(57)【要約】【課題】ミリ波帯において、ミリ波帯において、ある程度任意の大きさの導体層に対して測定でき、また、従来と同等の測定精度を持ち、簡易に導体層と誘電体の界面導電率を測定することができる電気的物性値測定法を提供する。【解決手段】円筒導体２の両端開口部を第１、第２遮蔽体１ａ、１ｂにより閉塞してなる円筒空洞共振器であって、第１、第２遮蔽体を導体から構成したときの円筒空洞共振器の共振周波数ｆ１と無負荷Ｑ１を測定し、円筒空洞共振器の誘電率、誘電損失及び寸法を求める第１の工程と、導体層４ａ、４ｂを内層した誘電体基板３ａ、３ｂ、又は片側表面に導体層５ａ、５ｂが設けられた誘電体基板６ａ、６ｂで円筒導体２の両端開口部を閉塞し、この円筒空洞共振器の共振周波数ｆ２と無負荷Ｑ２を測定し、該共振周波数ｆ２と無負荷Ｑ２、及び第１の工程で求めた円筒空洞共振器の誘電率、誘電損失及び寸法から、導体層４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂと誘電体３ａ１、３ｂ１との界面の界面導電率を求める第２の工程を具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒導体の両端開口部を第１、第２遮蔽体により閉塞してなる円筒空洞共振器であって、前記第１、第２遮蔽体を導体から構成したときの前記円筒空洞共振器の共振周波数ｆ１と無負荷Ｑ１を測定し、該共振周波数ｆ１と無負荷Ｑ１から、前記円筒空洞共振器の電気的物性値及び寸法を求める第１の工程と、
前記第１、第2遮蔽体のうち少なくとも１つを、導体層を内層した誘電体基板、又は片側表面に導体層が設けられた誘電体基板から構成し、該遮蔽体を誘電体側が円筒空洞側となるように前記円筒導体に設けて円筒空洞共振器を構成し、該円筒空洞共振器の共振周波数ｆ２と無負荷Ｑ２を測定し、該共振周波数ｆ２と無負荷Ｑ２、及び前記第１の工程で求めた円筒空洞共振器の電気的物性値及び寸法から、前記導体層と前記誘電体との界面の電気的物性値を求める第２の工程とを具備することを特徴とする電気的物性値測定法。
【請求項２】
導体層が円形であり、その直径は円筒空洞の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の電気的物性値測定法。
【請求項３】
円筒導体の開口部と導体層との間に介装された誘電体の厚みが、０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の電気的物性値測定法。
【請求項４】
円筒空洞共振器のＴＥモードの共振周波数ｆと無負荷Ｑを測定し、該共振周波数ｆと無負荷Ｑから、導体層と誘電体との界面の電気的物性値を求めることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の電気的物性値測定法。
【請求項５】
円筒空洞共振器のＴＥ０１１モードの共振周波数ｆと無負荷Ｑを測定して、導体層と誘電体との界面の電気的物性値を求めることを特徴とする請求項４記載の電気的物性値測定法。
【請求項６】
円筒空洞の直径Ｄに対する高さＨの寸法比Ｄ／Ｈが、１以上であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の電気的物性値測定法。
【請求項７】
円筒空洞共振器の温度を変化させ、該円筒空洞共振器の共振周波数ｆと無負荷Ｑの温度依存性を測定し、導体層と誘電体との界面の電気的物性値の温度依存性を求めることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の電気的物性値測定法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的物性値測定法に関し、特に、ミリ波領域で使用される電子部品又は回路基板における導体層と誘電体の界面の導電率又は抵抗率を測定するための電気的物性値測定法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、回路基板や半導体素子用パッケージに用いられるマイクロストリップライン、ストリップラインやコプレーナライン等では、導体層と誘電体との界面の導電率が回路の損失設計をする上で重要なパラメータとなってきている。例えば、近年、車載用レーダやミリ波無線ＬＡＮの開発が行われてきているが、回路設計のために、ミリ波領域における導体層と誘電体との界面の導電率の測定値が必要となってきた。特に、ミリ波領域では、内層導体の表面粗さのために導電率が急激に劣化することが知られており、システムが構築される周波数での導電率の評価が要求されている。
