(57)【要約】【課題】  ＢＧＡにより回路基板に接続損失を抑制して実装することができる、高周波回路モジュールおよび高周波回路モジュールの実装構造を提供する。【解決手段】  導波管端子７および複数の電極パッド５に形成されたＢＧＡ（Ｂａｌｌ・Ｇｒｉｄ・Ａｒｒａｙ）を有する誘電体の基板を備えた高周波回路モジュール１０であって、ＢＧＡが、はんだボール３ｂと、リフロー実装時に高周波回路モジュールの自重で変形しにくいコア部１５およびそのコア部１５を被覆するはんだ層１３とを有する複合はんだボール３ａとで構成される。【選択図】        図３
2006310619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波管端子および複数の電極パッドに形成されたＢＧＡ（Ｂａｌｌ・Ｇｒｉｄ・Ａｒｒａｙ）を有する誘電体の基板を備えた高周波回路モジュールあって、
前記ＢＧＡが、はんだボールと、リフロー実装時に前記高周波回路モジュールの自重で変形しにくいコア部およびそのコア部を被覆するはんだ層を有する複合はんだボールとで構成される、高周波回路モジュール。
【請求項２】
前記高周波回路モジュールの導波管端子の縁に沿ってその導波管端子を囲むように、前記複合はんだボールが位置する、請求項１に記載の高周波回路モジュール。
【請求項３】
前記複合はんだボールの外径が、前記はんだボールの外径よりも小さい、請求項１または２に記載の高周波回路モジュール。
【請求項４】
前記ＢＧＡを平面的に見て、最外周より内側の電極パッドには、信号端子、制御信号端子、信号用接地端子およびバイアス端子のいずれも配されていない、請求項１〜３のいずれかに記載の高周波回路モジュール。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれかに記載の高周波モジュールと、回路基板とが、前記ＢＧＡを介在させて接続されている、高周波回路モジュールの実装構造。
【請求項６】
導波管端子および複数の電極パッドに形成されたＢＧＡ（Ｂａｌｌ・Ｇｒｉｄ・Ａｒｒａｙ）を有する誘電体基板の高周波回路モジュールと、
前記ＢＧＡを介在させて、前記高周波回路モジュールの電極パッドに対応して接続された対応電極パッドを有する回路基板と、
前記高周波回路モジュールと前記回路基板との間に位置し、前記高周波回路モジュールおよび前記回路基板の複数個所において、前記高周波回路モジュールおよび前記回路基板の少なくとも一方に接して両者の間隔を一定に確保する部分とを備える、高周波回路モジュールの実装構造。
【請求項７】
前記ＢＧＡが、コア部と、そのコア部をコートするはんだコートとから構成される複合はんだボールをその部分に含み、前記両者の間隔を一定に確保する部分が、そのコア部である、請求項６に記載の高周波回路モジュールの実装構造。
【請求項８】
前記高周波回路モジュールおよび前記回路基板は、いずれか一方から他方側に突き出す突出部を複数個所において備え、前記両者の間隔を一定に確保する部分が、その突出部である、請求項６に記載の高周波回路モジュールの実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波、ミリ波等の高周波半導体素子を内蔵し、それらを制御する電源線路、信号線路、導波管、高周波線路等を備えた高周波回路モジュールおよび高周波回路モジュールの実装構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
商用の通信機器、人工衛星、レーダー等に使われるミリ波、マイクロ波帯の高周波回路モジュールは、信頼性が高く、寿命が長いことが必要不可欠である。このため、高周波回路モジュールは、内蔵される半導体素子の保護、気密性の確保、電磁波の漏洩遮断、外部からの干渉の遮断等の目的で、金属、セラミックまたは両者を併用した中空の気密封止モジュールに組み込まれて使用される。
【０００３】
これらの高周波回路モジュールから高周波の電気信号を入出力するには、大別して２つの方式が採用されている。１つは、フィードスルーと呼ばれる構造でマイクロストリップ線路のまま高周波回路モジュールに信号を入出力する方式であり、他は、マイクロストリップ線路を経て導波管変換器にて一旦導波管モードに変換し、導波管を通して高周波回路モジュール外部に導く方式である。
【０００４】
後者の場合、導波管は、たとえば高周波回路モジュール内部の配線基板部分では、気密を確保するために誘電体で満たされた導波管構造を用い、高周波回路モジュール外部ではプリント基板に設けるか又は金属で作製した中空の導波管が用いられる。これら導波管は高周波回路モジュール内部分と高周波回路モジュール外部分とが互いに接続されて使用される。接続の方法としては既知の方法で取り付けた金属製のフレームなどを介して、ネジ止めされて使用されることが行われる。すなわち高周波で使用される高周波回路モジュールには、ネジによる締結が必要である。
【０００５】
しかしながら、上記ネジ締結の構造は大がかりなものになり、またネジ止めは他の部品の実装とは別の工程で実施する必要があることなどから、使いにくく、高周波回路モジュールの低コスト化、小型化、コンパクト化、軽量化などの妨げになっていた。この問題を解決すべく、最近では、ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレー）構造を適用し、プリント基板に表面実装する形式で両者を接続する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
