(57)【要約】【課題】おもて面とうら面との間で電波を伝搬可能なサイズの小さい回路基板を提供する。【解決手段】回路基板は、前記回路基板のおもて面とうら面との間を貫通する貫通孔と、直方体形状の誘電体と、前記誘電体における前記回路基板のおもて面側の第１の面及び前記回路基板のうら面側の第２の面以外の面を覆う導体と、を含み、前記貫通孔に形成された導波管と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板であって、
前記回路基板のおもて面とうら面との間を貫通する貫通孔と、
直方体形状の誘電体と、前記誘電体における前記回路基板のおもて面側の第１の面及び前記回路基板のうら面側の第２の面以外の面を覆う導体と、を含み、前記貫通孔に形成された導波管と、
を備えることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
請求項１に記載の回路基板であって、
前記導体は、
前記誘電体の前記第１及び第２の面以外の面に対し、金属膜形成処理が施されて形成されたこと、
を特徴とする回路基板。
【請求項３】
請求項２に記載の回路基板であって、
前記導体と前記貫通孔との間に充填され、前記導体を前記回路基板の接地部に接続する導電性材料を更に備えること、
を特徴とする回路基板。
【請求項４】
請求項１に記載の回路基板であって、
前記導体は、
前記誘電体の前記第１及び第２の面以外の面と前記貫通孔との間に充填され、前記回路基板の接地部に接続される導電性材料であること、
を特徴とする回路基板。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の回路基板と、
前記回路基板に実装され、前記導波管からの信号を処理する無線回路と、
を備えることを特徴とする無線装置。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか一項に記載の回路基板と、
前記回路基板に接続され、前記導波管からの信号を放射するアンテナを含むアンテナ基板と、
を備えることを特徴とする無線装置。
【請求項７】
回路基板の製造方法であって、
前記回路基板のおもて面とうら面との間を貫通する貫通孔を形成する工程と、
直方体形状の誘電体と、前記誘電体が前記貫通孔に挿入された場合に前記誘電体における前記回路基板のおもて面側の第１の面及び前記回路基板のうら面側の第２の面以外の面を覆う導体と、を含む導波管を前記貫通孔に挿入する工程と、
前記導波管と前記貫通孔との間に導電性材料を充填する工程と、
を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項８】
回路基板の製造方法であって、
前記回路基板のおもて面とうら面との間を貫通する貫通孔を形成する工程と、
直方体形状の誘電体を前記貫通孔に挿入する工程と、
前記誘電体と、前記貫通孔との間に導電性材料を充填し、前記誘電体の前記回路基板のおもて面側の第１の面及び前記回路基板のうら面側の第２の面以外の面が前記導電性材料で覆われた導波管を形成する工程と、
を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板、無線装置、及び回路基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信機器や産業機器では、断面が方形であり中空の方形導波管や回路基板の貫通孔（スルーホール）を介してマイクロ波やミリ波が伝搬することがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２０１１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＴＥ０１モードの電波が方形導波管や貫通孔を伝搬するには、方形導波管等は、電波の周波数に応じた形状をしている必要がある。例えば、伝搬される電波の周波数が６ＧＨｚ（マイクロ波）の場合、方形導波管をその電磁波の進行方向が上下方向となるように置いた時の幅ａ、奥行きｂ（ａ＞ｂ）のうち、幅ａは、例えば２５〜５０ｍｍとなる。また、伝搬される電波の周波数が６０ＧＨｚ（ミリ波）の場合、方形導波管の幅ａは、例えば２．５〜５．０ｍｍとなる。ここでは、マイクロ波やミリ波が方形導波管を伝搬する際について説明したが、回路基板のおもて面からうら面へ貫通する貫通孔を伝搬する際も同様である。このため、例えば、ミリ波を伝搬させる貫通孔の開口（長方形）の各辺のそれぞれの長さは、数ミリ程度となる。
【０００５】
