JP3704440B2

JP3704440B2 - 高周波用配線基板の接続構造

Info

Publication number: JP3704440B2
Application number: JP12136899A
Authority: JP
Inventors: 公一永田; 謙治北澤; 慎一郡山; 滋生森岡; 貴則久保
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: JPH11345910A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯からミリ波帯領域の高周波素子を搭載した高周波用配線基板に関し、特に、高周波信号の特性を劣化させることなく高周波素子間での信号の伝達を行うことのできる高周波用配線基板の接続構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、マイクロ波やミリ波を取り扱う高周波回路素子を搭載した高周波用パッケージにおいては、誘電体基板と、誘電体基板の表面に接続された壁体や蓋体によって形成されるキャビティ内に気密封止されている高周波素子が収納されており、高周波素子と電気的に接続された信号伝送線路と外部回路基板に形成された信号伝送線路を電気的に接続して高周波信号の入出力が行われている。
【０００３】
そこで、従来から、この種の高周波配線基板の応用例である高周波用モジュールでは、図９（ａ）に示すように、誘電体からなる誘電体基板４１と蓋４２、４２’により形成されたキャビティ４３、４３’内にそれぞれ高周波素子４４、４４’を搭載して気密に封止されている。そして高周波信号の入出力は、誘電体基板４１表面に高周波素子４４、４４’と接続されるストリップ線路等の高周波用伝送線路４５、４５’がそれぞれ形成されている。この伝送線路４５と４５’とを、蓋４２、４２’に形成された絶縁体４６により絶縁された導体層４７を介してワイヤボンディングやリボン等により接続されている。
【０００４】
また、図９（ｂ）に示すように、誘電体基板４１の内部に信号伝送線路４９を形成し、この信号伝送線路４９と伝送線路４５と４５’とをスル−ホ−ル導体５０を通じて接続した半導体パッケージが提案されている。さらに、図９（ｃ）に示すように、複数の高周波素子を、それぞれ独立して導電性蓋体にて電磁的に封止して、各高周波素子の入出力端に、それぞれ誘電体基板の主表面から金属板５１の裏面にかけて貫通するスルーホールを形成し、該スルーホールの内部に、同軸伝送路５２、５３を配し、該同軸伝送路５２、５３の主表面側の入出力端と、回路ブロックの入出力端とを電気的に接続する同軸伝送路接続部５４、５４’を介し、回路ブロックの入力端に接続される同軸伝送路５２、５３と、他の回路ブロックの出力端に接続される同軸伝送路５２’、５３’とを接続し、さらに、裏面側にて接続部材５５を介して接続する構成が平７−２６３８８７号等にて提案されている。
【０００５】
このような高周波用モジュールにおいては、高周波信号の伝送特性を劣化させることなく、高周波素子間で信号の入出力が可能であり、さらには、製造が容易であることも要求される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９（ａ）においては、高周波信号が導体層４７中を通り、壁体４２、４２’を通過する場合、壁体通過部で信号伝送線路がマイクロストリップ線路からストリップ線路へと変換されるため、インピーダンス整合をとるために信号伝送線路幅を狭くする必要がある。その結果、この通過部で反射損、放射損が発生しやすく高周波信号の伝送特性が劣化するという問題がある。しかも、信号伝送線路４５、４５’をキャビティ４２、４２’の外側に引出すために、壁体の少なくとも線路通過部は誘電体によって形成する必要があり、構造が複雑になり、モジュール全体のコストを高める要因にもなっていた。
【０００７】
これに対して、図９（ｂ）は、スルーホール導体５０によって壁体を通過しないために、信号の特性劣化は小さいが、伝送する信号の使用周波数が４０ＧＨｚ以上になると信号伝送線路４９とスルーホール導体５０との接続部が曲折するために、曲折部での透過損失が急激に大きくなり、高周波信号を伝送することが困難であった。
【０００８】
また、図９（ｃ）においても、スルーホール導体５２、５２’の内部の同軸伝送路５４、５４’により、高周波信号の伝送損失を小さくすることはできるが、スルーホール内に同軸伝送路を形成することが難しく、また、接続部の信頼性が劣るという問題があった。
【０００９】
