JP2005243864A

JP2005243864A - 配線基板

Info

Publication number: JP2005243864A
Application number: JP2004050700A
Authority: JP
Inventors: Koki Kawabata; 幸喜川畑
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】差動伝送線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を大幅に抑制することができ、半導体素子の作動性を良好なものとできるものとすること。
【解決手段】配線基板１は、絶縁基体２の内層に形成された差動伝送線路８と、差動伝送線路８の一端から絶縁基体２の主面または他の内層にかけて形成された差動貫通導体９と、差動伝送線路８が形成された内層に差動伝送線路８を取り囲むとともに差動貫通導体９との接続部を円形状に取り囲んで形成された内層接地導体４ｂと、絶縁基体２の主面または他の内層に差動貫通導体９を円形状に取り囲むように開口部１２が形成された内層接地導体４ａとを具備し、内層接地導体４ｂの差動伝送線路８と差動貫通導体９との接続部を円形状に取り囲む部位１４の直径が内層接地導体４ａの円形状の開口部１２の直径の１．１乃至２倍である。
【選択図】図２

Description

本発明は、高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するのに好適な、差動伝送線路を有する配線基板に関するものである。

従来、高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するための配線基板においては、従来の配線基板の例の断面図である図５に示すように、高速の高周波信号を正確かつ効率よく伝播させるために、差動伝送線路５８と外部入出力用電極５１１との接続には差動貫通導体５９を用いている。差動伝送線路５８の構造は、一対の伝送線路によって決定される特性インピーダンスが所望の値となるように、絶縁基板５２の絶縁層５２ａ〜５２ｆの材料や、絶縁層５２ａ〜５２ｆの断面構造、すなわち配線導体５３の幅および厚み、配線導体５３と内層接地導体や接地導体との距離等を制御して決定されている。差動貫通導体５９は、一対の貫通導体９ａ，９ｂによって決定される特性インピーダンスが所望の値となるように、配線基板５２の絶縁層５２ａ〜５２ｆの材料や、差動貫通導体５９および接地貫通導体５１０の直径を変更したり、更にこれらの相対位置を互いに変更することによって決定されている。

また、配線基板５１に形成された差動伝送線路６８と差動貫通導体６９の接続部周辺の要部拡大平面図である図６に示すように、差動貫通導体６９は積層ずれによる接続不良を回避するために貫通導体６９より直径が大きいランド６１３を介して差動伝送線路６８に接続されている。

また、内層接地導体６４ｂは高周波信号をシールドするために差動伝送線路６８の周囲を取り囲むとともに差動伝送線路６８と差動貫通導体６９との接続部を円形状に取り囲むように形成されている。

また、絶縁基板５２の内層には差動貫通導体５９を円形状に取り囲むように開口部５１２が形成された内層接地導体５４ａが形成されている。

なお、図５において、５１は配線基板、５３は信号配線群、５４（５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ）は内層接地導体、５５は半導体素子、５６は導体バンプ、５７は電極パッド、５１０は接地貫通導体である。
特開２００１−５３３９７号公報

しかしながら、従来の配線基板５１に搭載される半導体素子５５の動作速度が数十ＧＨｚと高速化するに従い、差動伝送線路５８と差動貫通導体５９との接続部において、ランド５１３（図５）を介して差動伝送線路５８と差動貫通導体５９が接続されるため、内層接地導体５４ｂとランド５１３との間に発生する容量成分によって特性インピーダンスが低下するために高周波信号の反射が発生していた。その結果、差動伝送線路５８と差動貫通導体５９との接続部において、高周波信号の反射損失が大きくなって高周波信号の伝送性が劣化し、半導体素子５５の作動性が損なわれるという問題点を有していた。

本発明は、上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、差動伝送線路とそれに接続された差動貫通導体を有する配線基板において、差動伝送線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を大幅に抑制することができ、その結果、半導体素子の作動性を良好なものとできるものとすることにある。

