JP2013504195A - パッケージ壁用フィードスルー - Google Patents

Abstract

本発明は基台（２０４）を含む電力用パッケージの壁（２０３）を貫通する密閉フィードスルーに関し、壁（２０３）は内部部位と外部部位との境界を定め、前記密閉フィードスルーは、パッケージ外側の第１の信号線路部分（２０２ａ’）、パッケージ内側の第２の信号線路部分（２０２ｂ’）、および、他の２つの部分（２０２ａ’，２０２ｂ’）を接続する第３の信号線路部分（２０２ｃ’）を含み、前記フィードスルーは、第１の部分（２０２ａ’）が予め定められた保安距離を考慮するよう壁からシフトされることと、第３の部分（２０２ｃ’）がその全長を覆うように埋設されていることとを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は電力用パッケージの分野に関し、特にこれらのパッケージにおいて提供されるフィードスルーに関する。

図１は密閉電力用パッケージを示す。

このようなパッケージは、４つの壁を含む金属隔壁を上面に配置する金属基台１００を含む。２つの密閉フィードスルー１０１および１０２は、向かい合う壁にそれぞれ位置し、主にマイクロ波信号線路（図示せず）の出入を可能にする。

密閉フィードスルー１０４により供給信号または制御信号といった低周波信号が送達される。金属グリッド１０３によりこれらの様々な信号が互いに接続され、様々な構成要素を取り付ける間、静電気放電を防ぐ。

この種のマイクロパッケージはマイクロ波電界に使用され、高電力増幅器のようなベアチップに準じた電気的機能を提供する。

図２は先行技術における密閉フィードスルーの断面図を示す。フィードスルー１０１は、セラミック絶縁体で作られ、信号線路２０２にパッケージの壁２０３を貫通させる。フィードスルーはパッケージの基台２０４上にある。信号線路は、パッケージ外側の第１部位２０２ａ、パッケージ内側の第２部位２０２ｂおよびフィードスルーに埋め込まれている第３部位２０２ｃを含む。信号線路はパッケージ内側に位置する構成要素２０５に接続される。構成要素は、基台２０４と構成要素２０５との間に配置される台座２０６により、信号線路２０２と同じ高さに配置され、接続配線の長さに起因するマイクロ波の不整合があればこれを制限する。

多層セラミックフィードスルーは、表面に信号線路２０２を配置するパッケージ基台２０４と接する第１層２０１ａ、および、壁２０３にて第１層２０１ａを覆う第２層２０１ｂを含む。

耐真空電力用パッケージの使用において、主な問題の１つは、マルチパクティング（ｍｕｌｔｉｐａｃｔｉｎｇ）と呼ばれる密閉フィードスルー近辺で発生しうる現象の存在である。マルチパクティングは寄生効果で、真空下でマイクロ波を伝送するデバイスに生じる。特に、人工衛星に搭載する真空管、粒子加速器およびマイクロ波回路に見られる。基本的なマルチパクティングの機構は以下のとおりである：一次電子は、マイクロ波電界により加速され、表面に衝突して二次電子の放出を引き起こし、二次電子が次々とマイクロ波電界により加速され表面に衝突し、別の二次電子放出を引き起こす。電界の、所定の幾何形態ならびに一定の周波数および一定の振幅に関しては、通過中の電子の数が指数関数的に増大するための条件を満たす。マルチパクティング放電のための条件がその後満たされる。通過中の電子数の増大は飽和現象により制限され、放電は時間とともに変動することがある。

マルチパクティングは多くの場合望まれない現象である：マイクロ波電場は電子の加速によりエネルギーを失い、こうして電子から獲得したエネルギーが本質的には衝突時熱に変換される（放出される二次電子のエネルギーは低い）。したがって、マイクロ波構造において伝送されるまたは格納されるエネルギーの減少と、後者のエネルギーの発熱との両方が認められる。

