JP5329737B2

JP5329737B2 - 多層パッケージ、多層セラミックパッケージ、及び多層パッケージにおいて高周波マッチングを実現する方法

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Publication number: JP5329737B2
Application number: JP2005241766A
Authority: JP
Inventors: アグイレジェラルド; ゴードンクリストファー
Original assignee: キョウセラアメリカインコーポレイテッド
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: DE602005014590D1; US7053729B2; JP2006060240A; HK1087534A1; ATE432541T1; EP1630897B1; US20060038633A1; EP1630897A1

Description

本発明は多層パッケージに関し、特に、接地平面部と、積層体の内部に鉛直に設置された信号ビアに接続された信号路と、を有する積層体を備える多層セラミックパッケージに関する。

当技術分野で、積層された層の内部の鉛直なビア（via）によって、信号路が相互に接続される多層セラミックパッケージが知られている。パッケージの各層は接地平面部を備え、パッケージは一般的にボールグリッドアレイ（ball grid array, BGA）上に配置される。信号ビアに加えて、積層体は一般的に、積層体の接地平面部を相互に接続する複数の接地ビアを備える。

この種の多層セラミックパッケージにおいては、信号路間の高周波マッチングを実現することが、しばしば必要であるか、もしくは望ましい。従来技術では、パッケージの層の平面部上で、信号路のそばにマッチング用のスタブを設置することによって実現される。

例えば、特許文献１で開示されている、多層回路基板構造を有する相互接続では、接地平面部層の間に接地スペーサを挿入する。特許文献１では、鉛直な信号線が異なる層上の信号路を接続しており、接地スペーサは信号線の通るスルーホールを有する。インピーダンスマッチングを実現するために、接地スペーサと信号線との間を誘電媒体で満たし、同軸構造を構成する。

また、特許文献２では、多層回路基板の異なる層を相互に接続するビアが開示されている。各層で、鉛直なビアのそばに、電気的に絶縁された部品が設置される。これらの部品には、信号路に接続された部品と接地された部品とが存在し、これらの部品の大きさと形状とを変えることで、予め定められたインピーダンス特性を持った相互接続回路を実現する。

また、特許文献３には、積層構造を有するインピーダンス変換装置が開示されている。特許文献３のインピーダンス変換装置は、各層の中心に円筒状のビアを有し、円筒状のビアは環状の誘電体領域に囲まれている。さらに、誘電体領域の外側には接地平面部を備える。誘電体領域の誘電率と、ビアと接地平面部との距離と、又はどちらか一方を、変えることで装置のインピーダンス特性を制御する。

米国特許第６６０２０７８号米国特許第６３８８２０８号米国特許第５８３０３０１号

しかしながら、以上のような従来技術では、ビアのインピーダンスマッチングに必要な設置面積が大きくなる。従って、パッケージの相互接続密度がより低くなる。その上、従来技術のような手法では、設置面積が大きくなるだけでなく、広帯域バンド幅のマッチングがより困難になり、マッチングを実現するのに更に大きな設置面積が必要になる可能性がある。上記のように、従来技術によれば、小さな設置面積で高周波マッチングを実現することが困難であり、このため、高密度の相互接続を有する多層パッケージを実現することが困難である。

本願の目的は、小さな設置面積での高周波マッチングを実現することによって、高密度の相互接続を可能とする多層パッケージを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る多層パッケージは、積層された複数の層と、前記複数の層のうち少なくとも１つの層に設けられた接地平面部であって、前記複数の層のうち前記接地平面部が設けられた１つの層または複数の層のそれぞれについては、上面または下面の一方の面に１つの前記接地平面部が設けられている、接地平面部と、最上の層の上面に設置されたコプレーナ導波路（coplaner waveguide）と、最下の層の下面に設置されたボールグリッドアレイと、前記コプレーナ導波路と前記ボールグリッドアレイとの間に設けられ、前記複数の層を上下に貫通する信号ビアと、前記接地平面部が剥離されて形成され、前記信号ビアが貫通する中心剥離部であって、当該中心剥離部の周囲が前記信号ビアとは接触しない中心剥離部と、前記中心剥離部の周囲に所定間隔で配置された複数のスタブ形成用剥離部であって、各スタブ形成用剥離部は、前記接地平面部が剥離された領域として前記中心剥離部につながっており、各スタブ形成用剥離部は、前記中心剥離部から離れる方向に向かって放射状に開いた形状を有し、前記中心剥離部から所定の距離の位置で終端する、複数のスタブ形成用剥離部と、隣接する２つの前記スタブ形成用剥離部および前記中心剥離部に囲まれた領域に、前記接地平面部が剥離されていない領域として形成される複数のラジアルスタブ（radial stub）と、を備えることを特徴とする。

