JP2022090839A - 半導体パッケージ用ステム - Google Patents

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Abstract

【課題】キャップが接合される対象物の反りを抑制した半導体パッケージ用ステムを提供すること。【解決手段】本半導体パッケージ用ステムは、板体と、平面視で前記板体の外周側に位置し、前記板体に接合された枠体と、前記板体及び前記枠体と絶縁された状態で保持されたリード端子と、を有し、前記板体は、前記枠体の上面及び下面から突出し、前記上面からの突出量と前記下面からの突出量が等しい。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体パッケージ用ステムに関する。
発光素子等の半導体素子を搭載する半導体パッケージ用ステムにおいて、例えば、長方形のベースに貫通孔を形成し、貫通孔内にリード端子をガラス封止した構造が知られている。ベースは半導体素子を搭載する素子搭載面を有している。この半導体パッケージ用ステムは、ベースの素子搭載面に半導体素子を搭載してリード端子と電気的に接続後、ベースの周縁部にキャップを溶接等により接合し、半導体パッケージとなる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４－２３５２１２号公報
上記のような半導体パッケージ用ステムにおいて、ベースとキャップとを気密性を確保しつつ接合するためには、ベースの平面度が重要であるため、ベースの反りを抑制することが求められている。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、キャップが接合される対象物の反りを抑制した半導体パッケージ用ステムを提供することを課題とする。
本半導体パッケージ用ステムは、板体と、平面視で前記板体の外周側に位置し、前記板体に接合された枠体と、前記板体及び前記枠体と絶縁された状態で保持されたリード端子と、を有し、前記板体は、前記枠体の上面及び下面から突出し、前記上面からの突出量と前記下面からの突出量が等しい。
開示の技術によれば、キャップが接合される対象物の反りを抑制した半導体パッケージ用ステムを提供できる。
本実施形態に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図（その１）である。 本実施形態に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図（その２）である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
図１は、本実施形態に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図（その１）であり、図１（ａ）は上面側から視た斜視図、図１（ｂ）は下面側から視た斜視図である。図２は、本実施形態に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図（その２）であり、図２（ａ）は上面側から視た部分断面斜視図、図２（ｂ）は部分断面図である。
図１及び図２を参照すると、本実施形態に係る半導体パッケージ用ステム１は、板体１０と、枠体２０と、リード保持部材３０と、複数のリード端子４０と、封止部５０とを有する。
板体１０は、例えば、平面視で長方形状であり、上面１０ａ及び下面１０ｂを有する。板体１０は、例えば、長手方向の長さが４０ｍｍ～６０ｍｍ程度、短手方向の長さが２０ｍｍ～４０ｍｍ程度、厚さが３ｍｍ～４ｍｍ程度である。
板体１０の上面１０ａには、半導体レーザ等の半導体素子を複数個実装可能である。つまり、板体１０の上面１０ａは、半導体素子を複数個実装可能な素子搭載面である。板体１０の下面１０ｂは、ヒートシンク等と熱的に接続し、半導体素子の熱を放散するための放熱面として利用してもよい。
搭載される半導体素子の放熱の観点から、板体１０の熱伝導率は枠体２０の熱伝導率よりも大きいことが好ましい。板体１０の材料としては、例えば、セラミックや金属を用いることができるが、放熱性向上のためには金属を用いることが好ましい。好ましい金属としては、例えば、銅、銅合金等が挙げられる。
なお、本願において、平面視とは対象物を板体１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を板体１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
枠体２０は、平面視で板体１０の外周側に位置し、板体１０に接合されている。枠体２０は、例えば、平面視で額縁状である。枠体２０の外縁は、例えば、長手方向の長さが５０ｍｍ～７０ｍｍ程度、短手方向の長さが３０ｍｍ～５０ｍｍ程度、厚さが１ｍｍ～２ｍｍ程度である。枠体２０の内縁は、板体１０の大きさに合わせて決定され、板体１０の外縁と同程度である。枠体２０の材料としては、例えば、鉄やステンレス等の金属を使用できる。例えば、枠体２０の内側面の全体が板体１０の側面と接合されている。枠体２０の内側面と板体１０の側面との接合には、例えば、金属接合材を使用できる。金属接合材としては、例えば、銀ろうが挙げられる。
