JP3834190B2 - 高周波用パッケージ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波の高速の信号線が通過する配線の導体損失を低減し、グランドプレーンとの共振を抑制する高周波用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、従来の一般的なマイクロ波、ミリ波等の高周波において使用される高周波用パッケージ５０を示す。コバール、４２アロイ等からなるメタルウォール５１と銅タングステン等からなるメタルベース５２は、ろう付けされて接合され、表面にＮｉめっき、Ａｕめっきが施されて、高周波用パッケージ５０のベース５３を形成している。コバール、４２アロイ等からなるキャップ５４は、半導体電子部品５５がベース５３に実装された後、ベース５３と金錫ろう材等で接合し、封止をする。この高周波用パッケージ５０は、実装される半導体電子部品５５が外部からの電磁波に影響されないようにするため、及び半導体電子部品５５からの不要電磁波を外部に出さないために、外周は導電性であることが必要である。また、この半導体電子部品５５は、電源用や信号用の端子５７を備え、この端子５７は、メタルウォール５１に開けた貫通孔に嵌入されセラミックの積層体からなるフィードスルー部５６の内側（パッケージ内側）に設けられたワイヤボンディング用パッド５８とボンディングワイヤ５９を介して接続されている。そして、フィードスルー部５６の外側（パッケージ外側）に設けられたリード接続用パッド６０には外部と接続するためのコバール、４２アロイ等の金属からなるリード６１が銀銅ろう材等でろう付けされている。
【０００３】
高周波用パッケージ５０において、例えば、２．５ＧＨｚのような高周波の高速信号線７１が通過する場合では、図９に示すように、凸型のセラミック積層体７２で形成されるフィードスルー部５６を通してパッケージの外部と内部を配線で接続させており、セラミック積層体７２の各セラミックの表面に形成された電源用のグランドプレーン７３はグランドビア７４を介して繋がっている。しかし、更に高速化が進み、例えば、１０ＧＨｚ以上になると、Ａｕめっきが施されていない貫通部７５（メタルウォール５１の貫通孔に嵌入する部分）において、高速信号線７１は表皮効果の影響により導体損失が増加し、また、グランドプレーン７３との共振が発生しやすくなる。
【０００４】
そこで、図１０に示すように、グランドプレーン７３の各セラミック層を結ぶグランドビア７４の間のピッチ７６を狭く、例えば、０．５ｍｍ程度にした構造が考えられている。このピッチ７６が狭いほどより高い周波数までグランドプレーン７３との共振を抑えることができる。しかしながら、高速信号線７１の貫通部７５にグランドビア７４を配設するためには、貫通部７５の線路長に相当する壁厚み７７をグランドビア７４の設置によるセラミックのクラックの発生を考慮して、例えば、１ｍｍ以上に厚くする必要がでてくる。壁厚み７７が厚くなると貫通部７５の線路長が長くなり、高速信号線７１の導体損失が増加する。従って、グランドプレーン７３の共振対策を行っても、逆に導体損失の悪化を招くことになる。また、この構造においては、例えば、２０ＧＨｚ以上になると、貫通部７５における高速信号線７１の上層セラミックに形成されたグランドプレーン７３を流れる電流の経路確保が充分でなく高速信号線７１とグランドプレーン７３からなるループインダクタンスが増加して、特性インピーダンスの不整合による伝送特性の劣化が目立ってくる。
【０００５】
そこで、グランドプレーン７３の共振対策と電流経路確保を同時に行える構造としては、図１１に示すように、貫通部７５における高速信号線７１の上層セラミックに形成されたグランドプレーン７３を流れる電流の経路を貫通部７５の壁側面にグランドキャスタレーション７８を形成して、確保している。これにより、特性インピーダンス不整合による伝送特性の劣化を低減し、壁厚み７７は、例えば、０．７ｍｍ程度となり、薄くできるので導体損失の増加を抑えることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の高周波用パッケージは、次のような課題がある。
（１）高周波化が更に進んでおり、高速信号線の導体損失の低減を更に行う必要がでてきており、フィードスルー部の貫通部の線路長を短くする、すなわち、貫通部の壁厚みを薄くする必要がある。
（２）従来構造では、フィードスルー部の高速信号線の両端に電流が集中するが、高周波化が進めば進む程、表皮効果により、更に高速信号線の両端への電流の集中が強まる。この高速信号線の両端への局部的な電流集中を緩和する必要がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、グランドプレーンの共振対策構造を備え、更に、フィードスルー部の貫通部の壁厚みを薄くし、また、高速信号線の電流集中を緩和させて導体損失の増加を抑えた高周波用パッケージを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る高周波用パッケージは、メタルウォールに設けた貫通孔に嵌入し、パッケージの内部と外部を電気的に接続する高速信号線を備えたフィードスルー部を複数のセラミックの積層体で形成する高周波用パッケージであって、
前記それぞれのセラミックは、前記高速信号線の方向に沿って積層され、前記セラミックの一部を貫通して導体を充填した貫通部ビアを配線の一部とする前記高速信号線を具備し、しかも前記高速信号線を挟んでグランドプレーンが形成され、前記高速信号線と並行するグランドビアが形成されている。
セラミックの積層方向（横方向、即ち高速信号線の方向に沿った方向）にグランドビアが形成され、フィードスルー部の貫通部に縦方向（即ち、上下方向）のビアやキャスタレーションを必要としないので、貫通部の壁厚みを薄くでき、貫通部の高速信号線はビアで形成されているので、信号線断面は実質的に円となり、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減することができる。また、グランドビアは狭ピッチで形成できるので、グランドプレーンの共振を抑えることができる。更に、グランドプレーンの電流経路は充分確保された構造であるので、高速信号線とグランドプレーンからなるループインダクタンスの増加で発生する特性インピーダンス不整合からでる反射を低減することができる。
