JP2000068719A - ミリメ―トル波セラミック金属フィ―ドスル― - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】導電性および耐久性を高め、電子的効率の向上
を図る。 【解決手段】硬質で非浸透性のセラミックス円盤３の中
央に支持され、これに気密封止され、その中央を軸方向
に貫通する金属ピン（直線状導体）５によって、ＲＦフ
ィードスルーを形成する。セラミックス円盤３は、直接
的または間接的に、金属バリア１１に気密封止され、フ
ィードスルーはこれを貫通してＲＦエネルギを伝搬す
る。新たなフェルールおよびフェルールのないセラミッ
ク金属ＲＦフィードスルーは、従来からの既存のフィー
ドスルーにあるガラスの使用を回避し、耐久性を高めた
フィードスルー構造を備える。これは、特性上広帯域で
あり、挿入損失低下をもたらす。このようなフィードス
ルーは、マイクロ波のマイクロストリップ・ラインから
導波路への遷移における主要素子として適用することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＲＦフィードスル
ー（ＲＦ ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）、即ち、ＲＦエネ
ルギをバリアを通過させる短い硬質のＲＦ伝送線に関
し、より詳細には、ミリメートル波ＲＦ電子デバイスの
パッケージ・ハウジングからの低パワー・ミリメートル
波ＲＦエネルギ伝搬における損失の減少を図ったＲＦフ
ィードスルーに関するものである。また、本発明は、マ
イクロ波ストリップライン−導波路中継器（ｍｉｃｒｏ
ｗａｖｅ ｓｔｒｉｐ ｌｉｎｅ ｔｏ ｗａｖｅｇｕ
ｉｄｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ）にも関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路のような固体電子デバイスは、
多くの場合、密閉した金属壁容器即ちパッケージに収容
されている。パッケージは、通常、気密封止され、放射
線、腐食性ガスまたは密閉された電子デバイスに有害な
その他の物質を含むこともある外部環境から電子デバイ
スを保護する。ＲＦフィードスルーは、パッケージの金
属壁を貫通してパッケージ内部とパッケージ外部との間
でＲＦ信号を搬送し、外部デバイスに接続するために用
いられる。本質的に、フィードスルーは、非常に短いＲ
Ｆ伝送線であり、金属壁のようなＲＦバリアを貫通して
ＲＦエネルギを伝搬する従来からの手段である。通常、
フィードスルーは、ガラスおよび金属で構成されてい
る。ガラスは、ガラス・ビーズと呼ばれ、パッケージ壁
内の孔に配されており、絶縁支持部として機能すると共
に、直線状の金属ピン、即ち伝送線導体を金属パッケー
ジ壁と絶縁関係に維持する誘電体として機能し、更に外
部環境に対して不浸透のバリアとしても機能する。場合
によっては、単一のガラス・ビーズが多数のピンを支持
する場合もある。

【０００３】５０年以上にわたって、種々のサイズ、形
状およびピン配置のガラス−金属フィードスルーが当業
界では知られている。このようなフィードスルーは、パ
ッケージの金属壁内に直接形成され、壁は、ニッケル、
コバルトおよびコバール（Ｋｏｖａｒ）のような鉄材料
で構成されている。また、これらは、後にパッケージの
壁に組み込むために、コバールの管状フェルール内に構
成される。コバール・フェルールは、パッケージの金属
壁の円筒状の開口に挿入し、適所にはんだ付けして、比
較的浸透のない封止構造を形成する。Ｈ₂Ｏ蒸気や二酸
化炭素のような環境気体、化学的煙霧、および工業用蒸
気による影響に対して強い抵抗力を有するガラスは周知
である。このような種類のガラスの１つに、コバールの
熱膨張特性に非常に近い熱膨張特性を有するコバール整
合ガラスであるＣｏｒｎｉｎｇ７０５２（コーニング７
０５２）のような硼珪酸ガラス、タングステン整合ガラ
スであるＣｏｒｎｉｎｇ７０７０（コーニング７０７
０）がある。これらは双方共、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｃｏｍ
ｐａｎｙ（コーニング社）によって販売されている。ま
た、Ｋｉｍｂｌｅ Ｃｏｍｐａｎｙ（キンブル社）によ
って販売されているＫｉｍｂｌｅ ＥＮ−１も、前述の
ガラスの１種である。

【０００４】フィードスルーの構造において、通常コバ
ール材で形成されたピンである中央金属ピンと、外側の
フェルールとの間に硼珪酸ガラスをリフローする。リフ
ロー処理において、溶融したガラスが、ピンの長さの部
分にわたってその周囲にガラス・メニスカスを形成す
る。硬化すると、ガラスは強力な環境封止構造を形成す
る。これは、水分、酸化、および集積回路に悪影響を及
ぼすその他の有害な化学物質に対する抵抗力がある。フ
ィードスルーの保全性の尺度は、当該フィードスルーを
気密漏洩検査にかけることによって得ることができる。
この検査では、封止した金属パッケージ、またはフィー
ドスルーが取り付けられたその他のエンクロージャ内に
ヘリウム・ガスを入れ、ヘリウム質量分光計型漏洩検出
器を用いて、ガラス内の欠陥によってヘリウム原子ガス
がガラスを貫通して金属封止構造に到達する速度を検出
する。業界標準によれば、どれくらい多くのフィードス
ルーをパッケージが含むかには関わらず、１ｘ１０^-8Ａ
ＴＭ−ｃｃ／ｓｅｃＨｅ未満のヘリウム漏洩速度を有す
るパッケージが、許容可能とされている。優れた封止構
造は、個々が１．０ｘ１０^-10ＡＴＭ−ｃｃ／ｓｅｃ未
満の漏洩速度を有する必要がある。

