(57)【要約】本発明は、誘電体基板上に高周波機能素子が実装された高周波回路であって、高周波機能素子内に形成された第一の伝送線路と、特性インピーダンスが５０Ω以下であって、誘電体基板上に形成された第二の伝送線路と、第一の伝送線路と前記第二の伝送線路とを接続するワイヤと、特性インピーダンスが５０Ωより大きく、第二の伝送線路と接続された第三の伝送線路と、誘電体基板を貫通するように形成されており、上側導体ランドが第三の伝送線路と接続されたビアホール部と、ビアホール部の下側導体ランドと接続された第四の伝送線路とを備える。
2004075336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板上に高周波機能素子が実装された高周波回路であって、
前記高周波機能素子内に形成された第一の伝送線路と、
特性インピーダンスが５０Ω以下であって、前記誘電体基板上に形成された第二の伝送線路と、
前記第一の伝送線路と前記第二の伝送線路とを接続するワイヤと、
特性インピーダンスが５０Ωより大きく、前記第二の伝送線路と接続された第三の伝送線路と、
前記誘電体基板を貫通するように形成されており、上側導体ランドが前記第三の伝送線路と接続されたビアホール部と、
前記ビアホール部の下側導体ランドと接続された第四の伝送線路とを備える、高周波回路。
【請求項２】
前記第四の伝送線路は、少なくとも一部の領域の特性インピーダンスが５０Ω以上であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項３】
前記第一の伝送線路は、前記ワイヤとの接続箇所の特性インピーダンスが５０Ω以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項４】
前記第一の伝送線路において、前記ワイヤとの接続箇所は、コプレーナ型のＧＳＧパッドとなっていることを特徴とする、請求項３に記載の高周波回路。
【請求項５】
前記パッドに含まれる接地導体パッドは、前記第一の伝送線路における信号導体配線に近接していることを特徴とする、請求項４に記載の高周波回路。
【請求項６】
前記第一の伝送線路における信号導体配線の終端部分に向かうにつれて、前記信号導体配線と前記接地導体パッドとの間隔が狭くなっていることを特徴とする、請求項４に記載の高周波回路。
【請求項７】
前記第二の伝送線路は、グランド付コプレーナ線路であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項８】
前記第三の伝送線路は、
前記上側導体ランドと接続された信号導体配線と、
前記誘電体基板の下面において、前記信号導体配線と対向する領域以外に形成された接地導体領域とからなることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項９】
前記誘電体基板を構成する誘電体の誘電率は、５以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項１０】
前記第三の伝送線路における信号導体配線の線幅は、前記第二の伝送線路における信号導体配線の線幅よりも細いことを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項１１】
前記第二の伝送線路の特性インピーダンスは、４５Ω以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項１２】
前記第三の伝送線路の特性インピーダンスは、１１０Ω以上であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ミリ波帯において使用される高周波回路に関し、より特定的には、高周波機能素子がワイヤボンディングされる周辺の高周波回路に関する。
【背景技術】  近年、通信速度の更なる向上によって、無線通信に用いられる搬送周波数はマイクロ波領域からミリ波領域の周波数帯にまで達しつつある。高周波化に伴って、ワイヤ接続部のインダクタンスが無視できなくなる。そのため、システム内においてワイヤによって接続されている高周波用半導体素子の入出力部分では、反射が増大することとなる。これによって、高周波用半導体素子本来の特性を十分に引出すことができなくなるという問題が生じる。
“マイクロ波・ミリ波のパッケージング技術”（電子情報通信学会総合大会、ＴＣ−１−１、１９９９）（以下、文献１という）には、ワイヤ接続部のインダクタンスを低減する方法が提案されている。文献１には、ワイヤの長さの短縮化や、ワイヤのリボン化、スルーホール等によるフリップチップボンディングなどによって、ワイヤ接続部のインダクタンスを低減する方法が開示されている。
ミリ波帯においても、従来の低周波の周波数帯域において行われてきたように、表面実装によって高周波機能素子を実装可能とするための表面実装パッケージ（以下、高周波パッケージという）が開発されている。高周波パッケージ内部では、高周波機能素子と誘電体基板上の信号導体配線とを接続するために、ワイヤが用いられる。
図１６Ａは、従来の高周波パッケージが外部回路基板に表面実装された場合の構成概略を示す断面図である。図１６Ａに示すように、高周波機能素子２は、誘電体基板１と蓋３３とからなるキャビティ内に収納されている。図１６Ｂは、誘電体基板１の上面の配線パターンを示す図である。図１６Ｃは、誘電体基板１の下面の配線パターンを示す図である。
図１６Ｂに示すように、誘電体基板１の上面には、接地導体領域１２と、信号導体配線（ｓｉｇｎａｌ  ｓｔｒｉｐ）３４と、接地導体層３５とが形成されている。図１６Ｃに示すように、誘電体基板１の下面には、接地導体領域１３と、接地導体配線（ｇｒｏｕｎｄ  ｓｔｒｉｐ）３７と、信号導体配線３６とが形成されている。誘電体基板１では、信号導体配線３６、接地導体層３５および接地導体配線３７によってグラウンド付コプレーナ線路構造が構成される。高周波パッケージを表面実装する外部回路基板３８には、上面に形成された信号導体配線３９と、内部または下面の少なくともいずれかに形成された接地導体配線４０とが形成されている。外部回路基板では、信号導体配線３９および接地導体配線４０によって、マイクロストリップ線路またはグラウンド付コプレーナ線路等の高周波伝送線路構造が構成される。
信号導体配線３４の一端と高周波機能素子２とは、ワイヤ５によって接続される。信号導体配線３４の他端は、誘電体基板１を貫通して形成された接続用貫通導体（ｖｉａ）７の一端に接続される。信号導体配線３６の一端は、接続用貫通導体７の他端に接続される。信号導体配線３６の他端は、半田３６を介して、外部回路基板３８上の信号導体配線３９と接続される。高周波信号は、ワイヤ５，信号導体配線３４，接続用貫通導体７、信号導体配線３６、半田４１および信号導体配線３９を介して、高周波機能素子２に入出力される。
上述のように、従来の高周波パッケージでは、ワイヤを介して高周波信号が伝送される。そのため、ワイヤを介した接続部分での反射を低減する必要がある。
文献１に記載されているように、ワイヤの長さを短縮することによって、ワイヤによる接続部分のインダクタンスを低減して、反射を低減することもできるが、ボンディング装置の精度という点で、ワイヤの長さを短縮するには限度がある。
また、搭載する高周波機能素子の表面と一次実装基板である誘電体基板の表面との高さを合わせることによってワイヤの長さを短くすることもできるが、一次実装基板のチップ実装領域に掘り込みが必要となるため工程コストの増大を招くこととなる。
また、ワイヤをリボン化することによって、接続部分のインダクタンスを低減して、反射を防止することもできるが、温度変化に対する信頼性という面で、実用上好ましくない。
また、スルーホール等によるフリップチップボンディングを用いることによって、接続部分のインダクタンスを低減して、反射を防止することもできるが、温度変化に対する信頼性という面で、実用上好ましくない。
【発明の開示】
それゆえ、本発明の第１の目的は、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる高周波回路を提供することである。さらに、本発明の第２の目的は、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる高周波回路を精度よく、かつ低コストで、信頼性高く提供することである。
上記課題を解決するために、本発明は、以下のような特徴を有する。本発明は、誘電体基板上に高周波機能素子が実装された高周波回路であって、高周波機能素子内に形成された第一の伝送線路と、特性インピーダンスが５０Ω以下であって、誘電体基板上に形成された第二の伝送線路と、第一の伝送線路と第二の伝送線路とを接続するワイヤと、特性インピーダンスが５０Ωより大きく、第二の伝送線路と接続された第三の伝送線路と、誘電体基板を貫通するように形成されており、上側導体ランドが第三の伝送線路と接続されたビアホール部と、ビアホール部の下側導体ランドと接続された第四の伝送線路とを備える。
上記発明に拠れば、回路全体の等価回路は、ワイヤの寄生インダクタンスから生じる第一の直列のインダクタンスと、第二の伝送線路箇所で生じる接地容量から生じる第一のシャントのキャパシタンスと、第三の伝送線路の高インピーダンス特性から生じる第二の直列のインダクタンスと、ビアホール部と周辺の接地導体領域との間に生じる接地容量からなる第二のシャントのキャパシタンスを接続してなるＬＣＬＣ構成の典型的な低域通過フィルタとなる。従来とは異なり、回路全体をフィルタ回路として構成する本発明の高周波回路構成によって、低反射な高周波特性が広帯域な周波数範囲で実現されることとなる。
また、ワイヤ、第二の伝送線路、第三の伝送線路、ビアホール部、および第四の伝送線路は、特殊な配線プロセスを用いなくても、形成することができるので、広帯域で低反射な高周波回路を精度よく、かつ低コストで、信頼性高く提供することができる。
また、ビアホール部の周辺では、ビアホール部が接地されないように、接地導体領域の配置が制限されている。したがって、誘電体基板の下面においては、第三の伝送線路において信号導体配線が対向する領域には接地導体領域が設定されず、第三の伝送線路の特性インピーダンスを高く設定することが出来る。それゆえ、第一の直列のインダクタンスが大きい場合に第二の直列のインダクタンスを大きく設定する必要がある、ＬＣＬＣ構成の典型的な低域通過フィルタにおいて必要不可欠な条件が容易に実現されることとなる。
さらに、ビアホール部における接続用貫通導体が有するインダクタンスが、第三の伝送線路のインダクタンスに加わることとなるので、第三の伝送線路の物理的な線路長を短縮することができる。したがって、回路面積の小型化という有利な効果も得ることができる。
従来の高周波回路では、ワイヤの寄生インダクタンスを５０Ωに整合するための整合回路が、ビアホール部にさらに接続される構成となっていた。したがって、整合回路から生じる信号の反射とビアホール部から生じる信号の反射とを広帯域に渡って低い強度にすることが困難なミリ波帯では、設計周波数の一部の帯域で反射が生じる可能性が高かった。しかし、本発明の高周波回路では、ビアホール部を含めた回路全体で、ワイヤの寄生インダクタンスを補償する整合回路を形成することとなる。したがって、信号が、広帯域に渡って、低反射で伝送されることとなる。
好ましくは、第四の伝送線路は、少なくとも一部の領域の特性インピーダンスが５０Ω以上であるとよい。
この構成に拠れば、回路全体の等価回路は、ワイヤの寄生インダクタンスから生じる第一の直列のインダクタンスと、第二の伝送線路箇所で生じる接地容量から生じる第一のシャントのキャパシタンスと、第三の伝送線路の高インピーダンス特性から生じる第二の直列のインダクタンスと、ビアホール部と周辺の接地導体領域との間に生じる接地容量から生じる第二のシャントのキャパシタンスと、第四の伝送線路の高インピーダンス特性から生じる第三の直列のインダクタンスを接続してなるＬＣＬＣＬ構成の典型的な低域通過フィルタとなる。従来とは異なり、回路全体をフィルタ回路として構成する本発明の高周波回路構成によって、低反射な高周波特性が広帯域な周波数範囲で実現されることとなる。
また、ビアホール部の周辺では、ビアホール部が接地されないように、接地導体領域の配置が制限されている。したがって、誘電体基板の上面において、第四の伝送線路において信号導体配線が対向する領域には接地導体領域が設定されず、第四の伝送線路の特性インピーダンスを容易に高く設定することが出来る。それゆえ、第一の直列のインダクタンスが大きい場合に第三の直列のインダクタンスを大きく設定する必要がある、ＬＣＬＣＬ構成の典型的な低域通過フィルタにおいて必要不可欠な条件が容易に実現されることとなる。
好ましくは、第一の伝送線路は、ワイヤとの接続箇所の特性インピーダンスが５０Ω以下であるとよい。
この構成に拠れば、回路全体の等価回路は、第一の伝送線路とワイヤとの接続部分における接地容量から生じる第一のシャントのキャパシタンスと、ワイヤの寄生インダクタンスから生じる第一の直列のインダクタンスと、第二の伝送線路箇所で生じる接地容量から生じる第二のシャントのキャパシタンスと、第三の伝送線路の高インピーダンス特性から生じる第二の直列のインダクタンスと、ビアホール部と周辺の接地導体領域との間に生じる接地容量から生じる第三のシャントのキャパシタンスを接続してなるＣＬＣＬＣ構成の典型的な低域通過フィルタとなる。従来とは異なり、回路全体をフィルタ回路として構成する本発明の高周波回路構成によって、低反射な高周波特性が広帯域な周波数範囲で実現されることとなる。
好ましくは、第一の伝送線路において、ワイヤとの接続箇所は、コプレーナ型のＧＳＧパッドとなっているとよい。
これによって、エアコプレーナ形状の高周波プローブを用いて、ウェハー状態での高周波特性の検査を可能とすることが出来る。
好ましくは、当該パッドに含まれる接地導体パッドは、第一の伝送線路における信号導体配線に近接しているとよい。
これによって、ワイヤ接続部における第一の伝送線路の特性インピーダンスを低下させることができるので、省面積で効果的に接地容量を生じさせることができる。
好ましくは、第一の伝送線路における信号導体配線の終端部分に向かうにつれて、信号導体配線と接地導体パッドとの間隔が狭くなっているとよい。
この構成によって、ワイヤ接続部に近い領域で第一の伝送線路に要求される接地容量値を生じさせるだけでなく、第一の伝送線路が接続される高周波機能素子内の伝送線路とのインピーダンス差を低減することが可能になるため、不要な信号反射を抑制することができて、回路全体としてもより低反射な高周波特性が得られることとなる。
好ましくは、第二の伝送線路は、グランド付コプレーナ線路であるとよい。
この構成によって、第二の伝送線路をマイクロストリップ線路で構成した場合よりも、プロセスばらつきによって生じてしまう高周波回路特性のばらつきを抑制することが可能となる。詳述すると、高周波回路特性が安定に発揮されるためには、高周波機能素子の裏面に形成されている接地導体領域の高周波接地が強化されている必要があるが、第二の伝送線路をマイクロストリップ線路で構成した場合には、誘電体基板を貫通して形成される接地用貫通導体の形成位置ばらつきによって、上記高周波接地が不安定になり好ましくない。一方、本発明の好ましい構成においては、上記高周波接地を安定して維持することが可能である。
好ましくは、第三の伝送線路は、上側導体ランドと接続された信号導体配線と、誘電体基板の下面において、信号導体配線と対向する領域以外に形成された接地導体領域とからなるとよい。
本構成の意図するところは、ビアホール部を接地することが出来ないという条件を逆手にとり、第三の伝送線路の特性インピーダンスを通常の回路では得られないほどの高い値に設定し、フィルタ回路構成において大きなインダクタンスを提供することである。本構成により、ＬＣＬＣＬ構成の典型的な低域通過フィルタにおいて、第一の直列のインダクタンスが大きい場合に第三の直列のインダクタンスを大きく設定する必要がある場合に必要不可欠な条件が、容易に実現されることとなる。これは、回路特性としては、更なる広帯域化、および低反射化が可能になるということと同義である。
また、上記構成は、ビアホール部の近傍からの接地導体領域を排除することにもなるので、上側導体ランドと接地導体領域との間に生じる接地容量の低減を図ることができる。第三の伝送線路と接続用貫通導体とによって生じるインダクタンスの間に挿入される接地容量は、見かけ上、第三の伝送線路の特性インピーダンスを低下させることにつながる。しかし、上記構成のように、上側導体ランドと接地導体領域との間に生じる接地容量を低減することによって、第三の伝送線路の特性インピーダンスを高く保つことができるので、結果、広帯域かつ低反射な特性を更に向上させることにつながる。
好ましくは、誘電体基板を構成する誘電体の誘電率は、５以下であるとよい。
これによって、仮に、信号導体配線の配線幅を通常のセラミック基板や樹脂基板の配線ルールで採用される下限である１００ミクロン程度に設定したとしても、第三の伝送線路の特性インピーダンスを例えば１１５Ω以上に設定することが可能となる。
また、ビアホール部においても、誘電体基板の誘電率を５以下に設定することによって、ビアホール部近傍に存在する接地導体領域と上側導体ランドとの間に生じる接地容量を減少させることができる。したがって、見かけ上、第三の伝送線路の特性インピーダンスが増加することとなるので、広帯域かつ低反射な特性を実現することができる。
また、基板の誘電率が低くなると、単位長さあたりの伝送によって生じる通過信号の位相量の増大が緩和されるため、配線精度が低く誤差が大きい安価なプロセスを用いた場合でも、良好な歩留まりで本発明の高周波回路を製造することが出来る。
さらには、ワイヤ接続部の反射特性はワイヤ形状のみならず、ワイヤが接続される誘電体基板の誘電率に大きく依存する。これは、ワイヤが接続された箇所において、誘電体基板の裏面との間に接地容量が生じているからである。ワイヤが接続される箇所の第二の伝送線路の信号導体配線の線路幅の制御により、低域通過フィルタ回路において最適な接地容量値を得ることができ、広帯域かつ低反射な特性を実現することが出来る。ただし、誘電率が高い基板を用いてしまうと、ワイヤが接続する箇所において生じる接地容量値だけで、最適接地容量値よりも大きな値が生じてしまって、最適な低域通過フィルタ特性は得られない。一方、誘電率が低い基板を用いた場合には、線路長を増大させれば最適な容量値が大きな値であっても対応可能であるし、最適な容量値が小さな値であっても同様に対応可能である。よって、基板の誘電率は低く設定されることが好ましい。
好ましくは、第三の伝送線路における信号導体配線の線幅は、第二の伝送線路における信号導体配線の線幅よりも細いとよい。
これによって、第三の伝送線路の特性インピーダンスを高くすることができる。
好ましくは、第二の伝送線路の特性インピーダンスは、４５Ω以下であるとよい。
好ましくは、第三の伝送線路の特性インピーダンスは、１１０Ω以上であるとよい。
本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】  図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路の一例を示す断面概略図である。
