JP3631667B2 - 配線基板およびその導波管との接続構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用半導体素子や高周波用受動素子などの高周波素子等を収納する為の高周波用パッケージ、あるいはそれら素子を収納したパッケージを実装する回路基板、あるいは各種素子を直接表面実装した回路基板などに用いられ、導波管との接続が可能な配線基板に関し、信号伝送線路−導波管間で効率よく信号伝送できる配線基板とその導波管との接続構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、社会の情報化が進み、情報の伝達は携帯電話に代表されるように無線化、パーソナル化が進んでいる。このような状況の中、さらに高速大容量の情報伝達を可能にするために、ミリ波（３０〜３００ＧＨｚ）領域で動作する半導体素子の開発が進んでいる。最近ではこのような高周波半導体素子技術の進歩に伴い、その応用として車間レーダーや無線ＬＡＮのようなミリ波の電波を用いたさまざまな応用システムも提案されるようになってきた。例えば、ミリ波を用いた車間レーダー（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、ＳＣ−７−６参照）、コードレスカメラシステム（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３７参照）、高速無線ＬＡＮ（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３９参照）が提案されている。
【０００３】
このようにミリ波の応用が進むにつれ、それらの応用を可能とするための要素技術の開発も同時に進められており、特に、各種の電子部品においては、必要な伝送特性を有しながら、いかに小型化と低コスト化を図るかが、大きな課題となっている。
【０００４】
このような要素技術の中でも、高周波素子が収納された回路基板あるいはパッケージと、外部電気回路とをいかに簡単で且つ小型な構造で接続するかが重要な要素として位置づけられている。とりわけ、伝送損失の最も小さい導波管が形成された外部電気回路と、高周波素子を搭載した回路基板あるいはパッケージとをいかに接続するかが大きな問題であった。
【０００５】
従来における回路基板あるいはパッケージを外部電気回路に形成された導波管に接続する方法としては、高周波用パッケージからコネクタを用いて一旦同軸線路に変換して導波管と接続する方法、外部電気回路において、導波管を一旦マイクロストリップ線路等に接続した後、そのマイクロストリップ線路と高周波用パッケージとを接続する方法が採用される。
【０００６】
最近では、高周波素子を収納したパッケージあるいはモジュール基板を外部電気回路の導波管に直接接続する方法も提案されている（特開平８−２７４５１３号）。この提案では、導波管変換部に多数のホールを設け誘電率を調整し、なおかつ変換部の導波管が接続されるのとは逆側に金属製のキャップを設けるものである。
【０００７】
また、パッケージと導波管との接続構造において、スロット孔を有するグランド層を形成し、このスロット孔を介して高周波伝送線路と導波管とを結合した構造も米国特許第４５６２４１６号等に提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように、外部電気回路の導波管を一旦、コネクタやマイクロストリップ線路などの他の伝送線路形態を介して、パッケージと接続する方法では、接続構造自体が複雑化するとともに、コネクタや他の伝送線路を形成する領域を確保する必要があるために、接続構造自体が大型化してしまうという問題があった。しかも、他の線路形態やコネクタを介することにより伝送損失が増大する可能性もあった。
【０００９】
これに対して、導波管から電磁波の形でパッケージまで直接導入する方法は、接続構造を小型化できる点では有効的であるが、前記文献で提案されている方法は、導波管変換部に多数のホールを設けなおかつ導波管を接続する箇所とは逆側に金属製のキャップ等を設置することが必要であり、そのために、工程数、部品点数が増えコストアップに繋がる。
【００１０】
また、特開平１１−１１２２０９号では、気密封止可能でありかつ伝送線路−導波管の信号接続ができる技術が提唱されているが、これはマイクロストリップラインの信号をグランド層に設けた開口部を通し誘電体層を介して導波管に接続するもので、開口部下の誘電体層厚みのみで信号の透過周波数を調整するので誘電体厚みの影響が大きく、結果的に特性バラツキが大きくなり製品としては使えなかった。
【００１１】
さらに、これまでの従来技術では、導波管を変換部に接続する際に生じる位置ズレに対する対策が何ら考慮されていない。
【００１２】
さらに、グランド層に形成したスロット孔による結合構造では、変換部の誘電体厚みが高周波伝送線路との電磁的な結合を可能するするために、所定の条件を満足する厚みに一義的に決定されている。そのために、パッケージの基板を多層配線化する場合にその配線層の数が非常に制限されてしまったり、また、信号の周波数が高くなるにつれて基板の厚みが薄くなり、その結果、基板の絶対強度が低下してしまい、導波管の接続時に基板にクラックが発生するなどの問題があった。
【００１３】
本発明は、前記課題を解消せんとして成されたもので、高周波用パッケージなどの配線基板表面に形成された信号伝送線路と導波管との信号の伝送にあたり、変換損失のバラツキを低減でき、低反射で効率よく行うことが可能であり、また配線基板の配線設計の自由度が高く、しかも基板の強度を上げることが可能な配線基板と、その導波管との接続構造を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題について鋭意検討した結果、誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に形成された信号伝送線路と、該信号伝送線路と導波管とを接続するための変換部を具備する配線基板であって、前記変換部が、前記誘電体基板の他方の表面に形成され且つ前記信号伝送線路の終端と対峙する位置にスロット孔が形成されてなるグランド層と、該グランド層表面に積層形成された第１の誘電体層と、該第１の誘電体層における前記グランド層のスロット孔形成領域直下に垂直導体によって囲まれて形成された誘電体領域と、前記第１の誘電体層表面に積層形成され、前記誘電体領域直下に空洞部を有し、且つ該空洞部内壁に導体層が形成されてなる第２の誘電体層と、を具備し、前記第２の誘電体層の空洞部内壁の導体層を前記第１の誘電体層に形成された前記垂直導体を介して、前記グランド層と電気的に接続してなることを特徴とするものである。
