JP2009283903A - Connection substrate and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信やマイクロ波通信,ミリ波通信等で使用される、特に10GHz以上の高周波信号を伝送する回路基板や半導体素子を接続する接続基板、およびこの接続基板により回路基板や半導体素子が接続されている電子装置に関する。 The present invention is used in optical communication, microwave communication, millimeter wave communication, and the like, and in particular, a circuit board for transmitting a high frequency signal of 10 GHz or higher, a connection board for connecting a semiconductor element, and a circuit board or semiconductor element by using this connection board. The present invention relates to an electronic device to which is connected.
光通信や無線通信分野に用いられる従来の電子装置として、図9に断面図で示すような半導体装置がある。この半導体装置は、鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金や銅(Cu)−タングステン(W)合金等の金属から成る箱状の基体109の底部に、LD(Laser Diode:レーザダイオード)やPD(Photo Diode:フォトダイオ−ド)等の半導体素子107および回路基板108が載置されている。また、基体109の側壁には貫通孔が形成されており、貫通孔内に同軸コネクタ110が嵌着接合されている。
As a conventional electronic device used in the fields of optical communication and wireless communication, there is a semiconductor device as shown in a sectional view in FIG. This semiconductor device has an LD (Laser Diode) on the bottom of a box-
この同軸コネクタ110には、外部電気回路(図示せず)に接続された同軸ケーブル(図示せず)が装着され、同軸コネクタ110の中心導体110aは半田等から成る導電性接着材を介して回路基板108の線路導体に電気的に接続される。半導体素子107と回路基板108とがボンディングワイヤ101を介して電気的に接続されることにより、基体109の内部に収納された半導体素子107と外部電気回路とが電気的に接続されることとなる。そして、基体109の側壁上面に蓋体111をろう付け法やシームウエルド法等の溶接法により接合し、内部を気密に封止することによって半導体装置となる(例えば、特許文献1を参照。)。
A coaxial cable (not shown) connected to an external electric circuit (not shown) is attached to the
このような半導体装置においては、半導体素子107の高周波化が進むにつれ、ボンディングワイヤ101によるボンディング部においてインピーダンス不整合が生じ、ボンディング部での信号の反射損失および挿入損失が大きくなり、またインダクタンス成分が大きいため信号の減衰量が大きくなるという問題が生じる。
In such a semiconductor device, as the frequency of the
この問題を解決する一つの手法として、ワイヤボンディングに代えて、信号線路と接地線路とから成るコプレーナ線路等の平面導波路配線が形成された接続基板を用い、この配線基板の平面導波路配線と、半導体素子上の配線および回路基板上の配線とをバンプボンディングにより電気的に接続した半導体装置が提案されている(例えば、特許文献2を参照。)。 As one method for solving this problem, instead of wire bonding, a connection substrate on which a planar waveguide wiring such as a coplanar line composed of a signal line and a grounding line is formed is used. A semiconductor device in which wiring on a semiconductor element and wiring on a circuit board are electrically connected by bump bonding has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、従来の半導体装置においては、ワイヤボンディングと比較するとインピーダンスの整合は取れるものの、ボンディング部においては信号線路および接地線路の上に接続用バンプが形成されることにより信号線路および接地線路の厚みが見かけ上厚くなることから、ボンディング部では隣り合う信号線路と接地線路との間の容量結合が大きくなってしまうので、インピーダンスの不整合が起きてしまうという問題があった。これは、より高い周波数の、特に10GHz以上の信号を伝播させる場合に、より顕著であり、例えば高い周波数で作動する半導体素子を搭載する半導体装置においては、このインピーダンスの不整合により信号の反射が起きてしまい、信号を良好に伝播させることができなくなってしまうものであった。 However, in the conventional semiconductor device, although impedance matching can be obtained as compared with wire bonding, the thickness of the signal line and the ground line is reduced by forming a connection bump on the signal line and the ground line in the bonding part. Since it is apparently thick, the capacitive coupling between the adjacent signal line and the ground line becomes large in the bonding portion, and there is a problem that impedance mismatch occurs. This is more conspicuous when a signal having a higher frequency, particularly 10 GHz or more, is propagated. For example, in a semiconductor device equipped with a semiconductor element that operates at a higher frequency, the signal is reflected due to this impedance mismatch. It happened and the signal could not be propagated well.
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、10GHz以上の高周波信号においても、接続部でのインピーダンスの不整合を小さくして信号を良好に伝播させることができるような、回路基板や半導体素子の接続をするための接続基板を提供することにある。また、本発明の他の目的は、その接続基板を用いた高周波での作動が良好な電子装置を提供することにある。 The present invention has been completed in view of the above-mentioned problems, and the object thereof is to make it possible to propagate a signal satisfactorily even in a high-frequency signal of 10 GHz or higher by reducing impedance mismatch at the connection portion. Another object of the present invention is to provide a connection board for connecting circuit boards and semiconductor elements. Another object of the present invention is to provide an electronic device that uses the connection substrate and has a high frequency operation.
本発明の接続基板は、半導体素子および回路基板の組合せの間で高周波用線路同士を接続用バンプを介して接続するための接続基板であって、絶縁基板上に形成された信号線路と、前記絶縁基板上に前記信号線路の両側に沿って間隔を設けてそれぞれ形成された接地線路とを有し、前記絶縁基板は、前記信号線路および前記接地線路の同じ側の端部の前記接続用バンプが接続される部位間に、その他の部位における厚みより厚みの薄い部分を有することを特徴とするものである。 The connection board of the present invention is a connection board for connecting high-frequency lines via a connection bump between a combination of a semiconductor element and a circuit board, the signal line formed on an insulating substrate, A ground line formed on both sides of the signal line on the insulating substrate at intervals, and the insulating substrate has the connection bumps at the end portions on the same side of the signal line and the ground line. Between the parts connected to each other, there is a portion having a thickness smaller than the thickness in other parts.
