JP2002043460A - 高周波用パッケージ - Google Patents

高周波用パッケージ

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JP2002043460A JP2000225819A JP2000225819A JP2002043460A JP 2002043460 A JP2002043460 A JP 2002043460A JP 2000225819 A JP2000225819 A JP 2000225819A JP 2000225819 A JP2000225819 A JP 2000225819A JP 2002043460 A JP2002043460 A JP 2002043460A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 グランドプレーンの共振対策構造を備え、フ
ィードスルー部の貫通部の壁厚みを薄くし、高速信号線
の電流集中を緩和させて導体損失の増加を抑えた高周波
用パッケージを提供する。 【解決手段】 フィードスルー部16を複数のセラミッ
ク23a〜23eの積層体23で形成する高周波用パッ
ケージ10であって、フィードスルー部16はセラミッ
ク23a〜23eを縦方向に並べて横方向に積層し、セ
ラミック23a〜23eの一部を貫通して導体を充填し
た貫通部ビア26を配線の一部とする高速信号線24を
具備し、しかも高速信号線24を挟んでグランドプレー
ン28が形成され、高速信号線24と並行するグランド
ビア27が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波の高速の信
号線が通過する配線の導体損失を低減し、グランドプレ
ーンとの共振を抑制する高周波用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】図8に、従来の一般的なマイクロ波、ミ
リ波等の高周波において使用される高周波用パッケージ
50を示す。コバール、42アロイ等からなるメタルウ
ォール51と銅タングステン等からなるメタルベース5
2は、ろう付けされて接合され、表面にNiめっき、A
uめっきが施されて、高周波用パッケージ50のベース
53を形成している。コバール、42アロイ等からなる
キャップ54は、半導体電子部品55がベース53に実
装された後、ベース53と金錫ろう材等で接合し、封止
をする。この高周波用パッケージ50は、実装される半
導体電子部品55が外部からの電磁波に影響されないよ
うにするため、及び半導体電子部品55からの不要電磁
波を外部に出さないために、外周は導電性であることが
必要である。また、この半導体電子部品55は、電源用
や信号用の端子57を備え、この端子57は、メタルウ
ォール51に開けた貫通孔に嵌入されセラミックの積層
体からなるフィードスルー部56の内側(パッケージ内
側)に設けられたワイヤボンディング用パッド58とボ
ンディングワイヤ59を介して接続されている。そし
て、フィードスルー部56の外側(パッケージ外側)に
設けられたリード接続用パッド60には外部と接続する
ためのコバール、42アロイ等の金属からなるリード6
1が銀銅ろう材等でろう付けされている。
【0003】高周波用パッケージ50において、例え
ば、2.5GHzのような高周波の高速信号線71が通
過する場合では、図9に示すように、凸型のセラミック
積層体72で形成されるフィードスルー部56を通して
パッケージの外部と内部を配線で接続させており、セラ
ミック積層体72の各セラミックの表面に形成された電
源用のグランドプレーン73はグランドビア74を介し
て繋がっている。しかし、更に高速化が進み、例えば、
10GHz以上になると、Auめっきが施されていない
貫通部75(メタルウォール51の貫通孔に嵌入する部
分)において、高速信号線71は表皮効果の影響により
導体損失が増加し、また、グランドプレーン73との共
振が発生しやすくなる。
【0004】そこで、図10に示すように、グランドプ
レーン73の各セラミック層を結ぶグランドビア74の
間のピッチ76を狭く、例えば、0.5mm程度にした
構造が考えられている。このピッチ76が狭いほどより
高い周波数までグランドプレーン73との共振を抑える
ことができる。しかしながら、高速信号線71の貫通部
75にグランドビア74を配設するためには、貫通部7
5の線路長に相当する壁厚み77をグランドビア74の
設置によるセラミックのクラックの発生を考慮して、例
