JP3580680B2

JP3580680B2 - High frequency package and its connection structure

Info

Publication number: JP3580680B2
Application number: JP26631297A
Authority: JP
Inventors: 慎一郡山; 謙治北澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: JPH11112209A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用半導体素子や、高周波用受動素子などの高周波素子等を気密封止するための高周波用パッケージとその接続構造に関し、気密を保持しつつ外部電気回路等に形成された導波管に直接接続することのできる高周波用パッケージとその接続構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、社会の情報化が進み、情報の伝達は携帯電話に代表されるように無線化、パーソナル化が進んでいる。このような状況の中、さらに高速大容量の情報伝達を可能にするために、ミリ波（３０〜３００ＧＨｚ）領域で動作する半導体素子の開発が進んでいる。最近ではこのような高周波半導体素子技術の進歩に伴い、その応用として車間レーダーや無線ＬＡＮのようなミリ波の電波を用いたさまざまな応用システムも提案されるようになってきた。例えば、ミリ波を用いた車間レーダー（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、ＳＣ−７−６参照）、コードレスカメラシステム（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３７参照）、高速無線ＬＡＮ（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３９参照）が提案されている。
【０００３】
このようにミリ波の応用が進むにつれ、それらの応用を可能とするための要素技術の開発も同時に進められており、特に、各種の電子部品においては、必要な伝送特性を有しながら、いかに小型化と低コスト化を図るかが、大きな課題となっている。
【０００４】
このような要素技術の中でも、高周波素子が収納されたパッケージと、外部電気回路とをいかに簡単で且つ小型な構造で接続するかが重要な要素として位置づけられている。とりわけ、伝送損失の最も小さい導波管が形成された外部電気回路と、高周波素子を搭載したパッケージとをいかに接続するかが大きな問題であった。
【０００５】
従来における高周波用パッケージを外部電気回路に形成された導波管に接続する方法としては、高周波用パッケージからコネクタを用いて一旦同軸線路に変換して導波管と接続する方法、外部電気回路において、導波管を一旦マイクロストリップ線路等に接続した後、そのマイクロストリップ線路と高周波用パッケージとを接続する方法が採用される。
【０００６】
最近では、高周波素子を収納したパッケージを外部電気回路の導波管に直接接続する方法も提案されている（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、ＳＣ−７−５参照）。この提案では、素子をキャビティ内に気密封止する蓋体の一部に石英を埋め込み、その石英埋め込み部を通じて電磁波をキャビティ内に導入し、キャビティ内に設置した導波管−マイクロストリップ線路変換基板と接続したものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように、外部電気回路の導波管を一旦、コネクタやマイクロストリップ線路などの他の伝送線路形態を介して、パッケージと接続する方法では、接続構造自体が複雑化するとともに、コネクタや他の伝送線路を形成する領域を確保する必要があるために、接続構造自体が大型化してしまうという問題があった。しかも、他の線路形態やコネクタを介することにより伝送損失が増大する可能性もあった。
【０００８】
これに対して、導波管から電磁波の形でパッケージのキャビティ内部まで直接導入する方法は、接続構造を小型化できる点では有効的であるが、蓋などのキャビティ形成部材を通過する際に電磁波の損失を小さくするために、その通過部を誘電率および誘電正接が小さい材料を使用することが必要であり、そのために、前記文献に記載されるように、石英などの低誘電率、低損失材料を埋め込む処理が必要となる。このような埋め込み処理は、気密封止性の信頼性を損なうばかりでなく、量産には全く不向きである。
【０００９】
また、キャビティ形成部材をすべて低誘電率、低損失材料によって構成することも考えられるが、パッケージを構成する材料として、それら電気特性以外にも機械的な強度や気密封止性、メタライズ性など各種の特性が要求され、それら特性をすべて満足し、且つ安価に製造できるような適切な材料は見当たらない。
【００１０】
つまり、上記の困難性は、高周波信号を導波管を通じ電磁波のままパッケージのキャビティ内部に導入しようとすることによって生じている。つまり信号が、キャビティ内部に導入される部分において電磁波であるため、この部分の気密封止性と低損失化を両立させなければならないためである。
【００１１】
本発明は、前記課題を解消せんとして成されたもので、高周波素子の気密性に影響を及ぼすことなく、外部電気回路に設けられた導波管と直接的に低損失に接続可能な接続部を具備する高周波用パッケージを提供することを目的とするものである。また、本発明は、前記高周波用パッケージを用いて外部電気回路に設けられた導波管に対して、低損失に接続可能な接続構造を提供することを他の目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題について鋭意検討した結果、キャビティ内部に収納される高周波素子に接続される高周波伝送線路を形成した面とは反対の誘電体基板表面に開口部を有するグランド層を形成し、このグランド層を接続する導波管の終端壁として機能させるとともに、高周波伝送線路を電磁結合により開口部に結合させ、この開口部を用いて接続した導波管を励振させることにより、開放端を有する導波管と直接的に接続することができるとともに、高周波素子のキャビティ内での封止を確実に行うことができることを見いだした。
【００１３】
即ち、本発明の高周波用パッケージは、誘電体材料からなる第１の誘電体基板と、高周波素子を収納するためのキャビティと、該キャビティ内を封止するための蓋体と、該キャビティ内における前記誘電体基板の表面に被着形成され、前記高周波素子と一端が接続され且つ終端を有する高周波用伝送線路と、前記高周波用伝送線路と導波管とを接続するための接続部を具備する高周波用パッケージであって、前記接続部が、前記誘電体基板の前記伝送線路形成面と反対の表面に設けられ、前記高周波用伝送線路の終端と前記第１の誘電体基板を介して対峙する位置に開口部が形成され、且つ接続される導波管の導体壁と電気的に接続することにより導波管の終端壁を構成するグランド層と、該グランド層形成面に積層され、前記開口部形成面に整合用誘電体部が設けられ該整合用誘電体部の周囲に、前記導波管の導体壁と前記グランド層を電気的に接続するためのビアホール導体あるいは貫通孔が形成された第２の誘電体基板と、を具備することを特徴とするものである。