図１Ｂは、図１Ａに示す誘電体基板１の上面の配線パターンを示す図である。
図１Ｃは、図１Ａに示す誘電体基板１の下面の配線パターンを示す図である。
図１Ｄは、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路を構成するコンポーネントのブロック図である。
図２は、比較シミュレーションに用いたグランド付コプレーナ線路の解析モデルを示す図である。
図３Ａは、信号導体配線１６の線幅を１０００ミクロンとしたマイクロストリップ線路について、ワイヤ接続部における３ＧＨｚから７５ＧＨｚまでの反射インピーダンス（Ｓ１１）を示したスミス図表である。
図３Ｂは、信号導体配線１６の線幅を６００ミクロンとしたグランド付コプレーナ線路について、ワイヤ接続部における３ＧＨｚから７５ＧＨｚまでの反射インピーダンス（Ｓ１１）を示したスミス図表である。
図４は、本発明の高周波回路において用いる、ワイヤ箇所において寄生インダクタンスが生じた場合の補償回路の構成原理を説明するための図である。
図５Ａは、第三の伝送線路６の他の構成例を示す上面図である。
図５Ｂは、第三の伝送線路６の他の構成例を示す断面図である。
図６Ａは、図５Ａおよび図５Ｂに示すような伝送線路構造を有する第三の伝送線路６およびマイクロストリップ線路の特性インピーダンスを、信号導体配線の線幅を変化させてプロットしたときのグラフである。
図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに示すような伝送線路構造を有する第三の伝送線路６の特性インピーダンスを、誘電体基板の誘電率を変化させてプロットしたときのグラフである。
図７Ａは、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの電磁界解析結果を基にして分析したワイヤ接続部の等価回路を示す図である。
図７Ｂは、図７Ａに示した等価回路を簡略化した等価回路を示す図である。
図７Ｃは、ワイヤ接続部の実構造の第二の伝送線路４側の端子から見た反射インピーダンス（Ｓ１１）の電磁界解析結果、および簡略化された等価回路の反射インピーダンス（Ｓ１１）を示す図である。
図７Ｄは、ワイヤ５と信号導体配線３ａとの接続部分を示す図である。
図７Ｅは、ワイヤ５と信号導体配線１６１６との接続部分を示す図である。
図８Ａは、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの電磁界解析結果を基にして分析した、第三の伝送線路６、ビアホール部１０、および第四の伝送線路１１からなる回路ブロックの等価回路を示す図である。
図８Ｂは、図８Ａに示した等価回路を簡略化した等価回路を示す図である。
図８Ｃは、ビアホール部１０の実構造のＴＲＬ３側の端子から見た反射インピーダンス（Ｓ２２）の電磁界解析結果、および簡略化された等価回路の反射インピーダンス（Ｓ２２）を示す図である。
図９Ａは、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路の全体構造の等価回路を示す図である。
図９Ｂは、形成されるＣＬＣＬ構造の低域通過フィルタを示す図である。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る高周波回路の等価回路を示す図である。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る高周波回路の等価回路を示す図である。
図１２Ａは、高周波特性検査用のＧＳＧパッドの構成を示す図である。
図１２Ｂは、信号導体配線２４の終端部分に向かうにつれて、信号導体配線２４と接地導体領域２５ａとの間隔が狭くなっていくようにＧＳＧパッドを構成したときの図である。
図１３は、実施例の測定に用いた評価用高周波回路の構成概略図である。
図１４は、比較例における反射特性と本発明の実施例１における反射特性とを比較する図である。
図１５は、比較例における反射特性と本発明の実施例３における反射特性とを比較する図である。
図１６Ａは、従来の高周波パッケージが外部回路基板に表面実装された場合の構成概略を示す断面図である。
図１６Ｂは、図１６Ａに示す誘電体基板１の上面の配線パターンを示す図である。
図１６Ｃは、図１６Ａに示す誘電体基板１の下面の配線パターンを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路の一例を示す断面概略図である。図１Ｂは、図１Ａに示す誘電体基板１の上面の配線パターンを示す図である。図１Ｃは、図１Ａに示す誘電体基板１の下面の配線パターンを示す図である。図１Ｄは、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路を構成するコンポーネントのブロック図である。なお、図１Ａは、図１Ｂ，ＣにおけるＡＢ線に添う断面図でもある。
図１Ａ〜Ｃにおいて、第１の実施形態に係る高周波回路は、誘電体基板１と、高周波機能素子２とを備える。誘電体基板１の上面には、接地導体領域１２，１７，２２と、信号導体配線１６，１９と、上側導体ランド８とが形成されている。誘電体基板１の下面には、接地導体領域１３，１５，２０，２３と、信号導体配線２１と、下側導体ランド９とが形成されている。誘電体基板１の上面から下面へは、接続用貫通導体７と、複数の接続用貫通導体１４とが形成されている。複数の接続用貫通導体１４は、接地導体領域１３と接地導体領域１２とを接続する。接地導体領域１２の上には、高周波機能素子２が実装される。高周波機能素子２内（典型的には上面）には、信号導体配線３ａが形成されている。接続用貫通導体７の下端は、下側導体ランド９を介して信号導体配線２１と接続される。接続用貫通導体７の上端は、上側導体ランド８を介して信号導体配線１９の一端と接続される。信号導体配線１９の他端は、信号導体配線１６の一端と接続される。信号導体配線１６の他端は、ワイヤ５を介して信号導体配線３ａと接続される。
誘電体基板１は、高周波帯において低損失である通常の誘電体基板材料からなる。誘電体基板１には、たとえば、高温焼結によって生成されるアルミナや窒化アルミナなどのセラミック材、低温焼結によって生成されるガラスセラミック材、テフロン（Ｒ）、液晶ポリマー等の低誘電率な樹脂基板材が使用可能である。
高周波機能素子２は、たとえば、シリコンやガリウム砒素などを基板とするＭＭＩＣ（モノリシック集積マイクロ波回路）や、フィルタ回路等の受動回路等である。
第一の伝送線路３は、高周波機能素子２内に形成されている伝送線路である。第一の伝送線路３は、コプレーナ線路、グランド付コプレーナ線路、またはマイクロストリップ線路である。図１Ａ〜Ｃでは、第一の伝送線路３は、グランド付コプレーナ線路またはマイクロストリップ線路であるとしている。すなわち、信号導体配線３ａと接地導体領域１２とによって、グランド付コプレーナ線路またはマイクロストリップ線路が形成されている。接地導体領域１２は接続用貫通導体１４を介して接地導体領域１３に接続されているので、高周波接地の強化が図られている。
第二の伝送線路４は、ワイヤ５を介して第一の伝送線路３と接続される伝送線路である。第二の伝送線路４は、コプレーナ線路、グランド付コプレーナ線路、またはマイクロストリップ線路である。ただし、コプレーナ線路において形成される伝送線路の特性インピーダンスを低くするには、信号導体配線とその両側に形成される接地導体領域との間の間隙を狭くする必要がある。しかし、セラミックや樹脂基板などにおける通常の配線ルールに従えば、この間隙を狭くするには限界がある。したがって、コプレーナ線路において形成される伝送線路の特性インピーダンスを低くするには限界がある。そのため、より好ましくは、第二の伝送線路４は、グランド付コプレーナ線路またはマイクロストリップ線路であるとよい。
第二の伝送線路４の特性インピーダンスＺ２は、５０Ω以下である。第二の伝送線路４の特性インピーダンスＺ２を５０Ω以下とした場合、第二の伝送線路４は、回路上では、接地容量として機能する。したがって、第二の伝送線路４は、ワイヤ５によって生じる寄生インダクタンスを補償（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｏｕｔ）することができ、特に、４５ＧＨｚ帯よりも低い周波数帯における反射特性を改善することができる。
第二の伝送線路４は、マイクロストリップ線路よりもグランド付コプレーナ線路である方が好ましい。第二の伝送線路４をマイクロストリップ線路によって形成した場合、高周波機能素子２の直下に形成された接地導体領域１２の高周波接地は、その直下に形成された接地導体領域１３のみから供給されることとなる。したがって、接地導体領域１２と接地導体領域１３とを接続する複数の接続用貫通導体１４の形成ばらつきによって、ワイヤ接続部の反射インピーダンス特性にばらつきが生じることとなる。しかし、第二の伝送線路４をグランド付コプレーナ線路とした場合、信号導体配線１６の両側に形成された接地導体領域１７を介して接地導体領域１２の高周波接地が強化されるので、反射インピーダンス特性にばらつきが低減できる。したがって、第二の伝送線路４は、グランド付コプレーナ線路であることが最も好ましい。図１Ａ〜Ｃでは、第二の伝送線路４は、信号導体配線１６と、接地導体領域１７，１５とから形成されるグランド付コプレーナ線路であるとしている。
本発明者は、第二の伝送線路４が、マイクロストリップ線路である場合の反射インピーダンス（Ｓ１１）と、グランド付コプレーナ線路である場合の反射インピーダンス（Ｓ１１）とを比較する電磁界シミュレーションを行った。図２は、当該比較シミュレーションに用いたグランド付コプレーナ線路の解析モデルを示す図である。なお、マイクロストリップ線路の解析モデルは、図２に図示されている接地導体領域１７が設けられていないものであるので図示を省略する。本発明者は、厚さ１２５ミクロン、誘電率３の液晶ポリマー材によって構成された誘電体基板１（一次実装基板）上のグランド付コプレーナ線路における信号導体配線１６をポート１とした。また、厚さ１００ミクロンのガリウム砒素基板上に形成された特性インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップ線路をポート２とした。さらに、ポート１とポート２とを、径が２５ミクロンであるワイヤ５によって接続した。
図３Ａは、上記設定条件に基づいて、信号導体配線１６の線幅を１０００ミクロンとしたマイクロストリップ線路について、ワイヤ接続部における３ＧＨｚから７５ＧＨｚまでの反射インピーダンス（Ｓ１１）を示したスミス図表である。図３Ｂは、上記設定条件に基づいて、信号導体配線１６の線幅を６００ミクロンとしたグランド付コプレーナ線路について、ワイヤ接続部における３ＧＨｚから７５ＧＨｚまでの反射インピーダンス（Ｓ１１）を示したスミス図表である。
図３Ａおよび図３Ｂには、それぞれ、三通りのデータが示されている。三通りのデータの内、真ん中の中太実線で示したデータは、高周波機能素子２の直下に形成された周期４００ミクロンで配置された直径２８０ミクロンの複数の接続用貫通導体１４の中でも最もワイヤ接続部に近い接続用貫通導体１４が、高周波機能素子２の端部１８より距離３００ミクロン隔てて配置されている場合のデータである。紙面左側の点線で示したデータは、当該接続用貫通導体１４が高周波機能素子２の端部１８より距離３５０ミクロン隔てて配置されている場合のデータである。紙面右側の細線実線で示したデータは、当該接続用貫通導体１４が高周波機能素子２の端部１８より距離２５０ミクロン隔てて配置されている場合のデータである。すなわち、図３Ａおよび図３Ｂでは、接続用貫通導体７や接続用貫通導体１４の形成ばらつきによって生じるワイヤ接続部の反射インピーダンス特性のばらつきが示されていることとなる。図３Ａと図３Ｂとを比較すると分かるように、第二の伝送線路４をグランド付コプレーナ線路とした方が、第二の伝送線路４をマイクロストリップ線路した場合よりも、反射位相特性ばらつきの抑制という点で有利であることが分かる。
本発明の高周波回路において用いる、ワイヤ箇所において寄生インダクタンスが生じた場合の補償回路の構成原理についてスミス図表と呼ばれる図面を用いて説明する。スミス図表において、中心は５０Ωのインピーダンスを示しており、最も反射が少ない状態である。図の中心からの距離が大きいほど反射強度が強いことを示しており、反射がある回路に整合回路を設計して、図面中央へ反射インピーダンス特性を移動させなければならない。ここで、典型的なワイヤ箇所の反射インピーダンス特性が所定の周波数において図４において、点Ａに位置するものとする。ここで、ワイヤ部に５０Ωより低い特性インピーダンスの伝送線路を接続すると、点Ａは点Ｂ１へと移動する。また、ワイヤ部に５０Ωより高い特性インピーダンスの伝送線路を接続すると、点Ａは点Ｂ２へと移動する。この例から分かるように、伝送線路の特性インピーダンスは、反射インピーダンスをスミス図表で回転する際の回転中心の位置を制御する。５０Ωよりも低いインピーダンスの伝送線路が接続されたならば回転中心の位置は図表中央より左側であり、５０Ωよりも高いインピーダンスの伝送線路が接続されたならば回転中心の位置は図表中央より右側である。なお、回転の方向は常に時計回転方向である。また、回転する角度は伝送線路の電気長の二倍であり、周波数に比例する。
本発明の高周波回路は、ワイヤ箇所の反射インピーダンス点Ａを５０Ωに移動させるために、まず第二の伝送線路を５０Ω以下の特性インピーダンスへ設定して点Ｂへと移動させ、さらに第三の伝送線路を５０Ωより高い値に設定することにより図表の中心へと移動させる方法を採用する。
なお、第二の伝送線路４の電気長は、設計帯域の上限周波数において９０度以下であり、好ましくは４５度以下、さらに好ましくは３０度以下であると良い。スミス図表にワイヤ５の寄生インダクタンスにより生じる反射インピーダンス特性をプロットすると（点Ａ）、スミス図表の第一象限に位置する。より詳しくは、低周波帯域では９０度方向、高周波帯域ではその位相角度が低下する傾向を示す。第二の伝送線路により点Ｂに移動した後、５０Ωより高インピーダンスの第三の伝送線路によって、図表中央へと移動させる本発明の高周波回路においては、点Ｂは図表の第四象限に位置しなければならない。よって、点Ａから点Ｂへの移動回転角の最大値は１８０度であって、第二の伝送線路の電気長の最大値は原理的に９０度に設定される。
また、設計帯域の上限周波数においては、上述したようにワイヤの反射インピーダンスの位相条件は９０度よりも低くなりプラス４５度以下に位置することになる。また、高インピーダンスな第三の伝送線路によって図表中央に移動できる範囲を考慮すると、設計帯域の上限周波数において点Ｂはマイナス４５度付近に位置させることが好ましいことが分かる。これらの条件から、第二の伝送線路の果たす役割は、反射インピーダンスの点Ａから点Ｂへの角度にして９０度以下分の移動であり、伝送線路の電気長設定としては４５度以下が好ましいということになる。
また、具体的には、たとえば、６０ＧＨｚ程度の高周波数帯を設計帯域に含み、ワイヤ５の径を２５ミクロンとし、ワイヤ５の長さを３５０ミクロンとし、誘電体基板の誘電率を３とし、誘電体基板１の基板厚を１２５ミクロンとし、第二の伝送線路４が信号導体配線１６と両側の接地導体領域１７との間隙距離を１００ミクロンとするグランド付コプレーナ線路を用いた場合、ワイヤ５の反射インピーダンスの位相は、６０ＧＨｚにおいて、ほぼ０度にまで回転していることを本発明者は確かめた。より高い周波数帯域では、更なる位相の回転が生じ、反射インピーダンスの位相は０度を下回ることを本発明者は確かめた。広帯域特性を実現するために設計帯域の上限周波数における電気長を若干増大させるよう設計することがあったとしても、本発明の高周波回路において有利な特性を得るためには、第二の伝送線路４によって生じる回転角は、設計帯域の上限周波数において６０度以下とする設定が更に好ましく、よって、第二の伝送線路の電気長は設計帯域の上限周波数において３０度以下とする設定が特に好ましい。
また、第二の伝送線路４の特性インピーダンスは、５０Ω以下、より好ましくは５０Ω未満に設定される必要がある。５０Ωよりも高いインピーダンスの伝送線路が接続されると、ワイヤによって生じていた反射の強度増加を招いてしまうからである。より好ましくは、５０Ωよりも更に低い値が選択されるべきである。しかし、低インピーダンスの線路は広い回路面積を占有してしまう。さらには、信号導体配線１６の線路幅を極端に増加させた場合には、誘電体基板１をはさんで裏面に対向して形成される接地導体領域１５との間に高次モードが発生してしまう。これらの状況を抑制するための制限から、第二の伝送線路４の特性インピーダンスは通常２０Ω以上の値に設定される。
ワイヤ５による接続には、金などの導体を用いたウェッジボンドや、ボールボンドなどの通常のワイヤ接続技術が用いられてもよいし、インダクタンスの低減を図るためにリボン型の導体によってワイヤを構成する接続技術が用いられてもよいことはいうまでもない。また、高周波機能素子２の配置領域において誘電体基板１の表面を掘り込み、当該掘り込みに高周波機能素子２を埋め込んで、誘電体基板１の表面と高周波機能素子２の表面との高低差を減じ、第一および第二の伝送線路３，４間を接続するワイヤ５の長さを短くすることによって、ワイヤ５のインダクタンスを低減するようにしてもよいことはいうまでもない。
また、上記構成では、ワイヤ５の接続本数が一本である場合の高周波回路について説明しているが、ワイヤ５の接続本数は複数本であってよい。接続本数が複数に設定されれば、接続本数が一本であった場合と比較して、ワイヤ部の寄生インダクタンス回路が並列に複数配置された等価回路となり、透過的に寄生インダクタンスが低減される。この場合も、上述した回路構成や、設定条件によって、有利な効果を得ることが可能である。
次に、本発明の特徴点である第三の伝送線路６について説明する。第三の伝送線路６は、第二の伝送線路４とビアホール部１０とを接続する。図１Ａ〜Ｃにおいて、第三の伝送線路６は、信号導体配線１９と、接地導体領域１７，２０とからなる。信号導体配線１９は、誘電体基板１の上面に形成されている。信号導体配線１９の一端は、信号導体配線１６の一端に接続される。信号導体配線１９の他端は、上側導体ランド８に接続される。誘電体基板１の上面に形成された接地導体領域１７および下面に形成された接地導体領域２０は、上側導体ランド８および下側導体ランド９を接地しないように、それらの周辺には配置されていない。
このように、信号導体配線１９の周辺から接地導体領域１７，２０が遠くなることによって、信号導体配線１９および接地導体領域１７，２０からなる第三の伝送線路６は、高い特性インピーダンス、例えば１００Ω以上といった値の特性インピーダンスを得ることができる。
