JP5257088B2

JP5257088B2 - パッケージ

Info

Publication number: JP5257088B2
Application number: JP2009006227A
Authority: JP
Inventors: 孝俊八木澤
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: JP2010166276A; US20100177489A1; US8228686B2

Description

本発明は、高周波用の伝送線路を備えた基板及び基板を搭載したＩＣパッケージの構造に関する。

例えば、４０Ｇｂ／ｓなどの高速（広帯域）な光信号に対応した光伝送システムで使用される光送受信機では、その内部に備えられる光変調器等を駆動する電気信号もまた高周波となる。このような高周波信号を取り扱う一部のデバイスにおいて、デバイスの間の電気的な接続は、ＤＣ（直流）成分をブロックしてＡＣ（交流）成分を結合する必要があり、最近ではデバイス小型化の要求を受けて、デバイスのパッケージ内にそのＤＣブロック回路も内蔵する傾向にある。

パッケージ内蔵型のＤＣブロック（又はＤＣカット）回路は、パッケージ内のＩＣチップとパッケージ外との間で高周波信号を入出力する伝送線路を形成した高周波用基板として提供され、その伝送線路にチップコンデンサ等を実装して構成される。伝送線路はセラミックス等の誘電体基板の表面にパターニングされており、該誘電体基板の裏面には接地導体が形成されて、一例としてマイクロストリップ線路の形態が提供される。この誘電体基板裏面の接地導体は、パッケージの筐体として提供されている金属基板に当接している。すなわち、誘電体基板は、金属基板に接地導体を当接させて載置される。そして、誘電体基板表面に形成された伝送線路の途中に、ギャップを挟んで対向した幅広のランド部が形成されており、そのギャップに架橋するようにして、チップコンデンサなどの電気部品がランド部に実装される。

このような高周波用の伝送線路は、５０Ωなどの所定の特性インピーダンスに整合するように線幅等が設計される。最近では、接続されるＩＣチップのボンディングパッドが狭ピッチ化しているので、これに対応させた細い線幅で所定の特性インピーダンスとなるように、伝送線路も設計されている。しかし、ＤＣブロック部分の伝送線路については、チップコンデンサを実装しなくてはならないため、その接続ランド用に線幅を太くせざるを得ない。したがって、この線幅を太くしたランド部の特性インピーダンスをいかに整合させるかを考える必要があり、特許文献１，２に記載された手法が提案されている。

特許文献１，２に記載された技術によれば、伝送線路において電気部品を実装するために線幅が太くなっているランド部に対し、当該ランド部を誘電体基板裏面に投影した領域の接地導体を削除することで、接地導体におけるランド部相当領域に開口部を形成している。さらに、該接地導体開口部下の金属基板（特許文献では金属製ケース又は金属ベース）に凹部（掘り下げ溝）を形成し、該凹部の深さを特定値に設計することにより、その上方にある伝送線路ランド部の特性インピーダンスを整合させている。

特開平０９−１０７２１０号公報特開２００８−１２５０３８号公報

上記のように金属基板に凹部を設けて、伝送線路ランド部の対接地容量を調整する手法の場合、その凹部の深さによって特性インピーダンスが決まるので（特許文献「ｈ２」・「Ｄ」参照）、凹部の加工には精度が要求される。しかし、凹部の加工は金属基板の機械切削で行わなければならないため、加工精度が高くはなく（公差±５０μｍ程度）、４０Ｇｂ／ｓ以上の光伝送で使用される高周波に対してまで有効とは言えない。また、凹部を形成した位置と接地導体開口部の位置とが正確に一致していないと、特性インピーダンスに影響するので、凹部の位置に対する開口部の位置決め精度、つまり、金属基板に対する誘電体基板の載置位置についても精度が要求される、といった改善点も存在する。

本発明は、このような技術背景に鑑みたもので、上述のような高周波用基板について、特性インピーダンス整合をとりやすくし、従来よりもさらに高周波に適した構造を提案するものである。

上記課題を解決するためにここで提案するパッケージは、高周波用基板を搭載する。該高周波用基板は、誘電体基板と、該誘電体基板の表面に形成され、ギャップを挟んで対向したランド部を有する伝送線路と、前記誘電体基板の裏面に形成され、前記ランド部相当領域に開口部を有する接地導体と、該接地導体を当接させて前記誘電体基板が載置されると共に、前記開口部に相当する部位に貫通孔を有する金属基板と、を備えるとともに、前記ランド部に電気部品が実装される。前記パッケージの筐体は、前記金属基板により構成される。前記パッケージは、前記筐体である金属基板上に、前記伝送線路と電気的に接続されたＩＣチップが搭載されて、該ＩＣチップが前記筐体及び前記誘電体基板により封止されるように構成され、前記貫通孔が該パッケージの外部と連接するように構成される。

