JP4404797B2

JP4404797B2 - 配線基板

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Publication number: JP4404797B2
Application number: JP2005095016A
Authority: JP
Inventors: 智也田淵
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2006279474A

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波等の高周波信号を分配及び合成するために用いられるＴ分岐線路を有する配線基板に関する。

近年、高度情報化時代を迎え、情報伝達に用いられる高周波信号は、1〜30ＧＨｚのマイクロ波領域から30〜300ＧＨｚのミリ波領域の周波数までを活用することが検討されており、例えば、車間レーダーのようなミリ波の高周波信号を用いた応用システムも提案されるようになっている。

このような高周波用のシステムにおいては、高周波信号の周波数が高いことにより、回路を構成する高周波線路における高周波信号の減衰が大きくなってしまうという問題点があり、伝送損失が非常に少ない導波管を伝送線路として利用されていることは知られている。

導波管を利用する場合、例えば18〜26.5ＧＨｚ帯に用いられる導波管ＷＲ−42は10.668ｍｍ×4.318ｍｍ程度の長方形状の空間を金属により形成される。また、導波管内を伝搬する電磁波を分岐させる手法として、例えば、方向性結合器やマジックＴ構造がある。

しかしながら、導波管を利用した分岐線路の場合、伝送線路自体が大きいため、高集積化することが困難であるため、近年、より小型で安価に実現できるマイクロストリップ線路やコプレーナ線路、トリプレート線路等の平面型の伝送線路が用いられている。

従来の配線基板を図５及び図６に示す。図５は、従来の配線基板の断面図、図６は図５の配線基板の内層に形成された配線導体の平面図である。図５，６に示すように、誘電体基板22の上下面に第１の接地導体23及び第２の接地導体24が形成され、さらに、誘電体基板22の内層に高周波信号を分配或いは合成するために、第１の伝送導体25及びこの第１の伝送導体25の一端と直交するように第２の伝送導体26を形成してＴ字状の分岐部を有するＴ分岐線路を形成しており、これらを主として配線基板21が構成される。

この配線基板21は、第１の伝送導体25から入力された高周波信号を、Ｔ分岐で第２の伝送導体26の互いに反対方向に延びた伝送導体26ａ，26ｂにそれぞれ分配、あるいは第２の伝送導体26の伝送導体26ａ，26ｂから入力された高周波信号を合成する。

図６において、第１の伝送導体25の一端と第２の伝送導体26で構成される伝送線路26ａ、26ｂとが並列接続されることになり、第１の伝送導体25の一端から見た伝送線路26ａ、26ｂの合成インピーダンスが第１の伝送導体25のインピーダンスに等しくなるようにインピーダンス整合を行なう必要がある。そのための方法としては、第１の伝送導体25の第２の伝送導体26との接合部に整合導体部29を挿入することが提案されている。この整合導体部29は、長さがλｇ／４（λｇ：誘電体内波長）で、その幅が｛Ｚ₁×Ｚ_２×Ｚ_３／（Ｚ_２＋Ｚ_３）｝^−１／２なるインピーダンスを満足する幅を持つ（Ｚ_１：第１の伝送導体25のインピーダンス、Ｚ_２：伝送線路26ａのインピーダンス、Ｚ_３：伝送線路26ｂのインピーダンス）。例えば、Ｚ_１＝Ｚ_２＝Ｚ_３＝50Ωとした場合、整合導体部29のインピーダンスは約35.4Ωとなる幅で構成される。

また、Ｔ分岐すなわち第１の伝送導体25と第２の伝送導体26の接続部において、接続段差28を設けたり、勾配をつけて接続させることにより低損失なＴ分岐線路を実現することも提案されている。
特開2002−135015号公報

しかし、上記従来の配線基板の場合、第１の伝送導体25と第２の伝送導体26の接続部で強い電界が生じ、これにより不要な放射が起こり、その不要放射が同一面内にある他の伝送線路等に影響を与えることで、伝送線路間で不要なモード共振が発生したり、伝送線路の反射損失が増加するという問題点があった。

