JP4821326B2

JP4821326B2 - 高周波貫通信号線路

Info

Publication number: JP4821326B2
Application number: JP2006003458A
Authority: JP
Inventors: 有西野; 守泰宮▲ざき▼; 直高木; 善夫藤井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: JP2007189302A

Description

この発明は、貫通構造を有する高周波信号線路に関する。

従来の高周波貫通信号線路においては、信号線路とグランド導体とが基板内部の貫通導体と接続する位置を調整し、導体中の反射波を低減する構成になっていた（例えば、非特許文献１参照）。
M. Reimann著「RF-MEMS and Packaging Strategies」，International Microwave Symposium 2004, 2004, Workshop WMG-2（４１，４２頁）

従来の高周波貫通信号線路においては、基板表面に形成された第１の表面グランド導体線路と基板裏面に形成された第１の裏面グランド導体線路とを電気的に接続する第１の貫通導体と、基板表面に形成された第２の表面グランド導体と基板裏面に形成された第２の裏面グランド導体線路とを電気的に接続する第２の貫通導体とを有し、第２の貫通導体は、第１の貫通導体から第２の表面グランド導体線路への垂線と重なる位置に形成されているため、表面の信号伝送方向と裏面の信号伝送方向とが異なる場合、特に９０度伝送方向が異なる場合には、裏面のグランド導体線路同士が重なってしまうといった問題があった。

この発明は、上述の問題を解決するためにためになされたものであり、基板表面の信号伝送方向と裏面の信号伝送方向が異なる場合であっても、伝送損失が少なく、小型な高周波貫通信号線路を得ることを目的とする。

この発明に係る高周波貫通信号線路は、半導体基板と、半導体基板の表面に形成された第１の表面グランド導体線路と、半導体基板の表面に第１の表面グランド導体線路と平行に形成された第２の表面グランド導体線路と、半導体基板の表面に前記第１の表面グランド導体線路と前記第２の表面グランド導体線路の間に平行に形成された表面信号線路と、半導体基板の裏面に前記第１の表面グランド導体線路と少なくとも一部が対向するように形成された第１の裏面グランド導体線路と、半導体基板の裏面に前記第２の表面グランド導体線路と少なくとも一部が対向し、第１の裏面グランド導体線路と平行に形成された第２の裏面グランド導体線路と、半導体基板の裏面に表面信号線路と少なくとも一部が対向し、前記第１の裏面グランド導体線路と前記第２の裏面グランド導体線路の間に形成された裏面信号線路と、第１の表面グランド導体線路と第１の裏面グランド導体線路とを半導体基板を貫通して対向部において電気的に接続する第１の貫通導体と、第２の表面グランド導体線路と第２の裏面グランド導体線路とを半導体基板を貫通して対向部において電気的に接続する第２の貫通導体と、表面信号線路と裏面信号線路とを半導体基板を貫通して対向部において電気的に接続する第３の貫通導体と、を備え、第１の貫通導体を、第２の貫通導体および第３の貫通導体から第１の表面グランド導体線路への半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、第２の貫通導体を、第３の貫通導体および第１の貫通導体から第２の表面グランド導体線路への半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、第３の貫通導体を、第１の貫通導体および第２の貫通導体から表面信号線路への半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、第１の貫通導体のインピーダンスを第１の表面グランド導体線路のインピーダンスと等しく、第２の貫通導体のインピーダンスを第２の表面グランド導体線路のインピーダンスと等しく、第３の貫通導体のインピーダンスを表面信号線路のインピーダンスと等しくするよう第１、第２、第３の貫通導体相互間の距離を設定したことを特徴とするものである。

この発明は、第１の貫通導体を、第２の貫通導体および第３の貫通導体から第１の表面グランド導体線路への半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、第２の貫通導体を、第３の貫通導体および第１の貫通導体から第２の表面グランド導体線路への半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、第３の貫通導体を、第１の貫通導体および第２の貫通導体から表面信号線路への半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、第１の貫通導体のインピーダンスを第１の表面グランド導体線路のインピーダンスと等しく、第２の貫通導体のインピーダンスを第２の表面グランド導体線路のインピーダンスと等しく、第３の貫通導体のインピーダンスを表面信号線路のインピーダンスと等しくするよう第１、第２、第３の貫通導体相互間の距離を設定したので、基板表面の信号伝送方向と裏面の信号伝送方向が異なる場合であっても、半導体基板の表面に形成された伝送線路と貫通導体との接続点での反射を低減し、伝送損失が少なく、小型な高周波貫通信号線路を得ることが可能である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における高周波貫通信号線路を示す斜視図である。図１において、半導体基板１０１の表面に第１の表面グランド導体線路１０２、第２の表面グランド導体線路１０４が平行に形成され、これらの表面グランド導体線路１０２、１０４の間に表面信号線路１０３が形成されている。また、半導体基板１０１の裏面には第１の表面グランド導体線路１０２と少なくとも一部が対向するように第１の裏面グランド導体線路１０５が形成され、また、第２の表面グランド導体線路１０４と少なくとも一部が対向し、第１の裏面グランド導体線路１０５と平行に第２の裏面グランド導体線路１０７が形成されている。さらに、これら裏面グランド導体線路１０５、１０７の間に、表面信号線路１０３と少なくとも一部が対向するように裏面信号線路１０６が形成されている。また、半導体基板１０１の表面の信号伝送方向と裏面の信号伝送方向とは同一である。

