JP4601369B2

JP4601369B2 - 配線基板

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Publication number: JP4601369B2
Application number: JP2004275521A
Authority: JP
Inventors: 幸喜川畑
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2024-09-22
Also published as: JP2006093325A

Description

本発明は、高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するのに好適な、差動線路を有する配線基板に関する。

従来、高速で作動するＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するための配線基板においては、従来の配線基板の例の断面図である図４に示すように、高速の高周波信号を正確かつ効率よく伝播させるために、差動線路４８を用いている。また、差動線路４８は、外部と高周波信号の入出力を行なうために差動貫通導体４９を介して外部接続用電極４１１に電気的に接続されており、また、差動貫通導体４９、電極パッド４７および導体バンプ４６を介して半導体素子４５の電極に電気的に接続されている。

差動線路４８は、配線基板４１の部分拡大断面図５に示すように、一対の信号線路４８ａ，４８ｂによって決定される特性インピーダンスが所望の値となるように、絶縁基板４２の絶縁層４２ａ〜４２ｆの材料、絶縁層４２ａ〜４２ｆの断面構造、即ち信号線路４８ａ, ４８ｂの幅、厚み及び間隔、信号線路４８ａ, ４８ｂと内層接地導体４２ａ〜４２ｃとの距離等を制御して決定されている。

差動貫通導体４９は、配線基板４１の部分拡大平面図６に示すように、一対の貫通導体４９ａ，４９ｂによって決定される特性インピーダンスが所望の値となるように、絶縁基板４２の絶縁層４２ａ〜４２ｆの材料、差動貫通導体４９及び接地貫通導体４１０の直径を変更したり、更にこれらの相対位置を互いに変更することによって決定されている。また、差動貫通導体４９の周囲には、それを平面視で円形状に取り囲むように開口部４１２が形成された内層接地導体４４ａが形成されている。

また、配線基板４１に形成された差動線路４８と差動貫通導体４９との接続部周辺の要部拡大平面図である図７に示すように、差動貫通導体４９と差動線路４８との接続は、差動線路４８の信号線路４８ａ,４８ｂの間隔が漸次広がる展開部４１４が、その一端に接続されたランド導体部４１３を介して接続されることによってなされる。また、差動線路４８と差動貫通導体４９との接続部の周囲には、接続部を平面視で円形状に取り囲むように開口部４１２が形成された内層接地導体４４ｂが形成されている。
特開２００１−５４４９７号公報

しかしながら、従来の配線基板４１に搭載される半導体素子４５の動作速度が数十ＧＨｚと高速化するに従い、差動線路４８と差動貫通導体４９との接続部において、ランド導体部４１３を介して差動線路４８と差動貫通導体４９が接続されるため、内層接地導体４４ｂとランド導体部４１３との間に発生する容量成分によって特性インピーダンスが低下するために、高周波信号の反射が発生していた。その結果、差動線路４８と差動貫通導体４９との接続部において、高周波信号の反射損失が大きくなって高周波信号の伝送性が劣化し、半導体素子４５の作動性が損なわれるという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、差動線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を大幅に抑制することができ、その結果、半導体素子の作動性を良好なものとできる配線基板を提供することにある。

本発明の配線基板は、絶縁基体の主面または内部に形成された互いに平行な一対の信号線路から成る差動線路と、該差動線路を所定間隔をもって取り囲むように形成された同一
面接地導体と、前記各信号線路の一端に設けられたランド導体部と、該ランド導体部に一端が電気的に接続された貫通導体とを具備しており、前記差動線路は、前記ランド導体部側の一端部が前記一対の信号線路同士の間の間隔が漸次広がっている展開部とされているとともに、前記各信号線路の前記展開部の線路幅が前記ランド導体部に向かって漸次小さくなっていることを特徴とする。

また、本発明の配線基板は好ましくは、前記絶縁基体は、主面または内部に前記差動線路の前記展開部以外の部位および前記展開部の一部と対向する接地導体が形成されていることを特徴とする。

本発明の配線基板によれば、差動線路は、ランド導体部側の一端部が一対の信号線路同士の間の間隔が漸次広がっている展開部とされているとともに、各信号線路の展開部の線路幅がランド導体部に向かって漸次小さくなっていることから、差動線路の展開部における信号線路の誘導成分が増加し、ランド導体部と同一面接地導体との間に発生する容量成分を相殺することができるため、差動線路の信号線路と差動貫通導体との接続部における特性インピーダンス低下による信号伝送の不連続性を抑制し、差動線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。また、差動線路の展開部の線路幅と展開部以外の線路幅が段階的に異なることに伴う急激な特性インピーダンス変化を緩和し、高周波信号の反射損失をより抑えることが可能となる。