【００１４】
また、上記高周波用パッケージにおいては、前記整合用誘電体部の厚さが該誘電体内の信号波長の１／４であること、前記誘電体基板および／または整合用誘電体部がセラミックスまたは有機樹脂、あるいはそれらの複合体からなること、前記高周波伝送線路および前記グランド層が、タングステン、モリブデン、銅、銀および金の群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする導体からなることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の高周波用パッケージの接続構造は、誘電体材料からなる誘電体基板と、前記誘電体基板と蓋体により形成された高周波素子を収納するためのキャビティと、該キャビティ内における前記第１の誘電体基板の表面に被着形成され、前記高周波素子と一端が接続され且つ終端を有する高周波用伝送線路と、前記高周波用伝送線路と導波管とを接続するための接続部を具備する高周波用パッケージと、開放端を有する導波管との接続構造であって、前記パッケージにおける接続部が、前記誘電体基板の前記伝送線路形成面と反対の表面に設けられ、前記高周波用伝送線路の終端と前記第１の誘電体基板を介して対峙する位置に開口部が形成され、且つ接続される導波管の導体壁と電気的に接続することにより導波管の終端壁を構成するグランド層と、該グランド層形成面に積層され、前記開口部形成面に整合用誘電体部が設けられ該整合用誘電体部の周囲に、前記導波管の導体壁と前記グランド層を電気的に接続するためのビアホール導体あるいは貫通孔が形成された第２の誘電体基板と、を具備してなり、前記グランド層の前記開口部が前記導波管の中心となる位置にて、前記導波管の開放端における導体壁を前記ビアホール導体と電気的に接続するか、あるいは該導体壁を前記貫通孔に挿入して前記グランド層と電気的に接続したことを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の高周波用パッケージの構造について以下に図面をもとに説明する。
まず、図１によれば、高周波用パッケージＡ１は、誘電体基板１と、蓋体２によって形成されたキャビティ３内において、高周波素子４が誘電体基板１表面に実装搭載され、キャビティ３内は気密に封止されている。
【００１７】
誘電体基板１のキャビティ３内の表面には、高周波素子４と一端が接続され、且つ終端５ａを有する高周波伝送線路の中心導体５が形成されている。そして、誘電体基板１の中心導体５が形成された面とは反対の表面には、導体が形成されていない開口部（スロット）６を有するグランド層７が一面に形成されている。
【００１８】
このパッケージにおいては、このグランド層７と中心導体５によりマイクロストリップ線路からなる高周波伝送線路が形成されている。なお、誘電体基板１の中心導体５の周辺には、例えば、蓋体２を取り付けるための導体層８が形成されている。
【００１９】
上記の線路構成において、マイクロストリップ線路の中心導体５は、スロット６と電磁的に結合されている（電磁結合によりスロット６に給電する。）。この電磁結合構造は、具体的には、特開平１−２６６５７８号に記載されるように、図１（ｂ）の誘電体基板１の平面図に示すように、マイクロストリップ線路の中心導体５の終端５ａがスロット６中心から信号周波数の１／４波長の長さＬで突出するように形成することにより、電磁結合することができる。しかし、電磁結合は必ずしも前記寸法の組み合わせだけでなく、その他の組み合わせでも良好な結合は可能である。
【００２０】
また、図１の高周波用パッケージＡ１においては、グランド層７のスロット６の表面には、整合用誘電体部９が誘電体基板１と一体的に取り付けられている。
【００２１】
この整合用誘電体部９は、電磁結合に用いたスロット６のインピーダンスと、このパッケージに接続される導波管のインピーダンスが異なるため、両者のインピーダンス整合を図るためのものであり、整合用誘電体部９の厚さｄは整合用誘電体部９内での伝送信号波長の１／４波長長さに設定される。この整合用誘電体部９は、導波管との接続時には、導波管内に配設されるような形状、特に導波管の断面における内径形状を有する。
【００２２】
図１（ｃ）は、図１（ａ）の高周波用パッケージＡ１に導波管Ｂ１を接続した時の構造を説明するための概略断面図である。図１（ｃ）によれば、導波管Ｂ１の開放端Ｂ’をパッケージＡ１のグランド層７に形成されたスロット６が導波管の中心となる位置にて当接させるか、またはロウ付けにより接合するか、あるいはネジ止めなどの機械的な接合手段により取り付け、導波管Ｂ１の導体壁１０と電気的に接続する。そして、このようにして導波管Ｂ１の導体壁１０とグランド層７とを電気的に接続することにより、グランド層７が、導波管Ｂ１の終端壁をとして機能することになる。そして、キャビティ３内にて高周波素子４と接続された中心導体５と、導波管Ｂ１とは、グランド層７に設けられたスロット６により電磁結合され、信号の伝達を行うことができる。また、導波管Ｂ１の接続部には、整合用誘電体部９が配設されることから、スロット６−導波管Ｂ１間のインピーダンス整合が行われ、良好な信号の伝達が可能となるのである。
【００２３】
図２は、図１の高周波用パッケージＡ１の変形例を示すパッケージであり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は誘電体基板の底面図、（ｃ）は導波管Ｂ１と接続した時の概略断面図である。この高周波用パッケージＡ２によれば、整合用誘電体部９の周囲において、グランド層７に金属枠体１１をロウ剤等の導電性接着剤を用いて取付けることにより、グランド層７と金属枠体１１とを電気的に接続させ、導波管Ｂ１の導体壁１０の開放端Ｂ’をこの金属枠体１１に対して、当接するか、ロウ付けにより接合するかあるいは金属枠体１１にネジ止めなどの機械的な接合手段により取り付ける。この構成によれば、金属枠体１１はグランド層７と電気的に接続しているために、金属枠体１１が導波管Ｂ１の導体壁を形成し、グランド層７が導波管Ｂ１の終端壁として機能する。
【００２４】
かかる構造によれば、導波管Ｂ１を金属枠体１１を介して高周波用パッケージに対して強固に接合することができ、パッケージＡ２と導波管Ｂ１との接続信頼性を高めることができる。なお、図２では、誘電体基板１の底面に形成された２つの整合用誘電体部９の個々の周囲に分割して金属枠体１１、１１を形成したが、この２つの金属枠体１１、１１は、一体化して誘電体基板１の底面におけるグランド層７に取り付けることも可能である。
【００２５】
