JP3810566B2 - 高周波用パッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波、ミリ波等の高周波信号を伝える信号線路をもつ高周波用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の動作速度の高速化、高周波化に伴い、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ以上の高周波信号を効率よく伝送する信号線路をもつ高周波用パッケージが求められている。
【０００３】
従来用いられている高周波用パッケージとして、例えば図５に示すように、下面にグランドプレーンとなる金属層１４が形成され、上面に高周波信号を伝搬する信号線路１１が形成されるセラミック等の絶縁基板１２と、半導体集積回路等の半導体素子１０を気密封止するための金属等の蓋部材８と信号線路１１とを絶縁する絶縁枠部材１３とを備えた高周波用パッケージ１００が知られている。信号線路１１は、絶縁基板１２と絶縁枠部材１３と蓋部材８とにより構成されるパッケージの内側から外側にかけて導出され、絶縁基板１２と絶縁枠部材１３とで挟持された気密封止部により気密に封止されている。また信号線路１１は、半導体素子１０の電極とアルミニウムまたは金の接続線９で接続されている。
【０００４】
また、上記の高周波用パッケージ１００は、他の図示しない信号線路とのアイソレーションを確保するため、例えば図６に示すように、信号線路１１の両側に設けられるグランドプレーン１５と、信号線路１１上部の絶縁枠部材１３ａと蓋部材８下部の絶縁枠部材１３ｂとの間に設けられるグランドプレーン１６とを備えている。それぞれのグランドプレーン１４、１５および１６は導体ビア１７により電気的に接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の高周波用パッケージ１００において、信号線路１１は気密封止されたパッケージ内側と外側とを電気的に接続している。このため、気密封止部分では、絶縁基板１２と絶縁枠部材１３とにより挟まれて、それらの厚みや誘電率を同一とすることによりストリップライン構造となる。一方、パッケージ内側部分および外側部分では、下面にグランドプレーン１４が形成された絶縁基板１２と上部空間に挟まれたマイクロストリップライン構造もしくはグランド付きコプレーナ構造となる。信号線路１１の線路幅が全ての箇所において同一であると、気密封止部分における特性インピーダンスがパッケージ内側部分および外側部分の特性インピーダンスより低下するので、信号線路１１を伝搬する信号に対して特性インピーダンスの不整合による反射損失が生じるという問題がある。
【０００６】
そこで、特公平８−１２８８７号公報に開示される高周波用パッケージにおいては、例えば図７に示すように、気密封止部分の信号線路１１ｂの線路幅をパッケージ内側部分および外側部分の信号線路１１ａの線路幅より狭くして気密封止部分の特性インピーダンスの整合をとっている。実際には、信号線路の線路幅が急激に変化する信号線路１１ａと信号線路１１ｂとの接続部分において反射損失等が生じるため、信号線路１１ａと信号線路１１ｂとの間に線路幅を徐々に変化させたテーパ部１１ｃを設けるのが好ましい。
【０００７】
しかしながら、特公平８−１２８８７号公報に開示される高周波用パッケージジでは、以下に述べる問題点により、２０ＧＨｚを越える高周波信号に対して信号線路１１の伝送特性が劣化することが判明した。
【０００８】
(1) パッケージ内側部分および外側部分の信号線路１１ａと気密封止部分の信号線路１１ｂとを接続するテーパ部１１ｃの部分の特性インピーダンスが信号線路１１ａおよび１１ｂの特性インピーダンスと不整合を起こす。テーパ部１１ｃは、信号線路１１ａと信号線路１１ｂとを直接接続したときの反射損失等を低減するために設けられている。しかし、信号線路１１の特性インピーダンスは主要部分である信号線路１１ａおよび１１ｂで整合が取れるように断面構造が決定されるため、テーパ部１１ｃの部分の特性インピーダンスは、気密封止部分において比較的小さく、パッケージ内側部分および外側部分において比較的大きくなり、信号線路１１ａおよび１１ｂの特性インピーダンスと不整合を起こす。
【０００９】
