JPH11340371A

JPH11340371A - 高周波用パッケージの実装構造

Info

Publication number: JPH11340371A
Application number: JP10149380A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kitazawa; 謙治北澤; Shinichi Koriyama; 慎一郡山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-12-10
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: JP3181036B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電磁結合部を有するパッケージの外部回路基板
への実装構造における、外部回路基板の形成された配線
層による電磁結合性への影響を低減する。【解決手段】誘電体基板２表面に、一端が高周波素子５
と接続された第１信号伝送線路７が、誘電体基板２底面
に、第２の信号伝送線路８が形成され、誘電体基板２内
部に第１のグランド層６が形成され、第１の信号伝送線
路７の他端と、第２の信号伝送線路８の一端とをグラン
ド層６に形成したスロット孔９を介して対峙させて電磁
結合してなる高周波用パッケージ１を、少なくとも表面
に第３の信号伝送線路１２が形成され、内部に第２のグ
ランド層１３が設けられた外部回路基板１０の表面に実
装した構造において、外部回路基板１０における第２の
グランド層１３の少なくともスロット孔９形成部直下に
位置する箇所に、グランド層非形成領域１５を設け、望
ましくは、領域１５の周囲の第２のグランド層１３に複
数のスルーホール導体１７を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高周波用パッケージ
の実装構造に関するもので、特に、マイクロ波帯からミ
リ波帯領域の高周波用の半導体素子を収納あるいは搭載
するのに好適な高周波用パッケージを、高周波信号の伝
送損失を低減して外部回路基板に接続するための実装構
造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ波やミリ波の信号を取り
扱う高周波用配線基板、例えば、その代表的な応用例で
ある半導体素子用パッケージは、誘電体から成る絶縁基
板と枠体により形成されたキャビティ内に半導体素子を
収納してこれを蓋体によって気密に封止した構造からな
る。

【０００３】このキャビティ内に収納される半導体素子
が高周波用の素子である場合、高周波素子と接続される
線路の引き回しや、高周波用パッケージの外部回路基板
への実装も特殊な構造からなる。

【０００４】例えば、高周波素子と電気的に接続された
ストリップ線路等の高周波用の信号伝送線路を枠体を通
してキャビティの内側から外側に引き出し、これを更に
誘電体基板の側面を経由して誘電体基板底面まで引き回
し、底面の線路と外部回路基板の配線層を半田等の接着
剤を介して接続して実装していた。

【０００５】また他の例として、高周波用パッケージの
誘電体基板の底面に高周波線路を形成し、この高周波線
路と高周波素子とを絶縁基板を貫通するように設けられ
たスルーホール導体によって接続し、底面の線路と外部
回路基板の配線層を半田等の接着材を介して接続してい
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
高周波用パッケージをミリ波帯で用いる場合、ストリッ
プ線路等の信号伝送線路を枠体内を通過してキャビティ
の外側に引き出した際、枠体通過部で信号線路がマイク
ロストリップ線路からストリップ線路へと変換されるに
伴い、インピーダンス整合をとるため、信号線路幅を狭
くする必要がある。その結果、この通過部で反射損、放
射損が発生し、高周波信号の伝送特性が悪くなるという
問題がある。さらに、信号伝送線路を誘電体基板の角部
で曲折することから、曲折部での反射が大きくなり信号
の伝送損失が生じる。

【０００７】また、誘電体基板内に形成したスルーホー
ル導体を信号伝送線路として用いると、基板底面に形成
された信号伝送線路とスルーホール導体の接触部が曲折
するため、この曲折部分での反射が大きくなり、４０Ｇ
Ｈｚ以上で急激な伝送損失が生じ、高周波領域で使用す
ることが困難であった。

【０００８】このような従来の高周波用パッケージの問
題を解消すべく、本発明者等は、先に、キャビティ内に
て高周波素子を接続された高周波伝送線路と、誘電体基
板の底面に形成された高周波伝送線路とを、グランド層
に形成されたスロット孔によって電磁結合させることに
より、低損失な信号の伝送ができることを提案した（特
開平９−１８６２６８号）。