図１、図２の高周波用パッケージにおいては、整合用誘電体部９は、グランド層７の表面に誘電体基板１と一体的に設けられているが、この整合用誘電体部９は、誘電体基板１を作製した後に、適当な接着剤を用いてグランド層７表面に取り付けることができるが、工程数が増加するなどの問題もある。また、一体的に設ける場合、誘電体基板１がセラミックスからなる場合、未焼成の誘電体基板１にグランド層７および中心導体５を印刷塗布し、同様に未焼成の整合用誘電体部９を接着剤により接着して、それを一括して同時焼成することにより作製することも可能であるが、焼成時に脱落する可能性がある。
【００２６】
そこで、図３乃至図４は、整合用誘電体部を誘電体基板１と一体的に形成可能な高周波用パッケージに関するものである。まず、図３の高周波用パッケージＡ３によれば、誘電体基板１の底面に形成されたグランド層７の表面に、第２の誘電体基板１２を形成する。この第２の誘電体基板１２の表面には、導波管Ｂ１が接触する部分に導体層１３が被着形成される。そして、導波管Ｂ１と高周波用パッケージＡ３のグランド層７を同電位にするために、導体層１３とグランド層７とは、この基板を貫通する複数のビアホール導体１４により電気的に接続されている。そして、このビアホール導体１４内に位置する誘電体が整合用誘電体部１５として機能することになる。なお、複数のビアホール導体１４は、導波管Ｂ１の終端壁となるグランド層７と導波管とを接続するもので、導波管の疑似的な導体壁を形成するものであることから、ビアホール導体１４を形成した部位からの信号の漏洩を防止するため、ビアホール導体１４間の間隔Ｌ_２は、伝送する信号波長の１／４波長長さ以下に設定される。
【００２７】
この高周波用パッケージＡ３に対しては、導波管Ｂ１の導体壁１０の開放端Ｂ’を第２の誘電体基板１２の導体層１３に対して、当接するか、ロウ付けにより接合するか、あるいは第２の誘電体基板１２にネジ止めなどの機械的な接合手段によって取り付ける。この接続構造によれば、ビホアール導体１４が導波管の疑似的な導体壁を形成し、グランド層７が導波管Ｂ１の終端壁として機能する。
【００２８】
この図３の構造のパッケージＡ３は、第１の誘電体基板１と第２の誘電体基板１２、導体層１３、ビアホール導体１４を、周知のセラミック積層技術を用いて一括して製造することができる点で有利である。
【００２９】
図１、図２のパッケージにおいては、高周波素子４は、第１の誘電体基板１の表面に実装された構造であるが、その変形例として、第２の誘電体基板１２を有する場合には、図３のパッケージに示すように、第１の誘電体基板１と第２の誘電体基板１２によりキャビティ３を形成して、グランド層７を第２の誘電体基板１２の表面に形成して、さらにそのグランド層７の表面に高周波素子４を実装することも可能である。
【００３０】
次に、図４は、さらに他の高周波用パッケージＡ４を説明するためのもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はその底面図、（ｃ）は接続する導波管Ｂ２の開放端の斜視図、（ｄ）は（ａ）の高周波用パッケージと導波管との接続構造を示す概略断面図である。図４の高周波用パッケージＡ４によれば、第１の誘電体基板１の底面に形成されたグランド層７の表面に第２の誘電体基板１６を第１の誘電体基板１に対して一体的に形成する。
【００３１】
この第２の誘電体基板１６には、図４（ｃ）に示すような形状に加工された開放端構造を有する導波管Ｂ２の対向する長辺側（Ｈ面）の導体壁１７、１８を挿入するための貫通孔１９が設けられている。また、導波管Ｂ２の他の対向する短辺側の（Ｅ面）の導体壁２０、２１と接触する部分には導体層２２が被着形成される。そして、導波管Ｂ２と高周波用パッケージＡ４のグランド層７を同電位にするために、導体層２２とグランド層７とは、この基板を貫通する複数のビアホール導体２３により電気的に接続されている。そして、第２の誘電体基板１６における貫通孔１９と、ビアホール導体２３内に位置する誘電体が整合用誘電体部２４として機能することになる。
【００３２】
なお、複数のビアホール導体２３は、導波管Ｂ２の終端壁となるグランド層７と導波管Ｂ２の対向する一辺の導体壁２０、２１とを接続するもので、導波管の疑似的な導体壁を形成するものであることから、ビアホール導体２３を形成した部位からの信号の漏洩を防止するため、ビアホール導体２３間の間隔Ｌ_３は、伝送する信号波長の１／４波長長さ以下に設定される。
【００３３】
この高周波用パッケージＡ４に対しては、導波管Ｂ１の導体壁１７、１８を第２の誘電体基板１６に形成された貫通孔１９に挿入し、グランド層７に導体壁１７、１８の端部を当接するか、ロウ付けにより接合するか、あるいは第２の誘電体基板１６にネジ止めなどの機械的な接合手段によって取り付ける。また、どうように導波管Ｂ２の導体壁２０、２１を第２の誘電体基板１６の表面の導体層２２に当接するか、ロウ付けにより接合させる。
【００３４】
この接続構造によれば、ビアホール導体２３が導波管の疑似的な導体壁を形成し、グランド層７が導波管Ｂ２の終端壁として機能する。
【００３５】
かかる高周波用パッケージＡ４においても、第１の誘電体基板１と、貫通孔１９、導体層２２、整合用誘電体部２４、ビアホール導体２３とを具備する第２の誘電体基板１６とを周知のセラミック積層技術を用いて同時焼成することにより、一括して製造することができる点で有利である。なお、図４のパッケージでは、導波管Ｂ２の長辺側導体壁１７、１８をグランド層７に直接接続したが、短辺側導体壁２０、２１をグランド層７に直接接続して、長辺側導体壁１７、１８を導体層およびビアホール導体を介して接続してもよい。
【００３６】
上記図１乃至図４に示した本発明のパッケージＡ１乃至Ａ４においては、第１の誘電体基板１、第２の誘電体基板１２、１６および整合用誘電体部９、１５、２４は、セラミックスまたは有機樹脂、あるいはそれらの複合体からなる構成することができる。例えば、セラミックスとしては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などのセラミックス材料や、ガラス材料、あるいはガラスとＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯなどの無機質フィラーとの複合体からなるガラスセラミックス材料により形成でき、これらの原料粉末を用いて所定の基板形状に成形した後、焼成することにより形成される。また、有機樹脂としては、有機系材料からなるプリント基板によって形成することができる。
【００３７】
また、信号の伝達を担う各伝送線路およびグランド層は、タングステン、モリブデンなどの高融点金属や、金、銀、銅などの低抵抗金属などにより形成することができ、これらは、用いる基板材料に応じて適宜選択して、従来の積層技術をもって一体的に形成することができる。
【００３８】
例えば、基板をＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などのセラミック材料により形成する場合には、タングステン、モリブデン等の高融点金属を用いて未焼成体に印刷塗布して、１５００〜１９００℃の温度で焼成すればよく、基板をガラス材料、ガラスセラミック材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いて同様にして８００〜１１００℃の温度で焼成することにより作製できる。なお、基板を有機樹脂を含む絶縁材料により形成する場合には、銅、金、銀などを用いてペーストを塗布するか、金属箔を接着することにより線路やグランド層を形成することができる。
