JP5309039B2 - 高周波用配線基板、電子部品収納用パッケージ、電子装置および通信機器 - Google Patents
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Description
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に、絶縁体表面に導体パターンによる線路導体が設けられた高周波用配線基板が内蔵されている。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7A,図7Bに示す。半導体素子収納用パッケージは、基体101、金属製の枠体102、蓋体103、高周波用配線基板104、および線路導体104bを有する。
基体101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106や、高周波用配線基板104が載置されている。半導体素子106は、その電極が高周波用配線基板104上の線路導体104bにボンディングワイヤ107bを介して電気的に接続される。
さらに、線路導体104bの終端を延長した部分に設けられた接地導体104cと線路導体104bの終端とは終端抵抗体104dを介して終端接続されている。接地導体104c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104h,接地導体104fを介して基体101に電気的に接続されている。終端抵抗体104dは、線路導体104bに流れる高周波信号の反射を少なくし、半導体素子106が誤動作するのを防ぐ目的を有している(たとえば、特開2002−319645号公報参照)。
これに対し、図8に示す高周波用配線基板204が提案されている。図8において、204bは高周波用基板204の上面に形成された線路導体であり、204cは線路導体204bの片側面に沿わせて一定の間隔を持って形成された接地導体、204dは線路導体204bの終端部片側面において接地導体204cと線路導体204bとを接続する終端抵抗体である。線路導体204bと接地導体204cとの容量結合を大きくすることにより、終端抵抗体204dによる寄生インダクタンス成分の影響を小さくし、終端特性を改善することを目的としている(たとえば、特開2005−159127号公報参照)。
しかしながら、図8に示した従来の高周波基板204を使用した半導体素子収納用パッケージにおいて、半導体素子206のさらなる高周波化が進むにつれ、線路導体204bの終端特性が不十分となり、半導体素子206が正常に動作しなくなる場合があるという新たな問題が発生してきた。
本発明の一実施形態に係る高周波用配線基板は、第1表面を有する誘電体基板と、前記第1表面に終端を有する高周波信号伝送用の線路導体と、前記線路導体と間隔を設けて配設された接地導体と、前記線路導体の終端部と前記接地導体とを電気的に接続する終端抵抗体と、を具備している。前記接地導体は、前記線路導体と間隔を設けて前記線路導体の片側に沿わせて配置され、前記線路導体の前記終端より前記線路導体の線路方向に平行に延長される仮想の延長線上を横切るように配設されている。
また、本発明の一実施形態に係る電子部品収納用パッケージは、基体と、該基体の上面に載置された上記本発明の高周波用配線基板と、前記上面の外周部に前記高周波用配線基板を囲繞するように接合された枠体とを具備している。
本発明の一実施形態に係る電子装置は、上記本発明の一実施形態に係る電子部品収納用パッケージと、該電子部品収納用パッケージ内に載置された電子部品と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備している。
本発明の一実施形態に係る通信機器は、上記電子装置を具備している。
これらの図に示すように、電子装置は、基体1、枠体2、蓋体3、本発明の高周波用配線基板4、および、電子部品の例としての半導体素子6を有する。以下、電子部品6として高周波半導体素子6を用いた例を説明する。
本実施形態に係る電子部品収納用パッケージは主として基体1,高周波用配線基板4および枠体2とで構成され、この電子部品収納用パッケージに半導体素子6を載置して蓋体3で電子部品収納用パッケージ(以下、単にパッケージともいう)の内側を封止することによって電子装置が構成される。
また、本高周波用配線基板4は、誘電体基板4aと、誘電体基板4aの一主面(上面)に半導体素子6の電極と接続される接続端から終端4baにかけて形成された高周波信号伝送用の線路導体4bとを有する。また、高周波用配線基板4は、誘電体基板4aの一主面に配置され、線路導体4bの片側4bbから終端4ba側にかけて回り込むように形成された線路状の接地導体4cと、線路導体4bの終端部と接地導体4cとを電気的に接続する終端抵抗体4dとをさらに有する。
