JP3013812B2

JP3013812B2 - 半導体容器及び半導体モジュール

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Publication number: JP3013812B2
Application number: JP9207148A
Authority: JP
Inventors: 伸好田遠
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1997-07-15
Publication date: 2000-02-28
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: US6163072A; JPH1140689A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信など高速で
動作することが必要な光エレクトロニクス用の半導体素
子のキャップ、容器、デバイスに関する。特に光素子と
半導体ＩＣを集積した半導体モジュール用の半導体気密
封止キャップ及び半導体気密封止容器に関する。小型の
半導体容器は対象にならない。低周波で動作する半導体
素子も対象の外である。高速で動作することが要求され
るデバイスを内蔵する大型容器の場合を問題にする。

【０００２】光速をｃ（３×１０¹¹ｍｍ／ｓ）、半導体
モジュール内部で使用する最大周波数をｖ（Ｈｚ）半導
体モジュールに搭載された回路基板の比誘電率をεとし
て、半導体容器の少なくとも長辺の長さＱが、Ｑ≧ｃ／
（２ｖε^1/2 ）であるような大型の半導体容器、キャッ
プに適用される。このような大型容器内で素子間の結合
によって起こる寄生発振、クロストーク、ノイズなどを
抑制できるキャップ構造を与える事が目的である。

【０００３】

【従来の技術】従来の半導体モジュールにおいては、半
導体容器に、光素子（ＬＤ、ＰＤ、ＬＥＤ）、コンデン
サ、フィルタ、回路基板などの要素をダイボンド、ワイ
ヤボンド、溶接などによって実装し、その後、１枚の金
属板、またはセラミック板のキャップをかぶせて容器を
気密封止していた。ここで言う半導体容器はプラスチッ
クモールドのようなメモリやその他のＩＣなどのパッケ
ージなどとは違う。セラミックの容器であり大型で高価
なものである。容器本体と蓋（キャップ）とからなる。
何れもセラミックである。本体は表面の一部にメタライ
ズが施されていることもある。蓋はセラミックそのまま
であることが多いが、蓋と本体を溶接する場合は一部を
メタライズすることもある。本体には、メタライズ配線
が印刷される。メタライズ配線の終端部にはおのおのリ
ードが取り付けられる。リードフレームはメタライズ面
に鑞付けすることが多い。

【０００４】目的によってセラミック容器の寸法構造は
多様であるが、配線パターンを有し半導体素子を実装し
た回路基板を本体に取り付けるようになっている。時に
は底部に熱伝導をたかめるためにＣｕＷ等の底板を設け
ることもある。回路の配線の終端とリードはワイヤボン
デイングによって接続する。配線基板はエポキシ樹脂の
場合もあるし、アルミナのようなセラミックの場合もあ
る。通常の電子デバイスの場合は冷却に余り配慮する必
要はなくセラミックの優れた熱伝導率に頼って自然放冷
でも十分なこともある。しかしレーザのように発熱の甚
だしいものは温度安定のためにペルチエ素子のようなも
のを容器に入れる必要がある。半導体容器の気密封止に
は２種類ある。一つはキャップの周囲を薄層化して、半
導体容器の側壁部の上面に嵌込んだ後に周囲を溶接して
付ける方法である。もうひとつは、キャップにＡｕＳｎ
などの半田を付けておき、半導体容器の側壁部に直接に
半田付けする方法である。図１は従来例にかかるＰＤモ
ジュールの分解斜視図である。

