JPH10303608A - 誘電体導波管線路およびそれを具備する多層配線基板 - Google Patents

誘電体導波管線路およびそれを具備する多層配線基板

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JPH10303608A
JPH10303608A JP9104907A JP10490797A JPH10303608A JP H10303608 A JPH10303608 A JP H10303608A JP 9104907 A JP9104907 A JP 9104907A JP 10490797 A JP10490797 A JP 10490797A JP H10303608 A JPH10303608 A JP H10303608A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】多層配線基板や半導体パッケージにおける高周
波伝送線路として利用可能で、導体による損失や、誘電
体による損失を低減した誘電体導波管線路を提供する。 【解決手段】複数の誘電体層の積層体からなる誘電体基
板１と、誘電体基板１の少なくとも線路方向の上下面に
形成された第１の導体層２および第２の導体層３と、誘
電体基板１内にて導体層２、３間を電気的に接続し且つ
線路方向に遮断波長の１／２以下の間隔をもって二列に
配列された側壁用バイアホール導体４群とからなる誘電
体導波管線路であって、誘電体基板１の中央に位置する
誘電体層１ｂの誘電率が、第１の導体層側および前記第
２の導体層側に位置する誘電体層１ａ，１ｃよりも高く
なるように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主にマイクロ波及
びミリ波等の高周波の信号を伝達するための誘電体導波
管線路およびそれを具備する回路基板や半導体パッケー
ジなどの多層配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】従来より、マイクロ波やミリ波の高周波の
信号を伝達するための線路としては、導波管、誘電体導
波管、ストリップ線路、マイクロストリップ線路等が知
られており、とりわけ、多層配線基板に用いることが可
能で、かつ伝送損失の小さい線路として、誘電体導波管
線路が注目されている。この誘電体導波管線路として
は、特開平６−５３７１１号においては、図４に示すよ
うに、誘電体基板１１を一対の導体層１２、１３で挟
み、さらに導体層１２、１３間を接続する二列の複数の
バイアホール１４によって側壁を形成した導波管線路も
提案されている。この導波管線路は、誘電体材料の四方
を導体層１２、１３とバイアホール１４による疑似的な
導体壁で囲むことによって、導体壁内領域１５を信号伝
達用の線路としたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらには次
のような問題点がある。ストリップ線路またはマイクロ
ストリップ線路はその構成が非常に簡単で、積層化技術
による作製に適しているが、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯
では伝送特性が劣化するという問題点がある。
【０００４】一方、導波管は伝送特性において非常に優
れているが、サイズ的に大きいという欠点がある。例え
ば６０ＧＨｚ用の標準的な矩形導波管であっても、その
外径は５．７６ｍｍ×３．８８ｍｍ（内径は３．７６ｍ
ｍ×１．８８ｍｍ）であり、マイクロ波またはミリ波用
の多層基板あるいは半導体パッケージに適用するには大
きすぎるという欠点がある。この点、その内部に誘電体
が詰まった誘電体導波管は、管壁を非常に薄くできると
ともに、誘電体の比誘電率をεとすると、１／ε1/2 と
なるので、その比誘電率を大きくする事により、導波管
のサイズを小さくする事が出来る。しかし、基本的には
誘電体の外側は導体壁で覆われている必要があるため、
積層化技術により作製する事は困難であった。
【０００５】また、特開平６−５３７１１号に示されて
いる誘電体基板を用いた導波管線路は、誘電体基板と導
波管との一体化を図るとともに、生産性の向上を図ると
いう点で優れたものである。ところで、高周波領域で用
いられる伝送線路に対して、優れた伝送特性が要求され
る。つまり、伝送損失が少ないことが要求される。一般
に、伝送損失は、導体、誘電体および放射による損失の