【００３９】
次に、上記本発明の高周波用パッケージと導波管との接続による伝送特性について図１の高周波用パッケージＡ１に対して、有限要素法に基づいて評価した。
【００４０】
その結果を図５に示した。図５の結果によれば、高周波用パッケージと導波管とが６０ＧＨｚにおいて、Ｓ２１（損失）が０ｄＢ、Ｓ１１（反射）が−２０ｄＢの良好な伝送特性をもって接続されていることがわかる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用パッケージおよびその接続構造によれば、キャビティ内部に先端が電磁気的に開放された開放端部を有する信号導体を形成し、高周波信号をキャビティ外部に形成したスロットに電磁結合により給電し、スロットと導波管のインピーダンス整合をとるための整合用誘電体部を設けることにより、パッケージの封止構造に影響を与えることなく、高周波信号の伝送損失の小さい接続構造を実現できる。その結果、この接続構造を構成するパッケージの信頼性と量産性を高めることができる。しかも、パッケージ自体に導波管の終端壁を具備することから、開放端を有する導波管に対して直接接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様である高周波用パッケージＡ１と導波管Ｂ１との接続構造の一実施態様を説明するためものであり，（ａ）は高周波用パッケージＡ１の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ１における誘電体基板の平面図、（ｃ）はその導波管Ｂ１との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の他の実施態様である高周波用パッケージＡ２と導波管Ｂ１との接続構造を説明するためものであり，（ａ）は高周波用パッケージＡ２の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ２における誘電体基板の底面図、（ｃ）はその導波管Ｂ１との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施態様である高周波用パッケージＡ３と導波管Ｂ１との接続構造を説明するためものであり，（ａ）は高周波用パッケージＡ３の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ３における誘電体基板の底面図、（ｃ）はその導波管Ｂ１との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施態様である高周波用パッケージＡ４と導波管Ｂ２との接続構造を説明するためものであり、（ａ）は高周波用パッケージＡ４の概略断面図、（ｂ）は高周波用パッケージＡ４における誘電体基板の底面図、（ｃ）は導波管Ｂ２の開放端を説明するための斜視図、（ｄ）は高周波用パッケージＡ４と（ｃ）の先端構造を有する導波管Ｂ２との接続構造を説明するための概略断面図である。
【図５】図１の高周波用パッケージＡ１と導波管Ｂ１との接続による伝送特性を示す図である。
【符号の説明】
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４高周波用パッケージ
Ｂ１，Ｂ２導波管
Ｂ’ 開放端
１（第１の）誘電体基板
２蓋体
３キャビティ
４高周波素子
５中心導体
５ａ終端
６開口部（スロット）
７グランド層
８，１３，２２導体層
９，１５，２４整合用誘電体部
１０，１７，１８，２０，２１導体壁
１１金属枠体
１２，１６第２の誘電体基板
１４，２３ビアホール導体
１９貫通孔[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-frequency package for hermetically sealing a high-frequency element such as a high-frequency semiconductor element or a high-frequency passive element and a connection structure thereof, and a waveguide formed in an external electric circuit or the like while maintaining airtightness. The present invention relates to a high-frequency package that can be directly connected to a tube and a connection structure thereof.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, socialization of information has been advanced, and information transmission has been increasingly wireless and personalized as represented by mobile phones. In such a situation, in order to enable further high-speed and large-capacity information transmission, development of a semiconductor device operating in a millimeter wave (30 to 300 GHz) region is progressing. Recently, with the progress of such high-frequency semiconductor device technology, various application systems using millimeter wave radio waves such as inter-vehicle radar and wireless LAN have been proposed as applications. For example, an inter-vehicle radar using millimeter waves (see IEICE Electronics Society Conference, 1995, SC-7-6), a cordless camera system (see IEICE Electronics Society Conference, 1995, C-137), high-speed wireless communication A LAN (see IEICE Electronics Society Conference 1995, C-139) has been proposed.
