JP2004140295A - 高周波素子用基板及び電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は信号配線とグランド配線がコプレナーライン構造を有する高周波素子用基板及び電子装置に関し、2層構造としコプレナーライン構造を採用しても所望の電気的特性を得ることを課題とする。
【解決手段】基板本体20に、信号配線23A,23B、グランド配線24,信号ビア25A,25B、グランドビア26A,26B等が配設された高周波素子用基板において、信号配線23A,23Bとグランド配線24とがコプレナーライン構造となるよう配置する。また、グランド配線24に複数のグランドビア26A,26Bを形成し、グランドビア26Aを一対の信号ビア25A,25Bの間位置に配設する。更に、グランドビア26Bを、グランドビア26Aの配設位置よりも半導体素子11から離間した位置(基板本体20の外周縁28に近い位置)に配設する。
【選択図】  図6

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は高周波素子用基板及び電子装置に係り、特に信号配線とグランド配線がコプレナーライン構造を有する高周波素子用基板及び電子装置に関する。
【0002】
近年、電子装置の高速化に伴い、その動作周波数が4GHzを越える高集積化された高周波用半導体素子、及びこれに対応した各種高周波用素子(以下、これらを纏めて高周波用素子という)が出現している。そして、このような高周波用素子を搭載する高周波素子用基板は、ノイズ混入が少なく、また高周波特性に優れたものが要求されている。
【0003】
また、これに合わせて、電子装置の小型化及び低コスト化に対しても強い要望がある。このため、高周波用素子を搭載する高周波素子用基板においても、小型化及び低コスト化を図る必要がある.
【従来の技術】
一般に、高周波用半導体素子を搭載する高周波素子用基板は、多層構造(例えば、4層構造)とされており、各層に信号配線,グランド配線,電源配線等が形成されており、また各層間はビアにより層間接続される構成とされている。また、上記のように高周波用半導体素子が組み込まれる電子機器は小型化が図られており、これに伴い高周波素子用基板も小型化(小面積化)する必要がある。
【0004】
従って、高周波素子用基板の小型化を図るには、信号配線,グランド配線,電源配線の各配線を狭ピッチとなるよう近接させ、高密度化を図る必要がある。また、高周波素子用基板は信号配線に高周波信号を流すため、これを伝送効率よく伝えるためには、その信号配線のインナーリード部分とアウターリード部分とのパターン幅を略同一幅に形成する必要がある。そして、その信号配線の特性インピーダンスのマッチングを図る必要がある(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
このため、従来の高周波素子用基板は、信号配線の伝送効率を向上するためマイクロストリップライン構造が採用されていた。また、このマイクロストリップライン構造とするため、高周波素子用基板は4層以上の多層構造とされていた。
【0006】
【特許文献1】
特開平8−78797号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の高周波素子用基板は、マイクロストリップライン構造を採ることにより、信号配線の伝送効率及びインピーダンスのマッチング等の電気的特性については所望の特性を得られる。しかしながら、従来の高周波素子用基板では、電気的特性を得るために4層以上の多層構造となるため、基板の製造工程が複雑になると共に基板材料も多く必要となるため、高周波素子用基板のコストが上昇してしまうという問題点があった。
【0008】
これを解決するためには、高周波素子用基板を2層とする必要があるが、この構成ではマイクロストリップライン構造を採用するのが困難で、よってコプレナーライン構造を採用する必要がある。しかしながら、従来一般に行なわれている単に信号配線と隣接するようグランド配線を配設する方法では、上記のように小型が図られることにより信号配線間のピッチが狭い構成では十分な電気的特性を得ることができないという問題点があった。
【0009】
更に、ビアを用いて信号配線を信号配線形成面と反対側の面に引き出す場合には、この信号ビアにおいて反射ノイズやクロストークノイズが発生し、信号劣化や信号遅延が生じるという問題点がある。
【0010】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、2層構造としコプレナーライン構造を採用しても所望の電気的特性を得ることができる高周波素子用基板及び電子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】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【0012】
