JP5241591B2 - 高周波回路と高周波線路との接続構造 - Google Patents

高周波回路と高周波線路との接続構造 Download PDF

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Description

本発明は、高周波回路と高周波線路との接続構造に関するものであり、特に導線およびスロットを用いた接続構造に関するものである。
ＭＭＩＣ等の半導体素子を回路基板に実装して電気的に接続する場合、ボンディングワイヤー等の導線を用いて、回路基板のマイクロストリップ線路を構成する線路導体と半導体素子とを接続する方法が用いられているが、この方法には問題があった。
すなわち、半導体素子と回路基板上の線路導体とを導線を用いて接続すると、導線が接地電極から遠ざかることによって導線のインダクタンス成分が大きくなり、導線と線路導体との間でインピーダンスの不一致による信号の反射が生じてしまうという問題があった。この問題は、低周波領域ではある程度無視できるが、高周波領域では無視できない大きな特性劣化をもたらしてしまう。
この問題による特性劣化を低減するには、導線を接地電極に近づけるとともに、導線の長さを短くすることが必要となる。このため、回路基板に形成した凹部内に半導体素子を実装して半導体素子の接続端子面と回路基板の表面とを近づけ、これによって、導線を接地電極に近づけるとともに、導線の長さを短くする手法がある（例えば、特許文献１を参照。）。
また、線路導体上に配置した単板キャパシタに導線を接続する方法や、導線を接続する線路導体にスタブ等を形成する方法により、キャパシタンス成分を大きくしてインピーダンス整合を図る手法がある。
特開2000-22043号公報
しかしながら、上述した従来技術には次のような問題点があった。
すなわち、回路基板に凹部を形成する手法は、セラミック多層配線基板でよく用いられているが、凹部の底面が凸状になりやすく、実装した半導体素子が傾く場合があるという問題があった。また、基板の凹部の底の部分の厚みが薄くなって強度が不足する場合があるという問題があった。さらに、構造および製造工程が複雑化するという問題もあった。
また、線路導体上に配置した単板キャパシタに導線を接続する方法においては、構造および製造工程が複雑化するとともに、単板コンデンサの容量が決まっているため半導体素子の実装ずれに伴う導線長のばらつきによるインダクタンスの変動を補正することができないという問題があった。
さらに、導線を接続する線路導体にスタブ等を形成する方法においては、導線のインダクタンス成分が大きくなればなるほどインピーダンスマッチングできる周波数帯域が狭くなり、スタブのサイズや位置に敏感となる。このため、回路基板に高い寸法精度が要求されるので、多くの場合は薄膜基板が用いられる。これにより、厚膜印刷基板と比較して製造工程および製造コストが増加するという問題があった。
本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、半導体素子等の高周波回路と回路基板等に形成された高周波線路との単純で製造が容易な接続構造を提供することにある。
本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造は、誘電体基板と、該誘電体基板の一方主面または内部に配置された線路導体と、前記誘電体基板の他方主面に一方主面が接するように配置された、高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能するスロットが形成された接地導体と、該接地導体の他方主面側に前記スロットに隣接して配置された、前記高周波信号の入力および出力の少なくとも一方のための高周波信号端子を有する高周波回路が内蔵された高周波部品と、一方端が前記高周波信号端子に接続されて前記高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能する導線とを備え、前記線路導体は、前記スロット上を横断するように配置されており、前記スロットと電磁気的に結合するとともに、前記誘電体基板および前記接地導体とともに前記高周波信号を伝送する高周波線路を構成しており、前記高周波信号端子は、前記高周波部品における前記接地導体に面した側と反対側の主面に配置されており、前記導線はボンディングワイヤであり、前記導線が前記接地導体の他方主面側に前記スロット上を横断するように配置されて、前記高周波回路と前記高周波線路とが電磁気的に接続されることを特徴とするものである。
また、本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造は、上記構成において、前記導線は、他方端が前記接地導体から離れて空中に浮いた状態とされて非接地端とされており、電気長が前記高周波信号の波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）であることを特徴とするものである。
さらに、本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造は、上記構成において、前記誘電体基板の前記他方主面における前記スロットを間に挟んで前記高周波信号端子と反対側に、前記接地導体から絶縁された島状導体が配置されており、該島状導体に前記導線の前記他方端が接続されていることを特徴とするものである。