したがって、本発明では上記従来の問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、Ｔ分岐線路部を構成する部位を大きくすることなく高集積化が可能で、かつ、第１及び第２の伝送導体25、26の接続部（Ｔ分岐）周辺で発生する不要な電磁波を他の伝送線路等へ影響することを抑制し、不要なモード共振が発生することの無い低反射損失を実現できる配線基板を提供することである。

本発明の配線基板は、下面に第１の接地導体が形成された第１の誘電体基板の上面に、第１の伝送導体および該第１の伝送導体の一端にＴ分岐を形成するように直交した第２の伝送導体から成るＴ分岐線路を形成し、上面に第２の接地導体が形成された第２の誘電体基板を前記Ｔ分岐線路の上面に積層した配線基板において、前記Ｔ分岐における前記第１の伝送導体の両側に複数の前記第１の貫通接続導体を前記第１の伝送導体と平行に並ぶように配置するとともに、前記Ｔ分岐における前記第２の伝送導体の両側に複数の前記第２の貫通接続導体を前記第２の伝送導体と平行に並ぶように配置し、前記第１の伝送導体の延長線上に前記第２の貫通接続導体を配置するとともに該第１の伝送導体の延長線上に配置された第２の貫通接続導体と前記第２の伝送導体との距離を他の第２の貫通接続導体と前記第２の伝送導体との距離よりも短くし、前記第１の貫通接続導体のうち最も前記第２の伝送導体側に位置するものと前記第２の伝送導体との距離を前記第２の貫通接続導体と前記第２の伝送導体との距離よりも長くし、前記第２の貫通接続導体のうち最も前記第１の伝送導体側に位置するものと前記第１の伝送導体との距離を前記第１の貫通接続導体と前記第１の伝送導体との距離よりも長くしたことを特徴とする。

本発明の配線基板は、第１の伝送導体の延長線上に第２の貫通接続導体を配置するとともに第１の伝送導体の延長線上に配置された第２の貫通接続導体と第２の伝送導体との距離を他の第２の貫通接続導体と第２の伝送導体との距離よりも短くし、第１の貫通接続導体のうち最も第２の伝送導体側に位置するものと第２の伝送導体との距離を第２の貫通接続導体と第２の伝送導体との距離よりも長くし、第２の貫通接続導体のうち最も第１の伝送導体側に位置するものと第１の伝送導体との距離を第１の貫通接続導体と第１の伝送導体との距離よりも長くしたことから、Ｔ分岐周辺の第１の伝送導体の延長線方向に発生する電界成分を、第１の伝送導体の延長線上に配置された第２の貫通接続導体で抑制することが可能である。従って、第１の伝送導体の延長線方向に発生する強い電界成分を大幅に抑制することが可能で、かつ第１の貫通接続導体と第２の貫通接続導体群とで電気壁を形成することにより、誘電体基板内部において電磁波が漏洩する成分を大幅に抑制することが可能となる。

さらに、Ｔ分岐の両側の角部にある第１および第２の貫通接続導体が、Ｔ分岐から離間していることから、第１の伝送導体から発生する第２の伝送導体と平行な電界成分と第２の伝送導体から発生する第１の伝送導体と平行な電界成分が重なり合うことで大きくなる電界強度を大幅に抑制することが可能で、かつ第２の貫通接続導体と第１の貫通接続導体群とで電気壁を形成することから、誘電体基板内部を電磁波が漏洩することを大幅に抑制することが可能となる。その結果、Ｔ分岐線路より放射される不要な電界強度を著しく低減することができるため、低放射，低損失の配線基板を提供できる。

本発明の配線基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図、図２は図１の配線基板の内層に形成されたＴ分岐線路の平面図である。図１，２において、２は誘電体基板、３は第１の接地導体、４は第２の接地導体、５は第１の伝送導体、６は第２の伝送導体、７は第１の貫通接続導体群、８は第２の貫通接続導体群、９は整合導体部であり、主としてこれらで配線基板１が構成される。

本発明の誘電体基板２は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス）や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミックスまたはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、四フッ化エチレン樹脂等のフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料、樹脂−セラミックスや樹脂−ガラス等の複合系材料から成り、切削加工、金型成型、押し出し成型等により形成される。例えば、誘電体基板２に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してスラリー状にし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。また、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の高融点金属，酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してメタライズペーストを作製する。

