(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１層または複数の誘電体層を積層してなる誘電体基板と、少なくとも１層の誘電体層の上面と下面に平行に設けられた一対の導体層と、該導体層間を電気的に接続し且つ線路方向に信号波長の１／２未満の間隔をもって２列に配列された側壁用ビアホール導体群とを具備する積層型導波管を具備し、前記誘電体基板の側面に前記積層型導波管の露出面が露出しており、該露出面近傍の前記誘電体基板底面に、外部回路基板表面に実装するための接続パッドを具備してなる２つの配線基板を、
該２つの配線基板のうちの一方の配線基板に設けられた第１の接続パッドに対応する第２の接続パッドと、他方の配線基板に設けられた第３の接続パッドに対応する第４の接続パッドとが表面に形成された外部回路基板上に、
前記第１の接続パッドと前記第２の接続パッドとを接着材で接続固定するとともに前記第３の接続パッドと前記第４の接続パッドとを接着材で接続固定し、前記積層型導波管の露出面同士を当接させるように載置してなる配線基板モジュールであって、
前記２つの配線基板の前記露出面を当接させたときの前記第１の接続パッドと前記第３の接続パッドとの間の距離に対して、前記外部回路基板表面に形成された前記第２の接続パッドと前記第４の接続パッドとの間の距離が短いことを特徴とする配線基板モジュール。
【請求項２】
前記第１の接続パッドと前記第２の接続パッドとをろう材で接続固定するとともに前記第３の接続パッドと前記第４の接続パッドとをろう材で接続固定したことを特徴とする請求項１記載の配線基板モジュール。
【請求項３】
前記２つの配線基板の露出面のうち少なくとも一方の露出面に切り欠き部を形成してなり、該切り欠き部に誘電性接着材を充填し、前記露出面同士を前記接着材によって接着してなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の配線基板モジュール。
【請求項４】
前記切り欠き部に充填される誘電性接着材の誘電率ε１が、前記２つの配線基板の誘電体基板の比誘電率の平均値ε０に対して、０．５〜２倍であることを特徴とする請求項３記載の配線基板モジュール。
【請求項５】
前記誘電性接着材が、有機樹脂とセラミックスとの複合材料からなることを特徴とする請求項３または請求項４記載の配線基板モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波の周波数領域に使用され、所定の外部回路基板に実装可能な配線基板と、複数の配線基板を組み合わせた配線基板モジュールに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報伝達に用いられる電波は１〜３０ＧＨｚのマイクロ波領域から、更に３０〜３００ＧＨｚのミリ波領域の周波数まで活用することが検討されており、例えば、車間レーダーのようなミリ波の電波を用いた応用システムも提案されるようになっている。
【０００３】
このような高周波用のシステムにおいては、周波数が高いことにより、高周波信号の減衰が大きく、高周波信号が通る経路にはすべて低損失材料による伝送線路が用いられている。このことから従来、高周波素子を高純度アルミナのような誘電正接が小さい材料で構成した配線基板に搭載収納し、また同様の材料で接続基板を作製して、それらを金属匡体に接合、接続したマルチチップモジュールが構成されていた。
【０００４】
図７は、そのようなマルチチップモジュールの構造を説明するための概略断面図である。図７によれば、マルチチップモジュール６０は、金属匡体６１、蓋体６２とその内部の複数の高周波素子６３、接続基板６４、導波管変換用マイクロストリップ線路基板６５から構成されている。それぞれの高周波素子６３は接続基板６４や導波管変換用マイクロストリップ線路基板６５とワイヤーボンディングによって接続されている。金属匡体６１には導波管開口が形成されており、この導波管開口には気密封止のために誘電体窓６６がろうう付けされている。接続用導波管６７は金属匡体６１の導波管開口に接続されている。
【０００５】
このようなマルチチップモジュールにおいては、多数の高周波素子を１つの金属匡体に搭載するために、金属匡体のサイズが大きくなってしまい、金属匡体や蓋体の変形等による気密封止が損なわれたり、１つのモジュールを形成するのに、配線と高周波素子と個々に金リボンなどを用いて接続する必要があるために、１箇所の接続不良の発生によっても不良となるために、モジュールの製造の歩留まりに問題があった。
