JP4640227B2

JP4640227B2 - マイクロストリップ線路回路

Info

Publication number: JP4640227B2
Application number: JP2006082692A
Authority: JP
Inventors: 祥紀津山; 秀憲湯川; 太一濱邊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: JP2007259221A

Description

本発明はマイクロストリップ線路回路、特にマイクロストリップ線路上及びこの線路に接続される電子回路上に誘電体樹脂を塗布することにより製造誤差及び設計誤差に起因する微小な周波数特性の調整を可能とし、合わせて電子回路の耐湿性能の向上を可能としたマイクロストリップ線路回路に関するものである。

従来、高周波マイクロストリップ線路回路製造後の周波数特性の調整対策としては、基板に形成された回路パターンをトリミングしたり、回路パターンに調整用の電気部品（金属箔やチップコンデンサ、チップインダクタンスなど）を後付したりするなど、直接に回路パターンを調整する方法があった（例えば、特開昭６３−１５５９０１号に記載）。また、製造後の特性誤差を見込み、回路パターンのパラメータ（パターン長やパターン幅など）を変化させた複数品種を用意し、最適のものを選択するという方法がある。

特開昭６３−１５５９０１号

従来のマイクロストリップ線路回路に対し、マイクロ波領域からミリ波領域の周波数特性の調整を回路パターンへのトリミングにより行う場合、マイクロストリップ線路に対し数百ミクロンから数ミクロン程度のトリミング調整が必要となる。このような細かい作業は、作業者の熟練を要し困難さをともなうものであった。

また、周波数特性の調整を回避する方法として、パラメータを変化させた複数品種を同時に作製する方法、また最初の評価結果より設計値との差分を求め、その差分要素を見込んだ追加品種を作製するという複数回に分けて作成する方法もある。しかし、この種の方法では、材料費・製造コストの増大、開発期間の拡大につながるという問題があった。

請求項１に係る発明であるマイクロストリップ線路回路は、誘電体の基板と、この基板上に金属線路を形成してなるフィルタ機能を有する高周波受動回路素子と、この高周波受動回路素子に電気的に接続され上記基板上の非気密性ケースの内部に実装される高周波能動回路素子と、フッ素樹脂防湿材で塗布形成され、上記高周波受動回路素子を含み上記高周波能動回路素子の金属線路及び上記非気密性ケースを覆う第１誘電体樹脂層と、この第１誘電体樹脂層を覆うことで上記第１誘電体樹脂層の固化時に上記第１誘電体樹脂層に発生したピンホールを覆うフッ素樹脂防湿材で塗布形成された第２誘電体樹脂層とを備え、上記高周波能動回路素子の金属線路及び上記非気密性ケースの内部に実装される高周波能動回路素子の耐湿性能を確保すると共に上記第１誘電体樹脂層及び上記第２誘電体樹脂層により上記フィルタ機能としての通過特性を上記フッ素樹脂防湿材が塗布されない場合と比べて低域側に変位させ所望性能となるようにしたことを特徴とするものである。

請求項１に係る発明によれば、第１誘電体樹脂層の固化時に第１誘電体樹脂層に発生したピンホールを覆う第２誘電体樹脂層を設けることにより、高周波能動回路素子の金属線路及び非気密性ケースの内部に実装される高周波能動回路素子の耐湿性能を確保すると共に第１誘電体樹脂層及び第２誘電体樹脂層によりフィルタ機能としての通過特性を低域側に変位させることができるという効果を有する。

実施例１．
この発明では、比誘電率１以上の樹脂材料を塗布することにより高周波回路を構成する導体線路の波長短縮率及び特性インピーダンスを変え、所望帯域の共振回路に周波数調整をすることを狙っている。特に導体線路と地導体間の電磁界が空間にも存在する回路構成（マイクロストリップ線路回路）を想定し、従来の調整方法のように導体線路を直接調整の対象としないものである。また、一品種の回路に対し樹脂材料の塗布層の厚みを変えることにより、調整範囲に自由度を与えることも可能である。また、塗布される樹脂材料の層厚みを、樹脂材料の濃度・塗布時間・塗布回数により管理し、周波数調整量を管理することも可能である。さらに、塗布される樹脂材料について異なる誘電率の樹脂材料を選択することにより、周波数調整量を管理することも可能である。

