JPH10107514A - 高周波回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ミリ波帯でも損失が少ない高周波回路基板を提
供する。 【解決手段】厚い第１の誘電体膜１１と、薄い第２の誘
電体膜１２と、厚い第３の誘電体膜１３とを、順に積層
にした基板であって、第２の誘電体膜の上面の一部には
信号線１４となる配線が形成され、かつ第２の誘電体膜
の上面の上記信号線に接しない部分には接地面１５とな
る配線が形成され、第１の誘電体膜と第３の誘電体膜
は、上記信号線のある個所に相当する部分が溝状に除去
され、この溝１６の側面に沿って該誘電体膜中に複数の
スルーホール１７が形成された構造の高周波回路基板。
厚い上下の誘電体膜によって薄い中間の誘電体膜が覆わ
れており、基板の強度が保持されるため、中間の誘電体
膜を極めて薄くできる。そのため製造が容易になると共
に伝送線路の実効的誘電率が下がり、高周波信号の損失
の低減が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波半導体、Ｉ
Ｃチップなどの実装に使用する高周波回路基板に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来例の断面図であり、従来から
一般的に使用されているコプレーナ型の高周波回路基板
の構成を示したものである。図５では、金属基板１上に
載置された誘電体基板２の上面に信号線３となる配線と
接地面４となる配線が形成され、下面には接地面５とな
る配線が形成されて、コプレーナ型伝送線路を構成して
いる。また、同電位を保持するために上面の接地面４と
下面の接地面５とはスルーホール６により接続されてい
る。このスルーホール６は誘電体基板２に開けた穴の内
壁面に金属膜が設けられた構造、または上記穴全体を金
属で埋めた構造を有し、誘電体基板２の上面と下面とを
電気的に接続する構造を有する。また、上記の誘電体基
板２としては通常アルミナ基板などのセラミック基板が
使用される。

【０００３】このような高周波回路基板の信号線を伝搬
する信号の損失は周波数の増加と共に増え、４０ＧＨｚ
を超えるようなミリ波帯では実用上無視できない大きな
値となる。たとえば一般的な金配線（厚み２μｍ程度、
配線幅２００μｍ程度）で、５０ＧＨｚで約０.３ｄＢ
／ｍｍの損失が実験的に得られている。高周波半導体、
ＩＣチップなどを複数個実装した高周波回路基板では、
信号線の総延長が数ｍｍになることが多く、ミリ波帯の
回路を組む場合では、信号線の損失によりフロントエン
ド回路では雑音指数が劣化したり、高速デジタル回路で
はクロック信号振幅が低下するなどの性能上の大きな問
題を生じる。

【０００４】上記のごとき信号線のロスは、伝送線路の
実効的誘電率を下げることにより低減することが出来
る。この理由は誘電体損失が実効的誘電率と共に減少す
ること、および同一の特性インピーダンスを得るための
配線幅を広くすることが出来るので導体損失が減少する
ためである。伝送線路の実効的誘電率を下げるために
は、信号線と接地面の間の電界が出来るだけ低誘電率の
媒質を通過するようにすればよい。その方法としては、
例えば図６に示すように、薄い誘電体基板７を用い、下
面に金属ブロック８を設けることにより、誘電体基板の
厚みを薄くする方法が考えられる。

【０００５】図７は、上記図６の構造において、誘電体
基板の厚みを変えた時の誘電体損失、導体損失、実効的
誘電率の変化を示した特性図である。図７から判るよう
に、誘電体基板の厚みを薄くすることによって実効的誘
電率が下がり、損失が減少する。しかし、誘電体基板と
して通常用いられるセラミック基板は、一般的に１００
ｍｍ角程度のグリーンシートを焼成・研磨して製造する
ため、薄い基板では製造工程で割れるので製作可能な厚
みは０.３ｍｍ程度に制限されている。このため図７の
特性から判るように、図６のような構成としても損失の
点ではほとんど改善は見られなかった。以上のことから
従来の高周波回路基板ではミリ波帯の損失が大きく、高
周波半導体、ＩＣチップなどを実装したミリ波帯回路モ
ジュールの実現を困難にしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
のごとき従来の高周波回路基板の欠点を解決し、ミリ波
帯でも損失が少ない高周波回路基板を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明においては、特許請求の範囲に記載するよう
に構成している。すなわち、請求項１においては、第１
の誘電体膜と、該第１の誘電体膜よりも薄い第２の誘電
体膜と、該第２の誘電体膜よりも厚い第３の誘電体膜と
を、上記第１の誘電体膜を下層として上記の順に積層に
した基板であって、上記第２の誘電体膜の上面の一部に
は信号線となる配線が形成され、かつ上記第２の誘電体
膜の上面の上記信号線に接しない部分には接地面となる
配線が形成され、上記第１の誘電体膜と第３の誘電体膜
は、上記信号線のある個所に相当する部分が溝状に除去
され、この溝の側面に沿って該誘電体膜中に複数のスル
ーホールが形成されるように構成している。上記のスル
ーホールは誘電体膜に開けた穴の内壁面に金属膜が設け
られた構造、または上記穴全体を金属で埋めた構造を有
し、誘電体膜の上面と下面とを電気的に接続する構造を
有するものである。