また、最上の層から数えて２番目の層の下面に設けられた１番目の前記接地平面部、および最上の層から数えて４番目の層の下面に設けられた２番目の前記接地平面部が、前記中心剥離部と前記スタブ形成用剥離部と前記ラジアルスタブとを備えることが好ましい。また、前記ラジアルスタブが、前記コプレーナ導波路と前記ボールグリッドアレイに接続される信号路との間の高周波マッチングを実現することが好ましい。また、前記信号ビア、前記中心剥離部、前記スタブ形成用剥離部および前記ラジアルスタブが設けられた領域を囲み、前記複数の層を上下にそれぞれが貫通する複数の接地ビアを備え、各接地ビアは、複数の前記接地平面部を相互に接続することが好ましい。また、前記ラジアルスタブと前記信号ビアとの間に、前記中心剥離部によって形成される不連続部が、前記信号ビアに対するシャントインダクタンスとして機能することが好ましい。

また、最良の実施形態においては、４個の前記スタブが略等間隔に前記信号ビアを囲んで環状に配置されていることが好ましい。

また、本発明に係る多層パッケージにおいて高周波マッチングを実現する方法は、複数の層を含む多層の積層体を設けるステップを有し、前記積層体を設ける前記ステップは、少なくとも１個の信号路を前記複数の層のいずれかに設けるステップと、前記信号路と接続されていて、前記複数の層を貫通する信号ビアを設けるステップと、前記複数の層のうち少なくとも１つの層に設けられる接地平面部であって、前記複数の層のうち前記接地平面部が設けられる１つの層または複数の層のそれぞれについては、上面または下面の一方の面に１つの前記接地平面部が設けられる、接地平面部を設けるステップを有し、前記接地平面部を設ける前記ステップは、前記接地平面部が剥離されて形成され、前記信号ビアが貫通する中心剥離部であって、当該中心剥離部の周囲が前記信号ビアとは接触しない中心剥離部を構成するステップと、前記中心剥離部の周囲に所定間隔で配置された複数のスタブ形成用剥離部であって、各スタブ形成用剥離部は、前記接地平面部が剥離された領域として前記中心剥離部につながっており、各スタブ形成用剥離部は、前記中心剥離部から離れる方向に向かって放射状に開いた形状を有し、前記中心剥離部から所定の距離の位置で終端する、複数のスタブ形成用剥離部を構成するステップと、を有し、前記方法によって、隣接する２つの前記スタブ形成用剥離部および前記中心剥離部に囲まれた領域に、前記接地平面部が剥離されていない領域である複数のラジアルスタブが形成される、ことを特徴とする。

また、複数の剥離部を構成するステップは、複数の接地平面部のうち少なくとも１個の接地平面部において、その中心に信号ビアを囲む剥離部を構成することと、中心の剥離部から放射状に外側に向かって開いた複数のスタブ形成用剥離部を構成することと、を含むことが好ましい。

本発明においては、小さな設置面積で高周波マッチングが実現される。よって、高密度の相互接続を可能とする多層パッケージを実現することができる。後述の実施例においては、２個の信号路間のマッチング回路のすべてが、信号路に接続されたビアの鉛直な経路に沿って実現されている。

以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。

図１は、多層セラミックパッケージ１０の従来の構成を示す。パッケージ１０は複数の層１４からなる積層体１２を備え、各層は接地平面部１６を有する。パッケージ１０のビア１８、２２をよりよく示すため、積層体１２を破線で示す。

