JP6923431B2 - 高周波基体、高周波パッケージおよび高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、高周波基体、高周波基体を用いた高周波パッケージ、および高周波モジュールに関する。

近年、携帯電話等の普及により、無線通信機器では、より高速化、大容量の情報を伝送するために高周波化がすすめられている。そのなかでも、高周波基体が知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−３１１６８２号公報

特許文献１に開示された技術では、誘電体基板に信号を伝送する第１線路導体および第２線路導体が設けられている。第１線路導体と第２線路導体とは、並行に延びている。しかしながら、特許文献１の技術では、第１線路導体と第２線路導体との間におけるインピーダンスの値が低くなり、高周波の信号の伝送において損失が大きくなる場合があった。

本発明の一実施形態にかかる高周波基体は、絶縁基体と、第１金属層と、第２金属層とを備えている。絶縁基体は、上面に第１切欠き部と、第１切欠き部と間を空けるとともに第１切欠き部よりも外側に位置した第２切欠き部を有する。第１金属層は、絶縁基体の上面に位置するとともに、平面視において第１切欠き部および第２切欠き部に隣接して、高周波信号を通す。第２金属層は、絶縁基体の上面および第２切欠き部の側面から下面に連続して位置するとともに、第１金属層と間を空けて位置している。絶縁基体の上面には、平面視において、絶縁基体の内側に、第２切欠き部と連続した凹部を有している。

本発明の一実施形態にかかる高周波パッケージは、基板と、前記基板の上面に接合された、貫通孔を有する枠体と、前記枠体の前記貫通孔に固定された上述の高周波基体とを備えている。

本発明の一実施形態にかかる高周波モジュールは、上述の高周波パッケージと、上述の高周波パッケージに収納され、前記高周波基体と電気的に接続される半導体素子と、前記枠体の上端に接合された、前記半導体素子を覆うとともに前記高周波パッケージの内部を覆った蓋体とを備えている。

本発明の一実施形態に係る高周波基体は、上記のような構成であることによって、周波数特性を向上させることができる。また、高周波の信号を良好な条件で伝送することができる高周波パッケージおよび高周波モジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの上面図である。 本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの下面斜視図である。 本発明の一実施形態に係る高周波基体の平面図である。 本発明の一実施形態に係る高周波基体の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る高周波基体の側面図である。 本発明の一実施形態に係る高周波基体（接続部材無し）の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る高周波基体の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る高周波基体の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る高周波モジュールの斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係る高周波基体について、図面を参照しながら説明する。

＜高周波基体の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの上面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの斜視図である。図３は、本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの下面斜視図である。図４は、本発明の一実施形態に係る高周波基体の平面図である。図５は、本発明の一実施形態に係る高周波基体の斜視図である。図６は、本発明の一実施形態に係る高周波基体の側面図である。図７は、本発明の一実施形態に係る高周波基体（接続部材無し）の斜視図である。図８は、本発明の一実施形態に係る高周波基体の断面図である。図９は、本発明の他の実施形態に係る高周波基体の斜視図である。これらの図において、高周波パッケージ２は、高周波基体１を備えている。高周波基体１は、絶縁基体１０、第１金属層２１および第２金属層２２を備えている。

絶縁基体１０は、複数の誘電体からなる複数の絶縁層が積層されてなる。絶縁基体１０は、たとえば平面視において、矩形状やコの字形（矩形の１辺が無い形状）であり、大きさが４ｍｍ×８ｍｍ〜２５ｍｍ×５０ｍｍで、高さが１ｍｍ〜１０ｍｍである。絶縁基体１０を構成する絶縁層の各層は、誘電体材料からなる。誘電体材料としては、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体または窒化珪素質焼結体のようなセラミック材料、またはガラスセラミック材料を用いることができる。

