(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に形成された信号伝送線路と、該信号伝送線路と導波管とを接続可能な配線基板であって、導波管との接続部が、前記誘電体基板の他方の表面に形成され、前記信号伝送線路の終端と対峙する位置にスロット孔が形成されてなるグランド層と、該グランド層の表面に積層形成された誘電体層と、誘電体層を貫通して前記グランド層と電気的に接続され、前記スロット孔を囲む位置に所定間隔をもって配列形成された複数の垂直導体と、を具備してなり、前記誘電体層における前記垂直導体により囲まれた誘電体領域が、接続される導波管の断面開口部よりも小さいことを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記誘電体層表面に、導波管の導体壁を固定可能な接続部材を取着してなり、該接続部材の前記誘電体領域形成部に内壁が導体からなる開口部を有し、該開口部が導波管の断面開口部と実質的に同一形状からなり、前記誘電体領域よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２のいずれか記載の配線基板の接続部に導波管を接続してなることを特徴とする配線基板と導波管との接続構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用半導体素子や高周波用受動素子などの高周波素子等を収納するための高周波用パッケージ、あるいはそれら素子を収納したパッケージを実装する回路基板、あるいは各種素子を直接表面実装した回路基板などに用いられ、導波管との接続が可能な配線基板に関し、信号伝送線路−導波管間の信号変換の特性バラツキが小さく小型で信頼性が高くしかも製造コストの低い配線基板とその導波管との接続構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
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、パー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（３０〜３００ＧＨｚ）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伴い、その応用として車間レーダーや無線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。例えば、ミリ波を用いた車間レーダー（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、ＳＣ−７−６参照）、コー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（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−１３９参照）が提案されている。
【０００３】
このようにミリ波の応用が進むにつれ、それらの応用を可能とするための要素技術の開発も同時に進められており、特に、各種の電子部品においては、必要な伝送特性を有しながら、いかに小型で信頼性が高く低コストとするかが大きな課題となっている。
【０００４】
このような要素技術の中でも、高周波素子が収納された回路基板あるいはパッケージと、外部電気回路とをいかに簡単で且つ小型な構造で接続するかが重要な要素として位置づけられている。とりわけ、伝送損失の最も小さい導波管が形成された外部電気回路と、高周波素子を搭載した回路基板あるいはパッケージとをいかに接続するかが大きな問題であった。
【０００５】
従来における回路基板あるいはパッケージを外部電気回路に形成された導波管に接続する方法としては、高周波用パッケージからコネクタを用いて一旦同軸線路に変換して導波管と接続する方法、外部電気回路において、導波管を一旦マイクロストリップ線路等に接続した後、そのマイクロストリップ線路と高周波用パッケージとを接続する方法が採用される。
【０００６】
最近では、高周波素子を収納したパッケージあるいはモジュール基板を外部電気回路の導波管に直接接続する方法も提案されている（特開平８−２７４５１３）。この提案では、導波管変換部に多数のホールを設け誘電率を調整し、なおかつ変換部の導波管が接続されるのとは逆側に金属製のキャップを設けるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように、外部電気回路の導波管を一旦、コネクタやマイクロストリップ線路などの他の伝送線路形態を介して、パッケージと接続する方法では、接続構造自体が複雑化するとともに、コネクタや他の伝送線路を形成する領域を確保する必要があるために、接続構造自体が大型化してしまうという問題があった。しかも、他の線路形態やコネクタを介することにより伝送損失が増大する可能性もあった。また、他の線路形態やコネクタの使用は製造工程を複雑にすることになり特性のバラツキが大きくなりコストアップにつながった。
