JP2004088504A - 高周波素子収納用パッケージ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁層1aおよび少なくとも接地導体1cを含む配線導体層1bを交互に複数層積層して成るとともに側面に接地導体1cが露出した、上面に高周波素子7が搭載される搭載部Sを有する回路基板1と、この回路基板1の側面に搭載部Sを囲繞するとともに側面に露出した接地導体1cと電気的に接続するように取着された金属枠体2とを具備した高周波素子収納用パッケージにおいて、回路基板1は側面に接地導体1c同士を接続する側面導体9が形成されており、この側面導体9は金属枠体2と導電性接合材8を介して接合されている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野やマイクロ波通信、ミリ波通信等の分野で用いられる、高い周波数帯域で動作する各種半導体素子を収納する高周波素子収納用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等で使用される、高い周波数で作動する各種半導体素子を収納する高周波素子収納用パッケージの断面図を図2に示す。
図2に示すように、従来の高周波素子収納用パッケージは、主に回路基板101と、金属枠体102と、同軸コネクタ(ガラスビーズ端子ともいう)103と、蓋体106とから構成されている。
【0003】
回路基板101は、セラミックスから成る絶縁層101aおよび配線導体層101bを交互に複数層積層して成るとともに側面に配線導体層101bを構成する接地導体101cが露出している。配線導体層101bは、少なくとも接地導体101cを含み、通常は信号配線導体、電源導体および接地導体101cで構成されている。信号配線導体は高周波素子107に高周波信号を伝達する機能を、電源導体は高周波素子107に電源電圧を供給する機能を、そして接地導体101cは高周波素子107や信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能を有する。また、回路基板101は、上面にSiGeなどのSi系やGaAs、InPといった化合物系の高周波素子107が搭載される搭載部Sを有している。なお、上下に位置する信号配線導体や電源導体、接地導体101c同士は、絶縁層101aに形成された貫通導体(図示せず)により電気的に接続されている。
【0004】
また、金属枠体102は、Fe−Ni−Co合金等の金属材料から成り、回路基板101の側面に、搭載部Sを囲繞するとともに側面に露出した接地導体101cと電気的に接続するようにろう材や樹脂などの導電性接合材108を介して取着されており、側部には貫通孔102aが形成されている。
【0005】
さらに、同軸コネクタ103は、Fe−Ni−Co合金等の金属材料から成る外周導体103aと、その中心軸に配置された、Fe−Ni−Co合金等の金属材料から成る中心導体103cと、それらの間に介在させた、硼珪酸ガラス等の誘電体材料から成る絶縁体103bとから成り、金属枠体102の貫通孔102a内周面にAu−Sn合金半田等のろう材により嵌着されているとともに、中心導体103cが回路基板101表面に形成された信号配線導体と電気的に接続されている。なお、同軸コネクタ103は、外部電気回路(図示せず)と高周波素子107とを電気的に接続する機能を有するとともに高周波素子収納用パッケージ内部を塞ぐ機能を有し、高周波信号が伝送される中心導体103cと外周導体103aとが、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。
【0006】
そして、このような高周波素子収納用パッケージは、高周波素子107を回路基板101の搭載部Sに樹脂やろう材等の接着材で固定するとともに高周波素子107の各電極を配線導体層101bにボンディングワイヤ110等の接続手段を用いて電気的に接続し、しかる後、金属枠体102上面に例えば金属材料から成る蓋体106をシーム溶接やろう付け等により接合することにより、製品としての高周波装置となる。
【0007】
また、この高周波装置は、例えば外部から供給される低周波信号を回路基板101の下面に形成した半田ボール104を介して高周波素子107に伝達し、高周波素子107にて時間多重(TDM)を施し、高周波信号として同軸コネクタから出力させることにより、大容量の情報を高速に伝送できる伝送変換装置として機能させることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の高周波素子収納用パッケージにおいては、同軸コネクタ103の外周導体103aと金属枠体102との接合が広い面積で半田等のろう材を介して強固になされているものの、金属枠体102と回路基板101の接地導体101cとの接合は、金属枠体102と厚みが数μm程度の接地導体101cにおける回路基板101の側面へ露出した部位との狭い面積での接合であること、および半田等のろう材から成る導電性接合材108の粘度が高いことから、両者を接続する導電性接合材108にボイド等の隙間があった場合、金属枠体102と回路基板101の接地導体101cとの電気的接続が不安定となり、信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールド機能が低下し、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大し、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうという問題点を有していた。