本発明の電子装置は、半導体素子および回路基板の組合せの間で高周波用線路同士が上記構成のいずれかの本発明の接続基板により接続されていることを特徴とするものである。 The electronic device according to the present invention is characterized in that high-frequency lines are connected to each other by a connection substrate according to the present invention having the above-described configuration between a combination of a semiconductor element and a circuit board.
また、本発明の電子装置は、上記構成において、前記半導体素子および前記回路基板が金属から成る基体の上に搭載されており、前記回路基板は、第2の絶縁基板上に形成された信号線路導体と、前記第2の絶縁基板上に前記信号線路導体の両側に沿って間隔を設けてそれぞれ形成された接地線路導体とを有し、前記第2の絶縁基板は、前記接続用バンプが接続される部位間にその他の部位における厚みより厚みの薄い部分を有することを特徴とするものである。 In the electronic device according to the present invention, in the above configuration, the semiconductor element and the circuit board are mounted on a base made of metal, and the circuit board is a signal line formed on a second insulating substrate. A conductor and a ground line conductor formed on the second insulating substrate at intervals along both sides of the signal line conductor, and the second insulating substrate is connected to the connection bump. It is characterized by having a portion thinner than the thickness in other portions between the portions to be formed.
本発明の接続基板によれば、絶縁基板は、信号線路および接地線路の同じ側の端部の接続用バンプが接続される部位間に、その他の部位における厚みより厚みの薄い部分を有することから、接続用バンプが接続される部位の信号線路と接地線路との間において、誘電体である絶縁基板の一部がそれより比誘電率の小さい空間となり、これらの間の容量結合が小さくなるので、接続用バンプが形成されることで信号線路および接地線路の厚みが見かけ上厚くなって容量結合が大きくなるのと相殺されて、ボンディング接続部でのインピーダンスの変化が抑えられた接続基板となる。それによって良好な伝送特性を実現でき、10GHz以上の高周波信号においても伝送損失が小さいので、接続基板により接続された半導体素子等を正常に作動させることができる。 According to the connection substrate of the present invention, the insulating substrate has a portion that is thinner than the thickness at the other portion between the portions to which the connection bumps on the same side of the signal line and the ground line are connected. Since a part of the insulating substrate, which is a dielectric, becomes a space having a smaller relative dielectric constant between the signal line and the ground line at the part where the connection bump is connected, the capacitive coupling between them becomes smaller. By forming the connection bump, the thickness of the signal line and the ground line is apparently increased and the capacitive coupling is offset, so that a connection substrate in which a change in impedance at the bonding connection portion is suppressed is obtained. . As a result, good transmission characteristics can be realized, and a transmission loss is small even for a high-frequency signal of 10 GHz or higher, so that a semiconductor element or the like connected by a connection substrate can be operated normally.
本発明の電子装置によれば、半導体素子および回路基板の組合せの間で高周波用線路同士が、上記構成のいずれかの本発明の接続基板により接続されていることから、半導体素子および回路基板の組合せの間で伝送損失の小さい接続がなされて、良好な高周波伝送特性を有する、例えば接続された半導体素子が高速で正常に作動する電子装置となる。 According to the electronic device of the present invention, since the high-frequency lines are connected to each other by the connection substrate of the present invention having the above-described configuration between the combination of the semiconductor element and the circuit board, A connection with a small transmission loss is made between the combinations, and an electronic device having good high-frequency transmission characteristics, for example, a connected semiconductor element operating normally at high speed is obtained.
本発明の電子装置によれば、上記構成において、回路基板の第2の絶縁基板が、接続用バンプが接続される部位間にその他の部位における厚みより厚みの薄い部分を有するときには、接続用バンプが接続される部位の信号線路導体と接地線路導体との間において、誘電体である第2の絶縁基板の一部がそれより比誘電率の小さい空間となり、これらの間の容量結合が小さくなるので、接続用バンプが形成されることで信号線路導体および接地線路導体の厚みが見かけ上厚くなって容量結合が大きくなるのと相殺されて、ボンディング接続部でのインピーダンスの変化が抑えられた回路基板となる。このような回路基板と半導体素子とを上記構成のいずれかの本発明の接続基板により接続することから、より良好な高周波伝送特性を有し、10GHz以上の高周波信号においても伝送損失が小さく、半導体素子等を高速で正常に作動させることができる電子装置となる。 According to the electronic device of the present invention, in the above configuration, when the second insulating substrate of the circuit board has a portion thinner than the thickness of the other portion between the portions to which the connection bump is connected, the connection bump A part of the second insulating substrate, which is a dielectric, becomes a space having a smaller relative dielectric constant between the signal line conductor and the ground line conductor at the part to which is connected, and the capacitive coupling between them becomes small. Therefore, the formation of the connection bumps offsets the apparent increase in the thickness of the signal line conductor and the ground line conductor and the increase in capacitive coupling, thereby suppressing the impedance change at the bonding connection. It becomes a substrate. Since such a circuit board and a semiconductor element are connected by the connection board of the present invention having any of the above-described structures, the semiconductor device has better high-frequency transmission characteristics, and a transmission loss is small even for a high-frequency signal of 10 GHz or more. An electronic device capable of operating the elements and the like normally at high speed is obtained.
