(57)【要約】【課題】高周波回路用パッケージにおいて、空洞共振を抑制し、伝送特性および信頼性に優れた高周波回路用パッケージを得る。【解決手段】高周波回路用パッケージ蓋体を、表面に金属皮膜を形成した金属製の基体と熱硬化性樹脂に磁性材粉末を複合させた、熱硬化性樹脂に６０〜９９体積％の軟磁性金属粉末を分散させてなる電波吸収体の表面に金属皮膜を形成したものとをろう材にて止着した構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波回路を収納するパッケージベースと組み合わせて気密封止パッケージを形成する蓋体において、金属またはセラミックスからなる基体の表面の少なくとも一部に金属膜を形成するとともに、熱硬化性樹脂に６０〜９９体積％の軟磁性金属粉末を分散させてなる電波吸収体の表面の少なくとも一部に金属膜を形成し、前記基体にろう材を用いて前記電波吸収体を止着したことを特徴とする高周波回路用パッケージ蓋体。
【請求項２】
前記電波吸収体は、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｓ元素の化合物を実質的に含まないことを特徴とする請求項１記載の高周波回路用パッケージ蓋体。
【請求項３】
前記ろう材は、融点が１００℃〜４００℃であることを特徴とする、請求項１記載の高周波回路用パッケージ蓋体。
【請求項４】
前記基体と前記電波吸収体を、箔片状に加工した前記ろう材を介して積層した後、酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気下で、前記ろう材の融点温度以上に加熱して止着する工程を含む請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波回路用パッケージ蓋体の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波回路用パッケージ蓋体と、高周波回路を収納するパッケージベースとからなることを特徴とする高周波回路モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に情報通信および計測用に使用される光素子モジュール並びに高周波回路モジュール等に使用される高周波回路収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光素子モジュール並びに高周波モジュール等に使用される高周波回路収納用パッケージでは、金属またはセラミックス等からなる蓋体を金属またはセラミックス等からなるパッケージベースに取り付けることにより気密封止を行う。従って、これらの高周波回路用パッケージ内には概直方体状の空洞が形成されることから、高周波回路用パッケージは方形空洞共振器と同様の性質を有する。そのため前記空洞の寸法によって定まる遮断周波数より高い周波数帯域で、空洞共振を生じ、高周波特性が劣化するので、前記周波数帯域で動作する光素子、高周波半導体素子あるいはその他の回路素子をパッケージに実装する場合には、前記空洞の寸法を小さくすることによって、遮断周波数を前記素子が動作する周波数帯域よりも十分に高くしている。
【０００３】
しかしながら前記方法では、素子の動作周波数が高周波化するに伴い、前記素子が動作する周波数帯域より空洞共振が生じる周波数の方が低くなる為、素子の動作周波数近傍で空洞共振が生じてしまい、モジュールとしての高周波特性が劣化するという問題がある。特に近年では、光通信、無線通信の高速化への要求が高まると共に、これらの素子の動作周波数もますます高速化しており、このような問題が避けられない状況にある。
【０００４】
さらに、高周波回路用パッケージでは、空洞共振のみならず、高周波回路用パッケージ内に実装する増幅器の発振現象を引き起こすこともある。すなわち、高周波回路用パッケージ及び高周波半導体素子に形成された高周波伝送線路からの輻射電波が、蓋体によって反射されることにより、増幅器入出力線路間に不要信号の帰還が生じ、不要な発振が生じる。
【０００５】
従来の高周波回路用モジュールは、図３に示す様に、金属製のパッケージベース３１に半導体素子３３が実装されたセラミックス等からなる回路基板３２を収納し、金属製の蓋体３４を溶接等の方法にて接合し、密閉された構造となっている。
【０００６】
しかしながら、この様な構造の場合、半導体素子３３の動作周波数が高周波化するに伴い、前記素子３３が動作する周波数帯域が、空洞共振が生じる周波数より高くなった場合に空洞共振が発生し、周波数特性が劣化するという問題が生じていた。
【０００７】
これらの問題点を解決するために、実公平２−２３０３５号公報では、図４に示すように、フェライトなどの焼結体からなる電波吸収体４６の片面にメタライズ層を形成し、高周波回路用パッケージの金属製蓋部４４の内面にろう材４５にてろう付けして、パッケージ４０内で生じるマイクロ波の反射共振を抑制する方法が提案されている。
【０００８】
