JP2007312229A - 基板間の接続方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 プリント基板とチップ間の準平面型導波路のマイクロ波の信号伝送をボンディングで行う場合に、インピーダンス不整合によるリターンロスが生じていた。
【解決手段】 プリント基板とチップの準平面型導波路の両側のグランドを互いに信号線の上を接触しないようにわずかな空間を空けてクロス状にボンディング（金属線１の上を金属線６および金属線７）することによりキャパシタンスを稼ぎ、インピーダンスの上昇を防ぎ、マイクロ波のリターンロスを減少させることができる。
【選択図】 図３

Description

本願発明は、マイクロ波を代表とする高周波信号を基板間でインピーダンスミスマッチに起因するリターンロスが少なくなるように接続したジョセフソン電圧標準用チップとプリント基板から構成されるジョセフソン電圧標準装置等に関する。
ジョセフソン電圧標準装置は、周波数を正確に電圧に変換できる交流ジョセフソン効果という物理法則に基づいている。ジョセフソン電圧標準装置は、一般に電圧−周波数変換器とみなすことができる。ジョセフソン接合に周波数ｆの交流を印加すると、電圧Ｖ＝ｆ／ＫＪ（ＫＪ＝４８３５９７．９ＧＨｚ／Ｖ；ジョセフソン定数）の整数倍のステップ電圧が得られる。周波数は、非常に精度の良い物理量であるため、周波数と物理定数のみで定まるこの電圧もまた、周波数と同程度の正確さが得られる。
ジョセフソン電圧標準チップは、チップキャリア上に実装され、同軸ケーブルを通してマイクロ波が供給される。シリコンなどを材料とするチップ上のジョセフソン接合にマイクロ波を供給するためにはマイクロ波伝送線路が用いられる。
マイクロ波伝送線路としては、準平面型導波路（Coplanar Waveguide：ＣＰＷ）が利用されてきた。ＣＰＷは、信号配線が接地導体にはさまれた構造になっており、誘電体の一面のみを使って信号伝送ができるため、回路の特性評価や他の回路との接続が容易である。基板とチップ上に作製された準平面型導波路同士の接続には、一般にアルミ線またはアルミリボンのボンディングが用いられる（下記特許文献参照）。
特開２００５−２２３４６８号公報
電圧標準用チップは、取り扱いを容易にするために、チップキャリア上に実装される。チップキャリアは、バイアス電流を供給するための配線やマイクロ波を電圧標準用チップに供給するための準平面型導波路がガラスエポキシ樹脂やテフロン（登録商標）系樹脂などの誘電体の表面に銅薄膜などで構成されたプリント基板と、そのプリント基板にマイクロ波を供給するために半田付けされた同軸ケーブルから構成される。
図１に、従来の接続方法を示す。図１において、プリント基板４とチップ５の準平面型導波路はアルミ線ボンディングやアルミリボンボンディングなどの手法により接続される。通常は、中心導体同士を接続するリボン状金属線１の両側に並行に、リボン状金属線２および３が外部導体同士を接続する。
図２に、図１の接続方法における等価回路を示す。該回路に示すように、ＣＰＷの特性インピーダンスZ0は、信号配線のインダクタンスＬと接地導体との静電容量ＣからZ0＝√（L/C）で与えられる。
ところが、プリント基板の材料４およびチップの材料５は、ガラスエポキシ樹脂やシリコンなどの比誘電率が３〜１１程度の材料であるのに対して、ボンディングされた基板間の金属線は比誘電率が１の空気中に存在するため、金属線１と金属線２および３間の静電容量がどうしても小さくなってしまう。その結果、基板４上の準平面型導波路の特性インピーダンスとチップ５上の準平面型導波路の特性インピーダンスに対して、金属線１、２、３で構成される部分の特性インピーダンスは非常に大きくなる。こうして生じたインピーダンスミスマッチにより高周波信号はそこで反射してしまうという問題点があった。
図３に見られるように、金属線１の上を金属線２および金属線３がわずかの空間を空けて上から見て重なるように交差させることによって静電容量を稼ぎ、インピーダンスの上昇を最小限に抑えることによってインピーダンスミスマッチによるリターンロスを減らすことが期待できる。
金属線１、２、３で構成される部分の特性インピーダンスの過剰な増加を防止し、インピーダンスミスマッチもさほど大きくならず、高周波信号がそこで反射することも抑制することができる。
以下に、図面を用いて本願発明を詳細に説明する。
基板間の大きなインピーダンスを減らしてインピーダンスミスマッチを減らすためには、金属線１のインダクタンスＬを小さくするか、金属線１と金属線２および３の間の静電容量Ｃを大きくする必要がある。インダクタンスＬを小さくするためには、細いアルミ線ではなく、幅の大きいアルミリボンを用いることが行われている。
静電容量Ｃを大きくするには金属線１と金属線２および３の間の静電容量を大きくする必要がある。そのためには金属線1と金属線２および、金属線１と金属線３の距離を小さくすれば良いが、並行に接続した場合は限界があり、期待するほど静電容量を得ることは困難である。
そこで図３に示すように、金属線１の上を金属線６および金属線７が接触しない範囲で可能な限りわずかの空間を空けて上から見て重なるように交差させることによって静電容量を稼ぎ、インピーダンスの上昇を最小限に抑えることによってインピーダンスミスマッチによるリターンロスを減らすことが期待できる。
あるいは図４に示すように、従来の並行にアルミリボンをボンディングした上に、さらに、金属線２の基板側から金属線３のチップ側に金属線６を、金属線３の基板側から金属線２のチップ側に金属線７をわずかの空間を空けて上から見て重なるように交差させることによってさらに特性インピーダンスを下げることが期待できる。
図５に、図４に示した実施例の顕微鏡写真を示す。
図６に、実際にネットワークアナライザで測定した透過係数S21を示す。横軸は周波数(GHz)である。細線が従来の平行線の透過係数であり、太線が図５に示したクロス状に交差した場合の透過係数である。透過係数S21の値は、ケーブルの損失や、同軸とチップキャリアの半田付け部分のリターンロスなども含んでいるので、絶対値そのものにはあまり意味が無いが、細線で示した従来の方法と、太線で示した本発明の方法で、これらの損失やリターンロスはほぼ同一であるため、両者の差が意味を持ち、本発明の効果によって、周波数16GHzのマイクロ波に対して約2dB透過係数が改善されていることがわかる。
従来の接続方法 従来の接続方法の等価回路 本発明の接続方法 従来の接続方法と本発明の両方を組み合わせた接続方法 本発明の実施例の顕微鏡写真 従来および本発明（図５）の接続方法をネットワークアナライザで測定した透過係数
符号の説明
１：信号配線
２：接地導体
３：接地導体
４：誘電体
５：誘電体
６：接地導体
７：接地導体

Claims (2)

  1. 高周波信号を伝達するための２つの基板間の接続方法であって、２つの基板上の準平面型導波路の中心導体同士を接続する第１のリボン状金属線の上をわずかな距離をあけて２つの基板上の準平面型導波路の中心導体の両側に配置された外部導体同士を交差するように接続した第２及び第３のリボン状金属線からなる構造を特徴とする基板間の接続方法。
  2. 上記基板は、ジョセフソン電圧標準用チップ及びプリント基板であることを特徴とする請求項１記載の基板間の接続方法。
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