【０００９】ところが、この高周波用パッケージを種々
の電気回路が形成された外部回路基板の表面に形成され
た配線層に実装する場合、外部回路基板に形成された電
気回路によって、前記パッケージにおける電磁結合性が
低下し、信号の伝送特性に影響を及ぼす場合があること
がわかった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記高周
波用パッケージを高周波信号の伝送損失がなく外部回路
基板に表面実装するための構成について検討を重ねた結
果、特に、外部回路基板に設けられたグランド層によっ
て平行平板モードやストリップ線路の伝搬モードが発生
するために、パッケージの底面に形成された高周波伝送
線路とキャビティ内に形成された高周波伝送線路とのス
ロット孔による電磁結合性を低下させること、また、前
記パッケージの実装部において、少なくとも前記スロッ
ト孔形成部直下にはグランド層を形成しないことによ
り、前記外部回路基板における電磁結合部への影響を抑
制できることを見いだし、本発明に至った。

【００１１】即ち、本発明の高周波用パッケージの実装
構造は、誘電体基板と、該誘電体基板表面に搭載された
高周波素子と、該高周波素子を封止すべく前記誘電体基
板の表面に接合された蓋体と、前記誘電体基板表面に形
成され、一端が前記高周波素子と電気的に接続された第
１の信号伝送線路と、前記誘電体基板の底面に形成され
た第２の信号伝送線路と、前記誘電体基板内部に設けら
れ、前記第１の信号伝送線路の他端と、前記第２の信号
伝送線路の一端とが対峙する部分にスロット孔が形成さ
れてなる第１のグランド層とを具備し、前記第１の信号
伝送線路と前記第２の信号伝送線路とが前記スロット孔
を介して電磁的に結合してなる高周波用パッケージを、
少なくとも表面に第３の信号伝送線路が形成され、且つ
内部に第２のグランド層が設けられてなる外部回路基板
の表面に載置し、前記パッケージの前記第２の信号伝送
線路と、前記外部回路基板の第３の信号伝送線路とを電
気的に接続してなる高周波用パッケージの実装構造にお
いて、前記外部回路基板の前記第２のグランド層の少な
くとも前記パッケージにおける前記スロット孔形成部直
下に位置する箇所に、グランド層非形成領域を設けたこ
とを特徴とするものである。

【００１２】また、前記グランド層非形成領域周囲の前
記第２のグランド層には、複数のスルーホール導体を形
成することが望ましい。

【００１３】

【作用】本発明によれば、誘電体基板と蓋体により形成
されるキャビティ内部において高周波素子と電気的に接
続された第１の信号伝送線路と、前記誘電体基板の底面
に形成された第２の信号伝送線路とを、前記誘電体基板
内に形成されたグランド層のスロット孔を介して対峙す
る位置に形成して電磁結合させることにより、伝送線路
が蓋体の側壁を通過したり、線路が屈曲することがない
ために、反射損、放射損の発生がなく、またスルーホー
ルやビアホール等による透過損失がないため、高周波信
号を伝送損失を低減しつつ伝送することができる。

【００１４】また、外部回路基板に設けられたグランド
層内の高周波用パッケージのスロット孔形成部直下に位
置する箇所に、グランド層非形成領域を設けることによ
り、グランド層により磁場が歪められることがなく、そ
の結果、パッケージにおける電磁結合部に及ぼす影響が
抑制され、伝送特性の劣化を抑制できる。そのため、電
磁結合部の電磁界分布は外部回路基板に実装していない
状態と比較して極端に変化することがなく、伝送損失の
小さい高感度な高周波信号を伝送することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の高周波用パッケージの実
装構造を図面に基づき詳述する。図１は本発明の一実施
例を示す高周波用パッケージを外部回路基板に表面実装
した実装構造の断面図である。図１によれば、高周波用
パッケージ１は、誘電体材料からなる誘電体基板２と蓋
体３によりキャビティ４が形成されており、そのキャビ
ティ４内の誘電体基板２表面にＭＭＩＣ、ＭＩＣなどの
高周波素子５が搭載されている。

