JP2004311567A

JP2004311567A - High frequency package

Info

Publication number: JP2004311567A
Application number: JP2003100279A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Tsukiyama; 良男築山; Yoribumi Sakamoto; 頼史阪本
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high frequency package exhibiting excellent transmission characteristics of high frequency signals of about 20-90 GHz even when the package is mounted on a printed circuit board. <P>SOLUTION: An annular frame 12 is provided on the upper surface 11a of a dielectric substrate 11, and first and second signal line layers 14 and 15 and first and second ground layers 22 and 23 are provided in regions on the inside and outside thereof. A third signal line layer 16 and a third ground layer 24 are provided in the dielectric substrate 11, and a fourth ground layer 27 is provided on the lower surface 11b. Furthermore, a first conductor via 17 connecting the first signal line layer 14, the second signal line layer 15 and the third signal line layer 16, and a second conductor via 25 for connecting the first and second ground layers 22 and 23, the third ground layer 24 and the fourth ground layer 27 are provided. The interval h between the third signal line layer 16 and the lower surface 11a satisfies a relation h (mm)≤λ/(8×ε<SB>r</SB><SP>1/2</SP>)(λ: wavelength of highest propagation frequency, ε<SB>r</SB>: dielectric constant of the substrate). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波パッケージに関し、より詳細には、例えば約２０ＧＨｚ（準ミリ波）〜約９０ＧＨｚ帯の高周波信号を利用する半導体素子を収容する高周波パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波パッケージは、通常、誘電体基板上に形成された半導体素子実装領域及びその周辺部の高周波回路と、さらにその周囲に設けられた環状の枠体とその上に載置されるキャップを含んで構成されている。そして、上記の半導体素子実装領域及びその周辺部の高周波回路が、前記枠体とキャップとで密閉封止されるようになっている。また、高周波信号は、前記枠体の側壁部を貫通する信号線層を介して、外部から、前記半導体素子実装領域及びその周辺部の高周波回路に入出力されるようになっている。
【０００３】
図６は、従来の高周波パッケージの一例を示す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）に示したＢ−Ｂ線における断面部を含む斜視図である。誘電体基板４１は板状であり、誘電体基板４１の下面４１ｂにグランド層４２が形成されている。また、誘電体基板４１の上面４１ａの半導体素子実装領域及びその周辺部の高周波回路領域を囲むように、誘電体材料で形成された環状の枠体４４が設けられている。
【０００４】
枠体４４の内側領域４４ｄにおける誘電体基板上面４１ａには、幅がＷ_１の帯状の回路部４３ａが形成されている。さらに、枠体４４の外側の誘電体基板上面４１ａにはリード部４３ｂが設けられ、このリード部４３ｂから延長され、回路部４３ａに電気的に接続された導体部４３ｃが枠体４４を貫通して設けられている。これら回路部４３ａ、リード部４３ｂ、導体部４３ｃを含んで信号線路４３が構成されている。
【０００５】
上記のリード部４３ｂと回路部４３ａは、幅がほぼ同じ幅Ｗ_１であり、導体部４３ｃの幅Ｗ_２は、回路部４３ａ、リード部４３ｂより狭くなっている。導体部４３ｃの幅Ｗ_２が、回路部４３ａ、リード部４３ｂより狭いのは、導体部４３ｃとこの近傍の側壁部４４ａとを含んで構成される回路と、回路部４３ａ、リード部４３ｂの特性インピーダンスが同等になるようにするためである。そのような条件に設定することにより、信号線路４３の回路部４３ａ、リード部４３ｂ、導体部４３ｃにおける各特性インピーダンスの整合を図り、反射損失を抑えて信号の伝送損失を小さくすることができるようになっている。
【０００６】
半導体素子が高周波パッケージ４０に実装される場合には、誘電体基板上面４１ａにおける枠体内側領域４４ｄのほぼ中央部に半導体素子４５が配置され、半導体素子４５のパッド４５ａと回路部４３ａの端部とがボンディングワイヤ４５ｂにより接続される。さらに、枠体４４上部にキャップ４６が接合され、このキャップ４６により誘電体基板４１上の枠体内側領域４４ｄが密閉・封止される。
【０００７】
上記の誘電体基板４１、グランド層４２、信号線路４３、枠体４４、キャップ４６等を含んでマイクロストリップ線路タイプの高周波パッケージ４０が構成されている。そして高周波信号（図示せず）は、信号線路４３のリード部４３ｂより導体部４３ｃ、回路部４３ａ等を介して半導体素子４５に入力され、半導体素子４５より信号線路４３の回路部４３ａ、導体部４３ｃ等を介してリード部４３ｂより出力されるようになっている。
【０００８】
しかしながら、上記の高周波パッケージ４０は、導体部４３ｃの幅Ｗ_２が狭いので、この寸法精度を確保することが難しく、また抵抗値が大きく、信号の伝送損失が大きくなりやすい。また製造する際、導体部４３ｃの両端部と側壁部４４ａの内外面４４ｂ、４４ｃとを正確に位置合わせすることが難しいという問題があった。
【０００９】
この問題に対処するため、信号線路が埋設される枠体の側壁部分を薄く形成した高周波パッケージが開発されている。しかし、この高周波パッケージの場合には、側壁部が薄いので、製造が難しいという問題があった。
【００１０】
この他、上述のような従来のマイクロストリップ線路タイプの高周波パッケージは、ミリ波や準ミリ波のようなより高周波数帯域の信号を処理する場合、半導体素子と信号線路の信号線層、グランド層との接続損失や、信号線層における放射損失が大きくなり易いという問題があった。この問題に対処するため、近年、誘電体基板の一方の主面側に信号線層及びグランド層を備え、それらの上に半導体素子がフリップチップボンディングにより実装される、いわゆるコプレナ・ウェーブガイドタイプの高周波パッケージが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
上記のコプレナ・ウェーブガイドタイプの高周波パッケージの場合には、枠体の内部領域に半導体素子を配置し、信号線層、グランド層の上に、フリップチップボンディングにより実装することが可能である。また、信号線層が、グランド層、導体層、及び基板（金属）によって囲まれるので、電磁的にシールドされると共に、信号線層等の環共振が抑制される。したがって、準ミリ波（〜３０ＧＨｚ帯）における高周波特性に優れるという長所がある。
【００１２】
しかし、上記のコプレナ・ウェーブガイドタイプの高周波パッケージは、３０ＧＨｚを超える帯域の高周波特性に劣る傾向がある。また、基板を構成するセラミック板の厚みを薄くすることが難しく、構造が複雑であるので、多くの製造工程を要するという難点があった。
【００１３】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、準ミリ波〜約７０から９０ＧＨｚ帯域における高周波特性に優れ、かつ良好な封止構造を有すると共に、製造が容易で、コストが安い高周波パッケージを先に提案した（特許文献２）。
【００１４】
図７は、本発明者らが先に提案した高周波パッケージの基本的な構成を示す図であり、（ａ）は全体の構成を示す部分断面斜視図、（ｂ）は（ａ）に示したＢ−Ｂ線における要部拡大断面図である。図７に示した高周波パッケージ５０は、誘電体基板１１の一方の主面１１ａ側に、環状の枠体１２を備え、この枠体１２の内側と外側の領域の主面１１ａ上に、それぞれ第１の信号線層１４、第２の信号線層１５が形成されている。また、第１の信号線層１４及び第２の信号線層１５のそれぞれの周囲に、ギャップを介して形成されたそれぞれ第１のグランド層２２、第２のグランド層２３を備え、誘電体基板１１の他方の主面１１ｂ側に、第３のグランド層２４と、第３のグランド層２４とはギャップ介して、枠体１２をまたぐ態様で、第３の信号線層１６が設けられている。
【００１５】
そして、第１の信号線層１４の一端部と第３の信号線層１６の一端部、第２の信号線層１５の一端部と第３の信号線層１６の他端部とが、それぞれ第１の導体ビア１７、１７で接続され、第１のグランド層２２と第３のグランド層２４、及び第２のグランド層２３と第３のグランド層２４とが、複数の第２の導体ビア２５で接続されている。
【００１６】
【特許文献１】
特開平２−８７７０１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４４２２２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の高周波パッケージ５０は、製造が容易であるので、安いコストで製造することが可能であり、準ミリ波〜約７０から９０ＧＨｚ帯域における高周波特性に優れ、安定的に高周波信号を伝送することができるという、優れた長所を有している。
