JP3554193B2 - High frequency wiring board and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
【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回路素子を搭載した高周波用配線基板に関し、特に、高周波信号の特性を劣化させることなく半導体素子や回路部品に信号を伝送することができる高周波用配線基板およびその製造方法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配線基板の典型的な応用例である高周波用パッケージは、例えば、誘電体から成る誘電体基板と蓋体により形成された空所に前記高周波素子を収納して気密に封止した構造からなる。
【0003】
このような構造からなる高周波用パッケージの高周波信号の入出力は、通常、高周波素子と電気的に接続されたストリップ線路等の信号伝送線路を蓋体における枠体を通して空所の内側から外側に引き出し、これをさらに誘電体基板の側面を経由して底面に配設し、該高周波用パッケージの接続端子と外部回路基板の配線層を半田等の接着剤を介して接続していた。また、その他の例として、高周波用パッケージの誘電体基板の底面に接続端子を形成し、この接続端子と高周波素子とをスルーホールを介して接続した高周波用パッケージが提案されている。
【0004】
また、配線基板の表面に薄膜形成法によって配線層やグランド層等の導体層を形成することにより、微細配線化する方法も知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記の構成からなる高周波用配線基板をミリ波帯で用いた場合、ストリップ線路等の信号伝送線路を枠体を通して空所の内側から外側に引き出す際、枠体通過部でインピーダンス整合をとる必要があるため、信号線路幅を狭くする必要がある。その結果、この通過部で反射損、放射損が発生し高周波信号の伝送特性が劣化がするという問題がある。また、スルーホールを誘電体基板の底面に形成して信号線路として用いると、40GHz以上で急激な特性の劣化が生じるため、高周波領域で使用することが困難であった。
【0006】
そこで本発明者等は、高周波用の配線基板として、電磁結合の機構を組み込み、低損失で信号線路を伝送することができる配線基板を提案した(特開平9−186268号)。
【0007】
しかしながら、該高周波用配線基板の製造方法については、前記誘電体基板に内装されるグランド層、配線層、ビアホール等および該誘電体基板表面に形成される高周波用配線層、低周波信号伝送用配線層およびグランド層等の導体層はすべて、誘電体シートに導電性ペーストにて導体層を印刷した後、該誘電体層を積層し誘電体シートとの同時焼成により形成していた。
【0008】
上記方法により高周波用配線層を形成した場合、焼成を導体層の溶融温度以下で行う必要があるために、誘電体基板として使用可能な誘電体材料が低温で焼成できるものに限られていた。また、誘電体シートと導電性ペーストとの同時焼成温度が850℃以上の高温で行われるために、誘電体シートと導電性ペーストとの界面で互いに原子の拡散が生じ、かつ界面の平滑性が損なわれるため、誘電体基板が変色したり、導体層の表面抵抗が高くなり高周波信号の伝送特性が著しく低下するという問題があった。さらに、配線層の端部にダレを生じるため誘電損失が大きくなったり、寸法精度が悪くなり電磁結合による信号のバラツキが生じるという問題があった。
【0009】
したがって、本発明は、高周波伝送線路における伝送損失が小さくでき、かつ簡略した構造からなる小型化可能な高信頼性の高周波用配線基板とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、電磁結合により信号を伝送する構造を有する高周波用配線基板において、低損失化をもたらす構造について検討を重ねた結果、誘電体基板の内部に形成されるグランド層を該誘電体層との同時焼成により形成し、かつ誘電体基板の表面に形成される中心導体を薄膜形成法によって形成し、前記中心導体と前記グランド層間の電磁気的な結合によって高周波信号を伝送する線路を形成し、この線路を用いて先に提案した電磁結合構造のパッケージに採用することによって、高周波伝送線路における高周波信号の伝送損失が小さくできることを見出し、本発明に至った。
【0011】
すなわち、本発明の高周波用配線基板は、複数の誘電体層を積層してなるセラミック誘電体基板と、少なくとも該誘電体基板の一方の表面に設けられた中心導体と前記誘電体基板の内部に設けられたグランド層との電磁気的な結合によって高周波信号を伝送するマイクロストリップ線路またはグランド付きコプレーナ線路からなる高周波用伝送線路と、を具備する高周波用配線基板において、前記グランド層が前記誘電体基板との同時焼成により形成され、前記中心導体が薄膜形成法によって形成されてなることを特徴とするものである。
【0012】
ここで、前記薄膜形成法が、蒸着、スパッタリング、CVD、イオンプレーティング、レーザーアブレーション等の気相法またはメッキ法であることが望ましい。
【0013】
さらに、前記誘電体基板においては、薄膜形成法によって形成される前記中心導体形成面の表面粗さ(Ra)が0.5μm以下、また、該中心導体の前記誘電体基板接着面の界面導電率σが12GHzにおいて3.5×107 Ω−1・m−1以上、厚みが50μm以下であることが望ましい。
【0014】