次に、打ち抜き法によってセラミックグリーンシートに第１及び第２の貫通接続導体群７、８としての貫通導体を形成するための貫通孔を形成し、例えば、印刷法によってその貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、続いて一方の面に第１の接地導体３の形状にメタライズペーストを印刷することで第１の誘電体基板２ａが形成される。次に、前述と同様に貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、一方の面に第２の接地導体４を、他方の面に第１及び第２の伝送導体５、６の形状にメタライズペーストが印刷された第２の誘電体基板２ｂが形成される。

誘電体基板２が複数の誘電体の積層構造からなる場合、貫通孔にメタライズペーストを埋め込み，印刷された第１及び第２の誘電体基板２ａ、２ｂを、それぞれ第１及び第２の接地導体３、４が相反する方向となるように順次積層し、加圧して圧着し、高温（約1600℃）で焼成する。このような構成により、第１及び第２の貫通接続導体群７、８が電気的に接続される。

なお、第１及び第２の貫通接続導体群７、８を構成する貫通導体は、貫通孔の内壁に導体層が被着されたいわゆるスルーホール導体であってもよく、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体であってもよい。

また、本発明の配線基板１は、誘電体基板２の内層に高周波信号を分配或いは合成するために、第１の伝送導体５及びこの第１の伝送導体５の一端と直交するように第２の伝送導体６を形成してＴ字状の分岐部（以下、Ｔ字状の分岐部を単にＴ分岐という）を有するＴ分岐線路を形成している。

このＴ分岐線路は、第１の伝送導体５から入力された高周波信号を、Ｔ分岐で第２の伝送導体６の互いに反対方向に延びた部位にそれぞれ分配、あるいは第２の伝送導体26のそれぞれの部位から入力された高周波信号を合成する。

また、本発明においては、第１の伝送導体５を挟む両側に第１の伝送導体５と平行になるように第１の貫通接続導体群７を、第２の伝送導体６を挟む両側に第２の伝送導体６と平行になるように第２の貫通接続導体群８を、第１及び第２の接地導体３、４を電気的に接続するように形成している。好ましくは、第１の貫通接続導体群７の第１の伝送導体５と平行方向の配置間隔や第２の貫通接続導体群８の第２の伝送導体６と平行方向の配置間隔をλｇ／２以下にするのがよく、第１及び第２の伝送導体５、６の周りに電気壁が形成されるため、電磁波が外部へ漏洩することを有効に抑制し、低損失な伝送線路とすることができる。

さらに、第１の伝送導体５の延長線上に第２の貫通接続導体８を配置する（以下、第１の伝送導体５の延長線上に配置した第２の貫通接続導体８を延長上貫通接続導体８ｂという）とともにこの延長上貫通接続導体８ｂと第２の伝送導体６との距離を他の第２の貫通接続導体８と第２の伝送導体６との距離よりも短くしている。このような構成により、第１及び第２の伝送導体５，６の接続部（Ｔ分岐）周辺で発生する第１の伝送導体５の延長線方向の電界成分が広がるのを有効に抑制し、かつ、第１の貫通接続導体７ａと第２の貫通接続導体群８とで電気壁を形成することから、誘電体基板２内部を電磁波が漏洩することも抑制することができ、非常に低損失で第２の伝送導体６に伝搬させることが可能である。

さらにまた、第１の貫通接続導体７のうち最も第２の伝送導体６側に位置するもの（以下、第１の貫通接続導体７のうち最も第２の伝送導体６側に位置するものを角部第１貫通接続導体７ａという）と第２の伝送導体６との距離を第２の貫通接続導体８と第２の伝送導体６との距離よりも長くし、また、第２の貫通接続導体８のうち最も第１の伝送導体５側に位置するもの（以下、第２の貫通接続導体８のうち最も第１の伝送導体５側に位置するものを角部第２貫通接続導体８ａという）と第１の伝送導体５との距離を第１の貫通接続導体と第１の伝送導体との距離よりも長くしている。