【００１６】蓋体３は、キャビティ４からの電磁波が外
部に漏洩するのを防止できる電磁波遮蔽性を有する材
料、あるいは電磁波遮蔽材料が蓋基体に塗布されたもの
からなることが望ましく、金属、セラミックス、セラミ
ックス−金属複合材料、ガラスセラミックス、ガラス有
機樹脂系複合材料等が使用できる。

【００１７】本発明によれば、上記の高周波用パッケー
ジ１のキャビティ４内の誘電体基板２の表面には、高周
波素子５への信号の入出力を担う第１の信号伝送線路７
が形成されており、この線路７の端部は、高周波素子５
と、ワイヤボンディング、リボン、テープや、フリップ
チップ実装等によって電気的に接続されている。

【００１８】また、誘電体基板２内部には、第１のグラ
ンド層６がほぼ全面にわたり形成されており、前記第１
の信号伝送線路７は、このグランド層６とともにマイク
ロストリップ線路を形成している。

【００１９】さらに、誘電体基板２の底面には、第２の
信号伝送線路８が設けられており、グランド層６ととも
にマイクロストリップ線路を形成している。

【００２０】そして、グランド層６には導体が形成され
ていないスロット孔９が形成されており、第１の信号伝
送線路７と第２の信号伝送線路８とは、このスロット孔
９を介して各線路の端部を対峙させることにより互いに
電磁結合され、第１の信号伝送線路７と第２の信号伝送
線路８間で損失のない信号の伝達が行われる。

【００２１】この電磁結合構造は、具体的には、図２に
示すように、スロット孔９は、長辺と短辺とから成る長
方形の他、楕円形状の細長い孔であってもよく、また、
スロット形状は使用周波数によって特定され、スロット
孔９の長辺の長さａは、信号の伝送効率を上げる点で伝
送信号の波長λの１／２相当の長さにするのが望まし
く、スロット孔９の短辺の長さｂは伝送信号の波長λの
１／５相当の長さから１／５０相当の長さに設定するの
が望ましい。

【００２２】そして、第１の信号伝送線路７および第２
の信号伝送線路８を、上記形状のスロット孔９に対し
て、平面的にみて、スロット孔９の中心ｘを通過し、互
いに長さｙの分だけ突き出るように配設される。この突
き出し長さｙは伝送信号の波長λの約１／４相当の長さ
が望ましい。

【００２３】一方、上記の高周波用パッケージ１を実装
するための外部回路基板１０によれば、絶縁基板１１の
表面に高周波信号が伝送可能な第３の信号伝送線路１２
が形成されている。また、この外部回路基板１０の内部
には、第２のグランド層１３が形成されており、第３の
信号伝送線路１２は、第２のグランド層１３とともに、
マイクロストリップ線路を形成している。

【００２４】本発明によれば、上記の構成からなる高周
波用パッケージ１は、外部回路基板１０に搭載され、高
周波用パッケージ１の底面に形成された第２の信号伝送
線路８と外部回路基板１０上に形成された第３の信号伝
送線路１２とを半田バンプ１４等を介して接続すること
により、高周波用パッケージ１を外部回路基板１０に実
装することができる。

【００２５】より具体的には、マイクロストリップ線路
からなる第２の信号伝送線路８と、マイクロストリップ
線路からなる第３の信号伝送線路１２とで、マイクロス
トリップ線路同士の接続を行うと、電磁界分布が接続部
前後で逆向きとなるため、信号の伝送損失が大きくな
り、良好な特性が得られにくい。そこで、図３のパッケ
ージ１の底面における配線パターン図に示すように、第
２の信号伝送線路８の終端部を、線路８の両側に一対の
グランド層８’を形成したグランド付きコプレーナ線路
によって形成し、また外部回路基板１０における第３の
信号伝送線路１２の終端部も、第２の信号伝送線路と同
様に図４の外部回路基板１０表面の配線パターン図に示
すように、線路１２の両側に一対のグランド層１２’を
形成したグランド付きコプレーナ線路によって構成し、
それらの線路８、１２と、グランド層８’とグランド層
１２’同士を半田等により接続することにより伝送損失
を低減した信号の伝達を行うことができる。なお、グラ
ンド層８’はパッケージ１の誘電体基板２内にあるグラ
ンド層６とビアホール導体または誘電体基板２の側面に
形成したキャスタレーション（図示せず）等によって接
続して、同電位に維持されることが望ましい。

