(57)【要約】【課題】ガンダイオードやストリップ線路を密閉構造にすることにより、水蒸気などの浸入を防止し、信頼性の高いガンダイオード発振器を提供する。【解決手段】半絶縁性の基板１０の一面にマイクロストリップ線路２０が形成され、その線路２０と接続してガンダイオード３０が設けられている。ガンダイオードに電源供給用のバイアス電極２４が設けらると共に、電源と接続するための電源用端子５１が基板１０の一面側に設けられ、マイクロストリップ線路２０およびガンダイオード３０を被覆するように、遮蔽用容器６０が設けられている。この容器６０内のバイアス電極２４と容器の外にある電源用端子５１とを接続する接続配線５３が、基板１０の裏面側に容器の一側壁６０ａを迂回するように設けられるバイパス配線５３ｃを介して設けられることにより、遮蔽用容器６０は全周に亘って隙間なく基板１０に接着されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性の基板と、該基板の一面に信号電極、共振回路部および前記信号電極と接続される電源供給用のバイアス電極を有するマイクロストリップ線路と、前記信号電極の一端部側と接地電極とにそれぞれ接続されるように、前記基板の一面側に設けられるガンダイオードと、電源と接続するため前記基板の一面に設けられる電源用端子と、該電源用端子と前記バイアス電極とを接続する接続配線と、電磁波を遮断し得る材料からなり、前記基板の一面側に設けられ、前記マイクロストリップ線路、ガンダイオードおよび前記接続配線の一部を被覆する遮蔽用容器とを有し、前記信号電極の他端部側の出力部から前記基板の他面側に設けられる導波管と結合するように該基板を透過して発振出力を放射するガンダイオード発振器において、
前記接続配線が、前記遮蔽用容器の一側壁を迂回するように、前記基板に設けられるヴィアホールおよび該基板の他面側に設けられるバイパス配線を介して前記バイアス電極と前記電源用端子とを接続するように設けられることにより、前記遮蔽用容器が前記マイクロストリップ線路およびガンダイオードを密閉するように前記基板に接着されてなるガンダイオード発振器。
【請求項２】
前記信号電極が、該信号電極の両側に接地電極が設けられることにより、前記マイクロストリップ線路がコプレーナ型に形成されてなる請求項１記載のガンダイオード発振器。
【請求項３】
前記基板が筐体に取り付けられ、該筐体には、前記信号電極の出力部と前記基板の他面側に設けられる導波管との結合部分に第１の貫通孔が設けられてなる請求項１または２記載のガンダイオード発振器。
【請求項４】
前記基板が筐体に取り付けられ、該筐体には、前記バイパス配線を露出させる第２の貫通孔が設けられてなる請求項１ないし３のいずれか１項記載のガンダイオード発振器。
【請求項５】
前記第２の貫通孔内に露出する前記バイパス配線が、樹脂で封止されることにより絶縁化されてなる請求項４記載のガンダイオード発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波用のガンダイオードを用いた発振器に関する。さらに詳しくは、ガンダイオード近傍を電磁波の遮断のみならず、密閉した構造にすることにより、発振器の信頼性を向上させることができる構造のガンダイオード発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガンダイオードを用いた従来のガン発振器は、たとえば図７に示されるような構造になっている。なお、図７（ａ）は、遮蔽用容器を除去したガン発振器の概略図を斜視図で示した図で、図７（ｂ）は、遮蔽用容器が設けられた状態で、筐体に組み込まれた状態を示す斜視図である。
【０００３】
図７（ａ）において、ガンダイオード発振器は、半絶縁性の基板１０の一面に、信号電極２１、共振回路部２２、出力部２３、ガンダイオード用のバイアス電極２４、共振回路用のバイアス電極２５が設けられ、基板１の他面に設けられる接地導電体膜２６と共にマイクロストリップ線路２０が形成されている。そして、ガンダイオード３０が、その陽極と陰極が信号電極２１および表面接地電極３９にそれぞれ接続されるようにマウントされている。共振回路部２２は、信号電極の先端部にオープンスタブ（図には表れていない）が設けられることにより、その長さにより所望の発振周波数になるように調整されるが、図７に示される例では、信号電極２１とオープンスタブとの間にバラクタダイオード４１が接続され、電子同調し得る構造に形成されている。そのため、バラクタダイオード４１に電源を供給するための共振回路用バイアス電極２５が同様に設けられている（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
