(57)【要約】【課題】高周波信号の隣接配線間での相互作用・ノイズに起因する遅延や誤作動を防止するため、従来は金属板などを用いた電気的遮蔽構造を用いるなどして高周波信号を扱うようになってきているため、金属板のろう付けや３次元的な基板構造が必要となり、製造が複雑になるばかりか、配線基板自体の小型化ができない。【解決手段】セラミック絶縁基体１に、メタライズ中心線路２ａと、これを取り囲むセラミック線路２ｂと、これを取り囲むメタライズ外周線路２ｃとから成る配線基板である。配線基板の小型化が可能で、かつ、線路導体２は、疑似同軸構造となり高周波信号を低損失で伝送できる。またメタライズ外周線路２ｃを伝送線路とすると高周波の表皮効果により伝送損失を小さくできる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック絶縁基体に、メタライズ中心線路と、該メタライズ中心線路を取り囲むセラミック線路と、該セラミック線路を取り囲むメタライズ外周線路とから成る線路導体が形成されて成ることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記メタライズ中心線路の表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で２μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【請求項３】
前記セラミック線路の比誘電率が４乃至５であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や容量素子・圧電振動子等の電子部品を搭載する電子部品搭載用に好適な配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高周波回路を構成する半導体素子や容量素子・圧電振動子等の電子部品を搭載するための配線基板は、一般に、ガラスセラミックス焼結体や、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料から成るセラミック絶縁基体と、銅・銀・タングステン等の金属材料から成り、セラミック絶縁基体の表面および／または内部に形成されている高周波信号の伝送線路となるメタライズ線路とにより形成されている。
【０００３】
この配線基板の上面や下面に電子部品が搭載され、電子部品の電極が半田やボンディングワイヤ等を介してメタライズ線路の露出表面に接続される。
【０００４】
このような配線基板は、例えばセラミック絶縁基体がガラスセラミックス焼結体から成る場合であれば、ホウ珪酸ガラス等のガラス粉末と酸化アルミニウム等のセラミック粉末とを有機溶剤・バインダとともにシート状に成形して得たグリーンシートの表面に、銅・銀等の金属粉末ペーストをスクリーン印刷法等で印刷塗布し、必要に応じて複数枚積層するとともに約１０００℃で焼成することにより製作される。
【０００５】
近年、通信や情報分野での情報伝達における高速・高密度化が進んでおり、扱う信号の周波数も高くなる一方である。これに応じて、電子部品を搭載する配線基板においても、数ＧＨｚ以上等の高い周波数の信号を扱う必要性が生じており、この高周波信号の隣接配線間での相互作用・ノイズに起因する遅延や誤作動を防止するため、従来は金属板等の電磁遮蔽物を上下左右に隣接する配線層間に介在させた電気的遮蔽構造を用いる等の対策を施して高周波信号を扱うようになってきている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１４２６８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属板等を配線層間に介在させるためには、金属板を絶縁基体にろう付け等の手段で接合したり、上下層間で対応するようにして金属板等を被着させた３次元的な基板構造とする必要が生じたりするので、配線基板の製造工程が複雑・多工程になるばかりか、配線基板自体の小型化が妨げられ、現在の小型化要求に応えることができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑み案出されたものであり、その目的は、配線基板の寸法を大きくさせることなく、高周波信号を高速かつ正確に伝送させることが可能な、小型で高性能な高周波用配線基板を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、セラミック絶縁基体に、メタライズ中心線路と、このメタライズ中心導体を取り囲むセラミック線路と、このセラミック線路を取り囲むメタライズ外周線路とから成る線路導体が形成されて成ることを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明の配線基板は、上記構成において、前記メタライズ中心線路の表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で２μｍ以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
