JP2005032744A - 半導体パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の搭載数を最大限に高めて高密度実装が可能な半導体パッケージを提供する。
【解決手段】アルミナメタライズ基板１の上側表面には、メタライズパターン１２を形成し、下側表面にはメタライズパターンを形成し、両者を貫通ビア１１で接続する。金属ステム４には貫通孔を形成し、貫通孔にペレットとピン２の他端とを挿入し、ピン２の一方の先端面をアルミナメタライズ基板１の下側表面のメタライズパターンに当接させてロウ付けする。アルミナメタライズ基板１の下端面を金属ステム４の上段部４１の上端面に接触させてアルミナメタライズ基板１を金属ステム４に積層し、ピン２を金属ステム４に固着する。アルミナメタライズ基板１上に発光素子５や受光素子６を配置し、メタライズパターン１２とワイヤーボンディング接続する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体パッケージに関し、特に、レーザダイオード（ＬＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載され、通信用途や民生用途などで幅広く使用されている半導体パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野では、電気ー光信号変換用の発光素子や、光ー電気信号変換用の受光素子のマウントとして光半導体パッケージが多用されている。そのような例の半導体ステムが特開平１１−１３５６９０号公報に記載されている。
【０００３】
図１０は特開平１１−１３５６９０号公報に記載されている半導体ステムの要部概略を示す斜視図である。セラミックス板２１は円板状に形成されており、その平坦部２２の表面に、その表面と５°〜２０°の角度で傾斜した傾斜面部３７が形成されているとともに、その表面から垂直に突出した突起部４０が形成されている。傾斜面部３７にはフォトダイオード３８が配置され、突起部４０の垂直面にはレーザダイオード３９が配置される。
【０００４】
セラミックス板２１には２箇所に貫通孔３１，３２が形成されており、これらの貫通孔３１，３２には金属リード３５，３６が挿入され、ガラスなどの絶縁体３３，３４によってセラミックス板２１に封止されている。金属リード３５とレーザダイオード３９とはワイヤーボンディング接続され、金属リード３６とフォトダイオード３８とはワイヤーボンディング接続されている。
【０００５】
また最近では、光通信容量の増大に伴う波長の多重化や、波長の高精度制御の必要性から、１つの半導体パッケージ上に複数の素子を搭載する必要が生じており、そのような半導体パッケージが特開平６−６９３７５号公報や特開平７−２９７３１４号公報に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１３５６９０号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平６−６９３７５号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開平７−２９７３１４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の素子またはアレイ状大型素子を半導体パッケージに搭載するためには、複数の素子またはアレイ状大型素子を接続するためのピンも素子の数に対応して設けなければならない。通常ピンはガラスなどの絶縁体で金属ベースに接合する必要があり、接合に要する絶縁体の面積が大きくなり、素子を配列するスペースに制約を受ける問題がある。
【００１０】
前記問題に対応するためのこの発明の主たる目的は、半導体素子の搭載数または搭載面積を最大限に高めて高密度実装が可能な半導体パッケージを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体素子を搭載するための半導体パッケージであって、一方表面に半導体素子に接続される表面導体が形成された基板と、表面導体に接続されるピンが絶縁体によって封止されかつ基板の他方面に接して設けられる金属ステムとを備え、金属ステムの基板に接する面積の範囲内における絶縁体部分を除いた面積に比べて、基板の表面導体を除いた面積の方が大きいことを特徴とする。
【００１２】
これにより、基板上に絶縁体部分が露出することがなく、表面導体を除く領域を半導体素子を搭載するための領域として活用できるので、半導体素子の搭載数を最大限に高めて高密度実装が可能になる。
【００１３】
好ましくは、半導体素子はアレイ状またはバー状の大型半導体素子を含む。
好ましくは、基板は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムで形成される。
【００１４】
好ましくは、基板はその一方表面から他方表面に達する導通孔と、導通孔の内周面に形成されるかまたは内周面に充填されて表面導体に接続される内導体と、内導体に接続されかつ他方表面側に形成される裏面導体とを含み、ピンはその先端面が裏面導体に接続される。導通孔は内部配線に接続していてもよいし、一方表面から他方表面に貫通していてもよい。