【０００６】
このような問題を解消するために、複数の高周波素子を独立した複数のパッケージ内にそれぞれに気密に収納し、その複数のパッケージを所定のモジュール用基板の表面に実装してモジュールを構成することも提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高周波素子を搭載したパッケージなどの配線基板をモジュール用基板に表面実装してなる配線基板モジュールの場合、配線基板同士をモジュール用基板表面に形成された配線層を経由して信号の伝達を行うが、信号周波数が高いと、配線基板とモジュール用基板の配線層との接続部で高周波信号が反射してしまい、高周波信号が減衰しやすいという問題があった。また、モジュール用基板を構成するガラス−エポキシ樹脂等の複合材料を絶縁基板とする基板は、誘電正接が大きいために、モジュール用基板表面でも高周波信号が減衰してしまい、高周波域で使用可能な配線基板モジュールの実現が非常に難しいものであった。
【０００８】
従って、本発明は、ガラス−エポキシ樹脂等の一般の安価な基板をモジュール用基板とすることが可能であって、モジュール用基板表面の配線層を経由することなく、高周波素子を搭載した配線基板間での伝送が可能な配線基板モジュールを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１層または複数の誘電体層を積層してなる誘電体基板と、少なくとも１層の誘電体層の上面と下面に平行に設けられた一対の導体層と、該導体層間を電気的に接続し且つ線路方向に信号波長の１／２未満の間隔をもって２列に配列された側壁用ビアホール導体群とを具備する積層型導波管を具備し、前記誘電体基板の側面に前記積層型導波管の露出面が露出しており、該露出面近傍の前記誘電体基板底面に、外部回路基板表面に実装するための接続パッドを具備してなる２つの配線基板を、前記２つの配線基板のうちの一方に設けられた第１の接続パッドに対応する第２の接続パッドと、他方に設けられた第３の接続パッドに対応する第４の接続パッドとが表面に形成された外部回路基板上に、前記第１の接続パッドと前記第２の接続パッドとを接着材で接続固定するとともに前記第３の接続パッドと前記第４の接続パッドとを接着材で接続固定し、前記積層型導波管の露出面同士を当接させるように載置してなる配線基板モジュールであって、前記２つの配線基板の前記露出面を当接させた時の前記第１の接続パッドと前記第３の接続パッドとの間の距離に対して、前記外部回路基板表面に形成された前記第２の接続パッドと前記第４の接続パッドとの間の距離が短いことを特徴とするものである。
【００１１】
上記の構成においては、一方の配線基板に設けられた第１の接続パッドと外部回路基板に設けられた第２の接続パッドとをろう材で接続固定するとともに他方の配線基板に設けられた第３の接続パッドと外部回路基板に設けられた第４の接続パッドとをろう材で接続固定し、前記２つの配線基板の前記露出面を当接させた時の前記第１の接続パッドと前記第３の接続パッドとの間の距離に対して、前記第２の接続パッドと第４の接続パッドとの間の距離を短くすることによって、前記露出面同士を互いに押し合う応力が発生し、配線基板間の結合性を高めることができる。
【００１２】
また、前記２つの配線基板の露出面のうち少なくとも一方の露出面に切り欠き部を形成してなり、該切り欠き部に誘電性接着材を充填し、前記露出面同士を前記接着材によって接着することにより、さらに高い結合性が得られる。但し、切り欠き部に充填される誘電性接着材の誘電率ε1は、有機樹脂とセラミックスとの複合材料によって形成して、前記２つの配線基板の誘電体基板の比誘電率の平均値ε0に対して、０．５〜２倍であることが接着材による結合性の向上を図る上で望ましい。
【００１３】
本発明によれば、配線基板の側面に積層型導波管の終端を露出させ、この露出面同士を互いに当接させてモジュール用基板表面に表面実装することにより、マイクロ波やミリ波などの高周波信号をモジュール用基板との接続部や配線層を経由せずに一方の配線基板から他方の配線基板に直接伝送できるために、モジュール用基板の誘電正接や誘電率に関係なく、配線基板間の良好な高周波伝送を実現することができる。また、本発明によれば、表面実装する接続パッドの位置や、当接する露出面の一方に切り欠き部を設け、所定の誘電性を有する接着材を充填することによってさらに良好な伝送特性を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板モジュールを図面に基づき詳述する。