この基板１０の一面には、前述のバイアス電極２４、２５に外部から電源を供給するため、電源用端子５１、５２が設けられ、それぞれ接続配線５３、５４によりバイアス電極２４、２５と接続されている。そして、このガンダイオード３０やマイクロストリップ線路２０が外部からの電磁波などと干渉してノイズとならないように、金属または樹脂の表面にメタライズが施された遮蔽用容器６０で被覆され（図７（ｂ）参照）、基板１０上の外周部に設けられる導電体膜６５に接着される構造になっている。この場合、遮蔽用容器６０が接続配線５３、５４と接触してショートしないように、遮蔽用容器側壁の接続配線５３、５４が通過する部分に、穴６１、６２が形成されている。
【０００５】
このガンダイオード発振器は、図７（ｂ）に示されるように、たとえば筐体７０に取り付けられ、信号電極２１の出力部２３の裏側に相当する部分の筐体７０に図示しない導波管が接続され、出力部２３から基板１を透過して導波管内に伝搬するように、出力部２３の上面側に図示しない導波管の終端部が設けられ、マイクロストリップ線路と導波管との変換器が構成されている。図７（ａ）の７１は、その導波管終端部を接着する部分を示している。もちろん、この接着する部分より内側は電波が透過するように、基板１裏面の接地導電体膜２６は除去されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１８５７８２号公報（図７）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の構造のガンダイオード発振器では、遮蔽用容器でガンダイオードやマイクロストリップ線路を被覆しているため、外部の電磁波との干渉は防ぐことができるが、遮蔽用容器の接続配線を跨ぐ部分には遮蔽用容器の一側壁に穴が開けられているため、容器内を密閉にすることができず、水蒸気が容易に内部に浸入してガンダイオードやマイクロストリップ線路を腐食させることがあり、非常に信頼性に乏しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ガンダイオードやマイクロストリップ線路を密閉構造にすることにより、水分や水蒸気などの浸入を防止し、信頼性の高いガンダイオード発振器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるガンダイオード発振器は、半絶縁性の基板と、該基板の一面に信号電極、共振回路部および前記信号電極と接続される電源供給用のバイアス電極を有するマイクロストリップ線路と、前記信号電極の一端部側と接地電極とにそれぞれ接続されるように、前記基板の一面側に設けられるガンダイオードと、電源と接続するため前記基板の一面に設けられる電源用端子と、該電源用端子と前記バイアス電極とを接続する接続配線と、電磁波を遮断し得る材料からなり、前記基板の一面側に設けられ、前記マイクロストリップ線路、ガンダイオードおよび前記接続配線の一部を被覆する遮蔽用容器とを有し、前記信号電極の他端部側の出力部から前記基板の他面側に設けられる導波管と結合するように該基板を透過して発振出力を放射するガンダイオード発振器において、前記接続配線が、前記遮蔽用容器の一側壁を迂回するように、前記基板に設けられるヴィアホールおよび該基板の他面側に設けられるバイパス配線を介して前記バイアス電極と前記電源用端子とを接続するように設けられることにより、前記遮蔽用容器が前記マイクロストリップ線路およびガンダイオードを密閉するように前記基板に接着されている。
【００１０】