【０００８】上記の構成は、例えば後記図１の実施の形
態に相当する。なお、上記の薄い第２の誘電体膜は、伝
送線路の実効的誘電率を下げるために出来るだけ薄いこ
とが望ましく、例えば材質がアルミナ等のセラミックの
場合には数μｍ〜１００μｍ程度の材料を用いる。ま
た、第１および第３の誘電体膜は、製造時に必要とされ
る強度を保つ厚みが必要であり、例えば上記の材料の場
合には０.３ｍｍ〜２ｍｍ程度の厚みが望ましい。

【０００９】また、請求項２は、請求項１に記載の高周
波回路基板において、第１の誘電体膜を除き、第２およ
び第３の誘電体膜によって高周波回路基板を形成したも
のである。なお、この構成は、例えば後記図３の実施の
形態に相当する。

【００１０】また、請求項３は、請求項１に記載の高周
波回路基板において、第３の誘電体膜を除き、第１およ
び第２の誘電体膜によって高周波回路基板を形成したも
のである。なお、この構成は、例えば後記図４の実施の
形態に相当する。

【００１１】また、請求項４は、第３の誘電体膜の上
に、少なくとも上記の溝をふさぐように金属板を設けた
ものである。なお、この構成は、例えば後記図１の実施
の形態に相当する。

【００１２】以下、作用を説明する。本発明において
は、３層に積層した誘電体基板を使用しており、厚い上
下の誘電体膜によって薄い中間の誘電体膜における溝以
外の大部分が覆われているので、基板の強度が保持され
る。そのため、挟まれた中間の誘電体膜の厚みを従来に
比べて極めて薄くしても製造時に必要な強度は保持さ
れ、容易に製造することが可能になる。また、上記のよ
うに中間の誘電体膜の厚みを従来に比べて極めて薄くす
ることが出来、かつ信号線形成部分の上下の誘電体膜は
除去しているため、信号線と接地面によって形成された
伝送線路の実効的誘電率が下がり、高周波信号の損失の
低減が可能である。また中間の誘電体膜を保持している
上下の誘電体膜には溝の側面に沿って複数のスルーホー
ルが形成されているため、信号線間のアイソレーション
が改善されると共に、高周波で生じる溝の空間を伝搬す
る寄生の伝搬モードが抑圧され、この影響によって生じ
る信号の伝送特性の劣化を防ぐことができる。

【００１３】また、請求項２または請求項３の構成にお
いては、第１または第３の誘電体膜を除いた場合でも、
残された第３または第１の誘電体膜の厚さを適宜設定す
ることにより、請求項１と同様の効果を得ることが出
来、かつ構成を簡略化することが出来る。

【００１４】また、請求項４の構成においては、溝をふ
さぐように金属板を設けることにより、高周波で生じる
溝の空間を伝搬する寄生の伝搬モードが抑圧され、この
影響によって生じる信号の伝送特性の劣化を防ぐ効果を
さらに高めることが出来る。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は最上部の
金属板１８を除去した状態の上面図を示す。

【００１６】図１において、誘電体基板は、比較的厚い
第１の誘電体膜１１と薄い第２の誘電体膜１２と比較的
厚い第３の誘電体膜１３とを積層した構造を有する。そ
して第２の誘電体膜１２の上面の一部には信号線１４と
なる配線が形成され、かつ上面の上記信号線１４に接し
ない部分には接地面１５となる配線が形成されている。
また、第１の誘電体膜１１と第３の誘電体膜１３は、上
記信号線１４に相当する部分が溝状に除去されており、
かつその溝部１６の側面に添ってスルーホール１７が形
成されている。このスルーホール１７は誘電体膜１１、
１３に開けた穴の内壁面に金属膜が設けられた構造、ま
たは上記穴全体を金属で埋めた構造を有し、誘電体膜１
１、１３の上面と下面とを電気的に接続する構造を有す
るものである。上記の誘電体基板が金属基板１上に載置
され、かつ誘電体基板の上には金属板１８が設けられて
いる。