【０００３】
近年、導体層と誘電体との界面の導電率の測定方法としては、図８に示すような両端短絡形誘電体円柱共振器を用いた方法が提案されている。この両端短絡形誘電体円柱共振器では、誘電体円柱１０の上下を、片面に導体層５ａ、５ｂを設けた誘電体基板３ａ、３ｂにより、誘電体円柱１０に誘電体基板３ａ、３ｂが当接するように狭持して構成し、その無負荷Ｑより界面導電率を求める方法が知られている。誘電体円柱１０には、低損失なサファイア円柱が用いられる。この方法は、マイクロ波帯において、ループアンテナによる励振により、良好な精度の測定を実現している。また、ミリ波帯においてもＮＲＤガイド励振を用いた測定結果が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２１６７９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ミリ波帯において、両端短絡形誘電体円柱共振器法を用いると、誘電体円柱１０として使用するサファイア円柱の寸法が小さくなり、共振器を構成しにくいという問題がある。
【０００５】
また、両端短絡形誘電体円柱共振器法では、誘電体円柱１０の上下を導体層５ａ、５ｂで狭持して共振器を構成しているが、上下の導体層５ａ、５ｂは平行であるという前提条件がある。しかしながら、マイクロ波帯で測定した試料をそのまま適応しようとすると、誘電体円柱１０に対して導体層５ａ、５ｂの直径が大きくなりすぎ、上下導体５ａ、５ｂの平行度が悪くなるという問題があった。例えば、ＴＥ０１１モードを用いた１３ＧＨｚ帯の測定では、サファイア円柱の寸法は、直径Ｄ＝１０ｍｍ、高さＨ＝５ｍｍとなるのに対して、ＴＥ０２１モードを用いた６０ＧＨｚ帯の測定では、サファイア円柱の寸法は、直径Ｄ＝３．１ｍｍ、高さＨ＝２．２５ｍｍとなる。
【０００６】
このとき、導体層５ａ、５ｂに必要な大きさは、１３ＧＨｚ帯では、直径ｄ＝３０ｍｍ以上であるのに対して、６０ＧＨｚ帯では、直径ｄ＝１０ｍｍ以上であればよい。１３ＧＨｚ帯で測定した直径３０ｍｍの導体を直径３ｍｍのサファイア円柱の上下に設置するのが難しいため、現状では、導体を小さく加工したものを使用している。このため、ミリ波帯では、測定にかかる時間よりも、共振器の構成準備にかける時間に多くの時間を費やしてしまっているのが現状である。
【０００７】
本発明は、ミリ波帯において、ある程度任意の大きさの導体層に対して測定でき、また、従来と同等の測定精度を持ち、導体層と誘電体の界面の導電率を簡易に測定することができる電気的物性値測定法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電気的物性値測定法は、円筒導体の両端開口部を第１、第２遮蔽体により閉塞してなる円筒空洞共振器であって、前記第１、第２遮蔽体を導体から構成したときの前記円筒空洞共振器の共振周波数ｆ１と無負荷Ｑ１を測定し、該共振周波数ｆ１と無負荷Ｑ１から、前記円筒空洞共振器の電気的物性値及び寸法を求める第１の工程と、
前記第１、第2遮蔽体のうち少なくとも１つを、導体層を内層した誘電体基板、又は片側表面に導体層が設けられた誘電体基板から構成し、該遮蔽体を誘電体側が円筒空洞側となるように前記円筒導体に設けて円筒空洞共振器を構成し、該円筒空洞共振器の共振周波数ｆ２と無負荷Ｑ２を測定し、該共振周波数ｆ２と無負荷Ｑ２、及び前記第１の工程で求めた円筒空洞共振器の電気的物性値及び寸法から、前記導体層と前記誘電体との界面の電気的物性値を求める第２の工程とを具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明の電気的物性値測定法では、図１に示すような円筒空洞共振器の構造を有しており、ＴＥ０１１モードの電界強度の分布を有する。この円筒空洞共振器のＴＥ０１１モードの電界強度は空洞共振器の高さ方向の中心面で最大になり、両端でゼロになる。本発明の電気的物性値測定法では、図２に示すように、両端で電界がゼロとなる場所に導体を配置するため、誘電体の比誘電率や誘電正接の影響を小さくすることができる。
【００１０】
また、本発明の電気的物性値測定法では、導体層が円形であり、その直径は円筒空洞の直径よりも大きいことを特徴とする。このような測定法では、導体の比導電率または抵抗率を求めることができる。
【００１１】