本発明の接続基板について以下に詳細に説明する。図1(a)は本発明の接続基板の実施の形態の一例を示す上面図であり、図1(b)は図1(a)の側面図であり、図1(c)は図1(a)の下面図である。図2は、図1の接続基板を下方から見た斜視図であり、接続用バンプを接続した例を示している。図3(a)は本発明の接続基板の実施の形態の他の例を示す上面図であり、図3(b)は図3(a)の側面図であり、図3(c)は図3(a)の下面図である。図4(a)〜(e)は、それぞれ本発明の接続基板の実施の形態のさらに他の例を示す側面図である。図5(a)は本発明の実施の形態のさらに他の例を示す上面図であり、図5(b)は図5(a)のA−A線での断面図であり、図5(c)は図5(a)の下面図である。また、図6は本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す断面図である。図7(a)および(b)は、図6におけるA部を上面視した一例を示す平面図である。図8(a)は、図7と同様の、本発明の電子装置の実施の形態の他の例の要部を拡大して示す平面図であり、図8(b)は図8(a)のA−A線での断面図である。 The connection board of the present invention will be described in detail below. 1A is a top view showing an example of an embodiment of a connection board of the present invention, FIG. 1B is a side view of FIG. 1A, and FIG. 1C is FIG. It is a bottom view of a). FIG. 2 is a perspective view of the connection substrate of FIG. 1 as viewed from below, and shows an example in which connection bumps are connected. 3A is a top view showing another example of the embodiment of the connection substrate of the present invention, FIG. 3B is a side view of FIG. 3A, and FIG. It is a bottom view of 3 (a). 4A to 4E are side views showing still other examples of the embodiment of the connection board of the present invention. 5A is a top view showing still another example of the embodiment of the present invention, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 5A, and FIG. c) is a bottom view of FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of the electronic device of the present invention. 7A and 7B are plan views showing an example of a top view of the portion A in FIG. FIG. 8A is a plan view showing the enlarged main part of another example of the embodiment of the electronic device of the present invention, similar to FIG. 7, and FIG. 8B is a plan view of FIG. It is sectional drawing in the AA line.
これらの図において、1は接続基板、2は接続基板1の絶縁基板、3は絶縁基板2の主面上に形成された信号線路、4は絶縁基板2の主面上に形成された接地線路、4aは信号線路3や接地線路4が形成された主面と対向する主面上に形成された接地導体、4bは絶縁基板2を貫通して接地線路4と接地導体4aとを接続する貫通導体、5は接続用バンプ、6は絶縁基板2の厚みの薄い部分、7は半導体素子、7aは半導体素子7の信号線路導体、7bは半導体素子7の接地線路導体、8は回路基板、8aは回路基板8の信号線路導体、8bは回路基板8の接地線路導体、8cは回路基板8の側面導体、8dは回路基板8の第2の絶縁基板、8eは第2の絶縁基板8dの厚みの薄い部分、9は半導体素子7や回路基板8が搭載される基体、10は同軸コネクタ、10aは中心導体、11は蓋体である。
In these drawings, 1 is a connection substrate, 2 is an insulation substrate of the
本発明の接続基板1は、図6および図7に示す例のように、例えば、半導体素子7と回路基板8とを電気的に接続するためのものであり、特に高周波用線路同士を接続するためのものである。接続基板1の半導体素子7や回路基板8に向かい合う面(接続面)には、信号線路3と接地線路4とが形成され、これら信号線路3と接地線路4とでコプレーナ型の伝送線路を構成している。接続基板1の信号線路3は、その一端が回路基板8の信号線路導体8aに、他端が半導体素子7の信号線路導体7aに、それぞれ導電性の接続用バンプ5を介して接続される。また、接続基板1の接地線路4・4は、同じくその一端が回路基板8の接地線路導体8bに、他端が半導体素子7の接地線路導体7bに、それぞれ導電性の接続用バンプ5を介して接続される。
The
本発明の接続基板1は、図1および図2に示す例のように、半導体素子7および回路基板8の組合せの間で高周波用線路同士を接続用バンプ5を介して接続するための接続基板1であって、絶縁基板2上に形成された信号線路3と、絶縁基板2上に信号線路3の両側に沿って間隔を設けてそれぞれ形成された接地線路4・4とを有し、絶縁基板2は、信号線路3および接地線路4・4の同じ側の端部の接続用バンプ5が接続される部位間に、その他の部位における厚みより厚みの薄い部分6を有することを特徴とするものである。
The
本発明の接続基板1によれば、絶縁基板2は、信号線路3および接地線路4・4の同じ側の端部の接続用バンプ5が接続される部位間に、その他の部位における厚みより厚みの薄い部分6を有することから、接続用バンプ5が接続される部位の信号線路3と接地線路4との間において、誘電体である絶縁基板2の一部がそれより比誘電率の小さい空間となり、これらの間の容量結合が小さくなるので、接続用バンプ5が形成されることで信号線路3および接地線路4の厚みが見かけ上厚くなって容量結合が大きくなるのと相殺されて、ボンディング接続部でのインピーダンスの変化が抑えられた接続基板1となる。
According to the