以下、この発明の実施例１を図について説明する。図１は、本発明におけるマイクロストリップ線路で構成されたバンドパスフィルタの構成図である。マイクロストリップ線路上には樹脂材料が塗布されている。図２は、図１の点線部における断面図を示す。図１、図２において、１は基板、２はマイクロストリップ線路で構成されたバンドパスフィルタ、３は樹脂材料を示す。

基板１は、セラミック等の誘電体を材料とする。バンドパスフィルタ２を構成するマイクロストリップ線路は、銅箔等の金属をパターンエッチングし形成する。このバンドパスフィルタ２は、いわゆる側結合型バンドパスフィルタといわれ、図に示すように入力部から入ったＲＦ信号は、電磁的に結合された複数段の結合金属線路を経て出力部より出力される。この結合の程度が周波数選択性を有しており、バンドパスフィルタ特性を示すこととなる。樹脂材料３は、フッ素樹脂系の誘電体樹脂を材料とする。図１，２において、樹脂材料３は３層構造の場合を示しているが、この層数は後述のように周波数特性の調整量によって決まる。樹脂材料を基板に塗布すると、その粘性によりほぼ一定厚みの樹脂層を形成する。従って、複数回の塗布により所定の厚みの樹脂層を形成することが可能となる。

次に上記構成のバンドパスフィルタの周波数特性を調整する手順について説明する。図３は、バンドパスフィルタに樹脂材料を塗布した場合の周波数特性の変化を説明する図である。横軸が周波数帯域のシフト量、縦軸がフィルタの通過特性を示す。図３に示すように、通過帯域は低域にシフトするという特性を有する。このシフト量は樹脂材料の厚みが増すほど大きくなる。

この周波数シフトの定性的な原理を以下に説明する。図４は、図１，２で示したバンドパスフィルタ２を構成するマイクロストリップ結合線路の一部（単位コンポーネント７）を示すものである。図５は、図４のバンドパスフィルタを集中定数の等価回路で示したものである。図５のように等価回路はキャパシタンス９（Ｃｓ），１１（Ｃｐ）とインダクタンス８（Ｌｓ），１０（Ｌｐ）の接続で表される。この等価回路よりバンドパスフィルタの共振周波数（中心周波数）ｆ０は次式のように表される。
ｆ０＝１／（２・π・√（Ｌｐ・Ｃｐ））

一般にマイクロストリップ線路周辺部の基板内の電磁界密度は高く（誘電体基板内に閉じ込められ）、空間上面方向への電磁界放射量は小さい。ここで、誘電率１以上の樹脂材料を塗布すると、基板上部の空間ではマイクロストリップ線路から放射される電磁界密度が上昇すると同時に、その周辺の電磁界密度が下がる傾向を示す。さらに樹脂材料を多層に塗布し厚みを増した場合、マイクロストリップ線路近傍に電磁界は閉じ込められ、空間上面方向への電磁界放射は通常よりも減る傾向となる。

その結果、マイクロストリップ線路近傍で電磁界が閉じ込められた状態となる。これは、上記の等価回路でいうと、フィルタを構成するマイクロストリップ線路と地導体間のキャパシタンス１１の容量Ｃｐが増大することに相当する。よって、上記共振周波数ｆ０の算式により、共振周波数の低下となる。結果としてバンドパスフィルタの帯域特性の低域シフトを可能とする。この電磁界の閉じ込めは、誘電体の厚みが一定の厚み以上になると、ほぼ定常状態となり、さらに樹脂材料を塗布したとしても、等価的な容量の増加の効果は期待できない。

図６の特性曲線はこのような現象を定性的に示したものである。図６は、周波数のシフト量と樹脂材料の層数についての関係を示す。層数を増やすほど周波数特性の帯域シフト量はある一定の厚みに達するまで増加させることが可能である。この特性を利用し、樹脂塗布前のバンドパスフィルタ２の周波数特性を測定しておき、所望の周波数特性を実現するために必要となる調整量と、その調整量に相当する樹脂材料の層数及び厚みを見積もることができる。

また、図１の塗布する樹脂材料３の種類を変えて、周波数特性の調整量を変える方法もある。例えば、誘電率の高い樹脂材料を塗布することにより一回の塗布による調整量を大きくすることができる。この場合には、誘電率の低い樹脂材料に比べて、同じだけの調整量の変化を与えるために、塗布する層数を少なくすることができる。