(2) 図８に示すように、信号線路１１の上部、両側および下部に位置するグランドプレーン１４、１５および１６をそれぞれ電気的に接続する導体ビア１７とグランドプレーン１６との接続点１６ｂと、グランドプレーン１６の端部１６ａとの距離Ｌが信号線路１１に伝送する高周波信号の波長λの１／４以上となる。特開平９−４６００８号公報においては、グランドプレーンの端部とこの端部に最も近い導体ビアまでの距離を信号線路に伝送する高周波信号の波長λの１／４未満に形成すると、高周波信号を効率よく伝送させることができることが開示されている。しかし、図８に示す距離Ｌを可能な限り小さくすることは製造コストを上昇させるばかりでなく、ある程度の距離Ｌが残り、高周波信号の伝送特性が劣化する。
【００１０】
本発明は、上記の(1)および(2)のような問題を解決するためになされたものであり、特性インピーダンスの不整合および伝送特性の劣化を防止し、高周波特性に優れた高周波用パッケージを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の高周波用パッケージによると、下面に金属層を有する絶縁基板と、この絶縁基板の上面に接合され、内側に絶縁基板の上面に搭載された高周波回路または半導体素子を収容するための空間を有する絶縁枠部材と、絶縁基板の上面に絶縁枠部材の内側から外側にかけて形成され、一部が絶縁基板と絶縁枠部材とで挟持される信号線路と、絶縁基板の上面、ならびに絶縁枠部材の表層あるいは内層に設けられる複数層のグランドパターンと、複数層のグランドパターンの各グランドパターンを互いに電気的に接続する複数本のビアあるいはスルーホールとを備えている。そして、信号線路上部の絶縁枠部材の内部に設けられるグランドパターンの幅は絶縁枠部材内に設けられる複数本のビアあるいはスルーホール間の距離と略同等であり、信号線路はマイクロストリップライン、ストリップライン、エンベッドマイクロストリップラインの３種類で構成されている。
【００１２】
ここで、マイクロストリップラインは、例えば図９（Ａ）に示すように、下面に金属層としてのグランドパターン２３を有する誘電体２２の上面に信号線路２１を設けた構造であり、ストリップラインは、例えば図９（Ｂ）に示すように、信号線路２１とグランドパターン２３および２４とが誘電体２２によって隔てられている構造であり、エンベッドマイクロストリップラインは、例えば図９（Ｃ）に示すように、ストリップラインの一方のグランドパターンがない構造である。
【００１３】
信号線路上部の絶縁枠部材の内部に設けられるグランドパターンの幅が複数本のビアあるいはスルーホール間の距離と略同等であるので、マイクロストリップライン構造であるパッケージ内側部分および外側部分と、ストリップライン構造である気密封止部分との間にエンベッドストリップライン構造部分が形成される。マイクロストリップライン、ストリップライン、エンベッドマイクロストリップラインの３種類の構造中、特性インピーダンスが等しくなる信号線路の線路幅は、大きい順にマイクロストリップライン、エンベッドマイクロストリップライン、ストリップラインである。このため、マイクロストリップライン構造部分の信号線路の線路幅とストリップライン構造部分の信号線路の線路幅との間の線路幅をもつ信号線路の接続部をエンベッドマイクロストリップライン構造部分に形成することにより、上記の信号線路の接続部で特性インピーダンスが不整合を起こすのを防止することができる。
【００１４】
さらに、上記のエンベッドマイクロストリップライン構造は比較的容易に形成することができるので、従来と同様な製造プロセスを採用することができ、製造工数および製造コストを従来並に低下させることができる。
【００１５】
さらにまた、絶縁枠部材の内部に設けられるグランドパターンの端部から、この端部に最も近いビアあるいはスルーホールとの接続点までの距離をほぼゼロとすることができる。したがって、スタブによる高周波信号の伝送特性の劣化を防止することができる。
【００１６】
絶縁基板ならびに絶縁枠部材としては、例えばアルミナやムライト等のセラミックスやガラスセラミックス、あるいはテフロン−ガラスエポキシ−ポリイミド等の樹脂系材料などを用いることができる。
【００１７】