本発明の配線基板は、複数の絶縁層を積層して成る絶縁基体の内層に形成された、互いに平行な一対の伝送線路から成る差動伝送線路と、該差動伝送線路の前記各伝送線路の一端から前記絶縁基体の主面または他の内層にかけて形成された、互いに平行な一対の貫通導体から成る差動貫通導体と、前記差動伝送線路が形成された内層に前記差動伝送線路を取り囲むとともに前記差動貫通導体との接続部を円形状に取り囲むように形成された内層接地導体と、前記絶縁基体の主面または他の内層に前記差動貫通導体を円形状に取り囲むように開口部が形成された接地導体とを具備しており、前記内層接地導体の前記差動伝送線路と前記差動貫通導体との接続部を円形状に取り囲む部位の直径が、前記接地導体の円形状の前記開口部の直径の１．１乃至２倍であることを特徴とするものである。

本発明の配線基板は、複数の絶縁層を積層して成る絶縁基体の内層に形成された、互いに平行な一対の伝送線路から成る差動伝送線路と、差動伝送線路の各伝送線路の一端から絶縁基体の主面または他の内層にかけて形成された、互いに平行な一対の貫通導体から成る差動貫通導体と、差動伝送線路が形成された内層に差動伝送線路を取り囲むとともに差動貫通導体との接続部を円形状に取り囲むように形成された内層接地導体と、絶縁基体の主面または他の内層に差動貫通導体を円形状に取り囲むように開口部が形成された接地導体とを具備しており、内層接地導体の差動伝送線路と差動貫通導体との接続部を円形状に取り囲む部位の直径が、接地導体の円形状の開口部の直径の１．１乃至２倍であることから、差動伝送線路と差動貫通導体との接続部に形成されるランドと内層接地導体との間に発生する容量成分を削減することができるため、差動伝送線路の伝送線路と差動貫通導体の貫通導体との接続部における特性インピーダンスの低下による伝送線路の不連続性を抑制し、差動伝送線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。

その結果、差動伝送線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を極めて小さくすることができるので、本発明の配線基板に搭載される半導体素子の高周波領域における作動性を非常に良好なものとすることができる。

本発明の配線基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の配線基板における差動貫通導体の周辺部の要部拡大平面図である。

本発明の配線基板１においては、絶縁基板２を構成する絶縁層２ａ〜２ｆは基本的には同じ比誘電率を有する絶縁材料で形成されている。絶縁層２ｃ上には信号配線群３が形成され、絶縁層２ｂ，２ｄ上には信号配線群３に対向させて広面積の内層接地導体層４ａ，４ｂが形成されており、信号配線群３の各信号配線はストリップ線路構造を有している。内層接地導体層４ａ，４ｂは、配線基板１の仕様に応じて入れ換えて配置されることもある。

また、信号配線群３の各信号配線の配線幅および信号配線群３と内層接地導体層４ａ，４ｂとの間に介在する絶縁層２ｂ，２ｃの厚みを設定することにより、信号配線群３の特性インピーダンスを任意の値に設定することができるため、良好な伝送特性を有する信号配線群３を形成することが可能となる。信号配線群３の特性インピーダンスは一般的には５０Ωに設定される。なお、信号配線群３に含まれる複数の信号配線は、それぞれ異なる電気信号を伝送するものとしてもよい。

図１の例では、配線基板１の上面には高速で動作するＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子や半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子等の半導体素子５や電子部品が搭載され、錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金等の半田や金（Ａｕ）等から成る導体バンプ６および半導体素子５を接続するための電極パッド７を介して差動伝送線路８に電気的に接続されている。また、配線基板１の下面には、半導体素子５に信号の入出力および電源供給を行なうための外部接続用電極１１が形成されている。

