JP6523128B2

JP6523128B2 - 高周波線路およびその製造方法

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Publication number: JP6523128B2
Application number: JP2015197495A
Authority: JP
Inventors: 聡綱島; 斉脇田; 裕之福山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-10-05
Also published as: JP2017073593A

Description

本発明は、所望とする特性インピーダンスが得られるＩＭＳＬ構成の高周波線路およびその製造方法に関する。

近年、実装の高密度化が進むにつれ、基板、パッケージを垂直方向に接続するフリップチップ実装の検討が活発化している。フリップチップ実装では、高周波応用時におけるＧＮＤ（grand）強化、実装密度向上、アイソレーション向上、コープレーナー接続におけるインピーダンス低下回避などが可能になるという利点を有している。

このような実装形態として、例えば、２次基板のマイクロストリップ線路（ＭＳＬ：Micro Strip Line）の構成を反転した、図８に示すようなＩＭＳＬ（Inverted Micro Strip Line）構成が提案されている（非特許文献１参照）。このＩＭＳＬ構成では、積層された複数の誘電体基板４０１の最上層の誘電体基板４０１の直下に内層信号線路４０２を備え、最上層の誘電体基板４０１の上にグランド導電層４０３を備えている。

ところで、ＩＭＳＬ構成においても、ＭＳＬ構成と同様に、誘電体基板４０１の誘電率、誘電体基板４０１の厚さＨ、内層信号線路４０２の幅Ｗ０などのパラメータによって、特性インピーダンスが決定される。例えば、誘電体基板４０１がアルミナセラッミックから構成され、誘電率が９．８（誘電正接ｔａｎσ＝０．００６）であり、厚さ０．２５４ｍｍの場合、内層信号線路４０２の幅が変化すると、図９に示すように反射特性が変化する。

図９において、（ａ）は、内層信号線路４０２の幅０．１６ｍｍの場合の反射特性を示し、（ｂ）は、内層信号線路４０２の幅０．１４５ｍｍの場合の反射特性を示し、（ｃ）内層信号線路４０２の幅０．１７５ｍｍの場合の反射特性を示している。なお、誘電体基板４０１は６層積層された構成とされ、層間にはグランド導電層はないものとし、有限要素法（ＨＦＳＳ）によりシミュレーションを実施した。

S. Yamaguchi et al. , "An inverted microstrip line IC structure for ultra high-speed applications", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol.3, pp.1643-1646, 1995.

上述したように、誘電率・基板厚・信号線幅等のパラメータによって特性インピーダンスが決定されることから、ＩＭＳＬ構成の高周波線路では、基板厚が決まると線路幅が決まってしまうという線路設計上の制限が生じていた。また、ＩＭＳＬ構成の高周波線路では、製造公差により基板厚や信号線幅が変動すると、特性インピーダンスが変化してしまい、所望とする高周波特性が得られないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、製造公差などにより基板厚や信号線幅が変動しても、所望とする高周波特性の高周波線路が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る高周波線路の製造方法は、第１基板の上に内層信号線路を形成する第１工程と、内層信号線路を形成した第１基板の表面上に第２基板を積層する第２工程と、内層信号線路の上方の第２基板に内層信号線路に沿って溝部を形成する第３工程と、溝部が形成された第２基板の上面に内層信号線路とマイクロストリップ線路を構成するグランド導電層を形成する第４工程とを備え、溝部の幅および深さは、内層信号線路の所望とする特性インピーダンスが得られる状態に形成する。

上記高周波線路の製造方法において、溝部は、内層信号線路の直上に形成し、グランド導電層は、溝部以外の領域に形成する。

平面視で内層信号線路を挾んで配置された２つの溝を形成するようにしても良い。

本発明に係る高周波線路は、第１基板および第１基板の上に積層された第２基板と、第１基板と第２基板との間に配置された内層信号線路と、内層信号線路の上方の第２基板に内層信号線路に沿って形成された溝部と、溝部が形成された第２基板の上面に形成されて内層信号線路とマイクロストリップ線路を構成するグランド導電層とを備え、溝部の幅および深さは、内層信号線路の所望とする特性インピーダンスが得られる状態とされている。

