JPH10163713A - 高周波伝送線路の結合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】３０ＧＨｚ以上のミリ波信号を小さい損失で基
板の垂直方向に伝送することが可能で、かつ量産性に優
れた高周波用伝送線路の結合構造を提供する。 【解決手段】第１のマイクロストリップ線路Ａと、スロ
ット孔４を有するグランド層３と、第２のマイクロスト
リップ線路Ｂと、誘電体１Ａ，１Ｂとを具備し、線路Ａ
の端部５Ａと、線路Ｂの端部５Ｂとをスロット孔４を介
して対峙させることにより、線路Ａと線路Ｂとを電磁結
合してなる結合構造であって、伝送信号の周波数ｆ、誘
電体の比誘電率ε、スロット孔４中心直上から線路端部
５Ａ、５Ｂまでの距離ＭＬ、スロット孔の長さＳＬ、ス
ロット孔の幅ＳＷが特定の条件式を満足するように制御
することにより、垂直方向の高周波信号の伝送損失が小
さく、かつＭＬ、ＳＬ、ＳＷの電磁結合部の寸法が製造
上の公差により若干変化したとしても特性変化が小さい
量産性に優れた伝送線路の結合構造を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波半導体素
子、受動部品、接続用端子間を相互に接続するための高
周波伝送線路の結合構造に関し、特に、３０ＧＨｚ以上
のミリ波領域の周波数の高い信号を小さな損失で伝送線
路から他の伝送線路に伝達することのできる結合構造に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年社会の情報化が進み、情報の伝達は
携帯電話に代表されるように無線化、パ−ソナル化が進
んでいる。このような状況の中、さらに高速大容量の情
報伝達を可能にするために、ミリ波（３０〜３００ＧＨ
ｚ）領域で動作する半導体素子の開発が進んでいる。最
近ではこのような高周波半導体素子技術の進歩にともな
い、その応用として車間レ−ダ−や無線ＬＡＮのような
ミリ波の電波を用いたさまざまな応用システムも提案さ
れるようになってきた。

【０００３】例えば、ミリ波を用いた車間レ−ダ−（１
９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエテ
ィ大会、ＳＣ−７−６参照）、コ−ドレスカメラシステ
ム（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサ
イエティ大会、Ｃ−１３７参照）、高速無線ＬＡＮ（１
９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエテ
ィ大会、Ｃ−１３９参照）が提案されている。

【０００４】このようにミリ波の応用はシステム構築の
段階に入っており、必要とされる性能を満足しつつ、い
かに形状とコストを小さくするかに開発の主体は移行し
つつある。高周波回路の小型化と低コスト化を図るため
の手段の１つとして、回路素子を１つの基板上に実装
し、モジュール化する方法がある。この方法により形状
を小さくするには、できるだけ回路素子同士を近づけて
実装する必要がある。そのために、素子間あるいは素子
と基板外部とを接続する配線の形成密度が大きくなり、
その配線を高密度に配設するには、配線を多層化する技
術が必要不可欠になっている。

【０００５】多層化された配線において伝達信号を伝送
させるためには、伝達信号を垂直方向に伝送させて異な
る層の配線間に接続する必要が生じる。このような他の
層に形成された配線との接続には、通常ビアホール導体
が用いられている。しかしビアホール導体を使ってミリ
波信号のような周波数が高い信号を伝送させると、伝送
損失が大きいという問題があったため、小さい伝送損失
で高周波信号を垂直方向に伝送できる伝送線路の結合構
造が望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】高周波信号を基板の垂
直方向に伝送させる１つの手段として、従来よりパッケ
ージや配線基板で多用されているビアホール導体を改良
することが考えられる。（１９９５年電子情報通信学会
エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３２６参
照）。この試みではビアホール導体でのインピーダンス
のミスマッチによる反射を抑えるために、ビアホール導
体の周囲にグランド層を設け、同軸線路に類似した構造
とすることが提案されている。

【０００７】しかしながら、その伝送特性は信号周波数
１０ＧＨｚで反射が−１８ｄＢ、損失が−２ｄＢと伝送
損失が大きく、１０ＧＨｚ以上の信号周波数では、さら
に急激に特性が劣化している。これはビアホール導体に
高周波信号を伝送させると、配線部分とビア部分での電
磁界分布が大きく異なり、配線とビアの接続部分で急激
に電磁界分布が変化するためであると考えられる。