和で表せられる。特開平６−５３７１１号の場合、放射
による損失はないが、誘電体および導体による損失があ
る。この構造を例えば、セラミック材料を用いて作製し
た場合、誘電体には非常に損失の小さい材料があるの
で、この損失は低く抑えることができるが、導体部分は
一般にメタライズ印刷された後に同時焼成により作製さ
れるので、導体部分の抵抗は比較的大きくなり、その結
果、導体損失による伝送特性の劣化が生じると言う問題
点があった。
【０００６】従って、本発明は、多層基板あるいは半導
体パッケージにおける伝送線路として利用可能で、導体
による損失や、誘電体による損失を低減した誘電体導波
管線路を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】発明者は、上記の課題に
関して検討を重ねた結果、従来の誘電体導波管の側面を
導体壁に代わり多数のバイアホール群によって形成する
と同時に、誘電体基板の中央部の誘電体層の誘電率が両
主導体層側の誘電体層よりも高くなるように層構成する
ことにより、導体による損失や誘電体による損失が小さ
く、伝送特性に優れ、しかも通常の多層化技術によって
容易に作製できる誘電体導波管線路が得られることを見
いだし、本発明に至った。
【０００８】即ち、本発明の誘電体導波管線路は、複数
の誘電体層の積層体からなる誘電体基板と、該誘電体基
板の少なくとも線路方向の上下面に形成された第１の導
体層および第２の導体層と、前記誘電体基板内にて前記
第１の導体層と第２の導体層間を電気的に接続し且つ線
路方向に遮断波長の１／２以下の間隔をもって二列に配
列された側壁用バイアホール導体群とからなる誘電体導
波管線路であって、前記誘電体基板の中央に位置する誘
電体層の誘電率が、前記第１の導体層側および前記第２
の導体層側に位置する誘電体層よりも高いことを特徴と
するものである。
【０００９】また、具体的な構造としては、前記誘電体
基板を、高誘電率層の上下に低誘電体層を配した積層体
から構成したことを特徴とするものである。
【００１０】さらに、前記第１および第２の主導体層間
に、前記バイアホール群と電気的に接続され且つ前記第
１および第２の導体層と平行に形成された副導体層を具
備することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の誘電体導波管線
路の一実施例を説明するための概略斜視図である。図１
において、１は誘電体基板、２、３は主導体層、４は側
壁用バイアホール導体、５はこの構造による導波管線路
部、６は副導体層である。
【００１２】図１の構造によれば、誘電体基板１は、所
定の厚みｄからなる複数の誘電体層の積層体からなり、
全体厚みａを有する。誘電体基板１の線路方向の上面お
よび下面には、一対の主導体層２、３が形成されてい
る。また、誘電体基板１内には、主導体層２と主導体層
３間を電気的に接続する二列の側壁用バイアホール導体
４が間隔ｂをもって形成されている。そして、各列の側
壁用バイアホール導体４は、線路方向に遮断波長の１／
２以下の間隔ｃをもって複数個形成されている。平行に
おかれた一対の主導体層２、３間にはＴＥＭ波が伝播で
きるため、バイアホール４の間隔ｃが遮断波長λｃの１
／２よりも大きいと、この線路に電磁波を給電しても、
ここで作られる疑似的な導波管に沿って伝播しない。し
かし、バイアホール間隔ｃが遮断波長λｃの１／２より
も小さいと、電磁波は伝送線路に対して垂直方向に伝播
する事ができず、反射しながら伝送線路方向に伝播され
る。その結果、断面がａ×ｂの導波管線路部５が形成さ
れる。
【００１３】また、導波管線路部５の側壁には、側壁用
バイアホール導体４群と電気的に接続され、且つ主導体
層２、３と平行に副導体層６を形成してもよい。この副
導体層６の形成により、誘電体導波管線路の側壁は、バ
イアホール導体４とともに格子状となり、線路からの電
磁波のもれをより確実に防止することができる。
【００１４】図１の誘電体導波管線路の基本的構造にお
いて、本発明によれば、誘電体基板１の中央に位置する
誘電体層の誘電率が、主導体層２側および主導体層３側
に位置する誘電体層よりも高くなるようにすることが重
要である。図１の線路においては、誘電体基板１を３層
の誘電体層１ａ，１ｂ，１ｃによって構成した場合、誘
電体基板１の中央に位置する誘電体層１ｂを高誘電率材
料により形成し、主導体層２側および主導体層３側に位
