JP7240160B2 - ステム - Google Patents

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Description

本発明は、ステムに関する。
従来、光素子等の半導体素子が搭載されるステムは、可撓性を有するフレキシブルプリント回路板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuits）に載置されてＦＰＣに電気的に接続される。すなわち、ステムの底面から突出するリードをＦＰＣに形成されたスルーホールのランドにはんだ付けすることで、ステムとＦＰＣとが電気的に接続される。
特開２００５－２８６３０５号公報
ところで、ステムが載置されるＦＰＣは、柔軟性がある材料から形成されているため、ＦＰＣの表裏における配線パターンやソルダーレジスト等の張力により、反った形状に変形することがある。このため、ステムのリードとＦＰＣのランドとをはんだ付けすると、ステムとＦＰＣとの間に一様でない隙間が形成されることになる。ステムとＦＰＣとの間に隙間が形成される場合、リードの外周面を伝搬する高周波信号がステムとＦＰＣとの間の隙間に漏れ出る。その結果、ステムとＦＰＣとの間の隙間において、高周波信号の共振が発生する虞がある。ステムとＦＰＣとの間の隙間での共振の発生は、高周波特性を劣化させる要因となり、好ましくない。
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、ステムとステムが載置されるフレキシブル基板との間の隙間での共振の発生を抑制することができるステムを提供することを目的とする。
本願の開示するステムは、一つの態様において、フレキシブル基板に載置される第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、前記第１の面と前記第２の面とを貫通する貫通孔が形成されたステム本体と、前記ステム本体の貫通孔に装着された筒状体と、前記筒状体に挿通されて固定材で前記筒状体に固定され、一方の端部が前記ステム本体の前記第１の面から突出するリードと、を有し、前記筒状体は、前記ステム本体の前記第１の面よりも前記フレキシブル基板側に向かって突出し、前記リードの前記端部の外周面を囲む突出部を有する。
本願の開示するステムの一つの態様によれば、ステムとステムが載置されるフレキシブル基板との間の隙間での共振の発生を抑制することができる、という効果を奏する。
図１は、実施例に係るステムを上面側から見た場合の斜視図である。 図２は、実施例に係るステムを下面側から見た場合の斜視図である。 図３は、実施例に係るステムをＦＰＣに載置した状態を示す図である。 図４は、ＦＰＣの接地パターンとは反対側の面の構成を示す平面図である。 図５は、ステムとＦＰＣとの接続部の構成を示す側断面図である。 図６は、ステムの高周波信号の伝送特性の変化のシミュレーションに用いたシミュレーションモデルの一例を示す図である。 図７は、ステムの高周波信号の伝送特性の変化のシミュレーションに用いたシミュレーションモデルの一例を示す図である。 図８は、図６に示したシミュレーションモデルを用いて各周波数における高周波信号の透過特性Ｓ２１の変化を求めた結果を示す図である。 図９は、図７に示したシミュレーションモデルを用いて各周波数における高周波信号の透過特性Ｓ２１の変化を求めた結果を示す図である。 図１０は、図６に示したシミュレーションモデルを用いて各周波数における高周波信号の反射特性Ｓ１１の変化を求めた結果を示す図である。 図１１は、図７に示したシミュレーションモデルを用いて各周波数における高周波信号の反射特性Ｓ１１の変化を求めた結果を示す図である。
以下に、本願の開示するステムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により開示技術が限定されるものではない。また、実施例において同一の機能を有する構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。
［ステムの構成］
図１は、実施例に係るステム１を上面側から見た場合の斜視図である。図２は、実施例に係るステム１を下面側から見た場合の斜視図である。図３は、実施例に係るステム１をＦＰＣ５０に載置した状態を示す図である。なお、図３では、説明の便宜上、ステム１及びＦＰＣ５０の側断面が示されている。図１～図３に示すステム１は、可撓性を有するフレキシブル基板であるＦＰＣ５０に載置されてＦＰＣ５０に電気的に接続される。ステム１は、ステム本体１０と、筒状体２０と、高周波信号用リード３０と、各種給電用リード４０と、ケースグランド用リード４５とを有する。