また、第１の表面グランド導体線路１０２と第１の裏面グランド導体線路１０５とは対向部において、半導体基板１０１を貫通する第１の貫通導体１０８によって電気的に接続されている。同様に、第２の表面グランド導体線路１０４と第２の裏面グランド導体線路１０７とは第２の貫通導体１１０により、表面信号線路１０３と裏面信号線路１０６とは第３の貫通導体１０９によりそれぞれ電気的に接続されている。また、第１の貫通導体は第２の貫通導体および第３の貫通導体から第１の表面グランド導体線路１０２への垂線とは重ならない位置に、第２の貫通導体は第３の貫通導体から第２の表面グランド導体線路への垂線とは重ならない位置にそれぞれ形成されている。本実施の形態１においてはそれぞれの貫通導体１０８、１０９、１１０は信号線路の進行方向に対して４５度の角度で一列になるように形成されている。さらに、貫通導体１０８、１０９、１１０で構成された半導体基板１０１内を垂直方向に伝送する伝送線路のインピーダンスは５０Ωになるように設定されている。通常、表面信号線路１０３と表面グランド導体線路１０２、１０４とのキャパシタンスは、貫通導体１０８、１０９、１１０で構成された伝送線路のキャパシンタンスよりも小さいために、貫通導体で構成された伝送線路のインピーダンスのほうが小さくなる。

次に、このように構成された高周波貫通信号線路の動作について図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態１における高周波貫通信号線路の上面図と断面図を示すものである。まず、表面信号線路１０３と表面グランド導体線路１０２，１０４とからなる伝送線路を信号が伝送する。この信号は、貫通導体１０８，１０９，１１０よりなる伝送線路へ伝達し、その後、裏面信号線路１０６と裏面グランド導体線路１０５，１０７とからなる伝送線路へと伝達していく。もし、貫通導体１０８，１０９，１１０を信号の伝送方向に対して垂直に同一線上に形成した場合、半導体基板１０１の表面に形成された伝送線路のインピーダンスを５０Ωに設定すると、貫通導体で構成される伝送線路のインピーダンスは５０Ωよりも小さくなる。このため、表面信号線路１０３と貫通導体１０９の接続点と裏面信号線路１０６と貫通導体１０９との接続点において信号の一部が反射され、伝送線路の特性が劣化する。

しかし、本実施の形態に係る高周波貫通信号線路においては、貫通導体１０８，１０９，１１０は半導体基板１０１表面および裏面に形成された伝送線路の信号の伝送方向に対して垂直方向に、かつ、それぞれ重ならない位置に形成され、貫通導体同士の距離が、この伝送線路のインピーダンスが５０Ωになるように設定されているので、半導体基板１０１表面に形成された伝送線路と半導体基板１０１内を垂直方向に伝送する伝送線路との接続点での反射を低減することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１においては、半導体基板の表面に形成された伝送線路と裏面に形成された伝送線路の信号伝送方向は同一であったが、本実施の形態２では図３に示すように表面と裏面とで信号伝送方向が９０度だけ異なっている場合について説明する。図３は本実施の形態２の高周波貫通信号線路を示すものであり、図２に相当する部分については、下二桁を同一とした番号を付し、説明を省略する。また、本実施の形態では半導体基板２０１表面の伝送線路と裏面の伝送線路の信号伝送方向を９０度だけ異なったものについて説明するが、角度の変化は９０度に限られず、この高周波貫通信号線路の設計に適した角度を選択することが可能である。