パッケージでは、この放電現象は信号線路のパッケージ外側の部位とパッケージの金属筐体との間で発生する。その結果放電現象は信号線路を破壊する。パッケージがガスを含んでいるので、信号線路の密閉パッケージ内側の部位は影響を受けない。非密閉パッケージの場合、信号線路のパッケージ内側の部位もマルチパクティングの影響を受ける。この現象を防ぐ最も単純な方法は、他の導電性素子から十分に外部の信号線路を引き離すことである。これを実現するために、マルチパクティングを回避するための最小保安距離ｄが計算される。この距離は、信号の電力に依存する。典型的には、４０Ｗの信号に関し、６ｄＢのマージンに対する保安距離は２ｍｍ、１０ｄＢのマージンでは２．５ｍｍである。マージンは、電磁気シミュレーションおよび製造公差における不確実性を考慮しマルチパクティングを克服する。有効な規格によれば、６ｄＢのマージンはマルチパクティングが絶無であることを保証するのに十分であると考えられているが、その絶無を確認するのに電気的テストが必要である。１０ｄＢのマージンは電気的テストを省くのに十分である。

したがって、パッケージの線路２０２と基台２０４との間におけるマルチパクティングを防ぐためには、フィードスルーの第１層２０１ａの高さは少なくとも１０ｄＢの保安距離ｄと等しくなる。パッケージの線路２０２と壁２０３との間にマルチパクティングすることを防ぐためには、第２層２０１ｂの高さは、少なくとも保安距離ｄと等しい。したがって、フィードスルーの高さは保安距離ｄの少なくとも２倍となる。典型的には、４０Ｗ伝送電力について、フィードスルーは１０ｄＢのマージンに対し合計５ｍｍの高さを有する。この距離ｄは線路２０２ａと金属壁との間の水平面にも適用可能である。

線路でより多くの電力を伝送することが望まれる場合には問題が生じる。例えば、１５０Ｗ電力に関し保安距離ｄは１０ｄＢのマージンで５ｍｍになる。この距離は密閉フィードスルーの高さが増加していくことを示唆する。先行技術によれば、セラミックフィードスルーは高さ約６ｍｍで製造上の限界に到達する。言いかえれば、高さ１０ｍｍのフィードスルーを製造するのは非常に難しい。

さらに、フィードスルーが製作される基板の高さが増加すると電気的な問題が生じその解決は困難である。図３は、１０ｍｍ高さフィードスルーの入力／出力時における信号の反射係数の変化曲線３０２および付随する電力損失曲線３０１を示す。Ｙ軸の単位はデシベルであり、Ｘ軸の単位はギガヘルツである。応答曲線プロット上、臨界周波数が観測され、臨界周波数より下の周波数では伝送信号の電力損失は無視できる程度であり、臨界周波数より上の周波数では電力損失は急激に増加している。臨界周波数より高い周波数において本フィードスルーはもはや使用することができない。この現象は、アンテナのように四方に伸び始めている信号線路において、波動がもはや伝播しないという事実に起因する。高さ１０ｍｍのフィードスルーについては、臨界周波数は約２ＧＨｚに位置する。したがって、本フィードスルーは３ＧＨｚの信号に使用することはできない。

要約すると、このようなフィードスルーには次の欠点がある：第１に、本フィードスルーは製造するのが非常に難しい；加えて、電気的制限を有する（２ＧＨｚを超える周波数用）；最後に、台座の無いパッケージであればその全体高さが許容されず既知の製造方法との互換性がない。

別の解決策は、アースされた金属部分（パッケージの壁および基台）を絶縁性塗料で覆うことにある。しかし、剥離の危険がある。さらに、この塗料を施すのは困難である。

別の代替案は、パッケージ外部の信号線路を樹脂（グロブトップ（ｇｌｏｂ−ｔｏｐ））で覆うことである。しかし、亀裂が入ったり、温度サイクル下で剥離したり、線路２０２ａ上の樹脂が著しい誘電率を有しこの樹脂の存在により電気的応答が変化したりする危険がある。

本発明は、マルチパクティングの危険性を最小限に抑え高い電力で作動するフィードスルーを提供することにより、前述の問題を低減することを目的とする。

本目的のため、本発明の主題は、信号を伝達するためのデバイスであり、フィードスルーとも呼ばれ、信号が基台を含む電力用パッケージの壁を貫通して伝達するために、壁と接する基台上に配置されることにより利用可能であって、壁は内部と外部との境界を定め、前記密閉デバイスは、パッケージ外側の第１の信号線路部分、パッケージ内側の第２の信号線路部分、および他の２つの部分を接続する第３の信号線路部分を含み、前記フィードスルーは、第１の予め定められた保安距離を配慮するよう第１の信号線路部分が壁からシフトされることと、第３の信号線路部分がその全長を覆うようデバイス内に埋設されていることとを特徴とする。

