JP2003069126A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝送される高周波信号の周波数が高くなる
と、同軸コネクタの中心導体の非同軸部分のインピーダ
ンスが回路基板のメタライズ金属層部より大きくなり、
かつ高周波信号の伝播モードにずれを生じ、その結果高
周波信号の入出力時における反射損失が大きくなり、半
導体素子の作動性が劣化するという問題があった。 【解決手段】 上面に半導体素子５の載置部９を有する
基体２と、基体２の上面に載置部９を囲繞するように取
着された枠体３と、枠体３の貫通孔１０に嵌着されると
ともに中心導体４ｃが回路基板７に電気的に接続される
同軸コネクタ４とを具備し、回路基板７の上面に、枠体
３の内側に突出した中心導体４ｃを回路基板７の上面か
ら上方で同軸状に囲む屋根状部材６が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、光通信分野やマイ
クロ波通信およびミリ波通信等の分野で用いられる、高
い周波数帯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、光通信分野やマイクロ波通信お
よびミリ波通信等の分野で用いられる、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（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３お
よび図４に示す。 【０００３】これらの図に示すように、光半導体パッケ
ージ１０１は、一般に、上面に半導体レーザ（ＬＤ）や
フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子１０５が載
置用基台１０８を介して搭載される載置部１０９を有す
る鉄（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
から成る基体１０２を有する。 【０００４】また、載置部１０９を囲繞するようにして
基体１０２の上面に銀ロウ等のロウ材を介して接合さ
れ、一側部に光半導体素子１０５と外部電気回路（図示
せず）とを電気的に接続する同軸コネクタ（ガラスビー
ズ端子ともいう）１０４を嵌着接合するための貫通孔１
１０が設けられた枠体１０３を有する。 【０００５】また、枠体１０３には上記一側部に対向す
る側部に光半導体素子１０５と光結合するための光伝送
路である貫通孔１１１が形成されている。 【０００６】この枠体１０３の光伝送路である貫通孔１
１１の枠体１０３外側開口の周辺部には、枠体１０３の
熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎ
ｉ合金等の金属材料から成る筒状の光ファイバ１１６の
固定部材１１３が銀ロウ等のロウ材で接合される。この
固定部材１１３には、戻り光防止用の光アイソレータ１
１５と光ファイバ１１６とが樹脂接着剤で接着された金
属ホルダ１１４と、非晶質ガラス等からなり集光レンズ
として機能するとともに光半導体パッケージ１０１内部
を気密に塞ぐ機能を有する透光性部材１１２とが固定さ
れるなお、固定部材１１３と金属ホルダ１１４とは、各
々の端面同士がＹＡＧレーザ溶接等により固定される。
一方、固定部材１１３と透光性部材１１２とは、固定部
材１１３の内周面に形成されたメッキ層と透光性部材１
１２の外周面の一部に形成されたメッキ層とを、金（Ａ
ｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材でロウ接し
て固定される。 【０００７】また、同軸コネクタ１０４は、Ｆｅ−Ｎｉ
−Ｃｏ合金等の金属材料から成る筒状の外周導体１０４
ａと、外周導体１０４ａの内部に充填された硼珪酸ガラ
ス等からなる絶縁体１０４ｂと、絶縁体１０４ｂの中心
軸部分に装着され光半導体パッケージ１０１内外を導通
させる中心導体１０４ｃとからなる。 【０００８】また、同軸コネクタ１０４の筒状の外周導
体１０４ａは、枠体１０３の一側部に設けられた貫通孔
１１０の内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材
でロウ付して固定される。この同軸コネクタ１０４は、
外部電気回路と光半導体素子１０５とを電気的に接続す
る機能を有するとともに半導体パッケージ１０１内部を
気密に塞ぐ機能を有する。 【０００９】また、同軸コネクタ１０４は、高周波信号
が伝送される中心導体１０４ｃと、その外周部、即ち金
属材料からなる外周導体１０４ａおよび貫通孔１１０内
周部とが、高周波信号の伝送時にインピーダンスの整合
が可能な同軸構造を成している。 【００１０】なお、同軸コネクタ１０４と光半導体素子
１０５との電気的接続は、中心導体１０４ｃの貫通孔１
