JP3960560B2 - 回路素子と伝送線路とを有する装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波領域の電磁波処理装置であって、回路素子を設けた本体を具えており、この回路素子が、導体トラックを具えるストリップ型伝送線路へ電気的に接続されており、本体が接点体を介して絶縁基板へ機械的に連結されている電磁波処理装置に関するものである。
トランジスタ又はダイオードのような、能動スイッチング素子は、装置中で受動素子、すなわちストリップ型伝送線路と組み合わされている。この装置は特にマイクロ波領域における周波数、すなわち300MHzと300GHzとの間の周波数に合せて設計されている。ストリップ型伝送線路とは、ここでは平行に延在し且つ絶縁誘電体により相互に分離された２個の導体トラックを具えているものと理解されたい。伝送線路内の導体トラックは、装置で用いられる最高電磁波の波長の少なくとも数パーセントの長さである。その導体トラックは非対称（マイクロストリップ）としてもよいし対称（ストリップ線路）としてもよい。伝送線路についてのより詳細な説明は、P.A．Rizzi氏による論文“Microwave Engineering:Passive Circuits”（Prentice Hall International Inc.社1988）のCh．5.3のstrip-type transmission linesの190頁、及びL.N．Dworsky氏による論文“Modern Transmission Line Theory and Applications”（John Wiley ＆ Sons社1979）Ch．1.1のThe Transmission Line:A Definitionの１頁から理解することができる。
冒頭に記載された種類の装置は、欧州特許出願第592002号明細書から既知である。この既知の装置は導体トラックとトランジスタ又はダイオードのような能動回路素子とを設けた半導体本体を具えている。この半導体本体上の導体トラックは、導電性接点体すなわち「バンプ」によって、半導体本体と対向する絶縁性の板状基板の第１表面上の導体トラックへ接続されている。この第１表面上の導体トラックは、半導体本体から離れた側の絶縁基板の第２表面上の導体トラックまで、第１表面から第２表面まで延在しているリードスルー、いわゆるバイアによって接続されている。この第２表面上の導体トラックが伝送線路のような受動素子を形成する。従って能動回路素子は絶縁基板の第２表面上の伝送線路へ接続されることになる。
上述の既知の装置は、縁基板を通るリードスルー（バイア）が、半導体本体内の回路素子へ伝送線路を接続するために必要であると言う不利がある。
本発明は、特に上述した欠点を解消することを目的としている。
この目的のために、本発明によれば、この装置が、伝送線路が本体と絶縁基板との相互に対向する表面上に存在する導体トラックにより形成されていることを特徴としている。従って、伝送線路を形成している２個の導体トラックのうちの一方が本体上に存在し、且つ他方の導体トラックが絶縁基板上に存在する。本発明による装置においては、伝送線路を設けるために本体から離れた側の絶縁基板の第２面を使用する必要はない。その結果として装置は極めて小型のものとなる。
伝送線路を形成している２個の導体トラックの間の間隙は、本体と絶縁基板との間の接点体の高さにより定義される。本体上の導体トラックは、例えば回路素子の電極へ直接接続してもよい。絶縁基板上の導体トラックは、例えば、回路素子のもう一つの電極へ、あるいは他の回路素子へ、あるいは受動素子へ接点体を介して接続することができる。本発明による装置においては、絶縁基板の第２面へのバイアを製造する必要はない。本発明は、接点体によって得られる本体と絶縁基板との間の距離、並びに本体及び絶縁基板の寸法により、本体と絶縁基板との間の伝送線路を良好なものにすることができると言う認識に基づいている。
好適には、本発明による装置は、伝送線路を形成している導体トラックが、本体と基板との間にそれらの全体が存在していることを特徴としている。それにより、特に絶縁基板上の導体トラックが、本体上の導体トラックへ結合されることなく更に延在しないようになる。単一の連続する導体トラックがあると、動作中に、電磁波を放射し信号損失又は妨害を生じるアンテナとして作用するおそれがある。
