(57)【要約】【課題】高周波領域においても伝送特性に優れた小型の高周波用回路基板を提供する。【解決手段】セラミック材料にて形成されたセラミック膜２ａとセラミック膜２ａより誘電率が低い樹脂材料にて形成された樹脂膜３ａとから構成された絶縁層の表面に、金属材料にて形成された伝送線路４ａを配置したことを特徴とする。なお、前記セラミック膜２ａは、前記樹脂膜３ａよりも膜厚が薄い方が好ましく、また、前記セラミック膜２ａの一部は、導電性基板表面、または、非導電性基板表面に形成された金属層表面に、接着層を介することなく直接接合されているものが好適である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック材料にて形成されたセラミック膜と該セラミック膜より誘電率が低い樹脂材料にて形成された樹脂膜とから構成された絶縁層の表面に、金属材料にて形成された伝送線路を配置したことを特徴とする高周波用回路基板。
【請求項２】
前記セラミック膜は、前記樹脂膜よりも膜厚が薄いことを特徴とする請求項１記載の高周波用回路基板。
【請求項３】
前記セラミック膜の一部は、導電性基板表面、または、非導電性基板表面に形成された金属層表面に、接着層を介することなく直接接合されていることを特徴とする請求項１乃至２いずれか１項記載の高周波用回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波領域の用途に用いられる高周波用回路基板に関する。
【従来の技術】
【０００２】
近年、高周波領域の用途に用いられる高周波用回路基板では、通信機器の高周波化、小型・薄型化に伴い、低誘電率（ε）、低誘電正接（ｔａｎδ）の材料を用いて薄膜状に形成された絶縁層を備えた回路基板が求められている。
高周波領域では、絶縁層の厚みを薄くするほど伝送線路の微細線化が図れ、その結果複数の伝送線路を狭ピッチにて配置することが可能となり、回路基板を小型・薄型化することができる。
そこで、銅等の金属層上に、第１層としてポリイミド系樹脂フィルム層を１０μｍ、さらにその表面に第２層としてポリイミド系樹脂多孔質層を３０〜５０μｍ形成し絶縁層とした印刷配線基板用積層体が、低誘電率、低誘電正接の誘電特性が得られると、提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
日東電工株式会社の実験データによると、印刷配線基板用積層体のポリイミド系樹脂多孔質層の空孔率が４５％とすると、１０ＧＨｚ時にε：２．３、ｔａｎδ：０．００３９となり、さらに空孔率を増加させることで誘電率、誘電正接を低下させることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４３７４３号公報（第２−３頁、第３図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絶縁層表面に伝送線路としてマイクロストリップライン線路（ストリップライン線路）を形成する場合、絶縁層の厚みが薄くなるほどマイクロストリップラインの配線パターンが微細線化する。
例えば、マイクロストリップライン線路の特性インピーダンスＺは、Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒの式を用いると次式（１）〜（３）のように与えられ、特性インピーダンスＺを５０Ω、誘電率εを２．１、絶縁膜の厚みをｈ、マイクロストリップライン線路の線幅をＷとすると、１０ＧＨｚの信号を伝送する時、絶縁層の厚みが５０μｍの場合はマイクロストリップライン線路の線幅が１５０μｍ前後、絶縁層の厚みが１０μｍの場合はマイクロストリップライン線路の線幅が２５μｍ前後必要となる。（マイクロストリップライン線路の膜厚は１０μｍ程度とする。）
Ｚ＝Ｚ′÷√ε′                                              …（１）
Ｚ′＝（１２０×π）÷（ｗ÷ｈ＋２．４２−０．４４×（ｈ÷ｗ）＋（１−（ｈ÷ｗ））＾６）  …（２）
