JP4867359B2 - 伝送線路層間接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯の送受信に用いられる伝送線路層間接続構造に関する。

多層配線基板内の誘電体導波線路をミリ波用の伝送線路として用いるためには、層間を電気的に接続する必要がある。かかる電気的な接続を実現する方法の一つに、上下のトリプレート線路間を線路終端に形成したパッチ同士で接続させる方法（例えば、特許文献１参照）や、層間接続用のスルーホールの周りに、周期構造のビアホール群又は同軸構造のビアホール群を形成する方法（例えば、特許文献２参照）がある。

特許文献１においては、その図１を参照するに、第１の地導体１／第１の誘電体４ａ／第１の給電基板６／第２の誘電体４ｂ／第２の地導体２からなる第１のトリプレート線路と、第２の地導体２／第３の誘電体７ａ／第２の給電基板９／第４の誘電体７ｂ／第３の地導体３からなる第２のトリプレート線路とを電気的に接続する接続器が示されており、特に、それぞれの給電線路の接続終端部にパッチパターンを形成し、それらのパッチパターンを、使用する周波数で相互に電磁結合させるというものである。

特許文献２においては、中心導体となるビアホールの周りに、周期構造のビアホール群又は同軸構造のビアホール群を形成し、面方向の電磁波を封じ込めることで、損失の小さい層間接続を行うものである。
特開平１１−２６１３０８号公報 特開２００３−１３３８０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法においては、上下のパッチ間を中空構造にする必要があり、製造工程が複雑でコストが高く、また、板厚も厚くなるという課題があった。

また、特許文献２に記載された方法においては、周期構造のビアホール群で高周波信号の漏れを防止しているものの、層間の接続は、特性インピーダンスが不安定なスルーホールを経由することから、伝送損失低減に対して不十分であるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決すべく提案する方法であり、本発明の目的は、薄型かつ伝送損失の小さい伝送線路層間接続構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の伝送線路層間接続構造は、第１の給電線路の終端部に地導体層と同電位となる第１の地導体パターンが接続された第１の導体層と、第１の誘電体層と、第１のスロットが形成された第１の地導体層と、第２の誘電体層とを積層することにより構成された第１の伝送線路と、第２の給電線路の終端部に地導体層と同電位となる第２の地導体パターンが接続された第２の導体層と、第３の誘電体層と、第２のスロットが形成された第２の地導体層とを積層することにより構成された第２の伝送線路とを備え、前記第１の導体層、前記第１の地導体層、前記第２の地導体層及び前記第２の導体層の順になるように各層を積層一体化した伝送線路層に対して、前記第１の地導体パターンと、前記第１の地導体層と、前記第２の地導体層と、前記第２の地導体パターンとの間を、前記第１のスロットと前記第２のスロットとの周囲に形成したビアホール群により電気的に接続し、前記第１のスロットの前記第１の給電線路に平行な方向の長さと前記第１の給電線路に垂直な方向の長さは、使用する周波数の線路実効波長の０．５倍以上であり、前記第２のスロットの前記第２の給電線路に平行な方向の長さと前記第２の給電線路に垂直な方向の長さは、使用する周波数の線路実効波長の０．５倍以上であり、前記ビアホール群の間隔は、使用する周波数の線路実効波長の４分の１以下であり、前記第１の給電線路と前記第１の地導体パターンとの接続部、及び前記第２の給電線路と前記第２の地導体パターンとの接続部のそれぞれにスリットを形成したことを要旨とする。

請求項２に記載の伝送線路層間接続構造は、請求項１に記載の伝送線路層間接続構造において、前記第２の地導体層と前記第３の誘電体層がなく、前記第１の導体層と、前記第１の誘電体層と、前記第１の地導体層と、前記第２の誘電体層と、前記第２の導体層の順に積層一体化して構成されたことを要旨とする。

請求項３に記載の伝送線路層間接続構造は、請求項１又は２に記載の伝送線路層間接続構造において、前記第１の伝送線路及び前記第２の伝送線路の構造が、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、及びコプレーナ線路のうちの任意の構造であることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、前記第１の導体層に形成した第１の地導体パターンと、前記第１の地導体層に形成した第１のスロットと、前記第１の地導体パターンと前記第１の地導体層を電気的に接続するためのビアホール群によって第１のキャビティ構造が形成される。

同様に、前記第２の地導体層に形成した第２の地導体パターンと、前記第２の地導体層に形成した第２のスロットと、前記第２の地導体パターンと前記第２の地導体層を電気的に接続するためのビアホール群によって第２のキャビティ構造が形成される。