接続基板1は、図1および図2に示す例では、接続用バンプ5が接続される部位の信号線路3と接地線路4・4との容量結合を小さくするために、信号線路3および接地線路4・4の両端部の接続用バンプ5が接続される部位より外側の絶縁基板2の厚みを、それより内側の厚みより薄くすることで厚みの薄い部分6を設けている。これにより絶縁基板2の厚みが一様な従来の接続基板に対して、2点鎖線で示す部分が空間になる。通常、空間には空気が存在し、空気の比誘電率は1程度であるため、それ以上の比誘電率を有する絶縁基板2との比誘電率の違いに応じて信号線路3と接地線路4・4との間の容量結合が小さくなる。信号線路3および接地線路4・4の同じ側の端部の接続用バンプ5が接続される部位間の絶縁基板2の厚み(厚みの薄い部分6の厚み)により信号線路3と接地線路4・4との間の容量結合の大きさを調整することができる。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
図8に示すような従来の半導体装置に対して、このような接続基板1により半導体素子7と回路基板8とを接続した半導体装置の例が、図6に示す本発明の電子装置の一例である。
An example of a semiconductor device in which the
すなわち、本発明の電子装置は、半導体素子7および回路基板8の組合せの間で高周波用線路同士が、上記本発明の接続基板1により接続されていることを特徴とするものである。このような本発明の電子装置によれば、半導体素子7および回路基板8の組合せの間で本発明の接続基板1によって伝送損失の小さい接続がなされて、良好な高周波伝送特性を有する、例えば接続された半導体素子7が正常に作動する電子装置となる。
That is, the electronic device of the present invention is characterized in that high-frequency lines are connected by the
また、本発明の電子装置は、上記構成において、図8に示す例のように、半導体素子7および回路基板8が金属から成る基体9の上に搭載されており、回路基板8は、第2の絶縁基板8d上に形成された信号線路導体8aと、第2の絶縁基板8d上に信号線路導体8aの両側に沿って間隔を設けてそれぞれ形成された接地線路導体8bとを有し、第2の絶縁基板8dは、接続用バンプ5が接続される部位間にその他の部位における厚みより厚みの薄い部分8eを有することが好ましい。
In the electronic device according to the present invention, the
本発明の電子装置によれば、回路基板8の第2の絶縁基板8dは、接続用バンプ5が接続される部位間にその他の部位における厚みより厚みの薄い部分8eを有するときには、接続用バンプ5が接続される部位の信号線路導体8aと接地線路導体8bとの間において、誘電体である第2の絶縁基板8dの一部がそれより比誘電率の小さい空間となり、これらの間の容量結合が小さくなるので、接続用バンプ5が接続されることで信号線路導体8aおよび接地線路導体8bの厚みが見かけ上厚くなって容量結合が大きくなるのと相殺されて、ボンディング接続部でのインピーダンスの変化が抑えられた回路基板8となる。このような回路基板8と半導体素子7とを上記構成のいずれかの本発明の接続基板1により接続することから、より良好な高周波伝送特性を有し、10GHz以上の高周波信号においても伝送損失が小さく、半導体素子7を高速で正常に作動させることができる電子装置となる。
According to the electronic device of the present invention, when the second insulating substrate 8d of the
接続基板1における、絶縁基板2の信号線路3および接地線路4・4の同じ側の端部の接続用バンプ5が接続される部位間の厚み(厚みの薄い部分6の厚み)により信号線路3と接地線路4との間の容量結合の大きさを調整するので、厚みの薄い部分6は、信号線路3や接地線路4・4の大きさや配置、また絶縁基板2の比誘電率に応じてその厚みが設定される。
The
絶縁基板2の厚みの薄い部分6の位置は、接続基板1における信号線路3および接地線路4・4の同じ側の端部の接続用バンプ5が接続される部位間である。信号線路3と接地線路4との間の容量結合を小さくするのが目的であるので、信号線路3および接地線路4・4の同じ側の端部の接続用バンプ5が接続される部位間には、接続用バンプ5が接続される部位も含まれる。すなわち、厚みの薄い部分6は、図3に示す例のような位置に設ければよい。
The position of the
また、厚みの薄い部分6の位置は、厳密に上記のような接続用バンプ5が接続される部位間でなくても、接続用バンプ5が接続される部位より絶縁基板2の外辺側や内側まで伸びていても、信号線路3と接地線路4との間の容量結合の大きさの調整に寄与するので構わない。図1に示す例は、厚みの薄い部分6を接続用バンプ5が接続される部位より絶縁基板2の内側まで、また絶縁基板2の外辺まで拡げた例である。厚みの薄い部分6が、接続用バンプ5が接続される部位の内側の端部を大きく越えて内側にまで設けられると、接続用バンプ5が形成されることにより容量結合が大きくなっていない部分まで信号線路3と接地線路4との間の容量結合が小さくなってしまい、インピーダンスが合わなくなってしまう傾向がある。このことから、絶縁基板2の薄い部分6は、この接続用バンプ5が接続される部位の内側の端部より外側に設けるのが好ましい。
Further, the position of the
絶縁基板2の厚みの薄い部分6の形状は、図1に示す例では、信号線路3および接地線路4・4の両端部の接続用バンプ5が接続される部位より外側の絶縁基板2の厚みを、それより内側の厚みより薄くして段差状にしている。このような形状は、厚みの薄い部分6を平板状の絶縁基板2を研削加工することにより作製するのが容易であるので好ましい。これに対して、図4(a)に示す例のような段差の角部が丸まった形状とすると、角部を起点とした割れが発生し難くなるのでより好ましい。また、厚みの薄い部分6は、図1に示す例のように一様な厚みでなくてもよく、例えば、図4(b)や図4(c)に示す例のように、接続用バンプ5が接続される部位から絶縁基板2の外辺にかけて厚みが薄くなるようにしてもよい。この場合も、図4(b)に示す例のように、接続用バンプ5が接続される部位から絶縁基板2の外辺にかけて直線的に厚みが薄くなる傾斜面を形成してもよく、この傾斜面を図4(c)に示すような、絶縁基板2の端に近づくに連れて傾斜が緩くなるような曲面にしてもよい。また、このような場合は、図1に示す例に比べて、絶縁基板2の薄い部分6で割れが発生し難くなり、図4(c)のようにすると、容量結合をより小さくすることができる。また、厚みの薄い部分6が一様な厚みであっても、図4(d)に示す例のように、厚みの薄い部分6が、絶縁基板2の端部を残した溝状であると、絶縁基板2の強度低下がより小さいので好ましい。さらに図4(e)に示すように、絶縁基板2の端部を全周残して厚みの薄い部分6を凹部状とすると、絶縁基板2の強度低下をさらに小さくすることができるので、より好ましい。
In the example shown in FIG. 1, the shape of the