１０内部のインピーダンスと同一となるように回路基板
１０７の上面に形成されたマイクロストリップ線路であ
るメタライズ金属層１１８と、枠体１０３の内側に突出
した中心導体１０４ｃの一端とをＳｎ−鉛（Ｐｂ）半田
等の低融点ロウ材を介して接合するとともに、このメタ
ライズ金属層１１８と光半導体素子１０５の電極とをボ
ンディングワイヤ１１９で接続することにより成され
る。 【００１１】このような光半導体パッケージ１０１は、
先ず、光半導体素子１０５やインピーダンス整合用等の
回路基板１０７を搭載した載置用基台１０８を樹脂接着
剤、ロウ材等の接着材を介して載置固定する。その後、
同軸コネクタ１０４の中心導体１０４ｃの一端を回路基
板１０７上面のメタライズ金属層１１８に低融点ロウ材
を介して接合するとともに、メタライズ金属層１１８と
光半導体素子１０５の電極をボンディングワイヤ１１９
で電気的に接続する。次いで、光アイソレータ１１５と
光ファイバ１１６とが固定された金属ホルダ１１４を固
定部材１１３に溶接し、枠体１０３の上面に蓋体１１７
をシーム溶接やロウ接等により接合して、基体１０２と
枠体１０３と蓋体１１７とから成る容器内部に光半導体
素子１０５を気密に収容することにより、製品としての
光半導体装置となる。 【００１２】このような光半導体装置は、例えば、外部
から供給される駆動用の高周波信号により光半導体素子
１０５を光励起させ、励起したレーザ光等の光を透光性
部材１１２を通して光ファイバ１１６に授受させ光ファ
イバ１１６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。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光半導体パッケージにおいては、枠体１０３内側に
突出した同軸コネクタ１０５の中心導体１０４ｃが同軸
構造となっていない。そのため、伝送される高周波信号
の周波数が高くなると、同軸構造になっていない部分に
発生するインピーダンスが非常に大きくなり、かつ信号
の伝播モードにずれを生じていた。従って、中心導体１
０４ｃの枠体１０３内側に突出していない部分と回路基
板１０７のメタライズ金属層１１８との間のインピーダ
ンスのギャップおよび信号の伝播モードのずれが非常に
大きくなっていた。その結果、高周波信号の入出力時に
おける反射損失が大きくなり、光半導体素子１０５の作
動性が損なわれるという問題点を有していた。 【００１４】従って、本発明は上記問題点に鑑み完成さ
れたものであり、その目的は、高周波信号の入出力時に
おける同軸コネクタでの反射損失を非常に小さなものと
することにより、光半導体素子の作動性を良好なものと
することにある。 【００１５】 【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、上面に半導体素子および回路基板が載置用基台を
介して載置される載置部を有する基体と、該基体の上面
に前記載置部を囲繞するように取着され、側部に貫通孔
が形成された枠体と、筒状の外周導体およびその中心軸
に設置された中心導体ならびにそれらの間に介在させた
絶縁体から成り、前記貫通孔に嵌着されるとともに前記
中心導体が前記回路基板に電気的に接続される同軸コネ
クタとを具備した半導体素子収納用パッケージにおい
て、前記回路基板の上面に、前記枠体の内側に突出した
前記中心導体を前記回路基板の上面から上方で同軸状に
囲む屋根状部材が設けられていることを特徴とする。 【００１６】本発明は、回路基板の上面に、枠体の内側
に突出した中心導体を回路基板の上面から上方で同軸状
に囲む屋根状部材が設けられていることから、中心導体
の枠体内側に突出していない部分と、回路基板のメタラ
イズ金属層との間のインピーダンスのギャップを小さく
することができ、高周波信号の入出力時における同軸コ
ネクタでの反射損失を極めて小さなものとすることがで
きる。即ち、高周波信号の伝送時に回路基板のメタライ
ズ金属層で発生する電界の大きさは、同軸コネクタの中
心導体が枠体内側にそのまま突出した場合にその部分に
発生する電界の大きさよりも、中心導体が同軸状の屋根
状部材で覆われている部分で発生する電界の大きさに近
いものとなっている。そのため、同軸状の屋根状部材で
覆われた中心導体をメタライズ金属層と接続することに
より、メタライズ金属層と中心導体との間の電界の変化
を緩やかなものにできる。その結果、インピーダンスの
急激な変化を抑えることができ、インピーダンスの変化
により発生する反射損失を極めて小さくできる。 【００１７】 【発明の実施の形態】本発明の半導体パッケージについ
て以下に詳細に説明する。図１は、本発明の半導体パッ
ケージについて実施の形態の一例を示す光半導体パッケ
ージの断面図であり、図２は本発明の半導体パッケージ
の要部を示す断面図である。 【００１８】これらの図において、１は、容器本体の底