【０００８】
ここで、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号線を含む導体配線がキャスタレーションによって形成されていてもよい。これにより、セラミックの端面部であっても高速信号線やグランドプレーンを容易に形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。また、貫通部以外の高速信号線の信号線断面が実質的に半円形状となり、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減することができる。
また、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号線を含む導体配線が平面印刷で形成されていてもよい。これにより、セラミックの端面部であっても容易に高速信号線やグランドプレーンを形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
更に、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、平面印刷で形成される導体配線とキャスタレーションによって形成される導体配線とを有してもよい。これにより、セラミックの端面部の高速信号線やグランドプレーンを形成するのに設計の自由度を得ることができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用パッケージの平面図、断面図、図２は同高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パッケージのフィードスルー部の断面図、図４は同高周波用パッケージの第１の変形例に係るフィードスルー部の斜視図、図５（Ａ）〜（Ｃ）は同フィードスルー部のキャスタレーションの形成方法の説明図、図６は同高周波用パッケージの第２の変形例に係るフィードスルー部の斜視図、図７（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パッケージの第３、第４の変形例に係るフィードスルー部の斜視図である。
【００１０】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る高周波用パッケージ１０は、発信用光モジュールパッケージであって、セラミックと熱膨張係数が近似するコバール、４２アロイ等の金属で形成されるメタルウォール１１と、セラミックと熱膨張係数が近似し、しかも放熱性に優れる銅タングステン等の金属で形成されるメタルベース１２とが銀銅ろう等のろう材でろう付けされて接合され、表面にＮｉめっき及びＡｕめっきが施されて形成されたベース１３を有している。ベース１３の中に、例えば、レーザーダイオード１５ａとフォトダイオード１５ｂを有する半導体電子部品１５が実装された後、コバール、４２アロイ等の金属表面やセラミックの全面メタライズ表面にＮｉめっき及びＡｕめっきを施して形成されるキャップ１４が、ベース１３に金錫ろう材等で接合され、半導体電子部品１５は封止されている。この高周波用パッケージ１０は、実装される半導体電子部品１５が外部からの電磁波に影響されないようにするため、更に半導体電子部品１５からの不要電磁波を外部に出さないために、外周をできるだけ導電性に保つことが必要とされる。
【００１１】
半導体電子部品１５は電源用や信号用のワイヤボンド用端子１５ｃを備え、メタルウォール１１の壁面を貫通して銀ろう付け等で接合して形成されたフィードスルー部１６の内側に設けられたワイヤボンディング用パッド１７とボンディングワイヤ１８を介して接続されている。そして、フィードスルー部１６の外側に設けられたリード接続用パッド１９には外部と接続するためのコバール、４２アロイ等の金属からなるリード２０がろう付けされている。なお、レーザーダイオード１５ａからの光は、レンズ部２２を介して光ファイバー２１で外部に伝えられる。
【００１２】
次いで、図２、図３（Ａ）、（Ｂ）を参照して、フィードスルー部１６の構造を説明する。
フィードスルー部１６は、タングステンやモリブデン等の高融点金属で配線パターンやビア導体を形成したセラミックグリーンシートからなる絶縁体のセラミック２３ａ〜２３ｅを横方向（即ち高速信号線の方向に沿った方向）に積層した積層体２３で形成されている。フィードスルー部１６を形成する積層体２３の実質的に中央部に配置されたセラミック２３ｃは、高周波用パッケージ１０のメタルウォール１１に設けた貫通孔に嵌入して内側と外側を接続する貫通部２５を構成し、他のセラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅより高さが高く形成されている。セラミック２３ｃには、スルーホールを穿設し、導体を充填して貫通部ビア２６を形成し、これを配線の一部とする高速信号線２４が貫通部２５を通過するように設けられ、高周波用パッケージ１０の外部と内部を配線で結合して信号を伝達している。
【００１３】
また、各セラミック２３ａ〜２３ｅには、グランドプレーン２８が高速信号線２４を挟んでタングステンやモリブデン等の高融点金属の配線パターンで形成されている。この各層のグランドプレーン２８を接続するようにグランドビア２７が各セラミック２３ａ〜２３ｅに穿設されたスルーホールにタングステンやモリブデン等の高融点金属を充填することで形成されている。そして、このグランドビア２７は、高速信号線２４と並行するように形成されている。グランドビア２７間のピッチは、より高い周波数までグランドプレーン２８との共振を抑えるために、できるだけ短いほうがよい。
【００１４】
セラミック２３ａ、２３ｂの端面部には、図１に示すように、半導体電子部品１５とボンディングワイヤ１８で接続するためのワイヤボンディング用パッド１７が貫通部ビア２６やグランドプレーン２８とグランドビア２７に接続して形成されており、セラミック２３ｄ、２３ｅの端面部には、リード２０を接合するためのリード接続用パッド１９が貫通部ビア２６やグランドプレーン２８とグランドビア２７に接続して形成されている。
【００１５】
