JP2006042098A

JP2006042098A - 高周波用配線基板

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Publication number: JP2006042098A
Application number: JP2004221187A
Authority: JP
Inventors: Masanao Kabumoto; 正尚株元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】信号伝送方向に沿って所定の間隔で形成された貫通導体とそれに隣接する信号線路との間で不要なキャパシタンス成分が発生し、貫通導体が存在する箇所において対をなす各信号線路の特性インピーダンスの微小な不整合が差動信号線路の特性インピーダンスに大きな不整合を生じさせるという問題があった。
【解決手段】誘電体基板２の上面に平行に形成された一対の信号線路から成る差動信号線路８の両側に線路方向と平行に列を成して形成された複数の貫通導体７を形成し、これらの貫通導体７の配列間隔が差動信号線路８で伝送される高周波信号の波長の４分の１以下であり、下面接地導体層６は、差動信号線路８の各信号線路３，４の直下の部位に島状の非形成部９が線路方向に直交する方向に対を成して形成されるとともに、対を成す非形成部が線路方向に複数対形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＨｚ帯の高周波帯域で使用されるＩＣ，ＬＳＩ等の高周波回路部品または高周波回路装置と入出力部との間にインピーダンス整合等の目的で設けられる高周波用配線基板に関し、特に高周波信号の伝送特性を改善した差動信号線路構造を有する高周波用配線基板に関する。

近年の通信技術の高周波化および大容量化に伴い、ＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ，フォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）等の通信用デバイスがより高周波で動作するようになってきており、この通信用デバイスを搭載するパッケージやそれを実装する回路基板に形成される信号線路においても、より高周波の高周波信号を低損失で伝送させる必要がある。このため、通信用デバイスのパッケージ内の信号線路や回路基板の信号線路を、高周波用の伝送線路として作製しなければならない。

また、ＭＵＸ（Multiplexer：多重回路），ＤＥＭＵＸ（Demultiplexer：多重分離回路），ＮＰＵ（Network Processor Unit）等の通信用デバイスの入出力端子数の増加に伴い、パッケージおよび回路基板の信号線路数が飛躍的に増加している。そのため、信号線路を高密度に形成しなければならず、自ずと信号線路間の間隔も狭くなる。しかしながら、高周波信号を伝送する信号線路同士を近接して配置すると、信号線路間に発生する寄生成分、特に信号線路間の電気的容量（浮遊容量）や相互インダクタンスによりノイズが発生して、アイソレーションの劣化、クロストークの発生等によって伝送損失が増大するという問題があった。

そこで、特許文献１に示されるような、誘電体基板の上面に平行に２つの信号線路から成る差動信号線路が設けられている高周波用配線基板において、隣接する差動信号線路の間に、接地導体層または電源導体層に接続される貫通導体を信号伝送方向に沿って所定の間隔で形成することにより、隣接する差動信号線路間の電磁気的干渉によるノイズを小さくするものが提案されている。
特開２００３−２２４４０８号公報

しかしながら、上記従来の高周波用配線基板では、信号伝送方向に沿って所定の間隔で形成された貫通導体と貫通導体と隣接する信号線路との間で不要なキャパシタンス成分が発生し、貫通導体が存在する箇所において信号線路の特性インピーダンスが下がってしまい、差動信号線路の場合は対をなす各信号線路の特性インピーダンスの合計が差動信号線路としての特性インピーダンスとなるため、対をなす各信号線路の特性インピーダンスの寄生容量による微小な不整合が差動信号線路の特性インピーダンスとして大きな不整合を生じさせるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために完成されたものであり、その目的は、差動信号線路間の電気的干渉によるノイズを小さくし、かつ差動信号線路の特性インピーダンスを整合させ、高周波信号の反射損失および伝送損失を低減することである。

