JP4177849B2 - 電子部品搭載用配線基板および電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するための配線基板および電子装置に関するものである。

高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するための配線基板においては、高速の信号を正確かつ効率良く伝播させるために、高速信号が伝播する信号用配線導体のアイソレーションを高めたり特性インピーダンスの整合を図ったりすること等が重要である。

このような配線基板として例えば特許第2796143 号公報には、信号が伝播する信号用配線導体（信号線）のアイソレーション値を高めたり特性インピーダンスの整合を図ったりするためのグランド導体層（グランド層）を基板の２つ以上の面に設けるとともに、これらのグランド層同士を信号用配線導体の近くに設けた多数の貫通導体（ヴィアフィル）を介して接続して成る配線基板が示されている。

この配線基板では、貫通導体の周りに隙間やクラックが発生したりすること等を防止するために貫通導体の直径を0.05〜0.15ｍｍとしており、また貫通導体形成領域部分の横断面における貫通導体の面積比を３〜25％としている。そして、これらにより10ＧＨｚ前後の高速信号を配線導体に伝播させることができる。

しかしながら、上述の配線基板は、貫通導体の直径が0.05〜0.15ｍｍと小さいことから、貫通導体のインダクタンスが大きなものとなるとともに貫通導体とグランド導体層との接続信頼性が低いものとなり、このためグランド導体層と貫通導体とで安定したグランドネットワークを形成することができず、例えば10ＧＨｚを超える高速の信号を効率よく正確に伝播させることが困難であるという問題点を有していた。

本発明は、かかる問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は貫通導体により信号用配線導体のアイソレーションや特性インピーダンスの整合を良好に確保するとともにのグランド導体層と貫通導体とで安定したグランドネットワークを形成し、例えば10ＧＨｚを超える高速の信号を効率よく正確に伝播させることができる配線基板を提供することにある。

本発明は、電子部品を搭載する凹部が上面の中央部に設けられた絶縁基体と、該絶縁基体の前記上面において、前記凹部から放射状に形成された複数の信号用配線導体と、前記絶縁基体の前記上面における前記複数の信号用配線導体間に形成された第１のグランド導体層と、前記絶縁基体の内部に形成されるとともに前記凹部の底面に露出する第２のグランド導体層と、前記第１および第２のグランド導体層に電気的に接続されており、前記複数の信号用配線導体の両側に配設された複数の貫通導体とを備え、前記複数の貫通導体が、該貫通導体の直径の０．５〜５倍の隣接間隔で分散して配設されており、前記複数の貫通導体は、前記複数の信号用配線導体に沿ってその両側に１列ずつ並べて配設された第１の貫通導体と、該第１の貫通導体より外側の領域に分散して配設された、前記第１の貫通導体よりも直径が大きい第２の貫通導体とから成ることを特徴とするものである。

本発明は、電子部品を搭載する凹部が上面の中央部に設けられた絶縁基体と、絶縁基体の上面において、凹部から放射状に形成された複数の信号用配線導体と、絶縁基体の上面における複数の信号用配線導体間に形成された第１のグランド導体層と、絶縁基体の内部に形成されるとともに凹部の底面に露出する第２のグランド導体層と、第１および第２のグランド導体層に電気的に接続されており、複数の信号用配線導体の両側に配設された複数の貫通導体とを備え、複数の貫通導体が、貫通導体の直径の０．５〜５倍の隣接間隔で分散して配設されており、複数の貫通導体は、複数の信号用配線導体に沿ってその両側に１列ずつ並べて配設された第１の貫通導体と、第１の貫通導体より外側の領域に分散して配設された、第１の貫通導体よりも直径が大きい第２の貫通導体とから成ることにより、信号用配線導体のアイソレーションや特性インピーダンス整合を良好なものとすることができる。

次に、本発明を添付の図面に基づいて説明する。

図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す上面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線における断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線における断面図である。

これらの図において、１は絶縁基体、３は信号用配線導体、４ａ・４ｂはグランド導体層、５ａ・５ｂは貫通導体である。

なお、図１において、貫通導体５ａ・５ｂはグランド導体層４ｂの下に位置しているため破線で示すべきであるが、作図の都合上、細い実線で示している。

絶縁基体１は、図２に示すように、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス等の無機系絶縁材料、あるいはポリテトラフルオロエチレン・エポキシ・ポリイミド・ガラスエポキシ等の有機系絶縁材料、あるいはセラミックス粉末等の無機絶縁物粉末をエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂で結合して成る複合絶縁材料などの電気絶縁材料から成る複数の絶縁層を積層して成る。この例では平板状の絶縁層１ａと枠状の絶縁層１ｂとが積層一体化されている。そして、その上面中央部には、半導体素子等の電子部品（図示せず）を収容するための電子部品搭載部としての凹部２が形成されている。