ε′＝（ε＋１）÷２＋（（ε−１）÷２）×（１＋（１０×ｈ÷ｗ））＾（−０．５）          …（３）
一方で、銅や銀等の金属材料を用いて配線パターンを形成する場合、発熱による断線を防止するため電力密度が１Ｗ／ｍｍ２以下（膜厚：１０μｍ）となるよう設計することが好ましく、マイクロストリップライン線路の線幅が２５μｍとなると誘電損失による発熱は２５ｍＷ／μｍ２前後が限界となる。
この時、マイクロストリップライン線路から誘電損失により数ｍＷ程度の熱が発生する場合は特に伝送特性に影響を与えることはないが、それ以上になると誘電損失により生じた熱がマイクロストリップライン線路およびその付近に停滞して局所的に高温に至り、誘電特性が変化しインピーダンス不整合が生じる。
その結果、所定の伝送特性が得られなくなるため、別途マイクロストリップライン線路から熱を放熱する機構が必要となる。
【０００５】
放熱を考慮すると熱伝導率に優れたアルミナを主成分とするセラミック材料のみで絶縁層を形成することが最適ではあるが、絶縁層の誘電率が高いと絶縁層を薄膜化した時に、マイクロストリップライン線路やストリップライン線路が更に微細線化、コプレーナライン線路を形成する場合は更に狭ピッチ化が進み過ぎて製造上、精度良く配線パターンを形成できない。
例えば、特性インピーダンスＺを５０Ω、誘電率εを９、絶縁膜の厚みを１０μｍとすると、１０ＧＨｚの信号を伝送するマイクロストリップライン線路の線幅は６μｍ前後必要となるが、マイクロストリップライン線路を形成する金属層の厚みが１０μｍ程度とすると、その断面形状は縦長となり形状を保持することは困難である。
【０００６】
また、印刷配線基板用積層体は、誘電特性を更に高くしようとするとポリイミド系樹脂多孔質層における空孔率が６８％、空孔径が最大３０μｍとなる（日東電工株式会社の実験データ）が、空孔径が大きくなるほど場所による空孔率のバラツキが大きくなる。
従って、絶縁層の厚みが薄くなるほど誘電率や誘電正接が均一な伝送線路を形成することは難しくなり、局所的にインピーダンス不整合による反射や誘電損失増加による過度の発熱が生じて所定の伝送特性を得られなくなる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高周波領域においても伝送特性に優れた小型の高周波用回路基板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決する為、請求項１記載の発明は、セラミック材料にて形成されたセラミック膜と該セラミック膜より誘電率が低い樹脂材料にて形成された樹脂膜とから構成された絶縁層の表面に、金属材料にて形成された伝送線路を配置したことを特徴とする高周波用回路基板である。
ここでいうセラミック材料とは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や石英ガラス（ＳｉＯ２）を主成分とした材料を指し、セラミック膜はアルミナや石英ガラス単体で形成しても良いし、焼結温度や誘電率を低下させるためアルミナにシリカやマグネシウム、バリウム、鉛などの不純物を添加したアルミナ複合材料や、石英ガラスにマグネシウム、バリウム、鉛などの不純物を添加した石英ガラス複合材料で形成しても良い。
セラミック材料にて形成されたセラミック膜の誘電率は、膜を形成するアルミナの含有量、平均結晶子径や緻密度により異なるため一概には表せないが、１０ＧＨｚ時の誘電率は８〜１０程度である。（表１参照）
【０００９】
【表１】
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表１記載のアルミナの特性値は日本特殊陶業株式会社のセラミック特性カタログ、シリカの特性値は文献から引用した。
【００１０】
セラミック膜よりも誘電率が低い材料としては、製造・実使用上における耐熱性を考慮するとフッ素樹脂やポリイミド樹脂が挙げられる（表２参照）が、誘電正接を考慮するとフッソ樹脂が好ましい。
【表２】
