JP2004088504A - 高周波素子収納用パッケージ - Google Patents
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Abstract
【課題】電磁波等による高周波線路を伝達する高周波信号の劣化を防ぐ高周波素子収納用パッケージを提供する。
【解決手段】絶縁層１ａおよび少なくとも接地導体１ｃを含む配線導体層１ｂを交互に複数層積層して成るとともに側面に接地導体１ｃが露出した、上面に高周波素子７が搭載される搭載部Ｓを有する回路基板１と、この回路基板１の側面に搭載部Ｓを囲繞するとともに側面に露出した接地導体１ｃと電気的に接続するように取着された金属枠体２とを具備した高周波素子収納用パッケージにおいて、回路基板１は側面に接地導体１ｃ同士を接続する側面導体９が形成されており、この側面導体９は金属枠体２と導電性接合材８を介して接合されている。
【選択図】 図１
【解決手段】絶縁層１ａおよび少なくとも接地導体１ｃを含む配線導体層１ｂを交互に複数層積層して成るとともに側面に接地導体１ｃが露出した、上面に高周波素子７が搭載される搭載部Ｓを有する回路基板１と、この回路基板１の側面に搭載部Ｓを囲繞するとともに側面に露出した接地導体１ｃと電気的に接続するように取着された金属枠体２とを具備した高周波素子収納用パッケージにおいて、回路基板１は側面に接地導体１ｃ同士を接続する側面導体９が形成されており、この側面導体９は金属枠体２と導電性接合材８を介して接合されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野やマイクロ波通信、ミリ波通信等の分野で用いられる、高い周波数帯域で動作する各種半導体素子を収納する高周波素子収納用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等で使用される、高い周波数で作動する各種半導体素子を収納する高周波素子収納用パッケージの断面図を図２に示す。
図２に示すように、従来の高周波素子収納用パッケージは、主に回路基板１０１と、金属枠体１０２と、同軸コネクタ（ガラスビーズ端子ともいう）１０３と、蓋体１０６とから構成されている。
【０００３】
回路基板１０１は、セラミックスから成る絶縁層１０１ａおよび配線導体層１０１ｂを交互に複数層積層して成るとともに側面に配線導体層１０１ｂを構成する接地導体１０１ｃが露出している。配線導体層１０１ｂは、少なくとも接地導体１０１ｃを含み、通常は信号配線導体、電源導体および接地導体１０１ｃで構成されている。信号配線導体は高周波素子１０７に高周波信号を伝達する機能を、電源導体は高周波素子１０７に電源電圧を供給する機能を、そして接地導体１０１ｃは高周波素子１０７や信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能を有する。また、回路基板１０１は、上面にＳｉＧｅなどのＳｉ系やＧａＡｓ、ＩｎＰといった化合物系の高周波素子１０７が搭載される搭載部Ｓを有している。なお、上下に位置する信号配線導体や電源導体、接地導体１０１ｃ同士は、絶縁層１０１ａに形成された貫通導体（図示せず）により電気的に接続されている。
【０００４】
また、金属枠体１０２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成り、回路基板１０１の側面に、搭載部Ｓを囲繞するとともに側面に露出した接地導体１０１ｃと電気的に接続するようにろう材や樹脂などの導電性接合材１０８を介して取着されており、側部には貫通孔１０２ａが形成されている。
【０００５】
さらに、同軸コネクタ１０３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る外周導体１０３ａと、その中心軸に配置された、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る中心導体１０３ｃと、それらの間に介在させた、硼珪酸ガラス等の誘電体材料から成る絶縁体１０３ｂとから成り、金属枠体１０２の貫通孔１０２ａ内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等のろう材により嵌着されているとともに、中心導体１０３ｃが回路基板１０１表面に形成された信号配線導体と電気的に接続されている。なお、同軸コネクタ１０３は、外部電気回路（図示せず）と高周波素子１０７とを電気的に接続する機能を有するとともに高周波素子収納用パッケージ内部を塞ぐ機能を有し、高周波信号が伝送される中心導体１０３ｃと外周導体１０３ａとが、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。
【０００６】
そして、このような高周波素子収納用パッケージは、高周波素子１０７を回路基板１０１の搭載部Ｓに樹脂やろう材等の接着材で固定するとともに高周波素子１０７の各電極を配線導体層１０１ｂにボンディングワイヤ１１０等の接続手段を用いて電気的に接続し、しかる後、金属枠体１０２上面に例えば金属材料から成る蓋体１０６をシーム溶接やろう付け等により接合することにより、製品としての高周波装置となる。
【０００７】