セラミック２３ｃの外周端面部にはタングステンやモリブデン等の高融点金属が形成され、その表面にはＮｉめっきが施されている。更にこのセラミック２３ｃを、メタルウォール１１の予め窓状に開口した貫通孔に嵌め込み、銀銅ろう等でろう付けを行い接合し、更にＮｉめっき及びＡｕめっきを行って、高周波用パッケージ１０が形成される。
【００１６】
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る高周波用パッケージ１０のフィードスルー部１６の第１の変形例であるフィードスルー部１６ａの構造を説明する。なお、符号は上記実施の形態と同じ部分は同符号を使用している。
フィードスルー部１６ａは、高速信号線２４が形成されるセラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅの端面部に、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９を含む導体配線がそれぞれ信号キャスタレーション２９、グランドキャスタレーション３０、リードキャスタレーション３１のキャスタレーションで形成されている。
【００１７】
なお、図５に示すように、キャスタレーションの形成方法は、セラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅをそれぞれ形成するセラミックグリーンシート３２に信号キャスタレーション用孔３３、グランドキャスタレーション用長楕円孔３４、リードキャスタレーション用長楕円孔３５、及び、グランドビア用孔３６を穿設し（図５（Ａ））、次に、信号キャスタレーション用孔３３、グランドキャスタレーション用長楕円孔３４、リードキャスタレーション用長楕円孔３５には、それぞれ孔の壁面にタングステンやモリブデン等の高融点金属を施し、グランドビア用孔３６には、高融点金属を充填し、更に、グランドプレーン２８のパターンを形成して（図５（Ｂ））、次に、各セラミック２３ａ〜２３ｅを積層し、焼成した後、信号キャスタレーション用孔３３、グランドキャスタレーション用長楕円孔３４、リードキャスタレーション用長楕円孔３５の中心を通るスナップラインに沿って分割することで信号キャスタレーション２９、グランドキャスタレーション３０、リードキャスタレーション３１が形成（図５（Ｃ））できる。
なお、フィードスルー部１６ａは、高速信号線を含む導体配線をキャスタレーションで形成する以外のその他の構造はフィードスルー部１６と同じである。
【００１８】
図６を参照して、第２の変形例であるフィードスルー部１６ｂの構造を説明する。なお、符号は上記実施の形態と同じ部分は同符号を使用している。
高速信号線２４が形成されるセラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅの端面部には、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９を含む導体配線をタングステンやモリブデン等の高融点金属をスクリーン印刷等で平面印刷することによって、それぞれ信号パターン３７、グランドパターン３８、リードパターン３９を形成している。セラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅの端面部への印刷は、それぞれを別々のセラミックグリーンシートに印刷してもよく、あるいは、セラミックグリーンシートをまとめて重ねて合わせておいて、その端面部に印刷し、形成してもよい。なお、フィードスルー部１６ｂは、高速信号線を含む導体配線を平面印刷で形成する以外のその他の構造はフィードスルー部１６と同じである。
【００１９】
図７（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第３、第４の変形例であるフィードスルー部１６ｃ、１６ｄの構造を説明する。なお、ここでも符号は上記実施の形態と同じ部分は同符号を使用している。
フィードスルー部１６ｃ、１６ｄにおいては、高速信号線２４が形成されるセラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅの端面部には、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９がキャスタレーションと平面印刷の両方によって、形成されている。図７（Ａ）に示すように、高速信号線２４を信号キャスタレーション４０で形成し、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９をグランドパターン４１やリードパターン４２の平面印刷で形成している。また、リード接続用パッド１９をリードキャスタレーションで形成することもできる。また、図７（Ｂ）に示すように、高速信号線２４を信号パターン４４で形成し、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９をグランドキャスタレーション４５やリードキャスタレーション４３のキャスタレーションで形成している。また、リード接続用パッド１９をリードパターンで形成することもできる。なお、フィードスルー部１６ｃ、１６ｄは、高速信号線を含む導体配線を平面印刷とキャスタレーションで形成する以外のその他の構造はフィードスルー部１６と同じである。
【００２０】
なお、セラミックの積層体の積層数は、本実施の形態では５層構造となっているが、セラミックの層数は限定されるものではない。更に、積層体の実質的に中央部となるセラミックは本実施の形態では１層となっているが複数層で形成してもよい。
また、セラミックの材質は、特に限定するものではなく、アルミナ、窒化アルミニウム、低温焼成ガラスセラミック等のセラミックが使用できる。
【００２１】
【実施例】
本発明者は、本発明の高周波用パッケージと、従来例の高周波用パッケージの貫通部における伝送特性をＳパラメーターで表すことにより導体損失の比較を行った。Ｓパラメーターは、周波数（ＧＨz ）を変化させながら、線路を通過する信号の損失の度合いを測定する通過Ｓ21（ｄＢ／ｍｍ）の値を求めた。資料は、貫通部の線路長（壁厚み）を１ｍｍとし、貫通部ビアで形成された本発明の高周波用パッケージに対して、従来例は、同じく貫通部の線路長（壁厚み）を１ｍｍとし、図１１に示す、縦方向にセラミックを積層し、貫通部の壁側面にグランドキャスタレーションを設けて形成した高周波用パッケージを使用した。その結果を図１２に示す。