【０００８】
これに対して、導波管から電磁波の形でパッケージまで直接導入する方法は、接続構造を小型化できる点では有効的であるが、前記特開平８−２７４５１３号で提案されている方法は、導波管変換部に多数のホールを設けなおかつ導波管を接続する箇所とは逆側に金属製のキャップ等を設置することが必要であり、そのために、工程数、部品点数が増えコストアップに繋がっていた。
【０００９】
また、特開平１１−１１２２０９号では、気密封止可能でありかつ信号伝送線路−導波管の信号変換ができる技術が提唱されているが、これは導波管のズレや配線基板の信頼性についてなんら考慮されていなかった。
【００１０】
本発明は、前記課題を解消せんとして成されたもので、導波管との接続が可能な配線基板に関し、信号伝送線路−導波管間の信号変換の特性バラツキが小さく、小型で信頼性が高くしかも製造コストの低い配線基板とその導波管との接続構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に形成された信号伝送線路と、該信号伝送線路と導波管とを接続可能な配線基板であって、導波管との接続部が、前記誘電体基板の他方の表面に形成され、前記信号伝送線路の終端と対峙する位置にスロット孔が形成されてなるグランド層と、該グランド層の表面に積層形成された誘電体層と、誘電体層を貫通して前記グランド層と電気的に接続され、前記スロット孔を囲む位置に所定の間隔をもって配列形成された複数の垂直導体とを具備し、前記誘電体層における前記垂直導体により囲まれた誘電体領域を接続される導波管の断面開口部よりも小さくすることによって信号伝送線路−導波管間の信号の変換損失のバラツキを低減し、それにより歩留りが向上し低コスト化が図れ、また高周波素子の気密封止をも確実に行うことができ、かつ信頼性が高いことを見出した。
【００１２】
また、かかる構造においては、導波管を接続するにあたり、配線基板に対して導波管の導体壁を固定可能な接続部材を取着することもできる。その場合、接続部材の誘電体領域直下に内壁が導体からなる開口部を有し、開口部を導波管の断面開口部と実質的に同一形状とし、前記誘電体領域よりも大きく形成することが望ましい。この接続部材に導波管を接続することにより、導波管の装着が、接続部材へのネジ止め等で行うことが可能となり、導波管の着脱が容易となり、半導体素子を実装したパッケージを一旦測定し特性検査した後に実際の製品として用いるという検査工程が行いやすくなる利点がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板の構造について、典型的な応用例として高周波用パッケージの例を以下に図面をもとに説明する。まず、図１は高周波用パッケージの一例を説明するための（ａ）概略断面図、（ｂ）誘電体基板表面の平面図、（ｃ）パッケージの底面図である。
【００１４】
まず、図１の概略断面図に示される高周波用パッケージＡ１によれば、誘電体基板１と、蓋体２によって形成されたキャビティ３内において、高周波素子４が誘電体基板１表面に実装搭載され、キャビティ３内は蓋体２によって気密に封止されている。
【００１５】
誘電体基板１のキャビティ３内の表面には、高周波素子４と一端が接続され、且つ終端５ａを有する信号伝送線路５が形成されている。そして、誘電体基板１の信号伝送線路５が形成された面とは反対の表面には、一面にグランド層７が形成されており、そしてそのグランド層７の信号伝送線路５と対峙する部分には導体が形成されていない長孔（いわゆる、スロット孔）６が形成されている。
【００１６】
このパッケージにおいては、信号伝送線路５は、これが中心導体をなし、グランド層７とともにマイクロストリップ構造の線路を形成している。なお、信号伝送線路は上記マイクロストリップ線路に限らず、信号伝送線路（中心導体）の両脇にグランド層を形成し、グランド層７とともにグランド付きコプレーナ構造の線路でも良い。また、誘電体基板１の信号伝送線路５の周辺には、蓋体２を取り付けるための導体層８が形成されている。
【００１７】
また、図１の高周波用パッケージＡ１においては、グランド層７の表面には、誘電体層１０が積層形成されている。そして、この誘電体層１０には、この誘電体層１０を貫通してグランド層７と電気的に接続され、スロット孔６を囲む位置に所定間隔をもって配列形成された複数の垂直導体１２が設けられている。そして、この垂直導体１２によって囲まれた部分によって誘電体領域９が形成されている。なお、図面では垂直導体１２に円柱状の物を用いているが、角柱状のものでも楕円柱のものでも特に問題は無い。
【００１８】
また、誘電体層１０の誘電体領域９の周囲には、導体層１１が形成されており、この導体層１１は垂直導体１２によってグランド層７と電気的に接続されている。