【００１５】
図１は、本発明の配線基板モジュールに用いられるの配線基板の一例を説明するための（ａ）概略底面図と、（ｂ）側面図を示す。
【００１６】
図１に示す配線基板Ａは、１層または複数の誘電体層を積層してなる誘電体基板１の少なくとも１層の誘電体層の上面と下面に平行に一対の導体層２，３が設けられており、この導体層２，３は、線路方向に信号波長の１／２未満の間隔をもって２列に配列された側壁用ビアホール導体４群によって電気的に接続されており、導体層２，３および側壁用ビアホール導体４を導波管壁として機能することによって、いわゆる積層型構造の誘電体導波管５（以下、積層型導波管という。）を形成している。この積層型導波管５は、誘電体基板１の誘電率、厚さ、２列のビアホール導体４列間隔を調整することにより、配線基板内にて必要な周波数の高周波信号を伝送することが可能になる。
【００１７】
また、本発明によれば、積層型導波管５の終端を配線基板Ａの側面に露出させ、この露出面６を配線基板との結合面とするものである。そして、この露出面６には、配線基板と接続させるための接着材を充填するための切り欠き部７が形成されていることが望ましい。
【００１８】
また、この配線基板Ａの露出面の近傍の底面には、後述する外部回路基板（モジュール用基板）に実装するための接続パッド８が積層型導波管５を挟む両側に形成されている。
【００１９】
次に、図２は、この配線基板Ａを実装する外部回路基板（モジュール用基板Ｂ）の平面図である。このモジュール用基板Ｂにおける誘電体基板１０の表面には、配線基板Ａの底面に形成された第１の接続パッド８ａ，８ｂと接続される第２の接続パッド１１ａ，１１ｂが設けられている。なお、この誘電体基板１０の表面には、配線基板Ａと同様の構造を有する配線基板Ａ’を実装するための第４の接続パッド１１ａ’，１１ｂ’が第３の接続パッド１１ａ，１１ｂと対向して設けられている。
【００２０】
また、第２の接続パッド１１ａ，第４の接続パッド１１ａ’と、第２の接続パッド１１ｂ，第４の接続パッド１１ｂ’との間には、配線基板Ａ、Ａ’の積層型導波管５の導体層２同士を電気的に接続するために、積層型導波管５におけるビアホール導体４の列間距離相当の幅を有する導体層１２が設けられている。
【００２１】
次に、図３に、本発明の配線基板モジュールとして、図１の配線基板Ａと同様な構造の配線基板Ａ，Ａ’を図２のモジュール用基板Ｂの表面に実装した配線基板モジュールの（ａ）概略平面図と、（ｂ）Ｘ1−Ｘ1断面図、（ｃ）Ｘ2−Ｘ2断面図を示す。
【００２２】
この図３に示す配線基板モジュールによれば、配線基板Ａ、Ａ’の第１の接続パッド８ａ，８ｂ、第３の接続パッド８ａ’，８ｂ’は、モジュール用基板Ｂの第２の接続パッド１１ａ，１１ｂ、第４の接続パッド１１ａ’、１１ｂ’とろう材１４によって接続固定される。合わせて、配線基板Ａ、Ａ’の導体層２、２’は、導体層１２に対してろう材１５によって電気的に接続されるとともにモジュール用基板Ｂに接続固定される。
【００２３】
また、本発明によれば、モジュール用基板Ｂの第２の接続パッド１１ａ−第４の接続パッド１１ａ’、第２の接続パッド１１ｂ−第４の接続パッド１１ｂ’間の最短距離Ｌ１が、配線基板Ａ、Ａ’の露出面を当接させた時の第１の接続パッド８ａ−第３の接続パッド８ａ’、第１の接続パッド８ｂ−第３の接続パッド８ｂ’間の最短距離Ｌ２よりも狭く形成されていることが望ましい。この接続パッド同士のずれによって、セルフアライメントの応力が、２つの配線基板Ａ、Ａ’の露出面同士を互いに圧縮するように働くために、露出面同士の結合性を高めることができる。
【００２４】
なお、この配線基板Ａ、Ａ’の露出面の当接部には実質的に隙間が存在しないことが望ましいが、この隙間に接着材を入れて露出面同士を接着固定することもできる。
【００２５】
また、図４は、本発明の配線基板モジュールに用いられる配線基板の例を説明するための（ａ）概略底面図と、（ｂ）概略側面図と、（ｃ）配線基板モジュールの平面図である。なお、図１〜図３の例と同一の部分には同一の符号を付した。
【００２６】
この図４の配線基板Ａ２においては、図１の配線基板Ａにおける露出面６に三角形の切り欠き部７が形成されている。そして、この切り欠き部７には、図４（ｂ）に示すように、誘電性接着材１３が充填され、これによって、配線基板Ａ２、Ａ２’の結合性をさらに高めることができる。この切り欠き部７は、図４では配線基板Ａ２，Ａ２’の両方の露出面に設けられているが、この切り欠き部７は、配線基板Ａ２，Ａ２’のいずれか一方でもよい。
