JP2005150345A - 高周波パッケージ - Google Patents

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Abstract

【課題】 高周波パッケージには複数の切欠き部（開口部）が存在し、これら開口部はそれぞれアンテナとしての特定の共振周波数を有しており、高周波帯域では使用周波数帯域内にある場合がある。従ってパッケージ内で発生する共振周波数を使用周波数帯域外とする。
【解決手段】 金属底板１上に、外部端子と接続するため開口部８を設けた金属枠体２と、金属底板１上に設けられ表面に高周波伝送線路及び複数の入出力端子を形成した誘電体３と、金属枠体２内部に収納されたマイクロ波回路６と、金属蓋９からなるパッケージで、金属枠体２と金属底板１との電界で発生する開口部８の共振周波数を開口部８の横幅を小さくし、最適化することにより使用周波数帯域外とした。
【選択図】 図１

Description

この発明は、衛星通信、移動体通信、航空・船舶などのマイクロ波通信、ミリ波通信、及び光通信などの高周波信号を使用・制御する半導体素子、光半導体素子及び回路を収納する高周波パッケージに関するものである。
特開２００２−３２９８００号公報図１には上面に半導体素子２が積載される基体４と側部に切欠き部からなる入出力端子５の取付部６が形成された枠体７が開示されている。また同号公報図２には、切欠き部にセラミックで構成された立壁部１０を設け立壁部１０下面に溝２０を設け、溝２０に誘電率がセラミックより小さい樹脂層１１を充填することにより線路導体８と立壁部１０上面の接地導体間の静電容量を小さくして高い高周波帯域までの伝送を可能としている。また、溝２０の幅と線路導体８との関係から高周波信号の共振点を高い周波数にシフトさせる範囲について言及している。
特開平５−１１０３１０号公報図１、もしくは特開平５−１２１８８８号公報図１にはパッケージと蓋との空間の大きさを変化させ、マイクロ波回路の動作周波数帯域内に入るような共振を起こすことを避けるため空洞共振器における共振周波数を高く又は低くする方法が開示されている。
特開２００２−３２９８００号公報 特開平５−１１０３１０号公報 特開平５−１２１８８８号公報
従来の半導体パッケージでは線路導体と立壁部上面の接地導体との静電容量によるカットオフ周波数の高域化について述べているが、立壁部を収納する枠体の切欠き部自体による高周波伝送線路（ＲＦライン）に対する影響については言及していない。すなわち、フィードスルーで代表されるＲＦラインやバイアス印加用フィードスルーラインからの不要波の漏洩、流入に関して、枠体には複数の切欠き部（開口部）が存在し、これら開口部はそれぞれスロットアンテナとしての特定の共振周波数を有しており、高周波帯域では使用周波数帯域内に多数存在する場合が多い。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高周波パッケージ内で発生するスロットアンテナ共振の共振周波数帯域を使用周波数帯域外とし、且つ、使用周波数帯域内で発生する半導体素子やマイクロ波回路で生じる不要波（反射波）を除去できる高周波パッケージを提供することを目的とする。また、比較的広い帯域幅の不要波に対しても伝送線路の性能を劣化させない高周波パッケージを提供することを目的とする。
この発明の高周波パッケージは金属地導体面上に、外部端子と接続する開口部を設けた金属枠体と、金属地導体上に設けられ表面に高周波伝送線路及び複数の入出力端子を形成した誘電体と、金属枠体内部に収納された半導体回路と、上記半導体回路と入出力端子とを電気接続する結線手段と、金属枠体空間の一方を覆う金属蓋を有し、金属枠体と金属地導体との間の電磁界共振による上記開口部のスロット共振周波数を上記開口部横幅の寸法変化で使用周波数帯域上限外としたことを特徴とする。
また、この発明の高周波パッケージは金属地導体面上に、外部端子と接続する開口部を設けた金属枠体と、金属地導体上に設けられ表面に高周波伝送線路及び複数の入出力端子を形成した誘電体と、金属枠体内部に収納された半導体回路と、上記半導体回路と入出力端子とを電気接続する結線手段と、金属枠体空間の一方を覆う金属蓋を有し、金属枠体の上記開口部横幅とは異なるスロットアンテナ開口部を金属枠体に設け、金属枠体と金属地導体との間の電磁界共振による上記スロットアンテナ開口部のスロット共振周波数を上記スロットアンテナ開口部横幅の寸法変化で使用周波数帯域内の不要波周波数に設定したことを特徴とする。
高周波パッケージの開口部で発生する共振現象に対して、それぞれの開口部横幅の寸法を変化させ、スロット共振周波数を使用周波数帯域外とすることにより、安定した周波数帯域を保持した高周波パッケージを得る効果がある。
また、使用周波数帯域内で発生する半導体素子やマイクロ波回路で生じる不要波に対して、開口部横幅の寸法変化でスロットアンテナ共振周波数を上記不要波周波数に合わせることにより、不要波の影響を受けない高周波パッケージを得る効果がある。また、比較的広い帯域幅の不要波に対しても伝送線路の性能を劣化させない高周波パッケージを得ることができる利点がある。
実施例１．
