JP3623078B2 - 高周波用配線基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロストリップラインとグランド層からなる配線層を配設してなる高周波用配線基板に関するものである。
【0002】
【従来技術】
マイクロ波、ミリ波等の高周波で用いられる高周波回路においては、基板には比誘電率が低く誘電損失(tanδ)が小さい(Q値が大きい)材料を使用する必要がある。このため、従来、誘電体の材料としては主として比誘電率が約10、測定周波数10GHzでのQ値が20000以上のアルミナ磁器が採用されていた(例えば、特開昭62−103904号公報等参照)
一方、比誘電率が低い材料としては、従来、コージェライトが知られているが、焼成温度範囲が極めて狭いことから緻密な焼結体が得難いため、ガラス材を添加することによって、比誘電率が4〜6、測定周波数10GHzでのQ値が1000程度のガラスセラミックスを作製し、これを用いることが知られている(例えば、特開昭61−234128号公報等参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低誘電率材料として用いられているガラスセラミックス等の磁器は比誘電率が4〜6と小さいが、Q値が10GHzで1000程度であり、近年における高周波数帯の誘電体共振器の普及にともない、より高いQ値の低誘電率材料が求められていた。
【0004】
一方、アルミナ磁器は10GHzでのQ値が20000以上と高いが、比誘電率が約10と比較的高いため、例えば、図1に示すような高インピーダンスのマイクロストリップラインを形成しようとすると、ライン幅が小さくなりすぎて断線が生じたり、相対的なライン幅のばらつきが大きくなりマイクロ波集積回路の不良率が増大するという問題があった。またライン間が狭くなることによりクロストークが発生するという問題があった。
【0005】
他方、この種の磁器基板におけるマイクロストリップラインのインピーダンスは、基板の厚さが一定であれば、その比誘電率及びマイクロストリップラインの幅にそれぞれ反比例するため、ライン幅を小さくする代わりに、比誘電率の低い基板材料を使用することによってもインピーダンスを高めることができ、このため、より低誘電率材料が求められていた。さらに、マイクロ波からミリ波へと伝送周波数がより高周波化した場合、Q値が低いと急激に伝送損失が大きくなることから、より低損失材料が求められていた。
【0006】
本発明は、絶縁基板材料として、低誘電率で、かつ高Q値の焼結体を用いることにより、高周波伝送特性を向上できる高周波用配線基板を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波用配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部に、周波数1GHz以上の高周波信号が伝送可能なマイクロストリップラインとグランド層からなる配線層を配設してなる高周波用配線基板において、前記絶縁基板が、金属元素としてMg、Al、Siからなる複合酸化物であって、各金属元素の酸化物によるモル比組成式をxMgO・yAl2O3・zSiO2と表した時、前記x、y、zが、10≦x≦40、10≦y≦40、20≦x≦80、x+y+z=100を満足する主成分中に、YbおよびInのうちの少なくとも一種をそれぞれYb 2 O 3 、In 2 O 3 換算で0.1〜15重量%含有する焼結体からなり、前記配線層の周波数20GHzにおける伝送損失が15dB/m以下であることを特徴とする。
また、絶縁基板の表面あるいは内部に、周波数1GHz以上の高周波信号が伝送可能なマイクロストリップラインとグランド層からなる配線層を配設してなる高周波用配線基板において、前記絶縁基板が、金属元素としてMg、Al、Siと、Ni及び/又はCoと、不可避不純物とからなる複合酸化物であって、各金属元素の複合酸化物のモル比組成式を
xMgO・yAl 2 O 3 ・zSiO 2 と表した時、前記x、y、zが、10≦x≦40、10≦y≦40、20≦x≦80、x+y+z=100を満足する主成分中に、Ni及び/又はCoをそれぞれNiO、CoO換算で0.1〜15重量%含有する焼結体からなり、前記配線層の周波数20GHzにおける伝送損失が15dB/m以下であることを特徴とする。
【0008】
【作用】
本発明の高周波用配線基板では、絶縁基板を、上記した主成分中に、Yb、In、NiおよびCoのうちの少なくとも一種をそれぞれYb2 O3 、In2 O3 、NiO、CoO換算で0.1〜15重量%含有する焼結体により構成したので、焼成温度等の焼成温度を厳密に制御して得られた特性を大きく劣化させることなく、焼成条件を改善することができる。即ち、比誘電率が6以下、10GHzにおけるQ値が3000以上の特性を得ることができるとともに、例えば、焼成温度幅が10℃程度であったものを100℃程度まで向上することができ、製造を容易にし、量産性を向上することができる。
