JP3681950B2 - 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（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−７−５参照）。この提案では、素子をキャビティ内に気密封止する蓋体の一部に石英を埋め込み、その石英埋め込み部を通じて電磁波をキャビティ内に導入し、キャビティ内に設置した導波管−マイクロストリップ線路変換基板と接続したものである。
【０００７】
【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。
【０００８】
これに対して、導波管から電磁波の形でパッケージのキャビティ内部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、蓋などのキャビティ形成部材を通過する際に電磁波の損失を小さくするために、その通過部を誘電率および誘電正接が小さい材料を使用することが必要であり、そのために、前記文献に記載されるように、石英などの低誘電率、低損失材料を埋め込む処理が必要となる。このような埋め込み処理は、気密封止性の信頼性を損なうばかりでなく、量産には全く不向きである。
【０００９】
また、キャビティ形成部材をすべて低誘電率、低損失材料によって構成することも考えられるが、パッケージを構成する材料として、それら電気特性以外にも機械的な強度や気密封止性、メタライズ性など各種の特性が要求され、それら特性をすべて満足し、且つ安価に製造できるような適切な材料は見当たらない。
【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】
本発明は、前記課題を解消せんとして成されたもので、前記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、導波管とを信号の損失が小さく、また反射の小さい接続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。
【００１２】
【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接続部を具備する配線基板であって、前記接続部が、前記誘電体基板の他方の表面に形成され、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、該グランド層のスロット孔形成表面に形成された第１の誘電体部と、該第１の誘電体部表面の前記スロット孔と対峙する位置に設けられた矩形形状の導体と、該導体表面に形成された第２の誘電体部とを具備してなり、前記導体の前記信号伝送線路と直交する方向の最大長さをＷ１、前記信号伝送線路と平行な方向の最大長さをＬ１としたとき、Ｌ１≧Ｗ１であり、前記導体の最大長さＬ１が、信号波長長さをλとしたとき、１０λ／６４≦Ｌ１≦３１λ／６４，あるいは３３λ／６４≦Ｌ１≦６３λ／６４の関係を満たし、前記グランド層に形成されたスロット孔の前記信号伝送線路と直交する方向の最大長さＳＬを信号波長長さの１乃至２倍として、前記導体によって前記スロット孔から励振された磁界分布を分割せしめてなることによって、信号伝送線路−導波管間の信号伝送を低損失、低反射で効率よく行うことが可能であり、また高周波素子の気密封止をも確実に行うことができることを見出した。
【００１３】
また、かかる構造においては、前記第１の誘電体部および第２の誘電体部の大きさが、接続される導波管の内径以下である場合、前記第１誘電体部および前記第２誘電体部の周囲に、前記グランド層と電気的に接続され且つ導波管の導体壁と接続される金属枠体を取り付け、この金属枠体と導波管のフランジとを接続することが望ましい。
【００１５】
さらに、前記誘電体基板の他方の表面に、第１の誘電体層および第２の誘電体層が前記誘電体基板と一体的に形成されており、前記第１の誘電体部が前記第１の誘電体層内に、また前記第２の誘電体部が前記第２の誘電体層内に設けてもよく、その場合、前記第１及び第２の誘電体層の前記導体形成部を中心とする周囲に、前記導波管の導体壁と前記グランド層を電気的に接続するための垂直導体を前記第１及び第２の誘電体層を貫通して形成し、この垂直導体と導波管の金属壁体と電気的に接続することが望ましい。さらに、導波管を接続するにあたり、配線基板に対して接続部材を一体的に設け、この接続部材に導波管を接続することが望ましい。これにより一括して、接続構造を有する配線基板を製造可能となり、量産の点から考えて有利となる。また、導波管の接続部材への装着が、ネジ止め等で行うことが可能となり、半導体素子を実装したパッケージに導波管を接続し、一旦特性を測定した後に導波管と取り外して製品として用いる場合の、一連の導波管の着脱が容易であり、検査が行いやすくなる利点がある。また、ネジ止めを接続部材で行うことで、誘電体基板でネジ止めを行うことに比べて、誘電体基板の破損を防止できる。
【００１６】
【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４をもとに説明する。
【００１７】
まず、図１の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。
【００１８】
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。
【００１９】
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５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７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。
【００２０】
また、図１の高周波用パッケージＡ１において、グランド層７のスロット孔６形成表面には、第１の誘電体部９を介して導体１０が被着形成されており、さらに、この導体１０の表面には、第２の誘電体部１１が設けられている。
【００２１】
上記の線路構成において、マイクロストリップ線路の信号伝送線路５は、スロット孔６と電磁結合されている、言い換えれば電磁結合によりスロット孔６に給電する。この電磁結合構造は、具体的には、特開平３−１２９９０３号に記載されており、図１（ａ）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ｘ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。