また、特開２０００−１３８４９５号公報では、図５に示すように、高周波回路基板５２等が実装されたパッケージベース５１と、概パッケージベース５１上の前記高周波回路基板５２等を封止するように前記パッケージベース上に配設された誘電体を素材とする誘電体封止板５６と、該誘電体封止板５６の外側に配設された電波吸収体５５と、該電波吸収体５５をシールドするように該電波吸収体５５を包囲して配設された金属製のキャップ５４とを備える構成が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記空洞共振が発生する周波数は一般に周波数が準ミリ波、ミリ波の領域であり、図４のようなフェライト等焼結体からなる電波吸収体４６では、これらの周波数で発生する空洞共振時の電界および磁界のエネルギーに対する吸収量が小さいため、空洞共振の発生を押さえることができなかった。
【００１０】
一方、準ミリ波、ミリ波の領域の周波数で発生する空洞共振時の電界および磁界エネルギーの吸収に適した電波吸収体としては、樹脂と軟磁性金属粉末の複合材料からなる電波吸収体が好適とされている。
【００１１】
しかしながら、これらの樹脂と軟磁性金属粉末の複合材料からなる電波吸収体では耐熱性が低いため、ろう付け時の温度上昇によって劣化したり、アウトガスが発生したりするため、高い信頼性が要求される前述の高周波回路モジュール内部には使用することができなかった。
【００１２】
また、図５のような構造によって、電波吸収体５５から発生するアウトガスの影響を防止する方法が提案されているが、高周波モジュール５０の構成が複雑となり、価格が高くなる上に、高周波モジュール５０の小型化が困難であるという問題点があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題に対して検討を重ねた結果、本発明は、高周波回路を収納するパッケージベースと組み合わせて気密封止パッケージを形成する蓋体において、金属またはセラミックスからなる基体の表面の少なくとも一部に金属膜を形成するとともに、熱硬化性樹脂に６０〜９９体積％の軟磁性金属粉末を分散させてなる電波吸収体の表面の少なくとも一部に金属膜を形成し、該電波吸収体を前記基体の金属膜部同士を、ろう材を用いて止着したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の高周波回路用パッケージ蓋体は、前記電波吸収体が、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｓ元素の化合物を実質的に含まないことを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、本発明の高周波回路用パッケージ蓋体は、前記ろう材の融点が１００℃〜４００℃であることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明の高周波回路用パッケージ蓋体の製造方法は、前記基体と前記電波吸収体を、箔片状に加工した前記ろう材を介して積層した後、酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中にて、前記ろう材の融点温度以上に加熱して止着する工程を含むことを特徴とするものである。
【００１７】
さらに、本発明の高周波回路モジュールは、前記高周波回路用パッケージ蓋体と、高周波回路を収納するパッケージベースとからなることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態として、高周波回路用パッケージ蓋体と高周波回路モジュールについて説明する。
【００１９】
まず、図１に示すように、基体１１と電波吸収体１２、および両者を止着するろう材１３よりなる蓋体１０を構成する。
【００２０】
そして、例えば図２に示すように、半導体素子２３が実装された高周波回路基板２２を実装したパッケージベース２１の上部に上記蓋体１０を取り付け、金すずシールまたはシーム溶接等の方法で気密封止して高周波回路モジュール２０を構成する。
【００２１】
基体１１はコバール等の金属合金板からなり、その表面全体に下地Ｎｉ、表面Ａｕの２層の金属膜１１ｂが形成された構成となっている。また、電波吸収体１２は、熱硬化性樹脂に６０〜９９体積％の軟磁性金属粉末を分散させてなり、基体１１と止着される面に金属膜１２ｂを形成してある。
【００２２】
ここで、蓋体１０が、基体１１にろう材１３を介して電波吸収体１２を止着した構成であることにより、空洞共振、帰還発振等による高周波特性の劣化を防止することができる。
【００２３】
ここで、金属膜１１ｂ、１２ｂは、ろう材１３との濡れ性を考慮するとＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属、及びこれらを含む合金を使用することが好ましく、１層または２層以上に積層しても構わない。化学的安定性が高いことから表面層としてはＡｕが好ましいが、特に半田との濡れ性、封止接合の信頼性の高いことから表面層がＡｕその下地層がＮｉとすることが好ましい。
【００２４】
