JP2002324867A - セラミック端子および半導体素子収納用パッケージ - Google Patents
セラミック端子および半導体素子収納用パッケージInfo
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Abstract
路導体の抵抗が高いためジュール熱が発生し、この熱に
よって半導体パッケージ内部に収容した半導体素子に誤
作動を発生させたり、熱破壊を招来するという問題があ
った。 【解決手段】 セラミック端子Fの平板部1は、複数の
セラミック層1aが積層されて成るとともに内層導体層
6が設けられており、平板部1の上面に露出した線路導
体3が立壁部2の線路方向の両側で貫通導体A,Bを介
して内層導体層6に電気的に接続されている。
Description
半導体素子を収納するための半導体素子収納用パッケー
ジに用いられるセラミック端子および半導体素子収納用
パッケージに関するものである。
発達に伴って、高周波帯域において高出力で作動するI
C,LSI等の半導体素子の需要が大幅に伸びている。
特に携帯電話の基地局に用いられるような情報機器で
は、限られた電力で高出力が得られ長時間の信号変換が
できるように高効率で動作する高出力用の半導体素子
と、これを収納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)が重要となってきてい
る。即ち、半導体素子内部での電力損失が小さく、印加
する直流電力を効率よく高周波電力に変換する半導体素
子と、この半導体素子を収納して、その性能を最大限引
き出すことができる半導体パッケージが望まれている。
aAs)化合物半導体を用いたMESFET(Metal Se
miconductor Field Effect Transistor:金属半導体電界
効果トランジスタ)の開発が進められてきたが、低電圧
時の特性、変換効率、大電流を流せないという点で問題
を有していた。しかしながら、近年、GaAs化合物半
導体系HBT(Heterojunction Bipolar Transistor:
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)などの半導体素子
が、MESFETに比し優れた低電圧時の特性を有し、
また大きな直流電力を効率よく高周波電力に変換するこ
とのできる半導体素子として注目されるようになってき
ている。
ッケージを図4に示す。同図に示す半導体パッケージD
は、筒状の外周導体である金属管111aの中心軸に絶
縁体としてのガラス111bを介して取着された中心導
体111cを有する入出力端子(同軸コネクタ)111
が、側部109aに設けた貫通孔または切欠き部から成
る取付部110に嵌着される。この入出力端子111
は、取付部110において内部に収納される半導体素子
Eを気密に封止するように嵌着される。また、入出力端
子111は、半導体素子Eに大きな直流電力を入力する
とともに半導体素子Eから出力される高周波電力を外部
電気回路装置(図示せず)に伝達することを可能にして
いる。
力が流れる円柱状、板状等の中心導体111cが、金属
基体109の側部109aに設けた取付部110に充填
されたガラス111bを貫いて設けられるものであり、
側部109aから電気的に絶縁された状態となってい
る。そして、この入出力端子111は例えば半導体素子
Eを作動させるための数A〜十数Aの大きな直流電力が
流れるような半導体パッケージに用いられる(特開平9
−181207号公報参照)。
導体111cがガラス111bで固定されている構造で
あるため、半導体パッケージD内の中心導体111cの
端部にワイヤボンダーでボンディングワイヤ(図示せ
ず)を接合して半導体素子Eに接続する際に、中心導体
111cの端部がワイヤボンダーのキャピラリー(Capi
llary:ワイヤ供給用細管)によって下方に押さえつけ
られる。その結果、中心導体111cを固定するガラス
111bにマイクロクラックが発生する場合がある。こ
のマイクロクラックが、半導体素子Eの作動時に発する
熱による中心導体111cとガラス111bとの熱膨張
差に起因した熱応力によって次第に大きくなり、最終的
に半導体パッケージD内部の気密性が損なわれるという