また、接続基板1は、図5に示す例のように、絶縁基板2の信号線路3および接地線路4・4が形成された主面と対向する主面に接地導体4aが形成され、絶縁基板2を貫通して接地線路4・4と接地導体4とを接続する貫通導体4bが形成されたものでもよい。この場合、厚みの薄い部分6にも接地導体4aを形成すると、厚みの薄い部分6とその他の部分とでは、接地導体4aと信号線路3との距離が異なるので、インピーダンスが大きくずれてしまうことから、厚みの薄い部分6には接地導体4aを形成しない。このような接続基板1とすると、疑似同軸の構造となり、高周波の信号をより良好に伝播させることができるようになる。接地線路4・4と接地導体4aとを接続する導体としては、図5に示す例のような貫通導体4bでなくてもよく、絶縁基板2の側面に形成した側面導体や、絶縁基板2の側面に形成した切欠きの内面に導体層を形成したいわゆるキャステレーション導体であってもよい。
Further, as shown in the example shown in FIG. 5, the
このときの貫通導体4bは、接地線路4・4の信号線路3側の外辺に沿って配列すると、接地線路4・4の信号線路3側の外辺から貫通導体4bまでの距離が同程度になり、接地線路4・4と接地導体4aとの間の電位差が、信号線路3側において同程度になるので好ましい。また、接地線路4・4の幅方向における電位差が生じないように、貫通導体4bの径に対して接地線路4・4の幅は小さい方が好ましい。図5に示す例のように、貫通導体4bの径に対して接地線路4・4の幅は大きい場合は、貫通導体4bを接地線路4・4の幅方向に複数列配置すると接地線路4・4の幅方向における電位差を小さくすることができる。このようなことから、接地線路4・4の幅方向の片側だけに形成される側面導体やキャステレーション導体よりも貫通導体4bの方がより好ましい。
When the through conductors 4b are arranged along the outer sides of the
接続基板1は、例えば、比誘電率が9.5の酸化アルミニウム質焼結体から成り、厚みが0.2mmである絶縁基板2を用いた場合であれば、信号線路3の幅を0.1mm、厚みを0.002mmとし、その両側に0.05mmの間隔を設けて同じ厚みで幅が0.4mmの接地線路4・4を形成することにより、信号線路3を50Ωにインピーダンス整合させたコプレーナ線路とすることができる。そして、直径0.1mmで高さ0.02mmの円柱状のバンプを、信号線路3および接地線路4・4の両端部(絶縁基板2の外辺に同じ)から0.1mmの位置に接続用バンプ5の中央を配して設ける場合は、例えば、絶縁基板2の端面から0.15mmまでの厚みを0.02mmとした、図1に示す例のような厚みの薄い部分6を形成することによって、接続用バンプ5が接続される両端部においてもインピーダンスを約50Ωに近づけることができる。
For example, when the insulating
接続基板1は、酸化アルミニウム(アルミナ:Al2O3)質焼結体,窒化アルミニウム(AlN)質焼結体,ガラスセラミック焼結体等のセラミックスや、エポキシ,ポリイミド,テトラフルオロエチレン,液晶ポリマー等の樹脂から成る絶縁基板2に、信号線路3および接地線路4・4が形成されたものである。
The
絶縁基板2は、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、まずアルミナ(Al2O3)やシリカ(SiO2),カルシア(CaO),マグネシア(MgO)等の原料粉末に適当な有機溶剤,溶媒および有機バインダーを添加混合して泥漿状とし、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシート(以下、グリーンシートともいう。)を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに必要に応じて複数枚積層して積層体を作製し、これを約1600℃の温度で焼成することにより製作される。または、Al2O3,SiO2,CaO,MgO等の原料粉末に必要に応じて有機バインダーを加えたものを金型に充填しプレス成型することによって所定の形状に成形して、この成形体を約1600度の温度で焼成することによって製作される。
If the insulating
絶縁基板2の厚みの薄い部分6は、上記のようにして作製した平板状の絶縁基板2を、研削加工等より形成することができる。信号線路3および接地線路4・4等を形成した後に形成してもよい。グリーンシートの積層体を作製した後に同様の加工を施してもよい。また、図1に示す例の場合は、大きさの異なるグリーンシートを積層して積層体を作製しておく、あるいは、図3に示す例の場合であれば、貫通孔を有するグリーンシートを用いて積層体を作製しておくことでも作製することができる。
The
信号線路3および接地線路4・4の形成は、例えば、絶縁基板2が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、タングステン(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn)等の高融点金属粉末に適当な有機バインダーや溶剤を添加混合してペースト状にしたものを、従来周知のスクリーン印刷法により、セラミックグリーンシートまたはその積層体、あるいはセラミックスの成形体に所定形状に印刷塗布しておき、これらと同時焼成することにより形成される。絶縁基板2を作製した後に、絶縁基板2上に同様のペーストを印刷塗布して焼成することにより、メタライズ層を焼き付けてもよい。
For example, when the insulating
絶縁基板2が有機樹脂からなる場合は、銅(Cu)等の金属箔をエッチング加工により信号線路3および接地線路4・4の形状に加工したものを転写する方法がある。
When the insulating
また、信号線路3および接地線路4・4を形成する方法としては、絶縁基板2を作製した後に蒸着法やフォトリソグラフィ法により形成する方法がある。電子装置が小型である場合は、それに搭載される接続基板1はさらに小さく、信号線路3および接地線路4・4は微細なものとなるため、接続基板1の信号線路3および接地線路4・4が接続される半導体素子7や回路基板8の高周波用線路との位置合わせ精度を高めるためには、蒸着法やフォトリソグラフィ法により形成する方法が好ましい。この場合は、信号線路3および接地線路4・4の形成前に、必要に応じて絶縁基板2の主面に研磨加工を施す場合もある。
As a method of forming the
以下、信号線路3および接地線路4・4となる配線導体を蒸着法やフォトリソグラフィ法により形成する場合について詳細に説明する。配線導体は、例えば密着金属層,拡散防止層および主導体層が順次積層された3層構造の導体層から成る。
Hereinafter, the case where the wiring conductors to be the