本発明の高周波用配線基板は、複数の誘電体層を積層してなる誘電体基板の上面または前記誘電体層の層間に互いに平行に形成された一対の信号線路から成る差動信号線路と、該差動信号線路の両側に所定間隔をもって形成された同一面接地導体層と、前記誘電体基板の下面の全面に形成された下面接地導体層と、前記同一面接地導体層および前記下面接地導体層を電気的に接続するとともに前記差動信号線路の両側に線路方向と平行に列を成して形成された複数の貫通導体とを具備しており、前記複数の貫通導体は、前記線路方向における配列間隔が前記差動信号線路で伝送される高周波信号の波長の４分の１以下であるとともに、前記下面接地導体層は、前記差動信号線路の前記各信号線路の直下の部位に島状の非形成部が前記線路方向に直交する方向に対を成して形成されるとともに、前記対を成す非形成部が前記線路方向に複数対形成されていることを特徴とする。

また、本発明の高周波用配線基板は好ましくは、前記複数の貫通導体は、前記線路方向に直交する方向に列を成して形成されており、前記対を成す非形成部は、前記線路方向に直交する方向に列を成す前記貫通導体同士の間に形成されていることを特徴とする。

また、本発明の高周波用配線基板は好ましくは、前記非形成部は円形状であることを特徴とする。

また、本発明の高周波配線基板は好ましくは、前記差動信号線路は、複数のものが平行に形成されていることを特徴とする。

本発明の高周波用配線基板によれば、誘電体基板の上面または層間に互いに平行に形成された一対の信号線路から成る差動信号線路の両側に線路方向と平行に列を成して形成された複数の貫通導体を形成し、これらの貫通導体の配列間隔を差動信号線路で伝送される高周波信号の波長の４分の１以下としたことから、差動信号線路の両側に擬似的な導体壁が形成されたことになり、差動信号線路と隣接する他の信号線路との間に生じる電界の結合（カップリング）を抑制することができるため、電磁気的干渉によるノイズを小さくすることができる。さらに、下面接地導体層は、差動信号線路の各信号線路の直下の部位に島状の非形成部が線路方向に直交する方向に対を成して形成されるとともに、対を成す非形成部が線路方向に複数対形成されていることから、貫通導体と信号線路との間の不要なキャパシタンス成分による特性インピーダンスの低下分を、下面接地導体層の島状の非形成部とその直上の信号線路間のキャパシタンス成分の減少による特性インピーダンスの上昇分で相殺することができ、差動線路の特性インピーダンスを均一にすることができる。

また、本発明の高周波用配線基板は、複数の貫通導体は、線路方向に直交する方向に列を成して形成されており、対を成す非形成部は、線路方向に直交する方向に列を成す貫通導体同士の間に形成した場合には、下面接地導体層の島状の非形成部と貫通導体の距離が最も小さくなり、その結果、貫通導体と信号線路との間の不要なキャパシタンス成分による特性インピーダンスの低下分を、下面接地導体層の島状の非形成部とその直上の信号線路間のキャパシタンス成分の減少による特性インピーダンスの上昇分で効果的に相殺することができ、差動線路の特性インピーダンスを均一にすることができる。

また、本発明の高周波用配線基板は、下面接地導体層の島状の非形成部を円形状とした場合には、差動信号線路の直下の下面接地導体層において、差動信号線路に伝達される信号の進行方向と逆向きに流れる帰路電流の流れをスムーズにすることができ、不要な電磁放射を抑制することができる。

また、本発明の高周波用配線基板は、複数の差動信号線路を平行に形成した場合には、ＭＵＸ，ＤＥＭＵＸ，ＮＰＵ等の通信用デバイスの入出力端子数の増加に容易に対応可能なものとなる。

本発明の高周波用配線基板（以下、高周波基板ともいう）について以下に詳細に説明する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本発明の高周波基板について実施の形態の一例を示す平面図および断面図である。これらの図において、１は高周波基板、２は誘電体基板、３は差動信号線路８を成す第１の信号線路、４は差動信号線路８を成す第２の信号線路、５は同一面接地導体層、６は下面接地導体層、７は貫通導体、９は下面接地導体層６の島状の非形成部である。

