JP2004311568A - 高周波パッケージ - Google Patents

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良男 築山
Yoribumi Sakamoto
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Abstract

【課題】高周波特性に優れ、プリント回路基板への実装が容易で、約20〜約65GHzの高周波信号の伝送特性に優れる高周波パッケージを提供すること。
【解決手段】誘電体基板11の上面11aに、環状枠体12と、その内側と外側の領域に、第1、第2の信号線層14,15、第1、第2のグランド層22,23と、誘電体基板11の内部に第3の信号線層16、下面11bに第3のグランド層24と、第1の信号線層14、第2の信号線層15と第3の信号線層16とを接続する第1の導体ビア17と、第1、第2のグランド層22,23と第3のグランド層24とを接続する第2の導体ビア25とを備え、第3の信号線層16と下面11aとの間隔hが、h≦λ/(8×ε 1/2)(λ:伝播する最高周波数の波長、ε:基板の比誘電率)を満足し、第2の信号線層15に設けられた第1のリード27、第2のグランド層23に第2のリード28を備えている。
【選択図】図2

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)以上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であり、導体部43cの幅W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】
上記の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または近接する場合、このような高周波特性の低下が生じ易い。また、高周波パッケージにリードが取り付けられた場合には、リード部のインピーダンスの低下により、高周波伝送特性が低下する傾向があるので、伝送可能な高周波信号は20GHz程度までである。
【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、厚さが薄くすると、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65GHz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その効果】
上記の目的を達成するため、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おける前記環状枠体の側壁部の下方に、第3の信号線層を備え、前記誘電体基板の他方の主面側に、第3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のグランド層と前記第3のグランド層、及び前記第2のグランド層と前記第3のグランド層と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)式を満足し、さらに、前記第2の信号線層に接続された外部接続用の第1のリードと、前記第2のグランド層における前記第2の信号線層の両側に接続された、外部接続用の第2のリードとを備えていることを特徴としている。
h(mm)≦λ/(8×ε 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は誘電体基板の比誘電率を意味する。
【0023】
上記の高周波パッケージ(1)によれば、誘電体基板上面(一方の主面)の第2の信号線層と第2のグランド層にリードが接続されているので、高周波パッケージをプリント回路基板へ装着した後、プリント回路基板への接続を、確実かつ容易に行うことができる。また、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。そのため、65GHz程度までの高周波信号を伝送することができる。さらに、誘電体基板の下面に第3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、第3の信号線層と第1の導体ビア及び第1、第2、第3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、20GHz(準ミリ波)〜65GHz(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、(2)式におけるλおよびεは(1)式の場合と同じである。
D(mm)<λ/(2×ε 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とεは(2)式の場合と同じである。
W(mm)<λ/(4×ε 1/2) (3)式
ただし、(3)式については、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周波数の1.15倍に対応する波長をλとして用い、間隔Wを求めることが好ましい。
【0027】
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。
【0028】
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と第3の信号線層を接続する前記第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。
(mm)≧W (4)式
上記の高周波パッケージ(4)によれば、第1と第3の信号線層を接続する第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。
【0029】
【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。
【0030】
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。
【0031】
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、第1、第2、第3の信号線層14、15、16と、第1、第2、第3のグランド層22、23、24と、第1、第2のリード27、28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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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よく、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好ましい。
【0036】
一方、誘電体基板11の下面11bには、第3のグランド層24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3のグランド層24に接合されている。上記のグランド層22、23、24の材料には、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に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が適している。
【0037】
第2の信号線層15には、帯状の第1のリード27が、第2のグランド層23における第2の信号線層15の両側には同じく帯状の第2のリード28、28が接合されている。これらの第1、第2のリード27、28は、コバールなどの導電性材料で構成され、第2の信号線層15または第2のグランド層23とは、銀ろう付けなどのろう付けによって接合されている。なお、帯状の第2のリード28、28を第2の信号線層15の両側に設けるのは、グランド付コプレナ・ウェーブガイドを構成するためである。
【0038】
上記のように、第1、第2のリード27、28が接合される場合、これらのリードに所定の幅を持たせる必要がある。そのために、第2の導体ビア25と第2の信号線層15との間隔は、第2の導体ビア25と第1の信号線層14との間隔に比べて広くなる。また、リードを取り付ける第2の信号線層15の幅が大きくなるので、特性インピーダンスの整合を図るために、第2の信号線層15と第2のグランド層23との間のギャップgは、第1の信号線層と第1のグランド層22との間のギャップgより大きい値に設定する。
【0039】
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。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とは、複数の第2の導体ビア25によって接続されている。
【0040】
上記の第1、第2、第3の信号線層14、15、16、グランド層22、23、24、及び第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。
【0041】
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1のリード27から、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、第2の信号線層15および第1のリード27を介して出力される。
【0042】
第2の信号線層15に第1のリード27を取り付ける場合には、高周波信号の伝送特性を確保するとともに、第2の信号線層15と第1のリード27とを確実に接合するために、第2の信号線層15の幅を広くする必要がある。そのような場合には、通常、第2の信号線層15の特性インピーダンスが小さくなる傾向がある。そのために、高周波パッケージ10の場合には、図2、図3(b)に示したように、誘電体基板11の第3の信号線層16が位置する深さレベルには、グランド層が存在していない。
【0043】
