JP4221884B2

JP4221884B2 - ミリ波帯高周波装置

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Publication number: JP4221884B2
Application number: JP2000225499A
Authority: JP
Inventors: 優渡邉; 実岡田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: JP2002043811A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接続端がコプレナー線路或いはグランドコプレナー線路からなる高周波部品をバンプ接続し、且つ接続部を介して入出力される信号をマイクロストリップ線路にて伝送するミリ波帯高周波装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ミリ波帯（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）の信号を扱うＭＭＩＣ（Microwave Monolithic Integrated Circuit ）等の高周波部品を、回路基板上に実装する場合、高周波特性に影響を与える接続部の導体の長さを極力短くするために、高周波部品の下面に形成された接続用電極と、これと対向する回路基板上に配設された接続用電極とをバンプ接続することが行われている。
【０００３】
しかし、ミリ波帯のような周波数領域では、バンプ接続したとしても、その接続部分が伝送特性に与える影響は大きく、接続部分で特性インピーダンスが不整合となってしまうため、信号の反射により大きな伝送損失が生じる。その結果、回路基板上に実装された高周波部品の能力を、充分に引き出すことができないという問題があった。
【０００４】
これに対して、特開平９−２１９４２２号公報には、コプレナー線路又はグランドコプレナー線路（以下、一括して「コプレナー線路」という）からなる伝送線路同士をバンプ接続する際に、接続部付近におけるコプレナー線路の信号線導体パタンと接地導体パタンとのギャップを、バンプの高さに応じて適宜広げることにより特性インピーダンスの整合をとるようにしたものが開示されている。
【０００５】
また、特開平１１−６７９６９号公報には、回路基板上のマイクロストリップ線路上に形成された接続用電極から、この接続用電極にバンプ接続された高周波部品によって覆われてしまう位置に向けてスタブを形成し、このスタブにより特性インピーダンスの整合をとるようにしたものが開示されている。
【０００６】
そして、上記公報には、これらの方法を用いることにより、いずれも３０ＧＨｚ〜４０ＧＨｚ程度までの高周波信号の伝送特性が改善されることが示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの方法では、いずれにしても、回路基板上に高周波部品を実装した後では、トリミング等の調整ができないため、極めて高精度な組み付けが要求されることになり、組み付け作業が難しいという問題があった。
【０００８】
また、特に後者の場合、バンプの高さが低い場合、使用周波数がより高い場合、回路基板の誘電率が低くて電磁波が放射されやすい場合には、バンプ接続された高周波部品の下部に位置するスタブが、高周波半導体基板上の電極と電磁的に結合してしまい、整合回路として機能しないという問題もあった。
【０００９】
実際に、障害物や先行車両の検出等に用いられる車載用のレーダ装置では、Ｍバンド（４９．９ＧＨｚ〜７５．８ＧＨｚ），Ｅバンド（６０．５ＧＨｚ〜９２．０ＧＨｚ），Ｗバンド（７３．８ＧＨｚ〜１１２．０ＧＨｚ）等、公報にて伝送特性が改善されることが示された周波数帯より、更に高い周波数帯を使用することが考えられており、しかも、これらの装置では、送受信器を構成するＭＭＩＣ等を、アンテナが形成された低誘電率基板と接続する必要があるため、このような装置に対しては上述の方法を適用できないのである。
【００１０】
