JP4699444B2 - パッケージ化された高周波回路モジュールを組み立てる方法 - Google Patents

Description

本発明は無線周波数（ＲＦ）電子構造の機械的なパッケージ化、及び特に高周波電子モジュール及び小型サブシステムに使用されるパッケージ化された回路の提供に関する。パッケージ化構造は、人工的な通信衛星電子装置内で使用される電子モジュールに特に適しているが、それらに限定されない。

衛星通信の分野では、衛星ペイロードの中の電子回路とサブシステムのパッケージ化は、動作中に経験される過酷な条件のためにいくつかの重大な生存の課題を提示する。例えば、パッケージ化は、不要な信号放射線を防ぐため、及び相互関係により、装置動作に干渉を引き起こす可能性のある外部信号からの電子回路の保護を実現するために、パッケージの内部から外部へ、機械的及び電気的両方の遮蔽を提供しなければならない。また、パッケージ化は、人工衛星の打上段階の間、特に発射時の人工衛星の上昇中に経験される、急激な減圧と厳しい振動環境に耐えることができなければならない。パッケージ化は、特に衛星がその軌道の間に日食を経過するときに宇宙で経験される温度の極端な変動にさらされ、その稼働寿命中に太陽／地球の明暗境界線を交差する衛星が経験する、毎日２度の温度衝撃に耐えることができなければならない。これは、通常１５年の静止ミッションのための約１１，０００サイクル、及び極軌道又は高い楕円率の軌道で動作する衛星の場合、最高６０，０００サイクルと同じである。

衛星ペイロード内で使用される電子モジュールを含む電子モジュールは、多くの場合、ＲＦ構成部品が取り付けられ、導電トラックと相互接続する基部を提供するために、低電気損失のセラミック材を基板として広範囲に使用する。１つ以上のトラックが、高温同時焼成（Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ）セラミック（ＨＴＣＣ）と低温同時焼成（Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ）セラミック（ＬＴＣＣ）等の製造技法を使用して基板の厚さを通して１つ以上の層の上に形成されてよい。これらの多層セラミック基板は必然的に、内蔵型の電気的に遮蔽された電子モジュールを形成するために、機械加工されたあるいは製造された金属筐体の中にさらに一体化されている。金属筐体の使用は、ソリッドベースメタルから内在的に構築されてはいないが、所望される電気遮蔽を提供するように適切な外部金属化物（ｍｅｔａｌｌｉｓａｔｉｏｎｓ）を用いて非導電性材料を利用するような、他の製造手段を排除しない。

基板として使用するための適切なセラミック材料を選択するときには、多くの特性及び特徴が望ましい。例えば、材料は、低い線形膨張率と温度変動を伴う優れた電気的性質の安定性に加えて、優れた機械温度安定性を示す必要がある。さらに、埋込層能力を含む、材料表面にトラック金属化物（ｍｅｔａｌｌｉｓａｔｉｏｎｓ）を付着する場合の相対的な容易さ、基板表面への金属化されたトラッキングの粘着力、及び金属化されたトラッキングに接続する場合の相対的な容易さは検討材料である。基板材料は構成要素接着動作中に見られる高温に耐えることができ、優れた機械取り扱い特性、及び優れた電気的な再現性と機械的な再現性を有さなければならない。

典型的なセラミック材料はＲＦ回路網に適した安定した基板を提供するのに適しているが、このような材料を使用することは、多くの場合、金属筐体の中に基板を一体化するときに多大な困難を示す。金属筐体内でセラミック基板を固定する方法が、物理的に堅牢且つ電気的に適正な設計のカギとなる。回路基板をその筐体の中に固定するために多くの方法が使用されてきた。

例えば、電気絶縁性という点で必要とされるＲＦ性能を提供するために電気的に導電性の接着剤を使用して、セラミック基板をその金属性の筐体に固定するのは一般的なことである。多くの電気的に導電性の接着剤は、例えば、重要な割合の有限サイズに作られたソリッドメタル、導電性微粒子と混合されるマルチパートエポキシ樹脂のような、従来の非導電性熱可塑性接着材から構成される。少ない率の金属微粒子だけしか連続的に物理的接触をしないために、通常の状態では、混合物は電気的導体としては不十分な性能となる。機械的な圧力を印加することで、及び未硬化の樹脂の相対的に低い粘性のために、より大きな割合の金属微粒子が密接に物理的接触をするようになり、したがって電気伝導率を高める。さらに温度を上昇させることにより、圧力が高まったある条件下では、樹脂混合物の粘性はさらに削減され、さらに多くの金属微粒子が接触できるようになり、同時に、樹脂を硬化するための所望される触媒反応を加速する。最終的に、硬化された樹脂は、印加された機械的な圧力が一旦取り除かれると、接触するソリッドメタル導電性微粒子の大部分が分離するのを妨げる位置に配置される。