図１はこの発明による高周波パッケージの実施例１を示す外観図である。図１において、１はＦｅ−ＮｉーＣｏ合金からなる底板（金属地導体）、２は金属地導体１と同一合金からなる枠体（金属枠体）、３は金属地導体１上に分散又は一体化されて設置されたセラミック基板（誘電体）、４ａはセラミック基板３表面上に形成された高周波入力端子（入力端子）、４ｂは高周波出力端子（出力端子）であり、全体として伝送線路（フィードスルーライン）４を形成する。５はセラミック基板３表面上に形成され制御信号や電源を供給するバイアス端子、６はマイクロストリップ線路（Microstrip line:ＭＳＬ）、半導体素子、厚膜・薄膜回路などで構成されたマイクロ波回路（半導体回路）、７はマイクロ波回路６間を結線する金ワイヤであり、高周波入出力端子（ＲＦ端子）４ａ、４ｂ及びバイアス端子５とも結線される。８は外部端子（図示せず）と接続するＲＦ端子４ａ、４ｂ及びバイアス端子５近傍に設けられ枠体２を一部切欠いた開口部（スロット開口部）であり、９は枠体２を覆うＦｅーＮｉーＣｏ合金からなる蓋（金属蓋）である。１０は開口部８に設けられ枠体２の厚みにほぼ等しい絶縁部材で構成されたセラミック立壁部であり、開口部８の断面空間はセラミック基板３とセラミック立壁部１０で充填されている。
図２は実施例１による高周波パッケージの側面図であり、バイアス端子５の開口部８はそれぞれ異なった横幅（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）の開口部を持つ。バイアス端子５の開口部横幅（Ｌ）が異なるのは、図１に示すようにバイアス端子５となる制御信号線や電源供給線が異なった本数で開口部と外部端子間で入出力されるためである。これらバイアス端子５に結線されるパターンのパターン幅は例えば１本あたり０．２ｍｍであり、相互の間隙は０．３ｍｍとすると、４本のパターンがバイアス端子５に平行に結線した時、開口部横幅は２．５ｍｍとなる。
次に動作について説明する。一例として、１２ｍｍ幅、１６ｍｍ長、２．５ｍｍ高さの容量を持つ伝送線路４の入力端子４ａから入力された略１０ＧＨｚのマイクロ波信号はマイクロ波回路６内の各回路素子（増幅器、位相器、方向性結合器、非線形素子など）において信号処理され出力端子４ｂから出力される。この信号処理を行うにあたり、伝送線路４に沿って適宜設置されたバイアス端子５からデジタル信号、電源供給及びバイアス電圧を印加する必要があるため、外部端子からの信号は枠体２に設けられた開口部８近傍のバイアス端子５からマイクロ波回路６に供給される。
伝送線路４は誘電体３表面に形成されたＮｉーＣｒ−ＣｕーＡｕの薄膜導体で形成されたパターンと誘電体３下面全面に設けられた薄膜導体パターン（図示せず）又は底板（金属地導体）間の領域で主にマイクロ波が伝搬する。また、伝送線路４に介在する半導体回路（マイクロ波回路）６との接続は半導体表面のボンディングパッドと伝送線路４途中に設けられたボンディングパッドパターン間を金ワイヤ７で接続する。もしくは半導体下面に設けられた金鉛半田バンプ端子と伝送線路４途中に設けられたボンディングパッドパターンとを半田付け（熱融着）により直接結線する場合もある。バイアス端子５に結線されるパターンも伝送線路４と同一材料で構成され、金ワイヤ７で半導体回路６と接続される。従ってこれらパターンも副次的伝送線路となる。
ところでマイクロ波回路の設計は使用周波数の中心値でパターン設計およびパッケージ内側寸法設計を行うことが多く、そのため一義的に最適周波数帯が決定する。従って最適周波数帯以外の周波数帯域では不要な共振や不要発振が生じることがある。これら共振や不要発振は使用帯域に規定された帯域幅内に複数個点在することがあり、且つ比較的広帯域に及ぶ場合もある。不要発振の発生については本実施例１のように増幅器が介在する場合、非線形増幅領域で発生するスプリアスや変調歪によっても追加される。また、伝送線路に介在する金ワイヤ７などの微細接続素子部分における電磁波放射により増大することもある。
図３は本実施例１による高周波パッケージを用いたマイクロ波回路の通過特性を示したものである。通常、使用周波数帯域（実使用帯域幅）は使用周波数帯域内（使用帯域内）と使用周波数帯域外（使用帯域外）の規定に基づき決定される。使用帯域内ではその領域における伝送損失や利得の規定を設け、使用帯域外は減衰規定が設けられる。図３では実使用帯域幅内に共振が観測される場合を示している。この場合は、前述のパッケージ内側寸法設計の最適設計を行っていない場合であり、従来の対策手法として特開平５−１２１８８８号公報もしくは特開平５−１１０３１０号公報に示すようにパッケージ全体容量を変化させたり、電波吸収体を適宜挿入することにより空洞共振における共振周波数を可変する方法を用いていた。しかし、高周波伝送回路では上述のように使用周波数帯域幅で複数の共振波を持つこともあり、パッケージ空間を利用した共振周波数のシフトや帯域周波数の相対的可変では対処できない共振現象が生じる場合がある。これら共振の発生の原因の一つとしてパッケージに設けられた開口部８と関連することが判明した。
すなわち開口部８がスロットアンテナに代表されるように伝送空間放射波長の約半波長の開口アンテナとしてみなすことができパッケージ内の伝送線路により漏れる電磁界が開口アンテナに結合し、アンテナ共振により、その周波数における電波の放射がある。これは放射による電力の減衰となって現れ、使用周波数帯域での共振として観測される。本実施例１では開口部の横幅に着目し、図２に示すような開口幅（Ｌ）とし、図４に示すように使用周波数帯域内で約半波長共振条件からはずすことにより共振現象を防止している。