えば、1mm以上に厚くする必要がでてくる。壁厚み7
7が厚くなると貫通部75の線路長が長くなり、高速信
号線71の導体損失が増加する。従って、グランドプレ
ーン73の共振対策を行っても、逆に導体損失の悪化を
招くことになる。また、この構造においては、例えば、
20GHz以上になると、貫通部75における高速信号
線71の上層セラミックに形成されたグランドプレーン
73を流れる電流の経路確保が充分でなく高速信号線7
1とグランドプレーン73からなるループインダクタン
スが増加して、特性インピーダンスの不整合による伝送
特性の劣化が目立ってくる。
【0005】そこで、グランドプレーン73の共振対策
と電流経路確保を同時に行える構造としては、図11に
示すように、貫通部75における高速信号線71の上層
セラミックに形成されたグランドプレーン73を流れる
電流の経路を貫通部75の壁側面にグランドキャスタレ
ーション78を形成して、確保している。これにより、
特性インピーダンス不整合による伝送特性の劣化を低減
し、壁厚み77は、例えば、0.7mm程度となり、薄
くできるので導体損失の増加を抑えることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような従来の高周波用パッケージは、次のような課題
がある。 (1)高周波化が更に進んでおり、高速信号線の導体損
失の低減を更に行う必要がでてきており、フィードスル
ー部の貫通部の線路長を短くする、すなわち、貫通部の
壁厚みを薄くする必要がある。 (2)従来構造では、フィードスルー部の高速信号線の
両端に電流が集中するが、高周波化が進めば進む程、表
皮効果により、更に高速信号線の両端への電流の集中が
強まる。この高速信号線の両端への局部的な電流集中を
緩和する必要がある。本発明は、かかる事情に鑑みてな
されたものであって、グランドプレーンの共振対策構造
を備え、更に、フィードスルー部の貫通部の壁厚みを薄
くし、また、高速信号線の電流集中を緩和させて導体損
失の増加を抑えた高周波用パッケージを提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記目的に沿う本発明に
係る高周波用パッケージは、フィードスルー部を複数の
セラミックの積層体で形成する高周波用パッケージであ
って、フィードスルー部はセラミックを縦方向に並べて
横方向に積層し、セラミックの一部を貫通して導体を充
填した貫通部ビアを配線の一部とする高速信号線を具備
し、しかも高速信号線を挟んでグランドプレーンが形成
され、高速信号線と並行するグランドビアが形成されて
いる。セラミックの積層方向(横方向)にグランドビア
が形成され、フィードスルー部の貫通部に縦方向のビア
やキャスタレーションを必要としないので、貫通部の壁
厚みを薄くでき、貫通部の高速信号線はビアで形成され
ているので、信号線断面は実質的に円となり、表皮効果
による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損
失を低減することができる。また、グランドビアは狭ピ
ッチで形成できるので、グランドプレーンの共振を抑え
ることができる。更に、グランドプレーンの電流経路は
充分確保された構造であるので、高速信号線とグランド
プレーンからなるループインダクタンスの増加で発生す
る特性インピーダンス不整合からでる反射を低減するこ
とができる。
【0008】ここで、高速信号線が形成されるセラミッ
クの端面部には、高速信号線を含む導体配線がキャスタ
レーションによって形成されていてもよい。これによ
り、セラミックの端面部であっても高速信号線やグラン
ドプレーンを容易に形成することができ、導体損失や共
振の少ない高周波用パッケージが得られる。また、貫通
部以外の高速信号線の信号線断面が実質的に半円形状と
なり、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速
信号線の導体損失を低減することができる。また、高速
信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号
線を含む導体配線が平面印刷で形成されていてもよい。
これにより、セラミックの端面部であっても容易に高速
信号線やグランドプレーンを形成することができ、導体
損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。更