【０００５】セラミック容器本体１は上部の開口した矩
形状の容器である。セラミック枠とセラミック板を積層
してこのような形状を作る。側壁には端子板２があって
メタライズ配線を持つ。その終端にリード３が鑞づけさ
れている。容器本体１の中には回路基板４が収容され
る。基板４には予め配線が形成されその上にＰＤ５、ア
ンプＩＣ６など半導体素子が半田付けされている。これ
は受光素子モジュールの例であるからＰＤチップが存在
する。蓋９は本体１の上部開口を被蓋する。図２は蓋の
みを示すが、これは周囲を薄層化１０したものである。
内縁１１が本体１の開口縁にはまり込むようになってい
る。容器は大きくて内部に広い自由空間が存在する。動
作速度が比較的低いものであればこのように容器内に広
い連続する空間が存在するようなものであっても差し支
えない。しかし高速動作する場合はそのような容器では
不十分である。素子間、配線間でクロストークが起こり
ノイズが大きくときに寄生発振が起こる事もある。

【０００６】高周波動作に於けるクロストークや発振に
よるノイズを減らすために容器の内部に仕切壁を設けた
工夫がいくつか提案されている。仕切によって電波が空
間を伝送して他の素子と結合するのを防ごうという発想
である。例えば、特開平７ー２３４３３７号「光通信用モジュール構
造」はＩＣチップを有する容器内においてキャップから
１枚の突起物を垂下して入力出力側のクロストークを減
らすような構造を提案している。一枚の金属板をボルト
によってキャップに固定している。実開平１−１０７１４１号「高周波半導体装置」は半
導体容器の中に垂直に導電性のシールド板を設け入力側
と出力側のクロストークを防ぐような形態を提案してい
る。丁度中間に一枚の金属板をキャップから垂らしてい
る。入力側と出力側が中心に関して対称であるからや
は中間にあって入力出力間の結合を妨げることができ
る。

【０００７】特開平６−１１２３４５号「高周波集
積回路の実装方法および実装構造」は高周波で動作する
集積回路を収容した容器と基板の間の接地電位の揺らぎ
を問題にする。細いスルーホールによって回路基板のＧ
ＮＤとケースを接続するが周波数が高いとＧＮＤ電位が
ケース、基板によって同一にならない。ケースを閉じる
と動作状態が変化してしまう、そこで容器の中に大きい
導体の塊を収容しこれを基板のＧＮＤとケースの両方に
直接に接続する。細線でつながないので、ケースと回路
基板のＧＮＤが揺らぐことはない、という。特開平２
−２８３５０「高周波半導体装置」は対称な入力出力回
路を持つ容器であって両者の丁度中間に仕切板をもうけ
たものである。Satoshi Yamaguchi, Yuhki Imai, Shu
nji Kimura and Hideki Tsunetsugu,"New Module Struc
ture Using Flip-Chip Technology for High-Speed Opt
ical Communication ICs", IEEE MTT-S Digest 243(199
6)はチップサイズキャビティの概念が提案されている。
半導体素子と半導体気密容器の間の隙間を極力減らすよ
うな工夫を提案している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】近年の光エレクトロニ
クスの高機能化によって半導体容器は、半導体ＩＣや電
子部品を数多く高密度に搭載するようになってきてい
る。また高集積化によって半導体素子から出る熱も増大
しつつある。素子数の増加と放熱の必要性の高まりのた
めに光半導体容器はより大きくなる傾向にある。ところ
が一方では、情報の大容量化に合わせて光半導体モジュ
ールで扱われる信号の最大周波数はより高くなる傾向に
ある。信号周波数が高く、容器内部空間が広いので半導
体素子、電子部品、基板上の回路配線の間でクロストー
クを生じたり、共振ノイズを発生させたり、最悪の場合
は半導体ＩＣでの発振を引き起こすこともある。すると
Ｓ／Ｎ比が低下し信号が弱くなり或いは信号が歪むこと
もある。