前記第１の伝送線路に流れる高周波信号は前記第１のキャビティ構造にて共振し、同様に前記第２の伝送線路に流れる高周波信号は前記第２のキャビティ構造にて共振する。このとき、前記第１のキャビティ構造と前記第２のキャビティ構造とが、第１のスロットと第２のスロットを介して電磁的に結合することにより、伝送線路の層間接続が図れる。このため、特許文献１に記載の中空構造とは異なり、安価で薄型の伝送線路層間接続構造となる。

また、特許文献２における接続よりも伝送損失の小さい導波管構造で層間の接続を行うことが可能となる。

また、請求項１に記載の発明によれば、スリット長により反射損失の共振ピーク周波数を調整することが可能となり、所望の周波数において、より低損失の層間接続が可能となる。

また、請求項１に記載の発明によれば、電磁波のパラレルプレート成分を抑制することが出来、より低損失の層間接続が可能となる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、３層構造といった奇数層の構成が可能となり、更に薄型化が可能となる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、任意の形態の伝送線路構造を層間接続することが可能となり、基板設計の自由度が向上する。

以下、図面に基づいて、本発明における伝送線路層間接続構造の実施の形態を詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明における伝送線路層間接続構造の第１実施形態についての概略構成を示す分解斜視図である。

本発明の第１の実施形態に係る伝送線路層間接続構造１００は、図１に示すように、第２の導体層３Ｂ、第３の誘電体層１Ｃ、第２の地導体層２Ｂ、第２の誘電体層１Ｂ、第１の地導体層２Ａ、第１の誘電体層１Ａ、第１の導体層３Ａがこの順に下から積層されて構成されている。

ここで、第１の導体層３Ａ及び第２の導体層３Ｂには、それぞれ第１の給電線路４Ａ及び第２の給電線路４Ｂが形成されており、それらの終端部には地導体パターン５Ａ及び５Ｂが接続されている。このとき、必要とする特性に応じて接続部に後述のようにスリットを形成してもよい。

また、第１の地導体層２Ａ及び第２の地導体層２Ｂには、第１の導体層３Ａ及び第２の導体層３Ｂに形成された地導体パターン５Ａ及び５Ｂに対応した位置に、それぞれスロット６Ａ及びスロット６Ｂが形成されている。このスロット６Ａ及び６Ｂは、地導体パターン５Ａと地導体パターン５Ｂとの間の電磁波通過のための窓としての機能を果たしている。

更に、特に本発明においては、地導体パターン５Ａと、第１の地導体層２Ａと、第２の地導体層２Ｂと、地導体パターン５Ｂとを電気的に接続するためのビアホール群１０を、スロット６Ａ及び６Ｂの周辺に対応する位置に規則的に形成したことを特徴とする。

図２は、導体層３Ａ（３Ｂ）の平面図である。詳細には、導体層３Ａ（３Ｂ）は、給電線路４Ａ（４Ｂ）の終端部に地導体層と同電位の地導体パターン５Ａ（５Ｂ）が接続され、その接続部には反射損失の共振ピーク周波数を調整するためのスリット７Ａ（７Ｂ）が形成されている。

また、地導体パターン５Ａ（５Ｂ）には、地導体層２Ａ（２Ｂ）に形成したスロット６Ａ（６Ｂ）の周囲に対応した位置に、地導体層２Ａ（２Ｂ）と電気的に接続するためのビアホール群１０が形成されている。

このビアホール群の間隔は、使用する周波数の線路実効波長の４分の１以下で形成するのが好ましい。ビアホール群の間隔が線路実効波長の４分の１以上になると、電磁波のパラレルプレート成分が増大し、結果として伝送損失が増大するからである。

図３は、導体層３Ａ（３Ｂ）の変形例の平面図である。このように給電線路４Ａ（４Ｂ）と地導体パターンとの接続部は必要とする特性に応じてスリットを形成しなくてもよい。

図４は、地導体層２Ａ（２Ｂ）の平面図である。地導体層２Ａ（２Ｂ）に形成するスロット６Ａ（６Ｂ）の給電線路方向の長さＬ１及びその直角方向の長さＬ２は使用する周波数の線路実効波長の０．５倍以上とするのが好ましい。Ｌ１及びＬ２が使用する線路実効波長の０．５倍未満の場合は、前記キャビティ構造から放射される電磁波の通過を妨げることになり、結果として伝送損失が増大するからである。