【００２２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の高周波用パッケージＡ１に導波管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。高周波用パッケージＡ１の導体１０を有する第１誘電体部９及び第２誘電体部１１は、導波管Ｂ１の内壁と同じ、あるいはそれよりも小さいサイズからなり、導波管Ｂ１との接続時に、導波管Ｂ１内に配設されるような形状を有する。
【００２３】
そして、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’をパッケージ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当接させるか、またはフランジＢ’をグランド層７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て、導波管Ｂ１の導体壁１２と電気的に接続する。そして、このようにして導波管Ｂ１の導体壁１２とグランド層７とを電気的に接続することにより、グランド層７と導波管Ｂ１の電位を共通にする。このとき、第１誘電体部９、第２誘電体部１１の外周は特に導波管Ｂ１の内壁に接する必要性はない。
【００２４】
かかる接続構造において、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、さらに導体１０により信号の電磁場分布が連続的かつ滑らかとなり、第２誘電体部１１を通過し信号が導波管Ｂ１に伝達される。
【００２５】
また、かかる構造においては、導体１０は、信号伝送線路５から上側への電磁波の放射を抑制し、電磁波を第１誘電体部９および第２誘電体部１１内に閉じ込める作用を有する。また、第１誘電体部９及び第２誘電体部１１は、接続部における空気中への電磁場の分布を抑え放射による変換損失を抑え、またスロット孔６−導体１０−導波管Ｂ１の電磁場分布を連続的にする役割を有する。その結果、高周波信号の伝送損失の小さい接続構造を実現できる。
【００２６】
図２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）は誘電体層の底面図、（ｃ）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１誘電体部９、第２誘電体部１１の周囲において、グランド層７に金属などからなる接続部材１３をロウ剤等の導電性接着剤を用いて取付けることにより、グランド層７と接続部材１３とを電気的に接続させ、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’をこの接続部材１３に対して当接するか、ロウ付けにより接合するかあるいは接続部材１３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。
【００２７】
かかる構造によれば、導波管Ｂ１を接続部材１３を介して高周波用パッケージＡ２に対して強固に接合することができ、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２では、誘電体基板１の底面に形成された２つの誘電体部９、１１の各周囲にそれぞれ接続部材１３を形成したが、この接続部材１３を一体化し、誘電体基板１の底面におけるグランド層７にあらかじめ取り付けることも可能である。
【００２８】
また、導波管Ｂ１の導体壁とグランド層７とは電気的に接続されていることが必要であるが、接続部材１３が金属などの導電体からなる場合には、問題がないが、セラミックスや有機樹脂などの絶縁体からなる場合には、接続部材１３の導波管Ｂ１の接続面や接続部材１３内面に導体層（図示せず）を形成して、その導体層をグランド層７と電気的に接続することが望ましい。
【００２９】
図１、図２の高周波用パッケージにおいては、誘電体部９、１１は、誘電体基板１を作製した後に、適当な接着剤を用いてグランド層７表面に取り付けることができるが、工程数が増加するなどの問題もある。そこで、誘電体基板１がセラミックスからなる場合、未焼成の誘電体基板１にグランド層７および信号伝送線路５を印刷塗布し、同様に未焼成の誘電体部９、１１を接着剤により接着して、それを一括して同時焼成することにより作製することも可能である。
【００３０】
しかし、上記焼成時に脱落する可能性もある。そこで、図３乃至図４は、第１誘電体部９、第２誘電体部１１を誘電体基板１と一体的に形成してなる高周波用パッケージに関するものである。まず、図３の高周波用パッケージＡ３によれば、誘電体基板１の底面に形成されたグランド層７の表面に、第１誘電体層１４および第２誘電体層１５が積層形成されており、この第１誘電体層１４と第２誘電体層１５との間には、導体１０が内装されている。そして、この第１誘電体層１４と第２誘電体層１５の前記導体１０形成部を中心とする周囲には、前記導波管Ｂ１の導体壁と前記グランド層７を電気的に接続するための複数の垂直導体１６が前記第１誘電体層１４及び第２誘電体層１５を貫通して形成されており、この垂直導体１６によって囲まれた領域に第１誘電体部９および第２誘電体部１１が形成されている。
【００３１】
また、第１誘電体層１４と第２誘電体層１５との間には導体１０に加え導体層１７が形成されており、第１誘電体層１４および第２誘電体層１５の垂直導体１６同士を高い信頼性をもって接続している。また、第２誘電体層１５の表面には導波管Ｂ１を接続するための導体層１８も被着形成されている。
【００３２】
この高周波用パッケージＡ３に対しては、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’を第２誘電体層１５の表面に形成された導体層１８に対して当接するか、ロウ付けにより接合するか、あるいは基板にネジ止めなどの機械的な接合手段によって取り付ける。
【００３３】
この図３の構造のパッケージＡ３は、誘電体基板１と第１誘電体層１４、第２誘電体層１５、導体層１７、１８、垂直導体１６などを、周知のセラミック積層技術を用いて一括して焼成して製造することができる点で有利である。
【００３４】
図３（ｄ）は、図３（ａ）の高周波用パッケージＡ３の変形例を示すパッケージである。この高周波用パッケージＡ３によれば、垂直導体１６と電気的に接続された導体層１８に接続部材１３をロウ剤等の導電性接着剤を用いて取付けることにより、グランド層７と接続部材１３とを電気的に接続させ、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’をこの接続部材１３に対して当接するか、ロウ付けにより接合するかあるいは接続部材１３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。
【００３５】