高周波回路または半導体素子を気密封止するための蓋部材は、例えば金属等からなり、Ａｕ−Ｓｎ等のロウ材を用いて絶縁枠部材と接合し、高周波回路または半導体素子を収容するための空間を気密封止することができる。また蓋部材として、絶縁枠部材と同様の絶縁材料を用いてもよい。
【００１８】
信号線路は、ＣｕやＭｏ−Ｍｎ、Ｃｕ−Ｗ、Ａｕなどを用いて厚膜印刷あるいは薄膜形成、メッキ処理などの方法により形成され、その厚みや幅は伝搬させる高周波信号ならびに高周波用パッケージの仕様に応じて適宜設定することができる。
金属層、グランドパターン、ならびにビアあるいはスルーホールは、信号線路と同様の材料を用いて同様の方法により形成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す実施例を図面に基づいて説明する。
本発明の一実施例による高周波用パッケージを図１〜図４に示す。
図２に示すように、高周波用パッケージ２０は、下面にグランドプレーンとなる金属層４が形成され、上面に高周波信号を伝搬する信号線路１が形成されるセラミック等の絶縁基板２と、半導体集積回路等の半導体素子１０を気密封止するための金属等の蓋部材８と信号線路１とを絶縁する絶縁枠部材３とを備えている。信号線路１は、絶縁基板２と絶縁枠部材３と蓋部材８とにより構成されるパッケージの内側から外側にかけて導出され、絶縁基板２と絶縁枠部材３とで挟持された気密封止部により気密に封止されている。また信号線路１は、半導体素子１０の電極とアルミニウムまたは金の接続線９で接続されている。
【００２０】
図１に示すように、高周波用パッケージ２０は、他の図示しない信号線路とのアイソレーションを確保するため、信号線路１の両側に設けられるグランドパターンとしてのグランドプレーン５と、信号線路１上部の絶縁枠部材３ａと蓋部材８下部の絶縁枠部材３ｂとの間に設けられるグランドパターンとしてのグランドプレーン６とを備えている。それぞれのグランドプレーン４、５および６は導体ビア７により電気的に接続されている。
【００２１】
図３に示すように、信号線路１は、パッケージ内側部分および外側部分の信号線路１ａと、気密封止部分の信号線路１ｂと、信号線路１ａと信号線路１ｂとを接続するテーパ部１ｃとから構成されている。パッケージ内側部分および外側部分の信号線路１ａは上部が空間のマイクロストリップライン構造を構成しており、気密封止部分の信号線路１ｂはストリップライン構造を構成している。このため、信号線路１ａおよび１ｂの線路幅と、信号線路１からグランドプレーン４、５および６までの距離を変化させることにより、信号線路１ａと信号線路１ｂとの部分の特性インピーダンスを整合させることができる。
【００２２】
また、信号線路１ａと信号線路１ｂとを接続するテーパ部１ｃは、上部にグランドプレーンが設けられていないエンベッドマイクロストリップライン構造であるので、テーパ部１ｃの部分の特性インピーダンスは気密封止部分の信号線路１ｂに比べて大きくなる傾向にある。しかし、信号線路１ｂから信号線路１ａにかけて線路幅が徐々に大きくなるため、テーパ部１ｃの部分の特性インピーダンスを小さく抑えることができる。すなわち、テーパ部１ｃの部分の特性インピーダンスは、上部グランドプレーンが設けられていないことにより特性インピーダンスが大きくなる傾向と、信号線路の線路幅が徐々に大きくなることにより特性インピーダンスが小さくなる傾向とが相殺され、結果として特性インピーダンスの不整合を防止することができる。
【００２３】
図４に示すように、気密封止部分の信号線路１ｂの上部グランドプレーン６の幅Ｗは、導体ビア７間の距離Ｗ７と略同等である。このため、グランドプレーン６の端部６ａからこの端部６ａに最も近い導体ビア７との接続点６ｂまでの距離をほぼゼロとすることができる。
【００２４】
本実施例においては、パッケージ内側部分および外側部分の信号線路１ａは上部が空間のマイクロストリップライン構造を構成しており、気密封止部分の信号線路１ｂはストリップライン構造を構成しており、テーパ部１ｃの部分は上部にグランドプレーンが設けられていないエンベッドマイクロストリップライン構造を構成している。そして、気密封止部分の信号線路１ｂの上部グランドプレーン６の幅Ｗは導体ビア７間の距離Ｗ７と略同等である。したがって、テーパ部１ｃの部分の特性インピーダンスと、信号線路１ａおよび１ｂの部分の特性インピーダンスとの不整合を防止することができる。
【００２５】