また、差動伝送線路８は、絶縁層２ｃの上面に内層接地導体層４ａ，４ｂとの間に形成されたストリップ構造の一対の伝送線路から成り、外部と信号の入出力を行なうために差動貫通導体９を介して外部接続用電極１１に電気的に接続されており、また、差動貫通導体９、電極パッド７および錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金等の半田や金（Ａｕ）等から成る導体バンプ６を介して半導体素子５の電極に電気的に接続されている。

また、差動貫通導体９は互いに平行に形成された一対の貫通導体９ａ，９ｂから成り、差動貫通導体９の一端は差動伝送線路８に電気的に接続され、他端は外部接続用電極１１に電気的に接続されている。

また、信号配線群３および差動伝送線路８の構造は、信号配線群３に対向して電源配線層もしくは内層接地導体層を形成して成るマイクロストリップ線路構造の他に、信号配線群３の上下に電源配線層もしくは内層接地導体層を形成して成るストリップ線路構造、また信号配線群３の各信号配線に隣接して所定間隔をもって同一面電源配線層もしくは同一面接地導体層を形成して成るコプレーナ線路構造であってもよい。

また、配線基板１にチップ抵抗，薄膜抵抗，コイルインダクタ，クロスインダクタ，チップコンデンサまたは電解コンデンサ等を搭載して、電子回路モジュール等を構成してもよい。

また、各絶縁層２ａ〜２ｆの平面視における形状は、正方形状や長方形状の他に、菱形状，六角形状または八角形状等の形状であってもよい。

そして、このような本発明の配線基板１は、半導体素子収納用パッケージ等の電子部品収納用パッケージや電子部品搭載用基板、多数の半導体素子が搭載されるいわゆるマルチチップモジュールやマルチチップパッケージ、あるいはマザーボード等として使用される。

本発明の配線基板について図２を用いて詳細に説明する。差動貫通導体９の貫通導体９ａ，９ｂと差動伝送線路８の伝送線路８ａ，８ｂとは、ランド１３（１３ａ，１３ｂ）を介して接続され、差動伝送線路８が形成された絶縁層２ｂに差動伝送線路８を取り囲むとともに差動貫通導体９との接続部を円形状に取り囲むように形成された内層接地導体４ｂと、絶縁基体２ｂの主面または他の内層（図１では他の内層）に差動貫通導体９を円形状に取り囲むように開口部１２が形成された接地導体（図１では内層接地導体４ａ）とを具備し、内層接地導体４ｂの差動伝送線路８と差動貫通導体９との接続部を円形状に取り囲む部位１４の直径が、内層接地導体４ａの円形状の開口部１２の直径の１．１乃至２倍であるため、差動伝送線路８と差動貫通導体９との接続部においてランド１３と内層接地導体４ｂとの間に発生する容量成分を低減し特性インピーダンスの低下を抑制することによって、差動伝送線路８と差動貫通導体９との接続部における高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。

次に、図３に基き本発明における差動伝送線路８について説明する。図３は本発明の配線基板１の実施の形態の一例における差動伝送線路８の周辺部を示す要部拡大断面図である。図３において、差動伝送線路８は互いに平行に形成された一対の伝送線路８ａ，８ｂから成る。そして、差動伝送線路８は、伝送線路８ａ，８ｂの幅，間隔，厚み、および伝送線路８ａ，８ｂと内層接地導体層４ａ，４ｂとの間に介在する絶縁層２ｂ，２ｃの厚みを調整し設定することにより、差動伝送線路８の特性インピーダンスを所望の値に設定することができる。その結果、良好な伝送特性を有する差動伝送線路８を形成することが可能となる。差動伝送線路８の特性インピーダンスは一般的には１００Ωに設定される。

次に、図４において、差動貫通導体９について説明する。差動貫通導体９は一対の互いに平行な貫通導体９ａ、９ｂから形成され、開口部１２によって接地導体４ａと電気的に絶縁され、一端が差動伝送線路８に、他端が外部接続用電極１１に電気的に接続されている。また、差動伝送線路８の特性インピーダンスと差動貫通導体９の特性インピーダンスが同じになるようにするために、差動貫通導体９および接地貫通導体１０の直径を変更したり、更にこれらの相対位置を調整すればよい。