かかる構造によれば、導波管Ｂ１を接続部材１３を介して高周波用パッケージＡ３に対して強固に接合することができ、パッケージＡ３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（ｄ）では、第２の誘電体層１５の底面に一体化された接続部材１３を形成したが、この接続部材１３は、パッケージＡ２と同様に分割しても何ら問題はない。また、導波管Ｂ１の導体壁と垂直導体１６とは電気的に接続されていることが必要であるが、接続部材１３が金属などの導電体からなる場合には、問題がないが、セラミックスや有機樹脂などの絶縁体からなる場合には、接続部材１３の導波管Ｂ１の接続面や接続部材１３内面に導体層（図示せず）を形成して、その導体層を垂直導体１６と電気的に接続することが望ましい。
【００３６】
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３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１４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１４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。
【００３７】
次に、図４は、さらに他の高周波用パッケージＡ４を説明するためのもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はその底面図、（ｃ）は接続する導波管Ｂ２の開放端の斜視図、（ｄ）は（ａ）の高周波用パッケージと導波管との接続構造を示す概略断面図である。図４の高周波用パッケージＡ４によれば、誘電体基板１の底面に形成されたグランド層７の表面に導体１０を具備する第１誘電体層１４、さらにその下部の第２誘電体層１５が誘電体基板１に対して一体的に形成されている。この第１誘電体層１４および第２誘電体層１５には、図４（ｃ）に示すような形状に加工された開放端構造を有する導波管Ｂ２の対向する長辺側（Ｈ面）の導体壁１９、２０を挿入するための貫通孔２１が設けられている。また、導波管Ｂ２の他の対向する短辺側の（Ｅ面）の導体壁２２、２３と接触する部分には導体層２４が被着形成される。そして、導波管Ｂ２と高周波用パッケージＡ４のグランド層７を同電位にするために、導体層２４とグランド層７とは、この第１誘電体層１４、第２誘電体層１５を貫通する複数の垂直導体１６により電気的に接続されている。
【００３８】
そして、第１誘電体層１４および第２誘電体層１５における貫通孔２１と、垂直導体１６によって囲まれる誘電体が第１誘電体部９、第２誘電体部１１として機能することになる。
【００３９】
この高周波用パッケージＡ４に対しては、導波管Ｂ２の導体壁１９、２０を第１誘電体層１４、第２誘電体層１５に形成された貫通孔２１に挿入し、グランド層７に導体壁１９、２０の端部を当接するか、ロウ付けにより接合することによって取り付ける。また、同様に導波管Ｂ２の導体壁２２、２３を第２誘電体層１５の表面の導体層２４に当接するか、ロウ付けにより接合させる。
【００４０】
かかる高周波用パッケージＡ４においても、誘電体基板１と、貫通孔２１、導体層２４、第１誘電体層１４、第２誘電体層１５、垂直導体１６とを周知のセラミック積層技術を用いて同時焼成することにより、一括して製造することができる点で有利である。
【００４１】
なお、図４のパッケージでは、導波管Ｂ２の長辺側導体壁１９、２０をグランド層７に直接接続したが、短辺側導体壁２２、２３をグランド層７に直接接続して、長辺側導体壁１９、２０を導体層およびビアホール導体を介して接続してもよい。
【００４２】
また、パッケージＡ４では第１誘電体層１４、第２誘電体層１５における貫通孔２１を第２誘電体層１５のみに形成し第１誘電体層１４には貫通孔部の箇所に垂直導体（図示せず）を形成し、その垂直導体を介してグランド層７と導波管Ｂ２の電気的接続を行なってもよい。
【００４３】
また導波管の接合部における構造は、Ｂ２の形状でなくとも、Ｂ２の接続部構造を有する接続部材を導体層１８の下部に設けその部材に、Ｂ１のように通常の形状を有する導波管を装着しても何ら問題はない。
【００４４】
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、半導体素子を収納したパッケージを実装する回路基板、あるいは半導体素子を直接実装する回路基板においても同様のことが言える。
【００４５】
本発明によれば、上記の図１乃至図４の構造の高周波パッケージに代表される配線基板において、グランド層７に形成されたスロット孔６や導体１０の形状によって導波管との接続特性が変化するために、これらを所定の関係に定めることが必要である。
【００４６】
図５は、図１乃至図４における高周波パッケージにおけるスロット孔６、導体１０および信号伝送線路５との位置関係を説明するための平面図である。本発明によれば、図５に示すスロット孔６の長さＳＬを、信号の周波数（波長長さ）の１〜２倍、特に１０／８〜１４／８倍に設定することによって、この導体１０が信号励振用ではなく、スロット孔６から励振された信号を分割し電磁場分布を整え、スロット孔６から導波管Ｂ１への電磁場分布が連続的となるような機能をなす。このような機能は、導体１０を信号励振用として利用する場合に比べて、帯域が広くなり、透過信号の周波数バラツキが小さくなるという優れた効果を奏する。なお、スロット孔６信号伝送線路と直交方向の最大長さＳＬは、信号の周波数（波長長さ）に対して、λより小さいと、信号励振用（ダイポールアンテナ）として機能させ得るが、この形態では帯域が狭いなどを問題がある。
【００４７】
これは、導体１０が信号励振の役割ではなく電磁波を分割し分布を整える役割となるためであり、透過信号周波数の導体１０の長さに対する依存性を無くすることが可能となり、広帯域と小さいバラツキが実現可能となる。
【００４８】
さらに、導体１０は、図５に示すように、略矩形形状からなるが、信号伝送線路５の線路方向と直交する方向の最大長さをＷ１、信号伝送線路５の線路方向と平行な方向の最大長さをＬ１としたとき、Ｌ１≧Ｗ１であることが必要である。さらには、前記導体の長さＬ１が、信号波長長さλに対して、１０λ／６４≦Ｌ１≦３１λ／６４、あるいは３３λ／６４≦Ｌ１≦６３λ／６４の関係を満たすことが必要である。上記関係を満たすことことにより、導体１０からの不要な電磁波放射を抑制し、連続的な電磁場分布を維持することができる。
【００４９】
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Ａ４においては、誘電体基板１、第１誘電体部９、第２誘電体部１１、第１誘電体層１４、第２誘電体層１５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。
【００５０】
また、信号の伝達を担う各伝送線路およびグランド層は、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。
【００５１】