[0003]
As the application of millimeter waves has progressed in this way, the development of elemental technologies to enable those applications has been proceeding at the same time.Especially for various electronic components, how to achieve the necessary transmission characteristics Whether to reduce the size and cost is a major issue.
[0004]
Among such element technologies, how to connect a package in which a high-frequency element is stored and an external electric circuit with a simple and small structure is regarded as an important element. In particular, how to connect an external electric circuit on which a waveguide with the smallest transmission loss is formed to a package on which a high-frequency element is mounted has been a major problem.
[0005]
As a conventional method of connecting a high-frequency package to a waveguide formed in an external electric circuit, a method of once converting a high-frequency package into a coaxial line using a connector and connecting to a waveguide is used. After the waveguide is once connected to a microstrip line or the like, a method of connecting the microstrip line to the high-frequency package is adopted.
[0006]
Recently, a method of directly connecting a package containing a high-frequency element to a waveguide of an external electric circuit has been proposed (see IEICE Electronics Society Conference, SC-7-5, 1995). In this proposal, quartz is buried in a part of a lid that hermetically seals an element in a cavity, an electromagnetic wave is introduced into the cavity through the quartz buried portion, and a waveguide-microstrip line conversion substrate installed in the cavity is provided. Is connected.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, in the method of connecting the waveguide of the external electric circuit to the package once through another transmission line form such as a connector or a microstrip line, the connection structure itself becomes complicated and the connector Therefore, there is a problem that the connection structure itself becomes large because it is necessary to secure an area for forming the transmission line and other transmission lines. In addition, there is a possibility that transmission loss may increase due to other line forms or connectors.
[0008]
On the other hand, the method of directly introducing the electromagnetic wave from the waveguide to the inside of the cavity of the package is effective in that the connection structure can be miniaturized. It is necessary to use a material having a small dielectric constant and a small dielectric loss tangent for the passing portion in order to reduce the loss of the dielectric material. Processing for embedding the material is required. Such an embedding process not only impairs the reliability of hermetic sealing, but is completely unsuitable for mass production.
[0009]
It is also conceivable that all the cavity forming members are made of low dielectric constant and low loss materials. However, besides their electrical characteristics, various materials such as mechanical strength, hermetic sealing, metallizing, etc. Are required, and there is no suitable material that satisfies all of these characteristics and can be manufactured at low cost.
[0010]
That is, the above-mentioned difficulty is caused by trying to introduce a high-frequency signal into a cavity of a package as an electromagnetic wave through a waveguide. That is, since the signal is an electromagnetic wave in a portion to be introduced into the cavity, it is necessary to achieve both hermetic sealing performance and low loss in this portion.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problem, and has a connection portion capable of directly connecting to a waveguide provided in an external electric circuit with low loss without affecting airtightness of a high-frequency element. It is an object of the present invention to provide a high-frequency package having: It is another object of the present invention to provide a connection structure that can be connected to a waveguide provided in an external electric circuit using the high-frequency package with low loss.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies on the above problem, and as a result, formed a ground layer having an opening on the surface of the dielectric substrate opposite to the surface on which the high-frequency transmission line connected to the high-frequency element housed in the cavity was formed. In addition to functioning as a terminal wall of the waveguide connecting the ground layer, the high-frequency transmission line is coupled to the opening by electromagnetic coupling, and the connected waveguide is excited by using the opening to open the waveguide. It has been found that it can be directly connected to a waveguide having an end and that the high-frequency element can be reliably sealed in the cavity.
[0013]
That is, the high-frequency package of the present invention includes a first dielectric substrate made of a dielectric material, a cavity for accommodating the high-frequency element, a lid for sealing the inside of the cavity, A high-frequency transmission line is formed on the surface of the dielectric substrate and has one end connected to the high-frequency element and having an end, and a connecting portion for connecting the high-frequency transmission line and the waveguide. A high-frequency package, wherein the connection portion is provided on a surface of the dielectric substrate opposite to the transmission line forming surface, and faces a terminal end of the high-frequency transmission line via the first dielectric substrate. An opening is formed at a position, and a ground layer that forms an end wall of the waveguide by being electrically connected to a conductor wall of the waveguide to be connected ; Part formation surface A second dielectric having a matching dielectric portion provided with a via-hole conductor or a through hole for electrically connecting the conductor wall of the waveguide and the ground layer around the matching dielectric portion; And a body substrate .
[0014]
In the above-mentioned high-frequency package, the thickness of the matching dielectric portion may be 1/4 of the signal wavelength in the dielectric, and the dielectric substrate and / or the matching dielectric portion may be made of ceramic or organic resin. Or the composite thereof, wherein the high-frequency transmission line and the ground layer are made of a conductor mainly containing at least one selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, copper, silver and gold. .
[0015]
Further, the connection structure of the high-frequency package according to the present invention includes a dielectric substrate made of a dielectric material, a cavity for accommodating a high-frequency element formed by the dielectric substrate and the lid, and the second substrate in the cavity. A high-frequency transmission line having one end connected to the high-frequency element and having an end, and a connecting portion for connecting the high-frequency transmission line to the waveguide. A connection structure between the high-frequency package and the waveguide having an open end, wherein a connection portion of the package is provided on a surface of the dielectric substrate opposite to the transmission line forming surface, and the high-frequency transmission An opening is formed at a position facing the end of the line via the first dielectric substrate, and is electrically connected to a conductor wall of the connected waveguide to form a terminal wall of the waveguide. You Electricity and ground layer, is laminated on the ground layer forming surface, around the opening matching dielectric portion is provided on the forming surface該整if dielectric portion, the ground layer and the conductor wall of the waveguide A second dielectric substrate provided with a via-hole conductor or a through-hole for electrical connection, wherein the opening of the ground layer is the center of the waveguide, The conductor wall at the open end of the waveguide is electrically connected to the via-hole conductor, or the conductor wall is inserted into the through-hole and electrically connected to the ground layer. .
