JPH11312856A

JPH11312856A - 高周波用配線基板の実装構造

Info

Publication number: JPH11312856A
Application number: JP11821298A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kitazawa; 謙治北澤; Shinichi Koriyama; 慎一郡山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JP3261094B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波信号の伝送損失が小さく、特性劣化も少
なく伝送でき、実装部分での信号の反射等を抑制した伝
送特性に優れた配線基板の実装構造を得る。【解決手段】誘電体基板２と、その表面に搭載された高
周波用半導体素子５と、誘電体基板２の表面に形成され
半導体素子５と接続された第１の信号伝送線路７と、誘
電体基板２の裏面に形成された第２の信号伝送線路８
と、第１の信号伝送線路７と第２の信号伝送線路８とを
結合させてなる高周波用配線基板を、第２の信号伝送線
路７の終端部に形成された接続部を介して外部回路基板
１０の配線層１２に実装してなる実装構造であって、第
１の信号伝送線路７と第２の信号伝送線路８の結合部直
下の外部回路基板１０の表面に誘電体基板及び外部回路
基板よりも低誘電率の材質から形成される領域１１を設
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高周波用配線基板の
実装構造に関するもので、特に、マイクロ波帯からミリ
波帯領域の高周波用の半導体素子を収納あるいは搭載し
た高周波用配線基板を、高周波信号の伝送損失を低減し
て外部回路基板に接続するための実装構造に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ波やミリ波の信号を取り
扱う配線基板には高周波用半導体パッケージ等がある
が、例えば誘電体からなる誘電体基板、枠体および蓋体
により形成された空所（キャビティ）に半導体素子を収
納して気密に封止された構造が提案されている。

【０００３】かかる構造からなる高周波用半導体パッケ
ージ内の半導体素子に対する高周波信号の入出力及び、
パッケージの外部回路基板への実装は、誘電体基板表面
に形成され、高周波用の半導体素子と電気的に接続され
たストリップ線路等の信号伝送線路を枠体を通して空所
の内側から外側に引き出し、これを更に誘電体基板の側
面を経由して裏面に引き回して接続用高周波端子と接続
され、その接続端子と外部回路基板の配線層とを半田等
の接着剤を介して接続していた。

【０００４】またその他に、高周波用半導体パッケージ
の誘電体基板の裏面に接続用高周波端子を形成し、この
高周波端子と半導体素子とを誘電体基板内を貫通して形
成されたスルーホール導体を介して接続した高周波用半
導体パッケージが提案されている。この高周波用半導体
パッケージも前記と同様、高周波端子と外部回路基板の
配線層を半田等の接着剤を介して接続していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
高周波用半導体パッケージをミリ波帯で用いた場合、ス
トリップ線路等の信号伝送線路を枠体を通して空所の内
側から外側に引き出した際、枠体通過部で信号線路がマ
イクロストリップ線路からストリップ線路へと変換され
るため、線路間でのインピーダンス整合をとる必要があ
り、信号線路幅を狭くする必要がある。その結果、この
通過部で反射損、放射損が発生しやすくなり高周波信号
の伝送特性の劣化が起こりやすくなるという問題があっ
た。また、信号伝送線路を誘電体基板の側面で曲折する
ことから、曲折部での反射が大きくなり伝送特性の劣化
が生じた。

【０００６】また、後者のパッケージにおいては、スル
ーホール導体を誘電体基板の裏面に導出して信号線路と
して用いると、信号伝送線路とスルーホールの接触部が
曲折するため、この曲折部分での反射損が大きくなり、
４０ＧＨｚ以上で急激な特性の劣化が生じるため、高周
波領域で使用することが困難であった。

【０００７】そこで本発明者等は、高周波用半導体パッ
ケージとして、電磁結合の機構を組み込み、低損失で信
号線路を伝送することができるパッケージを提案した。
（特開平０９−１８６２６８号）。しかしながら、この
高周波用配線基板を外部回路基板の配線層に実装する場
合、外部回路基板の誘電率が７以上になると伝送特性は
劣化し、高周波領域で使用することが困難となり、外部
回路基板の材種が限定されるものであった。