なお、本明細書において、導線とは線状または帯状の導体のことであり、例えばリボンワイヤーのようなものも含むものである。また、電磁気的に接続するとは、電磁波を介して高周波信号が導通するようにすることである。さらに、線路導体がスロット上を横断するとは、線路導体がスロットと間を開けて配置されているとともに、平面視したとき（スロットの重心における法線方向から見たとき）に、線路導体がスロットの対向する２つの長辺の両方と交わることを意味する。同様に、導線がスロット上を横断するとは、導線がスロットと間を開けて配置されているとともに、平面視したときに、導線がスロットの対向する２つの長辺の両方と交わることを意味する。
また、スロットにおける高周波信号の波長は、例えば、誘電体基板の比誘電率がεｒであり、接地導体の他方主面側のスロットの周囲が空気で満たされている場合の、スロットにおける波長λは、真空中における波長をλ０とすると、λ＝λ０／｛（εｒ＋１）／２｝１／２程度となる。
本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、誘電体基板および接地導体とともに高周波信号を伝送する線路導体は、接地導体の一方主面側にスロット上を横断するように配置されて、高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能するスロットと電磁気的に結合するとともに、高周波回路の高周波信号端子に接続されて高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能する導線は、接地導体の他方主面側にスロット上を横断するように配置されている。これにより、導線から送信される高周波信号をスロットで受信することができ、また、スロットから送信される高周波信号を導線で受信することができるので、高周波回路と高周波線路とが電磁気的に良好に接続される。よって、従来の構造で必要であった回路基板の凹部や、単板キャパシタおよびスタブ等の整合素子が全て不要になり、薄膜基板を用いる必要もないので、単純で製造が容易な高周波回路と高周波線路との接続構造を得ることができる。
また、本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、導線およびスロットの両方がアンテナとして機能することから、導線とスロットとの位置関係が導線とスロットとの間の高周波信号の伝送特性に与える影響が小さい。このため、導線とスロットとの位置関係をある程度自由に設定できるとともに、製造ばらつきの影響が小さくなる。よって、設計の自由度が高く、製造が容易な高周波回路と高周波線路との接続構造を得ることができる。
さらに、本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、導線は、他方端が接地導体と絶縁されて非接地端とされているとともに、電気長が高周波信号の波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）であるときには、導線がモノポールアンテナとして良好に機能するので、高周波回路と高周波線路とをさらに良好に電磁気的に接続することができる。
またさらに、本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、スロットの長さがスロットにおける高周波信号の波長のｎ／２倍（ｎは自然数）であるときには、スロットがアンテナとして良好に機能するので、高周波回路と高周波線路とをさらに良好に電磁気的に接続することができる。
本発明の実施の形態の第１の例の高周波回路と高周波線路との接続構造を模式的に示す外観斜視図である。 図１に示す高周波回路と高周波線路との接続構造を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施の形態の第２の例の高周波回路と高周波線路との接続構造を模式的に示す外観斜視図である。 本発明の実施の形態の第１の例の高周波回路と高周波線路との接続構造の電気特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
以下、本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態の第１の例）
図１は本発明の実施の形態の第１の例の高周波回路と高周波線路との接続構造を模式的に示す外観斜視図である。図２は図１に示す高周波回路と高周波線路との接続構造を模式的に示す縦断面図である。
本例の高周波回路と高周波線路との接続構造は、図１および図２に示すように、誘電体基板21と、線路導体22と、接地導体23と、スロット30と、高周波部品40と、高周波信号端子41と、導線50とを備えている。
誘電体基板21は、複数の誘電体層が積層されて構成されている。線路導体22は、誘電体基板21の一方主面に配置されている。接地導体23は、誘電体基板21の他方主面に接地導体23の一方主面が接するように配置されている。また、接地導体23には、高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能するスロット30が形成されている。また、線路導体22は、スロット30上を横断するように配置されてスロット30と電磁気的に結合しており、誘電体基板21および接地導体23とともに高周波信号を伝送するマイクロストリップライン型の高周波線路を構成している。また、線路導体22の一方端はスロット30の近傍で解放終端とされており、線路導体22の他方端は誘電体基板21の端部に至っている（実際には線路導体22の他方端は高周波信号を伝送すべき他の回路に接続される。）。