しかしながら、切削加工等により、一辺が数ミリの貫通孔を回路基板に開ける場合、開口の角が丸くなり、長方形とすることが難しいことがある。このような貫通孔は、一般に所望のモード及び周波数のミリ波を伝搬できない。そこで、回路基板のおもて面側からうら面側へとミリ波を伝搬させる場合、回路基板に方形導波管を貫通させることがある。ただし、一般に中空の方形導波管の外形は大きいため、このような場合、回路基板サイズも大きくなってしまう。
【０００６】
そこで本発明の目的は、おもて面とうら面との間で電波を伝搬可能なサイズの小さい回路基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明に係る回路基板は、前記回路基板のおもて面とうら面との間を貫通する貫通孔と、直方体形状の誘電体と、前記誘電体における前記回路基板のおもて面側の第１の面及び前記回路基板のうら面側の第２の面以外の面を覆う導体と、を含み、前記貫通孔に形成された導波管と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、おもて面とうら面との間で電波を伝搬可能なサイズの小さい回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】無線装置１０の構成を示す斜視図である。
【図２】無線装置１０の分解斜視図である。
【図３】回路基板２１の分解斜視図である。
【図４】回路基板２１の平面図である。
【図５】アンテナ基板２０、回路基板２１及び導波管２３の斜視図である。
【図６】回路基板２１の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図７】回路基板２５の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
−−−無線装置１０−−−
図１は、無線装置１０の構成を示す斜視図であり、図２は、無線装置１０の分解斜視図である。
【００１１】
無線装置１０は、例えばミリ波帯の電波を送受信する際に用いられる通信装置であり、アンテナ基板２０、回路基板２１、無線回路２２、及び導波管２３を含んで構成される。
【００１２】
アンテナ基板２０は、ミリ波の送受信を行うアンテナや信号線がパターンとして形成されたプリント基板である。基板材料としては、例えば、液晶ポリマーやフッ素樹脂系の材料が使用できる。アンテナ基板２０のうら面のみにパターンが設けられている場合、回路基板２１の導波管２３に対向する位置に、この導波管と電気的に結合される結合部３０、信号線４１、アンテナ４２の金属箔のパターンが設けられている。結合部３０は、例えば、長方形状や円形状の金属パターンであり、アンテナ基板２０を通して導波管２３と電気的に結合が取られる。アンテナパターンは例えば長方形状のパターンである。これらは、所望のアンテナ特性を得られる形状で設計される。なお、本実施形態では、アンテナ４２は、アンテナ基板２０のうら面に設けられているがこれに限られない。例えば、アンテナ基板２０のおもて面や側面（アンテナ基板２０に厚みがある場合）に設けられていても良い。
【００１３】
アンテナ基板２０が多層基板の場合、結合部３０、信号線４１、アンテナ４２は、おもて面、うら面、内層の任意の１つないし複数の層に適宜配置し、層間のスルーホールメッキ等による層間接続などを組み合わせることにより、アンテナの特性を高度に制御することが可能となる。また、インピーダンス調整のためのパターン（図示せず）を加えてもよい。表面に露出するパターンは、特性に与える影響が十分小さい場合は樹脂製の保護膜（不図示）で覆ってもよい。
【００１４】
信号線４１は、結合部３０とアンテナ４２との間でミリ波を伝搬する配線である。
【００１５】
アンテナ４２は、無線装置１０が受信装置の場合、ミリ波を受信して回路基板２１側へ伝搬する。無線装置１０が送信装置の場合、回路基板２１から伝搬されるミリ波を空間へ放射する。無線装置１０が送受信装置の場合、ミリ波を受信して回路基板２１側へ伝搬するとともに、回路基板２１から伝搬されるミリ波を空間へ放射する。
【００１６】
回路基板２１は、無線回路２２や各種電子部品が実装された多層プリント基板である。回路基板２１の中心付近には、おもて面からうら面まで貫通する導波管２３が設けられている。なお、回路基板２１及び導波管２３を含む回路モジュールの詳細については後述する。
【００１７】
無線回路２２は、アンテナ４２で送受信するミリ波を処理する無線通信回路である。無線回路２２は、例えばＳｉ，ＳｉＧｅ，ＧａＡｓなどの単体のＩＣ（集積回路）である。また、これらのＩＣをパッケージ化したものや、ほかの部品とともに基板等に集積したモジュールタイプのものも使用されるが、図面では一つの直方体の部品として表示する。なお、本実施形態では、回路基板２１のおもて面には、便宜上、無線回路２２のみが描かれており、他の実装された電子部品（例えば、コンデンサやインダクタ）は省略されている。