【００２６】本発明によれば、外部回路基板１０内に形
成された第２のグランド層１３におおいて、高周波用パ
ッケージ１の第１のグランド層に形成されたスロット孔
９の少なくとも直下に位置する領域に、グランド層非形
成領域１５が形成されている。このグランド層非形成領
域１５は図５の第２グランド層１３のパターン図に示す
ように、円形の他、楕円形、多角形等でもよい。

【００２７】なお、このグランド層非形成領域１５は、
図５に示すように、望ましくは、平面的にみて、前記図
２で示した電磁結合構造におけるスロット孔９のみなら
ず、第１の信号伝送線路７および第２の信号伝送線路８
のスロット孔９中心ｘからの突き出し部の直下部を包含
するように形成する。例えば、信号周波数が６０ＧＨｚ
の場合、グランド層非形成領域１５は、概ね縦１．０ｍ
ｍ以上、横３．０ｍｍ以上であることが望ましい。

【００２８】また、外部回路基板１０においては、第３
の信号伝送線路１２、第２のグランド層１３以外に、高
周波素子５に電力を供給するための電源層等のその他の
配線層１６が形成される場合があるが、本発明によれ
ば、パッケージ１のスロット孔９の直下部においては、
外部回路基板１０の表面から裏面まで、第２のグランド
層１３のみならず、それらの配線層が一切存在しないこ
とが望ましい。グランド層以外の配線層によっても、パ
ッケージ１における電磁結合性に影響を及ぼす場合があ
るためである。

【００２９】特に、本発明によれば、電磁結合性への影
響を最小限にするために、図６（ａ）の断面図および
（ｂ）の第２のグランド層１３のパターン図に示すよう
に、グランド層非形成領域１５の周囲の第２のグランド
層１３に、複数のスルーホール導体１７を形成し、電源
層１６などと電磁的に隔離することが望ましい。これら
複数のスルーホール導体１７は、信号を遮断可能な間隔
ｚに設定される。このスルーホール導体１７の形成によ
って、パッケージ１における電磁結合部と、外部回路基
板１０における各種の配線層との相互干渉を防止するこ
とができる。

【００３０】このスルーホール導体１７は、例えば、外
部回路基板１０の表面、底面あるいは内部に導体層１８
を形成し、その導体層１８と第２のグランド層１３とを
電気的に接続することが望ましい。

【００３１】なお、上記のパッケージ１の誘電体基板２
および外部回路基板１０の絶縁基板１１は、アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）、ムライト、ガラス、ガラスセラミック
ス、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ
₄）等のセラミックス、有機樹脂、有機樹脂−ガラス繊
維、有機樹脂−無機質フィラーなどの複合材料、石英等
によって構成される。

【００３２】また、パッケージ１内の信号伝送線路、グ
ランド層などの導体層、外部回路基板１０における信号
伝送線路、グランド層などは高周波信号の伝送損失を小
さくするために、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等の低抵抗導体を用
いることが望ましい。さらに、前記絶縁基板がセラミッ
クスからなる場合、焼成温度が８００〜１０００℃程度
のガラスセラミックス等の低温焼結性のセラミックスを
選択することにより、前記低抵抗金属と同時焼成するこ
とが可能である。

【００３３】

【実施例】実施例１図１の高周波用パッケージにおいて、誘電率８．９、誘
電損失２９．０×１０^-4（測定周波数６０ＧＨｚ）のア
ルミナからなる厚さ４００μｍの誘電体基板にタングス
テンを導体とする第１および第２の信号伝送線路、さら
に誘電体基板の表面から２００μｍの深さ位置に第１の
グランド層を、また、高周波素子への電源層も合わせて
同時焼成して形成した。そして、表面の第１および第２
の信号伝送線路表面にはさらに金めっきを施して高周波
用パッケージを作製した。