ＢＧＡを用いた高周波回路モジュールの接続構造は、高周波回路モジュールを構成する多層誘電体基板の下面（裏面または底面）に導波管端子、信号端子、制御信号端子、接地端子およびバイアス端子を配置する。また、この高周波回路モジュールの電極パッドに対応するように高周波回路モジュールを実装する回路基板の上面にも電極パッドを配置する。そして、おのおの対応した端子間を全てはんだボールで接続することで実装を実現する。このような形式の高周波回路モジュールは、リフロー実装を適用することにより、回路基板上に他の電子部品と同時に実装できるなど、コスト、生産性等において魅力的な構造である。
【特許文献１】特開２００４−２５４０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＢＧＡによる表面実装は、実装面積が小さい、限られた面積で多ピン化が可能など多くの特長があるため近年急速に普及したが、（１）実装時にはんだボールが変形し、また（２）実装後の接続検査が困難であるなどの問題点がある。
【０００８】
上記（１）の、実装時のはんだボールの変形の問題は、次のようなものである。ＢＧＡを用いた表面実装を行なうとき、通常の電子機器に多用されているプラスチックパッケージのような軽量なパッケージを実装する場合には、はんだボールの変形は大きな問題とはならない。しかし、セラミックや金属など比重の大きな素材を多用するため、重量が大きくなる高周波回路モジュールにあっては、はんだボールの変形は実装の成否に係わる重大な問題である。
【０００９】
たとえば、モジュールの幾何学的な中心とモジュールの重心とにずれがある高周波回路モジュールをリフロー実装すると、はんだが溶融した時点で、バランスが崩れ、傾いたまま実装されてしまうという問題があった（傾き実装）。実装時にこのような変形が生じると高周波回路モジュールと回路基板との間の距離（スタンドオフ）及びはんだボール間の間隙の距離ｄが変化する。このような変化が導波管回路部で生じると、接続ロスが生じ、これが高周波回路モジュールごとに変化すると均一な製品の製造に支障をきたす。
【００１０】
一方、正常に実装が行われた場合でも、球状であったはんだボールは、はんだ溶融時に高周波回路モジュールの自重によって変形し、断面が楕円状の扁平球になる。極端な場合には、隣接するはんだボールとの間隙の距離ｄが短くなって、隣接するはんだボールと接触して一体化する（ｄ≦０となる）現象、すなわちはんだブリッジ（はんだブリッジ接続）が生じるという問題があった。はんだブリッジ接続が、信号端子、制御信号端子、接地端子およびバイアス端子で発生するとその高周波回路モジュールは正常に動作しない。
【００１１】
また（２）の、実装後の接続検査が困難という問題は、次のようなものである。これは高周波回路モジュールに限らないが、ＢＧＡは、一般に、回路基板に実装した後の接続部の検査がやりにくいという課題である。すなわち、はんだボールを用いた実装には次のような不良が生じる可能性があるため、通常は抜き取り又は全数のＸ線検査が行われている。ＢＧＡ実装を行った場合、回路のオープン接続（ギャップ形成）、ショート（はんだブリッジ接続）などが生じる。さらに上述のように、はんだボールが変形することによる傾き実装が生じるおそれがある。
【００１２】
上記のうち、回路モジュールが傾いて実装される現象は、回路機能に支障をきたさない限り、通常の電子機器にあっては良品と見なされる。しかし、高周波回路モジュールにあっては、前述したように導波管回路に接続ロスが生じるために不良となる。
【００１３】
上記の不適切な実装に加えて、「雪だるま（視覚的に頭部と胴部との区別可能な接続）」または「鏡餅（視覚的に上部扁平部と下部扁平部との区別可能な接続）」と形容される不完全接合がある。「雪だるま」式の不良が生ずる理由は、水分、酸化膜等が原因で、表面実装行程において、はんだボールと、回路基板に供給したはんだペーストとが完全に混じり合わないためと言われている。問題は、このような実装状態にもかかわらず、上記不完全接合によって電気的に導通している場合があるということである。このため、接続信頼性が著しく低下しているにもかかわらず、画像で確認しない限り、電気的な検査では検出困難という状態が生じる。
【００１４】
上述のＢＧＡ実装に伴う不良は、製品が出荷されるまでに検出されねばならない。検査は、最外周のボール列に対しては目視等で検出可能なためそれほど困難ではないが、最外周のボール列よりも内側のボール列に対して検出は容易ではない。
【００１５】
通常はＸ線を用いる検査が広く行われている。Ｘ線検査では、はんだブリッジは容易に検出可能であるが、オープン接続（ギャップ形成）や、雪だるま不良（不完全接合）に対しては検出が難しい。またセラミック基材を用いることが多い高周波回路モジュールにおいては、金属材料や内層配線が邪魔をして高分解能での観察ができないという問題がある。
【００１６】
また、オープン接続（ギャップ形成）は、バウンダリ・スキャンなどに代表される電気的な検査法により検出できるが、先に述べたように電気的な検査法では雪だるま不良（不完全接合）に対しては対応できない。Ｘ線ＣＴ等による３次元的な検査法が、唯一、この不完全接合の問題に対処できる可能性がある。しかしＸ線ＣＴは、処理時間、検査装置のコスト等に問題があり、一般的な技術とは言い難い。すなわち工程の複雑さ、テストにかかる時間および手間によるコスト上昇を招くため、実現性に乏しい。
【００１７】
高周波回路モジュールは、扱う周波数の性質上、回路間の接続に伴う電力損失（ロス）は可能な限り低く押さえる必要がある。しかし、簡便で取り扱いやすいＢＧＡ実装を適用しようとした場合、上記のような問題があるため、そのまま適用することがむずかしかった。本発明は、ＢＧＡにより精度よく回路基板に実装することができる高周波回路モジュールおよび高周波回路モジュールの実装構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の高周波回路モジュールは、導波管端子および複数の電極パッドに形成されたＢＧＡを有する誘電体の基板を備える。そして、ＢＧＡが、はんだボールと、リフロー実装時に前記高周波回路モジュールの自重で変形しにくいコア部およびそのコア部を被覆するはんだ層を有する複合はんだボールとで構成される。