【００１５】
なお、かかる構成において、前記第２の誘電体層の厚みが、信号波長長さの２．５％以上であることが望ましい。
【００１６】
また、前記第１の誘電体層表面に、前記空洞部内壁の導体層と前記垂直導体とを接続するための導体帯や、前記第２の誘電体層表面に、接続する導波管のフランジと空洞部内壁の導体層とを接続するための導体帯を形成することによって電気的な接続をより確実に行なうことができる。
【００１７】
さらには、前記第２の誘電体層表面に、金属部材を取付けてなり、該金属部材における前記第２の誘電体層の空洞部直下に貫通孔を形成してなることによって、導波管の接続を容易に且つ確実に行なうことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板の構造について、典型的な応用例として高周波用パッケージの一例を以下に図１乃至図３をもとに説明する。
【００１９】
まず、図１（ａ）の概略断面図に示される高周波用パッケージＡ１によれば、誘電体基板１と、蓋体２によって形成されたキャビティ３内において、高周波素子４が誘電体基板１表面に実装搭載され、キャビティ３内は蓋体２によって気密に封止されている。
【００２０】
誘電体基板１のキャビティ３内の表面には、高周波素子４と一端が接続され、且つ終端５ａを有する信号伝送線路５が形成されている。そして、誘電体基板１の信号伝送線路５が形成された面とは反対の表面には、一面にグランド層７が形成されており、そしてそのグランド層７の信号伝送線路５と対峙する部分には導体が形成されていない長孔（いわゆる、スロット孔）６が形成されている。
【００２１】
このパッケージにおいては、信号伝送線路５は、これが中心導体をなし、グランド層７とともにマイクロストリップ構造の線路を形成している。なお、信号伝送線路は上記マイクロストリップ線路に限らず、信号伝送線路（中心導体）の両脇にグランド層を形成し、グランド層７とともにグランド付きコプレーナ構造の線路でも良い。また、誘電体基板１の信号伝送線路５の周辺には、蓋体２を取り付けるための導体層８が形成されている。
【００２２】
信号伝送線路５は、スロット孔６と電磁的に結合されている。言い換えれば電磁結合によりスロット孔６に給電する。
【００２３】
この電磁結合構造は、具体的には、図１（ｂ）の誘電体基板１の平面図に示すように、マイクロストリップ線路の信号伝送線路５の終端５ａがスロット孔６中心から信号周波数の１／４波長の長さＬで突出するように形成することにより電磁結合することができる。しかし、電磁結合は必ずしも前記寸法の組み合わせだけでなく、その他の組み合わせでも良好な結合は可能である。
【００２４】
また、図１の高周波用パッケージＡ１においては、グランド層７の表面には、スロット孔６形成領域直下に垂直導体１４によって囲まれて形成された誘電体領域９を有する第１の誘電体層１０が形成されている。なお、垂直導体１４は、グランド層７と電気的に接続されている。
【００２５】
この垂直導体１４は、第１の誘電体層１０のスロット孔６を中心する周囲に信号波長長さの１／４未満の間隔で複数配置されており、この垂直導体１４によって囲まれた領域が、誘電体領域９を形成している。なお、この第１の誘電体層１０の厚みは、信号波長長さの１／８以上であることが望ましい。
【００２６】
また、この第１の誘電体層１０の表面には、第２の誘電体層１３が形成されている。また、この第２の誘電体層１３における前記第１の誘電体層１０における誘電体領域９の直下には、空洞部１２が形成されている。そして、この空洞部１２の内壁には導体層１１が形成されている。また、この導体層１１は、第１の誘電体層１０に形成された垂直導体１４を経由してグランド層７と電気的に接続されている。
【００２７】
この第２の誘電体層１３は、パッケージＡ１における配線回路層の層数に応じて適宜、自由にその層数を定めることができ、１層構造であっても２層以上の複数構造であっても何ら差し支えない。このような第２の誘電体層１３を形成することによって、パッケージＡ１の配線回路層の層数に何ら制約を及ぼすことなく、種々の回路を任意の層数で形成することができる。
【００２８】
なお、上記の配線基板においては、図１（ｃ）に示すように、第１の誘電体層１０のグランド層７とは反対側の表面の前記誘電体領域９の周囲には、垂直導体１４と電気的に接続された導体帯１５を形成することができ、この導体帯１５によって垂直導体１４と第２の誘電体層１３の空洞部１２の内壁の導体層１１との電気的な接続をより確実なものとすることができる。また、図１（ｄ）の高周波用パッケージＡ１の底面図に示すように、第２の誘電体層１３の第１の誘電体層１０側とは反対側の表面の空洞部１２の周囲にも同様に空洞部１２内壁の導体層１１と電気的に接続された導体帯１６を形成することができる。この導体帯１６は後述するように導波管をロウ付けするためのものであって、パッケージＡ１と導波管Ｂ１との接続をより強固なものとすることができる。
【００２９】
なお、前記図１のパッケージＡ１は、誘電体基板１、信号伝送線路５、スロット孔６を有するグランド層７、第１誘電体層１０、第２誘電体層１３、導体層１１、１７、導体帯１５、１６、垂直導体１４を、周知のセラミック積層技術を用いて、未焼成のグリーンシートの表面に各層における導体パターンを所定の導体ペーストによって印刷塗布した後、積層一体化して、一括して焼成して製造することができる。
【００３０】
また、絶縁材料としては、上記のセラミックスに限ることなく、熱硬化性有機樹脂を含む絶縁材料によって形成することもできる。その場合には、各導体パターンは、銅箔などの金属箔のエッチング等によって任意のパターンを形成することができる。また、垂直導体１４は、セラミックスと同様に導体ペーストの充填によって形成することができる。そして、それらの導体パターンが形成された有機樹脂系シートを積層一体化した後に、一括して熱硬化して製造することも可能である。
【００３１】
図２は、図１の高周波用パッケージＡ１に対して導波管Ｂ１を接続した時の構造を説明するための概略断面図である。上記のパッケージＡ１に対して導波管Ｂ１を接続するには、パッケージＡ１のグランド層７に形成されたスロット孔６が導波管の中心となる位置にて、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’をパッケージＢ１の底面の導体帯１６に当接させるか、またはフランジＢ’を導体帯６にロウ付けにより接合するか、あるいはフランジＢ’を誘電体基板１にネジ止めなどの機械的な接合手段により取り付けることができる。