このように構成された高周波貫通信号線路においては、貫通導体２０８，２０９，２１０は半導体基板２０１表面および裏面に形成された伝送線路の信号の伝送方向に対して垂直にそれぞれ重ならない位置に形成されているために、半導体基板２０１の表面と裏面とに形成された伝送線路の信号の伝送線路を９０度だけ異なるようにしても、裏面に形成された裏面信号線路２０６と裏面グランド導体線路２０４，２０６がそれぞれ重なり合わない構成にすることが可能となる。従って、半導体基板２０１表面に形成された伝送線路と半導体基板２０１内を垂直方向に伝送する伝送線路との接続点での反射を低減することが可能となるとともに、表面と裏面の伝送方向を変化させることが可能となる。本実施の形態の高周波貫通信号線路においては、表面と裏面の伝送方向を変化させることが可能であるので、設計の自由度が広がり装置全体を小型化することが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２においては、貫通導体３つのものであったが、図４に示すように、貫通導体は３つの場合に限られない。図４は本発明の実施の形態３の高周波貫通導体線路の構成を示す図であり、図２に相当する部分については、下二桁を同一とした番号を付し、説明を省略する。図４においては、実施の形態１と同様に貫通導体３０８，３０９，３１０は半導体基板３０１表面および裏面に形成された伝送線路の信号の伝送方向に対して垂直方向にそれぞれ重ならない位置に形成されると共に、第１の表面グランド導体線路３０２と第１の裏面グランド導体線路３０５とを電気的に接続する第４の貫通導体３１１および第２の表面グランド導体線路３０４と第２の裏面グランド導体線路３０７とを電気的に接続する第５の貫通導体３１２が形成されている。また、第４の貫通導体は第２の貫通導体３１０から第１の表面グランド導体線路３０２への垂線と重なる位置に、第５の貫通導体３１２は第１の貫通導体３０８から第２の表面グランド導体線路３０４への垂線と重なる位置にそれぞれ形成されている。従って、表面信号線路３０３と裏面信号線路３０６とを電気的に接続する第３の貫通導体３０９を囲い込むように他の貫通導体が形成されている。また、本実施の形態においては、貫通導体３０８，３０９，３１０，３１１，３１２で構成された半導体基板３０１内を垂直方向に伝送する伝送線路のインピーダンスは５０Ω になるように設定されている。

このように構成された高周波貫通導体線路においては、半導体基板３０１内を垂直方向に伝送する伝送線路において、信号線路である第３の貫通導体３０９を取り囲むように、グランド電位のその他の貫通導体３０８，３１０，３１１，３１２が形成されているために、半導体基板３０１内での不要な回り込みの電磁波の放射を低減することが可能となる。

また、図５に示すように、半導体基板３０１表面に第１の表面グランド導体線路３０２と第２の表面グランド導体線路３０４とを電気的に接続する表面接続導体３１３、半導体基板３０１裏面に第１の裏面グランド導体線路３０５と第２の裏面グランド導体線路３０７とを電気的に接続する裏面接続導体３１４がそれぞれ形成されるような構成になっていても良い。このような構成にすることにより、不要な放射を抑制し、伝送特性を改善することが可能となる。

実施の形態４．
実施の形態３においては、半導体基板の表面に形成された伝送線路と裏面に形成された伝送線路の信号伝送方向は同一であったが、本実施の形態４では図６に示すように表面と裏面とで信号伝送方向が９０度だけ異なっている場合について説明する。図６は本実施の形態４の高周波貫通信号線路を示すものであり、図４に相当する部分については、下二桁を同一とした番号を付し、説明を省略する。また、本実施の形態では半導体基板４０１表面の伝送線路と裏面の伝送線路の信号伝送方向を９０度だけ異なったものについて説明するが、角度の変化は９０度に限られず、この高周波貫通信号線路の設計に適した角度を選択することが可能である。

このように構成された高周波貫通信号線路においては、実施の形態２に記載の高周波貫通信号線路と同様に、表面と裏面の伝送方向を変化させることにより、設計の自由度が広がり装置全体を小型化することが可能となるとともに、実施の形態３と同様に半導体基板４０１内での不要な回り込みの電磁波の放射を低減することが可能となる。

また、図７に示すように、半導体基板４０１表面に第１の表面グランド導体線路４０２と第２の表面グランド導体線路４０４とを電気的に接続する表面接続導体４１３、半導体基板４０１裏面に第１の裏面グランド導体線路４０５と第２の裏面グランド導体線路４０７とを電気的に接続する裏面接続導体４１４がそれぞれ形成されるような構成になっていても良い。このような構成にすることにより、不要な放射を抑制し、伝送特性を改善することが可能となる。

実施の形態５．
図８はこの発明を実施するための実施の形態５における高周波貫通信号線路を示すものである。図８において図４に相当する部分については、下二桁を同一とした番号を付し、説明を省略する。図８の高周波貫通信号線路においては、表面グランド導体線路と裏面グランド導体線路とを電気的に接続する貫通導体と、表面信号線路と裏面信号線路とを電気的に接続する貫通導体との間に貫通孔５１５，５１６を設け、半導体基板５０１よりも誘電率の小さい物質を充填したものである。