また本発明の配線基板は、上記構成において、前記セラミック線路の比誘電率が４乃至５であることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の配線基板によれば、セラミック絶縁基体と、これに形成されたメタライズ中心線路と、このメタライズ中心導体を取り囲むセラミック線路と、このセラミック線路を取り囲むメタライズ外周線路とから成る線路導体を有し、例えば、メタライズ中心線路を高周波信号の伝送線路とするとともにメタライズ外周線路をグランド線路とすることにより、高周波信号を伝送するメタライズ線路を疑似同軸構造とすることができることから、配線基板の寸法を大きくさせることなく、高周波信号を高速かつ正確に伝送することができ、小型で高性能な高周波用配線基板を提供することができる。
【００１３】
また本発明の配線基板によれば、メタライズ外周線路を高周波信号等の主伝送路とした場合には、メタライズ外周線路の外周表面積が非常に大きいことから、高周波領域での表皮効果により高周波信号の伝送抵抗を非常に小さくすることができる。
【００１４】
さらに、このメタライズ外周線路に伝送させる高周波信号と逆向きに高周波信号をメタライズ中心線路に通すようにすると、誘導起電力を相殺させることができ、高周波信号を非常に低損失で伝送させることができる。
【００１５】
また特に、メタライズ中心線路の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で２μｍ以下とすることで、高周波信号に対する損失を抑えることができ、より一層確実に、高周波信号の伝達損失の低減やインピーダンス整合性の向上に優れた配線基板を提供することができる。
【００１６】
また特に、セラミック線路の比誘電率が４乃至５であるものとすることで、セラミック線路の近傍における寄生容量が増大して伝送ロスの増大が著しくなるようなことがなく、また、セラミック線路について材料組成をセラミック絶縁基体に対して大きく変更する必要がなくなるため、セラミック絶縁基体とセラミック線路との間で焼結時の収縮差等が顕著に現れてデラミネーション等の配線基板を作製する上での問題が生じるのをなくすことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付の図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００１９】
図１において、１はセラミック絶縁基体、２は線路導体である。これらセラミック絶縁基体１および線路導体２により配線基板３が構成される。
【００２０】
セラミック絶縁基体１は、ガラスセラミックス焼結体・酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体等のセラミック材料から成り、例えばガラスセラミックス焼結体から成る場合であれば、ガラス粉末とセラミック粉末とを有機溶剤・バインダとともにシート状に成形して得たグリーンシートを積層し、約１０００〜１８００℃で焼成することにより形成される。
【００２１】
このセラミック絶縁基体１の上面および／または下面に半導体素子や容量素子・圧電振動子等の電子部品が搭載される。
【００２２】
線路導体２は、高周波信号等の信号を伝送する信号線路として機能する。この線路導体２は、例えば絶縁基体１に形成したビア導体４等の貫通導体を介して電子部品と電気的に接続される。
【００２３】
本発明は、この線路導体２を、メタライズ中心線路２ａと、このメタライズ中心線路２ａを取り囲むセラミック線路２ｂと、このセラミック線路２ｂを取り囲むメタライズ外周線路２ｃとから成るものとすることが重要である。
【００２４】
線路導体２をこのような構造とすることにより、線路導体２を疑似同軸線路として利用することができ、特に高周波信号を低損失でかつ正確に伝送させることができるものとなる。
【００２５】
メタライズ中心線路２ａおよびメタライズ外周線路２ｃは、高周波信号を伝送する主導電路等として機能し、銅・銀等の金属材料から成る。例えば銅から成る場合であれば、銅粉末に有機溶剤・バインダ等を添加・混練して得た金属ペーストをセラミック絶縁基体１となるグリーンシートに印刷塗布することにより形成される。
【００２６】
セラミック線路２ｂは、メタライズ中心線路２ａとメタライズ外周線路２ｃとを電気的に絶縁させる絶縁体として機能する。
【００２７】
このようなセラミック線路２ｂは、セラミック絶縁基体１と同様のガラスセラミックス焼結体・酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体等のセラミック材料から成るものとすればよく、通常は、焼成時の収縮を合わせることが容易であり、また製作が容易であること等の理由から、セラミック絶縁基体１と同種の材料により形成すればよい。
【００２８】
セラミック線路２ｂは、例えば、セラミック絶縁基体１と同種のガラス粉末とセラミック粉末とを有機溶剤・バインダとともに混練して得たセラミックペーストを印刷・形成しておくことにより形成される。
【００２９】
ここで、メタライズ中心線路２ａ・セラミック線路２ｂおよびメタライズ外周線路２ｃは、例えば、メタライズ中心線路２ａを高周波信号の伝送線路とするとともにメタライズ外周線路２ｃをグランド線路とし、セラミック線路２ｂを信号線路とグランド線路間の線路状絶縁体とすることにより、線路導体２全体を疑似同軸線路とすることができ、高周波信号を低損失で伝送することができる。
【００３０】
また、メタライズ外周線路２ｃを高周波信号等の主伝送路とした場合は、メタライズ外周線路２ｃの外周表面積が非常に大きいことから、高周波領域での表皮効果により高周波信号の伝送抵抗を非常に小さくすることができる。
