JP2008160750A

JP2008160750A - マイクロ波回路基板

Info

Publication number: JP2008160750A
Application number: JP2006350285A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Saito; 晋一郎齊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10
Also published as: EP1940205A3; US20080149376A1; EP1940205A2

Abstract

【課題】現在入手が容易であって安価かつ信頼性の高い材料を用い、効率的に実効誘電率を低下させることによってプリント配線基板における誘電損失を低減し、信号波形の劣化や電力損失及び反射エネルギーを軽減させることが可能なプリント配線基板を提供する。
【解決方法】絶縁体で構成される基板と、前記基板上の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、マイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部と、前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層とを具備し、前記基板は誘電率低減機構を有し、前記基板の実効誘電率を低減させるようにしてマイクロ波回路基板を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ波領域の周波数を有する電気信号を伝送するためのマイクロ波回路基板に関する。

従来から、プリント配線基板には、主に三つの伝送形態を利用することが知られている。それは、マイクロストリップライン（以下，ＭＳＬ）・ストリップライン（以下，ＳＬ）・(GNDあり・なし)コプレーナウェーブガイド（以下，ＣＰＷ）である。これらは、現在様々な電子機器に用いられてきた。しかしながら、動作周波数の高速化により材料固有の損失(誘電損失)の問題に対処することが信号波形の品質を維持するために重要になってきた。なぜなら、この誘電損失は周波数依存性を持ち、信号波形をISI（符合間干渉）で劣化させる主要因だからである。

誘電損失の本質は電界によって誘電体内部に生じた双極子が交流電界に追従することによって生じる発熱である。これは、次式で定式化されている。

ここで、K は材料及び伝送形態によって定まる定数，f は周波数，e_ｒは比誘電率，tand は誘電正接を表す。

しかしながら、材料固有の損失であるがために、従来の改善方法は専ら基板を構成する絶縁材料の改善(誘電率及び誘電正接の低減化)にあった(例えば、フッ素及びアルミナなどのセラミックスを使用するなど。)。また、絶縁材料を発泡させ、この発泡度を高めることによって前記絶縁材料の実効誘電率を減少させ、得ようとするプリント配線基板の誘電損失しいては信号波形の劣化を低減させる方法なども開示されている（特許文献１〜３参照）。

また、基板自体を多孔質化することにより、前記基板の実効的な誘電率を下げ、得ようとするプリント配線基板の誘電損失しいては信号波形の劣化を低減させる方法も提案されている（特許文献４及び５参照）。さらには、基板の厚さ方向に複数の貫通孔を形成することによって、前記基板の実効的な誘電率を減少させ、得ようとするプリント配線基板の誘電損失しいては信号波形の劣化を低減させる方法も提案されている（特許文献６参照）。

しかしながら、上述したいずれの方法においても、プリント配線基板を構成する基板材料の実効誘電率を十分に低減させることはできず、前記プリント配線基板の誘電損失さらには信号波形の劣化を十分に低減することはできなかった。特に、特許文献６に記載の方法では、金属導体部を接着させる際に使用する接着剤が前記多孔内に侵入してしまい、その結果、プリント配線基板を構成する基板材料の実効誘電率を十分に低減することができず、前記プリント配線基板の誘電損失及び信号波形の劣化を十分に低減させることができないでいた。また、特許文献６に記載の方法では、多孔基板の両面側に互いに対をなすようにして信号電極を設けるなど、その使用形態が変則的であり、一般的なＧＮＤプレーンを有するようなプリント配線基板には使用することができないなどの問題もあった。
特公開昭６２−１６５６６号特開平８―２２８１０５号特開２００１−７６１０号特開平４−２５７２８７号特開平８−２２８１０５号特開２００３−１１５７０５号

本発明は、現在入手が容易であって安価かつ信頼性の高い材料を用い、効率的に実効誘電率を低下させることによってプリント配線基板における誘電損失を低減し、信号波形の劣化や電力損失及び反射エネルギーを軽減させることが可能なプリント配線基板を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、
絶縁体で構成される基板と、
前記基板上の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、マイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部と、
前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層とを具備し、
前記基板は誘電率低減機構を有し、前記基板の実効誘電率を低減させるように構成したことを特徴とする、マイクロ波回路基板に関する。

上記態様によれば、マイクロ波回路基板は、その基板内に独立した誘電率低減機構を有するので、この機構を十分に利用することによって前記基板の実効誘電率、すなわち前記マイクロ波回路基板の実効誘電率を低減するようにしている。したがって、前記マイクロ波回路基板の誘電損失、さらにはこれに伴う電力損失や反射エネルギーの低減、波形劣化の低減を達成することができる。

