JP3922551B2 - 高周波用伝送線路基板 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属導体線路に高周波の信号を通過させるための高周波用伝送線路基板に係り、より詳細には、伝送特性及び接続信頼性が向上できる高周波用伝送線路基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年のモジュールの高周波化に伴い、半導体素子を搭載するためのパッケージ、回路基板等を伝播する信号速度、更に、パッケージ、回路基板等に接合して用いられたりする異なる信号線形態間を接続するための伝送線路基板を伝播する信号速度が高速になっており、単なる電気的接続では様々なノイズの発生要因となっている。この高周波用伝送線路基板は、セラミックやプラスチックからなる誘電体基材に導体金属からなる信号線とグランドを形成して高速動作に対応できる特性インピーダンス等の電気的設計の考慮がなされている。高周波化に伴い、信号線を伝播する信号遅延、反射ノイズ、クロストークノイズ等の伝送線路としての電磁気的、電磁波的挙動が顕著になるため、反射ノイズを防止するための整合や、ドライバ回路のスイッチング時に生じる電源雑音、不要電磁放射(EMI)の対策が重要となっている。
【0003】
高周波用伝送線路基板上で高速信号を伝播させるには、代表的な伝送線路構造として、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、コプレナー線路、グランデットコプレナー線路等がある。それぞれの線路構造の特性インピーダンスは、信号線配線幅、絶縁層(誘電体基材)の厚さや信号線とグランドパターンとの隙間の幾何的寸法と、誘電体基材の比誘電率によって決まる。例えば、信号線に同軸コネクターを接続させるための高周波用伝送線路基板としては、誘電体基材の表面に信号線が形成されるマイクロストリップ線路や、コプレナー線路や、グランデットコプレナー線路構造のものが用いられている。
【0004】
図4(A)〜(C)を参照しながら、従来の高周波用伝送線路基板、及びこれに同軸コネクターのコネクター芯線が接続される形態を説明する。図4(A)は従来の高周波用伝送線路基板の平面図を示し、コプレナー線路や、グランデットコプレナー線路構造からなる従来の高周波用伝送線路基板50は、誘電体基材51の一方の表面に信号線用の金属導体線路52とグランド用の金属導体パターン53を有している。そして、信号線用の金属導体線路52と、グランド用の金属導体パターン53は、近接して設けられている。図4(B)、(C)はそれぞれコネクター芯線が接続され平面視した概念図、B−B’線縦断面図を示し、金属導体線路52の一方の端部には、同軸コネクターのコネクター芯線54を接続するための接続部となり、コネクター芯線54が低温ろう材55でろう付け接合される。金属導体線路52の他方の端部は、半導体素子と導通状態とするためのパッド部となり、例えば、ボンディングワイヤ56でワイヤボンドが行われる。同様に、半導体素子とはグランド用の金属導体パターン53ともボンディングワイヤ56でワイヤボンドが行われる。なお、半導体素子との接続には、ボンディングワイヤ56以外にリボン等からなるリード線を用いて接続したり、フリップチップ方式で半導体素子を直接高周波用伝送線路基板50に接続させることもできる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の高周波用伝送線路基板は、次のような問題がある。
(1)高周波用伝送線路基板の信号線用の金属導体線路に同軸コネクターのコネクター芯線を接合する時、高周波用伝送線路基板には、基板寸法バラツキ等があり、コネクター芯線には、同軸コネクターとの接合バラツキ等があるので、接合位置ズレが発生する場合がある。特に、金属導体線路とグランド用の金属導体パターンとの間隔が小さいと、コネクター芯線が金属導体線路と金属導体パターンに跨って接触したり、接合材の低温ろうが流れたりして、金属導体線路と金属導体パターンとの間でショートが発生しやすくなる。
(2)コネクター芯線を金属導体線路の一方の端部の接続部に接合する時の低温ろう材は、半導体素子と、例えば、ボンディングワイヤ等のリード線を接続させるための金属導体線路の他方の端部のパッド部まで流れだし、リード線接合用のパッド部を汚すので、リード線の接合信頼性を低下させる問題が発生している。