板を構成する基体２と、容器本体の側壁を構成する枠体
３と、高周波信号の入出力端子である同軸コネクタ４
と、透光性部材１２や金属ホルダ１４を設置固定すると
ともに光ファイバ１６を取着するための筒状の光ファイ
バの固定部材１３とを具備した半導体パッケージであ
る。これら基体２、枠体３、同軸コネクタ４、固定部材
１３、透光性部材１２および蓋体１７とで内部に光半導
体素子５を収容するための容器が基本的に構成される。
また、固定部材１３の外側の端面には、光アイソレータ
１５と光ファイバ１６とが樹脂接着剤で接着された金属
ホルダ１４が、ＹＡＧレーザ溶接等により固定されてい
る。 【００１９】本発明の半導体パッケージ１において、回
路基板７の上面に、枠体３の内側に突出した中心導体４
ｃを回路基板７の上面から上方で同軸状に囲む屋根状部
材６が設けられている。 【００２０】この屋根状部材６は、枠体３に電気的に接
続されて枠体３の内側に突出した中心導体４ｃを同軸状
に囲うことから、高周波信号の伝送時に屋根状部材６で
囲われた中心導体４ｃ部分で発生する電界の大きさを、
回路基板７のメタライズ金属層１８で発生する電界の大
きさに近いものとすることができる。その結果、屋根状
部材６で同軸状に囲われた中心導体４ｃをメタライズ金
属層１８に接続することにより、中心導体４ｃとメタラ
イズ金属層１８との間の電界の変化を緩やかなものとで
きる。従って、その間のインピーダンスの急激な変化が
抑制できるとともに信号の伝播モードのずれも小さくな
り、高周波信号の入出力時における反射損失が極めて小
さくなる。 【００２１】この屋根状部材６の形状、寸法としては、
中心導体４ｃの外径と屋根状部材６の材質が有する誘電
率、電気抵抗により、５０Ωとなる同軸構造を成すよう
な形状、寸法であれば良い。例えば、屋根状部材６は、
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｃｕ−Ｗ，ステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ）等の金属材料、またはアルミナ等のセラミックス材
料から成る。 【００２２】例えば、中心導体４ｃの外径が０．１〜
０．６ｍｍ程度である場合、屋根状部材６の内径は０．
２３〜１．４ｍｍ程度である。 【００２３】また、屋根状部材６は、中心導体４ｃの枠
体３内側に突出した部分について、図１に示すように中
心導体４ｃの外周面が空間に露出した部位（露出部）と
メタライズ金属層１８に接続された部位（接続部）とが
ある場合、メタライズ金属層１８と中心導体４ｃとの接
続部での電界の変化を緩やかなものとするため、露出部
の内径は接続部の内径と同一であることが好ましい。 【００２４】また、屋根状部材６の枠体３内面に対向す
る面が、枠体３にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材
により接合されており、屋根状部材６と枠体３とは同電
位となっている。従って、本発明の屋根状部材６として
は、グランド（接地電位）強度が高く、即ち接地電位の
安定性が高く、シールド性（電磁遮蔽性）に優れている
という点では、上記金属材料からなるものが好ましい。 【００２５】本発明の基体２は、光半導体素子５を支持
するための支持部材および光半導体素子５から発生する
熱を放散するための放熱板として機能し、その上面の略
中央部に光半導体素子５が載置用基台８を介して載置さ
れる載置部９を有している。この載置部９には、載置用
基台８がＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材を介して接着
固定される。また、光半導体素子５から発生する熱は、
低融点ロウ材を介して外部に効率良く放散され、光半導
体素子５の作動性を良好なものとする。 【００２６】基体２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−
Ｎｉ合金等の金属材料から成り、そのインゴットに圧延
加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すこと
により所定の形状に製作される。また、その表面に耐食
性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的に
は厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層と厚さ０．５〜９μのＡ
ｕ層を順次メッキ法により被着させておくのがよく、基
体２の酸化腐食を有効に防止することができるととも
に、基体２上面の載置用基台８を介して光半導体素子５
を強固に接着固定させることができる。 【００２７】また、基体２の上面には、載置部９を囲繞
するようにして枠体３が接合されており、枠体３の内側