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。
【００５２】
【実施例】
実際に図６のサンプルを作製し、導波管と信号伝送線路間の接続特性を評価した。図６はその平面図である。サンプルは、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。サンプル測定形態は以下の通りである。ネットワークアナライザーからのプローブ（コプレーナ線路構造）を、サンプル上に形成したコプレーナ線路にあて、コプレーナをマイクロストリップ線路へ変換後、導波管へ変換しそれをネットワークアナライザにつなぎ測定した。
【００５３】
サンプルにおける誘電体材料としては誘電率９．０のＡｌ2Ｏ3からなる基板を用い、表層並びに内層の導体材料として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厚さ３μｍのＡｕメッキを施した。
【００５４】
また、導波管との接続にあたっては、図５（ｃ）に示すように、導体層１８の下部に設けた接続部材１３に対して導波管のフランジ部をネジ止め（図示せず）によって接続固定した。
【００５５】
なお、サンプルにおいては、スロット孔の長さＳＬ、導体１０の長さＬ１、幅Ｗ１を表１のように変えた数種類のサンプルを作成した。各種類について５個づつ作製し、評価を行なった。
【００５６】
作製したサンプルに対して、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。また、平均帯域（Ｓ２１が−２．０ｄＢ以上となる周波数帯域幅）を表１に示した。
【００５７】
なお、９４ＧＨｚの信号波長は誘電率９．０のＡｌ2Ｏ3内で１．０６４ｍｍであるとして、表中に波長長さλとの関係を記述した。
【００５８】
【表１】
【００５９】
スロット孔の長さＳＬが７／８λの試料Ｎｏ．１ではＳ２１（Ａｖｅ）が１．８１ｄＢであり、ＳＬが１７／８λである試料Ｎｏ．２では、１．８ｄＢであった。
【００６０】
これに対して、ＳＬがλ以上２λ以下の試料Ｎｏ．３〜１４では、Ｓ２１（Ａｖｅ）が１．８ｄＢより小さく、帯域が１０ＧＨｚ以上であり、バラツキも０．３ｄＢ以下と良好であった。
【００６１】
特に、これらの中でも第一の誘電体部表面に形成した導体のＬ１とＷ１の関係がＬ１≧Ｗ１である試料Ｎｏ．７〜９、１０〜１４やＬ１が１０λ／６４〜３１λ／６４あるいは３３λ／６４〜６３λ／６４である試料Ｎｏ．１０〜１３では、Ｓ２１（Ａｖｅ）が１．６ｄＢ以下、帯域が１１ＧＨｚ以上とさらに優れた特性が得られた。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、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、低損失、低反射で効率よく行うことが可能であり、またパッケージ構造においても高周波素子の気密封止をも確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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２】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）は高周波用パッケージＡ２における誘電体層の底面図、（ｃ）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３】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Ａ３の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ３における誘電体層の底面図、（ｃ）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。また、（ｄ）はパッケージＡ３の変形例を説明するためのものである。
【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Ａ４と導波管Ｂ２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Ａ４の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ４における誘電体層の底面図、（ｃ）はその導波管Ｂ２の開放端を説明するための斜視図、（ｄ）は高周波用パッケージＡ４（ｃ）の先端構造を有する導波管Ｂ２との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の配線基板におけるスロット孔、導体および信号伝送線路との位置関係を説明するための平面図である。
【図６】 実施例における特性測定用のサンプルＡ５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。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５ 高周波用パッケージ
Ａ６ 特性評価用サンプル
Ｂ１，Ｂ２ 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 第１誘電体部
１０ 導体
１１ 第２誘電体部
１３ 接続部材
１４ 第１誘電体層
１５ 第２誘電体層
１６ 垂直導体
【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（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−７−５参照）。この提案では、素子をキャビティ内に気密封止する蓋体の一部に石英を埋め込み、その石英埋め込み部を通じて電磁波をキャビティ内に導入し、キャビティ内に設置した導波管−マイクロストリップ線路変換基板と接続したものである。
【０００７】
【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。
【０００８】
これに対して、導波管から電磁波の形でパッケージのキャビティ内部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、蓋などのキャビティ形成部材を通過する際に電磁波の損失を小さくするために、その通過部を誘電率および誘電正接が小さい材料を使用することが必要であり、そのために、前記文献に記載されるように、石英などの低誘電率、低損失材料を埋め込む処理が必要となる。このような埋め込み処理は、気密封止性の信頼性を損なうばかりでなく、量産には全く不向きである。
【０００９】
また、キャビティ形成部材をすべて低誘電率、低損失材料によって構成することも考えられるが、パッケージを構成する材料として、それら電気特性以外にも機械的な強度や気密封止性、メタライズ性など各種の特性が要求され、それら特性をすべて満足し、且つ安価に製造できるような適切な材料は見当たらない。
