JP3686736B2

JP3686736B2 - 誘電体導波管線路および配線基板

Info

Publication number: JP3686736B2
Application number: JP22992596A
Authority: JP
Inventors: 弘志内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JPH1075108A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にマイクロ波及びミリ波等の高周波の信号を伝達するための誘電体導波管線路およびそれを具備する多層配線基板や半導体パッケージなどの配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、マイクロ波やミリ波の高周波の信号を伝達するための線路としては、導波管、誘電体導波管、ストリップ線路、マイクロストリップ線路等が知られている。
【０００３】
また、特開平６ー５３７１１号においては、図３に示すように、誘電体基板１１を一対の導体層１２、１３で挟み、さらに導体層１２、１３間を接続する二列の複数のバイアホール１４によって側壁を形成した導波管線路も提案されている。この導波管線路は、誘電体材料の四方を導体層１２、１３とバイアホール１４による疑似的な導体壁で囲むことによって、導体壁内領域１５を信号伝達用の線路としたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら従来の線路には、次のような問題点がある。まず、ストリップ線路またはマイクロストリップ線路はその構成が非常に簡単で、積層化技術による作製に適しているが、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯では伝送特性が劣化するという問題点がある。
【０００５】
一方、導波管は伝送特性において非常に優れているが、サイズ的に大きいという欠点がある。例えば、６０ＧＨｚ用の標準的な矩形導波管であってもその内径は３．７６ｍｍ×１．８８ｍｍであり、マイクロ波またはミリ波用の多層基板あるいは半導体パッケージに適用するには大きすぎる。これに対して、その内部に誘電体が詰まった誘電体導波管は、誘電体の比誘電率をεとすると、導波管サイズは１／ε^1/2となるので、比誘電率の大きい誘電体を用いることによって、導波管のサイズを小さくすることが出来る。しかし、基本的には誘電体の外側は導体壁で覆われている必要があるため、積層化技術により作製する事は困難であった。
【０００６】
また、特開平６ー５３７１１号に示されている誘電体基板を用いた導波管線路は、誘電体基板と導波管との一体化を図るとともに、生産性の向上を図るという点で優れたものである。しかし、使用する周波数のわずかな変動によって透過特性が変動するという問題があった。また、誘電体基板の比誘電率が低い場合、多層基板または半導体パッケージに適用するためには、使用する周波数が限られる。例えば、伝送線路幅を１ｍｍ以下にするためには約１００ＧＨｚ以上の高周波域でないと実現できない。また、多くの誘電体基板は誘電正接が大きいため、導波管構造をとっても誘電損失が大きいという問題点があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、多層基板あるいは半導体パッケージにおける伝送線路として利用可能であり、積層化技術を用いて容易に作製可能な誘電体導波管線路と配線基板を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者は上記の問題点に関して検討を重ねた結果、従来の誘電体導波管の側面を導体壁に代わり多数のバイアホールによって囲むとともにこのバイアホールと電気的に接続された副導体層を形成することによって優れた伝送特性が得られること、また、望ましくは誘電体基板を高誘電率のセラミックスによって形成する場合、マイクロ波やミリ波まで対応可能で通常の多層化技術によって容易に作製でき、高密度の配線基板やパッケージ等に適用できる線路が得られることを見いだし、本発明に至った。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の誘電体導波管線路は、誘電体基板を挟持する一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群で囲まれた領域によって形成されてなる誘電体導波管線路であって、前記導体層間に前記バイアホールと電気的に接続され且つ前記導体層と平行に副導体層を形成し、前記一対の主導体層と、前記ビアホール群および前記副導体層による格子状の側壁によって囲まれた領域によって電気信号を伝達するとともに、前記誘電体基板を形成する誘電体が、ｆ・ε ^1/2 ・ｔａｎδ ≦ ０．８（式中、ｆは、使用する周波数（ＧＨｚ）である。）を満足するものである。また、かかる誘電体導波管線路を配線基板における電気信号を伝達するための線路として形成したことを特徴とするもので、さらには前記誘電体基板をセラミック材料によって構成したことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の誘電体導波管線路の一実施例を説明するための概略斜視図である。図１において、１は誘電体基板、２、３は主導体層、４はバイアホールである。
【００１１】
図１によれば、所定の厚みａの誘電体基板１を挟持する位置に一対の導体層２、３が形成されている。導体層２、３は、誘電体基板１の少なくとも線路形成位置を挟む上下面の一面に形成されている。また、導体層２、３間には、導体層２、３とを電気的に接続するバイアホール４が多数設けられている。バイアホール４は、所定間隔ｂをもって二列に信号伝達方向、つまり線路形成方向に所定間隔ｃをもって形成されている。所定間隔ａに対する制限は特にないが、シングルモードで用いる場合には、前記間隔ｂに対して、ｂ／２程度または２ｂ程度とすることがよく、所定間隔ｃは、遮断波長以下の間隔に設定されることで電気的な壁を形成している。
【００１２】
平行におかれた一対の導体層２、３間にはＴＥＭ波が伝播できるため、バイアホール４の間隔ｃが遮断波長λｃよりも大きいと、この線路に電磁波を給電しても、ここで作られる疑似的な導波管に沿って伝播しない。しかし、バイアホール間隔ｃが遮蔽波長λｃよりも小さいと、電磁波は伝送線路に対して垂直方向に伝播することができず、反射しながら伝送線路方向に伝播される。その結果、図１の構成によれば、導体層２，３および多数のバイアホール４群によって囲まれる断面積がａ×ｂのサイズの領域が誘電体導波管線路５となる。
【００１３】
なお、この図１の態様では、バイアホール４群は二列に形成したが、このバイアホール３群を四列、あるいは六列に配設して、バイアホール４による疑似的な導体壁を二重、三重に形成することにより、導体壁からの電磁波の漏れをより防止することができる。
【００１４】
上記の導波管線路によれば、誘電体導波管となるので誘電体基板１の比誘電率をεとすると、導波管サイズは通常の導波管の１／ε^1/2の大きさになる。従って、誘電体基板１を比誘電率の大きい材料によって構成するほど、導波管サイズは小さくすることができ、高密度に配線が形成される多層配線基板または半導体パッケージの伝送線路として利用可能な大きさになる。
【００１５】
