JP2002184889A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入出力端子の平板部の幅に起因する共振が高
周波信号の伝送特性に影響を及ぼし、所望の高周波伝送
特性が得られず、また半導体パッケージを外部電気回路
基板等にネジ止めした際の変形が入出力端子に直接付加
され平板部にクラックを生じ易いという問題があった。 【解決手段】 入出力端子３は、略四角形の誘電体板か
ら成り、上面に一辺から対向する他辺にかけて形成され
た線路導体７を有する平板部６と、平板部６の上面に線
路導体７を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部
８とから構成されており、平板部６の線路導体７に平行
な両側面および下面が嵌入される溝４ａが上面に形成さ
れた金属基台４上に嵌入載置されて、金属基台４ととも
に取付部９に嵌着されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信やマイクロ
波通信、ミリ波通信等の分野に用いられる高い周波数で
作動する各種半導体素子を収納する半導体素子収納用パ
ッケージに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光通信やマイクロ波通信、ミリ波
通信等の高い周波数で作動する各種半導体素子を気密封
止して収容する半導体素子収納用パッケージ（以下、半
導体パッケージという）として、例えば光通信分野に用
いられる光半導体パッケージを図５に示す。

【０００３】同図に示すように、光半導体パッケージ
は、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）
合金や銅（Ｃｕ）-タングステン（Ｗ）合金等の金属材
料から成り、上側主面の略中央部に光半導体素子２１が
載置される載置部２２を設けた略長方形の板状である基
体２３を有する。また、この載置部２２を囲繞するよう
にして基体２３の上面に銀ロウ等のロウ材を介して接合
されると共に、基体２３の長辺側の両側面には貫通孔又
は切欠部からなる取付部２４を、基体２３の短辺側の一
側面に光ファイバ２５の固定用の固定部材２６が嵌着接
合される貫通孔２７を有し、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎ
ｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属材料から成る枠体
２８を有する。更に、取付部２４に嵌着された、半導体
素子としての光半導体素子２１と外部電気回路（図示せ
ず）とを電気的に接続する高周波信号入出力用の入出力
端子２９と、枠体２８の上面に取着された、光半導体素
子２１を気密に封止する蓋体３０とを具備する。

【０００４】入出力端子２９は、例えば図６に示すよう
に、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体等のセラミ
ックスから成る絶縁体の上面に、その一辺から対向する
他辺にかけて形成された線路導体３１および線路導体３
１の両側に形成された同一面接地導体３２を有する平板
部３３と、平板部３３の上面に線路導体３１および同一
面接地導体３２を間に挟んで接合された立壁部３４とか
ら構成されている。

【０００５】この入出力端子２９の同一面接地導体３２
は、線路導体３１を伝送する高周波信号の特性インピー
ダンスを整合させて反射損失、挿入損失を低減させ高周
波信号の伝送特性を向上させるために、線路導体３１の
両側に等間隔をもって設けられている。即ち、高周波信
号の伝送形態として、線路導体３１と同一面接地導体３
２とでコプレーナ構造が採用されている。

【０００６】なお、線路導体３１で伝送される高周波信
号の伝送特性をさらに向上させるために、同一面接地導
体３２のみでなく、同一面接地導体３２から平板部３３
下面にかけてビアホール（図示せず）を形成することに
より、接地電位を強化し安定化することも行われてい
る。

【０００７】この従来の光半導体パッケージは、基体２
３の載置部２２に光半導体素子２１を載置固定させると
共に、光半導体素子２１の電極をボンディングワイヤ
（図示せず）を介して入出力端子２９の線路導体３１、
同一面接地導体３２に電気的に接続した後、枠体２８の
上面に蓋体３０を接合させ、基体２３と枠体２８と蓋体
３０とから成る容器内部に光半導体素子２１を気密に収
容し、固定部材２６に光ファイバ２５を取り付けること
により、製品としての光半導体装置となる。