【００３２】
かかる構成においては、導波管Ｂ１の導体壁１８は、フランジＢ’、導体帯１６、空洞部１２内壁の導体層１１、導体帯１５、垂直導体１４を介してグランド層７と電気的に接続され、グランド層７と導波管Ｂ１の導体壁とは共通した電位に維持される。
【００３３】
本発明における図２の接続構造において、キャビティ３内にて高周波素子４と接続された信号伝送線路５における信号は、グランド層７に設けられたスロット孔６により電磁結合され、誘電体領域９と第２の誘電体層１３の空洞部１２を通過し信号が導波管Ｂ１に伝達される。第１の誘電体層１０の垂直導体１４および第２の誘電体層１３の空洞部１２は、いずれもスロット孔６を通過した信号を導波管Ｂ１に導く役割を有すると同時に、電磁結合により信号伝送線路５からスロット孔６を通過した信号が誘電体領域９を通りその表面から伝播する電磁波を導波管に連続的に接続する変換の役割を有する。
【００３４】
通常、スロット孔６を介した信号伝送線路５と導波管との接続の場合、スロット孔６直下での導波管との中心の位置のずれが信号の変換損失に大きく影響を与えやすく、導波管をスロット孔６を有するグランド層７に直接接続する場合には、導波管の位置ズレを招きやすいために変換損失が大きくなりやすい。
【００３５】
これに対して、本発明に基づき、第１の誘電体層１０、第２の誘電体層１３を前述したようにグランド層７とともに積層一体化することによって、スロット孔６直下での位置精度を高めることができ、これによって位置ズレを低減することができ、スロット孔６を形成したグランド層７から位置決め精度の高い第１の誘電体層１０および第２の誘電体層１３を介して導波管Ｂ１を接続するために、変換部での損失の低減を抑制することができる。
【００３６】
かかる観点から、第１の誘電体層１０の厚みはスロット孔６から放出された電磁波を導波管内で電磁場分布と整合させるために、通常、信号波長長さの１／８長さ以上に設定されるが、第２の誘電体層１３の厚みは任意の厚みに調整できるが、特に、この第２の誘電体層１３の厚みは、信号波長長さの２．５％以上、特に３％以上、さらには４％以上であることが望ましい。
【００３７】
また、第２の誘電体層１３を設けることにより、高周波用パッケージＡ１の全誘電体厚みを厚くすることが可能となり、パッケージの強度を上げ高い信頼性を得ることも可能となる。
【００３８】
図３は、図１の高周波用パッケージＡ１の変形例を示すパッケージであり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は導波管Ｂ１と接続した時の概略断面図である。この高周波用パッケージＡ２によれば、第２の誘電体層１３の表面の導体帯１６に金属部材１９をロウ剤等の接着剤等を用いて取付けることができる。この金属部材１９の第２の誘電体層１３の空洞部１２の直下には貫通孔２０が形成されている。そして、この金属部材１９に対して、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’を当接するか、ロウ付けにより接合するかあるいは金属部材１９にネジ止めなどの機械的な接合手段により取り付ける。
【００３９】
かかる構造によれば、第１および第２の誘電体層１０、１３の強度が弱い場合、導波管Ｂ１を直接、これらの誘電体層１０、１３に取り付けると、誘電体層１０、１３にクラックなどが発生する場合があるが、強度の高い金属部材１９を第２の誘電体層１３に接着し、この金属部材１９に導波管Ｂ１を接続することにより誘電体層１０、１３に悪影響を及ぼすことなく、導波管Ｂ１を接続することができ、高周波用パッケージＡ２と導波管Ｂ１との接続信頼性を高めることができる。なお、図３では、パッケージＡ２における２つの変換部に対して、２つの貫通孔２０を有する金属部材１９を接着したが、この金属部材１９は各変換部毎に個別に第２の誘電体層１３に設けても良い。
【００４０】
図４は、高周波用パッケージの他の変形例を示すものであり、この高周波用パッケージＡ３によれば、誘電体領域９の内部、あるいは第２の誘電体層１３の空洞部１２に面する表面に、アンテナ的機能や、共振器的機能、あるいは電磁場整合機能を付与するための導体層２１を形成することによって、さらに変換特性の改善を行なうことができる。
【００４１】
また、図１、図２のパッケージにおいては、高周波素子４は、誘電体基板１の表面に実装された構造であるが、その変形例として、図４のパッケージに示すように、誘電体基板１と第１誘電体層１０によりキャビティ３を形成して、グランド層７を第１誘電体層１０の表面に形成して、さらにそのグランド層７の表面に高周波素子４を実装することも可能である。
【００４２】
さらには、図１乃至図４では半導体素子を実装し蓋体によって気密封止したパッケージについて述べたが、信号伝送線路を具備する一般の回路基板と導波管との接続、あるいは表面に信号伝送線路が形成され、半導体素子を直接実装搭載し、素子を樹脂などによって封止した回路基板と導波管との接続においても、図１乃至図４の接続構造が適用できる。
【００４３】
上記図１乃至図４に示した本発明の高周波パッケージＡ１乃至Ａ３においては、誘電体基板１、第１誘電体層１０、第２誘電体層１３は、セラミックスまたは有機樹脂、あるいはそれらの複合体からなる構成することができる。例えば、セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック材料や、ガラス材料、あるいはガラスとＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどの無機質フィラーとの複合体からなるガラスセラミック材料により形成でき、これらの原料粉末を用いて所定の基板形状に成形した後、焼成することにより形成される。また、有機樹脂としては、有機系材料からなるプリント基板やテフロン基板によって形成することができる。
【００４４】
また、信号の伝達を担う各伝送線路、グランド層、垂直導体、および種々の導体層は、タングステン、モリブデンなどの高融点金属や、金、銀、銅などの低抵抗金属などにより形成することができ、これらは、用いる基板材料に応じて適宜選択して、従来の積層技術をもって一体的に形成することができる。
【００４５】