(3)金属導体線路のパッド部には、ボンディングワイヤや、リボン等のリード線が接続されるが、リード線のインダクタンスによって、パッド部のリード線が接合された周辺部の特性インピーダンスの不整合がおこり、この不整合から伝送特性の悪化が発生している。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、金属導体線路と金属導体パターン間のショートを防止し、金属導体線路のパッド部の汚染を防止すると共に、伝送特性の悪化を低減する高周波用伝送線路基板を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る高周波用伝送線路基板は、高周波の信号を通過させるための信号線用の金属導体線路と、同一面に金属導体線路と間隔を設けて配置されるグランド用の金属導体パターンを有する高周波用伝送線路基板において、金属導体線路の一方の端部が同軸コネクターのコネクター芯線をAu−Snろう、又はAu−Geろうからなる低温ろう材でろう付け接合するための接続部、他方の端部が半導体素子と直接又は間接的に接続するためのパッド部からなり、接続部と金属導体パターンとの間隔がパッド部と金属導体パターンとの間隔より大きく、しかも、接続部とパッド部との間には低温ろう材のろう流れを阻害し、電気的容量がスパッタ、又は蒸着で形成できるCr、又はNiの金属で金属導体線路と金属導体パターンとの隙間部分に延設し、金属導体線路を横断して被覆し形成される流れ止めパターンを有し、流れ止めパターンがパッド部に接続されるボンディングワイヤや、リボン等のリード線のインダクタンスによる接合部周辺の特性インピーダンスの不整合からおこる伝送特性の悪化を低減させる容量パターンを兼ねている。これにより、信号線用の金属導体線路のコネクター芯線の接続部と、グランド用の金属導体パターンとの間隔は広くできるので、ショートを防止できる。また、ろう流れを阻害する金属で形成する流れ止めパターンでパッド部への汚染を防止してリード線の接続信頼性を確保できる。更に、流れ止めパターンは金属で形成されており、容量を構成するパターンによって、伝送特性の悪化を低減できる電気的容量を容易に形成できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1は本発明の一実施の形態に係る高周波用伝送線路基板の斜視図、、図2(A)〜(C)はそれぞれ同高周波用伝送線路基板の変形例の平面図、図3(A)、(B)はそれぞれ同高周波用伝送線路基板を用いて作製する光通信用パッケージの平面図、A−A’線縦断面図である。
【0009】
図1に示すように、本発明の一実施の形態に係る高周波用伝送線路基板10は、コプレナー線路や、グランデットコプレナー線路構造からなり、セラミックや、プラスチック等の誘電体基材11の一方の表面に高周波の信号を通過させるための信号線用の金属導体線路12と、同一面に金属導体線路12と接触しないように誘電体基材11が露出して絶縁となる間隔を設けて配置されているグランド用の金属導体パターン13を有している。金属導体線路12の一方の端部は、同軸コネクター29(図3参照)のコネクター芯線14をコネクター芯線14の軸線方向に合わせて接続するための接続部15となり、コネクター芯線14がAu−Snろうや、Au−Geろう等からなる低温ろう材16でろう付け接合されるのに用いられる。金属導体線路12の他方の端部は、半導体素子(図示せず)と、例えば、フリップチップ方式で直接、あるいはボンディングワイヤや、リボン等のリード線を用いて間接的に接続するためのパッド部17となり、半導体素子と接続状態とするのに用いられる。
【0010】
金属導体線路12の接続部15とグランド用の金属導体パターン13との間隔aは、金属導体線路12のパッド部17と金属導体パターン13との間隔bより大きく(a>b)形成されている。金属導体線路12の接続部15とパッド部17との間には、接続部15に断面が円形のコネクター芯線14の一方の端部の側部を接合するための低温ろう材16の接合時のろう流れを阻害することができる金属で、流れ止めパターン18が形成されている。また、この流れ止めパターン18は、電気的な容量が形成できる金属からなり、金属導体線路12を横断し、金属導体線路12と金属導体パターン13との隙間部分に延設するようにして被覆して形成されている。
【0011】
この流れ止めパターン18は、例えば、Au−Snろうや、Au−Geろう等からなる低温ろう材16のろう流れを阻害する金属の一例である、Crや、Ni等の金属からなり、ろう流れを阻害することができる。また、流れ止めパターン18は、接続部15での低温ろう材16のろう流れを阻害すると同時に、パッド部17に接続されるボンディングワイヤや、リボン等のリード線がもつインダクタンスによる接合部周辺の特性インピーダンスの不整合からおこる伝送特性の悪化を低減させる容量パターンを兼ねることができる。
