JPWO2002082578A1 - コネクタピンと信号線の接続構造及びそれを用いた半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

コネクタピンと信号線の接続部において、高周波化された信号が棒状同軸構造から平面導波路である信号線に誘電される際、信号が外部に放射されたり発信側に反射して透過率が悪くなるのを防ぐと共に、半導体パッケージへの組付けの際、組立誤差による伝送損失を最小化できる接続構造を提供する。コネクタピン１と接続される部分の信号線３の幅を、コネクタ特性インピーダンスとの整合がとれる非接続部の信号線の幅より狭くし、さらに、コネクタピン１と接続される接続部の信号線３の幅を、コネクタピン径の投影幅よりも狭くする。

Description

技術分野
本発明は、高周波デバイス用半導体パッケージの構造に関し、特に平面導波路である信号線を備えた回路基板とコネクタピンの接続構造に関する。
背景技術
近年、半導体素子の動作速度の高速化、信号密度を高めるための高周波化に伴い、数ＧＨ_ｚ以上の高周波信号を効率よく伝送する信号線回路をもつ高周波用半導体パッケージが求められている。
この様な高周波用半導体パッケージに於いては、同軸線を経由して伝送される高周波の信号をコネクタピンから、平面導波路の信号線に接続部を経て、各種半導体デバイスに伝送する場合、接続部による信号の反射や損失を抑える必要がある。特に、信号が高周波になるに従い、こうした効果が顕著になる。なお、平面導波路の様式は様々あるが、本発明はマイクロストリップ線路とコプレナー線路のいずれにも適用されるものである。
特開平１１−２２４７５７号公報には、コネクタピンと信号線を高精度に接続する構造の一例が提案されている。図１５は、半導体パッケージ１００におけるコネクタピン１０３と信号線１０６の接続構造の部分断面図である。図１５において、１０１は、パッケージ枠の一部である。同軸線の終端に接続されるガラスビーズ１０２は、矢印Ｘ方向に進んでパッケージ枠１０１に設ける止まり穴１０４にガイドされる。一方、誘電体基板１０５上に形成される信号線１０６の接続端には、コネクタピン１０３の挿入されるリセス溝１０７が形成されている。
コネクタピン１０３と信号線１０６とを接続する際には、リセス溝１０７内にコネクタピン１０３の先端が収まるように双方を嵌合させ、半田１０８にて最終的に接続する。この様な構造であれば、コネクタピン１０３とリセス溝１０７が正しく位置決めされ、自動的にコネクタピン１０３と信号線１０６の位置決め精度は向上すると説明されている。しかし、コネクタピン１０３の端部の位置が誘電体基板１０５上に形成されるリセス溝１０７の位置に合致していないと、これらを物理的に接続できない。
発明の開示
このように、特開平１１−２２４７５７号公報に提案される接続構造では、特に信号の周波数が高くなり、コネクタピン径が小さくなると信号の高周波領域における伝送損失を最小化するには不充分である。つまり、コネクタピン径が細くなると、リセス溝とコネクタピンの位置合せが困難になることに加えて、信号線とコネクタピンの上下位置変動により、平面導波路である信号線側への伝送損失、及びリセス溝を埋める半田の付着量の変動から伝送回路の幅が不連続となるための伝送損失の発生が懸念される。
本発明は、信号の高周波領域における上記のような伝送損失の生ずる要因を最小化し、放射や反射を抑えることを課題とする。
本発明を実施するのに好適な半導体パッケージのコネクタピンと信号線の接続構造は、コネクタピンと接続される信号線の幅を、コネクタ特性インピーダンスとの整合がとれる信号線の幅より狭くする。
前記接続構造を有する接続部は、同軸線を経由して伝送される電気信号を、シールドされているガラスビーズの内部を通るコネクタピンの先端から平面導波路である誘電体基板上に薄膜として形成された信号線上に誘電する接続部である。
また、前記接続部は、光ファイバーを経由して伝送される光信号を光半導体素子により変換した電気信号を同軸線に伝送する接続部である。
コネクタピンと接続される部分の信号線の幅を、コネクタピン径の投影幅よりも狭くする。
コネクタピンと接続される接続部の信号線の狭い幅から、非接続部の広い信号線幅への変化は、非接続部の信号線側に次第に広くする。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明を具体化した好適な実施例を図面に基づき詳細に説明する。図１に、本発明のコネクタピンと信号線の接続構造を有する半導体パッケージの概念図を示す。