【００１８】
高周波パッケージは、通常プリント回路基板（ＰＣＢ）に実装されて使用される。この実装の際には、高周波パッケージがプリント回路基板に装着された後、高周波パッケージのリード端子とプリント回路基板の端子とが、ワイヤ又はリボンを用いたボンディングによって電気的に接続される。
【００１９】
この場合、高周波パッケージの構造や接続の形態によっては、信号線路の特性インピーダンスの低下、プリント回路基板内への電磁放射等による高周波伝送特性の低下という問題が生じることがある。特に、高周波パッケージの信号線が、プリント回路基板に接触又は近接する場合、このような高周波伝送特性の低下が生じ易い。
【００２０】
また、高周波パッケージが伝送可能な高周波信号の最高周波数は、誘電体基板の厚さの影響を受け、信号線層からグランド層までの距離によっては、不要な共振を起こし、特定の周波数を超えると信号の伝送特性への影響が大きくなる傾向がある。そのために、高い周波数の信号を伝送する高周波パッケージでは、誘電体基板の厚さを薄くしなければならないが、厚さを薄くすると、誘電体基板の強度を確保することが難しいという問題が生じる。
【００２１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、約２０ＧＨｚ（準ミリ波）〜約９０ＧＨｚ帯域における高周波特性（伝送特性）に優れるとともに、プリント回路基板への実装が容易であり、プリント回路基板に実装した場合でも安定的に高周波信号を伝送することができる高周波パッケージを提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段及び効果】
上記目的を達成するために、本発明に係る高周波パッケージ（１）は、誘電体基板の一方の主面側に、該主面上に配設された環状枠体と、該環状枠体の内側と外側のそれぞれの領域の前記一方の主面に形成された第１の信号線層、第２の信号線層と、前記第１の信号線層及び前記第２の信号線層のそれぞれの周囲に、ギャップを介して形成された第１のグランド層、第２のグランド層とを備え、前記誘電体基板の内部に、前記環状枠体の側壁部の下方に位置する第３の信号線層と、該第３の信号線層の周囲にギャップを介して形成された第３のグランド層とを備え、前記誘電体基板の他方の主面側に、第４のグランド層を備え、前記第１の信号線層の一端部と前記第３の信号線層の一端部、前記第２の信号線層の一端部と前記第３の信号線層の他端部とを接続する第１の導体ビアと、前記第１、第２又は第３の信号線層を挟んで、前記第１のグランド層と前記第３のグランド層と前記第４のグランド層との間、及び前記第２のグランド層と前記第３のグランド層と前記第４のグランド層との間をそれぞれ接続する複数の第２の導体ビアとを備え、前記第３の信号線層と前記一方の主面との間隔ｈが、下記の（１）式を満足することを特徴としている。
ｈ（ｍｍ）≦λ／（８×ε_ｒ ^１／２）（１）式
なお、λは、第１、第２及び第３の信号線層と第１の導体ビアを伝播する最高周波数信号の空気中における波長（単位：ｍｍ）、ε_ｒは誘電体基板の比誘電率である。
【００２３】
上記の高周波パッケージ（１）によれば、誘電体基板の内部に配置された第３の信号線層と誘電体基板上面との間隔ｈ、すなわち、誘電体基板上面の第１、第２の信号線層と誘電体基板内の第３の信号線層とを接続する第１の導体ビアの長さが、上記の（１）式によって制限されているので、第１の導体ビアのインダクタンスの影響を受けて、パッケージの高周波特性が低下することを防止できる。さらに、誘電体基板の下面に第４のグランド層が設けられているので、どのような材質のプリント回路基板に実装された場合でも、高周波信号の伝送特性に対するプリント回路基板の影響を最小限に抑えることができる。
【００２４】
高周波パッケージ（１）の場合には、信号線路が、上述の第１、第２及び第３の信号線層と第１の導体ビア及び第１、第２、第３、第４のグランド層で構成され、これらによりグランド付コプレナ・ウェーブガイドが形成されている。そのために、上記の効果のほかに、各信号線層を伝播する信号の反射損失が少ないこと、電磁波が信号線路から誘電体基板中に放射されるのを抑制できること等の理由により、高周波パッケージ（１）は、約２０ＧＨｚ（準ミリ波）〜約９０ＧＨｚ（ミリ波）帯域における高周波特性（伝送特性）に極めて優れている。また、信号線層が枠体に接触していないので、枠体を金属製にして、電磁的にシールドさせることができ、封止を確実なものとすることができる。このように、グランド層、環状枠体、キャップ等により十分に接地を行うことができるので、安定して高周波信号を伝送することができるという効果も得られる。
【００２５】
また、本発明に係る高周波パッケージ（２）は、上記の高周波パッケージ（１）において、隣接する前記第２の導体ビア同士の中心間の間隔Ｄが、下記の（２）式を満足することを特徴としている。なお、λ及びε_ｒは（１）式の場合と同じことを意味する。
Ｄ（ｍｍ）＜λ／（２×ε_ｒ ^１／２）（２）式
上記の高周波パッケージ（２）によれば、上記の高周波パッケージ（１）が有する効果に加えて、第２の導体ビア同士の間隔Ｄが（２）式を満たす範囲に設定されているので、第１、第２、第３の各信号線層及び第１の導体ビアから、第１、第２、第３の信号線層に直交し誘電体基板面に平行な方向へ放射された高周波信号が、第２の導体ビアの隙間Ｄから誘電体基板側に漏れることを抑制することができる。また、隙間Ｄに起因する不要モードによりリップルが発生することが防止され、より波長が短い高周波領域における高周波特性（伝送特性）の向上を図ることができる。
【００２６】
また、本発明に係る高周波パッケージ（３）は、上記の高周波パッケージ（１）又は（２）において、前記第１、第２及び第３の信号線層の中心線と前記第２の導体ビアの中心との間の間隔Ｗが、下記の（３）式を満足することを特徴としている。なお、λ及びε_ｒは、（２）式の場合と同じことを意味する。
Ｗ（ｍｍ）＜λ／（４×ε_ｒ ^１／２）（３）式
上記の高周波パッケージ（３）によれば、上記の高周波パッケージ（１）または（２）が有する効果に加えて、第１、第２及び第３の信号線層の中心線と第２の導体ビアの中心との間隔Ｗが、（１）式を満足するように設定されているので、第１、第２及び第３の信号線層及び第１の導体ビアから、各信号線層に直交し誘電体基板面に平行な方向へ放射された高周波信号により、各信号線層と第２の導体ビアとの間で発生する共振を防止することができる。そのために、不要なモードによるリップルの発生を防止することができる。また、上記の（２）式を同時に満足する場合には、それらの相乗効果により、波長が短い高周波帯域における高周波特性（伝送特性）をいっそう向上させることができる。
【００２７】
また、本発明に係る高周波パッケージ（４）は、上記の高周波パッケージ（１）、（２）又は（３）において、前記第１の導体ビアと前記第１の導体ビアに近接する少なくとも１つの前記第２の導体ビアの中心間の間隔Ｗ_Ｓが、下記の（４）式を満足することを特徴としている。なお、Ｗは、第１、第２又は第３の信号線層の中心線と第２の導体ビアの中心との間隔（単位：ｍｍ）である。
Ｗ_Ｓ（ｍｍ）≧Ｗ（４）式
上記の高周波パッケージ（４）によれば、第１の導体ビアと第１の導体ビアに近接する少なくとも１つの第２の導体ビアの中心間の間隔Ｗ_Ｓが、（４）式を満足するように設定されているので、第１の導体ビアに近接する第２の導体ビアの影響を受けて、第１の導体ビアを伝播する信号に反射損失が生じることを防止することができる。そのために、信号の伝送特性をより向上させることができる。また、上記の（２）式、（３）式を同時に満足する場合には、それらの相乗効果により、波長が短い高周波帯域における高周波特性（伝送特性）をいっそう向上させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る高周波パッケージの実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、従来例と同一の機能を有する構成部品には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２９】
図１は実施の形態（１）に係る高周波パッケージ１０を模式的に示した部分断面斜視図である。また図２は、実施の形態（１）に係る高周波パッケージ１０の主要部の構造を示す部分拡大断面図、図３は、実施の形態（１）に係る高周波パッケージ１０について、図２に示した各面における断面構造を示す図であり、（ａ）はＡ−Ａ’切断線、（ｂ）はＢ−Ｂ’切断線、（ｃ）はＣ−Ｃ’切断線を含む紙面に垂直な面における断面図である。
【００３０】
高周波パッケージ１０は、誘電体基板１１と、誘電体基板１１の一方の主面（以下、単に「上面」と記す）１１ａ上に配設された環状の枠体１２と、信号線層１４、１５、１６と、第１、第２、第３、第４のグランド層２２、２３、２４、２７とを含んで構成されている。誘電体基板１１は板状で、アルミナ等のセラミックス、ガラスセラミックス又はテフロン（登録商標）等の樹脂で形成されている。
【００３１】
枠体１２は、誘電体基板上面１１ａに、半導体素子等の素子収容部（キャビティ）１１ｃを囲む態様で配置されており、枠体１２の形状は平面視ほぼ四角形である。また、この枠体１２は、誘電体基板１１と略同様の膨張係数を有するコバールまたはインバーといった合金によって形成されている。
【００３２】
誘電体基板１１の他方の主面（以下、単に「下面」と記す）１１ｂには、例えば板状の銅タングステン製ヒートスラグ１９が取り付けられており、キャビティ１１ｃの底部はこのヒートスラグ１９によって構成されている。半導体素子等がキャビティ１１ｃに配置され、ワイヤボンディング等により電気的に接続された後、キャップ２６により枠体１２の内側の領域が密封されることによって内部の素子が保護されるようになっている。なお、キャップ２６は、コバール、インバー等の合金で作製されたものが適しており、枠体１２に対しては、ろう付け等によって接合される。
【００３３】
枠体１２の内側領域１２ｂには、キャビティ１１ｃを挟んで対向する誘電体基板上面１１ａの所定箇所に、帯状の第１の信号線層１４、１４がそれぞれ形成されている。一方、枠体１２の外側領域１２ｃには、枠体側壁部１２ａを挟んで第１の信号線層１４、１４に対向する位置に、帯状の第２の信号線層１５、１５が形成されている。
【００３４】
誘電体基板１１の上面１１ａには、枠体１２の内側に第１の信号線層１４とはギャップｇ_１を介して第１のグランド層２２、外側に第２の信号線層１５とはギャップｇ_２を介して第２のグランド層２３が形成されている。第１のグランド層２２と第２のグランド層２３とは分離している必要はない。むしろ連続している方が望ましく、第１のグランド層２２と第２のグランド層２３の境界領域の上に枠体１２が設けられているのが望ましい。
