(57)【要約】【課題】複数の高周波デバイスで構成されるマイクロ波集積回路のデバイス接続において、接続ギャップに伴うインピーダンス不整合を改善する。【解決手段】接続ギャップにおけるインピーダンス不整合の原因は、マイクロストリップ線路３ａ下の高さと比誘電率εｒの不連続変化であるため、ＧＮＤ電位面10への距離を短くする方法として伝送線路接続タブ５と一対のＧＮＤ接続タブ６を設ける。伝送線路接続タブ５は、半導体パッケージ１の入出力端子と、誘電体基板３の表面に形成されて高周波信号を伝達する高周波回路パターン３ａを橋絡接続する。ＧＮＤ接続タブ６は高周波信号のリターン側を接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波帯域で動作する電子部品が搭載された半導体パッケージと該半導体パッケージの入出力端子における高周波信号を伝達する高周波回路パターンが表面に形成された誘電体基板との間、または前記誘電体基板同士の間を接続する高周波モジュール接続構造であって、
前記入出力端子と前記高周波回路パターンの間または前記高周波回路パターン同士の間を橋絡接続する一定幅の伝送線路接続タブと、
前記伝送線路接続タブとの間隔を一定に保持して前記高周波信号のリターン側を接続する前記伝送線路接続タブと一対のＧＮＤ接続タブとから成り、
前記橋絡接続部分と前記高周波回路パターンとで特性インピーダンスの均一化を図ったことを特徴とする高周波モジュール接続構造。
【請求項２】
前記伝送線路接続タブの幅、前記ＧＮＤ接続タブの幅および前記間隔を前記特性インピーダンスの均一化のために選定することを特徴とする請求項１に記載の高周波モジュール接続構造。
【請求項３】
前記伝送線路接続タブと前記ＧＮＤ接続タブの間に前記特性インピーダンスを実現するための比誘電率を有する誘電体を充填することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波モジュール接続構造。
【請求項４】
切削性の良い前記誘電体基板に対しては前記ＧＮＤ接続タブの接続箇所となる縁部を一部除去して前記誘電体基板を配置させることを特徴とする請求項１ないし３に記載の高周波モジュール接続構造。
【請求項５】
切削性の悪い前記誘電体基板に対しては該誘電体基板の補強用メタルキャリアを前記ＧＮＤ接続タブの接続箇所となる縁部から一部突出させて前記誘電体基板を配置させることを特徴とする請求項１ないし３に記載の高周波モジュール接続構造。
【請求項６】
前記入出力端子と前記高周波回路パターンの間または前記高周波回路パターン同士の間で高さが異なる場合には前記ＧＮＤ接続タブを一方の接続縁で折り曲げて段差を設けることにより調整することを特徴とする請求項１ないし５に記載の高周波モジュール接続構造。
【請求項７】
前記入出力端子と前記高周波回路パターンの間または前記高周波回路パターン同士の間で高さが異なる場合には前記伝送線路接続タブおよび前記ＧＮＤ接続タブに同じ傾斜角をつけることにより前記間隔を一定に保持すること特徴とする請求項１ないし５に記載の高周波モジュール接続構造。
【請求項８】
前記伝送線路接続タブに代わって伝送線路接続リボン、および前記ＧＮＤ接続タブに代わってＧＮＤ接続リボンを用いることを特徴とする請求項１ないし７に記載の高周波モジュール接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波モジュール接続構造、詳細には、マイクロ波ないしはミリ波帯で動作する高周波回路において、複数の高周波デバイスや誘電体基板から構成されるマイクロ波集積回路のデバイス間接続に関し、特にインピーダンス整合を改善した半導体パッケージおよび誘電体基板（「高周波モジュール」と記す）の接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波／ミリ波帯で動作する高周波回路で用いられる不平衡形マイクロストリップ線路は、同軸線路を変形したＴＥＭ（Transverse Electromagnetic Mode）波として取り扱うことができる。しかし、分布定数概念の下に設計された高周波デバイスは、アクティブ・デバイス(増幅器やミキサ等)にしろ、パッシブ・デバイス（フィルタやハイブリッド）にしろ、一般的に、パッケージやパッケージキャリアあるいはメタルキャリア（サブキャリア）上に搭載され、機器フレームに取り付けられて伝送線路を形成する構造となるため、デバイス間で生じる接続ギャップから不平衡マイクロストリップ線路としてはインピーダンス不整合が発生する。