また、この高周波装置は、例えば外部から供給される低周波信号を回路基板１０１の下面に形成した半田ボール１０４を介して高周波素子１０７に伝達し、高周波素子１０７にて時間多重（ＴＤＭ）を施し、高周波信号として同軸コネクタから出力させることにより、大容量の情報を高速に伝送できる伝送変換装置として機能させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の高周波素子収納用パッケージにおいては、同軸コネクタ１０３の外周導体１０３ａと金属枠体１０２との接合が広い面積で半田等のろう材を介して強固になされているものの、金属枠体１０２と回路基板１０１の接地導体１０１ｃとの接合は、金属枠体１０２と厚みが数μｍ程度の接地導体１０１ｃにおける回路基板１０１の側面へ露出した部位との狭い面積での接合であること、および半田等のろう材から成る導電性接合材１０８の粘度が高いことから、両者を接続する導電性接合材１０８にボイド等の隙間があった場合、金属枠体１０２と回路基板１０１の接地導体１０１ｃとの電気的接続が不安定となり、信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールド機能が低下し、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大し、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が安定で、高周波領域において共振が発生して反射損失が増大することのない、高周波特性に優れた高周波素子収納用パッケージを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波素子収納用パッケージは、絶縁層および少なくとも接地導体を含む配線導体層を交互に複数層積層して成るとともに側面に前記接地導体が露出した、上面に高周波素子が搭載される搭載部を有する回路基板と、この回路基板の前記側面に前記搭載部を囲繞するとともに前記側面に露出した前記接地導体と電気的に接続するように取着された金属枠体とを具備して成る高周波素子収納用パッケージにおいて、前記回路基板は前記側面に前記接地導体同士を接続する側面導体が形成されており、該側面導体は前記金属枠体と導電性接合材を介して接合されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板の側面に接地導体同士を電気的に接続する側面導体を形成するとともに、この側面導体と金属枠体とを導電性接合材を介して接合したことから、接地導体と金属枠体との導電性接合材を介しての接合が側面導体と金属枠体との導電性接続材を介しての広い面積での接合となることから、半田等の粘度が高い導電性接合材を用いて両者を接合した際に導電性接合材にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の高周波素子収納用パッケージを添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の高周波素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【００１３】
この図において、１は高周波素子を搭載する回路基板、２は金属枠体、３は高周波信号の入出力端子である同軸コネクタ、４は回路基板の配線導体層と貫通導体（図示せず）で電気的に接続されているＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｌｌａｙ）のボール部、６は蓋体、７はＳｉＧｅなどＳｉ系もしくはＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体素子等の高周波素子である。そして本発明の高周波素子収納用パッケージは、回路基板１および金属枠体２を具備し、必要に応じて同軸コネクタ３やボール部４・蓋体６等が付加される。
【００１４】
回路基板１は、光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等で使用される、高い周波数で作動する各種半導体素子等の高周波素子７を支持するための支持部材ならびに高周波素子７が発する熱を外部へ放散するための放熱板として機能し、その上面の中央部には高周波素子７を搭載する搭載部Ｓを有する。
【００１５】
このような回路基板１は、絶縁層１ａおよび配線導体層１ｂを交互に複数層積層することにより形成されている。
絶縁層１ａは、エポキシ樹脂等の有機絶縁材料や、酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等のセラミックス等の無機絶縁材料から成り、放熱性の観点からはセラミックス等の無機絶縁材料から成ることが好ましい。絶縁層１ａは、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採用しシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１６】
また、配線導体層１ｂは少なくとも接地導体１ｃを含み、通常は信号配線導体、電源導体および接地導体１ｃで構成されている。信号配線導体は高周波素子７に高周波信号を伝達する機能を、電源導体は高周波素子７に電源電圧を供給する機能を、そして接地導体１ｃは高周波素子７や信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能を有する。なお、上下に位置する信号配線導体、電源導体および接地導体１ｃ同士は、各絶縁層１ａに形成された貫通導体（図示せず）を介して電気的に接続されており、回路基板１の搭載部Ｓ近傍に位置する配線導体層１ｂに高周波素子７の各電極をボンディングワイヤ１０等を介して電気的に接続することにより、高周波素子７の各電極は回路基板１の下面に形成された、後述する半田等の導電性部材から成るボール部４に電気的に接続されることとなる。なお、高周波素子７を回路基板１の搭載部ＳにＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ろう材を介して接着固定することにより、高周波素子７が発する熱を低融点ろう材を介して外部に効率良く放散することができ、高周波素子７の作動性をより良好なものとすることができる。
【００１７】
このような配線導体層１ｂは、絶縁層１ａが例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して絶縁層１ａとなるセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって絶縁層１ａの所望の箇所に所定パターンに被着形成される。
【００１８】