【０００８】つまり、配線部分では高周波信号に伴う磁
界は配線に垂直な面内で、配線を軸にした周回形状に発
生する。ところがビアホール導体部分では高周波信号が
配線部分と同じモ−ドで伝送し、磁界は基板表面に平行
な面内でビアホール導体を軸にした周回形状に発生し、
配線とビアホール導体の接続部分で磁界の分布が９０°
回転してしまうのである。

【０００９】このような配線とビアホール導体の接続部
分での電磁界分布の変化を緩やかにするために、ビアホ
ール導体を斜めに設け配線とビアホール導体のなす角度
を鈍角にすることも考えられるが、そのようなビアホー
ル導体の形成は難しく、加工性や量産性に問題がある。

【００１０】一方、上記のビアホール導体に代わり、電
磁結合を用いることも提案されている。この電磁結合構
造としては、マイクロストリップ線路と他のマイクロス
トリップ線路とをグランド層に設けられたスロット孔を
介して対峙させた構造からなる。

【００１１】しかし、このような電磁結合構造での信号
の伝送については、これまでマイクロ波帯の低い周波数
において伝送可能であることの報告があるのみで、ミリ
波のような周波数が高く、波長が誘電体の厚さに近い信
号の伝達に適用できるのか否か、また伝達可能であって
も挿入損失を実用に耐えうる程度に小さくするための具
体的な構造については全く報告されていない。

【００１２】本発明は、前記課題を解消せんとして成さ
れたもので、その目的は、３０ＧＨｚ以上のミリ波等の
高周波信号の損失が実用上も充分に小さく、かつ量産性
に優れた、高周波信号を基板の垂直方向に伝送できる高
周波伝送線路の結合構造を提供することを目的とするも
のである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
について鋭意検討した結果、ミリ波信号を伝送するのに
マイクロストリップ線路間をスロット孔を介して電磁結
合させるにあたり、伝送する高周波信号の周波数と基板
として用いる誘電体の誘電率に応じて電磁結合部の種々
の寸法が特定の関係を満足する場合において、３０ＧＨ
ｚ以上のミリ波であっても実用上問題ない程度に高周波
信号の損失が小さく、且つ垂直方向に信号の伝達が可能
ない線路の結合構造を実現できることを見いだした。

【００１４】即ち、本発明の高周波伝送線路の結合構造
は、第１のマイクロストリップ線路と、スロット孔を有
するグランド層と、第２のマイクロストリップ線路と、
前記第１のマイクロストリップ線路と前記グランド層間
および第２のマイクロストリップ線路と前記グランド層
間に配設された誘電体とを具備し、前記第１のマイクロ
ストリップ線路の端部と、前記第２のマイクロストリッ
プ線路の端部とを前記スロット孔を介して対峙させるこ
とにより、前記第１のマイクロストリップ線路と前記第
２のマイクロストリップ線路とを電磁結合してなる高周
波伝送線路の結合構造において、前記線路を伝送する高
周波信号の周波数をｆ（ＧＨｚ）、前記誘電体の比誘電
率をε、前記第１および第２のマイクロストリップ線路
の前記スロット孔中心直上から線路端部までの距離をＭ
Ｌ（ｍｍ）、前記スロット孔の長さをＳＬ（ｍｍ）、ス
ロット孔の幅をＳＷ（ｍｍ）としたとき、下記数１

【００１５】

【数１】

【００１６】を満たすことを特徴とするものである。

【００１７】本発明の高周波伝送線路の結合構造によれ
ば、高周波信号を基板に対して垂直に伝送させる手段と
して、第１のマイクロストリップ線路からグランド層に
形成されたスロット孔を介して第２のマイクロストリッ
プ線路に結合する電磁結合を用い、伝送する高周波信号
の周波数、基板の比誘電率、マイクロストリップ線路の
スロット孔中心直上から開放端までの距離、スロット孔
の長さ、スロット孔の幅を前述した条件を満足するよう
に定めることにより、高周波信号を垂直方向に低損失で
伝送することができ、しかも前記各寸法が前記関係を満
足する限りにおいて特性変化が小さく、量産性に優れた
伝送線路の結合構造を提供できるのである。

【００１８】その結果、この伝送線路の結合構造を多層
化された高周波用の配線基板や高周波素子を搭載したパ
ッケージなどに配設することにより、高信頼性の多層配
線基板やパッケージを作製することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の高周波伝送線路の結合構
造の基本構造の断面図を図１に示した。図１において、
１Ａ、１Ｂは誘電体、２Ａは第１のマイクロストリップ
線路の中心導体、２Ｂは第２のマイクロストリップ線路
の中心導体、３はグランド層、４はグランド層に形成さ
れたスロット孔である。