【０００３】
図８は半導体パッケージ１と高周波回路パターン3a、図９は高周波回路パターン3aと高周波回路パターン7aの接続構造の従来例を示している。図８と図9aは断面図、図9bは斜視図である。半導体パッケージ１はネジ止め等で機器フレーム10に取り付け可能なパッケージキャリア２に固着され、表面に高周波回路パターン3aが形成された誘電体基板３は、ネジ止め等で機器フレーム10に取り付け可能なメタルキャリア４に固着されている。そして、半導体パッケージ１の入出力端子と高周波回路パターン3aの間、あるいは高周波回路パターン3aと高周波回路パターン7aの間は伝送線路接続タブ５によって接続されており、そこに接続ギャップＸが生じている。
【０００４】
この接続ギャップＸによるデバイス間のインピーダンス不整合を解消するため、従来は、各デバイス接続箇所でインタフェース毎にパターン調整等によるインピーダンス整合を図っていることが多い。しかし、接続箇所が多い場合には、接続ギャップに起因するインピーダンス不整合箇所も多くなり、生産工程における電気特性の調整・検査時間の増大や機器性能のばらつきの原因となる。更に、設計時においては、予め誘電体基板上に調整用スペース（調整用パターン）を見越しておかなければならない等機器の小型化を阻害する要因ともなっている。
【０００５】
なお、インターフェージングエッジにおいて、２つのキャリアの床からリップを平行に立ち上げ、リップ間のキャリア間ギャップを第１のリボン導体で橋絡し、キャリアの各々に取り付けられた基板は第１のリボン導体と角度をなし、かつ離間して配置された第２のリボン導体によって接続した技術が知られている。
【０００６】
また、表面に信号導体、内部にグランド層が形成された誘電体基板の縁部で信号導体の両側を切り欠いてグランド層を露出させ、ワイヤ、リボン、ＴＡＢテープなどの導体部材によって誘電体基板間のグランド層同士を電気的に接続した技術も開示されている。
【０００７】
しかし、これらのいずれの技術によっても、接続ギャップ部では、信号導体面とグランド面の間隔が大きくなり、あるいは比誘電率が１になるため、特性インピーダンスが急激に変化し、インピーダンスの不整合を解消するには不十分と考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平7-123202
【特許文献２】特開2001-15880
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
解決しようとする問題点は、高周波モジュール間の接続ギャップが残ることにより、高周波モジュール間のインピーダンス不整合を解消できない点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、高周波モジュール間のインピーダンス不整合を解消するために、伝送線路接続タブと平行にＧＮＤ接続タブを設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の高周波モジュール接続構造は、高周波モジュール間の接続ギャップ部において、伝送線路接続タブと平行にＧＮＤ接続タブを設けたため、接続ギャップ部における伝送線路接続タブとＧＮＤ接続タブの間隔を狭め、かつ一定にすることができるので、接続ギャップによるインピーダンス不整合を極小に抑え、良好なインピーダンス整合を提供できるという利点がある。
【００１２】
また、この利点の波及効果として、特性インピーダンスの均一化により、接続ギャップの幅や高さ、デバイス間の伝送線路接続タブ取付面の高さを合わせたり、クリアランスを確保するといった構造的制限が軽減され、機械設計の自由度を上げ、良好なインピーダンス整合を得やすいことから、生産工程における電気特性の調整・検査時間の短縮（生産性の向上）機器性能のばらつきの低減（性能／信頼性の向上）により生産コストの改善が期待できる。更に、インピーダンス整合のための調整スペースが不要とななるので、基板の小型化（高周波回路の小型化）や機器の小型化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の高周波モジュール接続構造の実施例１を示す図である。
【図２】一般的な不平衡形マイクロストリップ線路を示す図である。
【図３】不平衡形マイクロストリップ線路の特性インピーダンス例を示す図である。
【図４】本発明の高周波モジュール接続構造の実施例２を示す図である。