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the structure of the high frequency package of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, according to FIG. 1, in a high-frequency package A1, in a cavity 3 formed by a dielectric substrate 1 and a lid 2, a high-frequency element 4 is mounted and mounted on the surface of the dielectric substrate 1, and the inside of the cavity 3 is It is hermetically sealed.
[0017]
On the surface in the cavity 3 of the dielectric substrate 1, a central conductor 5 of a high-frequency transmission line, which is connected to one end of the high-frequency element 4 and has a termination 5a, is formed. On the surface of the dielectric substrate 1 opposite to the surface on which the center conductor 5 is formed, a ground layer 7 having an opening (slot) 6 where no conductor is formed is formed on one surface.
[0018]
In this package, the ground layer 7 and the central conductor 5 form a high-frequency transmission line composed of a microstrip line. A conductor layer 8 for attaching the cover 2 is formed around the center conductor 5 of the dielectric substrate 1, for example.
[0019]
In the above line configuration, the center conductor 5 of the microstrip line is electromagnetically coupled to the slot 6 (power is supplied to the slot 6 by electromagnetic coupling). As shown in the plan view of the dielectric substrate 1 in FIG. 1B, this electromagnetic coupling structure is, as described in JP-A-1-266578, specifically, the center conductor 5 of the microstrip line. By forming the end 5a so as to protrude from the center of the slot 6 by a length L of a quarter wavelength of the signal frequency, electromagnetic coupling can be achieved. However, electromagnetic coupling is not limited to the combination of the dimensions described above, and good coupling is possible with other combinations.
[0020]
In addition, in the high-frequency package A1 of FIG. 1, a matching dielectric portion 9 is attached to the surface of the slot 6 of the ground layer 7 integrally with the dielectric substrate 1.
[0021]
Since the impedance of the slot 6 used for electromagnetic coupling and the impedance of the waveguide connected to this package are different from each other, the matching dielectric portion 9 is for achieving impedance matching between the two. The thickness d of the body 9 is set to １／ wavelength length of the transmission signal wavelength in the matching dielectric 9. When connected to the waveguide, the matching dielectric portion 9 has a shape arranged inside the waveguide, particularly an inner diameter shape in a cross section of the waveguide.
[0022]
FIG. 1C is a schematic cross-sectional view for explaining the structure when the waveguide B1 is connected to the high-frequency package A1 in FIG. According to FIG. 1 (c), the open end B ′ of the waveguide B1 is brought into contact with the position where the slot 6 formed in the ground layer 7 of the package A1 becomes the center of the waveguide, or brazed. Or it is attached by mechanical joining means such as screwing, and is electrically connected to the conductor wall 10 of the waveguide B1. Then, by electrically connecting the conductor wall 10 of the waveguide B1 and the ground layer 7 in this manner, the ground layer 7 functions as a terminal wall of the waveguide B1. Then, the center conductor 5 connected to the high-frequency element 4 in the cavity 3 and the waveguide B1 are electromagnetically coupled by the slot 6 provided in the ground layer 7, so that signals can be transmitted. Further, since the matching dielectric portion 9 is provided at the connection portion of the waveguide B1, impedance matching between the slot 6 and the waveguide B1 is performed, and good signal transmission becomes possible. It is.
[0023]
FIGS. 2A and 2B show a modified example of the high-frequency package A1 of FIG. 1, wherein FIG. 2A is a schematic sectional view, FIG. 2B is a bottom view of a dielectric substrate, and FIG. 2C is connected to a waveguide B1. It is a schematic sectional view at the time. According to the high-frequency package A2, the metal frame 11 is attached to the ground layer 7 around the matching dielectric portion 9 using a conductive adhesive such as a brazing agent, so that the ground layer 7 and the metal frame 11 is electrically connected to the metal frame 11, and the open end B 'of the conductor wall 10 of the waveguide B1 is brought into contact with the metal frame 11, joined by brazing, or screwed to the metal frame 11. Attach by mechanical joining means such as. According to this configuration, since the metal frame 11 is electrically connected to the ground layer 7, the metal frame 11 forms the conductor wall of the waveguide B1, and the ground layer 7 is formed of the waveguide B1. Functions as a terminal wall.
[0024]
According to such a structure, the waveguide B1 can be firmly joined to the high-frequency package via the metal frame 11, and the connection reliability between the package A2 and the waveguide B1 can be improved. In FIG. 2, the metal frames 11, 11 are formed by being divided around each of the two matching dielectric portions 9 formed on the bottom surface of the dielectric substrate 1, but these two metal frames 11 are formed. , 11 can be integrated and attached to the ground layer 7 on the bottom surface of the dielectric substrate 1.
[0025]
In the high-frequency package shown in FIGS. 1 and 2, the matching dielectric portion 9 is provided integrally with the dielectric substrate 1 on the surface of the ground layer 7. After the body substrate 1 is manufactured, it can be attached to the surface of the ground layer 7 using an appropriate adhesive, but there is a problem that the number of steps is increased. When the dielectric substrate 1 is made of ceramics, the ground layer 7 and the center conductor 5 are applied to the unfired dielectric substrate 1 by printing, and the unfired matching dielectric portion 9 is similarly formed. It is also possible to manufacture by adhering with an adhesive and firing them all at the same time, but they may fall off during firing.
[0026]
Accordingly, FIGS. 3 and 4 relate to a high-frequency package in which a matching dielectric portion can be formed integrally with the dielectric substrate 1. FIG. First, according to the high-frequency package A3 of FIG. 3, the second dielectric substrate 12 is formed on the surface of the ground layer 7 formed on the bottom surface of the dielectric substrate 1. A conductor layer 13 is formed on the surface of the second dielectric substrate 12 at a portion where the waveguide B1 contacts. The conductive layer 13 and the ground layer 7 are electrically connected by a plurality of via-hole conductors 14 penetrating the substrate in order to make the waveguide B1 and the ground layer 7 of the high-frequency package A3 have the same potential. I have. The dielectric located in the via-hole conductor 14 functions as the matching dielectric 15. The plurality of via-hole conductors 14 connect the ground layer 7 serving as the termination wall of the waveguide B1 to the waveguide, and form a pseudo conductor wall of the waveguide. to prevent leakage of the signal from the site to form a via-hole conductors 14, spacing L ₂ between the via-hole conductors 14 is set below 1/4 wavelength length of the signal wavelength to be transmitted.