さらに、本発明の電気的物性値測定法は、円筒導体の開口部と導体層との間に介装された誘電体の厚みが、０．３ｍｍ以下であることを特徴とする。このような測定法では、円筒導体の開口部と導体層との間に介装された誘電体の厚みが、０．３ｍｍ以下とすることにより、導体層と開口部との間の試料（誘電体）の誘電率や誘電正接の影響を小さくすることができる。特に、ミリ波帯では、例えば、周波数３０〜１００ＧＨｚで使用される場合には、導体層と開口部との間の誘電体厚みは、０．３ｍｍ以下の厚みまで薄くすることが望ましい。導体層と開口部との間の誘電体を薄くすることで、誘電体基板の中に蓄積される電界エネルギーを小さくでき、ＴＥ０１１モードの共振周波数の低下も緩和される。
【００１２】
さらに、本発明の電気的物性値測定法は、円筒空洞共振器のＴＥモードの共振周波数ｆと無負荷Ｑを測定し、該共振周波数ｆと無負荷Ｑから、導体層と誘電体との界面の電気的物性値を求めることを特徴とする。特に、円筒空洞共振器のＴＥ０１１モードの共振周波数ｆと無負荷Ｑを測定して、該試料導体界面の電気的物性値を求めることが望ましい。このように円筒空洞共振器のＴＥモードの共振周波数ｆと無負荷Ｑを用いることにより、誘電体端部から半径方向への放射を無くすことができる。
【００１３】
また、本発明の電気的物性値測定法は、円筒空洞の直径Ｄに対する高さＨの寸法比Ｄ／Ｈが、１以上であることを特徴とする。
【００１４】
このような電気的物性値測定法では、円筒空洞の直径Ｄに対する高さＨの寸法比Ｄ／Ｈを１以上とすることで測定精度を上げることが可能である。共振周波数を一定としたときの円筒空洞の直径Ｄに対する高さＨの寸法比Ｄ／Ｈに対する円筒空洞の導体損失と上下遮蔽板の導体損失の比を図７に示す。全損失に占める割合のうち、円筒空洞の導体損失の割合より遮蔽板の導体損失の割合を大きくなるような寸法比にすることで、界面導電率の測定精度の向上が可能となる。また、図６に示すように、測定試料よりも高い導電率の円筒空洞を使用することで測定精度が向上することが分かる。
【００１５】
さらに、本発明の電気的物性値測定法は、円筒空洞共振器の温度を変化させ、該円筒空洞共振器の共振周波数ｆと無負荷Ｑの温度依存性を測定し、該試料導体界面の電気的物性値の温度依存性を求めることを特徴とする。このような電気的物性値測定法では、円筒空洞共振器の温度を変化させ、該円筒空洞共振器の共振周波数ｆと無負荷Ｑの温度依存性を測定し、比導電率または抵抗率の電気的物性値の温度依存性を求めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来、安定して測定できていなかった３０ＧＨｚ以上のミリ波帯において、空洞共振器を用いて導体層と誘電体の界面の導電率の測定を簡易に測定でき、測定時間を大幅に短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の電気的物性値測定法の第1の工程に用いる円筒空洞共振器の構造図および電界分布である。円筒空洞共振器は、円筒導体２の両端開口部が導体からなる第１、第２遮蔽体１ａ、１ｂにより遮蔽された構造となっている。円筒導体２、第１、第２遮蔽体１ａ、１ｂは、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ等の金属から構成されている。厚みは測定周波数における表皮深さよりも厚ければ問題は生じない。
【００１８】
共振器の励振および検波は、図示しないが、通常、円筒導体２に励振孔が開けられ同軸線の先端にループアンテナを介して磁界結合により行われる。この評価方法はすでにＪＩＳ  Ｒ  １６４１で確立されており、その方法に従えばよい。また、この第１の工程は、一旦導電率を決定した後は、行う必要はない。
【００１９】
図２は、第２の工程に用いる円筒空洞共振器の構造図である。この円筒空洞共振器は、円筒導体２の上下を、測定試料である導体層４ａ、４ｂが内層された誘電体基板３ａ、３ｂ（第１、第２遮蔽体）で遮蔽して構成されている。即ち、円筒空洞側に、誘電体基板３ａ、３ｂの一部を構成する誘電体が面しており、円筒空洞と導体層４ａ、４ｂとの間には誘電体３ａ１、３ｂ１が介在している。誘電体３ａ１、３ｂ１は、十分平行度があるものを使用する必要がある。第２の工程においても共振器の励振および検波は、第1の工程と同様に行えばよい。
【００２０】