また、効率的に電磁波を基板内部に閉じ込めることができるので、電気信号が流れる金属導体部からの電磁輻射も低減する。さらに、金属導体部が複数存在するような場合において、これら複数の金属導体部に同時に高周波電流を通電する場合においては、金属導体部の線間結合容量は誘電率に比例し、前記誘電率の減少にしたがって前記結合容量も減少するので、クロストークも低減する。

なお、上記誘電率低減機構は気体絶縁を利用することができる。この気体絶縁とは、例えばマイクロ波回路基板の、絶縁体基板内に十分な大きさの空隙を形成することによって形成することができる。具体的には、前記基板と対向するようにして追加の絶縁体基板を設け、前記絶縁体基板と前記追加の絶縁体基板とを貼り合わせることによって形成される空間から前記空隙を構成するようにすることができる。また、前記絶縁体基板の長さ方向及び幅方向の少なくとも一方において形成された少なくとも１つの貫通口を含むようにすることができる。このような場合、前記誘電率低減機構は十分に簡易な構成でその誘電率低減という機能を奏することができるようになる。

また、誘電率低減機構を上述した空隙から構成するような場合においては、前記絶縁体基板の、前記金属導体部に対する直下部分を含むように構成することができる。前記金属導体部は、前記絶縁体基板の、その直下に位置する部分と特に電気的に強く結合している。したがって、このような位置に空隙を位置させることによって、上述した電気的結合に対して誘電率低減の効果が著しく発揮されるようになり、上記誘電損失の低減などに起因した前記金属導体部における伝播ロスなどをも効果的に低減することができる。

また、上記マイクロ波回路基板は種々の態様に構成することができる。例えば、前記金属導体部を、前記基板の主面上においてマイクロストリップライン(MSL)として形成することができる。また、前記金属導体部を、前記基板内においてストリップライン(SL)として形成することができる。さらには、前記金属導体部と略平行にその長さ方向に沿って、前記金属導体部を挟むようにして一対のグランド電極層を形成し、前記金属導体部及び前記グランド電極層によってコプレーナーウエーブガイド(CPW)を構成することができる。

なお、特に例示しないものの、当業者が想到できるようなあらゆる種類の態様のマイクロ波回路基板とすることができる。

以上説明したように、本発明の上記態様によれば、現在入手が容易であって安価かつ信頼性の高い材料を用い、効率的に実効誘電率を低下させることによってプリント配線基板における誘電損失を低減し、信号波形の劣化や電力損失及び反射エネルギーを軽減させることが可能なプリント配線基板を提供することができる。また、金属導体部が複数存在するような場合においても、前記実効誘電率の減少に起因して前記金属導体部間の結合容量を低減することができるので、クロストークを効果的に低減することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のマイクロ波回路基板の一例を示す斜視図である。図１に示すマイクロ波回路基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の主面上に形成されたマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部１３と、基板１１と対向するようにして形成された同じく絶縁体からなる追加の基板１４とを含んでいる。基板１１及び追加の基板１４の長さ方向における両端部には、接着剤１８が所定の厚さに塗布され、この接着剤１８を介して基板１１及び追加の基板１４を対向配置することによって、これら基板間には所定の大きさの空隙１７が形成されている。なお、追加の基板１４の裏面側には電源層１５が形成されている。

電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。

なお、本例において、金属導体部１３はマイクロストリップライン（MSL)として形成されている。

本例においては、基板１１及び追加の基板１４の厚さを十分に低減することによって、実効的な基板は、基板１１及び１４、並びにこれら基板間に形成される空隙１７から構成されることになる。したがって、前記実効的な基板として見た場合、空隙１７は誘電率低減機構として機能するようになり、前記実効的基板、すなわちマイクロ波回路基板１０の実効誘電率を低減できるようになる。したがって、マイクロ波回路基板１０の誘電損失、さらにはこれに伴う電力損失や反射エネルギーの低減、波形劣化の低減を達成することができる。また、効率的に電磁波を基板内部に閉じ込めることができるので、電気信号が流れる金属導体部からの電磁輻射も低減する。

なお、本例では、単一のマイクロストリップラインとして金属導体部１３を構成しているが、金属導体部が複数存在するような場合において、これら複数の金属導体部に同時に高周波電流を通電する場合においては、金属導体部の線間結合容量は誘電率に比例し、前記誘電率の減少にしたがって前記結合容量も減少するので、それらの間のクロストークも低減する。