【0012】
次いで、図2(A)〜(D)を参照しながら、誘電体基材11に形成される信号線とグランドとの隙間の形態について説明する。図2(A)に示すように、例えば、信号線は、接続部15とパッド部17の幅が同一からなる金属導体線路12としている。これに対応するグランド用の金属導体パターン13は、金属導体線路12の接続部15との間隔が大きくなるように引き下げられ、パッド部17との間隔が小さくなるように飛び出した形状の金属導体パターン13としている。そして、接続部15とパッド部17との間に流れ止めパターン18を形成している。
【0013】
図2(B)に示すように、信号線は、接続部15の幅がパッド部17の幅より大きい金属導体線路12aとしてもよい。これに対応するグランドは、金属導体線路12aの接続部15との間隔を大きくするように引き下げられ、パッド部17との間隔を小さくするように飛び出した形状の金属導体パターン13aとしている。そして、接続部15とパッド部17との間には、流れ止めパターン18を形成している。この場合は、接続部15を広くできるので、コネクター芯線14を容易に接合することができる。また、特性インピーダンスの整合のための形状設計の自由度を得ることができる。
【0014】
また、図2(C)に示すように、グランドが同一幅の金属導体パターン13bで金属導体線路12bの接続部15の幅よりパッド部17の幅を大きくした形状であってもよい。そして、接続部15とパッド部17との間には、流れ止めパターン18を形成している。この場合には、パッド部17を広く形成できるので、ワイヤボンド等のリード線を容易に接合させることができる。
【0015】
更に、図2(D)に示すように、信号線とグランドは、図2(A)、(C)の形状の中間的な形状の金属導体線路12cと、金属導体パターン13cであってもよい。そして、接続部15とパッド部17との間には、流れ止めパターン18を形成している。この場合には、特性インピーダンスの整合のための形状設計の自由度を得ることができる。
【0016】
なお、グランドは、誘電体基材11の底面側にも、全面にわたって設けられる場合があり、この場合には、誘電体基材11の上面側と、底面側を貫通する貫通孔に金属導体を形成したビアホールによって、上面側と、底面側のグランド用の金属導体パターンが導通状態に形成されている。また、グランドとしては、高周波用伝送線路基板10を載置するための金属で形成された台座部を、誘電体基材11の底面側で導通状態にさせて用いることもできる。
【0017】
次いで、高周波用伝送線路基板10の製造方法を説明する。
高周波用伝送線路基板10を構成する誘電体基材11は、誘電体の一例である、例えば、アルミナ(Al2O3)等のセラミックからなり、先ず、アルミナ粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練し、脱泡して粘度2000〜40000cpsのスラリーを作製する。次いで、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み0.25mmのロール状のシートを形成し、適当なサイズの矩形状に切断したセラミックグリーンシートを作製する。そして、このセラミックグリーンシートを、必要に応じて複数枚を重ね合わせ、温度と圧力をかけて積層した後、複数個の誘電体基材11が焼成後に得られるように、焼成収縮を見込んだ焼成前の外形寸法に合わせて分割用の溝を形成し、約1550℃で焼成して焼結体を作製する。なお、グランド用の導体パターンを誘電体基材11の底面側にも形成する場合には、焼成前のセラミックグリーンシートにパンチングマシーン等で穿孔したり、焼成後に炭酸ガスレーザ等を用いて穿孔したりして上面側と底面側を導通させるためのビア孔を形成する。
【0018】
次に、誘電体基材11の上面、必要に応じて底面、及びビア孔に、スパッタや、蒸着法等で、例えば、Ti、Pd、Au等からなる金属薄膜を付着させることで信号線用の金属導体線路12、12a、12b、12c(以下代表して12とする)、及びグランド用の金属導体パターン13、13a、13b、13c(以下代表して13とする)を形成する。なお、金属導体線路12、及び金属導体パターン13の間の間隔は、スパッタや、蒸着等を行う前にフォトリソグラフィ法で予め間隔部分にレジスト膜を形成しておき、スパッタや、蒸着等を行った後に、レジスト膜を除去して形成している。
【0019】
