(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の上面に線路導体が、下面に接地導体が形成されたマイクロストリップ線路と、上面が導体非形成面である上部誘電体と下面に下面接地導体が形成された下部誘電体との間に内層線路導体を挟持し、前記上部誘電体と前記下部誘電体との側面にメタライズまたは金属ブロックにより形成されて前記下面接地導体と電気的に接続された側面導体が設けられるとともに前記上部誘電体および前記側面導体の上に上面誘電体が設けられた内層線路とを、前記線路導体と前記内層線路導体とを接続するとともに前記接地導体と前記下面接地導体とを接続し、かつ前記マイクロストリップ線路の前記誘電体の間に前記側面導体を挟持して成ることを特徴とする伝送線路構造。
【請求項２】
前記下部誘電体の誘電率を前記上部誘電体の誘電率よりも高くしたことを特徴とする請求項１記載の伝送線路構造。
【請求項３】
前記下部誘電体の厚みを前記上部誘電体の厚みよりも小さくしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の伝送線路構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波回路用パッケージや高周波用多層回路基板等の信号入出力部に使用される伝送線路構造に関し、特にマイクロストリップ線路と内層線路とを接続して成る高周波信号の伝送特性を改善した伝送線路構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＨｚ帯やＧＨｚ帯の高周波信号を用いる無線通信機器用等の高速デジタル回路や高周波回路もしくは高周波半導体素子等を収容する高周波用パッケージ、あるいは高周波用多層回路基板等に搭載した高周波半導体素子等を気密封止した場合などの高周波信号の信号入出力部においては、高周波信号の伝送線路としてマイクロストリップ線路を用い、パッケージの内部や回路基板上の半導体素子搭載部に回路や素子等を収容して気密封止する構造がとられるために、例えば図６に斜視図で、また図７にそのＡ−Ａ’線断面図で示すようなマイクロストリップ線路とストリップ線路とを接続した伝送線路構造が用いられる。
【０００３】
図６および図７において１ａおよび１ｂはマイクロストリップ線路であり、それぞれが例えば高周波回路用パッケージの内側および外側に位置している。２はストリップ線路であり、高周波回路用パッケージの容器等としての側壁の一部ともなる。マイクロストリップ線路１ａ・１ｂはそれぞれ誘電体３ａ・３ｂと、その下面に形成された接地導体４ａ・４ｂと、その上面に形成された線路導体５ａ・５ｂとから成る。ストリップ線路２は上部誘電体６と、下部誘電体７と、それらの間に挟持された内層線路導体８とから成り、下部誘電体７の下面に下面接地導体９が、上部誘電体６の上面に上面接地導体10がそれぞれ形成され、さらに必要に応じて、上部誘電体６と下部誘電体７の側面に下面接地導体９と上面接地導体10との導通をとるための側面導体11が設けられる。なお、側面導体11に代えて上部誘電体６内に設けられたビアホール等が用いられる場合もある。
【０００４】
従来の伝送線路構造においては、通常はマイクロストリップ線路１ａ・１ｂの誘電体３ａ・３ｂとストリップ線路２の上部誘電体６と下部誘電体７とにはそれぞれ同じ誘電体材料が使用され、また、ほぼ同じ厚みの誘電体として形成されており、ストリップ線路２における内層線路導体８と下面接地導体９間および内層線路導体８と上面接地導体10間の静電容量はほぼ同じ値であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の伝送線路構造においては、信号入出力部のストリップ線路２において、マイクロストリップ線路１ａ・１ｂの接地導体４ａ・４ｂに接続された下面接地導体９から側面導体11等の金属部を介して上面接地導体10の導通をとっているためにその導通経路上に内層線路導体８に生じる電位に誘起されることによる電位が生じ、それに伴う電流が流れる。このため、ストリップ線路２における高周波信号の伝搬モードが理想的なストリップ線路の伝搬モードから外れてしまい、周波数によっては上面接地導体10に、あるいはそこから下面接地導体９にわたって電位が定在的に分布することとなり、それによって高周波信号との間で共振特性を有することとなる結果、特性インピーダンスの不整合を生じて入射した高周波信号の伝搬が妨げられ、高周波信号の伝送特性を低下させてしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記従来技術における問題点に鑑みて本発明者が鋭意研究に努めた結果完成されたものであり、その目的は、マイクロストリップ線路と誘電体に狭持された内層線路とから成る伝送線路