(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体材料からなる複数の絶縁層を積層してなり、表面に半導体素子が搭載される絶縁基板と前記半導体素子と電気的に接続される第１の信号伝送線路と、前記絶縁基板内部に配設されたグランド層と、前記絶縁基板の裏面に形成された第２の信号伝送線路とを具備し、前記第１の信号伝送線路と、前記第２の信号伝送線路の間で信号の伝達が行われる配線基板であって、前記第１の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε１が、前記第２の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε２よりも大きいことを特徴とする高周波用配線基板。
【請求項２】
前記絶縁基板の裏面にアンテナ素子を形成し、前記第２の信号伝送線路と接続してなることを特徴とする請求項１記載の高周波用配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を収納するためのパッケージ等に適応される配線基板に関するものであり、具体的には、マイクロ波やミリ波領域の周波数の高い信号を処理するための配線基板、特にアンテナ素子が接続された高周波用配線基板の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高度情報化時代を迎え、情報伝達は携帯電話に代表されるようにパーソナル化、無線化が進んでいる。このため無線に用いられる電波は、すでにマイクロ波（１〜３０ＧＨｚ）の領域まで利用されているが、無線局の増加により使用周波数帯域が不足しつつある。また情報の容量が増加する傾向にあることから、マイクロ波の領域においては動画や多量のデータを高速で伝送することが困難であった。このような実情に対して、ミリ波（３０〜３００ＧＨｚ）領域の周波数の有効活用が検討され、６０ＧＨｚ、７７ＧＨｚで動作する半導体素子の開発等も活発化し、追突防止用レーダや無線ＬＡＮのようにミリ波の電波を用いたさまざまな応用システムが提案されるようになってきた。
【０００３】
例えば、無線ＬＡＮにおいて、受信モジュールとして低雑音増幅器を多段に一体化したパッケージが提案されている（１９９５年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−１３５参照）。この提案では、金属製の収納容器内に半導体素子を収納し、その半導体との接続を、金属製枠体の一部に信号伝送線路が形成されたセラミックス部材をはめ込み、その信号伝送線路と半導体素子を接続して、半導体素子の収納容器内への気密封止を実現している。
【０００４】
しかし、パッケージの量産性および低コスト化を実現するためには、パッケージの絶縁基板やキャビティを形成する枠体を、金属に代わりセラミックスにより構成し、信号伝送線路と同時に焼成することが望まれている。
【０００５】
そこで、半導体素子が搭載された絶縁基板の表面からセラミックス製枠体を貫通して、キャビティ内部から外部に引き出し、さらに絶縁基板の側面を経由して絶縁基板の底面に信号伝送線路を配線し、外部回路基板接続用の高周波端子と接続した構造からなり、信号伝送線路と絶縁基板、セラミックス製枠体とを同時焼成して形成する高周波用半導体素子パッケージが提案されている。
【０００６】
また、上記のほかにも、絶縁基板の表面側に半導体素子が搭載され、裏面側に外部回路基板接続用の高周波端子を形成し、この高周波端子と半導体素子とを絶縁基板内を貫通して形成されたスルーホール導体を介して接続した構造からなり、絶縁基板やスルーホール導体等を同時焼成により形成する半導体素子パッケージも提案されている。また、配線基板とアンテナ素子とをモジュール化することも提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
同時焼成が可能な上記２つのパッケージによれば、前者の高周波用半導体素子パッケージをミリ波帯で用いた場合、ストリップ線路等の信号伝送線路をセラミック製枠体を通してキャビティの内側から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ため、インピーダンス整合をとるために、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、放射損が発生しやすく、共振現象を引き起こすため高周波信号の出力強度の低下により高周波信号の伝送特性が悪くなるという問題があった。また、信号伝送線路を絶縁基板の側面で曲折した場合でも、曲折部での反射損が大きくなり伝送特性の劣化が生じる。
【０００８】