問題点を有していた。
て、図5に示すようなセラミック端子Cを用いた半導体
パッケージDも特開平9−181207号公報に開示さ
れている。このセラミック端子Cは、セラミックグリー
ンシート積層法によって作製された縦断面形状が凸型状
であり、セラミックスからなる平板部101、および平
板部101上に線路導体103を挟んで取着されたセラ
ミックスからなる立壁部102とで構成されている。
いて、同様の部材については同じ符号を付した。
ような従来のセラミック端子Cにおいて、大きな直流電
力を流すために線路導体103の抵抗を小さくすること
が望まれるが、線路導体103の厚さは5〜20μm程
度と非常に薄いため、その抵抗を小さくすることがきわ
めて困難である。従って、半導体素子Eの作動に必要な
十数A〜数十A程度の大きな直流電力をセラミック端子
Cに流すと、大きなジュール熱が発生していた。そし
て、この熱により、線路導体103が断線したり、また
半導体パッケージD内部の温度が上昇して内部の半導体
素子Eに誤作動を発生させたり、最終的に半導体素子E
を熱破壊させてしまうという問題があった。
る構成として、線路導体103の幅を広げることが考え
られるが、線路導体103の幅を十分に抵抗が低下する
ような幅にまで広げると、必然的にセラミック端子Cの
大きさを数倍以上に大きくしなければならない。そのた
め、半導体パッケージDの側部109aに嵌着できなく
なるという問題点があった。
とにより抵抗を小さくすることができるが、その場合例
えば厚さが従来の数倍〜十数倍程度の線路導体103を
形成する必要があり、そうするとセラミック端子Cの平
板部101と立壁部102との接合部において、線路導
体103の幅方向の端部付近でセラミックグリーンシー
ト間に積層のための圧力がかかり難くなってセラミック
グリーンシート同士の良好な接合状態が得られない。そ
のため、セラミック端子Cの平板部101と立壁部10
2との間に剥れ(デラミネーション)が生じることがあ
り、半導体パッケージD内部の気密性が損なわれ易いと
いう問題点があった。
路導体103を用いることも考えられるが、Cuの融点
が約1083℃と低いため、一般的に用いられている1
500〜1600℃で焼成されるアルミナ(Al2O3)
セラミックから成るセラミック端子C上に、同時焼成に
よって線路導体103を形成しようとすると、Cuが融
解し流れて所望の形状の線路導体103を形成できない
という問題点があった。
れたものであり、その目的は、セラミック端子の線路導
体の抵抗を小さくすることにより、大きな直流電力を半
導体素子に供給することができ、従って半導体素子の作
動性を損なうことなく、また半導体パッケージの気密性
を損なうことのないセラミック端子、およびこのセラミ
ック端子を用いた半導体パッケージを提供することにあ
る。
は、上面の一辺側から対向する他辺側にかけて形成され
た線路導体を有するセラミックスから成る平板部および
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
セラミックスから成る立壁部から構成され、かつ前記平
板部の下面と前記立壁部の上面ならびに前記平板部およ
び前記立壁部の前記線路導体の線路方向に略平行な両側
面に接地導体層が形成されているセラミック端子におい
て、前記平板部は、複数のセラミック層が積層されて成
るとともに内層導体層が設けられており、前記平板部の
上面に露出した前記線路導体が前記立壁部の前記線路方
向の両側で貫通導体を介して前記内層導体層に電気的に
接続されていることを特徴とする。
体が立壁部の線路方向の両側で貫通導体を介して内層導
体層に電気的に接続されていることにより、内層導体層
が線路導体に並列に接続されることとなり、従って線路
導体の両端間の抵抗を数分の1程度以下に小さくするこ
とができる。よって大きな直流電力を流すことが可能な
セラミック端子が得られる。なお、内層導体層の層数、
幅、長さを調整することにより、線路導体の両端間の抵
抗を制御することができる。
体層が複数の配線導体から形成されており、該複数の配
線導体は前記貫通導体の間で並列接続されていることを
特徴とする。
さらに線路導体の両端間の抵抗を小さくすることがで
き、よってさらに大きな直流電力を流すことができるセ