に載置用基台８を介して光半導体素子５を収容するため
の空所が形成されている。この枠体３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合金等のインゴットをプレス加工
により枠状に成形することにより作製され、基体２への
取着は基体２の上面と枠体３の下面とを銀ロウ等でロウ
付けすることにより行なわれる。 【００２８】さらに、枠体３の側部には、貫通孔１０，
１１が設けてあり、貫通孔１０の内面には同軸コネクタ
４が、貫通孔１１の内面には筒状の固定部材１３がそれ
ぞれ嵌着接合され、固定部材１３の内側には透光性部材
１２が取着されている。枠体３の一側部に形成された貫
通孔１０は、同軸コネクタ４を枠体３に取着するための
取着孔である。また、枠体３の対向する他の側部に形成
された貫通孔１１は、筒状の固定部材１３を枠体３に取
着するための取着孔である。貫通孔１０，１１１１は、
枠体３の側部に従来周知のドリルによる孔あけ加工を施
すことにより所定形状に形成される。 【００２９】枠体３の貫通孔１１に取着されている筒状
の固定部材１３は、光アイソレータ１５および光ファイ
バ１６が接着された金属ホルダ１４を枠体３に固定する
際の接合媒体として機能するとともに、光半導体素子５
が励起した光を光ファイバ１６に伝達させる作用をな
し、その内側には透光性部材１２が取着される。 【００３０】透光性部材１２は、固定部材１３の内部空
間を塞ぎ、基体２と枠体３と蓋体１７とからなる容器の
気密性を保持するとともに、固定部材１３内部の空間を
伝達する光半導体素子５の励起した光を集光し、または
そのまま固定部材１３に取着接続された光ファイバ１６
に伝達する作用をなす。 【００３１】また、透光性部材１２は、例えば、酸化珪
素，酸化鉛を主成分とした鉛系、または硼酸，ケイ砂を
主成分とした硼珪酸系の非晶質ガラスから成る。この非
晶質ガラスは結晶軸が存在しないことから、光半導体素
子５の励起する光を透光性部材１２を通過させ光ファイ
バ１６に授受させる場合、光半導体素子５の励起した光
は透光性部材１２で複屈折を起こすことなく光ファイバ
１６に授受される。その結果、光半導体素子５が励起し
た光の光ファイバ１６への授受が高効率となって光信号
の伝達効率を高いものとすることができる。 【００３２】また、透光性部材１２の固定部材１３への
取着は、例えば、透光性部材１２の外周部に予めメタラ
イズ層等の金属層を被着させておき、この金属層と固定
部材１３の内面とをＡｕ−Ｓｎ合金のロウ材を介してロ
ウ付けすることにより行なわれる。この場合、透光性部
材１２の固定部材１３への取着がＡｕ−Ｓｎ合金等のロ
ウ付けにより行なわれることから、取着の信頼性が極め
て高くなり、その結果固定部材１３と透光性部材１２と
の取着部において光半導体素子５を収容する容器の気密
封止が完全となり、容器内部に収容する光半導体素子５
を長期にわたり正常かつ安定して作動させることができ
る。 【００３３】本発明の載置用基台８は、シリコン（Ｓ
ｉ）やＣｕ−Ｗ合金等の熱伝導性の高い金属からなり、
光半導体素子５から基体２へ熱を伝えるための伝熱媒体
として機能する。更に、その高さを適宜設定することに
より、透光性部材１２と光半導体素子５との光軸が合う
ようにする機能を有する。また、載置用基台８の上面に
はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のセラミックスからなるイン
ピーダンス整合用等の回路基板７が接合されており、回
路基板７の上面には高周波信号の伝送線路としてのメタ
ライズ金属層１８が形成されている。 【００３４】このメタライズ金属層１８は、同軸コネク
タ４の中心導体４ｃのインピーダンスと同一となるよう
に形成されたマイクロストリップ線路であり、その一端
側は光半導体素子５とボンディングワイヤ１９を介して
接続される。また、他端側は同軸コネクタ４の中心導体
４ｃと接合され、中心導体４ｃと光半導体素子５とを電
気的に接続する機能を有する。また、メタライズ金属層
１９は、モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），Ｗ等
の金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペ
ーストを、回路基板７となるセラミックグリーンシート
に従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印
刷塗布し、焼成することにより形成される。 【００３５】本発明の同軸コネクタ４は、外周導体４ａ
と外周導体４ａの貫通穴に充填された硼珪酸ガラスから
なる絶縁体４ｂと、絶縁体４ｂの中心軸部分に装着され
光半導体パッケージ１の内外を導通させる中心導体４ｃ
とで構成される。即ち、同軸コネクタ４自体は、外周導