また、空隙１７は、基板１１に形成された金属導体部１３に対する直下部分を含むように形成しているので、金属導体部１３が電気的に強く結合している部分の誘電率を十分に低減させることができ、上記誘電損失の低減などに起因した金属導体部１３における伝播ロスなどをも効果的に低減することができる。

基板１１及び追加の基板１４は所定の絶縁体から構成することができる。具体的には、紙基材（ＦＲ−１，ＦＲ−２，ＸＸＸｐｃ，Ｘｐｃ，ＦＲ−３等）、ガラス基材（ＦＲ−４，Ｇ−１０，ＦＲ−５，Ｇ―１１，ＧＰＹ等）、エポキシ系・ポリエステル系コンポジット基材（ＣＥＭ−１，ＣＥＭ−３，ＦＲ−６等）、ポリエステルベース系・ポリイミドベース系・ガラスエポキシ系フレキシブル基材，ポリサルフォン系・ポリエーテルイミド系・ポリエーテル系樹脂耐熱可塑性基材やアルミナ系・窒化アルミナ系・炭素珪素系・低温焼結系セラミック基材、液晶基材を例示することができる。

金属導体部１３及び電源層１５は、例えば銅、銀、金、アルミニウムあるいはこれらの合金等の電気的良導体を挙げることができる。

また、マイクロ波回路基板１０の全体構成としては、リジッド基板あるいはフレキシブル基板のいずれの形態とすることもできる。

図２は、本発明のマイクロ波回路基板の他の例を示す斜視図である。なお、上記具体例と同一又は類似の構成要素に関しては同一の参照数字を用いている。

図２に示すマイクロ波回路基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の主面上に形成されたマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部１３と、基板１１の裏面上に形成された電源層１５とを具えている。上記同様に、電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。

また、本例においては、基板１１においてその長さ方向に複数の貫通口１７が互いに略平行となるようにして形成されている。したがって、基板１１の実効誘電率、すなわちマイクロ波回路基板１０の実効誘電率を低減することができ、マイクロ波回路基板１０の誘電損失、さらにはこれに伴う電力損失や反射エネルギーの低減、波形劣化の低減を達成することができる。また、効率的に電磁波を基板内部に閉じ込めることができるので、電気信号が流れる金属導体部からの電磁輻射も低減することができる。

基板１１は所定の絶縁体から構成することができる。具体的には、紙基材（ＦＲ−１，ＦＲ−２，ＸＸＸｐｃ，Ｘｐｃ，ＦＲ−３等）、ガラス基材（ＦＲ−４，Ｇ−１０，ＦＲ−５，Ｇ―１１，ＧＰＹ等）、エポキシ系・ポリエステル系コンポジット基材（ＣＥＭ−１，ＣＥＭ−３，ＦＲ−６等）、ポリエステルベース系・ポリイミドベース系・ガラスエポキシ系フレキシブル基材，ポリサルフォン系・ポリエーテルイミド系・ポリエーテル系樹脂耐熱可塑性基材やアルミナ系・窒化アルミナ系・炭素珪素系・低温焼結系セラミック基材、液晶基材を例示することができる。

なお、上述したような貫通口１７は、例えば以下のようにして形成することができる。最初に後に基板１１を構成する複数の絶縁部材を準備し、これら複数の絶縁部材間の空隙に樹脂材を充填した状態で前記複数の絶縁部材に対して成形処理を施し、成形体を作製する。次いで、前記成形体から前記樹脂材を除去する。
この場合は、前記成形体自体が基板１１を構成するようになるとともに、前記樹脂材が除去された後の残存部から貫通口１７が形成されるようになる。次いで、基板１１の主面に金属導体部１３を形成するとともに、基板１１の裏面に電源層１５を形成することにより、図２に示すようなマイクロ波回路基板１０を得る。

図３は、図２に示すマイクロ波回路基板１０の変形例を示す斜視図である。本例においては、基板１１内に形成した貫通口１７の形成態様が上記例と異なるのみで、その他の構成要素については同様である。したがって、同一又は類似の構成要素に関しては同一の参照数字を用い、それらの説明に関しては省略する。