【００１８】
−−−導波管２３の詳細−−−
図３は、回路基板２１の分解斜視図である。
【００１９】
導波管２３は、無線回路２２とアンテナ４２との間に設けられ、アンテナ４２で受信された信号、またはアンテナ４２で送信される信号を伝搬する。導波管２３は、電波が伝わる際の媒質となる伝搬部材６０と、一般的な中空導波管の外形の「管」に対応する金属膜６１と、を含んで構成される。
【００２０】
伝搬部材６０は、図３に示すように、電波を伝搬する誘電体（例えば、石英）を材料とし、挿入する基板の厚さ方向を高さと定義した場合、幅ａ、奥行きｂ、高さｃの直方体形状の部材である。なお、幅ａ、奥行きｂ、高さｃのそれぞれの寸法は、例えば、（ａ，ｂ，ｃ）＝（３ｍｍ，１．５ｍｍ，６ｍｍ）である。
【００２１】
金属膜６１は、伝搬部材６０の端部の２面（高さ方向の上下面）以外の側面を覆う金属製の膜である。具体的には、金属膜６１は、伝搬部材６０における回路基板２１のおもて面側の面２００（第１の面）と、伝搬部材６０における回路基板２１のうら面側の面２０１（第２の面）以外の４つの面を覆っている。金属膜６１は、伝搬部材６０の側面に対し、例えば、金属膜形成処理が施されることにより形成されている。なお、本実施形態の金属膜６１は、例えば６０ＧＨｚのミリ波を伝搬させるべく、表皮効果を十分考慮した厚さ（例えば、０．４μｍ以上）を有する銅の膜である。ただし、例えば、金属膜６１は金や銀の膜であっても良く、メッキ処理が施されることにより形成されても良い。また、２種類以上の金属が形成されるよう表面処理されていても良い。
【００２２】
また、一般に、幅ａ、高さｂが数ミリ程度の直方体を高精度で作成することは、例えば、幅ａ、高さｂの貫通孔を基板に高精度で形成することよりも、容易である。このため、伝搬部材６０を導波管２３に用いることにより、伝搬への影響がない程度に角の丸みが小さい、理想的な導波管２３を形成することが可能となる。
【００２３】
−−−回路基板２１の詳細−−−
図３に示すように、回路基板２１には、回路基板２１のおもて面からうら面まで貫通する貫通孔５０（例えば、４ｍｍ×２ｍｍ）が中心付近に形成されている。また、回路基板２１は、例えば、伝搬部材６０の高さｃと等しい厚み（６ｍｍ）を有する。貫通孔５０は、切削加工して形成された直方体形状をした孔であり、おもて面及びうら面の開口は長方形の形状となる。なお、実際には、製造上、角は丸みを帯びることとなる。図４は、回路基板２１の平面図である。図３においては省略されているが、貫通孔５０の周囲の表面には、金属膜７０が例えばメッキ処理で形成されている。なお、本実施形態の金属膜７０は、例えば、銅であり、回路基板２１の図示しないグランド配線（接地部）に接続されている。
【００２４】
貫通孔５０の中心付近には、導波管２３が配置され、導波管２３と、貫通孔５０の金属膜７０との間には、導波管２３を貫通孔５０内に固定するための半田８０が充填されている。この結果、貫通孔５０の金属膜７０と、導波管２３の金属膜６１とは、半田８０を介して電気的に接続されることになる。また、金属膜７０は、回路基板２１のグランド配線（不図示）に接続されているため、金属膜６１も接地される。したがって、導波管２３は、回路基板２１に取り付けられた状態で、伝送損失の少ない導波管として機能する。なお、ここでは、導波管２３を貫通孔５０内に固定するために半田８０を用いているが、他の導電性の材料、例えば、銀等の粒子を含む導電性樹脂等を用いても良い。
【００２５】
図５は、アンテナ基板２０、回路基板２１及び導波管２３の位置関係を説明するための斜視図である。なお、図５においては、貫通孔５０における導波管２３の位置関係の理解を容易にすべく、金属膜６１等は省略されている。
【００２６】
導波管２３が貫通孔５０に取り付けられた回路基板２１は、アンテナ基板２０のおもて面に実装されている。具体的には、導波管２３の伝搬部材６０における下側の面２０１と、アンテナ基板２０の結合部３０とが電気的に結合されるよう、アンテナ基板２０と、回路基板２１は実装されている。なお、結合部３０がアンテナ基板２０の表（おもて）面にあり導波管２３の伝搬部材６０と接触している場合は、導波管２３の金属膜６１が、結合部３０に接触しないよう、結合部３０の面積は、伝搬部材６０の面２０１の面積より若干小さくなっている。また、アンテナ基板２０と、回路基板２１とは、例えば、導電ペースト（不図示）で固定され、アンテナ基板２０及び回路基板２１のそれぞれのグランド配線（不図示）も接続される。