構造における高周波信号の伝送特性を改善して、高周波信号の入出力を安定に効率良く行なうことができる伝送線路構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る伝送線路構造は、誘電体の上面に線路導体が、下面に接地導体が形成されたマイクロストリップ線路と、上面が導体非形成面である上部誘電体と下面に下面接地導体が形成された下部誘電体との間に内層線路導体を挟持し、前記上部誘電体と前記下部誘電体との側面にメタライズまたは金属ブロックにより形成されて前記下面接地導体と電気的に接続された側面導体が設けられるとともに前記上部誘電体上に上面誘電体が設けられた内層線路とを、前記線路導体と前記内層線路導体とを接続するとともに前記接地導体と前記下面接地導体とを接続し、かつ前記マイクロストリップ線路の前記誘電体の間に前記側面導体を挟持して成ることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の請求項２に係る伝送線路構造は、請求項１に係る伝送線路構造において、前記下部誘電体の誘電率を前記上部誘電体の誘電率よりも高くしたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項３に係る伝送線路構造は、請求項１または請求項２に係る伝送線路構造において、前記下部誘電体の厚みを前記上部誘電体の厚みよりも小さくしたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の伝送線路構造によれば、内層線路部分の上部誘電体の上面を上面誘電体が設けられた導体非形成面として、通常のストリップ線路における上面接地導体を有しない構造としたことにより、内層線路における電界の分布が内層線路導体から下面接地導体側に集中することとなるため、従来のように内装線路導体の上下に接地導体を有し、かつ内層線路導体と上下の接地導体との間の静電容量がほぼ同じである場合と比較して、内層線路の内層線路導体における高周波信号の伝搬モードをマイクロストリップ線路の線路導体における伝搬モードに近づけることができる。その結果、内層線路の下面接地導体の電位が接地として安定するために電位の定在的な分布やそれによる特性インピーダンスの不整合の発生がなくなるので、高周波信号の伝送特性を良好なものとして安定に効率良く高周波信号の入出力を行なうことができる伝送線路構造となる。
【００１１】
また、本発明の請求項２に係る伝送線路構造によれば、内層線路部分において下部誘電体の誘電率を上部誘電体の誘電率よりも高くしたことから、それぞれの誘電体をほぼ同じ厚みの単一の誘電体層により構成した場合にも内層線路の伝搬モードを容易にマイクロストリップ線路の伝搬モードに近づけることができる。
【００１２】
また、それぞれの誘電体を異なる誘電率を有する誘電体材料から成る複数の誘電体層を積層し、あるいは内層線路導体を中心にして入れ子状に組み合わせて構成した場合には、それぞれの誘電率を所望の値に精密にかつ容易に制御して形成することができるため、内層線路の伝搬モードをマイクロストリップ線路の伝搬モードに容易に近づけることができる。
【００１３】
そして、この請求項２に係る伝送線路構造によっても、上部誘電体と下部誘電体とを同じ誘電体材料で構成し、上部誘電体の上面に上面接地導体を形成したストリップ線路構造とした場合と比較して、内層線路の内層線路導体における高周波信号の伝搬モードをマイクロストリップ線路の線路導体における伝搬モードに精度よく近づけることができるため、高周波信号の伝送特性を良好なものとして安定に効率良く高周波信号の入出力を行なうことができるとともに、上下の誘電体をほぼ同じ厚みで形成することができるので薄型とすることができるという利点を有する伝送線路構造となる。
【００１４】
また、本発明の請求項３に係る伝送線路構造によれば、内層線路部分において下部誘電体の厚みを上部誘電体の厚みよりも小さくしたことから、下部誘電体の誘電率と上部誘電体の誘電率が同じ場合であっても内層線路の内層線路導体における高周波信号の伝搬モードをマイクロストリップ線路の線路導体における伝搬モードに近づけることができるとともに、下部誘電体の誘電率を上部誘電体の誘電率よりも高くした場合には内層線路導体における伝搬モードをより一層マイクロストリップ線路の伝搬モードに近づけることができる。従って、これによっても内層線路における電界を内層線路導体と下面接地導体との間に集中させることができ、その結果、同じ上部誘電体と下部誘電体とを同じ厚みで形成し、上部誘電体の上面に上面接地導体を形成したストリップ線路構造とした場合と比較して、また下部誘電体の誘電率を高くした場合にはより一層、内層線路の内層線路導体における高周波信号の伝搬モードをマイクロストリップ線路の線路導体における伝搬モードに近づけることができるため、高周波信号の伝送特性を良好なものとして安定に効率良く高周波信号の入出力を行なうことができる伝送線路構造となる。