【００１９】
この構成により、リフロー実装時にはんだが溶融しても、変形しにくいコア部を有する複合はんだボールが高周波回路モジュールを支える。このため、はんだボールの沈み込みが生じず、スタンドオフを精度よく制御することができる。
【００２０】
本発明の高周波回路モジュールの実装構造は、導波管端子および複数の電極パッドに形成されたＢＧＡを有する誘電体基板の高周波回路モジュールと、ＢＧＡを介在させて、高周波回路モジュールの電極パッドに対応して接続された対応電極パッドを有する回路基板と、高周波回路モジュールと回路基板との間に位置し、高周波回路モジュールおよび回路基板の複数個所において、高周波回路モジュールおよび回路基板の少なくとも一方に接して両者の間隔を一定に確保する部分とを備える。
【００２１】
上記構成により、ＢＧＡを用いながら、安価な構成により、高周波回路モジュールを回路基板に正確に実装することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（本発明の最良の実施の形態におけるポイント）
本発明による高周波回路モジュールは、主としてＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）、ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）等のセラミック材を積層・焼成して多層化した誘電体基板、またはテフロン（登録商標）やＢＴ樹脂など高周波領域で比較的損失の少ない有機材料を積層して多層化した誘電体基板に形成される。この誘電体基板には上記のＢＧＡ構造が設けられる。このＢＧＡ構造の高周波回路モジュールを、セラミック材または樹脂材の回路基板上にはんだリフローによって表面実装する場合において、次に述べるような構成を用いることにより従来の問題を解決する。
【００２３】
（１）実装時に高周波回路モジュールの自重によってはんだボールが変形するという課題を解決するには、リフロー時の加熱環境下でもモジュールの自重によってボールが大きく変形しない構造にすればよい。変形しない構造とは、表層の１０〜５０μｍは接合に寄与するはんだ層であるが、中に含まれる芯の部分はリフローなどの実装プロセスで高周波回路モジュールが受ける熱環境によって変形しない、高温はんだや非はんだ材を内包するボールである。ここで、非はんだ材とはたとえば、複合はんだボール、銅やニッケルや銀などの金属ボールである。このようなボールを用いると、リフロー工程のはんだ溶融時でもボールが高周波回路モジュールの自重で変形しないので、実装時のスタンドオフすなわち高周波回路モジュールの底面と回路基板間の高さが一定に保たれる。
【００２４】
上記のように、ＢＧＡの一部は通常のはんだボール、その他の部分は熱環境によって変形しないボール、たとえばはんだコートされた複合はんだボールの２種類のボール構成とした。ここで、所定の場合には、２種類のボールの外形は同じ大きさである。２種類のボール構成としたのは、熱環境によって変形しないボールはコストが高いためである。この観点からすると、熱環境によって変形しないボールは、高周波回路モジュール１個あたり最低３個、通常は４個以上が望ましい。
【００２５】
この構造によるとリフロー実装工程でのはんだ溶融時には一般のはんだボールはその全部が溶融するが、熱環境によって変形しないボールの場合は、表層の１０〜５０μｍのはんだのみが溶融して、接合に寄与する。芯の部分は溶融せずに支えとなるため高周波回路モジュールは傾いたり、沈み込んだりしない。すなわちリフロー実装時に変形が生じず、かつ正確なスタンドオフが確保できるという特徴を有しており、導波管同士の接続に非常に有効である。
【００２６】
この構造によると高周波回路モジュールと他の電子部品とを同時に回路基板上に実装可能となり、一般の電子部品よりも仕上がりの形状に敏感な高周波回路モジュールであっても、特別な調整などを行うこと無しに一括リフロー実装が可能になる。これにより先行技術に見られたような課題を解決した表面実装ができるため、実装時に生じる特性のばらつきや伝送損失を損なうことなく常に安定した特性を得ることができる。
【００２７】
一方、上記の実装構成の変形例として次のような構造もある（後記する実施の形態３）。まず導波管端子を取り囲むボール部分のすべてが熱環境によって変形しないボールで構成されている構造である。これは高周波回路モジュールで扱う信号の位相差が問題となるような回路において有効な手段である。高周波回路モジュールで扱う周波数が上がり、ミリ波領域の周波数を扱う場合などにおいて、たとえば多素子アンテナなどのように複数の導波管端子間で扱う信号の位相差が問題となるような場合、高周波回路モジュールに傾きがあると信号間の位相が変化する可能性がある。
【００２８】
このような場合、導波管端子を取り囲むボール部分のすべての高さを均一に揃える必要がある。しかし、通常のはんだボールでこれを実現するのは、上述のはんだの変形があるため、極めて困難である。そこで、導波管端子を取り囲むボール配列部分をすべて熱環境によって変形しないボールで構成する。これにより、高周波回路モジュールと回路基板間の電気的導通とスタンドオフの高精度な制御の双方が満足でき、電磁波の漏洩を遮断する機能を有しつつ、実装後のスタンドオフを正確に維持することができるようになる。
【００２９】
