JP5762095B2 - 高周波回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯の装置で用いられる高周波回路基板に関するものである。

マイクロ波帯やミリ波帯の装置では、高周波回路で用いる誘導性成分や容量性成分をストリップ導体線路で実現している。ところで、容量性ストリップ導体線路では容量性線路パターンの小型化が望まれている。また、誘導性ストリップ導体線路では誘導性線路パターンの耐電力の向上が望まれている。この要請に応えるには、容量性ストリップ導体線路と、誘導性ストリップ導体線路とをそれぞれ異なる誘電体基板に形成する必要がある。

特開２０１０−２８３５２１号公報

しかし、誘導性ストリップ導体線路を形成した誘電体基板と、容量性ストリップ導体線路を形成した誘電体基板とをそれぞれ金属キャリアにマウントして直列に並べて配置する構成だと、対応するストリップ導体線路同士の接続端間ではキャリア厚によりグランド面に不連続が発生する。

ストリップ導体線路同士の接続端間でグランド面が連続していない場合は、ストリップ導体線路の接続端が開放された状態であれば、該接続端では、電磁波の放射や結合が発生する。そのため、マイクロ波装置やミリ波装置では利得差のある端子間の結合により不要発振が起こるなど装置全体の特性低下を招来する場合がある。また、誘電体基板中に電界が集中するため誘電体損失が大きくなり、ストリップ導体線路の線路幅に依存した導体損失も発生する。

なお、例えば特許文献１では、“ストリップ導体線路の接続端間にグランド面の不連続を発生させず、かつ線路損失の低減が図れる接続構造”、が提案されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ストリップ導体線路の接続端間にグランド面の不連続を発生させず、かつ容量性線路パターンの小型化と誘導性線路パターンの耐電力の向上とが図れる高周波回路基板を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、誘導性成分を形成する誘導性線路と、容量性成分を形成する容量性線路との組み合わせで構成される高周波回路を搭載する高周波回路基板において、少なくとも、前記誘導性線路と、前記誘導性線路の長手方向両端に接続される前記２つの容量性線路とで構成される高周波回路を搭載する構成として、上面がグランド導体として用いられるキャリアと、誘電率が値１０よりも高い誘電率で形成される誘電体基板であって、裏面が前記キャリアの上面に接合され、表面に、前記容量性成分を形成する第１および第２のストリップ導体線路が高周波信号の伝播方向に所定の間隔を置いて形成されるとともに、前記第１および第２のストリップ導体線路の間における前記第１および第２のストリップ導体線路の長手方向両側端において表裏を貫通するビアにより前記キャリアの上面に接続される第１および第２のグランド導体が形成される第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板よりも低い誘電率で形成される誘電体基板であって、表面に、第３のストリップ導体線路が形成されるとともに、前記第３のストリップ導体線路の短手方向両側に第３および第４のグランド導体が形成され、裏面に、前記第３のストリップ導体線路の長手方向両側端それぞれと表裏貫通ビアにより接続される第１および第２の接続用導体と、前記第３および第４のグランド導体それぞれの他端側と表裏貫通ビアにより接続される第３および第４の接続用導体とが形成され、前記第１の接続用導体の下面が第１のバンプを介して前記第１のストリップ導体線路の上面に接続され、前記第２の接続用導体の下面が第２のバンプを介して前記第２のストリップ導体線路の上面に接続され、前記第３の接続用導体の下面が第３のバンプを介して前記第１のグランド導体の上面に接続され、前記第４の接続用導体の下面が第４のバンプを介して前記第２のグランド導体の上面に接続されることで、前記第１の誘電体基板に実装される第２の誘電体基板と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、容量性線路が形成される第１の誘電体基板上に、誘導性線路が形成される第２の誘電体基板がフリップチップ実装され全体として一つの高周波回路基板を構成する。このとき、容量性線路に対するグランド導体と誘導性線路に対するグランド導体とは共にキャリアの上面であるから、両者のグランド面に不連続は生じない。そして、第１の誘電体基板の誘電率は、一般に使用されている誘電体基板の誘電率（Ｅｒ-≒１０）よりも比較的高い誘電率であるから容量性線路の小型化が図れる。また、誘導性線路とグランド面との間は誘電率がほぼ１である空気層であるから、該誘導性線路の線路幅を低誘電率の基板を用いた場合と同程度に広くすることが可能となり、高耐電力化が図れるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１による高周波回路基板の外観構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す高周波回路基板の上面図である。 図３は、図２におけるＡ−Ａ’線断面図および電界分布を示す図である。 図４は、本実施の形態１による効果を説明する図であり、（ａ）は比較例高周波回路基板の構成を示す図であり、（ｂ）は実施の形態１による高周波回路基板に対応符号を付した図であり、（ｃ）は実施の形態１による高周波回路基板と比較例高周波回路基板との寸法比較を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２による高周波回路基板の外観構成を示す斜視図である。 図６は、図５に示す高周波回路基板の上面図である。 図７は、図６におけるＡ−Ａ’線断面図および電界分布を示す図である。 図８は、図６におけるＢ−Ｂ’線断面図である。