パッケージ１０は信号ビア１８を有する。信号ビア１８はビア下端に接続されている信号ビアパッド２０から上方に向かってパッケージ１０を鉛直に貫通している。信号ビア１８は複数の接地ビア２２に囲まれ、接地ビア２２もまた、パッケージ１０を貫通しており、各層１４の接地平面部１６を相互に接続している。接地ビア２２の下端は接地ビアパッド２４に接続されている。信号ビアパッド２０と接地ビアパッド２４はボールグリッドアレイ４２に接続され、ボールグリッドアレイ４２は図５及び図１に破線で示してある。信号ビア１８の上端はコプレーナ導波路３８に接続され、コプレーナ導波路３８もまた、図５及び図１に破線で示してある。

図２は、図１の従来の多層セラミックパッケージにおいて反射される電力を示す。図２は矩形プロットであり、ＧＨｚで表した周波数の関数として、ｄＢで表した反射電力をプロットしたグラフである。図２に示すように、反射電力は周波数の関数として概ね増加する。このため、多層セラミックパッケージ１０において、信号路間の高周波マッチングはほとんど実現されない。

図３は、本発明に係る多層セラミックパッケージ２６を示す。図３のパッケージ２６は、いくつかの層１４内の接地平面部１６がラジアルスタブ配置２８を有することを除外すると、図１のパッケージに類似する。ラジアルスタブ配置２８は図３に破線で示され、後述するように、接地平面部１６に開いた剥離部によって構成される。接地平面部１６の剥離部はラジアルスタブを形成し、そのラジアルスタブは信号ビア１８に向かって内向きに放射状に伸び、信号ビア１８から離れた位置で終了する。ラジアルスタブ配置２８のラジアルスタブは、パッケージ２６内の信号ビア１８などの複数のビアによって相互に接続された信号路間の高周波マッチングを実現する。

図４は、図３のパッケージ２６における層１４の積層体１２を示し、層１４の一部は破線で示されている。複数の接地平面部１６のうち最も上部の接地平面部３０に構成されているラジアルスタブ配置２８は、本来は外部から見えないが、図面上は表示する。ラジアルスタブ配置２８は、最も上部の接地平面部３０内の中心剥離部３２と、中心剥離部３２から放射状に外側に向かって開いた、複数のスタブ形成用剥離部３４と、を設けることで構成される。隣接したスタブ形成用剥離部３４の組は、その間にラジアルスタブ３６を形成する。本実施例では、４個のスタブ形成用剥離部３４が略等間隔に環状に配置されている。スタブ形成用剥離部３４は、中心剥離部３２の周囲に略等間隔に配置された４個のラジアルスタブ３６を形成する。各ラジアルスタブ３６は接地平面部３０から、中心剥離部３２の中心に隣接し、かつ中心から離れた位置まで伸びていることがわかる。後述するように、信号ビア１８は中心剥離部３２の中心を貫通し、このため、各ラジアルスタブ３６は信号ビア１８から小さな距離のある位置で終了している。これらの小さな剥離部は不連続であり、直列キャパシタンスに接続されたシャントインダクタンスとして機能する。結果として、信号ビア１８によって相互に接続された信号路間の高周波マッチングが実現される。

図４は、最も上部にある接地平面部３０に構成されたラジアルスタブ配置２８を示す。本実施例においては、同様のラジアルスタブ配置が、最上の接地平面部３０の次にある接地平面部、すなわち最上面から数えて２番目の接地平面部、に構成されている。必要であれば、他の層１４の接地平面部１６にラジアルスタブ配置を構成することも可能である。

図５に、本発明に係る多層セラミックパッケージの一部の側断面図を示す。図５に示すパッケージは、３個の接地平面部がラジアルスタブ配置を有することを除き、図３のパッケージ２６と同様である。図５に示すように、パッケージ２６は複数の層１４の鉛直な積層体１２からなる。層１４の各層は接地平面部１６を有する。コプレーナ導波路３８が信号路の形で積層体１２の上面部４０に設置され、信号ビア１８に接続されている。信号ビア１８は積層体１２内に鉛直に設置され、積層体１２の底面部４４に設置されたボールグリッドアレイ４２と、積層体１２の上面部４０に設置されたコプレーナ導波路３８と、の間を鉛直に貫通している。

