JP2005159080A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 差動線路と差動貫通導体との接続部における伝送線路の不連続性から生じる高周波信号の反射損失を非常に小さなものに抑制することができ、その結果、半導体素子の作動性を良好なものとできる配線基板を提供すること。
【解決手段】 配線基板１は、絶縁基板２に互いに平行に形成された一対の信号貫通導体９ａ，９ｂから成る差動貫通導体９と、絶縁基体２の主面または内層に互いに平行に形成されるとともに信号貫通導体９ａ，９ｂに一端が電気的に接続された一対の線路導体８ａ，８ｂから成る差動線路８とを具備し、差動貫通導体９の間隔が差動線路８の間隔よりも大きく、差動貫通導体９の信号貫通導体９ａ，９ｂと差動線路８の線路導体８ａ，８ｂとは、線路導体８ａ，８ｂと９０°を超える角度をなす接続線路部１２を介して接続されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するのに好適な、差動伝送線路を有する配線基板に関するものである。

従来、高速で作動する半導体素子や光半導体素子等の電子部品を搭載するための配線基板においては、従来の配線基板の例の断面図である図４に示すように、高速の高周波信号を正確かつ効率よく伝播させるために、差動線路４８と外部入出力用電極４１１との接続には差動貫通導体４９を用いている。差動線路４８の構造は、一対の信号線路によって決定される特性インピーダンスが所望の値となるように、絶縁基板４２の絶縁層４２ａ〜４２ｆの材料や、絶縁層４２ａ〜４２ｆの断面構造、すなわち配線導体４３の幅および厚み、配線導体４３とグランド層やグランド導体との距離等を制御して決定されている。

また、図４の配線基板に形成された差動線路と差動貫通導体の接続部周辺の要部拡大平面図である図５に示すように、差動線路４８に接続される差動貫通導体４９は、一対の信号貫通導体４９ａ，４９ｂによって決定される特性インピーダンスが所望の値となるように、配線基板４２の絶縁層４２ａ〜４２ｆの材料や、差動貫通導体４９および接地導体４１０の直径を変更したり、更にこれらの相対位置を互いに変更することによって決定されている。

また、差動線路４８の一対の線路導体４８ａ，４８ｂの間隔は一対の信号貫通導体４９ａ，４９ｂの間隔よりも大きいため、差動線路４８の線路導体４８ａ（４８ｂ）と接続線路部５１２とが成す角度５１３は９０°であり、この接続線路部５１２を介して線路導体４８ａ，４８ｂが信号貫通導体４９ａ，４９ｂに接続されている。

なお、図４において、４１は配線基板、４３は信号配線群、４４（４４ａ，４４ｂ，４４ｃ）は接地導体層、４５は半導体素子、４６は導体バンプ、４７は電極パッド、４１０は接地貫通導体である。
特開２００１−５３３９７号公報 特開２０００−１３８４３３号公報

しかしながら、従来の配線基板４１に搭載される半導体素子４５の動作速度が数十ＧＨｚと高速化するに従い、差動線路４８と差動貫通導体４９との接続部において、線路導体４８，４８ｂは信号貫通導体４９ａ，４９ｂに、線路導体４８ａ（４８ｂ）とのなす角度５１３が９０°である接続線路部５１２を介して接続されているため、線路導体４８，４８ｂと接続線路部５１２との間の屈曲部による急激な方向の変化によって伝送線路の不連続性が生じ、屈曲部において高周波信号の反射が発生していた。その結果、差動線路４８と差動貫通導体４９との接続部において、高周波信号の反射損失が大きくなって高周波信号の伝送性が劣化し、半導体素子４５の作動性が損なわれるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、差動線路とそれに接続された差動貫通導体を有する配線基板において、差動線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を大幅に抑制することができ、その結果、半導体素子の作動性を良好なものとできるものとすることにある。

本発明の配線基板は、絶縁基板に互いに平行に形成された一対の信号貫通導体から成る差動貫通導体と、前記絶縁基体の主面または内層に互いに平行に形成されるとともに前記信号貫通導体に一端が電気的に接続された一対の線路導体から成る差動線路とを具備しており、前記差動貫通導体の間隔が前記差動線路の間隔よりも大きく、前記差動貫通導体の前記信号貫通導体と前記差動線路の前記線路導体とは、前記線路導体と９０°を超える角度をなす接続線路部を介して接続されていることを特徴とするものである。