【０００８】従って、本発明は、高周波用配線基板を外
部回路基板に実装する際、外部回路基板への表面実装が
可能で、かつ高周波信号の伝送特性の劣化を低減し、あ
らゆる外部回路基板に実装できる構造を提供することを
目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、高周波用
配線基板において、高周波信号の特性を劣化させること
なく外部回路基板に表面実装が可能となり、かつ高周波
用配線基板を実装した際の実装強度を充分に確保できる
構成について検討を重ねた結果、半導体素子搭載面側
と、誘電体基板の裏面にそれぞれ信号伝送線路を形成
し、それらを結合してなる高周波用配線基板を、外部回
路基板の配線層に実装する際に、高周波用配線基板の結
合部の直下の外部回路基板表面に、低誘電率の材料を設
けることにより、あらゆる外部回路基板に対しても、配
線基板における信号伝送線路間の良好な結合性を維持で
きることを見いだしたものである。

【００１０】即ち、本発明の高周波用配線基板の実装構
造は、誘電体基板の表面に搭載された高周波用半導体素
子と、該誘電体基板の表面に被着形成され前記誘電体基
板の表面に半導体素子と電気的に接続された第１の信号
伝送線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された第２の
信号伝送線路と、前記第１の信号伝送線路と第２の信号
伝送線路とを結合させてなる高周波用配線基板を、前記
第２の信号伝送線路の終端部に形成された接続部を介し
て外部回路基板における絶縁基板表面に形成された配線
層に実装してなる実装構造であって、前記高周波用配線
基板における前記第１の信号伝送線路と前記第２の信号
伝送線路との結合部直下の前記外部回路基板表面を、前
記高周波用配線基板の前記誘電体基板及び前記外部回路
基板における前記絶縁基板よりも低誘電率の材料によっ
て形成したことを特徴とするものである。

【００１１】なお、前記第１の信号伝送線路と前記第２
の信号伝送線路との結合は、前記誘電体基板の内部に設
けたグランド層のスロット孔を介して電磁気的に結合さ
れたもの、あるいは前記誘電体基板を貫通するように形
成されたスルーホール導体によって結合されてなるもの
のいずれであってもよい。

【００１２】本発明の実装構造によれば、高周波用配線
基板の誘電体基板の表面に被着形成され前記半導体素子
と電気的に接続された第１の信号伝送線路と、前記誘電
体基板の裏面に形成された第２の信号伝送線路とが電磁
気的にあるいはスルーホール導体によって結合された結
合部の直下の外部回路基板表面に誘電体基板や外部回路
基板よりも低誘電率の材質からなる領域を設けることに
より、電磁結合部やマイクロストリップ線路部の実効誘
電率、特性インピーダンス、接続用スルーホール導体周
辺の寄生インダクタンスが急激に変化することがないた
め、伝送特性の劣化が少なく良好に高周波信号を伝送す
ることができる。

【００１３】特に、本発明によれば、前記第１の信号伝
送線路と、前記第２の信号伝送線路とを、前記誘電体基
板を介して対峙する位置に形成して電磁気的に結合させ
る構造によれば、高周波用半導体パッケージ構造等にお
いて伝送線路が蓋体の側壁を通過することなく結合でき
るために、側壁通過部における信号の反射損、放射損の
発生がないため、高周波信号を伝送損失を抑制しかつ必
要な周波数の信号を伝送することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の高周波用配線基板の典型
的応用例として、高周波用半導体パッケージの第１の実
施態様に基づく実装構造の断面図を図１に示す。図１に
よれば、高周波用半導体パッケージ１は、誘電体材料か
らなる誘電体基板２と蓋体３によりキャビティ４が形成
されており、そのキャビティ４内には、ＩＣ等の高周波
用半導体素子５が搭載されている。

