(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に搭載された高周波素子と、前記誘電体基板の一方の表面に被着形成され一端が前記高周波素子と接続された第１の高周波用線路と、前記高周波素子および前記第１の高周波用線路の周囲に設けられた枠体と、前記誘電体基板の他方の表面に形成された第２の高周波用線路とを具備し、前記第１の高周波用線路と前記第２の高周波用線路とを電磁的に結合してなる高周波素子搭載基板を、接続端子を具備する外部基板に実装する構造であって、前記高周波素子搭載基板の前記枠体を前記外部基板と接合することにより前記高周波素子を誘電体基板、枠体および外部基板によって形成されるキャビティ内に気密に封止するとともに、前記高周波素子搭載基板の前記第２の高周波用線路と前記接続端子とを接続してなることを特徴とする高周波素子搭載基板の実装構造。
【請求項２】
前記高周波素子搭載基板における前記誘電体基板内部にグランド層が形成され、前記第１の高周波用線路と前記第２の高周波用線路とが、前記グランド層内に形成されたスロット孔を介して電磁的に結合してなる請求項１記載の高周波素子搭載基板の実装構造。
【請求項３】
前記第２の高周波用線路と、前記接続端子とを、ワイヤボンディング、リボン、金属層付きテープのうちのいずれかによって接続してなる請求項１または請求項２記載の高周波素子搭載基板の実装構造。
【請求項４】
誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に搭載された高周波素子と、前記誘電体基板の一方の表面に被着形成され一端が前記高周波素子と接続された第１の高周波用線路と、前記高周波素子および前記第１の高周波用線路の周囲に設けられた枠体と、前記誘電体基板の他方の表面に形成された第２の高周波用線路とを具備し、前記第１の高周波用線路と前記第２の高周波用線路とを電磁的に結合してなる複数の高周波素子搭載基板を外部基板の表面に実装配列してなる高周波用モジュール構造であって、
前記高周波素子搭載基板における前記枠体をそれぞれ前記外部基板と接合することにより前記高周波素子を誘電体基板、枠体および外部基板によって形成されるキャビティ内に気密に封止するとともに、前記複数の高周波素子搭載基板の各第２の高周波用線路同士を相互接続してなることを特徴とする高周波用モジュール構造。
【請求項５】
前記高周波素子搭載基板における前記誘電体基板内部にグランド層が形成され、前記第１の高周波用線路と前記第２の高周波用線路とが、前記グランド層内に形成されたスロット孔を介して電磁的に結合してなる請求項４記載の高周波用モジュール構造。
【請求項６】
前記第２の高周波用線路同士を、ワイヤボンディング、リボン、および金属層付きテープのうちのいずれかによって相互接続してなる請求項４または請求項５記載の高周波用モジュール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯からミリ波帯領域の高周波素子を搭載した高周波素子搭載基板を所定の外部基板に実装してなる構造、および複数の高周波素子搭載基板を所定の外部基板に配列実装してなる高周波用モジュール構造に関し、高周波信号の特性劣化を低減して外部基板に接続するための改良に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、マイクロ波やミリ波の信号を取り扱う高周波用パッケージ３０は、図６（ａ）に示すように、誘電体基板３１と、枠体３２および蓋体３３により形成されるキャビティ３４内に高周波素子３５が搭載されて気密に封止され、高周波信号の入出力及び他の高周波用パッケージとの接続は、誘電体基板３１の表面に形成され、一端が高周波素子３５と接続されたマイクロストリップ線路等の高周波用線路３６を枠体３２を通してキャビティ３４外に引き出し、これを誘電体基板３１の側面を経由して裏面に引回して形成し、パッケージ３０の裏面の高周波用線路３６と外部回路基板３７の高周波用線路３８とを半田等の接着材を介して接続していた。また、モジュール化する場合も、外部回路基板３７の高周波用線路３８を経由して他の高周波用パッケージ３０’と相互接続していた。
【０００３】
また、他の高周波用パッケージ４０は、図６（ｂ）に示すように、キャビティ３４内の誘電体基板３１の表面に、一端が高周波素子３５と接続された高周波用線路４１を形成し、また誘電体基板３１の裏面に高周波用線路４２を形成し、高周波用線路４１と４２とをスルーホール導体４３を介して接続していた。そして、この高周波用パッケージ４０も図４（ａ）の高周波用パッケージ３０と同様に、外部回路基板３７の高周波用線路３８とを半田等の接着材３９を介して接続され、またこの高周波用線路３８を介して他の高周波用パッケージ４０’と相互接続していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６（ａ）において、高周波用線路３６が枠体３２内を通過する場合、通過部で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、信号線路幅を狭くする必要があり、その結果、通過部で反射損、放射損が発生しやすいため高周波信号の特性劣化が起こりやすくなるという問題があった。また、高周波用線路３６が誘電体基板３１の側面で曲折することから、ミリ波帯で用いた場合、伝送線路が曲折することにより反射が大きくなり信号を送受することが困難となる場合があった。