また、前記誘電体基板が、アルミナ含有量を98%以上としたアルミナ質セラミックス、ムライト質セラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、窒化珪素セラミックス、炭化珪素セラミックスおよびガラスセラミックスから選ばれる少なくとも1種よりなることが望ましい。
【0016】
また、本発明の高周波用配線基板の具体的な例としては、複数の誘電体層からなる誘電体基板と、該誘電体基板の一方の表面に実装された高周波素子と、前記誘電体基板の表面に形成され一方の端部が前記高周波素子と電気的に接続された第1中心導体と誘電体基板内部に設けられたグランド層によって形成された第1の高周波伝送線路と、前記誘電体基板の他方の表面に形成された第2の中心導体と前記誘電体基板内部に設けられた前記グランド層によって形成された第2の高周波伝送線路とを備え、前記第1の高周波伝送線路と、前記第2の高周波伝送線路とを電磁気的に結合してなる構造であることを特徴とするものである。
【0017】
さらに、本発明の高周波用配線基板の製造方法は、少なくとも1層の誘電体シート表面に、導電性ペーストをグランド層パターンに塗布する工程と、前記グランド層パターンが形成された前記誘電体シートの表面に、他の誘電体シートを積層する工程と、該積層物を同時焼成して内部にグランド層を具備する誘電体基板を形成する工程と、該誘電体基板表面に薄膜形成法により中心導体を形成する工程と、を具備することを特徴とするものである。
【0018】
【作用】
本発明によれば、中心導体とグランド層とを具備するマイクロストリップ等の線路において、線路の伝送特性を向上させるためには、中心導体の誘電体基板接着面の界面抵抗を小さくするとともに導体の側端部の精度が高いことが重要である。 本発明は、かかる観点から、中心導体の誘電体基板接着面の界面抵抗を小さく、側端部の精度を高めるには、中心導体を薄膜形成法によって形成することが有効であることを見出した。
【0019】
すなわち、伝送線路となる中心導体を薄膜形成法により作製すると、50〜200℃程度の低温で形成できるために、前述した同時焼成に見られるような誘電体基板と伝送線路との界面での原子拡散および界面の荒れがなく、導体層の伝送特性に特に影響を与える中心導体の誘電体基板との界面抵抗の上昇や誘電体基板の変色を防止することができ、高周波信号の伝送特性を低下を抑制できる。
【0020】
また、誘電体基板と中心導体とを別々に形成することから、誘電体基板の焼成温度が中心導体の溶融する温度以上であってもよく、これにより誘電体基板の材質によらず中心導体として伝送特性に最適な導体を選択することができる。
【0021】
さらに、薄膜形成法によれば、中心導体の側端部へのダレの発生がほとんどないため誘電損失が低減でき、寸法精度を高くできるので電磁結合による信号が精度よく、効率よく伝送でき、誘電体表面において微細配線化が可能である。
【0022】
本発明の配線基板によれば、誘電体基板の表裏に形成された第1、第2の高周波伝送線路をグランド層に設けたスロット孔を介して電磁結合させるため、伝送線路が誘電体からなる壁体内を通過したり、スルーホール導体等を経由することがないために、高周波信号が線路内を通過する際に生じる反射損や放射損の発生を極力抑制することができ、低伝送損失で且つ小型化が可能な半導体装置を提供することができる。しかも、線路における中心導体を薄膜形成法によって形成することにより、前述の優れた作用効果によって、第1、第2の高周波伝送線路間で良好な信号の伝達が可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明における高周波用配線基板の典型的応用例である高周波用半導体パッケージ構造の例を概略断面図を図1に示した。
図1によれば、高周波用半導体パッケージ1は、セラミック誘電体材料からなる誘電体基板2と蓋体3によりキャビティ4が形成されており、そのキャビティ4内には、MMIC、MIC等の高周波素子5が搭載されている。
【0024】
本発明によれば、上記の半導体装置のキャビティ4内のセラミック誘電体基板2の表面に高周波素子5と電気的に接続された第1の中心導体6が形成されており、また、前記誘電体基板2の他方の表面には第2の中心導体7が形成されている。
【0025】
一方、誘電体基板2内部にはグランド層8が、セラミック誘電体基板2との同時焼成によりほぼ全面にわたり形成されており、前記第1の中心導体6、第2の中導体7は、いずれも中心導体とグランド層との電磁気的な結合によって高周波信号を伝送する、マイクロストリップ線路を形成している。なお、この中心導体6、7の両側に一対のグランド層を設けて、グランド付きコプレーナ線路を形成してもよい。
【0026】
また、グランド層8には、スロット孔9が形成されており、第1の中心導体6と第2の中心導体7とは、このスロット孔9を介して、各中心導体6、7の終端部が図1に示すような配置で対峙するように形成することにより、第1の中心導体6と第2の中心導体7とは電磁結合され、第1の中心導体6と第2の中心導体間で損失の小さい信号の伝達が行われる。
【0027】
より具体的には、このスロット孔9を介した中心導体6、7は、スロット孔9を挟んで必要な周波数伝送信号の1/2波長で平面的にみて重なる対峙位置に形成されることが望ましく、スロット孔9の形状は、長辺と短辺とからなる長方形の孔であり、そのサイズは、使用周波数や周波数の帯域幅により適宜設定される。特に、スロット孔の長辺は信号周波数の1/2波長相当長さにするのが望ましく、スロット孔の短辺は1/5波長相当長さから1/50波長相当長さに設定することが望ましい。
【0028】