【００１５】また、誘電体基板２内部には導体層からな
るグランド層６がほぼ全面にわたり形成され、また、キ
ャビティ４内の誘電体基板２表面には、その一旦が半導
体素子５と接続された第１の信号伝送線路７が形成され
ている。また、高周波用半導体パッケージ１の裏面に
も、第２の信号伝送線路８が形成されている。

【００１６】そして、グランド層６内には、導体層が形
成されないスロット孔９が形成されており、第１の信号
伝送線路７と第２の信号伝送線路８とは、このスロット
孔９を介して、各線路の端部が対峙する位置に形成する
ことにより電磁結合され、損失の少ない信号の伝達が行
われる。

【００１７】なお、蓋体３は、キャビティ４からの電磁
波が外部に漏洩するのを防止できる材料から構成され、
金属、セラミックス、セラミックス金属複合材料、ガラ
スセラミックス、ガラス有機樹脂系複合材料等により形
成される。

【００１８】一方、外部回路基板１０の表面には、コプ
レーナ線路またはグランド付きコプレーナ線路からなる
配線層１２が形成されている。また、パッケージ１にお
ける第１の信号伝送線路と第２の信号伝送線路間の信号
伝送特性に対して悪影響を及ぼさないためには、外部回
路基板はできるだけ低誘電率の材料から構成されること
が望ましいが、外部回路基板としては、高誘電率材料か
ら構成される場合もある。

【００１９】このような場合、本発明によれば、高周波
用半導体パッケージ１に形成された少なくともスロット
孔９の直下に位置する外部回路基板１０の表面領域をパ
ッケージ１の誘電体基板２及び外部回路基板１０よりも
低誘電率の材料によって形成する。

【００２０】具体的には、外部回路基板１０におけるス
ロット孔９の直下領域に凹部を形成し、その凹部内に誘
電体基板２および外部回路基板１０よりも低誘電率の低
誘電率材料１１が埋め込まれている。この低誘電率材料
１１は、誘電率が３以下、特に２．７以下の低誘電損失
の材料であることが望ましい。このような低誘電率材料
としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等
のフッ素系樹脂やＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）樹
脂等の樹脂系材料、特にフッ素系樹脂が好適に使用され
る。その他、石英等の低誘電率材料粉末を充填すること
もでき、また適宜低誘電率材料が充填された凹部の開口
部を低誘電率材料からなる蓋材で多うこともできる。

【００２１】さらに、高周波用半導体パッケージ１は外
部回路基板１０上に実装されており、高周波用半導体パ
ッケージ１の裏面に形成した第２の信号伝送線路８と外
部回路基板１０上に形成した配線層１２は半田、金など
のバンプ１３を介して互いに接続されている。

【００２２】図２は、図１の高周波用半導体パッケージ
１のキャビティ４内の配線を説明するための図であり、
キャビティ４内には半導体素子５と第１の信号伝送線路
７を形成するマイクロストリップ線路の他に、半導体素
子５に電力を供給するための電源層１４ａが形成されて
おり、電源層１４ａの一端は、半導体素子５とリボンや
ワイヤ、ＴＡＢ等によってそれぞれ電気的に接続されて
おり、他端は、スルーホール導体１４ｂを経由して誘電
体基板２の裏面の配線層１４ｃと電気的に接続されてい
る。

【００２３】マイクロストリップ線路からなる第１の信
号伝送線路７と半導体素子５とは、半導体素子５を第１
の信号伝送線路７上に直接搭載することにより、小さな
伝送損失で接続することができるが、前記第１の信号伝
送線路７と半導体素子５の接続方法はこれに限定される
ものではなく、例えば、金リボンや複数のワイヤボンデ
ィングで接続したり、ポリイミド等の基板にＣｕ等の導
体を形成した導体板等により接続することもできる。