本発明の配線基板は、上記構成において好ましくは、前記接続線路部は、その長さが使用周波数帯域の上限周波数の波長の１／４以下であることを特徴とするものである。

本発明の配線基板は、絶縁基板に互いに平行に形成された一対の信号貫通導体から成る差動貫通導体と、絶縁基体の主面または内層に互いに平行に形成されるとともに信号貫通導体に一端が電気的に接続された一対の線路導体から成る差動線路とを具備しており、差動貫通導体の間隔が差動線路の間隔よりも大きく、差動貫通導体の信号貫通導体と差動線路の前記線路導体とは、線路導体と９０°を超える角度をなす接続線路部を介して接続されていることから、差動線路の接続線路部と差動貫通導体の信号貫通導体との接続部における伝送線路の不連続性を小さくできるため、差動線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。

本発明の配線基板は、好ましくは、接続線路部はその長さが使用周波数帯域の上限周波数の波長の１／４以下であることから、差動線路、接続線路部および差動貫通導体を伝搬する高周波信号に対して、接続線路部と信号貫通導体との接続による伝送線路の不連続性の影響を小さくすることができ、高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。

以上より、本発明の配線基板によれば、差動線路と差動貫通導体との接続部における高周波信号の反射損失を極めて小さくすることができるので、本発明の配線基板に搭載される半導体素子の高周波領域における作動性を非常に良好なものとすることができる。

本発明の配線基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の配線基板における差動貫通導体の周辺部の要部拡大平面図である。

本発明の配線基板１においては、絶縁基板２を構成する絶縁層２ａ〜２ｆは基本的には同じ比誘電率を有する絶縁材料で形成されている。絶縁層２ｃ上には信号配線群３が形成され、絶縁層２ｂ，２ｄ上には信号配線群３に対向させて広面積の接地導体層４ａ，４ｂが形成されており、信号配線群３の各信号配線はストリップ線路構造を有している。接地導体層４ａ，４ｂは、配線基板１の仕様に応じて入れ換えて配置されることもある。

また、信号配線群３の各信号配線の配線幅および信号配線群３と接地導体層４ａ，４ｂとの間に介在する絶縁層２ｂ，２ｃの厚みを適宜設定することにより、信号配線群３の特性インピーダンスを任意の値に設定することができるため、良好な伝送特性を有する信号配線群３を形成することが可能となる。信号配線群３の特性インピーダンスは一般的には５０Ωに設定される。なお、信号配線群３に含まれる複数の信号配線は、それぞれ異なる電気信号を伝送するものとしてもよい。

図１の例では、配線基板１の上面には高速で動作するＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子や半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子等の半導体素子５が搭載され、錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金等の半田や金（Ａｕ）等から成る導体バンプ６および半導体素子５を接続するための電極パッド７を介して差動線路８に電気的に接続されている。また、配線基板１の下面には、半導体素子５に信号の入出力および電源供給を行なうための外部接続用電極１１が形成されている。

また、差動線路８は、絶縁層２ｃの上面に接地導体層４ａ，４ｂとの間に形成されたストリップ構造の一対の信号線路から成り、外部と信号の入出力を行なうために差動貫通導体９を介して外部接続用電極１１に電気的に接続されており、また、差動貫通導体９、電極パッド７および錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金等の半田や金（Ａｕ）等から成る導体バンプ６を介して半導体素子５の電極に電気的に接続されている。

また、差動貫通導体９は互いに平行に形成された一対の信号貫通導体９ａ，９ｂから成り、その周囲に接地貫通導体１０が形成されており、差動貫通導体９の一端は差動線路８に電気的に接続され、他端は外部接続用電極１１に電気的に接続されている。

本発明の接続線路部１２について図２を用いて詳細に説明する。差動貫通導体９の信号貫通導体９ａ，９ｂと差動線路８の線路導体８ａ，８ｂとは、線路導体８ａ，８ｂとの成す角度１３が９０°を超えている接続線路部１２を介して接続されているので、差動線路８の接続線路部１２と差動貫通導体９の信号貫通導体９ａ，９ｂとの接続部における伝送線路の不連続性を小さくできるため、差動線路８と差動貫通導体９との接続部における高周波信号の反射損失を抑えることが可能となる。

本発明において好ましくは、接続線路部１２はその長さが使用周波数帯域の上限周波数の波長の１／４以下であることから、高周波信号に対して差動線路８の接続線路部１２と差動貫通導体９の信号貫通導体９ａ，９ｂとの接続部における不連続性の影響をより小さくすることができ、高周波信号の反射損失をより抑えることが可能となる。

