マイクロ波の伝送線路について

質問

マイクロ波の伝送線路には，マイクロストリップや同軸線路などがあると思いますが，
これらはGNDと信号線が必要であるはずです

そこで，フリップチップやワイヤボンディングの接合部について考えたのですが，
これらはどのように信号を伝搬させているのでしょうか？
これらのバンプやボンディングワイヤは信号線であり，ICにはGNDピンがあるそうですが
どのように伝搬しているのかイメージがつかめません．

例えば，基板上の線路にフリップチップボンディングでICを接続する場合，
バンプの部分ではどのように伝搬し，それはマイクロストリップや導波管といった分類
に例えるとどれにあたるのでしょうか？

フリップチップ，ワイヤボンディングの接合部がとの伝送線路に相当し，
どのようにマイクロ波を伝搬させているのか，ご存知の方が居ましたら教えて下さい．

回答No.3

tadys · ベストアンサー

伝送路の基本はヘビサイドの「電信方程式」です。
http://www.mogami-wire.co.jp/paper/tline/tline-01.html

伝送路はそれぞれに固有の特性インピーダンスZ0を持ちます。
線路が無損失の場合、線路の微小部分のインダクタンスをL、キャパシタンスをCとした場合、 Z0＝√（L/C） となります。
伝送線路に電磁エネルギーが加えられると、インダクタンスとキャパシタンスに按分されます。
キャパシタンスには1/2・CV^2、インダクタンスには1/2・LI^2のエネルギーが保存されます。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%89%B9%E6%80%A7%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%BC%E3%83%80%E3%83%B3%E3%82%B9

線路が一様な場合（電線の太さが変わらない、他の導体との距離が変わらない）には線路の全てが等しい特性インピーダンスを持ちます。
線路が一様でない場合、すなわち電線の太さが変わったり、他導体との距離が変わったり、カーブを描いたりした場合には特性インピーダンスに不連続が生じます。
伝送線路に進行波を加えた時に特性インピーダンスの不連続面に遭遇すると進行波の一部（あるいは全部）が反射されます。

ボンディングワイヤにはボール部分とワイヤ部分が有りますが、ボール部分の特性インピーダンスはワイヤ部分より小さくなるのでそこでインピーダンスの不連続が生じる為、進行波の反射が発生し、その結果元の波形とは異なった波形になります。
対象となる信号の波長と比べて伝送路の長さが短い場合は反射の影響は小さいものとなります。
電力用の送電線の場合、伝送距離が数百ｋｍと長くなる為、50Hz／60Hzと比べた時に無視できない長さとなる為、マイクロ波と同じように取り扱う必要が有ります。
マイクロ波の場合は波長が短い為、数センチの距離でも問題になるのです。

＞フリップチップ，ワイヤボンディングの接合部がとの伝送線路に相当し，
信号の流れる部分全てが伝送路です。
信号の流れる部分の周囲の金属、誘電体、磁性体全てが電磁エネルギーを蓄えるのに影響する為、これらすべてが特性インピーダンスに影響を与えます。
線路および周囲の物理的な配置が変化すれば特性インピーダンスが変化します。
特性インピーダンスが変化すれば信号の流れに変化が生じます。

＞どのようにマイクロ波を伝搬させているのか，
伝送線路に信号を加えた時に信号から分かるのは加えた点の特性インピーダンスだけです。
そこで、特性インピーダンスに合わせたV/Iの比で電磁エネルギーが伝搬していきます。
伝搬先の特性インピーダンスに変化が無ければV/Iの比を保ったまま伝搬します。
伝送線路の終端が特性インピーダンスと等しい抵抗で終端されている場合には伝搬したエネルギー全てがその抵抗で生じされます。
特性インピーダンスに変化が有る場合は反射波が生じます。
例えば線路が切断されている場合には、同位相の反射が発生し電圧が2倍になって戻って来ます。

伝送線路を信号がどのように伝わるのかを見えるようにする測定法が有ります。
それはTDR（Time Domain Reflectometry）です。
「TDR測定」で検索してください。

お礼

ありがとうございます
なんとか理解することができました

補足

せっかく教えていただいたのですが，
これはマイクロストリップや導波管といった分類に例えると
どれに相当するのでしょうか？

学校で出題された問題によると
フリップチップ，ワイヤボンディングはそのような分類に
分けられ，どれに相当するのか答えなければなりません．

回答No.4

アウストラロ ピテクス（@ngkdddjkk）

No.1です。

他の人が何で反射のみしか考えないのかが謎。
反射だけでなく放射もあります。

あんまり雑なやつだとEMCとかに引っかかります。

回答No.2

tance

一般にICやコネクタとプリント基板の接合点はきちんとした伝送路にはなっていないことが
多いです。

この不完全部分をどのくらい減らせるかが技術です。昔主流だったDIPというICのパッケージは
足の部分が長く、基板上でもスルーホールを介して信号が伝送されるので、この部分は
伝送路としてみるとメチャクチャです。ICのチップから、パッケージにある足へのワイヤ
ボンディングや、その足自体も大抵はメチャクチャです。

これを、より伝送路に近づけるために、まず小さくして余計なインダクタンスやキャパシタンスを
減らしたパッケージが表面実装用のSOPなどです。

さらに足を無くしたQFNとかBGAになり、相当良くなりました。

フリップチップなどはこの点では最上級のものです。

そして、ミスマッチとか、おかしな集中定数の存在による反射があっても狭帯域信号であれば
インピーダンスマッチング手法で解決できます。広帯域信号でもいくつかの方法で解決できます。
さらに、伝送路の長さが、問題にならないくらい短ければ何も対策をする必要すらありません。

CSPなどのバンプと基板パターンとの極めて短い「非伝送路部分」は短いために許されるのです。

念のためですが、マイクロ波は伝送路がないと伝送できないとは思っていないですよね。
キチンとした伝送路がなくても、反射しながら伝送はされます。この反射が無視できる程度なのか
反射しまくりなのかが問題で、これはICやパターン毎に仕様の数字で判断するしかありません。

お礼

ありがとうございます
理解できそうです

回答No.1

アウストラロ ピテクス（@ngkdddjkk）

私はそこまで専門的ではありませんが、電信方程式等で使われるモデルで考えれば、周囲にある金属等に誘導を起こして伝搬していくものと考えられます。

お礼

ありがとうございます