【0009】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が安定で、高周波領域において共振が発生して反射損失が増大することのない、高周波特性に優れた高周波素子収納用パッケージを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波素子収納用パッケージは、絶縁層および少なくとも接地導体を含む配線導体層を交互に複数層積層して成るとともに側面に前記接地導体が露出した、上面に高周波素子が搭載される搭載部を有する回路基板と、この回路基板の前記側面に前記搭載部を囲繞するとともに前記側面に露出した前記接地導体と電気的に接続するように取着された金属枠体とを具備して成る高周波素子収納用パッケージにおいて、前記回路基板は前記側面に前記接地導体同士を接続する側面導体が形成されており、該側面導体は前記金属枠体と導電性接合材を介して接合されていることを特徴とするものである。
【0011】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板の側面に接地導体同士を電気的に接続する側面導体を形成するとともに、この側面導体と金属枠体とを導電性接合材を介して接合したことから、接地導体と金属枠体との導電性接合材を介しての接合が側面導体と金属枠体との導電性接続材を介しての広い面積での接合となることから、半田等の粘度が高い導電性接合材を用いて両者を接合した際に導電性接合材にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の高周波素子収納用パッケージを添付の図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の高周波素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【0013】
この図において、1は高周波素子を搭載する回路基板、2は金属枠体、3は高周波信号の入出力端子である同軸コネクタ、4は回路基板の配線導体層と貫通導体(図示せず)で電気的に接続されているBGA(Ball Grid Allay)のボール部、6は蓋体、7はSiGeなどSi系もしくはGaAsやInPなどの化合物半導体素子等の高周波素子である。そして本発明の高周波素子収納用パッケージは、回路基板1および金属枠体2を具備し、必要に応じて同軸コネクタ3やボール部4・蓋体6等が付加される。
【0014】
回路基板1は、光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等で使用される、高い周波数で作動する各種半導体素子等の高周波素子7を支持するための支持部材ならびに高周波素子7が発する熱を外部へ放散するための放熱板として機能し、その上面の中央部には高周波素子7を搭載する搭載部Sを有する。
【0015】
このような回路基板1は、絶縁層1aおよび配線導体層1bを交互に複数層積層することにより形成されている。
絶縁層1aは、エポキシ樹脂等の有機絶縁材料や、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・炭化珪素質焼結体等のセラミックス等の無機絶縁材料から成り、放熱性の観点からはセラミックス等の無機絶縁材料から成ることが好ましい。絶縁層1aは、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採用しシート状に成形してセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【0016】
また、配線導体層1bは少なくとも接地導体1cを含み、通常は信号配線導体、電源導体および接地導体1cで構成されている。信号配線導体は高周波素子7に高周波信号を伝達する機能を、電源導体は高周波素子7に電源電圧を供給する機能を、そして接地導体1cは高周波素子7や信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能を有する。なお、上下に位置する信号配線導体、電源導体および接地導体1c同士は、各絶縁層1aに形成された貫通導体(図示せず)を介して電気的に接続されており、回路基板1の搭載部S近傍に位置する配線導体層1bに高周波素子7の各電極をボンディングワイヤ10等を介して電気的に接続することにより、高周波素子7の各電極は回路基板1の下面に形成された、後述する半田等の導電性部材から成るボール部4に電気的に接続されることとなる。なお、高周波素子7を回路基板1の搭載部SにSn−Pb半田等の低融点ろう材を介して接着固定することにより、高周波素子7が発する熱を低融点ろう材を介して外部に効率良く放散することができ、高周波素子7の作動性をより良好なものとすることができる。
【0017】
このような配線導体層1bは、絶縁層1aが例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して絶縁層1aとなるセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって絶縁層1aの所望の箇所に所定パターンに被着形成される。
【0018】
そして、本発明の高周波素子収納用パッケージにおいては、接地導体1cが回路基板1の側面へ露出するように形成されているとともに、回路基板1の側面にはこの側面に露出した接地導体1c同士を電気的に接続する側面導体9が形成されており、このことが重要である。
【0019】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、接地導体1cが回路基板1の側面へ露出するように形成されているとともに、回路基板1の側面にはこの側面に露出した接地導体1c同士を電気的に接続する側面導体9を形成したことから、この側面導体9と後述する金属枠体2とを導電性接合材8を介して接合する際、接地導体1cと金属枠体2との導電性接合材8を介しての接合が側面導体9と金属枠体2との導電性接続材8を介しての広い面積での接合となって、半田等の粘度が高い導電性接合材8を用いて両者を接合した際に導電性接合材8にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体2と回路基板1の接地導体1cとの電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子7の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【0020】