従って、本発明は、誘電体基板表面に形成された高周波素子を電磁的に封止するとともに、高周波素子間の信号伝達時の伝送損失が小さく、且つ簡略した構造からなる小型で高信頼性の高周波用配線基板を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、高周波用配線基板の接続構造において、低損失化、小型化が可能な構造について検討を重ねた結果、蓋体によるキャビティ内の誘電体基板表面に形成され、一方の端部が前記高周波素子と電気的に接続された第１の高周波伝送線路を、前記キャビティ外の領域に形成された第２の高周波伝送線路との電磁結合によって接続することにより、前記高周波素子間を伝送特性を劣化させることなく電気的に接続することができるとともに、かつ単純で小型化が可能な配線基板の接続が可能となることを見いだした。
【００１１】
即ち、本発明の高周波用配線基板の接続構造は、第１の誘電体基板および該第１の誘電体基板表面に実装された高周波素子ならびに前記第１の誘電体基板の表面に形成され、一方の端部が前記高周波素子と電気的に接続された第１の高周波伝送線路を具備する高周波用配線基板と、表面または内部にスロット孔が設けられたグランド層が形成され、内部または裏面に第２の高周波伝送線路が形成された第２の誘電体基板とを具備してなり、前記第２の誘電体基板は前記第１の誘電体基板よりも低誘電率の材料からなるとともに、前記高周波用配線基板における前記第１の高周波伝送線路と、前記第２の誘電体基板における前記第２の高周波伝送線路とを、前記グランド層内に設けられた前記スロット孔を介して電磁的に接続してなることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の高周波用配線基板の他の接続構造は、第１の誘電体基板および該第１の誘電体基板表面に実装された高周波素子ならびに前記第１の誘電体基板の表面に形成され、一方の端部が前記高周波素子と電気的に接続された第１の高周波伝送線路ならびに前記第１の誘電体基板の裏面に形成され、且つスロット孔が設けられたグランド層を具備する高周波用配線基板と、内部または裏面に第２の高周波伝送線路が形成された第２の誘電体基板とを具備してなり、
前記第２の誘電体基板は前記第１の誘電体基板よりも低誘電率の材料からなるとともに、前記高周波用配線基板における前記第１の高周波伝送線路と、前記第２の誘電体基板における前記第２の高周波伝送線路とを、前記グランド層内に設けられた前記スロット孔を介して電磁的に接続してなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記第１の高周波伝送線路は、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、グランド付きコプレーナ線路から選ばれる１種から構成され、前記第２の高周波伝送線路が、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、グランド付きコプレーナ線路およびトリプレート線路から選ばれる１種から構成されることが望ましい。
【００１４】
【作用】
本発明の上記構成によれば、特に第１の高周波伝送線路の他方の端部と、第２の高周波伝送線路の端部とを、例えば、グランド層に形成されたスロット孔を介して電磁的に結合することにより、伝送線路が誘電体からなる壁体内を通過したり、スルーホール導体や同軸線路等を経由することがないために、高周波信号が壁体内や曲折部を通過する際に生じる反射損や放射損の発生を極力抑制することができ、また同軸線路等の形成の必要がなく、低伝送損失で且つ小型化が可能な配線基板の接続が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明における高周波用配線基板の接続構造の応用例である高周波用モジュールについてその第１の実施態様における概略断面図を図１に示した。
図１の高周波用モジュール１によれば、誘電体材料からなる誘電体基板２の表面には、２つ以上の蓋体３、３’が接合されており、誘電体基板２とそれらの蓋体３、３’によってキャビティ４、４’が形成されている。そして、そのキャビティ４、４’内の誘電体基板２表面には、それぞれＭＭＩＣ、ＭＩＣ等の高周波用の高周波素子５、５’が実装されている。また、上記のモジュールのキャビティ４、４’内には、高周波素子５、５’に信号を伝送するための線路として、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、グランド付コプレーナ線路のうちから選ばれる１種からなる第１の高周波伝送線路（以下、第１の線路と略す。）６、６’がキャビティ４、４’内の誘電体基板２表面に被着形成され、高周波素子５、５’と電気的に接続されている。
【００１６】