【００１５】
好ましくは、ピンは裏面導体にロウ付けまたは半田付けされる。
好ましくは、基板はその一方表面から他方表面に貫通する貫通孔を含み、表面導体は貫通孔の一方表面側の開口部を囲うように形成されていて、ピンはその先端部が基板の貫通孔に挿入されて、表面導体に接続される。貫通孔内周面には導体が充填されていてもよい。
【００１６】
好ましくは、ピンは表面導体にロウ付けまたは半田付けされる。
好ましくは、基板は一方表面側から他方表面側に形成される貫通孔と、貫通孔の一方表面側内周面に形成される内導体とを含み、ピンはその先端部が基板の他方表面側から貫通孔に挿入されて内導体に接続される。
ピンは内導体にロウ付けまたは半田付けされる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態における半導体パッケージの分解斜視図であり、図２は半導体パッケージを組み立てた状態を示す斜視図であり、図３は図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面図である。
【００１８】
図１において、アルミナメタライズ基板１は、円板状のアルミナセラミックによって形成されており、平坦部の周囲には例えば５箇所に直径０．２ｍｍの貫通ビア１１が等間隔で形成されている。貫通ビア１１は貫通孔の一方表面側から他方表面側にかけてその内周面に内導体を形成したものである。なお、貫通ビア１１はスルーホールであってもよい。アルミナメタライズ基板１の上側表面には貫通ビア１１に接続されるメタライズパターン１２と、その上に半導体素子が装着されるアルミナメタライズパターン１６が形成されており、下側表面には図３（ａ）に示すように直径１．０ｍｍの裏面導体としてのメタライズパターン１３が形成されている。
【００１９】
なお、図３（ｂ）に示すように貫通孔内に内導体を充填してもよい。さらに、図３（ｃ）に示すように、メタライズドパターン１２と１３とを接続する内導体として、アルミナメタライズ基板１の上側表面から下側表面に貫通させることなく、メタライズパターン１２側とメタライズパターン１３側とで中心軸がずれた導通孔を形成し、上側表面からメタライズパターン１２に接続される内導体２５を埋め込み、この内導体２５に接続されて下側表面側に露出する内導体２６を形成し、この内導体２６にメタライズパターン１３を接続してもよい。
【００２０】
これらのメタライズパターン１２，１３，１６や内導体は、タングステン，モリブデンのような高融点金属をポストメタメタライズ法または同時焼成法で形成してもよいし、ニッケルや銅メッキ法によって形成してもよい。さらに、これらのメタライズパターン１２，１３，１６には、無電解めっき法によって、２μｍの厚みでＮｉめっきが施されている。
【００２１】
ピン２は、例えばニッケル，コバルト，タングステン，モリブデン，鉄，銅またはこれらの合金で形成されるが、図１においてはピン２はＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金を直径０．５ｍｍで形成しており、好ましくはＮｉめっきが全体に施されている。
【００２２】
アルミナメタライズ基板１をカーボン製治具に搭載し、ピン２の一方の先端面をアルミナメタライズ基板１のメタライズパターン１３に当接させて、８００℃の雰囲気下で銀ロウ材によってロウ付けすることで、ピン２が接合されたアルミナメタライズ基板１が得られる。なお、ロウ付けに限ることなく半田付けするようにしてもよい。その場合、メタライズパターン１３およびピン２には、Ｎｉメッキに代えてもしくはＮｉメッキ上にＡｕメッキを施してもよい。
【００２３】
一方、金属ステム４は、例えばニッケル，コバルト，タングステン，モリブデン，鉄，銅またはこれらの合金で形成されるが、図１においてはＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金をプレスまたは切削法により上段部４１と下段部４２とを有するように円板状に形成され、ピン２に対応して、上段部４１と下段部４２とを貫通する貫通孔４３が形成されている。貫通孔４３は直径が１ｍｍを有するように形成される。
【００２４】
金属ステム４の上段部４１の直径はアルミナメタライズ基板１とほぼ等しく形成されており、下段部４２はアルミナメタライズ基板１および上段部４１を覆うキャップ（図示せず）の下部を保持するために、上段部４１よりも直径が大きく形成されている。
【００２５】
このようにして形成された金属ステム４と、前述のピン２の一端が接合されたアルミナメタライズ基板１をカーボン製治具に搭載し、貫通孔４３に低融点ガラス粉末で製作したペレット３と、ピン２の他端とを挿入する。そして、アルミナメタライズ基板１の下端面が金属ステム４の上段部４１の上端面に接触させることでアルミナメタライズ基板１を金属ステム４に積層し、４００℃の温度で加熱することでピン２を金属ステム４に固着する。さらに半田濡れ性を向上させるために、全体に１μｍの厚みでＡｕめっきが施される。