さらに別の変形例として、導波管端子を取り囲むボール配列部分のすべてがはんだボールで構成され、熱環境によって変形しないボールはその周辺にのみ離散的に配置されている構成がある（後記する実施の形態２および４）。これは高周波回路モジュールが小型化して、導波管端子同士が隣接して設置される場合などにおいて有効な構造である。電磁気的なシールド効果を担う導波管端子を取り囲むボールはすべてリフロー温度で変形するはんだボールで形成され、その周辺の要所に高周波回路モジュールの沈み込みの制御を担う熱環境によって変形しないボールを用いる。この時、熱環境によって変形しないボールははんだボールよりも外径が小さいことを特徴とする（実施の形態４）。熱環境において変形しないボールの小径化によって、今まで述べてきたどの構造よりもシールド性に優れた構造を安定して実現することができる。以下にその原理を説明する。
【００３０】
導波管端子を囲むはんだボールの間隙の距離ｄは、高周波回路で使用される周波数から決定される波長のλ／４以下（λは波長）で配置される。これにより、連続的なシールド構造を施さずとも、同じ効果を得ることができる。しかし、物理的な間隙は狭ければ狭いほど電磁気的に有利である。つまりはんだボール同士の間隔は出来るだけ狭いことが電気特性上有利になる。このためはんだボール間の間隙は出来るだけ狭くして実装したいが、一方ではんだブリッジの危険性が増大する。この危険性増大に対処でき、はんだボールの変形量が制御可能な次のような構造がある。
【００３１】
リフロー工程ではんだボールが溶融し、高周波回路モジュールが一定距離まで沈み込んだところで熱環境によって変形しないボールが高周波回路モジュールを支えるという原理は前述した。その前述の構造でははんだボールと熱環境によって変形しないボールの外径は同じであるとの前提であった。しかし、上記他の変形例では、熱環境によって変形しないボールの外径をはんだボールよりも小さく設定している。これにより、リフロー時のはんだボールの沈み込み量が増す。つまり溶融したはんだはその断面が楕円状の扁平球になるが、熱環境によって変形しないボールが支えとなって、それ以上沈み込みことが無いため、ブリッジによる不良は生じない。このため、隣り合うはんだボールとの間隔を通常より狭く設定できる。
【００３２】
この構造はＢＧＡを作り込む時にボール搭載機のボール吸着ジグのピッチを変更せずとも小径ボールの外径を変えるだけでスタンドオフを微妙に制御出来るという特徴もあわせ持っているため、最終的な調整が簡単になるという利点もある。このように、熱環境によって変形しないボールの外径をはんだボールよりも小さく設定することで、強力なシールドが必要な導波管端子周囲のはんだボールの隙間を極力狭く押さえられ、シールド特性が向上する。
【００３３】
（２）の課題、ＢＧＡ実装は実装後の接続検査が困難という課題に対処するには、はんだボールの実装不良が生じると問題となるような個所を直接検査できる位置に持ってくるようにすればよい。すなわち、接続状態を管理する必要がある端子である、信号端子、制御信号端子、信号用の接地端子およびバイアス端子はすべて最外周ボール列にのみ配置して、全ピンを直接観察可能なようにする。そして、多少の接続不良やブリッジが生じても大きな問題とはならない最外周以外の内側のボールはすべて接地端子または非回路接続端子（電気的には接続されておらず、機械的な接続のみ行われている端子）にすることで上記問題が解決可能になる。なお高周波回路モジュールの電気的特性面から見れば、電磁ノイズを押さえる意味から、最外周より内側のボールは浮いた非回路接続端子とするよりも、接地した非回路接続端子とすることが望ましい。
【００３４】
上記のＢＧＡに対する端子配置とした上で、最外周のボールは実装終了後、目視または光学的に検査する事で前述の不良を排除する。この時、プリズムやミラーにテレビカメラを組み合わせた光学的な検査器と画像処理技術を導入すれば、自動検査も可能となる。
【００３５】
以上、述べた方法では最外周以外の内側のボール間で生じる、ショート（ブリッジ接続）、オープン（ギャップ形成）、雪だるま不良（不完全接合）は検査できないが、高周波回路モジュールにあってはこの部分の検査を行う必要が無いため、実施せずとも問題は生じない。その理由については、実施の形態１において図を用いて説明する。
【００３６】
（実施の形態１）―スタンドオフ制御に複合はんだボールを用いた例―
図１は本発明の実施の形態１における高周波回路モジュールを示す断面図である。ただし、図１にはソルダーレジストやオーバーコートガラスは図示せず、はんだボールの数も省略して描いている。図２は図１に示す高周波回路モジュールを底面側から眺めた図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。また、図４は高周波回路モジュールを回路基板に実装した状態の断面図である。図５は、回路基板に実装した状態での、図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。図６は、回路基板に実装した状態での図２のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図であり、図３に対応した図である。
【００３７】
図１において、高周波回路モジュール１０のセラミック基板１には多層化が容易なＬＴＣＣ基板（低温焼成セラミック基板）を用いた。セラミック基板１の面形状は１８ｍｍ×２０ｍｍ、厚さは１ｍｍである。セラミック基板１にはキャビティ３７が設けてあり、高周波半導体素子３１が固定収納されている。ＬＴＣＣ基板１の内部には電気回路としての配線と、マイクロストリップ線路−導波管変換器（図示せず）とが収納されている。セラミック基板１の上面はコバール製の平板をプレス加工して成型したキャップ３５が金すずなどの高融点はんだ２３を用いて固定され、内部に水分等が入らないよう気密封止されている。セラミックス基板１の底面には、導波管端子７、セラミック基板のパッド電極５に形成されたはんだボール３が配置されている。
【００３８】