密着金属層は、セラミックス等から成る絶縁基板2との密着性を良好とするという観点からは、チタン(Ti),クロム(Cr),タンタル(Ta),ニオブ(Nb),ニッケル−クロム(Ni−Cr)合金,窒化タンタル(Ta2N)等の熱膨張率がセラミックスと近い金属のうちの少なくとも1種より成るのが好ましく、その厚みは0.01〜0.2μm程度が好ましい。密着金属層の厚みが0.01μm未満では、密着金属層を絶縁基板2に強固に密着させることが困難となる傾向がある。一方、密着金属層の厚みが0.2μmを超えると、成膜時の内部応力によって密着金属層が絶縁基板2から剥離し易くなる傾向がある。
From the viewpoint of improving the adhesion with the insulating
拡散防止層は、密着金属層と主導体層との相互拡散を防ぐという観点からは、白金(Pt),パラジウム(Pd),ロジウム(Rh),ニッケル(Ni),Ni−Cr合金,Ti−W合金等の熱伝導性の良好な金属のうち少なくとも1種より成ることが好ましく、その厚みは0.05〜1μm程度が好ましい。拡散防止層の厚みが0.05μm未満では、ピンホール等の欠陥が発生して拡散防止層としての機能を果たしにくくなる傾向があり、1μmを超えると、成膜時の内部応力により拡散防止層が密着金属層から剥離し易く成る傾向がある。なお、拡散防止層にNi−Cr合金を用いる場合は、Ni−Cr合金は絶縁基板2との密着性が良好なため、密着金属層を省くことも可能である。
From the viewpoint of preventing mutual diffusion between the adhesion metal layer and the main conductor layer, the diffusion prevention layer is platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), nickel (Ni), Ni—Cr alloy, Ti— It is preferably made of at least one metal having good thermal conductivity such as W alloy, and the thickness is preferably about 0.05 to 1 μm. If the thickness of the diffusion prevention layer is less than 0.05 μm, defects such as pinholes tend to be generated, making it difficult to perform the function as the diffusion prevention layer. If the thickness exceeds 1 μm, the diffusion prevention layer is caused by internal stress during film formation. There is a tendency to easily peel from the adhesion metal layer. In the case where a Ni—Cr alloy is used for the diffusion prevention layer, the adhesion metal layer can be omitted because the Ni—Cr alloy has good adhesion to the insulating
主導体層は、電気抵抗の小さい金(Au),Cu,Ni,銀(Ag)の少なくとも1種より成ることが好ましく、その厚みは0.1〜5μm程度が好ましい。主導体層の厚みが0.1μm未満では、電気抵抗が大きなものとなって接続基板1の信号線路3および接地線路4・4となる配線導体に要求される電気抵抗を満足できなくなる傾向があり、5μmを超えると、成膜時の内部応力により主導体層が拡散防止層から剥離し易く成る傾向がある。また、Cuは酸化し易いので、その上にNiおよびAuからなる保護層を被覆してもよい。
The main conductor layer is preferably made of at least one of gold (Au), Cu, Ni, and silver (Ag) having a low electric resistance, and the thickness is preferably about 0.1 to 5 μm. If the thickness of the main conductor layer is less than 0.1 μm, the electric resistance tends to be large and the electric resistance required for the wiring conductor to be the
本発明の電子装置としては、例えば、図6および図7に示すような半導体装置がある。この半導体装置は、箱型の基体9の底面上に半導体素子7と回路基板8が搭載され、側壁には貫通孔が形成されており、貫通孔内に同軸コネクタ10が嵌着接合されている。同軸コネクタ10の中心導体10aは回路基板8上の信号線路導体8aにろう材等により接続され、半導体素子7の高周波用線路と回路基板8の高周波用線路とが、半導体素子7および回路基板8の上にまたがるように配置され、接続用バンプ5を介して接続された接続基板1により機械的および電気的に接続されている。そして、基体9の側壁上面に蓋体11を接合し、容器内部を気密に封止することによって、半導体装置が構成されている。
Examples of the electronic device of the present invention include a semiconductor device as shown in FIGS. In this semiconductor device, a
接続用バンプ5は、導電性の金属からなるものであり、従来からフリップチップ実装等で用いられているものを用いればよい。例えば、ワイヤボンディング装置を用いて形成する、いわゆる金(Au)スタッドバンプや半田ペーストを溶融させて固化させた半田バンプ、高温半田や銅(Cu)等の金属ボールを低温半田で接合したボールバンプ、あるいは蒸着法により形成したバンプ等を用いればよい。 The connection bumps 5 are made of a conductive metal, and those conventionally used for flip chip mounting or the like may be used. For example, a so-called gold (Au) stud bump formed using a wire bonding apparatus, a solder bump obtained by melting and solidifying a solder paste, or a ball bump obtained by bonding a metal ball such as high-temperature solder or copper (Cu) with low-temperature solder Alternatively, bumps formed by vapor deposition may be used.