【００２６】
このようにして形成されたアルミナメタライズ基板１のメタライズパターン１６上に、図２に示すように発光素子５や受光素子６が装着され、発光素子５および受光素子６がメタライズパターン１２にボンディングワイヤー７によりボンディング接続される。
【００２７】
したがって、この実施形態によれば、金属ステム４に対してピン２のロウ付けを行うことにより、アルミナメタライズ基板１上には、比較的径の小さな貫通ビア１１と比較的面積の小さなメタライズパターン１２とが現れるだけであり、従来の半導体ステムのように金属ピンを封止するためのガラスによって、その面積が占有されてしまうことがなく、発光素子５や受光素子６などの複数の半導体素子を高密度で実装できる。すなわち、この実施形態では、金属ステム４うちのアルミナメタライズ基板１に接する面積の範囲内において、ガラスを除いて露出している金属部分の面積に比べて、メタライズパターン１２，１６を除いてアルミナメタライズ基板１の露出している面積の方が大きいことを特徴としている。
【００２８】
図４はこの発明の他の実施形態における半導体パッケージの分解斜視図であり、図５は半導体パッケージを組み立てた状態を示す斜視図であり、図６は図５の線ＶＩ−ＶＩに沿う断面図である。
【００２９】
アルミナメタライズ基板１には、図６に示すようにピン２を挿入するための直径０．５５ｍｍの貫通孔１４を形成するとともに、貫通孔１４を囲むようにメタライズパターン１２を形成する。メタライズパターン１２には無電解めっき法により２μｍの厚みでＮｉめっきが施される。
【００３０】
金属ステム４は前述の実施形態と同様にして構成され、ペレット３はホウケイ酸ガラス粉末をプレス法により作成する。ピン２はＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金を用いて直径が０．５ｍｍとなるように作製する。次に、金属ステム４とピン２とを大気炉にて５００℃の温度で加熱して酸化膜を作成し、これらをカーボン製治具に搭載し、１０００℃の温度で溶融封着させる。
【００３１】
そして、アルミナメタライズ基板１と、ピン２がガラス封止された金属ステム４とをカーボン製治具に搭載し、ピン２の先端部をアルミナメタライズ基板１の裏面から貫通孔１４に挿入し、銀ロウ材によって温度８００℃でピン２の先端部の周囲をメタライズパターン１２にロウ付けするとともにピン２をアルミナメタライズ基板１にロウ付けする。なお、ピン２とメタライズパターン１２およびアルミナメタライズ基板１との接合は、ロウ付けに限ることなく、ＡｕＳｎやＰｂＳｎのような半田材で行ってもよい。なお、金属ステム４とピン２とをガラス封止する際、封止しない貫通孔を設け、基板とのロウ付け時に金属ステム４ともロウ付けし、グランド電極として利用してもよい。このようにして形成された半導体パッケージには、半田濡れ性向上のために、全体に１μｍの厚みでＡｕめっきが施される。
【００３２】
この実施形態においても、アルミナメタライズ基板１上にはメタライズパターン１２が現れるだけであるため、従来の半導体ステムのように金属ピンを封止するためのガラスによって、その面積が占有されてしまうことがなく、発光素子５や受光素子６などの複数の半導体素子を高密度で実装できる。
【００３３】
図７はこの発明のさらに他の実施形態におけるアルミナメタライズ基板とピンの断面図である。図７（ａ）に示した例は図６に示したメタライズパターン１２にピン２の先端部がメタライズパターン１２から突出するように孔を形成し、ピン２の先端部とメタライズパターン１２とをロウ付けあるいは半田付けした例である。
【００３４】
図７（ｂ）に示した例は、メタライズパターン１２にピン２の先端面が露出するように孔を形成し、その孔を囲むようにメタライズパターン１５を形成したものである。図７（ｃ）は貫通ビア１１内にピン２を挿入し、ピン２の先端部とメタライズパターン１２とをロウ付けあるいは半田付けするものである。
【００３５】
図８はこの発明のさらに他の実施形態におけるアルミナメタライズ基板とピンの断面図である。
この実施形態は、図１〜図３の実施形態と図４〜図６の実施形態とを組み合わせたものである。すなわち、図８に示すようにアルミナメタライズ基板１の上面側には貫通ビア１１とこの貫通ビア１１から中心方向へ帯状に延びるメタライズパターン１２とが形成され、アルミナメタライズ基板１の下面側には貫通ビア１１に連なる貫通孔１４が形成されている。
【００３６】
金属ステム４とピン２は図１〜図６の実施形態と同様にして形成され、アルミナメタライズ基板１と、ピン２がガラス封止された金属ステム４とをカーボン製治具に搭載し、ピン２の先端部をアルミナメタライズ基板１の裏面から貫通孔１４に挿入し、ピン２の先端面を銀ロウ材によって温度８００℃で貫通ビア１１の下端面にロウ付けする。
【００３７】
この実施形態においても、アルミナメタライズ基板１上には比較的径の小さな貫通ビア１１と比較的面積の小さなメタライズパターン１２とが現れるだけであるため、複数の半導体素子を配列する上でのレイアウトの自由度を確保できる。
【００３８】