高周波部品40は接地導体23の他方主面側にスロット30に隣接して配置されている。また、高周波部品40は高周波回路（図示せず）を内蔵しており、高周波回路の高周波信号端子41が高周波部品40の上面に配置されている。高周波信号端子41は、高周波信号の入力および出力のために利用される。導線50は、一方端が高周波信号端子41に接続されるとともに他方端が接地導体23から離れて空中に浮いた状態とされており、高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能する。また、導線50は、接地導体23の他方主面側にスロット30上を横断するように配置されている。
なお、線路導体22および導線50のそれぞれは、接地導体23およびスロット30と間隔を開けて配置されているとともに、平面視したときに、スロット30の長さ方向の中央でスロット30の対向する２つの長辺の両方と直交するように配置されている。
このような構成を備える本例の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、線路導体22が接地導体23の一方主面側にスロット30上を横断するように配置されて、高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能するスロット30と電磁気的に結合するとともに、高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能する導線50が接地導体23の他方主面側にスロット30上を横断するように配置されている。このため、高周波部品40に内蔵された高周波回路の高周波信号端子41に接続された導線50から送信される高周波信号をスロット30で受信することができ、また、高周波線路を構成する線路導体22と電磁気的に結合したスロット30から送信される高周波信号を導線50で受信することができる。これにより、高周波部品40に内蔵された高周波回路と、誘電体基板21，線路導体22および接地導体23からなる高周波線路とが電磁気的に良好に接続されるので、従来の構造で必要であった回路基板の凹部や、単板キャパシタおよびスタブ等の整合素子が全て不要になり、且つ薄膜基板を用いる必要もないので、単純で製造が容易な高周波回路と高周波線路との接続構造を得ることができる。
また、本例の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、導線50およびスロット30の両方がアンテナとして機能することから、導線50とスロット30との位置関係が導線50とスロット30との間の高周波信号の伝送特性に与える影響が小さい。このため、導線50とスロット30との位置関係をある程度自由に設定できるとともに、製造ばらつきの影響が小さくなる。よって、設計の自由度が高く、製造が容易な高周波回路と高周波線路との接続構造を得ることができる。
さらに、本例の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、導線50は、他方端が接地導体23から離れて空中に浮いた状態とされて非接地端になっているとともに、電気長が高周波信号の波長の１／４倍に設定されている。よって、導線50がモノポールアンテナとして良好に機能するので、高周波部品40に内蔵された高周波回路と、誘電体基板21，線路導体22および接地導体23からなる高周波線路とをさらに良好に電磁気的に接続することができる。
またさらに、本例の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、スロット30の長さはスロット30における高周波信号の波長の１／２倍に設定されていることから、スロット30がアンテナとして良好に機能するので、高周波部品40に内蔵された高周波回路と、誘電体基板21，線路導体22および接地導体23からなる高周波線路とをさらに良好に電磁気的に接続することができる。
さらにまた、本例の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、平面視したときに導線50がスロット30の長さ方向と直交するように配置されていることから、導線50から発生する電磁波における電界および磁界の向きとスロット30から発生する電磁波における電界および磁界の向きとが水平方向において一致するので、高周波部品40に内蔵された高周波回路と、誘電体基板21，線路導体22および接地導体23からなる高周波線路とをさらに良好に電磁気的に接続することができる。
またさらに、本例の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、平面視したときに線路導体22がスロット30の長さ方向と直交するように配置されていることから、線路導体22の周囲に生じる磁界の向きとスロット30から発生する電磁波における磁界の向きとが水平方向において一致するので、線路導体22とスロット30とを良好に電磁気的に結合することができる。
