JP3922551B2

JP3922551B2 - 高周波用伝送線路基板

Info

Publication number: JP3922551B2
Application number: JP2002206422A
Authority: JP
Inventors: 昇久保; 秀明板倉
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: JP2004048617A

Description

【０００１】
【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（Ａｌ_２Ｏ_３）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

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。