を給電することができる。

ここで、本実施形態では、導体線路１２及び１４の両方に整合器１２Ｍ及び１４Ｍを備える例を示したが、整合器１２Ｍ及び１４Ｍの両方を備える必要はなく、整合器１２Ｍ及び１４Ｍのいずれか一方であっても本開示の作用・効果が得られる。

なお、本実施形態では回路基板が部品実装面からその反対面に給電する例を示したが、本開示はビア導体１６を用いて高周波信号を給電する任意の回路基板に適用することができる。例えば、後述するように、誘電体基板１１の両面にアンテナ素子が形成されていてもよい。

また、本実施形態では、ビア導体１６及び貫通導体２２～２４、２６～２８が第１層１１－１から第４層１１－４までを貫通する例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、導体線路１２及び１４は異なる任意の面に配置することが可能であり、ビア導体１６は導体線路１２と１４を接続可能な任意の長さでありうる。そのため、ビア導体１６及び貫通導体２２～２４、２６～２８は同じ誘電体基板を貫通していればよく、例えば第１層１１－１から第３層１１－３までを貫通し、第４層１１－４を貫通しない構成であってもよい。この場合、貫通導体２１及び２５は第２層１１－２のみを貫通する。

本実施形態では誘電体基板１１の一例として、第１層～第４層の４つの層を備える例を示すが、本開示の回路基板に備わる誘電体基板の層の数は１以上の任意の数でありうる。例えば、第１層１１－１と第４層１１－４の間に配置されている誘電体基板は３層以上であってもよい。この場合、第１層１１－１と第４層１１－４の間に配置されている３層以上の誘電体基板が第３の誘電体基板として機能し、貫通導体２１及び２５は、第３の誘電体基板のうちの任意の数の誘電体基板を貫通する。

（第２の実施形態）
第１の実施形態で説明したビア導体１６を配置する場合、第１層１１－１～第４層１１－４を作製し（図１０）、第２層１１－２及び第３層１１－３をプリプレグ１３で張り合わせ、これらを貫通する貫通導体２１及び２５を形成する（図１１）。そして、第１層１１－１から第４層１１－４まで全てを張り合わせ、ビア導体１６を配置する（図１２）。

第２層１１－２及び第３層１１－３をプリプレグ１３で張り合わせる前に、図１１に示すような、第２層１１－２及び第３層１１－３に、銅箔層などによる導体パターンが無い領域（パターン抜き部と称する）を形成する。例えば、第２層１１－２の上面にパターン抜き部６２－１を形成し、第２層１１－２の下面及び第３層１１－３の上面にパターン抜き部６２を形成し、第３層１１－３の下面にパターン抜き部６２－４を形成する。また、第１層１１－１から第４層１１－４まで全てを張り合わせる前に、第１層１１－１の下面にパターン抜き部６１を形成し、第４層１１－４の上面にパターン抜き部６３を形成する。

第１層１１－１～第４層１１－４を張り合わせる際に、第２層１１－２及び第３層１１－３にずれがある場合、図１３に示すように、第１層１１－１の下面のパターン抜き部６１と第２層１１－２の上面のパターン抜き部６２－１との間にずれΔＰが生じ、第４層１１－４の上面のパターン抜き部６３と第３層１１－３の下面のパターン抜き部６２－４との間にずれΔＰが生じる。このずれΔＰにより、給電経路が歪になる。そこで、本実施形態の回路基板は、パターン抜き部６２－１及び６２－４の直径φ_６２を拡大する。

図１４に、パターン抜き部６２－１及び６２－４の一例を示す。本実施形態では、パターン抜き部６２－１及び６２－４がビア導体１６の直径に対して余裕をもって形成されている。例えば、パターン抜き部６２－１及び６２－４の内径φ_６２とビア導体１６の直径の差は、回路基板の製造誤差よりも大きい。パターン抜き部６２－１及び６２－４は、貫通導体２２～２４、２６～２８と重なっていてもよい。すなわち、パターン抜き部６２－１及び６２－４内に、貫通導体２２～２４、２６～２８の少なくとも一部又は全部が配置されていてもよい。この場合、図１５に示すように、貫通導体２１及び２５の位置がパターン抜き部６２－１及び６２－４に重なるため、貫通導体２１及び２５を配置しない。

図１６に、出力レベルの比較例を示す。図１６（ａ）は、第２層１１－２及び第３層１１－３に貫通導体２１及び２５を配置し、パターン抜き部６２－１及び６２－４を拡大しない場合を示す。図１６（ｂ）は、パターン抜き部６２－１及び６２－４を拡大し、貫通導体２１及び２５を配置しない場合を示す。いずれの場合も、第１層１１－１及び第４層１１－４に対して第２層１１－２及び第３層１１－３を－２００μｍ、－１００μｍ、０μｍ、１００μｍ、２００μｍずらした場合を示す。パターン抜き部６２－１及び６２－４を拡大しない場合、図１６（ａ）に示すように、出力レベルの差は約２ｄＢであった。パターン抜き部６２－１及び６２－４を拡大した場合、図１６（ｂ）に示すように、出力レベルの差は約０．６ｄＢであった。

したがって、パターン抜き部６２－１及び６２－４の直径φ_６２を拡大することで、第１層１１－１～第４層１１－４を張り合わせのずれに起因する給電経路の変形度合いを軽減することが出来る。その結果、層間張り合わせのずれに対する出力レベルのばらつきを大きく低減することができる。