【００３５】
一方、誘電体基板１１の下面１１ｂには、第４のグランド層２７が、少なくとも、後に説明する第２の導体ビア２５が設けられている領域に形成されている。なお、前述のヒートスラグ１９は、第４のグランド層２７に接合されている。
【００３６】
図２に、図１に示したＩＩ−ＩＩ’線における切断面の要部拡大断面図を示した。誘電体基板１１の内部には、枠体側壁部１２ａの下方に、枠体側壁部１２ａの厚さより長さが長い第３の信号線層１６が設けられている。また、第３の信号線層１６と同じ面に、ギャップｇ_３を介して、第３のグランド層２４が設けられている（図３（ｂ）参照）。そして、第３の信号線層１６の枠体側壁部１２ａの内側に位置する端部１６ａとその上方の第１の信号線層１４の端部１４ａとの間および第３の信号線層１６の枠体側壁部１２ａの外側に位置する端部１６ｂとその上方の第２の信号線層１５の端部１５ａとの間は、それぞれ第１の導体ビア１７、１７で接続されている。また、第１、第２のグランド層２２、２３と第３のグランド層２４と第４のグランド層２７とは、複数の第２の導体ビア２５によって接続されている。
【００３７】
上記の第１、第２、第３の信号線層１４、１５、１６及び第１、第２、第３、第４のグランド層２２、２３、２４、２７、第１、第２の導体ビア１７、２５を含んで、グランド付コプレナ・ウェーブガイドが構成されている。
【００３８】
上記の第１、第２、第３、第４のグランド層２２、２３、２４、２７は、誘電体基板１１がセラミックスの場合にはメタライズされたタングステンやモリブデン、ガラスセラミックスの場合はメタライズされた銀や銅、樹脂の場合にはメタライズされた銅で構成することが好ましい。
【００３９】
高周波パッケージ１０に半導体素子等が搭載されて使用される場合には、高周波信号は、一方の側（例えば、図１の左側）の第２の信号線層１５、第１の導体ビア１７、第３の信号線層１６、第１の導体ビア１７および第１の信号線層１４を介して半導体素子等（図示省略）に入力され、対向する側（例えば、図１の右側）の第１の信号線層１４、第１の導体ビア１７、第３の信号線層１６、第１の導体ビア１７および第２の信号線層１５を介して出力される。
【００４０】
実施の形態（１）に係る高周波パッケージ１０は、第３の信号線層１６と誘電体基板１１の上面１１ａとの間隔ｈ（単位：ｍｍ）、すなわち第１、第２の信号線層１４、１５の下面から第３の信号線層１６の上面までの深さが、下記の（１）式を満足するするように設定されている。
ｈ≦λ／（８×ε_ｒ ^１／２）（１）式
ここで、λは、第１、第２及び第３の信号線層１４、１５、１６と第１の導体ビア１７を伝播する最高周波数信号の空気中における波長（単位：ｍｍ）、ε_ｒは、誘電体基板１１の比誘電率である。
【００４１】
上記のように、第３の信号線層１６と誘電体基板１１の上面との間隔ｈ、すなわち、第１の導体ビア１７の長さが、（１）式の右辺の値以下に設定されているので、第１の導体ビア１７に起因するインダクタンスを抑制することができる。
【００４２】
さらに、前述のように、誘電体基板１１の下面１１ｂ側には、第４のグランド層２７が形成されているので（図２、図３（ｃ）参照）、高周波パッケージ１０が搭載されるプリント回路基板が、どのような材料で構成されていたとしても、その影響を受けにくい。したがって、高周波パッケージ１０は、特性インピーダンスが低くなり過ぎるような悪影響を受けることがほとんどない。
【００４３】
第３の信号線層１６と誘電体基板１１の下面１１ｂとの間隔は、ｈより大きい方が好ましい。誘電体基板１１は、強度の面からある程度の厚さが必要であるので、高周波信号の伝播特性と強度の両面を考慮して、誘電体基板１１の厚さを設定するのがよい。
【００４４】
なお、図１〜図３には、誘電体基板１１の下面１１ｂ側にヒートスラグ１９が配設された図を示したが、これは一つの例であり、他の例ではヒートスラグ１９の位置にプリント回路基板などの高周波パッケージ１０を実装する基板が位置していてもよく、キャビティ１１ｃの底部が、誘電体材料により誘電体基板１１と一体的に形成されていてもよい。
【００４５】
また、実施の形態（１）に係る高周波パッケージ１０では、枠体１２がコバール、インバー等の合金によって形成されている場合を例を挙げて説明したが、別の実施の形態では、枠体１２が誘電体材料を用いて形成されていてもよい。この場合、枠体１２の表面に導体が形成され、この導体が第１、第２のグランド層２２、２３と接続されている態様とすることが好ましい。さらに、実施の形態（１）では、キャップ２６を、誘電体基板１１上に配設された枠体１２に接合して封止する場合を説明したが、別の実施の形態では、これら枠体とキャップが一体化された態様とし、キャップを誘電体基板１１上に接合することによって封止するタイプとしてもよい。
【００４６】
図４は、実施の形態（２）、（３）または（４）に係る高周波パッケージを説明するための要部拡大平面図である。これらの実施の形態（２）〜（４）に係る高周波パッケージは、いずれも、例えば、約２０ＧＨｚ以上の周波数というように、より短い波長の高周波信号が伝送される場合でも、信号の優れた伝送特性を確保するのに好適な高周波パッケージである。
【００４７】
まず、図４に示した符号を説明する。符号Ｄは、第１、第２、第３の信号線層１４、１５、１６を挟んで同じ側に位置する、第２の導体ビア３５ａ、３５ｃのうちの隣接する導体ビア同士の間隔、又は第２の導体ビア３５ｂ、３５ｄのうちの隣接する導体ビア同士の間隔を表す。また、符号Ｗは、第１、第２、第３の信号線層１４、１５、１６の中心線と第２の導体ビア３５ｃ、３５ｄの中心との間隔、符号Ｗｓは、第１の導体ビア１７と第１の導体ビア１７に近接する第２の導体ビア３５ａ、３５ｂの中心間の間隔を表す。
【００４８】
実施の形態（２）に係る高周波パッケージは、実施の形態（１）に係る高周波パッケージが満足する条件に加え、さらに隣接する第２の導体ビア２５同士の間隔Ｄ（単位：ｍｍ）が、下記の（２）式を満足する。
Ｄ＜λ／（２×ε_ｒ ^１／２）（２）式
なお、λは、第１、第２及び第３の信号線層１４、１５、１６と第１の導体ビア１７を伝播する最高周波数信号の空気中における波長（単位：ｍｍ）、ε_ｒは、誘電体基板１１の比誘電率である。間隔Ｄは小さい方が好ましいが、その下限は、製造技術の制約を受け、導体ビア同士を近接させて形成することができる限界の技術によって決まる。
【００４９】
上記の実施の形態（２）に係る高周波パッケージの場合には、第１、第２、第３の信号線層１４、１５、１６から、これらの信号線層に直交し誘電体基板面に平行に放射される高周波信号が、第２の導体ビア３５ａ〜３５ｄの隙間Ｄを介して誘電体基板１１内に漏れることが抑制される。
【００５０】
また、隙間Ｄに起因する不要モードによりリップルが発生することが防止され、より短い波長の高周波信号が伝送される場合でも、良好な信号の伝送特性を確保することができる。
【００５１】
実施の形態（３）に係る高周波パッケージは、第１、第２、第３の信号線層１４、１５、１６の中心線と第２の導体ビア３５ａ〜３５ｄの中心との間隔Ｗ（単位：ｍｍ）が、下記の（３）式を満足する。
Ｗ＜λ／（４×ε_ｒ ^１／２）（３）式
なお、λとε_ｒは、（２）式で用いられたものと同じである。ただし、この場合のλには、グランドビア径の影響があるので、利用しようとする高周波信号の１．１５倍の周波数に対応する波長をλとして用い、間隔Ｗを求めることが好ましい。しかし、間隔Ｗは、一方では、第１、第２、第３の信号線層１４、１５、１６の幅Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３、ギャップｇ_１、ｇ_２、ｇ_３、第２の導体ビア３５ａ〜３５ｄの直径等との関係から制限される値でもある。
【００５２】
実施の形態（３）に係る高周波パッケージの場合には、第１、第２、第３の信号線層１４、１５、１６から、これらの信号線層に直交し誘電体基板面に平行に放射される高周波信号の波長と、信号線層１４、１５、１６の中心線から第２の導体ビア３５ａ〜３５ｄの中心までの距離（間隔）Ｗとの関係に起因する共振の発生を抑制することができるので、リップルの発生を防止することができる。また、前述の（２）式を同時に満足する場合には、相乗効果により、波長が短い高周波領域における高周波信号の伝送特性をさらに向上させることができる。
【００５３】
実施の形態（４）に係る高周波パッケージは、第１の導体ビア１７と第１の導体ビア１７に近接する第２の導体ビア３５ａ、３５ｂの中心間の間隔Ｗｓ（単位：ｍｍ）が、下記の（４）式を満足する。
Ｗ_Ｓ≧Ｗ（４）式
なお、上記のとおり、Ｗは、第１、第２、第３の信号線層１４、１５、１６の中心線と第２の導体ビア３５ａ〜３５ｄの中心との間隔（単位：ｍｍ）を表している。
【００５４】
実施の形態（４）に係る高周波パッケージの場合には、第１の導体ビア１７と第１の導体ビア１７に近接する第２の導体ビア３５ａ、３５ｂが、（４）式を満足する関係の位置に配置されている。また、第１の導体ビア１７に近接する第２の導体ビア３５ａ、３５ｂに起因する、第１の導体ビア１７を伝播する信号の反射損失を抑制することができるので、高周波信号の伝送特性をより向上させることができる。さらに、上記の（２）式及び（３）式のうちの少なくとも一方を満足する場合には、それらとの相乗効果により、高周波信号の伝送特性のいっそうの向上を図ることができる。
【００５５】
なお、上記の実施の形態（１）〜（４）に係る高周波パッケージにおいて、第２の導体ビア３５ａ〜３５ｄの直径は同じである必要はなく、それぞれの直径が相違していてもよい。
【００５６】
【実施例及び比較例】
図１〜図３に示した構成を有する高周波パッケージ１０を対象に、本発明に係る実施例３ケース及び比較例１ケースについて、高周波信号の伝送特性を調査した。なお、誘電体基板１１はいずれもガラスセラミックスで、大きさ：７．４ｍｍ×９．４ｍｍとした。
【００５７】
実施例１の高周波パッケージは、主な諸元の数値は表１のとおりであり、その他の条件は、誘電体基板１１の厚さ：０．４５ｍｍ、比誘電率：７．５、誘電体基板１１の上面１１ａと第３の信号線層１６との間隔（ｈ）：０．１５ｍｍ、第２の導体ビア２５同士の間隔（Ｄ）：０．３５ｍｍ、第１、第２の導体ビア１７、２５の径：０．１３ｍｍとした。
【００５８】
実施例２の高周波パッケージは、主な諸元が表２のとおりであり、その他の条件は、誘電体基板１１の厚さ：０．４ｍｍ、比誘電率：５．５、誘電体基板１１の上面１１ａと第３の信号線層１６との間隔（ｈ）：０．１３ｍｍ、第２の導体ビア２５同士の間隔（Ｄ）：０．３５ｍｍ、第１、第２の導体ビア１７、２５の径：０．１３ｍｍとした。
【００５９】
【表１】