次に、金属導体線路12の一方側がコネクター芯線14を接続するための接続部15、他方側がパッド部17となるように分割する流れ止めパターン18は、先ず、フォトリソ法で流れ止めパターン18の形状が開口部として露出するフォトレジスト膜を形成した後、スパッタや、蒸着等を行う。このスパッタや、蒸着等によって、低温ろう材16の接合溶融時のろう流れを阻害できる、例えば、Crや、Ni等からなる金属薄膜層が形成される。次いで、フォトレジスト膜を除去することで、流れ止めパターン18を作製する。
【0020】
なお、誘電体基材11は、アルミナ以外の窒化アルミニウム、低温焼成セラミック等からなるセラミック基材や、各種プラスチックからなる樹脂基材であってもよい。
また、金属導体線路12の本数は限定されるものではなく、複数本であってもよい。また、金属導体線路12の形状は直線形状に限定されるものではなく、曲線形状であってもよく、金属導体パターン13の形状も金属導体線路12の形状に追随するものであってよい。更に、金属導体パターン13は、金属導体線路12の片側にのみあってもよい。
【0021】
続いて、図3(A)、(B)を参照しながら、本発明の高周波用伝送線路基板10が用いられる一例である光通信用パッケージ20を詳細に説明する。
同軸コネクター29を介して外部と電気的接続を行ったり、レーザーダイオード等の発光素子からの光波を搬送波として用いるような光通信用の半導体素子を収容するための光通信用パッケージ20は、KV(Fe−Ni−Co系合金、商品名「Kovar(コバール)」)や42アロイ(Fe−Ni系合金)等の金属部材からなる枠体21と、ボード等に取り付けるための固定用孔22(この実施例では4個)を備え、放熱性に優れたCu−W(銅タングステン)やCu−Mo−Cu(銅モリブデン銅の接合板)等の金属部材からなる底体23とをAg−Cuろう等の高温ろう材を用いてろう付け接合して、内部に光通信用の半導体素子を搭載するためのキャビティ部24が形成されている。
【0022】
枠体21の一側壁には、キャビティ部24に連通して切り欠いて形成した取付部25が設けられている。この取付部25には、KVや42アロイ等の金属部材からなるアダプター26の側壁部27がAg−Cuろう等の高温ろう材を用いてろう付け接合されている。このアダプター26は、側壁部27に一体化され、キャビティ部24に配置される台座部28が設けられており、また、側壁部27に同軸コネクター29を接続するための挿通孔30が設けられている。挿通孔30には、同軸コネクター29がAu−Snろうや、Au−Geろう等からなる低温ろう材で接合されている。同軸コネクター29は、KVや、42アロイ等の金属部材からなる金属製筒体31の筒内中央部に、金属製筒体31の軸線を合わせて、高融点ガラス等の絶縁部材32で長さ方向の中央部でコネクター芯線14が接合されている。
【0023】
アダプター26の台座部28上には、誘電体基材11の上面に金属導体線路12及び金属導体パターン13を有し、金属導体線路12の中間部に流れ止めパターン18を設けて、それぞれ接続部15とパッド部17とする高周波用伝送線路基板10が、コネクター芯線14のキャビティ部24内に突出する一方の端部の下側に配置し、一端面部を側壁部27に実質的に隙間を無くして当接させ、底面側をAu−Snろうや、Au−Geろう等からなる低温ろう材でろう付け接合されている。そして、コネクター芯線14は、高周波用伝送線路基板10の金属導体線路12の接続部15に、Au−Snろうや、Au−Geろう等からなる低温ろう材でろう付け接合されている。
【0024】
また、光通信用パッケージ20は、アダプター26が接合される枠体21の側壁に対向する側壁に、例えば、アルミナ等のセラミックからなるフィードスルー基板33を有する。フィードスルー基板33は、パッケージの内外部を導通する導体配線パターン34a、34bを備え、枠体21に設けられたキャビティ部24に連通する窓枠状切り欠き部35に嵌合され、Ag−Cuろう等の高温ろう材で接合されている。枠体21の外側の導体配線パターン34bには、外部接続端子36がバタフライ型にろう付け接合され、キャビティ部24側の導体配線パターン34aは、光通信用の半導体素子とボンディングワイヤで接続されるのに用いられる。
【0025】