【図５】本発明の高周波モジュール接続構造の実施例３を示す図である。
【図６】本発明の高周波モジュール接続構造の実施例４を示す図である。
【図７】本発明の高周波モジュール接続構造の実施例５を示す図である。
【図８】半導体パッケージと誘電体基板を接続する従来例を示すである。
【図９】誘電体基板同士を接続する従来例を示すである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明は、複数の高周波デバイスで構成されるマイクロ波集積回路のデバイス接続において、接続ギャップに伴うインピーダンス不整合を改善する。接続ギャップにおけるインピーダンス不整合の原因は、マイクロストリップ線路下の高さと比誘電率の不連続変化であるため、ＧＮＤ電位面への距離を短くする方法として伝送線路接続タブと平行に一対のＧＮＤ接続タブを設ける。
【実施例】
【００１５】
図１は本発明の高周波モジュール接続構造の実施例１を示し、図1aが断面図、図1bが斜視図である。
【００１６】
半導体パッケージ１は、半導体集積回路やコンデンサ等のディスクリート部品を搭載し、ネジ止め等で機器フレーム（シャシーＧＮＤ）10に取り付け可能な金属導体のパッケージキャリア２にハンダ付けまたは導電性接着剤にて固着されている。
【００１７】
誘電体基板３は、表面に高周波信号を伝達する高周波回路パターン3aが形成され、裏面は全面導体であって、ネジ止め等で機器フレーム10に取り付け可能なメタルキャリア４にハンダ付けまたは導電性接着剤にて固着されている。
【００１８】
半導体パッケージ１の入出力端子（不図示）における高周波信号は、伝送線路接続タブ５を経由して、隣接する誘電体基板３の高周波回路パターン3aへ伝達される。そして、伝送線路接続タブ５と平行にＧＮＤ接続タブ６が設けられ、伝送線路接続タブ５に対するリターン側を形成している。ＧＮＤ接続タブ６は、半導体パッケージ１のＧＮＤ電位面およびパッケージキャリア２と電気的あるいは機械的に接続されており、伝送線路接続タブ５の２〜３倍の幅を有する。なお、伝送線路接続タブ５およびＧＮＤ接続タブ６は接続リボンであってもよい。これらのタブまたはリボンはシート状の導電性部材である。
【００１９】
パッケージキャリア２に搭載した半導体パッケージ１と、メタルキャリア４に搭載した誘電体基板３を機器フレーム10へ取り付けると、各々の機械的寸法誤差やクリアランス確保の点から、０コンマ数ｍｍ程度の接続ギャップＸが生じる。
【００２０】
伝送線路接続タブ５およびＧＮＤ接続タブ６は、ハンダ付けまたは導電性接着剤にて接続する。半導体パッケージ１と、誘電体基板３，メタルキャリア４を同一の工程で組み立てる場合は、ハンダ付けでも導電性接着剤でもＧＮＤ接続タブ６はその工程で接続する。先に誘電体基板３とメタルキャリア４が組み立てられている状態では、ハンダ付けの場合はＧＮＤ接続タブ６をＧＮＤ接続タブ取付部Ｙへ挿入して融点の異なる２種類のハンダ（低温ハンダ／高温ハンダ）を使い分けてハンダ付けし、接着剤の場合はＧＮＤ接続タブ６やＧＮＤ接続タブ取付部Ｙに塗布した状態で差し込んで固着乾燥させる。
【００２１】
一般に、図２で示される不平衡形マイクロストリップ線路の特性インピーダンスZ0は式１で与えられる。εreは、実効比誘電率であって、比誘電率εrとh/Wとから周知の式で算出することができる。Wは伝送線路の幅、hは誘電体基板の高さである。
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【００２２】
図３は、比誘電率εr＝1（空気）の場合と比誘電率εr＝10（アルミナセラミック）の場合における、W/hに対する特性インピーダンスZの計算結果をグラフで示す。
【００２３】
一般的に、誘電体基板３の厚みが0.1〜0.8ｍｍであるのに対し、反りや割れ対策のため、誘電体基板３を載せるメタルキャリア４の厚みは1ｍｍ以上であることが多い。また、接続ギャップＸでは伝送線路接続タブ５の下が空気であると比誘電率εrが誘電体基板３の固有値（＞１）から１へ変わり、最も特性インピーダンスの変化率が大きい曲線（空気）へ変化するという事象も生じる。
【００２４】
よって、誘電体基板３上は最適化した線路幅であるとしても、ＧＮＤ接続タブ６が不在の場合は、接続ギャップＸ部では、ＧＮＤ面からの高さ方向が倍以上変わること、比誘電率εrが１になること、の２つの原因から上式で示される特性インピーダンスは急激に変化し、伝送線路としてインピーダンス不整合を発生する。
【００２５】