【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】
本発明は、前記課題を解消せんとして成されたもので、前記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、導波管とを信号の損失が小さく、また反射の小さい接続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。
【００１２】
【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接続部を具備する配線基板であって、前記接続部が、前記誘電体基板の他方の表面に形成され、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、該グランド層のスロット孔形成表面に形成された第１の誘電体部と、該第１の誘電体部表面の前記スロット孔と対峙する位置に設けられた矩形形状の導体と、該導体表面に形成された第２の誘電体部とを具備してなり、前記導体の前記信号伝送線路と直交する方向の最大長さをＷ１、前記信号伝送線路と平行な方向の最大長さをＬ１としたとき、Ｌ１≧Ｗ１であり、前記導体の最大長さＬ１が、信号波長長さをλとしたとき、１０λ／６４≦Ｌ１≦３１λ／６４，あるいは３３λ／６４≦Ｌ１≦６３λ／６４の関係を満たし、前記グランド層に形成されたスロット孔の前記信号伝送線路と直交する方向の最大長さＳＬを信号波長長さの１乃至２倍として、前記導体によって前記スロット孔から励振された磁界分布を分割せしめてなることによって、信号伝送線路−導波管間の信号伝送を低損失、低反射で効率よく行うことが可能であり、また高周波素子の気密封止をも確実に行うことができることを見出した。
【００１３】
また、かかる構造においては、前記第１の誘電体部および第２の誘電体部の大きさが、接続される導波管の内径以下である場合、前記第１誘電体部および前記第２誘電体部の周囲に、前記グランド層と電気的に接続され且つ導波管の導体壁と接続される金属枠体を取り付け、この金属枠体と導波管のフランジとを接続することが望ましい。
【００１５】
さらに、前記誘電体基板の他方の表面に、第１の誘電体層および第２の誘電体層が前記誘電体基板と一体的に形成されており、前記第１の誘電体部が前記第１の誘電体層内に、また前記第２の誘電体部が前記第２の誘電体層内に設けてもよく、その場合、前記第１及び第２の誘電体層の前記導体形成部を中心とする周囲に、前記導波管の導体壁と前記グランド層を電気的に接続するための垂直導体を前記第１及び第２の誘電体層を貫通して形成し、この垂直導体と導波管の金属壁体と電気的に接続することが望ましい。さらに、導波管を接続するにあたり、配線基板に対して接続部材を一体的に設け、この接続部材に導波管を接続することが望ましい。これにより一括して、接続構造を有する配線基板を製造可能となり、量産の点から考えて有利となる。また、導波管の接続部材への装着が、ネジ止め等で行うことが可能となり、半導体素子を実装したパッケージに導波管を接続し、一旦特性を測定した後に導波管と取り外して製品として用いる場合の、一連の導波管の着脱が容易であり、検査が行いやすくなる利点がある。また、ネジ止めを接続部材で行うことで、誘電体基板でネジ止めを行うことに比べて、誘電体基板の破損を防止できる。
【００１６】
【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４をもとに説明する。
【００１７】
まず、図１の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。
【００１８】
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。
【００１９】
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５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７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。
【００２０】
また、図１の高周波用パッケージＡ１において、グランド層７のスロット孔６形成表面には、第１の誘電体部９を介して導体１０が被着形成されており、さらに、この導体１０の表面には、第２の誘電体部１１が設けられている。
【００２１】
上記の線路構成において、マイクロストリップ線路の信号伝送線路５は、スロット孔６と電磁結合されている、言い換えれば電磁結合によりスロット孔６に給電する。この電磁結合構造は、具体的には、特開平３−１２９９０３号に記載されており、図１（ａ）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ｘ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。
【００２２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の高周波用パッケージＡ１に導波管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。高周波用パッケージＡ１の導体１０を有する第１誘電体部９及び第２誘電体部１１は、導波管Ｂ１の内壁と同じ、あるいはそれよりも小さいサイズからなり、導波管Ｂ１との接続時に、導波管Ｂ１内に配設されるような形状を有する。
【００２３】
そして、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’をパッケージ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当接させるか、またはフランジＢ’をグランド層７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て、導波管Ｂ１の導体壁１２と電気的に接続する。そして、このようにして導波管Ｂ１の導体壁１２とグランド層７とを電気的に接続することにより、グランド層７と導波管Ｂ１の電位を共通にする。このとき、第１誘電体部９、第２誘電体部１１の外周は特に導波管Ｂ１の内壁に接する必要性はない。
【００２４】
かかる接続構造において、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、さらに導体１０により信号の電磁場分布が連続的かつ滑らかとなり、第２誘電体部１１を通過し信号が導波管Ｂ１に伝達される。
【００２５】