本提案の高周波用基板では、加工精度の低い金属基板凹部の形状で特性インピーダンスを整合させずにすみ、加工精度の高い接地導体の開口形状によって特性インピーダンスを整合させることができる。また、接地導体の開口部が金属基板の貫通孔上に位置していれば良いだけので、金属基板に対する誘電体基板の載置位置についても、従来に比べて精度が要求されなくなる。したがって、従来よりも特性インピーダンス整合をとりやすくなり、さらに高周波に適した構造の基板を提供することができるようになる。

高周波用基板の実施形態を示した分解斜視図。図２Ａは、高周波用基板の実施形態を示した断面図、図２Ｂは、高周波用基板の実施形態を示した平面図、図２Ｃは、図２Ｂ中のａ−ａ断面線で示した断面図。伝送線路ランド部の線幅Ｗと接地導体開口部の開口幅Ｓとの関係を示したグラフ。高周波用基板の実施形態に関し、Ｓ１１及びＳ１２特性をＴＥＧ測定した結果を示したグラフ。

図１及び図２に、一つの例としてＤＣブロック回路を形成した高周波用基板の実施形態を示している。なお、以下の説明では、ＤＣブロックのためにチップコンデンサを電気部品として実装する例を示すが、電気部品がこれに限られるわけではなく、抵抗等、コンデンサ以外のものも含まれる。

本実施形態の高周波用基板は、セラミックス等の誘電体基板１０と、この例ではパッケージの筐体を兼ねている導電性の金属基板２０と、を含んで構成されている。なお、金属基板２０は、全体ではなく、要部を抜き出した一部断面を含む図で示してある。

誘電体基板１０の表面（図示の状態では上面）には、伝送線路１１がフォトリソグラフィ等の工程を利用して形成されている。伝送線路１１は、ギャップ１２を挟んで対向したランド部１３を途中に含む形状に、パターニングされる。ランド部１３は、電気部品としてＤＣブロックのためのチップコンデンサ１４をはんだ付け等で実装するために、伝送線路１１のその他の部分よりも線幅が広くなっている部分である。

この誘電体基板１０の裏面（図示の状態では下面）には、全域に接地導体１５が形成されており、表面の伝送線路１１と接地導体１５とでマイクロストリップ線路が構成されている。その接地導体１５において、伝送線路１１のランド部１３相当領域には、一例として四辺形の開口部１６が開けられている。開口部１６は、ギャップ１２及びランド部１３を誘電体基板１０の裏面に投影した領域を少なくとも含むように形成される。例えば、伝送線路１１の長手方向に対する開口部１６の長さは、伝送線路１１におけるギャップ１２及びランド部１３の長さとほぼ同等に形成され、開口部１６の幅は、後述のように、ランド部１３の線幅と同等以上に形成される。なお、開口部１６の形状は、後述するＷ／Ｓの関係を満たせば、楕円形、六角形、菱形などの他の形状でもよい。

誘電体基板１０の接地導体１５は、金属基板２０に当接させて、はんだ付け等にて固着される。この誘電体基板１０を載置した金属基板２０は、接地導体１５の開口部１６に相当する部位に、貫通孔２１を有している。一例として断面円形に形成されている本実施形態の貫通孔２１は、その口径Ｄ（図２Ｃ参照）が開口部１６よりも広く、開口部１６の全体を孔の内側に囲い込むことができるように形成されている。この円柱状の貫通孔２１は、機械切削により比較的容易に形成することが可能で、金属基板２０の内面（基板搭載面）から外面へ貫通している。したがって、接地導体１５の開口部１６に相当する部分には、空気などが位置することになる。あるいは、この貫通孔２１内に、図２に点線で示すように、電波吸収体２２を充填することもできる。電波吸収体２２を貫通孔２２内に入れることにより、伝送線路１１を伝搬する高周波信号の劣化が抑制され得る。