請求項1記載の発明は、
高周波素子が搭載される基板本体と、
該基板本体に形成されたグランド配線と、
前記基板本体を貫通して形成されており、一端が前記グランド配線と接続されると共に、他端がグランド層に接続されたグランドビアと、
前記基板本体に形成され、高周波信号が流される信号配線と、
前記基板本体を貫通して形成されており、一端が前記信号配線と接続された信号ビアとを有する高周波素子用基板において、
前記信号配線に隣接して前記グランド配線を配置するコプレナーライン構造となるよう前記信号配線と前記グランド配線とを配置し、
前記グランド配線に複数のグランドビアを形成し、
前記複数のグランドビアの内、一のグランドビアを、前記グランド配線を挟んで形成された異なる一対の信号配線に形成された信号ビアの間位置に配設し、
かつ、他のクランドビアの少なくともひとつを、前記信号ビアの間に配設された前記グランドビアの配設位置よりも、前記高周波素子から離間した位置に配設したことを特徴とするものである。
【0013】
上記発明によれば、配線をコプレナーライン構造としても、二つの信号ビアの間にグランド電位とされたグランドビアが配置されているため、この各信号ビア間でクロストーク等の電気的障害が発生することを防止でき、よって信号配線及び信号ビアを流れる信号に劣化が発生することを防止できる。
【0014】
また、信号ビアの間に配設されたグランドビアの配設位置よりも、高周波素子から離間した位置に他のグランドビアが配設されるため、グランド配線のスタブ長を短くすることができる。よって、これによっても信号線に信号ノイズが混入することを防止することができる。
【0015】
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載の高周波用基板において、
前記基板本体の第1面に、前記グランド配線と前記グランド配線とを形成し、前記基板本体の前記第1面と反対側の第2面に、前記グランドビアと接続されるグランド層と、前記信号ビアと接続される電極部とを形成したことを特徴とするものである。
【0016】
上記発明によれば、基板本体の第1面(例えば、表面)にグランド配線とグランド配線とが形成され、この第1面と反対側の第2面(背面)にグランドビアと接続されるグランド層と電極部とが形成されるため、この高周波用基板は2層基板となる。2層基板は従来の4層基板に比べて製造工程が容易で、かつ少ない材料で製造できるため、上記のように電気的特性の良好な高周波用基板を低コストで製造することができる。
【0017】
また、請求項3記載の発明は、
請求項1または2記載の高周波用基板において、
前記グランド配線に形成される複数のグランドビアの内、前記高周波素子から最も遠い位置にあるグランドビアは、前記基板本体の外周縁近傍に形成位置が選定されていることを特徴とするものである。
【0018】
上記発明によれば、グランド配線に形成される高周波素子から最も遠い位置にあるグランドビアは基板本体の外周縁近傍に形成されるため、スタブ長を極めて短くすることが可能となり、よってノイズの侵入を確実に防止することができる。
【0019】
また、請求項4記載の発明に係る電子装置は、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の高周波用基板と、
該高周波用基板に搭載されると共に、前記グランド配線及び信号配線に接続される高周波素子と、
前記高周波用基板に前記信号配線と接続するよう形成された外部接続用端子とを設けてなることを特徴とするものである。
【0020】
上記発明によれば、小型化,低コスト化,及び高周波特性に優れる高周波用基板を用いたことにより、小型化,低コスト化を図れると共に電気的特性に優れた電子装置を実現することができる。
【0021】
【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と共に説明する。
【0022】
図1は、本発明の一実施例である半導体装置10の概略構成図である。この半導体装置10はPBGA(Plastic Ball Grid Array)構造の半導体装置であり、大略すると半導体素子11,高周波用基板12,封止樹脂13,及び半田ボール14等により構成されている。
【0023】
半導体素子11は、例えば駆動周波数が数百MHz〜数GHzの高周波半導体素子である。この半導体素子11は高周波用基板12上に搭載されており、高周波用基板12に形成された後述する各種配線23,24等にワイヤ15により接続された構成となっている。
【0024】
封止樹脂13は例えばエポキシ樹脂であり、高周波用基板12の上面21を覆うよう形成されている。これにより、半導体素子11,ワイヤ15,及び高周波用基板12に形成された配線23,24は、封止樹脂13により保護される。
【0025】