図２において、セラミック基板１の裏面には開口径０．５ｍｍのはんだボール搭載パッド（セラミック基板パッド電極）が１ｍｍのピッチで整列しており、その上に外径０．６ｍｍの市販の鉛フリーはんだボール（千住金属製Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、エコソルダーボールＳ）が規則正しく搭載されている。ただし中央領域Ａｏには、コストや後述する理由によりボールは搭載していない。
【００３９】
最外周のボール列（領域Ａの外側）には、信号端子、制御信号端子、信号用接地端子およびバイアス端子が配されている（これらの端子の区別については図示せず）。最外周を除く領域Ａで示した内周のはんだボールには、通常の接地端子と、導波管端子を取り囲む電磁波の漏洩を遮断する電磁シールドとしての接地端子とが配してある。内周のボールはいずれのボールもすべて接地端子である。
【００４０】
最外周のボール列のうち、コーナー部４個所のボールは、はんだボールではなくはんだリフロー温度においても変形しない樹脂コア１５にはんだコートを施した、複合はんだボール３ａを配してある。図３は、複合はんだボール３ａが配置された部分の断面図である。図３において、複合はんだボール３ａは市販品（セキスイ化学製のミクロパールＳＯＬ）であり、はんだ付けのリフロー温度では変形しない材質の樹脂コア１５を有する。外径０．６ｍｍの複合はんだボール３ａの表面には、およそ３０μｍ厚さの鉛フリーはんだコート１３が施してある。複合はんだボール３ａおよびはんだボール３ｂは、セラミック基板パッド電極５に、このあと説明する方法により接続されている。各セラミック基板パッド電極５の間には、絶縁性を確保するためオーバーコートガラス４が配置されている。
【００４１】
つぎに本実施の形態の高周波回路モジュールの製造方法について述べる。まず図１に示す高周波回路モジュールからはんだボールを取り除いた状態の高周波回路モジュールを組み立てる（組立の詳細は省略）。次いで、はんだボールが搭載されていない高周波回路モジュールのセラミック基板の裏面のパッド電極にはんだフラックスを供給する。その方法は、セラミック基板のパッド電極と同じ開口径の１００μｍ厚さのステンシルを用いて印刷法により行った。
【００４２】
次に、ボールボンダ（ボール搭載機）にて、鉛フリーはんだボール３ｂを真空吸着ノズルで一括吸引し、セラミック基板上に一括搭載する。はんだボール３ｂは先に供給されたフラックスが適度な粘性を有しているため、パッド部には容易に貼付でき、移動することはない。但しこの時点では、図２に示すセラミック基板１のコーナー部４個所に、はんだボールを搭載しない。次に、はんだボール３ｂと同じ外径の複合はんだボール３ａをセラミック基板のコーナー部４個所のパッド電極に搭載する。搭載にはシングル吸着ノズル・ボール搭載機（はんだボールを１個ずつ吸着して搭載する装置）を用いる。
【００４３】
上記方法を用いるのは、はんだボール３ｂと複合はんだボール３ａの搭載を同時に実施するために、両者を区別して装着する機構をボール搭載機に組み込むことが構造上困難であることによる。そこで、まずはんだボール３ｂを搭載する工程を行い、次いで複合はんだボール３ａを１個ずつ搭載する工程を行う２段階方式を適用する。これにより、はんだボール３ｂと複合はんだボール３ａが混在するＢＧＡ構造であっても、両者を取り違えること無く、所定の位置に希望するボールを搭載することが可能となる。
【００４４】
はんだボール搭載後の高周波回路モジュールは、窒素リフロー炉を通すことによりはんだの溶融と、固着とを行う。リフロー条件は酸素濃度１００ｐｐｍ、ピーク温度が２３５℃で、２００℃以上の温度領域がおよそ１００秒の温度プロファイルで実施した。リフロー炉への投入から取り出しまでの時間は約５分である。リフロー工程を終えた高周波回路モジュールは、裏面のボールに、欠け、変形、ブリッジなどの取付け不良が無いかを目視検査する。上記方法を経て、本実施の形態高周波回路モジュールを完成させる。
【００４５】
次に、完成した高周波回路モジュールを回路基板上にリフロー実装する。図４は、回路基板に高周波回路モジュールが実装された状態を示す断面図である。図４では、上記実装構造におけるはんだボールの接続状態を検査するための光学検査装置も示してある。図４において、回路基板５１には、高周波回路モジュール１０のセラミック基板１裏面のボール配列に１対１で対応する回路基板パッド電極（対応電極パッド）５５および導波管５７が形成されている。セラミック基板１の裏面と回路基板５１の実装面とは、複合はんだボールを含むはんだボール３のはんだ層を通じてはんだ材により接続される。
【００４６】
使用した回路基板５１は、市販のＢＴ樹脂基板（三菱ガス化学製）であり、回路基板パッドの開口径は０．５ｍｍである。まず、回路基板の実装面のパッド電極５１上に鉛フリーはんだペーストを供給する。その方法は、回路基板のパッド電極と同じ開口径で、厚さが１００μｍのステンシルを用いて印刷法により行った。
【００４７】
次に、高周波回路モジュール１０を真空吸着し、回路基板５１へ搭載した。搭載は画像モニタ付きのマウンター（搭載装置）を用いて実施した。高周波回路モジュール１０は先に供給されたはんだペーストが適度な粘性を有しているため、回路基板パッド部５５から脱落することはない。
【００４８】
回路基板５１への高周波回路モジュール１０の搭載を終えた後は、窒素リフロー炉を用いて表面実装を行った。リフロー条件は前述した条件と同じである。リフロー炉への投入から取り出しまでの時間も同じである。
【００４９】
図５は、上記のようにして高周波回路モジュールを回路基板に実装した状態におけるはんだボール３ｂが配列された部分の断面図である。また、図６は、同じ状態での複合はんだボール３ａを含む断面図である。回路基板５１と、セラミック基板１との間隔は、樹脂コア１５のサイズによって決められている。すなわち複数箇所において、樹脂コア１５が両者の間隔を決め、両者の間隔を一定に確保している。