本発明における誘電体基板１としては、誘電体として機能し高周波信号の伝達を妨げることのない特性を有するものであれば、とりわけ限定するものではないが、後述するように、線路を形成する際の精度および製造の容易性の点からは誘電体基板１は、セラミックスからなることが望ましい。
【００１６】
誘電体セラミックスとしては、これまで、様々な比誘電率を持つセラミックスが知られているが、本発明の導波管線路によって高周波の信号を伝達するためには、誘電体セラミックスは常誘電体であることが望ましい。これは、一般に強誘電体セラミックスは、高周波領域では誘電損失が大きく伝送損失が大きくなるためである。従って、誘電体基板の比誘電率は４〜１００程度が適当である。
【００１７】
また、一般に配線基板やパッケージに形成される配線層の線幅は最大でも１ｍｍであることから、比誘電率１００の材料を用い、上部がＨ面、即ち時間が上限の面に平行に巻く電磁界分布になるように用いた場合、用いることのできる最小の周波数は１５ＧＨｚと算出され、マイクロ波領域でも利用可能となる。一方、一般的に誘電体基板として樹脂が用いられるが、この樹脂からなる誘電体は比誘電率が約２程度であるため、線幅が１ｍｍの場合、約１００ＧＨｚ以上でないと利用することができない。
【００１８】
また、このような常誘電体セラミックスの中には、アルミナ、シリカ等のように誘電正接が非常に小さなものが多いが、全ての常誘電体が利用可能であるわけではない。導波管の場合、導体による損失はほとんどなく、信号伝送時の損失のほとんどは誘電体による損失である。誘電体による損失α（ｄＢ／ｍ）は、下記のように表される。
【００１９】
α＝27.3・ｔａｎδ／λ／｛１−（λ／λｃ）²｝^1/2
式中、ｔａｎδ：誘電体の誘電正接
λ ：誘電体中の波長、
λｃ：遮断波長
規格化された矩形導波管（ＷＲＪシリーズ）形状に準ずると、数１中の｛１−（λ／λｃ）²｝^1/2は０．７５程度である。従って、実用に共し得る伝送損失−１００（ｄＢ／ｍ）以下にするには、下記の関係が成立するように誘電体を選択することが必要である。
【００２０】
ｆ・ε^1/2・ｔａｎδ≦０．８
式中、ｆは使用する周波数（ＧＨｚ）である。
【００２１】
さらに、本発明によれば、前記主導体層２、３の間に、導波管線路の側壁を形成するバイアホール４と接続され、主導体層２、３と平行に形成された副導体層６を具備するものである。この副導体層６の形成によって、導波管線路内部から見ると、線路の側壁はバイアホール４と副導体層６によって細かな格子状になっている。従って、線路からの電磁波の遮蔽効果を高めることができる。
【００２２】
図２に図１の構造の導波管線路の製造方法を示す。この製造方法では誘電体基板１としてセラミックスを用いた場合について説明するもので、セラミックス多層化技術と同様な方法で容易に作製できる。
【００２３】
図２によれば、先ず、誘電体基板１を形成し得るセラミック粉末をドクターブレード法や圧延法によってシート状成形体（グリーンシート）を作製する。
【００２４】
そして、図２に示すように、グリーンシート７に対して、それぞれの層に応じてメタライズインクを印刷塗布したり、ホールを形成してメタライズインクを充填する。具体的には、第１層目のグリーンシート７Ａには、上面全面に主導体層２が形成され、またホールが間隔ｂで２列に配設され、ホール内にインクを充填して線路方向に間隔ｃにバイアホール４群が形成される。第２層目のグリーンシート７Ｂには、副導体層６が、線路間隔ｂの線路形成部分以外の領域に形成され、またその線路脇には副導体層６と電気的に接続される位置にホールが形成されインクが充填されてバイアホール４群が間隔ｃをもって配設される。そして、グリーンシート７Ｃには、上面にグリーンシート７Ｂに形成したのと同様な副導体層６が形成され、下面には、主導体層３が下面全面に形成され、線路脇には、副導体層６と主導体層３と電気的に接続するようにバイアホール群４が間隔ｃをもって配設される。
【００２５】
そして、上記のグリーンシート７Ａ，７Ｂ，７Ｃのバイアホール４が整合するように積層した後、これらを同時焼成することにより、本発明の導波管線路を形成することができる。
【００２６】
この同時焼成技術によって製造する場合、例えば、誘電体セラミックスが、アルミナである場合、主導体層、副導体層、バイアホールは、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属によって形成し、誘電体セラミックスがガラス−セラミックス等の場合には、主導体層、副導体層、バイアホールは、銅、銀等によって形成すればよい。
【００２７】
上記の図１、図２は、誘電体導波管線路の構造にのみ着目して説明したが、かかる導波管線路は、高周波信号を取り扱う多層配線基板や半導体パッケージ等のにおける信号伝達を担う１つの線路として、他のマイクロストリップ、ストリップ、コプレーナ等の高周波伝送線路や、配線層、バイアホール、スルーホールとともに基板内に配設されるものである。
【００２８】
【実施例】
比較例
４０ＧＨｚでの誘電特性が、比誘電率９．６、誘電正接（ｔａｎδ）０．００６のガラスセラミックスを誘電体基板１として用い、主導体層およびバイアホールを銅メタライズによって形成し、９００℃で同時焼成して、図１において、副導体層を形成せずに導波管線路を形成した。なお、ｆ・ε^1/2・ｔａｎδは、周波数ｆが０〜４３ＧＨｚの範囲で０．８以下である。
【００２９】
サイズは誘電体厚みａ＝１ｍｍ、線路幅ｂ＝２ｍｍ（ＷＲＪ−３４規格対応）である。また、バイアホール間隔ｃ＝１ｍｍで、バイアホール径を０．１６ｍｍ、線路の長さは２５ｍｍとした。この導波管線路の伝送特性を評価した結果を図５に示す。導波管入力部の損失は−２ｄＢ程度あると考えられるが、３０ＧＨｚ以上でＳ２１が−５ｄＢ程度の特性が得られた。
【００３０】
実施例１
層構成を図１のように、２層の副導体層６を形成する以外は、比較例１と同様にして同じサイズの導波管線路を形成した。ただし、誘電体セラミックス基板１は、図１、２に示すように、厚さ０．３３ｍｍのものの３層積層構造とした。図４にその伝送特性の評価結果を示す。伝送特性は副導体層を設けない場合の図５と比較して優れ、２５ＧＨｚ〜４０ＧＨｚでＳ２１が−２．５ｄＢ程度の優れた特性が得られた。特に、２５ＧＨｚ以上の高周波領域において、Ｓ２１がフラットになっており、周波数の変動に対して特性が安定していることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の導波管線路は、導波管線路の側壁をバイアホールによって形成するとともに、バイアホールに接続される副導体層を形成することによって、さらには誘電体基板をセラミックスによって構成することによって、従来のセラミックス積層技術を応用して容易に作製することができ、また、比誘電率の高いセラミックスを用いることによって高密度配線の多層配線基板や半導体パッケージ等に十分適用でき、マイクロ波からミリ波まで安定した特性の導波管線路を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における導波管線路の態様を説明するための概略斜視図である。
【図２】図１の導波管線路の製造方法を説明するための概略斜視図である。
【図３】従来の導波管線路を説明するための概略斜視図である。
【図４】図１の導波管線路の伝送特性を示す図である。
【図５】図３の導波管線路の伝送特性を示す図である。
【符号の説明】
１誘電体基板
２、３主導体層
４バイアホール
５導波管線路
６副導体層