【００３１】
さらに、このメタライズ外周線路２ｃを高周波信号の主伝送路とするとともに、この伝送させる高周波信号と逆向きに高周波信号をメタライズ中心線路２ａに通すようにすると、誘導起電力を相殺させることができ、高周波信号を非常に低損失で伝送させることができる。
【００３２】
これらのメタライズ中心線路２ａ・セラミック線路２ｂおよびメタライズ外周線路２ｃは、後述するようにスクリーン印刷法等により任意の厚さで一体的に、またセラミック絶縁基体１との同時焼成等で形成することができるため、配線基板３を小型化することが容易である。
【００３３】
このように金属ペーストとセラミックペーストを用いて線路導体２を形成するには、メタライズ外周線路２ｃの下側となる金属ペースト、セラミック線路２ｂの下半分となるセラミックペースト、メタライズ中心線路２ａとなる金属ペースト・セラミック線路２ｂの上半分となるセラミックペースト・メタライズ外周線路２ｃの上側となる金属ペーストの順に、線路状にグリーンシート上にスクリーン印刷法等で順次印刷塗布していくこと等の方法を用いることができる。
【００３４】
よって、本発明のように、高周波信号を中心部のメタライズ中心線路２ａに印加する際に、絶縁体を隔てて周囲を完全に覆うメタライズ外周線路２ｃを用いることで、配線基板内部に同軸伝送線路を設けることができ、基板の寸法を大きくさせることなく、高周波特性を向上させることができる。
【００３５】
また、メタライズ中心線路２ａの表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で２μｍ以下であることが好ましい。この表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で２μｍを超えると、伝送する高周波信号について、メタライズ中心線路２ａの表面が粗いがゆえに導通抵抗が大きくなり、伝送損失量も増してしまい、伝送特性が劣化する傾向がある。
【００３６】
なお、メタライズ中心線路２ａの表面粗さは、高周波信号の伝送損失を小さくする上では小さければ小さいほど（すなわち表面が滑らかであればあるほど）好ましいものとなるが、その一方でセラミック線路２ｂに対する被着強度が低下することとなるため、周囲のセラミック線路２ｂ等に対するメタライズ中心線路２ａの被着強度を確保することを考慮すると、少なくとも算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以上あることが好ましい。
【００３７】
したがって、メタライズ中心線路２ａの表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２乃至２μｍの範囲とすることがより一層好ましい。
【００３８】
なお、セラミック絶縁層２ｂやメタライズ外周線路２ｃは、加工上のバラツキ等によりメタライズ中心線路２ａの中心より若干ずれても、また断面形状が相似形等の同様の形状でなくとも、セラミック絶縁基体１とセラミック線路２ｂとが、およびメタライズ中心線路２ａとメタライズ外周線路２ｃとがともに接触せず、線路導体２が断面形状においてほぼ環状の形状を有していれば特に問題はない。
【００３９】
なお、セラミック線路２ｂは、線路導体２におけるインピーダンス整合や静電容量調整等の目的に応じて、セラミック絶縁基体１と異なる比誘電率を有する材料を用いることも可能である。
【００４０】
すなわち、セラミック線路２ｂの比誘電率を制御することで、線路（メタライズ中心線路２ａとメタライズ外周線路２ｃ）のインピーダンス整合もとることができると同時に、このセラミック線路２ｂの比誘電率を調整することで、使用目的に応じたインピーダンス容易に得ることが可能となる。さらに、線路の伝送ロスを低減するためには、このセラミック線路２ｂの比誘電率を低くすることが効果的である。
【００４１】
よって、セラミック線路２ｂの比誘電率は低い方が伝送ロス低減の面からは好ましいが、インピーダンスの整合を取るためには、その使用周波数帯域に合わせたインピーダンス特性を得ることができるようにセラミック線路２ｂの比誘電率を設定することが好ましい。
【００４２】
以上の点から、セラミック絶縁基体１の比誘電率が５の場合には、セラミック線路２ｂは、比誘電率が４乃至５であることが好ましい。これは、セラミック線路２ｂの比誘電率が５を超えると、線路とその近傍における寄生容量が増大して伝送ロスの増大が著しくなり、また、比誘電率が４未満の低い比誘電率を得るためには、セラミック線路２ｂの材料組成をセラミック絶縁基体１に対して大きく変更する必要があり、セラミック絶縁基体１とセラミック線路２ｂとの間で焼結時の収縮差等が顕著に現れてデラミネーション等の製法上の問題が生じるようになるためである。
【００４３】
メタライズ中心線路２ａおよびメタライズ外周線路２ｃは、その縦断面の形状の外周において、コーナー部に５μｍ程度の曲率半径を有する丸みを持たせることが好ましい。これは、メタライズ中心線路２ａにより高周波信号を伝送する際に、メタライズ中心線路２ａからセラミック線路２ｂに生じる電界の密度変化について位置による粗密差を減少させることができるためである。
【００４４】
以下、上述の好適な各条件について、具体例を挙げて説明する。
【００４５】