また、上記説明ではバンドパスフィルタを対象としたが、任意の高周波回路デバイスの整合回路に対しても、誘電体樹脂の塗布による波長短縮の効果により帯域調整を実現することが可能である。特に能動素子を使用する電子デバイスでは、能動素子毎の電気特性もばらつくため、調整量をデバイス毎に変える必要がある。その場合には、各能動素子に対応する整合回路に選択的に樹脂材料を塗布し、その厚みを変える必要がある。

図７は整合回路を有する他のマイクロストリップ線路回路の構成図である。図において、５ａはメインのマスキング材であり、能動素子４及び入出力の整合回路６の領域のみ開放し、他の領域をマスクする。５ｂはサブのマスキング材である。図において、５ａのマスキング材（メイン）の上に５ｂのマスキング材（サブ）を重ねあわせることにより、５ｂの個所に位置する（左側の領域部分の）能動素子４及び整合回路６に樹脂材料が塗布されることを防ぐ働きを持つ。

図８は上記の整合回路に対する樹脂材塗布による調整を説明する図（スミスチャート及び反射特性）である。図８のスミスチャートに示すように、一般的なデバイスの負荷インピーダンスを各周波数でプロットした場合、実線で表されたような曲線となる。スミスチャートの５０Ω（中心）にインピーダンスを示す曲線が近づけば、そのインピーダンスを示す周波数にて整合が取られた状態となる。この場合に、反射量Ｓ１１は図８の反射特性グラフの周波数ｆ０で表されるように最小値を示す。

この整合状態では、入力電力が相対的に効率よく供給できる条件となり、一般的にはデバイスの通過損失を低減させ、利得を上昇させる傾向を示す。このように必要な帯域で整合を取る処理は一般的なデバイスにおいて重要であり、高周波回路ではオープンスタブ等の分布定数を用いた機能回路で実現することが多い。このオープンスタブの特性についても地導体との電磁界結合に起因するキャパシタンス量による影響が大きい。このことから、本発明に基づく樹脂材塗布によるキャパシタンス量調整を、整合回路の周波数調整に利用することも可能である。

実施例２．
上記実施例１では、樹脂材は主としてマイクロストリップ線路に塗布され、その周波数特性の調整に用いられる場合について説明した。本実施例２では、マイクロストリップ線路上に配置される電子部品へも樹脂材を塗布し、周波数特性の調整とともに、電子部品の耐湿性能の向上を図る場合についても説明する。従来の電子回路の耐湿性能を改善する手法としては、特に耐湿性の弱い電子部品を選択的に金属及び樹脂パッケージで封止する手法がある。この手法では電子部品の耐湿性能を確保できる。更に、電子回路の表面を樹脂防湿材にて全面的に塗布し、コスト的、回路面積的にも有利な耐湿性能改善手法を実施する例もある。

しかし、耐湿性を確保できる気密パッケージを適用した場合、コストが増大し、回路面積の増大化を招く問題があった。また、樹脂防湿材塗布を耐湿性能改善手法として利用する場合についても、従来は樹脂防湿材のピンホールが微小量の水分を吸収し、電子回路の耐湿性能を完全に確保できない問題があった。さらに、ピンホールからの水分吸湿を回避するために保湿層を設ける等、複合層を利用した技術も存在するが、保湿層の存在により高周波を伝送する電子回路では保湿時と乾燥時において電気特性が変化する等の問題があった。本実施例２では、マイクロストリップ線路に接続される電子部品の耐湿性能の改善にも寄与する。

以下この発明の実施例２を図について説明する。図９は本実施例２の発明における樹脂材料をマイクロストリップ線路に実装された状態にある非気密パッケージに塗布したデバイスの例の図である。図において、１は基板、１２はマイクロストリップ線路、１３は非気密パッケージ封止の、能動素子がパッケージ内に設けられた電子部品、１４ａは樹脂防湿材の第一層、１４ｂは樹脂防湿材の第二層を示す。図１０は図９の断面図である。１５は防湿材内に生まれるピンホールである。