さらに、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。
h≦λ/(8×ε 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は、誘電体基板11の比誘電率を表している。
【0044】
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。
【0045】
さらに、前述のように、誘電体基板11の下面11b側には、第3のグランド層24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。
【0046】
なお、第3の信号線層16と誘電体基板11の上面11aとの間隔hの下限は小さい方が好ましいが、第3の信号線層16と第1、第2のグランド層22、23との電気的な絶縁、実用的に製造可能な限界等を考慮して設定するのが望ましい。
【0047】
また、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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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、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。
【0051】
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及び35e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及び35f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35a〜35f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。
【0052】
実施の形態(2)に係る高周波パッケージは、実施の形態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 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。
【0053】
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な方向へ放射される高周波信号が、第2の導体ビア35a〜35f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。
【0054】
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。
【0055】
実施の形態(3)に係る高周波パッケージは、第1、第3の信号線層14、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 1/2) (3)式
なお、λとε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3の信号線層14、16の幅W、W、ギャップg、g2、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。
【0056】
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3の信号線層14、16から、これら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る高周波信号の波長と、第1、第3の信号線層14、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。しかしながら、第2の信号線層15の中心線とビア35e、35fの中心との間隔をVとすると、実験的に、V=λ/(4×ε 1/2)に相当する以上の高い周波数が伝送される。むろん、W=λ/(4×ε 1/2)に相当する波長以下の周波数しか伝送されない。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。
【0057】
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 (4)式
なお、この場合のWは、第1、第3の信号線層14、16の中心線と第2の導体ビア35c、35dの中心との間隔(単位:mm)を表している。第2の信号線層15と第2の導体ビア35e、35fとの間隔Vは、第1のリード27が設けられるため、第2の信号線層15の幅が広くなる。それに伴ってインピーダンスを整合させるためにgが大きくなる関係上、第1、第3の信号線層14、16の中心線と第2の導体ビア35c、35dの中心との間隔が異なるからである。
【0058】
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を中心としてWs≧Wの関係が成り立つ領域に、第1の導体ビア17に近接する第2の導体ビア35a、35bが配置されている。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。
【0059】
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〜35f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。
【0060】
【実施例】
図1〜図3に示した構成を有する高周波パッケージ10をプリント回路基板に装着する試験を行い、高周波パッケージ10のプリント回路基板への実装性と、高周波信号を伝播させた場合の信号の伝送特性を調査した。調査に供した高周波パッケージ10の諸元の数値は表1のとおりである。また、誘電体基板11はアルミナで、大きさ:8.0mm×10.0mm、厚さ:0.4mm、比誘電率:9.5、誘電体基板11の上面11aと第3の信号線層16との間隔(h):0.1mm、第2の信号線層25(35)同士の間隔(D):0.35mmとした。また、第1のリード27は、幅W:0.25mm(W:図4参照)、厚さ:0.15mm、長さ(高周波パッケージの端面からの長さ):0.6mmとした。
【0061】
【表1】
Figure 2004311568
プリント回路基板には、Rogers社製RO4003の基板で、比誘電率3.38、厚さ0.2mm、高周波パッケージ10を搭載するキャビティの大きさ:8.2mm×0.2mmのものを用いた。高周波パッケージを、その第1、第2のリード27、28がプリント回路基板の端子部に重なるように、プリント回路基板のキャビティに載置した後、第1、第2のリード27、28とプリント回路基板の端子部とを、はんだ付けにより接合した。
【0062】
プリント回路基板のキャビティに、高周波パッケージ10を装着した状態では、両者の隙間は0.1mmであった。すなわち、高周波パッケージ10の第1、第2のリード27、28が接合された第2の信号線層15の端部15bから、プリント回路基板の端子に接合された部分との間隔である、第1のリード27が空気中にある長さは0.1mmであった。また、プリント回路基板側は、高周波パッケージ10の第1、第2のリード27、28が接続された端部から、プリント回路基板の測定端子までの間が長さ2.65mmであり、その内訳は、高周波パッケージの実装側のグランド付コプレナ・ウェーブガイド:0.6mm、測定端子側のグランド付コプレナ・ウェーブガイド:0.7mm、両者の間のマイクロストリップライン:1.35mmであった。
【0063】
上記のプリント回路基板への高周波パッケージ10の実装は、第1、第2のリード27、28の接続が、例えばリフローソルダリングプロセスで、容易、かつ確実であり、実用上極めて優れていた。
【0064】
高周波信号の伝送特性は、高周波パッケージ10の第1の信号線層14の端部14bと、プリント回路基板の測定端子部とに、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〜70GHzの高周波信号を流し、高周波パッケージ10と接続部とプリント回路基板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。
【0065】
図5に測定結果を示す。図5(a)は、周波数と反射特性との関係、(b)は、周波数と通過特性との関係を示すグラフである。図5(a)から、高周波信号の反射損失は、55GHz以下の範囲でほぼ−15dB以下であることが明らかであり、極めて広い帯域で信号伝送の損失が小さいことが確認された。また、図5(b)から、少なくとも50GHzまで信号の通過損失がわずかであることが明らかである。この結果から、高周波パッケージ10には、このような広い帯域で、リップル、スプリアス等の不要モードの発生がなく、極めて優れた特性であることが確認された。
【0066】
なお、上記の結果において、周波数が55GHzの場合には、λは5.45mmであるので、(1)式の右辺は0.22mm、(2)式の右辺は0.88mm、(3)式の右辺は0.44mmであり、h、D、Wのいずれも、それぞれの条件を満足していた。さらに、上述のように、高周波パッケージ10の下面11bに第3のグランド層24が設けられていたことにより、プリント回路基板の影響を受けず、伝送特性の低下を抑制することができた。一方、リードの空気中における長さが0.1mm以上になると、長さに応じて高周波の伝送特性は低下していくことが分かった。
【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)は周波数と反射特性との関係、(b)は周波数と通過特性との関係を示す図である。
【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1のリード
28 第2のリード
35a〜35f 第2の導体ビア
、g ギャップ