この構造にすることにより、遮蔽用容器内に設けられるバイアス電極と遮蔽用容器の外側に設けられる電源用端子とを接続する接続配線は、遮蔽用容器の一側壁と交差する部分が基板の他面（裏面）側で迂回する構造になっているため、遮蔽用容器の側壁に穴をあけて接続配線部分を逃げる必要がなくなる。その結果、遮蔽用容器の側壁を全周に亘って基板の一面側と接着させることができ、外部からの水蒸気や水分の浸入を完全に遮断することができる。さらに、密閉されているため、内部に不活性ガスなどを充填して封止することもでき、高温多湿雰囲気など環境の悪い場所で使用する場合でも、非常に安定した特性で動作をすることができ、しかも長時間の使用に対しても外部雰囲気に起因する劣化を防止することができるため、非常に信頼性の高いガンダイオード発振器が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明のガンダイオード発振器について、その一実施形態を示す図１〜４を参照しながら説明をする。
【００１２】
本発明によるガンダイオード発振器は、図１（ａ）に概略構成の斜視図が示されるように、半絶縁性の基板１０の一面に信号電極２１、共振回路部２２および信号電極２１と接続される電源供給用のバイアス電極２４が基板１０の他面（裏面）に設けられる接地用導電体膜２６と共にマイクロストリップ線路２０として形成されている。そして、信号電極２１の一端部側と表面接地電極３９とにそれぞれ接続されるように、基板１０の一面側にガンダイオード３０が設けられている。また、電源と接続するための電源用端子５１、５２が基板１０の一面側に設けられ、ガンダイオード用および共振回路用のバイアス電極２４、２５が、接続配線５３、５４および基板１０の裏面に設けられるバイパス配線５３ｃ、５４ｃにより電気的に接続されている。そして、マイクロストリップ線路２０、ガンダイオード３０および接続配線５３、５４の一部を被覆するように、電磁波を遮断し得る材料からなる遮蔽用容器６０が基板１０の一面側に設けられている。
【００１３】
すなわち、本発明のガンダイオード発振器では、基板１０の一面（表面）に設けられるバイアス電極２４、２５と電源用端子５１、５２とをそれぞれ電気的に接続する接続配線５３、５４の一部が、遮蔽用容器６０の一側壁６０ａを迂回するように、基板１０に設けられるヴィアホール５３ｂ、５３ｄ、５４ｂ、５４ｄおよび基板１０の他面（裏面）側に設けられるバイパス配線５３ｃ、５４ｃとして形成され、遮蔽用容器６０が全周に亘って基板１０に接着され、内部が密閉されていることに特徴がある。なお、この発振器において、ガンダイオード３０で発振する発振出力は、後述するように、信号電極２１の他端部側の出力部２３から基板１０の他面側に設けられる導波管と結合するように基板１０を透過して放射される。
【００１４】
基板１０としては、たとえば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ダイアモンドなどのように、比抵抗が１０６Ω・ｃｍ以上で、熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上の材料が用いられる。
【００１５】
マイクロストリップ線路２０は、図１に示される例では、基板１０の一面（表面）側の全面に形成された銅などの電気伝導性の良好な導電体膜をパターニングすることにより、信号電極２１、共振回路部２２、バイアス電極２４、２５などが所望の形状に形成されると共に、基板１０の裏面にもほぼ全面に銅などからなる接地導電体膜２６が設けられることにより、所望のインピーダンスになるように形成されている。
【００１６】
共振回路部２２は、図３にガンダイオード３０および共振回路部２２の拡大説明図が示されるように、信号電極２１の一端部にオープンスタブ２２ａが形成され、さらにこの例では、離間して第２のオープンスタブ２２ｂが形成され、その両スタブ２２ａ、２２ｂに両電極が接続されるように、バラクタダイオード４１が接続されている。そして、第２のオープンスタブ２２ｂに共振回路用のバイアス電極２５が接続して形成され、バラクタダイオード４１に印加される電圧によりガンダイオードの発振周波数を調整できるようになっている。しかし、後述するように、バラクタダイオード４１が設けられなくても、オープンスタブ２２ａの長さを調整することにより、所望の周波数で発振させることができ、固定の発振周波数で動作させることができる。この場合は、共振回路用のバイアス電極２５は不要で設けられない。