このような接続用バンプ5は、図1〜図7に示す例では各接続箇所につき1つずつ配置しているが、各接続箇所につき複数配置してもよい。
In the example shown in FIGS. 1 to 7, one
半導体素子7は、例えば、LDやPD等の光半導体素子や、IC(Integrated Circuit)やLSI等の半導体集積回路素子を含む半導体素子である。
The
回路基板8は、図7(a)に示す例では、上面に信号線路導体8aと接地線路導体8b・8bとが形成され、これらによってコプレーナ型の伝送線路が構成されて、高周波信号を良好に伝送することができる。この場合の接地線路導体8b・8bは、その接続基板1が接続されるのとは反対側の端部で図示しない貫通導体により下面の接地導体に接続され、基体9に接地される。あるいは、図5に示す接続基板1と同様に、下面に形成された接地導体と接地線路導体8b・8bとを貫通導体で接続した構造としてもよい。また、図7(b)に示す例では、上面に形成された信号線路導体8aと下面に形成された接地導体(図示せず)とによってマイクロストリップ線路型の伝送線路が構成されている。接続基板1の接地線路4・4は、回路基板8の上面に形成された接地導体8b・8bに接続され、回路基板8の上面の接地導体8bと下面の接地導体(図示せず)とは、回路基板8の側面に形成した切欠きの内面に導体層を形成した、いわゆるキャステレーション導体8cにより接続される。キャステレーション導体8cに代えて貫通導体により接続してもよい。
In the example shown in FIG. 7A, the
回路基板8は、図8に示す例のように、第2の絶縁基板8d上に形成された信号線路導体8aと、第2の絶縁基板8d上に信号線路導体8aの両側に沿って間隔を設けてそれぞれ形成された接地線路導体8bとを有し、第2の絶縁基板8dは、接続用バンプ5が接続される部位間にその他の部位における厚みより厚みの薄い部分8eを有することが好ましい。このときの厚みの薄い部分8eの形状は、図3および図4に示す接続基板1の絶縁基板2の厚みの薄い部分6の形状と同様のものでよい。
As shown in the example shown in FIG. 8, the
また、回路基板8は、図4に示す接続基板1と同様に、第2の絶縁基板8dの信号線路導体8aおよび接地線路導体8bが形成された主面と対向する主面に接地導体が形成され、第2の絶縁基板8dを貫通して接地線路導体8bと接地導体とを接続する貫通導体が形成されたものであってもよい。このようにすると、疑似同軸の構造となり、高周波の信号をより良好に伝播させることができるようになる。
Similarly to the
このような回路基板8は、接続基板1と同様にして作製することができる。
Such a
半導体素子7や回路基板8は、基体9の載置部に、例えば銀(Ag)ろう,Ag−Cuろう等のろう材や半田、あるいは樹脂接着剤といった接合材によって強固に接着固定される。図6に示す例では半導体素子7は基体9の搭載部に直接搭載されているが、これは半導体素子7で発生した熱を金属製の基体9の搭載部を通して外部へ放熱するためである。半導体素子7の発熱が大きい場合は、半導体素子7と基体9の搭載部との間にペルチェ素子等を搭載して、半導体素子7を冷却するようにしてもよい。
The
接続基板1は、半導体素子7や回路基板8を基体9の載置部に搭載した後に、これらをまたぐように載置して接続される。接続基板1と半導体素子7や回路基板8との接続は、導電性の接着剤や半田バンプや半田ボールより融点の低い半田を用いて接続すればよい。接続用バンプ5が半田バンプである場合は、加熱することによりこの半田を溶融させて接合してもよい。このときの接着剤の硬化温度や半田の融点は、先に行なわれる半導体素子7や回路基板8の基体9への搭載時に用いられる接合材が溶融したり分解したりすることのない温度であることが好ましい。
The
基体9は鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金や銅(Cu)−タングステン(W)合金等の金属から成る容器であり、搭載された半導体素子7が発生する熱をパッケージの外部に放散する機能を有する。このため、基体9は、熱伝導性の良い金属から成り、搭載される半導体素子7やセラミック製の回路基板8の熱膨張係数に近い、上に挙げた金属から成るものが好ましい。例えば基体9がFe−Ni−Co合金から成る場合は、Fe−Ni−Co合金のインゴット(塊)に圧延加工,打ち抜き加工,切削加工,プレス加工等の周知の金属加工方法を施すことによって、所定形状に製作された底板となる底部と、同様の金属加工法を用いて作製した側壁となる枠部とを銀ろう等の接合材で接合することによって形成される。側壁の貫通孔はドリル加工や金型による打ち抜き加工により形成される。また、例えばメタル・インジェクション・モールド法等によって底部と枠部とを一体的に形成してもよい。
The
また、外部より半導体素子7に駆動信号等を入力させる入出力端子としては、例えば同軸コネクタ10が用いられ、以下のようにして基体9の側壁に設置される。基体9の側壁に形成された貫通孔内に同軸コネクタ10を嵌め込むとともにAu−Sn半田やPb−Sn半田等の封着材を貫通孔との隙間に挿入する。しかる後、加熱して封着材を溶融させ、溶融した封着材を毛細管現象により同軸コネクタ10と貫通孔の内面との隙間に充填することによって、同軸コネクタ10が貫通孔内に半田等の封着材を介して嵌着接合される。
For example, a
同軸コネクタ10は、Fe−Ni−Co合金等の金属から成る円筒形等の筒状の外周導体にホウケイ酸ガラス等の絶縁体が充填され、その中心を貫通してFe−Ni−Co合金等の金属から成る線状の中心導体10aが固定されて成るものである。
The
この同軸コネクタ10には、外部電気回路(図示せず)に接続された同軸ケーブル(図示せず)が装着されることによって、内部に収納された半導体素子7が同軸コネクタ10の中心導体10aを介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
A coaxial cable (not shown) connected to an external electric circuit (not shown) is attached to the
