JP2017163371A - ガンダイオード発振器及びガンダイオード発振器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱効果を高めると共に電気的特性を向上させたガンダイオード発振器を提供する。【解決手段】導電性材料からなる導電路を両主面に有する絶縁性基板に、発振素子となるガンダイオード素子を搭載したガンダイオード発振器で絶縁性基板に形成した一対の貫通孔に熱伝導材料からなる放熱基板に形成した凸部が嵌合するように接合し、ガンダイオード素子のアノード電極を前記凸部に接続している。従来の貫通孔及び導電路を用いたときに発生していた余分なインダクタンスの発生を抑制することにより、電気的特性の向上を図るものである。さらにコストの低減及び形状の簡素化を達成したガンダイオード発振器を提供することができる。【選択図】図２

Description

本発明は表面実装型のガンダイオード素子を用いたマイクロ波帯やミリ波帯のような高周波帯域の発振器に関わり、特に放熱特性及び電気的特性を向上させたガンダイオード発振器に関する。

ガンダイオード素子はマイクロ波、ミリ波といった高周波を得るための発振素子として用いられ、通常ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウムリン（ＩｎＰ）等の化合物半導体にて構成されている。ガンダイオード素子は負性抵抗を有し、高周波の発振を簡素な構成で実現出来る。ガンダイオード素子を用いた従来のガンダイオード発振器はＡｌＮ（窒化アルミニウム）等からなる絶縁性の基板（発振回路）の表面に、例えばマイクロストリップ線路からなる信号線路を形成し、ガンダイオード素子を搭載する。ガンダイオード素子を用いた従来のガンダイオード発振器の構成について以下に説明する。

図４（ａ）は従来のガンダイオード発振器の断面図である。図４（ｂ）はガンダイオード素子の平面図である。図４（ａ）に示すようにガンダイオード素子２は半導体基板１３の上に複数の半導体層が積層された構造となっている。複数の半導体層は、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１３側から、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体層１４、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層１６、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２の半導体層１５の順に積層されている。また、電子の走行空間の面積を小さくするために、絶縁体によって第２の半導体層１５及び活性層１６が区分けされたメサ型構造となっている。この構造により電子の走行空間の面積を小さくしている。このように、ガンダイオード素子２は半導体基板１３上に形成した積層構造を有し、直方体形状の表面実装型の素子として形成されている。

絶縁体によって区分けされた複数の半導体層の表面にはカソード電極８とアノード電極９とが形成されており、フリップチップ接合を行うためにそれぞれの電極の上にはさらに導電性材料からなる突起状電極であるカソードバンプ１０、アノードバンプ１１が形成されている。カソードバンプ１０は６個のカソード電極８の上面全てに各々形成されている。一方、アノードバンプ１１はカソードバンプ１０の一群を両側から挟むように、ガンダイオード素子２の両側に位置するアノード電極９上に、片側２個ずつ合計で４個形成されている。カソードバンプ１０及びアノードバンプ１１は金バンプ等にて形成されている。

図４（ａ）はガンダイオード素子２をマイクロストリップ線路で構成された発振回路を有する誘電体基板１７に搭載して構成したガンダイオード発振器１の断面を示す図である。窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、シリコン（Ｓｉ)、シリコンカーバイド（ＳｉＣ)、ダイアモンド等の半絶縁性の誘電体基板１７の上面に、マイクロストリップ線路からなる信号電極７(図５を参照のこと)、表面接地電極１８が形成されるとともに、下面全面に裏面接地電極１９が形成されている。

表面接地電極１８と裏面接地電極１９は円柱状の貫通孔５に導電性物質を充填することにより形成された貫通電極２０にて接続している。図５に示されるように、信号電極７は電圧印加用のバイアス電極、共振器を構成するオープンスタブ、及び発振出力用の出力部が一続きのパターンにて連続した構成として形成されている。ガンダイオード素子２は中央のカソードバンプ１０が信号電極７に、両側のアノードバンプ１１が表面接地電極１８にそれぞれ接続するように実装される。
特許文献１には半絶縁性の平板基板の表面に表面実装型のガンダイオードを備えたガンダイオード発振器が示されている。