さらに電波吸収体１２に形成される金属膜１２ｂにおいては、化学的安定性が高いことから表面層としてはＡｕが好ましいが、特に半田との濡れ性、接合の信頼性の高いことから表面層がＡｕその下地層がＮｉとすることが好ましく、さらにＮｉ層と電波吸収体の密着性を向上させる目的で両者の間にＣｒ層を設けることが好ましい。
【００２５】
また、基体１１は、コバール合金等の金属板の代わりに、アルミナ、ステアタイト、コージェライト等のセラミックスを使用しても良く、この場合、蓋体１０とパッケージベース２１の接合方法としては、金すずシール等の方法を使用すれば良い。
【００２６】
また、前記電波吸収体１２は熱硬化性樹脂と軟磁性金属粉末の複合材料であり、軟磁性金属粉末の含有率が６０体積％以上９９体積％以下とすることが重要である。
【００２７】
前記電波吸収体１２を、熱硬化性樹脂に６０〜９９体積％の軟磁性金属粉末を分散させたものとすることで、軟磁性金属粉末の有する特性、すなわち準ミリ波、ミリ波領域の電磁波に対する吸収効果がより大きくなるため電波吸収特性に優れ、また樹脂分の含有量が少なくできるため耐熱性に優れたものとなり、熱処理によって各部品を接合する際、変質、変形及び強度劣化が少なく、脱ガスの発生量も少なくすることができる。
【００２８】
ここで、前記電波吸収体１２は、軟磁性金属粉末の含有量が６０体積％未満となると、熱硬化性樹脂の含有量が増加し、製造工程時の乾燥工程で溶媒が熱硬化性樹脂に残留し、加熱硬化時に成形体の変形、膨れが生じるため形状不良が発生したり、得られた成型体の耐熱が劣るものとなったりする。一方、９９体積％を越えると、熱硬化性樹脂が少なすぎるため、曲げ強度や熱変形温度が著しく低下する。従って、前記軟磁性金属粉末の含有量は６０〜９９体積％に特定され、強度の観点から９５体積％以下とすることがより好ましい。
【００２９】
なお、前記電波吸収体１２中の軟磁性金属粉末の含有量は、電波吸収体１２の互いに直交する任意の３断面を走査型電子顕微鏡で観察し、それぞれの断面における熱硬化性樹脂と軟磁性金属粉末との占有面積比を算出した後、それらの平均値を算出することによって調べることができる。
【００３０】
また、前記電波吸収体１２は、熱硬化性樹脂と磁性金属粉末の複合材料であり、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｓ元素の化合物を実質的に含まないことが重要である。
【００３１】
こうすることにより、パッケージベース２１へ蓋体１０を接合する際の溶接工程における温度上昇によって、腐食性のあるアウトガスを発生することがなく、高周波モジュール２０の信頼性低下を防止できる。
【００３２】
前記電波吸収体１２を構成する熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等があり、これらの中でも耐熱性、寸法安定性、強度、コスト等の点からエポキシ樹脂、フェノール樹脂が特に好適である。
【００３３】
また、軟磁性金属粉末としては、Ｎｉ−Ｆｅ系合金類であれば、３６−パーマロイ、４５−パーマロイ、μ−メタル、７８−パーマロイ、Ｃｒ−パーマロイ、Ｍｏ−パーマロイ、スーパーマロイ等、純鉄、軟鋼、Ｆｅ−Ｓｉ合金類、Ｆｅ−Ａｌ合金類、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ合金類、Ｃｏ−Ｆｅ系合金類、カーボニル鉄等が好適に使用され、本発明においてはこれら軟磁性粉末のうち少なくとも一種類以上混合して用いることができるが、特に準ミリ波、ミリ波の領域での吸収特性に優れた、Ｍｏ−パーマロイ、カーボニル鉄等が好適である。
【００３４】
さらに、軟磁性金属粉末の平均粒径は０．０１μｍ以上３００μｍ以下、特に１μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましい。平均粒径が０．０１μｍ未満になるとコストが高くなり経済的に合わなくなるためであり、また、３００μｍより大きくなると高周波での電磁波吸収特性が低下するため、本発明の高周波回路用パッケージ蓋体１０の部材としては好ましくない。
【００３５】
また、軟磁性金属粉末の最大粒径は５００μｍ以下、特に３００μｍ以下とすることが好ましい。最大粒径が５００μｍより大きくなると、熱硬化性樹脂との混合時における分散性が悪いため、強度を十分に保つことが出来ない。
【００３６】
尚、軟磁性金属粉末の平均粒径とは、粒子の前後、左右、上下の寸法を各々測定した値の平均値であり、最大粒径とは、前後、左右、上下の寸法を測定した時に最も長い部分の長さのことである。蓋体１０から磁性体粒子の粒径を求める時には、便宜的に電波吸収体１２の任意の表面又は断面を画像解析装置で分析する。
【００３７】
また、ろう材１３は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｇ等の金属の内、２種以上の金属の合金を用いれば良いが、前記金属膜１１ｂ、１２ｂとの濡れ性および融点温度を考慮し、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ、Ｉｎ−Ｓｎ等の合金を使用するのがよい。
