JP7067640B2

JP7067640B2 - 電磁バンドギャップ構造、及び、パッケージ構造

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Description

本発明は、電磁バンドギャップ構造、及び、パッケージ構造に関する。

近年、スマートフォン等、モバイル端末機器の普及による端末数の増大に加えて、動画のストリーミング等の大容量通信が拡大することによって、通信トラフィック（＝端末当たりの通信量×接続数）が急増している。このような中、広大な周波数帯域を持つサブテラヘルツ帯（一般に１００ＧＨｚ以上）を利用して、大容量通信を実現することが期待されている。

関連技術におけるミリ波帯等の高周波数帯モジュールには、多層化し易く設計の自由度が高いＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）が広く使用されている。また、材料が本質的に低損失であること、及び、低い誘電率（波長短縮効果の低減）に起因して、伝送損失が低損失であることから、樹脂基板が使用されることも多い。樹脂基板は、例えば、ＰＴＦＥ（PolyTetraFluoroEthylene）やＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer）などである。

サブテラヘルツ帯では波長が非常に小さいため、高周波信号の伝送線路等にはより高い加工精度が要求される。また、増幅器等の半導体素子の利得性能に余裕がないことから、より効率の良い高周波数信号伝送が重要となる。そのため、パッケージに使用される材料には、低損失であることが求められている。ミリ波帯で一般的なＬＴＣＣは、寸法精度があまり高くないこと、及び、損失が比較的大きいことから、サブテラヘルツ帯への適用は難しい。一方、樹脂基板は低損失ではあるものの、剛性が低く実装方法に制限があること、及び、寸法精度があまり高くないことから、同様に、サブテラヘルツ帯への適用は難しい。

剛性及び寸法精度が高く、低損失、且つ、低誘電率な基板材料として石英ガラスがある。しかしながら、石英ガラスは、ビアホールの形成が難しいことから、これまでは限られた用途での使用に留まり、広く使用されるまでには至らなかった。近年、ビアホール形成技術の進展により、微細なビアホールを精度よく形成できるようになってきた結果、ミリ波帯パッケージへの石英ガラスの使用が増えつつある。

高周波数帯モジュールにおいては、例えば、パッケージ上に形成された送受信アンテナ間や、パッケージ上に実装された送受信ＩＣ間には、高周波特性の悪化を抑制するためにアイソレーションを確保する必要がある。

アイソレーション確保のための構造として、非特許文献１には、本願の図７に示す電磁バンドギャップ（ＥＢＧ：Electro-magnetic Band Gap）構造１が開示されている。

ＥＢＧ構造１において、多数のマッシュルーム型の共振器２が平面上で周期的に形成されている。横方向としてのＸ方向のピッチをピッチＬ_Ｘで示し、縦方向としてのＹ方向のピッチをピッチＬ_Ｙで示している。複数の共振器２は、Ｘ方向ではピッチＬ_Ｘの周期で、Ｙ方向ではピッチＬ_Ｙの周期で、配置されている。

共振器２は、誘電体基板３の下面、及び、上面それぞれに形成された導体層４と周囲の導体層と電気的に隔離された矩形のパッチ導体５、導体層４とパッチ導体５とを電気的に接続するビアホール６とから構成される。

共振器２の共振周波数近傍では、ＥＢＧ構造１の上面が高インピーダンスになる。その結果、ＥＢＧ構造１の上面を表面波が伝搬できなくなるため、ＥＢＧ構造１により隔てられた２点間のアイソレーションを確保することができる。共振器２の共振周波数は、近似的には、パッチ導体５と導体層４間の容量とビアホール６のインダクタンスとが並列共振する周波数である。ここで、近似的には、容量はパッチ導体５の面積Ｌ^２に比例し、インダクタンスは誘電体基板３の厚さＴ_０に相当するビアホール６の長さに比例する。

また、共振器２のピッチＬ_Ｘ、Ｌ_Ｙは、隣り合う２つの共振器の間に異なる共振器構造が形成されないようにするため、少なくとも誘電体基板３と導体層４とから成る構造における表面波の１／２波長以下であることが望ましい。

電子情報通信学会通信ソサイエティマガジン、２０１０冬号、Ｎｏ．１５、ｐｐ．１８－２４

ビアホール６がインダクタンスとして動作するためには、ビアホール６の長さＴ_０は誘電体基板内における電磁波の１／４波長以下である必要がある。先述した通り、ＬＴＣＣ、ＰＴＦＥ、及び、ＬＣＰでは、多層化が容易である。そのため、仮に、これらをサブテラヘルツ帯に適用した場合に、所望の誘電体基板の厚さ（ビアホールの長さ）が非常に小さくても、その下に別の誘電体基板を積層することにより基板全体としての厚さを大きくすることができる。即ち、基板全体の強度を確保することができる。