置する誘電体層１ａおよび１ｃを低誘電率材料により形
成する。
【００１５】例えば、図４に示されるように、誘電体層
１ａ，１ｂ，１ｃがすべて同一の誘電体材料からなる場
合、伝送損失は、誘電体による損失と、導体による損失
に分けられる。さらに、導体損失は、主導体層２および
主導体層３によるものと、バイアホール導体４群による
ものとに分けられる。この誘電体導波管線路を、積層面
をＨ面とするＴＥ１０モードで用いる場合、信号の周波
数をｆとすると、Ｈ面を流れる電流はｆには依存しない
が、表皮抵抗はｆ1/2 に比例するため、Ｈ面の損失はｆ
1/2 に比例して増大する。一方、電界と平行なＥ面を流
れる電流はｆ2に反比例するため、Ｅ面の損失はｆ-3/2
となり、周波数が高くなるにつれて減少する性質があ
る。
【００１６】そこで、本発明のように、誘電体基板１の
中央部の誘電率を大きくすることにより、この誘電体導
波管線路の伝送特性を向上させることができる。これに
より、電磁界分布は高誘電率を有する中央部に集中する
ため、損失がｆ1/2 に比例して増大するＨ面の導体層近
傍の電磁界密度が低くなり、同時に波長の短縮効果によ
り、Ｅ面の導体層近傍の電磁界密度も低くなる。その結
果、導体による損失を小さくすることが可能となるので
ある。
【００１７】なお、本発明における誘電体導波管線路に
おいては、誘電体基板は、誘電体材料として周知の有機
系材料や無機系材料のいずれでも使用できるが、とりわ
け、低誘電率化、高誘電率化などの種々の対応が可能で
あり、さらには強度や高精度である点から、アルミナ、
ムライト、窒化アルミニウムなどのセラミックスの他、
ガラス、あるいはガラスとセラミックフィラーとの複合
体からなるガラスセラミックスなどが好適に使用でき
る。
【００１８】また、主導体層２、３や、バイアホール導
体４は、タングステン、モリブデンなどの高融点金属、
銅、金、銀、アルミニウムなどの低融点金属などが好適
に使用されるが、高周波用として低損失化を目指す上で
は、銅、金、銀のうちの少なくとも１種から構成するこ
とが最も望ましい。
【００１９】次に、図１の誘電体導波管線路を製造する
ための具体的な方法について図２をもとに説明する。こ
こでは、誘電体基板１としてセラミックスを用いた場合
について説明するもので、周知のセラミックス多層化技
術を用いて容易に作製することができる。
【００２０】図２によれば、まず、低誘電体層１ａ，１
ｃ、および高誘電体層１ｂを形成し得るセラミック粉末
組成物をドクターブレード法や圧延法等のシート状成形
法によりグリーンシート７ａ，７ｂ，７ｃを作製する。
そして、各グリーンシートに対してそれぞれの層に応じ
てメタライズインクを印刷塗布したり、バイアホールを
形成してメタライズインクを充填する。
【００２１】具体的には、第１層目の低誘電体層形成用
のグリーンシート７ａには、側壁用バイアホール８ａを
間隔ｂの２列で線路方向に間隔ｃをもって、マイクロド
リルやレーザーなどにより孔明けする。そして、そのバ
イアホール８ａ内にメタライズインクを充填する。そし
て、その上面全面に主導体層２を印刷する。
【００２２】第２層目の高誘電体層形成用のグリーンシ
ート７ｂには、第１層目と同様な位置に側壁用バイアホ
ール８ｂを明けて、メタライズインクを充填する。ま
た、所望により、副導体層６を線路形成部分の脇に側壁
用バイアホール８ｂと接続されるように印刷塗布する。
【００２３】そして、第３層目の低誘電体層形成用のグ
リーンシート７ｃには、第１層目、第２層目と同様な位
置に側壁用バイアホール８ｃを形成し、メタライズイン
クを充填するとともに、所望により、この側壁用バイア
ホール８ｃと電気的に接続する位置の線路形成部分の脇
に副導体層６を印刷塗布する。また、グリーンシート７
ｃの下面全面には、主導体層３を印刷塗布する。
【００２４】そして、上記のグリーンシート７ａ、７
ｂ、７ｃの側壁用バイアホール８ａ，８ｂ、８ｃが整合
するように位置合わせして積層した後、これらを一括し
て同時焼成することにより、本発明の誘電体導波管線路
を形成することができる。
【００２５】この同時焼成技術によって製造する場合、
例えば、誘電体材料が、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）である
場合、主導体層、副導体層、バイアホール導体は、Ｗ、
Ｍｏ等の高融点金属によって形成し、誘電体セラミック
スがガラス−セラミックス等の低温焼成材料の場合に