更に、枠体21のアダプター26及びフィードスルー基板33が接合されていない一方の側壁部には、キャビティ部24に連通する貫通孔37が設けられいる。この貫通孔37には、光ファイバーの光の入出口となり、KV、42アロイ又はステンレス系等の金属部材からなる金属製固定部材38が挿入され、Ag−Cuろう等の高温ろう材でろう付け接合されている。この金属製固定部材38には、キャビティ部24に半導体素子が実装された後、半導体素子との間で光信号を送受するための光ファイバー部材(図示せず)がAu−Sn等の低温ろう材で接合されたり、YAG等のレーザ溶接で接合される。また、枠体21の上方には、Ag−Cuろう等からなる高温ろう材で接合したKVや、42アロイ等の金属部材からなるシールリング39がAg−Cuろう等の高温ろう材でろう付け接合されて設けられている。このシールリング39は、半導体素子を実装した後、蓋体(図示せず)を接合してキャビティ部24内を気密に封止するために用いられる。
なお、上記の高温ろう材のろう付け接合は、それぞれを一度に、又は複数回に分けてろう付けすることができる。また、低温ろう材のろう付け接合は、高温ろう材のろう付け接合後に行われ、それぞれを一度に、又は複数回に分けてろう付けすることができる。
【0026】
【発明の効果】
請求項1記載の高周波用伝送線路基板は、金属導体線路の一方の端部が同軸コネクターのコネクター芯線をAu−Snろう、又はAu−Geろうからなる低温ろう材でろう付け接合するための接続部、他方の端部が半導体素子と直接又は間接的に接続するためのパッド部からなり、接続部と金属導体パターンとの間隔がパッド部と金属導体パターンとの間隔より大きく、しかも、接続部とパッド部との間には低温ろう材のろう流れを阻害し、電気的容量がスパッタ、又は蒸着で形成できるCr、又はNiの金属で金属導体線路と金属導体パターンとの隙間部分に延設し、金属導体線路を横断して被覆し形成される流れ止めパターンを有し、流れ止めパターンがパッド部に接続されるボンディングワイヤや、リボン等のリード線のインダクタンスによる接合部周辺の特性インピーダンスの不整合からおこる伝送特性の悪化を低減させる容量パターンを兼ねているので、コネクター芯線の接続部と、金属導体パターンとの間隔が広くなり、ショートを防止できる。また、ろう流れを阻害する金属による流れ止めパターンでパッド部への汚染を防止してボンディングワイヤや、リボン等のリード線の接続信頼性を確保できる。更に、流れ止めパターンは金属からなり、リード線接合部周辺の特性インピーダンスの不整合からおこる伝送特性の悪化を低減できる電気的容量を容易に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る高周波用伝送線路基板の斜視図である。
【図2】(A)〜(C)はそれぞれ同高周波用伝送線路基板の変形例の平面図である。
【図3】(A)、(B)はそれぞれ同高周波用伝送線路基板を用いて作製する光通信用パッケージの平面図、A−A’線縦断面図である。
【図4】(A)〜(C)はそれぞれ従来の高周波用伝送線路基板の説明図である。
【符号の説明】
10:高周波用伝送線路基板、11:誘電体基板、12、12a、12b、12c:金属導体線路、13、13a、13b、13c:金属導体パターン、14:コネクター芯線、15:接続部、16:低温ろう材、17:パッド部、18:流れ止めパターン、20:光通信用パッケージ、21:枠体、22:固定用孔、23:底体、24:キャビティ部、25:取付部、26:アダプター、27:側壁部、28:台座部、29:同軸コネクター、30:挿通孔、31:金属製筒体、32:絶縁部材、33:フィードスルー基板、34a、34b:導体配線パターン、35:窓枠状切り欠き部、36:外部接続端子、37:貫通孔、38:金属製固定部材、39:シールリング
Claims (1)
- 高周波の信号を通過させるための信号線用の金属導体線路と、同一面に該金属導体線路と間隔を設けて配置されるグランド用の金属導体パターンを有する高周波用伝送線路基板において、
前記金属導体線路の一方の端部が同軸コネクターのコネクター芯線をAu−Snろう、又はAu−Geろうからなる低温ろう材でろう付け接合するための接続部、他方の端部が半導体素子と直接又は間接的に接続するためのパッド部からなり、前記接続部と前記金属導体パターンとの前記間隔が前記パッド部と前記金属導体パターンとの前記間隔より大きく、しかも、前記接続部と前記パッド部との間には前記低温ろう材のろう流れを阻害し、電気的容量がスパッタ、又は蒸着で形成できるCr、又はNiの金属で前記金属導体線路と前記金属導体パターンとの隙間部分に延設し、前記金属導体線路を横断して被覆し形成される流れ止めパターンを有し、該流れ止めパターンが前記パッド部に接続されるボンディングワイヤや、リボン等のリード線のインダクタンスによる接合部周辺の特性インピーダンスの不整合からおこる伝送特性の悪化を低減させる容量パターンを兼ねていることを特徴とする高周波用伝送線路基板。
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