【０００９】特開平７−２３４３３７号、実開平
１−１０７１４１号、特開平６−１１２３４５号、
特開平２−２８３５０号などはこの問題を取り上げてい
るが、いずれも１個の突起部を設けたものである。回路
が入力出力が対称である場合は有効であろうがより複雑
な回路配置では無効である。さらにより大きい容器では
ノイズを抑制する上で効果がない。また大きい遮蔽板を
キャップまたは容器本体に設けるので内部応力が発生し
やすい。キャップや本体が熱によって歪みを起こすこと
がある。熱がなくても経年変化によって反りを生ずる。
Satoshi Yamaguchi et al., IEEE MTT-S Digest 243
(1996) は素子と容器の隙間を減らすというスマートな
方法を提案しているが、半導体素子が１個しかない場合
以外実現できない。複数の素子を収容する複雑な構成の
半導体容器の中では適用できない。これも容器形状を複
雑に変えるので経年変化によって反りを生ずる。

【００１０】このような提案はいくつもなされている
が、いまだこれといって本発明者を感心させるような改
良はない。信号周波数が高くて広い空間をもつ半導体容
器において、素子間の結合による寄生発振、ノイズ、ク
ロストークを有効に防ぐ事のできる半導体容器のキャッ
プを提供する事が本発明の第１の目的である。容器内に
収容される半導体素子の数が幾つあってもクロストーク
を抑制できるキャップを与える事が本発明の第２の目的
である。そのようなキャップを持った半導体容器を提供
することが本発明の第３の目的である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体容器のキ
ャップは裏面に複数の金属製の突起部を、ｃ／（２ｖε
^1/2 ）以下の周期で設けたことを特徴とする。本発明の
半導体気密封止容器は、ｃ／（２ｖε^1/2 ）以下の周期
で金属突起部を複数個裏面に設けたキャップによって封
止した半導体容器である。本発明の半導体モジュール
は、ｃ／（２ｖε^1/2 ）以下の周期で突起部を内側に設
けたキャップによって被蓋される容器を実装したモジュ
ールである。キャップ裏面の下向きの突起部は円錐形
状、楕円錐形状、楕円錐台形状、楕円柱などである。突
起があって電波を吸収できればいいので断面図形状が直
線部を含んでいてもノイズ抑制効果はもちろんある。角
柱、角錐の突起部などでも効果がある。

【００１２】しかし突起部の断面はなるべく直線部を含
まないようにする。これは電波の突起部での反射を少な
くするためである。それで円、楕円などの断面形状とす
る。突起部は生け花の剣山のように板に周期的な間隔Ｌ
にて形成されている。図３、図４はキャップ裏面に多数
の円錐状の突起部を縦横に形成した本発明のキャップを
示す。蓋９の裏面に多数の円錐形の突起部１２、１２、
…が形成されている。本体と組合わさったときには、突
起部１２、１２、…は下向きになる。突起部は金属であ
るが、キャップの平坦部分は絶縁体であっても良い。キ
ャップ内縁１１が本体１の開口縁に嵌着される点は従来
のものと同じである。図５に示すものは、キャップ裏面
に多数の円柱状突起部１３を形成した例である。これも
縦横に規則正しく突起部を並べる。円柱の他に楕円柱や
長円柱であっても良い。

【００１３】突起部間隔Ｌはこれまでも述べてきたよう
に使用する周波数により上限が決まる。その半導体モジ
ュールが扱う信号の最大周波数をｖ（Ｈｚ）として、回
路基板の比誘電率をεとし、光速をｃ（３×１０¹⁰ｃｍ
／ｓ）とすると、０＜Ｌ＜ｃ／（２ｖε^1/2 ）という不
等式を満足するように決める。その理由は、回路基板に
おける電波の半波長λ／２以下の間隔で突起部を設ける
と回路基板上の素子又配線から生ずる電波が定在波をつ
くることができず吸収されてしまうので他の素子や回路
と結合せずクロストークを発生しない、ということであ
る。信号の周波数をｖとすると、自由空間での波長はｃ
／ｖである。回路基板は誘電体でありその上の配線を電
波が伝搬するので波長はこれを誘電率の平方根で除した
ものｃ／（ｖε^1/2 ）になる。半波長はその半分であ
り、λ／２＝ｃ／（ｖε^1/2 ）となる。電波が容器内で
定在波を作ったとすると電界強度の谷と腹の部分ができ
る。腹（電界が最高になる）の間隔はλ／２である。そ
れ以下の間隔（周期）で金属突起部があると電界の腹の
部分の何れかに突起部が接触し突起部は電界を吸収す
る、定在波ができなくなる。