【０００５】
これに対して、図６（ｂ）は、スルーホール導体４３によって接続されるために図６（ａ）のような枠体３２通過部での反射損や放射損は低減されるが、信号周波数が４０ＧＨｚ以上になるとスルーホール導体４３での透過損失が急激に大きくなるために、マイクロ波帯からミリ波帯領域の信号を特性劣化なく伝送することが困難であった。
【０００６】
また、図６（ａ）（ｂ）のように、高周波用パッケージの外部回路基板３７への実装を、パッケージの底面に形成された高周波用線路３６、４２と高周波用線路３８とを半田等の接着材３９によって行うと、パッケージ側の高周波用線路と、外部回路基板側の高周波用線路とのパターンとのアライメントが難しく、信号の周波数によっては半田実装部でインピーダンス不整合によって反射損が生じ伝送損失が大きくなり、伝送自体が困難となる場合もあった。
【０００７】
従って、本発明は、高周波素子を搭載する基板を気密に封止するとともに、外部基板への実装においてアライメントが容易に行うことができ、高周波信号の伝送損失を低減した高周波素子搭載基板の実装構造を提供することを目的とするものである。
【０００８】
また、本発明は、高周波素子を搭載する基板を気密に封止するとともに、外部基板への実装と同時に他の高周波素子搭載基板の接続を容易にし、且つ高周波信号の伝送損失を低減したモジュール構造を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的に対して検討を重ねた結果、高周波素子と接続された高周波用線路と、他の回路との接続を担う高周波用線路とを電磁的に結合すること、そして、高周波素子の気密封止を外部基板への実装によって行うことによって他の回路との接続用の高周波用線路を上面側に設けることにより、接続用の高周波用線路と、他の回路との接続を容易ならしめることができることを見いだし、本発明に至った。
【００１０】
即ち、本発明の高周波素子搭載基板は、誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に搭載された高周波素子と、前記誘電体基板の一方の表面に被着形成され一端が前記高周波素子と接続された第１の高周波用線路と、前記高周波素子および前記第１の高周波用線路の周囲に設けられた枠体と、前記誘電体基板の他方の表面に形成された第２の高周波用線路とを具備し、前記第１の高周波用線路と前記第２の高周波用線路とを電磁的に結合してなるものであって、かかる高周波素子搭載基板を、接続端子を具備する外部基板に実装するにあたり、前記高周波素子搭載基板の前記枠体を前記外部基板と接合することにより前記高周波素子を誘電体基板、枠体および外部基板によって形成されるキャビティ内に気密に封止するとともに、前記高周波素子搭載基板の前記第２の高周波用線路と前記接続端子とを接続してなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、複数の高周波素子搭載基板を相互接続してモジュール化するにあたり、前記高周波素子搭載基板における前記枠体をそれぞれ前記外部基板と接合することにより前記高周波素子を誘電体基板、枠体および外部基板によって形成されるキャビティ内に気密に封止するとともに、前記複数の高周波素子搭載基板の各第２の高周波用線路同士を相互接続してなることを特徴とするものである。
【００１２】
なお、上記実装構造およびモジュール構造において、前記高周波素子搭載基板における前記誘電体基板内部にグランド層が形成され、前記第１の高周波用線路と前記第２の高周波用線路とが、前記グランド層内に形成されたスロット孔を介して電磁的に結合してなることが望ましい。
【００１３】
また、前記実装構造における第２の高周波用線路と接続端子との接続、前記第２の高周波用線路同士の接続を、ワイヤボンディング、リボン、金属層付きテープのうちのいずれかによって接続することが望ましい。
【００１４】
【作用】
本発明によれば、高周波素子搭載基板において、高周波素子と接続された高周波用線路と、他の回路との接続を担う高周波用線路とを電磁的に結合することによって、従来の図６（ａ）（ｂ）に示したような高周波線路の引回しやスルーホール導体による接続に比較して反射損や透過損などによる伝送特性の劣化を大幅に低減することができる。
【００１５】
また、外部基板への実装にあたり、高周波素子搭載基板の高周波素子搭載面側に枠体を形成し、この枠体を外部基板と接合することにより高周波素子を誘電体基板、枠体および外部基板によって形成されるキャビティ内に気密に封止することができる。
【００１６】