【００５０】
図４で示す完成した実装基板は、目視可能な最外周のボールのみを対象に、光学検査装置７０による観察を行なう。光学検査装置７０は、カメラ７１、レンズ７２およびプリズム７３を備える。光学検査装置７０を用いた検査により、ＢＧＡの実装工程で生ずるはんだ接続上の問題点、すなわち、回路モジュールの傾き、ショート（はんだブリッジ）、オープン（ギャップ形成）、雪だるま不良（不完全接合）などの有無を確認する。以上により本実施の形態における高周波回路モジュールの回路基板への実装を完了させる。
【００５１】
本実施の形態によれば、スタンドオフの制御は、高周波回路モジュール１０のＢＧＡのコーナー部のボールを複合はんだボールにすることにより行われる。これにより、リフロー実装時にはんだが溶融しても大きく溶融することのない複合はんだボールが高周波回路モジュールを支えることによって、はんだボールの沈み込みが生じない。このことは次の評価方法により確認した。
【００５２】
完成した高周波回路モジュール１０を実装した回路基板５１を、樹脂に埋め込み、樹脂硬化後にＢＧＡ部の断面研磨を実施し、読み取り顕微鏡にてスタンドオフを実測する。その検査の結果、すべてのはんだボールは、複合はんだボールの外形に近い０．６ｍｍ前後のスタンドオフが確保されていることを確認した。ここで、スタンドオフが正確に０．６ｍｍにならない理由は、既に述べたように複合はんだボール３ａは、樹脂コア１５と、その表面の接続のためのはんだコート１３とで構成されるため、はんだコート１３の分の沈み込みが発生することと、セラミック基板１、樹脂製の回路基板５１共にわずかなそり、うねりなどの変形があることによる。
【００５３】
機械的強度については、図２から判るように、接地端子は多数個存在するため、その一部が欠けても、全体の機械的強度、すなわち高周波回路モジュール全体の接合強度にはほとんど影響しない。次いで、電気回路的な問題については、一般の電気回路において多数の接地端子が集中して存在する場合、そのうちの数個が欠けたり、ショートが起きても回路的な問題とはならない。本高周波回路モジュールにおいてもそれと同様なことがいえる。
【００５４】
強いて述べるなら、導波管端子７を囲むボールに未接続部が生じた場合、すなわちオープン不良や雪だるま不良が生じた場合、導波管端子間の高周波的な電磁結合が増し、端子間の絶縁性が低下するという問題、すなわちアイソレーションと呼ばれるシールド特性が低下するという問題が生じる。
【００５５】
仮に、設計上の観点からボール列が２列になった場合であっても同様な考え方が成り立つ。さらに、もっとも危険性が高いと考えられる導波管端子間のはんだボール列が１列の場合であっても、導波管端子間には未接続のはんだボールが存在し、それらはセラミック基板側あるいはプリント基板側で共に接地されているので、シールド効果はそれほど劣化しない。雪だるま不良も同様である。また、この部分にショート不良が発生した場合も、シールド機能からするとむしろ安全側に向かうので何ら問題は生じない。
【００５６】
以上、述べたように、領域Ａのボールはすべて接地端子であるが故に、多少の接続不良やブリッジによるショート不良が生じても大きな問題とはならない。すなわち、これらは接続状態を管理する必要がまったく無い端子群であるため、検査は行う必要が無い。
【００５７】
本実施の形態の高周波回路モジュールおよびその実装構造により、ＢＧＡ実装の課題とされていたはんだボールの変形や沈み込みに伴う問題の解決と、ＢＧＡ接続検査の容易化の双方を満足した高周波回路モジュールを提供することが可能となった。
【００５８】
（実施の形態２）―最外周ではなく内周側に複合はんだボールを配置した例―
次に本発明の実施の形態２における高周波回路モジュールの例を説明する。本実施の形態における高周波回路モジュールの基本構成は実施の形態１における例と同じである。各構成部材の材質も実施の形態１と同じである。以下において、本実施の形態の高周波回路モジュールが実施の形態１と異なるところを説明する。
【００５９】
図７は本発明の実施の形態２における高周波回路モジュールの裏面の平面図である。図７において、複合はんだボール３ａは、実施の形態１と異なる最内周の４隅（中央領域Ａｏの４隅）に配置されている。このような部位に複合はんだボール３ａを配置すると、以下に述べるような効果が期待できる。
【００６０】
高周波回路モジュール１０の構成部品であるセラミック基板１や、高周波回路モジュール１０を実装する回路基板５１等においては、材料がセラミックまたは樹脂であるが故に金属材料とは違い、その製造条件や製造ロットによっては反り、ねじれ等の変形が生じることがある。これを無視して工作すると、条件によっては実装後のセラミック基板１と回路基板５１との距離（基板間距離）が増減することにより、セラミック基板と回路基板間の広い範囲で電気的導通が得られない状態（オープン状態）が生じたり、ショートが発生する場合がある。
【００６１】
実施の形態１で述べたように、このような不良が局所的に生じた場合には問題は生じないが、広範囲にわたって生じるのは好ましくない。実施の形態１の配置ではこの影響をもっとも受けやすいのはセラミック基板１の中央領域Ａｏであり、そのために中央領域Ａｏにはボールを配置しない中ヌキ配置を行うことでその影響を軽減している。しかし、影響の及ぶ範囲が広がって、導波管端子７を囲むボールに連続したオープン状態（ギャップ形成のボール接続が連続する状態）が生じると、上述した高周波回路で使用される周波数から導かれる波長のλ／４以下のボール間の間隙ｄを維持することができなくなる。これにより、導波管端子７の周辺を連続的にシールドする機能が無くなり、電磁波の漏洩を遮断するという目的が損なわれてしまう。