【００６０】
【表２】

実施例３の高周波パッケージ１０は、誘電体基板１１の厚さを０．５２ｍｍとし、その他の条件は実施例２の場合と同じとした。
【００６１】
比較例に係る高周波パッケージは、誘電体基板１１の上面１１ａと第３の信号線層１６との間隔（ｈ）を０．２６ｍｍ［λ／（８×５．５^１／２）で６１ＧＨｚに相当］とし、その他の条件は実施例３の場合と同じとした。
【００６２】
高周波信号の伝送特性は、高周波パッケージの第１の信号線層１４の端部１４ｂと、第２の信号線層の端部１５ｂとに、グランド−シグナル−グランドタイプのエア・コプレナプローブを接続し、ネットワークアナライザを使用することによって測定した。この方法により、周波数２ＧＨｚ〜１１０ＧＨｚの高周波信号を流し、高周波パッケージの信号経路すべてを含む領域における高周波信号の伝送特性を調査した。
【００６３】
図５は測定結果を示すグラフである。図５（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３、（ｄ）は比較例に関する結果であり、それぞれ信号の周波数と、反射特性及び通過特性との関係を示している。
【００６４】
図５（ａ）から、実施例１の場合は、７７ＧＨｚ付近まで反射損失が−１４ｄＢ以下であり、広帯域で信号の反射損失が少ないことが分かった。また、この帯域では、通過損失も少なく、いずれも良好な特性であった。
【００６５】
図５（ｂ）から、実施例２の場合は、８５ＧＨｚ付近まで反射損失が−１５ｄＢ以下であり、極めて広帯域で信号の反射損失が少ないことが分かった。また、この帯域では、通過損失も少なく、いずれも良好な特性であった。上記の実施例１に比べて特性がより優れているのは、誘電体基板１１の比誘電率が小さいからである。
【００６６】
図５（ｃ）から、実施例３の場合は、反射損失は８５ＧＨｚ付近まで−１３ｄＢ以下であり、この帯域では通過損失も少なく、広い帯域で良好な特性を示した。なお、実施例２に比べて反射損失がやや多いのは、誘電体基板１１の厚さが厚かったためと考えられる。
【００６７】
上記のように、実施例１〜３については、広い帯域で反射特性、通過特性ともに良好で高周波信号の伝送特性に優れており、リップル、スプリアス等の不要モードの発生が抑制されていることが裏付けられた。
【００６８】
図５（ｄ）から、比較例の場合には、６０ＧＨｚ付近を中心に、反射損失が多く、通過損失も顕著であり、高周波信号の伝送特性に劣っていた。このように伝送特性に劣る理由は、誘電体基板１１の上面１１ａと第３の信号線層１６との間隔（ｈ）が大きく、６０ＧＨｚ付近以上の周波数で、前述の（１）式を満足しなくなるためである。（６１ＧＨｚのλ／８が０．２６ｍｍか、確認してください）
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態（１）に係る高周波パッケージを模式的に示した部分断面斜視図である。
【図２】図１に示した高周波パッケージの主要部の構造を示す部分拡大断面図である。
【図３】図２に示した断面図の各面における断面構造を示す図であり、（ａ）はＡ−Ａ’切断線、（ｂ）はＢ−Ｂ’切断線、（ｃ）はＣ−Ｃ’切断線を含む紙面に垂直な面における断面図である。
【図４】実施の形態（２）、（３）または（４）に係る高周波パッケージを説明するための要部拡大平面図である。
【図５】高周波信号の伝送特性を測定した結果を示すグラフであり、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３、（ｄ）は比較例を示している。
【図６】従来の高周波パッケージの一例を示す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）に示したＢ−Ｂ線における断面部を含む斜視図である。
【図７】本発明者らが先に提案した高周波パッケージの基本的な構成を示す図であり、（ａ）は全体の構成を示す部分断面斜視図、（ｂ）は（ａ）に示したＢ−Ｂ切断線における要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０高周波パッケージ
１１誘電体基板
１１ａ誘電体基板の上面
１１ｂ誘電体基板の下面
１２枠体
１２ｂ内側領域
１２ｃ外側領域
１４第１の信号線層
１５第２の信号線層
１６第３の信号線層
１４ａ、１５ａ、１６ａ、１６ｂ端部
１７第１の導体ビア
２２第１のグランド層
２３第２のグランド層
２４第３のグランド層
２５第２の導体ビア
２６キャップ
２７第４のグランド層
３５ａ〜３５ｆ第２の導体ビア
ｇ_１〜ｇ_３ギャップ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-frequency package, and more particularly, to a high-frequency package that accommodates a semiconductor element using a high-frequency signal in a band of about 20 GHz (quasi-millimeter wave) to about 90 GHz, for example.
[0002]
[Prior art]
The high-frequency package usually includes a semiconductor element mounting region formed on a dielectric substrate and a high-frequency circuit in a peripheral portion thereof, and further includes an annular frame provided therearound and a cap placed thereon. It is configured. The high-frequency circuit in the semiconductor element mounting region and its peripheral portion is hermetically sealed by the frame and the cap. Further, a high-frequency signal is externally input to and output from the semiconductor element mounting region and a high-frequency circuit in a peripheral portion thereof via a signal line layer penetrating a side wall portion of the frame.
[0003]
6A and 6B are schematic views showing an example of a conventional high-frequency package. FIG. 6A is a cross-sectional view, and FIG. 6B is a perspective view including a cross-section taken along the line BB shown in FIG. The dielectric substrate 41 has a plate shape, and a ground layer 42 is formed on a lower surface 41 b of the dielectric substrate 41. Further, an annular frame 44 made of a dielectric material is provided so as to surround the semiconductor element mounting region on the upper surface 41a of the dielectric substrate 41 and the high frequency circuit region around the semiconductor element mounting region.
[0004]
The width W is formed on the upper surface 41a of the dielectric substrate in the inner region 44d of the frame body 44.₁Is formed. Further, a lead portion 43b is provided on the upper surface 41a of the dielectric substrate outside the frame 44, and a conductor 43c extending from the lead 43b and electrically connected to the circuit portion 43a passes through the frame 44. It is provided. The signal line 43 includes the circuit section 43a, the lead section 43b, and the conductor section 43c.
[0005]
The lead portion 43b and the circuit portion 43a have a width W substantially equal to each other.₁And the width W of the conductor 43c.₂Is smaller than the circuit portion 43a and the lead portion 43b. The width W of the conductor 43c₂However, the reason why the circuit portion 43a and the lead portion 43b are narrower is that the characteristic impedance of the circuit portion 43a and the characteristic impedance of the lead portion 43b are equal to those of the circuit including the conductor portion 43c and the side wall portion 44a in the vicinity thereof. To do that. By setting such conditions, the characteristic impedances of the circuit portion 43a, the lead portion 43b, and the conductor portion 43c of the signal line 43 can be matched, the reflection loss can be suppressed, and the signal transmission loss can be reduced. It has become.
[0006]
When the semiconductor element is mounted on the high-frequency package 40, the semiconductor element 45 is disposed substantially at the center of the frame inner region 44 d on the upper surface 41 a of the dielectric substrate, and the pad 45 a of the semiconductor element 45 and the end of the circuit section 43 a are disposed. Are connected by a bonding wire 45b. Further, a cap 46 is joined to the upper portion of the frame 44, and the cap 46 seals and seals the frame inner region 44d on the dielectric substrate 41.
[0007]
The microstrip line type high-frequency package 40 includes the dielectric substrate 41, the ground layer 42, the signal line 43, the frame 44, the cap 46, and the like. A high-frequency signal (not shown) is input from the lead portion 43b of the signal line 43 to the semiconductor element 45 via the conductor portion 43c, the circuit portion 43a, and the like, and is input from the semiconductor element 45 to the circuit portion 43a of the signal line 43 and the conductor portion. The signal is output from the lead portion 43b via the terminal 43c and the like.
[0008]
However, the high-frequency package 40 has a width W of the conductor 43c.₂, It is difficult to secure this dimensional accuracy, and the resistance value is large, so that signal transmission loss tends to be large. In addition, there is a problem that it is difficult to accurately position both ends of the conductor 43c and the inner and