【００１５】
本発明において下部誘電体の誘電率を上部誘電体の誘電率よりも高くする場合は、誘電率の比で 1.5倍以上高いと内層線路導体と下面接地導体間の静電容量が十分に大きくなって電界が効果的に集中することとなって好ましく、好適には誘電率の比で２倍以上高いことが望ましい。
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更・改良を施すことは何ら差し支えない。
【００１７】
図１は本発明の伝送線路構造の例を示す斜視図である。また、図２はその信号入出力部の内層線路の部分の断面図である。
【００１８】
図１および図２において、21ａおよび21ｂはマイクロストリップ線路であり、それぞれ例えば高周波ＩＣ用パッケージの内側および外側に位置している。22は内層線路であり、マイクロストリップ線路21ａ・21ｂと接続されて伝送線路構造を構成するとともに、高周波ＩＣ用パッケージの内部や回路基板上の半導体素子搭載部に回路や素子等を収容して気密封止するための容器もしくは気密封止部としての側壁の一部ともなる。マイクロストリップ線路21ａ・21ｂはそれぞれ誘電体23ａ・23ｂと、その下面のほぼ全面に被着形成された接地導体24ａ・24ｂと、その上面に被着形成された線路導体25ａ・25ｂとから成る。内層線路22は上部誘電体26と、下部誘電体27と、それらの間に挟持した内層線路導体28とから成り、下部誘電体27の下面に下面接地導体29が被着形成されている。ここで、下部誘電体27は上部誘電体26よりも高い誘電率を有するほぼ同じ厚みの誘電体により構成することが好ましい。
【００１９】
さらに必要に応じて、上部誘電体26と下部誘電体27の側面に下面接地導体29と電気的に接続された側面導体30が設けられる。なお、31は高周波ＩＣ用パッケージの仕様などの必要に応じて上部誘電体26上に設けられる上面誘電体であり、図２においては図示していない。
【００２０】
そして、線路導体25ａ・25ｂと内層線路導体28とが接続され、接地導体24ａ・24ｂと下面接地導体29とが接続されて、それぞれ信号線路と接地電位面とを形成している。これら線路導体25ａ・25ｂならびに内層線路導体28は伝送線路構造が使用される高周波回路用パッケージや高周波多層回路基板等の仕様に応じて複数本並列に形成される場合もある。また、側面導体30は、メタライズ層として形成される場合や金属ブロックにより形成される場合もある。
【００２１】
このような構成の本発明の伝送線路構造によれば、内層線路22において電界の分布が内層線路導体28と下面接地導体29間に集中するため、マイクロストリップ線路21ａ・21ｂの線路導体25ａ・25ｂを伝搬する電磁波（高周波信号）による電界分布としてほとんどの電界が線路導体25ａ・25ｂから接地導体24ａ・24ｂへ向けて生じるのに対して内層線路22においても内層線路導体28からの電界を下面接地導体29側へ向けて集中させることができ、それによりマイクロストリップ線路21ａ・21ｂの電界分布に近づくことで、線路導体25ａ・25ｂと内層線路導体28における高周波信号の伝搬モードを近づけて特性インピーダンスの不整合をなくし、反射の少ない伝送特性の良好な伝送線路構造とすることが可能となる。
【００２２】
また、図３は本発明の伝送線路構造の他の例を示す内層線路の部分の断面図である。
【００２３】
図３の内層線路32において、33は上部誘電体、34は上部誘電体33よりも厚みの小さい下部誘電体であり、35は上部誘電体33と下部誘電体34との間で挟持した内層線路導体である。下部誘電体34の下面には下面接地導体36が被着形成されている。さらに必要に応じて、上部誘電体33と下部誘電体34の側面に下面接地導体36と電気的に接続された側面導体37が設けられている。
【００２４】
そして、内層線路32に接続されたマイクロストリップ線路の線路導体と内層線路導体35とが接続され、マイクロストリップ線路の接地導体と下面接地導体36とが接続されて、それぞれ信号線路と接地電位面とを形成している。
【００２５】
下部誘電体34の誘電率は上部誘電体33の誘電率と同じか、またはより高くすることが好ましく、このような内層線路32によれば、内層線路32において電界の分布が内層線路導体35と下面接地導体36間に集中するため、マイクロストリップ線路の線路導体を伝搬する電磁波による電界分布としてほとんどの電界が線路導体から接地導体へ向けて生じるのに対して内層線路32の内層線路導体35においてもそのようなマイクロストリップ線路の電界分布に近づくことから、それにより線路導体と内層線路導体35における高周波信号の伝搬モードを近づけて特性インピーダンスの不整合をなくし、反射の少ない伝送特性の良好な伝送線路構造とすることが可能となる。