【００６２】
これを避けるため、図７に示すように、複合はんだボール３ａを、領域Ａの内側における中央領域Ａｏの４隅に配置する。これにより、反りやねじれなどの変形があるセラミック基板、回路基板を用いても、基板間距離を出来るだけ一定に保ち、スタンドオフの変化が少ない実装が可能なモジュールを提供することができる。
【００６３】
（実施の形態３）―導波管端子を囲むボールをすべて複合はんだボールとした例―
次に本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態の高周波回路モジュールの基本構成は実施の形態１と同じである。各構成部材の材質も実施の形態１と同じである。以下は本実施の形態の高周波回路モジュールが実施の形態１と異なるところを説明する。
【００６４】
図８は、本発明の実施の形態３の高周波回路モジュールの裏面の平面図である。複合はんだボール３ａは、実施の形態１と異なり、導波管端子７を囲むボールすべてに配置されている。図９は、複合はんだボール取付部の断面図である。このような部位に複合はんだボールを配置すると、以下に述べるような効果が期待できる。
【００６５】
本実施の形態の目的とするところは、導波管端子７に隣接して取り囲むはんだボールをすべて複合はんだボール３ａで構成することにより、導波管端子間の位相差が問題となるような高周波回路モジュール、たとえばフェーズド・アレー・アンテナの送信、受信モジュールなど、電気信号の位相差を扱う回路などへの好都合な適用にある。すなわち、導波管端子を囲む部位のボールを、複合はんだボール３ａのみで構成することにより、高精度なスタンドオフを確保できる点にある。本実施の形態により導波管端子間の位相差の問題を有効に解消する信頼性の高い高周波回路モジュールの提供が可能となる。
【００６６】
図８において、セラミック基板のパッド電極のうち導波管端子７を囲むボールはすべてが複合はんだボールであり、かつ接地端子である。このように複合はんだボール３ａを配置すると、セラミック基板１と回路基板５１との距離は、複合はんだボール３ａによる接続部で決定され、高い精度を有する高周波回路モジュールの実装構造を提供することが可能となる。
【００６７】
上記において、導波管端子７を囲むボールをすべて複合はんだボールとする構造について説明した。しかし、実装後のスタンドオフにそれほど高精度を要求しなければ、導波管端子７を囲むボールの一部をはんだボール３ｂとしても良い。その理由は、複合はんだボールはコストが高いことと、搭載に時間がかかるためである。
【００６８】
（実施の形態４）―小径の複合はんだボールを用いた例―
次に本発明の実施の形態４の例を説明する。本実施の形態の高周波回路モジュール１０の基本構成は実施の形態１と同じである。各構成部材の材質も実施の形態１と同じである。以下は本実施の形態の高周波回路モジュールが実施の形態１と異なるところを説明する。
【００６９】
図１０は、本発明の実施の形態４の高周波回路モジュールの裏面の平面図である。また、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。本実施の形態における複合はんだボール３ｓは実施の形態１と異なり、はんだボール３ｂよりもその外径が小さい。既に述べたように、導波管端子７を囲むボール間の間隙ｄの距離は、最低限上記λ／４以下という条件を守らねばならない。しかし、高いシールド機能を得ようとすれば、その間隙の距離ｄはできるだけ短い方が有利である。このため、はんだボールをできるだけ狭ピッチで並べて使いたいが、そうするとはんだブリッジ（ショート）の危険性がある。
【００７０】
そこで、はんだボール３ｂよりも複合はんだボール３ｓを小さく設定し、シールドが必要な導波管端子７の周囲のはんだボールの変形を大きくすることで、ボール間の隙間を狭くして、シールド特性を向上させる。複合はんだボール３ｓの寸法の最適値を選んでやることで、ブリッジを生じること無く安定した生産が可能となる。
【００７１】
実施の形態４で使用したはんだボール３ｂの外径は、実施の形態１と同じ０．６ｍｍである。複合はんだボール３ｓの外径は０．５ｍｍであり、はんだボール３ｂよりわずかに小さい。複合はんだボール３ｓは、樹脂コア１５ｓと、その樹脂コア１５ｓの表面に施された鉛フリーはんだコート１３ｓとで構成される。鉛フリーはんだコート１３ｓは、実施の形態１と同じであり、およそ３０μｍ厚さである。
【００７２】
ここで注意せねばならないことは、回路基板５１に高周波回路モジュール１０を搭載後、リフロー実装を行う前の時点で、小径ボール３ｓが必ずはんだペーストに接触していることである。そうでないとはんだの未接続（ギャップ形成）が生じる。
【００７３】
本実施の形態では、実施の形態１と同じく、回路基板の実装面のパッド電極上に鉛フリーはんだペーストを供給したが、その際のステンシルは回路基板のパッド電極よりもやや小さい０．４ｍｍの開口径で、厚さが１５０μｍのやや厚手のものを用いた。これは外形が異なるボールを使用することの影響を小さくするための調整であり、パッド上に供給されるはんだペーストの体積は変えずに高さを大きく取る操作である。このようにはんだペーストを供給した回路基板に高周波回路モジュールを搭載すると、小径の複合はんだボール３ｓにも十分はんだペーストが接触した状態でリフローが行える。リフローを実施した結果、すべてのボールにはんだが濡れ上がり、期待する形状のはんだボールが形成されることが確認できた。
【００７４】
ＢＧＡ実装を行う際、一部に小径のボールを用いると、基板の反り、ねじれの影響を受けやすくなるため、できるだけ平坦な基板を用いることが望ましいが、本実施の形態では念のために内周部にも小径の複合はんだボール３ｓを配してこの影響を最小限に留めている。完成したモジュールは実施の形態１と同様な検査を実施したが、異常は何ら検出されなかった。