本発明を利用すれば、より高い電力を通過させるためにフィードスルーの高さを増加させる必要がなく、それゆえ５０オームで整合する信号線路をより小さな幅にすることができる。したがって本フィードスルーおよび付随する信号線路は最高周波数により良く応答する。

本発明の第１の実施形態によれば、第１の信号線路部分と第２の信号線路部分とは高さをシフトし、前記高さは壁と平行になるよう考慮される。

本発明の第１の実施形態における１つの長所はその非対称な態様に起因するものである。第１層の高さは保安距離より低くてもよい。それゆえパッケージ内側の信号線路の高さは減少する。したがってパッケージ内側の台座を低くする、さらには削除することが可能である。

本発明は高さのより低いセラミックフィードスルーを使用可能にする。このことはさらにフィードスルーが配置される隔壁の高さを制限する。パッケージの縦横比（幅と金属隔壁高さとの比、および長さと金属隔壁高さとの比）はしたがって減少する。このことは、パッケージ（基台１００、金属隔壁２０３、ならびにフィードスルー１０１、１０２および１０４の高温溶接）の製造中と、パッケージのハーメチックシール後との両方において、応力（具体的には熱力学的応力）の減少をもたらす。

本発明は、以下の非限定的な例により与えられる詳細な説明を読みさらに図の助けにより一層よく理解され、他の利点は明らかとなろう。

上述の、密閉電力用パッケージを示す。 上述の、先行技術による密閉フィードスルーの横断面図を示す。 上述の、既知の先行技術のフィードスルーの応答曲線を示す。 本発明によるフィードスルーの第１の実施形態の横断面図を示す。 本発明によるフィードスルーの応答曲線を示す。 本発明によるフィードスルーの第２の実施形態の横断面図を示す。

図４は、本発明によるフィードスルーの第１の実施形態の横断面図を示す。電力用パッケージの壁２０３のフィードスルーは、信号線路を通過させる。パッケージは基台２０４を含む。壁２０３は内部部位と外部部位との境界を定める。フィードスルーは、パッケージ外側の第１の信号線路部分２０２ａ’、パッケージ内側の第２の信号線路部分２０２ｂ’、および他の２つの部分２０２ａ’，２０２ｂ’を接続する第３の信号線路部分２０２ｃ’を含む。第１の部分２０２ａ’は第１の予め定められた壁からの保安距離を配慮するために壁からシフトしている。第３の部分２０２ｃ’はその全長を覆うよう埋設されている。

第３の信号線路部分２０２ｃ’は第１の信号線路部分２０２ａ’を基準として高さを変えている。

第１の保安距離は、パッケージ外側でのマルチパクティングを防止するためのものである。

実用上、多層フィードスルーはパッケージの基台２０４に接する第１層４０１ａを含む。第１層は平行六面体ブロックである。第３の信号線路部分２０２ｃ’は第１層４０１ａの表面に配置される。

フィードスルーは、パッケージ外側の部位およびパッケージの壁２０３において、第１層４０１ａを覆う第２層４０１ｂを含む。第２層は平行六面体ブロックであり、めっき穴がその体積を通過する。このめっき穴は、信号線路の（第２層の下面に接触するよう位置する）第３の部分２０２ｃ’を第２層４０１ｂの上面に位置する第１の信号線路部分２０２ａ’に接続する。

本発明の第１の実施形態によれば、第１の信号線路部分２０２ａ’と第２の信号線路部分２０２ｂ’とは高さを変え、前記高さは壁２０３と平行になるよう考慮される。本発明の本実施形態を利用すれば、第１層の高さを減少することが可能であり、したがって信号線路が接続される構成要素２０５を支持する台座２０６を低くしたり、さらには削除したりすることができる。

第１の信号線路部分２０２ａ’は予め定められた保安距離に配慮して十分遠くにある。例えば、壁から５ｍｍの保安距離ｄ’に対して、第１の信号線路部分２０２ａ’を５ｍｍの距離で移動させる。