【００１４】周期的な下向き突起物をキャップ裏面に形
成できる場合は上記のように最大周波数信号の半波長以
下の周期で設ければ良い。話は単純である。しかしパッ
ケージ内部での半導体素子や電子部品の配列によっては
そのように規則正しく下向きの突起部を形成する余地が
ないという事もある。その場合は、可能な部分は突起部
を規則的に配置し、不可能な部分は突起部を省くことに
する。すると突起部の間隔が一様でなくなる。これをＬ
₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，…として、その最大公約数をＬ_x とし
て、Ｌ_x が上記の不等式を満足するようにする。つまり
０＜Ｌ_x ＜ｃ／（２ｖε^1/2 ）というふうにするのであ
る。つまりこの場合でもできるだけ周期性を保持して
素子などが邪魔になる部分だけは突起部を省くというも
のである。突起部は導体であって相互に電気的に連続し
ていれば良い。突起部の形成について述べる。例えば突
起部を含む薄板を、Ａｌ合金によって形成し、キャップ
に溶接、鑞付けなどによって接合する。この場合はキャ
ップを金属とするか、絶縁体で表面に金属膜を形成する
かして接合可能にする。突起部とキャップが別体である
から、既製容器にも取り付けることができる。図３、
４、５の構造体をこのような方法によって作製すること
ができる。

【００１５】あるいは、突起部はキャップとともに射出
成形技術（ＭＩＭ）によって一体のものとして一挙に形
成することもできる。或いは粉末冶金により一体の金属
成形物とすることもできる。こうすると一挙に蓋（キャ
ップ）ができるので接合の手間を省く事ができる。この
場合は半導体素子と熱膨張率が近似するＦｅ、Ｎｉ、Ｃ
ｏ単体あるいはＦｅＮｉ合金によって突起部とキャップ
を一体に造形すれば良い。図３、図４、図５のものはこ
のような方法によっても作ることができる。さらに、突
起部はスポンジ上の発泡金属をキャップ板に張り合わせ
ることによっても作製できる。図６、図７にこのような
例を示す。図８は発泡金属の拡大図である。発泡金属は
図８のように小さい空洞を沢山持っているので体積の割
に重さは小さい。空洞の分布は無秩序であって周期性は
ない。空洞の大きさはいずれも最大周波数の信号波長よ
り短いので、信号が容器中の空間を伝搬するのを防ぐこ
とができる。発泡金属を使うと細かい突起部をキャップ
に溶接するような手間は掛からない。また異形の突起部
を含むキャップの金型を作るという手間も要らない。発
泡金属を張り付けるだけであって製作容易であるという
利点がある。

