JP3748770B2 - 伝送線路基板、高周波伝送構造体およびこれを備えた高周波パッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波信号を伝送するための伝送線路基板、高周波伝送構造体およびこれを備えた高周波パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８、図９を参照して、従来の高周波パッケージ（「メタルウォールパッケージ」ともいう。）の構造について説明する。
【０００３】
高周波パッケージは、同軸ケーブル１０によって導かれてきた高周波信号に基づいて半導体素子１５に所望の処理を行なわせてから、リードフレーム１７から出力させるためのものである。ここでいう「高周波信号」とは、たとえば、１０ＧＨｚ以上の高周波の信号であり、そういった高周波信号が通過する配線は、「高速信号線」と呼ばれる場合もある。
【０００４】
図８、図９に示すように、高周波パッケージは、メタルウォール１２によって囲まれた箱状のパッケージである。図８は、内部を示すために、上面の金属壁を取り去った状態で平面図を示している。図９は、側方から見た部分断面図である。同軸ケーブル１０は、メタルウォール１２の一つの側壁に設けられた同軸コネクタ１１を介して高周波パッケージに接続される。図９に示されるように、同軸ケーブル１０の内芯７は引出されて、伝送線路基板３１に接続される。伝送線路基板３１は、コプレーナ伝送線路基板であり、高周波パッケージ内に設けられた金属製の土台６の上に銀ロウなどで接続されている。
【０００５】
伝送線路基板３１のみを取り出した状態を図１０、図１１に示す。伝送線路基板３１は、図１１に示すように、誘電体基板１の上面に３つの導体部分が平行に形成されたものである。すなわち、図１０に示すように、中央に信号線２、その両側にグランドプレーン３が形成されている。上述のように内芯７が接続されるのは、信号線２である。グランドプレーン３には、同軸ケーブル１０の外側導体部分が、メタルウォール１２、土台６を介して電気的に接続される。伝送線路基板３１の信号線およびグランド線は、図８に示すように、ボンディングワイヤ１３によって半導体素子１５と接続される。メタルウォール１２の他の一辺には、導体層１６を形成した誘電体基板１８が配置されている。半導体素子１５は、ボンディングワイヤ１４によって、導体層１６と接続されている。導体層１６はメタルウォール１２の外側に配置されたリードフレーム１７と電気的に接続されている。このようにして、半導体素子１５は、リードフレーム１７と信号のやりとりを行なうことができる。
【０００６】
なお、本明細書では、便宜上、いくつかの呼び名を使い分けている。誘電体基板１とその上面に形成された信号線２、グランドプレーン３を合わせた部分を「伝送線路基板」と呼ぶものとする。伝送線路基板にさらに土台６を含めた部分を「高周波伝送構造体」と呼ぶものとする。図８、図９に示したように、高周波伝送構造体にさらにメタルウォール１２、半導体素子１５などを含めたパッケージ全体を「高周波パッケージ」と呼ぶものとする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
信号の高周波化がさらに進んだ近年では、４０ＧＨｚ程度あるいはそれ以上の高周波信号を扱う必要性も生じてくる。しかし、そのようなレベルの高周波になると、伝送線路基板３１上に共振が発生し、伝送特性が劣化するという問題があった。
【０００８】
共振による伝送特性劣化に対してとられてきた従来のいくつかの対策について説明する。
【０００９】
たとえば、高周波信号が矩形波で与えられる場合、高周波信号には、矩形波の周波数の整数倍の「高調波」が含まれる。また、状況によっては、矩形波の周波数より低い周波数の低周波も含まれる。したがって、低周波はもちろんのこと、高調波の整数倍、たとえば３倍の周波数までの範囲で共振が発生しないことが望まれる。そこで、まず、共振の発生する共振周波数を、何らかの手段によってより高周波側にシフトするという方法がある。
【００１０】