【０００５】硼珪酸ガラス−金属フィードスルーの性能
は、当業界においては実証済みである。今日、これらの
フィードスルーを用いて機械的に製造されている微小電
子パッケージのヘリウム漏洩速度は、わずか１ｘ１０
^-10原子立方メートル／秒に過ぎない。その有効性にも
拘らず、ガラス−金属封止構造には欠点がある。すなわ
ち、これらは耐久性がない。ガラスは脆弱である。フィ
ードスルーのガラス包囲金属ピン（ｇｌａｓｓ ｅｎｃ
ａｓｅｄ ｍｅｔａｌ ｐｉｎ）は、取り扱いまたは検
査の間に撓んだり、屈曲したり、変形したりすると、ガ
ラス粒子は、ピン周囲のガラス・メニスカスにおいて破
損する。この破損によって、フィードスルーの保全性が
損なわれる。場合によっては、半径方向のクラックまた
は円周方向のクラックがガラスに現れることもある。こ
れらのクラックは、ガラスとピンとの間の熱膨張特性の
相違、またはある形態の疲労、あるいは未だに未知のそ
の他の原因によるものと考えられる。

【０００６】しかしながら、例え小さなクラックでも、
一旦生じたならば、パッケージを内蔵した電子装置の通
常の使用の間に生ずる繰り返し熱サイクルによって、こ
のクラックが伝搬する可能性がある。一旦クラックの伝
搬が生じたならば、取り扱い、出荷、船舶または航空機
の振動の結果発生するパッケージの機械的運動または機
械的応力が、クラックを更に悪化させ、フィードスルー
は著しく漏洩し始める。すると、大気中の気体がパケー
ジに侵入し、内部集積回路に損傷を与える可能性があ
る。ガラス内の初期クラックはガラス封止構造に達しな
くても、クラックは金属ピンの大部分を露出させてしま
うことがある。これが発生すると、その後の化学的な悪
影響によって、ピンの残りの部分を腐食させ、最後には
封止構造を突破し、パッケージの保全性を破壊すること
になる。これらＲＦフィードスルーを内蔵するデバイス
製造における当業者は、ガラスの脆弱性を知っているの
で、必然的に取り扱いにおいて細心の注意を払い、製品
の保全性を確保しようとしている。ガラス封止構造にか
かる用心深い取り扱いが不要であれば、組み立てプロセ
スの動的特性および費用効率の向上が可能であり、こう
した向上が望まれている。

【０００７】ガラス封止構造は、その脆弱性に加えて、
特に中央ピンにコバール材を使用すると、電気的特性に
おいて許容可能な「損失」以上に、損失が多くなる。コ
バールは導電体としては性能が悪く、ピンの外表面の露
出部分に、ニッケルの層のような、より導電性が高い金
属をめっきし、その後金の被膜をめっきすることによっ
て、かろうじてガラス・フィードスルーに用いることが
できる。しかしながら、気密ガラス−金属封止構造を形
成するためには、ガラスと接触すべき部分においてコバ
ールを酸化させ、硼珪酸ガラスによる濡れを可能にしな
ければならない。この酸化物の表面は、ガラス・フィー
ドスルーの導電性を更に低下させ、フィードスルーのガ
ラス・ビーズ部分を通過する電流を著しく低下させるこ
とになる。

【０００８】ピンの導電性は、「スキン効果」現象に左
右される。これは、伝送線に関する文献に記載されてお
り、ＲＦの技術者には周知である。この効果により、電
流の殆どが導電体の外面に沿って流れ、電界は表面下僅
かな深さにしか達しないことになる。この現象のため
に、高い導電性を有する金を、コバールのような別の導
体上にめっきすると、優れた導電路として機能すること
ができる。２０ＧＨｚ以上のＲＦ周波数では、スキン効
果は一層顕著になり、ＲＦ電界を表面に集中させ、導体
内部の深さは非常に小さくなる。コバールのピンには金
の層がめっきされているので、主にこの金メッキ内およ
びこれに沿って、ＲＦ伝送が集中して行われ、抵抗が高
い下地のコバールにおけるＲＦ伝送量はさほど多くな
い。このため、ＲＦ信号が大きな抵抗性損失を受けるこ
となく、コバール材をＲＦ伝送媒体の一部として使用す
ることが許容される。しかしながら、ガラス−金属封止
構造では、金めっきを施してピンの導電率を高めること
ができるのは、ガラス・ビーズ外側にあるコバール・ピ
ンの部分のみである。先に述べた理由のため、ガラス・
ビーズを貫通するコバール・ピンの中央部分には金めっ
きすることができず、したがって伝送路の導電率が低下
する。このように、ガラス−金属フィードスルーは、電
子的効率が低いという欠点がある。