例えば、基板をＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック材料により形成する場合には、タングステン、モリブデン等の高融点金属を用いて未焼成体に印刷塗布して、１５００〜１９００℃の温度で焼成すればよく、基板をガラス材料、ガラスセラミック材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いて同様にして８００〜１１００℃の温度で焼成することにより作製できる。なお、基板を有機樹脂を含む絶縁材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いてペーストを塗布、または充填するか、金属箔を接着することにより線路やグランド層を形成することができる。
【００４６】
【実施例】
特性評価のために、半導体素子搭載部を有せず、入力用および出力用の信号伝送線路５を接続する以外は、全く図３のパッケージと同一形状からなる図５（ａ）のサンプル基板を作製し、導波管と信号伝送線路間の接続特性を評価した。図５（ｂ）はサンプル基板の平面図、（ｃ）はその導波管との接続時の概略断面図である。サンプル基板は、対象周波数を９４ＧＨｚとして設計した。測定には、ネットワークアナライザーを用いた。サンプル基板の測定形態は以下の通りである。
【００４７】
図５（ｃ）に示すように、ネットワークアナライザーからの導波管Ｂ１をサンプル基板ａの金属部材１９にねじ止めして接続し、導波管Ｂ１内の信号が変換部ｘで変換されマイクロストリップ線路５を通過し再び変換部ｙで変換され導波管Ｂ２につながる形態とした。
【００４８】
サンプル基板における誘電体基板および誘電体層を形成する材料としては誘電率９．０のＡｌ２Ｏ３セラミックスを用い、種々の導体層および垂直導体をタングステンを用いて基板と同時焼成して形成した。なお、上記の露出した導体層の表面にはＡｕメッキを施した。また、金属部材としてはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用い誘電体層に対してＡｇロウによって接合した。
【００４９】
なお、サンプル基板においては、第２誘電体層の厚みを表１のように変えた数種類のサンプル基板を作成した。各種類について１０個づつ作製し、評価を行なった。
【００５０】
作製したサンプル基板に対して、Ｓ２１の平均値、最良値（ｂｅｓｔ）、最悪値（ｗｏｒｓｔ）、最良値（ｂｅｓｔ）と最悪値（ｗｏｒｓｔ）との差をバラツキとして評価した。なお、９４ＧＨｚの信号波長は誘電率１．０の空気中で３．１９ｍｍであるとして、表中に信号波長長さλとの関係を記述した。
【００５１】
【表１】
【００５２】
第１の誘電体層のみを形成したサンプル基板１は、Ｓ２１のバラツキが大きいが、第２誘電体層を設けたサンプル基板２〜７では、バラツキが徐々に低減されており、第２の誘電体層の厚みを信号波長長さの２．５％以上とすることによってバラツキを０．５ｄＢ以下に低減することができた。特に、３％以上とすることで０．４５ｄＢ以下、さらに４％以上とすることで０．４ｄＢ以下に低減することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、高周波素子を搭載するパッケージなどの配線基板表面に形成された信号伝送線路から導波管への変換を行なうにあたり、変換部における損失のバラツキを低減でき、低反射で効率よく行うことが可能であり、また配線基板における配線の設計の自由度が向上しパッケージの性能を高めるとともに、配線基板の強度を高めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施態様である高周波用パッケージＡ１と導波管Ｂ１との接続構造の一実施態様を説明するためものであり，（ａ）は高周波用パッケージＡ１の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ１における誘電体基板１の平面図、（ｃ）は第１の誘電体層の底面のパターン図、（ｄ）はパッケージＡ１の底面図である。
【図２】図１の高周波用パッケージＡ１と導波管Ｂ１との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図３】本発明の他の実施態様である高周波用パッケージＡ２と導波管Ｂ１との接続構造を説明するためものであり、（ａ）は高周波用パッケージＡ２の概略断面図、（ｂ）はその導波管Ｂ１との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施態様である高周波用パッケージＡ３を説明するための概略断面図である。
【図５】実施例で用いる特性測定方法を説明するもので、（ａ）特性評価用のサンプル基板の概略断面図と、（ｂ）サンプル基板の平面図と、（ｃ）サンプル基板に導波管を接続した接続構造の概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 高周波用パッケージ
Ｂ１ 導波管
Ｂ’ フランジ
１ 誘電体基板
２ 蓋体
３ キャビティ
４ 高周波素子
５ 信号伝送線路
５ａ 終端
６ スロット孔
７ グランド層
９ 誘電体領域
１０ 第１の誘電体層
１１ 導体層
１２ 空洞部
１３ 第２の誘電体層
１４ 垂直導体（ＶＩＡ）
１５，１６ 導体帯
１８ 導体壁
１９ 金属部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用半導体素子や高周波用受動素子などの高周波素子等を収納する為の高周波用パッケージ、あるいはそれら素子を収納したパッケージを実装する回路基板、あるいは各種素子を直接表面実装した回路基板などに用いられ、導波管との接続が可能な配線基板に関し、信号伝送線路−導波管間で効率よく信号伝送できる配線基板とその導波管との接続構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、社会の情報化が進み、情報の伝達は携帯電話に代表されるように無線化、パーソナル化が進んでいる。このような状況の中、さらに高速大容量の情報伝達を可能にするために、ミリ波（３０〜３００ＧＨｚ）領域で動作する半導体素子の開発が進んでいる。最近ではこのような高周波半導体素子技術の進歩に伴い、その応用として車間レーダーや無線ＬＡＮのようなミリ波の電波を用いたさまざまな応用システムも提案されるようになってきた。例えば、ミリ波を用いた車間レーダー（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、ＳＣ−７−６参照）、コードレスカメラシステム（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３７参照）、高速無線ＬＡＮ（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３９参照）が提案されている。