本例の高周波回路と高周波線路との接続構造において、誘電体基板21の材質としては、高周波信号の伝送を妨げない特性を有するものであれば特に限定するものではなく、ガラスエポキシ等の樹脂を使用することも可能であるが、加工精度および製造の容易性の点からは誘電体セラミックスを使用することが望ましい。また、誘電体基板21の比誘電率は、例えば２〜20程度に設定される。
線路導体22および接地導体23は、例えば、アルミニウムや銅などの良導電性の金属を使用でき、その厚みは、例えば、３μｍ〜50μｍ程度とされる。また、スロット30は、接地導体23を貫通するように形成され、高周波信号の周波数に応じて、例えば、幅が0.05ｍｍ〜0.5ｍｍ程度、長さが0.3ｍｍ〜４ｍｍ程度の矩形状に形成される。
このような線路導体22および接地導体23が配置された誘電体基板21は、例えば、次のようにして作製することができる。まず、ガラス，アルミナ，窒化アルミニウム等を主成分とするセラミック原料粉末に適当な有機溶剤と溶媒とを添加混合して得た泥漿を用いて、ドクターブレード法やカレンダーロール法等によってセラミックグリーンシートを作製する。次に、金属粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシア等の酸化物や有機溶剤等を添加混合してペースト状にしたものを、厚膜印刷法によりセラミックグリーンシートの表面に塗布して導体ペースト付きセラミックグリーンシートを作製する。次に、得られた導体ペースト付きセラミックグリーンシートを積層し、ホットプレス装置を用いて圧着して積層体を形成する。そして、得られた積層体を、誘電体基板21がガラスセラミックスの場合は850℃〜1000℃程度、アルミナ質セラミックスの場合は1500℃〜1700℃程度、窒化アルミニウム質セラミックスの場合は1600℃〜1900℃程度のピーク温度で焼成することによって作製される。なお、金属粉末としては、誘電体基板21がガラスセラミックスの場合は銅，金または銀が、誘電体基板21がアルミナ質セラミックスまたは窒化アルミニウム質セラミックスの場合にはタングステンまたはモリブデンが好適である。
高周波回路が内蔵されて高周波信号端子41が配置された高周波部品40としては、例えば半導体素子等の電子部品を例示することができる。導線50は、例えば金，アルミニウム等の金属線からなり、例えば0.01ｍｍ〜0.05ｍｍ程度の太さとされ、例えばワイヤボンダを用いて容易に形成することができる。導線50の他方端を宙に浮かせるには、例えば、導線50の一方端を高周波信号端子41に接続した後に、導線50の他方端を接続する場所の状態およびワイヤボンダの設定を調整することにより、導線50の他方端が接続されないようにすればよく、導線50の弾性によって導線50の他方端を宙に浮かせることができる。さらに、導線50およびその周囲を樹脂で被覆して固定することにより、導線50の形状を安定化することができる。
（実施の形態の第２の例）
図３は本発明の実施の形態の第２の例の高周波回路と高周波線路との接続構造を模式的に示す外観斜視図である。なお、本例においては前述した第１の例と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。
本例の高周波回路と高周波線路との接続構造においては、図３に示すように、接地導体23のスロット30を間に挟んで高周波信号端子41と反対側に、接地導体23から絶縁された島状導体60が配置されており、その島状導体60に導線50の他方端が接続されている。なお、島状導体60は誘電体基板21の他方主面における接地導体23に形成された貫通孔の中央に接地導体23から離して配置されている。
このような構成を備える本例の高周波回路と高周波線路との接続構造によれば、接地導体23のスロット30を間に挟んで高周波信号端子41と反対側に接地導体23から絶縁されて配置された島状導体60に導線50の他方端が接続されていることから、導線50の両端を固定することができるので、導線50の形状が安定して信頼性に優れた高周波回路と高周波線路との接続構造を得ることができる。
（変形例）
本発明は前述した実施の形態の第１，第２の例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において種々の変更，改良が可能である。
例えば、前述した実施の形態の例においては、高周波回路が内蔵された高周波部品40が接地導体23に配置された例を示したが、高周波回路が内蔵された高周波部品40が接地導体23の他方主面に配置された他の誘電体基板に配置されるようにしても構わない。また、接地導体23の他方主面に配置された他の誘電体基板に形成されたストリップ線路等によって高周波回路が構成されていても構わない。
また、前述した実施の形態の例においては、スロット30の長さがスロット30における高周波信号の波長の１／２倍である例を示したが、ｎ／２倍（ｎは自然数）であればよいため、例えば、高周波信号の波長と同じ長さや高周波信号の波長の３／２倍等にしても構わない。
さらに、前述した実施の形態の例においては、線路導体22および導線50のそれぞれは、平面視したときにスロット30の長さ方向の中央でスロット30と直交する例を示したが、スロット30と斜めに交わるようにしてもよく、また、スロット30の長さ方向の中央からずれた場所で交わるようにしても構わない。