また、かかる構造においては、導体１０は、信号伝送線路５から上側への電磁波の放射を抑制し、電磁波を第１誘電体部９および第２誘電体部１１内に閉じ込める作用を有する。また、第１誘電体部９及び第２誘電体部１１は、接続部における空気中への電磁場の分布を抑え放射による変換損失を抑え、またスロット孔６−導体１０−導波管Ｂ１の電磁場分布を連続的にする役割を有する。その結果、高周波信号の伝送損失の小さい接続構造を実現できる。
【００２６】
図２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）は誘電体層の底面図、（ｃ）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１誘電体部９、第２誘電体部１１の周囲において、グランド層７に金属などからなる接続部材１３をロウ剤等の導電性接着剤を用いて取付けることにより、グランド層７と接続部材１３とを電気的に接続させ、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’をこの接続部材１３に対して当接するか、ロウ付けにより接合するかあるいは接続部材１３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。
【００２７】
かかる構造によれば、導波管Ｂ１を接続部材１３を介して高周波用パッケージＡ２に対して強固に接合することができ、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２では、誘電体基板１の底面に形成された２つの誘電体部９、１１の各周囲にそれぞれ接続部材１３を形成したが、この接続部材１３を一体化し、誘電体基板１の底面におけるグランド層７にあらかじめ取り付けることも可能である。
【００２８】
また、導波管Ｂ１の導体壁とグランド層７とは電気的に接続されていることが必要であるが、接続部材１３が金属などの導電体からなる場合には、問題がないが、セラミックスや有機樹脂などの絶縁体からなる場合には、接続部材１３の導波管Ｂ１の接続面や接続部材１３内面に導体層（図示せず）を形成して、その導体層をグランド層７と電気的に接続することが望ましい。
【００２９】
図１、図２の高周波用パッケージにおいては、誘電体部９、１１は、誘電体基板１を作製した後に、適当な接着剤を用いてグランド層７表面に取り付けることができるが、工程数が増加するなどの問題もある。そこで、誘電体基板１がセラミックスからなる場合、未焼成の誘電体基板１にグランド層７および信号伝送線路５を印刷塗布し、同様に未焼成の誘電体部９、１１を接着剤により接着して、それを一括して同時焼成することにより作製することも可能である。
【００３０】
しかし、上記焼成時に脱落する可能性もある。そこで、図３乃至図４は、第１誘電体部９、第２誘電体部１１を誘電体基板１と一体的に形成してなる高周波用パッケージに関するものである。まず、図３の高周波用パッケージＡ３によれば、誘電体基板１の底面に形成されたグランド層７の表面に、第１誘電体層１４および第２誘電体層１５が積層形成されており、この第１誘電体層１４と第２誘電体層１５との間には、導体１０が内装されている。そして、この第１誘電体層１４と第２誘電体層１５の前記導体１０形成部を中心とする周囲には、前記導波管Ｂ１の導体壁と前記グランド層７を電気的に接続するための複数の垂直導体１６が前記第１誘電体層１４及び第２誘電体層１５を貫通して形成されており、この垂直導体１６によって囲まれた領域に第１誘電体部９および第２誘電体部１１が形成されている。
【００３１】
また、第１誘電体層１４と第２誘電体層１５との間には導体１０に加え導体層１７が形成されており、第１誘電体層１４および第２誘電体層１５の垂直導体１６同士を高い信頼性をもって接続している。また、第２誘電体層１５の表面には導波管Ｂ１を接続するための導体層１８も被着形成されている。
【００３２】
この高周波用パッケージＡ３に対しては、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’を第２誘電体層１５の表面に形成された導体層１８に対して当接するか、ロウ付けにより接合するか、あるいは基板にネジ止めなどの機械的な接合手段によって取り付ける。
【００３３】
この図３の構造のパッケージＡ３は、誘電体基板１と第１誘電体層１４、第２誘電体層１５、導体層１７、１８、垂直導体１６などを、周知のセラミック積層技術を用いて一括して焼成して製造することができる点で有利である。
【００３４】
図３（ｄ）は、図３（ａ）の高周波用パッケージＡ３の変形例を示すパッケージである。この高周波用パッケージＡ３によれば、垂直導体１６と電気的に接続された導体層１８に接続部材１３をロウ剤等の導電性接着剤を用いて取付けることにより、グランド層７と接続部材１３とを電気的に接続させ、導波管Ｂ１の開放端のフランジＢ’をこの接続部材１３に対して当接するか、ロウ付けにより接合するかあるいは接続部材１３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。
【００３５】
かかる構造によれば、導波管Ｂ１を接続部材１３を介して高周波用パッケージＡ３に対して強固に接合することができ、パッケージＡ３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（ｄ）では、第２の誘電体層１５の底面に一体化された接続部材１３を形成したが、この接続部材１３は、パッケージＡ２と同様に分割しても何ら問題はない。また、導波管Ｂ１の導体壁と垂直導体１６とは電気的に接続されていることが必要であるが、接続部材１３が金属などの導電体からなる場合には、問題がないが、セラミックスや有機樹脂などの絶縁体からなる場合には、接続部材１３の導波管Ｂ１の接続面や接続部材１３内面に導体層（図示せず）を形成して、その導体層を垂直導体１６と電気的に接続することが望ましい。
【００３６】
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３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１４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１４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。
【００３７】