【００２７】
また、この切り欠き部７に充填する誘電性接着材１３の比誘電率ε1が、配線基板Ａ２，Ａ２’の誘電体基板１を構成する誘電体基板１、１’の比誘電率の平均値ε0に対して０．５〜２倍であることが望ましく、この接着材の比誘電率が上記の範囲から逸脱すると露出面６で反射し、配線基板Ａ２，Ａ２’間の高周波信号の伝送特性に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００２８】
図５、図６は、いずれも本発明の配線基板モジュールに用いられるさらに他の配線基板を示すもので、ぞれぞれ（ａ）は概略平面図、（ｂ）概略側面図を示す。図５の配線基板Ａ３によれば、図２の積層型導波管５が形成された配線基板Ａ２の上面側および下面側にさらに、誘電体層１７、１８が積層形成されている。そして、この配線基板Ａ３の誘電体層１８の下面に導体層１９が形成され、積層型導波管５をビアホール導体４が延設されてこの導体層１９と接続されている。この配線基板Ａ３の積層型導波管５の露出面６には、誘電体層１７および積層型導波管５にＭ字型の切り欠き部２０が形成されており、誘電体層１８の切り欠き部２０に面する段差面には、この接続部から高周波信号が洩れないように導体層２１が形成されている。
【００２９】
また、切り欠き部の形状としては、図６の配線基板Ａ４に示すように、積層型導波管５の露出面のみに切り欠き部２２を形成し、積層型導波管５を挟む誘電体層１７、１８の少なくとも一方の誘電体層１７に露出面を当接させた後に接着材を注入するための注入孔２３を形成することもできる。この場合も、切り欠き部２２に面する段差面には、導体層２４を形成するのが好ましい。
【００３０】
本発明の上記の構成により、マイクロ波やミリ波の高周波信号を、配線基板Ａの側面に形成された露出面６から、これに当接する他方の配線基板Ａ’の露出面を経由して、配線基板Ａから配線基板Ａ’に直接伝送することができる。そのために、モジュール用基板Ｂの誘電体基板１０の誘電体特性やデザインルールとは無関係に配線基板Ａ，Ａ’間で良好な高周波伝送が可能になる。
【００３１】
上記の本発明の配線基板モジュ―ルにおいては、誘電体基板１は、セラミックスまたは有機樹脂、あるいはそれらの複合体からなる構成することができるが、特に、伝送特性の点から低誘電損失材料からなることが望ましく、特にセラミックスからなることが望ましい。
【００３２】
セラミックスとしては、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4などのセラミック材料や、ガラス材料、あるいはガラスとＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯなどの無機質フィラーとの複合体からなるガラスセラミック材料により形成でき、これらの原料粉末を用いて所定の基板形状に成形した後、焼成することにより形成される。また、有機樹脂としては、有機系材料からなるプリント基板やテフロン基板によって形成することができる。
【００３３】
また、各種の導体層２、３やビアホール導体４は、タングステン、モリブデンなどの高融点金属や、金、銀、銅などの低抵抗金属などにより形成することができ、これらは、用いる基板材料に応じて適宜選択して、従来の積層技術をもって一体的に形成することができる。
【００３４】
例えば、基板をＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4などのセラミック材料により形成する場合には、タングステン、モリブデン等の高融点金属を用いて未焼成体に印刷塗布して、１５００〜１９００℃の温度で焼成すればよく、基板をガラス材料、ガラスセラミック材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いて同様にして８００〜１１００℃の温度で焼成することにより作製できる。なお、基板を有機樹脂を含む絶縁材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いてペーストを塗布するか、金属箔を接着することにより線路やグランド層を形成することができる。また、ビアホール導体は、焼成前の成形体に貫通孔を形成して導体ペーストを充填し、成形体と同時に上記と同様にして焼成することによって形成できる。
【００３５】