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表２記載のフッ素樹脂の特性値はデュポン株式会社のテフロン（Ｒ）コーテイング特性カタログ、ポリイミドの特性値はプラスチック成形材料症取引便覧特性データベース（化学工業日報社）の文献から引用した。
尚、ＰＴＦＥとはポリ４フッ化エチレン樹脂、ＦＥＰとは４フッ化エチレン−６フッ化プロピレン共重合樹脂、ＰＦＡとは４フッ化エチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合樹脂を指し、テフロン（Ｒ）、ベスペル（Ｒ）は共にデュポン株式会社の登録商標である。
【００１１】
上記セラミック材料は熱伝導率が高いため、例えばアルミナを主成分とするセラミック材料にて形成されたセラミック膜と該セラミック膜より誘電率が低い樹脂材料（フッ素樹脂）にて形成された樹脂膜とから構成された絶縁層の表面に、銅やアルミニウム、ニッケル等の金属材料にて形成された伝送線路を配置することにより、絶縁層が薄くなり伝送線路の線幅が微細線化しても、緻密な樹脂膜または緻密な樹脂膜と多孔質樹脂膜とから形成される絶縁層に比べて、誘電損失にて生じた熱を伝送線路の周囲に分散させて伝送線路およびその付近が局所的に高温になることを防止でき、伝送性能が低下することを抑制できる。
【００１２】
また、セラミック膜と樹脂膜の両方を緻密に形成し絶縁層を構成することにより、絶縁層の厚みが薄くなってっも誘電率や誘電正接が均一な伝送線路を形成することができ、局所的にインピーダンス不整合による反射や誘電損失増加による過度の発熱が生じることを防止し所定の伝送特性を得ることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記セラミック膜は、前記樹脂膜よりも膜厚が薄いことを特徴とする請求項１記載の高周波用回路基板である。
絶縁性能の観点からみると、例えば、フッ素樹脂の耐電圧が５．９〜７．５Ｖ／μｍ程度であるのに対してアルミナや石英ガラスの耐電圧は１５〜１７Ｖ／μｍ程度と、同じ膜厚にて得られる絶縁性能は樹脂膜よりセラミック膜の方が優れている。
誘電率の観点からみると、絶縁層の誘電率が高いと絶縁層を薄膜化した時に、マイクロストリップライン線路やストリップライン線路を形成する場合は微細線化、コプレーナライン線路を形成する場合は狭ピッチ化が進み過ぎて製造上、精度良く配線パターンを形成できないため、誘電率は低い方が良い。
セラミック膜と樹脂膜とから構成される絶縁層の誘電特性は、セラミック膜と樹脂膜との膜厚の比率から決定されるため、セラミック膜の厚みｔ１、樹脂膜の厚みをｔ２とすると、ｔ１＞ｔ２ならばセラミック膜を形成するセラミック材料の誘電特性（高誘電率）に近づき、ｔ１＜ｔ２ならば樹脂膜を形成する樹脂材料の誘電特性（低誘電率）に近づくことになる。
従って、回路基板の小型化を図る場合、極力薄い（例えば１〜１０μｍ程度）セラミック膜にて必要な絶縁・放熱性能を確保し、セラミック膜よりも膜厚を厚くした樹脂膜にて伝送線路の配線パターンが製造可能なレベルの誘電特性（誘電率）を確保することが最適であり、樹脂膜の厚みはセラミック膜の厚みに対して２〜５倍程度が好ましい。
【００１４】
請求項３記載の発明は、前記セラミック膜の一部は、導電性基板表面または非導電性基板表面に形成された金属層表面に接着層を介することなく直接接合されていることを特徴とする請求項１乃至２いずれか１項記載の高周波用回路基板である。
ここでいう、導電性基板とはアルミニウムや銅など比較的硬度が低い金属材料から形成された基板を指し、非導電性基板とはアルミナや石英ガラスを主成分とするセラミック材料やエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂から形成された基板を指す。
また、接着層を介することなく直接接合されているとは、接合面に、接着剤層、ロウ付け層、焼成によるセラミック構成元素の拡散層、の何れも介在していないことを言う。