【００１６】つまり本発明は突起部の分布が周期性を持
つことを必須要件としていない。そうではなくて、突起
部が信号の波長の半分（λ／２）の中に必ず二つ以上あ
れば良いということなのである。そうであれば信号λが
容器中で定在波を作ることができない。だから容器内で
信号が他の素子へと伝達しない。以上に述べたものは容
器内での一般的な場所に於ける突起部の分布密度を規定
するものであった。それに加えて容器の端においてもク
ロストークを防ぐための工夫をなす事ができる。これは
容器の側壁と最近接の突起部との距離Ｌ_y が先述の不等
式を満たすようにする。つまり、０＜Ｌ_y ＜ｃ／（２ｖ
ε^1/2 ）ということである。突起部は相互につながって
いる導体であれば良いのであるが、さらに電波の吸収を
高めるためには、回路のグランド（ＧＮＤ＝０Ｖ）また
は電源電圧（Ｖｃｃ）に接続するようにするのが効果的
である。接続点は多い方が良い。キャップや容器の構造
を工夫することによってこれは容易に実現される。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明は、半導体気密封止容器の
キャップに複数の突起を設けるのでクロストーク、ノイ
ズを防ぐことができる。突起が１個の場合は反りが生じ
気密性が損なわれることもあるが、多数の突起を設ける
ので反りが発生しない。熱応力による歪みも低減でき
る。半導体容器の気密性を長く維持できる。ノイズ低減
のためには、半導体モジュール内部でのクロストークや
電波共振を抑制する必要がある。本発明はこのために、
半導体モジュール内部で信号周波数の電波が定在波を作
る事ができないように突起部により隙間を減らす。金属
隙間の２倍以上の波長を持つ電波はその隙間において定
在波を維持できない。つまり消滅する。それで複数の突
起部を設けて容器内の隙間を減らし、隙間の間隔が信号
電波の半波長より小さくする。

【００１８】定在波を抑制すればいいので、従来のよう
に広い仕切板や、囲み込みの板を設ける必要がない。端
的に突起部で十分である。それで本発明は、半導体封止
容器のキャップに複数の突起部を設ける。突起部によっ
て定在波が立たなくなる。平面の突起部でもそれなりに
効果がある。しかし突起部に平面があると一部の電波が
反射される。反射によってノイズが大きくなる事もあ
る。そこで突起部は平坦な部分をできるだけ作らないよ
うにするのがよい。円柱、円錐、円錐台、楕円柱、楕円
錐、楕円錐台などの突起部が適する。

【００１９】突起部の間隔は電波を遮断するという目的
にはできるだけ狭い方が良い。しかしあまりに狭い間隔
の突起部列を作るのは難しい。そこで突起部の間隔Ｌ
は、Ｌ＜ｃ／（２ｖε^1/2 ）とする。ｃは光速、εは基
板の比誘電率、ｖは信号周波数である。つまり信号の半
波長より間隔Ｌが小さい。間隔Ｌと突起部の直径Ｄと、
突起部周期Ｔは、Ｔ＝Ｌ＋Ｄという関係がある。円柱の
場合は間隔を定義し易いが、円錐の場合は間隔が判然と
しない。円錐、楕円錘の場合は直径Ｄが長さ方向に一定
しないからである。そこで円錐のような場合はその頂点
での間隔を採用する。つまり円錐の場合は、周期Ｔと間
隔Ｌが同一である。またキャップの全面に、均一に一定
間隔で突起部を配置する事が難しい場合がある。たとえ
ば、半導体モジュールの半導体素子や、電子部品などと
突起部がぶつかってしまうときである。周期的な突起部
の形成が難しい場合は周期性を一部犠牲にしてもよい。
基準の間隔をＬとして、その素数倍だけ離すようにす
る。２倍、３倍、５倍、７倍、１１倍…というふうにす
る。つまり最大公約数をＬとする。こうすると各々が規
定する伝搬周波数が異なるので共振できない。

【００２０】突起部は金属でさえあればよい。しかし製
造のしやすさからすると、Ａｌ合金が適する。Ａｌ合金
は粉末合金を型にいれ圧力を掛けて成形するダイキャス
トによって任意の形状のものが簡単に作れるからであ
る。Ａｌは電気伝導度が高いので電波が伝搬するのを抑
制する上で効果的である。しかし反面、Ａｌは熱伝導率
と熱膨張率が大きくて、そのままでは半導体容器との半
田付けが難しいし、溶接もできない。それだけでは気密
封止キャップとすることができない。そこでキャップ自
体は、ＦｅＮｉＣｏ合金例えばコバール、或いはＦｅＮ
ｉ合金例えば４２アロイで作る。これらは溶接、半田が
効く。Ａｌ合金で作った突起部の集合体（突起部と薄板
部）を、応力緩和効果のある導電性ペーストによって張
り合わせて作製するのがよい。キャップ自体が２層構造
となる。