伝送線路は、本体上又は基板上の接点間の電気的接続を形成するように設計することができる。伝送線路が発振器又は変成器を形成する場合に付加的な利点が得られる。伝送線路を発振器として用いる場合には、導体トラックを、例えば回路素子における導電接点体によって伝送線路の一方の側へ接続する。この場合には、短絡回路、開放端部、又は固定インピーダンスが接続部から幾らかの距離において存在することになる。その場合、伝送線路は、動作中にある周波数へ同調される共振器又は共振キャビティとして作用し、伝送線路の長さにより同調周波数が規定される。変圧器として使用される場合には、例えば、本体上の導体トラックが変成器の一次巻線として用いられ、絶縁基板上の導体トラックが変成器の二次巻線として用いられる。逆もまた可能なこと明らかであり、この場合には本体上の半導体トラックが二次巻線を形成し、絶縁基板上の導体トラックが一次巻線を形成する。
好適には、導電接点体の厚さを40μｍより大きくする。動作中に伝送線路内に生じる損失は、伝送線路の導体トラック間の距離と反比例する。バンプ（接点体）の厚さを40μｍより大きくすると、導体トラックが、いわゆる低出力用途に極めて適した間隙を有するようになる。その理由は、この場合マイクロ波領域における伝送線路の損失が比較的小さくなるためである。
好適には、0.005以下の誘電損率tgΔを有する接着剤によって本体を基板へ取り付ける。かくして本体は簡単な方法で絶縁基板へ接続されながらも、装置の電気的特性は比較的良好な状態に保たれる。
絶縁基板は、例えばアルミナから製造された例えばセラミック基板、あるいはプリント回路基板とすることができる。好適には、本発明による装置は絶縁基板としてガラス基板を具えている。このようなガラス基板には、ガラス基板へ本体を取り付ける処理の間に、ガラス基板を通して視認することができると言う利点がある。これによりガラス基板上の導体トラックと本体上の導体トラックとの整列が簡単になる。
図面を参照して実施例によって以下に本発明をより詳細に説明する。
図面は線図的なものであり実際のものに正比例して描いていない。
図１はマイクロ波領域内の電磁波を処理するための、ストリップ型伝送線路２に接続された回路素子１を有する装置を示している。その伝送線路２は誘電体により相互に分離されている２個の平行導体トラック６、７を具えている。この装置には、回路素子１を具えた本体３が設けられている。この例における本体３はシリコンから製造されている。例えば、バイポーラ又はＭＯＳトランジスタのようないわゆる能動回路素子が、通常の方法で本体３に回路素子１として設けられている（回路素子１は図示せず、単にその周囲を破線により示す）。この回路素子は接点11、14、例えばバイポーラトランジスタのベース及びエミッタを有している。それらの接点11、14には各々導電性材料の層、この例においては２００μｍの幅と３μｍの厚さとを有するアルミニウムの層７が設けられている。金の接点体４、いわゆるバンプが接点11の導電性材料の層上に設けられている。この回路素子１は接点11によって絶縁基板５上の導体トラック６へ接続されている。前記の導体トラック６は金から製造されており、５μｍの厚さと200μｍの幅とを有している。
本発明によると、伝送線路２は、それぞれ本体３及び絶縁基板５の相互に対向する表面８、９上に存在する導体トラック６、７により形成されている。言い換えれば、伝送線路を形成している２個の導体トラック６、７のうちの一方、すなわちトラック７は本体３上に存在し、且つ他方の導体トラック、すなわちトラック６は絶縁基板５上に存在している。回路素子１の接点14は、導電層７と導電接点体４とを介して絶縁基板５上の導体トラック６へ接続されている。伝送線路２を形成している２個の導体トラック６、７の間の間隙10は、本体３と絶縁基板５との間に存在する接点体４の高さにより規定される。伝送線路２を製造するために本体３から離れた側の絶縁基板５の第２面15を使用することは、本発明による装置においては必要でない。このことにより装置が比較的小型になる。
この実施例においては、伝送線路２を形成している導体トラック６、７は本体３と基板５との間にその全体が存在する。従って、絶縁基板５上の導体トラック６は本体３の外側に延在していない。本体３上の導体トラック７を伴わない１個の連続する導体トラック６は、動作中に電磁波を放射し信号損失又は干渉を生じるアンテナとして動作するおそれがある。
伝送線路２は、本体３又は絶縁基板５上の接点間で通常の電気接続部を形成するように構成することができるができる。従って、例えば、回路素子の接点11を導電接点体４を介して絶縁基板５上の第１導体トラック６に接続し、この導体トラック６を導電接点体４を介して本体３の第２回路素子に接続することができる。その場合、導体トラック７を介して接点14を第２回路素子に接続する。この場合には本発明による伝送線路により、第１及び第２回路素子間の電気接続が形成されることになる。