本発明の高周波回路において第三の伝送線路が果たす役割は、スミス図表において第四象限に位置している反射インピーダンス特性を、図表の中央に移動させることである。この点から、第三の伝送線路の特性インピーダンスは、高く設定されることが好ましい。特性インピーダンスが高い伝送線路を接続するほど、時計回転方向に反射インピーダンスを回転移動させる際の回転中心点をスミス図表の中央より右側の点に設定することが可能となる。これは、本発明の高周波回路において第三の伝送線路の特性インピーダンスを高く設定できるほど、強度が強い反射特性を有する回路を無反射に整合できることを意味する。また、本発明の高周波回路において第三の伝送線路の特性インピーダンスを高く設定できるほど、整合回路設計に余裕が生じるので、無反射整合条件が得られる周波数帯域を広帯域に拡張することが可能となる。
図５Ａおよび図５Ｂは、第三の伝送線路６の他の構成例を示す図である。図５Ａは、誘電体基板１の上面を示す図である。図５Ｂは、誘電体基板１のＣＤ線に添う断面図である。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、誘電体基板１の上面において、信号導体配線１９の両側には、接地導体領域を設けずに、誘電体基板１の下面において、接地導体領域２０を設けるだけの構成にしてもよい。このように、信号導体配線１９に隣接する接地導体領域を排除することによって、第三の伝送線路６の特性インピーダンスは、さらに高くなるので、より広帯域な低反射整合特性を実現することができる。このように、第三の伝送線路６は、上側導体ランド８と接続された信号導体配線１９と、誘電体基板１の下面において、信号導体配線１９と対向する領域以外に形成された接地導体領域２０とからなる伝送線路構造であることが好ましい。
図６Ａは、図５Ａおよび図５Ｂに示すような伝送線路構造を有する第三の伝送線路６およびマイクロストリップ線路の特性インピーダンスを、信号導体配線の線幅を変化させてプロットしたときのグラフである。ここで用いた第三の伝送線路６は、誘電率３、厚さ１２５ミクロンの液晶ポリマー材からなる誘電体基板１の上面に信号導体配線が形成され、下面に１０００ミクロンの間隔を介した接地導体領域２０が形成されている伝送線路構造を有する。また、ここで用いたマイクロストリップ線路は、同様の誘電体基板の上面に信号導体配線が形成され、下面一面に接地導体配線が形成されている通常のマイクロストリップ線路構造を有する。
図６Ａから分かるように、通常のマイクロストリップ線路では、信号導体配線幅を１２０ミクロンまで減じても特性インピーダンスが８０Ω未満であるのに対して、本発明の第三の伝送線路６では、信号導体配線幅を１２０ミクロンまで減じたら特性インピーダンスが１３０Ω近くまで増加する。これを別の観点から見ると、信号導体配線１９の線幅は、信号導体配線１６の線幅よりも細い方が好ましいことが分かる。
図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに示すような伝送線路構造を有する第三の伝送線路６の特性インピーダンスを、誘電体基板の誘電率を変化させてプロットしたときのグラフである。ここで用いた第三の伝送線路６は、厚さ１２５ミクロンの誘電体基板１の上面に信号導体配線が形成され、下面に１０００ミクロンの間隔を介した接地導体領域２０が形成されている伝送線路構造を有する。図６Ｂでは、信号導体配線幅を１２０ミクロンとした場合と、２００ミクロンとした場合との特性インピーダンスがプロットされている。
図６Ｂから分かるように、誘電体基板１の誘電率を低くするほど、特性インピーダンスを増加させることができる。なぜなら、誘電率が低いほど、信号導体配線１９と基板裏面の接地導体領域２０との間の容量が低減するために、特性インピーダンスが増加するからである。特に、誘電率が５以下である場合、特性インピーダンスが高くなるので、誘電体基板１には、誘電率が５以下の材料が用いられることが好ましい。
ビアホール部１０は、接続用貫通導体７と、上側導体ランド８と、下側導体ランド９とからなる。ビアホール部１０は、第三の伝送線路６と第四の伝送線路１１とを接続する。
第四の伝送線路１１は、信号導体配線２１と、接地導体領域２２，２３とからなる。信号導体配線２１は、誘電体基板１の下面に形成されている。信号導体配線２１の一端は、下側導体ランド９に接続される。
以下、本発明の実施形態において、ワイヤ部で生じる反射を低減する構造とその効果について、反射を低減する原理を基に説明する。
図７Ａは、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの電磁界解析結果を基にして分析したワイヤ接続部の等価回路を示す図である。図７Ａにおいて、コイルａは、ワイヤ５により生じるインダクタンスである。コイルｂは、図７Ｄに示されるワイヤ５と信号導体配線３ａとの接続部において、ワイヤ５の左側端５ａと右側端５ｂとの間に生じ得るインダクタンスである。コイルｃは、図７Ｅに示されるワイヤ５と第二の伝送線路４の信号導体配線１６との接続部において、ワイヤ５の左側端５ｃと右側端５ｄとの間に生じ得るインダクタンスである。抵抗ａは、ワイヤ５の抵抗である。抵抗ｂは、抵抗ｂは、ワイヤ５から電磁波が漏洩するエネルギー損失を示す放射抵抗である。コンデンサａは、第一の伝送線路３と接地導体領域１２との間（厳密には、ワイヤ５と第一の伝送線路３との接続部におけるワイヤ５の左側端５ａより左側の第一の伝送線路３と接地導体領域１２との間）に生じる容量である。コンデンサｂは、第一の伝送線路３と接地導体領域１２との間（厳密には、ワイヤ５と第一の伝送線路３との接続部におけるワイヤ５の右側端５ｂより右側の第一の伝送線路３と接地導体領域１２との間）に生じる容量である。コンデンサｃは、第二の伝送線路４の信号導体配線１６と接地導体領域１７との間（厳密には、ワイヤ５と第二の伝送線路４との接続部におけるワイヤ５の左側端５ｃより左側の第二の伝送線路４と接地導体領域１７との間）に生じる容量である。コンデンサｄは、第二の伝送線路４の信号導体配線１６と接地導体領域１７との間（厳密には、ワイヤ５と第二の伝送線路４との接続部におけるワイヤ５の右側端５ｄより右側の第二の伝送線路４と接地導体領域１７との間）に生じる容量である。なお、解析モデルのポート、伝送線路、ワイヤなどの各設定に関しては、図２で示したのと同様である。図７Ａに示すように、ワイヤ接続部の等価回路は、ワイヤの寄生インダクタンス以外に、第一の伝送線路３との接続部におけるインダクタンス、第二の伝送線路４との接続部におけるインダクタンス、接地容量、ワイヤ部での導体抵抗、ワイヤ部での放射抵抗等が含まれた複雑な回路となる。
図７Ｂは、図７Ａに示した等価回路を簡略化した等価回路を示す図である。図７Ｂに示すように、当該等価回路は、ワイヤの寄生インダクタンス、および第二の伝送線路４とワイヤとの接続部における接地容量のみからなる回路で簡略化される。図７Ｃは、ワイヤ接続部の実構造の第二の伝送線路４側の端子から見た反射インピーダンス（Ｓ１１）の電磁界解析結果、および簡略化された等価回路の反射インピーダンス（Ｓ１１）を示す図である。図７Ｃに示すように、簡略化された等価回路は、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの超広帯域にわたって実構造の高周波特性をうまくモデリングしていることが分かる。したがって、以下の議論では、ワイヤ接続部を図７Ｂに示した等価回路で表すことによって、簡略化することができる。
図８Ａは、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの電磁界解析結果を基にして分析した、第三の伝送線路６、ビアホール部１０、および第四の伝送線路１１からなる回路ブロックの等価回路を示す図である。図８Ａに示す等価回路は、図７Ａに示す等価回路と同様、接続用貫通導体のインダクタンス以外に、上側導体ランド８が周辺の接地導体との間に生じる接地容量、下側導体ランド９が周辺の接地導体との間に生じる接地容量、上側導体ランド８と導体ランド間９との容量性の結合を示す容量、各配線でのインダクタンス、導体損失を反映する各抵抗、および誘電損失を反映する各抵抗が含まれた複雑な回路となる。分布定数線路ＴＲＬ３，ＴＲＬ４は、第三の伝送線路６および第四の伝送線路１１に相当する。
図８Ｂは、図８Ａに示した等価回路を簡略化した等価回路を示す図である。図８Ｂに示すように、当該等価回路は、接続用貫通導体部（ビアホール部１０）のインダクタンスと接地容量Ｃｇとを、分布定数線路ＴＲＬ４と分布定数線路ＴＲＬ３とが挟んだ回路で簡略化される。図８Ｃは、ビアホール部１０の実構造のＴＲＬ３側の端子から見た反射インピーダンス（Ｓ２２）の電磁界解析結果、および簡略化された等価回路の反射インピーダンス（Ｓ２２）を示す図である。図８Ｃに示すように、簡略化された等価回路は、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの超広帯域にわたって実構造の高周波特性の傾向の再現に成功している。したがって、以下の議論では、第三の伝送線路６、ビアホール部１０、および第四の伝送線路１１からなる回路ブロックを図８Ｂに示した等価回路で表すことによって、簡略化することができる。
図９Ａは、以上の議論を基に構成した、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路の全体構造の等価回路を示す図である。図９Ａに示す等価回路は、ワイヤ接続部の等価回路を端子ｐ２側に配置し、第四の伝送線路（ＴＲＬ４）１１、ビアホール部１０（図９Ａではコイルｂ）、および第三の伝送線路（ＴＲＬ３）６の等価回路を端子ｐ１側に配置し、両者の間に第二の伝送線路（ＴＲＬ２）４を配置した高周波回路となっている。ここで、第二の伝送線路４の特性インピーダンスを低く設定し、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを高く設定することにより、図９Ｂに示すようなＣＬＣＬ構造（Ｃ：容量、Ｌ：インダクタンス）の「典型的な」低域通過フィルタを形成することと同等となる。典型的な低域通過フィルタ特性に対して要求される最適設計パラメータを本発明の高周波回路構造内において実現することにより、広帯域で低反射な高周波回路が実現できることになる。
ここで、本発明の高周波回路において、ビアホール部１０の接続用貫通導体７から生じるインダクタンスは、第三の伝送線路６の高インピーダンス特性より生じるインダクタンスに加えることができる。したがって、典型的な低域通過フィルタ特性実現に対して要求される最適インダクタンスを実現するために必要な第三の伝送線路の線路長は、上記インダクタンスの分だけ省略することが可能となるので、回路占有面積の効率化が容易に達成できるという利点が生じる。
本発明者は、前述のワイヤ接続部の特性を例にして、ワイヤ５の寄生インダクタンスと各伝送線路とを整合させるためには、どの程度の回路パラメータが最適であるのかを、図９Ａに示す等価回路を用いて検討した。なお、第二の伝送線路４は、線路幅が６００ミクロンのグランド付コプレーナ線路であるとして、電磁界解析を行った。
本発明者は、図９Ａに示した等価回路において、３０ＧＨｚから６５ＧＨｚまでの帯域で、マイナス１５ｄＢ以上の反射強度を達成することを目的として、回路パラメータの値を見積もった。第二の伝送線路４（ＴＲＬ２）は、特性インピーダンスが３３Ωで、電気長が１２．５度であるとした。第三の伝送経路６（ＴＲＬ３）は、特性インピーダンスが１２０Ωで、電気長が１５．８度であるとした。接地容量Ｃｇは、０．０４５ｆＦであるとした。上記最適パラメータに設定した場合、３８ＧＨｚから６４ＧＨｚの周波数帯域においてマイナス１５ｄＢ以下の良好な反射特性を得ることができた。なお、ここで各伝送線路の電気長は、５０ＧＨｚに対する値である。ワイヤのインダクタンスが大きい場合の回路において整合をとるために第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）の特性インピーダンスが満たすべき値は、非常に大きい値でなければならないことが明らかとなった。
図６Ａに示すように、第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）の特性インピーダンスを大きくするには、信号導体配線１９の線幅を信号導体配線１６に比べて狭くするのが有効であることが分かる。また、図６Ｂに示すように、第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）の特性インピーダンスを大きくするには、誘電体基板１の誘電率を５以下とするのが有効であることが分かる。
高周波機能素子２とビアホール部１０とを接続する場合、ビアホール部１０を接地してはいけないので、ビアホール部１０の近傍には、接地導体領域が設けられない。そのため、必然的に、第三の伝送線路６において信号導体配線付近から距離を介して接地導体配線が配置されることとなるため、第三の伝送線路６の特性インピーダンスは容易に高く設定することが可能となる。したがって、第三の伝送線路６の特性インピーダンスが高くなる。本発明では、第三の伝送線路６の特性インピーダンスが必然的に高くなることをうまく利用して、ワイヤ接続部と各伝送線路との整合をとるようにしている。それゆえ、通常の配線ルールを変更することなく、ワイヤ接続部分における反射を防止することができる。結果、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる高周波回路を精度よく、かつ低コストで、信頼性高く提供することが可能となる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る高周波回路について説明する。第２の実施形態において、高周波回路を構成する要素は、第１の実施形態の場合と同様であるので、図１Ａ〜Ｄを援用することとする。第２の実施形態と第１の実施形態との相違点は、第四の伝送線路１１の少なくとも一部の領域の特性インピーダンスが、５０Ωより大きく設定される点である。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る高周波回路の等価回路を示す図である。図１０は、図９Ｂに示した第１の実施形態に係るＣＬＣＬ構造のフィルタ型等価回路に対して、高インピーダンスに設定された第四の伝送線路１１（ＴＲＬ４）を加えることによって、ＬＣＬＣＬ構造の低域通過フィルタと等価な回路構成を示している。これにより、低反射な特性を、さらに広い帯域に渡って実現することができる。
第四の伝送線路１１は、誘電体基板１の下面に形成された信号導体配線２１と、誘電体基板１の下面に形成された接地導体領域２３と、誘電体基板１の上面に形成された接地導体領域２２とからなる。接地導体領域２３は、信号導体配線２１の両側に間隙が設けられるようにして形成されている。接地導体領域２２は、上側導体ランド８と接触せず、かつ信号導体配線２１と対向する領域に設けられないように形成されている。
第四の伝送線路１１の特性インピーダンスは、５０Ωより大きく設定されることが好ましい。ビアホール部１０は接地されることがないので、第四の伝送線路１１の周辺にも、第三の伝送線路６と同様、接地導体領域が形成されないこととなる。したがって、一般的な構造の伝送線路と比較して、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを高く設定することが容易に可能となる。
本発明者は、図１０に示した等価回路において、３０ＧＨｚから６５ＧＨｚまでの帯域で、マイナス１５ｄＢ以下の反射強度を達成することを目的として、回路パラメータを見積もった。第二の伝送線路４（ＴＲＬ２）は、特性インピーダンスが２８Ωで、電気長が１５．２度であるとした。第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）は、特性インピーダンスが１２０Ωで、電気長が１９．４度であるとした。接地容量は、０．０５１ｆＦであるとした。第四の伝送線路１１（ＴＲＬ４）は、特性インピーダンスが９０Ωで、電気長が１８．２度であるとした。上記最適パラメータに設定した場合、３４ＧＨｚから６８ＧＨｚの周波数帯域においてマイナス１５ｄＢ以下の良好な反射強度を得ることができた。なお、ここで各伝送線路の電気長は、周波数５０ＧＨｚに対する値である。ワイヤのインダクタンスが大きい場合の回路において整合をとるために第四の伝送線路１１の特性インピーダンスが満たすべき値は、非常に大きい値でなければならないことが明らかとなった。
高周波機能素子２とビアホール部１０とを接続する場合、ビアホール部１０を接地してはいけないので、ビアホール部１０の近傍には、接地導体領域が設けられない。そのため、必然的に、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスが高くなる。本発明では、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスが必然的に高くなることをうまく利用して、ワイヤ接続部と各伝送線路との整合をとるようにしている。それゆえ、通常の配線ルールを変更することなく、ワイヤ接続部分における反射を防止することができる。結果、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる高周波回路を精度よく、かつ低コストで、信頼性高く提供することが可能となる。
なお、ここまでの説明では、等価回路上において、ビアホール部１０において生じる接地容量は、集中定数が一つキャパシタによって表されるとしてモデリングした。しかし、この接地容量を第三の伝送線路６よりは低いインピーダンスに設定される分布定数的な伝送線路として捉えることも可能である。いずれにせよ、回路設計において要求される接地容量が配線ルールによって規定される形状の導体ランドによって得られない場合には、自由に導体ランドの形状を変化させて所望の接地容量を得るよう調整することができる。
この場合、第四の伝送線路１１に接続される個所において、下側導体ランド９が近傍の接地導体領域との接地容量を増やすように配線されるのが好ましい。なぜなら、本発明には、接続用貫通導体７により生じるインダクタンスと第三の伝送線路６のインダクタンスとを合わせることによって、高性能な特性と回路省容積化とを同時に達成することができるという利点があるが、両回路の中間に配置される上側導体ランド８において接地容量が増加することは、第三の伝送線路６の特性インピーダンス低下に等価的に相当し、本発明の高周波回路の特性を維持するために好ましくないからである。
また、信号導体配線１９に対向する誘電体基板１の下面の領域に、下側導体ランド９を延長させることは、第三の伝送線路６の特性インピーダンス低下を招くこととなるので、本発明の高周波回路の特性を維持するためには好ましくない。