枠体２０は、枠体２０を上面２０ａから下面２０ｂに貫通する複数の貫通孔２０ｘを有している。貫通孔２０ｘの平面形状は例えば円形であり、直径は例えば１．５ｍｍ～３．０ｍｍ程度である。枠体２０の下面２０ｂの各々の貫通孔２０ｘの近傍には、リード保持部材３０が接合されている。リード保持部材３０の材料としては、例えば、鉄やステンレス等の金属を使用できる。枠体２０とリード保持部材３０は同一材料からなることが好ましい。これは、ろう付け時の熱膨張差による反りを低減するためである。
リード保持部材３０は、例えば、円柱状の大径部３１と、大径部３１よりも径が小さい円柱状の小径部３２が同心的に形成された部材である。小径部３２が貫通孔２０ｘ内に挿入され、枠体２０と接合されている。具体的には、小径部３２の側面と貫通孔２０ｘの内側面、及び大径部３１の上面と枠体２０の下面２０ｂとが接合されている。枠体２０とリード保持部材３０との接合には、例えば、金属接合材を使用できる。金属接合材としては、例えば、銀ろうが挙げられる。
リード保持部材３０は、大径部３１及び小径部３２を厚さ方向に貫通する貫通孔３０ｘを有している。リード保持部材３０は、貫通孔３０ｘが貫通孔２０ｘと連通するように、枠体２０の下面２０ｂ側に固定されている。貫通孔３０ｘには、リード端子４０が挿入されている。リード端子４０は、板体１０、枠体２０、及びリード保持部材３０と絶縁された状態で保持されている。具体的には、リード端子４０は、貫通孔２０ｘ及び貫通孔３０ｘの内側面と接することなく、リード保持部材３０の貫通孔３０ｘ内に保持されている。リード端子４０は、板体１０に搭載される半導体素子を外部と電気的に接続するための部材である。リード端子４０の材料としては、コバール、鉄ニッケル合金等が挙げられる。
リード端子４０の端部は、貫通孔３０ｘより突出してもよい。また、リード端子４０の端部は、枠体２０の上面２０ａから突出してもよいが、枠体２０の上面２０ａから突出しないように、リード保持部材３０で保持されている方が、リード端子４０の長さを短くできる点で好ましい。リード端子４０の長さを短くすることにより、板体１０に搭載される半導体素子とリード端子４０とを超音波でワイヤーボンドする際に生じやすい超音波の周波数による共振を抑えることができる。リード保持部材３０の厚さは、例えば、１ｍｍ～３ｍｍ程度である。リード保持部材３０の厚さを１ｍｍ～３ｍｍ程度とすることにより、リード端子４０をより強固に保持できる。
貫通孔３０ｘ内のリード端子４０の外周側には絶縁性の封止部５０が設けられている。つまり、リード端子４０は、絶縁性の封止部５０を介してリード保持部材３０の貫通孔３０ｘ内に保持されている。貫通孔３０ｘは、１つのリード端子４０に対して１つずつ設けられることが好ましい。これにより、リード端子４０とリード保持部材３０との間を封止部５０によって確実に封止できる。
封止部５０の材料としては、例えば、ガラス材料を使用できる。板体１０に搭載される半導体素子を気密封止するために、封止部５０の材料は、リード保持部材３０及びリード端子４０と熱膨張係数が比較的近いことが好ましい。このような材料としては、例えば、ホウケイ酸ガラスが挙げられる。
半導体パッケージ用ステム１では、板体１０は、枠体２０よりも厚く形成されている。板体１０の上面１０ａ側は枠体２０の上面２０ａから突出し、板体１０の下面１０ｂ側は枠体２０の下面２０ｂから突出している。例えば、板体１０の上面１０ａ側の全体が枠体２０の上面２０ａから突出すると共に、板体１０の下面１０ｂ側の全体が枠体２０の下面２０ｂから突出する。
板体１０の上面１０ａ側の枠体２０の上面２０ａからの突出量Ｔ１は、板体１０の下面１０ｂ側の枠体２０の下面２０ｂからの突出量Ｔ２と等しい。突出量Ｔ１及び突出量Ｔ２は、例えば、０．５ｍｍ～１．５ｍｍ程度である。なお、本願において、突出量Ｔ１と突出量Ｔ２とが等しいとは、突出量Ｔ２が突出量Ｔ１±１００μｍの範囲内であること意味する。なお、突出量Ｔ１と突出量Ｔ２とを等しくするためには、板体１０と枠体２０との接合に、寸法精度のよい専用治具を用いることができる。
半導体パッケージ用ステム１は、板体１０の上面１０ａ（素子搭載面）に半導体素子を搭載してリード端子４０と電気的に接続後、枠体２０の上面２０ａにキャップを溶接等により接合し、半導体パッケージとなる。この際、板体１０及び枠体２０の反りが問題となる。板体１０及び枠体２０の反りが大きいと、枠体２０の上面２０ａにキャップを溶接等により接合することが困難となる。
発明者らは、検討のため、枠体を板体よりも大きな長方形の第２板体に置き換え、第２板体上に長方形の板体を接合して板体の周囲に第２板体の外周部を露出させた比較用の半導体パッケージ用ステムＡを作製した。板体は銅から作製し、第２板体は鉄から作製し、リード端子は第２板体の外周部に設けた貫通孔にガラスで封止した。半導体パッケージ用ステムＡにおいて、板体及び第２板体の反りは２００μｍ程度であった。この状態では、第２板体とキャップとを気密性を確保しつつ接合することが困難であった。