以下に、本発明にかかる高周波回路基板の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１〜図３は、本発明の実施の形態１による高周波回路基板の構成を示す図である。なお、図１は、外観構成を示す斜視図である。図２は、上面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ’線断面図および電界分布を示す図である。

図１〜図３において、第１の誘電体基板１は、一般に使用されている誘電体基板の誘電率（Ｅｒ-≒１０）よりも比較的高い誘電率（例えばＥｒ≒３２）で形成されている。この第１の誘電体基板１は、キャリア２の上面に裏面を接合させて配置されている。つまり、第１の誘電体基板１の裏面には、グランド導体は設けてなく、キャリア２の上面がそのグランド導体になっている。

第１の誘電体基板１の表面には、マイクロ波帯やミリ波帯のＲＦ（無線周波）信号が入出力される入出力ポートパターン３ａ，３ｂが長手方向の両端側にそれぞれ設けられている。そして、入出力ポートパターン３ａと入出力ポートパターン３ｂとの間に、容量性成分を形成する複数の容量性ストリップ導体線路（図示例では、４ａ，４ｂ，４ｃの３個）が設けられている。容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂ，４ｃは、それぞれ、長手方向が第１の誘電体基板１の長手方向（ＲＦ信号の伝播方向）に直交し、短手方向がＲＦ信号の伝播方向になっている。

入出力ポートパターン３ａは、容量性ストリップ導体線路４ａの長手方向のほぼ中央部において短手方向の一端に接続されている。また、入出力ポートパターン３ｂは、容量性ストリップ導体線路４ｃの長手方向のほぼ中央部において短手方向の一端に接続されている。そして、第１の誘電体基板１には、容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂの間、および容量性ストリップ導体線路４ｂ，４ｃの間に、第１の誘電体基板１の表裏を貫通する大きな開口部（ビア）５ａ，５ｂが設けられている。つまり、キャリア２の上面は第１の誘電体基板１の表側に露出している。

第２の誘電体基板６ａ，６ｂは、任意の誘電率で形成されている。第２の誘電体基板６ａ，６ｂの長手方向の長さは、容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂ，４ｃの各間隔よりも少し長めになっている。第２の誘電体基板６ａ，６ｂの裏面には、長手方向に沿って、誘導性成分を形成する誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂが形成されている。

第２の誘電体基板６ａの裏面に形成された誘導性ストリップ導体線路７ａの長手方向一端はバンプ８ａを介して容量性ストリップ導体線路４ａの短手方向の他端に接続され、誘導性ストリップ導体線路７ａの長手方向他端はバンプ８ｂを介して容量性ストリップ導体線路４ｂの短手方向の一端に接続されている。

また、第２の誘電体基板６ｂの裏面に形成された誘導性ストリップ導体線路７ｂの長手方向一端はバンプ８ｃを介して容量性ストリップ導体線路４ｂの短手方向の他端に接続され、誘導性ストリップ導体線路７ｂの長手方向他端はバンプ８ｄを介して容量性ストリップ導体線路４ｃの短手方向の他端に接続されている。

誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂの下面は、ビア５ａ，５ｂ内の空間（空気層）を介してキャリア２の上面と対面している。つまり、誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂのグランド導体は、第１の誘電体基板１に設けた容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂ，４ｃと同じくキャリア２の上面であり、不連続は発生しない。誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂとキャリア２との間に生ずる電界分布は図３に示すようになる。