よって、本発明の第四の伝送線路１１を高いインピーダンスに設定することによって有利な効果を得る本発明の好ましい例では、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスが第四の伝送線路１１と下側導体ランド９との接続個所近傍で任意の距離だけ低く設定されたとしても、本発明の請求の範囲を外れるものではない。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る高周波回路について説明する。第３の実施形態にいおいて、高周波回路を構成する要素は、第１の実施形態の場合と同様であるので、図１Ａ〜Ｄを援用することとする。第１および第２の実施形態との相違点は、ワイヤが接続される箇所において、第一の伝送線路３の特性インピーダンスが、５０Ωより低くに設定される点である。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る高周波回路の等価回路を示す図である。図１１は、図１０に示した第２の実施形態に係るＬＣＬＣＬ構造のフィルタ型等価回路に対して、低インピーダンスに設定された第一の伝送線路４のワイヤ接続部分を加えることによって、ＬＣＬＣＬＣ構造の低域通過フィルタと等価な回路構成を示している。これにより、低反射な特性を、さらに広い帯域に渡って実現することができる。
本発明者は、図１１に示した等価回路において、３０ＧＨｚから６５ＧＨｚまでの帯域で、マイナス１５ｄＢ以上の反射強度を達成することを目的として、回路パラメータを見積もった。第二の伝送線路４（ＴＲＬ２）は、特性インピーダンスが２８Ωで、電気長が１７．２度であるとした。第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）は、特性インピーダンスが１２０Ωで、電気長が１９．４度であるとした。接地容量Ｃｇは、０．０５１ｆＦであるとした。第一の伝送線路３とワイヤ５との接続部からの長さが８０ミクロンまでの領域において、特性インピーダンスを３３オームに設定した。この場合、４０ＧＨｚから６４ＧＨｚまでの帯域においてマイナス１５ｄＢ以上の良好な反射特性を得ることができた。なお、ここで電気長は、５０ＧＨｚに対する値である。
第一の伝送線路３の線路端において、特性インピーダンスを低下させるためには、オンウェハ状態での高周波コプレーナ型プローブを用いた高周波特性検査用のＧＳＧパッドを利用するとよい。図１２Ａは、高周波特性検査用のＧＳＧパッドの構成を示す図である。図１２Ａに示すように、ＧＳＧパッドは、第一の伝送線路３の線路端に配置された信号導体配線２４と、信号導体配線２４の両側に任意の間隙を介して設けられた接地導体領域２５とを有する。接地導体領域２５を信号導体配線２４に近接させることにより、グランド付コプレーナ線路としての特性インピーダンスが５０Ωよりも低くなる。
例えば、厚さ１００ミクロンのガリウム砒素基板上における信号導体配線の線幅を５０ミクロンとして、当該信号導体配線の両端に接地導体領域を設けない場合、伝送線路構造はマイクロストリップ構造となる。この場合、特性インピーダンスは、７０Ω程度となる。一方、図１２Ａに示すように、グランド付コプレーナ線路構造として、信号導体配線と接地導体領域との間隙を２０ミクロンとした場合、特性インピーダンスは、３７Ω程度となる。このように、第一の伝送線路３をグランド付コプレーナ線路構造とすることによって、第一の伝送線路３の特性インピーダンスを低くすることができる。これによって、良好な反射特性を得ることができる。
なお、図１２Ｂに示すように、接地導体領域２５との間に接地容量が生じることによって、信号導体配線２４に接続される主回路部２６の回路特性が劣化しないように、信号導体配線２４の線路端２７近傍における接地導体領域２５ａとの間隔Ｇ１を、主回路部２６近傍での間隔Ｇ２よりも短くすることが有効である。すなわち、信号導体配線２４の終端部分に向かうにつれて、信号導体配線２４と接地導体領域２５ａとの間隔が狭くなっていくことが有効である。
なお、第３の実施形態では、図１１に示すように、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを等価回路に盛り込むこととしたが、第一の伝送線路３の特性インピーダンスのみを低くするようにしてもよい。
なお、本発明の第１〜第３の実施形態における高周波回路において、第二の伝送線路４と第三の伝送線路６との接続部分など、各回路間の接続部分においては、伝送線路の特性インピーダンスが徐々に変化するように、配線幅を徐々に変化させたり、信号導体配線と周辺の接地導体領域との間隔を徐々に変化させるようにしてもよいことはいうまでもない。
【実施例】  本発明者は、本発明の高周波回路の伝送特性を測定した。図１３は、測定に用いた評価用高周波回路の構成概略図である。図１３において、評価用高周波回路は、誘電体基板１と、誘電体基板１の上面に配置されたガリウム砒素基板２９と、蓋３３と、外部回路基板であるＢＴレジン基板３１とを備える。ガリウム砒素基板２９の上面には、マイクロストリップ線路３０が形成されている。誘電体基板１とマイクロストリップ線路３０とは、ワイヤ５を介して接続されている。マイクロストリップ線路３０、ワイヤ５、および誘電体基板１の接続部分は、本発明の高周波回路の構造に従った入出力部２８となっている。マイクロストリップ線路３０の特性インピーダンスは、５０Ωであるとした。マイクロストリップ線路としては、線路の長さが０．５ｍｍから５ｍｍまでの長さのものを０．２５ｍｍ刻みで用意した。ＢＴレジン基板３１の上面には、グランド付コプレーナ線路３２が形成されている。ＢＴレジン基板３１の厚さは２００ミクロンであるとした。
測定は、ＢＴレジン基板３１上に形成されたグランド付コプレーナ線路３２上に高周波プローブを接続して行われた。測定の結果得られた複数データから数学的計算を行って、本発明の高周波回路部のみの特性を導出した。
なお、誘電体基板１として、厚さが１２５ミクロン、上面および下面に厚さ４０ミクロンの銅配線を形成した液晶ポリマー基板が用いられた。当該液晶ポリマーの誘電率は３、誘電正接は約０．００３であった。
ワイヤ５として、直径が２５ミクロンの金が用いられた。ワイヤ長の平均値は、３２０ミクロンであった。液晶ポリマー内部に形成された接続用貫通導体の直径は、２８０ミクロンであった。
当該評価用高周波回路において、誘電体基板１の上下面に形成された接地導体領域間を接続する複数の接続用貫通導体１４は、４００ミクロンの周期で形成されている。ビアホール部１０における上側導体ランド８、下側導体ランド９は、半径３００ミクロンの導体領域であるとした。通常のプリント基板の配線ルールであるライン／スペース＝１００ミクロン／１００ミクロンを適用して、設計を行った。金属製の蓋３３でガリウム砒素基板２９を覆ってパッケージングした上で測定を行った。
表１は、評価した高周波回路のパラメータを示す。
2004075336.tif 000003
実施例１では、第二の伝送線路４がマイクロストリップ線路であるとした。
実施例２から実施例７、設計例１，２では、第二の伝送線路４がグランド付コプレーナ線路であるとした。
実施例１から実施例３では、第三の伝送線路６において、信号導体配線１９の両側にそれぞれ４００ミクロンの間隔を介して接地導体領域１７を設けた。これによって、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを１１０Ωという高い値に設定した。
実施例４および実施例５では、第三の伝送線路６として、図４に示されるような伝送線路を採用した。すなわち、信号導体配線１９の両側から接地導体領域１７が除去されている。誘電体基板１の下面における、信号導体配線１９の対向しない領域に、９００ミクロンの間隔を隔てて接地導体領域２０が形成されている。これによって、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを１３５Ωという高い値に設定した。
実施例３および実施例５では、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを９０Ωという高い値に設定した。
実施例６では、第一の伝送線路３のワイヤ接続部がＧＳＧ型のグランド付コプレーナ線路構造となるように、主信号線路の両側に幅２０ミクロンを介して接地パッドを設けた。これにより、信号伝送方向に対する長さが８０ミクロン分のパッド設置領域における第１の伝送線路３の特性インピーダンスは、３０Ωとなった。
実施例７では、第一の伝送線路３の特性インピーダンスおよび線路構造を実施例６と同様にし、第二の伝送線路４の特性インピーダンスおよび線路構造を実施例２と同様にし、第三の伝送線路６の特性インピーダンスおよび線路構造を実施例４と同様にし、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスおよび線路構造を実施例３と同様にした。
比較用の設計例１では、第二の伝送線路４の特性インピーダンスを６０Ωとして、５０Ω以上の値にした。
比較用の設計例２では、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを４５Ωとして、５０Ω以下の値にした。
従来技術を用いた比較例（表１には記載せず）として、誘電体基板上のグランド付コプレーナ線路とガリウム砒素基板上のマイクロストリップ線路とをワイヤで接続した高周波回路を用いた。当該グランド付コプレーナ線路は、低インピーダンス線路から高インピーダンス線路へとなるようにして設計されており、５０Ωに整合設計されたビアホール部に接続される。当該ビアホール部として、単体で、７０ＧＨｚまでマイナス１５ｄＢ以下の良好な反射損失特性を有するものを使用した。当該比較例では、本発明の実施例と同様に、測定して、測定の結果得られた複数データから数学的計算を行って、比較例の高周波回路部のみの特性を導出した。当該比較例では、グランド付コプレーナ線路における低インピーダンス線路の特性インピーダンスを２６Ωとし、電気長を２．５度とした。また、グランド付コプレーナ線路における高インピーダンス線路の特性インピーダンスを８０Ωとし、電気長を２８度とした。これらの値は、最適回路設計よって導出された。なお、高インピーダンス線路の特性インピーダンス７０Ωは、通常のプリント基板配線ルールよって限定される信号導体配線の配線幅の最小値１００ミクロンに基づいて決定される上限値である。
図１４は、比較例における反射特性と本発明の実施例１における反射特性とを比較する図である。図１５は、比較例における反射特性と本発明の実施例３における反射特性とを比較する図である。なお、図１４および図１５には、信号導体配線幅を６００ミクロンとしたグランド付コプレーナ線路を第二の伝送線路４とした場合のワイヤ接続部単体の反射特性が点線で示されている。
図１４において、マイナス１５ｄＢ以下の低反射特性が得られた周波数帯域について考える。比較例では、４４ＧＨｚから６１ＧＨｚまででしか、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られなかったのになかった。それに対し、実施例１では、４２ＧＨｚから６３ＧＨｚまで、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られた。
また、図１４において、３０ＧＨｚ帯付近では、比較例および実施例１共に、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られていないが、比較例においては最悪値がマイナス１１．５ｄＢであるのに対し、実施例１では最悪値がマイナス１４ｄＢまで低反射特性が得られた。このように、実施例１では、広帯域に低反射が得られることが分かり、本発明の本発明の広帯域低反射特性の効果が証明された。
また、比較例では、高インピーダンスな伝送線路の電気長が２８度必要だったのに対し、実施例１では、第三の伝送線路６の電気長は１３．２度しかない。したがって、実施例１は、比較例に比べて小型であることといえる。
また、比較例では、高インピーダンス線路の終端部に更にビアホール部を追加せねばならないため、回路構造の省容積化には限界があった。しかし、本実施例では、第三の伝送線路６は、ビアホール部１０周辺の構成回路の一部となっているので、大幅に省容積化を図ることができるといえる。
図１５において、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性が得られた周波数帯域について考える。比較例では、４４ＧＨｚから６１ＧＨｚまででしか、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られなかったのになかった。それに対し、実施例３では、３７．５ＧＨｚから６８ＧＨｚまで、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られた。このように、実施例１と実施例３とを比較すると分かるように、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを５０Ω以上とすることは、有効であることが証明された。
実施例１〜実施例７、比較用の設計例１，２、および比較例において、低反射特性が得られた帯域を表２にまとめた。
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表２から分かるように、比較例と比べて、実施例１，３の他にも、実施例２，４，５，６，７においても、反射特性が改善されていることがわかった。特に、実施例７では、最も好ましい結果が得られた。実施例７では、１８ＧＨｚから７７ＧＨｚまでという超広帯域にわたってマイナス１５ｄＢ以下の反射特性が得られた。これによって、第二の伝送線路４の特性インピーダンスを５０Ω以下とし、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを５０Ω以上とし、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを５０Ω以上とすることが最も効果的であることが立証された。
一方、比較用の設計例１では、４９ＧＨｚから６０ＧＨｚまでの狭帯域でしか低反射特性が得られなかった。また、比較用の設計例２では、全ての帯域において、低反射特性を得ることができなかった。全ての帯域で得ることが不可能であった。ちなみに、比較用の実施例９では、最も低反射な特性が得られた周波数は５４ＧＨｚであって、そのときの反射強度はマイナス１４ｄＢであった。
このように、従来の構成を有する高周波回路の比較例と、比較用の設計例と、本発明の高周波回路の実施例との特性比較によって、本発明の有益な効果が立証された。
以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定使用とするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】  本発明に係る高周波回路は、広帯域に渡って低反射を実現することができ、高周波機能素子がワイヤボンディングされる周辺部分等において有用である。
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【図２】
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【図４】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年11月12日(2004.11.12)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】特許請求の範囲
【請求項１】誘電体基板上に高周波機能素子が実装された高周波回路であって、
前記高周波機能素子内に形成され、第一の信号導体配線および第一の接地導体領域からなる第一の伝送線路と、
特性インピーダンスが５０Ω以下であって、第二の信号導体配線および第二の接地導体領域からなり、前記誘電体基板の上面側に前記第二の信号導体配線が形成された第二の伝送線路と、
前記第一の信号導体配線と前記第二の信号導体配線とを接続するワイヤと、
特性インピーダンスが５０Ωより大きく、第三の信号導体配線および第三の接地導体領域からなり、前記第三の信号導体配線が前記第二の信号導体配線と接続され、前記誘電体基板の上面側に前記第三の信号導体配線が形成された第三の伝送線路と、
前記誘電体基板を貫通するように形成されており、上側導体ランドが前記第三の信号導体配線と接続されたビアホール部と、
少なくとも一部の領域の特性インピーダンスが５０Ω以上であり、第四の信号導体配線および第四の接地導体領域からなり、前記第四の信号導体配線が前記ビアホール部の下側導体ランドと接続され、前記誘電体基板の下面側に前記第四の信号導体配線が形成された第四の伝送線路とを備え、
前記誘電体基板を間に挟んで前記誘電体基板の上面側に形成された第三の信号導体配線と対向する前記誘電体基板の下面側の領域には前記第三の接地導体領域が形成されておらず、
前記第四の伝送線路において、前記誘電体基板を間に挟んで前記誘電体基板の下面側に形成された第四の信号導体配線と対向する前記誘電体基板の上面側の領域には前記第四の接地導体領域が形成されておらず、
ＬＣＬＣＬ低域通過フィルターが形成されている、高周波回路。
【請求項２】（削除）
【請求項３】前記第一の伝送線路は、前記ワイヤとの接続箇所の特性インピーダンスが５０Ω以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項４】前記第一の伝送線路において、前記ワイヤとの接続箇所は、コプレーナ型のＧＳＧパッドとなっていることを特徴とする、請求項３に記載の高周波回路。
【請求項５】前記パッドに含まれる接地導体パッドは、前記第一の伝送線路における信号導体配線に近接していることを特徴とする、請求項４に記載の高周波回路。
【請求項６】前記第一の伝送線路における信号導体配線の終端部分に向かうにつれて、前記信号導体配線と前記接地導体パッドとの間隔が狭くなっていることを特徴とする、請求項４に記載の高周波回路。
【請求項７】前記第二の伝送線路は、グランド付コプレーナ線路であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項８】前記第三の伝送線路は、
前記誘電体基板の下面において、前記誘電体基板を間に挟んで前記誘電体基板の上面側に形成された前記第三の信号導体配線と対向する領域以外に前記第三の接地導体領域が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項９】前記誘電体基板を構成する誘電体の誘電率は、５以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項１０】前記第三の信号導体配線の線幅は、前記第二の信号導体配線の線幅よりも細いことを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項１１】前記第二の伝送線路の特性インピーダンスは、４５Ω以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項１２】前記第三の伝送線路の特性インピーダンスは、１１０Ω以上であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。




【手続補正書】
【提出日】平成17年8月19日(2005.8.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板上に高周波機能素子が実装された高周波回路であって、
前記高周波機能素子内に形成され、第一の信号導体配線および第一の接地導体領域からなる第一の伝送線路と、