outer surfaces

44b and 44c of the side wall 44a during manufacturing.
[0009]
To cope with this problem, a high-frequency package has been developed in which the side wall of the frame in which the signal line is embedded is formed thin. However, in the case of this high-frequency package, there is a problem that manufacturing is difficult because the side wall portion is thin.
[0010]
In addition, the conventional microstrip line type high-frequency package as described above is used for processing a signal in a higher frequency band such as a millimeter wave or a quasi-millimeter wave. However, there is a problem that the connection loss with the signal line and the radiation loss in the signal line layer tend to increase. To cope with this problem, recently, a so-called coplanar waveguide type in which a signal line layer and a ground layer are provided on one main surface side of a dielectric substrate, and a semiconductor element is mounted thereon by flip chip bonding. A high-frequency package has been developed (for example, see Patent Document 1).
[0011]
In the case of the above-mentioned coplanar waveguide type high-frequency package, it is possible to arrange a semiconductor element in the inner region of the frame and mount it on the signal line layer and the ground layer by flip chip bonding. Further, since the signal line layer is surrounded by the ground layer, the conductor layer, and the substrate (metal), it is electromagnetically shielded and ring resonance of the signal line layer and the like is suppressed. Therefore, there is an advantage that the high frequency characteristics in a quasi-millimeter wave (up to 30 GHz band) are excellent.
[0012]
However, the above-mentioned coplanar waveguide type high-frequency package tends to have poor high-frequency characteristics in a band exceeding 30 GHz. Further, it is difficult to reduce the thickness of the ceramic plate constituting the substrate, and the structure is complicated, so that there is a problem that many manufacturing steps are required.
[0013]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have developed a high-frequency package that has excellent high-frequency characteristics in a quasi-millimeter wave to about 70 to 90 GHz band, has a good sealing structure, is easy to manufacture, and is inexpensive. It was previously proposed (Patent Document 2).
[0014]
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing a basic configuration of the high-frequency package proposed by the present inventors, where FIG. 7A is a partial cross-sectional perspective view showing the entire configuration, and FIG. It is a principal part expanded sectional view in the BB line. The high-frequency package 50 shown in FIG. 7 includes an annular frame 12 on one main surface 11a side of the dielectric substrate 11, and a second frame 12 is provided on the main surface 11a in the inner and outer regions of the frame 12, respectively. One signal line layer 14 and a second signal line layer 15 are formed. A first ground layer 22 and a second ground layer 23 are formed around each of the first signal line layer 14 and the second signal line layer 15 with a gap therebetween. A third signal line layer 16 is provided on the other main surface 11b side of the frame 11 so as to straddle the frame 12 with a gap between the third ground layer 24 and the third ground layer 24. .
[0015]
Then, one end of the first signal line layer 14 and one end of the third signal line layer 16, one end of the second signal line layer 15 and the other end of the third signal line layer 16 respectively The first conductive vias 17 are connected to each other, and the first ground layer 22 and the third ground layer 24 and the second ground layer 23 and the third ground layer 24 are connected to each other by a plurality of second conductive vias. 25.
[0016]
[Patent Document 1]
JP-A-2-87701
[Patent Document 2]
JP 2001-144222 A
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
Since the high-frequency package 50 having the above configuration is easy to manufacture, it can be manufactured at low cost, has excellent high-frequency characteristics in a quasi-millimeter wave to about 70 to 90 GHz band, and stably transmits a high-frequency signal. It has an excellent advantage that it can be used.
[0018]
The high-frequency package is usually used by being mounted on a printed circuit board (PCB). In this mounting, after the high frequency package is mounted on the printed circuit board, the lead terminals of the high frequency package and the terminals of the printed circuit board are electrically connected by bonding using a wire or a ribbon.
[0019]
In this case, depending on the structure and connection form of the high-frequency package, there may be a problem that the characteristic impedance of the signal line is reduced and the high-frequency transmission characteristics are reduced due to electromagnetic radiation into the printed circuit board. In particular, when the signal line of the high-frequency package is in contact with or close to the printed circuit board, such high-frequency transmission characteristics are likely to deteriorate.
[0020]
In addition, the highest frequency of a high-frequency signal that can be transmitted by the high-frequency package is affected by the thickness of the dielectric substrate. Depending on the distance from the signal line layer to the ground layer, unnecessary resonance occurs. The effect on signal transmission characteristics tends to increase. Therefore, in a high-frequency package for transmitting a high-frequency signal, the thickness of the dielectric substrate must be reduced. However, if the thickness is reduced, there is a problem that it is difficult to secure the strength of the dielectric substrate.
[0021]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and has excellent high-frequency characteristics (transmission characteristics) in a band of about 20 GHz (quasi-millimeter wave) to about 90 GHz, and is easy to mount on a printed circuit board. An object of the present invention is to provide a high-frequency package that can stably transmit a high-frequency signal even when mounted on a printed circuit board.
[0022]
Means and effects for solving the problem
In order to achieve the above object, a high-frequency package (1) according to the present invention comprises, on one main surface side of a dielectric substrate, an annular frame disposed on the main surface, and an inner side of the annular frame. A first signal line layer, a second signal line layer formed on the one main surface of each of the outer and outer regions, and a periphery of each of the first signal line layer and the second signal line layer A first ground layer and a second ground layer formed with a gap therebetween, and a third signal line layer located below the side wall of the annular frame inside the dielectric substrate. And a third ground layer formed around the third signal line layer with a gap therebetween, and a fourth ground layer on the other main surface side of the dielectric substrate. One end of one signal line layer and one end of the third signal line layer, one end of the second signal line layer, and the third signal line layer A first conductive via connecting the other end, the first ground layer, the third ground layer, and the fourth ground with the first, second, or third signal line layer interposed therebetween; A plurality of second conductor vias respectively connecting between the second ground layer, the second ground layer, the third ground layer, and the fourth ground layer, and the third signal line The distance h between the layer and the one main surface satisfies the following expression (1).
h (mm) ≦ λ / (8 × ε_r ^1/2) (1)
Here, λ is the wavelength (unit: mm) in air of the highest frequency signal propagating through the first, second, and third signal line layers and the first conductor via, and ε._rIs the relative dielectric constant of the dielectric substrate.
[0023]
According to the high frequency package (1), the distance h between the third signal line layer disposed inside the dielectric substrate and the upper surface of the dielectric substrate, that is, the first and second signals on the upper surface of the dielectric substrate. Since the length of the first conductor via connecting the wire layer and the third signal line layer in the dielectric substrate is limited by the above equation (1), the influence of the inductance of the first conductor via is given. Accordingly, it is possible to prevent the high-frequency characteristics of the package from deteriorating. Furthermore, since the fourth ground layer is provided on the lower surface of the dielectric substrate, the influence of the printed circuit board on the transmission characteristics of high-frequency signals is minimized even when the printed circuit board is mounted on any material. Can be suppressed.
[0024]
In the case of the high-frequency package (1), the signal line is composed of the first, second, and third signal line layers, the first conductor via, and the first, second, third, and fourth ground layers. And a coplanar waveguide with a ground. For this reason, in addition to the above-described effects, the high-frequency package (for the reason that the reflection loss of the signal propagating in each signal line layer is small and that the electromagnetic wave can be suppressed from being radiated from the signal line into the dielectric substrate) can be suppressed. 1) is extremely excellent in high frequency characteristics (transmission characteristics) in a band of about 20 GHz (quasi-millimeter wave) to about 90 GHz (millimeter wave). Further, since the signal line layer is not in contact with the frame, the frame can be made of metal and can be electromagnetically shielded, so that sealing can be ensured. As described above, since the grounding can be sufficiently performed by the ground layer, the annular frame, the cap, and the like, the effect of stably transmitting a high-frequency signal can be obtained.
[0025]
Further, in the high-frequency package (2) according to the present invention, in the high-frequency package (1), the distance D between the centers of the adjacent second conductive vias satisfies the following expression (2). Features. Note that λ and ε_rMeans the same as in equation (1).
D (mm) <λ / (2 × ε_r ^1/2) (2)
According to the high-frequency package (2), in addition to the effect of the high-frequency package (1), the distance D between the second conductive vias is set to a range satisfying the expression (2). High-frequency signals radiated from the first, second, and third signal line layers and the first conductor via in a direction perpendicular to the first, second, and third signal line layers and parallel to the dielectric substrate surface are provided. In addition, leakage from the gap D between the second conductive vias to the dielectric substrate side can be suppressed. Further, generation of ripples due to unnecessary modes caused by the gap D is prevented, and high-frequency characteristics (transmission characteristics) in a high-frequency region with a shorter wavelength can be improved.
[0026]
In the high-frequency package (3) according to the present invention, in the high-frequency package (1) or (2), a center line of the first, second, and third signal line layers and a center line of the second conductor via are provided. The distance W from the center satisfies the following expression (3). Note that λ and ε_rMeans the same as in the case of equation (2).
W (mm) <λ / (4 × ε_r ^1/2) (3)
