JP2022103963A - 半導体パッケージ用ステム - Google Patents
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Abstract
【課題】リードの封止性を確保した半導体パッケージ用ステムの提供。【解決手段】本半導体パッケージ用ステムは、貫通孔が形成されたアイレットと、前記貫通孔に挿入されたリードと、前記貫通孔内において前記リードを封止する封止部と、を有し、前記アイレットの主材料は、４５％Ｎｉ－Ｆｅであり、前記アイレットの熱膨張係数は、前記封止部の熱膨張係数より大きい。【選択図】図１
Description
本発明は、半導体パッケージ用ステムに関する。
発光素子を搭載する半導体パッケージ用ステムにおいて、例えば、円板状のアイレットに、アイレットの上面から突出する金属ブロックを設け、金属ブロックの一面を、発光素子を搭載する素子搭載面とする構造が知られている。アイレットにはリードを挿入する貫通孔が設けられ、リードは貫通孔内にガラス等の封止部により封止される。
上記のような半導体パッケージ用ステムは、発光素子としてレーザが搭載されて高速の光通信に使用される場合があり、このような場合、良好な高周波特性を得るために、リードのガラス封止部のインピーダンスを適切な値に近づける必要がある。そのために、例えば、アイレットや封止部などの材料として、従来とは異なる材料が検討されている。
しかしながら、アイレットや封止部などの材料はリードの封止性にも影響を与えるため、リードのガラス封止部のインピーダンスを適切な値に近づける際に、リードの封止性が不十分となるおそれがあった。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、リードの封止性を確保した半導体パッケージ用ステムの提供を課題とする。
本半導体パッケージ用ステムは、貫通孔が形成されたアイレットと、前記貫通孔に挿入されたリードと、前記貫通孔内において前記リードを封止する封止部と、を有し、前記アイレットの主材料は、４５％Ｎｉ－Ｆｅであり、前記アイレットの熱膨張係数は、前記封止部の熱膨張係数より大きい。
開示の技術によれば、リードの封止性を確保した半導体パッケージ用ステムを提供できる。
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であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）はリード近傍の部分拡大断面図である。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平面図である。
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、アイレット１０と、金属ブロック２０と、基板３０と、第１リード４１と、第２リード４２と、第３リード４３と、第４リード４４と、第５リード４５と、第６リード４６と、封止部５０とを有する。半導体パッケージ用ステム１は、例えば、光通信用レーザのステムとして用いることができる。なお、基板３０は、必要に応じて設けられる。
アイレット１０は、円板状の部材である。アイレット１０の直径は、特に制限がなく、目的に応じて適宜決定できるが、例えば、φ３．８ｍｍやφ５．６ｍｍ等である。アイレット１０の厚さは、特に制限がなく、目的に応じて適宜決定できるが、例えば、１．０～１．５ｍｍ程度である。アイレット１０は、例えば、金属材料から形成できる。アイレット１０の表面に金めっき等を施してもよい。
なお、本願において、円板状とは、平面形状が略円形で所定の厚さを有するものを指す。直径に対する厚さの大小は問わない。また、部分的に凹部や凸部、貫通孔等が形成されているものも含むものとする。また、本願において、平面視とは対象物をアイレット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アイレット１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
アイレット１０の外縁部に、平面視において、外周側から中心側に窪んだ形状の１つ以上の切り欠き部が形成されてもよい。切り欠き部は、例えば、平面形状が略三角状や略四角状の窪みである。切り欠き部は、例えば、半導体パッケージ用ステム１に発光素子を搭載する際の素子搭載面の位置出し等に用いることができる。また、切り欠き部は、例えば、半導体パッケージ用ステム１の回転方向の位置出し等に用いることができる。
金属ブロック２０は、アイレット１０の上面１０ａに突起する柱状の部材である。金属ブロック２０の第１リード４１側を向く側面は、基板３０を固定するための基板固定面である。