この高周波用基板は、一例として、光伝送システムの光送受信機に使用されるマッハツェンダ型のＬＮ（Lithium Niobate）光変調器を駆動する駆動器として使用されるＩＣパッケージにおいて、使用される。このようなＩＣパッケージの場合、図２に示すように、金属基板２０はパッケージの筐体として使用され、その側壁部には、パッケージ外からのコネクタとして、シリアライザからＬＮ光変調器の駆動信号を伝送してくる同軸線路２３が接続される。該同軸線路２３の外部導体は金属基板２０に電気的に接続され、内部導体は伝送線路１１に電気的に接続される。筐体としての金属基板２０には、誘電体基板１０と、その伝送線路１１にワイヤボンディングで電気的に接続されるＩＣチップ３０と、が搭載され、金属あるいはセラミックス製の蓋体２４により、ハーメチック封止される。金属基板２０には貫通孔２１が設けられているが、接地導体１５をはんだ付けした誘電体基板１０により貫通孔２１の一端が封鎖されるので、ハーメチック封止の状態を確保することができる。この例のＩＣチップ３０は、ＬＮ光変調器を駆動する駆動回路を集積した半導体チップである。

本実施形態の高周波用基板では、ランド部１３以外の部分の伝送線路１１については、所定の特性インピーダンス（例えば５０Ω）となるように、線幅が設計されている。当該部分の伝送線路１１は、ＩＣチップ３０のボンディングパッドとワイヤボンディングで接続されるので、そのボンディングパッドの狭ピッチに対応して、比較的細い線幅で形成される。一方、チップコンデンサ１４を実装するランド部１３の線幅は、その実装のために線幅を太くせざるを得ないので、他の部分とは特性インピーダンスが変わることになる。そこで、接地導体１５において当該ランド部１３相当領域に開口部１６を設け、且つ金属基板２０において開口部１６に相当する部位に貫通孔２１を設けることにより、その上方にあるランド部１３の特性インピーダンスを整合させるようにしている。

接地導体１５の開口部１６に対して貫通孔２１が配置されるので、ランド部１３の特性インピーダンス整合に関与するのは、開口部１６の形状（開口部１６周囲の接地導体１５の周縁形状）になる。すなわち、金属基板２０に開ける貫通孔２１は、その口径Ｄが開口部１６よりも広くなっていればよく、これによりランド部１３の特性インピーダンスは、当該貫通孔２１内に露呈した接地導体１５のパターンにより、調整される。接地導体１５は、伝送線路１１と同じくエッチング等を用いたパターニング（フォトリソグラフィ）で形成することができるので、従来に比べて高い精度（公差±１０μｍ程度）で所望の形状を形成することができる。

この接地導体１５のパターニングによって形成する開口部１６の形状について、図２Ｃに示している。図２Ｃは、図２Ｂ中のａ−ａ線断面で示した図で、ランド部１３の線幅方向における形状を示す。

図示のように、ランド部１３の線幅をＷ、開口部１６の開口幅をＳとした場合に、その比率Ｗ／Ｓをパラメータとして使用する。このＷ／Ｓについてシミュレーションを行った結果を図３に示す。図３のグラフは、比誘電率Ｅｒ＝１０及び厚さＴ＝０．２ｍｍの誘電体基板１０におけるＷ／Ｓとランド部１３の特性インピーダンスＺ０との関係を示している。特性インピーダンスＺ０については、目標値が５０Ωで、該目標値に対して±２０％の範囲に収まっていれば良い。実測の結果を見ると、０．５≦Ｗ／Ｓ≦１の範囲にあれば、特性インピーダンスＺ０が４０Ω〜６０Ωに収まることが確認される。

これに対し、金属基板２０に開ける貫通孔２１については、その孔内に開口部１６が位置していれば良いだけなので、従来のような形状精度は要求されない。また、図２Ｂに示すごとく、開口部１６全体が入るように余裕をもたせて貫通孔２１の口径Ｄを広く形成してあれば、金属基板２０に対する誘電体基板１０の載置位置についても、高い精度は要求されない。

つまり、本実施形態の高周波用基板では、加工精度の低い金属基板２０の凹部形状で特性インピーダンスを整合させずにすみ、加工精度の高い接地導体１５の開口形状によって特性インピーダンスを整合させることができる。また、接地導体１５の開口部１６が金属基板２０の貫通孔２１上に位置していれば良いだけので、金属基板２０に対する誘電体基板１０の載置位置についても、従来のような精度は必要ない。したがって、従来よりも特性インピーダンス整合がとりやすく、よりいっそう高周波に適した構造の基板を提供することができる。

図４に、ＴＥＧ（Test Element Group）実測の結果を示している。図２Ｃに示す構造の特性評価用デバイスを作成し、そのＳパラメータとしてＳ１１及びＳ２１を測定した。図示のように、Ｓ１１の反射特性及びＳ２１の伝送特性とも、４０ＧＨｚを越える高周波域まで良好であり、伝送特性の３ｄＢ帯域は６０ＧＨｚ以上となっていることが分かる。