ここで、図４は、本実施の形態１による効果を説明する図であり、（ａ）は比較例高周波回路基板の構成を示す図であり、（ｂ）は実施の形態１による高周波回路基板と比較例高周波回路基板との寸法比較を示す図である。なお、図４（ｂ）での単位はｍｍである。

図４（ａ）において、比較例高周波回路基板では、容量性ストリップ導体線路２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、誘導性ストリップ導体線路２１ａ，２１ｂとが同じ誘電体基板２２上に形成されている。容量性ストリップ導体線路２０ａ，２０ｂ，２０ｃのＲＦ信号伝播方向の長さ（線路長）をＬ１，Ｌ３，Ｌ５とし、ＲＦ信号伝播方向に直交する方向の長さ（線路幅）をＷ１，Ｗ３，Ｗ５とする。また、誘導性ストリップ導体線路２１ａ，２１ｂのＲＦ信号伝播方向の長さ（線路長）をＬ２，Ｌ４とし、ＲＦ信号伝播方向に直交する方向の長さ（線路幅）をＷ２，Ｗ４とする。図１に示した本実施の形態１による高周波回路基板においても、同様に、図４（ｂ）に示すように、線路長Ｌ１〜Ｌ５と、線路幅Ｗ１〜Ｗ３とを定める。単位はいずれもｍｍである。

図４（ｃ）の備考に示すように、比較例高周波回路基板での誘電体基板２２は、一般に用いられているものであり、その誘電率Ｅｒは、Ｅｒ＝１０である。また、各線路の厚さｔは、ｔ＝０．３８ｍｍである。これに対し、実施の形態１による高周波回路基板では、第１の誘電体基板１の誘電率ＥｒはＥｒ＝３２であり、第２の誘電体基板４ａ，４ｂの誘電率Ｅｒは、比較例高周波回路基板での誘電体基板２２と同じＥｒ＝１０である。また、容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂ，４ｃの厚さｔは、ｔ＝０．４ｍｍであり、誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂの厚さｔは、ｔ＝０．３８ｍｍである。

比較例での容量性ストリップ導体線路２０ａ，２０ｂ，２０ｃの線路幅はＷ１＝Ｗ３＝Ｗ５＝２ｍｍであり、線路長はＬ１＝０．７ｍｍ、Ｌ３＝１．１ｍｍ、Ｌ５＝０．７ｍｍである。これに対し、本実施の形態１での容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂ，４ｃの線路幅はＷ１＝Ｗ３＝Ｗ５＝０．５ｍｍであり、線路長はＬ１＝０．６ｍｍ、Ｌ３＝０．６ｍｍ、Ｌ５＝０．６ｍｍである。このように、本実施の形態１での容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂ，４ｃは、Ｅｒ＝３２の高誘電率基板に形成されるので、Ｅｒ＝１０の低誘電率基板に形成される比較例における容量性ストリップ導体線路２０ａ，２０ｂ，２０ｃよりも小型化される。本実施の形態１では、比較例に対し約１／３の小型化が実現できている。

比較例での誘導性ストリップ導体線路２１ａ，２１ｂの線路幅はＷ２＝Ｗ４＝０．１ｍｍであり、線路長はＬ２＝Ｌ４＝０．６ｍｍである。これに対し、本実施の形態１での誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂの線路幅はＷ２＝Ｗ４＝０．８ｍｍであり、線路長はＬ２＝Ｌ４＝１ｍｍである。このように、本実施の形態１での誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂは、線路幅が広くなっており、比較例よりも線路幅が約８倍広くなっている。

本実施の形態１での誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂは、誘電率ＥｒがＥｒ≒１である基板と等価である空気層を介在させたキャリア２をグランド導体としてＲＦ信号が伝達されるので、インピーダンスＺ＝１００Ωなる高インピーダンスを維持して低誘電率の基板を用いた場合と同等の線路幅形成が可能であるから、高耐電力化が図れる。