次に塗布手順について図１１を用いて説明する。マイクロストリップ線路が形成され非気密パッケージの電子部品が実装された基板に樹脂防湿材の第一層を塗布する。次に防湿材を乾燥・固化させる。このとき防湿材の層にピンホール１５が形成される。最後に、樹脂防湿材の第二層を塗布し、乾燥・固化させる。

このような実施例２に係る樹脂防湿材の塗布方法は、低価格である非気密パッケージの表面を複数層の防湿材を塗布することにより気密パッケージと同等性能を確保しつつ、コスト的に有利な条件で気密性の確保を実現できる。また、高価な気密パッケージ使用を回避し、回路面積の小型化も可能である。また、第一層塗布後、乾燥時間の確保後もしくは強制的に温度管理による乾燥を行った後第二層目を塗布するというように複数層の防湿材を塗布することにより、両層のピンホール位置をずらす（ピンホールはランダムに生成されるので、当然、一層目のピンホール位置と二層目のピンホール位置とはずれる）ことで耐湿性能を確保することができる。また、基板表面に樹脂防湿材を塗布することにより、基板自体の吸湿効果による電気性能変化を抑圧することが可能である。また、層間の保湿性を不要とすることにより、乾燥後速やかに電気性能を回復させることが可能である。

実際にフッ素樹脂系の樹脂防湿材を樹脂基板上に実装した非気密パッケージで封止されたデバイス（周波数Ｋｕ帯の増幅器）に二層塗りのサンプルを作製し、高温高湿試験にて前後の電気特性を比較実験した。この結果、両者間には測定精度程度の性能変化が確認され、信頼性確保に有意な手法であることが確認された。この結果を図１２に示す。

本発明の実施例１によるマイクロストリップ線路回路の構成図である。本発明の実施例１によるマイクロストリップ線路回路の断面図である。本発明の実施例１によるバンドパスフィルタの電気特性の説明図である。本発明の実施例１によるバンドパスフィルタの基本単位の説明図である。本発明の実施例１によるバンドパスフィルタの等価回路図である。本発明の実施例１による樹脂材の塗布層数とバンドパスフィルタの帯域シフト量の説明図である。本発明の実施例１による高周波回路デバイスの整合回路部における選択的な樹脂材塗布の説明図である。本発明の実施例１による整合回路の電気特性の説明図である。本発明の実施例２によるマイクロストリップ線路回路の構成図である。本発明の実施例２によるマイクロストリップ線路回路の断面図である。本発明の実施例２によるマイクロストリップ線路回路の樹脂材の塗布手順の説明図である。本発明の実施例２によるマイクロストリップ線路回路の高温・高湿試験前後の電気特性の説明図である。

符号の説明

１基板、２側結合型バンドパスフィルタ、３樹脂材料、４能動素子、５ａ樹脂材料の塗布部を選択するマスキング材(メイン)、５ｂ樹脂材料の塗布部を選択するマスキング材(サブ)、６能動素子に対する整合回路部分、７バンドパスフィルタを構成する結合線路の一部、８インダクタンスＬｓ、９キャパシタンスＣｓ、１０インダクタンスＬｐ、１１キャパシタンスＣｐ、１２マイクロストリップ線路、１３非気密パッケージ、１４ａ樹脂防湿材第一層、１４ｂ樹脂防湿材第二層、１５ピンホール。

Claims

誘電体の基板と、この基板上に金属線路を形成してなるフィルタ機能を有する高周波受動回路素子と、この高周波受動回路素子に電気的に接続され上記基板上の非気密性ケースの内部に実装される高周波能動回路素子と、フッ素樹脂防湿材で塗布形成され、上記高周波受動回路素子を含み上記高周波能動回路素子の金属線路及び上記非気密性ケースを覆う第１誘電体樹脂層と、この第１誘電体樹脂層を覆うことで上記第１誘電体樹脂層の固化時に上記第１誘電体樹脂層に発生したピンホールを覆うフッ素樹脂防湿材で塗布形成された第２誘電体樹脂層とを備え、上記高周波能動回路素子の金属線路及び上記非気密性ケースの内部に実装される高周波能動回路素子の耐湿性能を確保すると共に上記第１誘電体樹脂層及び上記第２誘電体樹脂層により上記フィルタ機能としての通過特性を上記フッ素樹脂防湿材が塗布されない場合と比べて低域側に変位させ所望性能となるようにしたことを特徴とするマイクロストリップ線路回路。