【０００８】このような光半導体装置は、光半導体素子
２１に外部電気回路から供給される高周波信号によって
光励起させ、励起したレーザ光等の光を透光性部材３５
を通じて光ファイバ２５に授受させ光ファイバ２５内を
伝送させることにより、大容量の情報を高速に伝送でき
る光電変換装置として機能し、光通信分野等に多用され
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の光半導体パッケージにおいては、高周波信号の伝送
特性を良好なものとするために、線路導体３１と同一面
接地導体３２とビアホールとでコプレーナ構造が採用さ
れているが、より高い周波数の高周波信号を伝送させる
場合、以下のような問題が発生していた。

【００１０】即ち、セラミックス等の誘電体から成る入
出力端子の平板部３３の幅に起因する共振が高周波信号
の伝送特性に影響を及ぼし、高周波信号の伝送特性が低
下して光半導体素子２１の作動性が損なわれるという問
題点を有していた。

【００１１】つまり、平板部３３の線路導体３１に平行
な側面には枠体２８の接合用のメタライズ層が形成され
ており、このメタライズ層間の間隔（平板部３３の幅に
相当する）が数１０ＧＨｚの高周波信号の半波長程度で
あるため、メタライズ層間において高周波信号の周波数
付近で共振が起こり、この共振のため高周波信号の損失
が増大していた。

【００１２】また、光半導体素子２１の高周波化が進む
昨今では、上記のような入出力端子２９の幅等の大きさ
に起因する伝送損失を抑えるために、入出力端子２９の
平板部３３の厚さが薄型化されてきているため、入出力
端子２９の機械的強度が低くなっている。このような入
出力端子２９を用いた光半導体パッケージにおいては、
光半導体パッケージを外部電気回路基板等にネジ止めし
た際、光半導体パッケージ自体が変形し、この変形によ
る応力が直接入出力端子２９に加わり、その結果平板部
３３にクラックが発生し、高周波信号の伝送特性や光半
導体パッケージ内部の気密性が損なわれるという問題点
を有していた。

【００１３】従って、本発明は上記問題点に鑑み完成さ
れたもので、その目的は、誘電体から成る入出力端子の
平板部の幅に起因する高周波信号の周波数付近での共振
を抑制し、また半導体パッケージをネジ止めした際に入
出力端子に直接応力が加わらないようにすることによ
り、高周波信号の伝送特性や半導体パッケージ内部の気
密性を良好なものとし、その結果、半導体素子を長期に
わたり正常かつ安定に作動させ得る半導体パッケージを
提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体パッケー
ジは、上側主面に半導体素子が載置される載置部を有す
る基体と、該基体の上側主面に前記載置部を囲繞するよ
うに取着されると共に側部に切欠部または貫通孔から成
る入出力端子の取付部が形成された金属枠体と、前記取
付部に嵌着されて前記半導体素子と外部電気回路とを電
気的に接続する入出力端子とを具備した半導体素子収納
用パッケージにおいて、前記入出力端子は、略四角形の
誘電体板から成り、上面に一辺から対向する他辺にかけ
て形成された線路導体を有する平板部と、平板部の上面
に前記線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る
立壁部とから構成されており、前記平板部の前記線路導
体に平行な両側面および下面が嵌入される溝が上面に形
成された金属基台上に嵌入載置されて、該金属基台とと
もに前記取付部に嵌着されていることを特徴とするもの
である。

【００１５】本発明は、上記の構成により、半導体パッ
ケージを外部電気回路基板等にネジ止めした際、この半
導体パッケージ自体が変形しても、金属基台が緩衝機能
を有するため入出力端子に過大な応力が加わらず、平板
部にクラック等を生じることが大幅に抑制され、その結
果、高周波信号の伝送特性や半導体パッケージ内部の気
密性が損なわれることはない。