しかも、外部基板への実装面を高周波素子搭載面側とすることにより、接続用の高周波用線路が上面に配置されるために、この接続用の高周波用線路と外部基板の接続端子や、モジュール構造においては、他の高周波素子搭載基板の接続用高周波用線路とを、リボン、ワイヤ、又はＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）テープなどの金属層付きテープなどで接続することができ、これによりアライメントを容易に行うことができるとともに、接続時の伝送損失をも低減できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明における高周波素子搭載基板の実装構造の一例を示す図１乃至図２をもとに説明する。図１は、本発明の実装構造の概略断面図、図２は、その平面図である。図１および図２によれば、高周波素子搭載基板Ａは、誘電体材料からなる誘電体基板１の表面にＭＭＩＣ，ＭＩＣなどの高周波素子２が搭載されている。また、誘電体基板１の表面には、高周波素子２に対して信号の入出力を担う一対の第１の高周波用線路３が被着形成されている。
【００１８】
また、図１の高周波素子搭載基板Ａにおいては、誘電体基板１の内部には、グランド層４がほぼ全面にわたり形成されており、前記第１の高周波用線路３は、グランド層４とともにマイクロストリップ線路を形成している。なお、第１の高周波用線路の一端は、ワイヤボンディング、リボン、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）用テープなどの金属層付きテープ（以下、単にＴＡＢ用テープという。）やフリップチップ実装等によって高周波素子２と電気的に接続されている。
【００１９】
さらに、誘電体基板１の高周波素子２および第１の高周波用線路３の周囲には、所定の高さを有する枠体５が設けられている。この枠体５は、後述する外部基板への実装時に高周波素子２を気密に封止するためのキャビティを形成する部材である。この枠体５は、キャビティからの電磁波が外部に漏洩するのを防止できる材料から構成されることが望ましく、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等が使用できるが、これらの材料中に電磁波を吸収させることのできるカーボン等の電磁波吸収物質を分散させたり、表面にこれらの電磁波吸収物質を塗布することもできる。特に枠体５は、金属からなることが最も望ましい。その場合、金属製枠体は、誘電体基板１の表面にロウ材６等によって接合されている。
【００２０】
また、誘電体基板１の高周波素子２搭載面の反対側の表面には、一対の第２の高周波用線路７が被着形成されており、グランド層４とともにマイクロストリップ線路を形成している。
【００２１】
さらに、グランド層４内には、導体層が形成されないスロット孔８が形成されている。このスロット孔８は、いずれも長辺Ｌ、短辺Ｍの略長方形、または長径Ｌ、短径Ｍの楕円径からなり、スロット孔８を介して第１の高周波用線路３と第２の高周波用線路７の各終端部を対照的に対峙する位置に形成することによって線路３と線路７とを電磁的に結合することができる。
【００２２】
第１の高周波用線路３と第２の高周波用線路７とのスロット孔８による電磁結合構造は、図３に示すように、スロット孔８の長辺長さＬ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８の短辺の長さＭ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。
【００２３】
そして、第１の高周波用線路３および第２の高周波用線路７の終端部を、スロット孔８に対して、平面的にみてスロット孔８の中心から、互いに長さＸの分だけ突き出るように配設される。この突き出し長さＸは伝送信号の波長λの約１／４相当の長さが望ましい。
【００２４】
本発明における高周波素子搭載基板Ａにおける誘電体基板１の底面において、第２の高周波用線路７端部には、図２に示すようにその両側にグランド層９が形成されたグランド付きコプレーナ線路からなる接続部が形成されている。この接続部は、基板Ａと外部基板の回路と接続するためのものである。なお、グランド層９は、誘電体基板１内のグランド層４とビアホール導体１０あるいは誘電体基板１の側面に形成したキャスタレーション（図示せず）によって電気的に接続され、グランド層４と同電位に保たれている。
【００２５】
本発明の実装構造によれば、図１及び図２に示すように、外部基板Ｂに対して上記高周波素子搭載基板Ａの枠体５を外部基板Ｂの実装部に、半田もしくはＡｕＳｎ等の接着剤１１を用いて接合することにより高周波素子２を誘電体基板１、枠体５および外部基板Ｂによって形成されるキャビティ１２内に気密に封止される。
【００２６】
かかる封止構造によれば、キャビティ１２内は、電磁的にも封止された構造からなることが望ましく、そのために、外部基板Ｂにおける高周波素子搭載基板Ａ実装部におけるキャビティ１２形成部は、枠体５と同様に、電磁波が外部に漏洩するのを防止できる、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等の材料から構成されることが望ましく、また、電磁波吸収物質をキャビティ１２形成面の内壁に塗布することもできる。
【００２７】
また、外部基板Ｂの高周波素子搭載基板Ａにおける接続部と対向する箇所には、第３の高周波用線路１３と、一対のグランド層１４とからなる接続端子１５が設けられており、高周波素子搭載基板Ａの第２の高周波用線路７と接続端子１５の第３の高周波用線路１３と、また一対のグランド層９と一対のグランド層１４とが、それぞれリボン、ワイヤ、ＴＡＢ用テープ等の金属層付きテープ等の接続部材１６によってそれぞれ電気的に接続されている。