一般的にセラミック焼結体を形成する場合、基材とセラミック粒子の接合を容易にするためにセラミック材料にバインダーとなる焼結助剤が添加されているため、それを焼結しても十分に緻密なセラミック焼結体を形成することはできず、膜厚が薄くなると十分な絶縁性能を確保することは困難になる。
そこで、２μｍ以下のセラミック超微粒子をガス中に分散させて発生させたエアロゾルを、導電性基板表面または非導電性基板表面に形成された金属層表面にに向かって高速で噴射・衝突させることにより、導電性基板表面または金属層表面にアンカー部が形成されるとともに、そこへセラミック超微粒子が衝突の際に更に粉砕された微細断片粒子が物理的に接合・積層され、その結果、１〜１０μｍ程度の緻密なセラミック膜を接着層を介することなく直接接合して形成することができる。
従って、セラミック膜を薄く形成しても十分な絶縁耐圧を確保することができるため、セラミック膜と樹脂膜の比率をより大きくすることにより樹脂膜を形成する樹脂材料の誘電特性に近づかせることができ、製造上、容易に基板の小型化を図ることができる。
【００１５】
ここでいうアンカー部とは、基板と絶縁層の界面に形成された凹凸を指し、特に、予め基板に凹凸を形成させるのではなく、絶縁層形成時に、元の基板の表面精度を変化させて形成される凹凸のことを指す。
【００１６】
【発明の実施形態】
以下、本発明にかかる高周波用回路基板の実施の形態を、図面により詳細に説明する。
尚、各層の厚みは説明の都合上、実際の厚みとは異なる。
（第１実施例）
図１は本発明の高周波用回路基板１ａの断面図であり、以下にその製造方法を記載する。
最初に、焼結後に形状が保持できる程度の厚み（０．１〜１ｍｍ程度）を有したアルミナを主成分とするグリーンシート表面の略全面にスクリーン印刷法によりペースト状にした銀または銅の金属材料を印刷・乾燥しＧＮＤ層５を形成した後、スクリーン印刷法によりペースト状にしたアルミナを主成分とする１〜５μｍ程度のセラミック微粒子を印刷する、または予め薄膜状に形成されたグリーンシートを積層し、所定の温度にて焼結することでＧＮＤ層５の表面に１０〜５０μｍのセラミック膜２ａを形成する。
次に、セラミック膜２ａ表面にスプレーコート、スピンコート、ディップコート、静電塗装等の方法により流動化させたフッ素樹脂（テフロン（Ｒ））を塗布、乾燥、焼成（必要に応じて研削）して１０〜５０μｍの樹脂膜３ａを形成する。
スプレーコート、スピンコート、ディップコートにより樹脂膜３ａを形成する際は、一回の塗布で所定の膜厚を付けようとすると、表面張力により基板中央部が基板端部に比べて膜の厚みが厚くなり均一な膜厚を形成することができないため、塗布→乾燥の工程を数回繰り返し所定の膜厚にする事が好ましく緻密な膜が形成できる。
また、ＧＮＤ層５に高圧を印可しセラミック膜２ａ表面に電荷を発生させ、そこに逆の極性を有したフッ素樹脂を吸着させる静電塗装により一回の塗布で所定の膜厚を付けることは可能であり、ＧＮＤ層に高圧を印可する時間により樹脂膜３ａの膜厚を容易に制御することができる。
そして、樹脂膜３ａの表面に無電解メッキを用いて、銅やアルミニウムまたはニッケルからなる０．１〜５０μｍの金属層（点線部）を形成する。（必要に応じてさらに金メッキを施す。）
通常、樹脂やセラミックなどの異種材料からなる基材に金属材料をメッキする際は、その基材表面を１〜５μｍ程度荒らしアンカー効果により基材と金属を物理的に接合することが一般的であるが、絶縁層を薄くするほど、セラミック膜または樹脂膜の表面を荒らしてしまうと伝送線路におけるインピーダンスのバラツキが大きくなるため、セラミック膜または樹脂膜の表面は荒らさずに化学的に接合することが好ましい。
その後、ＣＶＤ法やＰＶＤ法を用いて金属層をエッチングすることで、所定の線幅を有した伝送線路４ａ（マイクロストリップ線路）を形成する。
【００１７】
上記製造方法により製作された高周波回路基板１ａは、熱伝導率が高いアルミナを主成分とするセラミック材料にて形成されたセラミック膜２ａと、セラミック膜２ａより誘電率が低いフッ素樹脂にて形成された樹脂膜３ａとから構成された絶縁層の表面に、銅やアルミニウム、ニッケル等の金属材料にて形成された伝送線路４ａを配置している。
