JP3493265B2

JP3493265B2 - 誘電体導波管線路および配線基板

Info

Publication number: JP3493265B2
Application number: JP25882496A
Authority: JP
Inventors: 弘志内村; 健竹之下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 2004-02-03
Anticipated expiration: 2016-09-30
Also published as: JPH10107518A

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多層配線基板や半導体パッ
ケージなどの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、同軸線路、導波
管、誘電体導波管、マイクロストリップ線路等が知られ
ている。

【０００３】また、最近では、配線回路内には、種類の
異なる線路が複数配設され、これら相互間の結合技術が
必要となっており、結合方法としても様々な方法が報告
されている。例えば、同軸線路と導波管または誘電体導
波管の結合は、同軸線路の信号線を導波管内に挿入して
結合される。その他、ストリップ線路、マイクロ波線路
との結合は、電磁結合によって行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】最近に至り、多層構造
の配線基板内に、誘電体導波管を積層技術によって形成
することが望まれており、例えば、特開平６−５３７１
１号においては、誘電体基板を一対の主導体層で挟み、
さらに導体層間を接続する二列に配設されたバイアホー
ル群によって、側壁を形成した導波管線路が提案されて
いる。この導波管線路は、誘電体材料の四方を一対の主
導体層とバイアホール群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を信号伝達用の線路としたもの
である。

【０００５】このような配線基板の内部に配設される積
層型の誘電体導波管線路を、主にマイクロ波及びミリ波
用のセラミック多層基板あるいは半導体パッケージの伝
送線路として用いる上で、基板表面に実装されたＩＣ素
子や高周波素子と接続するには、基板表面に形成される
マイクロストリップ線路やコプレーナ線路を介して接続
することが考えられるが、これまで、上記の積層型誘電
体導波管線路と他の伝送線路との結合構造については、
具体的に検討されていないのが現状であった。

【０００６】しかし、これら従来の線路には、次のよう
な問題点がある。まず、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。

【０００７】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
内径は３．７６ｍｍ×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。これに対して、その内部に誘
電体が詰まった誘電体導波管は、誘電体の比誘電率をε
とすると、導波管サイズは１／ε^１／２となるので、比
誘電率の大きい誘電体を用いることによって、導波管の
サイズを小さくすることが出来る。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。

【０００８】また、特開平６ー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。しかし、使用する周波数の
わずかな変動によって透過特性が変動するという問題が
あった。また、誘電体基板の比誘電率が低い場合、多層
基板または半導体パッケージに適用するためには、使用
する周波数が限られる。例えば、伝送線路幅を１ｍｍ以
下にするためには約１００ＧＨｚ以上の高周波域でない
と実現できない。また、多くの誘電体基板は誘電正接が
大きいため、導波管構造をとっても誘電損失が大きいと
いう問題点があった。

【０００９】従って、本発明の目的は、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
あり、積層化技術を用いて容易に作製可能な誘電体導波
管線路と配線基板を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】発明者らは、積層型の誘
電体導波管線路と他の伝送線路との結合構造について検
討を重ねた結果、誘電体導波管線路における主導体層の
一部にスロット孔を形成し、このスロット孔を介して、
他の伝送線路を対峙させることにより結合できることを
見いだしたものである。

【００１１】即ち、本発明の誘電体導波管線路は、誘電
体を挟み平行に形成された一対の主導体層と、信号伝達
方向に遮断波長以下の間隔で前記主導体層間を電気的に
接続するように形成された二列のバイアホール群とを具
備し、前記主導体層および前記バイアホール群に囲まれ
た導波管領域によって電気信号を伝達する誘電体導波管
線路において、少なくとも一方の主導体層にスロット孔
を形成してなるとともに、該スロット孔が形成された主
導体層にてコプレーナ線路を前記スロット孔と連結させ
ることによって前記誘電体導波管線路と前記コプレーナ
線路とを電磁結合させたことを特徴とするものである。

【００１２】また、誘電体基板に、誘電体導波管線路お
よびコプレーナ線路を形成してなる配線基板であって、
前記誘電体導波管線路が、誘電体を挟み平行に形成され
且つ少なくとも一方にスロット孔が形成された一対の主
導体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主
導体層間を電気的に接続するように形成された二列のバ
イアホール群とを具備するとともに、前記コプレーナ線
路を前記スロット孔が形成された主導体層にて前記スロ
ット孔と連結させることによって前記誘電体導波管線路
と前記コプレーナ線路とを電磁結合させたことを特徴と
するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照しなが
ら説明する。図１は、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はバイアホールであ
る。