【００２１】キャップと突起部を一体に成形する事もで
きる。この場合、溶接半田が可能な金属を選ぶ必要があ
る。しかも型によって成形できる必要がある。ＦｅＮｉ
Ｃｏ合金（例えばコバール）、ＦｅＮｉ合金（例えば４
２アロイ）を材料として、粉末冶金方や射出成形法（Ｍ
ＩＭ）によって一挙に成形する。金型による成形である
からどのような形状の突起部でも簡単に作製できる。こ
れは全体が金属であって反りや歪みの問題が起こりにく
い。張り合わせるのでないから強度が増え、耐熱性にも
優れる。さらにセルメットなどの発泡金属を使えばより
簡単にクロストーク抑制ができる。発泡金属の気孔径
が、信号の半波長より小さければ良い。気孔径は発泡の
過程を制御することによって調整できる。突起部のよう
に異形のものを作る必要がなく板状のものをキャップに
張り付ければ良いので簡単である。さらにノイズを減ら
すためには、回路基板と突起部の隙間、回路基板と容器
壁の隙間、突起部と素子間の隙間も信号電波の半波長以
下とする。また突起部は浮遊電位にせず、回路基板のグ
ランド或いは電源線に接続すると良い。あるいは半導体
容器本体の金属（ケース電位）に接触させる。こうする
とノイズ低減効果は一層強化される。

【００２２】

【実施例】［実施例１（円錐突起物）］図３と図４に
よってキャップ裏面に多数の円錐状突起部を多数形成し
た本発明の実施例を説明する。金属基体となる板１０は
ＦｅＮｉＣｏ合金であるコバールをエッチングによって
加工して作製した。つまり外周部を半導体容器に合致す
るように下半分を除去して薄肉部１０を形成した。この
金属基体には、後に半導体容器に溶接できるように、表
面にＮｉ／Ａｕのメッキを行った。

【００２３】円錐形状の突起部１２は、Ａｌ合金をダイ
キャストして作製した。剣山型の突起部が薄い板部で統
合されているような形状である。板部がないと小さい円
錐をひとつひとつ接着しなければならないので不便であ
る。突起部の板部を速乾性のＡｇペーストによってキャ
ップ板１０の裏面に接着した。突起部１２を統合する薄
板の部分は応力歪みを小さくするために、切削によって
０．２ｍｍまで薄く加工した。これは図４に明らかなよ
うに縦横に同じ周期で配列した突起部の例である。円錐
形であるから型によって造形するのは容易である。繰り
返しの周期は先ほどから述べているように、最高周波数
の信号の波長の半分よりも小さい値となっている。この
キャップを半導体容器の本体に取り付けると突起部が内
部空間に張り出して内部に電波が飛び交うのを防ぐ。突
起部の間隔よりも半波長の短い電波は伝搬できない。そ
れで素子間、回路間でクロストークが起こり得ない。

【００２４】ここでは円錐突起部を採用しているが、角
錐突起部であってもよいし、楕円錐突起部であっても良
い。［実施例２（楕円柱突起物）］図５によってキャップ裏
面に多数の楕円柱状の突起部を多数形成した本発明の第
２の実施例を説明する。金属基体となる板９はＦｅＮｉ
Ｃｏ合金であるコバールをエッチングによって周辺を加
工して薄肉部１０作製した。これは前例と同じである。
また容器に溶接できるように、キャップ板９の表面には
Ｎｉ／Ａｕのメッキを行った。これも前例と同じであ
る。突起部１３は縦横に同じ周期で繰り返すようになっ
ている。突起部の形状が前例と違い楕円柱状になってい
る。もちろん突起部の形状は円柱状であってもよい。さ
らに角柱であってもよい。あるいは角錐であっても良い
のである。