図９はこの発明のさらに他の実施形態における半導体パッケージの外観斜視図である。この実施形態は、アルミナメタライズ基板１をセラミックの積層構造とし、アルミナメタライズ基板１上にアレイ状大型半導体素子１８を搭載し、メタライズパターン１２とアレイ状大型半導体素子１８とをワイヤーボンディング接続したものである。なお、アレイ状大型半導体素子１８に代えてバー状大型半導体素子を搭載するようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、基板の一方表面に例えばアレイ状半導体素子やバー状半導体素子などに接続される表面導体が形成され、表面導体に接続されるピンが導電性に優れたロウ材または半田によって強固に固着されかつ基板の他方面に接した金属ステムが設けられ、金属ステムの基板に接する面積の範囲内における絶縁体部分を除いた面積に比べて、基板の表面導体を除いた面積の方を大きくすることにより、基板上に絶縁体部分が露出することがなく、表面導体を除く領域を半導体素子を搭載するための領域として活用できる。したがって、半導体素子の搭載数を最大限に高めて高密度実装が可能になり、複数の半導体素子を配列するときのレイアウトの自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態における半導体パッケージの分解斜視図である。
【図２】この発明の一実施形態における半導体パッケージを組み立てた状態を示す斜視図である。
【図３】図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面図および貫通孔内を内導体で充填した例の断面図である。
【図４】この発明の他の実施形態における半導体パッケージの分解斜視図である。
【図５】この発明の他の実施形態における半導体パッケージを組み立てた状態を示す斜視図である。
【図６】図５の線ＶＩ−ＶＩに沿う断面図である。
【図７】この発明のさらに他の実施形態におけるアルミナメタライズ基板とピンの断面図である。
【図８】この発明のさらに他の実施形態におけるアルミナメタライズ基板とピンの断面図である。
【図９】この発明のさらに他の実施形態における半導体パッケージの外観斜視図である。
【図１０】特開平１１−１３５６９０号公報に記載されている半導体ステムの要部概略を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ アルミナメタライズ基板
２ ピン、
３ ペレット
４ 金属ステム
５ 発光素子
６ 受光素子
７ ボンディングワイヤー
１１ 貫通ビア
１２，１３、１６ メタライズパターン
１４ 孔
１８ アレイ状半導体素子
２５，２６ 内導体
４１ 上段部
４２ 下段部
４３ 貫通孔

Claims (9)

1. 半導体素子を搭載するための半導体パッケージであって、
   一方表面に半導体素子に接続される表面導体が形成された基板と、
   前記表面導体に接続されるピンが絶縁体によって封止されかつ前記基板の他方面に接して設けられる金属ステムとを備え、
   前記金属ステムの前記基板に接する面積の範囲内における前記絶縁体部分を除いた面積に比べて、前記基板の前記表面導体を除いた面積の方が大きいことを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記半導体素子は、アレイ状またはバー状の大型半導体素子を含む、請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記基板は、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムで形成される、請求項１に記載の半導体パッケージ。
4. 前記基板は、その一方表面から他方表面に達する導通孔と、前記導通孔の内周面に形成されるかまたは内周面に充填されて前記表面導体に接続される内導体と、前記内導体に接続されかつ他方表面側に形成される裏面導体とを含み、
   前記ピンはその先端面が前記裏面導体に接続される、請求項１または３に記載の半導体パッケージ。
5. 前記ピンは前記裏面導体にロウ付けまたは半田付けされる、請求項４に記載の半導体パッケージ。
6. 前記基板は、その一方表面から他方表面に貫通する貫通孔を含み、前記表面導体は前記貫通孔の一方表面側の開口部を囲うように形成されていて、
   前記ピンはその先端部が前記基板の前記貫通孔に挿入されて、前記表面導体に接続される、請求項１または３に記載の半導体パッケージ。
7. 前記ピンは前記表面導体にロウ付けまたは半田付けされる、請求項６に記載の半導体パッケージ。
8. 前記基板は、一方表面側から他方表面側に形成される貫通孔と、前記貫通孔の前記一方表面側内周面に形成される内導体とを含み、
   前記ピンはその先端部が前記基板の他方表面側から前記貫通孔に挿入されて前記内導体に接続される、請求項１または３に記載の半導体パッケージ
9. 前記ピンは前記内導体にロウ付けまたは半田付けされる、請求項８に記載の半導体パッケージ。

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