金属ブロック２０は、例えば、鉄や銅等の金属材料から形成できる。金属ブロック２０は、例えば、ろう材等の導電材料によりアイレット１０に接合されている。金属ブロック２０は、例えば、直方体状であるが、基板３０を固定可能な形状であれば、任意の形状としてよい。
基板３０は、金属ブロック２０の基板固定面に固定されている。基板３０の表面（第１リード４１側を向く面）には、信号パターン３０Ｓ及び接地パターン３０Ｇを含む配線が設けられている。基板３０の裏面（金属ブロック２０側を向く面）には、接地パターン３０Ｇがベタ状に設けられている。基板３０の表面の接地パターン３０Ｇと裏面の接地パターン３０Ｇは、基板３０を貫通するスルーホールを介して電気的に接続されている。
基板３０の裏面側は、ろう材（例えば、金錫合金）等の導電材料により、金属ブロック２０の基板固定面に固定されている。これにより、基板３０の裏面の接地パターン３０Ｇは金属ブロック２０と導通し、金属ブロック２０はＧＮＤ電位（基準電位）となる。
基板３０は、例えば、セラミックス製である。より詳しくは、基板３０は、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）製や窒化アルミニウム製である。信号パターン３０Ｓ及び接地パターン３０Ｇは、例えば、タングステンやチタン、金等から形成できる。信号パターン３０Ｓ及び接地パターン３０Ｇの表面に、金めっき等が形成されてもよい。
第１リード４１、第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６は、アイレット１０を上面１０ａ側から下面１０ｂ側に貫通する貫通孔１０ｘ内に、長手方向をアイレット１０の厚さ方向に向けて挿入されている。そして、第１リード４１、第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６は、各貫通孔１０ｘ内において周囲を封止部５０に封止されている。
第１リード４１の一部は、アイレット１０の上面１０ａから上側に突出している。第１リード４１のアイレット１０の上面１０ａからの突出量は、例えば、０～０．３ｍｍ程度である。第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６の一部は、アイレット１０の上面１０ａから上側に突出している。第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６のアイレット１０の上面１０ａからの突出量は、例えば、０～２ｍｍ程度である。
また、第１リード４１、第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６の一部は、アイレット１０の下面１０ｂから下側に突出している。第１リード４１、第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６のアイレット１０の下面１０ｂからの突出量は、例えば、６～１０ｍｍ程度である。
第１リード４１、第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６は、例えば、金属から構成されており、封止部５０は、例えば、ガラス等の絶縁材料から構成されている。第１リード４１、第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６の表面に、金めっき等が形成されてもよい。
第１リード４１のアイレット１０の上面１０ａから上側に突出している部分は、ろう材（例えば、金錫合金）等により、基板３０の信号パターン３０Ｓと電気的に接続されている。これにより、インピーダンスマッチングを取ることが可能となる。第１リード４１は、信号パターン３０Ｓを介して半導体パッケージ用ステム１に搭載される発光素子と電気的に接続される信号が通る経路となる。第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６は、例えば、ＧＮＤや、半導体パッケージ用ステム１に搭載される素子やセンサと電気的に接続される信号が通る経路となる。半導体パッケージ用ステム１に搭載される素子やセンサとは、例えば、ペルチェ素子や温度センサである。なお、リードの本数は限定されず、必要に応じて増減してよい。
第１リード４１、第２リード４２、第３リード４３、第４リード４４、第５リード４５、及び第６リード４６の線径（直径）は、例えば、０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下程度である。上記のように、第１リード４１は、半導体パッケージ用ステム１に搭載される発光素子と電気的に接続される信号が通る経路となる。そのため、インピーダンスを大きくするために、第１リード４１は、できるだけ線径が細いことが好ましい。強度とインピーダンスを考慮すると、第１リード４１の線径は、０．２ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下とすることが好ましい。