このように、Ｔ分岐の両側の角部にある角部第２貫通接続導体７ａおよび角部第２貫通接続導体８ａがＴ分岐から離間していることから、第１の伝送導体５から発生する第２の伝送導体６と平行な電界成分と第２の伝送導体６から発生する第１の伝送導体５と平行な電界成分の位相を異なるようにすることが可能であり、電磁波の干渉による電力損失を大幅に抑制することが可能で、かつ第２の貫通接続導体８ａと第１の貫通接続導体群７とで電気壁を形成することから、誘電体基板２内部を電磁波が漏洩することも大幅に抑制することが可能となり、非常に低反射、低損失で外部に電磁波を漏洩させない優れた配線基板１を提供することができる。

なお、好ましくは、延長上貫通接続導体８ｂと第２の伝送導体６との距離はλｇ／16乃至λｇ／８とするのが良く、λｇ／16未満の場合、延長上貫通接続導体８ｂとＴ分岐との電磁的結合が支配的となり、延長上貫通接続導体８ｂの電気的接地特性が弱くなり、不要な電界強度を抑制することが困難になりやすくなる。また、延長上貫通接続導体８ｂとＴ分岐との距離がλｇ／８を超える場合、前述の電磁的結合が弱くなるために不要な電界強度を抑制することが困難になりやすくなる。

また、第１の貫通接続導体群７の配置間隔および第２の貫通接続導体群８の配置間隔は、λｇ／２を越える場合、電気壁を形成しにくくなるために電磁波が漏洩することとなり伝送特性が劣化しやすくなることから、λｇ／２以下とするのがよい。

また、本発明の配線基板１は、１入力２出力という構成を例に記載をしたが、これに限ることは無く、例えば、第２の伝送導体６で形成される出力側に第１の伝送導体５の端部を順次接続することで、１入力２^Ｎ出力（Ｎは自然数）の配線基板１を構成しても良い。

次に、図３，４に本発明の配線基板を用いた実施の形態の他の例を示す。図３はその平面透視図、図４は図３のＢ−Ｂ’線における透視断面図である。

図３，４の配線基板１は、一方の面に第２の伝送線路６ａ、６ｂの端部の直上部に放射素子１０を具備する第３の誘電体基板２ｃを載置し、他方の面に信号線路を具備する第４の誘電体基板２ｄを載置し、放射素子１０と第２の伝送線路６ａ、６ｂの端部、及び信号線路と第１の伝送導体５とを電磁的に接続する伝送部11ａ，11ｂを設けて放射素子１０を有する配線基板１としても良い。これにより低反射，低損失でかつ外部に電磁波を漏洩させることが無い、きわめて放射特性の優れた配線基板１を提供できる。

なお、第１及び第２の接地導体３，４、第１及び第２の貫通接続導体群７，８、放射素子１０の露出する表面には、Ｎｉや金（Ａｕ）等の耐食性に優れる金属を１〜20μｍ程度の厚さで被着させておくのが良く、導体の酸化腐食を有効に防止し得る。したがって、第１及び第２の接地導体３，４、第１及び第２の貫通接続導体群７，８、放射素子１０の露出表面には、例えば、厚さ１〜10μｍ程度のＮｉメッキ層と厚さ0.1〜３μｍ程度のＡｕメッキ層とが電解メッキ法や無電解メッキ法により順次被着されているのがより好ましい。

なお、伝送部11ａ，11ｂを構成する場合、例えば、第１の接地導体３の放射素子１０の直下部に長方形状の非導体部（スロット）を設けて放射素子１０と第１及び第２の伝送線路６ａ、６ｂを電磁的に結合するものや、第３の誘電体基板２ｃに放射素子１０と第１及び第２の伝送線路６ａ、６ｂをビア導体やスルーホール等を形成し、放射素子１０と伝送線路６ａ、６ｂを電気的に結合するもので良い。

また、本発明の配線基板１の信号線路側に金属からなる枠体、或いはエポキシ樹脂等の樹脂からなる枠体の内周面に導電性ペースト等を具備する枠体を取着し、信号線路に電子部品を搭載し、枠体の下面に金属、樹脂、セラミックス等から成る蓋体を取着し、高周波モジュールとしてもよい。これにより、電子部品を外部からのノイズに対し影響を受けにくくなる。また、枠体と蓋体は一体成型されたものでも良い。また、枠体は配線基板の信号線路側に、例えば良く知られている多層積層技術による一体成型を行っても良い。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。

