JP5385144B2 - 高周波適合性ラインを有する基板 - Google Patents

Description

高周波で動作する際、必要なアイソレーションを確保するため、通常の線路導体（track conductor）はストリップラインに置き換えられる。そのようなストリップラインは、少なくとも１つのストリップ状の信号導体と少なくとも１つのグラウンド面（ground plane）とを含み、その信号導体はグラウンド面と距離をおいて走っている。信号導体が２つのグラウンド面の間に配置されるいわゆるトリプレートラインもまた可能である。ストリップラインは、メタライゼーション面が間に配置されるいくつかの誘電層をそれぞれが有する多層基板内に有利に配置される。グラウンド面と信号導体はそれぞれ、上下に配置される異なるメタライゼーション面内で実現される。

各ストリップラインのインピーダンスは、容量及び誘導の伝送線路定数により決定される。ストリップラインのインピーダンスは基本的に、ストリップ状の信号導体の幅と、信号導体と最も近いグラウンド面との距離と、さらに基板材料の誘電率との関数である。ストリップ状の信号導体の幅が減少し、かつ／又は信号導体と最も近いグラウンド面との距離が増加すると、容量の減少ひいてはインピーダンスの増加が達成される。

実際に、信号導体と最も近いグラウンド面との距離は、ストリップラインが実現される多層基板の厚さにより制限され、トリプレートラインとして構成されているストリップラインでは、基板の厚さの半分が信号導体とグラウンド面との距離の最大値として利用できる。また、信号導体の幅は技術的に制限される。例えばセラミック多層部品においては、導体幅を任意に減らすことができない。

長いストリップライン又は信号導体が多層基板内に備えられる場合、高度に小型化された部品やモジュールにおける今日一般的な基板の厚さでは、ストリップラインのインピーダンスを決定する信号導体とグラウンド面との距離を任意に増加させることができない。これにより、基板内のストリップラインは、しばしば例えば５０オームといった望ましい標準のインピーダンスに達することができない。この問題は、トリプレートラインがより良好なアイソレーションのために専ら基板内で使用される場合さらに悪化する。

１つの観点において、本発明は、高周波信号を伝えるのに適したラインを有する基板を備え、容認されない方法でアイソレーションに悪影響を与えることなく、このラインにより必要なインピーダンスを達成できる。

この課題は、請求項１の特徴を有するラインを備える基板により解決される。基板の有利なデザインは、さらなる請求項で認定される。

多層構造と、この構造内で実現されるラインとを有し、信号導体が２つのグラウンド面の間に配置される基板が提案される。しかし、既知のストリップラインとは対照的に、少なくとも１つのグラウンド面が信号導体の線路に沿って延びているスロットを有する。

このようにして、ラインの容量定数を減少させ、ひいてはラインのインピーダンスを望ましい値まで増加させることができる。電気容量は、スロットの幅により簡単な方法で設定される。ここで、新しいラインのアイソレーションレベルは、既知のトリプレートストリップラインと比べてほんのわずかしか減少しない。

スロットは有利には信号導体の上の中心に位置する。このようにして、最大の効果が達成される。

有利には、信号導体の幅とスロットの幅の両方が全線路にわたって一定であり、単に必要なフィードスルーにより中断されるにすぎない。このようにして、ラインのインピーダンスが全長にわたってほぼ一定のままであることが達成される。

基板内では、いくつかのライン、または、いくつかの信号導体または信号導体セクションを有するラインを必要とするワイヤリングが実現される。有利には、近接するグラウンド面内に配置され少なくとも全長の大部分にわたって信号導体に沿って延びているスロットが、各信号導体また信号導体セクションに割り当てられる。また、両方のグラウンド面内で信号導体に沿って延びているスロットを備えることも可能である。第１及び第２グラウンド面内のスロットの幅が異なるように選択されてもよい。

特に基板内に配置されたいくつかの信号導体を有する基板では、スロットを備えるグラウンド面はいくつかのグラウンド副領域に分割されうる。良好なアイソレーションのため、低いインピーダンスのグラウンドが有利である。この目的のため、第１グラウンド面内で互いに電気的に切り離された全てのグラウンド副領域は、フィードスルーにより第２グラウンド面と接続される。この場合、有利には、第２グラウンド面は、せいぜいフィードスルーにより中断されはしても、スロットによりグラウンド副領域に分割されない連続的なメタライゼーション領域である。しかし、グラウンド面内でグラウンド副領域を互いに接続し、スロットをクロスバーで橋渡しすることも可能である。