導電性接着剤の使用例は、機械加工された金属筐体１の中に取り付けられたセラミック基板２を含む典型的なモジュールを示す図１に示されている。複数の導電性トラック６、７は、既知のバイアホール技術を使用して、図示されるように、その最上層と最下層に電気的に相互接続できる複数の回路層を含んでよい基板２の表面に形成される。セラミック基板２は、最上導電層と最下導電層と同時に接触する導電性接着剤３で適所に保持される。セラミック基板の上部には、内部接触壁５を提供するだけではなく、基板の外側リングトラックと電気的に接触する締め付け蓋(clamping lid)、又はつまりフレーム４がある。図１において、壁５は例えば中心だけに配置されるが、必要とされる基板回路の複雑さに応じて多くのこのような内壁がある場合があることを理解されたい。壁５の機能は、ＲＦトラック６から隣接するＲＦトラック７に電気絶縁性を与えることである。さらに、筐体１の床は、それに取り付けられている電子構成部品８と共に基板２の最下層上に、トラック６と７と同様に導電性トラックを可能にする開口を具備してよい。ＲＦ完全性及び最終的な電気絶縁性を維持するために、筐体１には下部蓋９も設けられる。上部蓋と下部蓋４、９の取り付けは、導電性接着剤方法、はんだ付け方法、又はビーム溶着方法を使用して達成されてよい。

前記構成では、基板固定接着剤が同時に締め付け蓋４と、内壁５又はウェブだけではなく外側リングトラックで筐体床と、優れた電気接触をすることが重要である。

このような接着剤基板固定技法の重要な問題は、接合される２つの表面の平面均一性つまたは「平坦度」である。２つの表面のどちらかが正確に平行及び均一ではない場合、他の領域がいくぶんより少ない機械的な負荷を支持する一方で、いくつかの領域は接着剤硬化サイクルの前に製造工程の圧力印加段階の間に印加される機械的な負荷の大部分を支持するであろう。硬化プロセスの完了時、達成される導電性は高圧区域で高く、低圧区域で低くなる。この状況が、回路性能に影響を及ぼし、最終的にはパッケージ機能性の故障につながる可能性のある、基板筐体の上部領域と下部領域全体での制御されていない電気絶縁性を引き起こす。

加えて、基板の表面がその筐体に比較して正確に均一ではないとき、基板に亀裂が生じるリスクは製造プロセスの圧力印加段階中に高まる。このような亀裂の電気的な影響は初期の電気試験では必ずしも明らかではないため、例えば打ち上げられた衛星において、亀裂が任務の間に基板の中にあるいは基板全体にさらに広がり、装置の故障を引き起こす危険性がある。

回路を実現するために「焼成完了した（ａｓ−ｆｉｒｅｄ）」のセラミックスを使用することは、材料焼結プロセスの間に達成される表面の収縮率と均一性の程度によって制限される。一般的には、基板の表面平坦化は、焼成されたセラミックパーツの表面粗度が大きいために、ＲＦ構成部品製造前に必要である。表面粗度は、誘電体シートの固有の粗度によって、及びさらに一般的には表面の下に埋め込まれている造作の両方によって決まる。過去においては、導電性接着剤固定を使用するセラミック回路に対する任意のサイズ制限が課されていた。この任意のサイズの選択の場合、改善された表面均一性はラップ仕上げと表面研磨によって達成できるが、この技法をさらにより大きな基板について実現するのは不経済となる。例えば、必要とされる表面均一性を持つ平行した表面を達成するように、１００ｍｍ２の基板の上面と下面の両方の表面を研削するには、数日を要する可能性がある。さらに、より大きい表面のセラミック研磨は、ウェハの特定の領域が他の領域より速くつやが出る局所的な平坦化の形である、ディッシング(dishing)と腐食などの他の共通した問題も引き起こすことがある。相互接続ボンドワイヤと共に多くのより小さい基板タイルを使用することは、所望される表面均一性を達成することへのより経済的な手法であることが判明しているが、多くのケースでは全体的な電気性能が危うくなる。