また、バンプ接続により回路基板上に実装されるＭＭＩＣでは、接続部におけるグランドパターンの処理が容易であることから、接地導体が信号線導体と同一面に形成されたコプレナー線路が多用され、一方、回路基板上では、高周波信号の伝送用に、単位長さ当たりの損失が小さく作製も容易なマイクロストリップ線路が多用されている。従って、このような場合、接続部では線路の変換を行う必要があり、この変換も、接続部での伝送特性を劣化させる要因の一つとなっていた。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するために、接続端子がコプレナー線路或いはグランドコプレナーからなる高周波部品がバンプ接続され、且つ線路種がマイクロストリップ線路に変換される接続部での伝送損失を低減でき、接続された高周波部品の性能を充分に引き出すことのできるミリ波帯高周波装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための発明である請求項１記載のミリ波帯高周波装置を構成する誘電体基板上では、接続端がコプレナー線路或いはグランドコプレナー線路からなる高周波部品をバンプ接続するためのコプレナー線路或いはグランドコプレナー線路からなる接続用電極から、コプレナー線路或いはグランドコプレナー線路からなり、接続用電極と伝送線路との間に設けられ、該二つの線路を変換するための変換線路が延設され、この変換線路を介して、接続用電極を介して入出力される信号を伝送するためのマイクロストリップ線路からなる伝送線路が接続されていると共に、この伝送線路上には接続用電極でのバンプ接続による不整合を補償するための整合回路が設けられている。
【００１３】
このように、本発明のミリ波帯高周波装置では、接続用電極から離れた伝送線路上に整合回路が配置されているので、高周波部品をバンプ接続により実装した後でも、トリミング等による整合回路の調整を容易に行うことができ、実装精度のばらつきに基づく不整合を含めて補償することができる。
【００１４】
また、誘電体基板上に整合回路が設けられているため、誘電体基板への実装前に高周波部品単体の特性を測定することができ、不良な高周波部品が実装されてしまうことを防止できる。
なお、変換線路上に整合回路を設けることも考えられるが、コプレナー線路（変換線路）よりマイクロストリップ線路（伝送線路）の方が、整合回路の作製が容易であり、しかも伝送モードが安定している。このため、マイクロストリップ線路からなる伝送線路上に整合回路を設けた本発明では、より安定した整合特性を得ることができる。
【００１５】
ところで、整合回路は、請求項２記載のように、変換線路の信号線導体と同一面に形成された接地導体から誘電体基板の基板厚の２倍以上離した位置に配置することが望ましい。
このように配置することで、整合回路は、誘電体基板の裏面に形成された接地導体以外の金属部分（即ち変換線路の信号線導体と同一面に形成された接地導体）との結合が抑えられるため、ほぼ設計通りの整合特性を得ることができ、接続部分の不整合を精度よく補償することができる。
【００１６】
また、整合回路は、請求項３記載のように、スタブにて構成してもよいし、請求項５記載のように、伝送線路の線路幅を１段或いは複数段に渡って変化させた構造を有するように構成してもよい。
特に前者（請求項３）の場合、スタブの形状は、通常の線路状に形成する以外に、請求項４記載のように、扇形に形成してもよい。この場合、整合回路の特性に影響を与えるパラメータが増えるため、必要に応じて様々な特性を実現することができる。
【００１７】
次に、接続用電極，変換線路，マイクロストリップ線路が形成される誘電体基板としては、例えば、請求項６記載のように、誘電率が３以下の低誘電率基板を用いてもよいし、請求項７記載のように、アルミナ基板を用いてもよい。
前者（請求項６）の場合、低誘電率基板上にはアンテナや導波管変換器を形成でき、この低誘電率基板上に高周波部品を直接接続できるため、これらをアンテナ等を必須要件とする装置の小型化，高性能化を図ることができる。即ち、従来は、通常、高周波部品が実装された基板と、アンテナ等が形成された基板とが別体に形成され、これらを接続する中間基板が必要であったが、これを省略でき、その結果、接続箇所も減少するため伝送特性も向上する。
【００１８】
また、後者（請求項７）の場合、アルミナ基板は、微細加工が可能であり、既に確立されているＩＣプロセスをそのまま使用して作製できるため、より高精度で安定した整合回路を実現することができる．
