JP5366645B2 - 高周波基板 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯等で用いられるシステムオンパッケージやシステムインパッケージにおいて、層間の結合を低く抑え、効率的に高集積化を実現することを可能とする技術であり、低コスト化を実現するパッケージ構成法に関わる高周波基板に関する。

従来、ミリ波帯等で用いられるシステムオンパッケージやシステムインパッケージにおいて、小型化且つ高集積化を目的とした多層基板に適宜な回路を組み込んだ一体型の多層パッケージが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、箱状のキャビティの開口部を覆う蓋が、厚さ方向に積層した多層基板で構成された多層パッケージであって、そのキャビティに低雑音増幅器、移相器、回路、ローパスフィルタ等、種々の機能回路を実装化させた一体型の多層パッケージについて開示したものである。

特開２００３−３０９４８３号公報

ところで、従来の多層基板内の結合防止技術として、層間にグランドを挿入することによる方法が知られている。すなわち、通常の高周波基板では、アンテナ面と高周波回路面の結合が大きいため、或いはセラミック基板を用いて構成する場合であって、最低基板厚の制約がある場合においても、複数のグランド層を介装して各機能回路間の結合を抑圧する必要があった。しかしながら、基板サイズが十分にない場合には、結合阻止能力が不足するおそれがあった。
また、多層基板内の複数の層にグランドを配置した場合には、それらグランド間に電位の不一致が生じ、層間結合につながるだけでなく、グランド間の厚さ寸法が大きくなってパラレルプレートモードによる放射が発生して、不要放射が生じ、回路の効率が劣化するなどの問題があった。
さらに、特許文献１に示すような多層パッケージでは、種々の機能回路が一体化されているため、それぞれの回路から放射される電磁波による干渉が生じるが、この干渉を除去するための有効適切な方法がなく、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、金属層からの不要放射を生じさせることなく、層間の結合を抑圧することができ、高密度実装を可能とした高周波基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る高周波基板では、２層以上の複数の誘電体基板からなる高周波基板であって、少なくとも２層以上の誘電体基板の層間に、誘電体基板の表面の面方向に沿って層状に延在する平面視格子状の金属層を配置し、２層以上の誘電体基板を２層のグランド層によって挟持したことを特徴としている。

本発明では、２以上の格子状の金属層を配置することによりメタマテリアル構造となるため、高周波基板を用いた多層パッケージを構成する場合に最も問題となるパラレルプレートモードを起す複数のグランド層間の電位の不一致を抑圧することが可能となる。すなわち、パラレルプレートモードによる放射を抑制することができ、回路の効率の劣化を抑えることができるうえ、不要放射を防止することができ、層間結合を抑えることができる。しかも、高密度実装が可能となる高周波基板を得ることができる。

また、本発明に係る高周波基板では、金属層に形成される格子の平面方向で縦横に連続する繰り返し数は、３以上であることが好ましい。
また、本発明に係る高周波基板では、金属層の層数は、４層以上であることがより好ましい。

本発明では、より確実に利得特性の高いアンテナを実現することが可能となる。

本発明の高周波基板によれば、金属層からの不要放射を生じさせることなく、層間の結合を抑圧することができ、高密度実装が可能になることから、パッケージ自体の小型化が可能となる効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態による高周波基板の概略構成を示す断面図である。 図１に示す格子状金属層の拡大平面図である。 本発明の第２の実施の形態による高周波基板の構成を示す断面図である。 図２に示す格子状金属層の平面図である。 実施例による高周波基板の構成を示す断面図である。 図５に示す高周波基板の解析結果を示す図である。

以下、本発明の第１の実施の形態による高周波基板について、図１及び図２に基づいて説明する。
図１は、本第１の実施の形態による高周波基板１の構成を示している。図１において、符号１０は誘電体基板、符号１２は格子状金属層、符号１３はグランド層、符号１４はマイクロストリップアンテナ、符号１５はＭＭＩＣチップを示している。ここで、図１の紙面における上下方向を、高周波基板１における上下方向として以下説明する。