【００１４】図１によれば、誘電体１を挟んで所定の間
隔ａをもって一対の主導体層２、３が平行に形成されて
いる。主導体層２、３は、誘電体１の少なくとも線路形
成位置を挟む上下面の一面に形成されている。また、主
導体層２、３間には、主導体層２、３とを電気的に接続
するバイアホール４が多数設けられている。バイアホー
ル４群は、所定間隔ｂをもって二列に配列され、かつバ
イアホールのそれぞれは、信号伝達方向、つまり線路形
成方向に所定間隔ｃをもって形成されている。

【００１５】かかる構造において、所定間隔ａに対する
制限は特にないが、シングルモードで用いる場合には、
前記間隔ｂに対して、ｂ／２程度または２ｂ程度とする
ことがよく、所定間隔ｃは、遮断波長以下の間隔に設定
されることで電気的な壁を形成している。

【００１６】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が遮蔽波長λｃ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
播することができず、反射しながら伝送線路方向に伝播
される。その結果、図１の構成によれば、主導体層２，
３および多数のバイアホール４群によって囲まれる断面
積ａ×ｂのサイズの領域Ａが誘電体導波管線路５とな
る。

【００１７】なお、バイアホール４群は二列のみなら
ず、四列あるいは六列に配設して、バイアホール４によ
る疑似的な導体壁を二重、三重に形成することにより、
導体壁からの電磁波の漏れをより防止することができ
る。

【００１８】また、かかる誘電体導波管線路において
は、主導体層２、３の間に、導波管線路の側壁を形成す
るバイアホール４と接続され、主導体層２、３と平行に
形成された副導体層６を形成することが望ましい。この
副導体層６の形成によって、導波管線路内部から見る
と、線路の側壁はバイアホール４と副導体層６によって
細かな格子状になることから、線路からの電磁波の遮蔽
効果を高めることができるのである。

【００１９】また、本発明によれば、上記誘電体導波管
線路における主導体層２、３のうち少なくとも一方に導
体を形成しないスロット孔７を形成する。このスロット
孔７は、主導体層の導波管線路における領域Ａに面する
一部に長孔として形成され、図１によれば、スロット孔
７の長手方向が導波管線路方向と平行になるように形成
されている。そして、主導体層２に形成されたスロット
孔７と対峙する位置に、高周波伝送線路としてマイクロ
ストリップ線路８が形成され、このスロット孔７を介し
て、導波管線路５とマイクロストリップ線路８とは電磁
結合される。

【００２０】かかる結合構造において、誘電体導波管線
路５におけるａ，ｂをａ≒２ｂの関係にすると誘電体１
の上下面を電界と平行になる面とするＴＥ１０を主モー
ドとして伝播する導波管と類似の構造となり、図１の結
合構造でのマイクロストリップ線路８では、ＴＥＭ波に
近いモードが伝播する。従って、具体的には、伝播させ
る電磁波の波長をλとすると、マイクロストリップ線路
８のスロットの中心から線路端までの長さをλ／４程
度、スロット孔７の長手方向長さをλ／２程度とする
と、導波管線路５と電磁結合させることができる。

【００２１】上記図１および図１の平面図である図２
（ａ）および図２（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である図２
（ｂ）は、マイクロストリップ線路８と導波管線路５と
のＴＥ１０モードによる結合構造であって、この高周波
伝送線路８は、平面的に見てスロット孔７の長手方向に
対して伝送線路方向が導波管線路の中央部で直角に交差
するように形成される。そして、マイクロストリップ線
路８と導波管線路５の端部との長さｄをλ／４程度とす
ると、端部で反射されて逆位相となった電波（図の下方
に進んだ電波）は、図の上方向に進んだ電波と同位相で
加わり、良好な特性が得られる。

【００２２】また、図３はマイクロストリップ線路８と
導波管線路５とのＴＭ１１モードによる結合構造であ
る。図３（ａ）の平面図および図３（ａ）におけるＹ−
Ｙ’断面図に示されるように、スロット孔７の長手方向
が誘電体導波管線路５の線路方向に対して直角となるよ
うに形成され、マイクロストリップ線路８をスロット孔
７の長手方向に対して伝送線路方向が導波管線路の中央
部で直角に交差するように形成される。そして、スロッ
ト孔７と導波管線路５の端部との長さｅをλ／４程度と
すると、ＴＥ１０モードの場合と同様に良好な特性が得
られる。