【０００３】
このようにミリ波の応用が進むにつれ、それらの応用を可能とするための要素技術の開発も同時に進められており、特に、各種の電子部品においては、必要な伝送特性を有しながら、いかに小型化と低コスト化を図るかが、大きな課題となっている。
【０００４】
このような要素技術の中でも、高周波素子が収納された回路基板あるいはパッケージと、外部電気回路とをいかに簡単で且つ小型な構造で接続するかが重要な要素として位置づけられている。とりわけ、伝送損失の最も小さい導波管が形成された外部電気回路と、高周波素子を搭載した回路基板あるいはパッケージとをいかに接続するかが大きな問題であった。
【０００５】
従来における回路基板あるいはパッケージを外部電気回路に形成された導波管に接続する方法としては、高周波用パッケージからコネクタを用いて一旦同軸線路に変換して導波管と接続する方法、外部電気回路において、導波管を一旦マイクロストリップ線路等に接続した後、そのマイクロストリップ線路と高周波用パッケージとを接続する方法が採用される。
【０００６】
最近では、高周波素子を収納したパッケージあるいはモジュール基板を外部電気回路の導波管に直接接続する方法も提案されている（特開平８−２７４５１３号）。この提案では、導波管変換部に多数のホールを設け誘電率を調整し、なおかつ変換部の導波管が接続されるのとは逆側に金属製のキャップを設けるものである。
【０００７】
また、パッケージと導波管との接続構造において、スロット孔を有するグランド層を形成し、このスロット孔を介して高周波伝送線路と導波管とを結合した構造も米国特許第４５６２４１６号等に提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように、外部電気回路の導波管を一旦、コネクタやマイクロストリップ線路などの他の伝送線路形態を介して、パッケージと接続する方法では、接続構造自体が複雑化するとともに、コネクタや他の伝送線路を形成する領域を確保する必要があるために、接続構造自体が大型化してしまうという問題があった。しかも、他の線路形態やコネクタを介することにより伝送損失が増大する可能性もあった。
【０００９】
これに対して、導波管から電磁波の形でパッケージまで直接導入する方法は、接続構造を小型化できる点では有効的であるが、前記文献で提案されている方法は、導波管変換部に多数のホールを設けなおかつ導波管を接続する箇所とは逆側に金属製のキャップ等を設置することが必要であり、そのために、工程数、部品点数が増えコストアップに繋がる。
【００１０】
また、特開平１１−１１２２０９号では、気密封止可能でありかつ伝送線路−導波管の信号接続ができる技術が提唱されているが、これはマイクロストリップラインの信号をグランド層に設けた開口部を通し誘電体層を介して導波管に接続するもので、開口部下の誘電体層厚みのみで信号の透過周波数を調整するので誘電体厚みの影響が大きく、結果的に特性バラツキが大きくなり製品としては使えなかった。
【００１１】
さらに、これまでの従来技術では、導波管を変換部に接続する際に生じる位置ズレに対する対策が何ら考慮されていない。
【００１２】
さらに、グランド層に形成したスロット孔による結合構造では、変換部の誘電体厚みが高周波伝送線路との電磁的な結合を可能するするために、所定の条件を満足する厚みに一義的に決定されている。そのために、パッケージの基板を多層配線化する場合にその配線層の数が非常に制限されてしまったり、また、信号の周波数が高くなるにつれて基板の厚みが薄くなり、その結果、基板の絶対強度が低下してしまい、導波管の接続時に基板にクラックが発生するなどの問題があった。
【００１３】
本発明は、前記課題を解消せんとして成されたもので、高周波用パッケージなどの配線基板表面に形成された信号伝送線路と導波管との信号の伝送にあたり、変換損失のバラツキを低減でき、低反射で効率よく行うことが可能であり、また配線基板の配線設計の自由度が高く、しかも基板の強度を上げることが可能な配線基板と、その導波管との接続構造を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題について鋭意検討した結果、誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に形成された信号伝送線路と、該信号伝送線路と導波管とを接続するための変換部を具備する配線基板であって、前記変換部が、前記誘電体基板の他方の表面に形成され且つ前記信号伝送線路の終端と対峙する位置にスロット孔が形成されてなるグランド層と、該グランド層表面に積層形成された第１の誘電体層と、該第１の誘電体層における前記グランド層のスロット孔形成領域直下に垂直導体によって囲まれて形成された誘電体領域と、前記第１の誘電体層表面に積層形成され、前記誘電体領域直下に空洞部を有し、且つ該空洞部内壁に導体層が形成されてなる第２の誘電体層と、を具備し、前記第２の誘電体層の空洞部内壁の導体層を前記第１の誘電体層に形成された前記垂直導体を介して、前記グランド層と電気的に接続してなることを特徴とするものである。
【００１５】
なお、かかる構成において、前記第２の誘電体層の厚みが、信号波長長さの２．５％以上であることが望ましい。
【００１６】
また、前記第１の誘電体層表面に、前記空洞部内壁の導体層と前記垂直導体とを接続するための導体帯や、前記第２の誘電体層表面に、接続する導波管のフランジと空洞部内壁の導体層とを接続するための導体帯を形成することによって電気的な接続をより確実に行なうことができる。
【００１７】
さらには、前記第２の誘電体層表面に、金属部材を取付けてなり、該金属部材における前記第２の誘電体層の空洞部直下に貫通孔を形成してなることによって、導波管の接続を容易に且つ確実に行なうことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板の構造について、典型的な応用例として高周波用パッケージの一例を以下に図１乃至図３をもとに説明する。
【００１９】
まず、図１（ａ）の概略断面図に示される高周波用パッケージＡ１によれば、誘電体基板１と、蓋体２によって形成されたキャビティ３内において、高周波素子４が誘電体基板１表面に実装搭載され、キャビティ３内は蓋体２によって気密に封止されている。