【０００９】しがたって、本発明の主要な目的は、ＲＦ
フィードスルーの導電性を高めることによって、ＲＦフ
ィードスルーの電子的効率の向上を図ることである。本
発明の別の目的は、フィードスルー構造からガラスを排
除することにより、ガラス−金属型フィードスルーより
も物理的に硬くしかも耐久性のあるＲＦフィードスルー
を提供することである。本発明の更に別の目的は、コバ
ールよりも導電率が高い金属を用いることが可能な新規
のフィードスルー構造を提供することである。本発明の
他の目的は、ＲＦフィードスルーの効率を高め、これに
よって電子機器にＲＦフィードスルーを実装可能とする
ことである。本発明の更に他の目的は、ヘリウム漏洩率
が１ｘ１０^-10気圧ｃｍ³／秒未満であり、ガラス−金属
型フィードスルーよりも耐久性が勝る、無ガラスＲＦフ
ィードスルーを提供することである。更に、本発明の補
足的な目的は、中央ピンを必要に応じて屈曲したり延ば
したりすることができ、しかもフィードスルーの気密封
止構造には損傷を与えない、新たなフィードスルー構造
を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前述の目的にしたがっ
て、金属およびセラミックでＲＦフィードスルーを構成
し、ガラスを完全に排除することにより、その改善を図
る。セラミック−金属フィードスルーは、金属ピン、こ
のピンに鍔を形成しこれと一体化された金属フランジ
面、およびアルミナ・セラミックのような、強固な非ガ
ラス誘電体材料から成るワッシャ形状の円盤（ディス
ク）を備え、該円盤の中央開口は、ピンは貫通させる
が、フランジ面は貫通させないことを特徴とする。本発
明にしたがって構成された一実施形態では、セラミック
円盤は、フランジ面にはんだ付けするためのメタライズ
内側リムをその一方の面上に備え、更に金属フェルール
の別の金属フランジ面または金属パッケージの壁内に形
成された円筒状キャビティにはんだ付けするためのメタ
ライズ外側リムを逆側の面に備えている。

【００１１】金属ピンは、コバール材の導電率よりも高
い導電率を有する高導電性金属であればいずれでも採用
可能である。別の実施形態では、銀、銅、モリブデン、
真鍮を用いることができ、更に高価にはなるが、金をフ
ィードスルーの中央導体に用いることもできる。はんだ
または鑞付け封止構造は、ガラス−金属封止構造におけ
るコバールには必要であった、中央の非めっき領域を残
すことなく、導電性が高い金属を連続的にめっきするこ
とによって行うことができる。ある実施形態では、金の
ような導電性が高い材料をめっきしたコバール・ピンを
用いてもよい。前述のフィードスルーを用いると、広帯
域にわたる効率的なミリメートル波信号のフィードスル
ー伝送が達成され、ガラス−金属フィードスルーによっ
て得られるものよりも挿入損失が少なく、反射減衰量が
高く、セラミック−金属構造のフィードスルーによって
耐久性の向上がもたらされる。

【００１２】本発明の第２の態様によれば、前述のフィ
ードスルー構造は、新規なマイクロ波マイクロストリッ
プ・ライン−導波路中継器の主要素子として機能する。
この中継器では、フィードスルーの中央ピンの端部に、
マイクロ波ランチャ素子を一体的に取り付けるか、また
は形成し、単体のワンピース・アセンブリを形成する。
この新たな中継器により、導波路を直接ランチャ素子上
に取り付けることが可能となり、一層コンパクトなアセ
ンブリが得られる。本発明の前述のおよびその他の目的
ならびに利点は、本明細書の以下に続く好適な実施形態
の詳細な説明を読み、添付図面に提示するその図と共に
検討することによって、当業者には一層明白となろう。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明にしたがって構成したＲＦ
フィードスルーの一実施形態を、図１に断面図として示
す。尚、この断面図は同一の拡縮率ではない。以下、こ
の図１を参照する。なお、元来無線周波数にのみ用いら
れる略語であるＲＦという用語は、ここでは、ＲＦフィ
ードスルーという用語の一部として用い、ここでは、無
線だけでなくレーダにも同様に用いられる電磁エネルギ
の周波数全てを包含することを意図するものとすること
を注記しておく。この用語は、エネルギ・スペクトルに
おいて見られる、低、高および超高周波数だけでなく、
マイクロ波およびミリメートル波周波数も同様に含むも
のとする。本出願人が本発明のフィードスルーについて
想定している実際の用途では、用いられるＲＦは５０ギ
ガヘルツ、即ち、エネルギ・スペクトルのミリメートル
波領域に該当する周波数である。

【００１４】図１のフィードスルーは、金属フェルール
１、セラミック製の円盤３，および金属ピン５を含み、
図示のように、鑞付けおよび／またははんだ付けによっ
て適切に一体的に組み立てられている。フェルール１
は、中空で幾何学的にその形状は円筒形であり、所定の
厚さで半径方向に内側に向かって突出する環状レッジ
（ｌｅｄｇｅ）１１を含む。レッジ１１は、フェルール
の円筒状内壁から、フェルールの軸に対して直角に突出
する。レッジ１１の円形リムは、フェルールを通過する
軸方向通路をいくらか狭めるものの、フェルールの中心
軸を中心に配された比較的広い円筒状経路を確保する。
フェルールは、コバールで形成することが適切である。

【００１５】ピン５は、銅、モリブデン、銀または真鍮
のような導電性金属で形成し、抵抗性損失が少ないＲＦ
信号の伝搬を行う。ピンは、金をめっきしたコバールで
形成してもよい。ピン５は、一体化した環状フランジ部
１３を含む。フランジ部１３は、ピンの長さの大部分を
構成する、小径の円筒表面から短い距離だけ半径方向に
外側に延出するピンの長さに沿って、ほぼ中央に位置す
る。フランジ部１３は、細い方の軸を取り囲む鍔として
機能し、更に接合面として機能する。これについては以
下で更に具体的に説明する。この実施形態では、導電ピ
ン５の長さは、フェルール１の軸方向長さよりも大き
く、ピン５の端部はフェルールの端部を超えて延出す
る。これによって、フィードスルーを実際に使用する際
に、外部の電気同軸ＲＦコネクタが、ピンの前端および
後端に到達しやすくなる。