【００１６】更に、金属基台の上面が平板部上面の線路
導体と面一となることから、金属基台の上面が線路導体
の両側に等間隔をもって配置した同一面接地導体層とし
て機能し、線路導体と金属基台とでコプレーナ構造とす
ることができるため、入出力端子の平板部の幅を狭くす
ることが可能となる。従って、入出力端子の平板部の幅
に起因する高周波信号の周波数付近での共振を抑制する
ことができ、高周波信号の伝送特性を良好なものとする
ことができる。

【００１７】本発明において、好ましくは、前記金属基
台はヤング率が前記金属枠体よりも小さく厚さが前記平
板部の５〜２０倍であることを特徴とする。

【００１８】本発明は、上記の構成により、金属基台が
応力に対して変形し歪み易くなるとともに応力を有効に
吸収し緩和するものとなり、金属基台の応力緩衝機能が
さらに向上する。したがって、入出力端子にクラックが
生じることがさらに抑えられる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の半導体パッケージについ
て光半導体パッケージを一例として詳細に説明する。図
１は、本発明の半導体パッケージの要部を示す斜視図、
図２は本発明の半導体パッケージを構成する入出力端子
を示す斜視図である。図１において、１は基体、２は金
属枠体、３は入出力端子、４は金属基台であり、これら
から成る光半導体パッケージ５の要部を示す。

【００２０】本発明の光半導体パッケージ５において、
入出力端子３は図１及び図２に示すように、略四角形の
誘電体板から成り、上面にその一辺から対向する他辺に
かけて形成された線路導体７を有する平板部６と、平板
部６の上面に線路導体７の中央部を挟んで他の２辺間に
わたり接合された誘電体から成る立壁部８とから構成さ
れ、平板部６の線路導体７に平行な両側面および下面が
嵌入される溝４ａが上面に形成された金属基台４上に嵌
入載置されて、金属基台４とともに取付部９に嵌着され
ている。

【００２１】この入出力端子３は、金属基台４ととも
に、金属枠体２の側部に形成された取付部９に銀ロウ等
のロウ材により嵌着接合されており、金属枠体２の一部
となって内外を気密に仕切ると共に金属枠体２の内外を
導通させる導電路を構成している。

【００２２】従って、光半導体パッケージ５を外部回路
基板等にネジ止めした際に発生する光半導体パッケージ
５の変形による応力は以下のようにして吸収緩和され
る。

【００２３】先ず、基体１と金属枠体２とを接合してい
る、基体１や金属枠体２の金属材料よりヤング率が小さ
く延性に優れた、銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ロウ等の接合
材で吸収され、次いでＦｅ−Ｎｉ系合金やＣｕ−Ｗ合金
等から成る金属基台４が変形して吸収緩和する。更に、
入出力端子３と金属基台４とを接合している、Ａｇ−Ｃ
ｕロウ等の接合材にて変形が更に吸収される。このよう
に、複数の部材の応力緩衝機能により、入出力端子３に
直接過大な応力が加わらず、入出力端子３の平板部６や
立壁部８にクラック等を生じることが大幅に抑制され、
高周波信号の伝送特性が向上し、光半導体パッケージ内
部の良好な気密性が確保できる。

【００２４】ここで、金属基台４の応力緩衝機能にとっ
て、金属基台４の上面に形成された溝４ａに嵌入載置さ
れた入出力端子３の平板部６の厚さとの関係が重要であ
る。

【００２５】即ち、光半導体パッケージ５を外部回路基
板等にネジ止めした際の光半導体パッケージ５自体の変
形による応力が直接入出力端子３に加わるのを抑制し、
平板部６にクラックが発生するのを防止するためには、
金属基台４の厚さｔ２を平板部６の厚さｔ１の５倍から
２０倍の範囲内とすることが好ましい。