【００３８】
こうすることにより、基体１１と電波吸収体１２の止着が強固な物となり、パッケージベース２１へ蓋体１０を接合する際の工程や、使用条件下における温度上昇の際にも、蓋体１０から電波吸収体１２が脱落せず、さらに有機系の接着剤等を用いないことから、アウトガスが発生せず、内部に封入される半導体素子等の特性劣化が防止できる。
【００３９】
前記接合時には、通常シーム溶接法が用いられ、蓋体１０は１００℃近くまで温度が上昇することから、前記ろう材１３の融点は１００℃以上であることが好ましく、接合条件によって適切に選択することが出来る。
【００４０】
また、前記ろう材１３の融点が高すぎると、基体１１表面の金属膜１１ｂおよび電波吸収体１２表面の金属膜１２ｂが部分的に剥離したり、止着強度が低下するため、前記ろう材１３の融点は４００℃以下とすることが好ましい。
【００４１】
次に、前記高周波回路モジュールの製造方法について説明する。
【００４２】
本発明の高周波回路用パッケージ蓋体１０は、前記基体１１と前記電波吸収体１２とを、あらかじめ箔片状に加工した前記ろう材１３を介して積層し、酸素濃度が１０００ｐｐｍ以下にコントロールされた窒素雰囲気下で、前記ろう材１３の融点温度以上で加熱することにより、前記ろう材１３を介して前記基体１１と前記電波吸収体１２を止着することによって得られる。
【００４３】
次に本発明の高周波回路用パッケージ蓋体１０を使用した高周波回路モジュール２０を説明する。図１および図２に断面図で示すように、高周波回路モジュール２０は、半導体素子２３が実装された回路基板２２を収納したパッケージベース２１に、本発明の蓋体１０を金すずシール、シーム溶接等の方法で、内部空間２７を気密封止するように接合する。蓋体１０の内部空間側には、電波吸収体１２が金属層１２ｂとろう材１３を介して止着されており、半導体素子２３は回路基板２２上の伝送線路２４にボンディングワイヤ２６等で接続され、さらに回路基板２２上の伝送線路２４と端子電極２５がボンディングワイヤ２６等で接続されている。
【００４４】
こうすることにより、高周波回路モジュール２０は、半導体素子２３、伝送線路２４、ボンディングワイヤ２５、およびそれぞれの接続部分等からの輻射電波が、電波吸収体１２により吸収減衰されるため、蓋体１０による内部反射が抑制された結果、空洞共振や発振現象が抑制され、高周波での周波数特性に優れたものとすることが可能となるのである。
【００４５】
【実施例】
図１および図２に示すように、半導体素子２３が実装された回路基板２２を実装したパッケージベース２１に、金属製の基体１１と電磁波吸収部材１２をろう材１３により止着した蓋体１０をシーム溶接にて気密封止し、高周波回路用モジュール２０を作製した。ここで、高周波モジュール２０の端子電極２５と、回路基板２２上に形成された伝送線路２４とはボンディングワイヤ２６で接続されている。
【００４６】
電波吸収体１２は、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂、磁性材粉末としてＭｏ−パーマロイをそれぞれ所定の比率に混合、造粒後、粉末加圧成形法にて成形し、金型から離型後、常圧１８０℃×１０時間の加熱硬化処理を行い作製した。
【００４７】
なお、高周波回路モジュール２０は、内部に１９ｍｍ×１１ｍｍ、高さ４ｍｍの概直方体の空洞２７を有している。
【００４８】
まず、電波吸収体１２の熱硬化性樹脂と軟磁性金属粉末の体積比率の最適範囲を検証するために、それぞれの体積比率を変化させた電波吸収体１２を作製し、曲げ強度、熱変形温度、および２００℃まで加熱したときのアウトガス発生の有無を調査した。
【００４９】
その結果、本発明の請求範囲である電波吸収体（Ｎｏ．２〜Ｎｏ．６）では、耐熱性に優れ、アウトガスも発生しなかったのに対し、本発明の請求範囲外（Ｎｏ．１、Ｎｏ．７）では、強度、耐熱性が低下したり、アウトガスが発生したりすることが確認され、本発明の電波吸収体１２として使用することは出来ない。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
次に、高周波入力側、出力側の端子電極にそれぞれ高周波特性測定用のプローブを接続し、プローブはそれぞれネットワークアナライザーのポート１、ポート２に接続して、高周波モジュール２０の伝送特性を評価した。
【００５２】
伝送特性は、従来の金属のみからなる蓋体を使用した場合と、従来の電波吸収体を止着した蓋体、および本発明の蓋体１０を使用したときの電力透過係数の最小値（Ｓ２１ｍｉｎ）を、ネットワークアナライザーを用いて１００ＭＨｚ〜４０．１ＧＨｚまで測定し、共振抑制効果の有無を確認した。
【００５３】
さらに、モジュール内部空間のガス成分を、ＭＩＬ−ＳＴＤ　８８３Ｅに記載の方法で測定した。
【００５４】
その結果、金属製の蓋体を使用した場合（Ｎｏ．９）は、１０ＧＨｚ付近で空洞共振が発生して、高周波モジュールの周波数特性が劣化したのに対し、本発明の蓋体１０を使用した場合（Ｎｏ．８）は、電波吸収体１２の作用により空洞共振が抑制され、周波数特性に優れた高周波回路モジュール２０となることが確認された。
