JP4210207B2

JP4210207B2 - 高周波用配線基板

Info

Publication number: JP4210207B2
Application number: JP2003397233A
Authority: JP
Inventors: 隆行白崎; 道信飯野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005159127A

Description

本発明は、高抵抗体部により高周波信号を終端する機能を有する高周波用配線基板、特に10ＧＨｚ以上の高周波帯域で使用される高周波用配線基板に関するものである。

従来の高周波用配線基板の使用例として、光通信や無線通信分野に用いられる半導体素子装置を例に説明する。

各種半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージには、半導体素子を電気的に接続するための導体パターンとしての線路導体等の配線導体が設けられている。このような半導体素子収納用パッケージの断面図および平面図を図２に示す。同図において、101は基体、102は金属製の枠体、103は蓋体、104は高周波用配線基板である。

基体101は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）等の金属から成る四角形状の板状体であり、その上側主面には、ＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子105や、高周波用配線基板104を載置する載置部101ａが形成されている。半導体素子105や高周波用配線基板104は、載置部101ａに、例えば銀（Ａｇ）ろう，Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材や半田、樹脂接着剤によって強固に接着固定される。

半導体素子105は、その電極が高周波用配線基板104に被着されている第１の線路導体104ａおよび第２の線路導体104ｂにそれぞれボンディングワイヤ106ａ，106ｂを介して電気的に接続されている。

さらに、第２の線路導体104ｂと同一面接地導体108とは、高抵抗体部107を介して終端接続されており、同一面接地導体108は、高周波用配線基板104の側面および下面にそれぞれ形成された接続導体109，接地導体110を介して基体101に電気的に接続されている。このように第２の線路導体104ｂの終端を高抵抗体部107を介して同一面接地導体108に接続することにより、第２の線路導体104ｂに流れる高周波信号の反射を防ぎ、半導体素子105が誤動作するのを防いでいる。

基体101の上側主面の外周部には載置部101ａを囲繞するようにして枠体102が立設されており、枠体102は基体101とともにその内側に半導体素子105を収容する空所を形成する。枠体102は基体101と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体101と一体成形されるか、または基体101にＡｇろう，Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材を介してろう付けされるか、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって、基体101の上側主面の外周部に立設される。

枠体102の側面にはグラスビーズ111が嵌着される貫通孔102ａが形成されており、貫通孔102ａ内にグラスビーズ111を嵌め込むとともに半田等の封着材を貫通孔102ａ内の隙間に挿入し、しかる後、加熱して封着材を溶融させ、溶融した封着材を毛細管現象によりグラスビーズ111と貫通孔102ａの内壁との隙間に充填させることによって、グラスビーズ103が貫通孔102ａ内に封着材を介して嵌着接合される。

グラスビーズ111には、中心軸部分に信号線路としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る棒状の中心導体が固定されている。中心導体は半田等から成る導電性接着材を介して高周波用配線基板104の第１の線路導体104ａに電気的に接続される。このグラスビーズ111には、外部電気回路（図示せず）に接続された同軸ケーブル（図示せず）が装着されることによって、内部に収納された半導体素子105がグラスビーズ111の中心導体を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。

最後に、基体101および枠体102から成る容器内部に半導体素子105を収容し、枠体102の上面に蓋体103をろう付け法やシームウエルド法等の溶接法により接合し、容器内部を気密に封止することによって製品としての半導体装置となる。
特開2002-319645号公報

しかしながら、従来の高周波用配線基板104を使用した半導体素子収納用パッケージにおいては、半導体素子105の高周波化が進むにつれ、高抵抗体部107から基体101にかけて形成される同一面接地導体108および接続導体109の寄生インダクタンス成分によって、高抵抗体部107から見たインピーダンス値が変動し、高抵抗体部107が所望の終端特性を得ることができないという新たな問題が発生してきた。

本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、高抵抗体部から基体にかけて形成される同一面接地導体および接続導体の寄生インダクタンス成分を打ち消すことにより、10ＧＨｚ以上の高周波信号においても、高抵抗体部で終端し、半導体素子へ高周波信号成分が反射して入り込んで半導体素子が誤作動を起こすのを防ぐことができる高周波用配線基板を提供することにある。

本発明の高周波用配線基板は、誘電体基板と、該誘電体基板の一主面に形成された高周波信号伝送用の線路導体と、前記誘電体基板の一主面における前記線路導体の片側に、前記線路導体に沿って該線路導体と所定の間隔をもって配置された線状の同一面接地導体と、前記誘電体基板の他主面に形成された接地導体と、該接地導体と前記同一面接地導体とを電気的に接続する接続導体と、前記線路導体の一端部と前記同一面接地導体の一端部とを電気的に接続する高抵抗体部とを具備しており、前記線路導体と前記接地導体との間の距離をＨとし、前記線路導体と前記同一面接地導体との間の距離をＳとしたときに、Ｓ＜Ｈ／２である。