本発明の配線基板１について以下に実施例を示す。

図１の構成の配線基板１を以下のようにして構成した。まず、比誘電率ε_ｒが8.7からなる20ｍｍ×20ｍｍの正方形で厚みが0.76ｍｍの誘電体基板２の内部に、特性インピーダンスが50Ωとなるような第１の伝送導体５を形成し、他端部に第１の伝送導体５と直角に配置接続される特性インピーダンスが50Ωとなるような第２の伝送導体６を形成した。さらに、第１の伝送導体５と第２の伝送導体６の接続部に、第１の伝送導体５側に1.0ｍｍの長さで、幅が0.4ｍｍとなる整合導体７を挿入した。また、誘電体基板２の上下面には、第１及び第２の接地導体３、４を形成し、第１の伝送導体５に平行となるようにその両側に一列で、間隔を0.8ｍｍとする第１の貫通接続導体群８を形成し、第２の伝送導体６に平行となるようにその両側に一列で、間隔を0.8ｍｍとする第２の貫通接続導体群９を形成した。

さらに、第１の伝送導体５に対向する位置に、第２の伝送導体６から0.4ｍｍの位置に第１の貫通接続導体７ａを、また、第１の伝送導体５から両側1.0ｍｍの位置にそれぞれ第２の貫通接続導体８ａを形成した。これにより、本発明の配線基板１のサンプルを作製した。

一方、比較例として、第１及び第２の貫通接続導体群７、８を設けないこと以外は上記サンプルと同様にして比較サンプルを作製した。

そして、これらのサンプルについて、第１の伝送導体５から入力した信号に対する反射特性（Ｓ11）を、ベクトルネットワークアナライザを用いて24ＧＨｚを中心周波数として測定を行った。本発明の配線基板１のサンプルのＳ11は、比較サンプルのＳ11に対し約10ｄＢ程度低い値を示し、本発明の配線基板１の方が優れていることが分かった。

なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行なうことは何等支障ない。

本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。図１の配線基板の内層に形成したＴ分岐線路の平面図である。本発明の配線基板の実施の形態の他の例を示す平面透視図である。図３の配線基板のＢ−Ｂ’線における断面透視図である。従来の配線基板の断面図である。図５の配線基板の内層に形成したＴ分岐線路の平面図である。

符号の説明

１：配線基板
２：誘電体基板
３：第１の接地導体
４：第２の接地導体
５：第１の伝送導体
６：第２の伝送導体
７，７ａ：第１の貫通接続導体
８，８ａ，８ｂ：第２の貫通接続導体

Claims

下面に第１の接地導体が形成された第１の誘電体基板の上面に、第１の伝送導体および該第１の伝送導体の一端にＴ分岐を形成するように直交した第２の伝送導体から成るＴ分岐線路を形成し、上面に第２の接地導体が形成された第２の誘電体基板を前記Ｔ分岐線路の上面に積層した配線基板において、前記Ｔ分岐における前記第１の伝送導体の両側に複数の前記第１の貫通接続導体を前記第１の伝送導体と平行に並ぶように配置するとともに、前記Ｔ分岐における前記第２の伝送導体の両側に複数の前記第２の貫通接続導体を前記第２の伝送導体と平行に並ぶように配置し、前記第１の伝送導体の延長線上に前記第２の貫通接続導体を配置するとともに該第１の伝送導体の延長線上に配置された第２の貫通接続導体と前記第２の伝送導体との距離を他の第２の貫通接続導体と前記第２の伝送導体との距離よりも短くし、前記第１の貫通接続導体のうち最も前記第２の伝送導体側に位置するものと前記第２の伝送導体との距離を前記第２の貫通接続導体と前記第２の伝送導体との距離よりも長くし、前記第２の貫通接続導体のうち最も前記第１の伝送導体側に位置するものと前記第１の伝送導体との距離を前記第１の貫通接続導体と前記第１の伝送導体との距離よりも長くしたことを特徴とする配線基板。