【００２７】
回路基板２１の表（おもて）面には、無線回路２２が実装されている。無線回路２２が単体のＩＣの場合、通常その片側の面に集積回路と電源や信号入出力およびグランド接続のためのパッドが形成されている。このＩＣのパッドに例えばバンプを形成し、集積回路側を回路基板２１に向け、無線信号の放射部分が伝搬部材の真上にくるようにフリップチップ実装により搭載する。このとき、ＩＣの電源や信号、グランドのパッドは、それに対応する回路基板２１側のパッドと電気的に接続される。必要に応じて、アンダーフィル材により、ミリ波の伝搬に影響のない範囲で補強される。
【００２８】
無線回路２２がウエハレベルパッケージの場合、無線回路内でＩＣのパッドから再配線が施されており、一般に、ＩＣ単体よりパッド間隔やパッドサイズが大きい形状となっており、電源や信号入出力、グランド接続のためのパッドが形成され、半田ボール等による実装が可能となっている。ＩＣ単体の場合と同様に無線信号の放射部分が伝搬部材の真上に来るようにフリップチップ実装により搭載する。このとき、ＩＣの電源や信号、グランドのパッドは、それに対応する回路基板２１側のパッドと電気的に接続される。必要に応じて、アンダーフィル材により、ミリ波の伝搬に影響のない範囲で補強される。
【００２９】
無線回路２２が、ＩＣチップと周辺部品を含むモジュールの場合、ＩＣ上の無線信号の放射部分、あるいは、ＩＣからモジュール基板上に引き出された無線信号放射部分が伝搬部材の真上にくるようにフリップチップ実装により搭載する。モジュール基板へのＩＣ実装は、フリップチップやダイボンディングにワイヤボンディングを組み合わせた方法などが使用できる。モジュール基板の電源や信号、グランドのパッドは、それに対応する回路基板２１側のパッドと電気的に接続される。
【００３０】
このように、アンテナ４２と無線回路２２は、石英の伝搬部材６０を媒質とする導波管２３を介して電波をやりとりする。伝搬部材６０は、例えば、石英が切り出されることにより、角の丸みがきわめて小さい、直方体の形状となる。したがって、伝搬部材６０を用いた導波管２３は、所望のモード及び周波数の電波を伝搬できる。また、本実施形態の導波管２３は、貫通孔５０を貫通し、回路基板２１に固定されている。したがって、このような導波管２３が固定された回路基板２１を用いることは、例えば、一般的な中空導波管を用いる場合より、回路基板２１のサイズを小さくすることができる。
【００３１】
−−−回路基板２１の製造方法（組立方法）−−−
図６は、回路基板２１の製造方法の一例を示すフローチャートである。なお、ここでは、図３に示す石英の伝搬部材６０と同じ幅ａ（３ｍｍ）、奥行きｂ（１．５ｍｍ）を有し、例えば、１００ｍｍの長さ（高さｃ）の石英棒Ｘ（不図示）が用いられることとする。
【００３２】
まず、この石英棒Ｘの周囲に金属膜を例えばメッキにより形成する（Ｓ１００）。そして、
石英棒が、所定の長さ（ここでは完成品の高さ６ｍｍに合わせる長さ）になるように、例えばダイヤモンド砥石で石英棒Ｘを切断する（Ｓ１０１）。このとき、切断面は使用波長の１０分の１以下の精度を持つことが特性を保つ上で望ましい。
【００３３】
また、作業者は、回路基板２１に貫通孔５０を形成し（Ｓ１０２）、導波管２３を貫通孔５０に挿入する（Ｓ１０３）。さらに、作業者は、導波管２３と貫通孔５０との間に半田を充填する（Ｓ１０４）。この方法により、回路基板２１に挿入する導波管２３を作製できる。なお、あらかじめ所定の幅、奥行き、高さ（ここでは６ｍｍ）に加工された石英棒を用意し、あとから側面のみにメッキ処理を施してもよい。なお、回路基板２３は、基板製造工程の中で、貫通孔５０を形成し、内壁に金属膜を形成する処理を施しておく。
【００３４】
この結果、図２に示すように、回路基板２１の貫通孔５０には、直方体状の石英を媒質とする導波管２３が取り付けられることになる。
【００３５】
−−−回路基板の他の実施形態−−−
図７は、回路基板２５の斜視図である。なお、回路基板２５において、回路基板２１と同じ符号が付された構成は同じである。
【００３６】
回路基板２５は、貫通孔５０に伝搬部材６０が挿入され、伝搬部材６０と、貫通孔５０の金属膜７０との間に半田８０が充填されている。また、半田８０は、貫通孔５０の金属膜７０を介して接地される。このため、回路基板２５では、伝搬部材６０を半田８０で直接覆うことにより、伝搬部材６０及び半田８０が導波管として機能する。このように、回路基板２５では、伝搬部材６０と半田８０で構成される導波管を用いているため、例えば、一般的な中空導波管を用いた場合より、回路基板２５のサイズを小さくすることができる。このため、例えば、無線装置１０において、回路基板２５を回路基板２１の代わりに用いることが可能となる。