本発明の高周波用配線基板において、好ましくは、前記同一面接地導体は、高抵抗体部との接続部から他端部までの長さが0.5ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明の高周波用配線基板において、好ましくは、前記線路導体は、前記同一面接地導体に隣接した部位がその他の部位よりも細いことを特徴とする。また、本発明の高周波用配線基板において、好ましくは、前記線路導体、前記同一面接地導体、および前記高抵抗体部は、それぞれ直線状に延在し、前記同一面接地導体は、前記線路導体に平行に配置され、前記高抵抗体部の延在方向は、前記同一面接地導体および前記線路導体の延在方向に垂直である。

本発明の高周波用配線基板は、誘電体基板と、誘電体基板の一主面に形成された高周波信号伝送用の線路導体と、前記誘電体基板の一主面における前記線路導体の片側に、前記線路導体に沿って該線路導体と所定の間隔をもって配置された線状の同一面接地導体と、誘電体基板の他主面に形成された接地導体と、接地導体と同一面接地導体とを電気的に接続する接続導体と、線路導体の一端部と同一面接地導体の一端部とを電気的に接続する高抵抗体部とを具備しており、線路導体と接地導体との間の距離をＨとし、線路導体と同一面接地導体との間の距離をＳとしたときに、Ｓ＜Ｈ／２であることから、線路導体と同一面接地導体と、および線路導体と接地導体との間の電磁的な結合をバランスよく維持しながら線路導体と同一面接地導体との電磁的な結合（容量結合）を高めることができ、高抵抗体部から接地導体にかけて形成された同一面接地導体および接続導体による寄生インダクタンス成分を打ち消すことができる。

よって、高抵抗体部から接地導体にかけて同一面接地導体および接続導体を形成した従来の構成に比較して良好な伝送特性が実現でき、10ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝送損失をきわめて少なくして半導体素子を正常に作動させることができる。

本発明の高周波用配線基板は、同一面接地導体の高抵抗体部との接続部から他端部までの長さが0.5ｍｍ以上であることから、線路導体と同一面接地導体との電磁的な結合をより高めることができ、同一面接地導体および接続導体の寄生インダクタンス成分をより打ち消すことができる。

本発明の高周波用配線基板は、線路導体の同一面接地導体に隣接する部位がその他の部位よりも細いことから、線路導体と同一面接地導体との間隔を狭めることなく線路導体と同一面接地導体との電磁的な結合がより高めることができ、絶縁信頼性を良好に維持できるとともに伝送特性を向上させることができる。

本発明の半導体素子収納用パッケージについて以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図および平面図であり、１は基体、２は枠体、３は蓋体、４は高周波用配線基板である。

基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＣｕ−Ｗの焼結材等の金属やセラミックス等の誘電体から成る四角形状の板状体であり、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法、または射出成形と切削加工等を施すことによって、所定の形状に製作される。基体１の上側主面の中央部には、ＩＣ，ＬＳＩ，ＬＤ，ＰＤ等の半導体素子５や、高周波用配線基板４を載置するための載置部１ａが形成されており、例えばＡｇろう，Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材やＡｕ−Ｓｎ半田，Ｐｂ−Ｓｎ半田等の半田、樹脂系接着剤によって強固に接着固定される。

なお、基体１は、セラミックス等の誘電体材料から成る場合、その表面にメタライズ層等の導体層が形成されているのが好ましい。基体１は、金属から成るか、または表面に導体層が形成された誘電体材料から成ることにより、内部の半導体素子５によって発生する放射ノイズまでも効果的に接地することができ、さらに半導体素子５の動作を安定化させることが可能となる。

半導体素子５は、その電極が高周波用配線基板４の上面に被着形成されている第１の線路導体４ａおよび第２の線路導体４ｂにそれぞれボンディングワイヤ６ａ，６ｂを介して電気的に接続される。

高周波用配線基板４は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックスから成る場合、以下のようにして作製される。まず、Ａｌ_２Ｏ_３，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法でシート状となすことによってセラミックグリーンシートを得る。しかる後、この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ことによって所定の形状に成形する。または、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ等の原料粉末を金型に充填しプレス成型することによって所定の形状に成形する。そして、このセラミックグリーンシートに上面の第１の線路導体４ａ，第２の線路導体４ｂおよび上面の同一面接地導体８となる金属ペーストを印刷塗布し、還元雰囲気中で約1600℃の温度で焼成することによって製作される。