【００２６】これは金属基台４の厚さｔ２が平板部６の
厚さｔ１の５倍未満では、金属基台４の応力吸収緩和が
不十分となる傾向があり、一方、金属基台４の厚さｔ２
が平板部６の厚さｔ１の２０倍を越える場合には、金属
基台４の容積が大となり、現在の小型軽量化の要求に合
致せず、また金属基台４と入出力端子３との熱膨張差に
よる影響が大きくなり入出力端子３にクラックが生じ易
くなるからである。

【００２７】従って、応力緩衝機能と小型軽量化の両方
の要求を満足するためには、例えば平板部６の厚さｔ１
を０．２ｍｍとした場合、金属基台４の厚さｔ２を３ｍ
ｍ程度とすることが金属基台４の応力緩衝機能にとって
も最適であり、このことから金属基台４の厚さｔ２は平
板部６の厚さｔ１の１５倍程度、即ち１３〜１７倍程度
が最も望ましい。

【００２８】また、金属基台４は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
金（ヤング率は約１３．７×１０⁴Ｎ／ｍｍ²），Ｆｅ−
Ｎｉ合金（４２Ｎｉ）（ヤング率は約１４．７×１０⁴
Ｎ／ｍｍ²），Ｆｅ−Ｎｉ合金（５０Ｎｉ）（ヤング率
は約１６．２×１０⁴Ｎ／ｍｍ ²），Ｃｕ−Ｗ合金（１０
Ｃｕ）（ヤング率は約３１×１０⁴Ｎ／ｍｍ²），Ｃｕ−
Ｗ合金（１５Ｃｕ）（ヤング率は約２９×１０⁴Ｎ／ｍ
ｍ²），Ｃｕ−Ｗ合金（２０Ｃｕ）（ヤング率は約２６
×１０⁴Ｎ／ｍｍ²）等から成り、このうち金属枠体２よ
りもヤング率が小さいものが好ましい。その場合、金属
基台４が応力に対して変形し歪み易くなり、応力を有効
に吸収し緩和する。金属枠体２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合
金（ヤング率は約１３．７×１０⁴Ｎ／ｍｍ²），Ｆｅ−
Ｎｉ合金（４２Ｎｉ）（ヤング率は約１４．７×１０⁴
Ｎ／ｍｍ²），Ｆｅ−Ｎｉ合金（５０Ｎｉ）（ヤング率
は約１６．２×１０⁴Ｎ／ｍｍ²）等から成るものである
から、金属基台４のヤング率が金属枠体２よりも小さく
なるように選択すればよい。

【００２９】従って、本発明においては、金属基台４は
ヤング率が金属枠体２よりも小さく厚さが平板部６の５
〜２０倍であることが好適であり、その場合応力緩衝機
能に優れたものとなる。

【００３０】また、平板部６の上面に形成された線路導
体７は、金属基台４の上面が線路導体７が形成された平
板部６の上面と略面一となることから、線路導体７の両
側に等間隔で配置した同一面接地導体層として金属基台
４の上面を利用するができ、線路導体７および金属基台
４の上面によりコプレーナ構造を形成することができ
る。

【００３１】従って、平板部６の上面に一本の線路導体
７を形成して、平板部６の幅を最も狭くすることができ
る。例えば、平板部６の幅を１．６ｍｍ、１．８ｍｍに
設定したシミュレーションによれば、１．８ｍｍでは６
０ＧＨｚ付近で共振が発生するのに対して、１．６ｍｍ
では６０ＧＨｚ付近での共振は発生せずより高い周波数
帯域で共振が発生していると考えられる。従って、平板
部６の幅に起因する共振点を高周波信号の伝送特性に影
響しない帯域にまで押し上げて、使用可能帯域を広げる
ことが可能となるため、所望の高周波伝送特性が確保で
き、光半導体素子を正常かつ安定に作動させることがで
きる。