次に、発明者らは、半導体パッケージ用ステム１と同様に、板体を枠体の上面及び下面から突出させ、板体の枠体上面からの突出量と枠体下面からの突出量を等しくした構造の半導体パッケージ用ステムＢを作製した。ただし、半導体パッケージ用ステムＢでは、リード保持部材は用いずに、リード端子は枠体に設けた貫通孔にガラスで封止した。半導体パッケージ用ステムＢでは、板体及び枠体の材料並びに枠体の厚さは、半導体パッケージ用ステムＡと同じとし、板体の厚さは、枠体の上下面からの突出量が１ｍｍとなるようにした。半導体パッケージ用ステムＢにおいて、板体及び枠体の反りは１００μｍ程度であった。この状態では、枠体とキャップとを気密性を確保しつつ接合することが可能であった。
次に、発明者らは、半導体パッケージ用ステム１を作製した。半導体パッケージ用ステム１は、鉄製のリード保持部材３０を用いてリード端子４０をガラスで封止した以外は半導体パッケージ用ステムＢと同一条件で作製した。半導体パッケージ用ステム１において、板体１０及び枠体２０の反りは５０μｍ以下であった。この状態では、枠体とキャップとを気密性を確保しつつ接合することが可能であり、気密性が一層向上した。
なお、反りの評価は、非接触３次元測定機による凹凸測定により行った。具体的には、板体の中で最も高さの低い点と最も高さの高い点との差を測定し、板体の反りの大きさとした。同様に、枠体の中で最も高さの低い点と最も高さの高い点との差とを測定し、枠体の反りの大きさとした。
一般に、半導体パッケージ用ステムにおいて、板体は放熱性を重視し、枠体はリード端子を封止する封止部との熱膨張率の差を利用した気密性を重視する。従って、板体と枠体には異なる材料が用いられる。そのため、板体と枠体との熱膨張率の相違により、例えば８００℃付近でのろう付けにより応力を生じ、反りが発生する。
半導体パッケージ用ステム１のように、板体１０を枠体２０の上面１０ａ及び下面１０ｂから突出させ、上面２０ａからの突出量Ｔ１と下面２０ｂからの突出量Ｔ２を等しくした構造では、枠体２０の上下のバランスが向上する。そのため、板体１０と枠体２０との熱膨張率の相違による応力が緩和され、反りが抑制され、枠体２０とキャップとの接合が可能になったと考えられる。
また、半導体パッケージ用ステム１では、１つのリード保持部材３０に１本のリード端子４０を挿入している。例えば、リード保持部材を複数の貫通孔が形成された１枚の板とし、各々の貫通孔にリード端子４０を挿入する形態も考えられる。しかし、この場合、板状のリード保持部材を枠体２０にろう付けする際の面積が大きくなるため、枠体２０の反りに悪影響を及ぼす。半導体パッケージ用ステム１のように、１つのリード保持部材３０に１本のリード端子４０を挿入することで、リード保持部材３０を枠体２０にろう付けする際の面積を小さくできるため、枠体２０の反りにたいする悪影響を低減できる。
以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
１ 半導体パッケージ用ステム
１０ 板体
１０ａ、２０ａ 上面
１０ｂ、２０ｂ 下面
２０ 枠体
２０ｘ、３０ｘ 貫通孔
３０ リード保持部材
３１ 大径部
３２ 小径部
４０ リード端子
５０ 封止部

Claims (8)

  1. 板体と、
    平面視で前記板体の外周側に位置し、前記板体に接合された枠体と、
    前記板体及び前記枠体と絶縁された状態で保持されたリード端子と、を有し、
    前記板体は、前記枠体の上面及び下面から突出し、前記上面からの突出量と前記下面からの突出量が等しい、半導体パッケージ用ステム。
  2. 前記板体は、平面視で長方形であり、前記枠体は、平面視で額縁状であり、
    前記枠体の内側面の全体が前記板体の側面と接合された、請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。
  3. 前記板体の上面側の全体が前記枠体の上面から突出すると共に、前記板体の下面側の全体が前記枠体の下面から突出する、請求項１又は２に記載の半導体パッケージ用ステム。
  4. 前記枠体を貫通する第１貫通孔を有し、
    第２貫通孔を有するリード保持部材を有し、
    前記リード保持部材は、前記第２貫通孔が前記第１貫通孔と連通するように、前記枠体の下面側に固定され、
    前記リード端子は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の内側面と接することなく、前記第２貫通孔内に保持される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。
  5. 前記リード端子の端部は、前記枠体の上面から突出しないように、前記リード保持部材で保持されている、請求項４に記載の半導体パッケージ用ステム。
  6. 前記リード端子は、絶縁性の封止部を介して前記第２貫通孔内に保持されている、請求項４又は５に記載の半導体パッケージ用ステム。
  7. 前記枠体と前記リード保持部材は同一材料からなる、請求項４乃至６の何れか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。
  8. 前記板体及び前記枠体は金属であり、前記板体の熱伝導率は前記枠体の熱伝導率よりも大きい、請求項１乃至７の何れか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。
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