【００２０】
誘電体基板１のキャビティ３内の表面には、高周波素子４と一端が接続され、且つ終端５ａを有する信号伝送線路５が形成されている。そして、誘電体基板１の信号伝送線路５が形成された面とは反対の表面には、一面にグランド層７が形成されており、そしてそのグランド層７の信号伝送線路５と対峙する部分には導体が形成されていない長孔（いわゆる、スロット孔）６が形成されている。
【００２１】
このパッケージにおいては、信号伝送線路５は、これが中心導体をなし、グランド層７とともにマイクロストリップ構造の線路を形成している。なお、信号伝送線路は上記マイクロストリップ線路に限らず、信号伝送線路（中心導体）の両脇にグランド層を形成し、グランド層７とともにグランド付きコプレーナ構造の線路でも良い。また、誘電体基板１の信号伝送線路５の周辺には、蓋体２を取り付けるための導体層８が形成されている。
【００２２】
信号伝送線路５は、スロット孔６と電磁的に結合されている。言い換えれば電磁結合によりスロット孔６に給電する。
【００２３】
この電磁結合構造は、具体的には、図１（ｂ）の誘電体基板１の平面図に示すように、マイクロストリップ線路の信号伝送線路５の終端５ａがスロット孔６中心から信号周波数の１／４波長の長さＬで突出するように形成することにより電磁結合することができる。しかし、電磁結合は必ずしも前記寸法の組み合わせだけでなく、その他の組み合わせでも良好な結合は可能である。
【００２４】
また、図１の高周波用パッケージＡ１においては、グランド層７の表面には、スロット孔６形成領域直下に垂直導体１４によって囲まれて形成された誘電体領域９を有する第１の誘電体層１０が形成されている。なお、垂直導体１４は、グランド層７と電気的に接続されている。
【００２５】
この垂直導体１４は、第１の誘電体層１０のスロット孔６を中心する周囲に信号波長長さの１／４未満の間隔で複数配置されており、この垂直導体１４によって囲まれた領域が、誘電体領域９を形成している。なお、この第１の誘電体層１０の厚みは、信号波長長さの１／８以上であることが望ましい。
【００２６】
また、この第１の誘電体層１０の表面には、第２の誘電体層１３が形成されている。また、この第２の誘電体層１３における前記第１の誘電体層１０における誘電体領域９の直下には、空洞部１２が形成されている。そして、この空洞部１２の内壁には導体層１１が形成されている。また、この導体層１１は、第１の誘電体層１０に形成された垂直導体１４を経由してグランド層７と電気的に接続されている。
【００２７】
この第２の誘電体層１３は、パッケージＡ１における配線回路層の層数に応じて適宜、自由にその層数を定めることができ、１層構造であっても２層以上の複数構造であっても何ら差し支えない。このような第２の誘電体層１３を形成することによって、パッケージＡ１の配線回路層の層数に何ら制約を及ぼすことなく、種々の回路を任意の層数で形成することができる。
【００２８】
なお、上記の配線基板においては、図１（ｃ）に示すように、第１の誘電体層１０のグランド層７とは反対側の表面の前記誘電体領域９の周囲には、垂直導体１４と電気的に接続された導体帯１５を形成することができ、この導体帯１５によって垂直導体１４と第２の誘電体層１３の空洞部１２の内壁の導体層１１との電気的な接続をより確実なものとすることができる。また、図１（ｄ）の高周波用パッケージＡ１の底面図に示すように、第２の誘電体層１３の第１の誘電体層１０側とは反対側の表面の空洞部１２の周囲にも同様に空洞部１２内壁の導体層１１と電気的に接続された導体帯１６を形成することができる。この導体帯１６は後述するように導波管をロウ付けするためのものであって、パッケージＡ１と導波管Ｂ１との接続をより強固なものとすることができる。
【００２９】
なお、前記図１のパッケージＡ１は、誘電体基板１、信号伝送線路５、スロット孔６を有するグランド層７、第１誘電体層１０、第２誘電体層１３、導体層１１、１７、導体帯１５、１６、垂直導体１４を、周知のセラミック積層技術を用いて、未焼成のグリーンシートの表面に各層における導体パターンを所定の導体ペーストによって印刷塗布した後、積層一体化して、一括して焼成して製造することができる。
【００３０】
また、絶縁材料としては、上記のセラミックスに限ることなく、熱硬化性有機樹脂を含む絶縁材料によって形成することもできる。その場合には、各導体パターンは、銅箔などの金属箔のエッチング等によって任意のパターンを形成することができる。また、垂直導体１４は、セラミックスと同様に導体ペーストの充填によって形成することができる。そして、それらの導体パターンが形成された有機樹脂系シートを積層一体化した後に、一括して熱硬化して製造することも可能である。
【００３１】
図２は、図１の高周波用パッケージＡ１に対して導波管Ｂ１を接続した時の構造を説明するための概略断面図である。上記のパッケージＡ１に対して導波管Ｂ１を接続するには、パッケージＡ１のグランド層７に形成されたスロット孔６が導波管の中心となる位置にて、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’をパッケージＢ１の底面の導体帯１６に当接させるか、またはフランジＢ’を導体帯６にロウ付けにより接合するか、あるいはフランジＢ’を誘電体基板１にネジ止めなどの機械的な接合手段により取り付けることができる。
【００３２】
かかる構成においては、導波管Ｂ１の導体壁１８は、フランジＢ’、導体帯１６、空洞部１２内壁の導体層１１、導体帯１５、垂直導体１４を介してグランド層７と電気的に接続され、グランド層７と導波管Ｂ１の導体壁とは共通した電位に維持される。
【００３３】
本発明における図２の接続構造において、キャビティ３内にて高周波素子４と接続された信号伝送線路５における信号は、グランド層７に設けられたスロット孔６により電磁結合され、誘電体領域９と第２の誘電体層１３の空洞部１２を通過し信号が導波管Ｂ１に伝達される。第１の誘電体層１０の垂直導体１４および第２の誘電体層１３の空洞部１２は、いずれもスロット孔６を通過した信号を導波管Ｂ１に導く役割を有すると同時に、電磁結合により信号伝送線路５からスロット孔６を通過した信号が誘電体領域９を通りその表面から伝播する電磁波を導波管に連続的に接続する変換の役割を有する。
【００３４】