また、本発明の配線基板は好ましくは、絶縁基体は、主面または内部に差動線路の展開部以外の部位および展開部の一部と対向する内層接地導体が形成されていることから、差動線路からの高周波信号（電磁波）の漏洩を有効に遮蔽し、高周波信号の透過損失を抑制することが可能となる。その結果、差動線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を極めて小さくすることができるので、本発明の配線基板に搭載される半導体素子の高周波領域における作動性を非常に良好なものとすることができる。

本発明の配線基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の配線基板における差動配線８と差動貫通導体９の接続部の周辺部の要部拡大平面図である。また、図３は図１の配線基板における差動配線８の要部拡大断面図である。

本発明の配線基板１においては、絶縁基板２を構成する絶縁層２ａ〜２ｆは基本的には同じ誘電率を有する絶縁材料で形成されている。絶縁層２ｃ上には信号配線群３が形成され、絶縁層２ｂ，２ｄ上には信号配線群３に対向させて広面積の内層接地導体層４ａ，４ｃが形成されており、信号配線群３の各信号配線はストリップ線路構造を有している。内層接地導体層４ａ，４ｃは、配線基板１の仕様に応じて入れ換えて配置されることもある。

また、信号配線群３の各信号配線の配線幅、および信号配線群３と内層接地導体層４ａ，４ｃとの間に介在する絶縁層２ｂ，２ｃの厚みを設定することにより、信号配線群３の特性インピーダンスを制御することができるため、高周波信号の良好な伝送特性を有する信号配線群３を形成することができる。信号配線群３の特性インピーダンスは一般的には５０Ωに設定される。なお、信号配線群３に含まれる複数の信号配線は、それぞれ異なる電気信号を伝送するものとしてもよい。

図１の例では、配線基板１上面には高速で動作するＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子や半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子等の半導体素子５や電子部品が搭載され、錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金半田等の半田や金（Ａｕ）等から成る導体バンプ６および半導体素子５を接続するための電極パッド７を介して、差動線路８に電気的に接続されている。また、配線基板１下面には、半導体素子５に信号の入出力および電源供給を行なうための外部接続用電極１１が形成されている。

また、差動線路８は、絶縁層２ｃの上面に内層接地導体層４ａ，４ｃとの間に形成されたストリップ構造の一対の信号線路から成り、外部と信号の入出力を行なうために差動貫通導体９を介して外部接続用電極１１に電気的に接続されており、また、差動貫通導体９、電極パッド７および錫−鉛合金半田等の半田や金等から成る導体バンプ６を介して半導体素子５の電極に電気的に接続されている。

また、信号配線群３および差動線路８の構造は、信号配線群３に対向して電源配線層もしくは内層接地導体層を形成して成るマイクロストリップ線路構造の他に、信号配線群３の上下に電源配線層もしくは内層接地導体層を形成して成るストリップ線路構造、また信号配線群３の各信号配線に隣接して所定間隔をもって同一面電源配線層もしくは同一面接地導体層を形成して成るコプレーナ線路構造であってもよい。

また、配線基板１にチップ抵抗，薄膜抵抗，コイルインダクタ，クロスインダクタ，チップコンデンサまたは電解コンデンサ等を搭載して、電子回路モジュール等を構成してもよい。

また、各絶縁層２ａ〜２ｆの平面視における形状は、正方形状や長方形状の他に、菱形状，六角形状または八角形状等の形状であってもよい。

そして、このような本発明の配線基板１は、半導体素子収納用パッケージ等の電子部品収納用パッケージや電子部品搭載用基板、多数の半導体素子が搭載される所謂マルチチップモジュールやマルチチップパッケージ、あるいはマザーボード等として使用される。