この共振現象について詳細に説明する。開口部８では枠体２を一部切欠いているため底板１と枠体２で囲まれた空間つまりセラミック基板３およびセラミック立壁部１０内に電界分布が生じる。この電界の向きはバイアス端子５のパターンの面に垂直でありかつスロットアンテナの電界分布に一致している。このため、この高周波パッケージは、セラミック基板３上に形成されているバイアス端子５のパターンにはよらず、独立したスロットアンテナとなる開口部（スロット開口部）を有していることになる。
図２では開口部８の横幅Ｌ３を２．５ｍｍとする。開口部高さはセラミック基板３厚さとセラミック立壁部１０との厚さの和にほぼ等しい。バイアス端子５パターンは３．０μｍ程度の膜厚である。またセラミック基板３の厚みは０．３ｍｍ程度、セラミック立壁部１０の厚さは０．３ｍｍ程度である。また、外部端子との接続には枠体２外部に位置するバイアス端子５部分に半田付けや専用リード（図示せず）などを設けるため、ＣｕーＭｏ−Ｗからなる厚膜材料をバイアス端子５パターンとして使用する時は１０μｍ程度である。また、本実施例１ではセラミック基板３幅と開口部８幅とは気密性を保つため同一である。すなわち、開口部８の断面積はセラミック基板３とセラミック立壁部１０を合わせた断面積にほぼ等しい。
図２に示すバイアス端子５のＬ３開口部幅は２．５ｍｍであり、幅０．２ｍｍのパターンが相互の間隔０．３ｍｍで４本設置されている。このような場合のスロット共振周波数は略次式で表される。
ｆｒ＝（Ｃ／√εｒ）・（ｎ／２Ｌ）
ここで ｆｒ：共振周波数 Ｃ：光速 εｒ：比誘電率 ｎ：定数 Ｌ：開口部横幅
例えば セラミックの比誘電率を９．０、 定数ｎを基本モード（第１次共振モード）の１とし、開口部横幅寸法を２．５ｍｍとするとｆｒは２０ＧＨｚとなる。
図５はスロット開口部８の横幅（Ｌ）と共振周波数（ｆｒ）との関係を比誘電率（εｒ）をパラメータとしてグラフ化したものである。本実施例ではセラミック基板３（εｒ＝９）およびセラミック立壁部１０（εｒ＝９）を用いたがガラスエポキシ基板などの絶縁部材を使用した場合、その比誘電率は略４であるため、スロット開口部の横幅が３．７５ｍｍの時に２０ＧＨｚで共振現象が発生する。
なお、バイアス端子５の端子パターン幅が０．２ｍｍ以下ではオーミック損失によるバイアス電位の低下や大電流印加時の信頼性の問題があり、高周波パッケージのバイアス回路としての機能が低下する。このため、開口部８の横幅の下限にも制限がある。
実施例２．
図６はこの発明による高周波パッケージの実施例２を示す外観図である。図６において、１１は枠体２の一部を切欠いたダミー開口部（スロットアンテナ開口部）である。従って近傍にはバイアス端子５は存在しない。このダミー開口部１１は上述の使用周波数帯域内に不要波（スプリアス）がある場合にその共振現象を利用してスプリアスを除去するために設けられたものであり、他の構成は実施例１に同じである。
すなわち図７ａに示すように使用周波数帯域で基本波（所望周波数）以外に比較的出力の高いスプリアスに対してこのダミー開口部１１が原因で発生する共振周波数をスプリアスの周波数に合わせる。例えば１０ＧＨｚに基本波が存在し、１２ＧＨｚに不要波が存在する場合、ダミー開口部１１の幅を設定することにより、図７ｂに示すようにダミー開口部１１の共振周波数を１２ＧＨｚとする。具体的にはダミー開口部１１に絶縁部材であるセラミック立壁部１０１を充填した場合、その開口部上面と底板間の比誘電率は９であるため、ダミー開口部１１の横幅は４．１６ｍｍ以下とすべきことになる。以上から図７ｃに示すようにスプリアスを低減できる。
なお、スプリアス低減に関して上記ではダミー開口部１１のみについて記述したが、これに限らず、セラミック基板３を有する開口部８の共振を用いても同様の効果がある。
実施例３．
図８に示すように１２ＧＨｚのスプリアスが比較的広帯域、例えば１１．８〜１２．２ＧＨｚにわたる時には比誘電率が概４の絶縁部材としてシリコン樹脂１２で機密封止した開口部ではダミー開口部１１を３個設け、それぞれのダミー開口部１１の横幅を６．３５、６．２５、６．１４ｍｍとし、パッケージ側面枠体２の適当なスペースに振り分ける。また、スプリアスを低減した抑圧波の帯域性能確保のため広帯域スプリアスの上下限周波数に対しては高次モードである第２次共振周波数（ｎ＝２）相当の開口幅であっても良い。従って本実施例３から比較的広帯域のスプリアスの発生がマイクロ波回路（半導体回路）６内で生じていてもスプリアスを軽減し、低い抑圧波で留めることができる。
この発明の実施例１による高周波パッケージの外観図である。 この発明の実施例１による高周波パッケージの側面図である。 使用周波数帯域における共振現象を示す図である。 使用周波数帯域外に共振現象を移行させた図である。 帯域周波数における共振周波数と開口部幅との関係を説明する図である。 この発明の実施例２による高周波パッケージの外観図である。 不要波の抑圧方法を説明する図である。 この発明の実施例３による高周波パッケージの外観図である。
符号の説明
１ 金属地導体（底板）、 ２ 枠体（金属枠体）、 ３ セラミック基板（誘電体）、 ４ 伝送線路、 ４ａ 高周波入力端子、 ４ｂ 高周波出力端子、 ５ バイアス端子、 ６ マイクロ波回路（半導体回路）、 ７ 金ワイヤ、 ８ 開口部（スロット開口部）、 ９ 蓋（金属蓋）、 １０ セラミック立壁部（絶縁部材）、 １１ ダミー開口部（スロットアンテナ開口部）、 １２ シリコン樹脂、 １０１セラミック立壁部（絶縁部材）。