また、後者のパッケージにおいては、スルーホール導体を絶縁基板の底面に導出して信号線路として用いると、信号伝送線路とスルーホールの接触部が曲折するため、この曲折部分での反射損が大きくなり、４０ＧＨｚ以上で急激な伝送特性の劣化が生じるため、高周波領域で使用することが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明者等は、絶縁基板表面に一端が半導体素子と接続された信号伝送線路を形成し、また、絶縁基板の裏面に信号伝送線路を形成し、絶縁基板内のグランド層に形成したスロット孔を介して両伝送線路を電磁結合により信号を低損失で伝送可能なパッケージを提案した（特願平９−１０４９０９号）。
【００１０】
しかし、半導体素子の集積化及び回路自体の小型化、薄型化が検討されており、高周波用半導体素子配線基板もさらに小型化することが望まれる。
さらに、半導体素子を搭載する配線基板とアンテナ素子とのモジュールを形成する場合、半導体素子とアンテナ素子との接続が重要であり、接続回路間の損失を最小にするには、アンテナ素子と半導体素子間をコンパクトにかつ短距離に接続することが望まれている。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、小型化が可能で、伝送特性に優れ、マイクロ波またはミリ波等の半導体素子とアンテナ素子を含むシステムに好適な高周波用配線基板を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解消するため、配線基板における構造および材料等の観点から種々検討を行った結果、例えば先に特願平９−１０４９０９号にて提案した配線基板構造において、一端が前記半導体素子と電気的に接続される第１の信号伝送線路と、前記絶縁基板内部に形成されたグランド層との間に位置する絶縁層を、絶縁基板の裏面に形成された第２の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層よりも誘電率の大きい誘電体材料により形成することにより、上記目的が達成されることを見いだし、本発明に至った。
【００１３】
即ち、本発明の高周波用配線基板は、誘電体材料からなる複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板より形成され半導体素子が搭載され、前記半導体素子と電気的に接続される第１の信号伝送線路と、前記絶縁基板内部に配設されたグランド層と、前記絶縁基板の裏面に形成された第２の信号伝送線路とを具備し、前記第１の信号伝送線路と、前記第２の信号伝送線路の間で信号の伝達が行われる配線基板であって、前記第１の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε１が、前記第２の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε２よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の高周波用配線基板は、さらに前記絶縁基板の裏面にアンテナ素子を形成する場合に好適である。
【００１５】
【作用】
特願平９−１０４９０９号にて提案した配線基板構造において、絶縁基板の裏面に形成された第２の信号伝送線路と絶縁基板の内部に形成されたグランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε２が高い場合、第２の信号伝送線路より配線基板を外部回路基板等に実装するとき、外部回路基板の誘電率との整合をとるために第２の信号伝送線路における実装部の線路幅を狭くする必要があり、実装時の位置決め精度を高くしなければならない。
【００１６】
逆に、実装部の線路幅が決められている場合、前記第２の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε２が高いと前記第２の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の厚みを厚くしなければならず、電磁結合部への磁界の集中を妨げ、伝送特性を劣化させてしまう。
【００１７】
さらに、前記第２の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の厚みを厚くした場合、高周波帯では高次モードの伝搬が生じる。例えば、前記絶縁層の誘電率が８〜９、絶縁層の厚みが２５０μｍの場合、６０〜７０ＧＨｚ以上の周波数で高次モードの伝搬が生じる。一方、前記絶縁層の誘電率が５〜６、絶縁層の厚みが２５０μｍの場合、１１０ＧＨｚ以上の周波数で高次モードの伝搬が生じる。この高次モードが伝搬すると、信号の伝送特性は劣化してしまう。また、前記第１の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε１が低い場合、第１の信号伝送線路等の線路幅を広くする必要があるため、微細配線化ができず半導体素子との接続面の面積を広くしなければならず、場合によっては半導体素子との接続が困難となる場合がある。このため、配線基板自体が必然的に大型になってしまうという問題があった。