また、地導体層間を接続するビアホール群１１は、スロット６Ａ（６Ｂ）の周囲を一周するように形成するほうが好ましい。

尚、上述した第１実施形態のように２つの地導体層２Ａ及び２Ｂを用いるのが一般的であるが、図５のように、第２の地導体層２Ｂを取り除き、第１の地導体層２Ａを第１の導体層３Ａと第２の導体層３Ｂとの共通の地導体層とすることも可能である。かかる構成によれば、３層構造といった奇数層の構造が可能となり、更に薄型化が図れる。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明における伝送線路層間接続構造の第２実施形態の概略構成を示す分解斜視図である。

第１の実施形態においては、マイクロストリップ線路同士を接続するための伝送線路層間接続構造を説明したが、第２の実施形態においては、本発明の伝送線路層間接続構造を、マイクロストリップ線路とストリップ線路との接続に応用した。尚、第１実施形態と同一構成物には同符号を付し、その説明を省略する。

図６に示すように、第２実施形態における伝送線路層間接続構造２００は、マイクロストリップ線路１２とストリップ線路１３を接続している。ストリップ線路１３は、第１の地導体層２Ａ、第２の誘電体層１Ｂ、第２の導体層３Ｂ、第３の誘電体層１Ｃ、及び第３の地導体層２Ｃで構成されている。

＜第３実施形態＞
図７は、本発明における伝送線路層間接続構造の第３実施形態の概略構成を示す分解斜視図である。

第２の実施形態においては、マイクロストリップ線路とストリップ線路を接続するための伝送線路層間接続構造を説明したが、第３の実施形態においては、本発明の伝送線路層間接続構造をマイクロストリップ線路とコプレーナ線路との接続に応用した。尚、第１の実施形態と同一構成物には同符号を付し、その説明を省略する。

図７に示すように、第３の実施形態における伝送線路層間接続構造３００は、マイクロストリップ線路１２とコプレーナ線路１４を接続している。コプレーナ線路１４は、第２の地導体層２Ｂ、第３の誘電体層１Ｃ、及び第３の導体層３Ｃで構成されている。

以上の実施形態で示す通り、特許文献２の構造におけるビアホール群はＩＶＨ（非貫通穴）構造であるのに対して、本発明の構造では、ビアホール群はスルーホール構造をとるため、本発明の接続構造の方が、製造が容易で特性的にも同等以上のものを得ることができる。

尚、上述の第２実施形態では、マイクロストリップ線路とストリップ線路の組み合わせを説明し、この第３の実施形態では、マイクロストリップ線路とコプレーナ線路との組み合わせを説明したが、本発明はかかる組み合わせに限られず、マイクロストリップ線路、ストリップ線路及びコプレーナ線路のうち任意の２つの組み合わせが可能である。

本発明の伝送線路層間接続構造を実現するための材料の仕様としては、一般的な多層配線板材料であれば特に問題はなく、セラミックス系や有機系の配線板材料を用いることができる。

また、伝送損失を抑制するためには、低誘電率かつ低誘電正接の配線板材料が好ましい。このような材料として、例えば、低誘電正接高耐熱多層材料として市販されているＭＣＬ−ＬＸ−６７Ｙ（日立化成工業株式会社製、商品名）やＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ（日立化成工業株式会社製、商品名）がある。

また、多層配線板を作製する際に用いる銅箔に関しても特に規定は無く、一般的なものを用いることができるが、伝送損失を抑制するためには銅箔の粗化形状はできるだけ平坦なものが好ましい。このような材料として、例えば３ＥＣ−ＶＬＰ−１２（三井金属鉱業株式会社製、商品名）がある。

以下、本発明の伝送線路層間接続構造の実施例について説明する。

先ず、実施例の製造手順について説明する。図８は、実施例の製造手順を示すフローチャートである。

先ず、板厚０．３ｍｍ及び銅箔厚さ１２μｍの銅箔張積層板（日立化成工業株式会社製、商品名ＭＣＬ−ＬＸ−６７Ｙに、後にエッチングにより形成するスロットを取り囲む位置にビアホールの穴あけをし、無電解めっきを施した。そして、５ｍｍ角のスロット６Ａ及びスロット６Ｂをエッチングによりパターニングして内層回路板（２Ａ、１Ｃ、２Ｂ）を作製する（ステップＳ１）。