体４ａと中心導体４ｃとの間に絶縁体４ｂを充填した同
軸構造であることから、伝送される高周波信号の周波数
が高くなっても中心導体４ｃにインピーダンスの整合が
困難になる部分が出現することはない。 【００３６】更に、金属またはセラミックスからなる屋
根状部材６が、回路基板７の上面に取着されるとともに
枠体３と電気的に接続されている。これにより、高周波
信号の伝送時に回路基板７のメタライズ金属層１８で発
生する電界の大きさは、中心導体４ｃが枠体３内側にそ
のまま突出し屋根状部材６がない場合にその部分に発生
する電界の大きさよりも、中心導体４ｃが屋根状部材６
で囲われている部分で発生する電界の大きさに近いもの
となる。そのため、同軸状の屋根状部材６で囲われた中
心導体４ｃをメタライズ金属層１８と接続することによ
り、メタライズ金属層１８と中心導体４ｃとの間の電界
の変化を緩やかなものにできる。その結果、インピーダ
ンスの急激な変化を抑えることができ、インピーダンス
の変化により発生する反射損失を極めて小さくできる。 【００３７】また、枠体３の上面には、例えばＦｅ−Ｎ
ｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属材料からなる蓋
体１７が接合され、これにより基体２と枠体３と蓋体１
２とからなる容器の内部に光半導体素子５が気密に封止
されることになる。蓋体１２の枠体３の上面への接合
は、例えば、シームウェルド法等の溶接やＡｕ−Ｓｎ合
金等のロウ材によるロウ付けにより行われる。 【００３８】かくして、本発明の半導体パッケージによ
れば、基体２の載置部９に載置用基台８を介して光半導
体素子５を載置固定するとともに、光半導体素子５の各
電極をボンディングワイヤ１９を介して外部リード端子
（図示せず）に電気的に接続し、次に枠体３の上面に蓋
体１７を接合し、基体２と枠体３と蓋体１７とからなる
容器内部に光半導体素子５を収納し、最後に枠体３に取
着された固定部材１３に光アイソレータ１５と光ファイ
バ１６を取着した金属ホルダ１４を溶接することによ
り、製品としての光半導体装置となる。 【００３９】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
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。例えば上記
実施の形態では半導体素子がＬＤ，ＦＤ等の光半導体素
子である場合について説明してが、本発明では半導体素
子がＩＣ，ＬＳＩ等であってもよい。 【００４０】 【発明の効果】本発明は、回路基板の上面に、枠体の内
側に突出した中心導体を回路基板の上面から上方で同軸
状に囲む屋根状部材が設けられていることから、中心導
体の枠体内側に突出していない部分と回路基板のメタラ
イズ金属層との間のインピーダンスのギャップを小さく
することができ、高周波信号の入出力時における反射損
失を極めて小さなものとすることができる。その結果、
同軸状の屋根状部材で囲われた中心導体をメタライズ金
属層と接続することにより、メタライズ金属層と中心導
体との間の電界の変化を緩やかなものにでき、従ってイ
ンピーダンスの急激な変化を抑えることができ、インピ
ーダンスの変化により発生する反射損失を極めて小さく
できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の半導体パッケージについて実施の形態
の一例を示す断面図である。 【図２】本発明の半導体パッケージにおける要部を示す
断面図である。 【図３】従来の半導体パッケージを示す断面図である。 【図４】従来の半導体パッケージにおける要部を示す断
面図である。 【符号の説明】 １：半導体パッケージ ２：基体 ３：枠体 ４：同軸コネクタ ４ａ：外周導体 ４ｂ：絶縁体 ４ｃ：中心導体 ５：半導体素子 ６：屋根状部材 ７：回路基板 ８：載置用基台 ９：載置部 １０，１１：貫通孔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 上面に半導体素子および回路基板が載置
   用基台を介して載置される載置部を有する基体と、該基
   体の上面に前記載置部を囲繞するように取着され、側部
   に貫通孔が形成された枠体と、筒状の外周導体およびそ
   の中心軸に設置された中心導体ならびにそれらの間に介
   在させた絶縁体から成り、前記貫通孔に嵌着されるとと
   もに前記中心導体が前記回路基板に電気的に接続される
   同軸コネクタとを具備した半導体素子収納用パッケージ
   において、前記回路基板の上面に、前記枠体の内側に突
   出した前記中心導体を前記回路基板の上面から上方で同
   軸状に囲む屋根状部材が設けら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。