【００１６】円盤３は、その幾何学的形状がワッシャ状
であり、所定の厚さを有し、その中央を貫通する狭い円
筒状通路を含む。この通路内をピン５が貫通する。小さ
い円筒形通路は、ピン５の細い円筒部を通過させるのに
十分な半径を有するが、ピン１３のフランジが通過する
には小さすぎる。後者は、必然的に円盤に接することに
なる。円盤はフェルールの金属壁と同軸に、アセンブリ
内の中央位置にピンを支持し、ピンをこれらの金属壁か
ら電気的に絶縁する。円盤３は、酸化ベリリウム、クオ
ーツ材料、二酸化シリコン、菫青石、および好ましくは
アルミナのように、硬質であり気体不浸透性でしかも強
力な低損失誘電体材料で構成する。また、選択する材料
としては、前述の金属元素の内、熱膨張特性がよく理解
されており、技術が許す限り熱膨張特性ができるだけ近
いものを選択する。素子間の熱膨張特性の僅かな相違の
ために発生する力があっても、誘電体円盤の強度を含
む、これら素子を形成する材料の強度によって吸収す
る。

【００１７】素子を円盤３と共に鑞付けまたははんだ付
けして図示の一体アセンブリを形成する際に、その補助
として、円盤３の上面上の外周に沿ってメタライズ材料
の狭いリング７を配置し接合する。更に、セラミック円
盤を貫通する中央の円形経路を取り巻くように、当該円
盤の底面に沿って、メタライズ材料の第２の狭いリング
９を配置し接合する。これらのメタライズ・リングを形
成するには、円盤をフェルールに組み込む前に、円盤３
上で従来の技法を用いて実行する。はんだまたは鑞付け
金属プリフォーム８，１０を予備形成し、円盤および本
体のメタライズ表面間に配する。それぞれの共晶温度ま
で温度を上昇させることにより、素子同士を接合する。
円盤３の中央通路の円筒壁上に配するはんだ材料または
鑞付け材料を用いることによって、ピン５も円盤に接合
可能であることに、当業者は気が付くであろう。しかし
ながら、この構造は信頼性が低く、製造が難しくなって
不都合が生じるが、実施可能な実施例である。

【００１８】ＲＦフィードスルーの素子が形成する一体
アセンブリは、気体不浸透性であり、その前側と後ろ側
に気密バリアを備えている。前述のフィードスルー構造
は、ピン５を通じてＤＣ電気接続を与えるので、従来の
フィードスルーの特徴である、ＲＦ信号を通過させるこ
とに加えて、ＤＣ電流を通過させるためにも使用可能で
ある。動作において、ピン５の一端に印加されたＲＦエ
ネルギは、ピンの他端および電気ＲＦコネクタに伝搬す
る。実際には、電気ＲＦコネクタは、ピンの端部に接続
されており、最大のパワー転送状態でＲＦ信号が通過
し、外部回路に分配可能なことが理想的である。

【００１９】マイクロ波およびＲＦ伝送線、特に同軸伝
送線の当業者には、前述の機械的アセンブリが、所定の
電気的ＲＦ特性を有する短い同軸線を規定することが明
らかであろう。これらの特性は、更に、図２に概略的に
示すように、２つのインダクタンスおよび１つの容量で
形成された、単純な単一セクション・ロー・パス・フィ
ルタとして概略的に表すことができる。概略的に、フィ
ードスルーは、「Ｔ」型ロー・パス・フィルタの形態で
表されており、ここで、フェルールと同軸に配列された
壁と、円盤の一方側へのピンの表面との自己インダクタ
ンスがＬ１で表され、円盤の他方側における自己インダ
クタンスがＬ２で表されている。また、円盤が与える容
量はＣ１で表されている。金属素子間の空気誘電体が与
える容量は円盤の容量よりもかなり小さいので、この回
路図では無視する。円盤等のインダクタンスもさほど意
味がないので、無視する。

【００２０】フィードスルーは、ある周波数範囲全域に
わたって、その端子間にＲＦエネルギを伝搬するもので
あるので、フィードスルーの構造は特性上「広帯域」で
なければならない。言い換えると、広帯域の周波数にわ
たって、できるだけ低い電圧定在波比ＶＳＷＲ（ｖｏｌ
ｔａｇｅ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ ｒａｔｉｏ）
を有する必要がある。これが意味するのは、寄生インダ
クタンスＬ１、Ｌ２および寄生容量Ｃを最少に抑えつ
つ、それらの効果が互いに打ち消しあうように調整する
ということである。

【００２１】前述のフィードスルーにおいて、アルミナ
は硬質かつ強力で、しかも気体不浸透性であるが、誘電
係数∈_rが大きく、接地電位に対して過剰の容量が生じ
てしまう。この余分な容量を補償するために、伝送回路
は、十分なインダクタンスを含まなければならない。一
般的に言えば、このインダクタンスは、ピンの長さを長
くすることによって、大きくすることができる。また、
インダクタスを大きくするには、ピンの一部の直径を変
更して円周を短くすると共に、フェルールの金属円筒状
内壁から遠ざけるようにしてもよい。同様に、このイン
ダクタンスを大きくするには、フェルールの内径を大き
くして、その壁をピンの表面から遠ざけるようにしても
よい。技術文献において得られる数式は、伝送線素子間
の適正な寸法および間隔を設定するための一般的な指標
を提供するが、この指標から、一層精度の高い結果を得
るために、検査やシミュレーションを行うことが望まし
い。

