JP2005108893A

JP2005108893A - 配線基板

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Publication number: JP2005108893A
Application number: JP2003336309A
Authority: JP
Inventors: Koki Kawabata; 幸喜川畑
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP4373752B2

Abstract

【課題】差動伝送線路と差動貫通導体との接続における特性インピーダンス不整合から生じる高周波信号の反射損失を非常に小さなものに抑制することができ、その結果、半導体素子の作動性を良好なものとできる配線基板を提供すること。
【解決手段】配線基板１は、絶縁基板２に、互いに平行に形成された一対の貫通導体から成る差動貫通導体９と、差動貫通導体９を同心円状に取り囲むように形成された複数の接地貫通導体１０と、接地貫通導体１０に沿って差動貫通導体９を同心円状に取り囲む開口部１２が形成された接地導体層４ｂとが設けられており、接地導体層４ｂは、開口部１２の開口縁が接地貫通導体１０の中心を通るようにして形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するのに好適な、差動伝送線路を有する配線基板に関するものである。

従来、高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するための配線基板においては、従来の配線基板の例の断面図である図４および図４の配線基板に形成された差動貫通導体の周囲の開口部周辺の要部拡大平面図である図５に示すように、高速な高周波信号を正確かつ効率よく伝播させるために、差動伝送線路４８と外部入出力用電極４１１との接続には差動貫通導体４９を用いている。差動伝送線路４８に接続される差動貫通導体４９は、一対の信号貫通導体５９（５９ａ，５９ｂ）から構成され、その周囲を接地貫通導体５１０で同心円状に取り囲むことによって擬似同軸構造を形成している。この差動貫通導体４９の特性インピーダンスは、差動貫通導体４９に接続される差動伝送線路４８の特性インピーダンスと一致するように、配線基板４２の絶縁層４２ａ〜４２ｆの材料や、差動貫通導体４９および接地導体５１０の直径を変更したり、更にこれらの相対位置を互いに変更することによって決定されている。

なお、図４において、４１は配線基板、４３は信号配線群、４４（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）は接地導体層、４５は半導体素子、４６は導体バンプ、４７は電極パッド、４１０は接地貫通導体である。また、図５において、５２ｄは絶縁層、５４ｂは接地導体層、５１２は接地導体層５４ｂに形成された開口部である。
特開２００１−５３３９７号公報特開２０００−１３８４３３号公報

しかしながら、従来の配線基板４１においては、差動伝送線路４８と外部入出力電極４１１との接続に用いられる差動貫通導体４９が接地導体層５４ｂに設けられた開口部５１２を貫通する際に、差動貫通導体４９と接地導体層５４ｂとの間に電気的な容量成分が生じることから、接地導体層５４ｂ付近の差動貫通導体４９の特性インピーダンスが低くなっていた。その結果、差動貫通導体４９自体あるいは差動伝送線路４８と差動貫通導体４９との接続において特性インピーダンスの不整合が起こり、高周波信号の反射損失が大きくなって高周波信号の伝送性が劣化し、半導体素子４５の作動性が損なわれるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、差動伝送線と外部入出力電極とを接続する差動貫通導体を有する配線基板において、差動伝送線路部と差動貫通導体との接続における特性インピーダンス不整合から生じる高周波信号の反射損失を非常に小さなものに抑制することができ、その結果、半導体素子の作動性を良好なものとできる配線基板を提供することにある。

本発明の配線基板は、絶縁基板に、互いに平行に形成された一対の貫通導体から成る差動貫通導体と、該差動貫通導体を同心円状に取り囲むように形成された複数の接地貫通導体と、該接地貫通導体に沿って前記差動貫通導体を同心円状に取り囲む開口部が形成された接地導体層とが設けられており、該接地導体層は、前記開口部の開口縁が前記接地貫通導体の中心を通るようにして形成されていることを特徴とするものである。

本発明の配線基板は、上記構成において好ましくは、前記差動貫通導体と前記接地貫通導体との間隔は、前記差動貫通導体から成る伝送路の特性インピーダンスが前記差動貫通導体に接続される差動伝送線路の特性インピーダンスと同じとなるように設定されていることを特徴とするものである。

本発明の配線基板は、互いに平行に形成された一対の貫通導体から成る差動貫通導体と、差動貫通導体を同心円状上に取り囲むように形成された複数の接地貫通導体と、接地貫通導体に沿って差動貫通導体を同心円状に取り囲む開口部が形成された接地導体層とが設けられており、接地導体層は、開口部の開口縁が接地貫通導体の中心を通るようにして形成されていることから、接地導体層の開口部を介して差動貫通導体と接地導体層との間に発生する容量成分を減少させることができるとともに、接地導体層と接地貫通導体とが接していることから接地貫通導体がより安定した接地導体として作用する。これにより、特性インピーダンスの不連続性が抑えられるので、差動貫通導体と差動伝送線路部との接続における特性インピーダンスの不整合による高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。