また、導体層４ａ、４ｂは円形状であり、その直径は円筒空洞の直径よりも大きく形成されている。これにより、ＴＥ０１１モードの電磁界を空洞共振器内部に閉じ込めることができる。特に、電磁界を誘電体の端部から半径方向へ放射させないという理由から、導体層４ａ、４ｂの直径は、空洞の直径Ｄに対して１．５倍以上の大きさが特に望ましい。また、導体層４ａ、４ｂの厚みは、測定周波数における表皮深さよりも厚ければ問題は生じない。
【００２１】
さらに、円筒導体２の開口部と導体層４ａ、４ｂとの間に介装された誘電体３ａ１、３ｂ１の厚みは、０．３ｍｍ以下とされている。これにより、導体層４ａ、４ｂと開口部との間の誘電体３ａ１、３ｂ１の誘電率や誘電正接の影響を小さくすることができ、より正確な導体層４ａ、４ｂの界面導電率を得ることができる。特に、ミリ波帯では、例えば、周波数３０〜１００ＧＨｚで使用される場合には、導体層４ａ、４ｂと開口部との間の誘電体３ａ１、３ｂ１の厚みは、特に、電界を誘電体へ集中させないという理由から、０．３ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
尚、図３に示すように、有底筒状の円筒導体２の上部開口部を、導体層４ｂが内層された誘電体基板３ｂで遮蔽して構成してもよい。この場合には、より簡単な構造となるとともに、試料も1個で済む利点もある。
【００２３】
また、図４は、第２の工程に用いる円筒空洞共振器の他の構造を示すもので、この図４では、円筒導体２の上下開口部を、片側表面に導体層５ａ、５ｂが設けられた誘電体基板６ａ、６ｂ（第１、第２遮蔽体）で遮蔽して構成されている。即ち、円筒空洞側に、誘電体基板６ａ、６ｂが面しており、言い換えれば、円筒空洞と導体層５ａ、５ｂとの間には誘電体基板６ａ、６ｂが介在している。
【００２４】
さらに、図５に示すように、有底筒状の円筒導体２の上部開口部を、片側表面に導体層５ｂが設けられた誘電体基板６ｂで遮蔽して構成してもよい。この場合には、より簡単な構造となるとともに、試料も1個で済む利点もある。
【００２５】
導体層４ａ、４ｂまたは導体層５ａ、５ｂの導電率は、有限要素法やモード整合法等の数値計算を行い、計算される。軸対称の有限要素法を用いると本発明で使用するような軸対称形状の共振器に対して、寸法、形状、比誘電率、誘電正接から共振電磁界分布、共振周波数、無負荷Ｑを精度よく短時間で計算できる。従って、これを応用すれば共振周波数や無負荷Ｑから試料の導電率を求めることができる。
【００２６】
次に、本発明の電気的物性値測定法について説明する。先ず、空洞共振器（図１）の寸法及び導電率を評価する。通常は、この評価方法はすでにＪＩＳ  Ｒ  １６４１：２００２で確立されており、その方法に従えばよい。
【００２７】
また、第１、第２遮蔽体１ａ、１ｂと円筒導体２の比導電率を別々に評価することもできる。例えば、遮蔽体１ａ、１ｂの評価方法は、ＪＩＳ  Ｒ  １６２７で確立されており、その方法に従って算出する。共振器は、６０ＧＨｚ帯と４０ＧＨｚ帯用の二つを準備した。これら二つの共振器に対してそれぞれ、ネットワークアナライザを用いて共振周波数および無負荷Ｑの測定を行い、遮蔽体１ａ、１ｂの比導電率σ（ｐｌ）を評価する。続いて、ＪＩＳ  Ｒ  １６４１による評価方法にて空洞共振器の測定を行ない、その測定結果と遮蔽体１ａ、１ｂの測定結果より円筒導体２の比導電率σ（ｃｌ）を算出することができる。この算出に関しては、ＪＩＳ  Ｒ  １６４１に記述されている。
【００２８】
次に、測定された空洞共振器（図２）を用いて第２工程である誘電体３ａ１、３ｂ１と導体４ａ、４ｂの界面の導電率の測定を行う。先ず、ネットワークアナライザを用いて共振周波数ｆおよび無負荷Ｑの測定を行い、誘電体３ａ１、３ｂ１と導体４ａ、４ｂの界面の比導電率を測定する。測定に用いるＴＥ０１１モードのＱuと誘電体損によるＱ, Ｑdおよび導体損によるＱ, Ｑcの間には次の関係がある。
【数１】
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【００２９】
ここで、Ｗは、共振器内部の全蓄積エネルギー、Ｗ１およびＷ２は、円筒空洞における蓄積エネルギーおよび誘電体における蓄積エネルギー、ｔａｎδは誘電正接、Ｐｃ１およびＰｃ２は円筒導体における損失エネルギーおよび試料導体における損失エネルギーである。ＷおよびＰは、共振器の電磁界成分を積分することで求まる。電磁界の計算手法は、有限要素法、モード整合法やＦＤＴＤ法等により数値計算をする必要がある。比導電率は、これらの所定の計算を行なった後、無負荷Ｑの測定値より（１）式の関係を用いて得ることができる。
【００３０】