【００２４】第１の高周波伝送線路の他端は、高周波用
半導体パッケージ１の誘電体基板２内部に形成されたグ
ランド層６に設けたスロット孔９を介して第２の信号伝
送線路８と電磁結合されている。具体的には、第１の信
号伝送線路７と第２の信号伝送線路８とは、グランド層
６に形成されたスロット孔９を介して、それぞれの線路
の端部がスロット孔９の中心から平均的に伝送信号の波
長λの１／４相当の長さＬで突出する位置に形成される
ことが望ましい。

【００２５】また、スロット孔９の形状は、長辺と短辺
とから成る長方形や楕円形状の細長い孔であり、該形状
は使用周波数と周波数の帯域幅を特定することができ
る。そのため、スロット孔９の長辺は伝送信号の波長λ
の１／２相当の長さにするのが望ましく、スロット孔９
の短辺は伝送信号の波長λの１／５相当の長さから１／
５０相当の長さに設定するのが望ましい。

【００２６】図３は、図１の高周波用半導体パッケージ
１の裏面に形成した配線を説明するための図である。第
２の信号伝送線路８は第１の信号伝送線路７と同様に、
マイクロストリップ線路により形成されており、その終
端部（外部回路基板との接続部）においては、マイクロ
ストリップ線路の中心導体の両脇にグランド層１５をも
ったグランド付きコプレーナ線路に変換されている。
尚、このグランド層１５は誘電体基板２内部に形成され
たグランド層６とビアホール導体１６または誘電体基板
２の側面に形成したキャスタレーション（図示せず）に
よって接続されている。

【００２７】図４は、外部回路基板１０表面の配線層１
２を説明するための平面図であり、この配線層１２は、
中心導体１７とのその両側に設けられたグランド層１８
により構成されたコプレーナ線路により構成され、場合
によっては、外部回路基板１０内にグランド層を形成す
ることによりグランド付きコプレーナ線路により構成さ
れていてもよい。

【００２８】そして、図３に示したパッケージ裏面の第
２の信号伝送線路の終端部に形成されたグランド付きコ
プレーナ線路と、図４に示したコプレーナ線路またはグ
ランド付きコプレーナ線路とを半田バンプにより、配線
層１２における中心導体８，１７同士およびグランド層
１５、１８同士を接続することにより、パッケージ１を
外部回路基板１０に対して実装することができる。な
お、パッケージ１は図４の外部回路基板の点線内の領域
に実装される。また、電源用配線層１４ｃは、外部回路
基板１０の表面に形成された電源用配線層１２’と半田
等により電気的に接続される。

【００２９】図５は、本発明の高周波用配線基板の典型
的応用例として、高周波用半導体パッケージの第２の実
施態様に基づく実装構造の断面図を示す。図５の高周波
用半導体パッケージ１９は、図１と同様に、誘電体材料
からなる誘電体基板２と蓋体３によってキャビティ４が
形成されており、そのキャビティ４内には、ＩＣ等の半
導体素子５が搭載されている。誘電体基板２内には、グ
ランド層６がほぼ全面にわたり形成され、キャビティ４
内の誘電体基板２表面に第１の信号伝送線路７が形成さ
れ、誘電体基板２の裏面には、第２の信号伝送線路８が
形成されている。この第１の信号伝送線路７および第２
の信号伝送線路８は、いずれも誘電体基板２内部に設け
られたグランド層６とともにマイクロストリップ線路を
形成している。

【００３０】そして、第１の信号伝送線路７と第２の信
号伝送線路８とは、互いの終端部同士を誘電体基板２を
貫通するように設けられたスルーホール導体２０によっ
て結合されている。なお、誘電体基板２内にグランド層
６が形成されている場合、スルーホール導体２０は、グ
ランド層６と接触しないようにグランド層６に設けられ
た空孔２１を貫通する位置に設けられている。