ラミック端子が得られる。
体とされ、上側主面に形成された凹部の底面に半導体素
子を載置する載置部が設けられるとともに一側部から前
記凹部にかけて形成された貫通孔または切欠き部から成
るセラミック端子の取付部が形成された基体と、前記取
付部に嵌着された本発明のセラミック端子とを具備した
ことを特徴とする。
により、半導体素子の作動性を損なうことがなく、また
半導体パッケージの気密性を損なうことのない信頼性の
高いものとなる。
導体パッケージを以下に詳細に説明する。図1は、本発
明のセラミック端子Fを半導体パッケージDに用いた場
合の実施の形態の例の拡大断面図であり、また図2の
(a)は半導体パッケージDの断面図を、(b)はセラ
ミック端子Fの斜視図をそれぞれ示す。また、図3は本
発明のセラミック端子Fについて実施の形態の他の例を
示すものであり、平板部を構成するセラミック層の主面
に形成された内層導体層の平面図である。尚、本発明の
半導体パッケージには従来例を示す図4および図5と同
じ符号Dを付した。
ク層1aからなる平板部、2は平板部1上に接合された
立壁部、3は平板部1の上面に形成された線路導体、3
aおよび3bは、立壁部2の線路方向の両側に露出した
線路導体2の一方側および他方側である。4は、平板部
1の下面に形成された下部接地導体層、5は、平板部1
および立壁部2の線路方向に略平行な両側面に形成され
た側部接地導体層である。6は、平板部1の内部の複数
のセラミック層1aの層間に形成された内層導体層、
A,Bは、立壁部2の線路方向の両側に露出した線路導
体3の両端側3a,3bをそれぞれ内層導体層6に電気
的に接続するビアホール等の貫通導体である。7は、立
壁部2の上面に形成された上部接地導体層、8は半導体
素子Eの載置部、9は金属製の基体、9aは基体1の側
部、10はセラミック端子Fの取付部である。
上面の一辺側から対向する他辺側にかけて形成された線
路導体3を有するセラミックスから成る平板部1および
平板部1の上面に線路導体3を間に挟んで接合されたセ
ラミックスから成る立壁部2から構成され、かつ平板部
1の下面と立壁部2の上面ならびに平板部1および立壁
部2の線路導体3の線路方向に略平行な両側面に接地導
体層が形成されているものである。そして、平板部1
は、複数のセラミック層1aが積層されて成るとともに
内層導体層6が設けられており、平板部1の上面に露出
した線路導体3が立壁部2の線路方向の両側で貫通導体
A,Bを介して内層導体層6に電気的に接続されてい
る。
に示すように、下部接地導体層4、側部接地導体層5、
上部接地導体層7が半導体パッケージDの側部9aに設
けられた取付部10にろう付けされる。これにより、取
付部10において半導体パッケージDを気密に封止する
とともに、外部電気回路装置からの大きな直流電力を半
導体パッケージDの内部に収容されている半導体素子E
にボンディングワイヤ(図示せず)を介して伝達する機
能を有するものとなる。
体としてのセラミックスから成り、立壁部2によって、
線路導体3が露出した一方側3aと他方側3bとに区分
されている。
基板を多数個に分割する作製法、所謂従来公知の多数個
取りによる作製法によって作製され、平板部1や立壁部
2がアルミナ(Al2O3)、窒化アルミニウム(Al
N)、ムライト(3Al2O3・2SiO2)等のセラミ
ックスから成る。
ックスから成る場合には以下のようにして作製される。
まずAl2O3の粉末と、焼結助材としての酸化カルシウ
ム(SiO2)、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグ
ネシウム(MgO)などの粉末と、適当なバインダー及
び溶剤とを混合してこれをスラリーとなす。次に、従来
周知のドクターブレード法などのテープ成形法によって
所定厚さのセラミックグリーンシートに成形する。次
に、焼成後にセラミック層1aとなる厚さ0.15mm
のセラミックグリーンシートを4枚準備し、最下層とな
るセラミックグリーンシートを除くものにビアホール用
の貫通導体A,Bとなる貫通孔を周知の金型打抜き法で
打抜いて形成する。それらの貫通孔の内部に、例えばタ
ングステン(W)を主成分とし、バインダーおよび有機
溶剤が添加混合されてなる導体ペーストが周知のスクリ