共振周波数を高周波側にシフトするためには、図１２、図１３に示すように、信号線２に近いグランドプレーン３に、グランドプレーン３と土台６とを結ぶ導体であるグランドビア４を設置する方法がある。ただし、伝送線路基板３１の伝送特性にグランドビア４が影響を与えないように配置する必要がある。
【００１１】
一般に、信号線２とグランドビア４との距離を近くすればするほど、共振時の波長は短くなり、共振周波数は高周波となる。そこで、信号線２とグランドビア４との距離を近づけた状態を図１４、図１５に示す。
【００１２】
一方、伝送線路基板３１は特性インピーダンスを一定にする必要がある。特性インピーダンスは、信号線２の幅（以下、「信号線幅」という。）、信号線２とグランドプレーン３との間のギャップ１９の幅（以下、「ギャップ幅」という。）によって決まる。したがって、信号線２とグランドビア４との間の距離を小さくするためには、信号線幅とギャップ幅との間に一定の関係を保ったまま寸法を小さくする必要がある。信号線幅は、内芯７と接続する都合上、一定以上にする必要があるから、これに対応してギャップ幅も一定以上にせざるを得ない。具体的には、たとえば、内芯７の直径は、０．３ｍｍであり、信号線幅も約０．３ｍｍ以上とすることが必要となる。このため、図１４、図１５に示したように、グランドビア４を信号線２に接近させるという手法には限界がある。
【００１３】
次にとられうる対策としては、図１６、図１７に示すように、誘電体基板１と土台６との間に抵抗体５を挿入した構造がとられる。このような構造とすることで、共振のエネルギーは、抵抗体５の導体損失として吸収され、共振の発生を抑制することができる。この効果を検証するために、通過特性Ｓ２１をマクスウェルの電磁方程式を有限要素法を用いて解く解析を行なった。通過特性Ｓ２１とは、以下の式で規定されるパラメータである。
【００１４】
Ｓ２１［ｄＢ］＝１０×ｌｏｇ（Ｐｏｕｔ２／Ｐｉｎ１）
Ｐｉｎ１：端子１への入力電力
Ｐｏｕｔ２：端子２からの出力電力
抵抗体５なしの構造（図１５参照）と抵抗体５ありの構造（図１７参照）とのそれぞれにおける通過特性Ｓ２１の解析結果の比較を、図１８に示す。曲線５１が、抵抗体５なしによるものであり、曲線５２が、抵抗体５ありによるものである。この結果から、抵抗体５を挿入することによって、共振によって生じる波形の落ち込み、いわゆる「ディップ（dip）」を大幅に低減できたことが明らかである。
【００１５】
また、抵抗体５によるディップ抑制の効果をより効率的に発揮させるには、抵抗体の抵抗率ρが一定の場合、電磁界が抵抗体を貫通しない条件である次式を満たすように抵抗体の厚みｄを選ぶことが望ましい。
【００１６】
ｄ＞δ
δ：表皮厚み
ただし、δ＝（ρ／πｆμ）^1/2
ｆ：周波数
μ：抵抗体の透磁率
しかし、抵抗体５の設置によって、緩やかになったとはいえ、まだなお、ディップは存在する。また、抵抗体５を設けることとすると、製造時の部品点数、工程数の増加につながる。
【００１７】
そこで、本発明では、部品点数を増加させることなく、共振によるディップをより低減し、伝送特性を向上できるような伝送線路基板などを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に基づく伝送線路基板の一つの局面では、誘電体基板と、上記誘電体基板の上面に線状に設けられた導電体である信号線と、上記誘電体基板の上面において上記信号線を両側からそれぞれ間隙を介して挟むように配置された板状の導電体であるグランドプレーンとを含むコプレーナ伝送線路基板を備え、上記誘電体基板内を貫通することによって、上記グランドプレーンと上記誘電体基板の下面の導電体の土台とを電気的に接続するグランドビアをさらに備え、上記信号線の中心線を通り、上記誘電体基板の上面に垂直な仮想基準平面から、一方のグランドプレーンに接続する上記グランドビアの中心線までの距離と、上記仮想基準平面から、他方のグランドプレーンに接続する上記グランドビアの中心線までの距離とが異なる。
【００１９】
上記構成を採用することにより、信号線から見てグランドビアが非対称となり、左に偏った共振体と右に偏った共振体との共振周波数が異なるようになる。したがって、共振によって生じていた１つのディップを２つのディップに分離するとともに、ディップの深さを浅くすることができる。したがって、部品点数を増加させることなく、ディップを低減することができる。