次に、上から１２μｍ銅箔（三井金属鉱業株式会社製、商品名３ＥＣ−ＶＬＰ−１２）、プリプレグ（日立化成工業株式会社製、商品名ＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ）、ステップＳ１で得られた内層回路板、プリプレグ（日立化成工業株式会社製、商品名ＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ）、１２μｍ銅箔（三井金属鉱業株式会社製、商品名３ＥＣ−ＶＬＰ−１２）の順にそれらを重ね、温度２３０℃、圧力３ＭＰａ、時間６０分の条件で積層一体化した多層回路板（３Ａ、１Ａ、２Ａ、１Ｃ、２Ｂ、１Ｂ、３Ｂ）を作製する（ステップＳ２）。

最後に、ステップＳ２で得られた多層回路板に対し、内層回路板に形成したスロット６Ａ及びスロット６Ｂを取り囲む位置にビアホールを穴あけした後、無電解めっきを施す。そして、幅０．７ｍｍの給電線路４Ａ及び４Ｂ、給電線路の先端部の地導体パターン５Ａ及び５Ｂ、スリット８Ａ及び８Ｂをエッチングによりパターニングして２４ＧＨｚ用伝送線路層間接続構造１００を得る（ステップＳ３）。

＜比較例１＞
ここで、比較例の伝送線路層間接続構造について説明する。以下、実施比較例の製造手順について説明する。図９は、比較例の製造手順を示すフローチャートである。

先ず、板厚０．３ｍｍ及び銅箔厚さ１２μｍの銅箔張積層板（日立化成工業株式会社製、商品名ＭＣＬ−ＬＸ−６７Ｙの両面に、５ｍｍ角のスロット６Ａ及びスロット６Ｂ、３ｍｍ角の無給電パッチパターン９Ａ及び無給電パッチパターン９Ｂをエッチングによりパターニング（図１１）して内層回路板（２Ａ、１Ｃ、２Ｂ）を作製する（ステップＳ１’）。

次に、上から１２μｍ銅箔（三井金属鉱業株式会社製、商品名３ＥＣ−ＶＬＰ−１２）、プリプレグ（日立化成工業株式会社製、商品名ＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ）、ステップＳ１で得られた内層回路板、プリプレグ（日立化成工業株式会社製、商品名ＧＥＡ−ＬＸ−６７Ｙ）、１２μｍ銅箔（三井金属鉱業株式会社製、商品名３ＥＣ−ＶＬＰ−１２）の順にそれらを重ね、温度２３０℃、圧力３ＭＰａ、時間６０分の条件で積層一体化した多層回路板（３Ａ、１Ａ、２Ａ、１Ｃ、２Ｂ、１Ｂ、３Ｂ）を作製する（ステップＳ２’）。

最後に、ステップＳ２’で得られた多層回路板に対し、内層回路板に形成したスロット６Ａ及びスロット６Ｂを取り囲む位置に貫通スルーホールを穴あけした後、無電解めっきを施す。そして、幅０．７ｍｍの給電線路４Ａ及び給電線路４Ｂ、地導体パターン５Ａ及び地導体パターン５Ｂ、スペース８Ａ及びスペース８Ｂをエッチングによりパターニング（図１２）して２４ＧＨｚ用伝送線路層間接続構造１０００（図１０）を得る（ステップＳ３’）。

以上のように作製した２４ＧＨｚ用伝送線路層間接続構造１００と１０００に対して、伝送線路４Ａと伝送線路４Ｂに、高周波プローブ（Ｃａｓｃａｄｅ製、商品名ＡＣＰ−ＧＳＧ５００）を接触させ、同軸ケーブル（ＳＵＨＮＥＲ製、商品名ＳＵＣＯＦＬＥＸ１００）を介して接続されたネットワークアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製、商品名Ｅ８３６４Ｂ）から電力を供給すると共に、伝送線路４Ａにおける反射損失と、伝送線路４Ａから伝送線路４Ｂの端面に電力が通過する際の伝送損失を測定した。反射損失を測定した結果を図１３に、伝送損失を測定した結果を図１４に示す。また、各伝送線路層間接続構造の２４ＧＨｚ時の特性をまとめて表１に示す。

図１３及び表１から、伝送線路層間接続構造１００は、伝送線路層間接続構造１０００よりも２４ＧＨｚ近傍での反射損失が小さいことから、この周波数近傍での電磁波の放射が大きいことがわかる。また、図１４及び表１から、伝送線路層間接続構造１００は、伝送線路層間接続構造１０００よりも２４ＧＨｚ近傍での伝送損失が小さく、また伝送損失が小さい周波数領域も広いことがわかる。

