マイクロ波技術 - ロジャーズRO 4003 C及びアルミナセラミック回路

本文はRogers RO 4003 C+アルミナセラミック材料がミリ波機能回路を実現するPCB設計思想を紹介した。

集積回路の薄膜回路プロセスは主にマイクロ波やミリ波などの高周波回路分野に用いられ、真空蒸発、スパッタリング、めっき、エッチングなどの方法を利用して研磨された基板上に導体配線、抵抗器、絶縁誘電膜を作製する。その特徴は生産精度が高く、金属線の幅と間隔は10 um（それに応じて、ほとんどのPCBメーカーが実現した最小線幅と間隔は100 um）であり、抵抗器、コンデンサ、インダクタ、エアブリッジなどの受動素子を集積することができることである。薄膜回路で最も一般的な基板材料はセラミックス、サファイア、石英、ガラスなどである。それらは高い誘電率と周波数安定性のため、小型化回路と広帯域回路に非常に適している。高周波PCBを基板とするPCBは、電子部品の電気的接続のためのキャリアとして用いられ、信号伝送路（マイクロストリップ線、リボン線、共平面導波路など）のマトリックスとしてだけでなく、高密度能動デバイスのキャリアとしても用いられる。また、薄膜回路技術と結合して、薄膜回路をPCB回路に導入し、両者の利点を結合して、回路の応用範囲を広げることもできる。私は薄膜技術で作られたセラミック基板を高周波板RO 4003 Cで作られたマイクロ波回路基板に埋め込み、より細かい寸法が要求される受動デバイスを実現し、チップパッケージデバイスを使用できるようにしようとした。

67 GHz伝送路パラメータ（GCPW）

アルミナセラミックスまたは石英基板上に薄膜技術を用いることで、ミリ波帯における受動回路素子（フィルタ、パワーディスペンサ、カプラなどを含む）を容易に実現でき、パッド表面実装またはフリップチップ素子を製造でき、寸法を縮小することができる。ミリ波帯域内の平面回路は高度差に極めて敏感であるため、受動回路素子で製造されたセラミックスと石英基板はPCB基板上で直接使用することはできないが、PCB基板に沈下法を使用し、PCB基板中にサイズと形状の適切な溝（ブラインド穴に相当）を掘って、溝の底部をセラミックス基板の電気接地基準面として使用した後、セラミックス基板を溝に埋め込み、固定方法はエポキシ導電性接着である。このようにして、35〜67 GHzの周波数範囲内のスイッチングフィルタコンポーネントを実現することに成功しました。ここで、フィルタは石英チップ上で実現され、合成された入出力信号はPCB上で接地された共平面導波伝送路（GCPW）を通過します。PCBボード材料はRogersボード4003 Cである。水晶ウェハとPCBの信号接続部は、金線接合により相互接続されている。

エポキシ導電性接着剤を用いてアルミナセラミックスまたは石英をPCB基板に接着するには、2つの異なる材料の熱膨張係数を考慮する必要があります。そうしないと、高温と低温の間に応力損傷が発生します。ロジャーズシート4003 Cはマイクロ波分野に広く応用されているシートである。そのX/Y/Z軸方向熱膨張係数はそれぞれ11/14/46（ppm/摂氏度）であり、アルミナセラミックスに比較的近い。良好な機械的強度。RO 4003 Cは低い誘電損失（tan島は約0.0024）を有し、誘電率は温度と周波数によって顕著に変化せず、吸水率はわずか0.04%である。これらの特性は、ミリ波周波数帯に適用できることを保証している。伝送路は接地共面導波路形式を採用し、誘電率変化の影響を最小限に抑える。最高周波数67 GHzの項目では、伝送路パラメータを下図に示し、挿入損失と帯域内損失を測定した。平坦度指数の方が望ましい。

また、セラミックス基板上に作製された完成品デバイス（ミキサ、周波数逓倍器など）は、沈下後もPCB基板に容易に適用することができる。IOミキサーの取り付け方法を下図に示します。図中のIQミキサは環状を採用している。酸素導電性接着剤はPCB板の溝に接着され、入出力信号は金線接合によってPCB部分と相互接続されている。

セラミック基板ミキサとPCB実装の相互接続の物理図

PCBに薄膜プロセス誘電体板を使用する場合は、高周波信号インタフェースのマッチング処理に注意する必要がある。通常、信号接続では、2つの媒体間のギャップはできるだけ短く、0.1 mm以内に保つことをお勧めします。そのため、PCBボードのスロット寸法精度が必要となる。

ロジャーズro 4003 c高周波PCB材料規格については、ロジャーズro 4003 cデータテーブルを参照してください。