ーン印刷法などで埋め込まれる。
略垂直な両側面に近接して設けられ、具体的にはセラミ
ックグリーンシートの焼成後において、立壁部2の側面
から貫通導体A,Bの中心が0.6〜1.5mm離れた
位置に設けられるのが好ましい。貫通導体A,Bの中心
の位置が立壁部2の側面から0.6mm未満であると、
製造工程において立壁部2の接合位置が貫通導体A,B
の上端面と重なる場合があり、貫通導体A,Bの上端面
の凹凸状態によって良好な接合状態とならない場合があ
る。そのため、立壁部2が平板部1から剥れて気密性が
損なわれる場合がある。また、1.5mmを超えると、
内層導体層6の長さが長くなりすぎて抵抗が大きくな
り、内層導体層6によって抵抗を低減させる効果が得ら
れ難くなる。
の中心が0.6〜1.5mm離れた位置に設けられてい
ると、線路導体3の露出した一方側3aまたは他方側3
bに、外部電気回路装置からの大きな直流電力を半導体
パッケージ内部に入力するための外部リード端子(図示
せず)を接続する際に、貫通導体A,Bの凹凸の大きい
上端面以外の部位に接合するのが容易になるという効果
がある。即ち、貫通導体A,Bの上端面が、貫通導体
A,Bとなる貫通孔への導体ペーストの充填不足や過剰
充填によって、凹んでいる場合や凸状に膨れている場合
があり、この場合に貫通導体A,Bの上端面を覆って形
成された線路導体3の一方側3aまたは他方側3bの表
面に凹凸が現れることとなる。この凹凸上に外部リード
端子が例えばAgロウを介してロウ付けされると、ロウ
材の厚さにバラツキが生じて外部リード端子の接合強度
が小さくなり易くなる。このような不都合を回避するた
めには、立壁部2の側面に貫通導体A,Bの中心が上記
距離範囲程度に近接していることが好適である。
の中心が0.6〜1.5mm離れた位置に設けられてい
ると、線路導体3の露出した一方側3aまたは他方側3
bに、半導体素子Eに接続されるボンディングワイヤを
接合する際に、ボンディングワイヤの接合位置を貫通導
体A,Bの上端面から離すことが容易になるという効果
がある。即ち、貫通導体A,Bの上端面が立壁部の側面
から1.5mmを超えて離れていると、ボンディングワ
イヤの接合位置に近くなり、また貫通導体A,Bの上端
面が凹んでいる場合や逆に凸に膨れている場合に、貫通
導体A,Bの上端面を覆って形成された線路導体3の一
方側3aまたは他方側3bの表面に凹凸が現れることと
なる。そして、その凹凸にボンディングワイヤが接合さ
れ易くなり、接合不良が発生し易くなる。このような不
都合を回避するためには、立壁部2の側面に貫通導体
A,Bの中心が上記距離範囲程度に近接していることが
好適である。
径が0.3〜1mmであるのが好適である。0.3mm
未満の場合、大きな電流を流すことにより発生するジュ
ール熱により断線し易くなる。1mmを超えると、導体
ペーストの粘度によって貫通導体A,B内における導体
の形成状態が変わるのであるが、貫通導体A,Bが太す
ぎて導体ペーストの被着不良や充填不良が発生し易くな
る。
ば0.2〜1mm程度、厚さが5〜20μm程度の線路
導体3となるように、最上層のセラミックグリーンシー
ト上に印刷塗布する。また、導体ペーストを、焼成後の
厚さが5〜20μm程度、幅が0.2〜1mm程度の内
層導体層6となるように、セラミック層1aとなるセラ
ミックグリーンシートの上面に、貫通導体A,Bとなる
両貫通孔にかけて印刷塗布する。このとき、内層導体層
6は単層とされるか、または図3に示すように並列接続
された複数層から成るようにしてもよい。さらに、導体
ペーストを、焼成後の厚さが5〜20μm程度の下部接
地導体層4となるように、最下層のセラミックグリーン
シートの下面に印刷塗布する。
の順序で積層し、平板部1となる多層構造のセラミック
グリーンシート積層体を得る。
m程度のセラミックグリーンシートを準備する。このセ
ラミックグリーンシートにおいて、平面視形状が細長い
長方形状の貫通孔が複数略平行に形成されるように打ち
抜くことにより、幅が1mm、長さが数十mmの複数の
細長い帯状部を略平行に形成する。その帯状部の上面に
上部接地導体層7となる導体ペーストを、焼成後に5〜
20μmの厚さとなるように印刷塗布する。
体上に、上記帯状部を有するセラミックグリーンシート