Claims

誘電体基板を挟持する一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群と、前記導体層間に前記バイアホールと電気的に接続され且つ前記導体層と平行に形成された副導体層とを具備し、前記一対の主導体層と、前記ビアホール群および前記副導体層による格子状の側壁によって囲まれた領域によって電気信号を伝達するとともに、前記誘電体基板を形成する誘電体が、
ｆ・ε ^1/2 ・ｔａｎδ ≦ ０．８
（式中、ｆは、使用する周波数（ＧＨｚ）である。）
を満足することを特徴とする誘電体導波管線路。
前記誘電体基板がセラミック材料からなることを特徴とする請求項１記載の誘電体導波管線路。
誘電体基板に電気信号を伝達するための線路が形成された配線基板において、前記線路は、誘電体基板を挟持する一対の主導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホール群と、前記導体層間に前記バイアホールと電気的に接続され且つ前記導体層と平行に形成された副導体層とを具備し、前記一対の主導体層と、前記ビアホール群および前記副導体層による格子状の側壁によって囲まれた領域によって電気信号を伝達するとともに、前記誘電体基板を形成する誘電体が、
ｆ・ε ^1/2 ・ｔａｎδ ≦ ０．８
（式中、ｆは、使用する周波数（ＧＨｚ）である。）
を満足することを特徴とする配線基板。
前記誘電体基板がセラミック材料からなることを特徴とする請求項３記載の配線基板。