【００１９】
上記の線路構成において、マイクロストリップ線路の信号伝送線路５は、スロット孔６と電磁結合されている、言い換えれば電磁結合によりスロット孔６に給電する。この電磁結合構造は、具体的には、図１（ｂ）の誘電体基板１の平面図に示すように、マイクロストリップ線路の信号伝送線路５の終端５ａがスロット孔６中心から信号周波数の１／４波長の長さＬで突出するように形成することにより電磁結合することができる。しかし、電磁結合は必ずしも前記寸法の組み合わせだけでなく、その他の組み合わせでも良好な結合は可能である。
【００２０】
図２は高周波用パッケージＡ１に導波管Ｂを接続した時の構造を説明するための（ａ）概略断面図と、（ｂ）導波管開口部と誘電体領域の大きさを把握するための底面図である。
【００２１】
パッケージＡ１に対して導波管Ｂを接続する場合には、導波管Ｂの開放端のフランジＢ’をパッケージＡ１の導体層１１に当接させるが、その際に、グランド層７のスロット孔６が導波管Ｂの中心となるように位置合わせする。そして、フランジＢ’は、導体層１１に対して単に当接させるか、またはフランジＢ’を導体層１１にロウ付けにより接合するか、あるいはフランジＢ’を誘電体基板１および誘電体層１０にネジ止めなどの機械的な接合手段により組み合わせて取り付ける。
【００２２】
また、同時に、導波管ＢのフランジＢ’は誘電体層１０表面の導体層１１と電気的に接続される結果、導波管Ｂの導体壁１６はフランジＢ’、導体層１１、垂直導体１２を介してグランド層７と電気的に接続され、グランド層７と導波管Ｂの電位が同電位に維持される。
【００２３】
本発明においては、上記の接続構造において、パッケージＡ１の誘電体層１０に形成された誘電体領域９が、導波管Ｂの開口部１３よりも小さいことが重要である。即ち、図２（ｂ）に示す通り、導波管Ｂの開口断面が長方形である場合、その開口の大きさがＬ２，Ｗ２であって、誘電体領域９もＬ１，Ｗ１の長方形からなる場合、誘電体Ｌ１＜Ｌ２およびＷ１＜Ｗ２でなければならない。望ましくは、Ｌ１とＬ２の関係は（Ｌ２×０．６）≦Ｌ１≦（Ｌ２−０．１ｍｍ）が好ましく、またＷ１とＷ２の関係は（Ｗ２×０．６）≦Ｗ１≦（Ｗ２−０．１ｍｍ）が好ましい。
【００２４】
これは、誘電体領域９の大きさを導波管開口部１３よりも小さくすることで、導波管ＢをパッケージＡ１の誘電体層１０に取り付ける場合に位置ズレが発生しても、誘電体領域９は、常に導波管開口部１３内に収納される確率を高くすることができる結果、接続時の特性のバラツキを低減することができる。
【００２５】
また、信頼性の点から、誘電体領域９と導波管開口部１３の大きさが同一である場合、導波管Ｂをロウ材などを用いて接続した場合に、充分なロウ材のメニスカスができず、信頼性が劣る場合がある。
【００２６】
この図１の構造のパッケージＡ１は、誘電体基板１と誘電体層１０、信号伝送線路５、導体層８、グランド層７、導体層１１、垂直導体１２などを、周知のセラミック積層技術を用いて一括して焼成して製造することができる点で有利である。また、銅箔パターン等を有する有機材料誘電体基板を用いて一括積層しても製造可能である。
【００２７】
かかる接続構造において、キャビティ３内にて高周波素子４と接続された信号伝送線路５における信号は、グランド層７に設けられたスロット孔６により電磁結合され、誘電体領域９を通過し信号が導波管Ｂに伝達される。ここで、誘電体領域９の大きさが導波管開口部１３より小さくなっており、それぞれの大きさが同じ場合に比べて、導波管Ｂが多少ずれても誘電体領域９の開口部１３の大きさは変化しない。そのため、導波管Ｂの接続時の位置ズレに対する変換損失の変化は小さくなり特性バラツキが小さくなる。これにより歩留りが向上しコストを低く抑えることが可能となる。
【００２８】
また、導波管Ｂを配線基板Ａに導電性接着剤や銀ロウ、半田などロウ材で接合した場合、誘電体領域９を導波管開口部１３よりも小さくすることで、導体層１１と導波管Ｂの接合部端面にロウ材のメニスカスが形成可能となり、接合部端面での応力集中を回避でき、ロウ付け時に生じる温度変化からくる接合部の破壊を抑制でき歩留りを向上できる。また、温度変化などに対する信頼性も向上できる。
【００２９】
図３は、高周波用パッケージの変形例を示すパッケージであり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は導波管Ｂと接続した時の概略断面図である。この高周波用パッケージＡ２によれば、誘電体層１０の表面に、金属などからなる接続部材１５をロウ剤等の導電性接着剤を用いて取付けることもできる。そして、この接続部材１５に導波管Ｂの開放端のフランジＢ’を当接するか、ロウ付けにより接合するかあるいは接続部材１５にネジ止めなどの機械的な接合手段により取り付けることができる。
【００３０】