[0027]
For the high-frequency package A3, whether the open end B ′ of the conductor wall 10 of the waveguide B1 is in contact with the conductor layer 13 of the second dielectric substrate 12 or joined by brazing, Alternatively, it is attached to the second dielectric substrate 12 by mechanical joining means such as screwing. According to this connection structure, the bifocal conductor 14 forms a pseudo conductor wall of the waveguide, and the ground layer 7 functions as a termination wall of the waveguide B1.
[0028]
In the package A3 having the structure shown in FIG. 3, the first dielectric substrate 1, the second dielectric substrate 12, the conductor layer 13, and the via-hole conductor 14 can be manufactured collectively by using a well-known ceramic lamination technique. This is advantageous in that it can be performed.
[0029]
In the packages shown in FIGS. 1 and 2, the high-frequency element 4 has a structure mounted on the surface of the first dielectric substrate 1. As shown in the package of FIG. 3, the cavity 3 is formed by the first dielectric substrate 1 and the second dielectric substrate 12, and the ground layer 7 is formed on the surface of the second dielectric substrate 12. Further, the high-frequency element 4 can be mounted on the surface of the ground layer 7.
[0030]
Next, FIG. 4 is for explaining still another high-frequency package A4, in which (a) is a schematic sectional view, (b) is a bottom view thereof, and (c) is an opening of a waveguide B2 to be connected. FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing a connection structure between the high-frequency package and the waveguide in FIG. According to the high-frequency package A4 of FIG. 4, the second dielectric substrate 16 is integrated with the first dielectric substrate 1 on the surface of the ground layer 7 formed on the bottom surface of the first dielectric substrate 1. Formed.
[0031]
The second dielectric substrate 16 has conductor walls 17, 18 on the long side (H surface) facing each other of the waveguide B 2 having an open end structure processed into a shape as shown in FIG. 4C. Is provided with a through-hole 19 for inserting the same. In addition, a conductor layer 22 is formed on a portion of the waveguide B2 that is in contact with the conductor walls 20 and 21 on the other opposite short side (face E). The conductor layer 22 and the ground layer 7 are electrically connected to each other by a plurality of via-hole conductors 23 penetrating the substrate so that the waveguide B2 and the ground layer 7 of the high-frequency package A4 have the same potential. I have. Then, the through-hole 19 in the second dielectric substrate 16 and the dielectric located in the via-hole conductor 23 function as the matching dielectric portion 24.
[0032]
The plurality of via-hole conductors 23 connect the ground layer 7 serving as an end wall of the waveguide B2 and the conductor walls 20 and 21 on one side of the waveguide B2 facing each other. since it is intended to form the conductive wall in order to prevent the leakage of a signal from the site to form a via-hole conductors 23, spacing L ₃ between the via-hole conductors 23, following a quarter wavelength length of the signal wavelength to be transmitted Is set to
[0033]
For this high-frequency package A4, the conductor walls 17, 18 of the waveguide B1 are inserted into through holes 19 formed in the second dielectric substrate 16, and the ends of the conductor walls 17, 18 are inserted into the ground layer 7. The portions are brought into contact with each other, joined by brazing, or attached to the second dielectric substrate 16 by mechanical joining means such as screwing. In addition, how the conductor walls 20 and 21 of the waveguide B2 are brought into contact with the conductor layer 22 on the surface of the second dielectric substrate 16 or are joined by brazing.
[0034]
According to this connection structure, the via-hole conductor 23 forms a pseudo conductor wall of the waveguide, and the ground layer 7 functions as a terminal wall of the waveguide B2.
[0035]
Also in such a high-frequency package A4, the first dielectric substrate 1 and the second dielectric substrate 16 including the through hole 19, the conductor layer 22, the matching dielectric portion 24, and the via-hole conductor 23 are known. Co-firing using a ceramic lamination technique is advantageous in that it can be manufactured in a lump. In the package of FIG. 4, the long side conductor walls 17, 18 of the waveguide B2 are directly connected to the ground layer 7, but the short side conductor walls 20, 21 are directly connected to the ground layer 7, and The side conductor walls 17 and 18 may be connected via a conductor layer and a via-hole conductor.
[0036]
In the packages A1 to A4 of the present invention shown in FIGS. 1 to 4, the first dielectric substrate 1, the second dielectric substrates 12, 16 and the matching dielectric portions 9, 15, 24 are made of ceramic. Alternatively, it can be composed of an organic resin or a composite thereof. For example, ceramics include ceramic materials such as Al ₂ O ₃ , AlN and Si ₃ N ₄ , glass materials, and glass ceramics composed of a composite of glass and an inorganic filler such as Al ₂ O ₃ , SiO ₂ and MgO. It can be formed of a material, and is formed by forming a predetermined substrate shape using these raw material powders and then firing. The organic resin can be formed on a printed circuit board made of an organic material.
[0037]
In addition, each transmission line and the ground layer for transmitting signals can be formed of a high melting point metal such as tungsten or molybdenum, or a low resistance metal such as gold, silver, or copper. It can be appropriately selected and integrally formed by a conventional lamination technique.
[0038]
For example, when the substrate is formed of a ceramic material such as Al ₂ O ₃ , AlN, or Si ₃ N ₄ , it is printed and applied to a green body using a high melting point metal such as tungsten or molybdenum, and is heated to 1500 to 1900 ° C. When the substrate is formed of a glass material or a glass ceramic material, the substrate can be manufactured by similarly baking at a temperature of 800 to 1100 ° C. using copper, gold, silver, or the like. When the substrate is formed of an insulating material including an organic resin, a line or a ground layer can be formed by applying a paste using copper, gold, silver, or the like, or by bonding a metal foil.