そして、本発明の高周波素子収納用パッケージにおいては、接地導体１ｃが回路基板１の側面へ露出するように形成されているとともに、回路基板１の側面にはこの側面に露出した接地導体１ｃ同士を電気的に接続する側面導体９が形成されており、このことが重要である。
【００１９】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、接地導体１ｃが回路基板１の側面へ露出するように形成されているとともに、回路基板１の側面にはこの側面に露出した接地導体１ｃ同士を電気的に接続する側面導体９を形成したことから、この側面導体９と後述する金属枠体２とを導電性接合材８を介して接合する際、接地導体１ｃと金属枠体２との導電性接合材８を介しての接合が側面導体９と金属枠体２との導電性接続材８を介しての広い面積での接合となって、半田等の粘度が高い導電性接合材８を用いて両者を接合した際に導電性接合材８にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体２と回路基板１の接地導体１ｃとの電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子７の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【００２０】
なお、側面導体９は、接地導体１ｃと強固に接続させるという観点からは、接地導体１ｃと同じ材料で形成することが好ましく、接地導体１ｃが例えばタングステンから成る場合であれば、タングステンの粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して、回路基板１となる、側面に接地導体１ｃが露出したセラミックグリーンシート積層体の側面にあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって回路基板１の側面に所定パターンに被着形成される。なお、側面導体９は、金属枠体２と広い面積で強固に接続するという観点からは、回路基板１の側面の全面あるいは略全面に被着形成することが好ましい。
【００２１】
金属枠体２はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属材料から成り、回路基板１の側面に、搭載部Ｓを囲繞するとともに側面に露出した接地導体１ｃと電気的に接続するようにろう材や樹脂などの導電性接合材８を介して取着されており、本実施例では側部には同軸コネクタ３を嵌着するための貫通孔２ａが形成されている。
【００２２】
金属枠体２は、回路基板１に搭載される高周波素子７を回路基板１と後述する蓋体６とで気密に封止する機能、高周波素子７や回路基板１の信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能、および後述する同軸コネクタを保持する機能等を有し、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に製作される。また、その表面に耐蝕性に優れかつろう材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層と厚さ０．１〜９μｍのＡｕ層を順次めっき法により被着させておくと、金属枠体２の酸化腐食するのを有効に防止することができるとともに、回路基板１とろう材などを介して強固に接合させることができる。従って、所定の形状に製作された金属基体１の表面に０．５〜９μｍのＮｉ層および０．１〜９μｍのＡｕ層の金属層をめっき法により被着させておくことが好ましい。
【００２３】
なお、金属枠体２と回路基板１の側面導体９とを接合する導電性接合材８は、半田等の低融点ろう材が用いられる。そして、回路基板１の側面に形成した側面導体９の表面に、例えば半田ペーストをスクリーン印刷法等を用いて印刷塗布するとともに回路基板１を金属枠体２内部の所定位置に挿入し、しかる後、半田の融点以上の温度で加熱することにより、回路基板１と金属枠体２とが強固に接合される。
【００２４】
また、金属枠体２の貫通孔２ａには、同軸コネクタ３が嵌着されている。
同軸コネクタ３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属材料から成る外周導体３ａと、その中心軸に配置された、外周導体３ａと同様な材料から成る中心導体３ｃと、それらの間に介在させた、硼珪酸ガラス等の誘電体材料から成る絶縁体３ｂとから成り、金属枠体２の貫通孔２ａ内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等のろう材により嵌着されているとともに、中心導体３ｃが回路基板１表面に形成された信号配線導体と電気的に接続されている。なお、同軸コネクタ３は、外部電気回路（図示せず）と高周波素子７とを電気的に接続する機能を有するとともに高周波素子収納用パッケージ内部を塞ぐ機能を有し、高周波信号が伝送される中心導体３ｃと外周導体３ａとが、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。
【００２５】
なお、回路基板１表面に形成する、同軸コネクタ３の中心導体３ｃと接続する信号配線導体は、同軸コネクタ３の中心導体３ｃのインピーダンスと同じになるようにマイクロストリップ線路としておくことが好ましい。また、金属枠体２は、回路基板１との接合における熱歪みを小さくし接合を強固なものとするとともに、パッケージ外部との電磁的遮蔽を行なうために、回路基板１を構成するセラミックスの熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属材料を用いるのがよい。
【００２６】
また、中心導体３ｃの回路基板１の信号配線導体と接合する部位の長さは、０．１〜０．５ｍｍが好ましい。０．１ｍｍ未満では、接合長および接合面積が小さくなりすぎて、信号配線導体にＳｎ−Ａｕ半田などの低融点ろう材で強固に接合することが困難となり、電気特性面での信頼性が得られなくなる傾向がある。また、０．５ｍｍを超える場合、信号配線導体から成るマイクロストリップ線路との接合部が長すぎてインピーダンス整合がとり難くなり、高周波信号の反射損失が大きくなる傾向がある。