特性インピーダンスが５０Ω以下であって、第二の信号導体配線および第二の接地導体領域からなり、前記誘電体基板の上面側に前記第二の信号導体配線が形成された第二の伝送線路と、
前記第一の信号導体配線と前記第二の信号導体配線とを接続するワイヤと、
特性インピーダンスが５０Ωより大きく、第三の信号導体配線および第三の接地導体領域からなり、前記第三の信号導体配線が前記第二の信号導体配線と接続され、前記誘電体基板の上面側に前記第三の信号導体配線および前記第三の接地導体領域が形成された第三の伝送線路と、
前記誘電体基板を貫通するように形成された接続用貫通導体と、前記接続用貫通導体および前記第三の信号導体配線と接続する上側導体ランドと、前記誘電体基板の下面側に設けられ前記接続用貫通導体と接続された下側導体ランドとからなるビアホール部と、
少なくとも一部の領域の特性インピーダンスが５０Ω以上であり、第四の信号導体配線および、前記第四の信号導体配線と前記下側導体ランドに近接して設けられた第四の接地導体領域からなり、前記第四の信号導体配線が前記下側導体ランドと接続され、前記誘電体基板の下面側に前記第四の信号導体配線および前記第四の接地導体領域が形成された第四の伝送線路とを備え、
前記誘電体基板を間に挟んで前記誘電体基板の上面側に形成された第三の信号導体配線と対向する前記誘電体基板の下面側の領域には前記第三の接地導体領域が形成されておらず、
前記第四の伝送線路において、前記誘電体基板を間に挟んで前記誘電体基板の下面側に形成された第四の信号導体配線と対向する前記誘電体基板の上面側の領域には前記第四の接地導体領域が形成されておらず、
ＬＣＬＣＬ低域通過フィルタが形成されている、高周波回路。
【請求項２】
前記第一の伝送線路は、前記ワイヤとの接続箇所の特性インピーダンスが５０Ω以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項３】
前記第一の伝送線路において、前記ワイヤとの接続箇所は、コプレーナ型のＧＳＧパッドとなっていることを特徴とする、請求項２に記載の高周波回路。
【請求項４】
前記パッドに含まれる接地導体パッドは、前記第一の伝送線路における前記第一の信号導体配線に近接していることを特徴とする、請求項３に記載の高周波回路。
【請求項５】
前記第一の伝送線路における前記第一の信号導体配線の終端部分に向かうにつれて、前記信号導体配線と前記接地導体パッドとの間隔が狭くなっていることを特徴とする、請求項４に記載の高周波回路。
【請求項６】
前記第二の伝送線路は、グランド付コプレーナ線路であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項７】
前記第三の伝送線路には、
前記誘電体基板の下面において、前記誘電体基板を間に挟んで前記誘電体基板の上面側に形成された前記第三の信号導体配線と対向する領域以外に前記第三の接地導体領域が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項８】
前記誘電体基板を構成する誘電体の誘電率は、５以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項９】
前記第三の信号導体配線の線幅は、前記第二の信号導体配線の線幅よりも細いことを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項１０】
前記第二の伝送線路の特性インピーダンスは、４５Ω以下であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【請求項１１】
前記第三の伝送線路の特性インピーダンスは、１１０Ω以上であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波回路。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯において使用される高周波回路に関し、より特定的には、高周波機能素子がワイヤボンディングされる周辺の高周波回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信速度の更なる向上によって、無線通信に用いられる搬送周波数はマイクロ波領域からミリ波領域の周波数帯にまで達しつつある。高周波化に伴って、ワイヤ接続部のインダクタンスが無視できなくなる。そのため、システム内においてワイヤによって接続されている高周波用半導体素子の入出力部分では、反射が増大することとなる。これによって、高周波用半導体素子本来の特性を十分に引出すことができなくなるという問題が生じる。
【０００３】
非特許文献１には、ワイヤ接続部のインダクタンスを低減する方法が提案されている。非特許文献１には、ワイヤの長さの短縮化や、ワイヤのリボン化、スルーホール等によるフリップチップボンディングなどによって、ワイヤ接続部のインダクタンスを低減する方法が開示されている。
【０００４】
ミリ波帯においても、従来の低周波の周波数帯域において行われてきたように、表面実装によって高周波機能素子を実装可能とするための表面実装パッケージ（以下、高周波パッケージという）が開発されている。高周波パッケージ内部では、高周波機能素子と誘電体基板上の信号導体配線とを接続するために、ワイヤが用いられる。
【０００５】
図１６Ａは、従来の高周波パッケージが外部回路基板に表面実装された場合の構成概略を示す断面図である。図１６Ａに示すように、高周波機能素子２は、誘電体基板１と蓋３３とからなるキャビティ内に収納されている。図１６Ｂは、誘電体基板１の上面の配線パターンを示す図である。図１６Ｃは、誘電体基板１の下面の配線パターンを示す図である。
【０００６】
図１６Ｂに示すように、誘電体基板１の上面には、接地導体領域１２と、信号導体配線（ｓｉｇｎａｌ  ｓｔｒｉｐ）３４と、接地導体層３５とが形成されている。図１６Ｃに示すように、誘電体基板１の下面には、接地導体領域１３と、接地導体配線（ｇｒｏｕｎｄ  ｓｔｒｉｐ）３７と、信号導体配線３６とが形成されている。誘電体基板１では、信号導体配線３６、接地導体層３５および接地導体配線３７によってグラウンド付コプレーナ線路構造が構成される。高周波パッケージを表面実装する外部回路基板３８には、上面に形成された信号導体配線３９と、内部または下面の少なくともいずれかに形成された接地導体配線４０とが形成されている。外部回路基板では、信号導体配線３９および接地導体配線４０によって、マイクロストリップ線路またはグラウンド付コプレーナ線路等の高周波伝送線路構造が構成される。
【０００７】
信号導体配線３４の一端と高周波機能素子２とは、ワイヤ５によって接続される。信号導体配線３４の他端は、誘電体基板１を貫通して形成された接続用貫通導体（ｖｉａ）７の一端に接続される。信号導体配線３６の一端は、接続用貫通導体７の他端に接続される。信号導体配線３６の他端は、半田４１を介して、外部回路基板３８上の信号導体配線３９と接続される。高周波信号は、ワイヤ５，信号導体配線３４，接続用貫通導体７、信号導体配線３６、半田４１および信号導体配線３９を介して、高周波機能素子２に入出力される。
【非特許文献１】“マイクロ波・ミリ波のパッケージング技術”（電子情報通信学会総合大会、ＴＣ−１−１、１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、従来の高周波パッケージでは、ワイヤを介して高周波信号が伝送される。そのため、ワイヤを介した接続部分での反射を低減する必要がある。
【０００９】
非特許文献１に記載されているように、ワイヤの長さを短縮することによって、ワイヤによる接続部分のインダクタンスを低減して、反射を低減することもできるが、ボンディング装置の精度という点で、ワイヤの長さを短縮するには限度がある。
【００１０】
また、搭載する高周波機能素子の表面と一次実装基板である誘電体基板の表面との高さを合わせることによってワイヤの長さを短くすることもできるが、一次実装基板のチップ実装領域に掘り込みが必要となるため工程コストの増大を招くこととなる。
【００１１】
また、ワイヤをリボン化することによって、接続部分のインダクタンスを低減して、反射を防止することもできるが、温度変化に対する信頼性という面で、実用上好ましくない。
【００１２】
また、スルーホール等によるフリップチップボンディングを用いることによって、接続部分のインダクタンスを低減して、反射を防止することもできるが、温度変化に対する信頼性という面で、実用上好ましくない。
【００１３】
それゆえ、本発明の第１の目的は、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる高周波回路を提供することである。さらに、本発明の第２の目的は、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる高周波回路を精度よく、かつ低コストで、信頼性高く提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、以下のような特徴を有する。本発明は、誘電体基板上に高周波機能素子が実装された高周波回路であって、高周波機能素子内に形成された第一の伝送線路と、特性インピーダンスが５０Ω以下であって、誘電体基板上に形成された第二の伝送線路と、第一の伝送線路と第二の伝送線路とを接続するワイヤと、特性インピーダンスが５０Ωより大きく、第二の伝送線路と接続された第三の伝送線路と、誘電体基板を貫通するように形成されており、上側導体ランドが第三の伝送線路と接続されたビアホール部と、ビアホール部の下側導体ランドと接続された第四の伝送線路とを備える。
【００１５】
上記発明に拠れば、回路全体の等価回路は、ワイヤの寄生インダクタンスから生じる第一の直列のインダクタンスと、第二の伝送線路箇所で生じる接地容量から生じる第一のシャントのキャパシタンスと、第三の伝送線路の高インピーダンス特性から生じる第二の直列のインダクタンスと、ビアホール部と周辺の接地導体領域との間に生じる接地容量からなる第二のシャントのキャパシタンスを接続してなるＬＣＬＣ構成の典型的な低域通過フィルタとなる。従来とは異なり、回路全体をフィルタ回路として構成する本発明の高周波回路構成によって、低反射な高周波特性が広帯域な周波数範囲で実現されることとなる。
【００１６】
また、ワイヤ、第二の伝送線路、第三の伝送線路、ビアホール部、および第四の伝送線路は、特殊な配線プロセスを用いなくても、形成することができるので、広帯域で低反射な高周波回路を精度よく、かつ低コストで、信頼性高く提供することができる。
【００１７】
また、ビアホール部の周辺では、ビアホール部が接地されないように、接地導体領域の配置が制限されている。したがって、誘電体基板の下面においては、第三の伝送線路において信号導体配線が対向する領域には接地導体領域が設定されず、第三の伝送線路の特性インピーダンスを高く設定することが出来る。それゆえ、第一の直列のインダクタンスが大きい場合に第二の直列のインダクタンスを大きく設定する必要がある、ＬＣＬＣ構成の典型的な低域通過フィルタにおいて必要不可欠な条件が容易に実現されることとなる。
【００１８】
さらに、ビアホール部における接続用貫通導体が有するインダクタンスが、第三の伝送線路のインダクタンスに加わることとなるので、第三の伝送線路の物理的な線路長を短縮することができる。したがって、回路面積の小型化という有利な効果も得ることができる。
【００１９】
従来の高周波回路では、ワイヤの寄生インダクタンスを５０Ωに整合するための整合回路が、ビアホール部にさらに接続される構成となっていた。したがって、整合回路から生じる信号の反射とビアホール部から生じる信号の反射とを広帯域に渡って低い強度にすることが困難なミリ波帯では、設計周波数の一部の帯域で反射が生じる可能性が高かった。しかし、本発明の高周波回路では、ビアホール部を含めた回路全体で、ワイヤの寄生インダクタンスを補償する整合回路を形成することとなる。したがって、信号が、広帯域に渡って、低反射で伝送されることとなる。
【００２０】
好ましくは、第四の伝送線路は、少なくとも一部の領域の特性インピーダンスが５０Ω以上であるとよい。
【００２１】
この構成に拠れば、回路全体の等価回路は、ワイヤの寄生インダクタンスから生じる第一の直列のインダクタンスと、第二の伝送線路箇所で生じる接地容量から生じる第一のシャントのキャパシタンスと、第三の伝送線路の高インピーダンス特性から生じる第二の直列のインダクタンスと、ビアホール部と周辺の接地導体領域との間に生じる接地容量から生じる第二のシャントのキャパシタンスと、第四の伝送線路の高インピーダンス特性から生じる第三の直列のインダクタンスを接続してなるＬＣＬＣＬ構成の典型的な低域通過フィルタとなる。従来とは異なり、回路全体をフィルタ回路として構成する本発明の高周波回路構成によって、低反射な高周波特性が広帯域な周波数範囲で実現されることとなる。
【００２２】
また、ビアホール部の周辺では、ビアホール部が接地されないように、接地導体領域の配置が制限されている。したがって、誘電体基板の上面において、第四の伝送線路において信号導体配線が対向する領域には接地導体領域が設定されず、第四の伝送線路の特性インピーダンスを容易に高く設定することが出来る。それゆえ、第一の直列のインダクタンスが大きい場合に第三の直列のインダクタンスを大きく設定する必要がある、ＬＣＬＣＬ構成の典型的な低域通過フィルタにおいて必要不可欠な条件が容易に実現されることとなる。
【００２３】
好ましくは、第一の伝送線路は、ワイヤとの接続箇所の特性インピーダンスが５０Ω以下であるとよい。
【００２４】
この構成に拠れば、回路全体の等価回路は、第一の伝送線路とワイヤとの接続部分における接地容量から生じる第一のシャントのキャパシタンスと、ワイヤの寄生インダクタンスから生じる第一の直列のインダクタンスと、第二の伝送線路箇所で生じる接地容量から生じる第二のシャントのキャパシタンスと、第三の伝送線路の高インピーダンス特性から生じる第二の直列のインダクタンスと、ビアホール部と周辺の接地導体領域との間に生じる接地容量から生じる第三のシャントのキャパシタンスを接続してなるＣＬＣＬＣ構成の典型的な低域通過フィルタとなる。従来とは異なり、回路全体をフィルタ回路として構成する本発明の高周波回路構成によって、低反射な高周波特性が広帯域な周波数範囲で実現されることとなる。
【００２５】
好ましくは、第一の伝送線路において、ワイヤとの接続箇所は、コプレーナ型のＧＳＧパッドとなっているとよい。
【００２６】
これによって、エアコプレーナ形状の高周波プローブを用いて、ウェハー状態での高周波特性の検査を可能とすることが出来る。
【００２７】
好ましくは、当該パッドに含まれる接地導体パッドは、第一の伝送線路における信号導体配線に近接しているとよい。
【００２８】
これによって、ワイヤ接続部における第一の伝送線路の特性インピーダンスを低下させることができるので、省面積で効果的に接地容量を生じさせることができる。
【００２９】
好ましくは、第一の伝送線路における信号導体配線の終端部分に向かうにつれて、信号導体配線と接地導体パッドとの間隔が狭くなっているとよい。
【００３０】
この構成によって、ワイヤ接続部に近い領域で第一の伝送線路に要求される接地容量値を生じさせるだけでなく、第一の伝送線路が接続される高周波機能素子内の伝送線路とのインピーダンス差を低減することが可能になるため、不要な信号反射を抑制することができて、回路全体としてもより低反射な高周波特性が得られることとなる。
【００３１】
好ましくは、第二の伝送線路は、グランド付コプレーナ線路であるとよい。
【００３２】
この構成によって、第二の伝送線路をマイクロストリップ線路で構成した場合よりも、プロセスばらつきによって生じてしまう高周波回路特性のばらつきを抑制することが可能となる。詳述すると、高周波回路特性が安定に発揮されるためには、高周波機能素子の裏面に形成されている接地導体領域の高周波接地が強化されている必要があるが、第二の伝送線路をマイクロストリップ線路で構成した場合には、誘電体基板を貫通して形成される接地用貫通導体の形成位置ばらつきによって、上記高周波接地が不安定になり好ましくない。一方、本発明の好ましい構成においては、上記高周波接地を安定して維持することが可能である。
【００３３】
好ましくは、第三の伝送線路は、上側導体ランドと接続された信号導体配線と、誘電体基板の下面において、信号導体配線と対向する領域以外に形成された接地導体領域とからなるとよい。
【００３４】
本構成の意図するところは、ビアホール部を接地することが出来ないという条件を逆手にとり、第三の伝送線路の特性インピーダンスを通常の回路では得られないほどの高い値に設定し、フィルタ回路構成において大きなインダクタンスを提供することである。本構成により、ＬＣＬＣL構成の典型的な低域通過フィルタにおいて、第一の直列のインダクタンスが大きい場合に第三の直列のインダクタンスを大きく設定する必要がある場合に必要不可欠な条件が、容易に実現されることとなる。これは、回路特性としては、更なる広帯域化、および低反射化が可能になるということと同義である。
【００３５】
また、上記構成は、ビアホール部の近傍からの接地導体領域を排除することにもなるので、上側導体ランドと接地導体領域との間に生じる接地容量の低減を図ることができる。第三の伝送線路と接続用貫通導体とによって生じるインダクタンスの間に挿入される接地容量は、見かけ上、第三の伝送線路の特性インピーダンスを低下させることにつながる。しかし、上記構成のように、上側導体ランドと接地導体領域との間に生じる接地容量を低減することによって、第三の伝送線路の特性インピーダンスを高く保つことができるので、結果、広帯域かつ低反射な特性を更に向上させることにつながる。
【００３６】
好ましくは、誘電体基板を構成する誘電体の誘電率は、５以下であるとよい。
【００３７】
これによって、仮に、信号導体配線の配線幅を通常のセラミック基板や樹脂基板の配線ルールで採用される下限である１００ミクロン程度に設定したとしても、第三の伝送線路の特性インピーダンスを例えば１１５Ω以上に設定することが可能となる。
【００３８】
また、ビアホール部においても、誘電体基板の誘電率を５以下に設定することによって、ビアホール部近傍に存在する接地導体領域と上側導体ランドとの間に生じる接地容量を減少させることができる。したがって、見かけ上、第三の伝送線路の特性インピーダンスが増加することとなるので、広帯域かつ低反射な特性を実現することができる。
【００３９】
また、基板の誘電率が低くなると、単位長さあたりの伝送によって生じる通過信号の位相量の増大が緩和されるため、配線精度が低く誤差が大きい安価なプロセスを用いた場合でも、良好な歩留まりで本発明の高周波回路を製造することが出来る。
【００４０】