図１は伝送線路２が共振器を形成する一実施例を示している。この例においては絶縁基板５上の導体トラック６が接点体４を介して回路素子１の接点11へ接続されている。回路素子１の接点14は半導体基板３上の導体トラック７へ接続されている。この例における導体トラック６、７は接点体４によって一方の側12において短絡されている。伝送線路の、側12における短絡部は、接点11、14から幾らか離れた位置に存在する。この場合、伝送線路２は、動作中にある周波数へ同調する共振器又は共振性キャビティとして作用し、接点11、14と短絡部12との間の長さによりこの同調周波数が規定される。約６GHzの周波数に対して実用的ないわゆる四分の一波長（1/4λ）共振器が、この例においては、約４mmの長さの導体トラックを本体３及び絶縁基板５上に設けることにより得られる。接点体４の高さ、従って本体３上の導体トラック７と絶縁基板５上の導体トラック６との間の距離は50μｍである。0.005の誘電損率と約３の誘電定数とを有するアンダーフィルとも呼ばれるエポキシ接着剤が本体３と基板５との間に存在する。その場合に伝送線路２は共振器として用いるのに極めて適したものとなる。そのような共振器の品質係数は約50である。この共振器はいわゆる低出力用途に非常に適している。
図２は、伝送線路２が変成器として用いられる第２実施例を示している。この例においては接点14′と14″との間の本体３上の導体トラック７が変成器の一次巻線として用いられ、且つ接点11′と11″との間の絶縁基板５上の導体トラック６が変成器の二次巻線として用いられている。本体３上の導体トラック６は、アルミニウムから製造されており、３μｍの厚さ、50μｍの幅、及び３ｍｍの長さを有する。導体トラック７は、金から形成されており、５μｍの厚さ、200μｍの幅、及び４ｍｍの長さを有する。接点体４は金から形成さ姐つ５０μｍの厚さを有している。この例において接点11、14は電子回路の一部を形成する回路素子１′及び１″に接続されている。図２の例における伝送線路により１：１.３の変換が得られる。接点14′と14″との間の変成器のインピーダンスは75Ωであり、接点11′と11″との間の変成器のインピーダンスは97.5Ωである。
本発明による装置は通常の技術により製造することができる。半導体装置の製造に対する通常の技術についてのより詳細な説明は、S.M.Sze氏による論文“VLSI Technology”（Mc-Graw-HillBook Company社）及びS.Wolf氏による論文“Silicon Processing for the VLSI Era”，vol．1,2（Lattice Press社）のようなハンドブックから理解できる。本体３は、例えばシリコン又はGaAsのような既知の材料から作られる。１個又は幾つかの回路素子１は、本体３に既知の方法で形成される。例えば、バイポーラ又はＭＯＳ電界効果トランジスタ、ダイオード、サイリスタ、又はトライアックである。これらの回路素子は、例えば増幅器又は電圧制御発振器のような電子回路の一部を形成してもよい。この本体３は代わりに、例えば薄膜回路において用いられるような、半導体本体と絶縁物との組み合わせを具えてもよい。本体３の回路素子１には、通常、強くドープした接触領域を具えた接点11、14が設けられており、これらの上にはそれぞれ導体トラック６、７が既知の方法で設けられている。本体及び絶縁基板上の導体トラック７、６、及び接点11、14上の導電層は、例えばアルミニウム、銅、鉛−錫又は金の層から、フォトリングラフ技術及びエッチング処理により既知の方法で形成される。バンプとも呼ばれる導電接点体４は、例えば鉛−錫又は金の比較的厚い導電層を、例えば電気化学的に設け、この層をパターン化することにより既知の方法で形成される。この層ははんだジェット又は機械的方法による、代わりの方法により設けられてもよい。後者の場合には、例えば、グロビュール（小球）をスパーキング処理で４０μｍの直径の金ワイヤに形成する。このグロビュールを、11のような接点において導体トラックへ接続するか、あるいは導体トラック６、７に接続し、金ワイヤをグロビュールから引き離す。ワイヤ厚さを変えることにより、このようにして異なる寸法の接点体４を製造することが可能である。幾つかの接点体４について一方を他方の上に重ねることも可能である。本体３又は絶縁基板５上に接点体４を設けることが可能である。この例においては、本体３へ取り付けた機械的に製造された金の接点体４を用いる。絶縁基板５は、例えばプリント回路基板又は、例えばアルミナから作られたセラミック基板であってもよい。充分に厚い絶縁層を設けた半導体基板を使用することも可能である。