【００２７】
さらに、中心導体３ｃの回路基板１の信号配線導体と接合する部位の幅は、信号配線導体から成るマイクロストリップ線路の信号ライン幅より狭いことが好ましい。中心導体３ｃの回路基板１の信号配線導体と接合する部位の幅がマイクロストリップ線路の信号ライン幅より広い場合、マイクロストリップ線路とのインピーダンス整合がとれず高周波信号の反射損失が増大する傾向にある。
【００２８】
なお、中心導体３ｃの方向と回路基板１表面に形成された信号配線導体の方向とがなす角度は、０〜９０°の範囲であれば良く、この範囲を外れる場合、高周波信号の反射損失が非常に大きくなる傾向がある。
【００２９】
なお、金属枠体２、同軸コネクタ３の外周導体３ａおよび中心導体３ｃとは熱膨張係数を整合させるという観点からは、同一の金属材料で形成することが好ましい。
【００３０】
また、蓋体６は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料や酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成るとともに、金属枠体２の上面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ろう材を介して接合されたり、ＹＡＧレーザ溶接等の溶接により接合され、高周波素子７をパッケージ内部に封止する機能を有する。
【００３１】
蓋体６は、パッケージを電磁的にシールドするという観点からはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成ることが好ましく、例えば蓋体６がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る場合は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に製作される。蓋体６の縦・横の長さは金属枠体２外周の縦・横の長さと略同一であり、厚みは必要とされる強度等により適宜決められる。
【００３２】
このような蓋体６は、例えば蓋体２がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る場合は、金属枠体２の上面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ろう材を介して接合される。
【００３３】
かくして本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板１の搭載部Ｓに高周波素子７をＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ろう材を介して接着固定するとともに、回路基板１の搭載部Ｓ近傍に位置する配線導体層１ｂに高周波素子７の各電極をボンディングワイヤ７等を介して電気的に接続し、次に、回路基板１と金属枠体２とを導電性接合材８を介して接合し、さらに金属枠体２の貫通孔２ａに同軸コネクタ２を嵌着するとともに中心導体３ｃを回路基板１表面に形成された信号配線導体からなるマイクロストリップ線路にＳｎ−Ａｕ半田などの低融点ろう材で接合し、さらに蓋体６でパッケージ内部を気密に封止することにより高周波装置となる。
【００３４】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、伝送される高周波信号の周波数が高くなっても、同軸コネクタ３の外周導体３ａと金属枠体２、回路基板１の側面導体９が広い面積での接合となっているので、電気的なシールドの機能が薄れることはなく、共振が発生を抑制し、反射損失を低減させることでき、高周波伝送特性の向上が可能となる。
【００３５】
なお、本発明の高周波素子収納用パッケージにおいては、高周波信号の周波数は１〜１００ＧＨｚ程度であり、特に３０ＧＨｚ以上の高い周波数において従来電気的なシールドの機能が薄れていたのを、本発明ではシールドの機能を高めている。
【００３６】
なお、本発明は上述の実施の形態の一例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行なうことは何等支障ない。金属枠体２が一体的に形成されたもの、例えばメタル・インジェクション・モールド（ＭＩＭ）法等によって作製されたものであっても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板の側面に接地導体同士を電気的に接続する側面導体を形成するとともに、この側面導体と金属枠体とを導電性接合材を介して接合したことから、接地導体と金属枠体との導電性接合材を介しての接合が側面導体と金属枠体との導電性接続材を介しての広い面積での接合となることから、半田等の粘度が高い導電性接合材を用いて両者を接合した際に導電性接合材にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の高周波素子収納用パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・・回路基板
１ａ・・・・・・・・絶縁層
１ｂ・・・・・・・・配線導体層
１ｃ・・・・・・・・接地導体
２・・・・・・・・・金属枠体
２ａ・・・・・・・・貫通孔
３・・・・・・・・・同軸コネクタ
３ａ・・・・・・・・外周導体
３ｂ・・・・・・・・絶縁体
３ｃ・・・・・・・・中心導体
６・・・・・・・・・蓋体
７・・・・・・・・・高周波素子
８・・・・・・・・・導電性接合材
９・・・・・・・・・側面導体