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明に基づく伝送線路基板の他の局面では、誘電体基板と、上記誘電体基板の上面に線状に設けられた導電体である信号線と、上記誘電体基板の上面において上記信号線を両側から間隙を介して挟むように配置された板状の導電体であるグランドプレーンとを備えるコプレーナ伝送線路基板であり、上記誘電体基板内を貫通することによって、上記グランドプレーンと、上記誘電体基板の下面の導電体の土台とを電気的に接続するグランドビアをさらに備え、上記信号線の中心線を通り、上記誘電体基板の上面に垂直な仮想基準平面から、一方の上記グランドプレーンの上記信号線側の端までの距離と、上記仮想基準平面から、他方の上記グランドプレーンの上記信号線側の端までの距離とが異なる。
【００２１】
上記構成を採用することにより、信号線から見てグランドプレーンが非対称となり、左に偏った共振体と右に偏った共振体との共振周波数が異なるようになる。したがって、共振によって生じていた１つのディップを２つのディップに分離するとともに、ディップの深さを浅くすることができる。したがって、部品点数を増加させることなく、ディップを低減することができる。
【００２２】
上記発明において好ましくは、上記誘電体基板の下面に膜状の抵抗体を備える。この構成を採用することにより、共振のエネルギーは、抵抗体の導体損失として吸収されるため、共振の発生を抑制することができる。グランドビアまたはグランドプレーンを左右非対称に配置して、かつ、抵抗体も配置することによって、左右それぞれを中心として構成する共振体が蓄積する電磁エネルギーに対して、抵抗体のもたらす導体損失の比率が大きくなるため、共振抑制効果が高まる。
【００２３】
また、上記目的を達成するため、本発明に基づく高周波伝送構造体の一つの局面では、上述の伝送線路基板と、上記伝送線路基板の下側に配置された導電体の土台とを備え、上記土台は上記信号線を投影した領域にほぼ対応する領域に凹部を有する。この構成を採用することにより、凹部の存在により、伝送線路基板の下側において、高周波信号の伝送方向に対する垂直方向に電流が流れにくくなる。したがって、伝送方向に磁界成分を持つ基板下側の共振を抑制することができ、上述のグランドビアまたはグランドプレーンの非対称な配置によるディップ低減効果に加えて、さらにディップを低減できる。
【００２４】
上記発明において好ましくは、上記誘電体基板と上記土台との間には膜状の抵抗体が介在し、上記抵抗体は、上記凹部を上記誘電体基板に投影した領域を挟む両側が互いに電気的に隔絶されている。この構成を採用することにより、共振のエネルギーは、抵抗体の導体損失として吸収され、ディップを低減できる。なおかつ、凹部の上方において、抵抗体を通じて高周波信号の伝送方向に対する垂直方向に電流が流れることを防止できるため、凹部による共振抑制効果を阻害しない。
【００２５】
上記目的を達成するため、本発明に基づく高周波パッケージの一つの局面では、上述の伝送線路基板と、上記伝送線路基板を載置する導電性の土台と、上記伝送線路基板に対して電気的に接続された同軸コネクタと、上記伝送線路基板に対して電気的に接続された半導体素子とを備える。この構成を採用することにより、グランドビアまたはグランドプレーンの非対称な配置によってディップを低減できる伝送線路基板を備えるため、ディップを低減した高周波パッケージを得ることができる。
【００２６】
上記目的を達成するため、本発明に基づく高周波パッケージの他の局面では、上述の高周波伝送構造体と、上記高周波伝送構造体に対して電気的に接続された同軸コネクタと、上記高周波伝送構造体に対して電気的に接続された半導体素子とを備える。この構成を採用することにより、グランドビアまたはグランドプレーンの非対称な配置および凹部の配置によってディップを低減できる高周波伝送構造体を備えるため、ディップを低減した高周波パッケージを得ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