絶縁基体１０の上面には、最表に位置する絶縁層（以下、最上層の絶縁層とする）を貫通するとともに、平面視における絶縁基体１０の外縁の１辺に開口した第１切欠き部１１と、第２切欠き部１２とが位置している。絶縁基体１０の端部は、平面視において、この各切欠き部が開口している外縁と重なる位置のことをいう。第１切欠き部１１と第２切欠き部１２とは間を空けて位置している。第１切欠き部１１および第２切欠き部１２とは同じ方向に延びている。また、第２切欠き部１２は、第１切欠き部１１よりも外側に位置している。第１切欠き部１１および第２切欠き部１２は、平面視において、たとえば矩形状であり、大きさが０．２ｍｍ×１ｍｍ〜２ｍｍ×１０ｍｍである。第１切欠き部１１および第２切欠き部１２は、平面視において、楕円形状、正方形状、角部が丸い矩形状であってもよい。また、第１切欠き部１１および第２切欠き部１２は、断面視において、たとえば矩形状であり、絶縁基体１０の上面に平行な方向の長さは０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、絶縁基体１０の上面に垂直な方向の長さ、即ち、第１切欠き部１１および第２切欠き部１２の深さは、０．２ｍｍ〜２ｍｍである。第１切欠き部１１および第２切欠き部１２は、断面視において、テーパ状、逆テーパ状および階段形状であってもよい。第１切欠き部１１および第２切欠き部１２は、空気あるいは樹脂材料やガラス材料等からなる誘電体材料で満たされており、絶縁基体１０よりも誘電率が低くなっているのがよい。

絶縁基体１０のうち、複数の絶縁層の間に位置する絶縁層の上面で、平面視において、第１切欠き部１１および第２切欠き部１２と重なる位置の周囲ならびに第１金属層２１および第２金属層２２と重なる位置には、複数の接地導体が位置していてもよく、貫通導体
等で上下の接地導体が電気的に接続されている。

絶縁基体１０には接地導体が設けられていてもよい。具体的には、内部の接地導体または下面接地導体層は、たとえば最表層の絶縁層（最上層と反対側。以下、最下層の絶縁層とする）の上面または下面の全体に設けられてよい。また、内部の接地導体は、たとえば、タングステン、モリブデンおよびマンガンなどの金属材料から成っている。また、下面接地導体層は、たとえば、タングステン、モリブデンおよびマンガンなどの金属材料からなり、表面にニッケルめっきや金めっきが施されて成っている。

図１および図２に示すように、絶縁基体１０の上面、つまり最上層の絶縁層の上面には、第１切欠き部１１と第２切欠き部１２と隣接した、第１金属層２１が設けられている。第１金属層２１は、たとえば、金、銀、銅、ニッケル、タングステン、モリブデンおよびマンガンなどの金属材料から成り、絶縁層の表面にメタライズ層やめっき層等の形態で同時焼成されたり、金属めっきされてなるものでもよい。また、第１金属層２１は、幅が０．０５ｍｍ〜２ｍｍで、長さが、１ｍｍ〜２０ｍｍである。第１金属層２１は、高周波（例えば１０〜６０ＧＨｚ）の信号を伝送する。このとき、第１金属層２１は、複数位置していてもよい。第１金属層２１が複数ある場合には、第１金属層２１同士の間に第１切欠き部１１が位置しており、複数の第１金属層２１を間に挟んで第２切欠き部１２が位置するのがよい。

また、第１金属層２１は、リード端子等の接続部材４０が接合される端子部３１と、信号が伝送される線路部３２とを有している。この端子部３１は、たとえば、平面視において、長さが０．２ｍｍ〜１０ｍｍで、幅が０．１ｍｍ〜２ｍｍであり、線路部３２は、長さが１ｍｍ〜２０ｍｍで、幅が０．０５ｍｍ〜２ｍｍである。また、端子部３１および線路部３２の厚みは、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。

また、絶縁基体１０の上面、つまり最上層の絶縁層の上面には、第１金属層２１と間を空けて、第１金属層２１と並行に延びている箇所を有している、第２金属層２２が設けられている。第２金属層２２は、たとえば、金、銀、銅、ニッケル、タングステン、モリブデンおよびマンガンなどの金属材料から成り、最上層の絶縁層の表面にメタライズ層やめっき層等の形態で同時焼成されたり、金属めっきされてなるものでもよい。第２金属層２２は、接地導体と接続される。また、第２金属層２２は第１金属層２１と間を空けるとともに、第１金属層２１の線路部３２に沿って位置しているため、信号配線としての第１金属層２１をコプレーナ構造とすることができる。コプレーナ構造とすることで、高周波の信号を円滑に伝達することができる。

第２金属層２２は、絶縁基体１０の上面、つまり最上層の絶縁層の上面のみでなく、第２切欠き部１２の側面および下面にも位置している。このとき、絶縁基体１０の上面から連続して位置している。