線路導体4bは、高周波伝送に適したインピーダンスとなる線幅を有した導体パターンによって形成される。線路導体4bの終端4ba(他方端4ba)は、図1A,図1Bに示すように、開放端とされ、終端4baと反対側の接続端4bc(一方端4bc)には半導体素子6の電極がボンディングワイヤ7b等を介して接続される。
この線路導体4bの線路方向に沿う側面のうち、片方側面4bbに沿って一定間隔Lを隔てた位置に、線路導体4bと同一面に線路状の接地導体4cが配置される。接地導体4cは、線路導体4bの片側4bbに沿わせて形成され、線路導体4bの終端4baより距離Mだけ長く延設された後、線路導体4bの終端4ba側に直角に回り込むように延設される。そして、少なくとも線路導体4bの片側4bbと反対側の側面4bdの延長線上まで延設された後に、開放端として終端される。
なお、接地導体4cは、所定幅の配線として線路導体4bの片側4bbから終端4baにかけて回り込むように形成されてもよいし、線路導体4bの片側4bb,終端4baから所定距離を隔てた位置から誘電体基板4aの側面位置まで広い幅で形成されてもよい。また、接地導体4cは、線路導体4bの終端4baからさらに線路導体4bの側面4bd側へ回り込むように形成してもよいのであるが、図1Bに示すように、終端4baと対向する位置へ回り込ませるように形成すれば十分である。
終端抵抗体4dは、線路導体4bの終端4ba側の終端部において、線路導体4bの片側4bbと接地導体4cの片側4bbと対向している部分との間に形成され、線路導体4bの終端部と接地導体4cとを接続する。終端抵抗体4dは、通常、図1Bに示すように、線路導体4bの終端4ba位置に終端抵抗体4dの端面を合わせるようになるべく線路導体4bの端に形成されるが、必要に応じ、接続端4bc側にシフトさせて形成してもよい。
線路導体4bの終端4baにおいて、線路導体4bの延長方向を遮るように接地導体4cが配設されているので、線路導体4bの終端部4baの電磁界が、接地導体4cに強く結合する。これにより、線路導体4bの終端と接地導体4cとの間で容量結合させ、終端抵抗体4d部分に寄生するインダクタンス成分による影響を少なくすることができる。その結果、20GHz以上の高周波信号を伝送させても、終端抵抗体4dの終端特性が良好なものとなる。また、線路導体4bの終端4baにおいて、線路導体4bと接地導体4cとの結合が強くなるので、電磁波が終端4baからパッケージ内部に放射され難くなる。これによって、パッケージ内への電磁波の放射や放射された電磁波による半導体素子6等の動作に与える影響を少なくすることができる。
このとき、線路導体4bの終端4baと接地導体4cとの間の距離Mが、線路導体4bの片側4bbにおける接地導体4cとの間の距離L以下となるように距離Mの方を狭く形成すると、線路導体4bの終端4baおよび終端抵抗体4dの容量結合も強くなり、終端抵抗体4dが持つ寄生インダクタンス成分をさらに打ち消す結果、終端抵抗体4dの終端特性がより良好なものとなる。
また好ましくは、図2に示すように、線路導体4bの終端部4baに、抵抗体4eが配置される。線路導体4bの終端4ba側において、終端抵抗体4dが接続される片側4bbとは反対側の線路導体4bの側面4bdを切り欠くようにして線路導体4bの線幅を細くし、この切り欠かれた部分を埋めるように抵抗体4eが配置される。抵抗体4eは、線路導体4bの導体部分と側面において接触し、その他の部分は開放端としていずれの導体とも接触しないようにすることによって、接地電位から浮かせて設けられる。
抵抗体4eを設けることにより、線路導体4bの終端4baから終端抵抗体4d、接地導体4cにかけて線路導体4bと直交方向に発生する共振を減衰させて抑えることができる。その結果、線路導体4b終端4ba部での高周波信号の反射や高周波用配線基板4外への放射を抑えることができるので、さらなる高周波信号においても良好な終端特性が得られる。その結果、半導体素子6を正常に作動させることができる。また、パッケージ内への電磁波の放射や放射された電磁波によるパッケージ内における共振をより少なくすることができる。
抵抗体4eは、図3Aに示すように、線幅(線路導体4bの線路方向と直交する方向の幅)が一定ではなく、抵抗体4eの一部において抵抗体4eを切り欠いたように幅が狭くなる領域4eaを設けてもよい。領域4eaを設けることにより、抵抗体4eが持つ接地に対する容量成分を細かく調整することができ、終端抵抗体4dのインピーダンスマッチングをより細かく行なうことができるので、より良好な終端特性を得ることができる。