従来例の高周波用パッケージは、高周波の度合いが増加するに従い急激に通過損失が増大するのに対して、本発明の高周波用パッケージでは、通過損失の変化は僅かであり、３０ＧＨz で従来例は本発明の５倍の通過損失である結果が電磁界構造解析によって得られた。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１〜４記載の高周波用パッケージにおいては、それぞれのセラミックは、高速信号線の方向に沿って積層され、セラミックの一部を貫通して導体を充填した貫通部ビアを配線の一部とする高速信号線を具備し、しかも高速信号線を挟んでグランドプレーンが形成され、高速信号線と並行するグランドビアが形成されているので、貫通部の壁厚みを薄くでき、貫通部の信号線断面は実質的に円となり、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減することができる。また、グランドビアが狭ピッチで形成でき、グランドプレーンの共振を抑えることができる。更に、グランドプレーンの電流経路は充分確保された構造であり、高速信号線とグランドプレーンからなるループインダクタンスの増加から発生する特性インピーダンス不整合による反射を低減することができる高周波用パッケージが得られる。
特に、請求項２記載の高周波用パッケージにおいては、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号線を含む導体配線がキャスタレーションによって形成されているので、セラミックの端面部であっても高速信号線やグランドプレーンを容易に形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。また、貫通部以外の高速信号線の信号線断面が実質的に半円形状が得られ、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減することができる高周波用パッケージが得られる。
また、請求項３記載の高周波用パッケージにおいては、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号線を含む導体配線が平面印刷で形成されているので、セラミックの端面部であっても容易に高速信号線やグランドプレーンを形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
更に、請求項４記載の高周波用パッケージにおいては、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、平面印刷で形成される導体配線とキャスタレーションによって形成される導体配線とを有するので、セラミックの端面部の高速信号線やグランドプレーンを形成するのに設計の自由度を得ることができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用パッケージの平面図、断面図である。
【図２】同高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パッケージのフィードスルー部の断面図である。
【図４】同高周波用パッケージのフィードスルー部の第１の変形例に係る斜視図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は同フィードスルー部のキャスタレーションの形成方法の説明図である。
【図６】同高周波用パッケージの第２の変形例に係るフィードスルー部の斜視図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パッケージの第３、第４の変形例に係るフィードスルー部の斜視図である。
【図８】従来の高周波用パッケージの斜視図である。
【図９】従来の高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図である。
【図１０】従来の高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図である。
【図１１】従来の高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図である。
【図１２】本発明と従来の高周波用パッケージの伝送特性の比較図である。
【符号の説明】
１０：高周波用パッケージ、１１：メタルウォール、１２：メタルベース、１３：ベース、１４：キャップ、１５：半導体電子部品、１５ａ：レーザーダイオード、１５ｂ：フォトダイオード、１５ｃ：ワイヤボンド用端子、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ：フィードスルー部、１７：ワイヤボンディング用パッド、１８：ボンディングワイヤ、１９：リード接続用パッド、２０：リード、２１：光ファイバー、２２：レンズ部、２３：積層体、２３ａ〜２３ｅ：セラミック、２４：高速信号線、２５：貫通部、２６：貫通部ビア、２７：グランドビア、２８：グランドプレーン、２９：信号キャスタレーション、３０：グランドキャスタレーション、３１：リードキャスタレーション、３２：セラミックグリーンシート、３３：信号キャスタレーション用孔、３４：グランドキャスタレーション用長楕円孔、３５：リードキャスタレーション用長楕円孔、３６：グランドビア用孔、３７：信号パターン、３８：グランドパターン、３９：リードパターン、４０：信号キャスタレーション、４１：グランドパターン、４２：リードパターン、４３：リードキャスタレーション、４４：信号パターン、４５：グランドキャスタレーション
