JP2004087563A

JP2004087563A - 多層基板及び半導体装置

Info

Publication number: JP2004087563A
Application number: JP2002243153A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fujimi; 藤見　浩之
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】ビアとリード端子間で生じる特性インピーダンスの不一致箇所において、反射を防止し伝送特性を劣化させず、製造コストの増加を伴うフレキシブル多層基板を採用することなく、基板間の接続を行う。
【解決手段】多層基板１２において、伝送線路第１ビア３と、伝送線路第１ビア３の中心軸に沿って内径の異なる伝送線路第２ビア４を接続して、信号ビア群を構成し、伝送路第２ビア４の内径は、当該信号ビア群に要求される所望の特性インピーダンスに基づいて設定する。この多層基板１２と、信号ビア群３、４の一端に接続された伝送線路と、信号ビア群３、４の他端に接続された半導体回路とで半導体装置を構成することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層基板及び半導体装置に関し、特に、インピーダンス整合を行うインピーダンス変成器の機能を有する多層基板及び半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビア（Ｖｉａ）を有する高周波回路においては、信号伝送特性の劣化を防止するため、配線（信号伝送路）とビアの特性インピーダンスを整合させるのが好ましいとされている。このため、特開平８−７８７９７号公報に記載の技術においては、基板の表裏を貫通するビア構造において、内層のＧＮＤベタ層を一層のみとすることで、信号ビアのためのクリアランス開口径を小さくし、配線とビアの特性インピーダンスを一致させるようにしていた。
【０００３】
また、他の従来技術においては、図７に示すように、伝送線路ビア１０３の特性インピーダンスを、多層基板の側面メタライズや周囲のＧＮＤビアとの位置関係で制御していた。この構成によれば、伝送線路ビア１０３の特性インピーダンスは、基板上の配線１０１と一致させた構造が可能であるが、パッケージと外部を接続するリード端子１０５においては、端子間隔の制約があったり、周囲ＧＮＤの確保が困難な場合等には、特性インピーダンスを一致させることができないという不具合があった。
【０００４】
また、さらに他の従来技術においては、図８に示すように、リード端子での伝送特性の劣化を防ぐために、接続対象基板１１４との接続にフレキシブル基板１１３を採用していた。このフレキシブル基板１１３は、伝送線路１０１、伝送線路ビア１０３と特性インピーダンスを一致させており、ポリイミド材等を基材とし、片面、両面、多層構成となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術においては、リード端子と、それに接続されるビア及び配線との接続箇所において、インピーダンスの不整合箇所が生じることとなり、伝送特性の劣化原因となってしまうという問題点があった。
【０００６】
この理由は、配線の特性インピーダンスの制御は、同層及び内層のグランド（ＧＮＤ）パターンによって比較的設計自由度が高く、ビアについてもグランド（ＧＮＤ）ビアの位置により特性インピーダンスを調整することが可能であるが、リード端子については、端子間隔の制約や隣接端子のＧＮＤの確保等、構造上の問題等からビアや配線と一致した特性インピーダンスに調整することが困難な場合が生じるからである。
【０００７】
その結果、ビアとリード端子の接続箇所において特性インピーダンスの不整合が生じ、特性インピーダンスの不整合箇所が反射点となって、伝送特性の劣化原因となってしまっていた。
【０００８】
また、リード端子等の基板間を接続する部位についても、特性インピーダンスを一致させようとする場合には、製造コストが上昇するという問題点があった。
【０００９】
この理由は、基板間を接続する部位の特性インピーダンスを一致させる方法として、ポリイミド基板等の多層フレキシブル基板をリード端子に代用すると、製造コストが上昇するからであった。
【００１０】