一方、ＧＮＤ等に使用される第２リード４２～第６リード４６の線径は、ある程度太くしてインピーダンスを小さくする方が好ましく、具体的には、製品の大きさも考慮して、０．３ｍｍ以上０．４ｍｍ以下とすることが好ましい。このように、半導体パッケージ用ステム１では、半導体パッケージ用ステム１に搭載される発光素子と電気的に接続される信号が通る経路となるリードの線径は、その他のリードの線径よりも細いことが好ましい。
〈インピーダンス〉
従来、光通信用（２５Ｇｂｐｓ用等）に使用される半導体パッケージ用ステムにおいて、リードのガラス封止部のインピーダンスは２０Ω程度である。しかし、近年、さらに大容量に対応した光通信用（１００Ｇｂｐｓ用等）に使用される半導体パッケージ用ステムが必要となりつつあり、この場合、リードのガラス封止部のインピーダンスを５０Ωに近づけたいという要望がある。
従来、光通信用（２５Ｇｂｐｓ用等）に使用される半導体パッケージ用ステムにおいて、リードのガラス封止部のインピーダンスは２０Ω程度である。しかし、近年、さらに大容量に対応した光通信用（１００Ｇｂｐｓ用等）に使用される半導体パッケージ用ステムが必要となりつつあり、この場合、リードのガラス封止部のインピーダンスを５０Ωに近づけたいという要望がある。
リードのガラス封止部のインピーダンスを大きくするには、リードを挿入する貫通孔を大きくする、リードの線径を細くする、リードを封止する封止部に誘電率の低い材料を使用する、などが考えられる。この中で、製品の寸法制約等から、リードを挿入する貫通孔を大きくすることは困難である。そのため、半導体パッケージ用ステム１では、信号が通る経路となる第１リード４１の線径を他のリードの線径よりも小さくすると共に、封止部５０に従来よりも誘電率の低い材料を使用している。
従来の半導体パッケージ用ステムの封止部に使用していたガラスの誘電率（１ＭＨｚ、２５℃）は、８以上９以下程度である。これに対して、半導体パッケージ用ステム１では、封止部５０に使用する材料として、リードのガラス封止部のインピーダンスを大きくするために、従来よりも誘電率の低いガラスを使用している。
封止部５０に使用するガラスの誘電率（１ＭＨｚ、２５℃）は、４以上７以下が好ましく、４以上６以下がより好ましく、４以上５以下がさらに好ましい。誘電率（１ＭＨｚ、２５℃）が４以上７以下であるガラスとしては、例えば、Ｎａ２Ｏ、ＢａＯ、及びＳｉＯ２を含むガラスや、Ｎａ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、及びＳｉＯ２を含むガラスが挙げられる。誘電率をより低くできる点では、後者の方が好ましい。また、良好な高周波特性を得るために、封止部５０に使用するガラスのｔａｎδ（１ＭＨｚ、２５℃）は、５×１０－４以下が好ましい。
例えば、第１リード４１の線径を０．２ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下、貫通孔１０ｘの直径を０．７５ｍｍ以上０．８５ｍｍ以下とし、封止部５０に使用するガラスの誘電率（１ＭＨｚ、２５℃）を４とした場合、第１リード４１のインピーダンスは４０Ω程度となる。
〈気密封止〉
半導体パッケージ用ステム１では、アイレット１０の熱膨張係数を、封止部５０や各リードの熱膨張係数に比べて大きくしている。半導体パッケージ用ステム１の製造工程では、アイレット１０に形成した貫通孔１０ｘに各リードを挿入し、各リードの周囲に封止部５０となるガラスを充填する。そして、封止部５０となるガラスをアイレット１０と共に加熱して溶融させた後、冷却して固化させる際に、封止部５０や各リードよりも熱膨張係数の大きいアイレット１０の熱収縮力を用いて、封止部５０を介してアイレット１０に各リードを気密封止する。
半導体パッケージ用ステム１では、アイレット１０の熱膨張係数を、封止部５０や各リードの熱膨張係数に比べて大きくしている。半導体パッケージ用ステム１の製造工程では、アイレット１０に形成した貫通孔１０ｘに各リードを挿入し、各リードの周囲に封止部５０となるガラスを充填する。そして、封止部５０となるガラスをアイレット１０と共に加熱して溶融させた後、冷却して固化させる際に、封止部５０や各リードよりも熱膨張係数の大きいアイレット１０の熱収縮力を用いて、封止部５０を介してアイレット１０に各リードを気密封止する。
半導体パッケージ用ステム１では、アイレットの主材料は、４５％Ｎｉ－Ｆｅ（Ｎｉを４５％含有するＦｅＮｉ合金）であると好適である。ここで、主材料とは、全材料の５０質量％以上を占める材料を意味する。アイレット１０は、例えば、主材料以外にめっき成分等を含んでもよい。４５％Ｎｉ－Ｆｅの熱膨張係数は、７０×１０－７／℃以上８０×１０－７／℃以下である。