従って、絶縁層が薄くなり伝送線路の線幅が微細線化しても、緻密な樹脂膜または緻密な樹脂膜と多孔質樹脂膜とから構成される絶縁層に比べて、誘電損失にて生じた熱を伝送線路の周囲に分散させて伝送線路およびその付近が局所的に高温になることを防止でき、伝送性能が低下することを抑制でき、所定の伝送特性を得ることができる。
また、セラミック膜と樹脂膜の両方を緻密に形成し絶縁層を構成することにより、絶縁層の厚みが薄くなってっも誘電率や誘電正接が均一な伝送線路を形成することができ、局所的にインピーダンス不整合による反射や誘電損失増加による過度の発熱が生じることを防止し所定の伝送特性を得ることができる。
【００１８】
更に、セラミック膜２ａとは別にアルミナを主成分とするセラミック基材６の表面にＧＮＤ層５を形成しているため、更に放熱性能が優れているため、伝送線路４ａを更に微細線化して回路基板の小型化を図ることができる。
また、低周波回路と高周波回路が混在する回路基板においては高周波回路部のみ樹脂膜を形成することで製造コストを削減できる。
【００１９】
（第２実施例）
図２は本発明の高周波用回路基板１ｂの断面図である。
高周波回路基板１ｂは、アルミニウムまたは銅の金属材料からなる導電性基板１６表面（表面粗さはＲａ：０．３以下が好ましい）に、２μｍ以下のセラミック超微粒子をガス中に分散させて発生させたエアロゾルを高速で噴射・衝突させ、導電性基板１６表面にアンカー部を形成し、そこへセラミック超微粒子が衝突の際に更に粉砕されて平均結晶子径が１μｍ以下となった微細断片粒子が物理的に接合・積層され、その結果、１〜１０μｍ程度の緻密なセラミック膜２ｂを形成できる。
そのセラミック膜２ｂの表面に、第１実施例と同様に樹脂膜３ｂを形成した後、伝送線路４ｂを形成している。
【００２０】
ここで、セラミック膜２ｂの形成方法について概略を説明する。
図３は、セラミック膜作製装置の装置図であり、ヘリウムを内蔵するガスボンベ１１は、搬送管１２を介してエアロゾル発生器１３に連結され、さらに搬送管を通じて構造物形成室１４内に５ｍｍ×０．５ｍｍの長方形の開口を持つノズル１５が設置される。コンピュータにより上下（Ｚ）、前後左右（ＸＹ）に制動できる基板ホルダ１７にアルミニウムからなる導電性基板１６がノズルに対向して１０ｍｍの間隔をあけて配置される。構造物形成室１４は排気ポンプ１８に接続している。
【００２１】
図４はエアロゾル発生器１３の断面模式図である。エアロゾル発生器１３は、容器１３１内にあらかじめ真空乾燥により十分に吸着水分を除去した、平均一次粒子径が２μｍ以下のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のセラミック超微粒子粉体１３２を内蔵し、図４では図示しない搬送管１２に接続された導入部１３３がセラミック超微粒子粉体１３２に埋没するように設置される。容器１３１の上方には上下にスライドできる導出部１３４が配置され、図４では図示しない搬送管１２に接続される。容器１３１には、機械的振動作用を与える振動器１３５が接続される。なお、図中の矢印は、ガスおよびエアロゾル１３６の流れる向きを示す。
【００２２】
以上の構成からなるセラミック膜作製装置の作用を次に述べる。ガスボンベ１１を開き、ヘリウムガスを流量２．５リットル／分で搬送管１２を通じてエアロゾル発生器１３の導入部１３３から導入し、セラミック超微粒子粉体１３２を容器１３１内に巻き上げ、エアロゾル１３６を発生させる。このとき振動器１３５の機械的振動作用によりセラミック超微粒子粉体１３２は、次々と導入部１３３の開口近傍に供給されるため、安定的にエアロゾル１３６が発生可能である。エアロゾル１３６中のセラミック超微粒子のうち、凝集して二次粒子を形成しているものは、その重量が比較的大きいため高く舞い上がることができない。これに対して、重量の小さい一次粒子あるいはそれに準じた比較的小さい粒子は、容器内の上方まで舞い上がることができる。そのため導出部１３４は高さ方向の位置をスライドさせて適当に設定すれば分級器として働き、所望の粒径のセラミック超微粒子を選抜して導出させることができる。