【００５５】
また、モジュール内部のガス成分測定結果においても腐食性ガスの発生は確認されず、半導体素子の信頼性に影響を与えないことが解った。
【００５６】
次に、従来技術である、焼結体フェライト板の表面に金属膜を形成し、本発明と同様に金属合金の止着材で金属版からなる基体に止着した蓋体（Ｎｏ．１０）を使用し、測定を行ったが、焼結体フェライトは、空洞共振が発生する周波数に対する吸収特性に劣るため、空洞共振を防止することができなかった。
【００５７】
さらに、ゴムを基材とし、磁性金属粉末および耐燃焼性を高める目的でＢｒ元素の化合物からなる難燃剤を添加した従来の電波吸収体を、エポキシ系の接着剤で接合した蓋体を使用し、測定を行った結果（Ｎｏ．１１）、空洞共振が抑制され、良好な周波数特性が得られたが、パッケージ内部空間のガス分析結果より、腐食性を有するアウトガスの発生が確認され、半導体素子の信頼性が低下することが予想されるため、高い信頼性が要求される高周波モジュールの封止用蓋体として適切ではない。
【００５８】
【表２】
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【００５９】
次に、基体１１と電波吸収体１２を、ろう材１３にて止着する時の酸素濃度の最適範囲を確認するため、酸素濃度を様々に変化させて実験を行った（Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１６）。その結果、酸素濃度１０００ｐｐｍを超える範囲（Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１３）では、ろう材１３と金属膜１１ｂ、１２ｂの濡れ性が悪く、全く接合出来ないか、出来ても接合強度が著しく低いため、実用的ではなかった。一方、本発明の請求範囲である、酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の範囲（Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．１６）では、接合強度が十分高いものであった。
【００６０】
このため、止着時の酸素濃度は１０００ｐｐｍ以下であることが好ましく、止着後の強度を考慮すると、５００ｐｐｍ以下であることがさらに好ましいと言える。
【００６１】
【表３】
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【００６２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、高周波回路を収納するパッケージベースと組み合わせて気密封止パッケージを形成する蓋体において、金属またはセラミックスからなる基体の表面の少なくとも一部に金属膜を形成するとともに、熱硬化性樹脂に６０〜９９体積％の軟磁性金属粉末を分散させてなる電波吸収体の表面の少なくとも一部に金属膜を形成し、該電波吸収体を前記基体にろう材を用いて止着することにより、共振、発振を生じず、高周波特性に優れ、かつ、信頼性に優れた高周波回路モジュールを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波回路用パッケージ蓋体の断面図である。
【図２】本発明の高周波回路モジュールの断面図である。
【図３】従来の高周波回路モジュールの断面図である。
【図４】従来の電波吸収体を用いた高周波回路モジュールの断面図である。
【図５】従来の電波吸収体を用いた高周波回路モジュールの断面図である。
【符号の説明】
１０・・・高周波回路用パッケージ蓋体
１１・・・基体
１１ｂ・・・金属膜
１２・・・電波吸収体
１２ｂ・・・金属膜
１３・・・ろう材
２０・・・高周波回路モジュール
２１・・・パッケージベース
２２・・・回路基板
２３・・・半導体素子
２４・・・伝送線路
２５・・・端子電極
２６・・・ボンディングワイヤ
２７・・・内部空間
３０・・・高周波回路モジュール
３１・・・パッケージベース
３２・・・回路基板
３３・・・半導体素子
３４・・・蓋体
４１・・・パッケージベース
４２・・・回路基板
４３・・・半導体素子
４４・・・蓋体
４５・・・ろう材
４６・・・焼結電波吸収体
５０・・・高周波回路モジュール
５１・・・パッケージベース
５２・・・回路基板
５３・・・半導体素子
５４・・・蓋体
５５・・・電波吸収体
５６・・・誘電体封止板
【図１】
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【図２】
2004087686.tif 000007
【図３】
2004087686.tif 000008
【図４】
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【図５】
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