【００１７】なお、図１では、第２の誘電体膜１２の上
面にのみ接地面１５となる配線が設けられている場合を
示しているが、第２の誘電体膜１２の下面すなわち信号
線１４の形成面の反対側にも接地面となる配線を設けて
もよい。この場合には第２の誘電体膜１２の下面で信号
線１４の直下の部分を除いた部分に接地面となる配線を
設ける。

【００１８】次に、作用を説明する。図１の構造におい
て、例えば誘電体膜の材料として比誘電率８から１０程
度のものを使用した場合、第１、第２、第３の誘電体膜
の厚みを各々０.５ｍｍ、３０μｍ、０.５ｍｍ程度とす
ると、特性インピーダンス５０Ωとなる代表的寸法は信
号線１４の幅０.５ｍｍ、信号線１４と接地面１５との
間隔０.０６ｍｍ程度となる。そして溝部１６は、基本
的には信号線１４の上面と下面に第１と第３の誘電体膜
が存在しないように形成すれば良いので、この場合には
溝部１６の幅を最小で０.６２ｍｍ、余裕をみても１ｍ
ｍ以下とすることが出来る。

【００１９】上記のように溝幅を極めて狭くできるの
で、上記の構造を１００ｍｍ角程度の大きなセラミック
基板から製造する場合には、薄い第２の誘電体膜１２の
大部分が比較的厚い第１、第３の誘電体膜で覆われ、第
２の誘電体膜１２のみの薄い部分は面積的にきわめて小
さくなる。そのため、製造工程で破損することなく容易
に製造することが出来る。

【００２０】また、信号線１４の上面および下面の誘電
体膜は除去されているので、実効的誘電率に影響するの
は第２の誘電体膜１２のみとなる。したがって第２の誘
電体膜１２の厚みを薄くすることにより、実効的誘電率
を下げることができ、前記図７の特性に示したように信
号線の低損失化が可能である。例えば第２の誘電体膜１
２として３０μｍの厚みのものを使用した場合、線路の
誘電損失は従来の１／２以下、導体損失は２割程度低減
可能である。

【００２１】また、第１および第３の誘電体膜には、溝
部１６の側面に沿ってはスルーホール１７が形成されて
いるため、信号線１４はこのスルーホール１７によって
囲まれた構造となる。これにより信号線１４と外部との
電気的アイソレーションが確保され、とくに隣接して信
号線がある場合でも信号間のアイソレーションを充分確
保できる利点を有する。

【００２２】また、この構造により高周波で生じる溝の
空間を伝搬する寄生の伝搬モードが抑圧され、この影響
によって生じる信号の伝送特性の劣化を防ぐことができ
る。この効果は、図１に示すように、溝部１６をふさぐ
ように金属板１８を取り付けた場合に特に良好なものと
なる。

【００２３】なお、上記の薄い第２の誘電体膜は、伝送
線路の実効的誘電率を下げるために出来るだけ薄いこと
が望ましく、例えば材質がアルミナ等のセラミックの場
合には数μｍ〜１００μｍ程度の材料を用いる。また、
第１および第３の誘電体膜は、製造時に必要とされる強
度を保つ厚みが必要であり、例えば上記の材料の場合に
は０.３ｍｍ〜２ｍｍ程度の厚みが望ましい。

【００２４】図２は、電磁界解析によって計測した本発
明の構造における信号の伝送特性を示す特性図であり、
線路の反射係数（デシベル表示）の周波数依存性を示し
ている。反射係数が小さいほど線路の伝送特性は良好と
考えられる。本発明の基板の線路では溝部の空間を伝搬
する寄生の伝搬モードが抑圧されるため、１１０ＧＨｚ
程度まで反射係数が−２０ｄＢ以下と小さくなってお
り、良好な性能が得られていることがわかる。

【００２５】なお、図１の構造において、第２の誘電体
膜１２の下面で信号線１４の直下の部分を除いた部分に
接地面となる配線を形成したり、接地面１５の部分にス
ルーホールを形成しても上記の効果は損なわれることは
ない。