【００２３】図１乃至図３に示した構造によって、誘電
体導波管線路とマイクロストリップ線路とは電磁的に結
合され、両線路間の信号の伝達が可能となる。そして、
配線基板として、例えば、上記の配線基板の表面に形成
されたマイクロストリップ線路と配線基板表面に実装さ
れたＩＣ素子や高周波素子とを電気的に接続し、図１乃
至図３のとの接合構造によって、高周波導波管線路はマ
イクロストリップ線路を介してＩＣ素子や高周波伝送線
路との信号の伝達が可能となるのである。

【００２４】次に、図４は、本発明に係わり、誘電体導
波管線路とコプレーナ線路とのＴＥ１０モードによる結
合構造を示すもので（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＸ−
Ｘ’断面図である。図４によれば、主導体層２には、長
孔からなるスロット孔９が、長手方向が導波管線路５の
線路方向と平行な方向に形成されている。また、コプレ
ーナ線路９は、スロッ孔９が形成された主導体層２に形
成されており、主導体層２に形成されたスロット孔９と
直交するように連結されている。

【００２５】また、図５は、導波管線路とコプレーナ線
路とのＬＳＥモードによる結合構造を示すもので（ａ）
は平面図、（ｂ）は、そのＹ−Ｙ’断面図である。図５
によれば、主導体層２には、長孔からなるスロット孔９
が、長手方向が導波管線路５の線路方向と垂直な方向に
形成されている。また、コプレーナ線路１０は、スロッ
孔９が形成された主導体層２に形成されており、主導体
層２に形成されたスロット孔９と直交するように連結さ
れている。

【００２６】図４および図５に示した構造によって、誘
電体導波管線路５とコプレーナ線路１０とは電磁的に結
合され、両線路間の信号の伝達が可能となる。そして、
配線基板として、例えば、上記のコプレーナ線路をＩＣ
素子や高周波素子と電気的に接続し、前記コプレーナ線
路との接合構造によって、高周波導波管線路はコプレー
ナ線路を介して信号の伝達が可能となるのである。

【００２７】上記の導波管線路によれば、誘電体導波管
となるので誘電体１の比誘電率をεとすると、導波管サ
イズは通常の導波管の１／ε1/2 の大きさになる。従っ
て、誘電体１を比誘電率の大きい材料によって構成する
ほど、導波管サイズは小さくすることができ、高密度に
配線が形成される多層配線基板または半導体パッケージ
の伝送線路として利用可能な大きさになる。

【００２８】本発明における誘電体１としては、誘電体
として機能し高周波信号の伝達を妨げることのない特性
を有するものであれば、とりわけ限定するものではない
が、後述するように、線路を形成する際の精度および製
造の容易性の点からは誘電体１は、セラミックスからな
ることが望ましい。

【００２９】誘電体セラミックスとしては、これまで、
様々な比誘電率を持つセラミックスが知られているが、
本発明の導波管線路によって高周波の信号を伝達するた
めには、誘電体セラミックスは常誘電体であることが望
ましい。これは、一般に強誘電体セラミックスは、高周
波領域では誘電損失が大きく伝送損失が大きくなるため
である。従って、誘電体基板の比誘電率は４〜１００程
度が適当である。

【００３０】また、一般に配線基板やパッケージに形成
される配線層の線幅は最大でも１ｍｍであることから、
比誘電率１００の材料を用い、上部がＨ面、即ち磁界が
上下の面に平行に巻く電磁界分布になるように用いた場
合、用いることのできる最小の周波数は１５ＧＨｚと算
出され、マイクロ波領域でも利用可能となる。一方、一
般的に誘電体基板として樹脂が用いられるが、この樹脂
からなる誘電体は比誘電率が約２程度であるため、線幅
が１ｍｍの場合、約１００ＧＨｚ以上でないと利用する
ことができない。

【００３１】また、このような常誘電体セラミックスの
中には、アルミナ、シリカ等のように誘電正接が非常に
小さなものが多いが、全ての常誘電体が利用可能である
わけではない。導波管の場合、導体による損失はほとん
どなく、信号伝送時の損失のほとんどは誘電体による損
失である。誘電体による損失α（ｄＢ／ｍ）は、下記の
ように表される。