【００２２】伝送線間のＲＦパワー転送が最大とする
と、例えば５０ＧＨｚのような主要周波数において、接
続する伝送線または導波路が同じ特性インピーダンスＺ
₀を有する場合、最も低い電圧定在波比ＶＳＷＲが得ら
れる。したがって、ロー・パス・フィルタは、その入力
において、伝送線と同じ特性インピーダンスを有するこ
とになる。使用時には、伝送線は、それ、即ち、ピン５
の入力端に接続される。同様に、形成されたロー・パス
・フィルタの出力インピーダンスは、伝送線と一致しな
ければならない。使用時には、伝送線は、ピン５の出力
端に接続される。一例として、ＲＦフィードスルーの実
際の実施形態と共に用いることを想定した外部伝送線
は、通常では、約５０オームの特性インピーダンスを有
し、したがって、ＲＦフィードスルーの入力および出力
は、同じインピーダンス値を有するように設計する。

【００２３】セラミック円盤３およびフランジ１１、１
３の寄生インピーダンスの影響は、適切な幾何学的形状
によって最小化し、その結果、最も広い帯域において最
小のＶＳＷＲを得ることができる。更に、入力および／
または出力においてセラミック・フィードスルー領域に
隣接するハウジングを加工し、低インピーダンス領域ま
たは高インピーダンス領域を延長することによって、よ
り狭い帯域に対して、ＶＳＷＲを更に小さくすることも
可能である。前述のフィードスルーの対象となる用途で
は、フィードスルーを備えるべき金属パッケージには予
め穿孔し、フェルールの外面のサイズおよび形状に一致
する適切な円筒孔、即ち、通路を形成しておく。次に、
この経路にフェルールを挿入し、適所にはんだ付けまた
は鑞付けすることにより、フェルールと壁との間に気密
封止構造を形成する。

【００２４】５０ＧＨｚにおける動作を対象とした図１
の実際の実施形態では、ピン３１のシャフトの直径は、
０．００９インチであり、ピンの全長は０．１５５イン
チである。フランジ即ち鍔１３は、その直径が０．０３
０インチであり、その厚さは０．０１０インチである。
また、フェルール内の狭い円筒状経路は、直径が０．０
２１インチであり、一方広い方の経路部分の直径は０．
０４９インチである。アルミナ円盤は、その厚さが０．
０１０インチであり、その外径は僅かに０．１２０イン
チ未満である。円盤の中央開口は、０．００９インチの
ピンの直径部分のクリアランスを得るのに十分な程度で
ある。

【００２５】更に進んでドロップ・イン・フィードスル
ー（ｄｒｏｐ−ｉｎ ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）の利便
性を望む場合、本発明を直接パッケージ即ちハウジング
の壁に組み込むことも可能である。この代替形態は、図
３の部分断面図に示されており、以下この図を参照す
る。この実施形態では、内壁に形状を有する「フェルー
ル」１５は（図では、シミュレーションした外壁を破線
で表す）、本質的に、単体のワン・ピース・アセンブリ
（ｕｎｉｔａｒｙ ｏｎｅ−ｐｉｅｃｅ ａｓｓｅｍｂ
ｌｙ）として、パッケージの金属壁と一体的に形成す
る。あるいは、この実施形態は、「フェルールのない」
ＲＦフィードスルーと見なすことも可能である。図３か
ら明らかなように、この実施形態における素子は、前述
の実施形態における素子に対応する物を有する。これ
は、金属壁２５を含む。金属壁には、金めっきしたコバ
ール材が適しており、前述の実施形態におけるフェルー
ル１と同じ構造的特徴を備える。円盤１７は、アルミナ
のような、強力かつ硬質の誘電体材料で形成する。そし
て、金属ピン１９は、金めっきしたコバールで形成し、
図示の永続的関係で組み込まれ、ピン１９の部分が金属
壁１５の前方および後方に延出する。また、ピンは一体
化環状鍔２１も含む。

【００２６】前述の実施形態におけると同様、円盤（デ
ィスク）１７は、メタライゼーション・リング１８、２
０を含む。これらは、残りの素子よりも大きな尺度で図
示されており、それぞれ、上面の外縁および底面の円形
内縁を取り囲む。最終的な組み立てのために、予備形成
はんだリング２２、２４の一方を、内壁のメタライゼー
ションと環との間に配し、他方をめっきした円盤の下面
と鍔２１の上側環状部分との間に配する。尚、予備形成
はんだリング２２，２４も、大きな尺度で図示されてお
り、金／錫を８０／２０とした組成が適している。これ
らの素子全体に圧力を加え、アセンブリを加熱する。ハ
ンダの共晶温度まで温度を上昇させ、はんだをリフロー
させる。熱を除去すると、はんだは固化し、素子を互い
に電気的および機械的に堅固に接合する。有形開口の製
作を簡略化しつつ、フィードスルーに必要な適当なイン
ダクタンスおよびその他の望ましいＲＦ特性を維持する
ために、通路の内壁の形状を階段状とする。即ち、３つ
の丸薬状即ち円盤状の有形開口を、上から次々に形成
し、全体として経路を形成する。最初の段は、円盤１７
を据え付けるのに十分な幅を有し、環状の段を含む。こ
の環状の段に、円盤の上縁面を接合する。これら段階的
に大きくなる直径は、所与のピン１９および円盤１７と
組み合わせた場合に、最適なＲＦ同軸構造が得られるよ
うに設計する。