According to the high-frequency package (3), in addition to the effects of the high-frequency package (1) or (2), the center lines of the first, second, and third signal line layers and the second conductor via are provided. Is set so as to satisfy the expression (1), the distance W from the first, second and third signal line layers and the first conductor via is orthogonal to each signal line layer. Resonance generated between each signal line layer and the second conductor via can be prevented by a high-frequency signal emitted in a direction parallel to the dielectric substrate surface. Therefore, generation of ripples due to unnecessary modes can be prevented. Further, when the above equation (2) is satisfied at the same time, the high-frequency characteristics (transmission characteristics) in a high-frequency band having a short wavelength can be further improved by a synergistic effect thereof.
[0027]
Further, the high-frequency package (4) according to the present invention is the high-frequency package (1), (2) or (3) described above, wherein the first conductor via and at least one of the first conductor vias adjacent to the first conductor via are provided. Spacing W between centers of second conductive vias_SAre characterized by satisfying the following expression (4). W is the distance (unit: mm) between the center line of the first, second or third signal line layer and the center of the second conductor via.
W_S(Mm) ≧ W (4)
According to the high-frequency package (4), the distance W between the centers of the first conductor via and at least one second conductor via adjacent to the first conductor via is provided._SIs set so as to satisfy the expression (4), so that the signal propagating through the first conductor via suffers from the reflection loss due to the influence of the second conductor via adjacent to the first conductor via. Can be prevented. Therefore, the signal transmission characteristics can be further improved. Further, when the above equations (2) and (3) are simultaneously satisfied, the high frequency characteristics (transmission characteristics) in a high frequency band with a short wavelength can be further improved due to their synergistic effect.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a high-frequency package according to the present invention will be described with reference to the drawings. Note that components having the same functions as those of the conventional example are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0029]
FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a high-frequency package 10 according to Embodiment (1). FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view showing a structure of a main part of the high-frequency package 10 according to the embodiment (1). FIG. 3 shows the high-frequency package 10 according to the embodiment (1) in FIG. It is a figure which shows the cross-section structure in each surface, (a) is AA 'cutting line, (b) is BB' cutting line, (c) is a surface perpendicular | vertical to the paper surface containing CC 'cutting line. FIG.
[0030]
The high-frequency package 10 includes a dielectric substrate 11, an annular frame 12 provided on one main surface (hereinafter simply referred to as “upper surface”) 11 a of the dielectric substrate 11, and signal line layers 14 and 15. , 16 and first, second, third, and fourth ground layers 22, 23, 24, and 27. The dielectric substrate 11 has a plate shape and is formed of ceramics such as alumina, glass ceramics, or resin such as Teflon (registered trademark).
[0031]
The frame body 12 is arranged on the upper surface 11a of the dielectric substrate so as to surround an element accommodating portion (cavity) 11c such as a semiconductor element, and the shape of the frame body 12 is substantially square in plan view. The frame 12 is made of an alloy such as Kovar or Invar having an expansion coefficient substantially similar to that of the dielectric substrate 11.
[0032]
For example, a plate-shaped heat slug 19 made of copper tungsten is attached to the other main surface (hereinafter simply referred to as “lower surface”) 11 b of the dielectric substrate 11, and the bottom of the cavity 11 c is constituted by the heat slug 19. Have been. After the semiconductor element and the like are arranged in the cavity 11c and electrically connected by wire bonding or the like, the inner area of the frame 12 is sealed by the cap 26 to protect the internal element. . The cap 26 is preferably made of an alloy such as Kovar or Invar, and is joined to the frame 12 by brazing or the like.
[0033]
In the inner region 12b of the frame 12, strip-shaped first signal line layers 14, 14 are formed at predetermined positions on the upper surface 11a of the dielectric substrate opposed to each other with the cavity 11c interposed therebetween. On the other hand, in the outer region 12c of the frame 12, band-shaped second signal line layers 15, 15 are formed at positions facing the first signal line layers 14, 14 with the frame side wall 12a interposed therebetween. I have.
[0034]
On the upper surface 11a of the dielectric substrate 11, a gap g between the first signal line layer 14 and the inside of the frame 12 is provided.₁And a gap g between the first ground layer 22 and the second signal line layer 15 on the outside.₂, A second ground layer 23 is formed. The first ground layer 22 and the second ground layer 23 do not need to be separated. Rather, it is desirable that they are continuous, and it is desirable that the frame 12 be provided on the boundary region between the first ground layer 22 and the second ground layer 23.
[0035]
On the other hand, on the lower surface 11b of the dielectric substrate 11, a fourth ground layer 27 is formed at least in a region where a second conductor via 25 described later is provided. The above-described heat slug 19 is joined to the fourth ground layer 27.
[0036]
FIG. 2 shows an enlarged cross-sectional view of a main part of a cut surface taken along line II-II 'shown in FIG. A third signal line layer 16 having a length longer than the thickness of the frame side wall portion 12a is provided below the frame side wall portion 12a inside the dielectric substrate 11. Further, the gap g is formed on the same surface as the third signal line layer 16.₃A third ground layer 24 is provided through the gate (see FIG. 3B). Then, between the end portion 16a of the third signal line layer 16 located inside the frame side wall portion 12a and the end portion 14a of the first signal line layer 14 thereabove and the third signal line layer 16 The first conductor vias 17 are connected between the end 16b located outside the frame side wall 12a and the end 15a of the second signal line layer 15 above the end 16b. Further, the first and second ground layers 22 and 23, the third ground layer 24 and the fourth ground layer 27 are connected by a plurality of second conductor vias 25.
[0037]
The first, second, and third signal line layers 14, 15, 16 and the first, second, third, and fourth ground layers 22, 23, 24, 27, first, and second conductive vias A coplanar waveguide with a ground is constituted by including 17 and 25.
[0038]
The first, second, third, and fourth ground layers 22, 23, 24, and 27 are metallized when the dielectric substrate 11 is ceramics, such as tungsten and molybdenum, and when the dielectric substrate 11 is glass ceramics, metallized. In the case of silver, copper, or resin, it is preferable to use metalized copper.
[0039]
When a semiconductor element or the like is mounted on the high-frequency package 10 and used, a high-frequency signal is supplied to the second signal line layer 15 on one side (for example, the left side in FIG. 1), the first conductor via 17, 3 is input to a semiconductor element or the like (not shown) via the third signal line layer 16, the first conductor via 17, and the first signal line layer 14, and the first side on the opposite side (for example, the right side in FIG. 1). The signal is output via the signal line layer 14, the first conductor via 17, the third signal line layer 16, the first conductor via 17, and the second signal line layer 15.
[0040]
In the high-frequency package 10 according to the embodiment (1), the distance h (unit: mm) between the third signal line layer 16 and the upper surface 11a of the dielectric substrate 11, that is, the first and second signal line layers 14, The depth from the lower surface of 15 to the upper surface of the third signal line layer 16 is set so as to satisfy the following expression (1).
h ≦ λ / (8 × ε_r ^1/2) (1)
Here, λ is the wavelength (unit: mm) in air of the highest frequency signal propagating through the first, second and third signal line layers 14, 15, 16 and the first conductive via 17, and ε._rIs the relative dielectric constant of the dielectric substrate 11.
[0041]
As described above, the distance h between the third signal line layer 16 and the upper surface of the dielectric substrate 11, that is, the length of the first conductive via 17 is set to be equal to or less than the value on the right side of the equation (1). Therefore, the inductance caused by the first conductive via 17 can be suppressed.
[0042]
Further, as described above, since the fourth ground layer 27 is formed on the lower surface 11b side of the dielectric substrate 11 (see FIGS. 2 and 3C), a print on which the high-frequency package 10 is mounted is provided. No matter what kind of material the circuit board is made of, it is hardly affected by the material. Therefore, the high-frequency package 10 is hardly affected by the characteristic impedance being too low.
[0043]
The distance between the third signal line layer 16 and the lower surface 11b of the dielectric substrate 11 is preferably larger than h. Since the dielectric substrate 11 needs to have a certain thickness in terms of strength, it is preferable to set the thickness of the dielectric substrate 11 in consideration of both the propagation characteristics of a high-frequency signal and the strength.
[0044]
1 to 3 show a diagram in which the heat slug 19 is disposed on the lower surface 11b side of the dielectric substrate 11, but this is one example, and in other examples, the position of the heat slug 19 is shown. A substrate on which the high-frequency package 10 is mounted, such as a printed circuit board, may be located, and the bottom of the cavity 11c may be formed integrally with the dielectric substrate 11 using a dielectric material.
[0045]
Further, in the high-frequency package 10 according to the embodiment (1), the case where the frame 12 is formed by an alloy such as Kovar or Invar has been described as an example. May be formed using a dielectric material. In this case, it is preferable that a conductor is formed on the surface of the frame 12 and the conductor is connected to the first and second ground layers 22 and 23. Furthermore, in Embodiment (1), the case where the cap 26 is joined to the frame 12 provided on the dielectric substrate 11 and sealed is described, but in another embodiment, these frames are used. The cap and the cap may be integrated, and the cap may be joined to the dielectric substrate 11 for sealing.
[0046]
FIG. 4 is an enlarged plan view of a main part for describing the high-frequency package according to the embodiment (2), (3) or (4). Each of the high-frequency packages according to the embodiments (2) to (4) has excellent transmission of a signal even when a high-frequency signal of a shorter wavelength is transmitted, for example, a frequency of about 20 GHz or more. This is a high-frequency package suitable for securing characteristics.
[0047]
First, the reference numerals shown in FIG. 4 will be described. Reference symbol D denotes a distance between adjacent conductor vias of the