一方、サブテラヘルツ帯での利用が期待される石英ガラスを使用する場合、例えば、１５０ＧＨｚでの電磁波の波長の１／４は、０．２６ｍｍ（比誘電率３．８）と非常に小さくなる。剛性があり割れ易いことから多層化が難しい石英ガラス基板では、所望の基板厚が非常に小さくなるため、基板の強度確保が課題であった。

本開示の目的は、上述した課題の何れかを解決する電磁バンドギャップ構造を提供することにある。

本開示の一実施形態によれば、複数の共振器を備える電磁バンドギャップ構造が提供される。前記共振器は、第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の上面に形成されたパッチ導体と、前記第１の誘電体基板の下面に形成された第１の導体層と、を含む。前記共振器は、前記パッチ導体と前記第１の導体層が前記第１の誘電体基板を貫通するビアホールにより電気的に接続されて構成されている。前記第１の誘電体基板の下面には、前記第１の誘電体基板を貫通しない複数の長孔が形成されている。前記複数の長孔の内壁面に長孔導体層が形成されている。前記第１の導体層と前記長孔導体層が電気的に互いに接続されることにより一体の導体面が構成されている。前記ビアホールは、前記長孔において、前記導体面と電気的に接続されている。

本開示によれば、マッシュルーム型の共振器から成る電磁バンドギャップ構造において、以下の効果を発揮する。即ち、誘電体基板内に局所的な溝構造を形成することにより、誘電体基板全体を薄くすることなく、基板の機械的な強度を確保しつつ、より高周波数帯までのアイソレーションを確保することができる。

ＥＢＧ構造の平面図である。（第１実施形態）図１ＡのＸ１－Ｘ２線断面図である。（第１実施形態）図１ＡのＸ３－Ｘ４線断面図である。（第１実施形態）ＥＢＧ構造の平面図である。（第２実施形態）図２ＡのＸ５－Ｘ６線断面図である。（第２実施形態）図２ＡのＹ１－Ｙ２線断面図である。（第２実施形態）ＥＢＧ構造の平面図である。（第３実施形態）図１Ｂに対応する図である。（第４実施形態）ＥＢＧ構造を有するパッケージ構造の平面図である。（第５実施形態）図５ＡのＸ７－Ｘ８線断面図である。（第５実施形態）図５ＡのＹ３－Ｙ４線断面図である。（第５実施形態）ＥＢＧ構造を有するパッケージ構造の平面図である。（第６実施形態）図６ＡのＸ９－Ｘ１０線断面図である。（第６実施形態）図６ＡのＹ５－Ｙ６線断面図である。（第６実施形態）関連技術におけるＥＢＧ構造図である。本開示の溝構造によるアイソレーション特性の上限周波数の改善効果を示す解析結果のグラフである。

（第１実施形態）
以下、図１Ａから図１Ｃを参照して、第１実施形態を説明する。図１Ａは、ＥＢＧ構造１の平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＸ１－Ｘ２線断面図である。図１Ｃは、図１ＡのＸ３－Ｘ４線断面図である。

電磁バンドギャップ構造としてのＥＢＧ構造１は、複数の共振器２を備えている。複数の共振器２は、何れも、マッシュルーム型である。複数の共振器２は、ＥＢＧ構造１の平面視においてマトリクス状に配置されている。即ち、複数の共振器２は、Ｘ方向に所定のピッチとなり、Ｙ方向に所定のピッチとなるように、平面上に周期的に配置されている。複数の共振器２のＸ方向におけるピッチをピッチＬ_Ｘで示し、Ｙ方向におけるピッチをピッチＬ_Ｙで示している。

各共振器２は、石英ガラスから成る誘電体基板３（第１の誘電体基板）と、誘電体基板３の下面３ａに形成された導体層４（第１の導体層）と、誘電体基板３の上面３ｂに形成されたパッチ導体５と、ビアホール６と、により構成されている。ビアホール６は、導体層４とパッチ導体５を電気的に接続するものである。ビアホール６は、誘電体基板３の板厚方向に沿って延びており、誘電体基板３を貫通している。ビアホール６は、誘電体基板３の下面３ａに形成された導体層４から、誘電体基板３の上面３ｂに形成されたパッチ導体５まで延びている。パッチ導体５は平面視で円形であり、その外径を直径Ｄ_１で示している。ビアホール６の外径を直径Ｄ_２で示している。