今、インタフェース・インピーダンス：Ｚ１＝50Ωで製造された半導体パッケージ１を、厚み1ｍｍのメタルキャリア４上に搭載した基板厚ｈ＝1ｍｍ，線路幅（＝接続タブ幅）ｗ＝1ｍｍ，比誘電率εｒ＝10の誘電体基板３に接続する場合を考える。上式（または図３参照）から誘電体基板３上の線路インピーダンス：Ｚ２＝49Ωとなり、半導体パッケージ１と誘電体基板３の接続は、高周波の伝送特性として理想的な50Ωに近い値でインピーダンス整合（Ｚ１≒Ｚ２）できることが判る。
【００２６】
しかし、現実には接続ギャップＸが存在し、高さ方向2ｍｍ（＝基板厚＋サブキャリア厚），比誘電率εｒ＝1により、ＧＮＤ接続タブ６が不在なら、接続ギャップＸ部の接続タブ線路インピーダンス：Ｚ３＝167Ωと大きく変化するので、接続ギャップＸを間に挟む半導体パッケージ１と誘電体基板３の接続はインピーダンス不整合（Ｚ１≠Ｚ３≠Ｚ２）を生じる。
【００２７】
上式からは高さ方向を減少させると特性インピーダンスが下がることが示されているため、伝送線路接続タブ５の下に、誘電体基板３の底面を基準とした伝送線路接続タブ５に平行なＧＮＤ接続タブ６を設けることで、接続ギャップＸのインピーダンス不整合の改善を図ったのである。
【００２８】
更に改善を行いたい場合は、伝送線路接続タブ５とＧＮＤ接続タブ６の間に誘電体を充填したり、上式や図３から判るとおり伝送線路接続タブ５の幅を広げることで、特性インピーダンスを下げる追加効果が得られ、より厳密にインピーダンス整合を行うことが可能である。この結果、インピーダンス整合のための調整スペースが不要となって基板の小型化（高周波回路の小型化）や、電気検査時の調整・検査時間の短縮等の効果が得られ易くなる。
【００２９】
特に、上式では、特性インピーダンスは伝送線路長に関係しないことが示されている。従来構造では接続ギャップＸの影響を小さくするため、接続ギャップＸをできるだけ小さくする等の処置を施していたが、本発明の構造を採用すれば、コントロールし難い０コンマ数ｍｍのギャップ寸法を吸収するために、予め数ｍｍ程度の接続ギャップＸを開けてもインピーダンス整合をとり易くなり、接続ギャップＸの長さ・クリアランス（設計公差や設計マージン）を重要視する必要がなくなり、機械設計を行う上で自由度が増すという効果もある。
［他の実施例］
【００３０】
次に、本発明の他の実施例を以下に示す。その原理的構成は実施例１のとおりであるが、ここで示す例では各デバイスの接続部の高さ方向に影響を受けない構造が可能である。
【００３１】
即ち、半導体パッケージ１と誘電体基板３の接続構造を例にすると、図４に断面を示すようなフラットな機器フレーム10に高周波デバイスを取り付けて伝送線路接続タブ５面を水平平面に保てない場合、伝送線路接続タブ５と同じ角度で傾斜したＧＮＤ接続タブ６を設けない場合には、接続ギャップＸ部では高さ方向が一定でないためにインピーダンスが徐々に変化するという状態が発生して、インピーダンス整合をより困難にしていた。
【００３２】
このような状況を避けるためには、多くの場合は機器フレーム10側を掘り下げる(又は嵩増しする)等の処置を施して伝送線路接続タブ５の取付け面の高さを同じになるようにしていたが、デバイス数が多くなるほど機器フレーム10の製造費が嵩み、また設計自体を困難にしていた。
【００３３】
これに対し本発明の新構造では、図４に断面を示すように、伝送線路接続タブ５の下のＧＮＤ接続タブ６を伝送線路接続タブ５と同じ角度で傾斜させ、これによって伝送線路接続タブ５とＧＮＤ接続タブ６の間隔を同じに保つ。この結果、接続ギャップＸ部における高さをコントロールできて定インピーダンスを与えることができるため、デバイスインタフェースの接続ギャップＸ部のみならず、伝送線路接続タブ５の取付面の高さにも影響を受けない構造が可能となる。
【００３４】
また、図５はより生産性を高めた接続構造例の斜視図である。この例は、主に切削性の良い誘電体基板（例えばテフロン（登録商標）、ガラエポ）での生産性を高めるために、誘電体基板３の一部を下方に切り欠いたものである。このように、ＧＮＤ接続タブ６の接続箇所を切り欠くことで、製造時の位置出しや接続作業（ハンダ付け、接着）、確認作業（目視検査）の利便性を上げることが可能である。
【００３５】
図６は、主にあまり切削性の良くない誘電体基板（アルミナセラミック等）の生産性を高めるために、ＧＮＤ接続タブ６の接続箇所のメタルキャリア４を一部突出（図６では１辺ごと突出）させたものである。この構造によっても、図５に示した例と同様に、製造時の接続作業（ハンダ付け、接着）、確認作業（目視検査）の利便性を上げることが可能である。