【００２６】
なお、この内層線路導体35も伝送線路構造が使用される高周波ＩＣ用パッケージや高周波多層回路基板等の仕様に応じてマイクロストリップ線路の線路導体とともに複数本並列に形成される場合もある。
【００２７】
さらに、下部誘電体34の厚みを上部誘電体33の３分の２以下とすれば、内層線路32における伝搬方向に垂直な面内での電界分布の下面接地導体36側への集中がより顕著となるために、マイクロストリップ線路の線路導体での伝搬モードとストリップ線路32の内層線路導体35での伝搬モードがさらに近づき、内層線路32の下面接地導体36の電位が接地として一層安定するため、高周波信号の伝送特性がより一層良好なものとなる。また、下部誘電体34の厚みを上部誘電体33の２分の１以下とすれば、これらの作用効果がより顕著となって好適なものとなる。
【００２８】
本発明の伝送線路構造における誘電体23ａ・23ｂおよび上部誘電体26・33、下部誘電体27・34としては、例えばアルミナやムライト等のセラミックスやいわゆるガラセラ（ガラス＋セラミックス）、あるいはテフロン（ＰＴＦＥ）・ガラスエポキシ・ポリイミド等の樹脂系材料などが用いられる。これら誘電体の厚みや幅は、伝送される高周波信号の周波数や特性インピーダンスなどに応じて設定される。
【００２９】
また、内層線路22・32の上部誘電体26・33と下部誘電体27・34とは高周波ＩＣ用パッケージや高周波多層回路基板の半導体素子搭載部等の信号入出力部において気密封止部としても利用されるため、内層線路導体28・35を上下から挟み込むように形成される。これら上部誘電体26・33と下部誘電体27・34は、マイクロストリップ線路21ａ・21ｂの誘電体23ａ・23ｂと一体的に形成してもよく、別々に作製したものを接合するようにしてもよい。
【００３０】
線路導体25ａ・25ｂおよび内層線路導体28・35は、高周波線路導体用の金属材料、例えばＣｕやＭｏＭｎ＋Ｃｕ・Ｗ＋Ａｕ・Ｃｒ＋Ｃｕ・Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ｎｉ＋Ａｕ・Ｔａ2 Ｎ＋ＮｉＣｒ＋Ａｕ・Ｔｉ＋Ｐｄ＋Ａｕ・ＮｉＣｒ＋Ｐｄ＋Ａｕなどを用いて厚膜印刷法あるいは各種の薄膜形成方法やメッキ処理法などにより形成され、その厚みや幅も伝送される高周波信号の周波数や特性インピーダンスなどに応じて設定される。
【００３１】
接地導体24ａ・24ｂおよび下面接地導体29・36、側面導体30・37は、線路導体25ａ・25ｂおよび内層線路導体28・35と同様の材料を用いて同様の方法により誘電体23ａ・23ｂの下面のほぼ全面または下部誘電体27・34の下面、または上部誘電体26・33と下部誘電体27・34の側面に被着形成され、その厚みは、例えば厚膜であれば20μｍ程度、薄膜であれば５μｍ程度に設定される。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の具体例を示す。
マイクロストリップ線路の誘電体および内層線路の下部誘電体として厚み0.20ｍｍのアルミナ（比誘電率9.6 ）を、内層線路の上部誘電体として同じ材料の厚み0.50ｍｍのものを用い、幅0.10ｍｍの内層線路導体を有する長さ0.5 ｍｍ、下部誘電体および上部誘電体の幅1.0 ｍｍの内層線路に、幅0.2 ｍｍの線路導体を有するマイクロストリップ線路を接続して成る伝送線路構造を作製し、本発明の伝送線路構造の試料Ａを得た。
【００３３】
また、比較例の伝送線路構造として、上部誘電体の上面に上面接地導体を被着形成してストリップ線路とし、上部誘電体の厚みを0.37ｍｍとした他は上記と同様にして、伝送線路構造の試料Ｂを得た。
【００３４】
これらの試料ＡおよびＢに対して、３次元の電磁界解析により抽出した特性から入力した信号のうちの反射された量（Ｓ11）を、周波数に対する反射特性として求めた。また、３次元の電磁界解析により抽出した特性から入力した信号のうちの伝送された量の評価指標として挿入損失量（Ｓ21）を、周波数に対する伝送特性として求めた。これらの結果について、反射特性を図４に、伝送特性を図５に線図で示す。なお、図４において横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）、縦軸は反射量（単位：ｄＢ）を表わし、試料ＡのＳ11の特性曲線を実線で、試料ＢのＳ11の特性曲線を破線で示している。また、図５において横軸は周波数（単位：ＧＨｚ）、縦軸は挿入損失量（単位：ｄＢ）を表わし、試料ＡのＳ21の特性曲線を実線で、試料ＢのＳ21の特性曲線を点線で示している。
【００３５】