上記高周波線路において、溝部は、内層信号線路の直上に形成され、グランド導電層は、溝部以外の領域に形成されている。

平面視で内層信号線路を挾んで配置された２つの溝部を備えるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、内層信号線路の上方の第２基板に内層信号線路に沿って溝部を形成するようにしたので、製造公差などにより基板厚や信号線幅が変動しても、所望とする高周波特性の高周波線路が形成できるという優れた効果が得られるようになる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における高周波線路の構成を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１における高周波線路の構成を示す平面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態１における高周波線路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態１における高周波線路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｃは、本発明の実施の形態１における高周波線路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図３は、実施の形態１における高周波線路の反射特性を示す特性図である。図４Ａは、本発明の実施の形態２における高周波線路の構成を示す断面図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態２における高周波線路の構成を示す平面図である。図５Ａは、本発明の実施の形態２における高周波線路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図５Ｂは、本発明の実施の形態２における高周波線路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図６は、実施の形態２における高周波線路の反射特性を示す特性図である。図７Ａは、本発明の実施の形態３における高周波線路の構成を示す断面図である。図７Ｂは、本発明の実施の形態３における高周波線路の構成を示す平面図である。図８は、ＩＭＳＬ構成の高周波線路の構成を示す断面図である。図９は、ＩＭＳＬ構成の高周波線路における反射特性を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の次の形態１における高周波線路の構成を示す構成図である。図１Ｂは、本発明の次の形態１における高周波線路の構成を示す平面図である。

この高周波線路は、まず、第１基板１０１および第１基板１０１の上に積層された第２基板１０２と、第１基板１０１と第２基板１０２との間に配置された内層信号線路１０３とを備える。第１基板１０１および第２基板１０２は、誘電体から構成されている。

また、この高周波線路は、内層信号線路１０３の上方の第２基板１０２に内層信号線路１０３に沿って形成された溝部１０４と、溝部１０４が形成された第２基板１０２の上面に形成されて内層信号線路１０３とマイクロストリップ線路を構成するグランド導電層１０５とを備える。

実施の形態１では、溝部１０４は、内層信号線路１０３の直上に形成されている。また、溝部１０４の内部を含めて第２基板１０２の上面にグランド導電層１０５が形成されている。なお、第１基板１０１の下側にも、図示しない誘電体基板が形成されていても良い。例えば、第１基板１０１の下側には、４層の誘電体基板が積層され、全体で６層の誘電体基板が積層されたものとなっている。内層信号線路１０３の下方にもグランド導電層を備える場合、このグランド導電層と内層信号線路１０３と間隔は、内層信号線路１０３とグランド導電層１０５との間隔より離れている。

上述した構成において、溝部１０４の幅および深さは、内層信号線路１０３の所望とする特性インピーダンスが得られる状態とされているところに特徴がある。グランド導電層１０５が形成される第２基板１０２の上面に溝部１０４を設けるようにしたので、内層信号線路１０３の上に第２基板１０２を形成した後で、所定の深さおよび幅の溝部１０４を形成することで、内層信号線路１０３とグランド導電層１０５との間の電界結合強度を後から調整することができる。このように、実施の形態１によれば、内層信号線路１０３の特性インピーダンスを、第２基板１０２を形成した後で制御することができる。

次に、本発明の実施の形態１における高周波線路の製造方法を図２Ａ〜図２Ｃを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の実施の形態１における高周波線路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。

まず、図２Ａに示すように、第１基板１０１の上に内層信号線路１０３を形成する（第１工程）。例えば、アルミナセラッミックから構成した第１基板１０１の線路形成領域に溝を形成する。次いで、よく知られためっき法により銅（Ｃｕ）を堆積してＣｕ膜を形成する。この後、化学的機械的研磨法などによりＣｕ膜をエッチバックし、第１基板１０１の表面を平坦な状態として形成した溝内にＣｕが充填された状態とすることで、Ｃｕから構成された内層信号線路１０３を形成する。

次に、図２Ｂに示すように、内層信号線路１０３を形成した第１基板１０１の表面上に第２基板１０２を積層する（第２工程）。例えば、公知の貼り合わせ技術により、内層信号線路１０３を形成した第１基板１０１の貼り合わせ面（上面）に、第２基板１０２の貼り合わせ面（裏面）を貼り合わせる。

次に、図２Ｃに示すように、内層信号線路１０３の上方の第２基板１０２の上面に内層信号線路１０３に沿って溝部１０４を形成する（第３工程）。実施の形態１において、溝部１０４は、内層信号線路１０３の直上に形成する。溝部１０４の形成において、溝部１０４の幅および深さを、内層信号線路１０３の所望とする特性インピーダンスが得られる状態に形成する。

この後、溝部１０４が形成された第２基板１０２の上面にグランド導電層１０５を形成すれば、図１Ａに示す高周波線路が得られる。グランド導電層１０５は、内層信号線路１０３とマイクロストリップ線路を構成する。例えば、めっき法などによりＣｕを堆積することで、Ｃｕからなるグランド導電層１０５が形成できる。

次に、実施の形態１における高周波線路の特性のシミュレーション結果について説明する。第１基板１０１，第２基板１０２は、アルミナセラッミックから構成し、板厚Ｈは０．２５４ｍｍとした。また、溝部１０４における第２基板１０２の板厚Ｈ’は、０．２１ｍｍとした。この場合、溝部１０４の深さは、０．０４４ｍｍとなるまた、第１基板１０１の下側に、同材料，同じ厚さの４層の誘電体基板が設けられ、また、層間にはグランド導電層がないものとしている。