本発明の配線基板１は、図２に示すように、差動貫通導体９の貫通導体９ａ，９ｂと差動線路８の信号線路８ａ，８ｂとは、差動線路８の信号線路８ａ，８ｂ同士の間の間隔が漸次広がっている展開部１４が一端に接続されたランド導体部１３（１３ａ，１３ｂ）を介して電気的に接続されている。そして、差動線路８が形成された絶縁層２ｂに差動線路８を取り囲むとともに差動貫通導体９との接続部を円形状に取り囲むように開口部１２が形成された同一面接地導体４ｂとを具備し、展開部１４の信号線路８ａ,８ｂの線路幅が
ランド導体部１３に向かって漸次小さくなっていることから、展開部１４の信号線路８ａ，８ｂの誘導成分が増加する。その結果、差動線路８と差動貫通導体９との接続部において、ランド導体部１３と同一面接地導体４ｂとの間に発生する容量成分を増加した誘導成分によって相殺し、特性インピーダンス低下を抑制することによって、差動線路８と差動貫通導体９との接続部における高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。また、展開部１４の信号線路８ａ，８ｂの線路幅と展開部１４以外の線路幅が段階的に異なるこ
とに伴う急激な特性インピーダンス変化を緩和し、高周波信号の反射損失をより抑えることが可能となる。

また本発明において好ましくは、絶縁基体２ｂは、図３に示されるように主面または内部に差動線路８の展開部１４以外の部位および展開部１４の一部と対向する（展開部１４以外の部位から延出して展開部１４の一部と対向する）内層接地導体４ａ,４ｃが形成されていることから、高周波信号（電磁波）の差動線路８からの漏洩を有効に遮蔽し、高周波信号の透過損失を抑制することが可能となる。

次に、図３に基き本発明における差動線路８について説明する。本発明の配線基板１において、絶縁層２ａ〜２ｆは例えばセラミックグリーンシート積層法によって形成される。この場合、絶縁層２ａ〜２ｆは、酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ムライト質焼結体またはガラスセラミックス等の無機絶縁材料から成る。また、絶縁層２ａ〜２ｆは、ポリイミド，エポキシ樹脂，フッ素樹脂，ポリノルボルネンまたはベンゾシクロブテン等の樹脂絶縁材料、あるいはセラミック粉末等の無機絶縁物粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で結合して成る複合絶縁材料等の電気的な絶縁材料から成っていてもよい。

これらの絶縁層２ａ〜２ｆは以下のようにして作製される。絶縁層２ａ〜２ｆが例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、まず、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化カルシウムまたは酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法等を採用してシート状となすことによってセラミックグリーンシートを得る。そして、セラミックグリーンシートに信号配線群３および各導体層４と成る金属ペーストを所定パターンに印刷塗布し、これらのセラミックグリーンシートを上下に積層し、最後にこの積層体を還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。

また、絶縁層２ａ〜２ｆがエポキシ樹脂から成る場合、まず酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミックスを混合した熱硬化性のエポキシ樹脂、あるいはガラス繊維を織り込んだ布にエポキシ樹脂を含浸させて成るガラスエポキシ樹脂等から成る絶縁層の上面に、樹脂前駆体をスピンコート法もしくはカーテンコート法等により被着させ、これを熱硬化処理することによって絶縁層を形成する。この絶縁層と、銅層を無電解めっき法や蒸着法等の薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ技術を採用することによって形成して成る薄膜配線導体層とを交互に積層し、約１７０℃程度の温度で加熱硬化することによって製作される。

これらの絶縁層２ａ〜２ｆの厚みは、使用する材料の特性に応じて、要求される仕様に対応する機械的強度や電気的特性等の条件を満たすように設定される。

また、信号配線群３、差動線路８および各導体層４は、例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），モリブデン−マンガン（Ｍｏ−Ｍｎ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ）または銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）等の金属粉末メタライズ、あるいは銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），金（Ａｕ）またはニオブ（Ｎｂ）やそれらの合金等の金属材料の薄膜等により形成すればよい。

具体的には、信号配線群３や内層接地導体層４をＷの金属粉末のメタライズ層で形成する場合、Ｗ粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、絶縁層２ａ〜２ｆと成るセラミックグリーンシートに所定のパターンで印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。

また、信号配線群３や各導体層４を金属薄膜で形成する場合、例えばスパッタリング法，真空蒸着法またはメッキ法により金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により所定の配線パターンに形成することによって形成できる。

このような配線基板１は、信号配線群３が配設されている絶縁層２ａ〜２ｆの誘電率に応じて、信号配線群３および差動線路８の信号線路８ａ，８ｂの配線幅，配線厚み，配線間隔を所望の値に設定することで、信号配線群３の各信号配線の特性インピーダンス値および差動線路８の特性インピーダンス値を所望の値とすることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態の例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。例えば、差動線路８は配線基板１の主面に形成されていてもよい。さらに、差動貫通導体９が電気的に接続される二次実装部は、コネクタやワイヤボンディングパッド等で接続されていてもよい。また、差動貫通導体９は、配線基板１の異なる絶縁層に形成された差動線路８同士の接続に用いてもよい。