なお、側面導体9は、接地導体1cと強固に接続させるという観点からは、接地導体1cと同じ材料で形成することが好ましく、接地導体1cが例えばタングステンから成る場合であれば、タングステンの粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して、回路基板1となる、側面に接地導体1cが露出したセラミックグリーンシート積層体の側面にあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって回路基板1の側面に所定パターンに被着形成される。なお、側面導体9は、金属枠体2と広い面積で強固に接続するという観点からは、回路基板1の側面の全面あるいは略全面に被着形成することが好ましい。
【0021】
金属枠体2はFe−Ni−Co合金やCu−W合金等の金属材料から成り、回路基板1の側面に、搭載部Sを囲繞するとともに側面に露出した接地導体1cと電気的に接続するようにろう材や樹脂などの導電性接合材8を介して取着されており、本実施例では側部には同軸コネクタ3を嵌着するための貫通孔2aが形成されている。
【0022】
金属枠体2は、回路基板1に搭載される高周波素子7を回路基板1と後述する蓋体6とで気密に封止する機能、高周波素子7や回路基板1の信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能、および後述する同軸コネクタを保持する機能等を有し、Fe−Ni−Co合金やCu−W合金等のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に製作される。また、その表面に耐蝕性に優れかつろう材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜9μmのNi層と厚さ0.1〜9μmのAu層を順次めっき法により被着させておくと、金属枠体2の酸化腐食するのを有効に防止することができるとともに、回路基板1とろう材などを介して強固に接合させることができる。従って、所定の形状に製作された金属基体1の表面に0.5〜9μmのNi層および0.1〜9μmのAu層の金属層をめっき法により被着させておくことが好ましい。
【0023】
なお、金属枠体2と回路基板1の側面導体9とを接合する導電性接合材8は、半田等の低融点ろう材が用いられる。そして、回路基板1の側面に形成した側面導体9の表面に、例えば半田ペーストをスクリーン印刷法等を用いて印刷塗布するとともに回路基板1を金属枠体2内部の所定位置に挿入し、しかる後、半田の融点以上の温度で加熱することにより、回路基板1と金属枠体2とが強固に接合される。
【0024】
また、金属枠体2の貫通孔2aには、同軸コネクタ3が嵌着されている。
同軸コネクタ3は、Fe−Ni−Co合金やCu−W合金等の金属材料から成る外周導体3aと、その中心軸に配置された、外周導体3aと同様な材料から成る中心導体3cと、それらの間に介在させた、硼珪酸ガラス等の誘電体材料から成る絶縁体3bとから成り、金属枠体2の貫通孔2a内周面にAu−Sn合金半田等のろう材により嵌着されているとともに、中心導体3cが回路基板1表面に形成された信号配線導体と電気的に接続されている。なお、同軸コネクタ3は、外部電気回路(図示せず)と高周波素子7とを電気的に接続する機能を有するとともに高周波素子収納用パッケージ内部を塞ぐ機能を有し、高周波信号が伝送される中心導体3cと外周導体3aとが、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。
【0025】
なお、回路基板1表面に形成する、同軸コネクタ3の中心導体3cと接続する信号配線導体は、同軸コネクタ3の中心導体3cのインピーダンスと同じになるようにマイクロストリップ線路としておくことが好ましい。また、金属枠体2は、回路基板1との接合における熱歪みを小さくし接合を強固なものとするとともに、パッケージ外部との電磁的遮蔽を行なうために、回路基板1を構成するセラミックスの熱膨張係数に近似するFe−Ni−Co合金やFe−Ni合金等の金属材料を用いるのがよい。
【0026】
また、中心導体3cの回路基板1の信号配線導体と接合する部位の長さは、0.1〜0.5mmが好ましい。0.1mm未満では、接合長および接合面積が小さくなりすぎて、信号配線導体にSn−Au半田などの低融点ろう材で強固に接合することが困難となり、電気特性面での信頼性が得られなくなる傾向がある。また、0.5mmを超える場合、信号配線導体から成るマイクロストリップ線路との接合部が長すぎてインピーダンス整合がとり難くなり、高周波信号の反射損失が大きくなる傾向がある。
【0027】
さらに、中心導体3cの回路基板1の信号配線導体と接合する部位の幅は、信号配線導体から成るマイクロストリップ線路の信号ライン幅より狭いことが好ましい。中心導体3cの回路基板1の信号配線導体と接合する部位の幅がマイクロストリップ線路の信号ライン幅より広い場合、マイクロストリップ線路とのインピーダンス整合がとれず高周波信号の反射損失が増大する傾向にある。
【0028】
なお、中心導体3cの方向と回路基板1表面に形成された信号配線導体の方向とがなす角度は、0〜90°の範囲であれば良く、この範囲を外れる場合、高周波信号の反射損失が非常に大きくなる傾向がある。