本発明の電気的物性値測定法は、特にミリ波帯において最も効果があり、絶縁体、例えばセラミック内にメタライズや蒸着して形成された導体の界面導電率の測定に好適に用いることができる。
【実施例】
【００３１】
測定で使用する空洞共振器の評価のために第1の工程を行う。空洞共振器（図１）の寸法及び導電率を評価した。通常は、この評価方法はすでにＪＩＳ  Ｒ  １６４１：２００２で確立されており、その方法に従えばよいが、今回は、第１、第２遮蔽体１ａ、１ｂと円筒導体２の比導電率を別々に評価を行った。
【００３２】
先ず、第１、第２遮蔽体１ａ、１ｂの評価方法は、ＪＩＳ  Ｒ  １６２７で確立されており、その方法に従った。共振器として、６０ＧＨｚ帯と４０ＧＨｚ帯用の二つを準備し、これら二つの共振器に対してそれぞれ、ネットワークアナライザを用いて共振周波数ｆおよび無負荷Ｑの測定を行い、第１、第２遮蔽体１ａ、１ｂの比導電率σ（ｐｌ）を評価した。この結果を表1中の（plate）に示した。
【００３３】
続いて、ＪＩＳ  Ｒ  １６４１による評価方法にて空洞共振器の測定を行ない、その測定結果と第１、第２遮蔽体１ａ、１ｂの測定結果より円筒導体２の比導電率σ（ｃｌ）が算出される。この算出は、上記の手法により求めた。この結果を表１中の(clinder)に示した。
【００３４】
次に、測定された空洞共振器を用いて第２工程である誘電体と導体層の界面の導電率の測定を行う。本測定に用いた試料は、一層の誘電体厚さが０．３ｍｍのＬＴＣＣ（低温焼成基板）中の内層メタライズ（Ｃｕ）である。厚みは、０．０１ｍｍ、直径は、円筒空洞よりも直径が２倍とした。
【００３５】
共振器の構造は、図３に示したタイプを用いた。ネットワークアナライザを用いて共振周波数ｆ０及び無負荷Ｑｕの測定を行い、誘電体とメタライズ層（導体層）の界面の比導電率σｒを求めた結果を表１に示す。
【００３６】
ここで、共振周波数ｆ０が３７ＧＨｚ程度と６３ＧＨｚ程度の誘電体の誘電率ε’および誘電正接ｔａｎδの測定値と円筒空洞の導電率σ（ｐｌ）よりモード整合法を用いて解析を行った。また、共振周波数ｆ０が３１ＧＨｚ程度において、同じ試料に対する測定を従来の円柱共振器法（図８）にて行った。この結果も表１に示す。
【表１】
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【００３７】
この表１の結果から、無酸素銅製の空洞共振器の比導電率の値も周波数が上がるにつれて低下していることが分かる。
【００３８】
また、これらの結果から周波数に対する比導電率の依存性を図７に示した。この結果より、共振周波数が高くなるにつれて表面粗さ等の影響で、試料の比導電率が低下していることを実測することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の工程に用いる円筒空洞共振器の構造および電界の分布を示すものである。
【図２】本発明の第２の工程に用いる円筒空洞共振器の構造を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】本発明の第２の工程に用いる他の円筒空洞共振器の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の工程に用いるさらに他の円筒空洞共振器の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の工程に用いるさらに他の円筒空洞共振器の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の円筒空洞共振器の寸法を設計する際に用いるチャートである。
【図７】本発明による周波数に対するＬＴＣＣおよび内層メタライズの比導電率（界面導電率）の測定結果である。
【図８】従来の両端短絡形誘電体円柱共振器の構造の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ、１ｂ・・・第１、第２遮蔽板
２・・・円筒導体
３ａ、３ｂ、６ａ、６ｂ・・・誘電体基板
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ・・・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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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