最後に捕捉として、表２及び表３にそれぞれ示した解析条件及び解析モデルでの、本願実施例と特許文献２の層間接続構造の伝送損失の比較を表４に示す。尚、使用した電磁界シミュレータは、Ａｎｓｏｆｔ社製の「ＨＦＳＳ」（商品名）である。

本発明における伝送線路層間接続構造の第１実施形態の概略構成を示す分解斜視図である。 導体層の平面図である。 導体層の変形例の平面図である 地導体層の平面図である。 第１の導体層と、第１の誘電体層と、第１の地導体層と、第２の誘電体層と、第２の導体層の順に積層一体化して構成した３層構造の伝送線路層間接続構造の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明における伝送線路層間接続構造の第２実施形態の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明における伝送線路層間接続構造の第３実施形態の概略構成を示す分解斜視図である。 実施例の製造手順を説明するためのフローチャートである。 比較例の製造手順を説明するためのフローチャートである。 比較例の伝送線路層間接続構造の概略構成を示す分解斜視図である。 比較例の地導体層の平面図である。 比較例の導体層の平面図である。 実施例及び比較例の反射損失の周波数特性を示すグラフである。 実施例及び比較例の伝送損失の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１００、２００、３００、４００ 本発明による伝送線路層間接続構造
１０００ 比較例（従来技術）による伝送線路層間接続構造
１Ａ 第１の誘電体層
１Ｂ 第２の誘電体層
１Ｃ 第３の誘電体層
２Ａ 第１の地導体層
２Ｂ 第２の地導体層
２Ｃ 第３の地導体層
３Ａ 第１の導体層
３Ｂ 第２の導体層
３Ｃ、３Ａ’、３Ｂ’ 導体層
４Ａ 第１の給電線路
４Ｂ 第２の給電線路
５Ａ 第１の地導体パターン
５Ｂ 第２の地導体パターン
６Ａ 第１のスロット
６Ｂ 第２のスロット
７Ａ、７Ｂ スリット
８Ａ、８Ｂ スペース
９Ａ、９Ｂ 無給電パッチパターン
１０ 導体層と地導体層とを接続するビアホール群
１１ 地導体層間を接続するビアホール群
１２ マイクロストリップ線路
１３ ストリップ線路
１４ コプレーナ線路
１５ 第１の伝送線路
１６ 第２の伝送線路

Claims (3)

1. 第１の給電線路の終端部に地導体層と同電位となる第１の地導体パターンが接続された第１の導体層と、第１の誘電体層と、第１のスロットが形成された第１の地導体層と、第２の誘電体層とを積層することにより構成された第１の伝送線路と、
   第２の給電線路の終端部に地導体層と同電位となる第２の地導体パターンが接続された第２の導体層と、第３の誘電体層と、第２のスロットが形成された第２の地導体層とを積層することにより構成された第２の伝送線路とを備え、
   前記第１の導体層、前記第１の地導体層、前記第２の地導体層及び前記第２の導体層の順になるように各層を積層一体化した伝送線路層に対して、前記第１の地導体パターンと、前記第１の地導体層と、前記第２の地導体層と、前記第２の地導体パターンとの間を、前記第１のスロットと前記第２のスロットとの周囲に形成したビアホール群により電気的に接続し、
   前記第１のスロットの前記第１の給電線路に平行な方向の長さと前記第１の給電線路に垂直な方向の長さは、使用する周波数の線路実効波長の０．５倍以上であり、
   前記第２のスロットの前記第２の給電線路に平行な方向の長さと前記第２の給電線路に垂直な方向の長さは、使用する周波数の線路実効波長の０．５倍以上であり、
   前記ビアホール群の間隔は、使用する周波数の線路実効波長の４分の１以下であり、
   前記第１の給電線路と前記第１の地導体パターンとの接続部、及び前記第２の給電線路と前記第２の地導体パターンとの接続部のそれぞれにスリットを形成したことを特徴とする伝送線路層間接続構造。
2. 前記第２の地導体層と前記第３の誘電体層がなく、前記第１の導体層と、前記第１の誘電体層と、前記第１の地導体層と、前記第２の誘電体層と、前記第２の導体層の順に積層一体化して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の伝送線路層間接続構造。
3. 前記第１の伝送線路及び前記第２の伝送線路は、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、及びコプレーナ線路のうちの任意の組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送線路層間接続構造。