【００２８】
このように、本発明によれば、外部基板への実装によって、高周波素子２を気密に封止する構造となし、且つ高周波素子搭載基板Ａと、外部基板Ｂとの接続を半田等の接着材を用いることなく、リボン、ワイヤ、ＴＡＢ用テープ等の接続部材１６によって接続することにより、両接続部間のアライメントを容易にならしめるとともに、半田などによる実装に比較して接続部における信号の反射損を低減することができる。
【００２９】
次に、本発明の高周波用モジュール構造について図４の概略断面図および図５の平面図をもとに説明する。本発明によれば、高周波モジュール構造は、基本的に、前記図１乃至図３に示したような構造からなる２個以上の複数の高周波素子搭載基板Ａをそれぞれ外部基板の表面に実装配列し、それらを相互接続してなるものである。
【００３０】
図４および図５に示されるように、２つの高周波素子搭載基板Ａ，Ａ’は、外部基板Ｂにおける第２の高周波用線路７，７’の接続部が互いに近接する位置に、図１および図２にて説明したように２つの基板Ａ、Ａ’がそれぞれの枠体５、５’を外部基板Ｂと半田もしくはＡｕＳｎ等の接着材１１、１１’によって接合されており、それぞれの高周波素子２、２’は、各誘電体基板１、１’、枠体５，５’および外部基板Ｂによって形成されるキャビティ１２，１２’内にそれぞれ気密に封止されている。
【００３１】
そして、上記２つの高周波素子搭載基板Ａ，Ａ’は、その各第２の高周波用線路７、７’同士、および一対のグランド層９、９’同士をそれぞれリボン、ワイヤ、ＴＡＢ用テープ等の接続部材１６によってそれぞれ電気的に接続されている。
【００３２】
かかるモジュール構造においても、各高周波素子搭載基板Ａ、Ａ’同士は、外部基板に対する実装によって、それぞれ高周波素子２を気密に封止する構造となし、且つ２つの高周波素子搭載基板Ａ、Ａ’との接続を半田等の接着材を用いることなく、リボン、ワイヤ、ＴＡＢ用テープ等によって接続することにより、両接続部間のアライメントを容易にならしめるとともに、半田などによる実装に比較して接続部における信号の反射損を低減することができる。
【００３３】
なお、上記の高周波素子搭載基板Ａにおいては、入力用および出力用の１対の高周波用線路が形成された場合について説明したが、基板Ａ内においては、高周波用線路は、３つ以上の高周波用線路が形成され、さらに３つ以上の電磁結合部が存在していてもよい。
【００３４】
また、上記高周波素子搭載基板Ａにおいては、信号伝送用の線路のみについて説明したが、この基板Ａには、信号伝送用の線路のみならず、他の目的の線路あるいは高周波素子２に対する電源供給用等の低周波用配線層が形成されていてもよい。その場合、電源供給用配線層も誘電体基板１の第２の高周波用線路７形成面に引き回され、第２の高周波用線路７の接続部の接続形態と同様に、外部基板Ｂの電源回路とリボン、ワイヤ、ＴＡＢ用テープ等によって接続すればよい。
【００３５】
さらに、高周波素子搭載基板Ａにおける第１の高周波用線路、第２の高周波用線路として、マイクロストリップ線路を例にして説明したが、かかる線路は、ストリップ線路、グランド付コプレーナ線路によって構成されていてもよい。
【００３６】
さらに、本発明の実装構造およびモジュール構造においては、外部基板Ｂは、プリント基板などからなるマザーボード、ハウジング、ヒートシンク等の機能を兼ね備えていてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波素子搭載基板の実装構造およびモジュール構造においては、高周波素子搭載基板における信号伝送線路間を電磁結合させ、しかも高周波素子の気密封止を外部回路基板への枠体の接合によって行い、外部基板との接続部をワイヤ、リボン、ＴＡＢ用テープなどによって接続することにより、アライメントを容易に行うことができるとともに従来の半田などによる実装での特性劣化を低減しながら高周波素子に入出力することが可能な高信頼性で実装およびモジュール化が容易な実装構造およびモジュール構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波素子搭載基板の実装構造の概略断面図である。
【図２】図１の実装構造の平面図である。
【図３】本発明における高周波素子搭載基板の電磁結合部の構造を説明するための平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図４】本発明の高周波素子搭載基板のモジュール構造の概略断面図である。
【図５】図４のモジュール構造の平面図である。
【図６】従来の高周波用パッケージの実装構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ  高周波素子搭載基板
Ｂ  外部基板
１  誘電体基板
２  高周波素子
３  第１の高周波用線路
４  グランド層
５  枠体
７  第２の高周波用線路
８  スロット孔
１２  キャビティ
１３  接続端子
１６  接続部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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