このように構成された高周波貫通信号線路においては、貫通孔５１５，５１６がない場合に比べて貫通導体５０９と貫通導体５０８，５１０，５１１，５１２との距離を短くしても、貫通導体の電気的な距離を同一にできるので、貫通導体同士のキャパシタンスを同一にすることが可能となる。従って、貫通導体で構成される伝送線路のインピーダンスを５０Ωに設定する場合において、貫通孔５１５，５１６がない場合よりも貫通導体５０９と貫通導体５０８，５１０，５１１，５１２との距離を短くすることが可能である。よって、この高周波貫通信号線路全体で占める面積を小さくすることが可能となる。

この発明の実施の形態１を示す高周波貫通信号線路の斜視図である。この発明の実施の形態１を示す高周波貫通信号線路の上面図及び断面図である。この発明の実施の形態２を示す高周波貫通信号線路の上面図及び断面図である。この発明の実施の形態３を示す高周波貫通信号線路の上面図及び断面図である。この発明の実施の形態３を示す高周波貫通信号線路の上面図及び断面図である。この発明の実施の形態４を示す高周波貫通信号線路の上面図及び断面図である。この発明の実施の形態４を示す高周波貫通信号線路の上面図及び断面図である。この発明の実施の形態５を示す高周波貫通信号線路の上面図及び断面図である。

符号の説明

１０１半導体基板、１０２第１の表面グランド導体線路、１０３表面信号線路、１０４第２の表面グランド導体線路、１０５第１の裏面グランド導体線路、１０６裏面信号線路、１０７第２の裏面グランド導体線路、１０８第１の貫通導体、１０９第３の貫通導体、１１０第２の貫通導体、３１３表面接続導体、３１４裏面接続導体

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の表面に形成された第１の表面グランド導体線路と、
前記半導体基板の表面に前記第１の表面グランド導体線路と平行に形成された第２の表面グランド導体線路と、
前記半導体基板の表面に前記第１の表面グランド導体線路と前記第２の表面グランド導体線路の間に平行に形成された表面信号線路と、
前記半導体基板の裏面に前記第１の表面グランド導体線路と少なくとも一部が対向するように形成された第１の裏面グランド導体線路と、
前記半導体基板の裏面に前記第２の表面グランド導体線路と少なくとも一部が対向し、前記第１の裏面グランド導体線路と平行に形成された第２の裏面グランド導体線路と、
前記半導体基板の裏面に前記表面信号線路と少なくとも一部が対向し、前記第１の裏面グランド導体線路と前記第２の裏面グランド導体線路の間に形成された裏面信号線路と、
前記第１の表面グランド導体線路と前記第１の裏面グランド導体線路とを前記半導体基板を貫通して対向部において電気的に接続する第１の貫通導体と、
前記第２の表面グランド導体線路と前記第２の裏面グランド導体線路とを前記半導体基板を貫通して対向部において電気的に接続する第２の貫通導体と、
前記表面信号線路と前記裏面信号線路とを前記半導体基板を貫通して対向部において電気的に接続する第３の貫通導体と、
を備え、
前記第１の貫通導体を、前記第２の貫通導体および前記第３の貫通導体から前記第１の表面グランド導体線路への前記半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、
前記第２の貫通導体を、前記第３の貫通導体および前記第１の貫通導体から前記第２の表面グランド導体線路への前記半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、
前記第３の貫通導体を、前記第１の貫通導体および前記第２の貫通導体から前記表面信号線路への前記半導体基板の表面における垂線とは重ならない位置に形成し、
前記第１の貫通導体のインピーダンスを前記第１の表面グランド導体線路のインピーダンスと等しく、前記第２の貫通導体のインピーダンスを前記第２の表面グランド導体線路のインピーダンスと等しく、前記第３の貫通導体のインピーダンスを前記表面信号線路のインピーダンスと等しくするよう前記第１、第２、第３の貫通導体相互間の距離を設定したことを特徴とする高周波貫通信号線路。
前記第１の貫通導体および前記第２の貫通導体および前記第３の貫通導体はそれぞれ同一直線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波貫通信号線路。
前記第１の表面グランド導体線路と前記第１の裏面グランド導体線路とは前記第１の貫通導体を介して垂直に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波貫通信号線路。
前記半導体基板の表面に形成され、前記第１の表面グランド導体線路と前記第２の表面グランド導体線路とを電気的に接続する表面接続導体と、
前記半導体基板の裏面に形成され、前記第１の裏面グランド導体線路と前記第２の裏面グランド導体線路とを電気的に接続する裏面接続導体と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高周波貫通信号線路。