図１に示すように、高周波基板１は、複数層（ここでは７層）の誘電体基板１０（１０１〜１０７）が積層され、それらの層間に格子状金属層１２またはグランド層１３が配置された構成となっている。
具体的に高周波基板１は、最上層（符号１０１の誘電体基板）の表面１０１ａ（上面）側に配置されたマイクロストリップアンテナ１４と、その下の１層（符号１０２の誘電体基板）との層間に配置された第１グランド層１３１と、その第１グランド層１３１の下に配置される複数層（ここでは５層）の誘電体基板１０２〜１０６のそれぞれの層間に配置された平面視格子状をなす格子状金属層１２（１２１、１２２、１２３、１２４）と、さらに最下層（符号１０７の誘電体基板）の表面１０７ａ（誘電体基板１０６との層間）に配置された第２グランド層１３２と、その最下層の誘電体基板１０７の裏面１０７ｂ側に配置された高周波回路からなるＭＭＩＣチップ１５とが配置されて構成されている。
つまり、格子状金属層１２１〜１２４を層間に配した５層の誘電体基板１０２〜１０６は、第１グランド層１３１と第２グランド層１３２とによって上下方向に挟持された状態となっている。

各誘電体基板１０１〜１０７としては、例えば、低温焼成セラミック基板（ＬＴＣＣ基板、比誘電率７．７）を用いることができる。
格子状金属層１２は、図２に示すように、平面視で格子状に形成されており、その格子が平面方向で縦横に複数連続して配置されている。そして、所定の格子線路幅Ｗを有する格子線路１２ａが縦横方向に所定のピッチ（格子間隔Ｄ）で配され、誘電体基板１０のほぼ表面全面にわたって設けられている。

次に、このように構成される高周波基板の作用について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、高周波基板１では、２以上の格子状金属層１２（１２１〜１２４）を配置することによりメタマテリアル構造となるため、高周波基板を用いた多層パッケージを構成する場合に最も問題となるパラレルプレートモードを起す複数のグランド層間の電位の不一致を抑圧することが可能となる。すなわち、パラレルプレートモードによる放射を抑制することができ、回路の効率の劣化を抑えることができるうえ、不要放射を防止することができ、層間結合を抑えることができる。しかも、高密度実装が可能となる高周波基板を得ることができる。

さらに、本高周波基板１では、複数層（図１では２層）にグランド３があって、グランド層間の厚さ寸法が大きい場合においても、グランド層３間の結合が小さいため、パラレルプレートモードによる放射を抑制し、回路の効率の劣化を抑えることができ、不要放射を防止することができる効果を奏する。

なお、格子状金属層１２に形成される格子の平面方向で縦横に連続する繰り返し数は、３以上（３周期以上）であることが好ましく、また、格子状金属層１２の層数が４層以上であることがより好ましい。これにより、より確実に利得特性の高いアンテナを実現することが可能となる。

上述のように本第１の実施の形態による高周波基板では、格子状金属層１２からの不要放射を生じさせることなく、層間の結合を抑圧することができ、高密度実装が可能になることから、パッケージ自体の小型化が可能となる効果を奏する。

（参考例）
次に、他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
図３は、第２の実施の形態の高周波基板２を示している。図３において、符号２０は誘電体基板、符号２２は格子状金属層、符号２３はグランド層であり、符号２４はダイポールアンテナを示している。本高周波基板２は、格子状金属層２１の平面視における配置領域を誘電体基板２０の全面にわたって配していない点で、上述した第１の実施の形態とは異なっている。

高周波基板２は、複数層（ここでは８層）の誘電体からなる誘電体基板２０（２０１〜２０８）が積層され、それらの各層間に格子状金属層２２（２２１〜２２７）が配置された構成となっている。具体的に高周波基板２は、最上層（符号２０１の誘電体基板）の表面２０１ａ（上面）側にダイポールアンテナ２４が配置されるとともに、複数層（ここでは８層）の誘電体基板２０２〜２０６のそれぞれの層間に平面視格子状（あるいはメッシュ状）をなす格子状金属層２２（２２１〜２２７）が配置され、さらに最下層（符号２０８の誘電体基板）の裏面２０８ｂにグランド層２３が配置されて構成されている。

格子状金属層２２（２２１〜２２７）は、それぞれ図４に示すように平面視で円形の抜きパターンが形成されている。これを抜きパターン部Ｒとする。そして、その抜きパターン部Ｒの円形の径寸法は、７層の格子状金属層２２１〜２２７において、厚さ方向で下層から上層に向かうにしたがって大きくなっている。つまり、格子状金属層２２は、複数の誘電体基板にわたって、すり鉢状にダイポールアンテナ２４側に広がる部分が取り除かれた形状をなしている。

本第２の実施の形態では、高周波基板２内にわたってすり鉢状に電磁波が入り込めない空間を作ることが可能となる。したがって、遮断周波数において抜きパターンの部分（抜きパターン部Ｒ）が鏡面として作用するので、誘電体基板２０内にキャビティを構成せずに、擬似的に反射鏡面を構成することができ、高利得アンテナを実現することができる。ここで、遮断周波数は、金属層（格子状金属層）の構造から生じるものであり、格子状の繰り返し間隔（上述した格子間隔Ｄ）で決定されるものである。