絶縁基体１０の上面には、平面視において、絶縁基体１０の内側に、第２切欠き部１２と連続した凹部１３が位置している。凹部１３の表面には、第２金属層２２は位置していない。つまり、凹部１３と重なる位置においては、絶縁基体１０の表面が露出している。また、凹部１３は、平面視において、例えば、半円状である。他にも、矩形状、半楕円状等であってもよい。凹部１３は、深さが０．２ｍｍ〜２ｍｍであり、例えば平面視において半円状であれば半径が０．１ｍｍ〜２ｍｍである。このとき、凹部１３は、第２切欠き部１２と同じ深さであってよい。同じ深さであると、加工が容易にしやすくなる。

本発明の実施形態に係る高周波基体１は、第１金属層２１と第２金属層２２との間に第２切欠き部１２および凹部１３があることによって空間が形成され、第１金属層２１と第
２金属層２２との間の誘電率を小さくすることができる。このため、第１金属層２１と第２金属層２２との間を狭くすることによって静電容量が大きくなり、このとき凹部１３があることによって静電容量を小さくすることができる。このため、静電容量が大きくなることに伴って所望の値より小さくなりやすくなる特性インピーダンスを大きくしやすくすることができる。ひいては、所望の特性インピーダンスに制御することができる。その結果、高周波基体１は、第１金属層２１と第２金属層２２との間の特性インピーダンスを所望の値に整合しやすくすることができ、高周波特性を向上することができる。また、凹部１３があることによって、第１金属層２１と第２金属層２２の電気的な接触を低減させることができる。

本発明の他の実施形態に係る高周波基体１において、凹部１３は、平面視において、第２切欠き部の開口よりも幅が細くなっている。このことによって、端子部３１および線路部３２と第２金属層２２との空間距離を調整することにより、端子部３１および線路部３２と第２金属層２２間の誘電率を均一に保ちやすく、特性インピーダンスを所望の値に整合しやすくすることができる。

本発明の他の実施形態に係る高周波基体１において、凹部１３は、線路部３２と並行に位置していてもよい。このことによって、線路部３２と第２金属層２２との間で生じるインピーダンスを大きくしやすくすることができる。

本発明の他の実施形態に係る高周波基体１において、第１金属層２１は、絶縁基体１０の端部よりも内側に位置していてもよい。つまり、端子部３１の端は、絶縁基体１０の端部、つまり平面視において、絶縁基体１０の外縁よりも内側に位置しており、絶縁基体１０の外縁と重ならない。また、第２金属層２２は、絶縁基体１０の端部と重なって位置していてもよい。つまり、平面視において、絶縁基体１０の外縁と重なっている。第２金属層２２が、高周波基体１の端まで位置していることによって、第２金属層２２がグランドとしてより有効に機能することができる。

本発明の他の実施形態に係る高周波基体１において、第１金属層２１は複数位置していてもよい。このとき、図８に示すように、断面視において、順番に、第２金属層２２、第１金属層２１、第１金属層２１および第２金属層２２に並んでいるのがよい。つまり、ＧＳＳＧ構造（差動線路構造）をとっている。このとき、第２金属層２２と第１金属層２１との間には、第２切欠き部１２および凹部１３が位置している。つまり、第１金属層２１のそれぞれの片端に、第２切欠き部１２および第２切欠き部１２と連続して位置した凹部１３を挟んで第２金属層２２が位置している。また、第１金属層２１同士の間には、第１切欠き部１１が位置している。このとき、第１金属層２１は、差動線路として信号を伝送することができる。第２金属層２２は、グランドである。

本発明の他の実施形態に係る高周波基体１において、凹部１３の中心は、平面視において、第２切欠き部１２の中心よりも第１切欠き部１１側に位置している。このことによって、第２金属層２２と第１金属層２１との電気的な接触を低減させることができる。

本発明の他の実施形態に係る高周波基体１において、第１金属層２１の上面および第２金属層２２の上面には、それぞれに対して互いに並行に位置した接続部材４０をさらに備えていてもよい。接続部材４０は、例えばリード端子等である。接続部材４０は、接合材等を用いて絶縁基体１０に接合される。

また、側面に溝部５０が位置しており、溝部５０の表面にメタライズ層が形成されていてもよい。メタライズ層は、たとえばタングステン、モリブデン、マンガン、ニッケルまたは金等から成る。メタライズ層があることによって、第１切欠き部１１、第２切欠き部
１２および凹部１３からなる大気中の層と絶縁基体１０からなる誘電体材料との境界部における電界の広がりを抑制することができるとともに、第１金属層２１同士の間に生じるクロストークや共振を抑制することができ、高周波基体１の周波数特性を向上することができる。