【００２７】本発明の別の実施形態では、図５の部分断
面図に示すように、２つのアルミナ製円盤３７、３９を
組み込む。このフィードスルーは、金めっきしたコバー
ル材で形成した円筒状フェルール３５、１対のワッシャ
形状の誘電体円盤３７、３９、および金めっきしたコバ
ールで形成した「転動ピン」形状即ち段付き円筒状金属
ピン４１を含む。誘電体円盤３７、３９を形成するに
は、アルミナが適している。このフェルールは、その前
端および後端の各々に、内部環状レッジを含み、アルミ
ナ円盤３７、３９の外周縁を支持する。円盤の構造は同
一である。各円盤は、中央に円筒状開口即ち通路を含
む。この通路は、ピン４１の小径の円筒状端部が各円盤
通路を貫通するには十分であるが、大径部分は貫通する
ことができない。また、各円盤は、その一方の表面上に
１対のメタライゼーション・リングを含む。一方のリン
グ３８は、円盤の外縁を取り囲み、他方のリング４０は
中央の通路を取り囲む。

【００２８】ピン４１は、各端部に環状に形成された段
を含み、これが、転動ピン形状の小径「ハンドル」部分
と、ピン４１の大径「転動ピン」部分との間の中継器を
形成する。組み立て時に、隣接するセラミック円盤上
で、隣接する内部メタライゼーション・リングにそれぞ
れの環をはんだ付けする。円盤の外側メタライゼーショ
ン・リングは、フェルール３５上のそれぞれのレッジに
はんだ付けする。はんだ付けによって、効果的にフィー
ドスルーを気密封止する。前述のフィードスルー構造に
代表されるＲＦ同軸伝送線は、図６に示す「π」型ロー
・パス・フィルタによって概略的に表すことができる。
図６では、Ｌ３はフィードスルーのインダクタンスを表
し、Ｃ３、Ｃ４は誘電体円盤に生成される容量を表す。
内側および外側の導体間の空気絶縁による容量は、円盤
の容量よりもかなり小さいので、無視することができ
る。

【００２９】前述の実施形態では、アルミナを誘電体材
料として用いた。しかしながら、他の誘電体材料でも、
強力かつ硬質であり、比較的気体に対して不浸透性であ
り、フェルールおよび中央ピンに選択した金属にメタラ
イズ、鑞付けまたははんだ付け可能であり、更にこれら
の金属に十分近い熱膨張特性を有するのであれば、代用
可能である。かかる誘電体材料には、サファイア、単結
晶クオーツ、菫青石、および酸化ベリリウムが含まれ
る。尚、アルミナとは異なる誘電率を有する他の絶縁材
料をアルミナに代用した場合、金属素子の寸法を変更
し、適宜インダクタンスの加減を行って、フィードスル
ーの入力端および出力端における所望の特性インピーダ
ンスに維持するように、容量性インピーダンスおよび誘
導性インピーダンス間の関係を保つ必要がある。

【００３０】金めっきしたコバールのピンにおいて、
銅、真鍮またはモリブデンのような、他の高導電率金属
で代用してもよい。尚、高導電率金属はこれらに限定さ
れる訳ではない。金属の表面抵抗率が低い程、フィード
スルーにおいて生ずる挿入損失も低下する。適切な挿入
損失は、０．２ｄＢ未満である。先にあげた金属の内、
銅は最も導電率が高く、抵抗率が低い。したがって、銅
のピンを用いればフィードスルーは、最良の挿入損失形
状（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ−ｌｏｓｓ ｆｉｇｕｒｅ）、
即ち、最低の挿入損失を有する。コバールは、抵抗は大
きいものの、銅よりもアルミナの熱膨張特性に近い熱膨
張特性を有する。とは言え、前述のフィードスルーとし
て有用とするためには、より導電性の高い金属をコバー
ルにめっきする必要がある。ＲＦフィードスルーが大き
な熱変動を受ける状況において耐久性を高めるには、コ
バールの方がよりよい折衷案であり、好ましい選択肢を
与える。広い範囲の温度変動が予期されない場合には、
ピン１５の製造が安価になるという点で、銅のように本
質的に導電性が高い金属、即ち、抵抗が小さい金属がよ
りよい選択肢となる。

【００３１】前述の説明では、「一体化」という言葉
を、フェルール上のレッジおよびピン上の鍔の記載に関
連して用いた。この用語は、引用した構成部品は、それ
に取り付ける部品と共に１つの単体に形成し、単体のワ
ンピース・アセンブリを形成するという意味で用いてい
る。前述のフィードスルー構造は、追加の機能を有する
ように、即ち、マイクロストリップ−導波路中継器に、
容易に改造することも可能である。この際、「ランチ
ャ」を一端に追加し、導波路において伝搬可能なマイク
ロ波モードに結合する。かかるランチャは、導電性金属
を交差状またはＴ字状に形成すればよく、または拡大し
た円筒またはキャップとして形成してもよい。双方とも
公知の導波路結合デバイスである。

【００３２】次に図７を参照すると該図では、フィード
スルー４３が、前述の実施形態のいずれかにしたがって
構成されており、導電性金属ピン４５を含んでいる。ラ
ンチャとして機能する「Ｔ」字形の金属部材を引っ繰り
返し、ピン４５の端部に取り付けて、一体アセンブリを
形成する。使用時には、フィードスルーを電子アセンブ
リの壁内に設置し、この設置において、ピン４５の下端
を直接的または間接的に、基板上に形成されているマイ
クロ波マイクロストリップ・ラインに接続する。ランチ
ャ４７を含むピン４５の他端には、ランチャを介して矩
形状の導波路４８を挿入する。本質的に、従来と同様、
導波路の壁内の開口を通じてランチャ４７を挿入し、導
波路内の位置に配置する。この位置で、ランチャは、導
波路の主モードである主マイクロ波の電界にマイクロ波
エネルギを結合する。