【００３２】尚、入出力端子３の金属枠体２の内側に位
置する線路導体７には、光半導体素子（図示せず）の電
極がボンディングワイヤ等を介して電気的に接続され、
金属枠体２の外側に位置する線路導体７には、外部の駆
動回路に接続するための外部リード端子（図示せず）が
銀ロウ等のロウ材により接合される。

【００３３】また、入出力端子３を構成する平板部６及
び立壁部８は以下のようにして作製される。例えば、酸
化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）質焼結体から成る場合、ま
ず酸化アルミニウム、酸化珪素（ＳｉＯ₂）、酸化マグ
ネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等
の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を
添加混合して泥しょう状と成す。これを従来周知のドク
ターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技
術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得る。
次いで、このセラミックグリーンシートに、タングステ
ン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属粉末に適
当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して得
た金属ペーストを、スクリーン印刷法等の厚膜形成技術
を採用して、線路導体７となるメタライズ配線層を所定
のパターンに印刷塗布する。その後、そのセラミックグ
リーンシートを複数枚積層すると共に、還元雰囲気中、
約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。

【００３４】一方、基体１と金属枠体２と蓋体（図示せ
ず）とで内部に光半導体素子を収容するための容器が構
成される。

【００３５】基体１は、光半導体素子を支持するための
支持部材として作用し、その上面の略中央部に光半導体
素子を載置するための載置部を有し、載置部には光半導
体素子が金（Ａｕ）−シリコン（Ｓｉ）ロウ材等の接着
剤により接着固定される。

【００３６】また、基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や
Ｃｕ−Ｗ合金等の金属材料から成り、例えばＦｅ−Ｎｉ
−Ｃｏ合金から成る場合、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のイン
ゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周
知の金属加工法を施すことにより製作される。

【００３７】尚、基体１は、その外表面に耐食性に優れ
かつロウ材に対して濡れ性の良い金属、具体的には厚さ
０．５〜９μｍのニッケル層と厚さ０．５〜５μｍの金
層を順次メッキ法により被着させておくと、基体１が酸
化腐食するのを有効に防止することができ、また基体１
上面に光半導体素子を強固に接着固定させることができ
る。

【００３８】また、基体１の上面には、光半導体素子が
載置される載置部を囲繞するように金属枠体２が接合さ
れており、この金属枠体２の内側に光半導体素子を収容
するための空所が形成される。

【００３９】この金属枠体２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金
やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属材料から成り、例えば、Ｆｅ
−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴット（塊）をプレス加工によ
り枠状とすることにより形成され、基体１への取着は基
体１の上面と金属枠体２の下面とを銀ロウ材を介して銀
ロウ付けすることにより行われる。

【００４０】また、入出力端子３の平板部６の上面に形
成された線路導体７や金属基台４の露出する表面には、
ＮｉやＡｕ等の耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優
れる金属を、それぞれ厚さ０．５〜９μｍと厚さ０．５
〜５μｍとなるように順次メッキ法により被着させてお
くのがよい。これにより、線路導体７や金属基台４の酸
化腐食を有効に防止することができると共に、線路導体
７へのボンディングワイヤや外部接続端子の接続、ある
いは入出力端子３の取付部９及び基体１への取着が確実
強固なものとなる。

【００４１】尚、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変
更を行うことは何等支障ない。例えば、図３及び図４に
示すように、線路導体７と平行な平板部６及び立壁部８
の側面を、金属基台４で囲むように接合し、平板部６の
上面に形成した線路導体７と面一である金属基台４の上
面を線路導体７の両側に等間隔で配置したコプレーナ構
造としても良い。

【００４２】この場合、光半導体パッケージ５を外部電
気回路基板にネジ止めした際の変形による応力を緩和す
る効果がより向上する。その結果、ロウ材等の接合材及
び金属基台４等の複数の部材による緩衝機能により、平
板部６のクラック発生を皆無にするという効果を奏す
る。

【００４３】また、上記と同様に、平板部６の幅に起因
する共振周波数を高周波信号の周波数付近から押し上げ
て、高周波信号に影響の無いようにし、使用可能帯域が
広がるという効果も有する。