絶縁基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化カルシウム・酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤等を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状となすことによって絶縁層１ａ・１ｂとなるセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに上下に積層し、最後にこの積層体を還元雰囲気中、約1600℃の温度で焼成することによって製作される。

絶縁層１ａの上面には、ほぼその全面にわたってグランド導体層４ａが配設されており、このグランド導体層４ａの凹部２内に露出した部位に半導体素子等の電子部品が搭載される。

さらに、絶縁層１ｂの上面には、図１に示すように、信号用配線導体３および信号用配線導体３間にグランド導体層４ｂが配設されており、信号用配線導体３およびグランド導体層４ｂの凹部２の周辺には半導体素子等の電子部品の各電極がボンディングワイヤ等を介して接続される。

信号用配線導体３およびグランド導体層４ａ・４ｂは、タングステンやモリブデン・モリブデン−マンガン・銅・銀・銀−パラジウム等の金属粉末メタライズ、あるいは銅・銀・ニッケル・クロム・チタン・金やそれらの合金等の金属材料などから成る。例えばタングステンの金属粉末メタライズから成る場合であれば、タングステン粉末に適当な有機バインダ・溶剤を添加混合して得た金属ペーストを絶縁層１ａ・１ｂとなるセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって、絶縁層１ａ・１ｂの上面に配設される。

また、グランド導体層４ａと４ｂとは、図１〜図３に示すように、絶縁層１ｂを貫通して設けられた多数の第１の貫通導体５ａおよび第１の貫通導体５ａよりも直径が大きい第２の貫通導体５ｂにより電気的に接続されている。

第１の貫通導体５ａは、好適にはその直径が0.03〜0.15ｍｍと小径であり、信号用配線導体３に沿って信号用配線導体３の両側に１列ずつその直径の0.5 〜５倍の隣接間隔ｄ１をもって並べて配設されている。

第１の貫通導体５ａは、信号用配線導体３の両側を電磁的にシールドして信号用配線導体３のアイソレーションを高めるとともに信号用配線導体３の特性インピーダンスを整合させる作用をなし、その直径が比較的小さいことからその隣接間隔ｄ１を狭いものとして密に配設することができ、高周波に対して高いシールド性を確保することができる。

また、その直径を0.03〜0.15ｍｍとした場合には、その隣接間隔ｄ１を0.015〜0.75ｍｍの狭いものとして密に配設することができ、例えば10ＧＨｚを超える高周波に対して極めて優れたシールド性を確保することができる。

第１の貫通導体５ａは、その隣接間隔ｄ１がその直径の２分の１（0.5 倍）未満となると、隣接する第１の貫通導体５ａの間の絶縁層１ｂにクラックが発生しやすいものとなる傾向にある。一方、その隣接間隔ｄ１がその直径の５倍を超えると、信号用配線導体３の両側を良好にシールドすることが困難となる傾向にある。したがって、第１の貫通導体５ａの隣接間隔ｄ１は第１の貫通導体５ａの直径の0.5 〜５倍の範囲に特定される。

また、第１の貫通導体５ａは、その直径が0.03ｍｍ未満であると、第１の貫通導体５ａ自体を良好に形成することが困難となる傾向にある。一方、その直径が0.15ｍｍを超えると、第１の貫通導体５ａの隣接間隔ｄ１を狭いものとして例えば10ＧＨｚを超える高周波に対する高いシールド性を確保して良好なアイソレーションや特性インピーダンスの整合を得ることが困難となる傾向にある。したがって、第１の貫通導体５ａの直径は0.03〜0.15ｍｍの範囲に設定することが好ましい。

なお、第１の貫通導体５ａは、その隣接間隔ｄ１を信号用配線導体３によって伝播させる高周波信号の波長の４分の１以下、さらに好適には８分の１以下としておくと、信号用配線導体３のアイソレーションを極めて高いものとすることができる。したがって、第１の貫通導体５ａの隣接間隔ｄ１は、信号用配線導体３によって伝播させる高周波信号の波長の４分の１以下、さらに好ましくは８分の１以下としておくことが望ましい。

さらに、第１の貫通導体５ａは、信号用配線導体３を挟む各列同士の間隔ｄ２を信号用配線導体３によって伝播させる高周波信号の波長の２分の１以下としておくと、信号用配線導体３を伝播する高周波信号の反射損を小さいものとすることができる。したがって、信号用配線導体３を挟む第１の貫通導体５ａの各列同士の間隔ｄ２は、信号用配線導体３によって伝播させる高周波信号の２分の１以下としておくことが好ましい。

一方、第２の貫通導体５ｂは、その直径が第１の貫通導体５ａの直径よりも大きいものであり、信号用配線導体３に対して第１の貫通導体５ａより外側の領域に互いに直径の0.5 〜５倍の隣接間隔ｄ３をもってほぼ均等に分散して設けられている。