本発明によれば、これら第1および第2の中心導体6,7は、いずれも蒸着、スパッタリング、CVD、イオンプレーティング、レーザーアブレーション等の気相法またはメッキ法などの薄膜形成法により形成されていることが大きな特徴であって、この中心導体を薄膜形成法によって形成することにより、セラミック誘電体基板2との界面における導電率を向上せしめるとともに、精度の高い側端面を形成することができるために、中心導体6、7とグランド層8によって形成されるマイクロトスリップ線路、またはグランド付きコプレーナ線路としての伝送特性を高めることができるとともに、第1中心導体6と第2中心導体7を具備する各線路間の電磁結合性を高めることができる。
【0029】
この中心導体6、7の厚みは0.5〜50μm、特に0.5〜25μm、さらには0.5〜10μmであることが望ましい。これは、0.5μmよりも薄いと導体抵抗が高くなるため中心導体内での伝送損失が増大し、また50μmよりも厚いと中心導体の側端面にダレが生じ、誘電損失が大きくなったり、側端部に荒れが生じ寸法精度が悪くなるため、電磁結合による信号のバラツキが生じたり、またコスト高を招くためである。
【0030】
また、上記の中心導体6、7を具備する線路の信号伝送特性および電磁結合性を向上させる上で、第1の中心導体6および第2の中心導体7の誘電体基板2との界面導電率σが3.5×107 Ω−1・m−1以上、特に4.0×107 Ω−1・m−1以上であることが望ましい。
【0031】
上記の誘電体基板2との界面導電率σを上記に範囲に制御するためには、中心導体6,7を薄膜形成法によって形成する際の誘電体基板2の表面粗さ(Ra)が0.5μm以下、特に0.3μm以下、さらには0.2μm以下であることが望ましい。このように、中心導体形成面の表面粗さ(Ra)を上記の範囲とすることにより、中心導体における誘電体基板との界面における導電率を向上させることができるとともに側端部の精度が向上し、中心導体を有するマイクロストリップ線路やコプレーナ線路における信号の伝送損失が低減される。その結果、かかる構成の高周波伝送線路を、前述した電磁結合構造を有する高周波用パッケージに対して適用することにより、第1の中心導体および第2の中心導体間において、伝送損失の小さい優れた伝送特性が得られる。
【0032】
また、上記の界面導電率を高め、高周波信号の伝送損失を小さくするという観点から、第1の中心導体6、第2の中心導体7は、導体としてCu、Ag、Au等の低抵抗導体を用いることが望ましい。
【0033】
この時、誘電体基板2との密着性を高めるために、Ta、Ti、Ni、Cr、Pd等金属の化合物からなる緩衝膜を誘電体基板側に形成することもできる。また、Cuを配線層として用いる場合は、酸化防止のため配線層の表面にAu等のメッキを施すことが望ましい。
【0034】
本発明の配線基板において、誘電体基板2を構成する誘電体材料としてはアルミナ含有量を98%以上としたアルミナ質セラミックス、ムライト質セラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、窒化珪素セラミックス、炭化珪素セラミックスおよびガラスセラミックス等の高周波領域においても誘電損失が小さい材質が望ましい。特に、誘電体基板表面の焼き上げ時の表面平滑性に優れる点において、ガラスセラミックス、高純度アルミナ質セラミックスが好適に使用される。特に、アルミナ質セラミックスについては、10GHzでの誘電損失(tanδ)がアルミナ含有量を90%程度では10×10−4、アルミナ含有量が98%以上では5×10−4、アルミナ含有量が99%以上になると3×10−4以下となることから、特に、アルミナ含有量が99%以上の高純度アルミナ質セラミックスを用いることが望ましい。
【0035】
グランド層8は、誘電体基板2と同時焼成して形成されるために、Ag、Cu、Au等の低抵抗導体、またはW、Mo等の通常導体として用いられる金属群から、誘電体基板2の材質に合わせて同時焼成が可能な金属が用いられる。
【0036】
また、蓋体3は、キャビティ4からの電磁波が外部に漏洩したり、電磁波が外部にもれるのを防止できる導電材料から構成され、金属、導電性セラミックス、セラミック金属複合材料等が使用できるが、絶縁基体の表面に導電性物質を塗布したものであってもよいが、コストの点から考慮すれば金属であるのがよい。
【0037】
なお、本発明の高周波用配線基板1においては、誘電体基板2の表面に第1、2の中心導体6、7を一対として、例えば、高周波素子5への入力線路、出力線路以外に複数対形成されてもよい。また、誘電体基板2の表面あるいは内部にグランド層、キャパシタ、抵抗体、インダクタ等、および低周波用伝送線路等が、同時焼成や厚膜形成法により形成されてもよい。また、誘電体基板2の内部においては、グランド層8以外にもビアホールおよび低周波用伝送線路等が同時焼成によって形成されてもよい。但し、誘電体基板表面に形成されるキャパシタ、抵抗体、インダクタ、低周波用伝送線路、グランド層等は、前記中心導体とともに薄膜形成法によって形成することが望ましい。
【0038】
さらに、誘電体基板2の底面に形成された前記第2の高周波伝送線路の端部を他の高周波素子と接続された他の第1の中心導体と電磁結合等によって接続させるなどして、複数の高周波素子を具備するモジュール基板を形成することも可能である。
【0039】
また、図1に示した高周波素子5が誘電体基板2と蓋体3によって形成されるキャビティ4内に気密に封止された構造の高周波用配線基板1以外にも、蓋体を用いる代わりに、誘電体基板2の表面において高周波素子5をエポキシ樹脂等の樹脂によって樹脂封止してもよい。