低反射のフィードスルーを実現するために、スロットを有するグラウンド面内で、スロットはフィードスルーがある位置において広がって、フィードスルーが案内される凹部を形成している。フィードスルーは、信号導体をラインの上または下に配置されたメタライゼーション面と接続する。このメタライゼーション面は基板の表面または下側であってもよい。

ここで、フィードスルーの引き込み導体のための凹部は、この引き込み導体の電気容量に影響を与えるラインの線路に対して横方向の幅ｗを有する。対照的に、凹部の長さｌは引き込み導体の誘導部分を規定する。引き込み導体の長さと幅を適切に選択することで、引き込み導体のインピーダンスは望ましい値に設定され、ライン特有のインピーダンスと有利に適合する。基準に従えば、これは５０オームに等しい。そのため、有利には、凹部は長方形の開口部または基本面を有し、このようにして望ましいインピーダンスの適合がさらに一様で、かつ単純になる。しかし、他の形状の断面もまた可能である。

多層部品基板またはモジュール基板内では、２つのグラウンド面の距離は、基板内に配置された他のメタライゼーション構造体により占有されていない自由で利用可能な基板体積を考慮した最大値に設定される。理想的に、２つのグラウンド面は、基板の上側と下側から誘電層のみによって離れてそれぞれ設置されているメタライゼーション面内に配置される。このようにして、与えられた基板の厚さにおいて信号導体とグラウンド面との距離を最大にすることが可能である。

グラウンド面内の本発明の実施形態におけるスロットによって下げられたラインの電気容量はまた、２つのグラウンド面の間の中心に配置されていないメタライゼーション面内で信号導体が実現されるように変えられる。グラウンド面までの距離に対して信号導体を非対称に配置することによっても、ラインにとって高すぎる電気容量定数を発生させることなく、基板の厚さが最小値となるように最適化される。これは、互いに垂直方向に規定された２つのグラウンド面間の距離に関して中心でない位置であってもよく、従って、スロットを有するグラウンド面とより近い位置であってもよい。しかし、信号導体はまた、スロットを有さないグラウンド面のより近くに配置されてもよい。

スロットの幅は、信号導体のストリップの幅よりも大きく、または小さく選択されてもよく、その全ての場合において、スロットを有さないグラウンド面に関するラインの電気容量は、スロットの幅と関わりなく減少する。与えられたスロット幅ｓと与えられた信号導体の幅ｄとについて、スロット幅ｓは有利には約０．２５ｄから５ｄの間の値に設定される。

基板内で有利に最適化されたラインは、できる限り直線状の信号導体の線路を有し、望ましい導体のガイドが、信号導体の直線状の部分が互いに角度をなして配置されていることにより、または円弧状の部分により実現されうる。有利には、信号導体セクション間で角度を成している部分の数は、最小限である。その全ての場合において、スロットもまた信号導体の角度を成している線路に沿って延びており、常に信号導体の中心上にある。

有利には、基板は、メタライゼーション面、信号導体、グラウンド面そしてそこで実現される他のメタライゼーション構造体がセラミック誘電層と一緒に焼結したＬＴＣＣセラミック（Low Temperature Co-fired Ceramic, 低温同時焼成セラミック）を含む。ＬＴＣＣセラミックは特に低い歪みを示すため、過大な焼結歪みによる電気導体のトラックの中断というリスクを生じさせることなく、導体のトラックの断面とその結果として信号導体の幅を最小化できる。

しかし、他のセラミック、ポリマーや積層品を含む誘電層を有する多層基板により本発明の実施形態を実現することも可能である。例えば１０以下といったできるだけ低い比誘電率を有する材料が誘電層として好ましい。

基板と合体した誘電層の数は、メタライゼーション面の望ましい数と、基板レイアウトの技術により規定される誘電層の最適な層の厚さと、そして特にＬＴＣＣセラミック基板のグリーンフィルムの最適な層の厚さとに依り、また基板の個々の構造部品間の望ましいまたは必要な距離と、特に信号導体のグラウンド面からの距離にも依る。

典型的な基板全体の高さは、例えば約４００μｍであり、例えばそれぞれ約５０μｍの厚さを有する８つの誘電ＬＴＣＣ層を上下に重ねて焼結し配置することで実現可能である。今日のＬＴＣＣ技術において、信号導体の幅は典型的に少なくとも約７５μｍであるが、改良された技術によりさらに減少させることができる。