さらには、ワイヤ接続部の反射特性はワイヤ形状のみならず、ワイヤが接続される誘電体基板の誘電率に大きく依存する。これは、ワイヤが接続された箇所において、誘電体基板の裏面との間に接地容量が生じているからである。ワイヤが接続される箇所の第二の伝送線路の信号導体配線の線路幅の制御により、低域通過フィルタ回路において最適な接地容量値を得ることができ、広帯域かつ低反射な特性を実現することが出来る。ただし、誘電率が高い基板を用いてしまうと、ワイヤが接続する箇所において生じる接地容量値だけで、最適接地容量値よりも大きな値が生じてしまって、最適な低域通過フィルタ特性は得られない。一方、誘電率が低い基板を用いた場合には、線路長を増大させれば最適な容量値が大きな値であっても対応可能であるし、最適な容量値が小さな値であっても同様に対応可能である。よって、基板の誘電率は低く設定されることが好ましい。
【００４１】
好ましくは、第三の伝送線路における信号導体配線の線幅は、第二の伝送線路における信号導体配線の線幅よりも細いとよい。
【００４２】
これによって、第三の伝送線路の特性インピーダンスを高くすることができる。
【００４３】
好ましくは、第二の伝送線路の特性インピーダンスは、４５Ω以下であるとよい。
【００４４】
好ましくは、第三の伝送線路の特性インピーダンスは、１１０Ω以上であるとよい。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる。
【００４６】
本発明のこれらおよび他の目的、特徴、局面、効果は、添付図面と照合して、以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４８】
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路の一例を示す断面概略図である。図１Ｂは、図１Ａに示す誘電体基板１の上面の配線パターンを示す図である。図１Ｃは、図１Ａに示す誘電体基板１の下面の配線パターンを示す図である。図１Ｄは、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路を構成するコンポーネントのブロック図である。なお、図１Ａは、図１Ｂ，ＣにおけるＡＢ線に添う断面図でもある。
【００４９】
図１Ａ〜Ｃにおいて、第１の実施形態に係る高周波回路は、誘電体基板１と、高周波機能素子２とを備える。誘電体基板１の上面には、接地導体領域１２，１７，２２と、信号導体配線１６，１９と、上側導体ランド８とが形成されている。誘電体基板１の下面には、接地導体領域１３，１５，２０，２３と、信号導体配線２１と、下側導体ランド９とが形成されている。誘電体基板１の上面から下面へは、接続用貫通導体７と、複数の接続用貫通導体１４とが形成されている。複数の接続用貫通導体１４は、接地導体領域１３と接地導体領域１２とを接続する。接地導体領域１２の上には、高周波機能素子２が実装される。高周波機能素子２内（典型的には上面）には、信号導体配線３ａが形成されている。接続用貫通導体７の下端は、下側導体ランド９を介して信号導体配線２１と接続される。接続用貫通導体７の上端は、上側導体ランド８を介して信号導体配線１９の一端と接続される。信号導体配線１９の他端は、信号導体配線１６の一端と接続される。信号導体配線１６の他端は、ワイヤ５を介して信号導体配線３ａと接続される。
【００５０】
誘電体基板１は、高周波帯において低損失である通常の誘電体基板材料からなる。誘電体基板１には、たとえば、高温焼結によって生成されるアルミナや窒化アルミナなどのセラミック材、低温焼結によって生成されるガラスセラミック材、テフロン（登録商標）、液晶ポリマー等の低誘電率な樹脂基板材が使用可能である。
【００５１】
高周波機能素子２は、たとえば、シリコンやガリウム砒素などを基板とするＭＭＩＣ（モノリシック集積マイクロ波回路）や、フィルタ回路等の受動回路等である。
【００５２】
第一の伝送線路３は、高周波機能素子２内に形成されている伝送線路である。第一の伝送線路３は、コプレーナ線路、グランド付コプレーナ線路、またはマイクロストリップ線路である。図１Ａ〜Ｃでは、第一の伝送線路３は、グランド付コプレーナ線路またはマイクロストリップ線路であるとしている。すなわち、信号導体配線３ａと接地導体領域１２とによって、グランド付コプレーナ線路またはマイクロストリップ線路が形成されている。接地導体領域１２は接続用貫通導体１４を介して接地導体領域１３に接続されているので、高周波接地の強化が図られている。
【００５３】
第二の伝送線路４は、ワイヤ５を介して第一の伝送線路３と接続される伝送線路である。第二の伝送線路４は、コプレーナ線路、グランド付コプレーナ線路、またはマイクロストリップ線路である。ただし、コプレーナ線路において形成される伝送線路の特性インピーダンスを低くするには、信号導体配線とその両側に形成される接地導体領域との間の間隙を狭くする必要がある。しかし、セラミックや樹脂基板などにおける通常の配線ルールに従えば、この間隙を狭くするには限界がある。したがって、コプレーナ線路において形成される伝送線路の特性インピーダンスを低くするには限界がある。そのため、より好ましくは、第二の伝送線路４は、グランド付コプレーナ線路またはマイクロストリップ線路であるとよい。
【００５４】
第二の伝送線路４の特性インピーダンスＺ２は、５０Ω以下である。第二の伝送線路４の特性インピーダンスＺ２を５０Ω以下とした場合、第二の伝送線路４は、回路上では、接地容量として機能する。したがって、第二の伝送線路４は、ワイヤ５によって生じる寄生インダクタンスを補償（ｂｕｉｌｄｉｎｇ  ｏｕｔ）することができ、特に、４５ＧＨｚ帯よりも低い周波数帯における反射特性を改善することができる。
【００５５】
第二の伝送線路４は、マイクロストリップ線路よりもグランド付コプレーナ線路である方が好ましい。第二の伝送線路４をマイクロストリップ線路によって形成した場合、高周波機能素子２の直下に形成された接地導体領域１２の高周波接地は、その直下に形成された接地導体領域１３のみから供給されることとなる。したがって、接地導体領域１２と接地導体領域１３とを接続する複数の接続用貫通導体１４の形成ばらつきによって、ワイヤ接続部の反射インピーダンス特性にばらつきが生じることとなる。しかし、第二の伝送線路４をグランド付コプレーナ線路とした場合、信号導体配線１６の両側に形成された接地導体領域１７を介して接地導体領域１２の高周波接地が強化されるので、反射インピーダンス特性にばらつきが低減できる。したがって、第二の伝送線路４は、グランド付コプレーナ線路であることが最も好ましい。図１Ａ〜Ｃでは、第二の伝送線路４は、信号導体配線１６と、接地導体領域１７，１５とから形成されるグランド付コプレーナ線路であるとしている。
【００５６】
本発明者は、第二の伝送線路４が、マイクロストリップ線路である場合の反射インピーダンス（Ｓ１１）と、グランド付コプレーナ線路である場合の反射インピーダンス（Ｓ１１）とを比較する電磁界シミュレーションを行った。図２は、当該比較シミュレーションに用いたグランド付コプレーナ線路の解析モデルを示す図である。なお、マイクロストリップ線路の解析モデルは、図２に図示されている接地導体領域１７が設けられていないものであるので図示を省略する。本発明者は、厚さ１２５ミクロン、誘電率３の液晶ポリマー材によって構成された誘電体基板１（一次実装基板）上のグランド付コプレーナ線路における信号導体配線１６をポート１とした。また、厚さ１００ミクロンのガリウム砒素基板上に形成された特性インピーダンスが５０Ωのマイクロストリップ線路をポート２とした。さらに、ポート１とポート２とを、径が２５ミクロンであるワイヤ５によって接続した。
【００５７】
図３Ａは、上記設定条件に基づいて、信号導体配線１６の線幅を１０００ミクロンとしたマイクロストリップ線路について、ワイヤ接続部における３ＧＨｚから７５ＧＨｚまでの反射インピーダンス（Ｓ１１）を示したスミス図表である。図３Ｂは、上記設定条件に基づいて、信号導体配線１６の線幅を６００ミクロンとしたグランド付コプレーナ線路について、ワイヤ接続部における３ＧＨｚから７５ＧＨｚまでの反射インピーダンス（Ｓ１１）を示したスミス図表である。
【００５８】
図３Ａおよび図３Ｂには、それぞれ、三通りのデータが示されている。三通りのデータの内、真ん中の中太実線で示したデータは、高周波機能素子２の直下に形成された周期４００ミクロンで配置された直径２８０ミクロンの複数の接続用貫通導体１４の中でも最もワイヤ接続部に近い接続用貫通導体１４が、高周波機能素子２の端部１８より距離３００ミクロン隔てて配置されている場合のデータである。紙面左側の点線で示したデータは、当該接続用貫通導体１４が高周波機能素子２の端部１８より距離３５０ミクロン隔てて配置されている場合のデータである。紙面右側の細線実線で示したデータは、当該接続用貫通導体１４が高周波機能素子２の端部１８より距離２５０ミクロン隔てて配置されている場合のデータである。すなわち、図３Ａおよび図３Ｂでは、接続用貫通導体７や接続用貫通導体１４の形成ばらつきによって生じるワイヤ接続部の反射インピーダンス特性のばらつきが示されていることとなる。図３Ａと図３Ｂとを比較すると分かるように、第二の伝送線路４をグランド付コプレーナ線路とした方が、第二の伝送線路４をマイクロストリップ線路した場合よりも、反射位相特性ばらつきの抑制という点で有利であることが分かる。
【００５９】
本発明の高周波回路において用いる、ワイヤ箇所において寄生インダクタンスが生じた場合の補償回路の構成原理についてスミス図表と呼ばれる図面を用いて説明する。スミス図表において、中心は５０Ωのインピーダンスを示しており、最も反射が少ない状態である。図の中心からの距離が大きいほど反射強度が強いことを示しており、反射がある回路に整合回路を設計して、図面中央へ反射インピーダンス特性を移動させなければならない。ここで、典型的なワイヤ箇所の反射インピーダンス特性が所定の周波数において図４において、点Ａに位置するものとする。ここで、ワイヤ部に５０Ωより低い特性インピーダンスの伝送線路を接続すると、点Ａは点Ｂ１へと移動する。また、ワイヤ部に５０Ωより高い特性インピーダンスの伝送線路を接続すると、点Ａは点Ｂ２へと移動する。この例から分かるように、伝送線路の特性インピーダンスは、反射インピーダンスをスミス図表で回転する際の回転中心の位置を制御する。５０Ωよりも低いインピーダンスの伝送線路が接続されたならば回転中心の位置は図表中央より左側であり、５０Ωよりも高いインピーダンスの伝送線路が接続されたならば回転中心の位置は図表中央より右側である。なお、回転の方向は常に時計回転方向である。また、回転する角度は伝送線路の電気長の二倍であり、周波数に比例する。
【００６０】
本発明の高周波回路は、ワイヤ箇所の反射インピーダンス点Ａを５０Ωに移動させるために、まず第二の伝送線路を５０Ω以下の特性インピーダンスへ設定して点Ｂへと移動させ、さらに第三の伝送線路を５０Ωより高い値に設定することにより図表の中心へと移動させる方法を採用する。
【００６１】
なお、第二の伝送線路４の電気長は、設計帯域の上限周波数において９０度以下であり、好ましくは４５度以下、さらに好ましくは３０度以下であると良い。スミス図表にワイヤ５の寄生インダクタンスにより生じる反射インピーダンス特性をプロットすると（点Ａ）、スミス図表の第一象限に位置する。より詳しくは、低周波帯域では９０度方向、高周波帯域ではその位相角度が低下する傾向を示す。第二の伝送線路により点Ｂに移動した後、５０Ωより高インピーダンスの第三の伝送線路によって、図表中央へと移動させる本発明の高周波回路においては、点Ｂは図表の第四象限に位置しなければならない。よって、点Ａから点Ｂへの移動回転角の最大値は１８０度であって、第二の伝送線路の電気長の最大値は原理的に９０度に設定される。
【００６２】
また、設計帯域の上限周波数においては、上述したようにワイヤの反射インピーダンスの位相条件は９０度よりも低くなりプラス４５度以下に位置することになる。また、高インピーダンスな第三の伝送線路によって図表中央に移動できる範囲を考慮すると、設計帯域の上限周波数において点Ｂはマイナス４５度付近に位置させることが好ましいことが分かる。これらの条件から、第二の伝送線路の果たす役割は、反射インピーダンスの点Ａから点Ｂへの角度にして９０度以下分の移動であり、伝送線路の電気長設定としては４５度以下が好ましいということになる。
【００６３】
また、具体的には、たとえば、６０ＧＨｚ程度の高周波数帯を設計帯域に含み、ワイヤ５の径を２５ミクロンとし、ワイヤ５の長さを３５０ミクロンとし、誘電体基板の誘電率を３とし、誘電体基板１の基板厚を１２５ミクロンとし、第二の伝送線路４が信号導体配線１６と両側の接地導体領域１７との間隙距離を１００ミクロンとするグランド付コプレーナ線路を用いた場合、ワイヤ５の反射インピーダンスの位相は、６０ＧＨｚにおいて、ほぼ０度にまで回転していることを本発明者は確かめた。より高い周波数帯域では、更なる位相の回転が生じ、反射インピーダンスの位相は０度を下回ることを本発明者は確かめた。広帯域特性を実現するために設計帯域の上限周波数における電気長を若干増大させるよう設計することがあったとしても、本発明の高周波回路において有利な特性を得るためには、第二の伝送線路４によって生じる回転角は、設計帯域の上限周波数において６０度以下とする設定が更に好ましく、よって、第二の伝送線路の電気長は設計帯域の上限周波数において３０度以下とする設定が特に好ましい。
【００６４】
また、第二の伝送線路４の特性インピーダンスは、５０Ω以下、より好ましくは５０Ω未満に設定される必要がある。５０Ωよりも高いインピーダンスの伝送線路が接続されると、ワイヤによって生じていた反射の強度増加を招いてしまうからである。より好ましくは、５０Ωよりも更に低い値が選択されるべきである。しかし、低インピーダンスの線路は広い回路面積を占有してしまう。さらには、信号導体配線１６の線路幅を極端に増加させた場合には、誘電体基板１をはさんで裏面に対向して形成される接地導体領域１５との間に高次モードが発生してしまう。これらの状況を抑制するための制限から、第二の伝送線路４の特性インピーダンスは通常２０Ω以上の値に設定される。
【００６５】
ワイヤ５による接続には、金などの導体を用いたウェッジボンドや、ボールボンドなどの通常のワイヤ接続技術が用いられてもよいし、インダクタンスの低減を図るためにリボン型の導体によってワイヤを構成する接続技術が用いられてもよいことはいうまでもない。また、高周波機能素子２の配置領域において誘電体基板１の表面を掘り込み、当該掘り込みに高周波機能素子２を埋め込んで、誘電体基板１の表面と高周波機能素子２の表面との高低差を減じ、第一および第二の伝送線路３，４間を接続するワイヤ５の長さを短くすることによって、ワイヤ５のインダクタンスを低減するようにしてもよいことはいうまでもない。
【００６６】
また、上記構成では、ワイヤ５の接続本数が一本である場合の高周波回路について説明しているが、ワイヤ５の接続本数は複数本であってよい。接続本数が複数に設定されれば、接続本数が一本であった場合と比較して、ワイヤ部の寄生インダクタンス回路が並列に複数配置された等価回路となり、透過的に寄生インダクタンスが低減される。この場合も、上述した回路構成や、設定条件によって、有利な効果を得ることが可能である。
【００６７】
次に、本発明の特徴点である第三の伝送線路６について説明する。第三の伝送線路６は、第二の伝送線路４とビアホール部１０とを接続する。図１Ａ〜Ｃにおいて、第三の伝送線路６は、信号導体配線１９と、接地導体領域１７，２０とからなる。信号導体配線１９は、誘電体基板１の上面に形成されている。信号導体配線１９の一端は、信号導体配線１６の一端に接続される。信号導体配線１９の他端は、上側導体ランド８に接続される。誘電体基板１の上面に形成された接地導体領域１７および下面に形成された接地導体領域２０は、上側導体ランド８および下側導体ランド９を接地しないように、それらの周辺には配置されていない。
【００６８】
このように、信号導体配線１９の周辺から接地導体領域１７，２０が遠くなることによって、信号導体配線１９および接地導体領域１７，２０からなる第三の伝送線路６は、高い特性インピーダンス、例えば１００Ω以上といった値の特性インピーダンスを得ることができる。
【００６９】
本発明の高周波回路において第三の伝送線路が果たす役割は、スミス図表において第四象限に位置している反射インピーダンス特性を、図表の中央に移動させることである。この点から、第三の伝送線路の特性インピーダンスは、高く設定されることが好ましい。特性インピーダンスが高い伝送線路を接続するほど、時計回転方向に反射インピーダンスを回転移動させる際の回転中心点をスミス図表の中央より右側の点に設定することが可能となる。これは、本発明の高周波回路において第三の伝送線路の特性インピーダンスを高く設定できるほど、強度が強い反射特性を有する回路を無反射に整合できることを意味する。また、本発明の高周波回路において第三の伝送線路の特性インピーダンスを高く設定できるほど、整合回路設計に余裕が生じるので、無反射整合条件が得られる周波数帯域を広帯域に拡張することが可能となる。
【００７０】
図５Ａおよび図５Ｂは、第三の伝送線路６の他の構成例を示す図である。図５Ａは、誘電体基板１の上面を示す図である。図５Ｂは、誘電体基板１のＣＤ線に添う断面図である。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、誘電体基板１の上面において、信号導体配線１９の両側には、接地導体領域を設けずに、誘電体基板１の下面において、接地導体領域２０を設けるだけの構成にしてもよい。このように、信号導体配線１９に隣接する接地導体領域を排除することによって、第三の伝送線路６の特性インピーダンスは、さらに高くなるので、より広帯域な低反射整合特性を実現することができる。このように、第三の伝送線路６は、上側導体ランド８と接続された信号導体配線１９と、誘電体基板１の下面において、信号導体配線１９と対向する領域以外に形成された接地導体領域２０とからなる伝送線路構造であることが好ましい。
【００７１】
図６Ａは、図５Ａおよび図５Ｂに示すような伝送線路構造を有する第三の伝送線路６およびマイクロストリップ線路の特性インピーダンスを、信号導体配線の線幅を変化させてプロットしたときのグラフである。ここで用いた第三の伝送線路６は、誘電率３、厚さ１２５ミクロンの液晶ポリマー材からなる誘電体基板１の上面に信号導体配線が形成され、下面に１０００ミクロンの間隔を介した接地導体領域２０が形成されている伝送線路構造を有する。また、ここで用いたマイクロストリップ線路は、同様の誘電体基板の上面に信号導体配線が形成され、下面一面に接地導体配線が形成されている通常のマイクロストリップ線路構造を有する。
【００７２】
図６Ａから分かるように、通常のマイクロストリップ線路では、信号導体配線幅を１２０ミクロンまで減じても特性インピーダンスが８０Ω未満であるのに対して、本発明の第三の伝送線路６では、信号導体配線幅を１２０ミクロンまで減じたら特性インピーダンスが１３０Ω近くまで増加する。これを別の観点から見ると、信号導体配線１９の線幅は、信号導体配線１６の線幅よりも細い方が好ましいことが分かる。
【００７３】
図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに示すような伝送線路構造を有する第三の伝送線路６の特性インピーダンスを、誘電体基板の誘電率を変化させてプロットしたときのグラフである。ここで用いた第三の伝送線路６は、厚さ１２５ミクロンの誘電体基板１の上面に信号導体配線が形成され、下面に１０００ミクロンの間隔を介した接地導体領域２０が形成されている伝送線路構造を有する。図６Ｂでは、信号導体配線幅を１２０ミクロンとした場合と、２００ミクロンとした場合との特性インピーダンスがプロットされている。