この構造においても、高周波用パッケージＡ１と同様に接続部材１５の開口部１６を導波管Ｂの断面開口部１３と実質的に同一形状とし、誘電体領域９を開口部１６よりも小さくすることで誘電体層１０への接続部材１５の接続時の位置ズレからくる特性バラツキを抑えることができる。また、温度変化などに対する信頼性も向上できる。
【００３１】
また、かかる構造によれば、接続部材１５を開口部１６の内壁を導体によって形成すれば、任意の材料によって形成でき、特に金属のように剛性の高い材料によって形成できるために、セラミックスなどの誘電体層１０に固定する場合に比較して導波管Ｂを接続部材１５を介して高周波用パッケージＡ２に対して強固に接合することができ、パッケージＡ２と導波管Ｂとの接続信頼性を高めることができる。なお、図３では、誘電体基板１の底面に存在する２つの接続部の直下に２つの開口部１６を有する接続部材１５を形成したが、パッケージＡ２内に存在する複数の導波管との接続部に対して、各接続部毎に接続部材を個別に設けても良い。
【００３２】
図４は、高周波用パッケージの他の変形例を示す概略断面図である。この高周波用パッケージＡ３によれば、誘電体領域９の内部あるいは表面に、アンテナ的機能や、共振器的機能、電磁場整合機能を具備する導体層１７を設けて特性の改善を図ってもよい。
【００３３】
図１、図３のパッケージにおいては、高周波素子４は、誘電体基板１の表面に実装された構造からなるが、その変形例として、図４のパッケージＡ３に示すように、誘電体基板１と誘電体層１０によりキャビティ３を形成して、グランド層７を誘電体層１０の表面に形成して、さらにそのグランド層７の表面に高周波素子４を実装することも可能である。
【００３４】
さらには、図１乃至図４では半導体素子を実装し蓋体によって気密封止したパッケージについて述べたが、信号伝送線路を具備する一般の回路基板と導波管との接続、あるいは表面に信号伝送線路が形成され、半導体素子を直接実装搭載し、素子を樹脂などによって封止した回路基板と導波管との接続においても、図１乃至図４の接続構造が適用できる。
【００３５】
上記図１乃至図４に示した本発明の高周波パッケージＡ１乃至Ａ３においては、誘電体基板１、誘電体領域９、誘電体層１０は、セラミックスまたは有機樹脂、あるいはそれらの複合体からなる構成することができる。例えば、セラミックスとしては、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック材料や、ガラス材料、あるいはガラスとＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどの無機質フィラーとの複合体からなるガラスセラミック材料により形成でき、これらの原料粉末を用いて所定の基板形状に成形した後、焼成することにより形成される。また、有機樹脂としては、有機系材料からなるプリント基板やテフロン基板によって形成することができる。
【００３６】
また、信号の伝達を担う各伝送線路およびグランド層は、タングステン、モリブデンなどの高融点金属や、金、銀、銅などの低抵抗金属などにより形成することができ、これらは、用いる基板材料に応じて適宜選択して、従来の積層技術をもって一体的に形成することができる。
【００３７】
例えば、基板をＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミック材料により形成する場合には、タングステン、モリブデン等の高融点金属を用いて未焼成体に印刷塗布して、１３００〜１９００℃の温度で焼成すればよく、基板をガラス材料、ガラスセラミック材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いて同様にして８００〜１１００℃の温度で焼成することにより作製できる。なお、基板を有機樹脂を含む絶縁材料により形成す場合には、銅、金、銀などを用いてペーストを塗布するか、金属箔を接着することにより線路やグランド層を形成することができる。
【００３８】
また、誘電体基板に接続する接続部材１５には、一般的な金属であれば特に問題は無い。例えば、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金やＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｃｕ−Ｗや、ステンレスでも特に問題は無い。
【００３９】
【実施例】
実施例１
特性評価のために、半導体素子搭載部を有せず、入力用、出力用の信号伝送線路同士を接続する以外は、全く図３のパッケージと同一形状からなる図５のサンプル基板ａを作製し、導波管と信号伝送線路間の接続特性を評価した。図５は、サンプル基板ａの概略断面図と、（ｂ）その導波管ｂとの接続構造を示す概略断面図である。サンプル基板ａは、対象周波数を９４ＧＨｚとして設計した。測定には、ネットワークアナライザーを用いた。サンプル基板ａの測定形態は以下の通りである。