そこで、本発明は、高周波回路における基板内の伝送線路において、ビアとリード端子間で生じる特性インピーダンスの不一致箇所において、反射を防止し、伝送特性を劣化させず、製造コストの増加を伴うフレキシブル多層基板を採用することなく基板間の接続を行うことが可能な多層基板及び半導体装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明にかかる高周波回路用の多層基板は、主信号ビアと、前記主信号ビアの中心軸に沿って内径の異なる一または複数種類の副信号ビアを接続して、信号ビア群を構成し、前記各副信号ビアの内径は、当該信号ビア群に要求される所望の特性インピーダンスに基づいて設定されていることを特徴としている。これによって、接続対象に合わせて信号ビア群の特性インピーダンスを容易に調整することができる。
【００１２】
この場合において、前記各副信号ビアの内径は、前記信号ビア群に対応するグランドビアあるいはグランドビア群との直径方向の距離と前記特性インピーダンスとの関係に基づいて設定されているようにしてもよい。
【００１３】
また、前記副信号ビアの長さは、伝送すべき信号の中心波長をλとした場合に、
１／４λ
に設定されているようにしてもよい。
【００１４】
また、高周波回路用の多層基板は、主グランドビアと、前記主グランドビアの中心軸に沿って内径の異なる一または複数種類の副グランドビアを接続して、グランドビア群を構成し、前記各副グランドビアの内径は当該グランドビア群に要求される所望の特性インピーダンスに基づいて設定されていることを特徴としている。
【００１５】
この場合において、前記各副グランドビアの内径は、前記グランドビア群に対応する信号ビアあるいは信号ビア群との直径方向の距離と前記特性インピーダンスとの関係に基づいて設定されているようにしてもよい。
【００１６】
また、前記各副グランドビアの長さは、伝送すべき信号の中心波長をλとした場合に、
１／４λ
に設定されているようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明にかかる半導体装置は、上記いずれかの多層基板と、前記信号ビア群の一端に接続された伝送線路と、前記信号ビア群の他端に接続された半導体回路とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
この場合において、前記主信号ビアの特性インピーダンスをＺ０とし、前記副信号ビアの特性インピーダンスをＺ１とし、前記半導体回路の接続部のインピーダンスをＺｌ０とした場合に、
Ｚ１＝√（Ｚ０×Ｚｌ０）
とするようにしてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１及び図２は、本発明にかかる多層基板１２を示し、この多層基板１２は、セラミックまたは有機系の材料で構成されている。多層基板１２の部品実装面には、伝送線路１が伝送線路ビア３、４（信号ビア群）を介して外部と接続するためのリード端子５が接続されている。
【００２１】
伝送線路１には、図２に示すように、内層または同層のグランド（ＧＮＤ）パターン２が配置され、伝送線路１の先に接続するＬＳＩ回路の入力または出力インピーダンスと整合した特性インピーダンスを有する。
【００２２】
伝送線路第１ビア（主信号ビア）３は、周囲のＧＮＤビア６の配置によって伝送線路１に一致した特性インピーダンスを有する。尚、ＧＮＤビア６は、多層基板１２の基板側面メタライズとすることもできる。
【００２３】
伝送線路１及び伝送線路ビア３、４の材料は、セラミック基板で高温焼成の場合、タングステンやモリブデン等であり、低温焼成では銅等を使用する。通常、表面層には部品実装を行うため、伝送線路１にはニッケル及び金めっき処理を行う。有機系の多層基板１２においては、銅材料を用いる。
【００２４】
リード端子５は、隣接リード端子をＧＮＤにできない場合、または隣接リード端子との距離がある場合等、伝送線路１及び伝送線路第１ビア３の特性インピーダンスと一致できない問題が生じる。特性インピーダンスの一致しない伝送線路ビアとリード端子とを接続した場合には、接続点が反射点となり、伝送特性が劣化する。伝送線路第２ビア４は、伝送線路第１ビア３と比較して直径を変更しており、周囲のＧＮＤビア６との距離も変わるため、特性インピーダンスを調整することができる。
【００２５】
伝送線路第２ビア（副信号ビア）４の特性インピーダンスは、下記の式１を満足する径を有する。伝送線路第２ビア４のビア長１１は、中心周波数のλ／４とする。ビア長１１の調整は、基板組立工程における各層のシート厚を変更することで任意の長さに設定することができる。
【００２６】
Ｚ１＝√（Ｚ０×Ｚｌ０）　　　　　　　　　　　……（式１）
ここで、Ｚ０は、伝送線路第１ビア３の特性インピーダンスであり、Ｚｌ０はリード端子の特性インピーダンスである。インピーダンス変成器を一段構成とした場合の動作について説明する。