半導体素子7がLDやPDのような光半導体素子である場合は、基体9の貫通孔が形成された壁と対向する壁の、半導体素子7に対向する内面から外面にかけて貫通孔を設けるものもある。そしてその外面にこの貫通孔と内部がつながった筒状部材を設置して、この筒状部材内に、ホウ珪酸ガラスや鉛系ガラス等の非晶質ガラスやサファイアから成る、球状,半球状,凸レンズ状,ロッドレンズ状等の透光性部材を固定する。筒状部材は、基体9と同様の金属からなる筒状体を銀ろう等の接合材で固定すればよい。
In the case where the
最後に、基体9の側壁上面に蓋体11を接合し、容器内部を気密に封止することによって半導体装置となる。基体9への蓋体11の接合は、シーム溶接やYAGレーザ溶接等の溶接またはAu−Snろう材等のろう材によるろう付け等のろう接により行なわれる。
Finally, a
なお、本発明は、上述の実施の形態の一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あれば種々の変更は可能である。例えば、他の電子装置の例としては、LiNbO3(ニオブ酸リチウム:LN)の単結晶基板を用いたLN光変調器がある。例えば、外部からの電気信号を入力するためのコネクタがLN光強度変調器の基体に接続され、基体内でコネクタの端子と上記と同様の回路基板とがろう材等で接続され、この回路基板とLN基板とが本発明の接続基板で接続されたものである。LN基板には接続基板が接続される進行波型電極と、この電極に近接してTi(チタン)金属の熱拡散あるいはプロトン交換法と呼ばれる方法で形成されるY分岐型の光導波路が形成され、この光導波路の両端にはそれぞれ光ファイバーが接続される。光ファイバーは基体の側壁に形成された貫通孔を通して外部に引き出され、それぞれの先端には他の電子機器等に接続するためのコネクタが接続される。これによれば、回路基板とLN基板との接続部でのインピーダンスの変化が抑えられ、伝送損失が小さくなるので、入力された電気信号を正確に光信号に変換させることができる。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, as another example of the electronic device, there is an LN optical modulator using a single crystal substrate of LiNbO 3 (lithium niobate: LN). For example, a connector for inputting an electric signal from the outside is connected to the base of the LN light intensity modulator, and the terminal of the connector and the circuit board similar to the above are connected by a brazing material or the like in the base. And the LN substrate are connected by the connection substrate of the present invention. The LN substrate is formed with a traveling wave type electrode to which a connection substrate is connected, and a Y-branch type optical waveguide formed by a method called thermal diffusion of Ti (titanium) metal or a proton exchange method in the vicinity of this electrode. Optical fibers are connected to both ends of the optical waveguide. The optical fiber is drawn out through a through hole formed in the side wall of the base, and a connector for connecting to another electronic device or the like is connected to each tip. According to this, since the change in impedance at the connection portion between the circuit board and the LN board is suppressed and the transmission loss is reduced, the input electric signal can be accurately converted into an optical signal.
1・・・・・・・接続基板
2・・・・・・・絶縁基板
3・・・・・・・信号線路
4・・・・・・・接地線路
4a・・・・・・接地導体
4b・・・・・・貫通導体
5・・・・・・・接続用バンプ
6・・・・・・・厚みの薄い部分
7・・・・・・・半導体素子
7a・・・・・・信号線路導体
7b・・・・・・接地線路導体
8・・・・・・・回路基板
8a・・・・・・信号線路導体
8b・・・・・・接地線路導体
8c・・・・・・側面導体
8d・・・・・・回路基板8の第2の絶縁基板
8e・・・・・・第2の絶縁基板の厚みの薄い部分
9・・・・・・・基体
10・・・・・・・同軸コネクタ
10a・・・・・・中心導体
11・・・・・・・蓋体
1 .... Connecting
10 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Coaxial connector
10a ・ ・ ・ ・ ・ ・ Center conductor
11 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Cover body
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