【００３７】
−−−回路基板２５の製造方法−−−
回路基板２５の製造方法は、基本的に、図６で示した回路基板２１の製造方法と同様である。ただし、回路基板２５では、伝搬部材６０の周囲を覆う金属膜６１を形成する必要がない。このため、回路基板２５を製造する際には、図６における工程Ｓ１００〜Ｓ１０４のうち、工程Ｓ１００を省くことができる。また、工程Ｓ１０１のように長い石英棒を用意して切断することは必須ではなく、あらかじめ所定の幅、奥行き、高さに加工された石英棒を用意してもよい。
【００３８】
−−−まとめ−−−
以上、本実施形態の無線装置１０について説明した。回路基板２１，２５では、伝搬部材６０を媒質とする導波管が貫通孔５０に形成されている。一般に、石英を加工し、電波の媒質となる伝搬部材６０を直方体の形状とすることは、一辺が数ｍｍで、角のＲ（角の丸みの半径）が非常に小さい長方形の形状の貫通孔を高精度で基板に開けるのに比べて極めて容易である。このため、石英を加工した伝搬部材６０を用いることにより、所望のモード及び周波数の電波を伝搬可能な、理想的な直方体の形状の導波管２３を形成することができる。また、このような伝搬部材６０を用いた回路基板２１，２５は、一般的な中空導波管を用いた基板より、サイズが小さくなる。
【００３９】
また、回路基板２１では、伝搬部材６０の側面には、金属膜形成処理が施されることにより、金属膜６１が形成されている。このため、回路基板２１では、伝搬部材６０の直方体形状を保ちつつ、伝送損失の少ない導波管２３が用いられる。
【００４０】
また、導波管２３の金属膜６１は、半田８０を介して接地されている。このため、回路基板２１と、導波管２３との間のミリ波の反射や伝送損失を抑制できる。
【００４１】
また、回路基板２５では、貫通孔５０の金属膜７０と、伝搬部材６０との間に半田８０が充填され、半田８０は、貫通孔５０の金属膜７０を介して接地されている。つまり、回路基板２５では、伝搬部材６０の側面に金属膜形成処理等を施すことなく、伝搬部材６０を導波管として機能させている。このように、本実施形態では、おもて面からうら面へ電波を伝搬可能なサイズの小さい回路基板２５を、安価に実現することができる。
【００４２】
また、回路基板２１，２５に対し、導波管２３からの信号を処理する無線回路２２や、導波管２３からの信号を放射するアンテナ基板２０を実装することにより、無線装置１０を構成することができる。
【００４３】
また、図６に示す工程等を実行することにより、サイズが小さく、所望のモード及び周波数の電波を伝搬できる回路基板２１，２５を製造できる。
【００４４】
なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
【００４５】
本実施形態の無線装置１０では、６０ＧＨｚのミリ波を送受信することとしたが、これに限られない。例えば、無線装置１０は、数十ＧＨｚ〜数百ＧＨｚ帯の電波を送受信する際にも用いられる。なお、この際には、伝搬部材６０の幅ａ、高さｂは適宜変更される。
【００４６】
また、本実施形態の伝搬部材６０は、石英であるが、例えば、所望の周波数の電波が伝搬する誘電体であれば良い。
【００４７】
また、例えば、伝搬部材６０の高さｃと、回路基板２１の厚さとは等しいこととしたが、異なっていても良い。
【００４８】
また、回路基板２１，２５の貫通孔５０は、金属膜７０で覆われていることとしたが、金属膜７０が無くても良い。このような場合において、半田８０は、回路基板２１，２５のグランド配線に直接接続されていても良い。
【００４９】
また、ミリ波を送受信するアンテナ４２は、略長方形の形状をしているがこれに限られない。アンテナ４２は、正方形や円等、他の形状のパターンであっても良い。
【００５０】
本実施形態における金属膜形成処理としては、メッキ処理であるとしたが、これに限られない。例えば、金属膜形成処理として、蒸着、スパッタ、焼き付け等の処理であっても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１０  無線装置
２０  アンテナ基板
２１，２５  回路基板
２２  無線回路
２３  導波管
３０  結合部
４１  信号線
４２  アンテナ
５０  貫通孔
６０  伝搬部材
６１，７０  金属膜
８０  半田
２００，２０１  面（第１の面，第２の面）
【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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