ステム本体１０は、例えば、放熱性とコストを考慮して鉄等の金属材料から形成され、ステム１を構成する各種の部品を搭載する基材である。ステム本体１０は、円板状に形成され、ＦＰＣ５０に載置される下面１０ａと、下面１０ａとは反対側の上面１０ｂとを有している。上面１０ｂは、光素子等の半導体素子（不図示）が搭載される搭載面とされている。ステム本体１０には、下面１０ａと上面１０ｂとを貫通する貫通孔１０ｃ及び貫通孔１０ｄが形成されている。また、上面１０ｂにおける貫通孔１０ｃ近傍の位置には、立ち上がり部１１が形成されている。立ち上がり部１１の、貫通孔１０ｃ側に位置する側面は、スペーサ１２を介して基板１３が取り付けられる取付面とされている。基板１３は、高周波信号用リード３０と電気的に接続され、高周波信号用リード３０を伝搬する電気信号を上面１０ｂに搭載された半導体素子へ中継する。
筒状体２０は、ステム本体１０の貫通孔１０ｃに装着されている。筒状体２０は、例えば、高周波信号用リード３０が挿入される内部空間を有している。筒状体２０の材料としては、例えば、コバールが用いられる。
高周波信号用リード３０は、例えば、円柱状に形成されており、高周波信号である電気信号を伝送する。高周波信号用リード３０は、筒状体２０に挿入されて固定材２５で筒状体２０に固定されている。固定材２５は、高周波信号用リード３０の、筒状体２０の内側面に対応する外周面を被覆して封止している。固定材２５は、各種給電用リード４０をステム本体１０に固定するための固定材１５よりも比誘電率が低い。比誘電率が低い固定材２５が用いられることで、固定材２５の外径の増大が抑えられるので、筒状体２０の内径の増大が抑えられる。固定材２５としては、例えば、硬質ガラスが用いられる。
また、高周波信号用リード３０は、下端部３１がステム本体１０の下面１０ａから突出している。そして、下端部３１は、ステム１がＦＰＣ５０の接地パターン５１に載置された状態で、ＦＰＣ５０に形成されたスルーホール５０ａを貫通する。
図４は、ＦＰＣ５０の接地パターン５１とは反対側の面の構成を示す平面図である。ＦＰＣ５０の接地パターン５１側の面には、図３に示すように、スルーホール５０ａを囲む受け用ランド５０ｂが形成されている。一方、ＦＰＣ５０の接地パターン５１とは反対側の面には、図４に示すように、スルーホール５０ａを囲む接続用ランド５０ｃが形成されている。また、ＦＰＣ５０の接地パターン５１とは反対側の面には、電気信号を伝搬する配線パターン５０ｄが形成されており、配線パターン５０ｄは、スルーホール５０ａの周囲の接続用ランド５０ｃに接続されている。スルーホール５０ａを貫通した、高周波信号用リード３０の下端部３１は、スルーホール５０ａの接続用ランド５０ｃにはんだ付けされる。これにより、ステム１とＦＰＣ５０とが電気的に接続される。
図１～図３の説明に戻る。各種給電用リード４０は、例えば、円柱状に形成されており、ステム本体１０の上面１０ｂに搭載された半導体素子の状態をモニタもしくは制御するためのリードである。各種給電用リード４０は、ステム本体１０の貫通孔１０ｄに挿通されて固定材１５で貫通孔１０ｄに固定されている。固定材１５は、各種給電用リード４０の、貫通孔１０ｄに対応する外周面を被覆して封止している。固定材１５としては、例えば、鉄との封止に好適な軟質ガラスが用いられる。
ケースグランド用リード４５は、例えば、円柱状に形成されており、ステム本体１０を接地するためのリードである。ケースグランド用リード４５は、例えば、ステム本体１０の下面１０ａに溶接により接合される。
［ステムとＦＰＣとの接続部］
次に、図５を参照して、ステム１とＦＰＣ５０との接続部について、詳細に説明する。図５は、ステム１とＦＰＣ５０との接続部の構成を示す側断面図である。上述の通り、ステム１は、ステム本体１０の貫通孔１０ｃに筒状体２０が装着されるように構成されている。筒状体２０には、高周波信号用リード３０が固定材２５で固定され、高周波信号用リード３０の下端部３１は、ステム本体１０の下面１０ａから突出し、ＦＰＣ５０のスルーホール５０ａの接続用ランド５０ｃにはんだ付けされる。
また、筒状体２０は、ステム本体１０の下面１０ａよりもＦＰＣ５０側に向かって所定の長さで突出する突出部２１を有する。突出部２１は、高周波信号用リード３０の下端部３１の外周面を囲んでいる。そして、突出部２１は、ステム１がＦＰＣ５０の接地パターン５１（図３参照）に載置された状態で、ＦＰＣ５０の接地パターン５１に接合される。突出部２１の外側側面には、筒状体２０の径方向外側へ突出するフランジ部２１ａが形成されている。突出部２１とＦＰＣ５０の接地パターン５１とが接合される際には、突出部２１のフランジ部２１ａがＦＰＣ５０の接地パターン５１にはんだ付けされる。これにより、突出部２１とＦＰＣ５０の接地パターン５１とがより強固に接合される。