【0029】
なお、金属枠体2、同軸コネクタ3の外周導体3aおよび中心導体3cとは熱膨張係数を整合させるという観点からは、同一の金属材料で形成することが好ましい。
【0030】
また、蓋体6は、Fe−Ni−Co合金等の金属材料や酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成るとともに、金属枠体2の上面にAu−Sn合金半田等の低融点ろう材を介して接合されたり、YAGレーザ溶接等の溶接により接合され、高周波素子7をパッケージ内部に封止する機能を有する。
【0031】
蓋体6は、パッケージを電磁的にシールドするという観点からはFe−Ni−Co合金等の金属材料から成ることが好ましく、例えば蓋体6がFe−Ni−Co合金から成る場合は、Fe−Ni−Co合金のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に製作される。蓋体6の縦・横の長さは金属枠体2外周の縦・横の長さと略同一であり、厚みは必要とされる強度等により適宜決められる。
【0032】
このような蓋体6は、例えば蓋体2がFe−Ni−Co合金から成る場合は、金属枠体2の上面にAu−Sn合金半田等の低融点ろう材を介して接合される。
【0033】
かくして本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板1の搭載部Sに高周波素子7をSn−Pb半田等の低融点ろう材を介して接着固定するとともに、回路基板1の搭載部S近傍に位置する配線導体層1bに高周波素子7の各電極をボンディングワイヤ7等を介して電気的に接続し、次に、回路基板1と金属枠体2とを導電性接合材8を介して接合し、さらに金属枠体2の貫通孔2aに同軸コネクタ2を嵌着するとともに中心導体3cを回路基板1表面に形成された信号配線導体からなるマイクロストリップ線路にSn−Au半田などの低融点ろう材で接合し、さらに蓋体6でパッケージ内部を気密に封止することにより高周波装置となる。
【0034】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、伝送される高周波信号の周波数が高くなっても、同軸コネクタ3の外周導体3aと金属枠体2、回路基板1の側面導体9が広い面積での接合となっているので、電気的なシールドの機能が薄れることはなく、共振が発生を抑制し、反射損失を低減させることでき、高周波伝送特性の向上が可能となる。
【0035】
なお、本発明の高周波素子収納用パッケージにおいては、高周波信号の周波数は1〜100GHz程度であり、特に30GHz以上の高い周波数において従来電気的なシールドの機能が薄れていたのを、本発明ではシールドの機能を高めている。
【0036】
なお、本発明は上述の実施の形態の一例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行なうことは何等支障ない。金属枠体2が一体的に形成されたもの、例えばメタル・インジェクション・モールド(MIM)法等によって作製されたものであっても良い。
【0037】
【発明の効果】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板の側面に接地導体同士を電気的に接続する側面導体を形成するとともに、この側面導体と金属枠体とを導電性接合材を介して接合したことから、接地導体と金属枠体との導電性接合材を介しての接合が側面導体と金属枠体との導電性接続材を介しての広い面積での接合となることから、半田等の粘度が高い導電性接合材を用いて両者を接合した際に導電性接合材にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高周波素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図2】従来の高周波素子収納用パッケージの断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・・・・・回路基板
1a・・・・・・・・絶縁層
1b・・・・・・・・配線導体層
1c・・・・・・・・接地導体
2・・・・・・・・・金属枠体
2a・・・・・・・・貫通孔
3・・・・・・・・・同軸コネクタ
3a・・・・・・・・外周導体
3b・・・・・・・・絶縁体
3c・・・・・・・・中心導体
6・・・・・・・・・蓋体
7・・・・・・・・・高周波素子
8・・・・・・・・・導電性接合材
9・・・・・・・・・側面導体
S・・・・・・・・・搭載部
Claims (1)
- 絶縁層および少なくとも接地導体を含む配線導体層を交互に複数層積層して成るとともに側面に前記接地導体が露出した、上面に高周波素子が搭載される搭載部を有する回路基板と、該回路基板の前記側面に前記搭載部を囲繞するとともに前記側面に露出した前記接地導体と電気的に接続するように取着された金属枠体とを具備して成る高周波素子収納用パッケージにおいて、前記回路基板は前記側面に前記接地導体同士を接続する側面導体が形成されており、該側面導体は前記金属枠体と導電性接合材を介して接合されていることを特徴とする高周波素子収納用パッケージ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002247680A JP2004088504A (ja) | 2002-08-27 | 2002-08-27 | 高周波素子収納用パッケージ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002247680A JP2004088504A (ja) | 2002-08-27 | 2002-08-27 | 高周波素子収納用パッケージ |
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