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波の高速の信号線が通過する配線の導体損失を低減し、グランドプレーンとの共振を抑制する高周波用パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、従来の一般的なマイクロ波、ミリ波等の高周波において使用される高周波用パッケージ５０を示す。コバール、４２アロイ等からなるメタルウォール５１と銅タングステン等からなるメタルベース５２は、ろう付けされて接合され、表面にＮｉめっき、Ａｕめっきが施されて、高周波用パッケージ５０のベース５３を形成している。コバール、４２アロイ等からなるキャップ５４は、半導体電子部品５５がベース５３に実装された後、ベース５３と金錫ろう材等で接合し、封止をする。この高周波用パッケージ５０は、実装される半導体電子部品５５が外部からの電磁波に影響されないようにするため、及び半導体電子部品５５からの不要電磁波を外部に出さないために、外周は導電性であることが必要である。また、この半導体電子部品５５は、電源用や信号用の端子５７を備え、この端子５７は、メタルウォール５１に開けた貫通孔に嵌入されセラミックの積層体からなるフィードスルー部５６の内側（パッケージ内側）に設けられたワイヤボンディング用パッド５８とボンディングワイヤ５９を介して接続されている。そして、フィードスルー部５６の外側（パッケージ外側）に設けられたリード接続用パッド６０には外部と接続するためのコバール、４２アロイ等の金属からなるリード６１が銀銅ろう材等でろう付けされている。
【０００３】
高周波用パッケージ５０において、例えば、２．５ＧＨｚのような高周波の高速信号線７１が通過する場合では、図９に示すように、凸型のセラミック積層体７２で形成されるフィードスルー部５６を通してパッケージの外部と内部を配線で接続させており、セラミック積層体７２の各セラミックの表面に形成された電源用のグランドプレーン７３はグランドビア７４を介して繋がっている。しかし、更に高速化が進み、例えば、１０ＧＨｚ以上になると、Ａｕめっきが施されていない貫通部７５（メタルウォール５１の貫通孔に嵌入する部分）において、高速信号線７１は表皮効果の影響により導体損失が増加し、また、グランドプレーン７３との共振が発生しやすくなる。
【０００４】
そこで、図１０に示すように、グランドプレーン７３の各セラミック層を結ぶグランドビア７４の間のピッチ７６を狭く、例えば、０．５ｍｍ程度にした構造が考えられている。このピッチ７６が狭いほどより高い周波数までグランドプレーン７３との共振を抑えることができる。しかしながら、高速信号線７１の貫通部７５にグランドビア７４を配設するためには、貫通部７５の線路長に相当する壁厚み７７をグランドビア７４の設置によるセラミックのクラックの発生を考慮して、例えば、１ｍｍ以上に厚くする必要がでてくる。壁厚み７７が厚くなると貫通部７５の線路長が長くなり、高速信号線７１の導体損失が増加する。従って、グランドプレーン７３の共振対策を行っても、逆に導体損失の悪化を招くことになる。また、この構造においては、例えば、２０ＧＨｚ以上になると、貫通部７５における高速信号線７１の上層セラミックに形成されたグランドプレーン７３を流れる電流の経路確保が充分でなく高速信号線７１とグランドプレーン７３からなるループインダクタンスが増加して、特性インピーダンスの不整合による伝送特性の劣化が目立ってくる。
【０００５】
そこで、グランドプレーン７３の共振対策と電流経路確保を同時に行える構造としては、図１１に示すように、貫通部７５における高速信号線７１の上層セラミックに形成されたグランドプレーン７３を流れる電流の経路を貫通部７５の壁側面にグランドキャスタレーション７８を形成して、確保している。これにより、特性インピーダンス不整合による伝送特性の劣化を低減し、壁厚み７７は、例えば、０．７ｍｍ程度となり、薄くできるので導体損失の増加を抑えることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の高周波用パッケージは、次のような課題がある。
（１）高周波化が更に進んでおり、高速信号線の導体損失の低減を更に行う必要がでてきており、フィードスルー部の貫通部の線路長を短くする、すなわち、貫通部の壁厚みを薄くする必要がある。
（２）従来構造では、フィードスルー部の高速信号線の両端に電流が集中するが、高周波化が進めば進む程、表皮効果により、更に高速信号線の両端への電流の集中が強まる。この高速信号線の両端への局部的な電流集中を緩和する必要がある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、グランドプレーンの共振対策構造を備え、更に、フィードスルー部の貫通部の壁厚みを薄くし、また、高速信号線の電流集中を緩和させて導体損失の増加を抑えた高周波用パッケージを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る高周波用パッケージは、メタルウォールに設けた貫通孔に嵌入し、パッケージの内部と外部を電気的に接続する高速信号線を備えたフィードスルー部を複数のセラミックの積層体で形成する高周波用パッケージであって、
前記それぞれのセラミックは、前記高速信号線の方向に沿って積層され、前記セラミックの一部を貫通して導体を充填した貫通部ビアを配線の一部とする前記高速信号線を具備し、しかも前記高速信号線を挟んでグランドプレーンが形成され、前記高速信号線と並行するグランドビアが形成されている。
セラミックの積層方向（横方向、即ち高速信号線の方向に沿った方向）にグランドビアが形成され、フィードスルー部の貫通部に縦方向（即ち、上下方向）のビアやキャスタレーションを必要としないので、貫通部の壁厚みを薄くでき、貫通部の高速信号線はビアで形成されているので、信号線断面は実質的に円となり、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減することができる。また、グランドビアは狭ピッチで形成できるので、グランドプレーンの共振を抑えることができる。更に、グランドプレーンの電流経路は充分確保された構造であるので、高速信号線とグランドプレーンからなるループインダクタンスの増加で発生する特性インピーダンス不整合からでる反射を低減することができる。
【０００８】
ここで、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号線を含む導体配線がキャスタレーションによって形成されていてもよい。これにより、セラミックの端面部であっても高速信号線やグランドプレーンを容易に形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。また、貫通部以外の高速信号線の信号線断面が実質的に半円形状となり、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減することができる。