（構成）
図１を参照して、本発明に基づく実施の形態１における伝送線路基板ないし高周波伝送構造体について説明する。この伝送線路基板においては、信号線２は、依然として中心にあるが、信号線２を基準に考えたときのグランドビア４の相対的位置は、左右非対称となっている。
【００３２】
グランドビア４に関していうときの「非対称」の定義は、以下の通りである。すなわち、信号線２の中心線を通り、誘電体基板１の上面に垂直な仮想基準平面をまず考える。この仮想基準平面から一方のグランドプレーン３に接続するグランドビア４の中心線までの距離と、仮想基準平面から、他方のグランドプレーン３に接続するグランドビア４の中心線までの距離とが異なるときに左右非対称に該当する。
【００３３】
（作用・効果）
グランドビア４を図１に示すように左右非対称に配置したときの通過特性Ｓ２１の解析結果を図２に示す。ただし、抵抗体５がない条件で比較した。曲線５３が、グランドビア４が対称の構造（図１５参照）によるもので、曲線５４が、グランドビア４が非対称の構造（図１参照）によるものである。図２から、グランドビア４を非対称とすることで、ディップが２つに分離し、それぞれ浅くなることがわかる。
【００３４】
伝送線路基板において、信号線２と右側部分とを中心として構成する共振体と、信号線２と左側部分とを中心として構成する共振体とがそれぞれ存在し、図１５に示したようなグランドビア４が対称の構造では、左右とも同じ共振周波数であったために、１つの大きな共振体を構成することとなっていたと考えられる。そのため、グランドビア４を非対称とすることで、左右の共振周波数が異なるようになり、１つの深いディップが２つの浅いディップに分離したと考えられる。
【００３５】
さらに、抵抗体５がある場合において、グランドビア４を図３に示すように左右非対称に配置したときの通過特性Ｓ２１の解析結果を図４に示す。曲線５５が、グランドビア４が対称の構造（図１７参照）によるもので、曲線５６が、グランドビア４が非対称の構造（図３参照）によるものである。図４から、グランドビア４を非対称とすることで、ディップがより浅くなることがわかる。
【００３６】
グランドビア４を左右非対称に配置して、かつ、抵抗体５も配置することによって、左右それぞれの構成する共振体が蓄積する電磁エネルギーに対して、抵抗体５のもたらす導体損失の比率が大きくなるため、共振抑制効果が高まったと考えられる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、伝送線路基板ないし高周波伝送構造体についての説明という体裁をとったが、この伝送線路基板ないし高周波伝送構造体を用いて構成される高周波パッケージによっても、同様のディップ低減の効果を得ることができる。
（実施の形態２）
（構成）
図５を参照して、本発明に基づく実施の形態２における伝送線路基板および高周波伝送構造体について説明する。この伝送線路基板においては、信号線２は、中心にあり、グランドビア４の配置も、左右対称となっているが、信号線２とグランドプレーン３とのギャップ幅が左右非対称となっている。
【００３８】
グランドプレーン３に関していうときの「非対称」の定義は、以下の通りである。すなわち、信号線２の中心線を通り、誘電体基板１の上面に垂直な仮想基準平面をまず考える。仮想基準平面から、一方のグランドプレーン３の信号線２側の端までの距離と、仮想基準平面から、他方のグランドプレーン３の信号線２側の端までの距離とが異なるときに左右非対称に該当する。
【００３９】
（作用・効果）
この場合も、実施の形態１でグランドビア４の配置を非対称とした場合と同様のことがいえる。すなわち、左右各部分のそれぞれを中心として構成する共振体が異なる共振周波数となるため、共振によって生じるディップを分離することができ、ディップを浅くすることができると考えられる。
【００４０】