この誘電体基板２は、誘電率が２０以下のアルミナ、ムライト、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム等のセラミックス、ガラスセラミックス、セラミック金属複合材料、ガラス有機樹脂系複合材料および石英等の誘電体材料からなることが望ましい。
【００１７】
蓋体３、３’は、キャビティ４、４’からの電磁波が外部に漏洩したり、電磁波が外部にもれるのを防止できる電磁波遮蔽性を有する材料から構成され、例えば、金属、導電性セラミックス、セラミック金属複合材料等が使用できるが、絶縁基板の表面に導電性物質を塗布したものであってもよいが、コストの点から考慮すれば金属であるのがよい。
【００１８】
第１の線路６、６’は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の低抵抗導体からなることが望ましく、この点から前記誘電体基板２は、焼成温度が８００〜１０００℃程度のガラスセラミックスが最適であり、この組み合わせにより誘電体基板２と信号伝送線路との同時焼成が可能となる。
【００１９】
高周波素子５、５’は第１の線路６、６’上に直接搭載するプリップチップ実装により、小さな伝送損失で接続することができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、金リボンや複数のワイヤボンディングで接続したり、ポリイミド等の基板にＣｕ等の導体を形成した導体板等により接続することもできる。
【００２０】
本発明によれば、図１に示すように他の部材であり誘電体材料からなる第２の誘電体基板（以下第２の基板と略す）１３の表面にはほぼ全面にわたりグランド層８が形成され、グランド層８内には、スロット孔９、９’が形成されている。
【００２１】
なお、図１によれば、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、グランド付コプレーナ線路およびトリプレートのうちから選ばれる１種からなる第２の高周波伝送線路（以下第２の線路と略す）７が第２の基板１３の内部に形成されている。
【００２２】
そして、高周波素子５と一端が電気的に接続された第１の線路６の他端部と第２の基板１３内部に形成された第２の線路７の一端とを図１で示すように、スロット孔９を介して対峙する位置関係になるように第１の基板２と第２の基板１３との貼り合わせることにより、第１の線路６と第２の線路７間を電磁的に結合することが可能となり、損失の小さい信号の伝達が行われる。
【００２３】
同様に、高周波素子５’と一端が電気的に接続された第１の線路６’の他端部と第２の基板１３内部に形成された第２の線路７の一端とが図１で示すように、スロット孔９’を介して対峙する位置関係になるように形成することにより、第１の線路６、６’と第２の線路７間を電磁的に結合することが可能となり、第１の線路６’と第２の線路７間で損失の小さい信号の伝達が行われる。
【００２４】
その結果、高周波素子５と高周波素子５’とを、第１の線路６、第２の線路７および第１の線路６’を経由して、低損失で接続することができる。
【００２５】
なお、前記電磁結合の具体的構造について説明すると、第１の線路６および第２の線路７は、各線路の端部がそれぞれスロット孔９の中心直上位置から必要な周波数の伝送信号の１／４波長相当の長さに突出させた対峙位置に形成されることが望ましく、スロット孔９の形状は、長辺と短辺とからなる長方形の孔であり、そのサイズは、使用周波数や周波数の帯域幅により適宜設定される。特に、スロット孔９の長辺は信号周波数の１／２波長相当長さにするのが望ましく、スロット孔９の短辺は１／５波長相当長さから１／５０波長相当長さに設定することが望ましい。また、第１の線路６’と第２の線路７も同様に配置される。
【００２６】
また、第１の基板２と第２の基板１３とは、接着剤やネジ止めにより貼り合わせ固定することができる他、接着剤を用いずに単に重畳しても問題はない。
【００２７】
また、図１においてはグランド層８が第２の基板１３の表面に形成される場合について示したが、本発明の構成によればこれに限られるものではなく、グランド層８は第２の基板１３の内部に形成されてもよく、また、この場合、第２の線路７は第２の基板１３の内部または裏面に形成される。
【００２８】
また、図１に示すように第１の基板２と電磁波遮蔽性の蓋体３、３’との接合部にグランド層１０を形成し、ビアホール１１を通じてグランド層８と電気的に接続することにより、キャビティ４、４’内の電磁波がシールドできるため高周波素子５、５’および第１の線路６、６’に発生する電磁波が外部に漏洩および外部の電磁界による悪影響を防止し、回路の誤作動を防止することができるため、配線基板の信頼性を高めることができる。さらに信号伝送線路からの共振が他の回路等に影響を及ぼさないようにするため、蓋体３、３’の内面に電磁波吸収体をとりつけてもかまわない。