また、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号線を含む導体配線が平面印刷で形成されていてもよい。これにより、セラミックの端面部であっても容易に高速信号線やグランドプレーンを形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
更に、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、平面印刷で形成される導体配線とキャスタレーションによって形成される導体配線とを有してもよい。これにより、セラミックの端面部の高速信号線やグランドプレーンを形成するのに設計の自由度を得ることができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用パッケージの平面図、断面図、図２は同高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パッケージのフィードスルー部の断面図、図４は同高周波用パッケージの第１の変形例に係るフィードスルー部の斜視図、図５（Ａ）〜（Ｃ）は同フィードスルー部のキャスタレーションの形成方法の説明図、図６は同高周波用パッケージの第２の変形例に係るフィードスルー部の斜視図、図７（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パッケージの第３、第４の変形例に係るフィードスルー部の斜視図である。
【００１０】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る高周波用パッケージ１０は、発信用光モジュールパッケージであって、セラミックと熱膨張係数が近似するコバール、４２アロイ等の金属で形成されるメタルウォール１１と、セラミックと熱膨張係数が近似し、しかも放熱性に優れる銅タングステン等の金属で形成されるメタルベース１２とが銀銅ろう等のろう材でろう付けされて接合され、表面にＮｉめっき及びＡｕめっきが施されて形成されたベース１３を有している。ベース１３の中に、例えば、レーザーダイオード１５ａとフォトダイオード１５ｂを有する半導体電子部品１５が実装された後、コバール、４２アロイ等の金属表面やセラミックの全面メタライズ表面にＮｉめっき及びＡｕめっきを施して形成されるキャップ１４が、ベース１３に金錫ろう材等で接合され、半導体電子部品１５は封止されている。この高周波用パッケージ１０は、実装される半導体電子部品１５が外部からの電磁波に影響されないようにするため、更に半導体電子部品１５からの不要電磁波を外部に出さないために、外周をできるだけ導電性に保つことが必要とされる。
【００１１】
半導体電子部品１５は電源用や信号用のワイヤボンド用端子１５ｃを備え、メタルウォール１１の壁面を貫通して銀ろう付け等で接合して形成されたフィードスルー部１６の内側に設けられたワイヤボンディング用パッド１７とボンディングワイヤ１８を介して接続されている。そして、フィードスルー部１６の外側に設けられたリード接続用パッド１９には外部と接続するためのコバール、４２アロイ等の金属からなるリード２０がろう付けされている。なお、レーザーダイオード１５ａからの光は、レンズ部２２を介して光ファイバー２１で外部に伝えられる。
【００１２】
次いで、図２、図３（Ａ）、（Ｂ）を参照して、フィードスルー部１６の構造を説明する。
フィードスルー部１６は、タングステンやモリブデン等の高融点金属で配線パターンやビア導体を形成したセラミックグリーンシートからなる絶縁体のセラミック２３ａ〜２３ｅを横方向（即ち高速信号線の方向に沿った方向）に積層した積層体２３で形成されている。フィードスルー部１６を形成する積層体２３の実質的に中央部に配置されたセラミック２３ｃは、高周波用パッケージ１０のメタルウォール１１に設けた貫通孔に嵌入して内側と外側を接続する貫通部２５を構成し、他のセラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅより高さが高く形成されている。セラミック２３ｃには、スルーホールを穿設し、導体を充填して貫通部ビア２６を形成し、これを配線の一部とする高速信号線２４が貫通部２５を通過するように設けられ、高周波用パッケージ１０の外部と内部を配線で結合して信号を伝達している。
【００１３】
また、各セラミック２３ａ〜２３ｅには、グランドプレーン２８が高速信号線２４を挟んでタングステンやモリブデン等の高融点金属の配線パターンで形成されている。この各層のグランドプレーン２８を接続するようにグランドビア２７が各セラミック２３ａ〜２３ｅに穿設されたスルーホールにタングステンやモリブデン等の高融点金属を充填することで形成されている。そして、このグランドビア２７は、高速信号線２４と並行するように形成されている。グランドビア２７間のピッチは、より高い周波数までグランドプレーン２８との共振を抑えるために、できるだけ短いほうがよい。
【００１４】
セラミック２３ａ、２３ｂの端面部には、図１に示すように、半導体電子部品１５とボンディングワイヤ１８で接続するためのワイヤボンディング用パッド１７が貫通部ビア２６やグランドプレーン２８とグランドビア２７に接続して形成されており、セラミック２３ｄ、２３ｅの端面部には、リード２０を接合するためのリード接続用パッド１９が貫通部ビア２６やグランドプレーン２８とグランドビア２７に接続して形成されている。
【００１５】
セラミック２３ｃの外周端面部にはタングステンやモリブデン等の高融点金属が形成され、その表面にはＮｉめっきが施されている。更にこのセラミック２３ｃを、メタルウォール１１の予め窓状に開口した貫通孔に嵌め込み、銀銅ろう等でろう付けを行い接合し、更にＮｉめっき及びＡｕめっきを行って、高周波用パッケージ１０が形成される。
【００１６】
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る高周波用パッケージ１０のフィードスルー部１６の第１の変形例であるフィードスルー部１６ａの構造を説明する。なお、符号は上記実施の形態と同じ部分は同符号を使用している。