second conductor vias

35a and 35c located on the same side of the first, second, and third signal line layers 14, 15, and 16, or The distance between adjacent conductor vias of the second conductor vias 35b and 35d is shown. The symbol W represents the distance between the center line of the first, second, and third signal line layers 14, 15, 16 and the center of the

second conductor vias

35c, 35d, and the symbol Ws represents the first conductor via. 17 represents the distance between the centers of the second conductor vias 35 a and 35 b adjacent to the first conductor via 17.
[0048]
In the high-frequency package according to the embodiment (2), in addition to the conditions satisfied by the high-frequency package according to the embodiment (1), the distance D (unit: mm) between the adjacent second conductor vias 25 is as follows. (2) is satisfied.
D <λ / (2 × ε_r ^1/2) (2)
Here, λ is the wavelength (unit: mm) in air of the highest frequency signal propagating through the first, second and third signal line layers 14, 15, 16 and the first conductive via 17, and ε._rIs the relative dielectric constant of the dielectric substrate 11. It is preferable that the interval D is small, but the lower limit is determined by the limit technology that can be formed by bringing the conductor vias close to each other due to the limitation of the manufacturing technology.
[0049]
In the case of the high-frequency package according to the embodiment (2), the first, second, and third signal line layers 14, 15, and 16 are orthogonal to the signal line layers and parallel to the surface of the dielectric substrate. Is prevented from leaking into the dielectric substrate 11 through the gap D between the second conductor vias 35a to 35d.
[0050]
Further, the occurrence of ripples due to unnecessary modes caused by the gap D is prevented, and good signal transmission characteristics can be ensured even when a high-frequency signal with a shorter wavelength is transmitted.
[0051]
In the high-frequency package according to the embodiment (3), the distance W between the center lines of the first, second, and third signal line layers 14, 15, 16 and the centers of the second conductor vias 35a to 35d (unit: mm) satisfies the following expression (3).
W <λ / (4 × ε_r ^1/2) (3)
Note that λ and ε_rIs the same as that used in equation (2). However, since λ in this case is affected by the diameter of the ground via, it is preferable to use the wavelength corresponding to the frequency 1.15 times the frequency of the high-frequency signal to be used as λ to determine the interval W. However, the interval W is, on the one hand, the width W of the first, second, and third signal line layers 14, 15, 16.₁, W₂, W₃, Gap g₁, G_2,g₃, The diameters of the second conductor vias 35a to 35d and the like.
[0052]
In the case of the high-frequency package according to the embodiment (3), radiation is made from the first, second, and third signal line layers 14, 15, 16 in a direction perpendicular to these signal line layers and parallel to the surface of the dielectric substrate. Suppression of resonance caused by the relationship between the wavelength of the high-frequency signal to be performed and the distance (interval) W from the center line of the signal line layers 14, 15, 16 to the center of the second conductor vias 35a to 35d. Therefore, generation of ripples can be prevented. When the above-mentioned expression (2) is satisfied at the same time, the transmission characteristics of a high-frequency signal in a high-frequency region having a short wavelength can be further improved by a synergistic effect.
[0053]
In the high-frequency package according to the embodiment (4), the distance Ws (unit: mm) between the centers of the first conductor via 17 and the second conductor vias 35a and 35b adjacent to the first conductor via 17 is as follows. (4) is satisfied.
W_S≧ W Formula (4)
As described above, W represents the distance (unit: mm) between the center lines of the first, second, and third signal line layers 14, 15, 16 and the centers of the second conductor vias 35a to 35d. ing.
[0054]
In the case of the high-frequency package according to the embodiment (4), the first conductive via 17 and the second conductive vias 35a and 35b adjacent to the first conductive via 17 have a relationship satisfying the expression (4). Is located in the position. In addition, since the reflection loss of a signal propagating through the first conductive via 17 due to the second conductive vias 35a and 35b close to the first conductive via 17 can be suppressed, the transmission characteristics of a high-frequency signal can be reduced. It can be further improved. Further, when at least one of the above equations (2) and (3) is satisfied, the synergistic effect with them can further improve the transmission characteristics of the high-frequency signal.
[0055]
In the high-frequency packages according to the above-described embodiments (1) to (4), the diameters of the second conductor vias 35a to 35d do not need to be the same, and may be different from each other.
[0056]
[Examples and Comparative Examples]
For the high-frequency package 10 having the configuration shown in FIGS. 1 to 3, transmission characteristics of a high-frequency signal were examined for the case of Example 3 and the case of Comparative Example 1 according to the present invention. Each of the dielectric substrates 11 was made of glass ceramic and had a size of 7.4 mm × 9.4 mm.
[0057]
In the high-frequency package according to the first embodiment, numerical values of main specifications are as shown in Table 1, and other conditions are as follows: the thickness of the dielectric substrate 11: 0.45 mm, the relative permittivity: 7.5, and the dielectric substrate. 11, an interval (h) between the upper surface 11a and the third signal line layer 16: 0.15 mm, an interval (D) between the second conductor vias 25: 0.35 mm, the first and second conductor vias 17, Diameter of 25: 0.13 mm.
[0058]
The high-frequency package according to the second embodiment has the main specifications as shown in Table 2, and other conditions are as follows: the thickness of the dielectric substrate 11: 0.4 mm, the relative dielectric constant: 5.5, The distance (h) between the upper surface 11a and the third signal line layer 16: 0.13 mm, the distance (D) between the second conductor vias 25: 0.35 mm, the distance between the first and second conductor vias 17 and 25 Diameter: 0.13 mm.
[0059]
[Table 1]