この容量調整の領域4eaは、抵抗体4eの内側または線路導体4bの導体部分と接触する部分に設けてもよいが、線路導体4bの側面4bd側に設けるのが好ましい。また、抵抗体4eの接続端4bc側(線路導体4bの一端側4bcに近い側)に設けるのが好ましい。これは、抵抗体4eと接地導体4cの線路導体4b終端4ba側へ回り込ませた部分との間での容量結合部の外に領域4eaを設けるためである。これによって、良好な終端特性を得ながらインピーダンスマッチングの調整を行なうことができる。
また、図3Bのように、抵抗体4eに幅が狭くなる領域4eaを設ける代わりに、線路導体4bの一部に幅が狭くなる領域4beを設けることによって容量成分を調整してもよい。
高周波用配線基板4は、図4A、図4Bに示すように、誘電体基板4aの他主面(下面)に、接地導体層4fを設けるのが好ましい。接地導体層4fは、少なくとも線路導体4bおよび接地導体層4cの他主面への投影面内に連続した面として設けられる。通常は、この投影面よりも広く、たとえば、誘電体基板4aの下面全面に設けられる。そして、接地導体層4cと接地導体層4fとは接続導体4gによって接続される。図4A,図4Bにおいては、この接続導体4gを誘電体基板4a内に設けた貫通導体4gによって実現する例を示している。図示していないが、勿論、接地導体層4fおよび接地導体層4cを誘電体基板4aの側面まで形成し、誘電体基板4aの側面に設けた接続導体4g(側面導体)によって実現してもよい。
接地導体層4fを設け、高周波用配線基板4を基体1に金属ろう材等で接合することにより、接地導体4cおよび線路導体4bの接地電位が安定し、高周波信号においても、良好な伝送特性が得られる。
基体1は、Fe−Ni−Co合金等の金属やCu−W焼結材等の金属やセラミックスまたは樹脂等の誘電体から成る四角板状体であり、たとえば金属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は四角板状体に限定されるものではなく、円形または多角形板状体であってもよい。基体1の上側主面の中央部には、半導体素子6等の高周波用電子部品6、および高周波用配線基板4等が載置され、これらが、たとえば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基体1上面に接着固定される。なお、半導体素子6としては、IC,LSI,LD(Laser Diode),PD(Photo-Diode),その他ダイオードおよび/またはアンプ等が挙げられる。他の電子部品6としては、例えば、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)を用いた光変調素子等が挙げられる。
なお、基体1が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が、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、基体1を介して内部の半導体素子6に接地電位を提供することができる。これによって、半導体素子6の動作を安定化させることが可能となる。
半導体素子6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線路導体4bおよび他の高周波用配線基板5等の他の線路導体5bにそれぞれボンディングワイヤ7a,7b,7cを介して電気的に接続される。
高周波用配線基板4は、誘電体基板4a上に線路導体4b等を形成することによって作製され、たとえば、誘電体基板4aがアルミナ(Al2O3)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、Al2O3,酸化珪素(SiO2),酸化カルシウム(CaO),および酸化マグネシウム(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等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、Al2O3,SiO2,CaO,および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の上面に線路導体4b,接地導体4c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。
線路導体4bおよび接地導体4cとなる金属ペーストは、W,モリブデン(Mo),またはマンガン(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誘電体基板4aとなるセラミックグリーンシートまたは焼成後のセラミックスから成る誘電体基板4aに印刷塗布される。