表１は、メタライズ中心線路２ａの各水準の表面粗さ（算術平均粗さ（Ｒａ）、単位：μｍ）における高周波損失の増減率を測定した結果を示すものである。なお、測定した高周波損失の増減率（比率）は、メタライズ中心線路２ａの表面粗さが１μｍのときを１とした場合の数値で示している。なお、ここで使用した高周波信号の周波数は１ＧＨｚである。
【００４６】
【表１】
2004096056.tif 000003
【００４７】
表１に示す結果より分かるように、メタライズ中心線路２ａの表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で２μｍを超えると、伝送する高周波信号について、メタライズ中心線路２ａの表面が粗いがゆえに導通抵抗が大きくなり、高周波損失の比率がメタライズ中心線路２ａの表面粗さが１μｍのときを１とした場合の１．０５を超えるものとなるため、高周波領域での損失量としては大きなものとなり、高周波信号を安定して伝送することが難しくなる場合がある。
【００４８】
これに対し、本発明の配線基板３の中でも表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で２μｍ以下のものでは、高周波損失の比率が１．０５以下と小さく抑えられており、高周波信号に対する電気的特性が極めて良好なものであった。
【００４９】
また表２は、セラミック絶縁基体１の比誘電率が５の場合に、セラミック線路２ｂの比誘電率による電気特性（挿入損失および反射損失）の増減率（比率）を評価した結果を示すものである。なお、挿入損失および反射損失の増減率（比率）については、セラミック線路２ｂの比誘電率がセラミック絶縁基体１の比誘電率と同じ５のときの挿入損失および反射損失を１とした場合の数値で示している。
【００５０】
【表２】
2004096056.tif 000004
【００５１】
表２に示す結果より分かるように、セラミック線路２ｂの比誘電率が５を超えると、線路とその近傍における寄生容量が増大するため、挿入損失および反射損失が増大してしまい、高周波信号の伝送特性を効果的に向上させることが困難となっている。また、比誘電率が４未満の低い比誘電率を得るためには、セラミック線路２ｂの材料組成をセラミック絶縁基体１に対して大きく変更する必要があり、焼結時の収縮差等が顕著に現れて、作製上の問題が生じるようになる。
【００５２】
したがって、本発明の配線基板３のセラミック線路２ｂの比誘電率は、４乃至５であることが好ましい。
【００５３】
なお、本発明は上述の実施の形態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あれば種々の変更は可能である。
【００５４】
例えば、上述の実施の形態の例では、線路導体２をセラミック絶縁基体１の内部に形成した例について説明したが、これをセラミック絶縁基体１の表面に形成してもよい。
【００５５】
また、メタライズ中心線路２ａとメタライズ外周線路２ｃとを異なる金属組成物から成るメタライズ層で形成するようにしてもよい。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、セラミック絶縁基体に形成されたメタライズ中心線路と、このメタライズ中心線路を取り囲むセラミック線路と、このセラミック線路を取り囲むメタライズ外周線路とを有し、例えば、メタライズ中心線路を高周波信号の伝送線路とするとともにメタライズ外周線路をグランド線路とすることにより、高周波信号を伝送する線路導体を疑似同軸構造とすることができることから、配線基板の寸法を大きくさせることなく、高周波信号を高速かつ正確に伝送することができ、小型で高性能な高周波用配線基板を提供することができる。
【００５７】
また本発明の配線基板によれば、メタライズ外周線路を高周波信号等の主伝送路とした場合には、メタライズ外周線路の外周表面積が非常に大きいことから、高周波領域での表皮効果により高周波信号の伝送抵抗を非常に小さくすることができる。
【００５８】
さらに、このメタライズ外周線路に伝送させる高周波信号と逆向きに高周波信号をメタライズ中心線路に通すようにすると、誘導起電力を相殺させることができ、高周波信号を非常に低損失で伝送させることができる。
【００５９】
また特に、メタライズ中心線路の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で２μｍ以下とすることで、高周波信号に対する損失を抑えることができ、より一層確実に、高周波信号の伝達損失の低減やインピーダンス整合性の向上に優れた配線基板を提供することができる。
【００６０】
また特に、セラミック線路の比誘電率が４乃至５であるものとすることで、セラミック線路の近傍における寄生容量が増大して伝送ロスの増大が著しくなるようなことがなく、また、セラミック線路について材料組成をセラミック絶縁基体に対して大きく変更する必要がなくなるため、セラミック絶縁基体とセラミック線路との間で焼結時の収縮差等が顕著に現れてデラミネーション等の配線基板を作製する上での問題が生じるのをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・セラミック絶縁基体
２・・・線路導体
２ａ・メタライズ中心線路
２ｂ・セラミック線路
２ｃ・メタライズ外周線路
３・・・配線基板
４・・・ビア導体
【図１】
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