【００３４】なお、電磁結合部におけるスロット孔の長
辺ａは０．８５ｍｍ，短辺ｂは０．２ｍｍとして、突き
出し長さｙを０．３ｍｍとした。

【００３５】一方、誘電率２．３、誘電損失９．０×１
０^-4（測定周波数１０ＧＨｚ）のガラスクロス−テフロ
ン樹脂の複合材料を絶縁基板とする外部回路基板に、銅
からなる第３の信号伝送線路、第２のグランド層および
電源層を形成した。第２のグランド層は実装表面から１
３０μｍの深さ位置に形成した。また、第２グランド層
には、高周波用パッケージのスロット孔形成部直下を中
心とする縦３．０ｍｍ、横３．０ｍｍの正方形のグラン
ド層非形成領域を設けた。なお、電源層は外部回路基板
を平面的にみてグランド層非形成領域の外側に形成し
た。

【００３６】そして、高周波用パッケージの第２の信号
伝送線路の端部に形成されたグランド付きコプレーナ線
路のグランド層にペースト状の共晶半田をスクリーン印
刷で塗布した。その後、外部回路基板の第３の信号伝送
線路端部のグランド付きコプレーナ線路と、高周波用パ
ッケージ側の前記グランド付きコプレーナ線路とが接触
するように、高周波用パッケージを外部回路基板に載置
し、１９０℃程度の温度で熱処理して、前記半田を溶融
させて高周波用パッケージを外部回路基板に表面実装し
た。

【００３７】得られた実装物に対して、高周波用パッケ
ージと外部回路基板間の伝送特性をネットワークアナラ
イザにより測定し、Ｓ２１特性を図７に示した。なお、
測定箇所は高周波用パッケージの高周波素子載置部から
外部回路基板上の第３の信号伝送線路の間で行った。測
定のため第１の信号伝送線路は高周波素子載置部でマイ
クロストリップ線路からグランド付きコプレーナ線路に
変換した。測定の結果、周波数５８ＧＨｚから６２ＧＨ
ｚにてＳ１１が−１０ｄＢ以下、Ｓ２１が−１．２ｄＢ
以上の良好な伝送特性を示した。

【００３８】実施例２図１の高周波用パッケージにおいて、誘電率８．９、誘
電損失２９．０×１０^-4（測定周波数６０ＧＨｚ）のア
ルミナからなる厚さ４００μｍの誘電体基板にタングス
テンを導体とする第１および第２の信号伝送線路、さら
に誘電体基板の表面から２００μｍの深さ位置に第１の
グランド層を、また、高周波素子への電源層も合わせて
同時焼成して形成した。そして、表面の第１および第２
の信号伝送線路表面にはさらに金めっきを施して高周波
用パッケージを作製した。

【００３９】なお、電磁結合部におけるスロット孔の長
辺ｂは０．８５ｍｍ、短辺ａは０．２ｍｍとして、突き
出し長さｙを０．３ｍｍとした。

【００４０】一方、外部回路基板として、誘電率５．
０、誘電損失８．０×１０^-4（測定周波数６０ＧＨｚ）
のガラスセラミックスからなる絶縁基板に、銅を導電材
料として、第３の信号伝送線路、第２のグランド層およ
び電源層を形成した。第２グランド層には、高周波用パ
ッケージのスロット孔形成部直下を中心とする縦３．０
ｍｍ、横３．０ｍｍの正方形のグランド層非形成領域を
設けた。さらにこの領域を囲むように、第２のグランド
層に径０．２ｍｍのビアホールを０．５ｍｍ間隔で配置
した。なお、電源層は外部回路基板を平面的にみてグラ
ンド層非形成領域の外側に形成した。

【００４１】その後、上記高周波用パッケージを実施例
１と全く同様にして、外部回路基板表面に実装した。

【００４２】得られた構造物について、実施例１と同
様、高周波用パッケージの高周波素子載置部から外部回
路基板上の第３の信号伝送線路までの伝送特性をネット
ワ−クアナライザ−で測定し、Ｓ２１特性を図８に示し
た。測定の結果、周波数４５ＧＨｚから６５ＧＨｚにて
Ｓ１１が−１０ｄＢ以下、Ｓ２１が−１．５ｄＢ以上の
良好な伝送特性を示した。