【００２９】
さらに、第１の基板２のキャビティ４、４’内の表面には、高周波素子５、５’への電源供給線路や１ＧＨｚ以下の低周波信号が伝送される低周波信号伝送線路（図示せず）などが設けられ、さらには、他の電子部品等が実装されていてもよく、これらは通常の多層配線基板技術によってビアホールまたはスルーホールを介してキャビティ４、４’外に導出され、さらに高周波用モジュール１の外部へと導出される。
【００３０】
さらに、図１においてはグランド層８が第２の基板１３に形成される場合について示したが、本発明の構成によればこれに限られるものではなく、グランド層８は必ずしも第２の基板１３に設けられる必要はない。そこで、グランド層８を第１の基板２に形成した第２の実施態様を図２に示した。図２は、その第２の実施態様の分解断面図である。
【００３１】
図２によれば、高周波用配線基板１４においては、第１の基板２、蓋体３、３’、キャビティ４、４’、高周波素子５、５’、第１の線路６、６’は高周波用配線基板１と同様の構成であるが、図３によれば、第１の基板２の裏面に前記第１の線路６、６’と平行になるようにほぼ全面にわたりグランド層８が形成され、グランド層８内には、スロット孔９、９’が形成され、また、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、グランド付コプレーナ線路およびトリプレートのうちから選ばれる１種からなる第２の線路７が誘電体材料からなる第２の基板１３の内部に形成されている。
【００３２】
そして、第１の線路６、６’と第２の基板１３内部に形成された第２の線路７の終端部が図１で説明したのと同様にスロット孔９、９’を介して所定の位置関係になるように第１の基板２と第２の基板１３とを貼り合わせることにより、第１の線路６、６’と第２の線路７間を電磁的に結合することが可能となり、損失の小さい信号の伝達が行われる。
【００３３】
なお、第１の基板２と第２の基板１３とは、図２の高周波用配線基板１４と同様に貼り合わせ固定することができる。
【００３４】
図２の高周波用モジュール１４においては、第２の線路７が第２の基板１３内に設けられたものであるが、第２の線路は必ずしも第２の基板１３内に設けられる必要はない。そこで、第２の線路７を他の部材である第２の基板１３の裏面に形成した第３の実施態様を図３に示した。図２は第２の実施態様の分解断面図である。
図３によれば、高周波用配線基板１５においては、第１の基板２、蓋体３、３’、キャビティ４、４’、高周波素子５、５’、第１の線路６、６’、スロット孔９, ９’およびグランド層８は高周波用配線基板１と同様の構成であるが、図２によれば、第２の基板１３の裏面に第２の線路７が形成されている。
【００３５】
そして、第１の線路６の終端部と第２の基板１３裏面に形成された第２の線路７の終端部とが図１で説明したのと同様にスロット孔９を介して所定の位置関係になるように第１の基板２と第２の基板１３との貼り合わせることにより、第１の線路６と第２の線路７間を電磁的に結合することが可能となり、損失の小さい信号の伝達が行われる。
【００３６】
なお、第１の基板２と第２の基板１３とは、図１並びに図２の高周波用モジュール１、１４と同様に貼り合わせ固定することができる。
【００３７】
また、図１〜３に示した第２の基板１３は、第１の基板２よりも低誘電率の材料、特に樹脂製であることが、電磁結合性を高める上で重要である。また、この第２の基板１３は、ヒートシンク、ハウジングなどを兼ね備えてもよく、もちろんこれと独立した部材であってもよい。
【００３８】
本発明においては、図１乃至図３の実施態様において、第２の線路７は電磁気的にシールドされていることが望ましい。
【００３９】
また、本発明の高周波用モジュールにおいては、図１〜３のモジュールでは、いずれも蓋体３、３’、キャビティ４、４’、高周波素子５、５’、第１の線路６、６’が同一の誘電体基板２に形成されているが、本発明はこれに限られるものではなく、蓋体３、キャビティ４、高周波素子５、第１の線路６が誘電体基板２に、蓋体３’、キャビティ４’、高周波素子５’、第１の線路６’が他の誘電体基板２’に形成される構造であってもよい。
【００４０】
また、蓋体３、３’については、別体として説明したが、蓋体３、３’は高周波素子５、５’を個々に電磁的にシールドできる構造であればよく、例えば、蓋体３、３’が完全に一体化され、壁部３ａによって第１、第２のキャビティに分別されるもの、あるいは、蓋体３、３’が壁部３ａの開口部を蓋部３ｂで覆う構造の壁部３ａと蓋部３ｂによって構成され、壁部３ａによって第１、第２のキャビティに分別されるような一体型の蓋体であってもよい。
【００４１】