【００３１】図６は、図５の高周波用半導体パッケージ
１９のキャビティ４内の誘電体基板２表面の配線を説明
するための図である。第１の信号伝送線路７は、誘電体
基板２に形成されたスルーホール導体２０を介して誘電
体基板２の裏面に形成された第２の信号伝送線路８と接
続されている。そして、スルーホール導体２０の周辺に
は、インピーダンス整合用スルーホール導体２２が形成
されている。このスルーホール導体２２は結合用のスル
ーホール導体２０の周囲に一本以上形成することが望ま
しい。

【００３２】図７は、図５の高周波用半導体パッケージ
１９の誘電体裏面の配線を説明するための図である。図
７によれば、第２の信号伝送線路８は、その終端部（外
部回路基板との接続部）において、図３と同様に、マイ
クロストリップ線路の中心導体の両脇にグランド層１５
をもったグランド付きコプレーナ線路に変換されてい
る。尚、このグランド層１５は誘電体基板２内部に形成
されたグランド層６とビアホール導体１６によって接続
されている。なお、グランド層１５とグランド層６との
接続は、ビアホール導体１６以外に、誘電体基板２の側
面に形成したキャスタレーションによっても接続するこ
とができる。

【００３３】一方、外部回路基板１０には、図１と同様
に、パッケージ１９に形成されたスルーホール導体２０
の直下に位置する領域において凹部が形成されており、
この凹部内には誘電体基板２及び外部回路基板１０より
も低誘電率の低誘電率材料１１が埋め込まれている。こ
の低誘電率材料１１は低誘電損失の材料であることが望
ましく、また樹脂系材料で構成されることが望ましい。

【００３４】また、本発明の高周波用配線基板における
典型的応用例として図１乃至図７に示した高周波用半導
体パッケージにおいては、いずれも半導体素子５は、誘
電体基板２と蓋体３によって形成されるキャビティ４内
に気密に封止されたものであるが、本発明におけるパッ
ケージの構造としては、これに限られることなく、例え
ば、図８に示すように、蓋体を用いる代わりに、誘電体
基板２の表面において半導体素子５をエポキシ樹脂等の
樹脂２２によって樹脂封止してもよい。

【００３５】なお、上記実施態様において、高周波用半
導体パッケージ１の誘電体基板２や外部回路基板１０
は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ガラスセラミックス、窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等
のセラミックスや、有機樹脂、あるいは有機樹脂と無機
質フィラーとの複合材料からなる有機質絶縁材料あるい
は石英等によって形成されるが、高周波信号の伝送損失
を小さくするためには、信号伝送線路の導体としてＡ
ｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の低抵抗導体を用いることが望まし
く、この点からは前記誘電体基板２は焼成温度が８００
〜１０００℃程度のガラスセラミックスが最適であり、
この組み合わせにより誘電体基板と第１および第２の信
号伝送線路７、８やグランド層６、１５との同時焼成も
可能となる。

【００３６】なお、誘電率８．９、誘電損失１．５×１
０^-3（測定周波数８．６ＧＨｚ）のアルミナセラミック
スからなる誘電体基板にタングステン、金を用いて図１
の実装構造の高周波用半導体パッケージを作製した。こ
の高周波用半導体パッケージを、本発明に基づき、誘電
率９．８（測定周波数８．６ＧＨｚ）のアルミナセラミ
ックスからなる誘電体基板のスロット孔９の直下を含む
領域に縦４ｃｍ、横４ｃｍ、深さ０．８ｍｍの凹部を形
成し、この凹部内に誘電率２．３のポリテトラフルオロ
エチレン（ＰＴＦＥ）樹脂を封入した外部回路基板上に
実装したのち、高周波パッケージ内から外部回路基板間
の伝送特性をネットワークアナライザーにより測定し
た。測定周波数２０ＧＨｚの時、Ｓ１１は−１３．５ｄ
Ｂ、Ｓ２１は−１．３ｄＢであった。