に、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、
平面印刷で形成される導体配線とキャスタレーションに
よって形成される導体配線とを有してもよい。これによ
り、セラミックの端面部の高速信号線やグランドプレー
ンを形成するのに設計の自由度を得ることができ、導体
損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
【0009】
【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本
発明の理解に供する。ここに、図1(A)、(B)はそ
れぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用パッケージ
の平面図、断面図、図2は同高周波用パッケージのフィ
ードスルー部の斜視図、図3(A)、(B)はそれぞれ
同高周波用パッケージのフィードスルー部の断面図、図
4は同高周波用パッケージの第1の変形例に係るフィー
ドスルー部の斜視図、図5(A)〜(C)は同フィード
スルー部のキャスタレーションの形成方法の説明図、図
6は同高周波用パッケージの第2の変形例に係るフィー
ドスルー部の斜視図、図7(A)、(B)はそれぞれ同
高周波用パッケージの第3、第4の変形例に係るフィー
ドスルー部の斜視図である。
【0010】図1(A)、(B)に示すように、本発明
の一実施の形態に係る高周波用パッケージ10は、発信
用光モジュールパッケージであって、セラミックと熱膨
張係数が近似するコバール、42アロイ等の金属で形成
されるメタルウォール11と、セラミックと熱膨張係数
が近似し、しかも放熱性に優れる銅タングステン等の金
属で形成されるメタルベース12とが銀銅ろう等のろう
材でろう付けされて接合され、表面にNiめっき及びA
uめっきが施されて形成されたベース13を有してい
る。ベース13の中に、例えば、レーザーダイオード1
5aとフォトダイオード15bを有する半導体電子部品
15が実装された後、コバール、42アロイ等の金属表
面やセラミックの全面メタライズ表面にNiめっき及び
Auめっきを施して形成されるキャップ14が、ベース
13に金錫ろう材等で接合され、半導体電子部品15は
封止されている。この高周波用パッケージ10は、実装
される半導体電子部品15が外部からの電磁波に影響さ
れないようにするため、更に半導体電子部品15からの
不要電磁波を外部に出さないために、外周をできるだけ
導電性に保つことが必要とされる。
【0011】半導体電子部品15は電源用や信号用のワ
イヤボンド用端子15cを備え、メタルウォール11の
壁面を貫通して銀ろう付け等で接合して形成されたフィ
ードスルー部16の内側に設けられたワイヤボンディン
グ用パッド17とボンディングワイヤ18を介して接続
されている。そして、フィードスルー部16の外側に設
けられたリード接続用パッド19には外部と接続するた
めのコバール、42アロイ等の金属からなるリード20
がろう付けされている。なお、レーザーダイオード15
aからの光は、レンズ部22を介して光ファイバー21
で外部に伝えられる。
【0012】次いで、図2、図3(A)、(B)を参照
して、フィードスルー部16の構造を説明する。フィー
ドスルー部16は、タングステンやモリブデン等の高融
点金属で配線パターンやビア導体を形成したセラミック
グリーンシートからなる絶縁体のセラミック23a〜2
3eを縦方向に並べて横方向に積層した積層体23で形
成されている。フィードスルー部16を形成する積層体
23の実質的に中央部に配置されたセラミック23c
は、高周波用パッケージ10のメタルウォール11に設
けた貫通孔に嵌入して内側と外側を接続する貫通部25
を構成し、他のセラミック23a、23b、23d、2
3eより高さが高く形成されている。セラミック23c
には、スルーホールを穿設し、導体を充填して貫通部ビ
ア26を形成し、これを配線の一部とする高速信号線2
4が貫通部25を通過するように設けられ、高周波用パ
ッケージ10の外部と内部を配線で結合して信号を伝達
している。
【0013】また、各セラミック23a〜23eには、
グランドプレーン28が高速信号線24を挟んでタング
ステンやモリブデン等の高融点金属の配線パターンで形
成されている。この各層のグランドプレーン28を接続
するようにグランドビア27が各セラミック23a〜2
3eに穿設されたスルーホールにタングステンやモリブ
デン等の高融点金属を充填することで形成されている。
そして、このグランドビア27は、高速信号線24と並