【0040】
また、誘電体基板2表面の蓋体3との界面にグランド層10を形成し、ビアホール導体11を介してグランド層8と電気的に接続することにより、高周波素子5および第1の中心導体6は外部から電磁的に遮蔽され、外部電磁波の影響による誤動作および隣接する回路への悪影響を防止することができ高周波配線基板の信頼性を高めることができる。
【0041】
高周波素子5は、中心導体6の上に半田や金バンプ等により直接載置されることにより、伝送損失なく接続することができるが、これに限られるものではなく、例えば、金リボンや数本のワイヤボンディングにより接続したり、ポリイミド等の基板にCu等の導体を形成した導体板等により接続したり、フリップチップ実装することもできる。
【0042】
次に、本発明の高周波用配線基板を製造する方法について説明する。
(1)誘電体基板2を構成する物質の原料を混合し、有機バインダを添加した後、シート状に成形して誘電体シートを作製する。
【0043】
(2)少なくとも1層の(1)の表面に、グランド層8を構成する金属を含有する導体ペーストをスロット孔を有するグランド層パターンにスクリーン印刷法等により印刷し、必要な場合は前記誘電体シートの所定箇所にスルーホールを形成して前記導体ペーストを充填する。
【0044】
(3)(2)のシートの表面に(1)の誘電体シートを積層し、圧着する。この時、(2)のシートが複数ある場合は、位置合わせしながらシートを積層する。
(4)(3)の積層体を焼成する。
【0045】
(5)(4)によって得られたセラミック基板の両面に薄膜形成法により厚み0.5〜50μmの中心導体6、7の配線パターンを形成する。薄膜形成法としては、誘電体基板2の表面にマスクを用いて蒸着、スパッタリング、CVD、イオンプレーティング、レーザーアブレーション等の気相法により配線パターンを形成する方法、誘電体基板2の表面にメッキ等により導体膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により配線パターン化する方法およびメッキ等により他の膜上に金属箔を作製し、フォトリソグラフィ法によりパターン化した配線を誘電体基板2の表面に転写する方法等が望ましい。
【0046】
この薄膜形成時、セラミック基板の表面粗さ(Ra)が、0.5μm以下であることが望ましいが、そのような表面粗さを達成するために、得られたセラミック基板の表面を鏡面研磨するか、または鏡面研磨することなく、スムースな焼き上げ面を形成し得るセラミック基板材料を選択する。
【0047】
なお、中心導体6、7およびグランド層8以外の低周波信号伝送線路やグランド層および抵抗体、キャパシタ、インダクタ等の導体層については、工程の簡便さの点から、誘電体基板2の表面に形成される導体層を薄膜形成法にて、誘電体基板2の内部に形成される導体層を誘電体基板2との同時焼成により形成されることが望ましい。
【0048】
【実施例】
実施例1 (1)ほう珪酸ガラス75重量%およびアルミナ粉末25重量%を含有する原料を混合し、有機バインダを添加した後、シート状に成形してグリーンシートを作製した。
【0049】
(2)(1)の表面にCuペーストをスロット孔を有するグランド層8のパターンに印刷した。
【0050】
(3)(2)のシートの表面に(1)の誘電体シートを積層し、圧着した。
【0051】
(4)(3)の積層体を窒素雰囲気中、920℃で焼成した。得られたセラミック基板の表面粗さ(Ra)は0.78μmであった。
【0052】
(5)(4)のセラミック基板の両面を適宜鏡面加工して表1の平均表面粗さ(Ra)を有するセラミック基板を作製した後、スパッタ法により、NiCrが0.05μm、Cuにて厚さ2.3μmの中心導体6、7の配線パターンを形成しさらにその表面に金メッキを施した(中心導体の全体厚み3μm)。
【0053】
上記の方法に従い、全長50mmで電磁結合部を2個含む高周波用配線基板を作製し、線路端部の伝送特性(測定周波数10GHz)をネットワークアナライザで測定した。結果は、表1に示す。
【0054】
また、比較のため、中心導体6、7を銅ペーストを塗布後、ガラスセラミックスとの同時焼成によって形成した。なお、中心導体の厚さが15μmとした。そして、上記と同様にして、伝送特性を測定し、結果を表1に示した。
【0055】
また、誘電体基板の全面に上記と全く同様の薄膜形成法によって、中心導体と同じ厚みの導体層を形成し、この導体層と誘電体基板との界面導電率を測定した。この界面導電率の測定は、以下に示す誘電体円柱共振器法にて測定した。
【0056】
この誘電体円柱共振器法は、比誘電率、誘電正接が既知の誘電体材料からなる誘電体円柱の両端面または一方の端面に、金属層が被着された誘電体基板を所定の関係になるように取り付けて誘電体共振器を形成することにより、金属層と誘電体基板との界面、すなわち金属層界面での導電率を測定する方法である。
【0057】
この測定方法の原理は、所定の寸法比(高さt/直径d)を有する誘電体円柱の両端面に、縁端効果が無視できる程度に充分大きな導体板(通常は、誘電体円柱の直径dの3倍程度の直径Dを有する導体板)を平行に設けて挟持した電磁界共振器を構成した場合、TEomn 共振モードによって導体板に流れる高周波電流は短絡面、即ち、誘電体と導体との界面だけに分布していることによるものである。
【0058】
より具体的には、図2に示すように、表面に導体層21が形成された誘電体基板22を、所定の寸法比(高さt/直径d)を有する誘電体円柱23の端面に、前記配線基板の誘電体基板22が誘電体円柱23の端面と接触するようにして、両端から挟持して誘電体共振器20を構成する。