今日、衛星通信の分野では、単一のペイロードにより提供される機能性の増大に対する要求が、コストを最小限に抑えるという欲求によって動かされるに従い、衛星ペイロードの設計はなおさらに複雑化している。すべての衛星ペイロードは、原則的には、可能な限り小さく、可能な限り小さい質量となるように設計されるが、機能性の増大と最小コストに対する希求が続く中で、明らかな要件の対立がある。この状況を解決する１つの方法は、機能性が増大されたペイロードに必要とされる離散パッケージ数を削減するために、より高いレベルの統合のあるパッケージ化された電子回路を設計することである。ＨＴＣＣ技術とＬＴＣＣ技術の導入は、これらの技法に固有な多層機能のためにある程度の機能統合の増大を容易にしたが、それにも関わらず、依然として複数の回路層を活用するだけではなくさらに大きなセラミック基板をパッケージ化するという要望が存在する。

機能性の増大は、例えば１つの多層モジュールの中に、さらに多数の電気的に独立したＲＦ信号チャネルをパッケージ化することによって達成されてよい。しかしながら、物理的に近接しているこのような信号チャネルの独立した性質は、金属筐体の中で対処されなければならない、さらに要求の厳しい内部ＲＦ隔離要件を生じさせる結果となる。これは、言い換えると、基板トラッキングの筐体の内壁への接地は、多くの場合、過去により複雑ではないパッケージに入手可能であったものより、優れた品質でなければならないことを意味する。

図１を参照して前述されたように基板をその筐体に固定するために導電性接着剤を使用することは、接着剤硬化プロセスの前に筐体に取り付けるときの基板の亀裂又は応力を回避するために、セラミック基板の表面が均一であり、それが固定されることになる金属筐体の合わせ造作に平行であるときにだけ明確に実際的である。この問題と関連するリスクは、ＨＴＣＣプロセスとＬＴＣＣプロセスを使用して製造され、任意に大きくなることができるセラミック基板の場合特に高い。

要約すると、機械加工された、あるいは製造された筐体の中に、セラミック基板を固定するために導電性接着剤を使用する既存の組み立て技法は、使用されるセラミック基板の表面の不均一性に関わる悪影響による相対的に低い性能が問題となる。特に、接合導電率と関連付けられた絶縁パラメータは、通常、セラミック基板の物理的なサイズが拡大するにつれて減少する。

本発明の目的は、モジュールの他の特性を必要以上に危うくすることなく機能性の増大を達成できるように、これらの問題を緩和し、より大きな多層基板アセンブリのパッケージ化性能を改良することである。

機械的に堅牢であるだけではなく、高無線周波数で重要であることが公知である必要な電気的特性も提供する筐体構造に、大きなセラミックベースの多層回路基板を固定する改良された技法を提供することが、本発明のさらなる目的である。

第１の態様から、本発明は、その平面から突出する１つ以上の細長いスタブ壁を有するセラミック基板を提供するステップと、前記セラミック基板を焼成するステップと、前記細長いスタブ壁の平面が均一且つ平行となるまで基板の表面を処理するステップと、スタブ壁の前記処理された表面に導電性接着剤を塗布するステップと、前記基板上に、その平面から突出する１つ以上の部材を有する筐体蓋を、前記部材が複合構造を形成するために前記基板の前記スタブ壁と整列するように設置するステップを含む、パッケージ化された高周波回路モジュールを組み立てる方法に関する。

好ましい実施形態では、前記スタブ壁は少なくとも部分的に、基板の平面の周囲に広がるが、１つ以上のスタブ壁が基板の内面からも突出してよい。細長いスタブ壁は基板の上部平面と下部平面の両方から突出してよく、上部筐体蓋と下部筐体蓋がその上に取り付けられている。

基板表面の処理は、好ましくは表面の研削を備えるが、必要とされる場合には表面をラッピングする、及び／又は研磨することも実行されてよい。基板の上に筐体蓋を配置すると、複合構造に圧力が印加され、導電性接着剤の硬化が実行される。