この実施例においては、ガラス基板を絶縁基板５として用いる。次に接点体４を有する本体３を絶縁基板５に取り付ける。これは種々の方法で可能である。従って、例えば、導体トラック６、７に例えば約２μｍ厚さのはんだ付け可能な層を設けてもよいし、あるいは導体トラック自身をはんだ付け可能な材料から構成してもよい。導体トラック７に一方の面で取り付けた導電接点体４を、その後はんだ付けにより導体トラック６へ固着する。本例においては、エポキシ接着剤（アンダーフィル）を本体と絶縁基板との間に設ける。この場合、この接着剤が硬化する間に本体３を基板５上へ押しつける。接点体４と導体トラックとの間の良好な電気的接触が、接着剤の収縮による硬化の後に得られる。これにより、圧縮接触が接点体と導体トラックとの間に形成される。この場合にはんだ層を使用することは必要無い。接着剤層は導体トラック６と７との間に存在する。好適には、0.005以下の誘電損率tgΔを有する接着剤により、本体を基板に接続する。この場合、装置の電気的特性を比較的良好に維持したまま、本体は簡単な方法で絶縁基板へ接続される。鉛−錫（はんだ）から形成されたバンプを用いる場合には、はんだバンプの流出をパターン化されたレジストによって制限することができ、導体トラック６及び７間の間隙10をこのようにして規定することができる。
ガラス基板５を使用すると、ガラス基板５への本体３の取り付け中にガラス基板５を通して視認することが可能であると言う利点がある。この場合、ガラス基板５上の導体トラック６と、本体３上の導体トラック７との整列が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
図１は共振器として作用する伝送線路へ回路素子が接続されている第１実施例を示す線図である。
図２は変成器として作用する伝送線路へ回路素子が接続されている第２実施例を示す線図である。

Claims (8)

1. マイクロ波領域の周波数にあわせて設計された装置であって、少なくとも１つの回路素子（１）を設けた本体（３）を具え、この本体が接点体（４）を介して絶縁基板（５）へ機械的に連結されており、前記接点体において前記少なくとも１つの回路素子（１）が、前記本体（３）及び前記絶縁基板（５）の相互に対向する表面（８，９）の少なくとも一方に存在するストリップ型伝送線路（２）に電気的に接続されている装置において、
   前記伝送線路（２）が、前記本体（３）及び前記絶縁基板（５）の相互に対向する表面（８，９）において互いに間隙（１０）をもって配置されている導体トラック（６，７）であり、
   前記伝送線路（２）を形成している導体トラック（６，７）は、前記本体と前記絶縁基板との間にその全体が存在していることを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記本体（３）が、０．００５以下の誘電損率ｔｇ△を有する接着剤によって前記基板（５）へ取り付けられていることを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２記載の装置において、前記伝送線路（２）が共振器を形成していることを特徴とする装置。
4. 請求項１又は２記載の装置において、前記伝送線路（２）が変成器を形成していることを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載の装置において、接点体（４）が、第１接点（１１′，１１１″）により前記本体と接続されているとともに、前記絶縁基板（５）とも接続されており、
   前記本体（３）には、第１及び第２回路素子（１′，１″）が設けられており、前記変成器には、一次巻線と二次巻線とが設けられており、この一次巻線は、第２接点（１４′，１４″）間の本体（３）上に配置され且つ前記第１及び第２回路素子（１′，１″）を接続している導体トラック（７）により形成されており、前記二次巻線は、前記第１接点（１１′，１１″）間の前記絶縁基板（５）上にある導体トラック（６）により形成されていることを特徴とする装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の装置において、前記導体トラック（６，７）間の間隙（１０）が４０μｍよりも大きいことを特徴とする装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の装置において、前記絶縁基板（５）がガラス基板を具えていることを特徴とする装置。
8. 請求項６に記載の装置の低電力用途への使用方法。

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