同軸線（図示なし）を経由して伝送される高周波の信号は、シールドされたガラスビーズ２の内部を貫通するコネクタピン１に伝達される。ガラスビーズ２の外周は、銅−タングステン系合金あるいは鉄−ニッケル系合金から成るパッケージ枠９に嵌装して固定される。又、半導体パッケージの底部には、パッケージ枠９と同種の金属から成る搭載ベース１０が鑞材により接合される。窒化アルミニウムセラミックス等から成る誘電体基板４上には、金等の低抵抗金属が真空蒸着やメッキにより、薄膜状の信号線３として形成されている。コネクタピン１および信号線の双方は、半田５により接合される。
一方、パッケージ枠９の側方には、その上部にメタライズ配線８に接続されＤＣ端子７を設けたセラミックス端子部材６が接合されている。そして半導体パッケージの内部には、放熱性の良好な絶縁基板（図示なし）を設置し、そこに電気信号や光信号を相互に変換するレーザーダイオードまたはフォトダイオード等の光半導体素子、その他電子冷却素子であるペルチェ素子、コンデンサ、抵抗等を搭載し、これらの素子と信号線３及びメタライズ配線８の間をワイヤボンデイング等で接続し、ＤＣ端子７に供給される電力によって各種素子を駆動して半導体モジュールとして機能させる。窓１１は、光ファイバーとモジュール間の光信号の入出力に用いられる。
図２は、図１におけるＡ部の信号線３周辺を拡大した平面図である。誘電体基板４の上に真空蒸着された薄膜状の信号線３の非接続部はＢ_１の幅を有し、コネクタピン１との接続部３ａは非接続部より狭い幅Ｂ_２に設定する。そして信号線３の非接続部の幅Ｂ_１を１としたとき、接続部３ａの幅Ｂ_２は０．４〜０．７であることが好ましい。
また、幅Ｂ_２から幅Ｂ_１への変化は、次第に広くなるようにすることが望ましい。さらに、信号線３の急激な変動による伝送損失を防ぐため、幅Ｂ_２から幅Ｂ_１への変化は、傾き角度をθとし変動幅をＳとした場合、ｔａｎθ＝２Ｓ／（Ｂ_１−Ｂ_２）の任意の角度θで非接続部の信号線３側に倒れるように変化させるのが好ましい。幅Ｂ_２から幅Ｂ_１への変化を直角ではなく、次第に広くなるように変化させることにより、信号の反射をより小さく抑える効果がある。
実施例
次に、本発明の特徴を実施したときの効果について説明する。図３は、図１におけるＡ部分を上方から見て、コネクタピン１の輪郭線１ａを信号線３上に投影したものである。この比較例１の実寸法は、誘電体基板４に形成されている信号線３の幅Ｂ_１が０．２３ｍｍの同一幅に形成され、基板の比誘電率は９．０である。又、ガラスビーズ２を貫通するコネクタピン１のピン径ｄは、０．２３ｍｍであり、ガラスの比誘電率は４．４である。コネクタピン１と信号線３は、予め定めた一定容量の半田にて接合した。
図４も、図１におけるＡ部分を上方から見たもので、コネクタピン１の輪郭線１ａを信号線３上に投影したものである。この実施例１の実寸法は、誘電体基板４上の信号線３の幅Ｂ_１が、０．２３ｍｍであり、接続部の信号線３ａの幅Ｂ_２は０．１２ｍｍである。接続部の信号線３ａから非接続部の信号線３への線幅は、直角コーナーを介して変化させた。ガラスビーズ２を貫通するコネクタピン１のピン径ｄは、比較例１と同様に０．２３ｍｍである。コネクタピン１と信号線３を接合する半田の容量は、比較例１と同等に設定した。
この比較例１と実施例１の試料について、シミュレーションを実施した。このシミュレーションでは、図３または図４に示される左側の同軸構造から右側の平面導波路間の反射特性と透過特性を有限要素法（ＦＥＭ）にて計算した。その計算結果を図５及び図６に示す。
図５は、反射の周波数依存性を片対数表示したものであり、マイナスの数字が少ないほど反射が少ないことを示している。図５において実線の細線は、図３の比較例１における横軸に周波数を縦軸に反射特性の大きさを表したシミュレーション計算結果を示したものであり、実線の太線は、図４における実施例１の反射特性のシミュレーション計算結果を示したものである。図５を考察すると、周波数２０ＧＨ_ｚを超えるあたりから周波数５０ＧＨ_ｚを超える高周波領域で、実施例１のほうが顕著に反射特性が良好であることを示している。
図６は、信号の透過特性を評価したものであり、零に近づく程信号が失われることなく伝送されていることを示している。図５と同様に実線の細線は、図３における比較例１の透過特性の大きさを表したシミュレーション計算結果を示したものであり、実線の太線は図４における実施例１の透過特性を示したものである。図６を考察すると、周波数２０ＧＨ_ｚを超えるあたりから周波数５０ＧＨ_ｚを超える高周波領域で、実施例１のほうが透過特性の良好なることを示している。
参考までに、シミュレーション計算結果の信頼性を実証するために、実施例１および比較例１と同一仕様の試料を準備して、ネットワークアナライザーにより反射特性と透過特性を実測した結果を表１に示す。
【表１】