【００２０】図１の結合構造によれば、誘電体１Ａの上
面には、第１のマイクロストリップ線路の中心導体２Ａ
が形成され、誘電体１Ｂの上面には、グランド層３が形
成され、さらに、誘電体１Ｂの下面には、第２のマイク
ロストリップ線路の中心導体２Ｂが形成されている。そ
して、グランド層３には、スロット孔４が形成されてい
る。

【００２１】上記の構造によれば、中心導体２Ａとグラ
ンド層３との相互作用によって第１のマイクロストリッ
プ線路Ａが形成され、同様に中心導体２Ｂとグランド層
３との相互作用によって第２のマイクロストリップ線路
Ｂが形成される。

【００２２】本発明は、誘電体１Ａ、１Ｂを介して、異
なる層間に形成されたマイクロストリップ線路Ａ、Ｂ同
士を電磁結合させるための構造であって、マイクロスト
リップ線路Ａ、Ｂのそれぞれの中心導体２Ａ、２Ｂの端
部は、グランド層３に設けられたスロット孔４を介して
対称となる位置に対峙して形成される。

【００２３】なお、図１において、第１および第２のマ
イクロストリップ線路Ａ，Ｂのスロット孔４の中心直上
から線路端部５Ａ、５Ｂまでの距離をＭＬ（ｍｍ）、ス
ロット孔４の長手方向の長さをＳＬ（ｍｍ）、スロット
孔４の幅をＳＷ（ｍｍ）と規定した。

【００２４】図１の結合構造によれば、マイクロストリ
ップ線路Ａに給電された高周波信号は端部５Ａに向かう
進行波と、端部５Ａで反射した後退波と重なる。そのた
め、マイクロストリップ線路Ａにおけるスロット孔４の
中心直上から線路端部５Ａまでの距離ＭＬを調整するこ
とにより、スロット孔４の直上での電流を大きくするこ
とができる。スロット孔４直上での電流を最も大きくす
るためのＭＬは、伝送される信号の周波数とマイクロス
トリップ線路Ａを構成する誘電体１Ａの誘電率εによっ
て変化する。

【００２５】スロット孔４直上での電流を大きくする
と、ここでの磁界も大きくなり、マイクロストリップ線
路Ａの中心導体２Ａを軸に周回する強い磁界を伴う電磁
界が発生する。スロット孔４の長さＳＬを調整すると、
マイクロストリップ線路Ａで発生している磁界によりス
ロット孔４にも強い電磁界が励起される。そうすると裏
面のマイクロストリップ線路Ｂにも、中心導体２Ｂを軸
に周回する強い磁界を伴う電磁界が発生し、マイクロス
トリップ線路Ａに給電された高周波信号はスロット孔４
を介して、マイクロストリップ線路Ｂに伝送されること
になる。

【００２６】この伝送線路による高周波信号の磁界は、
ビアホール導体を用いた場合と異なり、常にマイクロス
トリップ線路に垂直な面内での周回形状となり、それが
マイクロストリップ線路Ａ、スロット孔４、マイクロス
トリップ線路Ｂへと結合により移行し、損失の小さな高
周波信号の伝送を可能にしている。

【００２７】また、上述した電磁結合は最も基本的な結
合の形態であり、このような結合構造においては、前記
ＭＬは、信号波長の１／４波長相当長さ、前記ＳＬは、
信号波長の１／２波長相当長さに設定することが一部に
報告されるが、３０ＧＨｚ以上のミリ波の信号伝送の場
合、各部の寸法によっては例えばマイクロストリップ線
路部が容量性となり、スロット孔部が誘導性となって全
体として共振して結合することを見い出し、これを利用
して電磁結合部の各部の寸法が上記の設定以外に製造公
差等により若干変化したとしても特性変化が小さく、損
失の小さい伝送線路の結合を実現したものである。

【００２８】かかる観点から、線路を伝送する高周波信
号の周波数をｆ（ＧＨｚ）、誘電体１Ａ，１Ｂの比誘電
率をεした時、前記ＭＬ（ｍｍ）、ＳＬ（ｍｍ）および
ＳＷ（ｍｍ）の最適条件について検討した結果、下記数
１

【００２９】

【数１】

【００３０】の関係を満足する時、最も低損失で結合で
き、具体的には、後述する実施例から明らかなように、
周波数３０〜６０ＧＨｚの信号において、挿入損失−４
ｄＢ以下の損失で結合することができ、上記の条件を満
足しない場合には、挿入損失は−４ｄＢを越えるものと
なり良好な結合ができなくなる。