【００３３】図８は、２番目に述べた円筒形状のランチ
ャを用いた、対応するストリップライン−導波路中継器
を示す。図示のように、フィードスルー５１は、中央導
電性金属ピン５３を含む。ランチャを規定する導電性金
属円筒５５は、ピン５３の一端に一体的に取り付けら
れ、一方ピンの対向端は、マイクロストリップ・ライン
に接続するのためのものとなっている。先の場合におけ
ると同様、矩形状の導波路５６をランチャ５５上に配
し、後者をその中に位置付け、主モードに結合する。ピ
ン５３は、その他端において、回路ボード構造５２の一
方側に形成されているマイクロ波マイクロストリップ・
ライン５４に接続されている。後者の２つの構造は、新
たなフィードスルー構造と、一体化マイクロストリップ
−導波路中継器の利点を組み合わせたものである。

【００３４】図４を参照すると、マイクロ波マイクロス
トリップ・ライン−導波路中継器の一実施形態が部分断
面図で示されている。先の説明から、単一円盤フィード
スルー構造の素子が認められる。また、これは、フェル
ール２７、メタライゼーション・リング２８、３０を含
むアルミナ製の円盤２９、および金めっきしたコバール
・ピン３１を含む。それ以外のアセンブリや代替物の構
造の詳細については、図１および図３の説明から明らか
であるので、ここでは繰り返さない。この実施形態で
は、フェルールの内側円筒状壁は、単一の段を含み、大
径部分はディスクを据え付けるのに十分であり、小径部
分は、ピン３１の円筒状表面の細い部分から離間されて
いる。

【００３５】鍔の代わりに、ピン３１は図の下端に直径
を拡大した円筒状部分３３を有する。これは、ピンの軸
と一体化されている。拡大直径部分はマイクロ波ランチ
ャであり、ここから導波路を矩形状導波路に結合するこ
とができ、フィードスルー・ピンと一体に形成する。拡
大直径部分３３に直径を広げる結果としてピン３１に形
成される表面を、８０／２０金−錫合金のプリフォーム
・リングによって、円盤上のメタライゼーション帯に接
合する。一方、円盤は、フェルール２７内の円形段の表
面に接合する。この接合にも８０／２０金−錫合金のプ
リフォーム・リングを用いる。前述の構造のフィードス
ルーは、直流から５０ＧＨｚの周波数範囲にわたって使
用可能であることが理想的である。これらは特性上広帯
域である。即ち、これらを用いるために設計した主要周
波数を中心として、主要周波数を少なくとも１０パーセ
ント超過する周波数から同じ割合だけ主要周波数を下回
る周波数までの範囲では、比較的平坦な即ち一定のイン
ピーダンス特性を示す。更に具体的には、４４ＧＨｚの
周波数において、帯域は４０ＧＨｚ〜４８ＧＨｚに及
ぶ。

【００３６】以上、本発明の好適な実施形態について十
分に詳しく説明したので、当業者は本発明の実施および
使用が可能であると確信する。しかしながら、先の目的
のために提示した素子の詳細は、本発明の範囲を限定す
ることを意図するものではなく、本発明の範囲に該当す
る、これらの素子の同等物およびその他の変更も、この
明細書を読めば当業者には明白となることは明確に理解
されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す断面図である。

【図２】図１の実施形態の電気回路図である。

【図３】本発明の第２実施形態を示す断面図である。

【図４】本発明の第３実施形態を示す断面図である。

【図５】本発明の第４実施形態を示す断面図である。

【図６】図５の実施形態の電気回路図である。

【図７】部分的に前述の実施形態を用いて形成された、
マイクロストリップ・ライン−導波路中継器の一実施形
態を示す図である。

【図８】マイクロストリップ・ライン−導波路中継器の
別の実施形態を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 金属フェルール ３ セラミック製円盤 ５
金属ピン ７，９ リング ８，１０ 金属プリフォーム １
１ 環状レッジ １３ 環状フランジ部 １５ フェルール １７
円盤 １８，２０ メタライゼーション・リング １９ 金
属ピン ２１ 一体化環状鍔 ２２，２４ 予備形成はんだリ
ング ２５ 金属壁 ２７ フェルール ２８，３０ メタライゼーション
リング ２９ アルミナ製の円盤 ３１ コバール・ピン
３３ 円筒状部分 ３１ ピン ３５ 円筒状フェルール ３７，３９
誘電体円盤 ３８，４０ リング ４１ ピン ４３ フィード
スルー ４５ 導電性金属ピン ４７ ランチャ ４８ 導
波路 ５１ フィードスルー ５３ 中央導電性金属ピン ５４ マイクロ波マイクロストリップ・ライン ５５
導電性金属円筒 ５６ 導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランドール・ジェイ・デュプレイ アメリカ合衆国カリフォルニア州90266, マンハッタン・ビーチ，ナインス・ストリ ート 1545 (72)発明者 ジョージ・ジー・ピネオ アメリカ合衆国カリフォルニア州90266, マンハッタン・ビーチ，エイティーンス・ ストリート 1416 (72)発明者 ダニエル・ティー・モリアーティ アメリカ合衆国カリフォルニア州90245, エル・セクンド，シェルダン・ストリート 527

