(57)【要約】【課題】特性インピーダンスを所望の値に設定する。【解決手段】マイクロストリップ線路は、誘電体１０の表面に形成された信号線路Ｌ３と、誘電体１０の裏面に形成された裏面グランドＬ１と、信号線路Ｌ３と裏面グランドＬ１との間の誘電体中に形成され、信号線路Ｌ３の信号伝搬方向に沿って２本のギャップ１１が設けられた内層グランドＬ２とを備える。２本のギャップ１１は、信号伝搬方向に沿った信号線路Ｌ３の中心線ａ0から信号伝搬方向と垂直な方向に沿って左右に距離ａだけ離れた水平位置ｂ1，ｂ2と、各々のギャップ１１の中心線の水平位置とが一致するように配置される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の表面に形成された信号線路と、
前記誘電体の裏面に形成された裏面グランドと、
前記信号線路と前記裏面グランドとの間の誘電体中に形成され、前記信号線路の信号伝搬方向に沿って２本のギャップが設けられた内層グランドとを備え、
前記２本のギャップは、信号伝搬方向に沿った前記信号線路の中心線から信号伝搬方向と垂直な方向に沿って左右に距離ａだけ離れた水平位置と、各々のギャップの中心線の水平位置とが一致するように配置されることを特徴とするマイクロストリップ線路。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロストリップ線路において、
信号伝搬方向と垂直な方向における前記ギャップの幅ｂは、０＜ｂ＜∞の範囲であることを特徴とするマイクロストリップ線路。
【請求項３】
請求項１または２記載のマイクロストリップ線路において、
前記信号線路の中心線から前記ギャップの中心線までの距離ａおよび信号伝搬方向と垂直な方向における前記ギャップの幅ｂは、前記信号線路の所望の幅Ｗとマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の所望の値とに応じて設定されることを特徴とするマイクロストリップ線路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば化合物半導体高速ＩＣに好適な高周波伝送線路であるマイクロストリップ線路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロストリップ線路は、基板の表面と裏面に導体パターンを形成した簡潔な構造によって伝送路を構成することができることから、高周波伝送線路として広く使われている（非特許文献１参照）。図７（Ａ）はマイクロストリップ線路の構造を示す平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。マイクロストリップ線路は、裏面に導体Ｌ１が形成された板状の誘電体１０の表面に線状の導体Ｌ３を形成した構造を持ち、電磁波を伝達する伝送線路である。表面の線状の導体Ｌ３が伝送線路で、裏面の導体Ｌ１はＧＮＤになっている。図７（Ａ）、図７（Ｂ）では、伝送線路の幅をＷ、長さをＬとしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】B.C.Wadell，“Transmission Line Design Handbook”，Artech House Publishers.，P93-95，1991
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マイクロストリップ線路の場合、特性インピーダンスＺ0を決定するものとして、線路幅Ｗと誘電体１０の厚さＸと誘電体１０の誘電率εｒが挙げられるが、誘電体１０の厚さＸや誘電率εｒは簡単には変えることが出来ない。そこで通常、ＩＣ設計では、線路幅Ｗを変化させ、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を所望の値に設定している。
【０００５】
しかしながら、ＩＣチップの小型化および低コスト化や線路の損失の低減が求められるアプリケーションに対しては、線路幅Ｗにも制約が生じる。具体的には、ＩＣチップの小型化のためには、線路幅Ｗを小さくする必要があり、線路の伝送損失の低減のためには、線路幅Ｗを大きくする必要がある。したがって、チップサイズと線路の伝送損失とに要求値がある場合には、許容される線路幅Ｗの範囲が制限される。この結果、線路の特性インピーダンスＺ0を所望の値に設定することが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、特性インピーダンスを所望の値に設定することができるマイクロストリップ線路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】