また、封止部５０の主材料は、前述のように、誘電率（１ＭＨｚ、２５℃）が４以上７以下のガラスであると好適である。封止部５０は、例えば、主材料以外にフィラー等を含んでもよい。封止部５０の主材料となるガラスの熱膨張係数は、３０×１０－７／℃以上３５×１０－７／℃以下である。この場合、アイレット１０の熱膨張係数と封止部５０の熱膨張係数との差は、３５×１０－７／℃以上５０×１０－７／℃以下程度となり、上記の原理による気密封止が可能となる。
また、各リードの熱膨張係数は、アイレット１０の熱膨張係数よりも小さく、かつ封止部５０の熱膨張係数よりも大きければよいが、封止部５０の熱膨張係数に近い方が好ましい。各リードの主材料は、コバールであると好適である。各リードは、例えば、主材料以外にめっき成分等を含んでもよい。コバールの熱膨張係数は、４５×１０－７／℃以上５５×１０－７／℃以下であり、アイレット１０の熱膨張係数よりも小さく、かつ封止部５０の熱膨張係数よりも大きい。各リードの熱膨張係数をアイレット１０の熱膨張係数よりも小さく、かつ封止部５０の熱膨張係数よりも大きくすることで、気密封止に寄与できる。
表１に示すように、いずれのサンプルについても各温度でリークは確認できなかった。すなわち、各サンプルの作製に用いた上記の主材料の組み合わせにより、アイレット１０の熱収縮力を用いた気密封止が可能であることが確認できた。
このように、半導体パッケージ用ステム１では、封止部５０の主材料として誘電率（１ＭＨｚ、２５℃）が４以上７以下のガラスを用いるとともに、第１リード４１の線径を０．２ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下に小径化している。これにより、半導体パッケージ用ステム１に搭載される発光素子と電気的に接続される信号が通る経路となる第１リード４１のインピーダンスを５０Ωに近づけることができる。
また、半導体パッケージ用ステム１では、アイレット１０の熱膨張係数を、封止部５０や各リードの熱膨張係数に比べて大きくしている。具体的には、封止部５０の主材料として誘電率（１ＭＨｚ、２５℃）が４以上７以下のガラスを用い、アイレット１０の主材料として４５％Ｎｉ－Ｆｅを用いる。これにより、上記のようなアイレット１０の熱収縮力を用いた気密封止が可能となる。
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 アイレット
１０ａ 上面
１０ｂ 下面
１０ｘ 貫通孔
２０ 金属ブロック
３０ 基板
３０Ｇ 接地パターン
３０Ｓ 信号パターン
４１ 第１リード
４２ 第２リード
４３ 第３リード
４４ 第４リード
４５ 第５リード
４６ 第６リード
５０ 封止部
１０ アイレット
１０ａ 上面
１０ｂ 下面
１０ｘ 貫通孔
２０ 金属ブロック
３０ 基板
３０Ｇ 接地パターン
３０Ｓ 信号パターン
４１ 第１リード
４２ 第２リード
４３ 第３リード
４４ 第４リード
４５ 第５リード
４６ 第６リード
５０ 封止部
Claims (10)
- 貫通孔が形成されたアイレットと、
前記貫通孔に挿入されたリードと、
前記貫通孔内において前記リードを封止する封止部と、を有し、
前記アイレットの主材料は、４５％Ｎｉ－Ｆｅであり、
前記アイレットの熱膨張係数は、前記封止部の熱膨張係数より大きい、半導体パッケージ用ステム。 - 前記封止部の主材料は、ガラスである、請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。
- 前記ガラスの誘電率は、４以上７以下である、請求項２に記載の半導体パッケージ用ステム。
- 前記リードの熱膨張係数は、前記アイレットの熱膨張係数よりも小さく、かつ前記封止部の熱膨張係数よりも大きい、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。
- 前記リードの主材料は、コバールである、請求項４に記載の半導体パッケージ用ステム。
- 前記アイレットに固定された基板を有し、
前記リードは、前記基板の配線と電気的に接続されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。 - 前記基板は、セラミックス製である、請求項６に記載の半導体パッケージ用ステム。
- 前記基板は、酸化アルミニウム製、又は窒化アルミニウム製である、請求項７に記載の半導体パッケージ用ステム。
- 前記リード及び前記配線は、前記アイレットに搭載される発光素子と電気的に接続される信号が通る経路となる、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。
- 前記アイレットは、他の貫通孔を有し、
前記他の貫通孔には、他のリードが挿入され、
前記リードの線径は、前記他のリードの線径よりも小さい、請求項６乃至９のいずれか一項に記載の半導体パッケージ用ステム。
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