[0060]
[Table 2]

In the high-frequency package 10 according to the third embodiment, the thickness of the dielectric substrate 11 is set to 0.52 mm, and other conditions are the same as those in the second embodiment.
[0061]
In the high frequency package according to the comparative example, the distance (h) between the upper surface 11a of the dielectric substrate 11 and the third signal line layer 16 is 0.26 mm [λ / (8 × 5.5).^1/2) Is equivalent to 61 GHz], and other conditions are the same as those in the third embodiment.
[0062]
The transmission characteristic of the high-frequency signal is such that a ground-signal-ground type air coplanar probe is connected to the end 14b of the first signal line layer 14 and the end 15b of the second signal line layer of the high-frequency package. And measured by using a network analyzer. With this method, a high-frequency signal having a frequency of 2 GHz to 110 GHz was passed, and the transmission characteristics of the high-frequency signal in a region including the entire signal path of the high-frequency package were investigated.
[0063]
FIG. 5 is a graph showing the measurement results. FIG. 5A shows the result of Example 1, FIG. 5B shows the result of Example 2, FIG. 5C shows the result of Example 3, and FIG. 5D shows the result of Comparative Example. Shows the relationship.
[0064]
FIG. 5A shows that in the case of Example 1, the reflection loss was -14 dB or less up to around 77 GHz, and the signal reflection loss was small over a wide band. Further, in this band, the passage loss was small, and all had good characteristics.
[0065]
FIG. 5B shows that in the case of Example 2, the reflection loss was -15 dB or less up to around 85 GHz, and the reflection loss of the signal was very small in a very wide band. Further, in this band, the passage loss was small, and all had good characteristics. The reason why the characteristics are superior to that of the first embodiment is that the relative permittivity of the dielectric substrate 11 is small.
[0066]
From FIG. 5C, in the case of Example 3, the reflection loss was -13 dB or less up to around 85 GHz, the pass loss was small in this band, and good characteristics were exhibited in a wide band. The reason why the reflection loss is slightly larger than that of the second embodiment is considered to be that the thickness of the dielectric substrate 11 is large.
[0067]
As described above, regarding Examples 1 to 3, the reflection characteristics and the pass characteristics are good in a wide band, the transmission characteristics of high-frequency signals are excellent, and the occurrence of unnecessary modes such as ripple and spurious is suppressed. Supported.
[0068]
From FIG. 5D, in the case of the comparative example, the reflection loss was large and the passage loss was remarkable around 60 GHz, and the transmission characteristics of the high-frequency signal were inferior. The reason why the transmission characteristics are inferior is that the distance (h) between the upper surface 11a of the dielectric substrate 11 and the third signal line layer 16 is large, and the frequency satisfies the expression (1) at a frequency of about 60 GHz or higher. It is because it disappears. (Check if λ / 8 at 61 GHz is 0.26 mm)
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a high-frequency package according to an embodiment (1).
FIG. 2 is a partially enlarged sectional view showing a structure of a main part of the high-frequency package shown in FIG.
3A and 3B are diagrams showing a cross-sectional structure on each surface of the cross-sectional view shown in FIG. 2, wherein FIG. 3A is an AA ′ cutting line, FIG. 3B is a BB ′ cutting line, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the plane of the drawing including a cut line of −C ′.
FIG. 4 is an enlarged plan view of a main part for describing a high-frequency package according to the embodiment (2), (3) or (4).
5A and 5B are graphs showing the results of measuring the transmission characteristics of a high-frequency signal, wherein FIG. 5A shows Example 1, FIG. 5B shows Example 2, FIG. 5C shows Example 3, and FIG. Is shown.
6A and 6B are schematic diagrams illustrating an example of a conventional high-frequency package, in which FIG. 6A is a cross-sectional view, and FIG. 6B is a perspective view including a cross-section taken along line BB shown in FIG.
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing a basic configuration of a high-frequency package proposed by the present inventors, where FIG. 7A is a partial cross-sectional perspective view showing the entire configuration, and FIG. It is a principal part expanded sectional view in BB cutting line.
[Explanation of symbols]
10 High frequency package
11 Dielectric substrate
11a Top surface of dielectric substrate
11b Lower surface of dielectric substrate
12 Frame
12b Inside area
12c Outside area
14 First signal line layer
15 Second signal line layer
16 Third signal line layer
14a, 15a, 16a, 16b end
17 First conductive via
22 First ground layer
23 Second ground layer
24 Third Ground Layer
25 Second conductive via
26 cap
27 Fourth ground layer
35a to 35f Second conductor via
g₁~ G₃ gap

Claims

An annular frame disposed on the one main surface of the dielectric substrate, and a first frame formed on the one main surface in each of the inner and outer regions of the annular frame; A signal line layer, a second signal line layer, and a first ground layer and a second ground formed with a gap around each of the first signal line layer and the second signal line layer. With layers,
A third signal line layer located below the side wall of the annular frame inside the dielectric substrate; and a third ground layer formed around the third signal line layer with a gap therebetween. With
A fourth ground layer is provided on the other main surface side of the dielectric substrate,
A first connecting one end of the first signal line layer to one end of the third signal line layer, and one end of the second signal line layer to the other end of the third signal line layer. Conductor vias,
The first, second, or third signal line layer is interposed between the first ground layer, the third ground layer, and the fourth ground layer, and between the second ground layer and the fourth ground layer. A plurality of second conductor vias respectively connecting between a third ground layer and the fourth ground layer,
A high-frequency package wherein a distance h between the third signal line layer and the one main surface satisfies the following expression (1).
h (mm) ≦ λ / (8 × ε _r ^1/2 ) (1) where:
λ: wavelength in air of the highest frequency signal propagating through the first, second and third signal line layers and the first conductive via (unit: mm)
ε _r : dielectric constant of dielectric substrate

2. The high-frequency package according to claim 1, wherein a distance D between centers of the adjacent second conductor vias satisfies the following expression (2).
D (mm) <λ / (2 × ε _r ^1/2 ) Equation (2) where:
λ: wavelength in air of the highest frequency signal propagating through the first, second, and third signal line layers and the first conductive via (unit: mm)
ε _r : dielectric constant of dielectric substrate

The distance W between the center line of the first, second and third signal line layers and the center of the second conductive via satisfies the following expression (3). Or the high-frequency package according to claim 2.
W (mm) <λ / (4 × ε _r ^1/2 ) (3) where:
λ: wavelength in air of the highest frequency signal propagating through the first, second, and third signal line layers and the first conductive via (unit: mm)
ε _r : dielectric constant of dielectric substrate

Claims spacing W _S between the centers of at least one of said second conductive via in proximity to the first conductive via and the first conductor vias, and satisfies the following formula (4) The high-frequency package according to any one of Items 1 to 3.
W _S (mm) ≧ W (4) where:
W: distance (unit: mm) between the center line of the first, second or third signal line layer and the center of the second conductive via