絶対値に相違はあるものの、シミュレーション計算結果と実測値は定性的に一致する傾向を示している。しかも、実施例１の方が幅広い周波数領域において良好な特性を示した。
コネクタピン１の中心と信号線３の中心は合致させるのが好ましいが、パッケージ枠９に誘電体基板４を接合する際の組立誤差の生ずるのは避けられない。そこで、その影響をシミュレーション計算した結果を図８、９、１１、１２に示す。
まず、図３の比較例１と図７に示す比較例２を評価して見る。比較例２の図７は、コネクタピン１と信号線３の中心を合致させた比較例１と基本的には同じ接続構造の計算モデルであるが、信号線３の外側とコネクタピン１の輪郭線１ａとが０．１ｍｍズレているケースである。図８において、細線の一点鎖線は、図７の比較例２におけるの反射特性の大きさを表したシミュレーション計算結果を示したものであり、実線の細線は比較例１の反射特性を示したものである。比較例１と比較例２の反射特性のシミュレーション計算結果である図８を考察すると、周波数２０ＧＨ_ｚを超えるあたりから周波数６０ＧＨ_ｚに至る高周波領域で、コネクタピン１の中心と信号線３の中心の合致している比較例１のほうが反射特性が良好であることを示している。
また、図９に透過特性のシミュレーション計算結果を示す。図９において、細線の一点鎖線は、図７の比較例２における透過特性のシミュレーション計算結果を示したものであり、実線の細線は比較例１の透過特性を示したものである。図９を考察すると、周波数２０ＧＨ_ｚを超えるあたりから周波数６０ＧＨ_ｚに至る高周波領域で、コネクタピン１の中心と信号線３の中心の合致している比較例１のほうが透過特性が良好であることを示している
さらに、実施例１と対比するため用意した実施例２を図１０に示す。実施例２は、コネクタピン１と信号線３の中心を合致させた実施例１と基本的に同じ接続構造の計算モデルであるが、接続部の信号線３ａの外側とコネクタピン１の輪郭線１ａとが０．１ｍｍズレているケースである。図１１において、点線の細線は図１０における実施例２の反射特性の大きさを表したシミュレーション計算結果を示したものであり、実線の太線は実施例１の反射特性を示したものである。実施例１と実施例２の反射特性のシミュレーション計算結果である図１１を考察すると、周波数３６ＧＨ_ｚ近傍で僅かに実施例１のほうが反射特性の良好なることを示している。
次の図１２においては、点線の細線は図１０における実施例２の透過特性の大きさを表したシミュレーション計算結果を示したものであり、実線の太線は実施例１の透過特性を示したものである。実施例１と実施例２の透過特性のシミュレーション計算結果である図１２を考察すると、周波数３０ＧＨ_ｚ近傍から６０ＧＨ_ｚにかけて僅かに実施例１のほうが透過特性の良好なることが伺えるが僅差である。これらの結果により、実施例２の接続構造とすることによって、同程度のズレを想定した比較例２の場合よりも、ズレの両特性への影響の小さいことが判る。それ故、本発明の実施例は組立誤差の影響を受け難いと言える。
次に、信号線３の接続部３ａの適切な幅について調べた結果につき説明する。比較評価した試料は、本発明の実施例１を示す図４において、コネクタピン径ｄ、信号線３の回路部の幅Ｂ_１、その他の仕様を実施例１と同等とし、接続部３ａの幅Ｂ_２のみ０．０５ｍｍの試料を比較例３、幅Ｂ_１の０．４に相当する０．１ｍｍの試料を実施例３、幅Ｂ_１の０．７に相当する０．１６ｍｍの実施例４の３種類と、対比のため図３の比較例１を用意した。そして、前記と同様のシミュレーション計算手法を用いて、図１３に反射特性を、図１４に透過特性を示す。
図１３及び図１４において、比較例１は実線の細線で、比較例３は黒丸一点鎖線の太線で、実施例３は白丸一点鎖線の太線で、実施例４は白三角一点鎖線の太線で表されている。
まず、反射特性のシミュレーション計算結果である図１３を考察すると、周波数２０ＧＨ_ｚを超える辺りから周波数５５ＧＨ_ｚに至る高周波領域で、実施例３と４が特に良好な結果を示している。それに比較し比較例１は反射が大きく、比較例３も若干大きくなる傾向を示している。
また、透過特性のシミュレーション計算結果である図１４を考察すると、周波数１０ＧＨ_ｚ近傍から周波数６０ＧＨ_ｚに至る高周波領域で、実施例３と４が優れた透過特性を示している。それに比較し比較例１は、これらの領域全般にわたり透過性が低下している。比較例３は、部分的に透過性の良くなる領域が存在するものの狭い周波数領域に限られる。以上の結果から、信号線の接続部の線幅比Ｂ_２／Ｂ_１を０．４〜０．７とすることによって２０〜５５ＧＨ_ｚの高周波領域での反射ならびに透過特性に優れた接続構造の得られることが判る。
産業上の利用可能性
コネクタピンと信号線の接続構造において、コネクタピンと接続される部分の信号線の幅を、コネクタ特性インピーダンスとの整合がとれる非接続部の信号線の幅より狭くし、さらに、コネクタピンと接続される接続部の信号線の幅を、コネクタピン径の投影幅よりも狭くしたことにより、接続部における信号の放射や反射が最小化され伝送損失の低下を防ぐことができる。又、この様な接続構造を含む半導体パッケージは、コネクタピンと信号線の組立誤差を吸収して信号の伝送損失の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のコネクタピンと信号線の接続構造を有する半導体パッケージの概念図である。
図２は、本発明の信号線の平面図である。
図３は、比較例１の接続部における投影図である。
図４は、実施例１の接続部における投影図である。
図５は、比較例１と実施例１の反射特性を比較したシミュレーション結果である。
図６は、比較例１と実施例１の透過特性を比較したシミュレーション結果である。
図７は、比較例２の接続部における投影図である
図８は、比較例１と比較例２の反射特性を比較したシミュレーション結果である。
図９は、比較例１と比較施例２の透過特性を比較したシミュレーション結果である。
図１０は、実施例２の接続部における投影図である
図１１は、実施例１と実施例２の反射特性を比較したシミュレーション結果である。
図１２は、実施例１と実施例２の透過特性を比較したシミュレーション結果である。
図１３は、比較例１と３及び実施例３と４の反射特性を比較したシミュレーション結果である。
図１４は、比較例１と３及び実施例３と４の透過特性を比較したシミュレーション結果である。
図１５は、従来技術の接続部の部分断面図である。