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のミリ波帯高周波装置の主要部の構成を表す平面図、及びそのＡ−Ａ断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態のミリ波帯高周波装置２は、一方の面が全面的に接地導体５にて覆われた誘電体基板４を備えており、この誘電体基板４上には、接続端がコプレナー線路或いはグランドコプレナー線路からなるＭＭＩＣ２０をバンプ接続するための接続用電極１２、及び接続用電極１２を介して入出力される信号を伝送するためのマイクロストリップ線路からなる伝送線路６が形成されている。
【００２１】
そして、接続用電極１２と伝送線路６とは、グランドコプレナー線路からなる変換線路８を介して接続されていると共に、伝送線路６上には、変換線路８との接続点から所定距離Ｌｗだけ離れた位置に、接続用電極１２でのバンプ接続により生じる特性インピーダンスの不整合を補償するためのオープンスタブからなる整合回路１０が設けられている。
【００２２】
なお、変換線路８において、信号線導体と同一面に形成された接地導体は、誘電体基板４の裏面に形成された接地導体５に、ビアホール１４を介して接続されている。
ここで、伝送線路６，変換線路８，整合回路１０を規程する各種パラメータの設計手順を説明する。
【００２３】
まず、誘電体基板４の基板厚Ｗｐ，誘電率εに基づき、伝送線路６の特性インピーダンスが使用周波数帯で５０Ωとなるように伝送線路６の信号線導体幅Ｗmsを設定する。
次に、変換線路８の信号導体幅Ｗcpを、安定した変換を行うため伝送線路６の信号線導体幅Ｗmsに近い値に設定し、更に変換線路８の特性インピーダンスが５０Ωになるように、信号線導体８ａと接地導体８ｂとのギャップ幅Ｇcpを設定する。
【００２４】
なお、変換線路８の両端部、即ち伝送線路６及び接続用電極１２との接続部分では、信号線導体の幅が異なっている場合、これを連続的に変化させるためテーパ状に形成する。
次に、変換線路８の接地導体８ｂから整合回路１０までの距離Ｌｗを誘電体基板４の基板厚Ｗｐの２倍以上に設定し、バンプ接続が伝送特性に及ぼす影響を補償するように、整合回路１０の各パラメータ（本実施形態ではスタブの長さＬｓ，スタブの幅Ｗｓ）を設定する。
【００２５】
なお、バンプ接続が伝送特性に及ぼす影響は、実際には、誘電体基板４上に整合回路１０を省略した回路（図５参照）を想定し、ＭＭＩＣ２０をバンプ接続した時の伝送特性をシミュレータにて求める。その結果に基づき、使用周波数帯での反射特性が改善されるように、整合回路１０の各パラメータをシミュレーションにより決定する。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態のミリ波帯高周波装置２においては、ＭＭＩＣ２０がバンプ接続される接続用電極１２と、この接続用電極１２を介して入出力される信号を伝送するために、誘電体基板４上に形成されたマイクロストリップ線路からなる伝送線路６とを、ＭＭＩＣ２０側の線路と同じコプレナー線路（ここではグランドコプレナー線路）からなる変換線路８を介して接続し、伝送線路６上に、バンプ接続による不整合を補償するための整合回路１０を設けている。
【００２７】
このように、本実施形態のミリ波帯高周波装置２によれば、接続用電極１２から離れた伝送線路６上に整合回路１０が位置しているため、ＭＭＩＣ２０をバンプ接続により実装した後でも、トリミング等による整合回路１０の調整を容易に行うことができ、ＭＭＩＣ２０の特性や実装精度のばらつき等に基づく不整合をも含めて補償することができる。
【００２８】
また、本実施形態のミリ波帯高周波装置２では、整合回路１０を、変換線路８の信号線導体８ａと同一面に形成された接地導体８ｂから誘電体基板４の基板厚Ｗｐの２倍以上離した位置に配置しているため、整合回路１０は、誘電体基板４の裏面に形成された接地導体５以外の金属部分（特に変換線路８の接地導体８ｂ）との結合が抑えられるため、ほぼ設計通りの整合特性を得ることができ、接続部分の不整合を精度よく補償することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
【００２９】
本実施形態では、整合回路の構成が第１実施形態とは異なっているだけであるため、この整合回路についてのみ説明する。
即ち、本実施形態において、整合回路１０ａは、図２に示すように、円形状のパタンを、その中心から見た角度θ分だけ切り取った形状、即ち扇形のスタブからなる。
【００３０】