【００３７】これに対し、外部回路基板１０がすべて誘
電率９．８（測定周波数８．６ＧＨｚ）のアルミナセラ
ミックスからなる誘電体基板で形成された場合、前記パ
ッケージを同様に実装したのち、高周波パッケージ内か
ら外部回路基板間の伝送特性をネットワークアナライザ
ーにより同様に測定したところ、測定周波数２０ＧＨｚ
でのＳ１１は−３．５ｄＢ、Ｓ２１は−４．８ｄＢであ
り、伝送特性が劣化することがわかった。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明は半導体素子
搭載面側と誘電体基板の裏面に信号伝送線路を形成し、
それらを結合した高周波用配線基板を、外部回路基板の
配線層に実装する構造において、高周波用配線基板の前
記結合領域に隣接する外部回路基板表面に誘電体基板及
び外部回路基板よりも低誘電率の材質から形成される領
域を設けたことにより、あらゆる外部回路基板に対して
実装時における伝送損失を低減できることできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高周波用半導体パッケージを外部回路基板に表
面実装した本発明の実装構造の第１の実施態様を説明す
るための概略断面図である。

【図２】図１における高周波用半導体パッケージのキャ
ビティ内の配線を説明するための図である。

【図３】図１における高周波用半導体パッケージの裏面
に形成した配線を説明するための図である。

【図４】図１における外部回路基板表面の配線を説明す
るための図である。

【図５】高周波用半導体パッケージを外部回路基板に表
面実装した本発明の実装構造の第２の実施態様を説明す
るための概略断面図である。

【図６】図５における高周波用半導体パッケージのキャ
ビティ内の配線を説明するための図である。

【図７】図５における高周波用半導体パッケージの裏面
に形成した配線を説明するための図である。

【図８】高周波用半導体パッケージを外部回路基板に表
面実装した本発明の実装構造の第３の実施態様を説明す
るための概略断面図である。

【符号の説明】

１，１９，２１高周波用半導体パッケージ２誘電体基板３蓋体４キャビティ５半導体素子６グランド層７第１の信号伝送線路８第２の信号伝送線路９スロット孔１０外部回路基板１１低誘電率材料１２配線層１２’ 電源用配線層１３バンプ１４ａ電源層１４ｂ，スルーホール導体１４ｃ電源用配線層１５グランド層１６ビアホール導体１７中心導体１８グランド層２０スルーホール導体２１空孔２２インピーダンス整合用スルーホール導体２３樹脂

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体基板と、誘電体基板の表面に搭載さ
れた高周波用半導体素子と、該誘電体基板の表面に被着
形成され前記誘電体基板の表面に半導体素子と電気的に
接続された第１の信号伝送線路と、前記誘電体基板の裏
面に形成された第２の信号伝送線路と、前記第１の信号
伝送線路と第２の信号伝送線路とを結合させてなる高周
波用配線基板を、前記第２の信号伝送線路の終端部に形
成された接続部を介して外部回路基板における絶縁基板
表面に形成された配線層に実装してなる実装構造であっ
て、前記高周波用配線基板における前記第１の信号伝送線路
と前記第２の信号伝送線路との結合部直下の前記外部回
路基板表面を、前記高周波用配線基板の前記誘電体基板
及び前記外部回路基板における前記絶縁基板よりも低誘
電率の材料によって形成したことを特徴とする高周波用
配線基板の実装構造。
【請求項２】前記第１の信号伝送線路と前記第２の信号
伝送線路とが、前記誘電体基板の内部に設けたグランド
層のスロット孔を介して電磁気的に結合されてなる請求
項１記載の高周波用配線基板の実装構造。
【請求項３】前記第１の信号伝送線路と前記第２の信号
伝送線路とが、前記誘電体基板を貫通するように形成さ
れたスルーホール導体によって結合されてなる請求項１
記載の高周波用配線基板の実装構造。