また、モジュール用基板も、セラミックスまたは有機樹脂、あるいはそれらの複合体からなる構成することができるが、本発明の配線基板モジュールによれば、モジュール用基板表面にて高周波信号を伝送させることがないために、比較的誘電損失が大きい有機樹脂を含む、例えばガラス−エポキシ樹脂複合材料からなるものであってもよい。
【００３６】
なお、本発明の配線基板モジュールは、１０ＧＨｚ以上、特に３０ＧＨｚ以上、さらには６０ＧＨｚ以上の周波数の信号の伝送に対して特に有効である。
【００３７】
【実施例】
本発明の効果を確認すべく、以下の実験を行なった。まず、焼成後、１０ＧＨｚにおける誘電正接が０．０００６、比誘電率９のアルミナセラミックスのグリーンシートと、タングステンメタライズインクを用いて、通常の積層、同時焼成技術によって図１、図４に示した各配線基板を作製し、図１、図４のようにして配線基板モジュールを作製した。なお、配線基板同士の当接面と反対側の露出面には、標準導波管ＷＲ−１０の開口と同じ開口を有する金具をそれぞれ銀ろうでろう付けした。ろう付け後、ニッケル、金めっき加工を施した。
【００３８】
一方、外部回路基板となるモジュール用基板として、図２に示したような導体パターンを具備するガラスエポキシ樹脂複合材料からなるプリント板ＦＲ−４を用いた。
【００３９】
そして、上記のプリント基板の接続パッドに印刷法で錫−銀−銅系のハンダペーストを印刷し、上記の２つの配線基板の切り欠き部を形成した露出面同士を当接させた状態でリフローで実装して評価用サンプルとした。
【００４０】
なお、配線基板の露出面同士を当接させた時の接続パッド間を３ｍｍに設定し、これに対してモジュール用基板側の接続パッド間の最短距離を２ｍｍに設定した。
【００４１】
なお、切り欠き部には、リフロー実装後に、比誘電率が９の熱硬化性樹脂−チタン酸ストロンチウム粉末を混合した複合材料を充填した。
【００４２】
評価用の配線基板における当接部とは反対側の露出面に測定用導波管を接続し、７６ＧＨｚにおける挿入損失を測定して配線基板の当接部の損失を見積った。その結果、７６ＧＨｚにおける当接部の損失は、切り欠き部を形成しない配線基板を用いた配線基板モジュールでは約１．８ｄＢ、切り欠き部を形成した配線基板を用いた配線基板モジュールでは約１．１ｄＢであり、いずれも実用的なモジュールを作製する上で充分に小さい損失であることを確認した。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板モジュールによれば、高周波信号をモジュール用基板を経由せずに配線基板からもう１つの配線基板に直接伝送し、モジュール用基板の誘電正接や誘電率などの誘電特性に関係なく、配線基板間の良好な高周波伝送を実現することができ、安価なモジュール用基板の使用と、表面実装による量産性の向上により、特性が良好でかつローコストな配線基板モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板モジュールに用いられる配線基板の一例を説明するための（ａ）概略底面図と、（ｂ）概略側面図である。
【図２】本発明の配線基板モジュールに用いられるモジュール用基板の平面図である。
【図３】本発明の配線基板モジュールの（ａ）概略平面図、（ｂ）Ｘ１−Ｘ１断面図、（ｃ）Ｘ２−Ｘ２断面図である。
【図４】本発明の配線基板モジュールに用いられる配線基板の例を説明するための（ａ）概略底面図、（ｂ）概略側面図、（ｃ）配線基板モジュールの平面図である。
【図５】本発明の配線基板モジュールに用いられる配線基板のさらに例を説明するための（ａ）概略底面図、（ｂ）概略側面図である。
【図６】本発明の配線基板モジュールに用いられる配線基板のさらに例を説明するための（ａ）概略底面図、（ｂ）概略側面図である。
【図７】従来のマルチチップモジュールの構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
１  誘電体基板
２，３  導体層
４  ビアホール導体
５  積層型導波管
６  露出面
７  切り欠き部
８ａ、８ｂ 第１の接続パッド
８ａ’、８ｂ’ 第３の接続パッド
１０  誘電体基板
１１ａ、１１ｂ 第２の接続パッド
１１ａ’、１１ｂ’ 第４の接続パッド
１２  導体層
１３  接着材
Ａ  配線基板
Ｂ  モジュール用基板
【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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