行するように形成されている。グランドビア27間のピ
ッチは、より高い周波数までグランドプレーン28との
共振を抑えるために、できるだけ短いほうがよい。
【0014】セラミック23a、23bの端面部には、
図1に示すように、半導体電子部品15とボンディング
ワイヤ18で接続するためのワイヤボンディング用パッ
ド17が貫通部ビア26やグランドプレーン28とグラ
ンドビア27に接続して形成されており、セラミック2
3d、23eの端面部には、リード20を接合するため
のリード接続用パッド19が貫通部ビア26やグランド
プレーン28とグランドビア27に接続して形成されて
いる。
【0015】セラミック23cの外周端面部にはタング
ステンやモリブデン等の高融点金属が形成され、その表
面にはNiめっきが施されている。更にこのセラミック
23cを、メタルウォール11の予め窓状に開口した貫
通孔に嵌め込み、銀銅ろう等でろう付けを行い接合し、
更にNiめっき及びAuめっきを行って、高周波用パッ
ケージ10が形成される。
【0016】次に、図4を参照して、本実施の形態に係
る高周波用パッケージ10のフィードスルー部16の第
1の変形例であるフィードスルー部16aの構造を説明
する。なお、符号は上記実施の形態と同じ部分は同符号
を使用している。フィードスルー部16aは、高速信号
線24が形成されるセラミック23a、23b、23
d、23eの端面部に、ワイヤボンディング用パッド1
7やリード接続用パッド19を含む導体配線がそれぞれ
信号キャスタレーション29、グランドキャスタレーシ
ョン30、リードキャスタレーション31のキャスタレ
ーションで形成されている。
【0017】なお、図5に示すように、キャスタレーシ
ョンの形成方法は、セラミック23a、23b、23
d、23eをそれぞれ形成するセラミックグリーンシー
ト32に信号キャスタレーション用孔33、グランドキ
ャスタレーション用長楕円孔34、リードキャスタレー
ション用長楕円孔35、及び、グランドビア用孔36を
穿設し(図5(A))、次に、信号キャスタレーション
用孔33、グランドキャスタレーション用長楕円孔3
4、リードキャスタレーション用長楕円孔35には、そ
れぞれ孔の壁面にタングステンやモリブデン等の高融点
金属を施し、グランドビア用孔36には、高融点金属を
充填し、更に、グランドプレーン28のパターンを形成
して(図5(B))、次に、各セラミック23a〜23
eを積層し、焼成した後、信号キャスタレーション用孔
33、グランドキャスタレーション用長楕円孔34、リ
ードキャスタレーション用長楕円孔35の中心を通るス
ナップラインに沿って分割することで信号キャスタレー
ション29、グランドキャスタレーション30、リード
キャスタレーション31が形成(図5(C))できる。
なお、フィードスルー部16aは、高速信号線を含む導
体配線をキャスタレーションで形成する以外のその他の
構造はフィードスルー部16と同じである。
【0018】図6を参照して、第2の変形例であるフィ
ードスルー部16bの構造を説明する。なお、符号は上
記実施の形態と同じ部分は同符号を使用している。高速
信号線24が形成されるセラミック23a、23b、2
3d、23eの端面部には、ワイヤボンディング用パッ
ド17やリード接続用パッド19を含む導体配線をタン
グステンやモリブデン等の高融点金属をスクリーン印刷
等で平面印刷することによって、それぞれ信号パターン
37、グランドパターン38、リードパターン39を形
成している。セラミック23a、23b、23d、23
eの端面部への印刷は、それぞれを別々のセラミックグ
リーンシートに印刷してもよく、あるいは、セラミック
グリーンシートをまとめて重ねて合わせておいて、その
端面部に印刷し、形成してもよい。なお、フィードスル
ー部16bは、高速信号線を含む導体配線を平面印刷で
形成する以外のその他の構造はフィードスルー部16と
同じである。
【0019】図7(A)、(B)を参照して、第3、第
4の変形例であるフィードスルー部16c、16dの構
造を説明する。なお、ここでも符号は上記実施の形態と
同じ部分は同符号を使用している。フィードスルー部1
6c、16dにおいては、高速信号線24が形成される
セラミック23a、23b、23d、23eの端面部に
は、ワイヤボンディング用パッド17やリード接続用パ
ッド19がキャスタレーションと平面印刷の両方によっ
て、形成されている。図7(A)に示すように、高速信
号線24を信号キャスタレーション40で形成し、ワイ