またさらに、前述した実施の形態の第２の例においては、島状導体60が接地導体23に形成された貫通孔の中央に接地導体23から離して配置された例を示したが、例えば、接地導体23上に絶縁体を介して島状導体60が配置されるようにしても構わない。
さらにまた、前述した実施の形態の例においては、スロット30が矩形の場合を示したが、スロットして機能すれば他の形状でもよく、例えば、長円型やダンベル型のスロット30としても構わない。
またさらに、前述した実施の形態の例においては、線路導体22が誘電体基板21の一方主面に配置されて、線路導体22，誘電体基板21および接地導体23によってマイクロストリップライン型の高周波線路が構成された例を示したが、これに限るものではない。例えば、誘電体基板21の一方主面の線路導体22の幅方向の両側に間隔をあけて更に２つの接地導体を配置して、線路導体22，誘電体基板21，接地導体23および線路導体22の幅方向の両側に配置された２つの接地導体によって、アンダーグラウンド付きコプレーナ線路型の高周波線路を構成するようにしても構わない。また、線路導体22が誘電体基板21の内部に配置されるようにしてもよい。さらに、線路導体22を誘電体基板21の内部に配置するとともに、誘電体基板21の一方主面に第２の接地導体を配置して、線路導体22，誘電体基板21，接地導体23および第２の接地導体によってストリップライン型の高周波線路を構成しても構わない。
次に、本発明の高周波回路と高周波線路との接続構造の具体例について説明する。
図１，図２に示した実施の形態の第１の例の高周波回路と高周波線路との接続構造における電気特性を電磁場解析によるシミュレーションによって算出した。算出条件としては、誘電体基板21の比誘電率および厚みをそれぞれ9.4および0.15ｍｍとした。接地導体23の厚みは0.01ｍｍとした。スロット30は、幅が0.09ｍｍで長さが0.85ｍｍの矩形状とした。線路導体22は、厚みが0.01ｍｍで幅が0.14ｍｍとし、解放端とされている一方端がスロット30の幅方向の中央から0.275ｍｍの距離に位置するようにした。高周波部品40は比誘電率が9.5で厚みが0.1ｍｍの誘電体としてモデル化し、高周波信号端子41は高周波部品40の上面に配置された一辺が0.1ｍｍの正方形状とした。導線50の長さは0.913ｍｍとし、導線50の他方端が接地導体23から0.05ｍｍ離れて宙に浮いた状態とした。
そして、高周波信号端子41をポート１とし、線路導体22の他方端をポート２として、通過特性（Ｓ12）および反射特性（Ｓ11，Ｓ22）を算出した。図４はその結果を示すグラフであり、横軸は周波数を表し、縦軸は減衰量を表している。図４に示すグラフによれば、76ＧＨｚ付近において、Ｓ11は−20ｄＢを超えるとともにＳ22も−15ｄＢを超えてインピーダンスが良好に整合しており、且つ伝送損失も少ない良好な接続特性が得られていることがわかる。これにより本発明の有効性が確認できた。
21：誘電体基板
22：線路導体
23：接地導体
30：スロット
41：高周波信号端子
50：導線

Claims (3)

  1. 誘電体基板と、
    該誘電体基板の一方主面または内部に配置された線路導体と、
    前記誘電体基板の他方主面に一方主面が接するように配置された、高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能するスロットが形成された接地導体と、
    該接地導体の他方主面側に前記スロットに隣接して配置された、前記高周波信号の入力および出力の少なくとも一方のための高周波信号端子を有する高周波回路が内蔵された高周波部品と、
    一方端が前記高周波信号端子に接続されて前記高周波信号を送信および受信可能なアンテナとして機能する導線とを備え、
    前記線路導体は、前記スロット上を横断するように配置されており、前記スロットと電磁気的に結合するとともに、前記誘電体基板および前記接地導体とともに前記高周波信号を伝送する高周波線路を構成しており、
    前記高周波信号端子は、前記高周波部品における前記接地導体に面した側と反対側の主面に配置されており、
    前記導線はボンディングワイヤであり、前記導線が前記接地導体の他方主面側に前記スロット上を横断するように配置されて、前記高周波回路と前記高周波線路とが電磁気的に接続されることを特徴とする高周波回路と高周波線路との接続構造。
  2. 前記導線は、他方端が前記接地導体から離れて空中に浮いた状態とされて非接地端とされており、電気長が前記高周波信号の波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）であることを特徴とする請求項１に記載の高周波回路と高周波線路との接続構造。
  3. 前記誘電体基板の前記他方主面における前記スロットを間に挟んで前記高周波信号端子と反対側に、前記接地導体から絶縁された島状導体が配置されており、該島状導体に前記導線の前記他方端が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波回路と高周波線路との接続構造。
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