そして、本実施形態では、整合回路１０ａの設計パラメータとして、伝送線路６との接続部分の幅Ｗｏ、伝送線路６からの突出量Ｌｏ、上記角度θを用いることができ、これら各パラメータを、バンプ接続が伝送特性に及ぼす影響を補償するように設定する。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態のミリ波帯高周波装置２ａによれば、第１実施形態のミリ波帯高周波装置２と同様の効果を得ることができる。
特に、本実施形態では、整合回路１０ａの設計パラメータが第１実施形態の整合回路１０より一つ増えているため、設計の自由度が広がる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。
【００３２】
本実施形態は、整合回路の構成が第１及び第２実施形態とは異なっているだけであるため、この整合回路についてのみ説明する。
即ち、本実施形態において、整合回路１０ｂは、図３に示すように、通常の伝送線路６の信号線導体幅Ｗmsより広い線路幅Ｗ１を有する１段目線路部Ｘ１と、同じく信号線導体幅Ｗmsより狭い線路幅Ｗ２を有する２段目線路部Ｘ２とからなり、伝送線路６の信号線導体幅Ｗmsを２段に渡って変化させた形状を有している。
【００３３】
そして、本実施形態では、整合回路１０ｂの設計パラメータとして、１段目線路部Ｘ１の線路幅Ｗ１，線路長Ｌ１、２段目線路部Ｘ２の線路幅Ｗ２，線路長Ｌ２を用いることができ、これら各パラメータを、バンプ接続が伝送特性に及ぼす影響を補償するように設定する。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態のミリ波帯高周波装置２ｂによれば、第１実施形態のミリ波帯高周波装置２と同様の効果を得ることができる。
特に、本実施形態では、線路幅の異なる線路部の段数を増加させることにより、より様々な特性を実現できる。
【００３５】
なお、上記第１及び第２実施形態では、整合回路１０を一つのオープンスタブにより構成したが、ショートスタブを用いたり、複数のスタブを組み合わせて構成してもよい。
また、上記第１〜第３実施形態では、変換線路８を、グランドコプレナー線路により構成したが、裏面に接地導体のないコプレナー線路により構成してもよい。
【００３６】
ところで、誘電体基板４の誘電率εが高い場合、マイクロストリップ線路からなる伝送線路６の信号線導体幅Ｗmsを狭くできる。この場合、例えば、図４に示すように、変換線路８は、その信号線導体幅Ｗcpを、接続用電極１２の信号線導体幅Ｗｄとを同じ大きさに形成してもよい。また、伝送線路６との接続端側には、信号線導体８ａが伝送線路６の信号線導体幅と同じ大きさとなる部分を付加してもよい。
【００３７】
【実施例】
７０ＧＨｚ帯にて動作するように設計したミリ波帯高周波装置（実施例１〜６及び比較例１，２）を用い、接続用電極１２に、高さ２０μｍ，直径４０μｍのバンプにてＭＭＩＣ２０を接続するものとして、ＭＭＩＣ２０側から信号を入力した時の通過係数Ｓ２１および反射係数Ｓ１１をシミュレータにより求めた。
［比較例１］
テフロン基板（Ｗｐ＝１２７μｍ，ε＝２．２）上に、図５に示す回路、即ち、図１〜３に示した回路から整合回路を除去したものを形成した。但し、Ｗms＝３７０μｍ，Ｗcp＝３１０μｍ，Ｇcp＝１００μｍ，Ｗｄ＝１００μｍとした。これらのパラメータは実施例１〜３も同様である。
【００３８】
本比較例での測定結果を図６に示す。
［比較例２］
アルミナ基板（Ｗｐ＝１００μｍ，ε＝１０）上に、比較例１と同様の回路を形成した。但し、変換線路は、図４に示した構成のものを用い、Ｗms＝９４μｍ，Ｗcp＝Ｗｄ＝５２μｍ，Ｇcp＝４２μｍとした。これらのパラメータは実施例４〜６も同様である。
【００３９】
本比較例での測定結果を図７に示す。
［実施例１］
比較例１に第１実施形態に示した整合回路１０を付加した構成とし、Ｌｗ＝３７０μｍ，Ｌｓ＝１００μｍ，Ｗｓ＝３７０μｍとした。
【００４０】
本実施例での測定結果を図８に示す。
［実施例２］
比較例１に第２実施形態に示した整合回路１０ａを付加した構成とし、Ｌｗ＝３７０μｍ，Ｗｏ＝１００μｍ，Ｌｏ＝１４０μｍ，θ＝６０°とした。
【００４１】
本実施例での測定結果を図９に示す。
［実施例３］
比較例１に第３実施形態に示した整合回路１０ｂを付加した構成とし、Ｌｗ＝３７０μｍ，Ｌ１＝３４４μｍ，Ｌ２＝７１０μｍ，Ｗ１＝５１２μｍ，Ｗ２＝３５０μｍとした。