【００４０】
ネットワークアナライザーからの導波管ｂ１をサンプル基板ａの金属製接続部材１５にねじ止めして接続し、導波管ｂ内の信号が変換部ｘで変換されマイクロストリップ線路５を通過し再び変換部ｙで変換され導波管ｂ２につながる形態とした。
【００４１】
サンプル基板における誘電体基板および誘電体層を形成する材料としては誘電率９．０のＡｌ２Ｏ３セラミックスを用い、種々の導体層および垂直導体をタングステンを用いて基板と同時焼成して形成した。なお、上記の露出した導体層の表面には厚さ３μｍのＡｕメッキを施した。また、接続部材としてはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用い誘電体層に対してＡｇロウによって接合した。
【００４２】
なお、サンプル基板ａにおいては、誘電体領域９の大きさｗ１、Ｌ１を表１のように変えた数種類のサンプル基板を作成した。各種類について１０個づつ作製し、評価を行なった。なお、接続部材１５の開口部１６の大きさは導波管ｂ１，ｂ２の断面開口部と全く同一とした。
【００４３】
作製したサンプル基板に対して、Ｓ２１の平均値、最良値（ｂｅｓｔ）、最悪値（ｗｏｒｓｔ）、最良値（ｂｅｓｔ）と最悪値（ｗｏｒｓｔ）との差をバラツキとして評価した。
【００４４】
また、サンプル基板の特性評価後に熱衝撃試験を行い信頼性の評価も行った。条件は液槽の温度サイクル試験であり、０℃、１００℃で各５分間保持した。サンプル数は１０個であり、サンプル基板のうち、１個でも壊れた時点でのサイクル数を表に示した。なお試験は１０００サイクルまで行い１００サイクル毎にサンプルの外観チェックを行い破壊を調査した。
【００４５】
【表１】
0003628238.tif 000002
【００４６】
表１によれば、誘電体領域の大きさを導波管の断面開口部と同一にした試料Ｎｏ．１は、基板間でのＳ２１のバラツキが大きく、また、１００サイクルで磁器と接続部材との接合部界面で亀裂が発生した。
【００４７】
これに対して、試料Ｎｏ．２〜６のように誘電体領域の大きさを導波管の断面開口部より小さくすることでバラツキが低減できており、しかも信頼性試験においてもも３００サイクルまで破壊しなかった。
【００４８】
また、誘電体領域を更に小さくした試料Ｎｏ．３、４、５、６では更にバラツキが低減可能であり、熱衝撃試験においても１０００サイクルまで信頼性向上が図れた。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、配線基板表面に形成された信号伝送線路と導波管との信号の伝送にあたり、小型化ならびに損失のバラツキの低減ができ、配線基板として気密封止が可能であり、歩留りが向上し低コスト化が可能となり信頼性も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様である高周波用パッケージＡ１と、その導波管Ｂとの接続構造の一実施態様を説明するためものであり、（ａ）は高周波用パッケージＡ１の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ１における誘電体層の平面図、（ｃ）は底面図である。
【図２】図１の高周波用パッケージＡ１に導波管Ｂを接続した時の（ａ）概略断面図と、（ｂ）導波管開口部と誘電体領域の大きさを把握するための底面図である。
【図３】本発明の他の実施態様である高周波用パッケージＡ２と導波管Ｂとの接続構造を説明するためものであり、（ａ）は高周波用パッケージＡ２の概略断面図、（ｂ）はその導波管Ｂとの接続構造を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施態様である高周波用パッケージＡ３を説明するためものであり、高周波用パッケージＡ３の概略断面図である。
【図５】実施例における特性測定用のサンプル基板を説明するためのものであり、（ａ）は特性評価用サンプル基板の概略断面図、（ｂ）は特性評価用サンプル基板の導波管Ｂとの接続構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ２，Ａ３  高周波用パッケージ
Ｂ    導波管
Ｂ’  フランジ
１  誘電体基板
２  蓋体
３  キャビティ
４  高周波素子
５  信号伝送線路
５ａ  終端
６  スロット孔
７  グランド層
９  誘電体領域
１０  誘電体層
１１  導体層
１２  垂直導体（ＶＩＡ）
１３  導波管開口部
１４  導波管壁
１５  接続部材
１６  開口部
１７  導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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