【0059】
誘電体共振器20においては、TEomn モード(m=1,2,3・・・、n=1,2,3,・・・)によって導体層21に流れる高周波電流は、導体層21と誘電体基板22の界面だけに分布することを利用して、測定されたTEomn モード(m=1,2,3・・・、n=1,2,3,・・・)の共振周波数f0 と無負荷Q、Quから下記数1の(1) 式によって界面導電率σint を算出することができる。
【0060】
【数1】
【0061】
但し、A,B1 、B2 は下記数2の(2)(3)(4)式により計算する。
【0062】
【数2】
【0063】
ここで、(1)式のtanδ1 とtanδ2 はそれぞれ誘電体円柱23と誘電体基板22の誘電正接、μは導体層21の透磁率、ωは2πf0 、∬|H|2 dSは上下の金属層界面での磁界の積分、We は共振器の電界エネルギー、Wd1 e とWd2 e は誘電体円柱23内と誘電体基板22内の電界エネルギーである。
【0064】
なお、We 、Wd1 e 、Wd2 e の計算に必要な誘電体円柱23と誘電体基板22の比誘電率ε’1、ε’2やtanδ1 とtanδ2 は前記文献1に開示された誘電体円柱共振器法や、小林、佐藤らの「信学技法MW87−7」(1987年)に開示された空洞共振器法によって測定する。
【0065】
なお、図2の誘電体円柱23としてC軸に垂直な端面を持つサファイア(直径d=10.000mm、高さt=5.004mm)を使用した。この測定結果を中心導体の誘電体基板接着面の界面導電率として表1に示した。
【0066】
実施例2
誘電体基板として、アルミナを93重量%、または99.5重量%、残部がSiO2 、CaO,MgOの助剤成分からなる混合粉末をシート状に成形し、その表面にタングステンペーストを用いてスロット孔を有するグランド層のパターンに印刷塗布し、その表面にグリーンシートを積層一体化した後、これを1650℃にて焼成して、グランド層を有するセラミック基板を作製した。
【0067】
そして、このセラミック基板に対して、適宜鏡面研磨した後、実施例1と全く同様にして誘電体基板の表裏に中心導体を形成し、全長50mmで電磁結合部を2個含む伝送特性評価用の高周波用配線基板を作製し、実施例1と同様にして、10GHzにおける伝送特性および12GHzにおける中心導体の誘電体基板との界面導電率を測定した。結果は、表1に示した。
【0068】
【表1】
【0069】
表1に示すように、中心導体を誘電体基板と同時焼成によって形成した場合、界面導電率は3.1×107 Ω−1m−1と低く、伝送特性も低いものであったが、本発明に従い、中心導体を薄膜形成法によって形成することにより、界面導電率は3.7×107 Ω−1m−1以上となった。特に、表面粗さ(Ra)が0.5μm以下の誘電体基板表面に薄膜形成法によって形成すると、σは4.0×107 Ω−1m−1と非常に高くなり、それと同時に、伝送特性も大きく向上した。
【0070】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の高周波用配線基板は、誘電体基板の内部に形成されるグランド層を誘電体層との同時焼成により形成し、かつ誘電体基板の表面の中心導体を薄膜形成法によって形成することにより、前記中心導体の誘電体基板接着面の界面導電率を小さくでき、線路としての伝送損失を小さくできる。従って、この中心導体とグランド層を具備する線路を電磁結合構造を具備するパッケージに適用することにより、パッケージにおける高周波信号の伝送損失をさらに小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高周波用配線基板の一例を示す概略断面図である。
【図2】本発明の高周波用配線基板における導体層の界面導電率測定に用いられる誘電体共振器の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
1 高周波用配線基板
2 誘電体基板
3 蓋体
4 キャビティ
5 高周波素子
6 第1の中心導体
7 第2の中心導体
8、10 グランド層
9 スロット孔
11 ビアホール導体
20 誘電体共振器
21 導体層
22 誘電体基板
23 誘電体円柱[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-frequency wiring board on which a high-frequency circuit element in a microwave band to a millimeter-wave band is mounted. And a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a high-frequency package, which is a typical application example of a high-frequency wiring board that handles microwave or millimeter-wave signals, includes, for example, a high-frequency element in a space formed by a dielectric substrate and a lid made of a dielectric. Is housed and hermetically sealed.