さらに、本実施例においては、エンベッドマイクロストリップライン構造を比較的容易に形成することができるので、従来と同様な製造プロセスを採用することができ、製造工数および製造コストを従来並に低下させることができる。
【００２６】
さらにまた、本実施例においては、グランドプレーン６の端部６ａからこの端部６ａに最も近い導体ビア７との接続点６ｂまでの距離をほぼゼロとすることができる。したがって、スタブによる高周波信号の伝送特性の劣化を防止することができる。
【００２７】
本実施例では、グランドプレーン４、５および６を導体ビア７を介して互いに電気的に接続する例について説明したが、本発明では、スルーホールを介して各グランドパターンを互いに電気的に接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による高周波用パッケージを示すものであって、図２の主要部の拡大斜視図である。
【図２】本発明の一実施例による高周波用パッケージを示す縦断面図である。
【図３】図２の主要部の拡大平面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】従来技術の高周波用パッケージを示す縦断面図である。
【図６】図５の主要部の拡大斜視図である。
【図７】図５の主要部の拡大平面図である。
【図８】図７のVIII− VIII 線断面図である。
【図９】信号線路の構造を説明するための模式的断面図であって、（Ａ）はマイクロストリップラインを示し、（Ｂ）はストリップラインを示し、（Ｃ）はエンベッドマイクロストリップラインを示すものである。
【符号の説明】
１ 信号線路
２ 絶縁基板
３ 絶縁枠部材
４ グランドプレーン（金属層）
５、６ グランドプレーン（グランドパターン）
７ 導体ビア
８ 蓋部材
１０ 半導体素子
２０ 高周波用パッケージ

Claims (1)

1. 下面に金属層（４）を有する絶縁基板（２）と、
   前記絶縁基板（２）の上面に接合され、内側に前記絶縁基板（２）の上面に搭載された高周波回路または半導体素子（１０）を収容するための空間を有する絶縁枠部材（３）と、
   前記絶縁基板（２）の上面に前記絶縁枠部材（３）の内側から外側にかけて形成され、一部が前記絶縁基板（２）と前記絶縁枠部材（３）とで挟持される信号線路（１）と、
   前記絶縁基板（２）の上面に設けられる第１グランドパターン（５）と、
   前記絶縁枠部材（３）の内層に設けられる第２グランドパターン（６）と、
   前記絶縁枠部材内に設けられ、前記第１グランドパターン（５）と前記第２グランドパターン（６）とを電気的に接続する複数本のビアあるいはスルーホール（７）とを備え、
   前記第２グランドパターン（６）の幅は前記複数本のビアあるいはスルーホール（７）間の距離と略同等であり、
   前記信号線路（１）は、
   前記絶縁枠部材（３）の内側の内側信号線路と、
   前記絶縁枠部材（３）の外側の外側信号線路と、
   前記絶縁基板（２）と前記絶縁枠部材（３）とで挟持される部分において、前記内側信号線路および前記外側信号線路よりも幅の狭い気密封止部分信号線路と、
   前記内側信号線路と前記気密封止部分信号線路とを接続し、前記絶縁基板（２）と前記絶縁枠部材（３）とで挟持される部分に形成され、前記気密封止部分信号線路から前記内側信号線路にかけて幅が徐々に大きくなる内側テーパ部信号線路と、
   前記外側信号線路と前記気密封止部分信号線路とを接続し、前記絶縁基板（２）と前記絶縁枠部材（３）とで挟持される部分に形成され、前記気密封止部分信号線路から外側信号線路にかけて線路幅が徐々に大きくなる外側テーパ部信号線路とを有し、
   前記内側信号線路および前記外側信号線路は、いずれも下面に前記金属層（４）を有するマイクロストリップラインであり、
   前記気密封止部分信号線路は、下面に金属層（４）を有し、上面に前記第２グランドパターン（６）を有するストリップラインであり、
   前記外側テーパ部信号線路および前記内側テーパ部信号線路は、いずれも下面に前記金属層（４）を有し、上面に前記第２グランドパターン（６）が形成されていないエンベッドマイクロストリップラインであることを特徴とする高周波用パッケージ。

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