Ｓ・・・・・・・・・搭載部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野やマイクロ波通信、ミリ波通信等の分野で用いられる、高い周波数帯域で動作する各種半導体素子を収納する高周波素子収納用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等で使用される、高い周波数で作動する各種半導体素子を収納する高周波素子収納用パッケージの断面図を図２に示す。
図２に示すように、従来の高周波素子収納用パッケージは、主に回路基板１０１と、金属枠体１０２と、同軸コネクタ（ガラスビーズ端子ともいう）１０３と、蓋体１０６とから構成されている。
【０００３】
回路基板１０１は、セラミックスから成る絶縁層１０１ａおよび配線導体層１０１ｂを交互に複数層積層して成るとともに側面に配線導体層１０１ｂを構成する接地導体１０１ｃが露出している。配線導体層１０１ｂは、少なくとも接地導体１０１ｃを含み、通常は信号配線導体、電源導体および接地導体１０１ｃで構成されている。信号配線導体は高周波素子１０７に高周波信号を伝達する機能を、電源導体は高周波素子１０７に電源電圧を供給する機能を、そして接地導体１０１ｃは高周波素子１０７や信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能を有する。また、回路基板１０１は、上面にＳｉＧｅなどのＳｉ系やＧａＡｓ、ＩｎＰといった化合物系の高周波素子１０７が搭載される搭載部Ｓを有している。なお、上下に位置する信号配線導体や電源導体、接地導体１０１ｃ同士は、絶縁層１０１ａに形成された貫通導体（図示せず）により電気的に接続されている。
【０００４】
また、金属枠体１０２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成り、回路基板１０１の側面に、搭載部Ｓを囲繞するとともに側面に露出した接地導体１０１ｃと電気的に接続するようにろう材や樹脂などの導電性接合材１０８を介して取着されており、側部には貫通孔１０２ａが形成されている。
【０００５】
さらに、同軸コネクタ１０３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る外周導体１０３ａと、その中心軸に配置された、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る中心導体１０３ｃと、それらの間に介在させた、硼珪酸ガラス等の誘電体材料から成る絶縁体１０３ｂとから成り、金属枠体１０２の貫通孔１０２ａ内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等のろう材により嵌着されているとともに、中心導体１０３ｃが回路基板１０１表面に形成された信号配線導体と電気的に接続されている。なお、同軸コネクタ１０３は、外部電気回路（図示せず）と高周波素子１０７とを電気的に接続する機能を有するとともに高周波素子収納用パッケージ内部を塞ぐ機能を有し、高周波信号が伝送される中心導体１０３ｃと外周導体１０３ａとが、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。
【０００６】
そして、このような高周波素子収納用パッケージは、高周波素子１０７を回路基板１０１の搭載部Ｓに樹脂やろう材等の接着材で固定するとともに高周波素子１０７の各電極を配線導体層１０１ｂにボンディングワイヤ１１０等の接続手段を用いて電気的に接続し、しかる後、金属枠体１０２上面に例えば金属材料から成る蓋体１０６をシーム溶接やろう付け等により接合することにより、製品としての高周波装置となる。
【０００７】
また、この高周波装置は、例えば外部から供給される低周波信号を回路基板１０１の下面に形成した半田ボール１０４を介して高周波素子１０７に伝達し、高周波素子１０７にて時間多重（ＴＤＭ）を施し、高周波信号として同軸コネクタから出力させることにより、大容量の情報を高速に伝送できる伝送変換装置として機能させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の高周波素子収納用パッケージにおいては、同軸コネクタ１０３の外周導体１０３ａと金属枠体１０２との接合が広い面積で半田等のろう材を介して強固になされているものの、金属枠体１０２と回路基板１０１の接地導体１０１ｃとの接合は、金属枠体１０２と厚みが数μｍ程度の接地導体１０１ｃにおける回路基板１０１の側面へ露出した部位との狭い面積での接合であること、および半田等のろう材から成る導電性接合材１０８の粘度が高いことから、両者を接続する導電性接合材１０８にボイド等の隙間があった場合、金属枠体１０２と回路基板１０１の接地導体１０１ｃとの電気的接続が不安定となり、信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールド機能が低下し、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大し、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が安定で、高周波領域において共振が発生して反射損失が増大することのない、高周波特性に優れた高周波素子収納用パッケージを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波素子収納用パッケージは、絶縁層および少なくとも接地導体を含む配線導体層を交互に複数層積層して成るとともに側面に前記接地導体が露出した、上面に高周波素子が搭載される搭載部を有する回路基板と、この回路基板の前記側面に前記搭載部を囲繞するとともに前記側面に露出した前記接地導体と電気的に接続するように取着された金属枠体とを具備して成る高周波素子収納用パッケージにおいて、前記回路基板は前記側面に前記接地導体同士を接続する側面導体が形成されており、該側面導体は前記金属枠体と導電性接合材を介して接合されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板の側面に接地導体同士を電気的に接続する側面導体を形成するとともに、この側面導体と金属枠体とを導電性接合材を介して接合したことから、接地導体と金属枠体との導電性接合材を介しての接合が側面導体と金属枠体との導電性接続材を介しての広い面積での接合となることから、半田等の粘度が高い導電性接合材を用いて両者を接合した際に導電性接合材にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の高周波素子収納用パッケージを添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の高周波素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【００１３】