【００１８】
本発明によれば、前記第１の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε１を前記第２の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の誘電率ε２よりも大きくすることにより、配線基板を第２の信号伝送線路を介して外部回路基板に実装する場合、第２の信号伝送線路における実装部の線路幅を広くできるため、実装時の位置決め精度が低くでき、実装が容易となる。
【００１９】
また、前記第２の信号伝送線路と前記グランド層との間に位置する絶縁層の厚みを薄くすることができるため、電磁結合部へ磁界を集中させることができ、伝送特性を向上できるとともに低背化が可能となる。しかも、高周波帯において生ずる高次モードの伝搬による伝送特性の劣化を抑制でき、より高周波の信号の使用が可能となる。
【００２０】
さらに、本発明によれば、半導体素子と接続される第１の信号伝送線路を微細配線化することが可能となる結果、半導体素子搭載面の面積を小さくでき、配線基板自体の小型化が可能となる。
【００２１】
また、配線基板とアンテナ素子とをモジュール化する場合、配線基板の裏面に形成した第２の信号伝送線路近傍にアンテナ素子を形成することにより、半導体素子とアンテナ回路とを第１および第２の信号伝送線路を経由してコンパクトに接続することができる。また第２の信号伝送線路とグランド層との間に位置する絶縁層を低誘電率の誘電体材料で構成することによりアンテナの放射特性を向上することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明における高周波用配線基板の典型的応用例として、高周波用半導体素子パッケージの断面図を図１に示した。
高周波用半導体素子パッケージ１によれば、誘電体材料からなる絶縁層２と絶縁層３を積層してなる絶縁基板４と蓋体５によってキャビティ６が形成されており、その絶縁基板４の表面には、ＭＭＩＣ、ＭＩＣ等の半導体素子７が搭載されキャビティ６内に気密に封止される。
絶縁基板４を構成する誘電体材料として、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素などのセラミックス、ガラスセラミックス、セラミック金属複合材料、ガラス有機樹脂系複合材料等により構成される。
【００２３】
蓋体５は、キャビティ６からの電磁波が外部に漏洩するのを防止できる導電性材料から構成され、金属、導電性セラミックス、セラミック金属複合材料等が使用できる。絶縁基体の表面に導電性物質を塗布したものであってもよいが、コストの点から考慮すれば金属であるのがよく、例えば、コバール、銅−ニッケル基合金などが好適に使用される。絶縁基板４内には導体層からなるグランド層１０がほぼ全面にわたり形成されている。
【００２４】
図１のパッケージにおいては、第１の信号伝送線路８および第２の信号伝送線路９はマイクロストリップ線路により形成されている。キャビティ６内の絶縁基板４表面には第１の信号伝送線路８が形成され、その一端は半導体素子７と接続されている。また、絶縁基板４の裏面にも、第２の信号伝送線路９が形成されている。
【００２５】
そして、絶縁基板４の内部にはグランド層１０が形成されており、そのグランド層１０内には、スロット孔１１が形成されている。そして、第１の信号伝送線路８と第２の信号伝送線路９とは、このスロット孔１１を介して、各信号伝送線路の終端部が対峙する位置に形成することにより電磁結合され、損失の少ない信号が伝達される。
【００２６】
より具体的には、このスロット孔１１を介した２つの信号伝送線路は、スロット孔１１を挟んで必要な周波数における伝送信号の１／２波長相当長さで平面的にみて重なる対峙位置に形成されることが望ましく、スロット孔１１の形状は、長辺と短辺とからなる長方形の孔であり、そのサイズは、使用周波数や周波数の帯域幅により適宜設定される。特に、スロット孔の長辺は必要な周波数における伝送信号の１／２波長相当長さにするのが望ましく、スロット孔の短辺は１／５波長相当長さから１／５０波長相当長さに設定することが望ましい。
【００２７】