特開２００６−２５３２６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のガンダイオード発振器においては、貫通電極２０を経由した接続であるため、配線が長くなる傾向にあった。従って、余計なインダクタンスが発生し、製品ごとの周波数のばらつきが大きくなるという問題が発生していた。
図６に示すように、ガンダイオード素子２近傍の等価回路は負性抵抗とキャパシタンスからなる並列回路とこの並列回路に直列に接続されたインダクタンスにて表現される。主にこのインダクタンスはガンダイオード素子２を搭載する誘電体基板１７に形成される貫通電極２０により生じている。この貫通電極２０は貫通孔５に充填した導電性物質、例えば金属ペースト等にて導電路を形成している。貫通孔５は接地している裏面接地電極１９に到達するよう形成されている。

貫通孔５に金属ペースト等を充填して形成した貫通電極２０において、基板厚み１００μｍを、貫通孔５の直径を約２００μｍとした場合にはおよそ０．１ｎＨ程度のインダクタンスを有することとなる。
誘電体基板１７に形成される貫通孔５の寸法、金属ペーストの貫通孔５への充填の度合いにより製造バラツキが大きくなる。この製造バラツキにより、インダクタンスのばらつきも大きいことが予想される。
ガンダイオード素子２と裏面接地電極１９の間のインダクタンスのばらつきが生じると周波数が変化するだけでなく、安定的に発振する周波数領域が狭くなるという現象が起きていた。

さらに、ガンダイオード素子２の動作には数ワットの電力を必要とする。その一方で、微小な面積に大きな電力がかかるために、かなりの発熱が生じていた。誘電体基板１７の熱伝導だけでは熱の放出が充分でなく、発熱により温度が上昇し、動作が不安定となる問題が生じていた。従来の構造においてはコストがかかる熱伝導率の大きな誘電体基板１７を用いるとともに、誘電体基板１７の下に配置した熱容量の大きな放熱基板（ヒートシンク）に熱を伝導させ、外部に熱を逃がすことで、ガンダイオード素子２自体の過度の温度上昇を抑えていた。
しかしながら、従来の構造においては金属ペースト等を充填した貫通孔５から形成される貫通電極２０を介しての接続となるため、貫通電極２０が熱伝導の効率に関してボトルネックとなり、放熱が十分になされない恐れがあった。

本発明は上記の課題を鑑みて為されたもので、ガンダイオード素子からの放熱を効率的なものとするとともに、電気的特性の向上、コストの低減及び形状の簡素化を図ったガンダイオード発振器を提供することを目的とする。

本発明に係るガンダイオード発振器は、導電性材料からなる導電路を両主面に有する絶縁性基板に、発振素子であるガンダイオード素子を搭載したガンダイオード発振器において、貫通孔が形成された絶縁性基板に熱伝導材料からなり凸部が形成された放熱基板を貫通孔に凸部が嵌合するよう接合し、ガンダイオード素子を凸部に接続したことを特徴とする。

本発明に係るガンダイオード発振器は、貫通孔及び凸部が各々一対ずつ形成されたことを特徴とする。また、本発明に係るガンダイオード発振器は、ガンダイオード素子のアノード電極を凸部に接続するとともに、放熱基板を接地したことを特徴とする。

本発明に係るガンダイオード発振器は、ガンダイオード素子のアノード電極を凸部に接続するアノードバンプの表面積が凸部の表面積に比べて小さいことを特徴とする。また、本発明に係るガンダイオード発振器は、凸部の表面が正方形または長方形からなり、ガンダイオード素子のアノード電極が接続され、マイクロストリップラインにより絶縁性基板の一主面に形成される導電路の延出する方向と、正方形または長方形の少なくとも一辺の延びる方向が平行となることを特徴とする。

本発明に係るガンダイオード発振器の製造方法は、導電性材料からなる導電路を両主面に有する絶縁性基板を用意する工程と絶縁性基板に貫通孔を形成する工程と熱伝導材料からなる放熱基板を用意する工程と放熱基板の主面に凸部を形成する工程と、貫通孔に対して凸部が嵌合するよう絶縁性基板と放熱基板を接合する工程と、発振素子であるガンダイオード素子を凸部に接合する工程とを、有することを特徴とする。

本発明は、貫通孔を形成した誘電体基板に凸部を形成した放熱基板に嵌合させ、ガンダイオード素子のカソードバンプを放熱基板の凸部に対して直に接続することにより、ガンダイオード素子の熱を効率的に放出させると共に、放熱基板を接地することにより、従来の貫通孔及び導電路を用いたときに発生していた余分なインダクタンスの発生を抑制することにより、電気的特性の向上を図るものである。さらにコストの低減及び形状の簡素化を達成したガンダイオード発振器を提供することができる。