パッケージ外側では、第１の信号線路部分２０２ａ’が第２層４０１ｂ上に配置される。この第２層４０１ｂ中に製造されるめっき穴は、層４０１ｂと層４０１ａとの間の界面へ信号を送達する。埋設される第３の部分２０２ｃ’は層４０１ａの表面上にある。第２の信号線路部分２０２ｂ’はパッケージ内の部位からアクセスすることができ付随する構成要素に接続される。

様々な線路はスクリーン印刷を用い導電性ペーストにより製造される。パッケージ外の信号線路部位２０２ａ’および信号線路部位２０２ｃ’にはニッケル／金仕上げが施される。

信号線路の第３の部分２０２ｃ’は埋設されている。マルチパクティングは真空にのみ生じ、したがってこの線路部分には影響しない。考慮される保安距離ｄは第２層の表面上にある第１の信号線路部分２０２ａ’と、パッケージの金属部分との距離であり、すなわち、壁との距離および基台との距離である。

信号線路２０２ｃ’はパッケージ外側のフィードスルーに埋設される。このことにより、真空中、フィードスルーの高さを増加させること無く、線路が接地面から遠ざけられる。

本発明の利点の１つは、高周波数信号と共に使用された時より良く機能することである。図５は本発明によるフィードスルーの応答曲線を示す。曲線５０１はフィードスルーの入力出力間での電力損失を示す。曲線５０２および５０３は、入力時および出力時の反射パラメーターにそれぞれ相当する。フィードスルーは高さ４ｍｍであり信号電力は１５０Ｗである。図３に関連して、図５中の曲線は周波数の関数としてデシベルで示される。既知の先行技術によるフィードスルーの場合に生じた、２ＧＨｚでの急な電力損失は生じず、しかし約７．５ＧＨｚでは生じていることが認められる。

本発明の第２の実施形態によって、第２の予め定められた保安距離に配慮するよう、第２の信号線路部分２０２ｂ’は壁から移動される。図６は、本発明による密閉フィードスルーの第２の実施形態の横断面図を示す。第１の実施形態に関連して、密閉フィードスルーは、パッケージ外側の第１の信号線路部分６０２ａ、パッケージ内側の第２の信号線路部分６０２ｂ、ならびに他の２つの部分６０２ａおよび６０２ｂを接続する第３の信号線路部分６０２ｃを含む。第１の部分６０２ａは、第１の予め定められた壁からの保安距離を考慮するため、壁から移動される。第３の部分６０２ｃはその全長を覆うよう埋設されている。しかしながら、第１の部分６０２ａおよび第２の部分６０２ｂの高さは変えられないため、パッケージ内部の台座２０６を使用することが必要かもしれない。

パッケージが密閉パッケージの場合、第２の保安距離は、パッケージ内側でのコロナ形成を防止するよう意図される。

地上で決定された割合でパッケージからの漏れが生じるため、軌道上で使用されるパッケージの内圧が落ちる際にコロナが発現する。コロナ形成を防ぐ標準的な方法は、いかなる接地面からも信号線路を引き離し、放電を誘導する電界を減少させること、または保護的絶縁体に導電性を埋設させ、プラズマがハイレベルでのみ生ずるようにすること以外には、無い。コロナは一種の放電であり、直流であってもなくても、高電位に引き上げられ電気的に中性の流体によって分離された２つの電極間で電流が流れる時、通常の空気中、この流体のイオン化によって生みだされる。プラズマがその後作りだされ、イオンから中性ガス分子へ移行することにより電荷が運搬される。流体中のある一点における電界が十分に高い場合、流体はこの点の周囲でイオン化し導電性になる。もし導電性と電界値の幾何形態が、イオン化された領域が固定化するというよりむしろ拡大するような状態である場合、電流は対極電極までの通り道を得て到達し、スパークまたは電気的アークがその後形成され構造を破壊する。

パッケージが非密閉パッケージの時、第２の保安距離はパッケージ内側でのマルチパクティングを防ぐように意図される。パッケージがもはや密閉ではない場合、パッケージ内部もまた真空下にある。これらの条件の下では、信号線路もまたマルチパクティングにさらされるかもしれない。この場合、フィードスルーは対称になる。