【００１７】
ガンダイオード３０は、たとえば図４に平面説明図および基板１０にマウントした状態の断面説明図が示されるように、直接マイクロストリップ線路とハンダ付などで接続することができるフリップチップ型の構造に形成されることが、組立が容易で、歩留りを向上させることができるため好ましい。
【００１８】
すなわち、図４（ｂ）に表面を下向き（フェースダウン）にして基板１０にマウントした状態の断面説明図が示されるように、半導体基板３１に、たとえばＧａＡｓやＩｎＰなどからなる第１半導体層３２、活性層３３、第２半導体層３４が順次積層され、ガンダイオードの機能部を分離させるため、図４（ａ）に平面説明図が示されるように、機能部の周囲に、ボロンなどからなる不純物イオンを注入することにより、絶縁領域３５が第１半導体層３２に達するように形成されている。なお、図４に示される例では、機能部が６個形成された例が示されている。そして、各機能部の表面にアノード電極３６が、それ以外の表面にカソード電極３７が形成され、それぞれの表面に直接基板１０にマウントできるようにアノードバンプ３６ａ、カソードバンプ３７ａが形成されている。
【００１９】
このように、バンプを介して、フェースダウンで直接接続されることにより、金リボンによるワイヤボンディングをする必要がなく、金リボンにより発生する寄生インダクタンスの発生を防止することができ、特性のバラツキを防止することができる。
【００２０】
このガンダイオード３０が、前述のように、アノード電極３６が信号電極２１と接続され、カソード電極３７が基板１０上に設けられる表面接地電極３９とそれぞれ接続させて固定されている。なお、表面接地電極３９は、たとえば図４（ｂ）に断面説明図が示されるように、基板１０に設けられる貫通孔にタングステンなどの導電材料が埋め込まれたヴィアホール３９ａを介して、基板裏面に設けられる接地導電体膜２６と接続されている。
【００２１】
再び図１を参照して、電源用端子５１、５２は、外部電源と接続するために形成されており、前述のマイクロストリップ線路２０と同様に、基板表面に設けられていた導電体膜をパターニングする際に、エッチングしないで残されることにより形成される。また、電源用端子５１、５２とバイアス電極２４、２５とを接続する接続配線５３、５４も、マイクロストリップ線路２０や電源用端子５１、５２と同様に、基板表面の導電体膜をパターニングする際に、エッチングしないで残すようにパターニングをすることにより形成される。本発明では、この接続配線５３、５４が直接電源用端子５１、５２とバイアス電源２４、２５とを接続するように形成されるのではなく、後述する遮蔽用容器６０の一側壁６０ａと交差する前の遮蔽用容器内で止まり、バイパス用端子５３ａ、５４ａが形成されている。
【００２２】
このバイパス用端子５３ａは、図２（ａ）に図１（ｂ）のＩＩＡ−ＩＩＡ断面図が示されるように、基板１０に設けられる貫通孔内にタングステンなどが埋め込まれたヴィアホール５３ｂを介して、基板１０の裏面に設けられるバイパス用配線５３ｃに接続され、このバイパス配線５３ｃにより遮蔽用容器６０の一側壁６０ａを迂回し、その端部が前述と同様のヴィアホール５３ｄを介して、電源用端子５１に接続されている。なお、図１（ａ）に示されるように、バラクタダイオード４１側の接続配線５４も同様にバイパス用端子５４ａが形成され、同様の構造で基板１０の裏面に設けられるバイパス配線５４ｃ、ヴィアホール５４ｂ、５４ｄを介して電源用端子５２と接続されている。もちろん、バラクタダイオード４１が用いられないで、共振回路用バイアス電極２５がない場合は、この接続配線５４もない。
【００２３】
その結果、図１（ｂ）および図２（ａ）に示されるように、遮蔽用容器６０は、接続配線５３、５４の部分を逃げる必要がなく、側壁の全周に亘って基板１０表面の導電体膜６５と接着することができ、その内部を密閉状態にすることができる。なお、バイパス配線５３ｃ、５４ｃが設けられる部分は、基板１０裏面の接地導電体膜２６は除去され、接地導電体膜２６と離間して設けられている。また、後述する導電性の筐体７０にこのガン発振器を実装する場合には、その筐体７０にこの部分を逃げる第２の貫通孔７０ａが形成され、バイパス配線５３ｃ、５４ｃがショートしないように形成されている。この第２の貫通孔７０ａ内に樹脂などを充填し、バイパス配線５３ｃ、５４ｃを被覆することにより、外部に対して絶縁化され、信頼性をさらに向上させることができる。