【００４３】比較例外部回路基板において、第２のグランド層内にグランド
層非形成領域を設けない以外は、全く実施例１と同様に
して、高周波用パッケージを外部回路基板に実装した。

【００４４】得られた構造物について、実施例１と同
様、高周波用パッケージの高周波素子載置部から外部回
路基板上の配線層までの伝送特性をネットワークアナラ
イザで測定し、Ｓ２１特性を図９に示した。測定の結
果、外部回路基板にグランド層非形成領域を設けない場
合、周波数が４５ＧＨｚ以上から６５ＧＨｚにてＳ１
１：−１０ｄＢ以上、Ｓ２１：−２ｄＢ以下と感度が悪
くなり、伝送特性が劣化することがわかった。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明は高周波素子
搭載面側と誘電体基板の底面に信号伝送線路を形成し、
それらを電磁結合する高周波用パッケージを、外部回路
基板の配線層に実装する構造において、外部回路基板内
に高周波用パッケージの電磁結合領域の近傍領域に導体
層が存在しない非導体層領域を形成することにより、実
装時における伝送損失を低減できることできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す高周波用パッケージを
外部回路基板に表面実装した実装構造の断面図である。

【図２】本発明における高周波用パッケージの第１信号
伝送線路と第２信号伝送線路との電磁結合構造を説明す
るための概略図である。

【図３】本発明における高周波用パッケージの底面の配
線パターン図である。

【図４】本発明における外部回路基板の表面の配線パタ
ーン図である。

【図５】外部回路基板における第２グランド層の配線パ
ターン図である。

【図６】（ａ）他の実施態様に基づく外部回路基板の概
略断面図、（ｂ）は、第２グランド層の配線パターン図
である。

【図７】本発明における高周波用パッケージの外部回路
基板への実装構造における伝送特性（Ｓ２１）結果を示
す図である。

【図８】高周波用パッケージを本発明の別の外部回路基
板に表面実装した時の伝送特性（Ｓ２１）結果を示す図
である。

【図９】高周波用パッケージを全面にグランド層が配置
された外部回路基板（比較例）へ表面実装した時の伝送
特性（Ｓ２１）結果を示す図である。

【符号の説明】

１高周波用パッケージ２誘電体基板３蓋体４キャビティ５高周波素子６第１のグランド層７第１の信号伝送線路８第２の信号伝送線路９スロット孔１０外部回路基板１１絶縁基板１２第３の信号伝送線路１３第２のグランド層１４半田バンプ１５グランド層非形成領域１６電源層（他の配線層）１７スルーホール導体１８導体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体基板と、該誘電体基板表面に搭載さ
れた高周波素子と、該高周波素子を封止すべく前記誘電
体基板の表面に接合された蓋体と、前記誘電体基板表面
に形成され、一端が前記高周波素子と電気的に接続され
た第１の信号伝送線路と、前記誘電体基板の底面に形成
された第２の信号伝送線路と、前記誘電体基板内部に設
けられ、前記第１の信号伝送線路の他端と、前記第２の
信号伝送線路の一端とが対峙する部分にスロット孔が形
成されてなる第１のグランド層とを具備し、前記第１の
信号伝送線路と前記第２の信号伝送線路とを前記スロッ
ト孔を介して電磁的に結合してなる高周波用パッケージ
を、少なくとも表面に第３の信号伝送線路が形成され、
且つ内部に第２のグランド層が設けられてなる外部回路
基板の表面に載置し、前記パッケージの前記第２の信号
伝送線路と、前記外部回路基板の前記第３の信号伝送線
路とを接続してなる高周波用パッケージの実装構造にお
いて、前記第２のグランド層の少なくとも前記スロット孔形成
部直下に位置する箇所に、グランド層非形成領域を設け
たことを特徴とする高周波用パッケージの実装構造。
【請求項２】前記グランド層非形成領域周囲の前記第２
のグランド層に、複数のスルーホール導体を設けてなる
ことを特徴とする請求項１記載の高周波用パッケージの
実装構造。