本発明の図１の構成の配線基板１を以下のようにして作製した。酸化アルミニウム質焼結体から成る各厚みが０．１４ｍｍの絶縁層２ａ〜２ｆを、上述のセラミックグリーンシート積層法によって積層し形成することにより、絶縁基板２を作製した。このとき、信号配線群３、差動線路８、各導体層４、差動貫通導体９および接地貫通導体１０を、上述のＣｕの金属粉末のメタライズ層で形成した。

そして、この場合、図２に示すように、比誘電率が５．２の絶縁基板２に、信号線路８ａ，８ｂのそれぞれの線路幅が６５μｍ、信号線路８ａ，８ｂ間の間隔が１４５μｍであり、信号線路８ａ，８ｂ間の間隔がランド導体部１３の間隔に合わせて漸次広がっている展開部１４を含む差動線路８を形成した。差動線路８の展開部１４の信号線路８ａ，８ｂは、展開部１４以外の部位の信号線路８ａ，８ｂとの成す角度が３０度で展開され、ランド導体部１３に接続されている。また、展開部１４においては、信号線路８ａ，８ｂの線路幅は漸次細くなっており、ランド導体部１３の一端に接続される部位の線路幅は３５μｍで形成した。

また、各直径が５０μｍで互いの間隔が０．３ｍｍの一対の貫通導体９ａ，９ｂから成る差動貫通導体９を平面視で同心円状に取り囲むように、各直径が５０μｍで互いの間隔が０．１５ｍｍの６本の接地貫通導体１０、および内層接地導体層４ａと差動貫通導体９を絶縁する開口部１２を形成した。開口部１２の形状は、それぞれ貫通導体９ａ，９ｂを中心とする各直径１５０μｍの２つの円を、それらの円の接線で結んだ楕円形状（長円形状）である。差動線路８と差動貫通導体９は直径１００μｍのランド導体部１３を介して接続されている。

さらに、高周波信号をシールドするために、同一面接地導体４ｂは差動線路８の周囲を取り囲むとともに、差動線路８と差動貫通導体９との接続部を円形状に取り囲むように形成されている。その接続部を円形状に取り囲む部分は、それぞれランド導体部１３ａ，１３ｂを中心とする各直径１５０μｍの２つの円を、それらの円の接線で結んだ楕円形状（長円形状）で形成されている。

上記構成の差動線路８について、４０ＧＨｚの高周波信号を貫通導体９ａ，９ｂに位相差１８０度で入力したところ、差動線路８と差動貫通導体９との接続部における信号線路の不連続性を小さくできるため、高周波信号の反射損失を抑えることが可能となった。即ち、差動線路８と差動貫通導体９との接続部における高周波信号の反射レベルは−４２ｄＢ程度となり、きわめて小さい値であった。

また、比較例として、差動線路８の展開部１４において信号線路８ａ，８ｂの線路幅を６５μｍと一定として形成した配線基板１においては、差動貫通導体９と差動線路８との接続部における高周波信号の反射レベルは−２６ｄＢ程度と大きくなった。

本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。図１の配線基板の要部拡大平面図である。図１の配線基板の要部拡大断面図である。従来の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。従来の配線基板の一例の部分拡大断面図である。従来の配線基板の一例の部分拡大平面図である。従来の配線基板の一例の要部拡大平面図である。

符号の説明

１・・・配線基板
２・・・絶縁基板
２ａ〜２ｆ・・・絶縁層
５・・・半導体素子
８・・・差動線路
８ａ，８ｂ・・・一対の信号線路
９・・・差動貫通導体
９ａ，９ｂ・・・貫通導体
１２・・・開口部
１３・・・ランド導体部
１４・・・展開部

Claims

絶縁基体の主面または内部に形成された互いに平行な一対の信号線路から成る差動線路と、該差動線路を所定間隔をもって取り囲むように形成された同一面接地導体と、前記各信号線路の一端に設けられたランド導体部と、該ランド導体部に一端が電気的に接続された貫通導体とを具備しており、前記差動線路は、前記ランド導体部側の一端部が前記一対の信号線路同士の間の間隔が漸次広がっている展開部とされているとともに、前記各信号線路の前記展開部の線路幅が前記ランド導体部に向かって漸次小さくなっていることを特徴とする配線基板。
前記絶縁基体は、主面または内部に前記差動線路の前記展開部以外の部位および前記展開部の一部と対向する内層接地導体が形成されていることを特徴とする請求項１記載の配線基板。