また、筒状体２０は、突出部２１と高周波信号用リード３０の下端部３１の外周面との間に固定材２５が充填されていない空気層２６を有する。すなわち、筒状体２０の突出部２１には、高周波信号用リード３０の下端部３１の周囲を空気層２６で覆う同軸線路（以下「空気同軸線路」と呼ぶ）が形成されている。高周波信号用リード３０の下端部３１がはんだ付けされるＦＰＣ５０の接続用ランド５０ｃは、一般にＦＰＣ５０の配線パターン５０ｄよりも幅が大きいため、ＦＰＣ５０に関する特性インピーダンスを局所的に低下させる。これに対し、筒状体２０の突出部２１に空気同軸線路が形成された場合、空気同軸線路によってＦＰＣ５０の接続用ランド５０ｃの上方の特性インピーダンスを増大させることができる。すなわち、空気層２６は、ＦＰＣ５０の接続用ランド５０ｃで発生する特性インピーダンスの低下を補正することができる。
ところで、ステム１が載置されるＦＰＣ５０は、柔軟性がある材料から形成されているため、ＦＰＣ５０の表裏における配線パターンやソルダーレジスト等の張力により、反った形状に変形することがある。このため、ステム１の高周波信号用リード３０の下端部３１とＦＰＣ５０のスルーホール５０ａの接続用ランド５０ｃとをはんだ付けすると、ステム１とＦＰＣ５０との間に一様でない隙間が形成されることになる。ステム１とＦＰＣ５０との間に隙間が形成される場合、高周波信号用リード３０の外周面を伝搬する高周波信号（つまり、電気信号）がステム１とＦＰＣ５０との間の隙間に漏れ出る。その結果、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間において、高周波信号の共振が発生する虞がある。
そこで、本実施例のステム１では、図５に示したように、高周波信号用リード３０が固定された筒状体２０をステム本体１０の貫通孔１０ｃに装着するとともに、筒状体２０に、高周波信号用リード３０の下端部３１の外周面を囲む突出部２１を形成している。これにより、ステム１がＦＰＣ５０の接地パターン５１に載置された状態で、突出部２１をＦＰＣ５０の接地パターン５１に接合することができる。このため、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間と高周波信号用リード３０の下端部３１の外周面とが、筒状体２０の突出部２１によって、遮断され、高周波信号用リード３０の外周面を伝搬する高周波信号が、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間へ漏れ出る事態が回避される。その結果、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間での共振の発生を抑制することができる。
［突出部による高周波信号の伝送特性の変化のシミュレーション］
ここで、筒状体２０に突出部２１を形成したことによるステム１の高周波信号の伝送特性（透過特性Ｓ２１及び反射特性Ｓ１１）の変化を説明する。図６及び図７は、ステム１の高周波信号の伝送特性の変化のシミュレーションに用いたシミュレーションモデルの一例を示す図である。図６及び図７に示すように、ステム１のステム本体１０は、貫通孔１０ｃが形成され、貫通孔１０ｃに筒状体２０が装着されている。筒状体２０には、高周波信号用リード３０が固定材２５で固定され、高周波信号用リード３０の下端部３１は、ステム本体１０の下面１０ａから下方へ突出し、はんだＳを介してＦＰＣ５０のスルーホール５０ａの接続用ランド５０ｃに接続されている。また、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間の幅ｇは、変更可能である。図６では、筒状体２０に突出部２１が無い状態が示されている。図７では、筒状体２０に突出部２１がある状態が示されている。なお、図７に示したシミュレーションモデルでは、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間の幅ｇが変更されると、突出部２１の長さも変更される。
図８は、図６に示したシミュレーションモデルを用いて各周波数における高周波信号の透過特性Ｓ２１の変化を求めた結果を示す図である。図９は、図７に示したシミュレーションモデルを用いて各周波数における高周波信号の透過特性Ｓ２１の変化を求めた結果を示す図である。すなわち、図８は、筒状体２０に突出部２１が無い場合の透過特性Ｓ２１の変化を示しており、図９は、筒状体２０に突出部２１がある場合の透過特性Ｓ２１の変化を示している。図８及び図９では、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間の幅ｇごとに、高周波信号の周波数に対する透過特性Ｓ２１の変化が示されている。筒状体２０に突出部２１が無い場合、図８に示すように、透過特性Ｓ２１は、高周波信号の周波数が高くなるほど、大きく変化する。すなわち、筒状体２０に突出部２１が無い場合、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間での共振が発生することが確認される。