【００４４】

【発明の効果】本発明は、入出力端子は、略四角形の誘
電体板から成り、上面に一辺から対向する他辺にかけて
形成された線路導体を有する平板部と、平板部の上面に
線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部
とから構成されており、平板部の線路導体に平行な両側
面および下面が嵌入される溝が上面に形成された金属基
台上に嵌入載置されて、金属基台とともに取付部に嵌着
されていることにより、半導体パッケージを外部電気回
路基板等にネジ止めした際、この半導体パッケージ自体
が変形しても、金属基台の応力緩衝作用と、金属基台と
基体及び金属枠体との接合材および金属基台と平板部と
の接合材による複数の部材の応力緩衝作用により、入出
力端子に過大な応力が加わらず、その結果、平板部にク
ラック等を生じることが大幅に抑制されて高周波信号の
伝送特性や半導体パッケージ内部の気密性が損なわれる
ことはない。

【００４５】更に、金属基台の上面が平板部上面の線路
導体と面一となることから、金属基台の上面が線路導体
の両側に等間隔をもって配置した同一面接地導体層とし
て機能し、線路導体と金属基台とでコプレーナ構造とす
ることができるため、入出力端子の平板部の幅を狭くす
ることが可能となる。従って、入出力端子の平板部の幅
に起因する高周波信号の周波数付近での共振を抑制する
ことができ、高周波信号の伝送特性を良好なものとでき
る。即ち、共振周波数を高周波信号に影響のない高い周
波数帯域にまで押し上げることが可能となり、所望の高
周波信号の伝送特性が確保でき、半導体素子を長期にわ
たり正常かつ安定に作動させることができる。

【００４６】本発明は、好ましくは金属基台はヤング率
が金属枠体よりも小さく厚さが平板部の５〜２０倍であ
ることにより、金属基台が応力に対して変形し歪み易く
なるとともに応力を有効に吸収し緩和するものとなり、
金属基台の応力緩衝機能がさらに向上する。したがっ
て、入出力端子にクラックが生じることがさらに抑えら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体パッケージの要部を示す斜視図
である。

【図２】本発明の半導体パッケージを構成する入出力端
子を示す斜視図である。

【図３】本発明の半導体パッケージについて実施の形態
の他の例の要部を示す斜視図である。

【図４】本発明の半導体パッケージを構成する他の入出
力端子を示す斜視図である。

【図５】従来の半導体パッケージを示す断面図である。

【図６】従来の半導体パッケージの入出力端子を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１：基体 ２：金属枠体 ３：入出力端子 ４：金属基台 ４ａ：溝 ５：光半導体パッケージ ６：平板部 ７：線路導体 ８：立壁部 ９：取付部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上側主面に半導体素子が載置される載置
   部を有する基体と、該基体の上側主面に前記載置部を囲
   繞するように取着されると共に側部に切欠部または貫通
   孔から成る入出力端子の取付部が形成された金属枠体
   と、前記取付部に嵌着されて前記半導体素子と外部電気
   回路とを電気的に接続する入出力端子とを具備した半導
   体素子収納用パッケージにおいて、前記入出力端子は、
   略四角形の誘電体板から成り、上面に一辺から対向する
   他辺にかけて形成された線路導体を有する平板部と、該
   平板部の上面に前記線路導体を間に挟んで接合された誘
   電体から成る立壁部とから構成されており、前記平板部
   の前記線路導体に平行な両側面および下面が嵌入される
   溝が上面に形成された金属基台上に嵌入載置されて、該
   金属基台と共に前記取付部に嵌着されていることを特徴
   とする半導体素子収納用パッケージ。
2. 【請求項２】 前記金属基台はヤング率が前記金属枠体
   よりも小さく厚さが前記平板部の５〜２０倍であること
   を特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケー
   ジ。