本発明の高周波基板１は、誘電体基板２の上面に形成された、平行な２つの信号線路３，４から成る差動信号線路８と、差動信号線路８の両側に形成された同一面接地導体層５と、誘電体基板２の下面の全面に形成された下面接地導体層６と、同一面接地導体層５および下面接地導体層６を電気的に接続するとともに差動信号線路８の線路方向に平行に列を成して形成された複数の貫通導体７とを具備し、差動信号線路８の線路方向における貫通導体７の配列間隔が、差動信号線路８で伝送される高周波信号の波長の４分の１以下であり、下面接地導体層６は、差動信号線路８の各信号線路３，４の直下の部位に島状の非形成部９が線路方向に直交する方向に対を成して形成されるとともに、対を成す非形成部９が線路方向に複数対形成されている。これにより、差動信号線路８と同一面接地導体層５と下面接地導体層６とでコプレーナ線路を構成している。

そして、差動信号線路８の線路方向における貫通導体７の配列間隔が差動信号線路８で伝送される高周波信号の波長λの４分の１以下であることにより、差動信号線路８間に擬似的な導体壁が形成されたことになり、隣接し合う差動信号線路８間の容量結合が低減できる。その結果、隣接し合う差動信号線路８間のクロストークノイズが低減される。

また、本発明の高周波基板１は好ましくは、複数の貫通導体７は、線路方向に直交する方向に列を成して形成されており、対を成す非形成部９は、線路方向に直交する方向に列を成す貫通導体７同士の間に形成されている。これにより、貫通導体７と信号線路３，４との間の不要なキャパシタンス成分による特性インピーダンスの低下分を、下面接地導体層６の島状の非形成部９とその直上の信号線路３，４間のキャパシタンス成分の減少による特性インピーダンスの上昇分で相殺ことができる。その結果、特性インピーダンスの不整合による信号の劣化が少なく、良好な高周波特性を得ることができる。またこの場合、非形成部９により差動信号線路８の容量が減少する部分と貫通導体７により差動信号線路８の容量が増加する部分が一致するため、効果的に容量の増加分を相殺することができ、上記相殺の効果がより効果的に発揮される。

さらに、第１の信号線路３と第２の信号線路４との間の間隔は、高周波信号の波長λの４分の１以下になっており、第１の信号線路３と第２の信号線路４とが電磁的に結合して差動信号線路８として機能することとなる。

また、差動信号線路８を挟んで形成される左右の同一面接地導体層５と下面接地導体層６とを接続する左右の貫通導体７間の距離は、高周波信号の波長λ以下が好ましい。この場合、第１の信号線路３と第２の信号線路４との電界のカップリングがさらに強くなり、コプレーナ線路構造とされた差動信号線路８においてさらに良好な高周波信号の伝送特性が実現される。

本発明の高周波基板１における誘電体基板２の材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）セラミックスやムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）セラミックス等のセラミックス，ガラスセラミックス等の無機材料、四フッ化エチレン樹脂（ポリテトラフルオロエチレン；ＰＴＦＥ），四フッ化エチレン−エチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合樹脂；ＥＴＦＥ），四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂；ＰＦＡ）等のフッ素樹脂，ガラスエポキシ樹脂，ポリフェニレンエーテル樹脂，液晶ポリエステル，ポリイミド等の樹脂材料などが用いられる。また、誘電体基板２の形状、寸法（厚み、幅、長さ）は、高周波信号の周波数や特性インピーダンスなどに応じて適宜設定される。

本発明の第１の信号線路３、第２の信号線路４は、高周波信号伝送用として適した金属の導体層から成り、例えばＣｕ層、Ｍｏ−Ｍｎ層、Ｗ層、Ｍｏ−Ｍｎメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、Ｗメタライズ層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、Ｃｒ−Ｃｕ合金層、Ｃｒ−Ｃｕ合金層上にＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、Ｔａ_２Ｎ層上にＮｉ−Ｃｒ合金層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、Ｔｉ層上にＰｔ層およびＡｕメッキ層を被着させたもの、またはＮｉ−Ｃｒ合金層上にＰｔ層およびＡｕメッキ層を被着させたものから成り、厚膜印刷法あるいは各種の薄膜形成法やメッキ処理法などにより形成される。その厚みや幅も伝送される高周波信号の周波数や特性インピーダンスなどに応じて設定される。