【００７４】
図６Ｂから分かるように、誘電体基板１の誘電率を低くするほど、特性インピーダンスを増加させることができる。なぜなら、誘電率が低いほど、信号導体配線１９と基板裏面の接地導体領域２０との間の容量が低減するために、特性インピーダンスが増加するからである。特に、誘電率が５以下である場合、特性インピーダンスが高くなるので、誘電体基板１には、誘電率が５以下の材料が用いられることが好ましい。
【００７５】
ビアホール部１０は、接続用貫通導体７と、上側導体ランド８と、下側導体ランド９とからなる。ビアホール部１０は、第三の伝送線路６と第四の伝送線路１１とを接続する。
【００７６】
第四の伝送線路１１は、信号導体配線２１と、接地導体領域２２，２３とからなる。信号導体配線２１は、誘電体基板１の下面に形成されている。信号導体配線２１の一端は、下側導体ランド９に接続される。
【００７７】
以下、本発明の実施形態において、ワイヤ部で生じる反射を低減する構造とその効果について、反射を低減する原理を基に説明する。
【００７８】
図７Ａは、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの電磁界解析結果を基にして分析したワイヤ接続部の等価回路を示す図である。図７Ａにおいて、コイルａは、ワイヤ５により生じるインダクタンスである。コイルｂは、図７Ｄに示されるワイヤ５と信号導体配線３ａとの接続部において、ワイヤ５の左側端５ａと右側端５ｂとの間に生じ得るインダクタンスである。コイルｃは、図７Ｅに示されるワイヤ５と第二の伝送線路４の信号導体配線１６との接続部において、ワイヤ５の左側端５ｃと右側端５ｄとの間に生じ得るインダクタンスである。抵抗ａは、ワイヤ５の抵抗である。抵抗ｂは、ワイヤ５から電磁波が漏洩するエネルギー損失を示す放射抵抗である。コンデンサａは、第一の伝送線路３と接地導体領域１２との間（厳密には、ワイヤ５と第一の伝送線路３との接続部におけるワイヤ５の左側端５ａより左側の第一の伝送線路３と接地導体領域１２との間）に生じる容量である。コンデンサｂは、第一の伝送線路３と接地導体領域１２との間（厳密には、ワイヤ５と第一の伝送線路３との接続部におけるワイヤ５の右側端５ｂより右側の第一の伝送線路３と接地導体領域１２との間）に生じる容量である。コンデンサｃは、第二の伝送線路４の信号導体配線１６と接地導体領域１７との間（厳密には、ワイヤ５と第二の伝送線路４との接続部におけるワイヤ５の左側端５ｃより左側の第二の伝送線路４と接地導体領域１７との間）に生じる容量である。コンデンサｄは、第二の伝送線路４の信号導体配線１６と接地導体領域１７との間（厳密には、ワイヤ５と第二の伝送線路４との接続部におけるワイヤ５の右側端５ｄより右側の第二の伝送線路４と接地導体領域１７との間）に生じる容量である。なお、解析モデルのポート、伝送線路、ワイヤなどの各設定に関しては、図２で示したのと同様である。図７Ａに示すように、ワイヤ接続部の等価回路は、ワイヤの寄生インダクタンス以外に、第一の伝送線路３との接続部におけるインダクタンス、第二の伝送線路４との接続部におけるインダクタンス、接地容量、ワイヤ部での導体抵抗、ワイヤ部での放射抵抗等が含まれた複雑な回路となる。
【００７９】
図７Ｂは、図７Ａに示した等価回路を簡略化した等価回路を示す図である。図７Ｂに示すように、当該等価回路は、ワイヤの寄生インダクタンス、および第二の伝送線路４とワイヤとの接続部における接地容量のみからなる回路で簡略化される。図７Ｃは、ワイヤ接続部の実構造の第二の伝送線路４側の端子から見た反射インピーダンス（Ｓ１１）の電磁界解析結果、および簡略化された等価回路の反射インピーダンス（Ｓ１１）を示す図である。図７Ｃに示すように、簡略化された等価回路は、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの超広帯域にわたって実構造の高周波特性をうまくモデリングしていることが分かる。したがって、以下の議論では、ワイヤ接続部を図７Ｂに示した等価回路で表すことによって、簡略化することができる。
【００８０】
図８Ａは、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの電磁界解析結果を基にして分析した、第三の伝送線路６、ビアホール部１０、および第四の伝送線路１１からなる回路ブロックの等価回路を示す図である。図８Ａに示す等価回路は、図７Ａに示す等価回路と同様、接続用貫通導体のインダクタンス以外に、上側導体ランド８が周辺の接地導体との間に生じる接地容量、下側導体ランド９が周辺の接地導体との間に生じる接地容量、上側導体ランド８と導体ランド間９との容量性の結合を示す容量、各配線でのインダクタンス、導体損失を反映する各抵抗、および誘電損失を反映する各抵抗が含まれた複雑な回路となる。分布定数線路ＴＲＬ３，ＴＲＬ４は、第三の伝送線路６および第四の伝送線路１１に相当する。
【００８１】
図８Ｂは、図８Ａに示した等価回路を簡略化した等価回路を示す図である。図８Ｂに示すように、当該等価回路は、接続用貫通導体部（ビアホール部１０）のインダクタンスと接地容量Ｃｇとを、分布定数線路ＴＲＬ４と分布定数線路ＴＲＬ３とが挟んだ回路で簡略化される。図８Ｃは、ビアホール部１０の実構造のＴＲＬ３側の端子から見た反射インピーダンス（Ｓ２２）の電磁界解析結果、および簡略化された等価回路の反射インピーダンス（Ｓ２２）を示す図である。図８Ｃに示すように、簡略化された等価回路は、３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの超広帯域にわたって実構造の高周波特性の傾向の再現に成功している。したがって、以下の議論では、第三の伝送線路６、ビアホール部１０、および第四の伝送線路１１からなる回路ブロックを図８Ｂに示した等価回路で表すことによって、簡略化することができる。
【００８２】
図９Ａは、以上の議論を基に構成した、本発明の第１の実施形態に係る高周波回路の全体構造の等価回路を示す図である。図９Ａに示す等価回路は、ワイヤ接続部の等価回路を端子ｐ２側に配置し、第四の伝送線路（ＴＲＬ４）１１、ビアホール部１０（図９Ａではコイルｂ）、および第三の伝送線路（ＴＲＬ３）６の等価回路を端子ｐ１側に配置し、両者の間に第二の伝送線路（ＴＲＬ２）４を配置した高周波回路となっている。ここで、第二の伝送線路４の特性インピーダンスを低く設定し、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを高く設定することにより、図９Ｂに示すようなＣＬＣＬ構造（Ｃ：容量、Ｌ：インダクタンス）の「典型的な」低域通過フィルタを形成することと同等となる。典型的な低域通過フィルタ特性に対して要求される最適設計パラメータを本発明の高周波回路構造内において実現することにより、広帯域で低反射な高周波回路が実現できることになる。
【００８３】
ここで、本発明の高周波回路において、ビアホール部１０の接続用貫通導体７から生じるインダクタンスは、第三の伝送線路６の高インピーダンス特性より生じるインダクタンスに加えることができる。したがって、典型的な低域通過フィルタ特性実現に対して要求される最適インダクタンスを実現するために必要な第三の伝送線路の線路長は、上記インダクタンスの分だけ省略することが可能となるので、回路占有面積の効率化が容易に達成できるという利点が生じる。
【００８４】
本発明者は、前述のワイヤ接続部の特性を例にして、ワイヤ５の寄生インダクタンスと各伝送線路とを整合させるためには、どの程度の回路パラメータが最適であるのかを、図９Ａに示す等価回路を用いて検討した。なお、第二の伝送線路４は、線路幅が６００ミクロンのグランド付コプレーナ線路であるとして、電磁界解析を行った。
【００８５】
本発明者は、図９Ａに示した等価回路において、３０ＧＨｚから６５ＧＨｚまでの帯域で、マイナス１５ｄＢ以上の反射強度を達成することを目的として、回路パラメータの値を見積もった。第二の伝送線路４（ＴＲＬ２）は、特性インピーダンスが３３Ωで、電気長が１２．５度であるとした。第三の伝送経路６（ＴＲＬ３）は、特性インピーダンスが１２０Ωで、電気長が１５．８度であるとした。接地容量Ｃｇは、０．０４５ｆＦであるとした。上記最適パラメータに設定した場合、３８ＧＨｚから６４ＧＨｚの周波数帯域においてマイナス１５ｄＢ以下の良好な反射特性を得ることができた。なお、ここで各伝送線路の電気長は、５０ＧＨｚに対する値である。ワイヤのインダクタンスが大きい場合の回路において整合をとるために第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）の特性インピーダンスが満たすべき値は、非常に大きい値でなければならないことが明らかとなった。
【００８６】
図６Ａに示すように、第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）の特性インピーダンスを大きくするには、信号導体配線１９の線幅を信号導体配線１６に比べて狭くするのが有効であることが分かる。また、図６Ｂに示すように、第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）の特性インピーダンスを大きくするには、誘電体基板１の誘電率を５以下とするのが有効であることが分かる。
【００８７】
高周波機能素子２とビアホール部１０とを接続する場合、ビアホール部１０を接地してはいけないので、ビアホール部１０の近傍には、接地導体領域が設けられない。そのため、必然的に、第三の伝送線路６において信号導体配線付近から距離を介して接地導体配線が配置されることとなるため、第三の伝送線路６の特性インピーダンスは容易に高く設定することが可能となる。したがって、第三の伝送線路６の特性インピーダンスが高くなる。本発明では、第三の伝送線路６の特性インピーダンスが必然的に高くなることをうまく利用して、ワイヤ接続部と各伝送線路との整合をとるようにしている。それゆえ、通常の配線ルールを変更することなく、ワイヤ接続部分における反射を防止することができる。結果、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる高周波回路を精度よく、かつ低コストで、信頼性高く提供することが可能となる。
【００８８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る高周波回路について説明する。第２の実施形態において、高周波回路を構成する要素は、第１の実施形態の場合と同様であるので、図１Ａ〜Ｄを援用することとする。第２の実施形態と第１の実施形態との相違点は、第四の伝送線路１１の少なくとも一部の領域の特性インピーダンスが、５０Ωより大きく設定される点である。
【００８９】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る高周波回路の等価回路を示す図である。図１０は、図９Ｂに示した第１の実施形態に係るＣＬＣＬ構造のフィルタ型等価回路に対して、高インピーダンスに設定された第四の伝送線路１１（ＴＲＬ４）を加えることによって、ＬＣＬＣＬ構造の低域通過フィルタと等価な回路構成を示している。これにより、低反射な特性を、さらに広い帯域に渡って実現することができる。
【００９０】
第四の伝送線路１１は、誘電体基板１の下面に形成された信号導体配線２１と、誘電体基板１の下面に形成された接地導体領域２３と、誘電体基板１の上面に形成された接地導体領域２２とからなる。接地導体領域２３は、信号導体配線２１の両側に間隙が設けられるようにして形成されている。接地導体領域２２は、上側導体ランド８と接触せず、かつ信号導体配線２１と対向する領域に設けられないように形成されている。
【００９１】
第四の伝送線路１１の特性インピーダンスは、５０Ωより大きく設定されることが好ましい。ビアホール部１０は接地されることがないので、第四の伝送線路１１の周辺にも、第三の伝送線路６と同様、接地導体領域が形成されないこととなる。したがって、一般的な構造の伝送線路と比較して、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを高く設定することが容易に可能となる。
【００９２】
本発明者は、図１０に示した等価回路において、３０ＧＨｚから６５ＧＨｚまでの帯域で、マイナス１５ｄＢ以下の反射強度を達成することを目的として、回路パラメータを見積もった。第二の伝送線路４（ＴＲＬ２）は、特性インピーダンスが２８Ωで、電気長が１５．２度であるとした。第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）は、特性インピーダンスが１２０Ωで、電気長が１９．４度であるとした。接地容量は、０．０５１ｆＦであるとした。第四の伝送線路１１（ＴＲＬ４）は、特性インピーダンスが９０Ωで、電気長が１８．２度であるとした。上記最適パラメータに設定した場合、３４ＧＨｚから６８ＧＨｚの周波数帯域においてマイナス１５ｄＢ以下の良好な反射強度を得ることができた。なお、ここで各伝送線路の電気長は、周波数５０ＧＨｚに対する値である。ワイヤのインダクタンスが大きい場合の回路において整合をとるために第四の伝送線路１１の特性インピーダンスが満たすべき値は、非常に大きい値でなければならないことが明らかとなった。
【００９３】
高周波機能素子２とビアホール部１０とを接続する場合、ビアホール部１０を接地してはいけないので、ビアホール部１０の近傍には、接地導体領域が設けられない。そのため、必然的に、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスが高くなる。本発明では、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスが必然的に高くなることをうまく利用して、ワイヤ接続部と各伝送線路との整合をとるようにしている。それゆえ、通常の配線ルールを変更することなく、ワイヤ接続部分における反射を防止することができる。結果、ワイヤによる接続部分における反射を防止することができる高周波回路を精度よく、かつ低コストで、信頼性高く提供することが可能となる。
【００９４】
なお、ここまでの説明では、等価回路上において、ビアホール部１０において生じる接地容量は、集中定数が一つキャパシタによって表されるとしてモデリングした。しかし、この接地容量を第三の伝送線路６よりは低いインピーダンスに設定される分布定数的な伝送線路として捉えることも可能である。いずれにせよ、回路設計において要求される接地容量が配線ルールによって規定される形状の導体ランドによって得られない場合には、自由に導体ランドの形状を変化させて所望の接地容量を得るよう調整することができる。
【００９５】
この場合、第四の伝送線路１１に接続される個所において、下側導体ランド９が近傍の接地導体領域との接地容量を増やすように配線されるのが好ましい。なぜなら、本発明には、接続用貫通導体７により生じるインダクタンスと第三の伝送線路６のインダクタンスとを合わせることによって、高性能な特性と回路省容積化とを同時に達成することができるという利点があるが、両回路の中間に配置される上側導体ランド８において接地容量が増加することは、第三の伝送線路６の特性インピーダンス低下に等価的に相当し、本発明の高周波回路の特性を維持するために好ましくないからである。
【００９６】
また、信号導体配線１９に対向する誘電体基板１の下面の領域に、下側導体ランド９を延長させることは、第三の伝送線路６の特性インピーダンス低下を招くこととなるので、本発明の高周波回路の特性を維持するためには好ましくない。
【００９７】
よって、本発明の第四の伝送線路１１を高いインピーダンスに設定することによって有利な効果を得る本発明の好ましい例では、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスが第四の伝送線路１１と下側導体ランド９との接続個所近傍で任意の距離だけ低く設定されたとしても、本発明の請求の範囲を外れるものではない。
【００９８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る高周波回路について説明する。第３の実施形態において、高周波回路を構成する要素は、第１の実施形態の場合と同様であるので、図１Ａ〜Ｄを援用することとする。第１および第２の実施形態との相違点は、ワイヤが接続される箇所において、第一の伝送線路３の特性インピーダンスが、５０Ωより低くに設定される点である。
【００９９】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る高周波回路の等価回路を示す図である。図１１は、図１０に示した第２の実施形態に係るＬＣＬＣＬ構造のフィルタ型等価回路に対して、低インピーダンスに設定された第一の伝送線路４のワイヤ接続部分を加えることによって、ＬＣＬＣＬＣ構造の低域通過フィルタと等価な回路構成を示している。これにより、低反射な特性を、さらに広い帯域に渡って実現することができる。
【０１００】
本発明者は、図１１に示した等価回路において、３０ＧＨｚから６５ＧＨｚまでの帯域で、マイナス１５ｄＢ以上の反射強度を達成することを目的として、回路パラメータを見積もった。第二の伝送線路４（ＴＲＬ２）は、特性インピーダンスが２８Ωで、電気長が１７．２度であるとした。第三の伝送線路６（ＴＲＬ３）は、特性インピーダンスが１２０Ωで、電気長が１９．４度であるとした。接地容量Ｃｇは、０．０５１ｆＦであるとした。第一の伝送線路３とワイヤ５との接続部からの長さが８０ミクロンまでの領域において、特性インピーダンスを３３オームに設定した。この場合、４０ＧＨｚから６４ＧＨｚまでの帯域においてマイナス１５ｄＢ以上の良好な反射特性を得ることができた。なお、ここで電気長は、５０ＧＨｚに対する値である。
【０１０１】
第一の伝送線路３の線路端において、特性インピーダンスを低下させるためには、オンウェハ状態での高周波コプレーナ型プローブを用いた高周波特性検査用のＧＳＧパッドを利用するとよい。図１２Ａは、高周波特性検査用のＧＳＧパッドの構成を示す図である。図１２Ａに示すように、ＧＳＧパッドは、第一の伝送線路３の線路端に配置された信号導体配線２４と、信号導体配線２４の両側に任意の間隙を介して設けられた接地導体領域２５とを有する。接地導体領域２５を信号導体配線２４に近接させることにより、グランド付コプレーナ線路としての特性インピーダンスが５０Ωよりも低くなる。
【０１０２】
例えば、厚さ１００ミクロンのガリウム砒素基板上における信号導体配線の線幅を５０ミクロンとして、当該信号導体配線の両端に接地導体領域を設けない場合、伝送線路構造はマイクロストリップ構造となる。この場合、特性インピーダンスは、７０Ω程度となる。一方、図１２Ａに示すように、グランド付コプレーナ線路構造として、信号導体配線と接地導体領域との間隙を２０ミクロンとした場合、特性インピーダンスは、３７Ω程度となる。このように、第一の伝送線路３をグランド付コプレーナ線路構造とすることによって、第一の伝送線路３の特性インピーダンスを低くすることができる。これによって、良好な反射特性を得ることができる。