第２の態様から、本発明はその平面から突出する１つ以上の細長いスタブ壁を有するセラミック基板を備える高周波回路モジュールに関し、前記スタブ壁の前記平面は、それらが均一且つ平行となるように処理されており、導電性接着剤層がスタブ壁の処理表面上にあり、筐体蓋が基板上に取り付けられ、前記蓋はその平面から突出する１つ以上の部材を有し、その結果前記部材は、複合構造を形成するために基板のスタブ壁と整列する。

本発明の一実施形態は、図面を参照してほんの一例として説明される。

図２は、本発明の好ましい実施形態によるセラミック基板の断面を描く。例示のためだけに、焼成されたセラミック基板の上面と下面は、前述された製造プロセスにより引き起こされる平面均一性歪みを示すために湾曲している。しかしながら、実際には、歪みは基板の表面全体で凹凸の形をしていることを理解されたい。

基板２は、誘電材によって互いから絶縁される複数の導電性層（図示せず）を備えてよい。導電性ＲＦ信号トラック６と７が、基板２の上面からはじまる第１の導電層として定義されている第１の導電層の中に形成される。接地平面１０は、第１の導電層に隣接する別の導電層の中に形成される。基板２は、基板２のある導電性平面から別の導電性平面に接続するために、複数のバイアホールを含む。ＨＴＣＣ製造プロセス及びＬＴＣＣ製造プロセスによって使用可能とされるように、ＲＦ接地平面の下には任意の数のさらなる回路層があり得ることを理解されたい。

セラミックの焼成の間、突出するスタブ壁１２は基板の外側リングトラック領域に、及び基板２の内面上の１つ以上の他の場所に形成される。これらのスタブ壁１２の基板２上のこれらの場所は、図１を参照して説明されたものに類似した金属筐体の一部を形成する締め付け蓋またはフレーム（図示せず）の、壁またはウェブの位置に対応する。蓋の壁と接地平面１０の間に電気的接点を確保するため、及びＲＦトラック６と７、及び組み立てられたときの筐体の間にＲＦ隔離を実現するために、導体柱、またはバイア１１の周期的配列がＲＦ接地平面１０からスタブ壁１２の上面に伸張する。さらなるスタブ壁１３は、基板の下面に形成されてよく、追加のバイアが接地面１０又は追加の内部接地平面（図示せず）の間で、図示されるようなスタブ壁１３の下方の下面に向かって広がる。

セラミック基板が焼成された後、スタブ壁１２と１３の表面を含むその表面は、前述されたようにある程度まで歪む。その結果として、個々のスタブ壁１２と１３の表面は互いに対して平行ではなくなり、基板をその筐体に固定するための接着剤の硬化時の問題を回避するために所望されるように均一ではなくなる。次に、セラミック基板の上面と下面は機械的に研削され、ラッピングされ、必要な場合には従来の方法で研磨される。しかしながら、スタブ壁１２と１３は基板から突出しているため、研削工具及び研磨工具は、基板表面全体ではなくこれらのスタブ壁１２と１３の表面だけと接触し、これらの領域はすべてのスタブ壁１２と１３の表面が、破線によって示されるように均一性が向上した状態で同時に平行となるまで処理される。処理される基板の領域は最小限に抑えられるため、ディッシングと腐食の問題は緩和される。

スタブ壁１２と１３の隙間高さ（つまりスタブ壁１２と１３が基板の平面から突出する距離）が処理されている基板のサイズと種類に依存することを理解されたい。例えば、１００ｍｍ平方のタイルＨＴＣＣ基板の場合、通常約０．３ｍｍの表面歪みを予想するであろう。同様なサイズに作られた、ＬＴＣＣで形成された基板の場合、０．６ｍｍから０．９ｍｍの範囲の表面歪みが典型的である。したがって、一体化したスタブ壁自体が基板の焼成時の類似した歪みレベルにさらされるため、スタブ壁の最小高さは、類似したサイズに作られ形成された基板によって経験される、典型的な表面歪みより大きくなければならない結果となる。類似したサイズに作られ同様に形成された基板の、予想表面歪みの典型的な値の２倍のスタブ壁の隙間高さの任意の選択が、効果的な処理を確実にするために適切であることが判明した。表面歪みのこれらの典型的な値は測定により決定される。しかしながら、スタブ壁の他の隙間高さが選択されてよいことを理解されたい。