本発明の配線基板は、好ましくは、差動貫通導体と接地貫通導体との間隔は、差動貫通導体から成る伝送路の特性インピーダンスが差動貫通導体に接続される差動伝送線路の特性インピーダンスと同じとなるように設定されていることから、差動貫通導体に接続される差動伝送線路と差動貫通導体との間の特性インピーダンスの不整合をなくすことができ、高周波信号の反射損失を無視できる程度にきわめて小さく抑えることが可能となる。

これらのことにより、本発明の配線基板によれば、差動貫通導体自体および差動伝送線路と差動貫通導体との間の高周波信号の反射損失を極めて小さなものとすることができるので、本発明の配線基板に搭載される半導体素子の高周波領域における作動性を非常に良好なものとすることができる。

本発明の配線基板について以下に図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の配線基板における差動貫通導体９の周辺部の要部拡大平面図である。

本発明の配線基板１においては、絶縁基板２を構成する絶縁層２ａ〜２ｆは基本的には同じ比誘電率を有する絶縁材料で形成されている。絶縁層２ｃ上には信号配線群３が形成され、絶縁層２ｂ，２ｄ上には信号配線群３に対向させて広面積の接地導体層４ａ，４ｂが形成されており、信号配線群３の各信号配線はストリップ線路構造を有している。接地導体層４ａ，４ｂは、配線基板１の仕様に応じて入れ換えて配置されることもある。

また、信号配線群３の各信号配線の配線幅および信号配線群３と接地導体層４ａ，４ｂとの間に介在する絶縁層２ｂ，２ｃの厚みを適宜設定することで、信号配線群３の特性インピーダンスを任意の値に設定することができるため、良好な伝送特性を有する信号配線群３を形成することが可能となる。信号配線群３の特性インピーダンスは一般的には５０Ωに設定される。

なお、信号配線群３に含まれる複数の信号配線は、それぞれ異なる電気信号を伝送するものとしてもよい。

図１の例では、配線基板１の上面には高速で動作するＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子や半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子等の半導体素子５が搭載され、錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金等の半田や金（Ａｕ）等から成る導体バンプ６および半導体素子５を接続するための電極パッド７を介して差動伝送線路８に電気的に接続されている。また、配線基板１の下面には、半導体素子５に信号の入出力および電源供給を行なうための外部接続用電極１１が形成されている。

また、差動伝送線路８は、絶縁層２ｃの上面に接地導体層４ａ，４ｂとの間に形成されたストリップ構造の一対の信号線路から成り、外部と信号の入出力を行なうために差動貫通導体９を介して外部接続用電極１１に電気的に接続され、また、差動貫通導体９、電極パッド７および錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金等の半田や金（Ａｕ）等から成る導体バンプ６を介して半導体素子５の電極に電気的に接続されている。

本発明の差動貫通導体９について、図２を用いて詳細に説明する。差動貫通導体９は互いに平行に形成された一対の信号貫通導体９ａ，９ｂから構成され、開口部１２によって接地導体４ｂと電気的に絶縁されており、差動貫通導体９の上端は差動伝送線路８に電気的に接続され、下端は外部接続用電極１１に電気的に接続されている。

また、開口部１２は、絶縁層２ｄ上の接地導体層４ｂと信号貫通導体９ａ，９ｂとを絶縁しているとともに、開口縁が接地貫通導体１０の中心を通るようにして形成されている。この構成により、接地導体層４ｂの開口部１２を介して差動貫通導体９と接地導体層４ｂとの間に発生する容量成分を減少させることができるとともに、接地導体層４ｂと接地貫通導体１０とが接していることから接地貫通導体１０がより安定した接地導体として作用する。これにより、特性インピーダンスの不連続性が抑えられるので、差動貫通導体９と差動伝送線路部８との接続における特性インピーダンスの不整合による高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。

また、差動伝送線路８の特性インピーダンスと差動貫通導体９の特性インピーダンスとが同じになるように、差動貫通導体９および接地貫通導体１０の直径を調整したり、更にはこれらの相対位置を調整すればよい。

本発明において好ましくは、差動貫通導体９と接地貫通導体１０との間隔は、差動貫通導体９から成る伝送路の特性インピーダンスが差動貫通導体９に接続される差動伝送線路８の特性インピーダンスと同じとなるように設定されていることから、差動貫通導体９に接続される差動伝送線路８と差動貫通導体９との間の特性インピーダンスの不整合をなくすことができ、高周波信号の反射損失を無視できる程度にきわめて小さく抑えることが可能となる。