次に、図４は、さらに他の高周波用パッケージＡ４を説明するためのもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はその底面図、（ｃ）は接続する導波管Ｂ２の開放端の斜視図、（ｄ）は（ａ）の高周波用パッケージと導波管との接続構造を示す概略断面図である。図４の高周波用パッケージＡ４によれば、誘電体基板１の底面に形成されたグランド層７の表面に導体１０を具備する第１誘電体層１４、さらにその下部の第２誘電体層１５が誘電体基板１に対して一体的に形成されている。この第１誘電体層１４および第２誘電体層１５には、図４（ｃ）に示すような形状に加工された開放端構造を有する導波管Ｂ２の対向する長辺側（Ｈ面）の導体壁１９、２０を挿入するための貫通孔２１が設けられている。また、導波管Ｂ２の他の対向する短辺側の（Ｅ面）の導体壁２２、２３と接触する部分には導体層２４が被着形成される。そして、導波管Ｂ２と高周波用パッケージＡ４のグランド層７を同電位にするために、導体層２４とグランド層７とは、この第１誘電体層１４、第２誘電体層１５を貫通する複数の垂直導体１６により電気的に接続されている。
【００３８】
そして、第１誘電体層１４および第２誘電体層１５における貫通孔２１と、垂直導体１６によって囲まれる誘電体が第１誘電体部９、第２誘電体部１１として機能することになる。
【００３９】
この高周波用パッケージＡ４に対しては、導波管Ｂ２の導体壁１９、２０を第１誘電体層１４、第２誘電体層１５に形成された貫通孔２１に挿入し、グランド層７に導体壁１９、２０の端部を当接するか、ロウ付けにより接合することによって取り付ける。また、同様に導波管Ｂ２の導体壁２２、２３を第２誘電体層１５の表面の導体層２４に当接するか、ロウ付けにより接合させる。
【００４０】
かかる高周波用パッケージＡ４においても、誘電体基板１と、貫通孔２１、導体層２４、第１誘電体層１４、第２誘電体層１５、垂直導体１６とを周知のセラミック積層技術を用いて同時焼成することにより、一括して製造することができる点で有利である。
【００４１】
なお、図４のパッケージでは、導波管Ｂ２の長辺側導体壁１９、２０をグランド層７に直接接続したが、短辺側導体壁２２、２３をグランド層７に直接接続して、長辺側導体壁１９、２０を導体層およびビアホール導体を介して接続してもよい。
【００４２】
また、パッケージＡ４では第１誘電体層１４、第２誘電体層１５における貫通孔２１を第２誘電体層１５のみに形成し第１誘電体層１４には貫通孔部の箇所に垂直導体（図示せず）を形成し、その垂直導体を介してグランド層７と導波管Ｂ２の電気的接続を行なってもよい。
【００４３】
また導波管の接合部における構造は、Ｂ２の形状でなくとも、Ｂ２の接続部構造を有する接続部材を導体層１８の下部に設けその部材に、Ｂ１のように通常の形状を有する導波管を装着しても何ら問題はない。
【００４４】
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、半導体素子を収納したパッケージを実装する回路基板、あるいは半導体素子を直接実装する回路基板においても同様のことが言える。
【００４５】
本発明によれば、上記の図１乃至図４の構造の高周波パッケージに代表される配線基板において、グランド層７に形成されたスロット孔６や導体１０の形状によって導波管との接続特性が変化するために、これらを所定の関係に定めることが必要である。
【００４６】
図５は、図１乃至図４における高周波パッケージにおけるスロット孔６、導体１０および信号伝送線路５との位置関係を説明するための平面図である。本発明によれば、図５に示すスロット孔６の長さＳＬを、信号の周波数（波長長さ）の１〜２倍、特に１０／８〜１４／８倍に設定することによって、この導体１０が信号励振用ではなく、スロット孔６から励振された信号を分割し電磁場分布を整え、スロット孔６から導波管Ｂ１への電磁場分布が連続的となるような機能をなす。このような機能は、導体１０を信号励振用として利用する場合に比べて、帯域が広くなり、透過信号の周波数バラツキが小さくなるという優れた効果を奏する。なお、スロット孔６信号伝送線路と直交方向の最大長さＳＬは、信号の周波数（波長長さ）に対して、λより小さいと、信号励振用（ダイポールアンテナ）として機能させ得るが、この形態では帯域が狭いなどを問題がある。
【００４７】
これは、導体１０が信号励振の役割ではなく電磁波を分割し分布を整える役割となるためであり、透過信号周波数の導体１０の長さに対する依存性を無くすることが可能となり、広帯域と小さいバラツキが実現可能となる。
【００４８】
さらに、導体１０は、図５に示すように、略矩形形状からなるが、信号伝送線路５の線路方向と直交する方向の最大長さをＷ１、信号伝送線路５の線路方向と平行な方向の最大長さをＬ１としたとき、Ｌ１≧Ｗ１であることが必要である。さらには、前記導体の長さＬ１が、信号波長長さλに対して、１０λ／６４≦Ｌ１≦３１λ／６４、あるいは３３λ／６４≦Ｌ１≦６３λ／６４の関係を満たすことが必要である。上記関係を満たすことことにより、導体１０からの不要な電磁波放射を抑制し、連続的な電磁場分布を維持することができる。
【００４９】
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Ａ４においては、誘電体基板１、第１誘電体部９、第２誘電体部１１、第１誘電体層１４、第２誘電体層１５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。
【００５０】
また、信号の伝達を担う各伝送線路およびグランド層は、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。
【００５１】
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。
【００５２】
【実施例】
実際に図６のサンプルを作製し、導波管と信号伝送線路間の接続特性を評価した。図６はその平面図である。サンプルは、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。サンプル測定形態は以下の通りである。ネットワークアナライザーからのプローブ（コプレーナ線路構造）を、サンプル上に形成したコプレーナ線路にあて、コプレーナをマイクロストリップ線路へ変換後、導波管へ変換しそれをネットワークアナライザにつなぎ測定した。
【００５３】
サンプルにおける誘電体材料としては誘電率９．０のＡｌ2Ｏ3からなる基板を用い、表層並びに内層の導体材料として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厚さ３μｍのＡｕメッキを施した。
【００５４】
また、導波管との接続にあたっては、図５（ｃ）に示すように、導体層１８の下部に設けた接続部材１３に対して導波管のフランジ部をネジ止め（図示せず）によって接続固定した。
【００５５】
なお、サンプルにおいては、スロット孔の長さＳＬ、導体１０の長さＬ１、幅Ｗ１を表１のように変えた数種類のサンプルを作成した。各種類について５個づつ作製し、評価を行なった。
【００５６】
作製したサンプルに対して、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。また、平均帯域（Ｓ２１が−２．０ｄＢ以上となる周波数帯域幅）を表１に示した。