半田ボール14は外部接続端子となるものであり、高周波用基板12の下面22に配設されている。具体的には、高周波用基板12の下面22には電極31が形成されており、半田ボール14はこの電極31に接合された構成とされている。
【0026】
次に、図2乃至図5を参照して、高周波用基板12について説明する。
図2は高周波用基板12の断面を拡大して示しており、図3は高周波用基板12の上面ソルダーレジスト27を設けていない状態の平面を示している。また、図4は高周波用基板12の上面21に形成された各配線23,24を拡大して示す図であり、図5は高周波用基板12の下面22に形成された電極31及び再配線32を拡大して示す図である。尚、図3及び図4においては上面ソルダーレジスト27の図示を、また図5においては下面ソルダーレジスト30の図示を省略している。
【0027】
高周波用基板12は、基板本体20に信号配線23,グランド配線24,信号ビア25,グランドビア26,上面ソルダーレジスト27,グランド層29,及び下面ソルダーレジスト30等を配設した構成とされている。基板本体20は、絶縁性を有した樹脂(例えばBT樹脂等)により形成されている。
【0028】
この基板本体20の上面21には、図3及び図4に示されるように、信号配線23,グランド配線24,電源配線(図示せす),及び上面ソルダーレジスト27が形成されている。また、基板本体20の下面22には、図5に示されるように、グランド層29,下面ソルダーレジスト30,電極31,及び再配線32が形成される。
【0029】
信号配線23は、内側端部が半導体素子11とワイヤ15により接続される。また、信号配線23の所定位置には、基板本体20を上下に貫通する信号ビア25が形成されている。この信号ビア25は、基板本体20に上下貫通するよう形成された孔の内壁に導電膜を形成した構成とされている。
【0030】
この信号ビア25は、上端部が高周波用基板12の上面21に形成された信号配線23に接続されると共に、下端部は下面22に形成された再配線32に接続されている。この再配線32は半田ボール14が配設される位置まで延出形成されている。
【0031】
そして、この半田ボール14が配設される位置には、半田ボール14を接合するための電極31が形成されている。このように、再配線32を形成することにより、信号ビア25に直接半田ボール14を接合する必要がなくなり、半田ボール14のレイアウトに自由度を持たせることができると共に、半田ボール14の接合性を高めることができる。
【0032】
グランド配線24は、内側端部が半導体素子11とワイヤ15により接続される。また、グランド配線24の所定位置には、基板本体20を上下に貫通する複数のグランドビア26が形成されている。このグランドビア26も信号ビア25と同様に、基板本体20に上下貫通するよう形成された孔の内壁に導電膜を形成した構成とされている。
【0033】
このグランドビア26は、上端部が高周波用基板12の上面21に形成されたグランド配線24に接続されると共に、下端部は下面22に形成されたグランド層29に接続された構成とされている。このグランド層29は、電極31及び再配線32の形成位置を除き、高周波用基板12の下面22に広く形成されている。図5において、黒く示されている部分がグランド層29である。
【0034】
このグランド層29には、下面ソルダーレジスト30が被膜形成されており、外部に対して絶縁処理がされている。また、グランド層29の所要部位は、下面ソルダーレジスト30に設けられた開口から露出して電極31を形成しており、この電極31には半田ボール14が接合される。
【0035】
ところで、上記した高周波用基板12に配設される信号配線23及びグランド配線24は、高周波用基板12の製造工程上めっきが施されるため、このめっき用の電極と電気的接続を取る必要がある。このため、高周波用基板12の外周縁28まで信号配線23及びグランド配線24を引き出している。このような理由により、電気特性上問題となるスタブが発生していた(尚、スタブについては後に詳述するものとする)。
【0036】
上記した説明から明らかなように、本実施例で用いている高周波用基板12は、基板本体20の上面21に各配線23,24が形成されると共に下面22にグランド層29,電極31,再配線32が形成され、かつこれらの配線等が各ビア25,26で接続された、いわゆる2層基板である。2層基板は、従来用いられていた4層基板に比べて製造工程が容易で、かつ少ない材料で製造できるため、高周波用基板12を低コストで製造することができる。
【0037】
しかしながら、本実施例で用いている半導体素子11は、高周波半導体素子である。このため伝送効率の低減等を防止するため、信号配線23の特性インピーダンスのマッチングを図る必要がある。従来の高周波素子用基板は、4層構造であるためマイクロストリップライン構造を採ることが可能であり、よって信号配線の伝送効率及びインピーダンスのマッチング等の電気的特性については所望の特性を得ることができた。