は、主導体層、副導体層、バイアホールは、Ｃｕ、Ａｇ
等によって形成すれば良い。
【００２６】上記の図１、図２は、誘電体導波管線路の
構造のみに着目して説明したが、かかる誘電体導波管線
路は、高周波信号を取り扱う多層配線基板や半導体パッ
ケージ等における信号伝達を担う一つの線路として、他
のマイクロストリップ、ストリップ、コプレーナ等の高
周波伝送線路や、配線層、バイアホール導体、スルーホ
ール導体とともに、多層配線基板内に配設される。その
場合、誘電体導波管線路が形成された箇所の線路中央部
に位置する誘電体層を高誘電率化することにより、多層
配線基板においても、上記と全く同様な効果を得ること
ができる。
【００２７】
【実施例】本発明の線路構造について、電磁界の方程式
に基づき、伝送損失を計算した。計算にあたり、誘電体
導波管線路の側面は、バイアホール導体列により形成さ
れるので、導体抵抗を３倍高くして計算した。用いた誘
電体導波管線路は、１．２ｍｍ×１．２ｍｍの断面形状
で、０．３ｍｍ厚みのセラミックテープを４層積層した
もので、両端部の誘電体層を比誘電率５の材料から構成
し、中央部の２層の誘電体層の比誘電率εＨを変化させ
た場合の損失の変化を計算した。誘電体層の誘電正接ｔ
ａｎδは、すべて５×１０-4とし、バイアホール導体お
よび主導体層、副導体層には、Ｃｕメタライズを用い
た。そして、伝送信号の周波数が６０ＧＨｚの場合の伝
送損失を図３に示した。
【００２８】図３に示されるように、εＨ＝５のとき、
すなわち、導波管線路内部が同一の誘電体層によって構
成される場合、伝送損失は−６３ｄＢ／ｍであるが、中
央部の誘電体層の比誘電率εＨを高くするに従い、伝送
損失が低減されることがわかる。
【００２９】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の誘電体導波
管線路は、導波管線路の側面をバイアホール導体や副導
体層で形成するとともに、誘電体基板の中央部を高誘電
率化することにより、電磁界を中央部の高誘電率部に集
中させることができるので、導体損失による伝送損失を
低減することができる。しかも、従来のセラミック積層
化技術を用いて容易に作製できるので、セラミック多層
配線基板などへの適用が容易であり、生産性に優れ、し
かも伝送特性の良い導波管線路を形成することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体導波管線路の一実施例を説明す
るための概略斜視図である。
【図２】本発明の誘電体導波管線路を製造するための一
実施例を説明するための分解斜視図である。
【図３】誘電体導波管線路における中央部の比誘電率ε
Ｈと、伝送損失との関係を示した図である。
【図４】従来の誘電体導波管線路の構造を説明するため
の概略斜視図である。
【符号の説明】
１ 誘電体基板 ２、３ 主導体層 ４ 側壁用バイアホール導体 ５ 導波管線路部 ６ 副導体層 ７ グリーンシート ８ 側壁用バイアホール

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の誘電体層の積層体からなる誘電体基
    板と、該誘電体基板の少なくとも線路方向の上下面に形
    成された第１の導体層および第２の導体層と、前記第１
    の導体層と第２の導体層間を電気的に接続し且つ線路方
    向に遮断波長の１／２以下の間隔をもって二列に配列さ
    れた側壁用バイアホール導体群とからなる誘電体導波管
    線路であって、前記誘電体基板の中央に位置する誘電体
    層の誘電率が、前記第１の導体層側および前記第２の導
    体層側に位置する誘電体層よりも高いことを特徴とする
    誘電体導波管線路。
  2. 【請求項２】前記誘電体基板は、高誘電率層の上下に低
    誘電体層を配した積層体からなることを特徴とする請求
    項１記載の誘電体導波管線路。
  3. 【請求項３】前記第１および第２の導体層間に、前記バ
    イアホール群と電気的に接続され且つ前記主導体層と平
    行に形成された副導体層を具備することを特徴とする請
    求項１記載の誘電体導波管線路。
  4. 【請求項４】請求項１乃至請求項３の少なくとも１種の
    誘電体導波管線路を具備する多層配線基板。
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