次に、図３に基き本発明における差動線路８について説明する。図３は本発明の配線基板１の実施の形態の一例における差動線路８の周辺部を示す要部拡大断面図である。図３において、差動線路８は互いに平行に形成された一対の線路導体８ａ，８ｂから成る。そして、差動線路８は、線路導体８ａ，８ｂの幅，間隔，厚み、および線路導体８ａ，８ｂと接地導体層４ａ，４ｂとの間に介在する絶縁層２ｂ，２ｃの厚みを適宜設定することにより、差動線路８の特性インピーダンスを所望の値に設定することができる。その結果、良好な伝送特性を有する差動線路８を形成することが可能となる。差動線路８の特性インピーダンスは一般的には１００Ωに設定される。

また、信号配線群３および差動線路８の構造は、信号配線群３に対向して電源配線層もしくは接地導体層を形成して成るマイクロストリップ線路構造の他に、信号配線群３の上下に電源配線層もしくは接地導体層を形成して成るストリップ線路構造、また信号配線群３の各信号配線に隣接して所定間隔をもって同一面電源配線層もしくは同一面接地導体層を形成して成るコプレーナ線路構造であってもよい。

また、配線基板１にチップ抵抗，薄膜抵抗，コイルインダクタ，クロスインダクタ，チップコンデンサまたは電解コンデンサ等を搭載して、電子回路モジュール等を構成してもよい。

また、各絶縁層２ａ〜２ｆの平面視における形状は、正方形状や長方形状の他に、菱形状，六角形状または八角形状等の形状であってもよい。

そして、このような本発明の配線基板１は、半導体素子収納用パッケージ等の電子部品収納用パッケージや電子部品搭載用基板、多数の半導体素子が搭載されるいわゆるマルチチップモジュールやマルチチップパッケージ、あるいはマザーボード等として使用される。

本発明の配線基板１において、絶縁層２ａ〜２ｆは例えばセラミックグリーンシート積層法によって形成される。この場合、絶縁層２ａ〜２ｆは、酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ムライト質焼結体またはガラスセラミックス等の無機絶縁材料を使用して形成される。また、絶縁層２ａ〜２ｆは、ポリイミド，エポキシ樹脂，フッ素樹脂，ポリノルボルネンまたはベンゾシクロブテン等の有機絶縁材料、あるいはセラミックス粉末等の無機絶縁物粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で結合して成る複合絶縁材料等の電気絶縁材料を使用して形成される。

これらの絶縁層２ａ〜２ｆは以下のようにして作製される。絶縁層２ａ〜２ｆが例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、まず、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化カルシウムまたは酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法等を採用してシート状となすことによってセラミックグリーンシートを得る。そして、セラミックグリーンシートに信号配線群３および各導体層と成る金属ペーストを所定のパターンに印刷塗布して、これらを上下に積層し、最後にこの積層体を還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。

また、絶縁層２ａ〜２ｆがエポキシ樹脂から成る場合、まず酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミックスを混合した熱硬化性のエポキシ樹脂、あるいはガラス繊維を織り込んだ布にエポキシ樹脂を含浸させて成るガラスエポキシ樹脂等から成る絶縁層の上面に、有機樹脂前駆体をスピンコート法もしくはカーテンコート法等により被着させ、これを熱硬化処理することによって絶縁層を形成する。この絶縁層と、銅層を無電解めっき法や蒸着法等の薄膜形成技術およびフォトリソグラフィ技術を採用することによって形成して成る薄膜配線導体層とを交互に積層し、約１７０℃程度の温度で加熱硬化することによって製作される。

これらの絶縁層２ａ〜２ｆの厚みは、使用する材料の特性に応じて、要求される仕様に対応する機械的強度や電気的特性等の条件を満たすように設定される。

また、信号配線群３、差動線路８および接地導体層４は、例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），モリブデン−マンガン（Ｍｏ−Ｍｎ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ）または銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）等の金属粉末メタライズ、あるいは銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），金（Ａｕ）またはニオブ（Ｎｂ）やそれらの合金等の金属材料の薄膜等により形成すればよい。

具体的には、信号配線群３や電源配線層４をＷの金属粉末メタライズで形成する場合、Ｗ粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁層２ａ〜２ｆと成るセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。

また、信号配線群３や電源配線層４を金属材料の薄膜で形成する場合、例えばスパッタリング法，真空蒸着法またはメッキ法により金属膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により所定の配線パターンに形成することができる。