通常、スロット孔６を介した信号伝送線路５と導波管との接続の場合、スロット孔６直下での導波管との中心の位置のずれが信号の変換損失に大きく影響を与えやすく、導波管をスロット孔６を有するグランド層７に直接接続する場合には、導波管の位置ズレを招きやすいために変換損失が大きくなりやすい。
【００３５】
これに対して、本発明に基づき、第１の誘電体層１０、第２の誘電体層１３を前述したようにグランド層７とともに積層一体化することによって、スロット孔６直下での位置精度を高めることができ、これによって位置ズレを低減することができ、スロット孔６を形成したグランド層７から位置決め精度の高い第１の誘電体層１０および第２の誘電体層１３を介して導波管Ｂ１を接続するために、変換部での損失の低減を抑制することができる。
【００３６】
かかる観点から、第１の誘電体層１０の厚みはスロット孔６から放出された電磁波を導波管内で電磁場分布と整合させるために、通常、信号波長長さの１／８長さ以上に設定されるが、第２の誘電体層１３の厚みは任意の厚みに調整できるが、特に、この第２の誘電体層１３の厚みは、信号波長長さの２．５％以上、特に３％以上、さらには４％以上であることが望ましい。
【００３７】
また、第２の誘電体層１３を設けることにより、高周波用パッケージＡ１の全誘電体厚みを厚くすることが可能となり、パッケージの強度を上げ高い信頼性を得ることも可能となる。
【００３８】
図３は、図１の高周波用パッケージＡ１の変形例を示すパッケージであり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は導波管Ｂ１と接続した時の概略断面図である。この高周波用パッケージＡ２によれば、第２の誘電体層１３の表面の導体帯１６に金属部材１９をロウ剤等の接着剤等を用いて取付けることができる。この金属部材１９の第２の誘電体層１３の空洞部１２の直下には貫通孔２０が形成されている。そして、この金属部材１９に対して、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’を当接するか、ロウ付けにより接合するかあるいは金属部材１９にネジ止めなどの機械的な接合手段により取り付ける。
【００３９】
かかる構造によれば、第１および第２の誘電体層１０、１３の強度が弱い場合、導波管Ｂ１を直接、これらの誘電体層１０、１３に取り付けると、誘電体層１０、１３にクラックなどが発生する場合があるが、強度の高い金属部材１９を第２の誘電体層１３に接着し、この金属部材１９に導波管Ｂ１を接続することにより誘電体層１０、１３に悪影響を及ぼすことなく、導波管Ｂ１を接続することができ、高周波用パッケージＡ２と導波管Ｂ１との接続信頼性を高めることができる。なお、図３では、パッケージＡ２における２つの変換部に対して、２つの貫通孔２０を有する金属部材１９を接着したが、この金属部材１９は各変換部毎に個別に第２の誘電体層１３に設けても良い。
【００４０】
図４は、高周波用パッケージの他の変形例を示すものであり、この高周波用パッケージＡ３によれば、誘電体領域９の内部、あるいは第２の誘電体層１３の空洞部１２に面する表面に、アンテナ的機能や、共振器的機能、あるいは電磁場整合機能を付与するための導体層２１を形成することによって、さらに変換特性の改善を行なうことができる。
【００４１】
また、図１、図２のパッケージにおいては、高周波素子４は、誘電体基板１の表面に実装された構造であるが、その変形例として、図４のパッケージに示すように、誘電体基板１と第１誘電体層１０によりキャビティ３を形成して、グランド層７を第１誘電体層１０の表面に形成して、さらにそのグランド層７の表面に高周波素子４を実装することも可能である。
【００４２】
さらには、図１乃至図４では半導体素子を実装し蓋体によって気密封止したパッケージについて述べたが、信号伝送線路を具備する一般の回路基板と導波管との接続、あるいは表面に信号伝送線路が形成され、半導体素子を直接実装搭載し、素子を樹脂などによって封止した回路基板と導波管との接続においても、図１乃至図４の接続構造が適用できる。
【００４３】
上記図１乃至図４に示した本発明の高周波パッケージＡ１乃至Ａ３においては、誘電体基板１、第１誘電体層１０、第２誘電体層１３は、セラミックスまたは有機樹脂、あるいはそれらの複合体からなる構成することができる。例えば、セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック材料や、ガラス材料、あるいはガラスとＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどの無機質フィラーとの複合体からなるガラスセラミック材料により形成でき、これらの原料粉末を用いて所定の基板形状に成形した後、焼成することにより形成される。また、有機樹脂としては、有機系材料からなるプリント基板やテフロン基板によって形成することができる。
【００４４】
また、信号の伝達を担う各伝送線路、グランド層、垂直導体、および種々の導体層は、タングステン、モリブデンなどの高融点金属や、金、銀、銅などの低抵抗金属などにより形成することができ、これらは、用いる基板材料に応じて適宜選択して、従来の積層技術をもって一体的に形成することができる。
【００４５】
例えば、基板をＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック材料により形成する場合には、タングステン、モリブデン等の高融点金属を用いて未焼成体に印刷塗布して、１５００〜１９００℃の温度で焼成すればよく、基板をガラス材料、ガラスセラミック材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いて同様にして８００〜１１００℃の温度で焼成することにより作製できる。なお、基板を有機樹脂を含む絶縁材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いてペーストを塗布、または充填するか、金属箔を接着することにより線路やグランド層を形成することができる。
【００４６】
【実施例】
特性評価のために、半導体素子搭載部を有せず、入力用および出力用の信号伝送線路５を接続する以外は、全く図３のパッケージと同一形状からなる図５（ａ）のサンプル基板を作製し、導波管と信号伝送線路間の接続特性を評価した。図５（ｂ）はサンプル基板の平面図、（ｃ）はその導波管との接続時の概略断面図である。サンプル基板は、対象周波数を９４ＧＨｚとして設計した。測定には、ネットワークアナライザーを用いた。サンプル基板の測定形態は以下の通りである。
【００４７】