また、第２の信号伝送線路９の終端部（外部回路基板との接続部）は、図２の絶縁基板の裏面における配線図に示すように、マイクロストリップ線路の中心導体９ａの両脇にグランド層９ｂをもったグランド付きコプレーナ線路に変換されている。なお、このグランド層９ｂは絶縁基板４内に設けられたグランド層１０とビアホール導体１２または絶縁基板４の側面に形成したキャスタレーション（図示せず）によって接続されている。
【００２８】
本発明によれば、第１の信号伝送線路８とグランド層１０との間に位置する絶縁層２の誘電率ε１を第２の信号伝送線路９とグランド層１０との間に位置する絶縁層３の誘電率ε２よりも大きくすることにより、前述した通り、絶縁層２側においては伝送線路の微細配線化が可能となり、配線の省スペース化を図ることができるとともに、絶縁層３側においては、電磁結合による伝送特性を向上でき、かつ高次モードの伝搬を抑制し高い周波数の信号を使用することができるとともに外部電気回路基板への実装性を高めることができる。
【００２９】
具体的には、絶縁層２は誘電率が５より大きく１５以下のセラミックス、ガラスセラミックス、セラミック金属複合材料、ガラス有機樹脂系複合材料等などが望ましく、特に誘電率は５より大きく１０以下が望ましい。また絶縁層３は絶縁層２より低誘電率の誘電体材料で構成されており、具体的には、誘電率が７以下のセラミックス、ガラスセラミックス、セラミック金属複合材料、ガラス有機樹脂系複合材料、石英等の低誘電率材料等が望ましい。
【００３０】
また、絶縁層の誘電率を上記のように制御する方法としては、絶縁層中にＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、石英、ムライト、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウムおよび窒化アルミ等のセラミックフィラーの添加あるいは添加量の増加により高誘電率化する方法や、ほう珪酸亜鉛ガラスやほう珪酸鉛ガラス等のほう珪酸系ガラス、アルカリ珪酸ガラスなどガラス成分の添加あるいは添加量の増加により低誘電率化する方法がある。なお、前記絶縁層２および絶縁層３はセラミックスまたはガラスセラミックスの場合、同時焼成が可能な組成物であることが望ましい。また、本発明の上記構成は、絶縁層３の裏面に形成された第２の信号伝送線路９の延長部にパッチアンテナ等のアンテナ素子を被着形成する場合において特に有効であり、この場合、前述した通り、半導体素子とアンテナ素子とをコンパクトに接続することができるとともに、アンテナの放射特性を向上することができる。なお、第２の信号伝送線路９がマイクロストリップ線路である場合、伝送特性の劣化を考慮すると、アンテナ素子の接続は電磁結合部に近い方が望ましい。
【００３１】
本発明の高周波用配線基板は、図１に示したような半導体素子７を蓋体５によって気密封止した高周波用半導体素子パッケージのみならず、例えば、図３に示すように、誘電率の異なる絶縁層２、絶縁層３によって形成された絶縁基板４表面に半導体素子７を搭載し、この半導体素子７を樹脂１４等で封止する形態の半導体素子搭載配線基板１３に対しても応用が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用配線基板によれば、半導体素子と接続される第１の信号伝送線路が形成される絶縁層を、外部回路基板との実装部を有する第２の信号伝送線路が形成される絶縁層よりも高誘電率の誘電体材料で構成することにより、信号伝送特性の向上が図れ、かつ高周波の信号が使用可能で、また配線基板自体の小型化が可能となる。さらに、外部回路基板等の配線層に容易に実装できる。また、アンテナ素子と半導体素子をコンパクトに接続でき、低損失で信号を伝送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波用配線基板の一例である高周波半導体素子パッケージの態様を説明するための断面図である。
【図２】図１のパッケージにおける裏面の配線図を示す図である。
【図３】本発明の他の高周波用配線基板の態様を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１  高周波半導体素子パッケージ
２，３  絶縁層
４  絶縁基板
５  蓋体
６  キャビティ
７  半導体素子
７  中心線路
８  第１の信号伝送線路
９  第２の信号伝送線路
９ａ  中心導体
９ｂ  グランド層
１０  グランド層
１１  スロット孔
１２  ビアホール導体
１３  配線基板
１４  樹脂
【図１】
0003540939.tif 000002
【図２】
0003540939.tif 000003
【図３】
0003540939.tif 000004