この図において、１は高周波素子を搭載する回路基板、２は金属枠体、３は高周波信号の入出力端子である同軸コネクタ、４は回路基板の配線導体層と貫通導体（図示せず）で電気的に接続されているＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｌｌａｙ）のボール部、６は蓋体、７はＳｉＧｅなどＳｉ系もしくはＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体素子等の高周波素子である。そして本発明の高周波素子収納用パッケージは、回路基板１および金属枠体２を具備し、必要に応じて同軸コネクタ３やボール部４・蓋体６等が付加される。
【００１４】
回路基板１は、光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等で使用される、高い周波数で作動する各種半導体素子等の高周波素子７を支持するための支持部材ならびに高周波素子７が発する熱を外部へ放散するための放熱板として機能し、その上面の中央部には高周波素子７を搭載する搭載部Ｓを有する。
【００１５】
このような回路基板１は、絶縁層１ａおよび配線導体層１ｂを交互に複数層積層することにより形成されている。
絶縁層１ａは、エポキシ樹脂等の有機絶縁材料や、酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等のセラミックス等の無機絶縁材料から成り、放熱性の観点からはセラミックス等の無機絶縁材料から成ることが好ましい。絶縁層１ａは、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採用しシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１６】
また、配線導体層１ｂは少なくとも接地導体１ｃを含み、通常は信号配線導体、電源導体および接地導体１ｃで構成されている。信号配線導体は高周波素子７に高周波信号を伝達する機能を、電源導体は高周波素子７に電源電圧を供給する機能を、そして接地導体１ｃは高周波素子７や信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能を有する。なお、上下に位置する信号配線導体、電源導体および接地導体１ｃ同士は、各絶縁層１ａに形成された貫通導体（図示せず）を介して電気的に接続されており、回路基板１の搭載部Ｓ近傍に位置する配線導体層１ｂに高周波素子７の各電極をボンディングワイヤ１０等を介して電気的に接続することにより、高周波素子７の各電極は回路基板１の下面に形成された、後述する半田等の導電性部材から成るボール部４に電気的に接続されることとなる。なお、高周波素子７を回路基板１の搭載部ＳにＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ろう材を介して接着固定することにより、高周波素子７が発する熱を低融点ろう材を介して外部に効率良く放散することができ、高周波素子７の作動性をより良好なものとすることができる。
【００１７】
このような配線導体層１ｂは、絶縁層１ａが例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して絶縁層１ａとなるセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって絶縁層１ａの所望の箇所に所定パターンに被着形成される。
【００１８】
そして、本発明の高周波素子収納用パッケージにおいては、接地導体１ｃが回路基板１の側面へ露出するように形成されているとともに、回路基板１の側面にはこの側面に露出した接地導体１ｃ同士を電気的に接続する側面導体９が形成されており、このことが重要である。
【００１９】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、接地導体１ｃが回路基板１の側面へ露出するように形成されているとともに、回路基板１の側面にはこの側面に露出した接地導体１ｃ同士を電気的に接続する側面導体９を形成したことから、この側面導体９と後述する金属枠体２とを導電性接合材８を介して接合する際、接地導体１ｃと金属枠体２との導電性接合材８を介しての接合が側面導体９と金属枠体２との導電性接続材８を介しての広い面積での接合となって、半田等の粘度が高い導電性接合材８を用いて両者を接合した際に導電性接合材８にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体２と回路基板１の接地導体１ｃとの電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子７の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【００２０】