【0038】
しかしながら、本実施例のように高周波用基板12を2層構造とした場合、マイクロストリップライン構造を採用するのが困難で、よってコプレナーライン構造を採用する必要がある。そこで本実施例においても、信号配線23とグランド配線24はコプレナーライン構造で配置された構成とされている。即ち、信号配線23と隣接するようグランド配線24が形成された構成となっている。尚、理解を容易にするため、図4及び図5において信号配線23を白抜きで示し、グランド配線24を黒く塗り潰して示している。
【0039】
ところが、図示されるように各配線23,24が高密度に配設された構成構成では、単にコプレナーライン構造を採用しても配線間ピッチが狭くなり、高周波に対する十分な電気的特性維持を得ることがでず、また信号ビアにおいて反射ノイズやクロストークノイズが発生して信号劣化や信号遅延が生じてしまうことは前述した通りである。
【0040】
ここで、本実施例における信号配線23とグランド配線24の配設位置、及び信号配線23に形成された信号ビア25とグランド配線24に形成されたグランドビア26の形成位置に注目する。
上記したように本実施例では高周波対策としてコプレナーライン構造を採用しているため、一対の信号配線23の間にグランド配線24が位置するよう構成されている。尚、配線レイアウト上、全てをコプレナーライン構造とするのは困難で、損失の少ない一部においてはコプレナーライン構造を採用していない部分もある。
【0041】
先ず、一対の信号配線23に夫々形成された信号ビア25と、グランド配線24に形成されたグランドビア26の位置関係に注目する。すると図4に示されるように、一対の信号ビア25の間にグランドビア26が位置するよう構成されている。即ち、一対の信号ビア25の中心位置とグランドビア26は、略直線状に配置された構成とされている。
【0042】
更に、ここで図4に矢印Aで示す直線上に位置する各ビア25,26を有する各配線23,24を図6に拡大して示す。尚、説明を容易とするため、図6において上方に位置する信号配線23を特に信号配線23Aと示し、図6において下方に位置する信号配線23を特に信号配線23Bと示し説明するものとする。
【0043】
また、上記のようにグランド配線24は複数(本実施例では2個)のグランドビア26を設けているが、半導体素子11に近い側(図中、左側)に位置するグランドビア26を特にグランドビア26Aと示し、半導体素子11に対しグランドビア26Aより遠い側(図中、右側)に位置のグランドビア26を特にグランドビア26Bとして示し説明するものとする。
【0044】
本実施例では、図6に拡大して示すように、一対の信号ビア25A,25Bの間にグランドビア26Aが位置した構成とされている。これにより、一対の信号ビア25A,25Bとグランドビア26Aは、直線A上に配置された構成となっている。図7は、この直線Aにおいて高周波用基板12を切断した断面図である。
【0045】
同図に示されるように、一対の信号ビア25A,25Bの間にグランドビア26Aが並列することとなり、一対の信号ビア25A,25B間でクロストーク等の電気的障害が発生することを防止できる。よって、信号配線23A,23B及び信号ビア25A,25Bを流れる信号に劣化が発生することを防止でき、半導体装置10の信頼性や高周波特性を高めることができる。
【0046】
更に本実施例では、上記したようにグランド配線24が複数のグランドビア26を設けており、半導体素子11に対しグランドビア26Aより遠い位置にグランドビア26Bを形成している。
【0047】
これにより、グランド配線24のスタブ長を短くすることができ、信号配線23A,23Bに信号ノイズが混入することを防止することができる。即ち、仮にグランドビア26Bが存在しないと仮定すると、グランドビア26Aの形成位置から外周縁28に到るグランド配線24(図6に矢印Lで示す部分)は電気的に浮いた状態となり、またアンテナと同等の機能するため外部ノイズを拾ってしまう。
【0048】
しかしながら、半導体素子11に対しグランドビア26Aより遠い位置にグランドビア26Bを形成することにより、グランドビア26Aからグランドビア26Bに到るまでのグランド配線24(図6に矢印Lで示す部分のグランド配線24)もグランド電位とされる。これにより、グランド配線24がアンテナとして機能することはなくなり、信号配線23を流れる信号にノイズが混入することを防止することができる。
【0049】
また本実施例では、グランドビア26Bの形成位置は、可納な限り基板本体20の外周縁28に近い位置となるよう構成している。この構成とすることにより、グランド配線24に形成される高周波用の半導体素子11から最も遠い位置にあるグランドビア26Bが基板本体20の外周縁28に近い位置に形成されるため、スタブ長を極めて短くすることが可能となり、よってノイズの侵入を確実に防止することができる。