図５（ｃ）に示すように、ネットワークアナライザーからの導波管Ｂ１をサンプル基板ａの金属部材１９にねじ止めして接続し、導波管Ｂ１内の信号が変換部ｘで変換されマイクロストリップ線路５を通過し再び変換部ｙで変換され導波管Ｂ２につながる形態とした。
【００４８】
サンプル基板における誘電体基板および誘電体層を形成する材料としては誘電率９．０のＡｌ２Ｏ３セラミックスを用い、種々の導体層および垂直導体をタングステンを用いて基板と同時焼成して形成した。なお、上記の露出した導体層の表面にはＡｕメッキを施した。また、金属部材としてはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用い誘電体層に対してＡｇロウによって接合した。
【００４９】
なお、サンプル基板においては、第２誘電体層の厚みを表１のように変えた数種類のサンプル基板を作成した。各種類について１０個づつ作製し、評価を行なった。
【００５０】
作製したサンプル基板に対して、Ｓ２１の平均値、最良値（ｂｅｓｔ）、最悪値（ｗｏｒｓｔ）、最良値（ｂｅｓｔ）と最悪値（ｗｏｒｓｔ）との差をバラツキとして評価した。なお、９４ＧＨｚの信号波長は誘電率１．０の空気中で３．１９ｍｍであるとして、表中に信号波長長さλとの関係を記述した。
【００５１】
【表１】
第１の誘電体層のみを形成したサンプル基板１は、Ｓ２１のバラツキが大きいが、第２誘電体層を設けたサンプル基板２〜７では、バラツキが徐々に低減されており、第２の誘電体層の厚みを信号波長長さの２．５％以上とすることによってバラツキを０．５ｄＢ以下に低減することができた。特に、３％以上とすることで０．４５ｄＢ以下、さらに４％以上とすることで０．４ｄＢ以下に低減することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、高周波素子を搭載するパッケージなどの配線基板表面に形成された信号伝送線路から導波管への変換を行なうにあたり、変換部における損失のバラツキを低減でき、低反射で効率よく行うことが可能であり、また配線基板における配線の設計の自由度が向上しパッケージの性能を高めるとともに、配線基板の強度を高めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施態様である高周波用パッケージＡ１と導波管Ｂ１との接続構造の一実施態様を説明するためものであり，（ａ）は高周波用パッケージＡ１の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ１における誘電体基板１の平面図、（ｃ）は第１の誘電体層の底面のパターン図、（ｄ）はパッケージＡ１の底面図である。
【図２】図１の高周波用パッケージＡ１と導波管Ｂ１との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図３】本発明の他の実施態様である高周波用パッケージＡ２と導波管Ｂ１との接続構造を説明するためものであり、（ａ）は高周波用パッケージＡ２の概略断面図、（ｂ）はその導波管Ｂ１との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施態様である高周波用パッケージＡ３を説明するための概略断面図である。
【図５】実施例で用いる特性測定方法を説明するもので、（ａ）特性評価用のサンプル基板の概略断面図と、（ｂ）サンプル基板の平面図と、（ｃ）サンプル基板に導波管を接続した接続構造の概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ２，Ａ３ 高周波用パッケージ
Ｂ１ 導波管
Ｂ’ フランジ
１ 誘電体基板
２ 蓋体
３ キャビティ
４ 高周波素子
５ 信号伝送線路
５ａ 終端
６ スロット孔
７ グランド層
９ 誘電体領域
１０ 第１の誘電体層
１１ 導体層
１２ 空洞部
１３ 第２の誘電体層
１４ 垂直導体（ＶＩＡ）
１５，１６ 導体帯
１８ 導体壁
１９ 金属部材
Claims (7)
- 誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に形成された信号伝送線路と、該信号伝送線路と導波管とを接続するための変換部を具備する配線基板であって、前記変換部が、前記誘電体基板の他方の表面に形成され且つ前記信号伝送線路の終端と対峙する位置にスロット孔が形成されてなるグランド層と、該グランド層表面に積層形成された第１の誘電体層と、該第１の誘電体層における前記グランド層のスロット孔形成領域直下に垂直導体によって囲まれて形成された誘電体領域と、前記第１の誘電体層表面に積層形成され、前記誘電体領域直下に空洞部を有し、且つ該空洞部内壁に導体層が形成されてなる第２の誘電体層と、を具備し、前記第２の誘電体層の空洞部内壁の導体層を前記第１の誘電体層に形成された前記垂直導体を介して、前記グランド層と電気的に接続してなることを特徴とする配線基板。
- 前記第２の誘電体層の厚みが、信号波長長さの２．５％以上であることを特徴とする請求項１の配線基板。
- 前記第１の誘電体層表面に、前記空洞部内壁の導体層と前記垂直導体とを接続するための導体帯を形成してなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の配線基板。
- 前記第２の誘電体層表面に、接続する導波管のフランジと空洞部内壁の導体層とを接続するための導体帯を形成してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の配線基板。
- 前記第２の誘電体層表面に金属部材を取付けてなり、該金属部材における前記第２の誘電体層の空洞部直下に貫通孔を形成してなることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の配線基板。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか記載の配線基板における第２の誘電体層に導波管のフランジを接着することによって、前記配線基板における信号伝送線路と導波管とを接続してなることを特徴とする配線基板と導波管との接続構造。
- 請求項５記載の配線基板における金属部材に導波管のフランジを接着することによって、前記配線基板における信号伝送線路と導波管とを接続してなることを特徴とする配線基板と導波管との接続構造。
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