Claims (6)

1. コネクタピンと信号線の接続部において、コネクタピンと接続される信号線の幅を、コネクタ特性インピダンスとの整合がとれる信号線の幅より狭くしたことを特徴とする半導体パッケージのコネクタピンと信号線の接続構造。
2. 前記接続部が、同軸線を経由して伝送される電気信号を、シールドされているガラスビーズの内部を通るコネクタピンの先端から平面導波路である誘電体基板上に薄膜として形成された信号線上に誘電する接続部である請求項１に記載のコネクタピンと信号線の接続構造。
3. 前記接続部が、光ファイバーを経由して伝送される光信号を光半導体素子により変換した電気信号を同軸線に伝送する接続部である請求項１に記載のコネクタピンと信号線の接続構造。
4. 前記コネクタピンと接続される部分の前記信号線の幅を、前記コネクタピン径の投影幅より狭くしたことを特徴とする請求項１乃至３に記載のコネクタピンと信号線の接続構造。
5. 前記コネクタピンと接続される接続部の前記信号線の狭い幅から、非接続部の広い幅への変化は、非接続部の信号線側に次第に広くなることを特徴とする請求項１乃至３に記載のコネクタピンと信号線の接続構造。
6. 前記コネクタピンと接続する前記信号線の接続構造が、請求項１乃至５のいずれかに記載の特徴を有する半導体パッケージ。

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