前述のピッチＬ_Ｘ及びピッチＬ_Ｙは、隣り合う２つの共振器２の間に異なる共振器構造が形成されないよう、少なくとも誘電体基板３と導体層４から成る構造を伝搬する表面波の波長の１／２以下とすることが好ましい。

共振器２の共振周波数は、近似的に、パッチ導体５と導体層４の間の容量とビアホール６のインダクタンスによる並列共振により決まり、パッチ導体５と導体層４の間の容量が大きくなると共振器２の共振周波数は低下する。従って、所望の共振周波数を得つつ、誘電体基板３の厚さＴ_０をできるだけ大きくするためには、パッチ導体５と導体層４の間の容量をできるだけ小さくすること、即ち、パッチ導体５の平面視における面積をできるだけ小さくすることが望ましい。一般的なビアホール６の製造プロセスでは、ビアホール６を受けるランド導体としてパッチ導体５が必要となる。パッチ導体５の平面視における形状は、限定されない。共振周波数をできるだけ高くするためには、パッチ導体５の平面視における形状は、パッチ導体５の平面視における面積を最小化するのに都合がよい円形であることが望ましい。

誘電体基板３の下面３ａには、溝構造７が形成されている。溝構造７は、誘電体基板３の下面３ａを格子状に彫り込むことにより形成されている。溝構造７は、誘電体基板３の下面３ａを部分的に凹ませることにより形成された底面視で格子状の凹みである。

溝構造７は、複数の長孔７ａ及び複数の長孔７ｂによって構成されている。複数の長孔７ａ及び複数の長孔７ｂは、誘電体基板３の下面３ａに形成されている。複数の長孔７ａ及び複数の長孔７ｂは、何れも、誘電体基板３の下面３ａに形成された窪みであって、誘電体基板３を貫通していない。複数の長孔７ａ及び複数の長孔７ｂは、互いに交差して格子状となるように形成されている。複数の長孔７ａは、Ｘ方向に延びる窪みである。複数の長孔７ｂは、Ｙ方向に延びる窪みである。複数の長孔７ａは、Ｙ方向においてピッチＬ_Ｙで配置されている。複数の長孔７ｂは、Ｘ方向においてピッチＬ_Ｘで配置されている。図１に示す平面視で、複数の長孔７ａと複数の長孔７ｂは、複数の共振器２のビアホール６と重複する領域において交差している。即ち、図１に示す平面視で、複数の長孔７ａと複数の長孔７ｂは、何れも、何れかのビアホール６を交差している。

溝構造７の内壁面にはメッキ処理等により長孔導体層５０が形成されている。そして、溝構造７を区画する長孔導体層５０と導体層４は電気的に互いに接続されている。即ち、溝構造７を区画する長孔導体層５０と導体層４は、一つの導体面５１を構成している。各共振器２のビアホール６は、図１に示す平面視において、複数の長孔７ａと複数の長孔７ｂの何れかと重複する位置において、導体面５１と電気的に接続されている。

図１Ｂには、溝構造７の深さを深さＤ_３で示している。誘電体基板３の下面３ａに溝構造７を形成したことで、以下の効果を発揮する。即ち、誘電体基板３の全体的な厚さＴ_０を小さくすることなく、ビアホール６のインダクタンスに対して支配的に寄与するビアホール６周囲の誘電体基板３の実効的な厚さを局所的に小さくすることができる。なお、誘電体基板３の実効的な厚さとは、ビアホール６の直径Ｄ_２、ピッチＬ_Ｘ、ピッチＬ_Ｙに依存し、Ｔ_０とＴ_１（＝Ｔ_０－Ｄ_３）の間の大きさとなる。その結果、誘電体基板３の厚さＴ_０を大きくしても、共振器２について所望の共振周波数を得ることができる。

また、溝構造７は、複数の長孔７ａ及び複数の長孔７ｂを格子状に組み合わせることで構成している。従って、例えば、誘電体基板３の板厚を全体的に薄くした場合と比較して、誘電体基板３の強度を確保することができる。

ここで、石英ガラス基板に溝構造を形成する方法を例示する。溝構造は、前述したように、複数の長孔を格子状に形成して構成されている。各長孔は、石英ガラス基板を貫通しない非貫通状のビアホールを、Ｘ方向及びＹ方向においてビアホールの半径程度のピッチで複数形成することにより形成することができる。