【0009】
また、このような低誘電率、高Q値の誘電体磁器を絶縁基板として用いることにより、高周波伝送特性を向上できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部に、周波数1GHz以上の高周波信号が伝送可能な配線層を配設してなるもので、例えば、図1に示すように、絶縁基板1の表面に配線層2、3を形成して構成されている。即ち、絶縁基板1の下面に全面導体(グランド)2を、上面にマイクロストリップライン3を形成して構成されている。全面導体(グランド)2とマイクロストリップライン3とから配線層が構成される。この配線層には、高周波信号として、1GHz以上、特には20GHz以上、さらには50GHz以上の高周波信号が伝送される。
【0011】
図1では、絶縁基板1の表面にマイクロストリップ線路を形成したが、配線層は、絶縁基板と同時焼成により形成されることが望ましい。また、このような高周波用配線基板は、マイクロ波、ミリ波用等の高周波で用いられるパッケージ、誘電体共振器、LCフィルター、コンデンサ、誘電体導波路、誘電体アンテナ等に用いることができる。
【0012】
そして、本発明の高周波用配線基板では、絶縁基板1が、金属元素の酸化物によるモル比組成式をxMgO・yAl2 O3 ・zSiO2 と表した時、前記x、y、zが10≦x≦40、10≦y≦40、20≦x≦80、x+y+z=100を満足するものを主成分とする。
【0013】
基板の主成分組成を前記範囲に限定したのは、次の理由による。すなわち、MgOのモル百分率を示すxを10〜40としたのはxが10よりも小さい場合は良好な焼結体が得られずQ値が低くなり、また40を越えると比誘電率が高くなるからである。特にMgO量を示すxは、Q値を5000以上とするという点から15〜35が望ましい。
【0014】
また、Al2 O3 のモル百分率を示すyを10〜40としたのは、yが10よりも小さい場合は良好な焼結体が得られずQ値が低くなり、また40を越えると比誘電率が高くなるからである。特にAl2 O3 量を示すyは、Q値を5000以上とするという点から17〜35が望ましい。
【0015】
SiO2 のモル百分率を示すzを20〜80としたのはzが20よりも小さい場合は比誘電率が高くなり、80を越えると良好な焼結体が得られずQ値が低くなる。特にSiO2 量を示すzは、Q値を5000以上とするという点から30〜65が望ましい。
【0016】
本発明によれば、上記主成分に対してYb、In、NiおよびCoのうちの少なくと一種をそれぞれYb2 O3 、In2 O3 、NiO、CoO換算で0.1〜15重量%含有したのは、Yb2 O3 、In2 O3 、NiO、CoOとしての含有量が0.1重量%より少ない場合は緻密化焼成温度は広くならず、15重量%より多い場合は誘電損失が大きくなり、Q値が低くなるためである。Yb、In、NiおよびCoの含有量を増加させるほど緻密化焼成温度は広くなるが、一方比誘電率が増加し、またQ値が低下していくため、これらの特性と緻密化焼成温度とのかねあいで含有量を決定することが望ましい。Yb、In、NiおよびCoのうち、焼成温度幅を広げ、かつQ値を高くするという点からYbが最も望ましい。
【0017】
本発明の絶縁基板はQ値を5000以上とするためには、上記組成式において、15≦x≦35、17≦y≦35、30≦x≦65を満足することが望ましい。本発明では特に、コージェライトの組成即ち、x=22.2、y=22.2、z=55.6で、Yb、In、NiおよびCoのうちの少なくと一種をそれぞれYb2 O3 、In2 O3 、NiO、CoO換算で0.1〜10重量%含有することが望ましい。
【0018】
測定周波数10GHzでのQ値が3000以上を満足することが望ましい理由は、Q値が3000以上ある場合には、近年における高周波数帯の絶縁基板に十分対応することができるからである。Q値は、高ければ高い程望ましいが、特には、測定周波数10GHzでのQ値が5000以上であることが望ましい。
【0019】
また、基板を構成する焼結体は、主相はコージェライトであり、他に結晶相として、ムライト、スピネル、プロトエンスタタイト、クリノエンスタタイト、フォルステライト、クリストバライト、トリジマイト、サファリン、クオーツ等が析出し、さらに、Yb、In、Ni、Coと主成分元素との酸化化合物、例えば、Yb2 Si2 O7 が析出する場合があるが、組成によってその析出相が異なる。
【0020】