Claims (4)

  1. 金属地導体面上に、外部端子と接続する開口部を設けた金属枠体と、金属地導体上に設けられ表面に高周波伝送線路及び複数の入出力端子を形成した誘電体と、金属枠体内部に収納された半導体回路と、上記半導体回路と入出力端子とを電気接続する結線手段と、金属枠体空間の一方を覆う金属蓋を有し、金属枠体と金属地導体との間の電磁界共振による上記開口部のスロット共振周波数を上記開口部横幅の寸法変化で使用周波数帯域上限外とした高周波パッケージ。
  2. 上記開口部は誘電体又は絶縁部材で充填され、隙間が無いことを特徴とする請求項１記載の高周波パッケージ。
  3. 金属地導体面上に、外部端子と接続する開口部を設けた金属枠体と、金属地導体上に設けられ表面に高周波伝送線路及び複数の入出力端子を形成した誘電体と、金属枠体内部に収納された半導体回路と、上記半導体回路と入出力端子とを電気接続する結線手段と、金属枠体空間の一方を覆う金属蓋を有し、金属枠体の上記開口部横幅とは異なるスロットアンテナ開口部を金属枠体に設け、金属枠体と金属地導体との間の電磁界共振による上記スロットアンテナ開口部のスロット共振周波数を上記スロットアンテナ開口部横幅の寸法変化で使用周波数帯域内の不要波周波数に設定した高周波パッケージ。
  4. お互いに横幅が異なるスロットアンテナ開口部を複数設置したことを特徴とする請求項３記載の高周波パッケージ。

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