フィードスルー部１６ａは、高速信号線２４が形成されるセラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅの端面部に、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９を含む導体配線がそれぞれ信号キャスタレーション２９、グランドキャスタレーション３０、リードキャスタレーション３１のキャスタレーションで形成されている。
【００１７】
なお、図５に示すように、キャスタレーションの形成方法は、セラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅをそれぞれ形成するセラミックグリーンシート３２に信号キャスタレーション用孔３３、グランドキャスタレーション用長楕円孔３４、リードキャスタレーション用長楕円孔３５、及び、グランドビア用孔３６を穿設し（図５（Ａ））、次に、信号キャスタレーション用孔３３、グランドキャスタレーション用長楕円孔３４、リードキャスタレーション用長楕円孔３５には、それぞれ孔の壁面にタングステンやモリブデン等の高融点金属を施し、グランドビア用孔３６には、高融点金属を充填し、更に、グランドプレーン２８のパターンを形成して（図５（Ｂ））、次に、各セラミック２３ａ〜２３ｅを積層し、焼成した後、信号キャスタレーション用孔３３、グランドキャスタレーション用長楕円孔３４、リードキャスタレーション用長楕円孔３５の中心を通るスナップラインに沿って分割することで信号キャスタレーション２９、グランドキャスタレーション３０、リードキャスタレーション３１が形成（図５（Ｃ））できる。
なお、フィードスルー部１６ａは、高速信号線を含む導体配線をキャスタレーションで形成する以外のその他の構造はフィードスルー部１６と同じである。
【００１８】
図６を参照して、第２の変形例であるフィードスルー部１６ｂの構造を説明する。なお、符号は上記実施の形態と同じ部分は同符号を使用している。
高速信号線２４が形成されるセラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅの端面部には、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９を含む導体配線をタングステンやモリブデン等の高融点金属をスクリーン印刷等で平面印刷することによって、それぞれ信号パターン３７、グランドパターン３８、リードパターン３９を形成している。セラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅの端面部への印刷は、それぞれを別々のセラミックグリーンシートに印刷してもよく、あるいは、セラミックグリーンシートをまとめて重ねて合わせておいて、その端面部に印刷し、形成してもよい。なお、フィードスルー部１６ｂは、高速信号線を含む導体配線を平面印刷で形成する以外のその他の構造はフィードスルー部１６と同じである。
【００１９】
図７（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第３、第４の変形例であるフィードスルー部１６ｃ、１６ｄの構造を説明する。なお、ここでも符号は上記実施の形態と同じ部分は同符号を使用している。
フィードスルー部１６ｃ、１６ｄにおいては、高速信号線２４が形成されるセラミック２３ａ、２３ｂ、２３ｄ、２３ｅの端面部には、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９がキャスタレーションと平面印刷の両方によって、形成されている。図７（Ａ）に示すように、高速信号線２４を信号キャスタレーション４０で形成し、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９をグランドパターン４１やリードパターン４２の平面印刷で形成している。また、リード接続用パッド１９をリードキャスタレーションで形成することもできる。また、図７（Ｂ）に示すように、高速信号線２４を信号パターン４４で形成し、ワイヤボンディング用パッド１７やリード接続用パッド１９をグランドキャスタレーション４５やリードキャスタレーション４３のキャスタレーションで形成している。また、リード接続用パッド１９をリードパターンで形成することもできる。なお、フィードスルー部１６ｃ、１６ｄは、高速信号線を含む導体配線を平面印刷とキャスタレーションで形成する以外のその他の構造はフィードスルー部１６と同じである。
【００２０】
なお、セラミックの積層体の積層数は、本実施の形態では５層構造となっているが、セラミックの層数は限定されるものではない。更に、積層体の実質的に中央部となるセラミックは本実施の形態では１層となっているが複数層で形成してもよい。
また、セラミックの材質は、特に限定するものではなく、アルミナ、窒化アルミニウム、低温焼成ガラスセラミック等のセラミックが使用できる。
【００２１】
【実施例】
本発明者は、本発明の高周波用パッケージと、従来例の高周波用パッケージの貫通部における伝送特性をＳパラメーターで表すことにより導体損失の比較を行った。Ｓパラメーターは、周波数（ＧＨz ）を変化させながら、線路を通過する信号の損失の度合いを測定する通過Ｓ21（ｄＢ／ｍｍ）の値を求めた。資料は、貫通部の線路長（壁厚み）を１ｍｍとし、貫通部ビアで形成された本発明の高周波用パッケージに対して、従来例は、同じく貫通部の線路長（壁厚み）を１ｍｍとし、図１１に示す、縦方向にセラミックを積層し、貫通部の壁側面にグランドキャスタレーションを設けて形成した高周波用パッケージを使用した。その結果を図１２に示す。