【００３１】図１に示されるようなマイクロストリップ
線路間の電磁結合構造における伝送特性は、各線路やグ
ランド層を形成する導体の抵抗が小さいほど損失も小さ
くなる傾向にある。導体の種類として、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｏ
−Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ等が挙げられるが、こ
れらの中でも電気抵抗が小さいＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ
等が最も望ましい。

【００３２】また、誘電体としては、従来から配線基板
やパッケージにおける絶縁基板として用いられる無機
質、有機質のあらゆるものが使用できるが、図１に示し
たような積層構造を形成する上で、各導体と誘電体とが
同時に焼成することにより作製できるのがよい。

【００３３】例えば、導体として、Ｗ，Ｍｏ等の高融点
金属を用いる場合には、誘電体としては、アルミナ系セ
ラミックス材料によって構成し、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等の
金属を用いる場合には、９００〜１１００℃で焼成可能
がセラミックス、具体的には、ホウケイ酸系ガラス、焼
結過程で結晶相を析出し得る結晶化ガラスや、非結晶化
ガラス、あるいはこれらのガラスにフィラーとしてアル
ミナ、ジルコニア、コーディエライト、フォルステライ
ト、シリカ等を添加し焼成した、いわゆるガラスセラミ
ック焼結体や、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシ
ウム等の誘電体に焼結助剤として酸化ホウ素やアルカリ
金属酸化物等を添加し焼成したセラミックス等、周知の
材料が用いられる。

【００３４】上記のような導体材料および誘電体材料を
用いて、図１に示したような結合構造を作製するには、
例えば、上記セラミック粉末をシート状に成形したグリ
ーンシートの表面に各種導体金属を含むペーストを中心
導体、スロット孔を有するグランド層のパターンに印刷
したものを積層一体化し、所望の焼成温度で焼成するこ
とにより作製することができる。

【００３５】本発明の高周波伝送線路の結合構造は、図
１の構造を基本構造とするものであり、かかる構造を種
々の高周波用として用いられる高周波用半導体パッケー
ジなどの多層化された配線基板における信号伝送配線と
して利用することができる。その場合には、多層配線基
板において、高周波信号を配線基板の積層方向に伝達す
る必要のある箇所に、図１の結合構造を採用すればよ
い。

【００３６】

【実施例】

実施例１ 誘電体として結晶性ホウケイ酸ガラスにフィラーとして
コーディエライトを４０重量％添加した誘電率が５．６
のガラスセラミックスを用い、またマイクロストリップ
線路、グランド層を構成する導体として、Ｃｕを用い
て、窒素雰囲気中で９４０℃で同時焼成して図２に示し
たような２層構造の評価用配線基板６を作製した。図２
は、作製した評価用配線基板６の伝送損失を測定するた
めに金属ブロック７に接合したときの断面図である。図
２によれば、評価用配線基板６を内側にキャビティ部８
を有する金属ブロック７に載置し、評価用配線基板６
は、測定用変換基板９とリボン１０によって電気的に接
続されている。従って、評価用配線基板６は、測定の都
合上、電磁結合部を２個含み、測定用変換基板９との接
続位置が同一面となるように配置した。

【００３７】図２によって測定される伝送損失は、電磁
結合部２個、測定用変換基板２個、リボン２個、リボン
と電磁結合部を接続するマイクロストリップ線路２個、
電磁結合部間を接続するマイクロストリップ線路１個の
合計の損失になる。

【００３８】測定用配線基板６の外形寸法は８．６ｍｍ
×８．６ｍｍとし、厚みが０．４ｍｍ、各導体層の厚み
０．０１５ｍｍ、マイクロストリップ線路の幅は、０．
３ｍｍとし、マイクロストリップ線路のスロット孔中心
直上からの線路端部までの距離ＭＬ（ｍｍ）、スロット
孔の長さＳＬ（ｍｍ）、スロット孔の幅ＳＷ（ｍｍ）を
種々変化させた基板を作製し、６０ＧＨｚおよび３０Ｇ
Ｈｚでの挿入損失を測定した。測定の結果を表１（６０
ＧＨｚ）、表２（３０ＧＨｚ）に示す。

【００３９】表１、表２に示した挿入損失は、図２によ
る測定結果から得られた挿入損失値から、電磁結合部以
外の損失を差し引いたものを２で割った値（すなわち、
電磁結合１個あたりの挿入損失）である。なお、電磁結
合部以外の損失は、電磁結合部を全く含まない単一のマ
イクロストリップ線路を形成した基板を前記評価用配線
基板と同一形状にて作製し、マイクロストリップ線路の
両端をリボンで接続し測定した。