第１の線路導体４ａ，第２の線路導体４ｂおよび同一面接地導体８となる金属ペーストは、Ｗ，モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属粉末に適当な有機バインダや溶剤を添加混合してペースト状となしたものを従来周知のスクリーン印刷法を採用して印刷することにより、セラミックグリーンシートまたはセラミックスの成形体に印刷塗布される。

なお、第１の線路導体４ａ，第２の線路導体４ｂおよび同一面接地導体８は薄膜形成法によって形成されていても良く、その場合、第１の線路導体４ａ，第２の線路導体４ｂおよび同一面接地導体８は、窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ），ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金），チタン（Ｔｉ），パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），Ａｕ等から形成され、セラミックグリーンシートを焼成した後に形成される。

また、高抵抗体部７は、Ｔａ_２Ｎ，Ｎｉ−Ｃｒ合金等の材料から成り、高周波用配線基板４に印刷塗布された後に焼成されて形成されるか、薄膜形成法により形成される。また、高抵抗体部７による終端抵抗値は、伝送される高周波信号の周波数や第２の線路導体４ｂの特性インピーダンスに応じて、高抵抗体部７の厚みや幅，形状を適宜設定することによって、所望の値に設定される。例えば、抵抗値を微小調整するために、高抵抗体部７の一部をレーザ加工によって除去し、精度よく抵抗値を調整することもできる。

なお、高抵抗体部７は、ボンディングワイヤ６ｂを介して半導体素子５に接続される第２の線路導体４ｂの端部と反対側の端部に形成される。

また、基体１の上側主面の外周部には載置部１ａを囲繞するようにして枠体２が立設するように接合されており、枠体２は基体１とともにその内側に半導体素子５を収容する空所を形成する。この枠体２は、基体１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等の金属やセラミックス等の誘電体から成り、基体１と一体成形される、または基体１にＡｇろう等のろう材を介してろう付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって、基体１の上側主面の外周部に立設される。

なお、枠体２は、セラミックス等の誘電体材料から成る場合、その表面にメタライズ層等の導体層が形成されているのが好ましい。枠体２は、金属から成るか、または表面に導体層が形成された誘電体材料から成ることにより、内部の半導体素子５によって発生する放射ノイズまでも効果的に接地することができ、さらに半導体素子５の動作を安定化させることが可能となる。

また、外部より半導体素子５に駆動信号等を入力させる入出力端子として、例えばグラスビーズ11が用いられ、以下のようにして枠体２に設置される。まず、枠体２の側面にグラスビーズ11が嵌着される貫通孔２ａを形成し、貫通孔２ａ内にグラスビーズ11を嵌め込むとともにＡｕ−Ｓｎ半田やＰｂ−Ｓｎ半田等の封着材を貫通孔２ａとの隙間に挿入する。しかる後、加熱して封着材を溶融させ、溶融した封着材を毛細管現象によりグラスビーズ11と貫通孔２ａの内壁との隙間に充填することによって、グラスビーズ11が貫通孔２ａ内に半田等の封着材を介して嵌着接合される。

グラスビーズ11は、内部に収容する半導体素子５を外部電気回路に接続された同軸ケーブルに電気的に接続するものであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る円筒形等の筒状の外周導体にガラス等の絶縁体が充填され、中心軸にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る中心導体11ａが固定されて成る。この中心導体11ａは半田等から成る導電性接着材を介して高周波用配線基板４の第１の線路導体４ａに電気的に接続される。このグラスビーズ11に同軸ケーブルが装着されることによって、半導体パッケージの内部に収納された半導体素子５がグラスビーズ11の中心導体11ａを介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。

また、半導体素子５の電極と高周波用配線基板４の上面に形成された第１の線路導体４ａとがボンディングワイヤ６ａにより電気的に接続され、第１の線路導体４ａと中心導体３ａとが半田等の導電性接着材を介して電気的に接続される。

そして、基体１および枠体２から成る容器内部に半導体素子５を収容し、枠体２の上面に蓋体３をろう付け法やシームウエルド法等の溶接法により接合し、容器内部を気密に封止することによって製品としての半導体装置となる。

本発明の高周波用配線基板４は、同一面接地導体８が、誘電体基板の一主面に線路導体４ｂに沿って線路導体４ｂと所定の間隔をもって線路状に形成されている。そして、線路導体４ｂと接地導体10との間の距離をＨとし、線路導体４ｂと同一面接地導体８との間の距離をＳとしたときに、Ｓ＜Ｈ／２である。これにより、線路導体４ｂと同一面接地導体８と、および線路導体４ｂと接地導体10との間の電磁的な結合をバランスよく維持しながら線路導体４ｂと同一面接地導体８との電磁的な結合（容量結合）を高めることができ、高抵抗体部７から接地導体10にかけて形成された同一面接地導体８および接続導体９による寄生インダクタンス成分を打ち消すことができる。