【０１０３】
なお、図１２Ｂに示すように、接地導体領域２５との間に接地容量が生じることによって、信号導体配線２４に接続される主回路部２６の回路特性が劣化しないように、信号導体配線２４の線路端２７近傍における接地導体領域２５ａとの間隔Ｇ１を、主回路部２６近傍での間隔Ｇ２よりも短くすることが有効である。すなわち、信号導体配線２４の終端部分に向かうにつれて、信号導体配線２４と接地導体領域２５ａとの間隔が狭くなっていくことが有効である。
【０１０４】
なお、第３の実施形態では、図１１に示すように、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを等価回路に盛り込むこととしたが、第一の伝送線路３の特性インピーダンスのみを低くするようにしてもよい。
【０１０５】
なお、本発明の第１〜第３の実施形態における高周波回路において、第二の伝送線路４と第三の伝送線路６との接続部分など、各回路間の接続部分においては、伝送線路の特性インピーダンスが徐々に変化するように、配線幅を徐々に変化させたり、信号導体配線と周辺の接地導体領域との間隔を徐々に変化させるようにしてもよいことはいうまでもない。
【０１０６】
（実施例）
本発明者は、本発明の高周波回路の伝送特性を測定した。図１３は、測定に用いた評価用高周波回路の構成概略図である。図１３において、評価用高周波回路は、誘電体基板１と、誘電体基板１の上面に配置されたガリウム砒素基板２９と、蓋３３と、外部回路基板であるＢＴレジン基板３１とを備える。ガリウム砒素基板２９の上面には、マイクロストリップ線路３０が形成されている。誘電体基板１とマイクロストリップ線路３０とは、ワイヤ５を介して接続されている。マイクロストリップ線路３０、ワイヤ５、および誘電体基板１の接続部分は、本発明の高周波回路の構造に従った入出力部２８となっている。マイクロストリップ線路３０の特性インピーダンスは、５０Ωであるとした。マイクロストリップ線路としては、線路の長さが０．５ｍｍから５ｍｍまでの長さのものを０．２５ｍｍ刻みで用意した。ＢＴレジン基板３１の上面には、グランド付コプレーナ線路３２が形成されている。ＢＴレジン基板３１の厚さは２００ミクロンであるとした。
【０１０７】
測定は、ＢＴレジン基板３１上に形成されたグランド付コプレーナ線路３２上に高周波プローブを接続して行われた。測定の結果得られた複数データから数学的計算を行って、本発明の高周波回路部のみの特性を導出した。
【０１０８】
なお、誘電体基板１として、厚さが１２５ミクロン、上面および下面に厚さ４０ミクロンの銅配線を形成した液晶ポリマー基板が用いられた。当該液晶ポリマーの誘電率は３、誘電正接は約０．００３であった。
【０１０９】
ワイヤ５として、直径が２５ミクロンの金が用いられた。ワイヤ長の平均値は、３２０ミクロンであった。液晶ポリマー内部に形成された接続用貫通導体の直径は、２８０ミクロンであった。
【０１１０】
当該評価用高周波回路において、誘電体基板１の上下面に形成された接地導体領域間を接続する複数の接続用貫通導体１４は、４００ミクロンの周期で形成されている。ビアホール部１０における上側導体ランド８、下側導体ランド９は、半径３００ミクロンの導体領域であるとした。通常のプリント基板の配線ルールであるライン／スペース＝１００ミクロン／１００ミクロンを適用して、設計を行った。金属製の蓋３３でガリウム砒素基板２９を覆ってパッケージングした上で測定を行った。
【０１１１】
表１は、評価した高周波回路のパラメータを示す。
【表１】
2004075336.tif 000021
【０１１２】
実施例１では、第二の伝送線路４がマイクロストリップ線路であるとした。
【０１１３】
実施例２から実施例７、設計例１，２では、第二の伝送線路４がグランド付コプレーナ線路であるとした。
【０１１４】
実施例１から実施例３では、第三の伝送線路６において、信号導体配線１９の両側にそれぞれ４００ミクロンの間隔を介して接地導体領域１７を設けた。これによって、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを１１０Ωという高い値に設定した。
【０１１５】
実施例４および実施例５では、第三の伝送線路６として、図５に示されるような伝送線路を採用した。すなわち、信号導体配線１９の両側から接地導体領域１７が除去されている。誘電体基板１の下面における、信号導体配線１９の対向しない領域に、９００ミクロンの間隔を隔てて接地導体領域２０が形成されている。これによって、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを１３５Ωという高い値に設定した。
【０１１６】
実施例３および実施例５では、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを９０Ωという高い値に設定した。
【０１１７】
実施例６では、第一の伝送線路３のワイヤ接続部がＧＳＧ型のグランド付コプレーナ線路構造となるように、主信号線路の両側に幅２０ミクロンを介して接地パッドを設けた。これにより、信号伝送方向に対する長さが８０ミクロン分のパッド設置領域における第１の伝送線路３の特性インピーダンスは、３０Ωとなった。
【０１１８】
実施例７では、第一の伝送線路３の特性インピーダンスおよび線路構造を実施例６と同様にし、第二の伝送線路４の特性インピーダンスおよび線路構造を実施例２と同様にし、第三の伝送線路６の特性インピーダンスおよび線路構造を実施例４と同様にし、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスおよび線路構造を実施例３と同様にした。
【０１１９】
比較用の設計例１では、第二の伝送線路４の特性インピーダンスを６０Ωとして、５０Ω以上の値にした。
【０１２０】
比較用の設計例２では、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを４５Ωとして、５０Ω以下の値にした。
【０１２１】
従来技術を用いた比較例（表１には記載せず）として、誘電体基板上のグランド付コプレーナ線路とガリウム砒素基板上のマイクロストリップ線路とをワイヤで接続した高周波回路を用いた。当該グランド付コプレーナ線路は、低インピーダンス線路から高インピーダンス線路へとなるようにして設計されており、５０Ωに整合設計されたビアホール部に接続される。当該ビアホール部として、単体で、７０ＧＨｚまでマイナス１５ｄＢ以下の良好な反射損失特性を有するものを使用した。当該比較例では、本発明の実施例と同様に、測定して、測定の結果得られた複数データから数学的計算を行って、比較例の高周波回路部のみの特性を導出した。当該比較例では、グランド付コプレーナ線路における低インピーダンス線路の特性インピーダンスを２６Ωとし、電気長を２．５度とした。また、グランド付コプレーナ線路における高インピーダンス線路の特性インピーダンスを８０Ωとし、電気長を２８度とした。これらの値は、最適回路設計よって導出された。なお、高インピーダンス線路の特性インピーダンス７０Ωは、通常のプリント基板配線ルールよって限定される信号導体配線の配線幅の最小値１００ミクロンに基づいて決定される上限値である。
【０１２２】
図１４は、比較例における反射特性と本発明の実施例１における反射特性とを比較する図である。図１５は、比較例における反射特性と本発明の実施例３における反射特性とを比較する図である。なお、図１４および図１５には、信号導体配線幅を６００ミクロンとしたグランド付コプレーナ線路を第二の伝送線路４とした場合のワイヤ接続部単体の反射特性が点線で示されている。
【０１２３】
図１４において、マイナス１５ｄＢ以下の低反射特性が得られた周波数帯域について考える。比較例では、４４ＧＨｚから６１ＧＨｚまででしか、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られなかった。それに対し、実施例１では、４２ＧＨｚから６３ＧＨｚまで、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られた。
【０１２４】
また、図１４において、３０ＧＨｚ帯付近では、比較例および実施例１共に、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られていないが、比較例においては最悪値がマイナス１１．５ｄＢであるのに対し、実施例１では最悪値がマイナス１４ｄＢまで低反射特性が得られた。このように、実施例１では、広帯域に低反射が得られることが分かり、本発明の広帯域低反射特性の効果が証明された。
【０１２５】
また、比較例では、高インピーダンスな伝送線路の電気長が２８度必要だったのに対し、実施例１では、第三の伝送線路６の電気長は１３．２度しかない。したがって、実施例１は、比較例に比べて小型であることといえる。
【０１２６】
また、比較例では、高インピーダンス線路の終端部に更にビアホール部を追加せねばならないため、回路構造の省容積化には限界があった。しかし、本実施例では、第三の伝送線路６は、ビアホール部１０周辺の構成回路の一部となっているので、大幅に省容積化を図ることができるといえる。
【０１２７】
図１５において、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性が得られた周波数帯域について考える。比較例では、４４ＧＨｚから６１ＧＨｚまででしか、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られなかったのになかった。それに対し、実施例３では、３７．５ＧＨｚから６８ＧＨｚまで、マイナス１５ｄＢ以下の反射特性を得られた。このように、実施例１と実施例３とを比較すると分かるように、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを５０Ω以上とすることは、有効であることが証明された。
【０１２８】
実施例１〜実施例７、比較用の設計例１，２、および比較例において、低反射特性が得られた帯域を表２にまとめた。
【表２】
2004075336.tif 000022
【０１２９】
表２から分かるように、比較例と比べて、実施例１，３の他にも、実施例２，４，５，６，７においても、反射特性が改善されていることがわかった。特に、実施例７では、最も好ましい結果が得られた。実施例７では、１８ＧＨｚから７７ＧＨｚまでという超広帯域にわたってマイナス１５ｄＢ以下の反射特性が得られた。これによって、第二の伝送線路４の特性インピーダンスを５０Ω以下とし、第三の伝送線路６の特性インピーダンスを５０Ω以上とし、第四の伝送線路１１の特性インピーダンスを５０Ω以上とすることが最も効果的であることが立証された。
【０１３０】
一方、比較用の設計例１では、４９ＧＨｚから６０ＧＨｚまでの狭帯域でしか低反射特性が得られなかった。また、比較用の設計例２では、全ての帯域において、低反射特性を得ることができなかった。ちなみに、比較用の実施例では、最も低反射な特性が得られた周波数は５４ＧＨｚであって、そのときの反射強度はマイナス１４ｄＢであった。
【０１３１】
このように、従来の構成を有する高周波回路の比較例と、比較用の設計例と、本発明の高周波回路の実施例との特性比較によって、本発明の有益な効果が立証された。
【０１３２】
以上、本発明を詳細に説明してきたが、前述の説明はあらゆる点において本発明の例示にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明に係る高周波回路は、広帯域に渡って低反射を実現することができ、高周波機能素子がワイヤボンディングされる周辺部分等において有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る高周波回路の一例を示す断面概略図
【図１Ｂ】図１Ａに示す誘電体基板１の上面の配線パターンを示す図
【図１Ｃ】図１Ａに示す誘電体基板１の下面の配線パターンを示す図
【図１Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る高周波回路を構成するコンポーネントのブロック図
【図２】比較シミュレーションに用いたグランド付コプレーナ線路の解析モデルを示す図
【図３Ａ】信号導体配線１６の線幅を１０００ミクロンとしたマイクロストリップ線路について、ワイヤ接続部における３ＧＨｚから７５ＧＨｚまでの反射インピーダンス（Ｓ１１）を示したスミス図表
【図３Ｂ】信号導体配線１６の線幅を６００ミクロンとしたグランド付コプレーナ線路について、ワイヤ接続部における３ＧＨｚから７５ＧＨｚまでの反射インピーダンス（Ｓ１１）を示したスミス図表
【図４】本発明の高周波回路において用いる、ワイヤ箇所において寄生インダクタンスが生じた場合の補償回路の構成原理を説明するための図
【図５Ａ】第三の伝送線路６の他の構成例を示す上面図
【図５Ｂ】第三の伝送線路６の他の構成例を示す断面図
【図６Ａ】図５Ａおよび図５Ｂに示すような伝送線路構造を有する第三の伝送線路６およびマイクロストリップ線路の特性インピーダンスを、信号導体配線の線幅を変化させてプロットしたときのグラフ
【図６Ｂ】図５Ａおよび図５Ｂに示すような伝送線路構造を有する第三の伝送線路６の特性インピーダンスを、誘電体基板の誘電率を変化させてプロットしたときのグラフ
【図７Ａ】３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの電磁界解析結果を基にして分析したワイヤ接続部の等価回路を示す図
【図７Ｂ】図７Ａに示した等価回路を簡略化した等価回路を示す図
【図７Ｃ】ワイヤ接続部の実構造の第二の伝送線路４側の端子から見た反射インピーダンス（Ｓ１１）の電磁界解析結果、および簡略化された等価回路の反射インピーダンス（Ｓ１１）を示す図
【図７Ｄ】ワイヤ５と信号導体配線３ａとの接続部分を示す図
【図７Ｅ】ワイヤ５と信号導体配線１６との接続部分を示す図
【図８Ａ】３ＧＨｚから８１ＧＨｚまでの電磁界解析結果を基にして分析した、第三の伝送線路６、ビアホール部１０、および第四の伝送線路１１からなる回路ブロックの等価回路を示す図
【図８Ｂ】図８Ａに示した等価回路を簡略化した等価回路を示す図
【図８Ｃ】ビアホール部１０の実構造のＴＲＬ３側の端子から見た反射インピーダンス（Ｓ２２）の電磁界解析結果、および簡略化された等価回路の反射インピーダンス（Ｓ２２）を示す図
【図９Ａ】本発明の第１の実施形態に係る高周波回路の全体構造の等価回路を示す図
【図９Ｂ】形成されるＣＬＣＬ構造の低域通過フィルタを示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る高周波回路の等価回路を示す図
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る高周波回路の等価回路を示す図
【図１２Ａ】高周波特性検査用のＧＳＧパッドの構成を示す図
【図１２Ｂ】信号導体配線２４の終端部分に向かうにつれて、信号導体配線２４と接地導体領域２５ａとの間隔が狭くなっていくようにＧＳＧパッドを構成したときの図
【図１３】実施例の測定に用いた評価用高周波回路の構成概略図
【図１４】比較例における反射特性と本発明の実施例１における反射特性とを比較する図
【図１５】比較例における反射特性と本発明の実施例３における反射特性とを比較する図
【図１６Ａ】従来の高周波パッケージが外部回路基板に表面実装された場合の構成概略を示す断面図
【図１６Ｂ】図１６Ａに示す誘電体基板１の上面の配線パターンを示す図
【図１６Ｃ】図１６Ａに示す誘電体基板１の下面の配線パターンを示す図
【符号の説明】
【０１３５】
１  誘電体基板
２  高周波機能素子
３  第一の伝送線路
３ａ、１６、１９、２１、２４、３４、３６、３９  信号導体配線
４、ＴＲＬ２  第二の伝送線路
５  ワイヤ
５ａ、５ｃ  ワイヤ５の左側端
５ｂ、５ｄ  ワイヤ５の右側端
６  第三の伝送線路
７  接続用貫通導体
８  上側導体ランド
９  下側導体ランド
１０  ビアホール部
１１  第四の伝送線路
１２、１３、１５、１７、２０、２２、２３、２５、２５ａ  接地導体領域
１４  複数の接続用貫通導体１４
１８  高周波機能素子２の端部
２６  主回路部
２７  信号導体配線２４の線路端
２８  入出力部
２９  ガリウム砒素基板
３０  マイクロストリップ線路
３１  ＢＴレジン基板
３２  グランド付コプレーナ線路
３３  金属製の蓋
３５  接地導体層
３７、４０  接地導体配線
３８  外部回路基板
４１  半田
ＴＲＬ３、ＴＲＬ４  分布定数線路
Ｐ１、Ｐ２  端子
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2004075336.tif 000023
【図１Ｂ】
2004075336.tif 000024
【図１Ｃ】
2004075336.tif 000025
【図１Ｄ】
2004075336.tif 000026
【図２】
2004075336.tif 000027
【図３Ａ】
2004075336.tif 000028
【図３Ｂ】
2004075336.tif 000029
【図４】
2004075336.tif 000030
【図５Ａ】
2004075336.tif 000031
【図５Ｂ】
2004075336.tif 000032
【図６Ａ】
2004075336.tif 000033
【図６Ｂ】
2004075336.tif 000034
【図７Ａ】
2004075336.tif 000035
【図７Ｂ】
2004075336.tif 000036
【図７Ｃ】
2004075336.tif 000037
【図７Ｄ】
2004075336.tif 000038
【図７Ｅ】
2004075336.tif 000039
【図８Ａ】
2004075336.tif 000040
【図８Ｂ】
2004075336.tif 000041
【図８Ｃ】
2004075336.tif 000042
【図９Ａ】
2004075336.tif 000043
【図９Ｂ】
2004075336.tif 000044
【図１０】
2004075336.tif 000045
【図１１】
2004075336.tif 000046
【図１２Ａ】
2004075336.tif 000047
【図１２Ｂ】
2004075336.tif 000048
【図１３】
2004075336.tif 000049
【図１４】
2004075336.tif 000050
【図１５】
2004075336.tif 000051
【図１６Ａ】
2004075336.tif 000052
【図１６Ｂ】
2004075336.tif 000053
【図１６Ｃ】
2004075336.tif 000054
【国際調査報告】
2004075336.tif 000055
2004075336.tif 000056
2004075336.tif 000057
2004075336.tif 000058