次に、ビアホールの形成方法を例示する。まず、形成するビアホールの中心位置にフェムト秒レーザーを照射して、その焦点を石英ガラス基板を貫通しないように走査することにより、石英ガラス基板を部分的に改質する。次に、石英ガラス基板をフッ酸処理する。すると、石英ガラス基板の改質された部分は選択的に早くエッチングされ、その後、石英ガラス基板は等方的に緩やかにエッチングされる。これにより、石英ガラス基板に非貫通状のビアホールを形成することができる。上述したようにビアホールをＸ方向及びＹ方向においてビアホールの半径程度のピッチで複数配置しているため、等方的なエッチングの過程で隣接するビアホール同士が繋がり、もって、複数の長孔が形成されることになる。なお、貫通状のビアホールは、石英ガラス基板を貫通するように焦点を走査することで形成すればよい。

図８には、誘電体基板に第１実施形態の溝構造が形成された場合（図中、溝構造有で示す）、及び、形成されていない場合（図中、溝構造無）について、ＥＢＧ構造によりＸ方向に隔てられた２点間のアイソレーション特性を電磁界解析した結果を示す。

誘電体基板として石英ガラス基板を想定し、厚さＴ_０は実際の試作において十分な強度が得られた０．３５ｍｍとした。パッチ導体の直径Ｄ_１を０．２ｍｍ、ビアホールの直径Ｄ_２を０．１ｍｍ、共振器のピッチＬ_Ｘを０．４５ｍｍ、ピッチＬ_Ｙを０．４５ｍｍ、共振器のＸ方向における個数及びＹ方向における個数を５つとした。また、溝構造の深さＤ_３は０．１ｍｍとした。図８によれば、誘電体基板の下面に溝構造を設けることにより、より高い周波数までアイソレーションを確保できたことが確認された。

（第２実施形態）
以下、図２Ａから図２Ｃを参照して、第２実施形態を説明する。図２Ａは、ＥＢＧ構造の平面図である。図２Ｂは、図２ＡのＸ５－Ｘ６線断面図である。図２Ｃは、図２ＡのＹ１－Ｙ２線断面図である。

上記の第１実施形態では、ＥＢＧ構造１は、複数の長孔７ａ及び複数の長孔７ｂを含む格子状の溝構造７を備えている。

これに対し、本実施形態のＥＢＧ構造１は、複数の長孔７ａのみを含み、複数の長孔７ｂを含まない溝構造７を備えている。複数の長孔７ａは、何れも同じ方向に延びている。複数の長孔７ａは、何れもＸ方向に延びている。複数の長孔７ａは、互いにＹ方向で離れて形成されている。

上記の構成によれば、Ｘ方向におけるＸ５－Ｘ６の断面形状は、第１実施形態と同じ断面形状となる。従って、Ｘ方向に伝搬する表面波に対して、実効的な誘電体基板の厚さを小さくすることができる。即ち、共振器２の共振周波数を高くすることができる。一方、Ｙ方向におけるＹ１－Ｙ２の断面形状は、溝構造７がない場合と同じであるため、Ｙ方向に伝搬する表面波に対して、実効的な誘電体基板の厚さを小さくする効果は小さい。しかしながら、平面視において溝構造７が形成される面積が小さくなるため、生産性、及び、機械的強度を向上することができる。従って、本実施形態は、所望の周波数帯でのＸ方向のアイソレーションのみが確保できれば十分である場合に特に好適である。

（第３実施形態）
次に、図３を参照して、第３実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。図３は、ＥＢＧ構造の平面図である。

溝構造７は、Ｘ方向に延びる複数の長孔７ａ、Ｙ方向に延びる複数の長孔７ｂに加え、平面視においてＸ方向及びＹ方向に対して斜めに延びる複数の長孔７ｃを含んでもよい。複数の長孔７ｃは、第１実施形態に示す溝構造７のように格子状に配置してもよいし、第２実施形態に示す溝構造７のように互いに離れ、同一方向に延びるように形成してもよい。このように本実施形態では、第１実施形態の溝構造７が複数の長孔７ｃを更に含むことで、Ｘ方向及びＹ方向のみならず、これらに対して斜めとなる方向に伝搬する表面波に対しても、誘電体基板３の実効的な厚さが小さくなる効果がある。

（第４実施形態）
次に、図４を参照して、第４実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態から第３実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。図４は、図１Ｂに相当する断面図である。

上記第１実施形態から第３実施形態の溝構造７は、格子状、又は、互いに離れて同一方向に延びる複数の長孔を含む形状を有している。そのため、誘電体基板３の底面視では、溝構造７が形成されていない部分が周期的に存在している。そのため、誘電体基板３の底面視では、溝構造７が形成されていない部分が点在している。