これに対し、比較例での誘導性ストリップ導体線路２１ａ，２１ｂは、Ｅｒ＝１０なる高誘電率基板に形成されたグランド導体を用いてＲＦ信号を伝達するので、所望の誘導成分を得るためには比較的線路幅の狭いパターンを必要とする。具体的には、線路長Ｌ＝１〜２ｍｍ程度、線路幅Ｗ＝０．１ｍｍ程度、インピーダンスＺ＝１００Ω程度が限度である。

以上のように、実施の形態１によれば、容量性ストリップ導体線路と、誘導性ストリップ導体線路とをそれぞれ異なる誘電体基板に形成し、それらを接続して１つの基板構成にするが、ストリップ導体線路の接続端間にグランド面の不連続を発生させず、かつ容量性線路パターンの小型化と誘導性線路パターンの耐電力の向上とが図れる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による高周波回路基板の外観構成を示す斜視図である。図６は、図５に示す高周波回路基板の上面図である。図７は、図６におけるＡ−Ａ’線断面図および電界分布を示す図である。図８は、図６におけるＢ−Ｂ’線断面図である。なお、図５〜図８では、図１〜図３（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

本実施の形態２による高周波回路基板で用いる第１の誘電体基板１は、実施の形態１と同様に、一般に使用されている誘電体基板の誘電率（Ｅｒ-≒１０）よりも比較的高い誘電率（例えばＥｒ≒３２）で形成されている。一方、第２の誘電体基板６ａ，６ｂは、実施の形態１とは異なり、第１の誘電体基板１よりも低い誘電率（例えば、Ｅｒ-≒１０）で形成されている。

そして、図５〜図８に示すように、本実施の形態２による高周波回路基板では、図１〜図３（実施の形態１）に示した構成において、第１の誘電体基板１に開口部（ビア）５ａ，５ｂを設けず、第２の誘電体基板６ａ，６ｂの裏面に誘導性ストリップ導体線路７ａ，７ｂを形成せず、代わりに、第２の誘電体基板６ａ，６ｂの表面に誘導性ストリップ導体線路として機能するコプレーナ線路が形成されている。

すなわち、図５〜図８において、第２の誘電体基板６ａは、表面に、ＲＦ信号の伝播方向に沿って導体線路３０ａが形成され、この導体線路３０ａの幅方向両側にグランド導体３１ａ，３１ｂが形成されている。導体線路３０ａとグランド導体３１ａ，３１ｂの全体がコプレーナ線路を構成している。

第２の誘電体基板６ａは、裏面において、導体線路３０ａの両端側に対応する位置に接続用導体３２ａ，３２ｂが形成され、導体線路３０ａの両端と接続用導体３２ａ，３２ｂとはそれぞれビア３３ａ，３３ｂにより接続されている。そして、接続用導体３２ａ，３２ｂの下面はそれぞれバンプ８ａ，８ｂを介して容量性ストリップ導体４ａ，４ｂに接続されている。

また、第２の誘電体基板６ａは、裏面において、グランド導体３１ａ，３１ｂに対応する位置に接続用導体３４ａ，３４ｂが形成され、グランド導体３１ａ，３１ｂと接続用導体３４ａ，３４ｂとはそれぞれビア３５ａ，３５ｂにより接続されている。そして、接続用導体３４ａ，３４ｂの下面はそれぞれバンプ３６ａ，３６ｂを介して、第１の誘電体基板１の表面に設けたグランド導体３７ａ，３７ｂに接続されている。グランド導体３７ａ，３７ｂはビア３８ａ，３８ｂにより裏面のキャリア２に接続されている。

同様に、第２の誘電体基板６ｂは、表面に、ＲＦ信号の伝播方向に沿って導体線路３０ｂが形成され、この導体線路３０ｂの幅方向両側にグランド導体３１ｃ，３１ｄが形成されている。導体線路３０ｂとグランド導体３１ｃ，３１ｄの全体がコプレーナ線路を構成している。

第２の誘電体基板６ｂは、裏面において、導体線路３０ｂの両端側に対応する位置に接続用導体３２ａ，３２ｂが形成され、導体線路３０ｂの両端と接続用導体３２ｃ，３２ｄとはそれぞれビア３３ｃ，３３ｄにより接続されている。そして、接続用導体３２ｃ，３２ｄの下面はそれぞれバンプ８ｃ，８ｄを介して容量性ストリップ導体４ｂ，４ｃに接続されている。