を積層圧着し、帯状部の両側にある長方形状の貫通孔を
長手方向に平行な中心線において切断することにより、
断面が凸型状のセラミックグリーンシートの積層体を得
る。さらに、この積層体を長手方向に対して垂直方向に
複数個に切断してセラミック端子Fとなる個片の積層体
を得、得られた個片の積層体の側面に側部接地導体層5
となるメタライズ層を焼成後に5〜20μm程度の厚さ
になるように印刷塗布し、最後に1500〜1600℃
程度の高温で焼成することにより、セラミック端子Fが
得られる。
2に示すように半導体パッケージDの側部9aに形成さ
れた貫通孔または切欠き部から成る取付部10に嵌着さ
れ、半導体パッケージDに収納される半導体素子Eに対
する直流電力の入力用端子として機能する。また、高周
波電力の出力用として他の取付部10に嵌着されるセラ
ミック端子(図示せず)は、内層導体層6が形成される
ことはない。これは、高周波電力の出力用として特性イ
ンピーダンスを所定の値に整合する必要があり、その場
合内層導体層6があると特性インピーダンス整合が困難
になるからである。
と内層導体層6とで並列回路が構成されていることか
ら、立壁部2を挟んで線路導体3の一方側3aに入力さ
れた大きな直流電力は、貫通導体Aを介して線路導体3
と内層導体層6とに分かれて伝達され、内層導体層6を
流れる直流電力は貫通導体Bによって線路導体3の他方
側3bに至り、線路導体3を流れる直流電力に合流す
る。そして、半導体パッケージDの載置部8に載置され
ているバイポーラトランジスタなどの半導体素子Eに送
られて高周波電力に変換され、出力用のセラミック端子
から外部電気回路装置へと出力される。
よれば、外部電気回路装置からの大きな直流電力が、平
板部1に形成された、線路導体3および内層導体層6に
より構成される並列回路を流れることにより、線路導体
3を流れる電流が小さくなるため抵抗も小さくなり、大
きな熱が発生することがなくなる。また、従来のセラミ
ック端子Cでは、線路導体3の幅を広げようとするとセ
ラミック端子Cの大きさが数倍程度に大きくなり、半導
体パッケージDの側部9aに嵌着できなくなるという問
題があり、また線路導体3を厚くしようとするとセラミ
ックグリーンシート同士に接合不良が生じることから、
線路導体3の抵抗を低下させることが困難であったもの
が、本発明のセラミック端子Fにより、線路導体3の幅
や厚さを大きくせずにセラミック端子Fの大きさを従来
通りとすることができる。また、平板部1と立壁部2と
の接合部に接合不良が発生することがないものとなる。
導体層6は単層または複数層設けることができるが、複
数層設ける場合10層以下がよい。10層を超えると、
抵抗値が減少しなくなる。また、内層導体層6の厚さは
5〜25μmがよく、5μm未満では、抵抗を下げるこ
とが困難になる。25μmを超えると、層間に剥離が発
生し易くなる。
〜635μm程度がよく、100μm未満では、位置合
せしたり積層すること自体が困難となり、実用性がなく
なる。635μmを超えると、貫通導体用の貫通孔への
導体ペーストの充填や被着が困難となる。
内層導体層6が複数の配線導体から形成されており、複
数の配線導体は貫通導体A,Bの間で並列接続されてい
ることが好ましい。これにより、さらに線路導体3の両
端間の抵抗を小さくすることができ、よってさらに大き
な直流電力を流すことができるセラミック端子Fが得ら
れる。この場合、複数の配線導体の本数は2〜10本が
よく、2本未満では、貫通導体A,B間の抵抗の減少が
小さくジュール熱の発生が大きくなり易い。10本を超
えると、抵抗減少効果が小さくなっていく。
との接続部より離れたものほど配線長が長くなり抵抗が
増大するので、貫通導体A,Bとの接続部から離れるに
従って幅広に形成し抵抗を小さくするのがよく、全体と
して同程度の抵抗の配線導体から成るものとすることで
きる。
本発明のセラミック端子Fを基体9の側部9aに設けた
取付部10に例えばAgロウなどのロウ材で嵌着した構
成であり、さらに半導体素子Eを載置部8に載置して、
半導体素子E上の電極(図示せず)とセラミック端子F
の線路導体3の他方側3bとをボンディングワイヤを介
して電気的に接続し、基体9の上面にFe−Ni−Co