なお、線路導体4bおよび接地導体4cは薄膜形成法によって形成されていても良く、その場合、線路導体4bおよび接地導体4cは、窒化タンタル(Ta2N),ニクロム(Ni−Cr合金),チタン(Ti),パラジウム(Pd),白金(Pt),または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真空蒸着法等によって誘電体基板4aの一主面に形成される。
また、終端抵抗体4dおよび抵抗体4eは、たとえば、Ta2N,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、終端抵抗体4dの終端抵抗値および抵抗体4eの抵抗値は、伝送される高周波信号の周波数や線路導体4bの特性インピーダンスに応じて、終端抵抗体4dまたは抵抗体4e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。たとえば、抵抗値を微小調整するために、終端抵抗体4dまたは抵抗体4e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。
本実施形態に係る電子部品収納用パッケージは、基体1の上側主面の外周部に、半導体素子等の電子部品6および高周波用配線基板4等が載置される載置部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いる。枠体2は基体1とともにその内側に半導体素子6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と一体成形されるか、または基体1にAgろう等のろう材を介したろう付け、またはシーム溶接法等の溶接法により接合される。これによって、枠体2は基体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6によって発生する放射ノイズまたは枠体2の外側から侵入して来る放射ノイズを遮蔽することができる。
また、外部より半導体素子6に駆動信号等を入力させる入出力端子として、たとえば同軸端子が枠体2に設置される。同軸端子は、枠体2の側面に貫通孔2aを形成し、貫通孔2a内にガラスビーズ等の絶縁体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との隙間に挿入して接合し、ガラスビーズ等の絶縁体11の中心軸にFe−Ni−Co合金等の金属から成る中心導体11aが固定されて成るものである。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5の線路導体5bに電気的に接続される。
また、半導体素子6の電極と高周波用配線基板5の上面に形成された線路導体5bとがボンディングワイヤ7aにより電気的に接続され、線路導体5bと中心導体11a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から成るパッケージ内部に半導体素子6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、パッケージ内部を気密に封止することによって製品としての電子装置となる。
さらに、本発明の一実施形態に係る通信機器は、たとえば、図5に示すような通信機器の送受信回路ブロックにおいて上記電子装置が用いられるものである。図5において、アイソレータ、カプラーまたはミキサー回路が含まれるが、これら回路部品を構成する半導体素子6などを集積化するとともに、これら半導体素子6が終端される場合の電子装置として用いられる。
本発明の一実施形態に係る通信機器は、本発明の電子装置が用いられることにより、通信機器内の他の部品やシステムと干渉することなく、安定した通信ができる通信機器を提供することができる。
次に、本発明の高周波用配線基板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2mm×横3mmの基板上に、図2に示すような、幅が0.51mm、長さが1.25mm、厚みが0.002mmの線路導体4bを配置し、さらに、線路導体4bの終端部に切り欠きを設け、抵抗体4eを配置した。切欠きの幅は0.1mm(線幅方向)、長さ(線路方向)は0.2mmであり、この部分に厚みが0.002mmの抵抗体4eを配置した。また、線路導体4bの片側4bbから終端4baにかけて、線路導体4bの終端部を回り込むように接地導体4cを配置した。線路導体4bの終端4baおよび片側4bbと接地導体4cとは0.15mmの間隔(MおよびL)を持つように設定した。また、接地導体4cは、高周波用配線基板4の下面に形成した接地導体4fとスルーホールによって電気的に接続した。試料2をこのように設定した。