また、同一面接地導体層５、下面接地導体層６は、第１の信号線路３や第２の信号線路４等と同様の材料で同様の方法により形成すればよく、差動信号線路８と同一面接地導体層５との間隔、差動信号線路８と下面接地導体層６との間隔は、高周波信号の周波数や差動信号線路８の特性インピーダンスなどに応じて適宜設定される。

また、同一面接地導体層５と下面接地導体層６とを電気的に接続する複数の貫通導体７は、スルーホール導体やビアホール導体から成り、または金属板、金属棒、金属パイプ等を埋設することにより設けられる。

本発明の高周波基板１の作製は以下のように行なう。誘電体基板２がアルミナセラミックスからなる場合、まず誘電体基板２となるアルミナセラミックスのグリーンシートを準備し、これに所定の打ち抜き加工を施して貫通導体７となる貫通孔を形成する。その後、スクリーン印刷法によりＷやＭｏなどの導体ペーストを貫通孔に充填するとともに、第１の信号線路３や第２の信号線路４等となる導体パターンおよびその他の導体層となる導体パターンを印刷塗布する。次に、１６００℃で焼成を行い、最後に各導体層上にＮｉメッキおよびＡｕメッキを施すとよい。

誘電体基板２の誘電体層間に差動信号線路８および同一面接地導体層５が形成される場合、誘電体基板２の上下主面に上下面導体層を形成し、貫通導体７にて同一面接地導体層５と下面接地導体層６とを電気的に接続する構造が好ましい。

なお、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なっても何等差し支えない。例えば、下面接地導体層６に形成される島状の非形成部９は、矩形状、円形状の形状に限らず、台形状、三角形状、楕円形状等の形状であってもよい。

また、島状の非形成部９の線路方向における長さは、貫通導体７の幅（直径）と同じか、または図２に示すように貫通導体７の幅よりも小さいことが好ましい。この場合、貫通導体７と信号線路３，４との間に発生するキャパシタンス成分の増加を下面接地導体層６と信号線路３，４との間のキャパシタンス成分の減少でより確実にキャンセリングさせることができる。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明の高周波用配線基板についての実施の形態の一例を示す平面図および断面図であり、（ａ）は差動信号線路および同一面接地導体層を示す平面図、（ｂ）は下面接地導体層を示す平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。本発明の高周波用配線基板について実施の形態の他の例を示す平面図である。

符号の説明

１：高周波用配線基板
２：誘電体基板
３：第１の信号線路
４：第２の信号線路
５：同一面接地導体層
６：下面接地導体層
７：貫通導体
８：差動信号線路
９：島状の非形成部

Claims

複数の誘電体層を積層してなる誘電体基板の上面または前記誘電体層の層間に互いに平行に形成された一対の信号線路から成る差動信号線路と、該差動信号線路の両側に所定間隔をもって形成された同一面接地導体層と、前記誘電体基板の下面の全面に形成された下面接地導体層と、前記同一面接地導体層および前記下面接地導体層を電気的に接続するとともに前記差動信号線路の両側に線路方向と平行に列を成して形成された複数の貫通導体とを具備しており、前記複数の貫通導体は、前記線路方向における配列間隔が前記差動信号線路で伝送される高周波信号の波長の４分の１以下であり、前記下面接地導体層は、前記差動信号線路の前記各信号線路の直下の部位に島状の非形成部が前記線路方向に直交する方向に対を成して形成されるとともに、前記対を成す非形成部が前記線路方向に複数対形成されていることを特徴とする高周波用配線基板。
前記複数の貫通導体は、前記線路方向に直交する方向に列を成して形成されており、前記対を成す非形成部は、前記線路方向に直交する方向に列を成す前記貫通導体同士の間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の高周波用配線基板。
前記非形成部は円形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波用配線基板。
前記差動信号線路は、複数のものが平行に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高周波用配線基板。