図２に示す例では、貫通口１７を基板１１の長さ方向に互いに略平行となるように形成していたが、図３に関する本例では、貫通口１７を基板１１の幅方向に形成するようにしている。この場合においても、貫通口１７を形成したことにより、基板１１の実効誘電率、すなわちマイクロ波回路基板１０の実効誘電率を低減することができ、マイクロ波回路基板１０の誘電損失、さらにはこれに伴う電力損失や反射エネルギーの低減、波形劣化の低減を達成することができる。また、効率的に電磁波を基板内部に閉じ込めることができるので、電気信号が流れる金属導体部からの電磁輻射も低減することができる。

なお、貫通口１７の形成方法は、図２に関する例において説明した製造方法に準じて行うことができる。

図４は、図２に示すマイクロ波回路基板１０の他の変形例を示す斜視図である。本例においては、基板１１内に形成した貫通口１７の形成態様が上記例と異なるのみで、その他の構成要素については同様である。したがって、同一又は類似の構成要素に関しては同一の参照数字を用い、それらの説明に関しては省略する。

図２に示す例では、貫通口１７を基板１１の長さ方向に互いに略平行となるように形成していたが、図４に関する本例では、貫通口１７を基板１１の長さ方向及び幅方向に形成するようにしている。この場合においても、貫通口１７を形成したことにより、基板１１の実効誘電率、すなわちマイクロ波回路基板１０の実効誘電率を低減することができ、マイクロ波回路基板１０の誘電損失、さらにはこれに伴う電力損失や反射エネルギーの低減、波形劣化の低減を達成することができる。また、効率的に電磁波を基板内部に閉じ込めることができるので、電気信号が流れる金属導体部からの電磁輻射も低減することができる。

図５は、本発明のマイクロ波回路基板のその他の例を示す斜視図である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては上記具体例と同一の参照数字を用いている。

図５に示すマイクロ波回路基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の厚さ方向における略中心部において、基板１１の主面及び裏面と略平行に基板１１の長さ方向に延在したマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部１３と、基板１１の主面及び裏面側に形成された電源層１５とを含んでいる。この電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。

なお、本例において、金属導体部１３はストリップライン(SL)として形成されている。また、本例においては、特に明示しないものの、基板１１の、金属導体部１３の下方に位置する部分において、図２〜４に関連して説明したような貫通口１７を設けている。したがって、したがって、基板１１の実効誘電率、すなわちマイクロ波回路基板１０の実効誘電率を低減することができ、マイクロ波回路基板１０の誘電損失、さらにはこれに伴う電力損失や反射エネルギーの低減、波形劣化の低減を達成することができる。また、効率的に電磁波を基板内部に閉じ込めることができるので、電気信号が流れる金属導体部からの電磁輻射も低減することができる。

なお、本例では、単一のストリップラインとして金属導体部１３を構成しているが、金属導体部が複数存在するような場合において、これら複数の金属導体部に同時に高周波電流を通電する場合においては、金属導体部の線間結合容量は誘電率に比例し、前記誘電率の減少にしたがって前記結合容量も減少するので、それらの間のクロストークも低減する。

なお、本例において、基板１１内に貫通口１７を形成する代わりに、基板を分割し、図１に示すような空隙を直接形成するようにすることもできる。

また、基板や金属導体部の構成材料など、その他の要件については上述した具体例と同一であるので、説明を省略する。

図６は、本発明のマイクロ波回路基板の他の例を示す斜視図である。なお、同一又は類似の構成要素に関しては上記具体例と同一の参照数字を用いている。

図６に示すマイクロ波回路基板１０は、絶縁体からなる基板１１と、この基板１１の主面上に形成されたマイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部１３と、基板１１の裏面側に形成された電源層１５とを含んでいる。この電源層１５は、金属導体部１３に対する参照電極としての役割を果たし、金属導体部１３に対して一定の電位に維持され、前記マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好な状態で伝送できるようにするためのものである。電源層１５は接地することもできるが、マイクロ波電気信号が金属導体部１３を良好に伝送できるものであれば特に限定されるものではなく、上述したように任意の電位に保持することができる。

なお、本例において、金属導体部１３の両側には、この金属導体部１３を挟み込むようにして一対のグランド電極層１９が形成されてなり、金属導体部１３及びグランド電極層１９によってコプレーナーウエーブガイド(CPW)を構成している。