図５の例においては、積層体１２内の接地平面部１６の両方がラジアルスタブ配置２８を有する。図５に示すように、各ラジアルスタブ配置２８の複数のラジアルスタブ３６は接地平面部１６から信号ビア１８に隣接し、かつ信号ビア１８から離れた位置まで伸びている。これは図４に記載した通りである。

図６は、本発明に係るラジアルスタブ配置２８を有する多層セラミックパッケージ２６の反射損失を示す矩形プロットである。図１の従来のパッケージ構成に対応する図２のグラフとは異なり、図６のグラフでは、周波数の増加と共に損失がわずかに増加し、周波数約２１ＧＨｚで損失は約−４２ｄＢに下がる。その後、再び、周波数の増加に従って損失が増加する。２１ＧＨｚでの損失−４２ｄＢは、この周波数において１％未満の反射を表す。ラジアルスタブ配置２８は選択された周波数においてこのような特性を実現するよう、希望通りに設計することが可能である。これによって、比較的小さなゲインの増幅器の設計が可能になる。ラジアルスタブ３６と、信号ビア１８との間の一般的には数ミリの比較的小さな剥離部は不連続を生じ、上述したとおり、この不連続は直列キャパシタンスに接続されたシャントインダクタンスとして機能する。

ここで開示した実施形態はすべての点について、例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。従って、前述の記載よりはむしろ添付の請求項に記載された本発明の範囲と、請求項と均等な範囲内で生じるすべての変更と、が本発明の技術的範囲に含まれる。

従来の多層パッケージを示す斜視図であり、信号ビアと複数の接地ビアとをよりよく示すため、パッケージの層を破線で図示している。周波数の関数としてプロットした、反射損失をｄＢで示すグラフであり、図１の積層体で反射された電力を示す。図１に類似した、ただし、接地平面部のうちの２個が、本発明に係るラジアルスタブの配置を備える多層セラミックパッケージを示す斜視図である。図３の積層体を示す斜視図であり、最も上部にある接地平面部のラジアルスタブ配置を示す。本発明に係る多層パッケージの一部の断面図であり、信号路と、相互に接続された信号ビア、接地平面部のラジアルスタブ配置を示す。図２に類似した、ただし、本発明によって改良された図３のパッケージにおける反射損失を示すグラフである。

符号の説明

１０従来の多層セラミックパッケージ、１２積層体、１４層、１６接地平面部、１８信号ビア、２０信号ビアパッド、２２接地ビア、２４接地ビアパッド、２６本発明に係る多層セラミックパッケージ、２８ラジアルスタブ配置、３０最も上部の接地平面部、３２中心剥離部、３４スタブ形成用剥離部、３６ラジアルスタブ、３８コプレーナ導波路、４０積層体の上面部、４２ボールグリッドアレイ、４４積層体の底面部。