[0003]
For the input and output of high-frequency signals of the high-frequency package having such a structure, usually, a signal transmission line such as a strip line electrically connected to the high-frequency element is pulled out from the inside of the space to the outside through a frame in the lid. This is further disposed on the bottom surface via the side surface of the dielectric substrate, and the connection terminal of the high-frequency package and the wiring layer of the external circuit substrate are connected via an adhesive such as solder. As another example, a high-frequency package in which connection terminals are formed on the bottom surface of a dielectric substrate of a high-frequency package and the connection terminals and the high-frequency element are connected through through holes has been proposed.
[0004]
There is also known a method of forming fine wiring by forming a conductor layer such as a wiring layer and a ground layer on a surface of a wiring board by a thin film forming method.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When the high-frequency wiring board having the above-described configuration is used in the millimeter wave band, when a signal transmission line such as a strip line is drawn from the inside of the space to the outside through the frame, it is necessary to take impedance matching in the frame passing portion. Therefore, it is necessary to narrow the signal line width. As a result, there is a problem that reflection loss and radiation loss occur in the passing portion and the transmission characteristics of the high-frequency signal deteriorate. In addition, if a through hole is formed on the bottom surface of a dielectric substrate and used as a signal line, the characteristics are sharply degraded at 40 GHz or higher, so that it has been difficult to use it in a high frequency region.
[0006]
Therefore, the present inventors have proposed a wiring board which incorporates an electromagnetic coupling mechanism as a high-frequency wiring board and can transmit a signal line with low loss (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-186268).
[0007]
However, the method for manufacturing the high-frequency wiring board includes a ground layer, a wiring layer, a via hole, etc., which are provided in the dielectric substrate, a high-frequency wiring layer formed on the surface of the dielectric substrate, and a low-frequency signal transmission wiring. All of the conductor layers such as the layer and the ground layer are formed by printing a conductor layer on a dielectric sheet with a conductive paste, laminating the dielectric layers, and co-firing with the dielectric sheet.
[0008]
When the high-frequency wiring layer is formed by the above method, the firing must be performed at a temperature lower than the melting temperature of the conductor layer. Therefore, dielectric materials usable as the dielectric substrate are limited to those that can be fired at a low temperature. Further, since the simultaneous firing temperature of the dielectric sheet and the conductive paste is performed at a high temperature of 850 ° C. or more, diffusion of atoms occurs at the interface between the dielectric sheet and the conductive paste, and the smoothness of the interface is reduced. Since the dielectric substrate is damaged, there is a problem in that the dielectric substrate is discolored, the surface resistance of the conductor layer is increased, and the transmission characteristics of high-frequency signals are significantly reduced. Furthermore, sagging occurs at the end of the wiring layer, resulting in an increase in dielectric loss, a decrease in dimensional accuracy, and a variation in signals due to electromagnetic coupling.
[0009]
Therefore, an object of the present invention is to provide a high-reliability high-frequency wiring board which can reduce transmission loss in a high-frequency transmission line and has a simple structure and which can be miniaturized, and a method for manufacturing the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have repeatedly studied a structure for reducing the loss in a high-frequency wiring board having a structure for transmitting signals by electromagnetic coupling, and as a result, have found that a ground layer formed inside a dielectric substrate is A central conductor formed on the surface of the dielectric substrate by simultaneous firing with a layer and a thin film forming method, and a line for transmitting a high-frequency signal is formed by electromagnetic coupling between the central conductor and the ground layer. However, the present inventors have found that the transmission loss of a high-frequency signal in a high-frequency transmission line can be reduced by employing this line in a package having an electromagnetic coupling structure previously proposed, and have accomplished the present invention.
[0011]
That is, the high-frequency wiring board of the present invention includes a ceramic dielectric substrate formed by laminating a plurality of dielectric layers, a center conductor provided on at least one surface of the dielectric substrate, and Transmits high-frequency signals by electromagnetic coupling with the provided ground layerConsists of microstrip line or coplanar line with groundAnd a high-frequency transmission line, wherein the ground layer is formed by simultaneous firing with the dielectric substrate, and the center conductor is formed by a thin film forming method. is there.
[0012]
Here, it is preferable that the thin film forming method is a vapor phase method such as vapor deposition, sputtering, CVD, ion plating, laser ablation, or a plating method.
[0013]
Further, in the dielectric substrate, the surface roughness (Ra) of the center conductor formation surface formed by the thin film formation method is 0.5 μm or less, and the interface conductivity of the center conductor to the dielectric substrate adhesion surface is 3.5 × 10 at 12 GHz7Ω-1・ M-1As described above, the thickness is desirably 50 μm or less.
[0014]
Further, it is desirable that the dielectric substrate is made of at least one selected from alumina ceramics, mullite ceramics, aluminum nitride ceramics, silicon nitride ceramics, silicon carbide ceramics and glass ceramics having an alumina content of 98% or more. .