【００４２】
本実施例での測定結果を図１０に示す。
［実施例４］
比較例２に第１実施形態に示した整合回路１０を付加した構成とし、Ｌｗ＝３５０μｍ，Ｌｓ＝８４６μｍ，Ｗｓ＝９４μｍとした。
【００４３】
本実施例での測定結果を図１１に示す。
［実施例５］
比較例２に第２実施形態に示した整合回路１０ａを付加した構成とし、Ｌｗ＝３５０μｍ，Ｗｏ＝６０μｍ，Ｌｏ＝６０μｍ，θ＝９０°とした。
【００４４】
本実施例での測定結果を図１２に示す。
［実施例６］
比較例２に第３実施形態に示した整合回路１０ｂを付加した構成とし、Ｌｗ＝３５０μｍ，Ｌ１＝８５μｍ，Ｌ２＝１３０μｍ，Ｗ１＝２４８μｍ，Ｗ２＝８０μｍとした。
【００４５】
本実施例での測定結果を図１３に示す。
［測定結果］
テフロン基板，アルミナ基板のいずれを用いた場合でも、整合回路を持たない比較例１，２より、整合回路を備えた実施例１〜６の方が、いずれも使用周波数帯（７０ＧＨｚ帯）での信号入力端での反射係数Ｓ１１が大きく低下し、伝送特性が改善されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のミリ波帯高周波装置の主要部の構成を表す平面図及び断面図である。
【図２】第２実施形態のミリ波帯高周波装置の主要部の構成を表す平面図である。
【図３】第３実施形態のミリ波帯高周波装置の主要部の構成を表す平面図である。
【図４】変換線路の変形例の構成を表す説明図である。
【図５】比較例の主要部の構成を表す平面図である。
【図６】比較例１の通過特性，反射特性の測定結果を表すグラフである。
【図７】比較例２の通過特性，反射特性の測定結果を表すグラフである。
【図８】実施例１の通過特性，反射特性の測定結果を表すグラフである。
【図９】実施例２の通過特性，反射特性の測定結果を表すグラフである。
【図１０】実施例３の通過特性，反射特性の測定結果を表すグラフである。
【図１１】実施例４の通過特性，反射特性の測定結果を表すグラフである。
【図１２】実施例５の通過特性，反射特性の測定結果を表すグラフである。
【図１３】実施例６の通過特性，反射特性の測定結果を表すグラフである。
【符号の説明】
２，２ａ，２ｂ…ミリ波帯高周波装置、４…誘電体基板、５…接地導体、６…伝送線路（マイクロストリップ線路）、８…変換線路（グランドコプレナー線路）、８ａ…信号線導体、８ｂ…接地導体、１０，１０ａ，１０ｂ…整合回路、１２…接続用電極、１４…ビアホール、Ｘ１…１段目線路部、Ｘ２…２段目線路部

Claims

接続端がコプレナー線路或いはグランドコプレナー線路からなる高周波部品をバンプ接続するためのコプレナー線路或いはグランドコプレナー線路からなる接続用電極と、該接続用電極を介して入出力される信号を伝送するためのマイクロストリップ線路からなる伝送線路とが少なくも形成された誘電体基板を備えたミリ波帯高周波装置において、
コプレナー線路或いはグランドコプレナー線路からなり、前記接続用電極と前記伝送線路との間に設けられ、該二つの線路を変換するための変換線路を前記接続用電極から延設し、該変換線路を介して前記伝送線路を前記接続用電極に接続すると共に、前記伝送線路上に前記接続用電極でのバンプ接続による不整合を補償するための整合回路を設けたことを特徴とするミリ波帯高周波装置。
前記整合回路を、前記変換線路の信号線導体と同一面に形成された接地導体のパターンから前記誘電体基板の基板厚の２倍以上離した位置に配置したことを特徴とする請求項１記載のミリ波帯高周波装置。
前記整合回路は、スタブからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のミリ波帯高周波装置。
前記スタブを、扇形に形成したことを特徴とする請求項３記載のミリ波帯高周波装置。
前記整合回路は、前記伝送線路の線路幅を１段或いは複数段に渡って変化させた構造を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のミリ波帯高周波装置。
前記誘電体基板は、誘電率が３以下の低誘電率基板からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか記載のミリ波帯高周波装置。
前記誘電体基板は、アルミナ基板からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか記載のミリ波帯高周波装置。