【００２４】
遮蔽用容器６０は、たとえばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどからなる合金、導電性樹脂、またはプラスティックなどの樹脂成形体やセラミックスなどの表面にメッキなどによりメタライズされたものなどからなり、ガンダイオード３０やマイクロストリップ線路２０の発振回路部が、外部からの電磁波による影響を受けないようにすると共に、水分などが浸入して腐食したり、特性に悪影響を及ぼさないようにするためのものである。この遮蔽用容器６０は、たとえば図１（ａ）に示されるように、基板１０表面の外周部に、エッチングしないで残すことにより設けられている導電体膜６５に、Ａｕ−Ｓｎなどの半田材により接着することにより基板１０に取り付けられている。この接着作業を、たとえば窒素雰囲気下で行うことにより、遮蔽用容器６０内に、窒素などの不活性ガスを充填することができ、遮蔽用容器６０が全周に亘って接着されているため、内部に不活性ガスを保持することができる。その結果、さらに内部の腐食などに対する信頼性を向上させることができる。
【００２５】
このガンダイオード発振器の出力部２３には、図２（ｂ）に図１（ｂ）のＩＩＢ−ＩＩＢ断面図が示されるように、導波管終端部７２が、基板１０表面の導電体膜７１（図１（ａ）参照）上に設けられ、信号電極２１の出力部２３が基板１０の裏面側に設けられる導波管７３と結合するように構成されている（導波管７３はイメージ的に示されている）。すなわち、出力部２３は、導波管の幅広面から、たとえばＬ＝λ／４（λは発振波長）だけ突っ込んだ状態で、導波管終端部７２の内壁が、無反射終端になるように形成されることにより、マイクロストリップ線路から導波管への変換器が形成されている。このガンダイオード発振器と導波管７３との結合は、たとえば図１〜２に示されるように、導波管７３が接続され得る筐体７０にガンダイオード発振器の基板１０を固定することにより行われる。
【００２６】
筐体７０は、たとえばアルミニウムなどの金属板からなり、前述の導波管が接続される部分には、導波管の空洞に合せた形状の第１の貫通孔７０ｂが形成され、導波管終端部７２と導波管７３と共に、導波管の空洞部が連続するように形成されている（この部分の基板裏面の接地導電体膜２７は除去されており、発振出力は基板１０を透過する）。筐体７０は、たとえば図１（ｂ）に示されるように、導波管に固定するための、導波管との位置決め用孔７０ｃおよび固定のためのネジ孔７０ｄがそれぞれ数個づつ設けられた円形状に形成されるが、この形状やネジ孔などは、この例に限定されるものではなく、また、ガンダイオード発振器を導波管と結合できれば、筐体はなくても良い。しかし、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上のアルミニウムや銅などの金属、あるいは金属の複合材料で形成した筐体を用いることで、発熱するガンダイオード３０の熱を効果的に逃がすことができ、筐体を用いる効果は大きい。
【００２７】
本発明によれば、遮蔽用容器がその全周に亘って、基板１０に接着されているため、電磁波を遮断してガンダイオードやストリップ線路２０に悪影響を及ぼすのを防止するのみならず、内部を気密封止することができる。その結果、水蒸気など水分の浸入を完全に防止することができると共に、内部に不活性ガスを充填させることもでき、ストリップ線路などの腐食を完全に阻止することができ、信頼性を大幅に向上させることができる。
【００２８】
前述の例では、共振回路部にバラクタダイオードが設けられ、電子同調し得る構造の発振器であったが、ガンダイオード発振器としては、必ずしも電子同調の必要性はない。この場合、図５に図３と同様の図が示されるように、信号電極２１のガンダイオード３０側の端部には、オープンスタブ２２ａのみが設けられ、その長さを調整することにより、発振周波数が調整され、固定発振周波数のガンダイオード発振器が得られる。この場合は、共振回路用のバイアス電極は必要がなく、バイアス電極と電源用端子とを接続する接続配線も、ガンダイオード用のみとなる。なお、図５において、図３と同じ部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