[0016]
Further, as a specific example of the high-frequency wiring board of the present invention, a dielectric substrate composed of a plurality of dielectric layers, a high-frequency element mounted on one surface of the dielectric substrate, A first high-frequency transmission line formed by a first center conductor formed on the surface and having one end electrically connected to the high-frequency element, and a ground layer provided inside the dielectric substrate; and the dielectric substrate And a second high-frequency transmission line formed by the ground layer provided inside the dielectric substrate, wherein the second high-frequency transmission line is formed by the ground layer provided inside the dielectric substrate. It is characterized in that it has a structure that is electromagnetically coupled to a second high-frequency transmission line.
[0017]
Further, the method of manufacturing a high-frequency wiring board according to the present invention includes a step of applying a conductive paste to a ground layer pattern on at least one dielectric sheet surface; and a step of coating the dielectric sheet having the ground layer pattern formed thereon. A step of laminating another dielectric sheet on the surface, a step of simultaneously firing the laminate to form a dielectric substrate having a ground layer inside, and a step of forming a central conductor on the surface of the dielectric substrate by a thin film forming method. And a step of forming
[0018]
[Action]
According to the present invention, in a line such as a microstrip including a center conductor and a ground layer, in order to improve the transmission characteristics of the line, the interface resistance of the center conductor bonding surface of the dielectric substrate is reduced and the conductor It is important that the accuracy of the side edges is high. From this point of view, the present invention has found that it is effective to form the center conductor by a thin film forming method in order to reduce the interface resistance of the center conductor to the dielectric substrate bonding surface and increase the accuracy of the side end. .
[0019]
That is, when the central conductor to be the transmission line is formed by a thin film forming method, it can be formed at a low temperature of about 50 to 200 ° C. No diffusion and no roughening of the interface, preventing the increase in the interface resistance of the center conductor with the dielectric substrate and the discoloration of the dielectric substrate, which particularly affect the transmission characteristics of the conductor layer, and lowering the transmission characteristics of high-frequency signals. Can be suppressed.
[0020]
Also, since the dielectric substrate and the center conductor are formed separately, the firing temperature of the dielectric substrate may be equal to or higher than the melting temperature of the center conductor. It is possible to select a conductor that is optimal for the transmission characteristics.
[0021]
Furthermore, according to the thin film forming method, there is almost no sagging to the side end of the center conductor, so that dielectric loss can be reduced, and dimensional accuracy can be increased, so that signals due to electromagnetic coupling can be transmitted accurately and efficiently. Fine wiring is possible on the body surface.
[0022]
According to the wiring board of the present invention, since the first and second high-frequency transmission lines formed on the front and back of the dielectric substrate are electromagnetically coupled via the slot holes provided in the ground layer, the transmission line is made of a dielectric. Since it does not pass through the inside of a wall or pass through a through-hole conductor, it is possible to minimize reflection loss and radiation loss that occur when a high-frequency signal passes through the line, and to achieve low transmission loss. In addition, a semiconductor device that can be reduced in size can be provided. In addition, by forming the center conductor in the line by the thin film forming method, a good signal can be transmitted between the first and second high-frequency transmission lines due to the above-mentioned excellent operation and effect.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a high-frequency semiconductor package structure which is a typical application example of the high-frequency wiring board according to the present invention.
According to FIG. 1, a high-
[0024]
According to the present invention, the
[0025]
On the other hand, a
[0026]
Further, a slot hole 9 is formed in the
[0027]
More specifically, the
[0028]
According to the present invention, these first and
[0029]
The thickness of the
[0030]
In addition, in order to improve the signal transmission characteristics and electromagnetic coupling of the line having the above-mentioned
[0031]
In order to control the interface conductivity σ with the
[0032]
In addition, from the viewpoint of increasing the interface conductivity and reducing the transmission loss of a high-frequency signal, the
[0033]
At this time, a buffer film made of a metal compound such as Ta, Ti, Ni, Cr, or Pd may be formed on the dielectric substrate side in order to enhance the adhesion to the
[0034]
In the wiring board of the present invention, the dielectric material constituting the
[0035]
Since the
[0036]
The
[0037]
In the high-
[0038]
Further, the end of the second high-frequency transmission line formed on the bottom surface of the
[0039]
In addition to the high-
[0040]
In addition, a
[0041]
The high-frequency element 5 can be connected without transmission loss by being directly mounted on the
[0042]
Next, a method for manufacturing the high-frequency wiring board of the present invention will be described.
(1) A raw material of a substance constituting the
[0043]
(2) A conductor paste containing a metal constituting the
[0044]
(3) The dielectric sheet of (1) is laminated on the surface of the sheet of (2) and pressed. At this time, when there are a plurality of sheets (2), the sheets are stacked while being aligned.
(4) The laminate of (3) is fired.
[0045]
(5) Wiring patterns of the
[0046]
At the time of forming the thin film, it is desirable that the surface roughness (Ra) of the ceramic substrate is 0.5 μm or less. In order to achieve such surface roughness, the surface of the obtained ceramic substrate is mirror-polished. Alternatively, a ceramic substrate material that can form a smooth baked surface without mirror polishing is selected.
[0047]
The low-frequency signal transmission lines other than the
[0048]
【Example】
Example 1 (1) A raw material containing 75% by weight of borosilicate glass and 25% by weight of alumina powder was mixed, an organic binder was added, and then formed into a sheet to form a green sheet.