本発明の配線基板１において、絶縁層２ａ〜２ｆは例えばセラミックグリーンシート積層法によって形成される。この場合、絶縁層２ａ〜２ｆは、酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ムライト質焼結体またはガラスセラミックス等の無機絶縁材料から成る。また、絶縁層２ａ〜２ｆは、ポリイミド，エポキシ樹脂，フッ素樹脂，ポリノルボルネンまたはベンゾシクロブテン等の有機絶縁材料、あるいはセラミック粉末等の無機絶縁物粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で結合して成る複合絶縁材料等の電気的な絶縁材料から成っていてもよい。

これらの絶縁層２ａ〜２ｆは以下のようにして作製される。絶縁層２ａ〜２ｆが例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、まず、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化カルシウムまたは酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法等を採用してシート状となすことによってセラミックグリーンシートを得る。そして、セラミックグリーンシートに信号配線群３および各導体層と成る金属ペーストを所定のパターンに印刷塗布して、これらを上下に積層し、最後にこの積層体を還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。

また、絶縁層２ａ〜２ｆがエポキシ樹脂から成る場合、まず酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミックスを混合した熱硬化性のエポキシ樹脂、あるいはガラス繊維を織り込んだ布にエポキシ樹脂を含浸させて成るガラスエポキシ樹脂等から成る絶縁層の上面に、有機樹脂前駆体をスピンコート法もしくはカーテンコート法等により被着させ、これを熱硬化処理することによって絶縁層を形成する。この絶縁層と、銅層を無電解めっき法や蒸着法等の薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ技術を採用することによって形成して成る薄膜配線導体層とを交互に積層し、約１７０℃程度の温度で加熱硬化することによって製作される。

これらの絶縁層２ａ〜２ｆの厚みは、使用する材料の特性に応じて、要求される仕様に対応する機械的強度や電気的特性等の条件を満たすように設定される。

また、信号配線群３、差動伝送線路８および内層接地導体層４は、例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），モリブデン−マンガン（Ｍｏ−Ｍｎ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ）または銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）等の金属粉末メタライズ、あるいは銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），金（Ａｕ）またはニオブ（Ｎｂ）やそれらの合金等の金属材料の薄膜等により形成すればよい。

具体的には、信号配線群３や内層接地導体層４をＷの金属粉末メタライズで形成する場合、Ｗ粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、絶縁層２ａ〜２ｆと成るセラミックグリーンシートに所定のパターンで印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。

また、信号配線群３や内層接地導体層４を金属薄膜で形成する場合、例えばスパッタリング法，真空蒸着法またはメッキ法により金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により所定の配線パターンに形成することができる。

このような配線基板１は、信号配線群３が配設されている絶縁層２ａ〜２ｆの比誘電率に応じて、信号配線群３および差動伝送線路８の伝送線路８ａ，８ｂの配線幅，配線厚み，配線間隔を所望の値に設定することで、信号配線群３の各信号配線の特性インピーダンス値および差動伝送線路８の特性インピーダンス値を所望の値とすることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。例えば、差動貫通導体９が接続される差動伝送線路８は配線基板１の主面に形成されていてもよい。さらに、差動貫通導体９が電気的に接続される二次実装部は、コネクタやワイヤボンディングパッド等でもよい。また、差動貫通導体９は、配線基板１の異なる絶縁層に形成された差動伝送線路８同士の接続に用いてもよい。

本発明の図１の構成の配線基板１を以下のようにして作製した。酸化アルミニウム質焼結体から成る各厚みが０．２ｍｍの絶縁層２ａ〜２ｆを上述したセラミックグリーンシート積層法によって積層し形成することにより、絶縁基板２を作製した。このとき、信号配線群３、差動伝送線路８、内層接地導体層４、差動貫通導体９および接地貫通導体１０を、上述のＷの金属粉末メタライズで形成した。