本実施形態では、誘電体基板３の下面３ａに平板状の誘電体基板８（第２の誘電体基板）を積層している。誘電体基板３の下側に誘電体基板８を積層している。従って、誘電体基板３のうち上記の溝構造７が形成されていない部分と誘電体基板８が互いに支持し合うことにより、ＥＢＧ構造１の機械的強度が向上されている。

また、誘電体基板８の下面８ａには導体層９（第２の導体層）が形成されている。ＥＢＧ構造１と誘電体基板８は導体層４によって電気的に完全に分離されているので、導体層４及び導体層９を用いてマイクロストリップ線路を形成したり、導体層９を用いてコプレーナ線路を形成することができる。また、導体層９を用いて電子部品等をＥＢＧ構造１に実装することもできる。

誘電体基板８の素材は石英ガラスとすることができる。しかしながら、石英ガラスは剛性があり割れやすいので、誘電体基板８の素材を石英ガラスとすると、誘電体基板８の積層が困難となる。そこで、誘電体基板８の素材としては、例えばポリイミドなどの、剛性が低く、石英ガラス基板への負荷が小さい樹脂材料であることが好ましい。この場合、シート状の樹脂材料から成る誘電体基板８を導体層４に貼り付けるようにしてもよい。

本実施例では、誘電体基板８自体に剛性がなくても、誘電体基板８と誘電体基板３が周期的に支持し合っているので、誘電体基板８自体の撓みが抑制されており、もって、導体層９の平坦性を容易に確保することができる。

なお、誘電体基板８の上面８ｂであって、溝構造７と対向する面に、別の導体層を形成してもよい。この場合は、導体層９を用いて構成された伝送線路が、溝構造と対向する部分と対向しない部分に跨がって形成された場合でも、伝送線路の構造上の連続性が担保される。

（第５実施形態）
以下、図５Ａから図５Ｃを参照して、第５実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態から第３実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する説明は省略する。図５Ａは、ＥＢＧ構造を有するパッケージ構造の平面図である。図５Ｂは、図５ＡのＸ７－Ｘ８線断面図である。図５Ｃは、図５ＡのＹ３－Ｙ４線断面図である。

図５Ａから図５Ｃには、ＥＢＧ構造１を有するパッケージ構造１０を示している。

パッケージ構造１０は、ＥＢＧ構造１が形成されたパッケージ基板１１と、その上にフリップチップ実装された回路基板１２と、から構成されている。

パッケージ基板１１は、誘電体基板３により構成されている。パッケージ基板１１は、誘電体基板３と、誘電体基板３の下面３ａに形成された導体層４と、誘電体基板３の上面３ｂに形成された導体層１３（第３の導体層）と、により構成されている。導体層１３のうち回路基板１２の回路面が対向する部分には開口１４（第１の開口）が設けられている。開口１４には前述のＥＢＧ構造１が形成される。図５Ａの平面視で、ＥＢＧ構造１は、開口１４の内側に配置されている。図５Ａの平面視で、ＥＢＧ構造１は、導体層１３と重複しないように配置されている。

パッケージ基板１１の入出力部には、それぞれ、グランド導体１５ａ、グランド導体１５ｂ、信号導体１６ａから成るコプレーナ線路１７ａと、グランド導体１５ｃ、グランド導体１５ｄ、信号導体１６ｂから成るコプレーナ線路１７ｂと、が形成される。

平面視でコプレーナ線路１７ａ及びコプレーナ線路１７ｂのＹ方向における両側には、導体層４と導体層１３とを電気的に接続する複数のビアホール１８が形成されている。導体層４と導体層１３とから成る平行平板への信号漏洩を防ぐためである。

複数のビアホール１８は、平面視でコプレーナ線路１７ａのＹ方向の一側において、コプレーナ線路１７ａの長手方向に所定ピッチで形成されている。同様に、複数のビアホール１８は、平面視でコプレーナ線路１７ａのＹ方向の他側において、コプレーナ線路１７ａの長手方向に所定ピッチで形成されている。

同様に、複数のビアホール１８は、平面視でコプレーナ線路１７ｂのＹ方向の一側において、コプレーナ線路１７ｂの長手方向に所定ピッチで形成されている。同様に、複数のビアホール１８は、平面視でコプレーナ線路１７ｂのＹ方向の他側において、コプレーナ線路１７ｂの長手方向に所定ピッチで形成されている。

また、平面視におけるＥＢＧ構造１の外周側には、複数のビアホール１９が形成されている。複数のビアホール１９は、導体層４と導体層１３とから成る平行平板への信号漏洩、及び、平行平板を介しての回り込みによるアイソレーション悪化を防ぐために形成される。各ビアホール１９は、導体層４と導体層１３とを電気的に接続する。複数のビアホール１９は、平面視で開口１４の外周縁に沿って並ぶように、平面視で開口１４を取り囲むように並べて配置されている。