例えば、内層信号線路１０３の幅は、設計値は幅０．１６ｍｍであるが、製造の結果幅０．１４５ｍｍになった場合を検討する。この場合、図３の（ｂ）に示すように、所望とする３０ｄＢ以下の反射特性が得られなくなる。これに対し、幅０．１４５ｍｍに形成された内層信号線路１０３の上の第２基板１０２に、深さ０．０４４ｍｍ、幅Ｇ０．３２ｍｍの溝部１０４を形成することで、図３（ａ）に示すように、所望とする３０ｄＢ以下の反射特性が得られるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４Ａは、本発明の次の形態１における高周波線路の構成を示す構成図である。図４Ｂは、本発明の次の形態１における高周波線路の構成を示す平面図である。

また、この高周波線路は、内層信号線路１０３の上方の第２基板１０２に内層信号線路１０３に沿って形成された溝部１０４と、溝部１０４が形成された第２基板１０２の上面に形成されて内層信号線路１０３とマイクロストリップ線路を構成するグランド導電層２０５とを備える。

実施の形態２では、溝部１０４は、内層信号線路１０３の直上に形成されている。また、溝部１０４の内部を含めて第２基板１０２の上面にグランド導電層２０５が形成されている。また、実施の形態２では、グランド導電層２０５は、溝部１０４以外の領域に形成されている。なお、第１基板１０１の下側にも、図示しない誘電体基板が形成されていても良い。例えば、第１基板１０１の下側には、４層の誘電体基板が積層され、全体で６層の誘電体基板が積層されたものとなっている。内層信号線路１０３の下方にもグランド導電層を備える場合、このグランド導電層と内層信号線路１０３と間隔は、内層信号線路１０３とグランド導電層２０５との間隔より離れている。

上述した構成において、溝部１０４の幅および深さは、内層信号線路１０３の所望とする特性インピーダンスが得られる状態とされているところに特徴がある。グランド導電層２０５が形成される第２基板１０２の上面に溝部１０４を設けるようにしたので、内層信号線路１０３の上に第２基板１０２を形成した後で、所定の深さおよび幅の溝部１０４を形成することで、内層信号線路１０３とグランド導電層２０５との間の電界結合強度を後から調整することができる。このように、実施の形態２においても、内層信号線路１０３の特性インピーダンスを、第２基板１０２を形成した後で制御することができる。

次に、本発明の実施の形態２における高周波線路の製造方法を、図２Ａ、図５Ａ〜図５Ｃを用いて説明する。図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の実施の形態２における高周波線路の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。

まず、図２Ａに示すように、第１基板１０１の上に内層信号線路１０３を形成する（第１工程）。例えば、アルミナセラッミックから構成した第１基板１０１の線路形成領域に溝を形成する。次いで、よく知られためっき法により銅（Ｃｕ）を堆積してＣｕ膜を形成する。この後、化学的機械的研磨法などによりＣｕ膜をエッチバックし、形成した溝内にＣｕが充填された状態とすることで、Ｃｕから構成された内層信号線路１０３を形成する。

次に、図５Ａに示すように、内層信号線路１０３を形成した第１基板１０１の表面上に第２基板１０２を積層する（第２工程）。例えば、公知の貼り合わせ技術により、内層信号線路１０３を形成した第１基板１０１の貼り合わせ面（上面）に、第２基板１０２の貼り合わせ面（裏面）を貼り合わせる。上述した工程は、前述した実施の形態１と同様である。

次に、図５Ｂに示すように、第２基板１０２の上面にグランド導電層２０５を形成する。例えば、めっき法などによりＣｕを堆積することで、Ｃｕからなるグランド導電層２０５が形成できる。グランド導電層２０５は、内層信号線路１０３とマイクロストリップ線路を構成する。

この後、内層信号線路１０３の上方の第２基板１０２の上面に内層信号線路１０３に沿って溝部１０４を形成する（第３工程）。実施の形態２においては、グランド導電層２０５の上から溝部１０４を形成する。実施の形態２においも、溝部１０４は、内層信号線路１０３の直上に形成する。溝部１０４の形成において、溝部１０４の幅および深さを、内層信号線路１０３の所望とする特性インピーダンスが得られる状態に形成する。以上のことにより、図４Ａに示す高周波線路が得られる。

次に、実施の形態２における高周波線路の特性のシミュレーション結果について説明する。第１基板１０１，第２基板１０２は、アルミナセラッミックから構成し、板厚Ｈは０．２５４ｍｍとした。また、溝部１０４における第２基板１０２の板厚Ｈ’は、０．０３ｍｍとした。この場合、溝部１０４の深さは、０．２５１ｍｍとなるまた、第１基板１０１の下側に、同材料，同じ厚さの４層の誘電体基板が設けられ、また、層間にはグランド導電層がないものとしている。