平行した均一な基板表面は、導体柱またはバイアの周期的な配列と連通する外側リングトラックと内側壁トラックを形成する導電面を提供するために、さらに処理できる。これにより、導電性接着剤プロセスを使用して締め付け蓋、またはフレーム４を接合３できるようになり、前述された亀裂と応力の問題点を回避する。組み立てられた構造は図３に描かれている。

金属筐体の使用が、ソリッドベースメタルから内在的に構築されてはいないが、所望の静電遮蔽を提供するために外部金属化物と共に非導電性材料を使用する、他の製造手段を排除しないことを理解されたい。加えて、本発明は、内部断面電気絶縁性を提供するために、内壁、またはウェブのない筐体にも適用する。

本発明は、機械的に堅牢であるだけではなく、高無線周波数で多くの場合重大である、必要な電気特性も提供する金属筐体内でパッケージ化された、任意の便利なサイズの多層セラミック基板を達成する技法を提供する。前記構造は、衛星通信ペイロードの電子モジュール内での使用に特に適しているが、多様な他の応用例で使用されてもよい。

金属筐体内でパッケージ化された公知の多層セラミック基板の概略断面図である。 本発明の好ましい実施形態の歪んだ断面図であり、層を通して形成された電気的な接続のある多層セラミック基板を示し、基板が取り付けられる締め付け蓋またはフレームの、セラミックスタブ壁の上部及び下部に対応する２つの平行な面を示す図である。 金属筐体内に組み立てられる図２の多層セラミック基板の断面図である。

Claims (4)

1. パッケージ化された高周波回路モジュールを組み立てる方法において、
   セラミック基板であって、平面と、前記平面から突出する１つ以上の一体化形成された細長いスタブ壁を有するものを提供するステップと、
   前記セラミック基板を焼成するステップと、
   処理される基板の領域を最小限に抑えるために、前記基板の平面ではなく、前記スタブ壁の表面に処理工具が接触するように、前記細長いスタブ壁の前記１つ以上の平面が均一且つ平行になるまで、前記基板の表面を処理するステップと、
   前記１つ以上のスタブ壁の前記処理された表面に導電性接着剤を塗布するステップと、
   前記基板上に、その平面から突出する１つ以上の部材を有する筐体蓋を、前記１つ以上の部材が複合構造を形成するために前記基板の前記１つ以上のスタブ壁と整列するように設置するステップと
   を含み、
   前記１つ以上のスタブ壁の前記基板の平面からの突出は、このような基板の所定の表面歪み値に比例し、
   前記１つ以上のスタブ壁の前記基板の平面からの突出は、このような基板の所定の表面歪み値の２倍である方法。
2. 前記１つ以上のスタブ壁は、前記基板の平面の周囲に少なくとも部分的に伸張する、請求項１記載の方法。
3. 前記１つ以上のスタブ壁は、前記基板の内面から突出する、請求項１または２記載の方法。
4. パッケージ化された高周波回路モジュールを組み立てる方法において、
   セラミック基板であって、平面と、前記平面から突出する１つ以上の一体化形成された細長いスタブ壁を有するものを提供するステップと、
   前記セラミック基板を焼成するステップと、
   処理される基板の領域を最小限に抑えるために、前記基板の平面ではなく、前記スタブ壁の表面に処理工具が接触するように、前記細長いスタブ壁の前記１つ以上の平面が均一且つ平行になるまで、前記基板の表面を処理するステップと、
   前記１つ以上のスタブ壁の前記処理された表面に導電性接着剤を塗布するステップと、
   前記基板上に、その平面から突出する１つ以上の部材を有する筐体蓋を、前記１つ以上の部材が複合構造を形成するために前記基板の前記１つ以上のスタブ壁と整列するように設置するステップと
   を含み、
   前記蓋から突出する部材は導電性の部材であり、前記方法は、複数の導電層を提供することをさらに備え、前記複数の導電層は、前記基板中の少なくとも１つの接地平面と、複数の導体柱とを有し、前記蓋から突出する部材と、前記少なくとも１つの接地平面との間の電気的接点を提供する方法。

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