有利には、本発明の実施形態における基板は、高周波で動作する電気部品のための部品基板として提供される。これらは、有利には、基板上に配置され、ラインと電気的に接続される。少なくとも１つが高周波域で動作するいくつかの部品とともに備えられるモジュール基板としての基板もまた適している。高周波域で動作する部品は、アクティブまたはパッシブ部品を含んでも良い。パッシブ部品は、ＳＡＷ（surface acoustic wave, 表面音響波）技術、ＢＡＷ（bulk acoustic wave, バルク音響波）技術におけるフィルターや共振器、誘電共振器やフィルターであってもよい。

特に良好なアイソレーションを必要とし、本発明の実施形態における基板上に特に有利な方法で実装される１つの部品の型は、デュプレクサである。

しかし、基板はまた、他のメタライゼーション構造体や、このようにして実現され、その部品または基板表面上の部品と相互に作用し、複雑なワイヤリングを含むパッシブ部品を含み、さらに接続ラインと特に本発明の実施形態により構成されるラインを含む。本発明の実施形態における基板はそのため、特にワイヤレス携帯通信の端末装置のフロントエンドで使用されるようなモジュールにおいて有利に使用される。

本発明の実施形態は、下記にさらに詳細に実施形態とその関連した図を参照して説明される。図は単に発明を説明するために用いられ、そのため概略的にのみ描かれ、実寸大ではない。従って、絶対的な、又は相対的な寸法の情報は図から得ることができない。

既知のストリップラインと比較した本発明の実施形態におけるラインの概略断面図を示す。 ラインの斜視図を示す。 凹部を有するラインの上面図を示す。 フィードスルーを有する基板を示す。 この基板に実装された部品を有する基板を示す。 モジュール基板として形成された本発明における基板を示す。

図１Ｃは、図１Ａの既知の埋込型マイクロストリップライン及び図１Ｂの既知のトリプレートストリップラインと比較されるラインを有する本発明の実施形態における基板を示す。

図１Ａのような既知のマイクロストリップラインは、例えば図では８層が示されているようにいくつかの誘電層から形成される多層配置を有する基板ＳＵを含む。第１グラウンド面Ｍ１は基板の第１面の領域に備えられ、誘電層のみによってこの基板から切り離されている。第１メタライゼーションから基板面に向かって垂直に測った距離ｈを有する信号導体ＳＬが第２メタライゼーション面内の基板内の中心に構築されている。距離ｈは、第１グラウンド面Ｍ１の上面から信号ラインＳＬの下面まで測定される。信号ラインＳＬはストリップ状であり、幅ｄを有する。

対照的に、図１Ｂには、埋込型マイクロストリップラインと比べて基板ＳＵの上面の領域に配置された第２グラウンド面Ｍ２がある点で異なり、誘電層のみによって図中のこの上面から切り離されているトリプレートストリップラインが示される。信号導体は、積み重なった層又は多層基板内の中心に有利に配置され、それにより、信号導体は下側の第１グラウンド面Ｍ１と上側の第２グラウンド面Ｍ２の両方に関して同じ距離ｈを保っている。

トリプレートストリップラインに関して、図１Ｃの実施形態におけるラインは、第２グラウンド面Ｍ２内にスロットＳＣＨがある点で異なる。スロットは図１Ｃのように有利に信号導体ＳＬの上に配置され、このスロットに関して有利に中心にある。信号導体は第１及び第２グラウンド面と同じ又は異なる距離を有してもよい。スロット幅ｓは、信号ラインのストリップ幅ｄよりも大きくても小さくてもよい。誘電層に関して多層基板の同じ層構造について、図１Ｃの本発明の実施形態におけるラインは、図１Ａにおけるマイクロストリップラインのインピーダンスにほぼ達し、同時に図１Ｂにおけるストリップラインのアイソレーションにほぼ達する。本発明の実施形態における基板は、このように図１Ａにおけるマイクロストリップラインに関してアイソレーションの観点から改善され、図１Ｂにおけるトリプレートストリップラインに関してアイソレーションの観点から改善される。