【００３６】
図７は誘電体基板同士の接続構造例を断面図で示したもので、各々の誘電体基板でＧＮＤタブ取付部Ｙを持ち、インタフェースは伝送線路接続タブ５、ＧＮＤ接続タブ６で接続される。図７では誘電体基板３，７は素材が異なる（比誘電率εrが異なる）等の理由で基板厚が異なり、これらを搭載するメタルキャリア４，８の厚みで高さ方向を合せているものとして図示してある。この場合、ＧＮＤ接続タブ６の取付面に差が出るため、接続ギャップＸ部で定インピーダンスを与えられるように、ＧＮＤ接続タブ６は予め形成治具等で段差を解消する処置を施したものを使用する。
【００３７】
なお、この新構造は、パッシブデバイス同士の接続でも、図４に示したように伝送線路接続タブ５の取付面の高さに差がある構造に対しても可能であるし、図５や図６に示したような生産性を高めた構造に対しても併用可能である。
【００３８】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００３９】
（付記１）高周波帯域で動作する電子部品が搭載された半導体パッケージと該半導体パッケージの入出力端子における高周波信号を伝達する高周波回路パターンが表面に形成された誘電体基板との間、または前記誘電体基板同士の間を接続する高周波モジュール接続構造であって、前記入出力端子と前記高周波回路パターンの間または前記高周波回路パターン同士の間を橋絡接続する一定幅の伝送線路接続タブと、前記伝送線路接続タブとの間隔を一定に保持して前記高周波信号のリターン側を接続する前記伝送線路接続タブと一対のＧＮＤ接続タブとから成り、前記橋絡接続部分と前記高周波回路パターンとで特性インピーダンスの均一化を図ったことを特徴とする高周波モジュール接続構造。
【００４０】
前記伝送線路接続タブの幅、前記ＧＮＤ接続タブの幅および前記間隔を前記特性インピーダンスの均一化のために選定することを特徴とする請求項２に記載の高周波モジュール接続構造。
【００４１】
（付記２）前記伝送線路接続タブの幅、前記ＧＮＤ接続タブの幅および前記間隔を前記特性インピーダンスの均一化のために選定することを特徴とする付記１に記載の高周波モジュール接続構造。
【００４２】
（付記３）前記伝送線路接続タブと前記ＧＮＤ接続タブの間に前記特性インピーダンスを実現するための比誘電率を有する誘電体を充填することを特徴とする付記１または２に記載の高周波モジュール接続構造。
【００４３】
（付記４）切削性の良い前記誘電体基板に対しては前記ＧＮＤ接続タブの接続箇所となる縁部を一部除去して前記誘電体基板を配置させることを特徴とする付記１ないし３に記載の高周波モジュール接続構造。
【００４４】
（付記５）切削性の悪い前記誘電体基板に対しては該誘電体基板の補強用メタルキャリアを前記ＧＮＤ接続タブの接続箇所となる縁部から一部突出させて前記誘電体基板を配置させることを特徴とする付記１ないし３に記載の高周波モジュール接続構造。
【００４５】
（付記６）前記入出力端子と前記高周波回路パターンの間または前記高周波回路パターン同士の間で高さが異なる場合には前記ＧＮＤ接続タブを一方の接続縁で折り曲げて段差を設けることにより調整することを特徴とする付記１ないし５に記載の高周波モジュール接続構造。
【００４６】
（付記７）
前記伝送線路接続タブに代わって伝送線路接続リボン、および前記ＧＮＤ接続タブに代わってＧＮＤ接続リボンを用いることを特徴とする付記１ないし６に記載の高周波モジュール接続構造。
【符号の説明】
【００４７】
１    半導体パッケージ
２    パッケージキャリア
３    誘電体基板
４    メタルキャリア
５    伝送線路接続タブ
６    ＧＮＤ接続タブ
７    誘電体基板
８    メタルキャリア
10    機器フレーム
Ｘ    接続ギャップ
Ｙ    ＧＮＤタブ取付部
εr   比誘電率
3a    高周波回路パターン
7a    高周波回路パターン
【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】
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【図８】
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【図９】
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