回路基板１２は、誘電体基板２０と、誘電体基板２０の下面に形成された導体層２１と、を備える。

回路基板１２の入出力部には、コプレーナ線路２４ａとコプレーナ線路２４ｂが形成されている。コプレーナ線路２４ａは、グランド導体２２ａ、グランド導体２２ｂ、信号導体２３ａを含む。コプレーナ線路２４ｂは、グランド導体２２ｃ、グランド導体２２ｄ、信号導体２３ｂを含む。

入力側のコプレーナ線路２４ａは、グランドバンプ２５ａ、グランドバンプ２５ｂ、信号バンプ２６ａを介して、コプレーナ線路１７ａに接続されている。同様に、出力側のコプレーナ線路２４ｂは、グランドバンプ２５ｃ、グランドバンプ２５ｄ、信号バンプ２６ｂを介して、コプレーナ線路１７ｂに接続されている。

回路基板１２上のコプレーナ線路２４ａに入力された信号は、増幅器等の回路２７（回路面）により増幅等された後、コプレーナ線路２４ｂを介して出力される。また、回路基板１２の導体層２１は、電気的なグランド強化等のために、複数のバンプ２８を介してパッケージ基板１１の導体層１３と接続される。

ここで、仮に、ＥＢＧ構造１及び開口１４が無いとすると、パッケージ基板１１の導体層１３と回路基板１２の導体層２１とから平行平板が構成される。但し、導体層１３と導体層４とから構成される平行平板を信号が伝搬しないように、導体層１３と導体層４とはビアホール１９により電気的に接続されているものとする。この場合、導体層１３と導体層２１とから構成された平行平板内には平行平板モードが存在し得るため、例えば、コプレーナ線路１７ａとコプレーナ線路２４ａとのバンプ接続部や、回路２７内の不連続部によって、信号が平行平板モードと結合する虞がある。その結果、本来の信号経路ではない平行平板を信号が伝搬して、回路基板１２の入出力間のアイソレーションが悪化することが考えられる。また、ＥＢＧ構造１のみがないとした場合に形成される導体層４と導体層２１とから成る平行平板についても同様である。

一方、本実施形態では、パッケージ基板１１の回路基板１２と対向する領域に、第１実施形態から第３実施形態と同様なＥＢＧ構造１が形成されている。共振器２の共振周波数近傍では、ＥＢＧ構造１の上面が高インピーダンスになる。そのため、ＥＢＧ構造１と導体層２１との間隙２９の厚さＴ_２が真空中の波長の１／４以下であれば、電磁波は間隙２９を伝搬できない。なお、間隙がアンダーフィル材等の誘電体で充填されている場合、１／（４√（ε_ｒ））（ε_ｒは、誘電体の比誘電率）以下である必要がある。間隙２９の厚さＴ_２はバンプ２８の高さ程度であって、一般的には数十マイクロメートル程度であるため、通常、上記の条件を満足する。その結果、パッケージ基板１１と回路基板１２の間の寄生的な経路によるアイソレーション悪化を抑制することができる。

また、パッケージ基板１１の下面に溝構造７を形成することにより、誘電体基板３全体の厚さを小さくすることなく、ＥＢＧ構造１の機能する周波数を高くすることができる。

また、パッケージ基板１１上の伝送線路として、導体層１３に形成された信号導体と導体層４により構成されたマイクロストリップ線路を使用してもよい。

（第６実施形態）
次に、図６Ａから図６Ｃを参照して、第６実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第５実施形態を相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。図６Ａは、ＥＢＧ構造を有するパッケージ構造の平面図である。図６Ｂは、図６ＡのＸ９－Ｘ１０線断面図である。図６Ｃは、図６ＡのＹ５－Ｙ６線断面図である。

本実施形態のパッケージ構造１０は、上記第５実施形態のパッケージ構造１０と比べて、パッケージ基板１１の構成において異なっている。即ち、本実施形態のパッケージ基板１１では、誘電体基板３の上面３ｂに誘電体基板３０（第３の誘電体基板）が積層されるとともに、誘電体基板３０の上面３０ｂに導体層３３（第４の導体層）が形成されている。導体層３３には、マイクロストリップ線路３１ａ及びマイクロストリップ線路３１ｂを構成する信号導体３２ａ及び信号導体３２ｂが形成されている。