第２の貫通導体５ｂは、グランド導体層４ａと４ｂとを低いインダクタンスで接続することによってグランドを強化する作用をなし、その直径が第１の貫通導体よりも大きいことから、第２の貫通導体５ｂのインダクタンスが小さいものとなるとともに第２の貫通導体５ｂとグランド導体層４ａ・４ｂとの接続信頼性が高いものとなるため、第２の貫通導体５ｂとグランド導体層４ａ・４ｂとで安定したグランドネットワークを形成することができる。

また、その直径を0.2 〜0.3 ｍｍとした場合には、第２の貫通導体５ｂのインダクタンスを小さくしつつグランド導体層４ａ・４ｂとの優れた接続信頼性を有するものとできるため、第２の貫通導体５ｂとグランド導体層４ａ・４ｂとで極めて安定したグランドネットワークを形成することができる。

したがって、このような本発明の配線基板によれば、信号用配線導体３中に例えば10ＧＨｚを超える高速の信号を損失少なくかつ正確に伝達させることが容易となる。

なお、第２の貫通導体５ｂは、隣接するもの同士の間隔ｄ３がその直径の0.5倍未満となると、絶縁層１ｂにクラックが発生しやすいものとなる傾向にある。

一方、５倍を超えると、グランド導体層４ａと４ｂとを低インダクタンスで接続して安定したグランドネットワークを形成することが困難となる傾向にある。したがって、第２の貫通導体５ｂ同士の隣接間隔ｄ３は第２の貫通導体５ｂの直径の0.5 〜５倍の範囲に特定される。

また、第２の貫通導体５ｂは、その直径が0.2 ｍｍ未満であると、第２の貫通導体５ｂのインダクタンスが大きなものとなるとともに第２の貫通導体５ｂとグランド導体層４ａ・４ｂとの接続信頼性が低いものとなり、その結果、グランド導体層４ａ・４ｂと第２の貫通導体５ｂとで安定したグランドネットワークを形成することが困難となる傾向にある。一方、その直径が0.3 ｍｍを超えると、第２の貫通導体５ｂと絶縁層１ｂとの熱膨張量等の差が大きなものとなり、第２の貫通導体５ｂと絶縁層１ｂとの間に隙間が発生したり、絶縁層１ｂにクラックが発生しやすいものとなる傾向にある。したがって、第２の貫通導体５ｂの直径は0.2 〜0.3 ｍｍの範囲に設定することが好ましい。

なお、第１の貫通導体５ａおよび第２の貫通導体５ｂは、タングステンやモリブデン・モリブデン−マンガン・銅・銀・銀−パラジウム等の金属粉末メタライズ、あるいは銅・銀・ニッケル・クロム・チタン・金やそれらの合金等の金属材料などから成る。例えばタングステンの金属粉末メタライズから成る場合であれば、絶縁層１ｂとなるセラミックグリーンシートのグランド導体層４ｂが配設される領域に、焼成後の直径が例えば0.03〜0.15ｍｍとなる貫通孔および焼成後の直径が例えば0.2 〜0.3 ｍｍとなる貫通孔を所定の配列で打ち抜くとともに、この貫通孔内にタングステン粉末を主成分とする導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して充填し、これを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成される。

この場合、第１の貫通導体５ａおよび第２の貫通導体５ｂとなる導体ペースト中に絶縁基体１と略同一成分を絶縁基体１および貫通導体５ａ・５ｂの材料特性に応じて適量含有させておくと、第１の貫通導体５ａおよび第２の貫通導体５ｂの焼成収縮率や熱膨張係数を絶縁基体１の焼成収縮率や熱膨張係数に近似させることができ、これにより両者の焼成収縮率や熱膨張係数の相違に起因して第１の貫通導体５ａや第２の貫通導体５ｂと絶縁層１ｂとの間に隙間が発生したり、あるいは絶縁基体１にクラックが発生したりするのを有効に防止することができる。したがって、第１の貫通導体５ａおよび第２の貫通導体５ｂとなる導体ペーストには、絶縁基体１と略同一成分を適量含有させておくことが好ましい。

かくして、上述のような本発明の配線基板によれば、絶縁基体１の凹部２の底面に半導体素子等の電子部品を搭載するとともにこの電子部品の各電極を信号用配線導体３およびグランド導体層４ｂにボンディングワイヤ等を介して接続することにより、高速で作動する電子部品を搭載する配線基板として供される。

なお、本発明は上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更が可能である。例えば図４に要部拡大断面図で示すように、信号用配線導体13の上下に絶縁層11を介してグランド導体層14ａ・14ｂを設けるとともに、グランド導体層14ａと14ｂとを信号用配線導体13に沿って１列に並べて設けられた小径の第１の貫通導体15ａおよびその外側に分散して設けられた、第１の貫通導体15ａよりも直径が大きい大径の第２の貫通導体15ｂで接続するようになした配線基板にも適用できる。