[0039]
Next, the transmission characteristics due to the connection between the high-frequency package of the present invention and the waveguide were evaluated for the high-frequency package A1 in FIG. 1 based on the finite element method.
[0040]
The results are shown in FIG. According to the results of FIG. 5, it is understood that the high-frequency package and the waveguide are connected with good transmission characteristics of S21 (loss) of 0 dB and S11 (reflection) of −20 dB at 60 GHz.
[0041]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the high-frequency package and the connection structure of the present invention, a signal conductor having an open end whose tip is electromagnetically opened is formed inside the cavity, and a high-frequency signal is formed outside the cavity. Power is supplied to the slot by electromagnetic coupling, and a matching dielectric part for impedance matching between the slot and the waveguide is provided, so that connection with a small transmission loss of a high-frequency signal is performed without affecting the package sealing structure. The structure can be realized. As a result, the reliability and mass productivity of the package constituting this connection structure can be improved. Moreover, since the package itself has the end wall of the waveguide, it can be directly connected to a waveguide having an open end.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining one embodiment of a connection structure between a high-frequency package A1 and a waveguide B1, which is one embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a schematic sectional view of the high-frequency package A1; (B) is a plan view of a dielectric substrate in the high-frequency package A1, and (c) is a schematic cross-sectional view for explaining a connection structure with the waveguide B1.
FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining a connection structure between a high-frequency package A2 and a waveguide B1 according to another embodiment of the present invention. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the high-frequency package A2, and FIG. FIG. 4 is a bottom view of the dielectric substrate in the high-frequency package A2, and FIG. 4C is a schematic cross-sectional view for explaining a connection structure with the waveguide B1.
3A and 3B are diagrams for explaining a connection structure between a high-frequency package A3 and a waveguide B1 according to still another embodiment of the present invention. FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the high-frequency package A3, and FIG. () Is a bottom view of the dielectric substrate in the high-frequency package A3, and (c) is a schematic cross-sectional view for explaining a connection structure with the waveguide B1.
4A and 4B are diagrams for explaining a connection structure between a high-frequency package A4 and a waveguide B2 according to still another embodiment of the present invention. FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of the high-frequency package A4, and FIG. ) Is a bottom view of the dielectric substrate in the high-frequency package A4, (c) is a perspective view for explaining an open end of the waveguide B2, and (d) has a tip structure of the high-frequency package A4 and (c). It is a schematic sectional drawing for demonstrating the connection structure with the waveguide B2.
FIG. 5 is a diagram showing transmission characteristics due to connection between the high-frequency package A1 of FIG. 1 and a waveguide B1.
[Explanation of symbols]
A1, A2, A3, A4 High frequency package B1, B2 Waveguide B 'Open end 1 (First) dielectric substrate 2 Cover 3 Cavity 4 High frequency element 5 Center conductor 5a Termination 6 Opening (slot)
7 Ground layers 8, 13, 22 Conductive layers 9, 15, 24 Matching dielectric portions 10, 17, 18, 20, 21 Conductive walls 11 Metal frames 12, 16 Second dielectric substrates 14, 23 Via hole conductors 19 Through hole

Claims

A first dielectric substrate made of a dielectric material, a cavity for accommodating a high-frequency element, a lid for sealing the inside of the cavity, and being formed on the surface of the dielectric substrate in the cavity A high-frequency transmission line having one end connected to the high-frequency element and having a termination, and a connection portion for connecting the high-frequency transmission line and the waveguide,
The connection portion is provided on a surface of the dielectric substrate opposite to the transmission line forming surface, and an opening is formed at a position facing the end of the high-frequency transmission line via the first dielectric substrate. And a ground layer that constitutes a terminal wall of the waveguide by being electrically connected to a conductor wall of the connected waveguide;
The matching dielectric portion is provided on the ground layer forming surface, the matching dielectric portion is provided on the opening forming surface, and the conductor wall of the waveguide and the ground layer are electrically connected around the matching dielectric portion. A second dielectric substrate formed with via-hole conductors or through holes for
A high-frequency package comprising:

2. The high-frequency package according to claim 1, wherein the thickness of the matching dielectric portion is 1/4 of a signal wavelength in the dielectric.

3. The high-frequency package according to claim 1, wherein the dielectric substrate and / or the matching dielectric portion are made of a ceramic, an organic resin, or a composite thereof.

4. The high-frequency package according to claim 1, wherein the high-frequency transmission line and the ground layer are made of a conductor mainly containing at least one selected from the group consisting of tungsten, molybdenum, copper, silver, and gold. 5. .

A dielectric substrate made of a dielectric material, a cavity for accommodating a high-frequency element formed by the dielectric substrate and the lid, and formed on the surface of the first dielectric substrate in the cavity; A high-frequency transmission line having one end connected to the high-frequency element and having a termination, a high-frequency package including a connection portion for connecting the high-frequency transmission line and the waveguide, and a waveguide having an open end Connection structure with
A connection portion in the package is provided on a surface of the dielectric substrate opposite to the transmission line forming surface, and an opening is formed at a position facing the end of the high-frequency transmission line via the first dielectric substrate. A ground layer that forms an end wall of the waveguide by being electrically connected to a conductor wall of the waveguide to be connected, and a ground layer that is stacked on the ground layer forming surface and is aligned with the opening forming surface. A second dielectric substrate provided with a dielectric portion and having a via-hole conductor or a through-hole formed around the matching dielectric portion for electrically connecting a conductor wall of the waveguide to the ground layer; And wherein at a position where the opening of the ground layer is the center of the waveguide, a conductor wall at an open end of the waveguide is electrically connected to the via-hole conductor, Alternatively, connect the conductor wall to the through hole Connection structure of a high-frequency package which is characterized in that electrically connected to the ground layer by entering.