【００５７】
なお、９４ＧＨｚの信号波長は誘電率９．０のＡｌ2Ｏ3内で１．０６４ｍｍであるとして、表中に波長長さλとの関係を記述した。
【００５８】
【表１】
スロット孔の長さＳＬが７／８λの試料Ｎｏ．１ではＳ２１（Ａｖｅ）が１．８１ｄＢであり、ＳＬが１７／８λである試料Ｎｏ．２では、１．８ｄＢであった。
【００６０】
これに対して、ＳＬがλ以上２λ以下の試料Ｎｏ．３〜１４では、Ｓ２１（Ａｖｅ）が１．８ｄＢより小さく、帯域が１０ＧＨｚ以上であり、バラツキも０．３ｄＢ以下と良好であった。
【００６１】
特に、これらの中でも第一の誘電体部表面に形成した導体のＬ１とＷ１の関係がＬ１≧Ｗ１である試料Ｎｏ．７〜９、１０〜１４やＬ１が１０λ／６４〜３１λ／６４あるいは３３λ／６４〜６３λ／６４である試料Ｎｏ．１０〜１３では、Ｓ２１（Ａｖｅ）が１．６ｄＢ以下、帯域が１１ＧＨｚ以上とさらに優れた特性が得られた。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、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、低損失、低反射で効率よく行うことが可能であり、またパッケージ構造においても高周波素子の気密封止をも確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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２】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）は高周波用パッケージＡ２における誘電体層の底面図、（ｃ）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３】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Ａ３の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ３における誘電体層の底面図、（ｃ）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。また、（ｄ）はパッケージＡ３の変形例を説明するためのものである。
【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Ａ４と導波管Ｂ２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Ａ４の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ４における誘電体層の底面図、（ｃ）はその導波管Ｂ２の開放端を説明するための斜視図、（ｄ）は高周波用パッケージＡ４（ｃ）の先端構造を有する導波管Ｂ２との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図５】本発明の配線基板におけるスロット孔、導体および信号伝送線路との位置関係を説明するための平面図である。
【図６】 実施例における特性測定用のサンプルＡ５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。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５ 高周波用パッケージ
Ａ６ 特性評価用サンプル
Ｂ１，Ｂ２ 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 第１誘電体部
１０ 導体
１１ 第２誘電体部
１３ 接続部材
１４ 第１誘電体層
１５ 第２誘電体層
１６ 垂直導体
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接続部を具備する配線基板であって、前記接続部が、前記誘電体基板の他方の表面に形成され、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、該グランド層のスロット孔形成表面に形成された第１の誘電体部と、該第１の誘電体部表面の前記スロット孔と対峙する位置に設けられた矩形形状の導体と、該導体表面に形成された第２の誘電体部とを具備してなり、
前記導体の前記信号伝送線路と直交する方向の最大長さをＷ１、前記信号伝送線路と平行な方向の最大長さをＬ１としたとき、Ｌ１≧Ｗ１であり、
前記導体の最大長さＬ１が、信号波長長さをλとしたとき、１０λ／６４≦Ｌ１≦３１λ／６４，あるいは３３λ／６４≦Ｌ１≦６３λ／６４の関係を満たし、
前記グランド層に形成されたスロット孔の前記信号伝送線路と直交する方向の最大長さＳＬを前記信号波長長さの１乃至２倍として、前記導体によって前記スロット孔から励振された磁界分布を分割せしめてなることを特徴とする配線基板。 - 前記第１の誘電体部および前記第２の誘電体部の大きさが、接続される導波管の内径以下であることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
- 前記第１の誘電体部および前記第２の誘電体部の周囲に、前記グランド層と電気的に接続され且つ導波管の導体壁と接続可能な接続部材を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の配線基板。
- 前記誘電体基板の他方の表面に、第１の誘電体層および第２の誘電体層が前記誘電体基板と一体的に形成されており、前記第１の誘電体部が前記第１の誘電体層内に、また前記第２の誘電体部が前記第２の誘電体層内に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の配線基板。
- 前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層の前記導体形成部を中心とする周囲に、前記導波管の導体壁と前記グランド層を電気的に接続するための垂直導体が前記第１の誘電体層及び前記第２の誘電体層を貫通して形成されてなり、前記垂直導体によって囲まれた領域が前記第１の誘電体部および前記第２の誘電体部を形成していることを特徴とする請求項４に記載の配線基板。
- 前記第２の誘電体層の下面に前記導波管の前記導体壁と接続可能な接続部材を設けたことを特徴とする請求項５に記載の配線基板。
- 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の配線基板の接続部に導波管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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