また、図１〜図３に示した例では絶縁基体１の上面の信号用配線導体３間にグランド導体層４ｂを配設していたが、このグランド導体層４ａを配設しない場合であっても、第１の貫通導体５ａによるシールド性は高く、信号用配線導体３のアイソレーションや特性インピーダンス整合を良好なものとすることができ、また第２の貫通導体５ｂとグランド導体層４ａとで安定したグランドネットワークを形成することができる。

また、信号用配線導体は、図１・図３に示したようないわゆるグランド付コプレーナ線路構造の線路導体や図４に示したようなストリップ線路構造の線路導体の他にも、マイクロストリップ線路構造の線路導体やマイクロストリップ線路構造の線路導体の片側のみにコプレーナ線路と同様の同一面グランド導体層を設けたものなど、高周波用の線路導体を用いた種々の形態であってよい。

本発明の配線基板によれば、信号用配線導体の両側に配設した、グランド導体層に接続された多数の貫通導体を、信号用配線導体に沿って両側に１列ずつ並べて配設された第１の貫通導体と、信号用配線導体に対して第１の貫通導体より外側の領域に分散して配設された、第１の貫通導体よりも直径が大きい第２の貫通導体とにより構成したことから、信号用配線導体に沿って設けられた第１の貫通導体はその直径が比較的小さい分、第１の貫通導体同士の隣接間隔を狭いものとすることができ、これにより第１の貫通導体によるシールド性を高いものとすることができて、信号用配線導体のアイソレーションや特性インピーダンス整合を良好なものとすることができる。また、第２の貫通導体はその直径が第１の貫通導体の直径よりも大きいため第２の貫通導体のインダクタンスが小さくなるとともに第２の貫通導体とグランド導体層との接続信頼性が高いものとなり、その結果、第２の貫通導体とグランド導体層とで安定したグランドネットワークを形成することができる。

また、本発明の配線基板によれば、第１の貫通導体の直径を0.03〜0.15ｍｍとした場合には、第１の貫通導体同士の隣接間隔を狭くしつつ優れたシールド性を有するものとすることができ、信号用配線導体のアイソレーションや特性インピーダンス整合を極めて良好なものとすることができる。また、第２の貫通導体の直径を0.2 〜0.3 ｍｍとした場合には、第２の貫通導体のインダクタンスを小さくしつつ第２の貫通導体とグランド導体層との高い接続信頼性を有するものとすることができ、第２の貫通導体とグランド導体層とで極めて安定したグランドネットワークを形成することができる。

したがって、本発明の配線基板によれば、例えば10ＧＨｚを超える高速の信号を信号用配線導体によって効率良く、かつ正確に伝播させることができる。

本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す平面図である。 図１に示す配線基板のＡ−Ａ線における断面図である。 図１に示す配線基板のＢ−Ｂ線における断面図である。 本発明の配線基板の実施の形態の別の例を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・・・絶縁基体
１ａ、１ｂ、11・・・・・・・・絶縁層
３、13・・・・・・・・・・・・信号用配線導体
４ａ、４ｂ、14ａ、14ｂ・・・・グランド導体層
５ａ、15ａ・・・・・・・・・・第１の貫通導体
５ｂ、15ｂ・・・・・・・・・・第２の貫通導体

Claims (2)

1. 電子部品を搭載する凹部が上面の中央部に設けられた絶縁基体と、
   該絶縁基体の前記上面において、前記凹部から放射状に形成された複数の信号用配線導体と、
   前記絶縁基体の前記上面における前記複数の信号用配線導体間に形成された第１のグランド導体層と、
   前記絶縁基体の内部に形成されるとともに前記凹部の底面に露出する第２のグランド導体層と、
   前記第１および第２のグランド導体層に電気的に接続されており、前記複数の信号用配線導体の両側に配設された複数の貫通導体とを備え、
   前記複数の貫通導体が、該貫通導体の直径の０．５〜５倍の隣接間隔で分散して配設されており、
   前記複数の貫通導体は、前記複数の信号用配線導体に沿ってその両側に１列ずつ並べて配設された第１の貫通導体と、該第１の貫通導体より外側の領域に分散して配設された、前記第１の貫通導体よりも直径が大きい第２の貫通導体とから成ることを特徴とする電子部品搭載用配線基板。
2. 請求項１に記載の電子部品搭載用配線基板と、
   該電子部品搭載用配線基板の前記絶縁基体の前記凹部の底面に露出した前記第２のグランド層上に搭載され、前記複数の信号用配線導体および前記第１のグランド導体層に電気的に接続された前記電子部品とを備えていることを特徴とする電子装置。
   

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