【００７５】
上記のように、実施の形態について説明したが、熱環境によって変形しないボールとして、複合はんだボールを用いる方式に関して述べたが、この目的を達成できるものであれば、必ずしも樹脂コアにはんだコートを施した複合はんだボールである必要はない。コアには、はんだのリフロー温度でも溶融しない高温はんだや金属ボールを用いてもよい。
【００７６】
本発明の高周波回路モジュールの実装構造においては、高周波回路モジュールと回路基板との間に位置し、高周波回路モジュールおよび回路基板の複数個所において、高周波回路モジュールおよび回路基板の少なくとも一方に接して両者の間隔を一定に確保する部分とを備える。両者の間隔を一定に確保する部分は、上記の実施の形態においては、複合はんだボールの樹脂コアについて説明したが、それに限定されない。
【００７７】
たとえば、高周波回路モジュールおよび回路基板は、いずれか一方から他方側に突き出す突出部を複数個所において備え、両者の間隔を一定に確保する部分が、その突出部であってもよい。突出部としては、たとえば回路基板上の金属製の突起構造や、高周波回路モジュール側の金属リードや金属ピンであってもよい。要は、基板間を電気的に接続する機能と、必要とされる部位のスタンドオフが得られれば良い。
【００７８】
上記のような構成により、ＢＧＡを用いながら、安価な構成により、高周波回路モジュールを回路基板に正確に実装することができるようになる。
【００７９】
また、接続は、はんだではなく導電性接着剤などを用いて実装しても良く、期待した結果を得るために状況に応じて使い分ければよい。また回路基板に用いるプリント基板は、一般的なＦＲ−４基板は当然のこと、セラミック基板、テフロン（登録商標）基板、液晶ポリマー基板、ポリイミド基板を用いたフレキシブル基板であっても良い。
【００８０】
上述したように、高周波回路モジュールの導波管端子の縁に沿ってその導波管端子を囲むように、複合はんだボールを配置することができる。この構成により、更に高精度なスタンドオフを確保できるため、導波管端子間の位相差が問題となるような高周波回路モジュールすなわち電気信号の位相差を扱う回路などへの適用が可能となる。
【００８１】
また、複合はんだボールの外径を、はんだボールの外径よりも小さくすることができる。この構成により、はんだボール間の隙間が狭く押さえられ、シールド特性を向上させることができる。また、樹脂ボールの寸法の最適値を選んでやることで、ブリッジを生じること無く安定した生産が可能となる。
【００８２】
また、ＢＧＡを平面的に見て、最外周以外の内側の電極パッドには、信号端子、制御信号端子、信号用接地端子およびバイアス端子のいずれも配されていない構成とすることができる。この構成により、実装終了後、最外周のボールのみ目視または光学的に検査することにより、高周波回路モジュールのはんだの接合不良を確実に検査することができる。
【００８３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の高周波回路モジュールおよび高周波回路モジュールの実装構造は、導波管端子を備える高周波回路モジュールをＢＧＡにより高い精度で回路基板に接続することを可能にするので、この分野で多大の貢献をすることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の形態１における高周波回路モジュールの断面図である。
【図２】図１の高周波回路モジュールの裏面図である。
【図３】図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図１の高周波回路モジュールを回路基板に実装した状態の断面図である。
【図５】実装した状態の接続部の断面図である（図２のＶ-Ｖ線に対応する位置）。
【図６】実装した状態の接続部の断面図である（図２のＶＩ-ＶＩ線に対応する位置）。
【図７】本発明の実施の形態２における高周波回路モジュールの裏面図である。
【図８】本発明の実施の形態３における高周波回路モジュールの裏面図である。
【図９】図８のＩＸ-ＩＸ線に沿う断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４における高周波回路モジュールの裏面図である。
【図１１】図１０のＸＩ-ＸＩ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１  セラミック基板、３  はんだボール、３ａ  複合はんだボール、３ｂ  はんだボール、３ｓ  小径の複合はんだボール、４  オーバーコートガラス、５  セラミック基板パッド電極、７  導波管端子、１０  高周波回路モジュール、１３  はんだコート、１３ｓ  小径ボールのはんだコート、１５  樹脂コア、１５ｓ  小径ボールの樹脂コア、２３  高融点はんだ、３１  高周波半導体素子、３５  キャップ、３７  キャビティ、５１  回路基板、５４  ソルダーレジスト、５５  回路基板のパッド電極、５７  導波管、７０  光学検査装置、７１  カメラ、７２  レンズ、７３  プリズム、Ａｏ  中央領域、Ａ  内側領域。
【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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【図７】
2006310619.tif 000009
【図８】
2006310619.tif 000010
【図９】
2006310619.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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