よって、高抵抗体部７から接地導体10にかけて同一面接地導体８および接続導体９を形成した従来の構成に比較して良好な伝送特性が実現でき、10ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝送損失をきわめて少なくして半導体素子５を正常に作動させることができる。

好ましくは、同一面接地導体８の高抵抗体部７との接続部から他端までの長さが0.5ｍｍ以上であるのがよい。これにより、線路導体４ｂと同一面接地導体８との電磁的な結合をより高めることができ、同一面接地導体８および接続導体９の寄生インダクタンス成分をより打ち消すことができる。

また好ましくは、線路導体４ｂの同一面接地導体８に沿った部位が残部よりも細くなっているのがよい。これにより、線路導体４ｂと同一面接地導体８との間隔を狭めることなく線路導体４ｂと同一面接地導体８との電磁的な結合がより高めることができ、絶縁信頼性を良好に維持できるとともに伝送特性を向上させることができる。

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は可能である。

本発明および比較例の高周波用配線基板を以下のように構成した。まず、高周波用配線基板４として、比誘電率が9.6のアルミナ質セラミックからなる縦６ｍｍ×横２ｍｍの基板上に、幅が0.98ｍｍ、長さが5ｍｍ、厚みが0.002ｍｍの線路導体４ｂを形成した。

次に、線路導体４ｂに沿うように同一面接地導体８を形成し、線路導体４ｂと同一面接地導体８とを高抵抗体部７によって電気的に接続した。

また、同一面接地導体８と高周波用配線基板４の下面に形成した接地導体10とを高周波用配線基板４の側面に形成した接続導体９にて電気的に接続した。

ここで、線路導体４ｂと接地導体との距離Ｈ、線路導体４ｂと同一面接地導体８との間隔Ｓ、高抵抗体部７から同一面接地導体８の他端までの距離Ｌについては、表１に示したように６通り設定した。これにより試料１〜６を得た。

これら、本発明および比較例の高周波用配線基板である試料１〜６を、高周波3次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いて１ＧＨｚ〜15ＧＨｚの反射損失Ｓ11を得た。

各試料における上記周波数範囲における最も悪い反射損失Ｓ11を表１に示す。

表１より、本発明の高周波用配線基板である、試料１、２、６については、反射損失Ｓ11が−15ｄＢ以下と良好な特性が得られることが分かった。これに対し、比較例の試料３、４、５においては、反射損失Ｓ11が増大しており、−15ｄＢを超えていることが分かった。

また、本発明の高周波用配線基板の中で、Ｌが0.5ｍｍ以上である試料１、６においては、反射損失Ｓ11が−20ｄＢ以下と更に良好な特性が得られることが分かった。

（ａ）は本発明の高周波用配線基板の実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の高周波用配線基板の平面図である。（ａ）は従来の高周波用配線基板の断面図、（ｂ）は（ａ）の高周波用配線基板の平面図である。

符号の説明

４・・・・・・・高周波用配線基板
４ａ，４ｂ・・・線路導体
７・・・・・・・高抵抗体部
８・・・・・・・同一面接地導体
９・・・・・・・接続導体
10・・・・・・・接地導体

Claims

誘電体基板と、
該誘電体基板の一主面に形成された高周波信号伝送用の線路導体と、
前記誘電体基板の一主面における前記線路導体の片側に、前記線路導体に沿って該線路導体と所定の間隔をもって配置された線状の同一面接地導体と、
前記誘電体基板の他主面に形成された接地導体と、
該接地導体と前記同一面接地導体とを電気的に接続する接続導体と、
前記線路導体の一端部と前記同一面接地導体の一端部とを電気的に接続する高抵抗体部とを具備しており、
前記線路導体と前記接地導体との間の距離をＨとし、前記線路導体と前記同一面接地導体との間の距離をＳとしたときに、Ｓ＜Ｈ／２である高周波用配線基板。
前記同一面接地導体は、高抵抗体部との接続部から他端部までの長さが０．５ｍｍ以上である請求項１記載の高周波用配線基板。
前記線路導体は、前記同一面接地導体に隣接した部位がその他の部位よりも細い請求項１または請求項２記載の高周波用配線基板。
前記線路導体、前記同一面接地導体、および前記高抵抗体部は、それぞれ直線状に延在し、
前記同一面接地導体は、前記線路導体に平行に配置され、
前記高抵抗体部の延在方向は、前記同一面接地導体および前記線路導体の延在方向に垂直である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高周波用配線基板。