このような配線基板１は、信号配線群３が配設されている絶縁層２ａ〜２ｆの比誘電率に応じて、信号配線群３および差動線路８の各信号配線の配線幅，配線厚み，配線間隔を所望の値に設定することで、信号配線群３の各信号配線の特性インピーダンス値および差動線路８の特性インピーダンス値を所望の値とすることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。例えば、差動貫通導体９が接続される差動線路８は配線基板１の表層に形成されてもよい。さらに、差動貫通導体９が電気的に接続される二次実装部は、コネクタやワイヤボンディングパッド等でもよい。また、差動貫通導体９は、配線基板１上の異なる絶縁層上に形成された差動線路８同士の接続に用いてもよい。

本発明の図１の構成の配線基板１を以下のようにして作製した。酸化アルミニウム質焼結体から成る各厚みが０．２ｍｍの絶縁層２ａ〜２ｆを上述したセラミックグリーンシート積層法によって積層し形成することにより、絶縁基板２を作製した。このとき、信号配線群３、差動線路８、接地導体層４、差動貫通導体９および接地貫通導体１０を、上述のＷの金属粉末メタライズで形成した。

そして、この場合、図２に示すように、比誘電率が５．２の絶縁基板２ｄに、線路導体８ａ，８ｂのそれぞれの配線幅が５０μｍ、線路導体８ａ，８ｂ間の線路間隔が１００μｍである差動線路８を形成した。また、各直径が７５μｍで互いの間隔が０．３１ｍｍの一対の信号貫通導体９ａ，９ｂから構成された差動貫通導体９を同心円状に取り囲むように、各直径が７５μｍで互いの間隔が０．３１ｍｍの１１本の接地貫通導体１０を形成した。

さらに、差動貫通導体９の信号貫通導体９ａと差動線路８の線路導体８ａ、および信号貫通導体９ｂと線路導体８ｂとは、それぞれ線路導体８ａ，８ｂとなす角度が１５８．５°で、長さが０．２１５ｍｍである（４０ＧＨｚの高周波信号の波長の１／４（０．８２ｍｍ）以下の長さ）接続線路部１２を介して接続されている。

上記構成の差動線路８について、４０ＧＨｚの高周波信号を信号貫通導体８ａ，８ｂに位相差１８０度で入力したところ、差動線路８の接続線路部１２と差動貫通導体９の信号貫通導体９ａ，９ｂとの接続部における伝送線路の不連続性を小さくできるため、高周波信号の反射損失を抑えることが可能となった。すなわち、差動線路８と差動貫通導体９との接続部における高周波信号の反射レベルは−３３．５ｄＢ程度となり、きわめて小さい値であった。

また、比較例１として、差動貫通導体９の信号貫通導体９ａ，９ｂと差動線路８の線路導体８ａ，８ｂとは、線路導体８ａ，８ｂとなす角度が９０°である接続線路部を介して接続されるよう形成した配線基板においては、差動貫通導体９と差動線路８との接続部における高周波信号の反射レベルは−２０．２ｄＢ程度と大きくなった。

本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部拡大平面図である。 本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す部分拡大断面図である。 従来の配線基板の一例を示す断面図である。 従来の配線基板の一例を示す要部拡大平面図である。

符号の説明

１・・・配線基板
２・・・絶縁基板
２ａ〜２ｆ・・・絶縁層
３・・・信号配線群
４・・・接地導体層
５・・・半導体素子
６・・・導体バンプ
７・・・電極パッド
８・・・差動線路
８ａ，８ｂ・・・線路導体
９・・・差動貫通導体
９ａ，９ｂ・・・信号貫通導体
１０・・・接地貫通導体
１２・・・接続線路部
１３・・・差動線路と接続線路部との成す角度

Claims (2)

1. 絶縁基板に互いに平行に形成された一対の信号貫通導体から成る差動貫通導体と、前記絶縁基体の主面または内層に互いに平行に形成されるとともに前記信号貫通導体に一端が電気的に接続された一対の線路導体から成る差動線路とを具備しており、前記差動貫通導体の間隔が前記差動線路の間隔よりも大きく、前記差動貫通導体の前記信号貫通導体と前記差動線路の前記線路導体とは、前記線路導体と９０°を超える角度をなす接続線路部を介して接続されていることを特徴とする配線基板。
2. 前記接続線路部は、その長さが使用周波数帯域の上限周波数の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。

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