なお、側面導体９は、接地導体１ｃと強固に接続させるという観点からは、接地導体１ｃと同じ材料で形成することが好ましく、接地導体１ｃが例えばタングステンから成る場合であれば、タングステンの粉末に適当な有機溶剤・溶媒・可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して、回路基板１となる、側面に接地導体１ｃが露出したセラミックグリーンシート積層体の側面にあらかじめ印刷塗布しておき、これをセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって回路基板１の側面に所定パターンに被着形成される。なお、側面導体９は、金属枠体２と広い面積で強固に接続するという観点からは、回路基板１の側面の全面あるいは略全面に被着形成することが好ましい。
【００２１】
金属枠体２はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属材料から成り、回路基板１の側面に、搭載部Ｓを囲繞するとともに側面に露出した接地導体１ｃと電気的に接続するようにろう材や樹脂などの導電性接合材８を介して取着されており、本実施例では側部には同軸コネクタ３を嵌着するための貫通孔２ａが形成されている。
【００２２】
金属枠体２は、回路基板１に搭載される高周波素子７を回路基板１と後述する蓋体６とで気密に封止する機能、高周波素子７や回路基板１の信号配線導体へのノイズ等の侵入を阻止するシールドの機能、および後述する同軸コネクタを保持する機能等を有し、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に製作される。また、その表面に耐蝕性に優れかつろう材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層と厚さ０．１〜９μｍのＡｕ層を順次めっき法により被着させておくと、金属枠体２の酸化腐食するのを有効に防止することができるとともに、回路基板１とろう材などを介して強固に接合させることができる。従って、所定の形状に製作された金属基体１の表面に０．５〜９μｍのＮｉ層および０．１〜９μｍのＡｕ層の金属層をめっき法により被着させておくことが好ましい。
【００２３】
なお、金属枠体２と回路基板１の側面導体９とを接合する導電性接合材８は、半田等の低融点ろう材が用いられる。そして、回路基板１の側面に形成した側面導体９の表面に、例えば半田ペーストをスクリーン印刷法等を用いて印刷塗布するとともに回路基板１を金属枠体２内部の所定位置に挿入し、しかる後、半田の融点以上の温度で加熱することにより、回路基板１と金属枠体２とが強固に接合される。
【００２４】
また、金属枠体２の貫通孔２ａには、同軸コネクタ３が嵌着されている。
同軸コネクタ３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属材料から成る外周導体３ａと、その中心軸に配置された、外周導体３ａと同様な材料から成る中心導体３ｃと、それらの間に介在させた、硼珪酸ガラス等の誘電体材料から成る絶縁体３ｂとから成り、金属枠体２の貫通孔２ａ内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等のろう材により嵌着されているとともに、中心導体３ｃが回路基板１表面に形成された信号配線導体と電気的に接続されている。なお、同軸コネクタ３は、外部電気回路（図示せず）と高周波素子７とを電気的に接続する機能を有するとともに高周波素子収納用パッケージ内部を塞ぐ機能を有し、高周波信号が伝送される中心導体３ｃと外周導体３ａとが、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。
【００２５】
なお、回路基板１表面に形成する、同軸コネクタ３の中心導体３ｃと接続する信号配線導体は、同軸コネクタ３の中心導体３ｃのインピーダンスと同じになるようにマイクロストリップ線路としておくことが好ましい。また、金属枠体２は、回路基板１との接合における熱歪みを小さくし接合を強固なものとするとともに、パッケージ外部との電磁的遮蔽を行なうために、回路基板１を構成するセラミックスの熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属材料を用いるのがよい。
【００２６】
また、中心導体３ｃの回路基板１の信号配線導体と接合する部位の長さは、０．１〜０．５ｍｍが好ましい。０．１ｍｍ未満では、接合長および接合面積が小さくなりすぎて、信号配線導体にＳｎ−Ａｕ半田などの低融点ろう材で強固に接合することが困難となり、電気特性面での信頼性が得られなくなる傾向がある。また、０．５ｍｍを超える場合、信号配線導体から成るマイクロストリップ線路との接合部が長すぎてインピーダンス整合がとり難くなり、高周波信号の反射損失が大きくなる傾向がある。
【００２７】
さらに、中心導体３ｃの回路基板１の信号配線導体と接合する部位の幅は、信号配線導体から成るマイクロストリップ線路の信号ライン幅より狭いことが好ましい。中心導体３ｃの回路基板１の信号配線導体と接合する部位の幅がマイクロストリップ線路の信号ライン幅より広い場合、マイクロストリップ線路とのインピーダンス整合がとれず高周波信号の反射損失が増大する傾向にある。
【００２８】
なお、中心導体３ｃの方向と回路基板１表面に形成された信号配線導体の方向とがなす角度は、０〜９０°の範囲であれば良く、この範囲を外れる場合、高周波信号の反射損失が非常に大きくなる傾向がある。
【００２９】
なお、金属枠体２、同軸コネクタ３の外周導体３ａおよび中心導体３ｃとは熱膨張係数を整合させるという観点からは、同一の金属材料で形成することが好ましい。
【００３０】
また、蓋体６は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料や酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成るとともに、金属枠体２の上面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ろう材を介して接合されたり、ＹＡＧレーザ溶接等の溶接により接合され、高周波素子７をパッケージ内部に封止する機能を有する。
【００３１】