従来、用いていた窒化アルミ基板等を用いる必要が無く、安価な、例えばガラスエポキシ樹脂からなるプリント基板を用いることでコストの低減を達成出来る。また、放熱基板として熱伝導率が高く、高い熱容量を有する金属、例えば、銅、銅タングステン合金、アルミニウム等の金属材料を用いることで冷却性能に優れたガンダイオード発振器を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るガンダイオード発振器の分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係るガンダイオード発振器の断面図である。 本発明の基板の寄与を含めたガンダイオード素子の等価回路図である。 （ａ）は従来のガンダイオード発振器の断面図である。（ｂ）は従来のガンダイオード素子の平面図である。 従来のガンダイオード発振器の斜視図である。 従来の基板の寄与を含めたガンダイオード素子の等価回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものでは無い。

図１は本発明のガンダイオード発振器を示す分解斜視図である。ガンダイオード発振器１は絶縁性基板３の下面にプレプリグを用いて放熱基板１２を接合し、ガンダイオード素子２を搭載することで形成されている。絶縁性基板３としてはアルミナ基板、フッ素樹脂基板、ＦＲ−４等のガラスエポキシ基板が用いられる。絶縁性基板３は例えば縦１０ｍｍ×横５ｍｍの矩形形状であり、厚みは０．１ｍｍである。

ガンダイオード素子２は縦０．４ｍｍ×横０．６ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍの直方体形状である。ガンダイオード素子２の底面には複数のカソード電極８とアノード電極９が形成される。

放熱基板１２には熱伝導率の大きな金属が用いられ、例えば、銅やアルミから形成されている。放熱基板１２の厚みは２ｍｍ程度である。また、放熱基板１２の表面にはガンダイオード素子２の接地電極として用いられる一対の凸部４が形成されている。一方、絶縁性基板３には放熱基板１２の一対の凸部４に嵌合する形状及び寸法の貫通孔５が形成されている。

放熱基板１２の凸部４の表面形状としては、円、三角、四角等の幾何学的図形が用いられる。凸部４の高さは０．１ｍｍであり、例えば凸部４の表面は正方形となり、縦及び横の寸法は０．２ｍｍである。また、凸部４の高さは絶縁性基板３の厚みに等しいか、絶縁性基板３の厚みより１〜２μｍだけ大きくする。

このような構成とすることでガンダイオード素子２のアノードバンプ１１を接地された凸部４に確実に接続することができる。また、絶縁性基板３の表面にはマイクロストリップラインからなる共振（発振）回路が形成されている。マイクロストリップラインは金や銅の薄膜にて形成されている。

絶縁性基板３の表面には信号電極７とこの信号電極７に接続されるオープンスタブ、ガンダイオード素子への電源供給用のバイアス電極が形成される。接地電極は放熱基板１２自体に凸部４として設けられるが、放熱基板１２は一体の導電体材料からなるため、一か所が接地されることで、放熱基板１２自体が接地電極として機能する。

ガンダイオード素子２は放熱基板１２が接合された絶縁性基板３に対し、フリップチップ実装を用いて搭載される。
図２は図１におけるＩ−Ｉ面での断面図である。ガンダイオード素子２のカソード電極８及びアノード電極９上にはそれぞれカソードバンプ１０、アノードバンプ１１が形成されている。カソードバンプ１０は絶縁性基板３の表面に形成された信号電極７に機械的及び電気的に接続される一方、アノードバンプ１１は放熱基板１２に形成された凸部４に機械的及び電気的に接続されている。カソードバンプ１０及びアノードバンプ１１は高さ５μｍに形成され、フリップチップ実装を行い、高さ４μｍ程度に圧縮された状態でガンダイオード素子２を放熱基板１２及び絶縁性基板３に接合している。

本発明においては貫通孔に導電性物質を充填して形成した貫通電極を用いる代わりに放熱基板に凸部を形成し、そこに直にガンダイオード素子のアノードバンプを接続することで、余分なインダクタンスの発生を抑えることができ、図３に示すようにガンダイオード素子近傍の等価回路は負性抵抗とキャパシタンスからなる並列回路にて表される。本発明の凸部４を用いた接続を行うことによりインダクタンスはほぼ０ｎＨとなり、従来構造に比べ無視できるほどに小さくなる。従って図６に示した従来のガンダイオード発振器にて生じていた余計なインダクタンスとそれに伴うインダクタンスのバラツキが無くなり、製品ごとの周波数バラツキを抑えることが出来る。