一方、比較例として、比誘電率が9.6のアルミナ質セラミックからなる縦2mm×横3mmの高周波用配線基板204上に、図7A,図7Bに示すような、幅が0.51mm、長さが1.25mm、厚みが0.002mmの線路導体204bを配置し、線路導体204bの片側に沿って、線路導体204bと0.15mmの間隔を持った接地導体204cを配置した。また、接地導体204cは、高周波用配線基板204の下面に形成した接地導体とスルーホールによって電気的に接続した。試料3をこのように設定した。
これら、試料1〜3を、高周波3次元構造シミュレータ(Ansoft社製HFSS)を用いて0.5GHz〜50GHzの帯域における反射損失S11を計算した。
その結果、比較例である試料3については、反射損失S11が−20dB以下である周波数範囲は13GHz以下であるのに対し、試料1では反射損失S11が−20dB以下である周波数範囲は36.5GHz以下となり、試料2では反射損失S11が−20dB以下である周波数範囲は50GHz以下となり、本発明の高周波用配線基板4では高周波帯まで良好な終端特性が得られることが分かった。
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。たとえば、上記実施の形態例では高周波半導体素子6を収納した半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を示したが、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)を用いた光変調素子のような高周波電子素子6を収納する電子部品収納用パッケージおよび電子装置,通信機器等にも用いることができる。また、電子部品6はパッケージの基体1に直接接合される例を示したが、電子部品搭載基板を介して電子部品6が載置される場合もある。
たとえば、本バイアスT機能を付加した高周波用配線基板4を図6に示す。この高周波用配線基板4において、線路導体4bにはRFカット用抵抗体13を介してバイアス線路10が接続されている。RFカット用抵抗体13の接続点から見て、線路導体4bの終端4ba側にはDCカット用キャパシタ12が接続されている。DCカット用キャパシタ12は、バイアス線路10から供給される直流が接地導体4cへ流れないようにするものである。また、RFカット用抵抗体13は線路導体4bを流れるRF信号がバイアス線路10側へ流れ難くするものである。このようにバイアス線路10を線路導体4bに接続することによって、バイアスT機能を付加した高周波用配線基板4は、線路導体4bの接続端4bcに接続される電子部品6に直流バイアスを容易に提供することができる。
また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
Claims (8)
- 第1表面を有する誘電体基板と、
前記第1表面に終端を有する高周波信号伝送用の線路導体と、
前記線路導体と間隔を設けて前記線路導体の片側に沿わせて配置され、前記線路導体の前記終端より前記線路導体の線路方向に平行に延長される仮想の延長線上を横切るように配設された接地導体と、
前記線路導体の終端部と前記接地導体とを電気的に接続する終端抵抗体と、を含み、
前記線路導体は、前記線路導体の線路方向と直交する方向の幅が切欠きによって狭く形成された領域を有し、
前記切欠きを埋めるように抵抗体が設けられることを特徴とする高周波用配線基板。 - 前記接地導体は、前記線路導体の前記終端と前記接地導体との間の距離が、前記線路導体の前記片側における前記接地導体との距離以下となるように形成されていることを特徴とする請求項1記載の高周波用配線基板。
- 前記抵抗体は、前記線路導体の線路方向と直交する方向の幅が狭く形成された領域を有することを特徴とする請求項2記載の高周波用配線基板。
- 前記抵抗体の前記領域は前記線路導体の終端より離間する位置に設けられていることを特徴とする請求項3記載の高周波用配線基板。
- 前記誘電体基板の前記第1表面の裏側に位置する第2表面に、前記接地導体層と電気的に接続された接地導体層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の高周波用配線基板。
- 基体と、
該基体の上面に載置された請求項1乃至5のいずれかに記載の高周波用配線基板と、
前記上面の外周部に前記高周波用配線基板を囲繞するように接合された枠体とを具備していることを特徴とする電子部品収納用パッケージ。 - 請求項6記載の電子部品収納用パッケージと、
該電子部品収納用パッケージ内に載置された電子部品と、
前記枠体の上面に接合された蓋体と、を具備したことを特徴とする電子装置。 - 請求項7記載の電子装置を具備したことを特徴とする通信機器。
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