【０００７】
本発明のマイクロストリップ線路は、誘電体の表面に形成された信号線路と、前記誘電体の裏面に形成された裏面グランドと、前記信号線路と前記裏面グランドとの間の誘電体中に形成され、前記信号線路の信号伝搬方向に沿って２本のギャップが設けられた内層グランドとを備え、前記２本のギャップは、信号伝搬方向に沿った前記信号線路の中心線から信号伝搬方向と垂直な方向に沿って左右に距離ａだけ離れた水平位置と、各々のギャップの中心線の水平位置とが一致するように配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のマイクロストリップ線路の１構成例において、信号伝搬方向と垂直な方向における前記ギャップの幅ｂは、０＜ｂ＜∞の範囲である。
また、本発明のマイクロストリップ線路の１構成例において、前記信号線路の中心線から前記ギャップの中心線までの距離ａおよび信号伝搬方向と垂直な方向における前記ギャップの幅ｂは、前記信号線路の所望の幅Ｗとマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の所望の値とに応じて設定される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、信号線路と裏面グランドとの間の誘電体中に内層グランドを設け、内層グランドに信号線路に沿って２本のギャップを設けることにより、信号線路の中心線からギャップの中心線までの距離ａおよびギャップの幅の値を適宜調節すれば、線路幅を一定に保持したまま（すなわち、トレードオフの関係にある信号線路のサイズとマイクロストリップ線路の伝送損失とを一定に保持したまま）、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスを所望の値に設定することができる。また、距離ａおよびギャップの幅の値を調節することにより、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスを一定に保持したまま、チップサイズと伝送損失の要求条件から最適な線路幅を設定することができる。つまり、チップサイズと伝送損失はトレードオフの関係にあるので、ＩＣチップの小型化が求められるアプリケーションにおいては、特性インピーダンスを一定に保持できる範囲において、線路幅を小さく設定することができ（伝送損失は大きくなる）、マイクロストリップ線路の伝送損失の低減が求められるアプリケーションにおいては、特性インピーダンスを一定に保持できる範囲において、線路幅を大きく設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロストリップ線路の構造を示す平面図および断面図である。
【図２】線路幅およびギャップの幅とマイクロストリップ線路の特性インピーダンスとの関係を示す図である。
【図３】ギャップの幅とマイクロストリップ線路の特性インピーダンスとの関係を示す図である。
【図４】線路幅およびギャップの幅とマイクロストリップ線路の伝送損失との関係を示す図である。
【図５】ギャップの幅とマイクロストリップ線路の伝送損失との関係を示す図である。
【図６】ギャップの幅とマイクロストリップ線路の特性インピーダンスおよび伝送損失との関係を示す図である。
【図７】従来のマイクロストリップ線路の構造を示す平面図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本実施の形態に係るマイクロストリップ線路の構造を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態のマイクロストリップ線路は、板状の誘電体１０の表面に選択的に形成された帯状の導体からなる信号線路Ｌ３と、誘電体１０の裏面全体に形成された板状の導体からなる裏面グランドＬ１と、信号線路Ｌ３および裏面グランドＬ１と平行になるように誘電体１０中に形成された板状の導体からなる内層グランドＬ２とを備え、内層グランドＬ２が形成されている誘電体１０の層に、内層グランドＬ２が無く誘電体１０で満たされた領域である２本のギャップ１１が、信号線路Ｌ３の信号伝搬方向（図１（Ａ）上下方向）に沿って形成されていることを特徴としている。
【００１１】