[0049]
(2) A Cu paste was printed on the surface of (1) in a pattern of the
[0050]
(3) The dielectric sheet of (1) was laminated on the surface of the sheet of (2) and pressed.
[0051]
(4) The laminate of (3) was fired at 920 ° C. in a nitrogen atmosphere. The surface roughness (Ra) of the obtained ceramic substrate was 0.78 μm.
[0052]
(5) A ceramic substrate having the average surface roughness (Ra) shown in Table 1 is prepared by appropriately mirror-finishing both surfaces of the ceramic substrate of (4), and then NiCr is 0.05 μm thick and made of Cu by sputtering. A wiring pattern of the
[0053]
According to the above-mentioned method, a high-frequency wiring board having a total length of 50 mm and including two electromagnetic coupling portions was manufactured, and the transmission characteristics (
[0054]
For comparison, the
[0055]
Further, a conductor layer having the same thickness as the center conductor was formed on the entire surface of the dielectric substrate by the same thin film forming method as described above, and the interface conductivity between this conductor layer and the dielectric substrate was measured. The interface conductivity was measured by the dielectric cylinder resonator method described below.
[0056]
In this dielectric cylinder resonator method, a dielectric substrate in which a metal layer is applied to both end surfaces or one end surface of a dielectric cylinder made of a dielectric material whose relative dielectric constant and dielectric loss tangent are known, has a predetermined relationship. This is a method of measuring the conductivity at the interface between the metal layer and the dielectric substrate, that is, at the metal layer interface, by forming a dielectric resonator by attaching the dielectric resonators as described above.
[0057]
The principle of this measuring method is that a conductor plate (usually, the diameter of the dielectric cylinder, which is sufficiently large so that the edge effect is negligible) is provided on both end surfaces of the dielectric cylinder having a predetermined dimensional ratio (height t / diameter d). When a conductor plate having a diameter D about three times as large as d is provided in parallel and sandwiched to form an electromagnetic field resonator, TEomnThis is because the high-frequency current flowing through the conductor plate in the resonance mode is distributed only on the short-circuit surface, that is, only at the interface between the dielectric and the conductor.
[0058]
More specifically, as shown in FIG. 2, a
[0059]
In the
[0060]
(Equation 1)
[0061]
However, A, B1, B2Is calculated by the following equations (2), (3) and (4).
[0062]
(Equation 2)
[0063]
Here, tan δ in equation (1)1And tan δ2Is the dielectric loss tangent between the
[0064]
Note that We, Wd1 e, Wd2 eDielectric constant ε ′ of the
[0065]
In addition, sapphire (diameter d = 10000 mm, height t = 5.004 mm) having an end surface perpendicular to the C axis was used as the
[0066]
Example 2
As a dielectric substrate, 93% by weight or 99.5% by weight of alumina, the remainder being SiO2, A mixed powder comprising auxiliary components of CaO and MgO was formed into a sheet, and the surface thereof was printed and coated with a tungsten paste on a pattern of a ground layer having slot holes, and a green sheet was integrally laminated on the surface. Thereafter, this was fired at 1650 ° C. to produce a ceramic substrate having a ground layer.
[0067]
Then, after appropriately mirror-polishing the ceramic substrate, center conductors are formed on the front and back surfaces of the dielectric substrate in exactly the same manner as in Example 1, and a total length of 50 mm is used for evaluating transmission characteristics including two electromagnetic coupling portions. A high-frequency wiring board was prepared, and the transmission characteristics at 10 GHz and the interface conductivity between the center conductor and the dielectric substrate at 12 GHz were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
[0068]
[Table 1]
[0069]
As shown in Table 1, when the center conductor was formed by simultaneous firing with the dielectric substrate, the interface conductivity was 3.1 × 107Ω-1m-1However, according to the present invention, by forming the center conductor by a thin film forming method, the interface conductivity is 3.7 × 107Ω-1m-1That's all. In particular, when formed on the surface of a dielectric substrate having a surface roughness (Ra) of 0.5 μm or less by a thin film forming method, σ becomes 4.0 × 107Ω-1m-1And the transmission characteristics were greatly improved.
[0070]
【The invention's effect】
As described in detail above, the high-frequency wiring board of the present invention forms the ground layer formed inside the dielectric substrate by simultaneous firing with the dielectric layer, and forms the center conductor on the surface of the dielectric substrate into a thin film. By forming by the method, the interface conductivity of the center conductor on the dielectric substrate bonding surface can be reduced, and the transmission loss as a line can be reduced. Therefore, by applying the line having the center conductor and the ground layer to a package having an electromagnetic coupling structure, the transmission loss of a high-frequency signal in the package can be further reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a high-frequency wiring board according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing the structure of a dielectric resonator used for measuring the interface conductivity of a conductor layer in a high-frequency wiring board according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 high frequency wiring board
2 Dielectric substrate
3 Lid
4 cavities
5 High frequency element
6 First center conductor
7 Second center conductor
8, 10 Ground layer
9 slot holes
11 Via hole conductor
20 Dielectric resonator
21 conductor layer
22 Dielectric substrate
23 Dielectric cylinder
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