合金等から成る蓋体(図示せず)を接合することによ
り、半導体装置となる。
する半導体パッケージDは、大きな直流電力で作動させ
る半導体素子Eを高い信頼性をもって収納することがで
きるものとなる。
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば
種々の変更は可能である。例えば、上記実施の形態で
は、本発明のセラミック端子Fを半導体パッケージDに
適用した場合について説明したが、混成集積回路基板の
入出力端子として本発明のセラミック端子Fを適用して
もよい。
複数のセラミック層が積層されて成るとともに内層導体
層が設けられており、平板部の上面に露出した線路導体
が立壁部の線路方向の両側で貫通導体を介して内層導体
層に電気的に接続されていることにより、内層導体層が
線路導体に並列に接続されることとなり、従って線路導
体の両端間の抵抗を数分の1程度以下に小さくすること
ができる。よって、ジュール熱の発生を小さくすること
ができることから、大きな直流電力を流すことが可能な
セラミック端子が得られる。また、半導体素子の熱によ
る誤作動を防ぐことができる。
することなく抵抗を小さくすることができるので、セラ
ミック端子を大型化する必要がないことから、半導体パ
ッケージを大型化することなく、さらにセラミック端子
の立壁部と平板部との接合部における剥れの発生を皆無
とした信頼性の高い半導体パッケージを得ることができ
る。
数の配線導体から形成されており、複数の配線導体は貫
通導体の間で並列接続されていることにより、さらに線
路導体の両端間の抵抗を小さくすることができ、よって
さらに大きな直流電力を流すことができるセラミック端
子が得られる。
され、上側主面に形成された凹部の底面に半導体素子を
載置する載置部が設けられるとともに一側部から凹部に
かけて形成された貫通孔または切欠き部から成るセラミ
ック端子の取付部が形成された基体と、取付部に嵌着さ
れた本発明のセラミック端子とを具備したことにより、
半導体素子の作動性を損なうことがなく、また半導体パ
ッケージの気密性を損なうことのない信頼性の高いもの
となる。
例を示す拡大断面図である。
子を示し、(a)は半導体パッケージの断面図、(b)
はセラミック端子の斜視図である。
他の例を示すものであり、平板部の内層導体層が形成さ
れたセラミック層の平面図である。
ージの断面図である。
ッケージの断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 上面の一辺側から対向する他辺側にかけ
て形成された線路導体を有するセラミックスから成る平
板部および該平板部の上面に前記線路導体を間に挟んで
接合されたセラミックスから成る立壁部から構成され、
かつ前記平板部の下面と前記立壁部の上面ならびに前記
平板部および前記立壁部の前記線路導体の線路方向に略
平行な両側面に接地導体層が形成されているセラミック
端子において、前記平板部は、複数のセラミック層が積
層されて成るとともに内層導体層が設けられており、前
記平板部の上面に露出した前記線路導体が前記立壁部の
前記線路方向の両側で貫通導体を介して前記内層導体層
に電気的に接続されていることを特徴とするセラミック
端子。 - 【請求項2】 前記内層導体層が複数の配線導体から形
成されており、該複数の配線導体は前記貫通導体の間で
並列接続されていることを特徴とする請求項1記載のセ
ラミック端子。 - 【請求項3】 略直方体とされ、上側主面に形成された
凹部の底面に半導体素子を載置する載置部が設けられる
とともに一側部から前記凹部にかけて形成された貫通孔
または切欠き部から成るセラミック端子の取付部が形成
された基体と、前記取付部に嵌着された請求項1または
請求項2記載のセラミック端子とを具備したことを特徴
とする半導体素子収納用パッケージ。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH11176988A (ja) * | 1997-12-15 | 1999-07-02 | Kyocera Corp | 高周波用入出力端子ならびに高周波用半導体素子収納用パッケージ |
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