内部の接地導体は、接続導体等を介して、接地導体と電気的に接続されている。さらに、複数の絶縁層の上下面を貫通するように設けたビア等を介して、各層の上面に設けられた接地導体は、電気的に接続されていてもよい。

＜高周波基体の製造方法＞
絶縁基体１０は、たとえば複数の絶縁層が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、次のようにして製作される。まず、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素等の原料粉末に適当な有機バインダおよび溶剤等を添加混合してスラリーを作製する。次に、スラリーをドクターブレード法等の成形法でシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを作製する。このとき、一番上方に位置するグリーンシートの一部に第１切欠き部１１および第２切欠き部１２となる貫通孔ならびに凹部１３になる切欠きが形成されている。

その後、上記のセラミックグリーンシートを積層して、圧着する。最後にこの積層されたセラミックグリーンシートを還元雰囲気中において約１６００℃の温度で焼成するとともに、切断加工や打ち抜き加工により適当な形状とすることによって所望の形状からなる絶縁基体１０を作製することができる。

第１金属層２１、第２金属層２２および各層の上面に設けられる接地導体や下面の接地導体層は、たとえば、タングステンやモリブデン、マンガン等の高融点の金属からなるメタライズ層からなる場合であれば、次のようにして形成することができる。すなわち、まず高融点の金属の粉末を有機溶剤およびバインダとともによく混ざるように練って作製した金属ペーストを、絶縁層の上面や下面となるセラミックグリーンシートの所定部位にスクリーン印刷等の方法で印刷する。その後、これらの金属ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを積層するとともに圧着し、同時焼成する。以上の工程によって、絶縁基体１０の上面や内部、つまり絶縁層の間にメタライズ層が第１金属層２１、第２金属層２２および各層の上面に設けられる接地導体や下面の接地導体層として被着される。また、第１金属層２１、第２金属層２２および各層の上面に設けられる接地導体や下面の接地導体層は、表面にニッケルめっきや金めっきを設けてもよい。これにより、それぞれの金属層の表面における、ろう材やはんだ等の接合材の濡れ性を向上することができ、基板４やコンデンサの接合性を向上することができるとともに、耐腐食性や耐候性を向上することができる。

ビアは、たとえば複数の絶縁層となるセラミックグリーンシートに貫通孔を設けておいて、貫通孔内に導体、各層の上面に設けられた接地導体および最下層の絶縁層の下面に設けられた下面の接地導体層を形成するのと同様の金属ペーストを充填し、それぞれのセラミックグリーンシートを積層するとともに圧着し、同時焼成することによって設けることができる。貫通孔は、たとえば金属ピンを用いた機械的な打ち抜き加工、またはレーザ光を用いた加工等の孔あけ加工によって形成することができる。金属ペーストの貫通孔への充填の際には、真空吸引等の手段を併用して金属ペーストの充填を容易なものとする。

＜高周波パッケージの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの上面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの斜視図である。図３は、本発明の一実施形態に係る高周波パッケージの下面斜視図である。これらの図において、高周波パッケージ２は、
基板４、枠体５および本発明の実施形態に係る高周波基体１を備えている。

基板４は、平面視において、矩形状である。また、平面視における大きさが５ｍｍ×１０ｍｍ〜５０ｍｍ×５０ｍｍで、高さが０．３ｍｍ〜２０ｍｍである。

基板４の上面を取り囲むように、枠体５が設けられている。枠体５は、平面視において矩形状であり、大きさが５ｍｍ×１０ｍｍ〜５０ｍｍ×５０ｍｍで、高さが２ｍｍ〜１５ｍｍである。また、厚みは０．５ｍｍ〜２ｍｍである。

基板４、枠体５は、たとえば、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデンまたはタングステンのような金属、あるいはこれらの金属の合金、たとえば銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金、鉄−ニッケル−コバルト合金などを用いることができる。このような金属材料のインゴットに圧延加工法、打ち抜き加工法のような金属加工法を施すことによって、基板４を構成する金属部材を作製することができる。

枠体５の側壁部には貫通孔５１が設けられている。貫通孔５１には、上記に記載した高周波基体１や高周波パッケージ２の内側と外側とを電気的に接続する、酸化アルミニウム質焼結体からなる絶縁端子が挿入固定されている。つまり、高周波パッケージ２において、高周波基体１は、入出力端子の役割を果たす。

＜高周波モジュールの構成＞
図１０に示すように、本発明の一実施形態に係る高周波モジュール３の斜視図を、を示している。この図において、高周波モジュール３は、本発明の実施形態に係る高周波パッケージ２、半導体素子６および蓋体７を備えている。