従来例の高周波用パッケージは、高周波の度合いが増加するに従い急激に通過損失が増大するのに対して、本発明の高周波用パッケージでは、通過損失の変化は僅かであり、３０ＧＨz で従来例は本発明の５倍の通過損失である結果が電磁界構造解析によって得られた。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１〜４記載の高周波用パッケージにおいては、それぞれのセラミックは、高速信号線の方向に沿って積層され、セラミックの一部を貫通して導体を充填した貫通部ビアを配線の一部とする高速信号線を具備し、しかも高速信号線を挟んでグランドプレーンが形成され、高速信号線と並行するグランドビアが形成されているので、貫通部の壁厚みを薄くでき、貫通部の信号線断面は実質的に円となり、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減することができる。また、グランドビアが狭ピッチで形成でき、グランドプレーンの共振を抑えることができる。更に、グランドプレーンの電流経路は充分確保された構造であり、高速信号線とグランドプレーンからなるループインダクタンスの増加から発生する特性インピーダンス不整合による反射を低減することができる高周波用パッケージが得られる。
特に、請求項２記載の高周波用パッケージにおいては、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号線を含む導体配線がキャスタレーションによって形成されているので、セラミックの端面部であっても高速信号線やグランドプレーンを容易に形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。また、貫通部以外の高速信号線の信号線断面が実質的に半円形状が得られ、表皮効果による電流の局部集中が回避でき、高速信号線の導体損失を低減することができる高周波用パッケージが得られる。
また、請求項３記載の高周波用パッケージにおいては、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、高速信号線を含む導体配線が平面印刷で形成されているので、セラミックの端面部であっても容易に高速信号線やグランドプレーンを形成することができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
更に、請求項４記載の高周波用パッケージにおいては、高速信号線が形成されるセラミックの端面部には、平面印刷で形成される導体配線とキャスタレーションによって形成される導体配線とを有するので、セラミックの端面部の高速信号線やグランドプレーンを形成するのに設計の自由度を得ることができ、導体損失や共振の少ない高周波用パッケージが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る高周波用パッケージの平面図、断面図である。
【図２】同高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パッケージのフィードスルー部の断面図である。
【図４】同高周波用パッケージのフィードスルー部の第１の変形例に係る斜視図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は同フィードスルー部のキャスタレーションの形成方法の説明図である。
【図６】同高周波用パッケージの第２の変形例に係るフィードスルー部の斜視図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同高周波用パッケージの第３、第４の変形例に係るフィードスルー部の斜視図である。
【図８】従来の高周波用パッケージの斜視図である。
【図９】従来の高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図である。
【図１０】従来の高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図である。
【図１１】従来の高周波用パッケージのフィードスルー部の斜視図である。
【図１２】本発明と従来の高周波用パッケージの伝送特性の比較図である。
【符号の説明】
１０：高周波用パッケージ、１１：メタルウォール、１２：メタルベース、１３：ベース、１４：キャップ、１５：半導体電子部品、１５ａ：レーザーダイオード、１５ｂ：フォトダイオード、１５ｃ：ワイヤボンド用端子、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ：フィードスルー部、１７：ワイヤボンディング用パッド、１８：ボンディングワイヤ、１９：リード接続用パッド、２０：リード、２１：光ファイバー、２２：レンズ部、２３：積層体、２３ａ〜２３ｅ：セラミック、２４：高速信号線、２５：貫通部、２６：貫通部ビア、２７：グランドビア、２８：グランドプレーン、２９：信号キャスタレーション、３０：グランドキャスタレーション、３１：リードキャスタレーション、３２：セラミックグリーンシート、３３：信号キャスタレーション用孔、３４：グランドキャスタレーション用長楕円孔、３５：リードキャスタレーション用長楕円孔、３６：グランドビア用孔、３７：信号パターン、３８：グランドパターン、３９：リードパターン、４０：信号キャスタレーション、４１：グランドパターン、４２：リードパターン、４３：リードキャスタレーション、４４：信号パターン、４５：グランドキャスタレーション
Claims (4)
- メタルウォールに設けた貫通孔に嵌入し、パッケージの内部と外部を電気的に接続する高速信号線を備えたフィードスルー部を複数のセラミックの積層体で形成する高周波用パッケージであって、
前記それぞれのセラミックは、前記高速信号線の方向に沿って積層され、前記セラミックの一部を貫通して導体を充填した貫通部ビアを配線の一部とする前記高速信号線を具備し、しかも前記高速信号線を挟んでグランドプレーンが形成され、前記高速信号線と並行するグランドビアが形成されていることを特徴とする高周波用パッケージ。 - 請求項１記載の高周波用パッケージにおいて、前記高速信号線が形成される前記セラミックの端面部には、前記高速信号線を含む導体配線がキャスタレーションによって形成されていることを特徴とする高周波用パッケージ。
- 請求項１記載の高周波用パッケージにおいて、前記高速信号線が形成される前記セラミックの端面部には、前記高速信号線を含む導体配線が平面印刷で形成されていることを特徴とする高周波用パッケージ。
- 請求項１記載の高周波用パッケージにおいて、前記高速信号線が形成される前記セラミックの端面部には、平面印刷で形成される導体配線とキャスタレーションによって形成される導体配線とを有することを特徴とする高周波用パッケージ。
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