本発明の１つの変形例によれば、フィードスルーは、例えばアルミナ粉末、バインダ、可塑剤および他の添加剤から主としてなるセラミックスのような密閉絶縁材（であって高温焼結によって得られたもの）で作られている。密閉絶縁材は密閉パッケージおよび非密閉パッケージのいずれで使用されてもよい。

本発明のさらに別の変形例によれば、フィードスルーは有機材料で作られている。この種の材料は、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂または石英ファイバー強化エポキシ樹脂に準ずるものであってもよい。有機材料からフィードスルーを作ることにより最終パッケージは自然に非密閉となる。

有利には、フィードスルーは基台を基準に凹部ｒを形成するように基台に配置される。これは、基台と信号線路のパッケージ外部部位との間の距離を増加させる効果がある。したがって第１の保安距離より低い高さの第１層を使用することが可能である。これは、パッケージ内側から台座を削除することを可能にするかもしれない。凹部ｒの長さは例えば１ｍｍである。第１層４０１ａおよび第２層４０１ｂの高さはその時それぞれ１ｍｍおよび３ｍｍである。

有利には、フィードスルーは、第１の信号線路部分２０２ａ’を覆う樹脂を更に含む。樹脂は連結領域２０２ａ’と関連する接続配線との上に配置される。樹脂は元来絶縁性であり、それによってパッケージの金属部分と実際のマイクロ波線路との間の距離ｄを増加させる。

有利には、フィードスルーは、第２の信号線路部分２０２ｂ’を覆う樹脂を更に含む。

Claims (10)

1. 信号を伝達するためのデバイスであって、前記デバイスは、信号が基台（２０４）を含む電力用パッケージの壁（２０３）を貫通して伝達するために、前記壁（２０３）と接する前記基台（２０４）上に配置されることにより利用可能であって、前記壁（２０３）は内部部位と外部部位との境界を定め、前記密閉デバイスは、前記パッケージ外側の第１の信号線路部分（２０２ａ’）、前記パッケージ内側の第２の信号線路部分（２０２ｂ’）、ならびに、前記第１の信号線路部分（２０２ａ’）と前記第２の信号線路部分（２０２ｂ’）とを接続する第３の信号線路部分（２０２ｃ’）を含み、前記フィードスルーは第１の予め定められた保安距離を配慮するよう、前記第１の信号線路部分（２０２ａ’）が前記壁（２０３）からシフトされることと、前記第３の信号線路部分（２０２ｃ’）がその全長を覆うようデバイス内に埋設されていることとを特徴とするデバイス。
2. 前記第１の信号線路部分（２０２ａ’）と前記第２の信号線路部分（２０２ｂ’）とが高さをシフトすることを特徴とし、前記高さが前記壁（２０３）と平行になるよう考慮される、請求項１に記載の信号伝達デバイス。
3. 前記第２の信号線路部分（２０２ｂ’）が第２の予め定められた保安距離を考慮するよう壁からシフトされることを特徴とする、請求項１に記載の信号伝達デバイス。
4. 前記パッケージが密閉であることと、前記第２の保安距離が前記パッケージ内側でのコロナ形成を防ぐように意図されることとを特徴とする、請求項１〜３に記載の信号伝達デバイス。
5. 前記パッケージが非密閉であることと、前記第２の保安距離が前記パッケージの内側でのマルチパクティングを防ぐように意図されることとを特徴とする、請求項１〜３に記載の信号伝達デバイス。
6. 密閉絶縁材で作られ高温焼結により得られることを特徴とする、請求項１〜５に記載の信号伝達デバイス。
7. 有機材料で作られていることを特徴とする、請求項５に記載の信号伝達デバイス。
8. 前記基台（２０４）を基準にして凹部（ｒ）を形成するよう、前記フィードスルーが前記基台（２０４）上に配置されることを特徴とする、請求項１〜７に記載の信号伝達デバイス。
9. 前記第１の信号線路部分（２０２ａ’）を覆う樹脂をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜８に記載の信号伝達デバイス。
10. 前記第２の信号線路部分（２０２ｂ’）を覆う樹脂をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜９に記載の信号伝達デバイス。

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