本発明の絶縁基板は、原料粉末として、例えば、MgCO3 粉末、Al2 O3 粉末、SiO2 粉末、Yb2 O3 粉末、In2 O3 粉末、NiO粉末、CoO粉末を用い、所定の割合で秤量し、湿式混合した後乾燥し、この混合物を大気中において1100〜1300℃で仮焼した後、粉砕した。得られた粉末に適量のバインダを加えて成形し、この成形体を大気中1200〜1500℃で焼成することにより得られる。特に、コージェライトを主結晶相とする焼結体は難焼結性であるため、適正な焼成温度を探しだし、焼成温度を厳密に制御して焼成する必要がある。
【0021】
尚、本発明の絶縁基板は、金属元素としてMg、Al、Si、Yb等からなるものであるが、例えば、粉砕ボールや原料粉末の不純物として、Ca、Ba、Zr,Fe,Cr,P,Na,Ti等が混入する場合があるが、この場合も、上記組成を満足する限り低誘電率で、高Q値の磁器を得ることができる。
【0022】
【実施例】
原料粉末として純度99%のMgCO3 、純度99.7%のAl2 O3 、純度99.4%のSiO2 粉末、純度99.9%のYb2 O3 、In2 O3 、NiO、CoO粉末を用い、これらを焼結体が表1〜表4に示す組成となるように秤量し、15時間湿式混合した後、乾燥し、この混合物を1200℃2時間仮焼した後粉砕した。得られた粉末に適量のバインダを加えて造粒し、これを1000kg/cm2 の圧力の下で成形して直径60mm厚さ5mmの成型体を得た。この成形体を大気中1200〜1580℃で2時間焼成して直径50mm厚さ0.2mmに研磨し基板とした。この基板の一面にCuからなる全面導体(グランド)を、他面に0.3mm幅のCuからなるマイクロストリップラインを形成し、図1に示す高周波伝送線路を作製し、20GHzでの伝送損失を測定した。
【0023】
比誘電率、Q値の測定は、直径10mm、厚さ約5mmの焼結体を作製して、誘電体共振器法にて10GHzでのQ値を測定し、結果を表1〜4に示す。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
【表3】
【0027】
【表4】
【0028】
表1〜4によれば、本発明に用いられる絶縁基板は、比誘電率が6以下と低く、しかも測定周波数10GHzでのQ値が3000以上と高い値を示すことがわかる。しかも、図1に示す高周波伝送線路では、周波数約20GHzにおいて伝送損失15dB/m以下を示すことが判る。
【0029】
比較例として、比誘電率が5.6であり、測定周波数10GHzでのQ値が1000であるガラスセラミックスからなる基板を用い、図1に示す高周波伝送線路での周波数約20GHzにおいて伝送損失を測定したところ24dB/mであった。
【0030】
【発明の効果】
本発明の高周波用配線基板は、絶縁基板が、モル比組成式をxMgO・yAl2 O3 ・zSiO2 で示される特定の主成分中に、Yb、In、NiおよびCoのうちの少なくと一種をそれぞれYb2 O3 、In2 O3 、NiO、CoO換算で0.1〜15重量%含有するので、6以下の低い比誘電率を有し、10GHzでのQ値が3000以上の高いQ値を有し、これにより、高周波伝送特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高周波用配線基板を示す斜視図である。
【符号の説明】
1・・・絶縁基板
2・・・全面電極(グランド)
3・・・マイクロストリップライン
Claims (2)
- 絶縁基板の表面あるいは内部に、周波数1GHz以上の高周波信号が伝送可能なマイクロストリップラインとグランド層からなる配線層を配設してなる高周波用配線基板において、前記絶縁基板が、金属元素としてMg、Al、Siからなる複合酸化物であって、各金属元素の酸化物によるモル比組成式を
xMgO・yAl2O3・zSiO2
と表した時、前記x、y、zが
10≦x≦40
10≦y≦40
20≦x≦80
x+y+z=100
を満足する主成分中に、YbおよびInのうちの少なくとも一種をそれぞれYb 2 O 3 、In 2 O 3 換算で0.1〜15重量%含有する焼結体からなり、前記配線層の周波数20GHzにおける伝送損失が15dB/m以下であることを特徴とする高周波用配線基板。 - 絶縁基板の表面あるいは内部に、周波数1GHz以上の高周波信号が伝送可能なマイクロストリップラインとグランド層からなる配線層を配設してなる高周波用配線基板において、前記絶縁基板が、金属元素としてMg、Al、Siと、Ni及び/又はCoと、不可避不純物とからなる複合酸化物であって、各金属元素の複合酸化物のモル比組成式を
xMgO・yAl2O3・zSiO2
と表した時、前記x、y、zが
10≦x≦40
10≦y≦40
20≦x≦80
x+y+z=100
を満足する主成分中に、Ni及び/又はCoをそれぞれNiO、CoO換算で0.1〜15重量%含有する焼結体からなり、前記配線層の周波数20GHzにおける伝送損失が15dB/m以下であることを特徴とする高周波用配線基板。
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