【００２７】
次に、インピーダンス変成器を一段構成とした場合の動作について、図３を参照しながら説明する。まず、具体的な動作説明に先立ち、本第１実施形態の動作原理を説明する。
【００２８】
伝送線路は、直径の異なる伝送路第１ビア３及び伝送路第２ビア４を有し、各伝送線路ビア３、４の周囲のＧＮＤビア６との距離によって、任意の特性インピーダンスに設定することができる。すなわち、基板内部の伝送線路ビアの途中で特性インピーダンスを変更した回路を有する。
【００２９】
この伝送線路第２ビア４の長さは、伝送する中心周波数のλ／４に相当する長さ１１とする。また、伝送線路第２ビア４の特性インピーダンスＺ１は式１の条件を満たすものでなければならない。
【００３０】
ところで、高周波の伝送線路における特性インピーダンスの不整合箇所は反射点となり、伝送特性の劣化原因となる。従来構成においては、伝送線路ビアとリード端子の特性インピーダンスが異なっていた。従って、この特性インピーダンス不整合箇所の反射係数Γは、式２で与えられる。
【００３１】
Γ＝（Ｚｌ０−Ｚ０）／（Ｚｌ０＋Ｚ０）　　　　　……（式２）
一方、本実施の形態においては、伝送線路と伝送線路第１ビア３は、同じ特性インピーダンスを有するため、整合され、接合箇所での反射はない。
【００３２】
特性インピーダンスの不整合箇所は、２箇所あるが、各不整合箇所の各々の反射係数は式２に基づき、
（Ｚ１−Ｚ０）／（Ｚ１＋Ｚ０）
及び
（Ｚｌ０−Ｚ１）／（Ｚｌ０＋Ｚ１）
となる。この２点の反射係数は、伝送線路第２ビア４の特性インピーダンスＺ１が式１を満足しているので、同じ数値になる。この反射係数は、中心周波数以外の帯域での特性であり、中心周波数においては、この伝送線路第２ビアの長さを中心周波数のλ／４に相当する長さにすることで、Ｚ１とＺ０、Ｚ１とＺｌ０の各々の間で生じた反射波が逆位相となることでうち消し合い、反射波を防止することができる。
【００３３】
次に、上記構成を有する多層基板１２の具体的な動作について説明する。
【００３４】
上述したように、伝送線路第１ビア３の特性インピーダンスをＺ０、伝送線路とリード端子の間に挿入するインピーダンス変成器部として機能する伝送路第２ビア４の特性インピーダンスをＺ１、リード端子の特性インピーダンスをＺｌ０とする。
【００３５】
また、線路全体の反射係数をΓ、各接合点における反射係数をΓ１、Γ２とする。式１の関係を満足するように特性インピーダンスＺ１の値を選定すれば、線路全体の反射係数は式３のようになる。
【００３６】
Γ＝Γ１＋Γ２×ｅ^−２ｊθ　　　　　　　　　　　　　……（式３）
さらに、上述したように、伝送路第２ビア４の配線長θを中心周波数のλ／４にとれば、式３の第一項と第二項がうち消されて、Γを最小値にすることができる。
【００３７】
次に、多段変成器構成の動作について、図４を参照しながら説明する。図４は、インピーダンス変成器を３段構成とした場合の動作説明図である。
【００３８】
伝送線路と負荷の間に挿入するインピーダンス変成器の特性インピーダンスをＺ１、Ｚ２、Ｚ３とすると、各々のインピーダンスは、式１に基づき、式４〜６のようになる。
【００３９】
Ｚ１＝√（Ｚ０×Ｚ２）　　　　　　　　　　　　　……（式４）
Ｚ２＝√（Ｚ１×Ｚ３）　　　　　　　　　　　　　……（式５）
Ｚ３＝√（Ｚ３×Ｚｌ０）　　　　　　　　　　　　……（式６）
よって、連立方程式を解くと、式７〜式９が得られる。
【００４０】
Ｚ１＝Ｚ０^３／４×Ｚｌ０^１／４　　　　　　　　　　　　……（式７）
Ｚ２＝Ｚ０^１／２×Ｚｌ０^１／２　　　　　　　　　　　　……（式８）
Ｚ３＝Ｚ０^１／４×Ｚｌ０^３／４　　　　　　　　　　　　……（式９）
一段構成の場合と同様に、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３の各配線長は、中心周波数のλ／４とする。そして、多段構成では、通過帯域でリップルが発生するため、リップル対策を行う場合には、二項変成器構成とする。
【００４１】
この二項変成器構成によって、通過域特性の平坦性を向上することができる。具体的には、Ｎを変成器の段数の総数、ｎを各変成器の段数番号（０〜ｎ）とし、係数Ｃ^Ｎｎを式１０で表すものとする。
【００４２】
Ｃ^Ｎｎ＝Ｎ！／（Ｎ−ｎ）！×ｎ！　　　　　　　　　……（式１０）
これにより、Ｎ＝３（３段構成）の場合の各変成器における特性インピーダンスＺ１〜Ｚ３は式１１から算出できる。
【００４３】