また、第２の誘電体基板６ｂは、裏面において、グランド導体３１ｃ，３１ｄに対応する位置に接続用導体３４ｃ，３４ｄが形成され、グランド導体３１ｃ，３１ｄと接続用導体３４ｃ，３４ｄとはそれぞれビア３５ｃ，３５ｄにより接続されている。そして、接続用導体３４ｃ，３４ｄの下面はそれぞれバンプ３６ｃ，３６ｄを介して、第１の誘電体基板１の表面に設けたグランド導体３７ｃ，３７ｄに接続されている。グランド導体３７ｃ，３７ｄはビア３８ｃ，３８ｄにより裏面のキャリア２に接続されている。

実施の形態２によれば、第２の誘電体基板６ａ，６ｂに形成されるコプレーナ線路のグランド面は、第１の誘電体基板１に形成される容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂ，４ｃと同じキャリア２の上面であり、不連続を発生しない。第１の誘電体基板１に形成される容量性ストリップ導体線路４ａ，４ｂ，４ｃは、第１の誘電体基板１が一般に用いられる基板よりも高誘電率であるから、小型化が図れる。また、第２の誘電体基板に形成する誘導性線路はコプレーナ線路であるので、高インピーダンス線路の線路幅を広く形成することが可能となり、高耐電力化が実現できる。このとき、インピーダンスのばらつきは、コプレーナ線路のパターン精度に依存するので、実施の形態１よりも安定したインピーダンス線路を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる高周波回路基板は、ストリップ導体線路の接続端間にグランド面の不連続を発生させず、かつ容量性線路パターンの小型化と誘導性線路パターンの耐電力の向上とが図れる高周波回路基板として有用である。

１ 第１の誘電体基板
２ キャリア
３ａ，３ｂ 入出力ポートパターン
４ａ，４ｂ，４ｃ 容量性ストリップ導体線路
５ａ，５ｂ 開口部（ビア）
６ａ，６ｂ 第２の誘電体基板
７ａ，７ｂ 誘導性ストリップ導体線路
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ バンプ
３０ａ，３０ｂ コプレーナ線路を構成する導体線路
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ コプレーナ線路を構成するグランド導体
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ 接続用導体
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ ビア
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ 接続用導体
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ ビア
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ バンプ
３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ グランド導体
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ ビア

Claims (1)

1. 誘導性成分を形成する誘導性線路と、容量性成分を形成する容量性線路との組み合わせで構成される高周波回路を搭載する高周波回路基板において、
   少なくとも、前記誘導性線路と、前記誘導性線路の長手方向両端に接続される前記２つの容量性線路とで構成される高周波回路を搭載する構成として、
   上面がグランド導体として用いられるキャリアと、
   誘電率が値１０よりも高い誘電率で形成される誘電体基板であって、裏面が前記キャリアの上面に接合され、表面に、前記容量性成分を形成する第１および第２のストリップ導体線路が高周波信号の伝播方向に所定の間隔を置いて形成されるとともに、前記第１および第２のストリップ導体線路の間における前記第１および第２のストリップ導体線路の長手方向両側端において表裏を貫通するビアにより前記キャリアの上面に接続される第１および第２のグランド導体が形成される第１の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板よりも低い誘電率で形成される誘電体基板であって、表面に、第３のストリップ導体線路が形成されるとともに、前記第３のストリップ導体線路の短手方向両側に第３および第４のグランド導体が形成され、裏面に、前記第３のストリップ導体線路の長手方向両側端それぞれと表裏貫通ビアにより接続される第１および第２の接続用導体と、前記第３および第４のグランド導体それぞれの他端側と表裏貫通ビアにより接続される第３および第４の接続用導体とが形成され、前記第１の接続用導体の下面が第１のバンプを介して前記第１のストリップ導体線路の上面に接続され、前記第２の接続用導体の下面が第２のバンプを介して前記第２のストリップ導体線路の上面に接続され、前記第３の接続用導体の下面が第３のバンプを介して前記第１のグランド導体の上面に接続され、前記第４の接続用導体の下面が第４のバンプを介して前記第２のグランド導体の上面に接続されることで、前記第１の誘電体基板に実装される第２の誘電体基板と
   を備えていることを特徴とする高周波回路基板。

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