なお、差動貫通導体９から成る伝送路とは、たとえば差動貫通導体９と接地貫通導体１０と絶縁基板２とから構成される伝送路である。

本発明において好ましくは、差動貫通導体９と接地貫通導体１０との間隔は、差動貫通導体９から成る伝送路の特性インピーダンスが差動貫通導体９に接続される差動伝送線路８の特性インピーダンスと同じとなるように設定されているが、一般に、同軸構造の貫通胴体の特性インピーダンスは、絶縁層２ｂ，２ｃ、信号貫通導体９ａ，９ｂの径、信号貫通導体９ａ，９ｂと接地貫通導体１０との間の距離で決定されるが、信号貫通導体９ａ，９ｂの径のみの調整によって特性インピーダンスを整合する場合、信号貫通導体９ａ，９ｂの径の加工精度やデザインルールによって所望の特性インピーダンス値からずれた値となりやすい。したがって、差動貫通導体９と接地貫通導体１０との間隔を調整する方が、所望の特性インピーダンス値を得るのが容易である。

次に、図３に基き本発明における差動伝送線路８について説明する。図３は本発明の配線基板１の実施の形態の一例における差動伝送線路８の周辺部を示す要部拡大断面図である。図３において、差動伝送線路８は互いに平行に形成された一対の信号伝送線路８ａ，８ｂから成る。そして、差動伝送線路８は、信号伝送線路８ａ，８ｂの配線幅，配線間隔，配線厚みおよび接地導体層４ａ，４ｂとの間に介在する絶縁層２ｂ，２ｃの厚みを適宜設定することにより、差動伝送線路８の特性インピーダンスを任意の値に設定することができる。その結果、良好な伝送特性を有する差動伝送線路８を形成することが可能となる。差動伝送線路８の特性インピーダンスは一般的には１００Ωに設定される。

また、信号配線群３および差動伝送線路８の構造は、信号配線群３に対向して電源配線層もしくは接地導体層を形成して成るマイクロストリップ線路構造の他に、信号配線群３の上下に電源配線層もしくは接地導体層を形成して成るストリップ線路構造、また信号配線群３の各信号配線に隣接して所定間隔をもって電源配線層もしくは接地導体層を形成して成るコプレーナ線路構造であってもよく、配線基板１に要求される仕様等に応じて適宜選択して構成することができる。

また、配線基板１にチップ抵抗，薄膜抵抗，コイルインダクタ，クロスインダクタ，チップコンデンサまたは電解コンデンサ等といったものを搭載して、電子回路モジュール等を構成してもよい。

また、各絶縁層２ａ〜２ｆの平面視における形状は、正方形状や長方形状の他に、菱形状，六角形状または八角形状等の形状であってもよい。

そして、このような本発明の配線基板１は、半導体素子収納用パッケージ等の電子部品収納用パッケージや電子部品搭載用基板、多数の半導体素子が搭載されるいわゆるマルチチップモジュールやマルチチップパッケージ、あるいはマザーボード等として使用される。

本発明の配線基板１において、絶縁層２ａ〜２ｆは例えばセラミックグリーンシート積層法によって形成される。この場合、絶縁層２ａ〜２ｆは、酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ムライト質焼結体またはガラスセラミックス等の無機絶縁材料を使用して形成される。また、絶縁層２ａ〜２ｆは、ポリイミド，エポキシ樹脂，フッ素樹脂，ポリノルボルネンまたはベンゾシクロブテン等の有機絶縁材料、あるいはセラミックス粉末等の無機絶縁物粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で結合して成る複合絶縁材料等の電気絶縁材料を使用して形成される。

これらの絶縁層２ａ〜２ｆは以下のようにして作製される。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、まず、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化カルシウムまたは酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法等を採用してシート状となすことによってセラミックグリーンシートを得る。そして、セラミックグリーンシートに信号配線群３および各導体層と成る金属ペーストを所定のパターンに印刷塗布して、これらを上下に積層し、最後にこの積層体を還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。

また、絶縁層２ａ〜２ｆがエポキシ樹脂から成る場合であれば、まず酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミックスを混合した熱硬化性樹脂あるいはガラス繊維を織り込んだ布にエポキシ樹脂を含浸させて成るガラスエポキシ樹脂等から成る絶縁層の上面に、有機樹脂前駆体をスピンコート法もしくはカーテンコート法等により被着させ、これを熱硬化処理することによって絶縁層を形成する。この絶縁層と、銅層を無電解めっき法や蒸着法等の薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ技術を採用することによって形成して成る薄膜配線導体層とを交互に積層し、約１７０℃程度の温度で加熱硬化することによって製作される。

これらの絶縁層２ａ〜２ｆの厚みは、使用する材料の特性に応じて、要求される仕様に対応する機械的強度や電気的特性等の条件を満たすように適宣設定される。

また、信号配線群３、差動伝送線路８および接地導体層４は、例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），モリブデン−マンガン（Ｍｏ−Ｍｎ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ）または銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）等の金属粉末メタライズ、あるいは銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），金（Ａｕ）またはニオブ（Ｎｂ）やそれらの合金等の金属材料の薄膜等により形成すればよい。