図２は、図１Ｃで断面が示された新規なラインを有する基板の斜視図を示す。ここで、直線状でストリップ状の信号導体ＳＬが第２グラウンド面Ｍ２内のスロットと平行に走っていることが特によくわかる。本発明の実施形態における基板の示されるカットアウトは、実際には、より大きく、より複雑な構造であり、スロットは信号ラインに沿ってその全長にわたって延びている。スロットがストリップ長の大部分にわたって、特に信号ラインの全ストリップ長さの少なくとも８０％にわたって、信号ラインに沿って延びているときが有利である。有利には、スロットはクロスバーによって中断されない。

スロットの幅ｓはラインのインピーダンスを連続的に望ましい値にまで設定するために変えられる。これは図１Ａ及び図１Ｂにおける既知のストリップラインと比較した別の有利点である。そこでは、インピーダンスは、信号導体からグラウンド面までの距離ｈと信号導体の幅のみによってしか変えることができなかったからである。ストリップ状の信号導体の構造の幅が技術的に下限を有する場合には、距離ｈは、使用される誘電層の厚さに対応する離散的なステップのみにおいて順次変化してもよい。

信号ラインＳＬと下側のグラウンド面Ｍ１との間に配置され、いくつかの層から形成されている層領域でもある誘電層ＤＳ１の厚さは、信号ラインと上側の第２グラウンド面Ｍ２との間に配置される第２誘電層ＤＳ２の厚さと等しくても異なってもよい。各誘電層領域はまた、異なる数の誘電層を含んでもよい。電気的にグラウンド面を基板表面から絶縁するため、最上の誘電層領域ＤＳ_ｏはまた、第２グラウンド面Ｍ２の上に配置され、最下の誘電層ＤＳ_ｕは下側の第１グラウンド面Ｍ１の下に配置されてもよい。

図３Ａは、スロットＳＣＨによって分割された上側のグラウンド面Ｍ２を上から見た本発明の実施形態における基板の別の構成を示す。少なくとも示された領域において、上側のグラウンド面は、グラウンド面内で電気的な接続を有さない第１グラウンド副領域ＭＴ１と、第２グラウンド副領域ＭＴ１と、第２グラウンド副領域ＭＴ２とに分割される。スロットに関して中心にありここではスロット幅ｓよりも小さい幅ｄで示される信号導体ＳＬがスロットと平行に走る。１つの位置にて、スロットは広がって幅ｗを有する凹部ＡＮを形成している。凹部は長さｌを有する。しかし、示される矩形凹部はまた他の何らかの断面形状又は基本領域を有してもよい。

有利には、フィードスルーＤＫは、凹部の中央に配置される。フィードスルーＤＫは、信号ラインＳＬを上側のグラウンド面Ｍ２上に配置されたメタライゼーション面と電気的に接続する。凹部の幅ｗと長さｌはフィードスルーＤＫのインピーダンス、ひいてはこのフィードスルーにおける反射を規定する。図には示されていないが、下側のグラウンド面Ｍ１は連続的である。しかし、下側のグラウンド面内に信号ラインの線路に沿って延びているスロットを備えてもよい。同様に、下側のグラウンド面内に凹部ＡＮをスロットを備えて、又はスロットなしで設けてもよい。これらの凹部により、信号ラインＳＬは、下側の第１グラウンド面Ｍ１の下側に配置されるメタライゼーション面と、特に基板の下側に配置される外部コンタクトと接続してもよい。

図３Ｂ及び図３Ｃにおいて、フィードスルーＤＫが信号導体ＳＬの一端部に配置される図３Ａの変形が示される。図３Ｂにおいて、信号導体ＳＬはグラウンド副領域ＭＴ１とＭＴ２のメタライゼーションとともに終端しているのに対し、図３Ｃにおいてはグラウンド面Ｍのメタライゼーションが信号導体ＳＬの端部を越えて案内されている。

概略断面図を参照して、図４はスロットにより切り離されているグラウンド副領域ＭＴ１とＭＴ２を第１グラウンド面Ｍ１とフィードスルーＤＫにより接続している状態を示す。各グラウンド副領域ＭＴ１とＭＴ２において、十分に低いインピーダンスでグラウンド面を接続するために、複数のフィードスルーＤＫが備えられてもよい。