以上、本実施形態に係る高周波用基板によると、接地導体の開口部に対して金属基板の貫通孔が配置されるので、伝送線路ランド部の特性インピーダンス整合に関与するのは、接地導体の開口形状（開口部周囲の接地導体周縁形状）になる。すなわち、金属基板に開ける貫通孔は、開口部よりも広く、言い換えると、開口部が貫通孔の内側に囲い込まれる広さに形成してあればよく、ランド部の特性インピーダンスは、その貫通孔内側に露呈した接地導体のパターンにより、調整される。接地導体は、伝送線路と同じくエッチング等を用いたパターニングで形成することができるので、高い精度で所望の形状を形成することができる。一方、金属基板の貫通孔については、その孔内に接地導体の開口部が位置していれば良いだけなので、従来のように凹部深さなどの形状精度は要求されない。また、接地導体開口部と金属基板貫通孔とを正確に一致させて配置する必要はなく、広めに形成した貫通孔の内側に開口部を位置させれば良いので、金属基板に対する誘電体基板の載置位置についても、高い精度は要求されないことになる。

以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）
誘電体基板と、
該誘電体基板の表面に形成され、ギャップを挟んで対向したランド部を有する伝送線路と、
前記誘電体基板の裏面に形成され、前記ランド部相当領域に開口部を有する接地導体と、
該接地導体を当接させて前記誘電体基板が載置されると共に、前記開口部に相当する部位に貫通孔を有する金属基板と、
を含んで構成される高周波用基板。

（付記２）
付記１記載の高周波用基板であって、
前記開口部の開口幅をＳ、前記ランド部の線幅をＷとした場合に、０．５≦Ｗ／Ｓ≦１の関係にある、高周波用基板。

（付記３）
付記１又は付記２記載の高周波用基板であって、
前記貫通孔は、前記開口部全体が中に入る断面円形で形成されている、高周波用基板。

（付記４）
付記１〜３のいずれかに記載の高周波用基板であって、
前記貫通孔内に電波吸収体が充填されている、高周波用基板。

（付記５）
付記１〜４のいずれかに記載の高周波用基板であって、
前記ランド部に電気部品が実装されている、高周波用基板。

（付記６）
付記５記載の高周波用基板であって、
前記電気部品がコンデンサである、高周波用基板。

（付記７）
前記ランド部に電気部品を実装した付記１〜４のいずれかに記載の高周波用基板を搭載したパッケージであって、
前記金属基板が筐体となっているパッケージ。

（付記８）
付記７記載のパッケージであって、
前記筐体である金属基板上に、前記伝送線路と電気的に接続されたＩＣチップが搭載されて、該ＩＣチップが前記筐体及び前記誘電体基板により封止されている、パッケージ。

（付記９）
付記８記載のパッケージであって、
前記ＩＣチップが光変調器を駆動する駆動回路を集積したものである、パッケージ。

（付記１０）
付記７〜９のいずれかに記載のパッケージであって、
前記電気部品がコンデンサである、パッケージ。

１０誘電体基板
１１伝送線路
１２ギャップ
１３ランド部
１４チップコンデンサ（電気部品）
１５接地導体
１６開口部
２０金属基板
２１貫通孔
２２電波吸収体

Claims

高周波用基板を搭載したパッケージであって、
前記高周波用基板は、
誘電体基板と、
該誘電体基板の表面に形成され、ギャップを挟んで対向したランド部を有する伝送線路と、
前記誘電体基板の裏面に形成され、前記ランド部相当領域に開口部を有する接地導体と、
該接地導体を当接させて前記誘電体基板が載置されると共に、前記開口部に相当する部位に貫通孔を有する金属基板と、
を備えるとともに、前記ランド部に電気部品が実装され、
前記パッケージの筐体は、前記金属基板により構成され、
前記パッケージは、
前記筐体である金属基板上に、前記伝送線路と電気的に接続されたＩＣチップが搭載されて、該ＩＣチップが前記筐体及び前記誘電体基板により封止されるように構成され、
前記貫通孔が該パッケージの外部と連接するように構成された、パッケージ。
請求項１記載のパッケージであって、
前記開口部の開口幅をＳ、前記ランド部の線幅をＷとした場合に、０．５≦Ｗ／Ｓ≦１の関係にある、パッケージ。
請求項１又は請求項２記載のパッケージであって、
前記貫通孔は、前記開口部全体が中に入る断面円形で形成されている、パッケージ。
請求項１〜３のいずれか１項記載のパッケージであって、
前記貫通孔内に電波吸収体が充填されている、パッケージ。