＜ガンダイオード発振器の製造方法＞
本発明のガンダイオード発振器１の製造方法について説明する。ガンダイオード素子２を搭載する絶縁性基板３を用意する。この絶縁性基板３として用いられる基板として、例えばガラスエポキシ基板を用いる。絶縁性基板３には配線パターン（導電路６）が形成されている。
絶縁性基板３には貫通孔５が形成されている。貫通孔５はＮＣドリルによるドリル加工、またはレーザ加工を用いて形成される。貫通孔５は断面がおよそ長方形状であり、直方体状の空隙として形成される。貫通孔５はガンダイオード素子２の一対のアノードバンプ１１に対応する間隔にて形成される。

次に絶縁性基板３に接合され、一体として、ヒートシンクの役割を有する、アルミ等熱伝導率の大きい材質で形成された放熱基板１２を用意する。放熱基板１２には絶縁性基板３に嵌合する凸部４を切り出し加工、切削といった機械加工を用いて形成する。凸部４は絶縁性基板３の貫通孔５に嵌合するように形成されるため、およそ同一形状となる。従って凸部４は貫通孔５と同一形状かつ若干小さい寸法にて形成されることとなる。一方、凸部４の高さは絶縁性基板３の厚さとおよそ同一もしくは若干高くして、略直方体形状として形成される。

貫通孔５の形成された絶縁性基板３と凸部４の形成された放熱基板１２が用意された後、絶縁性基板３と放熱基板１２を接合する。接合は絶縁性基板３の下面、放熱基板１２の上面の両方もしくはいずれかにシリコン樹脂もしくはエポキシ樹脂からなる熱伝導性接着剤を塗布もしくは間に両面テープを介在させ、絶縁性基板３の上面及び放熱基板１２の下面より押圧することで行われる。

その後、フリップチップボンディング装置を用いて、ガンダイオード素子２が放熱基板１２と接合された絶縁性基板３に搭載される。ガンダイオード素子２はカソードバンプ１０を信号電極７に、アノードバンプ１１を凸部４にフリップチップボンディングされることとなる。

そして、バイアス電極にバイアス電位を印加することによって、ガンダイオード発振器１として動作することとなる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ ガンダイオード発振器、２ ガンダイオード、３ 絶縁性基板、４ 凸部、５ 貫通孔、６ 導電路、７ 信号電極 、８ カソード電極、９ アノード電極、１０ カソードバンプ、１１ アノードバンプ、１２ 放熱基板、１３ 半導体基板、１４ 第１の半導体層、１５ 第２の半導体層、１６ 活性層、１７ 誘電体基板、１８ 表面接地電極、１９ 裏面接地電極、２０ 貫通電極

Claims (6)

1. 導電性材料からなる導電路を両主面に有する絶縁性基板に、発振素子であるガンダイオード素子を搭載したガンダイオード発振器において、
   貫通孔が形成された前記絶縁性基板に熱伝導材料からなり凸部が形成された放熱基板を前記貫通孔に前記凸部が嵌合するよう接合し、前記ガンダイオード素子を前記凸部に接続したことを特徴とするガンダイオード発振器。
2. 前記貫通孔及び前記凸部が各々一対ずつ形成されたことを特徴とする請求項１に記載のガンダイオード発振器。
3. 前記ガンダイオード素子のアノード電極を前記凸部に接続するとともに、前記放熱基板を接地したことを特徴とする請求項１及び請求項２に記載のガンダイオード発振器。
4. 前記ガンダイオード素子のアノード電極を前記凸部に接続するアノードバンプの表面積が前記凸部の表面積に比べて小さいことを特徴とする請求項１〜３に記載のガンダイオード発振器。
5. 前記凸部の表面が正方形または長方形からなり、前記ガンダイオード素子の前記アノード電極が接続され、マイクロストリップラインにより前記絶縁性基板の一主面に形成される前記導電路の延出する方向と、前記正方形または長方形の少なくとも一辺の延びる方向が平行となることを特徴とする請求項３及び請求項４に記載のガンダイオード発振器。
6. 導電性材料からなる導電路を両主面に有する絶縁性基板を用意する工程と前記絶縁性基板に貫通孔を形成する工程と熱伝導材料からなる放熱基板を用意する工程と前記放熱基板の主面に凸部を形成する工程と、前記貫通孔に対して前記凸部が嵌合するよう前記絶縁性基板と前記放熱基板を接合する工程と、発振素子であるガンダイオード素子を前記凸部に接合する工程とを、有することを特徴とするガンダイオード発振器の製造方法。

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