【００２６】また、図１の構造の基板を製造する場合に
は、例えば焼成前のセラミック材料で形成した第１と第
３の誘電体基板にスルーホールと溝部を設け、また第２
の誘電体基板には信号線と接地面の配線を形成した後、
それらの基板を積層してから焼成・研磨することによっ
て製造することが出来る。また、焼成した後にスルーホ
ールや溝部を設けることもできる。

【００２７】次に、図３は、本発明の第２の実施の形態
の高周波回路基板の構成を示す断面図である。図３の構
造は、前記図１の構造から第１の誘電体膜１１を除去し
たものである。このような構造でも溝部１６の幅が極め
て小さいので、薄い第２の誘電体膜１２の大部分が比較
的厚い第３の誘電体膜１３で覆われ、第２の誘電体膜１
２のみの薄い部分は面積的にきわめて小さくなる。した
がって第３の誘電体膜１３の厚みを適宜設定（例えば図
１の第１と第３の誘電体膜を合わせた厚さに設定）する
ことにより、製造工程で破損することなく容易に製造す
ることが出来る。

【００２８】次に、図４は、本発明の第３の実施の形態
の高周波回路基板の構成を示す断面図である。図４の構
造は、前記図１の構造から第３の誘電体膜１３を除去し
たものである。このような構造でも溝部１６の幅が極め
て小さいので、薄い第２の誘電体膜１２の大部分が比較
的厚い第１の誘電体膜１１で覆われ、第２の誘電体膜１
２のみの薄い部分は面積的にきわめて小さくなる。した
がって第１の誘電体膜１１の厚みを適宜設定（例えば図
１の第１と第３の誘電体膜を合わせた厚さに設定）する
ことにより、製造工程で破損することなく容易に製造す
ることが出来る。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ミリ波
帯まで損失が少なく高アイソレーションで寄生の伝搬モ
ードが抑圧された伝送線路を有する高周波回路基板が実
現できるため、通信用伝送装置、各種計測装置の高性能
化が可能である、という効果が得られる。

【００３０】また、請求項２または請求項３の構成にお
いては、上記の効果に加えて構成が簡略化される、とい
う効果が得られる。また、請求項４の構成においては、
上記の効果に加えて、溝の空間を伝搬する寄生の伝搬モ
ードが抑圧され、この影響によって生じる信号の伝送特
性の劣化を防ぐ効果をさらに高めることが出来る、とい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図であり、
（ａ）は断面図、（ｂ）は最上部の金属板１８を除去し
た状態の上面図。

【図２】本発明の構造における信号の伝送特性を示す特
性図。

【図３】本発明の第２の実施の形態の高周波回路基板の
構成を示す断面図。

【図４】本発明の第３の実施の形態の高周波回路基板の
構成を示す断面図。

【図５】従来例の断面図。

【図６】従来例において線路損失を低減する構造を示す
断面図。

【図７】図６の構造において、誘電体基板の厚みと誘電
体損失、導体損失、実効的誘電率との関係を示す特性
図。

【符号の説明】

１…金属基板 ２…誘電体基板 ３…信号線 ４…接地面 ５…接地面 ６…スルーホール ７…誘電体基板 ８…金属ブロック １１…第１の誘電体膜 １２…第２の誘電
体膜 １３…第３の誘電体膜 １４…信号線 １５…接地面 １６…溝部 １７…スルーホール １８…金属板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の誘電体膜と、該第１の誘電体膜より
   も薄い第２の誘電体膜と、該第２の誘電体膜よりも厚い
   第３の誘電体膜とを、上記第１の誘電体膜を下層として
   上記の順に積層にした基板であって、 上記第２の誘電体膜の上面の一部には信号線となる配線
   が形成され、かつ上記第２の誘電体膜の上面の上記信号
   線に接しない部分には接地面となる配線が形成され、 上記第１の誘電体膜と第３の誘電体膜は、上記信号線の
   ある個所に相当する部分が溝状に除去され、この溝の側
   面に沿って該誘電体膜中に複数のスルーホールが形成さ
   れている、 ことを特徴とする高周波回路基板。
2. 【請求項２】上記第１の誘電体膜を除き、上記第２およ
   び第３の誘電体膜によって形成したことを特徴とする請
   求項１に記載の高周波回路基板。
3. 【請求項３】上記第３の誘電体膜を除き、上記第１およ
   び第２の誘電体膜によって形成したことを特徴とする請
   求項１に記載の高周波回路基板。
4. 【請求項４】上記第３の誘電体膜の上に、少なくとも上
   記の溝をふさぐように金属板を設けたことを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載の高周波回路基板。