図４および図５の結果より、試料Ｂにおいては43ＧＨｚ付近に強い共振特性が生じていて反射量および挿入損失量が大きくなっていることが分かる。一方、試料Ａにおいては内層線路の内層線路導体の伝搬モードをマイクロストリップ線路の線路導体の伝搬モードに近づけて強い共振特性を抑圧することができ、しかも共振周波数をより高周波側へ変化させることができたことが分かる。
【００３６】
これにより、本発明の伝送線路構造は高周波信号の伝送特性を良好なものとして安定に効率良く高周波信号の入出力を行なうことができるものであることが確認できた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の伝送線路構造によれば、内層線路部分の上部誘電体の上面を上面誘電体が設けられた導体非形成面として、通常のストリップ線路における上面接地導体を有しない構造としたことから、内層線路において電界の分布が内層線路導体と下面接地導体間に集中するため、マイクロストリップ線路を伝搬する電磁波による電界分布としてほとんどの電界が線路導体から接地導体へ向けて生じるのに対して、内層線路の内層線路導体においてもマイクロストリップ線路の電界分布に近づくことで、線路導体と内層線路導体における高周波信号の伝搬モードを近づけて特性インピーダンスの不整合の発生がなくなり、高周波信号の伝送特性を良好なものとして安定に効率良く高周波信号の入出力を行なうことができる伝送線路構造を提供することができた。
【００３８】
また、本発明の請求項２に係る伝送線路構造によれば、内層線路において下部誘電体の誘電率を上部誘電体の誘電率よりも高くしたことから、下部誘電体の厚みと上部誘電体の厚みが同じ場合であっても内層線路において電界の分布が内層線路導体と下面接地導体間に集中するため、マイクロストリップ線路を伝搬する電磁波による電界分布としてほとんどの電界が線路導体から接地導体へ向けて生じるのに対して、内層線路の内層線路導体においてもマイクロストリップ線路の電界分布により近づくことで、線路導体と内層線路導体における高周波信号の伝搬モードを近づけて特性インピーダンスの不整合の発生がなくなり、高周波信号の伝送特性を良好なものとして安定に効率良く高周波信号の入出力を行なうことができるとともに、上下の誘電体をほぼ同じ厚みで形成することができるので薄型とすることができるという利点を有する伝送線路構造を提供することができた。
【００３９】
また、本発明の請求項３に係る伝送線路構造によれば、内層線路において下部誘電体の厚みを上部誘電体の厚みよりも小さくしたことから、下部誘電体の誘電率と上部誘電体の誘電率が同じ場合であっても内層線路において電界の分布が内層線路導体と下面接地導体間に集中し、また、下部誘電体の誘電率を上部誘電体の誘電率よりも高くした場合には内層線路導体と下面接地導体間により一層集中するため、マイクロストリップ線路を伝搬する電磁波による電界分布としてほとんどの電界が線路導体から接地導体へ向けて生じるのに対して、内層線路の内層線路導体においてもマイクロストリップ線路の電界分布により近づくとともに、下部誘電体の誘電率を上部誘電体の誘電率よりも高くした場合にはより一層、高周波信号の伝送特性を反射の少ない良好なものとして安定に効率良く高周波信号の入出力を行なうことができる伝送線路構造を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の伝送線路構造の実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の伝送線路構造における内層線路の部分の例を示す断面図である。
【図３】本発明の伝送線路構造における内層線路の部分の他の例を示す断面図である。
【図４】伝送線路構造における周波数に対する反射特性を示す線図である。
【図５】伝送線路構造における周波数に対する伝送特性を示す線図である。
【図６】従来の伝送線路構造の例を示す斜視図である。
【図７】図６のＡ−Ａ’線断面図である。
【符号の説明】
21ａ、21ｂ・・・・・マイクロストリップ線路
23ａ、23ｂ・・・・・誘電体
24ａ、24ｂ・・・・・接地導体
25ａ、25ｂ・・・・・線路導体
22、32・・・・・・・内層線路
26、33・・・・・・・上部誘電体
27、34・・・・・・・下部誘電体
28、35・・・・・・・内層線路導体
29、36・・・・・・・下面接地導体
30、37・・・・・・・上面接地導体
【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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【図６】
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【図７】
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