導体層３３のうち回路基板１２の回路面が対向する部分には、開口１４と同程度の大きさの開口３４（第２の開口）が形成されている。第５実施形態と同様に開口１４にはＥＢＧ構造１が形成されている。図６Ａの平面視で、ＥＢＧ構造１は、開口３４の内側に配置されている。図６Ａの平面視で、ＥＢＧ構造１は、導体層３３と重複しないように配置されている。

パッケージ基板１１の入出力部には、それぞれ、グランド導体としての導体層１３と、信号導体３２ａ及び信号導体３２ｂと、から成るマイクロストリップ線路３１ａ及びマイクロストリップ線路３１ｂが形成される。回路基板１２の入出力部近傍において、マイクロストリップ線路３１ａ及びマイクロストリップ線路３１ｂのグランド導体を構成する導体層１３と導体層３３とがビアホール３５ａからビアホール３５ｄにより電気的に接続される。これにより、パッケージ基板１１の入出力としてのマイクロストリップ線路３１ａ及びマイクロストリップ線路３１ｂと回路基板１２の入出力としてのコプレーナ線路２４ａ及びコプレーナ線路２４ｂとが、以下を介して接続される。即ち、信号バンプ２６ａ（バンプ）及び信号バンプ２６ｂ、及び、グランドバンプ２５ａからグランドバンプ２５ｄを介する。また、回路基板１２の導体層２１は、電気的なグランド強化等のために、適宜、バンプ２８を介して、パッケージ基板１１の導体層３３と接続される。

第５実施形態と同様に、共振器２の共振周波数近傍では、ＥＢＧ構造１の上面が高インピーダンスになる。そのため、ＥＢＧ構造１上面と導体層２１との間隙３６の厚さＴ_３が真空中の波長の１／（４√（ε_ｒｅｆｆ））（ε_ｒｅｆｆは、間隙３６の実効比誘電率）以下であれば、電磁波は間隙３６を伝搬できない。実効比誘電率ε_ｒｅｆｆは、誘電体基板３０と導体層２１との間の空気層の厚さＴ_３ａ、及び、誘電体基板３０の比誘電率及び厚さＴ_３ｂに依存する。なお、空気層がアンダーフィル材等の誘電体で充填されている場合、その誘電体の誘電率にも依存する。間隙３６の厚さＴ_３が上記条件を満足するように誘電体基板３０の厚さを設定する。その結果、パッケージ基板１１と回路基板１２の間の寄生的な経路によるアイソレーション悪化を抑制することができる。

本実施形態では、誘電体基板３０の厚さＴ_３ｂに対する設計の自由度が高いため、パッケージ基板１１の入出力伝送線路としてマイクロストリップ線路を使用した場合に、以下の効果を発揮する。即ち、マイクロストリップ線路の信号線路３２ａ及び信号線路３２ｂの幅を回路基板１２上の伝送線路と同程度の大きさとすることができる。そのため、マイクロストリップ線路３１ａ及びマイクロストリップ線路３１ｂとコプレーナ線路２４ａ及びコプレーナ線路２４ｂとのバンプ接続部において、信号電磁界の急激な変化を抑制することができる。従って、接続部分における反射特性を改善することができる。

なお、パッケージ基板１１上の伝送線路としてマイクロストリップ線路を使用したが、コプレーナ線路を使用しても構わない。

誘電体基板３０の素材は石英ガラスとすることができる。しかしながら、石英ガラスは剛性があり割れやすいので、誘電体基板３０の素材を石英ガラスとすると、誘電体基板３０の積層が困難となる。そこで、誘電体基板３０の素材としては、例えばポリイミドなどの、剛性が低く、石英ガラス基板への負荷が小さい樹脂材料であることが好ましい。この場合、シート状の樹脂材料から成る誘電体基板３０を導体層１３に貼り付けるようにしてもよい。

上記の各実施形態では、Ｘ方向、及び、Ｙ方向の長孔のピッチＬ_Ｘ、Ｌ_Ｙは固定としたが適宜変化させてもよい。複数の長孔の長さ、幅、及び、深さを適宜異なる大きさとしてもよい。また、ビアホール、及び、溝構造において、内壁面のみに導体層を設けた構成を例示した。しかし、溝構造の内部に導体や誘電体を充填してもよい。

上記の各実施形態では、誘電体基板３として石英ガラス基板を採用したが、セラミック基板、樹脂基板等の他の誘電体基板を採用してもよい。

溝構造７は、例えば、ルーター加工により、長孔を形成するにより実現することもできる。

第５実施形態及び第６実施形態では、回路基板上の伝送線路をコプレーナ線路としたが、マイクロストリップ線路としてもよい。この場合は、例えば、Ｓｉ半導体プロセスで製造されるＩＣにおいて、Ｓｉ基板上に薄い誘電体層を積層して配線層を設けて形成したマイクロストリップ線路のように、電磁界が薄い誘電体層に局在する構造であることが望ましい。これは、パッケージ基板上のグランド電流の経路の不連続を小さくできるため、及び、パッケージ基板の回路基板に対向する面の影響による回路特性の変化を低減できるためである。