さらに、キャビティ４、４’内においては、１つの高周波素子以外に他の高周波素子や低周波素子が内蔵されていてもよく、また、１つのキャビティ内に電磁結合部が３つ以上存在していてもなんら差し支えない。
【００４２】
なお、本発明によれば、誘電体基板の表面に３つ以上のキャビティが設けられ、それぞれのキャビティ内に高周波素子が収納される場合において、３つ以上の高周波素子間が上記と同様な構造によって相互接続されてもよく、また、相互接続されない独立した高周波素子が存在していてもよい。
【００４３】
また、本発明の高周波用モジュールにおいては、第２の線路７内の第１の線路６、６’との接続端間において、整合用回路が設けられたり、線路に電子部品等が接続、介在していてもよい。
【００４４】
さらに、本発明においては、モジュールの末端の高周波素子に対しては、第１の線路６からスロット孔９を介して導波管等を接続することにより、直接アンテナ素子等に信号を伝達することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用配線基板の接続構造は、例えば高周波用モジュール等において高周波素子をそれぞれ内蔵する各々のキャビティ内の第１の線路とキャビティ外に形成された第２の線路との電磁的な結合によって接続することにより、高周波信号伝送線路がキャビティ形成のための壁体等を通過することがないために、線路間及び高周波回路素子間を低伝送損失で信号を伝達することが可能となり、また容易にかつ低コストに作製することができる。しかも、高周波素子、第１の線路が収納されるキャビティを導電性層等により電磁的にシールドすることにより、非常に簡単な構造で、外部からの電磁波による影響および素子や線路間に及ぼす影響を防止することができ、高信頼性の小型化が可能な高周波用モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波用配線基板の接続構造の応用例である高周波用モジュールの第１の実施態様を示す分解断面図である。
【図２】本発明の高周波用配線基板の接続構造の応用例である高周波用モジュールの第２の実施態様を示す分解断面図である。
【図３】本発明の高周波用配線基板の接続構造の応用例である高周波用モジュールの第３の実施態様を示す分解断面図である。
【図４】従来の高周波用モジュールの構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、１４、１５高周波用モジュール
２第１の誘電体基板
３蓋体
４キャビティ
５高周波素子
６第１の高周波伝送線路
７第２の高周波伝送線路
８、１０グランド層
９スロット孔
１１ビアホール
１２第２の誘電体基板

Claims

第１の誘電体基板および該第１の誘電体基板表面に実装された高周波素子ならびに前記第１の誘電体基板の表面に形成され、一方の端部が前記高周波素子と電気的に接続された第１の高周波伝送線路を具備する高周波用配線基板と、
表面または内部にスロット孔が設けられたグランド層が形成され、内部または裏面に第２の高周波伝送線路が形成された第２の誘電体基板とを具備してなり、
前記第２の誘電体基板は前記第１の誘電体基板よりも低誘電率の材料からなるとともに、前記高周波用配線基板における前記第１の高周波伝送線路と、前記第２の誘電体基板における前記第２の高周波伝送線路とを、前記グランド層内に設けられた前記スロット孔を介して電磁的に接続してなることを特徴とする高周波用配線基板の接続構造。
第１の誘電体基板および該第１の誘電体基板表面に実装された高周波素子ならびに前記第１の誘電体基板の表面に形成され、一方の端部が前記高周波素子と電気的に接続された第１の高周波伝送線路ならびに前記第１の誘電体基板の裏面に形成され、且つスロット孔が設けられたグランド層を具備する高周波用配線基板と、
内部または裏面に第２の高周波伝送線路が形成された第２の誘電体基板とを具備してなり、
前記第２の誘電体基板は前記第１の誘電体基板よりも低誘電率の材料からなるとともに、前記高周波用配線基板における前記第１の高周波伝送線路と、前記第２の誘電体基板における前記第２の高周波伝送線路とを、前記グランド層内に設けられた前記スロット孔を介して電磁的に接続してなることを特徴とする高周波用配線基板の接続構造。
前記第１の高周波伝送線路が、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、グランド付きコプレーナ線路から選ばれる１種から構成される請求項１または２記載の高周波用配線基板の接続構造。
前記第２の高周波伝送線路が、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、グランド付きコプレーナ線路およびトリプレート線路から選ばれる１種から構成される請求項１または２記載の高周波用配線基板の接続構造。