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属バリアを貫通してＲＦ信号を伝達す
   るＲＦフィードスルーにおいて、 強固で硬質の不浸透性のセラミック円盤によって中央に
   支持され、気密封止され、セラミック円盤の中央を貫通
   して軸方向に延びる直線状導体と、 セラミック円盤と金属バリアとの間に気密封止を提供す
   る封止手段とからなることを特徴とするＲＦフィードス
   ルー。
2. 【請求項２】 請求項１記載のＲＦフィードスルーにお
   いて、封止手段が中空金属フェルールを備え、セラミッ
   ク円盤が金属フェルールの中空内に支持され、これに気
   密封止されていることを特徴とするＲＦフィードスル
   ー。
3. 【請求項３】 請求項１記載のＲＦフィードスルーにお
   いて、セラミック円盤が、アルミナ、サファイア、単結
   晶クオーツ、菫青石、および酸化ベリリウムからなる群
   から選択された材料で構成されることを特徴とするＲＦ
   フィードスルー。
4. 【請求項４】 請求項１記載のＲＦフィードスルーにお
   いて、直線状導体が、モリブデン、銀、銅、真鍮、およ
   び金をメッキしたコバールからなる群から選択された材
   料で構成されることを特徴とするＲＦフィードスルー。
5. 【請求項５】 中空の円筒状金属壁と、細長の金属ピン
   と、円筒状金属壁と金属ピンとの間に接続され、円筒状
   金属壁内に金属ピンを同軸状に支持する支持手段とを含
   むＲＦフィードスルーにおいて、 支持手段が、強固で硬質の非多孔質誘電体材料からなる
   少なくとも１つの円盤を備え、該円盤の幾何学的形状が
   ワッシャ状であり、中央に円筒状通路を備えており、金
   属ピンが円盤内の中央開口を貫通し、円盤が円筒状金属
   壁および金属ピンの双方に気密封止されていることを特
   徴とするＲＦフィードスルー。
6. 【請求項６】 請求項５記載のＲＦフィードスルーにお
   いて、金属ピンが更に、半径方向に外側に向かって延出
   し、該金属ピンに一体化された鍔部材を含み、該鍔部材
   が、金属ピンの長さに沿った所定位置に配置され、その
   周囲に円周方向に延出し、鍔部材が円盤内の中央開口よ
   りも大きなサイズの外径を有し、鍔部材が円盤と接触
   し、該円盤を貫通する金属ピンの移動を防止し、円盤が
   鍔部材に気密封止されていることを特徴とするＲＦフィ
   ードスルー。
7. 【請求項７】 請求項６記載のＲＦフィードスルーにお
   いて、円筒状金属壁が、該壁の一端から所定の位置に配
   置され、半径方向に内側に向かって突出し、当該円筒状
   金属壁と一体化された環状レッジを含み、円盤が環状レ
   ッジに気密封止されていることを特徴とするＲＦフィー
   ドスルー。
8. 【請求項８】 請求項７記載のＲＦフィードスルーにお
   いて、該フィードスルーは更に、 円盤の一表面の周囲に円周方向に延出し、これに接合さ
   れたメタライズ材料の第１環状リングと、 中央開口を取り囲み、円盤の一表面に接合されたメタラ
   イズ材料の第２環状リングとを備え、 第１環状リングが環状レッジに接合されて気密封止構造
   を形成し、第２環状リングが鍔部材に接合されて気密封
   止構造を形成することを特徴とするＲＦフィードスル
   ー。
9. 【請求項９】 ＲＦフィードスルーにおいて、 中空の円筒状金属壁と、 細長の金属ピンおよび円筒状金属壁と金属ピンとの間に
   接続され、円筒状金属壁内に金属ピンを同軸状に支持す
   る支持手段とを備え、 支持手段が、強力で硬質の非多孔質誘電体材料からな
   り、中央に円筒状通路を備え、幾何学的形状がワッシャ
   状である少なくとも１つの円盤を備え、 金属ピンが、円盤内の中央開口を貫通し、 金属ピンが更に、半径方向に外側に向かって延出し、当
   該ピンに一体化された鍔部材を含み、該鍔部材が、金属
   ピンの長さに沿った所定位置に配置され、その周囲に円
   周方向に延出し、鍔部材が前記円盤内の前記中央開口よ
   りも大きなサイズの外径を有し、鍔部材が円盤と接触
   し、円盤を貫通する金属ピンの移動を防止するよう構成
   され、 円盤が鍔部材および金属ピン双方に気密封止されてお
   り、 円筒状金属壁が、該壁の一端から所定の位置に配置され
   て半径方向に内側に突出する、当該円筒状金属壁と一体
   化された環状レッジを含み、 ＲＦフィードスルーは、更に、 円盤の一表面の周囲に円周方向に延出し、これに接合さ
   れたメタライズ材料の第１環状リングと、 中央開口を取り囲み、円盤の一表面に接合されたメタラ
   イズ材料の第２環状リングと、 第１環状リングの上に位置して該リングを環状レッジに
   接合し、これと共に気密封止構造を形成する第１のリン
   グ状はんだまたは鑞付けプリフォームと、 第２環状リングの上に位置して該リングを鍔部材に接合
   し、これと共に気密封止構造を形成する第２のリング状
   はんだまたは鑞付けプリフォームとを備え、 非多孔質誘電体材料が、アルミナ、サファイア、単結晶
   クオーツ、菫青石、および酸化ベリリウムから成る群か
   ら選択された材料で構成され、 金属ピンが、モリブデン、銀、銅、真鍮、および金をめ
   っきしたコバールから成る群から選択された材料で構成
   されることを特徴とするＲＦフィードスルー。