【0050】
また、本実施例では高周波用基板12の下面22にグランド層29を設けているため、信号配線23をグランド付きコプレナー線路として設計することも可能である。
【0051】
尚、上記した説明において、スタブ長とはビアから高周波用基板の外周縁までの配線経路長をいう。
【0052】
また、上記した実施例では、電子装置として半導体装置を用い、高周波素子用基板として半導体装置用の基板を例に挙げて説明したが、本発明の適用は半導体装置に限定されるものではなく、高周波を用いる各種電子装置及び高周波素子用基板に適用が可能なものである。
【0053】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【0054】
請求項1記載の発明によれば、信号ビア間でクロストーク等の電気的障害が発生することを防止でき、よって信号配線及び信号ビアを流れる信号に劣化が発生することを防止できると共に、グランド配線のスタブ長を短くすることができるためこれによっても信号線に信号ノイズが混入することを防止することができる。
【0055】
また、請求項2記載の発明によれば、高周波用基板は2層基板となるため、製造工程の容易化を図れると共に、かつ少ない材料で製造できるため電気的特性に優れた高周波用基板を低コストで製造することができる。
【0056】
また、請求項3記載の発明によれば、スタブ長を極めて短くすることができるため、ノイズの侵入を確実に防止することができる。
【0057】
また、請求項4記載の発明によれば、小型化及び電気的特性に優れた電子装置を低コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である半導体装置を示す断面図である。
【図2】本発明の一実施例である高周波素子用基板の断面図である。
【図3】本発明の一実施例である高周波素子用基板の平面図である。
【図4】本発明の一実施例である高周波素子用基板の上面を拡大して示す図である。
【図5】本発明の一実施例である高周波素子用基板の下面を拡大して示す図である。
【図6】一対の信号配線の間にグランド配線が配設された構成を拡大して示す図である。
【図7】図6に矢印Aで示す線に沿った断面図である。
【符号の説明】
10 半導体装置
11 半導体素子
12 高周波用基板
14 半田ボール
20 基板本体
21 上面
22 下面
23,23A,23B 信号配線
24 グランド配線
25,25A,25B 信号ビア
26,26A,26B グランドビア
27 上面ソルダーレジスト
28 外周縁
29 グランド層
30 下面ソルダーレジスト
31 電極
32 再配線

Claims (4)

  1. 高周波素子が搭載される基板本体と、
    該基板本体に形成されたグランド配線と、
    前記基板本体を貫通して形成されており、一端が前記グランド配線と接続されると共に、他端がグランド層に接続されたグランドビアと、
    前記基板本体に形成され、高周波信号が流される信号配線と、
    前記基板本体を貫通して形成されており、一端が前記信号配線と接続された信号ビアとを有する高周波素子用基板において、
    前記信号配線に隣接して前記グランド配線を配置するコプレナーライン構造となるよう前記信号配線と前記グランド配線とを配置し、
    前記グランド配線に複数のグランドビアを形成し、
    前記複数のグランドビアの内、一のグランドビアを、前記グランド配線を挟んで形成された異なる一対の信号配線に形成された信号ビアの間位置に配設し、
    かつ、他のクランドビアの少なくともひとつを、前記信号ビアの間に配設された前記グランドビアの配設位置よりも、前記高周波素子から離間した位置に配設したことを特徴とする高周波素子用基板。
  2. 請求項1記載の高周波用基板において、
    前記基板本体の第1面に、前記グランド配線と前記グランド配線とを形成し、
    前記基板本体の前記第1面と反対側の第2面に、前記グランドビアと接続されるグランド層と、前記信号ビアと接続される電極部とを形成したことを特徴とする高周波素子用基板。
  3. 請求項1または2記載の高周波用基板において、
    前記グランド配線に形成される複数のグランドビアの内、前記高周波素子から最も遠い位置にあるグランドビアは、前記基板本体の外周縁近傍に形成位置が選定されていることを特徴とする高周波素子用基板。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の高周波用基板と、
    該高周波用基板に搭載されると共に、前記グランド配線及び信号配線に接続される高周波素子と、
    前記高周波用基板に前記信号配線と接続するよう形成された外部接続用端子とを設けてなることを特徴とする電子装置。
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