蓋体６は、パッケージを電磁的にシールドするという観点からはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成ることが好ましく、例えば蓋体６がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る場合は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に製作される。蓋体６の縦・横の長さは金属枠体２外周の縦・横の長さと略同一であり、厚みは必要とされる強度等により適宜決められる。
【００３２】
このような蓋体６は、例えば蓋体２がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る場合は、金属枠体２の上面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ろう材を介して接合される。
【００３３】
かくして本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板１の搭載部Ｓに高周波素子７をＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ろう材を介して接着固定するとともに、回路基板１の搭載部Ｓ近傍に位置する配線導体層１ｂに高周波素子７の各電極をボンディングワイヤ７等を介して電気的に接続し、次に、回路基板１と金属枠体２とを導電性接合材８を介して接合し、さらに金属枠体２の貫通孔２ａに同軸コネクタ２を嵌着するとともに中心導体３ｃを回路基板１表面に形成された信号配線導体からなるマイクロストリップ線路にＳｎ−Ａｕ半田などの低融点ろう材で接合し、さらに蓋体６でパッケージ内部を気密に封止することにより高周波装置となる。
【００３４】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、伝送される高周波信号の周波数が高くなっても、同軸コネクタ３の外周導体３ａと金属枠体２、回路基板１の側面導体９が広い面積での接合となっているので、電気的なシールドの機能が薄れることはなく、共振が発生を抑制し、反射損失を低減させることでき、高周波伝送特性の向上が可能となる。
【００３５】
なお、本発明の高周波素子収納用パッケージにおいては、高周波信号の周波数は１〜１００ＧＨｚ程度であり、特に３０ＧＨｚ以上の高い周波数において従来電気的なシールドの機能が薄れていたのを、本発明ではシールドの機能を高めている。
【００３６】
なお、本発明は上述の実施の形態の一例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行なうことは何等支障ない。金属枠体２が一体的に形成されたもの、例えばメタル・インジェクション・モールド（ＭＩＭ）法等によって作製されたものであっても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の高周波素子収納用パッケージによれば、回路基板の側面に接地導体同士を電気的に接続する側面導体を形成するとともに、この側面導体と金属枠体とを導電性接合材を介して接合したことから、接地導体と金属枠体との導電性接合材を介しての接合が側面導体と金属枠体との導電性接続材を介しての広い面積での接合となることから、半田等の粘度が高い導電性接合材を用いて両者を接合した際に導電性接合材にボイドなどの隙間が発生したとしても、金属枠体と回路基板の接地導体との電気的接続が不安定となることはなく、その結果、高周波領域において共振が発生し反射損失が増大してしまい、高周波素子の高周波特性が劣化してしまうということはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の高周波素子収納用パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・・回路基板
１ａ・・・・・・・・絶縁層
１ｂ・・・・・・・・配線導体層
１ｃ・・・・・・・・接地導体
２・・・・・・・・・金属枠体
２ａ・・・・・・・・貫通孔
３・・・・・・・・・同軸コネクタ
３ａ・・・・・・・・外周導体
３ｂ・・・・・・・・絶縁体
３ｃ・・・・・・・・中心導体
６・・・・・・・・・蓋体
７・・・・・・・・・高周波素子
８・・・・・・・・・導電性接合材
９・・・・・・・・・側面導体
Ｓ・・・・・・・・・搭載部
Claims (1)
- 絶縁層および少なくとも接地導体を含む配線導体層を交互に複数層積層して成るとともに側面に前記接地導体が露出した、上面に高周波素子が搭載される搭載部を有する回路基板と、該回路基板の前記側面に前記搭載部を囲繞するとともに前記側面に露出した前記接地導体と電気的に接続するように取着された金属枠体とを具備して成る高周波素子収納用パッケージにおいて、前記回路基板は前記側面に前記接地導体同士を接続する側面導体が形成されており、該側面導体は前記金属枠体と導電性接合材を介して接合されていることを特徴とする高周波素子収納用パッケージ。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007091470A1 (ja) * | 2006-02-06 | 2007-08-16 | Mitsubishi Electric Corporation | 高周波モジュール |
| JP2020140846A (ja) * | 2019-02-28 | 2020-09-03 | 新日本無線株式会社 | 同軸線路と平面伝送線路の接続構造 |
| JP7303773B2 (ja) | 2020-04-03 | 2023-07-05 | アンリツ株式会社 | 伝送線路変換構造 |
-
2002
- 2002-08-27 JP JP2002247680A patent/JP2004088504A/ja active Pending
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