ｌｎ（（Ｚｎ＋１）／Ｚｎ）＝２^−Ｎ　×Ｃ^Ｎｎ×ｌｎ（Ｚｌ０／Ｚ０）……（式１１）
また、通過周波数の帯域を確保する場合には、チェビシェフ変成器の構成とする。
【００４４】
上記と同様に３段構成とした場合、許容反射損をＰｍとすると、式１２が成立する。
【００４５】
ｓｅｃθｍ＝ｃｏｓｈ×｛ｃｏｓｈ^−１［（（（Ｚｌ０−Ｚ０）／（Ｚｌ０＋Ｚ０））／Ｐｍ）］／Ｎ｝……（式１２）
この式１２からθｍが求められる。求めたθｍを式１４〜１６に代入し、許容反射損Ｐｍ＝Ａ（係数）を代入すれば、各接合箇所での反射係数が求められる。
【００４６】
Γ０＝（Ａ／２）×ｓｅｃ^３θｍ　　　　　　　　　　　　　　……（式１３）
Γ１＝（３×Ａ／２）×（ｓｅｃ^３θｍ−ｓｅｃθｍ）……（式１４）
Γ２＝Γ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（式１５）
Γ３＝Γ０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　……（式１６）
そして、求めた各反射係数Γ１〜Γ３を式１７に代入すれば、各特性インピーダンスが求められる。
【００４７】
Ｚｎ＝（Ｚｎ−１×（１＋Γｎ−１）／（１−Γｎ−１））……（式１７）
この場合において、Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３の配線長は、中心周波数のλ／４とする。さらに、式１７の計算の精度向上のためには、リード端子側からの計算を行い、その平均を取ることが望ましい。
【００４８】
次に、本発明にかかる多層基板の第２の実施形態について、図５を参照しながら説明する。
【００４９】
以上の第１の実施形態においては、伝送線路第１ビア（主信号ビア）と、伝送線路第１ビアの中心軸に沿って内径の異なる伝送線路第２ビア（副信号ビア）を接続して、信号ビア群を構成していたが、本第２実施形態は、グランド第１ビア（主グランドビア）と、グランド第１ビアの中心軸に沿って内径の異なるグランド第２ビア（副グランドビア）を接続し、グランドビア群を構成する場合の実施形態である。
【００５０】
より具体的には、図５に示すように、伝送線路ビア３の直径は、各層において一定であるが、ＧＮＤ第１ビア６（主グランドビア）と直径の異なるＧＮＤ第２ビア７（副グランドビア）を接続し、その直径を変更することで、伝送線路ビア３の特性インピーダンスを各層で変更するようになっている。この場合において、ＧＮＤビア６、７は多層基板１２の側面メタライズとすることもできる。
【００５１】
次に、本発明にかかる多層基板の第３の実施形態について、図６を参照しながら説明する。
【００５２】
以上の各実施形態においては、内径の異なる二種類の伝送線路ビアあるいはグランドビアを接続していたが、本第３実施形態は、複数種類のビア（主信号ビア及び複数種類の副信号ビア）を接続するようにした実施形態である。図６においては、伝送線路第１ビア（主信号ビア）３を含め、内径の異なる４種類の伝送線路ビア（主信号ビア及び複数種類の副信号ビア）を接続している。
【００５３】
伝送線路第１ビア３とリード端子５の間には、内径の異なる、すなわち、特性インピーダンスの異なる伝送線路ビア（副信号ビア）８、９、１０が挿入されている。各々のビアの長さ（配線長）は、通過する信号の中心周波数のλ／４に設定されている。図６では、３段構成（伝送線路第１ビア３を含めると４段構成）となっているが、さらに多段構成とすることも可能である。このように、多段構成とすることで、通過帯域の高帯域化と低リップル化を図ることができる。
【００５４】
上記説明では、各ビア８、９、１０のビア長（配線長）は、中心周波数のλ／４になるようにしていたが、特性インピーダンスは、低リップル化や高帯域化の目的に応じて、前述した二項変成器またはチェビシェフ変成器等に基づく値（配線長）を選択するようにすることも可能である。
【００５５】
以上説明したように、基板に接続されたリード端子部等、構造上ＧＮＤとの距離を確保できない場合があり、リード端子に接続される配線やビアとの特性インピーダンスが一致しない場合に、特性インピーダンスの不整合箇所は、反射の発生箇所となり、反射係数Γ＝（Ｚｌ０−Ｚ０）／（Ｚｌ０＋Ｚ０）に応じた反射が発生する場合であっても、各実施形態によれば、伝送線路ビアを通過周波数のλ／４に相当するビア長とし、ビア径を調整することで、特性インピーダンスを制御し、特性インピーダンス不整合箇所に挿入して、任意の伝送特性を得ることができるため、伝送特性を向上させることができる。
【００５６】