本実施の形態では、信号線路Ｌ３の厚みを２．０μｍ、内層グランドＬ２の厚みを１．４μｍ、裏面グランドＬ１の厚みを０．３μｍとした。なお、信号線路Ｌ３と裏面グランドＬ１との間に内層グランドＬ２を挿入する場合、導体の厚みよりも誘電体１０の厚みの方がマイクロストリップ線路の特性に強く影響を及ぼし、また信号を伝送した場合、電荷は導体の内部に一様に分布するのではなく、表面に集中するので、本発明の場合、信号線路Ｌ３と裏面グランドＬ１と内層グランドＬ２の厚みは上記の数値に限定されるものではない。
【００１２】
内層グランドＬ２に形成された２本のギャップ１１は、信号伝搬方向に沿った信号線路Ｌ３の中心線ａ0から信号伝搬方向と垂直な方向に沿って左右に距離ａだけ離れた水平位置（図１（Ｂ）の左右方向の位置）ｂ1，ｂ2と、各々のギャップ１１の中心線の水平位置とが一致するように配置される。
【００１３】
裏面グランドＬ１と内層グランドＬ２とは、誘電体１０中に形成された導体からなるグランドビア（不図示）によって接続されている。特に、本実施の形態では、２本のギャップ１１によって挟まれた領域の内層グランドＬ２が、その両脇の内層グランドＬ２から分離しているので、２本のギャップ１１によって挟まれた領域の内層グランドＬ２をグランドビアによって裏面グランドＬ１と接続しておく必要がある。
【００１４】
信号線路Ｌ３の中心線ａ0からギャップ１１の中心線までの距離ａおよび信号伝搬方向と垂直な方向におけるギャップ１１の幅ｂの値を調節することにより、信号線路Ｌ３の線路幅Ｗを一定に保持したまま、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を変化させることが可能となる。また、距離ａおよび幅ｂの値を調節すれば、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を一定に保持したまま、線路幅Ｗを任意に設定することが可能となる。
【００１５】
また、信号線路Ｌ３と内層グランドＬ２間の距離をＸ、内層グランドＬ２と裏面グランドＬ１間の距離をＹとすると、距離ａおよび幅ｂの値の変化がマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の変化に及ぼす影響は、Ｘ＞Ｙの場合よりもＸ＜Ｙの関係にある方が大きい。この関係は、従来のプロセスにおける層構成（上層にいくほど誘電体の厚さが大きくなる、すなわちＸ＞Ｙ）とは逆の構成となる。
【００１６】
マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は式（１）で表される（文献「谷本  英之，“オンチップ伝送線路のモデリングと最適化  Modeling and Optimization of On-CHIP Transmission Line”，東京大学大学院修士論文，Ｐ５，Ｐ１６−１９，２００６年２月３日」参照）。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
ここで、Ｒはマイクロストリップ線路の単位長あたりの直列抵抗（Ω）、Ｌはマイクロストリップ線路の単位長あたりの直列インダクタンス（Ｈ）、Ｇはマイクロストリップ線路の単位長あたりの並列コンダクタンス（Ｓ）、Ｃはマイクロストリップ線路の単位長あたりの並列静電容量（Ｆ）である。
【００１９】
ギャップ１１の幅ｂ＝０の場合、並列静電容量Ｃや並列コンダクタンスＧの値が大きくなり、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は小さくなる。この時の特性インピーダンスＺ0の値をＺ1とする。
ａ−ｂ／２＞０の関係を満たし、ギャップ１１の幅ｂ＝∞の場合（内層グランドＬ２が存在しない場合）、並列静電容量Ｃや並列コンダクタンスＧの値が小さくなり、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は大きくなる。この時の特性インピーダンスＺ0の値をＺ2とする。
【００２０】
ギャップ１１の幅ｂが０〜∞の間では、距離ａおよび幅ｂの値を調節することにより、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0をＺ1〜Ｚ2の間で任意に決定することができる。
また、線路幅Ｗを大きくすると、並列静電容量Ｃや並列コンダクタンスＧの値が大きくなり、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は小さくなる。この特性インピーダンスＺ0の減少分を、距離ａおよび幅ｂの値の調節によって補償することで、特性インピーダンスＺ0を一定に保持したまま、線路幅Ｗの値をある範囲内で任意に設定することができる。