また、回路基板の伝送線路を形成した面と反対の面に導体層を設けてもよい。この場合は、回路基板上下の導体層から構成される平行平板を伝搬する信号を抑制するために上下の導体層を電気的に接続するビアホールを設けることが望ましい。

パッケージ基板、及び、回路基板には、モジュール構成に応じて、適宜、ＤＣ配線、ベースバンド信号配線、中間周波数信号配線、追加の無線周波数信号配線等の配線、及びバンプ接続を設けてもよい。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１９年１月２９日に出願された日本出願特願２０１９－０１３１６０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本開示は、電磁バンドギャップ構造に適用できる。

１ＥＢＧ構造
２共振器
３、８、２０、３０誘電体基板
４、９、１３、２１、３３、５０導体層
５パッチ導体
６、１８、１９、３５ａ～３５ｄビアホール
７溝構造
７ａ～７ｃ長孔
１０パッケージ構造
１１パッケージ基板
１２回路基板
１４、３４開口
１５ａ～１５ｄ、２２ａ～２２ｄグランド導体
１６ａ、１６ｂ、２３ａ、２３ｂ、３２ａ、３２ｂ信号導体
１７ａ、１７ｂ、２４ａ、２４ｂコプレーナ線路
２５ａ～２５ｄ、２６ａ、２６ｂ、２８バンプ
２７回路
２９、３６間隙
３１ａ、３１ｂマイクロストリップ線路
５１導体面

Claims

複数の共振器を備える電磁バンドギャップ構造であって、
前記共振器は、
第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板の上面に形成されたパッチ導体と、
前記第１の誘電体基板の下面に形成された第１の導体層と、
を含み、
前記パッチ導体と前記第１の導体層が前記第１の誘電体基板を貫通するビアホールにより電気的に接続されて構成されており、
前記第１の誘電体基板の下面には、前記第１の誘電体基板を貫通しない複数の長孔が形成されており、
前記複数の長孔の内壁面に長孔導体層が形成されており、
前記第１の導体層と前記長孔導体層が電気的に互いに接続されることにより一体の導体面が構成されており、
前記ビアホールは、前記長孔において、前記導体面と電気的に接続されている、
電磁バンドギャップ構造。
前記複数の共振器のうち隣り合う２つの共振器の間の距離は、前記第１の誘電体基板と前記第１の導体層から成る構造を伝搬する表面波の波長の１／２以下である、
請求項１に記載の電磁バンドギャップ構造。
前記複数の長孔は、互いに交差して格子状となるように形成されている、
請求項１又は２に記載の電磁バンドギャップ構造。
前記第１の誘電体基板の前記下面には、第２の誘電体基板が積層されており、
前記第２の誘電体基板の下面には、第２の導体層が形成されている、
請求項１から３までの何れか１項に記載の電磁バンドギャップ構造。
前記第１の導体層と前記第２の導体層により、マイクロストリップ線路が形成されている、
請求項４に記載の電磁バンドギャップ構造。
前記第２の導体層により、コプレーナ線路が形成されている、
請求項４に記載の電磁バンドギャップ構造。
前記第１の誘電体基板は、石英ガラスから成る、
請求項１から６までの何れか１項に記載の電磁バンドギャップ構造。
パッケージ基板に回路基板をフリップチップ実装することで構成されたパッケージ構造であって、
前記パッケージ基板は、前記第１の誘電体基板により構成されており、
前記第１の誘電体基板の前記上面に第３の導体層が形成されており、
前記第３の導体層のうち前記回路基板の回路面が対向する部分には第１の開口が設けられ、
前記第１の開口に、請求項１から７までの何れか１項に記載の電磁バンドギャップ構造が形成されている、
パッケージ構造。
前記パッケージ基板の前記上面に第３の誘電体基板が積層されており、
前記第３の誘電体基板の上面に第４の導体層が形成されており、
前記第４の導体層のうち前記回路基板の前記回路面が対向する部分には第２の開口が設けられている、
請求項８に記載のパッケージ構造。
前記第４の導体層に信号導体が形成されており、
前記信号導体と前記第３の導体層から成るマイクロストリップ線路が、前記回路基板の伝送線路とバンプにより接続されている、
請求項９に記載のパッケージ構造。