【００３２】 α＝27.3・ｔａｎδ／λ／｛１−（λ／λｃ）^２｝^１／２式中、ｔａｎδ：誘電体の誘電正接 λ ：誘電体中の波長、 λｃ：遮断波長規格化された矩形導波管（ＷＲＪシリーズ）形状に準ず
ると、数１中の｛１−（λ／λｃ）2 ｝1/2 は０．７５
程度である。従って、実用に共し得る伝送損失−１００
（ｄＢ／ｍ）以下にするには、下記数２の関係が成立す
るように誘電体を選択することが必要である。

【００３３】ｆ・ε^１／２・ｔａｎδ≦０．８式中、ｆは使用する周波数（ＧＨｚ）である。

【００３４】図１乃至図５に示した誘電体導波管線路
は、セラミックス多層化技術と同様な方法で容易に作製
できる。例えば、誘電体１を形成し得るセラミック粉末
をドクターブレード法や圧延法によってシート状成形体
（グリーンシート）を作製する。

【００３５】そして、その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各層の導体パタ
ーンに従い印刷し、また、誘電体導波管線路の側壁部を
形成するバイアホールをパンチング、レーザー等によっ
て形成し、そのホール内にメタライズインクを充填す
る。このようにして、主導体層や副導体層およびバイア
ホールが形成れた複数のグリーンシートを位置合わせし
て積層し、これらを同時焼成することにより、本発明の
導波管線路および配線基板を形成することができる。

【００３６】この同時焼成技術によって製造する場合、
例えば、誘電体セラミックスが、アルミナである場合、
主導体層、副導体層、バイアホール、高周波伝送線路
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−セラミックス等の場合には、主導
体層、副導体層、バイアホール、高周波伝送線路は、
銅、銀等によって形成すればよい。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の誘電体導波
管線路によれば、主導体層の一部にスロット孔を形成す
ることによって、容易に他の高周波伝送線路と電磁結合
することができ、信号の伝達が可能となる。しかも、か
かる構造を有する誘電体導波管線路および配線基板は、
従来のセラミックス積層技術を応用して容易に作製する
ことができ、また、比誘電率の高いセラミックスを用い
ることによって高密度配線の多層配線基板や半導体パッ
ケージ等に十分適用でき、マイクロ波からミリ波まで安
定した特性の誘電体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】誘電体導波管線路とマイクロストリップ線路と
のＴＥ１０モードの結合構造を説明するための概略斜視
図である。

【図２】図１の結合構造の（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）
のＸ−Ｘ’断面図である。

【図３】誘電体導波管線路とマイクロストリップ線路と
のＴＭ１１モードの結合構造を説明するための（ａ）平
面図および（ｂ）（ａ）のＹ−Ｙ’断面図である。

【図４】本発明における誘電体導波管線路とコプレーナ
線路とのＴＥ１０モードの結合構造を説明するための
（ａ）平面図および（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ’断面図であ
る。

【図５】本発明における導波管線路とコプレーナ線路と
のＴＭ１１モードの結合構造を説明するための（ａ）平
面図および（ｂ）（ａ）のＹ−Ｙ’断面図である。

【符号の説明】

１誘電体基板２、３主導体層４バイアホール５誘電体導波管線路６副導体層７、９スロット孔８マイクロストリップ線路１０コプレーナ線路

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 5/107 H01L 23/12 301 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体を挟み平行に形成された一対の主導
体層と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主導
体層間を電気的に接続するように形成された二列のバイ
アホール群とを具備し、前記主導体層および前記バイア
ホール群に囲まれた導波管領域によって電気信号を伝達
する誘電体導波管線路において、少なくとも一方の主導
体層にスロット孔を形成してなるとともに、該スロット
孔が形成された主導体層にてコプレーナ線路を前記スロ
ット孔と連結させることによって前記誘電体導波管線路
と前記コプレーナ線路とを電磁結合させたことを特徴と
する誘電体導波管線路。
【請求項２】誘電体基板に、誘電体導波管線路およびコ
プレーナ線路を形成してなる配線基板であって、前記誘
電体導波管線路が、誘電体を挟み平行に形成され且つ少
なくとも一方にスロット孔が形成された一対の主導体層
と、信号伝達方向に遮断波長以下の間隔で前記主導体層
間を電気的に接続するように形成された二列のバイアホ
ール群とを具備するとともに、前記コプレーナ線路を前
記スロット孔が形成された主導体層にて前記スロット孔
と連結させることによって前記誘電体導波管線路と前記
コプレーナ線路とを電磁結合させたことを特徴とする配
線基板。