【００２１】
なお、式（１）によると、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は周波数の関数である。すなわち、低周波数（ＧＨｚ以下）では特性インピーダンスＺ0は高くなり、高周波数になるにつれて特性インピーダンスＺ0は低くなる。ただし、数十ＧＨｚ以上になると、特性インピーダンスＺ0は周波数に殆ど依存しない値となる。本実施の形態では、高周波数（ＧＨｚオーダー）の信号を伝送するマイクロストリップ線路を想定しているので、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0は周波数によって殆ど変動しない。以下の例で示す特性インピーダンスＺ0および伝送損失ＴＬの値は周波数６０ＧＨｚの信号を伝送した場合のものである。
【００２２】
裏面グランドＬ１と内層グランドＬ２と信号線路Ｌ３の材料としてＡｕ（金）を使用し、誘電体１０としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）基板（εｒ＝２．７、（文献「酒井啓之他，“ＢＣＢ誘電体を用いた低損失ミリ波フリップチップＩＣ”，電子情報通信学会技術研究報告．ＥＤ，電子デバイス９６（４６２），Ｐ４１−４６，１９９７−０１−２４」参照））を用いた、線路長Ｌ＝３００μｍのマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の変化を図２に示す。ここでは、内層グランドＬ２と裏面グランドＬ１間の距離Ｙ＝２．８μｍ、信号線路Ｌ３と内層グランドＬ２間の距離Ｘ＝１．０μｍとした。
【００２３】
図２の２０がギャップ１１の幅ｂ＝∞の場合の特性インピーダンスＺ0の変化を示し、２１がギャップ１１の幅ｂ＝０μｍの場合の特性インピーダンスＺ0の変化を示している。ギャップ１１の幅ｂ＝∞の場合は、裏面グランドＬ１が有って内層グランドＬ２が無い従来のマイクロストリップ線路となり、ギャップ１１の幅ｂ＝０μｍの場合は、Ｌ２が裏面グランドとして機能する従来のマイクロストリップ線路となる。本実施の形態のマイクロストリップ線路の構成は、ギャップ１１の幅ｂの値が０＜ｂ＜∞の場合（ただし２ａ＞ｂ）であり、図２の２０と２１の間のエリアが本実施の形態のマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0となる。
【００２４】
図３は線路幅Ｗおよび距離ａの値を共に６μｍに固定した場合のギャップ１１の幅ｂとマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0との関係を示す図である。図２、図３より、ギャップ１１の幅ｂの値を変化させることで、図２の２０の値（ｂ＝∞の時のＺ0＝Ｚ2）から図２の２１の値（ｂ＝０の時のＺ0＝Ｚ1）までの範囲で、線路幅Ｗを変えることなく、特性インピーダンスＺ0を任意に設定可能なことが分かる。また、距離ａおよび幅ｂの値を変化させることで、特性インピーダンスＺ0を変化させずに、線路幅Ｗを任意に設定可能なことが分かる。例えば特性インピーダンスＺ0を５０Ωに固定した場合、ギャップ１１の幅ｂの値を０〜∞まで変化させることにより、線路幅Ｗを３．４μｍ〜９．５μｍの範囲で変化させることができる。
【００２５】
裏面グランドＬ１と内層グランドＬ２と信号線路Ｌ３の材料としてＡｕ（金）を使用し、誘電体１０としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）基板（εｒ＝２．７）を用いた、線路長Ｌ＝３００μｍのマイクロストリップ線路の伝送損失ＴＬの変化を図４に示す。図２、図３の場合と同様に、内層グランドＬ２と裏面グランドＬ１間の距離Ｙ＝２．８μｍ、信号線路Ｌ３と内層グランドＬ２間の距離Ｘ＝１．０μｍとした。
【００２６】
図４の４０がギャップ１１の幅ｂ＝∞の場合の伝送損失ＴＬの変化を示し、４１がギャップ１１の幅ｂ＝０μｍの場合の伝送損失ＴＬの変化を示している。ギャップ１１の幅ｂ＝∞の場合は、裏面グランドＬ１が有って内層グランドＬ２が無い従来のマイクロストリップ線路となり、ギャップ１１の幅ｂ＝０μｍの場合は、Ｌ２が裏面グランドとして機能する従来のマイクロストリップ線路となる。本実施の形態のマイクロストリップ線路の構成は、ギャップ１１の幅ｂの値が０＜ｂ＜∞の場合（ただし２ａ＞ｂ）であり、図４の４０と４１の間のエリアが本実施の形態のマイクロストリップ線路の伝送損失ＴＬとなる。