具体的には、信号配線群３や電源配線層４をＷの金属粉末メタライズで形成する場合、Ｗ粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁層２ａ〜２ｆと成るセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。

また、信号配線群３や電源配線層４を金属材料の薄膜で形成する場合、例えばスパッタリング法，真空蒸着法またはメッキ法により金属膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により所定の配線パターンに形成することができる。

このような配線基板１は、信号配線群３が配設されている絶縁層２ａ〜２ｆの比誘電率に応じて、信号配線群３および差動伝送線路８の各信号配線の配線幅，配線厚み，配線間隔を適宣設定することで、信号配線群３の各信号配線の特性インピーダンス値および差動伝送線路８の特性インピーダンス値を所望の値とすることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。例えば、差動貫通導体が接続される差動伝送線路は配線基板の表層に形成されてもよい。さらに、差動貫通導体が電気的に接続される二次実装部は、コネクタやワイヤボンディングパッド等でもよい。また、差動貫通導体は、配線基板上の異なる絶縁層上に形成された差動伝送線路同士の接続に用いてもよい。

本発明の図１の配線基板１を以下のようにして作製した。酸化アルミニウム質焼結体から成る各厚みが０．２ｍｍの絶縁層２ａ〜２ｆを上述したセラミックグリーンシート積層法によって積層し形成することにより、絶縁基板２を作製した。このとき、信号配線群３、差動伝送線路８、接地導体層４、差動貫通導体９および接地貫通導体１０を、上述のＷの金属粉末メタライズで形成した。

そして、この場合、図２に示すように、比誘電率が５．２の絶縁基板２ｄに、各直径が７５μｍで互いの間隔が０．３１ｍｍの一対の信号貫通導体９ａ，９ｂから構成された差動貫通導体９を同心円状に取り囲むように、各直径が７５μｍで互いの間隔が０．３１ｍｍの１０本の接地貫通導体１０を形成した。差動貫通導体９と接地貫通導体１０との間の間隔は、３１０μｍとした。また、接地導体層４ｂと差動貫通導体９とを絶縁する開口部１２の開口縁が接地貫通導体１０の中心を通るようにして形成した。

上記構成の差動貫通導体９について、４０ＧＨｚの高周波信号を信号貫通導体９ａ，９ｂに位相差１８０度で入力したところ、差動貫通導体９における特性インピーダンスが
１０１．７Ω、差動伝送線路８における特性インピーダンスが１００Ωとなり、特性インピーダンスの不整合による高周波信号の反射損失を抑えることが可能となった。すなわち、差動貫通導体９と差動伝送線路８との接続部における高周波信号の反射レベルは−４１ｄＢ程度となり、きわめて小さい値であった。

また、比較例１として、開口部１２の開口縁が接地貫通導体１０の中心よりも１１０μｍ内側を通るように形成した配線基板においては、差動貫通導体９と差動伝送線路８との接続部における高周波信号の反射レベルは−２５ｄＢ程度と大きくなった。

比較例２として、開口部１２の開口縁が接地貫通導体１０の中心よりも１１０μｍ外側を通るように形成した配線基板においては、差動貫通導体９と差動伝送線路８との接続部における高周波信号の反射レベルは−２８ｄＢ程度と大きくなった。

本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部拡大平面図である。本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す部分拡大断面図である。従来の配線基板の一例を示す断面図である。従来の配線基板の一例を示す要部拡大平面図である。

符号の説明

１・・・配線基板
２・・・絶縁基板
２ａ〜２ｆ・・・絶縁層
３・・・信号配線群
４・・・接地導体層
５・・・半導体素子
６・・・導体バンプ
７・・・電極パッド
８・・・差動伝送線路
９・・・差動貫通導体
９ａ、９ｂ・・・信号貫通導体
１０・・・接地貫通導体
１１・・・外部接続用電極
１２・・・開口部

Claims

絶縁基板に、互いに平行に形成された一対の信号貫通導体から成る差動貫通導体と、該差動貫通導体を同心円状に取り囲むように形成された複数の接地貫通導体と、該接地貫通導体に沿って前記差動貫通導体を同心円状に取り囲む開口部が形成された接地導体層とが設けられており、該接地導体層は、前記開口部の開口縁が前記接地貫通導体の中心を通るようにして形成されていることを特徴とする配線基板。
前記差動貫通導体と前記接地貫通導体との間隔は、前記差動貫通導体から成る伝送路の特性インピーダンスが前記差動貫通導体に接続される差動伝送線路の特性インピーダンスと同じとなるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の配線基板。