ヤボンディング用パッド17やリード接続用パッド19
をグランドパターン41やリードパターン42の平面印
刷で形成している。また、リード接続用パッド19をリ
ードキャスタレーションで形成することもできる。ま
た、図7(B)に示すように、高速信号線24を信号パ
ターン44で形成し、ワイヤボンディング用パッド17
やリード接続用パッド19をグランドキャスタレーショ
ン45やリードキャスタレーション43のキャスタレー
ションで形成している。また、リード接続用パッド19
をリードパターンで形成することもできる。なお、フィ
ードスルー部16c、16dは、高速信号線を含む導体
配線を平面印刷とキャスタレーションで形成する以外の
その他の構造はフィードスルー部16と同じである。
【0020】なお、セラミックの積層体の積層数は、本
実施の形態では5層構造となっているが、セラミックの
層数は限定されるものではない。更に、積層体の実質的
に中央部となるセラミックは本実施の形態では1層とな
っているが複数層で形成してもよい。また、セラミック
の材質は、特に限定するものではなく、アルミナ、窒化
アルミニウム、低温焼成ガラスセラミック等のセラミッ
クが使用できる。
【0021】
【実施例】本発明者は、本発明の高周波用パッケージ
と、従来例の高周波用パッケージの貫通部における伝送
特性をSパラメーターで表すことにより導体損失の比較
を行った。Sパラメーターは、周波数(GHz )を変化
させながら、線路を通過する信号の損失の度合いを測定
する通過S21(dB/mm)の値を求めた。資料は、貫
通部の線路長(壁厚み)を1mmとし、貫通部ビアで形
成された本発明の高周波用パッケージに対して、従来例
は、同じく貫通部の線路長(壁厚み)を1mmとし、図
11に示す、縦方向にセラミックを積層し、貫通部の壁
側面にグランドキャスタレーションを設けて形成した高
周波用パッケージを使用した。その結果を図12に示
す。従来例の高周波用パッケージは、高周波の度合いが
増加するに従い急激に通過損失が増大するのに対して、
本発明の高周波用パッケージでは、通過損失の変化は僅
かであり、30GHz で従来例は本発明の5倍の通過損
失である結果が電磁界構造解析によって得られた。
【0022】
【発明の効果】請求項1〜4記載の高周波用パッケージ
においては、フィードスルー部はセラミックを縦方向に
並べて横方向に積層し、セラミックの一部を貫通して導
体を充填した貫通部ビアを配線の一部とする高速信号線
を具備し、しかも高速信号線を挟んでグランドプレーン
が形成され、高速信号線と並行するグランドビアが形成
されているので、貫通部の壁厚みを薄くでき、貫通部の
信号線断面は実質的に円となり、表皮効果による電流の
局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減する
ことができる。また、グランドビアが狭ピッチで形成で
き、グランドプレーンの共振を抑えることができる。更
に、グランドプレーンの電流経路は充分確保された構造
であり、高速信号線とグランドプレーンからなるループ
インダクタンスの増加から発生する特性インピーダンス
不整合による反射を低減することができる高周波用パッ
ケージが得られる。特に、請求項2記載の高周波用パッ
ケージにおいては、高速信号線が形成されるセラミック
の端面部には、高速信号線を含む導体配線がキャスタレ
ーションによって形成されているので、セラミックの端
面部であっても高速信号線やグランドプレーンを容易に
形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用
パッケージが得られる。また、貫通部以外の高速信号線
の信号線断面が実質的に半円形状が得られ、表皮効果に
よる電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失
を低減することができる高周波用パッケージが得られ
る。また、請求項3記載の高周波用パッケージにおいて
は、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、
高速信号線を含む導体配線が平面印刷で形成されている
ので、セラミックの端面部であっても容易に高速信号線
やグランドプレーンを形成することができ、導体損失や
共振の少ない高周波用パッケージが得られる。更に、請
求項4記載の高周波用パッケージにおいては、高速信号
線が形成されるセラミックの端面部には、平面印刷で形
成される導体配線とキャスタレーションによって形成さ