【００２７】
図５は線路幅Ｗおよび距離ａの値を共に６μｍに固定した場合のギャップ１１の幅ｂとマイクロストリップ線路の伝送損失ＴＬとの関係を示す図である。図４、図５より、ギャップ１１の幅ｂの値を変化させることにより、マイクロストリップ線路の伝送損失ＴＬの値も変化することが分かる。
【００２８】
裏面グランドＬ１と内層グランドＬ２と信号線路Ｌ３の材料としてＡｕ（金）を使用し、誘電体１０としてベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）基板（εｒ＝２．７）を用いた、線路長Ｌ＝３００μｍのマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0および伝送損失ＴＬとギャップ１１の幅ｂとの関係を図６に示す。図２、図３の場合と同様に、内層グランドＬ２と裏面グランドＬ１間の距離Ｙ＝２．８μｍ、信号線路Ｌ３と内層グランドＬ２間の距離Ｘ＝１．０μｍとした。図６は線路幅Ｗおよび距離ａの値を共に６μｍに固定した場合のものである。
【００２９】
図６の６０がマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の変化を示し、６１がマイクロストリップ線路の伝送損失ＴＬの変化を示している。図６より、線路幅Ｗの小さいマイクロストリップ線路（Ｗ＝６μｍ）では、内層グランドＬ２を設けない場合（ｂ＝∞の場合）、特性インピーダンスＺ0が大きくなることが分かる。ｂ＝∞で、線路幅Ｗ＝６μｍの場合、特性インピーダンスＺ0＝６５Ωである。
【００３０】
また、Ｌ２が裏面グランドになる場合（ｂ＝０μｍの場合）、特性インピーダンスＺ0が小さくなることが分かる。ｂ＝０μｍで、線路幅Ｗ＝６μｍの場合、特性インピーダンスＺ0＝３３Ωである。このように、信号線路Ｌ３と裏面グランドＬ１の間に内層グランドＬ２を設け、ギャップ１１の幅ｂを０＜ｂ＜∞の範囲で変化させることにより、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を下げることができ、かつマイクロストリップ線路の伝送損失ＴＬをＬ２が裏面グランドの場合（ｂ＝０μｍ）よりも小さくすることができる。
【００３１】
例えば、光通信用受信モジュールに使用されるトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）の入出力インピーダンスは５０Ωであるため、インピーダンス不整合による反射の影響を低減するためには、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0も５０Ωであることが望ましい。
線路幅Ｗ＝６μｍの場合、ギャップ１１の幅ｂ＝１０μｍに設定すると、特性インピーダンスＺ0を５０Ωに設定することができる。
【００３２】
以上のように、本実施の形態では、信号線路Ｌ３と裏面グランドＬ１との間に内層グランドＬ２を設け、この内層グランドＬ２に２本のギャップ１１を設けて、信号線路Ｌ３の中心線ａ0からギャップ１１の中心線までの距離ａおよびギャップ１１の幅ｂの値を適宜調節することにより、線路幅Ｗを一定に保持したまま（すなわち、トレードオフの関係にある信号線路Ｌ３のサイズとマイクロストリップ線路の伝送損失とを一定に保持したまま）、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を所望の値に設定することができる。また、距離ａおよびギャップ１１の幅ｂの値を調節することにより、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0を一定に保持したまま、チップサイズと伝送損失の要求条件から最適な線路幅Ｗを設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、ＩＣ等に用いる高周波伝送線路に適用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
Ｌ１…裏面グランド、Ｌ２…内層グランド、Ｌ３…信号線路、１０…誘電体、１１…ギャップ。
【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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