Claims (4)

  1. 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おける前記環状枠体の側壁部の下方に、第3の信号線層を備え、
    前記誘電体基板の他方の主面側に、第3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のグランド層と前記第3のグランド層、及び前記第2のグランド層と前記第3のグランド層と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)式を満足し、
    さらに、前記第2の信号線層に接続された外部接続用の第1のリードと、前記第2のグランド層における前記第2の信号線層の両側に接続された外部接続用の第2のリードとを備えていることを特徴とする高周波パッケージ。
    h(mm)≦λ/(8×ε 1/2) (1)式
    ここで、
    λ: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:誘電体基板の比誘電率
  2. 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する請求項1記載の高周波パッケージ。
    D(mm)<λ/(2×ε 1/2) (2)式
    ここで、
    λ:第1、第2、第3の信号線層及び第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:誘電体基板の比誘電率
  3. 前記第1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する請求項1又は請求項2に記載の高周波パッケージ。
    W(mm)<λ/(4×ε 1/2) (3)式
    ここで、
    λ:第1、第2、第3の信号線層及び第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:誘電体基板の比誘電率
  4. 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が、下記の(4)式を満足することを特徴とする請求項1〜3のいずれかの項に記載の高周波パッケージ。
    (mm)≧W (4)式
    ここで、
    W: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)
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