（第３の実施形態）
本開示のビア導体１６は、反対面への給電が可能であることに加え、２分岐の分配器としても併用できる。そのため、本開示の回路基板は、アンテナの分配器に適用することができる。

図１７は、本実施形態のアンテナ基板の一例を示す。本実施形態のアンテナ基板は、導体線路１２、１４及びビア導体１６を複数備え、導体線路１２を用いて誘電体基板１１の同一面に複数のアンテナ素子７０が構成されている。各アンテナ素子７０は、誘電体基板１１を貫通するビア導体１６を用いて誘電体基板１１の反対面の導体線路１４と接続されている。これにより、中央にビア導体１６が配置されている中央給電のアレイアンテナが構成されている。

本開示は、貫通導体２２～２４、２６～２８を同軸ケーブル形状に配置し、図示されていない反対の面に整合器１４Ｍを配置することで、整合器を備えた給電線路により給電を行う。これにより、本実施形態では、２分岐用の給電器を省スペースで実現することができる。したがって、本開示は、アンテナ素子７０の間隔Ｄ_７０を、アンテナ素子７０の送受信波長λの一波長未満、例えばλ／２程度の狭い間隔で設計することが可能となる。

以上において説明した本開示の回路基板は、部品実装面にＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの信号処理部が配置され、信号処理部からの高周波信号を導体線路１２及び１４に供給する、任意の高周波モジュールに適用することができる。

信号処理部における処理は任意である。例えば、信号処理部は、高周波信号を生成し、これを用いてアンテナ素子を介した信号の送受信を行う。これにより、送受信モジュールを構成することができる。例えば、信号処理部は、レーダ用の送信波を生成して送信アンテナに供給し、受信アンテナで受信された対象物からの反射波を用いて対象物を検知する。これにより、レーダモジュールを構成することができる。このほか、本開示の高周波モジュールは、導体線路１２及び１４に高周波信号を供給する任意のモジュールでありうる。

ここで、高周波信号は、２４ＧＨｚ、２８ＧＨｚ、３６ＧＨｚ、３９ＧＨｚ、６０ＧＨｚ、７６ＧＨｚ、７９ＧＨｚなどのミリ波帯の高周波信号のほか、アンテナを用いて送受信可能な任意の周波数の高周波信号でありうる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１１：誘電体基板
１２、１４：導体線路
１３：プリプレグ
１６：ビア導体
１７、１８：導体
１９：グランド導体
２０、２１～２８、３１～３５：貫通導体
４１、４２：ランド
６１、６２－１、６２－４、６３：パターン抜き部
７０：アンテナ素子

Claims (9)

1. 誘電体基板に配置されている第１の導体線路と、
   前記第１の導体線路の配置されている誘電体基板を貫通するビア導体と、
   誘電体基板のうちの前記第１の導体線路とは異なる面に配置され、前記ビア導体と接続されている第２の導体線路と、
   前記ビア導体の周囲に配置され、前記ビア導体の貫通する誘電体基板と同じ誘電体基板を貫通する複数の貫通導体と、
   前記第１の導体線路及び前記第２の導体線路の少なくとも一方に接続されている整合器と、
   を備える回路基板。
2. 前記複数の貫通導体は、前記ビア導体を中心とする同心円上に配置されている、
   請求項１に記載の回路基板。
3. 前記第１の導体線路の配置されている第１の誘電体基板と前記第２の導体線路の配置されている第２の誘電体基板との間に第３の誘電体基板を備え、
   前記同心円と前記第１の導体線路又は前記第２の導体線路との重なる位置に、前記第３の誘電体基板のみを貫通する複数の貫通導体を備える、
   請求項２に記載の回路基板。
4. 前記第１の導体線路の配置されている第１の誘電体基板と前記第２の導体線路の配置されている第２の誘電体基板との間に第３の誘電体基板を備え、
   前記第３の誘電体基板の前記第１の導体線路側に配置されている導体及び前記第３の誘電体基板の前記第２の導体線路側に配置されている導体は、前記ビア導体の配置されている位置に、導体の配置されていないパターン抜き部を備え、
   前記パターン抜き部の内径と前記ビア導体の直径との差が、前記回路基板の製造誤差よりも大きい、
   請求項１又は２に記載の回路基板。
5. 前記第３の誘電体基板に形成されている前記パターン抜き部と、前記第１の誘電体基板及び前記第２の誘電体基板を貫通する複数の貫通導体と、が重なっている、
   請求項４に記載の回路基板。
6. 同じ誘電体基板を貫通する前記複数の貫通導体は、前記ビア導体を中心とする点対称に配置されている、
   請求項１から５のいずれかに記載の回路基板。
7. 前記第１の導体線路、前記第２の導体線路及び前記ビア導体を複数備え、
   前記第１の導体線路又は前記第２の導体線路を用いて、誘電体基板の同一面に複数のアンテナ素子が構成され、
   前記複数のアンテナ素子の間隔が、各アンテナ素子の送信波長又は受信波長の一波長未満である、
   請求項１から６のいずれかに記載の回路基板。
8. 前記送信波長又は前記受信波長は、ミリ波帯に含まれる波長である、
   請求項７に記載の回路基板。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の回路基板を用いた高周波モジュールであって、
   前記第１の導体線路又は前記第２の導体線路を用いたアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子へ供給する高周波信号を生成する信号処理部と、
   を備え、
   前記ビア導体は、前記信号処理部からの高周波信号を前記アンテナ素子へ給電する、
   高周波モジュール。

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