そして、この場合、図２に示すように、比誘電率が５．２の絶縁基板２ｂに、伝送線路８ａ，８ｂのそれぞれの配線幅が６５μｍ、伝送線路８ａ，８ｂ間の間隔が１３５μｍである差動伝送線路８を形成した。また、各直径が５０μｍで互いの間隔が０．３ｍｍの一対の貫通導体９ａ，９ｂから成る差動貫通導体９を同心円状に取り囲むように、各直径が５０μｍで互いの間隔が０．１５ｍｍの６本の接地貫通導体１０、および内層接地導体４ａと差動貫通導体９を絶縁する開口部１２を形成した。開口部１２の形状は、それぞれ貫通導体９ａ，９ｂを中心とする各直径１５０μｍの２つの円を、それらの円の接線で結んだ楕円形状（長円形状）である。差動伝送線路８と差動貫通導体９は直径１００μｍのランド１３を介して接続されている。

さらに、高周波信号をシールドするために、内層接地導体４ｂは差動伝送線路８の周囲を取り囲むとともに、差動伝送線路８と差動貫通導体９との接続部を円形状に取り囲むように形成されている。その接続部を円形状に取り囲む部分は、それぞれランド１３ａ，１３ｂを中心とする各直径２５０μｍの２つの円を、それらの円の接線で結んだ楕円形状（長円形状）で形成されている。

上記構成の差動伝送線路８について、４０ＧＨｚの高周波信号を貫通導体８ａ，８ｂに位相差１８０度で入力したところ、差動伝送線路８と差動貫通導体９との接続部における伝送線路の不連続性を小さくできるため、高周波信号の反射損失を抑えることが可能となった。すなわち、差動伝送線路８と差動貫通導体９との接続部における高周波信号の反射レベルは−２９ｄＢ程度となり、きわめて小さい値であった。

また、比較例１として、差動伝送線路８と差動貫通導体９との接続部を円形状に取り囲む部分を、上層と同じそれぞれランド１３ａ，１３ｂを中心とする各直径１５０μｍの２つの円を、それらの円の接線で結んだ楕円形状（長円形状）で形成した配線基板においては、差動貫通導体９と差動伝送線路８との接続部における高周波信号の反射レベルは−２０ｄＢ程度と大きくなった。

本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部拡大平面図である。本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す部分拡大断面図である。従来の配線基板の一例の部分拡大平面図である。従来の配線基板の一例の断面図である。従来の配線基板の一例の部分拡大平面図である。

符号の説明

１・・・配線基板
２・・・絶縁基板
２ａ〜２ｆ・・・絶縁層
３・・・信号配線群
４・・・内層接地導体層
５・・・半導体素子
６・・・導体バンプ
７・・・電極パッド
８・・・差動伝送線路
８ａ，８ｂ・・・伝送線路
９・・・差動貫通導体
９ａ，９ｂ・・・貫通導体
１０・・・接地貫通導体
１２・・・開口部
１３・・・ランド
１４・・・差動伝送線路と差動貫通導体との接続部を円形状に取り囲む部位

Claims

複数の絶縁層を積層して成る絶縁基体の内層に形成された、互いに平行な一対の伝送線路から成る差動伝送線路と、該差動伝送線路の前記各伝送線路の一端から前記絶縁基体の主面または他の内層にかけて形成された、互いに平行な一対の貫通導体から成る差動貫通導体と、前記差動伝送線路が形成された内層に前記差動伝送線路を取り囲むとともに前記差動貫通導体との接続部を円形状に取り囲むように形成された内層接地導体と、前記絶縁基体の主面または他の内層に前記差動貫通導体を円形状に取り囲むように開口部が形成された接地導体とを具備しており、前記内層接地導体の前記差動伝送線路と前記差動貫通導体との接続部を円形状に取り囲む部位の直径が、前記接地導体の円形状の前記開口部の直径の１．１乃至２倍であることを特徴とする配線基板。