また、特に図示されていないが、基板１１内には、図２〜４に関連して説明したような貫通口１７を設けている。したがって、したがって、基板１１の実効誘電率、すなわちマイクロ波回路基板１０の実効誘電率を低減することができ、マイクロ波回路基板１０の誘電損失、さらにはこれに伴う電力損失や反射エネルギーの低減、波形劣化の低減を達成することができる。また、効率的に電磁波を基板内部に閉じ込めることができるので、電気信号が流れる金属導体部からの電磁輻射も低減することができる。

本実施例では、図２に示すような構成のマイクロ波回路基板を作製し、その特性を評価した。なお、本実施例に使用したパラメータは、マイクロ波回路基板を構成する基板１１の長さｌ、貫通口１７の半径ｒ、及び貫通口１７のピッチ（間隔）ｇである。実際、ｌ＝１ｃｍ、ｒ＝０．０４５ｍｍ，ｇ＝１ｍｍとした場合、２０ＧＨｚの電気信号を流した際のインピーダンス整合が取れたような状態では、貫通口１７を形成しなかった場合に比較して、伝播損失は５．５ｄＢ改善し、反射損失は１８ｄＢ改善した。また、１０Ｇｂｐｓの電気信号を流した際の３ｍ法によるＥＭＣの結果は、３０ｄＢμＶ／ｍの改善が見られた。

すなわち、本発明に従って基板内に貫通口を形成することにより、電力損失及び反射エネルギーを軽減し、信号波形の劣化を抑制できることが判明した。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

本発明のマイクロ波回路基板の一例を示す斜視図である。本発明のマイクロ波回路基板の他の例を示す斜視図である。図２に示すマイクロ波回路基板の変形例を示す斜視図である。図２に示すマイクロ波回路基板１０の他の変形例を示す斜視図である。本発明のマイクロ波回路基板のその他の例を示す斜視図である。本発明のマイクロ波回路基板の他の例を示す斜視図である。

符号の説明

１０マイクロ波回路基板
１１（絶縁体）基板
１３金属導体部
１５電源層
１７空隙（貫通口）
１８接着剤
１９グランド電極

Claims

絶縁体で構成される基板と、
前記基板上の主面上又は前記基板内の少なくとも一方に形成された、マイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部と、
前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方に形成された電源層とを具備し、
前記基板は誘電率低減機構を有し、前記基板の実効誘電率を低減させるように構成したことを特徴とする、マイクロ波回路基板。
前記誘電率低減機構は、気体絶縁を利用することを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波回路基板。
前記誘電率低減機構は、前記基板内に形成した空隙から構成することを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ波回路基板。
前記マイクロ波回路基板は、前記基板と対向するようにして設けられた、絶縁体で構成される追加の基板を具え、前記空隙は、前記基板と前記追加の基板とを貼り合わせることによって形成される空間から構成することを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ波回路基板。
前記空隙は、前記基板内において、その長さ方向及び幅方向の少なくとも一方において形成された、少なくとも１つの貫通口を含むことを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ波回路基板。
前記空隙は、前記基板の、前記金属導体部に対する直下部分を含むようにして形成したことを特徴とする、請求項４又は５に記載のマイクロ波回路基板。
前記金属導体部は、前記基板の主面上においてマイクロストリップライン(MSL)として形成したことを特徴とする、請求項1〜６のいずれか一に記載のマイクロ波回路基板。
前記金属導体部は、前記基板内においてストリップライン(SL)として形成したことを特徴とする、請求項1〜６のいずれか一に記載のマイクロは回路基板。
前記金属導体部と略平行にその長さ方向に沿って、前記金属導体部を挟むようにして一対のグランド電極層が形成されてなり、前記金属導体部及び前記グランド電極層によってコプレーナーウエーブガイド(CPW)を構成することを特徴とする、請求項1〜６のいずれか一に記載のマイクロ波回路基板。
複数の絶縁部材を配置し、これら複数の絶縁部材間の空隙に樹脂材を充填した状態で前記複数の絶縁部材に対して成形処理を施し、成形体を作製する工程と、
前記成形体から前記樹脂材を除去し、内部に空隙を有し、前記絶縁部材からなる絶縁体で構成される基板を作製する工程と、
前記基板の主面上又は前記基板内の少なくとも一方において、マイクロ波の電気信号を伝送するための金属導体部を形成する工程と、
前記基板の裏面上及び前記基板内の少なくとも一方において電源層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする、マイクロ波回路基板の製造方法。
前記空隙は、前記基板内において、その長さ方向及び幅方向の少なくとも一方において形成された、少なくとも１つの貫通口を含むようにして形成することを特徴とする、請求項１０に記載のマイクロ波回路基板の製造方法。