半導体素子６は、たとえばレーザーダイオード（ＬＤ）である。半導体素子６は、フォトダイオード（ＰＤ）等であってもよい。ＬＤの場合には、枠体５に高周波基体１や絶縁端子を取り付ける貫通孔５１以外に、貫通孔を設けて光ファイバを取り付けてもよい。

蓋体７は、枠体５の上端に、高周波パッケージ２の内部を覆うように接合される。蓋体７は、平面視において、矩形状であり、大きさが５ｍｍ×１０ｍｍ〜５０ｍｍ×５０ｍｍで、高さが０．５ｍｍ〜２ｍｍである。蓋体７は、たとえば、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルト、モリブデンまたはタングステンのような金属、あるいはこれらの金属の合金、たとえば銅−タングステン合金、銅−モリブデン合金、鉄−ニッケル−コバルト合金などを用いることができる。このような金属材料のインゴットに圧延加工法、打ち抜き加工法のような金属加工法を施すことによって、蓋体７を構成する金属部材を作製することができる。

以上、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更等が可能である。さらに、特許請求の範囲に属する変更等は全て本発明の範囲内のものである。

１ 高周波基体
２ 高周波パッケージ
３ 高周波モジュール
４ 基板
５ 枠体
６ 半導体素子
７ 蓋体
１０ 絶縁基体
１１ 第１切欠き部
１２ 第２切欠き部
１３ 凹部
２１ 第１金属層
２２ 第２金属層
３１ 端子部
３２ 線路部
４０ 接続部材
５０ 溝部

Claims (11)

1. 上面に第１切欠き部と、前記第１切欠き部と間を空けるとともに前記第１切欠き部よりも外側に位置した第２切欠き部を有する絶縁基体と、
   前記絶縁基体の上面に位置するとともに、平面視において前記第１切欠き部および前記第２切欠き部に隣接した、高周波信号を通す第１金属層と、
   前記絶縁基体の上面および前記第２切欠き部の側面から下面に連続して位置するとともに、前記第１金属層と間を空けて位置した第２金属層と、を備えており、
   前記絶縁基体の上面には、平面視において、前記絶縁基体の内側に、前記第２切欠き部と連続した凹部を有していることを特徴とする高周波基体。
2. 前記凹部は、前記第２切欠き部の開口よりも幅が細いことを特徴とする請求項１に記載の高周波基体。
3. 前記第１金属層は、接続部材が接続される端子部と、前記端子部と連続した線路部とを有しており、
   前記凹部は、前記線路部と互いに並行して位置していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波基体。
4. 平面視において、前記第１金属層は、前記絶縁基体の端部よりも内側に位置し、
   前記第２金属層の外縁は、前記絶縁基体の端部と重なって位置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の高周波基体。
5. 平面視において、前記絶縁基体の上面に、前記第１切欠き部と、２つの前記第２切欠き部および前記第２切欠き部と連続した前記凹部と、２つの前記第１金属層と、前記第２金属層とを有しており、
   前記第１切欠き部の両端に前記第１金属層が位置しており、
   前記第１金属層の前記第１切欠き部と反対側に隣接して前記第２切欠き部および前記凹部が位置しており、
   前記第２切欠き部および前記凹部の前記第１金属層と反対側に隣接して前記第２金属層が位置していることを特徴する請求項１〜４のいずれか１つに記載の高周波基体。
6. 前記第１金属層は、差動線路であり、前記第２金属層はグランドであることを特徴する請求項５に記載の高周波基体。
7. 平面視において、前記凹部の中心は、前記第２切欠き部の中心よりも前記第１切欠き部側に位置していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の高周波基体。
8. 前記第１金属層の上面および前記第２金属層の上面には、互いに並行に位置した複数の接続部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の高周波基体。
9. 前記凹部と重なる位置において、前記絶縁基体の表面は露出していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の高周波基体。
10. 基板と、
    前記基板の上面に接合された、貫通孔を有する枠体と、
    前記枠体の前記貫通孔に固定された請求項１〜９のいずれか１つに記載の高周波基体とを備えていることを特徴とする高周波パッケージ。
11. 請求項１０に記載の高周波パッケージと、
    前記基板の上面に実装された、前記高周波パッケージの前記高周波基体と電気的に接続された半導体素子と、
    前記枠体の上端に接合された、前記半導体素子を覆うとともに前記高周波パッケージの内部を覆った蓋体とを備えていることを特徴とする高周波モジュール。

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