実施の形態１，２とも非対称とする際の左右の距離の差によってディップの分離度合いが変化するが、たとえば、グランドビア４を非対称としようとしたときに、製造上の制限により、グランドビア４の位置をある程度以上ずらせず、そのため、ディップの分離が十分に行なえないような場合には、本実施の形態の考え方を組み合わせて適用することもできる。すなわち、グランドビア４を一定の向きに非対称としたときに、さらにグランドプレーン３を逆向きに非対称とすることによって、ディップの分離の度合いを補完し、十分なものとすることもできる。
【００４１】
なお、本実施の形態では、伝送線路基板ないし高周波伝送構造体についての説明という体裁をとったが、この伝送線路基板ないし高周波伝送構造体を用いて構成される高周波パッケージによっても、同様のディップ低減の効果を得ることができる。
【００４２】
（実施の形態３）
（構成）
図６を参照して、本発明に基づく実施の形態３における高周波伝送構造体について説明する。この伝送線路基板においては、信号線２は中心にあり、グランドビア４、グランドプレーン３の配置は左右対称となっている。その代わり、従来の土台６の代わりに、中央に凹部８のある土台６ａが用いられている。
【００４３】
（作用・効果）
土台に凹部８を設けたことによる効果を検証するための通過特性Ｓ２１の解析結果を図７に示す。曲線５７が、凹部８がない構造（図１７参照）によるもので、曲線５８が、凹部８がある構造（図６参照）によるものである。図７から、凹部８を設けることで、ディップが低減できていることがわかる。
【００４４】
これは、以下のように考えられる。凹部８の存在により、伝送線路基板の下側において、高周波信号の伝送方向（信号線２の長手方向）に対して垂直方向（図６における左右方向）に電流が流れにくくなる。したがって、伝送線路基板の下側において伝送方向に磁界成分を持つ共振を抑制することができたものと考えられる。ただし、図６に示すように、抵抗体５ａにも切れ目を設けて、凹部８の上方で左右方向に電流が流れないようにしておくことが重要である。図６の例では、抵抗体５ａには２ヶ所に切れ目を設けているが、凹部８の上方において抵抗体５の左側部分と右側部分とが電気的に分離されていればよく、切れ目は２ヶ所とは限らず１ヶ所であってもよい。
【００４５】
なお、図６に示した例では、誘電体基板１の下側に抵抗体５ａがあるが、図１３や図１５に示したように抵抗体を挿入しない構造で、凹部８を設けることとしてもよい。
【００４６】
また、本実施の形態のような凹部８を設ける構造と、実施の形態１，２のようなグランドビア４の非対称な配置、グランドパターン３の非対称な配置を適宜選択して組み合わせても、ディップ低減の効果を高めることができる。
【００４７】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、信号線から見てグランドビアまたはグランドプレーンが非対称となり、左右の共振周波数が異なるようになる。したがって、共振によって生じていた１つのディップを２つのディップに分離するとともに、ディップの深さを浅くすることができる。したがって、部品点数を増加させることなく、ディップを低減することができる。さらに、凹部を設けることとすれば、伝送線路基板の下側において、高周波信号の伝送方向に対する垂直方向に電流が流れにくくなり、伝送方向に磁界成分を持つ共振を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく実施の形態１における高周波伝送構造体の一つの例の断面図である。
【図２】 本発明に基づく実施の形態１における、抵抗体のない場合の高周波伝送構造体の通過特性を従来のものと比較したグラフである。
【図３】 本発明に基づく実施の形態１における高周波伝送構造体の他の例の断面図である。
【図４】 本発明に基づく実施の形態１における、抵抗体のある場合の高周波伝送構造体の通過特性を従来のものと比較したグラフである。
【図５】 本発明に基づく実施の形態２における高周波伝送構造体の断面図である。
【図６】 本発明に基づく実施の形態３における高周波伝送構造体の断面図である。
【図７】 本発明に基づく実施の形態３における、凹部を設けた場合の高周波伝送構造体の通過特性を従来のものと比較したグラフである。
【図８】 従来技術に基づく高周波パッケージの平面図である。
【図９】 従来技術に基づく高周波パッケージの断面図である。