また、リード端子のような基板間の接続部について伝送特性が劣化しないようにする場合には、フレキシブル多層基板等を使用して特性インピーダンスを一致させることが不要となり、構造の簡略化及び設計の容易化を図ることができる。
【００５７】
尚、以上の説明においては、伝送線路ビアあるいはグランド（ＧＮＤ）ビアのいずれか一方について対応するグランドビアあるいは伝送線路ビアとの距離を変更するべくその内径を変更していたが、伝送線路ビア及び当該伝送線路ビアに対応する位置に配置されたグランドビアの双方の内径を変更するように構成することも可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特性インピーダンスが不整合となる可能性のある部分について、ビアにより特性インピーダンスを整合させることができ、伝送特性の向上を図ることができる。また、これにより、リード端子等の構造を特性インピーダンスを考慮した構造とする必要がなくなり、構成の簡略化及び設計の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる多層基板の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の多層基板の正面図である。
【図３】本発明にかかる多層基板においてインピーダンス変成器を一段構成とした場合の動作説明図である。
【図４】本発明にかかる多層基板においてインピーダンス変成器を三段構成とした場合の動作説明図である。
【図５】本発明にかかる多層基板の第２の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明にかかる多層基板の第３の実施形態を示す断面図である。
【図７】従来の多層基板の一例を示す断面図である。
【図８】従来の多層基板の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　　　　　伝送線路
２　　　　　　ＧＮＤパターン
３　　　　　　伝送線路第１ビア（主信号ビア、信号ビア群）
４　　　　　　伝送線路第２ビア（副信号ビア、信号ビア群）
５　　　　　　リード端子
６　　　　　　ＧＮＤ第１ビア（主グランドビア、グランドビア群）
７　　　　　　ＧＮＤ第２ビア（副グランドビア、グランドビア群）
８　　　　　　伝送線路第３ビア（副信号ビア、信号ビア群）
９　　　　　　伝送線路第４ビア（副信号ビア、信号ビア群）
１０　　　　伝送線路第５ビア（副信号ビア、信号ビア群）
１１　　　　伝送線路ビア長
１２　　　　多層基板

Claims

高周波回路用の多層基板において、
主信号ビアと、該主信号ビアの中心軸に沿って内径の異なる一または複数種類の副信号ビアとを接続して信号ビア群を構成し、
前記各副信号ビアの内径は、当該信号ビア群に要求される所望の特性インピーダンスに基づいて設定されていることを特徴とする多層基板。
前記各副信号ビアの内径は、前記信号ビア群に対応するグランドビアあるいはグランドビア群との直径方向の距離と前記特性インピーダンスとの関係に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１記載の多層基板。
前記各副信号ビアの長さは、伝送すべき信号の中心波長をλとした場合に、
１／４λ
に設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の多層基板。
高周波回路用の多層基板において、
主グランドビアと、前記主グランドビアの中心軸に沿って内径の異なる一または複数種類の副グランドビアとを接続して、グランドビア群を構成し、
前記各副グランドビアの内径は、当該グランドビア群に要求される所望の特性インピーダンスに基づいて設定されていることを特徴とする多層基板。
前記各副グランドビアの内径は、前記グランドビア群に対応する信号ビアあるいは信号ビア群との直径方向の距離と前記特性インピーダンスとの関係に基づいて設定されていることを特徴とする請求項４記載の多層基板。
前記各副グランドビアの長さは、伝送すべき信号の中心波長をλとした場合に、
１／４λ
に設定されていることを特徴とする請求項４または５記載の多層基板。
請求項１乃至６のいずれかに記載の多層基板と、
前記信号ビア群の一端に接続された伝送線路と、
前記信号ビア群の他端に接続された半導体回路とを備えたことを特徴とする半導体装置。
前記主信号ビアの特性インピーダンスをＺ０とし、前記副信号ビアの特性インピーダンスをＺ１とし、前記半導体回路の接続部のインピーダンスをＺｌ０とした場合に、
Ｚ１＝√（Ｚ０×Ｚｌ０）
とすることを特徴とする請求項７記載の半導体装置。