Claims

多層パッケージであって、
積層された複数の層と、
前記複数の層のうち少なくとも１つの層に設けられた接地平面部であって、前記複数の層のうち前記接地平面部が設けられた１つの層または複数の層のそれぞれについては、上面または下面の一方の面に１つの前記接地平面部が設けられている、接地平面部と、
最上の層の上面に設置されたコプレーナ導波路と、
最下の層の下面に設置されたボールグリッドアレイと、
前記コプレーナ導波路と前記ボールグリッドアレイとの間に設けられ、前記複数の層を上下に貫通する信号ビアと、
前記接地平面部が剥離されて形成され、前記信号ビアが貫通する中心剥離部であって、当該中心剥離部の周囲が前記信号ビアとは接触しない中心剥離部と、
前記中心剥離部の周囲に所定間隔で配置された複数のスタブ形成用剥離部であって、各スタブ形成用剥離部は、前記接地平面部が剥離された領域として前記中心剥離部につながっており、各スタブ形成用剥離部は、前記中心剥離部から離れる方向に向かって放射状に開いた形状を有し、前記中心剥離部から所定の距離の位置で終端する、複数のスタブ形成用剥離部と、
隣接する２つの前記スタブ形成用剥離部および前記中心剥離部に囲まれた領域に、前記接地平面部が剥離されていない領域として形成される複数のラジアルスタブと、
を備えることを特徴とする多層パッケージ。
請求項１に記載の多層パッケージにおいて、最上の層から数えて２番目の層の下面に設けられた１番目の前記接地平面部、および最上の層から数えて４番目の層の下面に設けられた２番目の前記接地平面部が、前記中心剥離部と前記スタブ形成用剥離部と前記ラジアルスタブとを備えることを特徴とする多層パッケージ。
請求項１または請求項２に記載の多層パッケージにおいて、前記ラジアルスタブが、前記コプレーナ導波路と前記ボールグリッドアレイに接続される信号路との間の高周波マッチングを実現することを特徴とする多層パッケージ。
前記複数の層のうちの複数のいずれかのそれぞれに前記接地平面部が設けられた、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多層パッケージにおいて、前記信号ビア、前記中心剥離部、前記スタブ形成用剥離部および前記ラジアルスタブが設けられた領域を囲み、前記複数の層を上下にそれぞれが貫通する複数の接地ビアを備え、各接地ビアは、複数の前記接地平面部を相互に接続することを特徴とする多層パッケージ。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の多層パッケージにおいて、前記ラジアルスタブと前記信号ビアとの間に、前記中心剥離部によって形成される不連続部が、前記信号ビアに対するシャントインダクタンスとして機能することを特徴とする多層パッケージ。
多層セラミックパッケージであって、
複数の層を含む多層の積層体と、
前記複数の層のうち少なくとも１つの層に設けられた接地平面部であって、前記複数の層のうち前記接地平面部が設けられた１つの層または複数の層のそれぞれについては、上面または下面の一方の面に１つの前記接地平面部が設けられている、接地平面部と、
前記複数の層を貫通する信号ビアと、
互いに異なる層に設けられ、前記信号ビアに接続された複数の信号路と、
前記接地平面部が剥離されて形成され、前記信号ビアが貫通する中心剥離部であって、当該中心剥離部の周囲が前記信号ビアとは接触しない中心剥離部と、
前記中心剥離部の周囲に所定間隔で配置された複数のスタブ形成用剥離部であって、各スタブ形成用剥離部は、前記接地平面部が剥離された領域として前記中心剥離部につながっており、各スタブ形成用剥離部は、前記中心剥離部から離れる方向に向かって放射状に開いた形状を有し、前記中心剥離部から所定の距離の位置で終端する、複数のスタブ形成用剥離部と、
隣接する２つの前記スタブ形成用剥離部および前記中心剥離部に囲まれた領域に、前記接地平面部が剥離されていない領域として形成される複数のスタブと、
を備えることを特徴とする多層セラミックパッケージ。
請求項６に記載の多層セラミックパッケージにおいて、４個の前記スタブが略等間隔に前記信号ビアを囲んで環状に配置されていることを特徴とする多層セラミックパッケージ。
多層パッケージにおいて高周波マッチングを実現する方法であって、
複数の層を含む多層の積層体を設けるステップを有し、
前記積層体を設ける前記ステップは、
少なくとも１個の信号路を前記複数の層のいずれかに設けるステップと、
前記信号路と接続されていて、前記複数の層を貫通する信号ビアを設けるステップと、
前記複数の層のうち少なくとも１つの層に設けられる接地平面部であって、前記複数の層のうち前記接地平面部が設けられる１つの層または複数の層のそれぞれについては、上面または下面の一方の面に１つの前記接地平面部が設けられる、接地平面部を設けるステップを有し、
前記接地平面部を設ける前記ステップは、
前記接地平面部が剥離されて形成され、前記信号ビアが貫通する中心剥離部であって、当該中心剥離部の周囲が前記信号ビアとは接触しない中心剥離部を構成するステップと、
前記中心剥離部の周囲に所定間隔で配置された複数のスタブ形成用剥離部であって、各スタブ形成用剥離部は、前記接地平面部が剥離された領域として前記中心剥離部につながっており、各スタブ形成用剥離部は、前記中心剥離部から離れる方向に向かって放射状に開いた形状を有し、前記中心剥離部から所定の距離の位置で終端する、複数のスタブ形成用剥離部を構成するステップと、
を有し、
前記方法によって、隣接する２つの前記スタブ形成用剥離部および前記中心剥離部に囲まれた領域に、前記接地平面部が剥離されていない領域である複数のラジアルスタブが形成される、
ことを特徴とする方法。