図５は、適切な電気接続部ＥＶにより電気部品ＢＥが実装された本発明の実施形態にかかる基板の概略断面図を示す。基板ＳＵの内部において、本発明の実施形態に従って構成され、さらに詳細には示されていないラインＬが配置され、少なくとも１つの電気接続部ＥＶにより部品と電気的に接続されている。同様に、ラインＬは、適切な接続部により基板の下側に実装された少なくとも１つの外部コンタクトＡＫと電気的に接続されている。少なくとも１つの外部コンタクトと少なくとも１つの導電性接続部ＥＶはそれぞれグラウンド面と接続している。部品ＢＥは、有利には高周波で動作する部品であり、特に音響波により動作する部品であり、例えばＢＡＷフィルターやＳＡＷフィルターである。後者は圧電結晶板として、またはバンプ接続によるベアダイとして基板ＳＵ上に実装されてもよい。しかし、他の任意の導電性接続部ＥＶもまた可能である。ＢＡＷフィルターはバンプ接続により電気的にまたは機械的に基板ＳＵと接続されてもよい。

概略断面図を参照して、図６はモジュール基板として使用される本発明の実施形態における基板ＳＵを示す。第１部品ＢＥ１と第２部品ＢＥ２が基板ＳＵ上に実装され、基板ＳＵの内部で本発明の実施形態に従って構成されたラインＬと電気的に接続され、基板ＳＵの下側で外部コンタクトＡＫと電気的に接続される。特にモジュール基板としてのこの構成において、基板ＳＵの内部では、抵抗やコンデンサ、インダクタといったさらなる受動部品が、上下に間隔を空けて配置されたメタライゼーション面と一致するように構築されることによって形成されてもよく、部品ＢＥ１及びＢＥ２と電気的に接続されてもよい。

本発明は、詳細に示され、記載されたこれらの実施形態に限定されない。本発明の実施形態にかかる基板は、誘電層の数、メタライゼーション面の数、グラウンド面Ｍから信号導体ＳＬまでの距離ｈ、スロット幅ｓに対する信号ラインＳＬのストリップ幅ｄの割合、信号導体またはスロットの真っ直ぐでない線路、基板に実装された部品の数や型について変化してもよい。

Claims (14)

1. ラインを有する基板であって、
   複数の誘電層と、
   前記基板が多層構造を有するように前記誘電層の間に配置されている複数のメタライゼーション面と、
   第１グラウンド面と第２グラウンド面との間に配置されているストリップ状の信号導体を含み、各グラウンド面から少なくとも１つの誘電層により切り離され、基板内に埋め込まれているラインと、を備え、
   前記グラウンド面のうち１つは、前記信号導体の線路に沿って延びているスロットを有し、
   前記スロットは前記信号導体の上の中央に位置し、
   前記スロットを有する前記グラウンド面内で、前記スロットは、１つの位置において広がって、前記基板の下側のメタライゼーション面に配置されている構造体と前記信号導体を電気的に接続するフィードスルーが案内される凹部を形成し、
   前記凹部は、前記信号導体の線路と略平行な方向に所定の長さと、前記信号導体の線路と略直交する方向に所定の幅と、を有する略長方形に形成されている、
   ことを特徴とする基板。
2. 前記スロットは、前記信号導体の全長のうちの大部分にわたって前記信号導体に沿って延びている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の基板。
3. 前記スロットは、前記信号導体の全長のうち８０％よりも大きい部分にわたって前記信号導体に沿って延びている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の基板。
4. いくつかの信号導体が前記基板内に埋め込まれている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の基板。
5. 前記第１グラウンド面は１以上のスロットによりグラウンド副領域に分割され、該グラウンド副領域の全てがフィードスルーにより前記第２グラウンド面と接続されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の基板。
6. 前記信号導体は、２つの前記グラウンド面から前記基板面に対して垂直に測った距離が異なる、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の基板。
7. 前記スロットの幅をｓとし、前記ストリップ状の信号導体の幅をｄとするとき、
   ０．２５ｄ＜ｓ＜５ｄ
   である、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の基板。
8. 前記信号導体の線路に沿って延びている前記スロットが、２つの前記グラウンド面内に備えられている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の基板。
9. 前記ラインのインピーダンスは、基準のインピーダンスである５０Ωと一致する、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の基板。
10. 前記基板はＬＴＣＣセラミックから成る、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の基板。
11. 高周波で動作する電気部品が前記基板上に配置され、前記ラインと電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の基板。
12. 前記電気部品は音響波により動作する部品から成る、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の基板。
13. 前記誘電層は、１０以下の比誘電率を有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の基板。
14. 前記電気部品は、デュプレクサであって、
    前記デュプレクサは、ワイヤレス携帯通信の端末装置のフロントエンド回路において用いられる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の基板。

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