【００４０】

【表１】

【００４１】

【表２】

【００４２】表１、表２の結果によれば、ＭＬ、ＳＬお
よびＳＷの値が、前述した特定条件を満足する場合にお
いて、挿入損失が−４ｄＢ以下の結合が実現しているこ
とがわかる。しかも、伝送する信号の周波数が３０ＧＨ
ｚから６０ＧＨｚに変化してもこの関係は変化しないこ
とがわかる。

【００４３】実施例２ 誘電体として、実施例１の誘電率が低いガラスセラミッ
クスに代えて、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシ
ウムと、さらに焼結助剤として酸化ホウ素、酸化リチウ
ムを添加した誘電率が２０の高誘電率誘電体磁器材料
を、導体材料としてＣｕを用いて実施例１と同様に評価
用配線基板を作製し、周波数６０ＧＨｚにおける挿入損
失を測定した。

【００４４】また導体材料が異なる場合として、前記高
誘電率誘電体磁器材料組成から焼結助剤を除いた組成
で、導体にタングステンを用い、加湿した還元雰囲気
（水素１０％、窒素９０％、露点２０℃）で１５００℃
で同時焼成して、配線基板（試料Ｎo.６５）を作製し、
実施例１と同様にして挿入損失を測定した。結果は表３
に示した。

【００４５】

【表３】

【００４６】表３の結果より、ＭＬ、ＳＬ、ＳＷが本発
明の条件を満足する場合において、−４ｄＢ以下の結合
が実現しており、条件を満足しない場合において、挿入
損失が−４ｄＢよりも大きくなることがわかった。ま
た、誘電体の誘電率が大きくなってもこの関係は変化し
ないことがわかる。

【００４７】但し、試料Ｎo.５９と試料Ｎo.６５とを比
較すると導体にタングステンを用いても挿入損失は小さ
いが、電気抵抗が小さいＣｕを用いた方がさらに挿入損
失が小さくなることがわかる。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の高周波伝送
線路の結合構造によれば、高周波信号を基板に対して垂
直に伝送させる手段として、信号がマイクロストリップ
線路を用いてグランド層に形成されたスロット孔を介し
てマイクロストリップ線路に結合する電磁結合を用い、
伝送する高周波信号の周波数ｆ、基板の比誘電率ε、マ
イクロストリップ線路のスロット孔中心直上から開放端
までの距離ＭＬ、スロット孔の長さＳＬ、スロット孔の
幅ＳＷを特定関係を満足する寸法に調整することによ
り、高周波信号の伝送損失が小さく、かつＭＬ、ＳＬ、
ＳＷ等の電磁結合部の寸法が製造上の公差により若干変
化したとしても特性変化が小さい、量産性に優れた伝送
線路の結合構造を実現できる。その結果、この結合構造
を具備する多層配線基板や高周波素子を搭載、収納する
パッケージ等の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高周波伝送線路の結合構造の基本的構
造を説明するための図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）
は平面図である。

【図２】本発明の実施例における挿入損失の測定方法を
説明するための図である。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ 誘電体 ２Ａ、２Ｂ 中心導体 Ａ 第１のマイクロストリップ線路 Ｂ 第２のマイクロストリップ線路 ３ グランド層 ４ スロット孔 ５Ａ，５Ｂ 端部 ６ 評価用配線基板 ７ 金属ブロック ８ キャビティ ９ 測定用変換基板 １０ リボン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１のマイクロストリップ線路と、スロッ
   ト孔を有するグランド層と、第２のマイクロストリップ
   線路と、前記第１のマイクロストリップ線路と前記グラ
   ンド層間および第２のマイクロストリップ線路と前記グ
   ランド層間に配設された誘電体とを具備し、前記第１の
   マイクロストリップ線路の端部と、前記第２のマイクロ
   ストリップ線路の端部とを前記スロット孔を介して対峙
   させることにより、前記第１のマイクロストリップ線路
   と前記第２のマイクロストリップ線路とを電磁結合して
   なる高周波伝送線路の結合構造において、前記線路を伝
   送する高周波信号の周波数をｆ（ＧＨｚ）、前記誘電体
   の比誘電率をε、前記第１および第２のマイクロストリ
   ップ線路の前記スロット孔中心直上から線路端部までの
   距離をＭＬ（ｍｍ）、前記スロット孔の長さをＳＬ（ｍ
   ｍ）、スロット孔の幅をＳＷ（ｍｍ）としたとき、下記
   数１ 【数１】 を満たすことを特徴とする高周波伝送線路の結合構造