【図１０】 従来技術に基づく高周波伝送構造体の第１の例の平面図である。
【図１１】 従来技術に基づく高周波伝送構造体の第１の例の断面図である。
【図１２】 従来技術に基づく高周波伝送構造体の第２の例の平面図である。
【図１３】 従来技術に基づく高周波伝送構造体の第２の例の断面図である。
【図１４】 従来技術に基づく高周波伝送構造体の第３の例の平面図である。
【図１５】 従来技術に基づく高周波伝送構造体の第３の例の断面図である。
【図１６】 従来技術に基づく高周波伝送構造体の第４の例の断面図である。
【図１７】 従来技術に基づく高周波伝送構造体の第５の例の断面図である。
【図１８】 従来技術に基づく高周波伝送構造体における抵抗体の有無による通過特性への影響を比較したグラフである。
【符号の説明】
１ 誘電体基板、２ 信号線、３ グランドプレーン、４ グランドビア、５抵抗体、６ 土台、７ 内芯、８ 凹部、１０ 同軸ケーブル、１１ 同軸コネクタ、１２ メタルウォール、１３，１４ ボンディングワイヤ、１５ 半導体素子、１６ 導体層、１７ リードフレーム、１８ 誘電体基板、１９ ギャップ、３１，３２，３３ 伝送線路基板、５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８ 曲線。

Claims (7)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の上面に線状に設けられた導電体である信号線と、
   前記誘電体基板の上面において前記信号線を両側からそれぞれ間隙を介して挟むように配置された板状の導電体であるグランドプレーンとを備えるコプレーナ伝送線路基板であり、
   前記誘電体基板内を貫通することによって、前記グランドプレーンと前記誘電体基板の下面の導電体の土台とを電気的に接続するグランドビアをさらに備え、
   前記信号線の中心線を通り、前記誘電体基板の上面に垂直な仮想基準平面から、一方のグランドプレーンに接続する前記グランドビアの中心線までの距離と、前記仮想基準平面から、他方のグランドプレーンに接続する前記グランドビアの中心線までの距離とが異なる、伝送線路基板。
2. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の上面に線状に設けられた導電体である信号線と、
   前記誘電体基板の上面において前記信号線を両側から間隙を介して挟むように配置された板状の導電体であるグランドプレーンとを備えるコプレーナ伝送線路基板であり、
   前記誘電体基板内を貫通することによって、前記グランドプレーンと前記誘電体基板の下面の導電体の土台とを電気的に接続するグランドビアをさらに備え、
   前記信号線の中心線を通り、前記誘電体基板の上面に垂直な仮想基準平面から、一方の前記グランドプレーンの前記信号線側の端までの距離と、前記仮想基準平面から、他方の前記グランドプレーンの前記信号線側の端までの距離とが異なる、伝送線路基板。
3. 前記誘電体基板の下面に膜状の抵抗体を備える、請求項１または２に記載の伝送線路基板。
4. 請求項１または２に記載の伝送線路基板と、前記土台とを備え、前記土台は前記信号線を投影した領域にほぼ対応する領域に凹部を有する、高周波伝送構造体。
5. 前記誘電体基板と前記土台との間には膜状の抵抗体が介在し、前記抵抗体は、前記凹部を前記誘電体基板に投影した領域を挟む両側が互いに電気的に隔絶されている、請求項４に記載の高周波伝送構造体。
6. 請求項１から３のいずれかに記載の伝送線路基板と、
   前記伝送線路基板を載置する導電性の土台と、
   前記伝送線路基板に対して電気的に接続された同軸コネクタと、
   前記伝送線路基板に対して電気的に接続された半導体素子とを備えた高周波パッケージ。
7. 請求項４または５に記載の高周波伝送構造体と、
   前記高周波伝送構造体に対して電気的に接続された同軸コネクタと、
   前記高周波伝送構造体に対して電気的に接続された半導体素子とを備えた高周波パッケージ。

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