導出したエアロゾル１３６は、搬送管１２を通じてノズル１５より基板１６に向けて高速で噴射される。エアロゾル１３６の噴射速度は、ノズル１５の形状、搬送管１２の長さ、内径、ガスボンベ１１のガス圧、排気ポンプ１８の排気量などにより制御される。これらの制御によりたとえばエアロゾル発生器１３の内圧を数万Ｐａ、構造物形成室１４の内圧を数百Ｐａにしてこれらの間に差圧をつけることにより、噴射速度は亜音速から超音速の領域まで加速できる。十分に加速されて運動エネルギーを得たエアロゾル１３６中のセラミック超微粒子は、基板１６に衝突し、その衝撃のエネルギーで細かく破砕された微細断片粒子が基板１６に接着したり、また互いが接着接合して緻密質のセラミック膜２ｂを形成する。
基板１６は１分間の構造物形成操作中に基板ホルダ１７により前後５ｍｍの往復運動をさせる。この制御によりアルミナのセラミック膜の堆積厚さは約５μｍが達成される。
このセラミック膜２ｂは、すでに焼成体と同程度の硬度を保有しているため、その後の加熱操作などによる焼き締めは必要ない。
【００２３】
このように、導電性基板１６の表面にセラミック膜２ｂを物理的に形成しているため、焼結させたセラミック膜に比べて緻密である。
従って、より薄膜にて絶縁性能が得ることができるため、セラミック膜２ｂと樹脂膜３ｂの比率をより大きくすることにより樹脂膜３ｂを形成する樹脂材料の誘電特性に近づかせることができ、製造上、容易に基板の小型化を図ることができる。
【００２４】
更にセラミック膜２ｂは金属材料からなる基材１６表面に形成しているため、更に放熱性能が向上し、伝送線路４ｂを更に微細線化して回路基板の小型化を図ることもできる。
本実施例においては、導電性基板の表面に絶縁層を形成しているが、非導電性基板の略全表面に形成されたＧＮＤ層の表面にセラミック膜、樹脂膜を順次形成し絶縁層を構成することもできる。
【００２５】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記の実施例や実施形態になんら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において種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
本実施例においては、マイクロストリップラインを形成した高周波回路基板について説明しているが、非導電性基板としてシート上に形成されたポリイミドフィルムの略全表面に銅薄が貼り付けられたポリイミド基板を使用し、銅箔をエッチングして所定の線幅、線間を有した伝送線路（コプレーナライン）を形成し、その表面にセラミック膜と樹脂膜から構成される絶縁層を配置する、複数の伝送線路を層別に形成しそれを積層するなど様々な形態が考えられる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高周波領域においても伝送特性に優れた小型の高周波用回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例にかかる高周波回路基板を示す、断面図である。
【図２】第２実施例にかかる高周波回路基板を示す、断面図である。
【図３】第２実施例記載のセラミック膜を形成するセラミック膜作製装置を示す、装置図である。
【図４】同、エアロゾル発生器の断面模式図である。
【符号の説明】
１（１ａ、１ｂ）：高周波回路基板、
２（２ａ、２ｂ）：セラミック膜、
３（３ａ、３ｂ）：樹脂膜、
４（４ａ、４ｂ）：  伝送線路、
５：ＧＮＤ層、
６：セラミック基材、
１１：ガスボンベ、
１２：搬送管、
１３：エアロゾル発生器、
１４：容器、
１５：ノズル、
１６：導電性基板、
１７：基板ホルダ、
１８：排気ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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