れる導体配線とを有するので、セラミックの端面部の高
速信号線やグランドプレーンを形成するのに設計の自由
度を得ることができ、導体損失や共振の少ない高周波用
パッケージが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)、(B)はそれぞれ本発明の一実施の形
態に係る高周波用パッケージの平面図、断面図である。
【図2】同高周波用パッケージのフィードスルー部の斜
視図である。
【図3】(A)、(B)はそれぞれ同高周波用パッケー
ジのフィードスルー部の断面図である。
【図4】同高周波用パッケージのフィードスルー部の第
1の変形例に係る斜視図である。
【図5】(A)〜(C)は同フィードスルー部のキャス
タレーションの形成方法の説明図である。
【図6】同高周波用パッケージの第2の変形例に係るフ
ィードスルー部の斜視図である。
【図7】(A)、(B)はそれぞれ同高周波用パッケー
ジの第3、第4の変形例に係るフィードスルー部の斜視
図である。
【図8】従来の高周波用パッケージの斜視図である。
【図9】従来の高周波用パッケージのフィードスルー部
の斜視図である。
【図10】従来の高周波用パッケージのフィードスルー
部の斜視図である。
【図11】従来の高周波用パッケージのフィードスルー
部の斜視図である。
【図12】本発明と従来の高周波用パッケージの伝送特
性の比較図である。
【符号の説明】
10:高周波用パッケージ、11:メタルウォール、1
2:メタルベース、13:ベース、14:キャップ、1
5:半導体電子部品、15a:レーザーダイオード、1
5b:フォトダイオード、15c:ワイヤボンド用端
子、16、16a、16b、16c、16d:フィード
スルー部、17:ワイヤボンディング用パッド、18:
ボンディングワイヤ、19:リード接続用パッド、2
0:リード、21:光ファイバー、22:レンズ部、2
3:積層体、23a〜23e:セラミック、24:高速
信号線、25:貫通部、26:貫通部ビア、27:グラ
ンドビア、28:グランドプレーン、29:信号キャス
タレーション、30:グランドキャスタレーション、3
1:リードキャスタレーション、32:セラミックグリ
ーンシート、33:信号キャスタレーション用孔、3
4:グランドキャスタレーション用長楕円孔、35:リ
ードキャスタレーション用長楕円孔、36:グランドビ
ア用孔、37:信号パターン、38:グランドパター
ン、39:リードパターン、40:信号キャスタレーシ
ョン、41:グランドパターン、42:リードパター
ン、43:リードキャスタレーション、44:信号パタ
ーン、45:グランドキャスタレーション

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フィードスルー部を複数のセラミックの
    積層体で形成する高周波用パッケージであって、前記フ
    ィードスルー部は前記セラミックを縦方向に並べて横方
    向に積層し、前記セラミックの一部を貫通して導体を充
    填した貫通部ビアを配線の一部とする高速信号線を具備
    し、しかも前記高速信号線を挟んでグランドプレーンが
    形成され、前記高速信号線と並行するグランドビアが形
    成されていることを特徴とする高周波用パッケージ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の高周波用パッケージにお
    いて、前記高速信号線が形成される前記セラミックの端
    面部には、前記高速信号線を含む導体配線がキャスタレ
    ーションによって形成されていることを特徴とする高周
    波用パッケージ。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の高周波用パッケージにお
    いて、前記高速信号線が形成される前記セラミックの端
    面部には、前記高速信号線を含む導体配線が平面印刷で
    形成されていることを特徴とする高周波用パッケージ。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の高周波用パッケージにお
    いて、前記高速信号線が形成される前記セラミックの端
    面部には、平面印刷で形成される導体配線とキャスタレ
    ーションによって形成される導体配線とを有することを
    特徴とする高周波用パッケージ。
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