一方、筒状体２０に突出部２１がある場合、突出部２１によって、高周波信号用リード３０の外周面からの高周波信号の漏れが抑制されるため、図９に示すように、透過特性Ｓ２１において、１７ＧＨｚ付近及び３６～５０ＧＨｚ帯で大きな劣化が認められなくなる。すなわち、筒状体２０に突出部２１がある場合、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間での共振を抑制することができることが確認される。
図１０は、図６に示したシミュレーションモデルを用いて各周波数における高周波信号の反射特性Ｓ１１の変化を求めた結果を示す図である。図１１は、図７に示したシミュレーションモデルを用いて各周波数における高周波信号の反射特性Ｓ１１の変化を求めた結果を示す図である。すなわち、図１０は、筒状体２０に突出部２１が無い場合の反射特性Ｓ１１の変化を示しており、図１１は、筒状体２０に突出部２１がある場合の反射特性Ｓ１１の変化を示している。図１０及び図１１では、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間の幅ｇごとに、高周波信号の周波数に対する反射特性Ｓ１１の変化が示されている。筒状体２０に突出部２１が無い場合、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間での共振が発生するため、図１０に示すように、反射特性Ｓ１１は、高周波信号の周波数が高くなるにつれて、増大する。
一方、筒状体２０に突出部２１がある場合、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間での共振が抑制されるため、図１１に示すように、反射特性Ｓ１１の増大が抑制される。
以上のように、本実施例に係るステム１は、ステム本体１０と、筒状体２０と、高周波信号用リード３０とを有する。ステム本体１０は、ＦＰＣ５０に載置される下面１０ａと下面１０ａとは反対側の上面１０ｂとを有し、下面１０ａと上面１０ｂとを貫通する貫通孔１０ｃが形成されている。筒状体２０は、ステム本体１０の貫通孔１０ｃに装着される。高周波信号用リード３０は、筒状体２０に挿通されて固定材２５で筒状体２０に固定され、下端部３１がステム本体１０の下面１０ａから突出する。筒状体２０は、ステム本体１０の下面１０ａよりもＦＰＣ５０側に向かって突出し、高周波信号用リード３０の下端部３１の外周面を囲む突出部２１を有する。これにより、ステム１とステム１が載置されるＦＰＣ５０との間の隙間での共振の発生を抑制し、透過特性を改善することができる。
また、本実施例に係るステム１において、突出部２１は、ＦＰＣ５０の接地パターン５１に接合される。このため、接地電位の突出部２１によって、高周波信号用リード３０の外周面からの高周波信号の漏れが抑制され、結果として、ステム１とＦＰＣ５０との間の隙間での共振の発生をより安定的に抑制することができる。
また、本実施例に係るステム１において、筒状体２０は、突出部２１と高周波信号用リード３０の下端部３１の外周面との間に固定材２５が充填されていない空気層２６を有する。このため、空気層２６によって、ＦＰＣ５０の接続用ランド５０ｃで発生する特性インピーダンスの低下を補正することができる。
１ ステム
１０ ステム本体
１０ａ 下面
１０ｂ 上面
１０ｃ 貫通孔
２０ 筒状体
２１ 突出部
２５ 固定材
２６ 空気層
３０ 高周波信号用リード
３１ 下端部
５０ ＦＰＣ
５１ 接地パターン

Claims (3)

  1. フレキシブル基板に載置される第１の面と前記第１の面とは反対側の第２の面とを有し、前記第１の面と前記第２の面とを貫通する貫通孔が形成されたステム本体と、
    前記ステム本体の貫通孔に装着された筒状体と、
    前記筒状体に挿通されて固定材で前記筒状体に固定され、一方の端部が前記ステム本体の前記第１の面から突出するリードと、
    を有し、
    前記筒状体は、前記ステム本体の前記第１の面よりも前記フレキシブル基板側に向かって突出し、前記リードの前記端部の外周面を囲み、前記フレキシブル基板の接地パターンに接合される突出部を有し、
    前記突出部の側面には、外側へ突出するフランジ部が形成され、
    前記フランジ部が前記フレキシブル基板の接地パターンに接合されることを特徴とするステム。
  2. 前記筒状体は、前記突出部と前記リードの前記端部の外周面との間に前記固定材が充填されていない空気層を有することを特徴とする請求項１に記載のステム。
  3. 前記リードは、高周波信号を伝送するリードであり、
    前記固定材は、前記リードとは異なる他のリードを固定するための他の固定材よりも比誘電率が低いことを特徴とする請求項１又は２に記載のステム。
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