例えば、内層信号線路１０３の幅は、設計値は幅０．１６ｍｍであるが、製造の結果幅０．１７５ｍｍになった場合を検討する。この場合、図６の（ｂ）に示すように、所望とする３０ｄＢ以下の反射特性が得られなくなる。これに対し、幅０．１７５ｍｍに形成された内層信号線路１０３の上の第２基板１０２に、深さ０．２５１ｍｍ、幅Ｇ０．０５ｍｍの溝部１０４を形成することで、図６（ａ）に示すように、所望とする３０ｄＢ以下の反射特性が得られるようになる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図７Ａは、本発明の次の形態１における高周波線路の構成を示す構成図である。図７Ｂは、本発明の次の形態１における高周波線路の構成を示す平面図である。

また、この高周波線路は、内層信号線路１０３の上方の第２基板１０２に内層信号線路１０３に沿って形成された２つの溝部３０４ａ，３０４ｂと、溝部３０４ａ，３０４ｂが形成された第２基板１０２の上面に形成されて内層信号線路１０３とマイクロストリップ線路を構成するグランド導電層３０５とを備える。溝部３０４ａおよび溝部３０４ｂは、互いに平行に配置されている。

実施の形態３において、溝部３０４ａ，３０４ｂは、平面視で内層信号線路１０３を挾んで配置されている。また、溝部３０４ａ，３０４ｂの内部を含めて第２基板１０２の上面にグランド導電層３０５が形成されている。なお、第１基板１０１の下側にも、図示しない誘電体基板が形成されていても良い。例えば、第１基板１０１の下側には、４層の誘電体基板が積層され、全体で６層の誘電体基板が積層されたものとなっている。

上述した構成において、各々の溝部３０４ａ，３０４ｂの幅および深さ、溝部３０４ａと溝部３０４ｂとの間隔は、内層信号線路１０３の所望とする特性インピーダンスが得られる状態とされているところに特徴がある。なお、実施の形態３における高周波線路は、２つの溝部３０４ａ，３０４ｂを備えるところが実施の形態１と異なる部分であり、実施の形態１における高周波線路と同様に製造できる。実施の形態３では、第１基板１０１に第２基板１０２を貼り合わせた後、第２基板１０２の上面に２つの溝部３０４ａ，３０４ｂを形成すればよい（第３工程）。

実施の形態３においても、グランド導電層３０５が形成される第２基板１０２の上面に溝部３０４ａ，３０４ｂを設けるようにしたので、内層信号線路１０３の上に第２基板１０２を形成した後で、所定の深さおよび幅の溝部３０４ａ，３０４ｂを、所定の間隔で形成することで、内層信号線路１０３とグランド導電層３０５との間の電界結合強度を後から調整することができる。このように、実施の形態３によれば、内層信号線路１０３の特性インピーダンスを、第２基板１０２を形成した後で制御することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、内層信号線路の上方の第２基板に内層信号線路に沿って溝部を形成するようにしたので、製造公差などにより基板厚や信号線幅が変動しても、所望とする高周波特性の高周波線路が形成できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、アルミナセラッミックから構成した誘電体基板を用いるようにしたが、これに限るものではなく、他の誘電体から基板を構成しても良い。また、内層信号線路をＣｕから構成したが、これに限るものではなく、他の金属などの導電材料から構成しても良い。

１０１…第１基板、１０２…第２基板、１０３…内層信号線路、１０４…溝部、１０５…グランド導電層。

Claims

第１基板の上に内層信号線路を形成する第１工程と、
前記内層信号線路を形成した前記第１基板の表面上に第２基板を積層する第２工程と、
前記内層信号線路の上方の前記第２基板に前記内層信号線路に沿って溝部を形成する第３工程と、
前記溝部が形成された前記第２基板の上面に前記内層信号線路とマイクロストリップ線路を構成するグランド導電層を形成する第４工程と
を備え、
前記溝部は、前記内層信号線路の直上に形成し、
前記グランド導電層は、前記溝部以外の領域に形成し、
前記溝部の幅および深さは、前記内層信号線路の所望とする特性インピーダンスが得られる状態に形成する
ことを特徴とする高周波線路の製造方法。
第１基板および前記第１基板の上に積層された第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に配置された内層信号線路と、
前記内層信号線路の上方の前記第２基板に前記内層信号線路に沿って形成された溝部と、
前記溝部が形成された前記第２基板の上面に形成されて前記内層信号線路とマイクロストリップ線路を構成するグランド導電層と
を備え、
前記溝部は、前記内層信号線路の直上に形成され、
前記グランド導電層は、前記溝部以外の領域に形成され、
前記溝部の幅および深さは、前記内層信号線路の所望とする特性インピーダンスが得られる状態とされている
ことを特徴とする高周波線路。