以上、本発明による高周波基板の第１及び第２の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、誘電体基板１０、２０、格子状金属板１２、２２、およびグランド層１３、２３の層数は任意に設定することができる。要は、誘電体基板１０、２０、格子状金属板１２、２２が２以上の複数層設けられていればよいのである。
また、格子状金属板１２、２２の格子間隔Ｄ、格子線路幅Ｗ、抜きパターン部Ｒなども任意に設定することができる。

次に、上述した実施の形態による高周波基板の効果を裏付けるため、利得特性について解析した試験例について、図５、図６などを用いて以下説明する。

図５に示すように、本実施例による高周波基板３は、誘電体基板３０として低温焼成セラミック基板（ＬＴＣＣ基板、比誘電率７．７）を用いた。誘電体基板３０は、１４層（図５で下方より符号３０１〜３１４）で構成され、上下方向中央に位置する２層の誘電体基板３０７、３０８が１００μｍの基板厚からなり、それら２層の基板３０７、３０８を挟む上下にそれぞれ６層の基板（符号３０１〜３０６、符号３０９〜３１４）が５０μｍの基板厚で形成されている。
ここで、図５に示すＬ０〜Ｌ１４は、誘電体基板３０１〜３１４の各表裏面に配されるレイヤを示している。

本実施例では、格子状金属層３２の層数を６層（図５に示す符号Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ１０、Ｌ１１のレイヤ）とし、それぞれの格子間隔Ｄ（図２参照）を０．１８波長とし、格子線路幅Ｗ（図２参照）を０．０２５波長とし、６０ＧＨｚ帯の周波数での利得特性を解析した。なお、格子状金属層３２は、第１の実施の形態と同様に誘電体基板３０のほぼ全面にわたって配置されている。そして、高周波基板３には、２層（図５に示す符号Ｌ４、Ｌ１２のレイヤ）のグランド層３３が配置されている。

また、高周波基板３の中央には、図示しない部品の端子を誘電体基板３の格子状金属層３２に接続するための、上下方向（厚さ方向）に貫通する金属ビア３４が形成されている。この金属ビア３４には、基板裏面側（図５で上側）と基板表面側（図５で下側）にそれぞれ基板裏面側端子３４ａと基板表面側端子３４ｂが設けられている。

図６は、図５に示す金属ビア３４の基板裏面側端子３４ａと基板表面側端子３４ｂとの間のＳパラメータ（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２）を解析した結果である。基板裏面側端子３４ａに対応するＳパラメータがＳ１１、Ｓ１２であり、基板表面側端子３４ｂに対応するＳパラメータがＳ２１、Ｓ２２である。
図６に示すように、周波数（遮断周波数）が５８．４ＧＨｚ（図６に示す矢印Ｐ１）および６１．７ＧＨｚ（図６に示す矢印Ｐ２）において、遮断域が現れていることが確認できる。これらの遮断周波数においては、電磁波は、格子状金属層３２が存在するレイヤ（Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ１０、Ｌ１１）を越えて進むことができず、そのレイヤで反射されることになり、不要放射の発生が抑えられることになる。

１、２、３ 高周波基板
１０、１０１〜１０７ 誘電体基板
１２、１２１〜１２４ 格子状金属層
１３、１３１、１３２ グランド層
１４ マイクロストリップアンテナ
１５ ＭＭＩＣチップ
２０、２０１〜１０８ 誘電体基板
２２、２２１〜２２７ 格子状金属層
２３ グランド層
２４ ダイポールアンテナ
３０ ３０１〜３１４ 誘電体基板
３２ 格子状金属層
３３ グランド層
３４ 金属ビア
Ｄ 格子間隔
Ｗ 格子線路幅
Ｒ 格子状金属層の抜きパターン部

Claims (3)

1. ２層以上の複数の誘電体基板からなる高周波基板であって、
   少なくとも２層以上の前記誘電体基板の層間に、該誘電体基板の表面の面方向に沿って層状に延在する平面視格子状の金属層を配置し、
   前記２層以上の前記誘電体基板を２層のグランド層によって挟持したことを特徴とする高周波基板。
2. 前記金属層に形成される格子の平面方向で縦横に連続する繰り返し数は、３以上であることを特徴とする請求項１に記載の高周波基板。
3. 前記金属層の層数は、４層以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波基板。

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