さらに、前述の例では、マイクロストリップ線路が、基板表面に設けられる信号電極などと基板裏面に設けられる接地導電体膜とで構成されていたが、このような構造ではなく、たとえば図６に示されるように、信号電極２１などと並んでその両側に、接地電極２８を形成することにより、コプレーナ型のマイクロストリップ線路とすることもできる。この場合、前述のガンダイオード３０のカソード電極を接続する表面接地電極３９（図１）をこのコプレーナ型マイクロストリップ線路の接地電極２８と兼用することができ、さらに、前述の遮蔽用容器６０を接着する導電体膜６５（図１）、導波管終端部７２を接着する導電体膜７１（図１）なども、この接地電極２８と連続して形成することができる。なお、コプレーナ型にすることにより、基板１０の裏面には接地導電体膜が設けられなくてもよい。この接地電極２８が基板表面に設けられ、基板裏面の接地導電体膜が設けられていない以外は、前述の図１（ａ）に示される構造と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
さらに、前述の各例では、ガンダイオードのアノード電極が信号電極と接続され、カソード電極が表面接地電極と接続される構造であったが、バイアス電圧の極性によっては、ガンダイオードのアノード電極とカソード電極とは逆になる場合がある。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガンダイオード発振器によれば、接続配線を迂回させることにより遮蔽用容器が全周に亘って基板と密着する構造にしているため、別途遮蔽板を設けたり、樹脂で密封することなく、簡単な構造でガンダイオードを含む発振回路部分を完全に外界から遮断することができる。その結果、ローコストで、水蒸気など、水分の浸入を完全に阻止することができ、腐食および動作に対する信頼性を大幅に向上させることができる。しかも、発振回路部分を密閉することができるため、遮蔽用容器内に不活性ガスを充填しておくことにより、さらに信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガンダイオード発振器の遮蔽用容器を除去した主要部の構成、およびガンダイオード発振器を筐体に実装した状態を示す斜視説明図である。
【図２】図１（ｂ）のＩＩＡ−ＩＩＡ断面およびＩＩＢ−ＩＩＢ断面を示す説明図である。
【図３】図１（ａ）のガンダイオードおよび共振回路部の拡大説明図である。
【図４】ガンダイオードの一例を示す平面説明図および基板にマウントした状態の断面説明図である。
【図５】本発明によるガンダイオード発振器における共振回路部の他の構成例を示す図３と同様の拡大説明図である。
【図６】本発明によるガンダイオード発振器におけるマイクロストリップ線路の他の構成例を示す図１（ａ）と同様の斜視説明図である。
【図７】従来のガンダイオード発振器の一例を示す斜視説明図である。
【符号の説明】
１０    基板
２０    マイクロストリップ線路
２１    信号電極
２２    共振回路部
２３    出力部
２４、２５    バイアス電極
３０    ガンダイオード
５１、５２    電源用端子
５３、５４    接続配線
５３ｃ、５４ｃ    バイパス配線
６０    遮蔽用容器
６０ａ  遮蔽用容器の一側壁
７０    筐体
７２    導波管終端部
７３    導波管
【図１】
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【図２】
2004281496.tif 000004
【図３】
2004281496.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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