【００２５】楕円形状の突起部１３プラス薄板部はＡｌ
合金をダイキャストして作製した。楕円柱突起部が薄い
板部で統合されているような形状である。前例と同じよ
うに突起部の板部を速乾性のＡｇペーストによってキャ
ップ板９の裏面に接着した。突起部１３を統合する薄板
の部分は応力歪みを小さくするために、切削によって
０．２ｍｍまで薄く加工した。半波長より小さい周期で
突起部を配列しているので電波がパッケージの内部を伝
搬できず消滅してしまう。［突起部の周期］半導体モジュールの搭載する回路基板
としてはアルミナがもっとも良く使われる。アルミナは
多くの種類があり誘電率も異なるが、典型的なアルミナ
の比誘電率として例えばε＝９を採用する。半導体モジ
ュールの信号の最高周波数を５ＧＨｚとすると、信号の
回路基板上での半波長λ／２はｃ／（２ｖε^1/2 ）＝１
０ｍｍとなる。本発明においては信号半波長より突起部
周期が短くなければならない。それゆえ、突起部周期は
１０ｍｍ未満とする。

【００２６】この例では半導体モジュールの大きさは３
０ｍｍ角である。対角線の長さは４２ｍｍである。突起
部とパッケージの外壁の間隔を小さく取るためにここで
は突起の数を２５個とした。２５ｍｍ角を５ｍｍ毎の５
×５正方形の升目に分割して升目の頂点に突起部を配置
させる。これで２５個の突起部が必要になる。突起部の
間隔は升目に沿って５ｍｍであり対角線方向には約７ｍ
ｍである。最外殻の突起部とパッケージの間隔は２．５
ｍｍである。何れの周期も１０ｍｍより小さいので本発
明の要件を満足している。突起部は実施例１のように長
さが５ｍｍで半径が２．５ｍｍの円錐状とした。このよ
うな配列周期は、図５の実施例２にも適用できる。

【００２７】［実施例３（発泡金属によるもの）］突起
部をことさら作らなくても良い構造を次に示す。発泡金
属１５を切削し薄板にした。もはや突起部と言うような
ものはなく多孔質の金属板があるだけである。図６、図
７に示すように発泡金属板１５を銀（Ａｇ）ペースト１
４によってキャップ板９に貼り付けた。発泡金属の気孔
径の平均値Ｌ₀ が信号半波長（ここでは１０ｍｍ）より
小さい発泡金属を選択した（Ｌ₀ ＜ｃ／（２ｖε
^1/2 ））。発泡金属の材料は、Ｎｉ、又はＦｅの表面に
Ｎｉ／Ａｕのメッキをしたものを用いた。発泡Ｎｉは錆
びないのでそのまま使える。Ｆｅの場合は錆びるのでメ
ッキをする必要がある。発泡金属の場合は微細な空洞、
微小な連続体からなるので突起部と同等の電波遮断作用
がある。突起部をことさら形成するためのダイキャスト
用の型代を節約することができる。また突起部の配置を
気に掛ける必要がないので設計が容易である。［実施例４（キャップと一体型の突起部）］強い振動や
加速度が掛かる悪環境で使用される半導体モジュールで
は、銀（Ａｇ）による突起部のキャップ板への接着に問
題がある。振動によって接着部が外れるという惧れがあ
る。そうでなくても、突起部を形成して、キャップ板に
接着するというのは手間が掛かりコストを上げる原因に
なる。そこでキャップと突起部を合体させたものを初め
から一挙に製造する。突起部合体キャップを、ＦｅＮｉ
Ｃｏ合金であるコバール（ｃｏｖａｒ）またはＦｅＮｉ
合金である４２アロイを材料として射出成形法によって
作った。図３、図４に示すような形状のキャップが一挙
に造形できる。別体の突起部を接着するのではないから
振動加速度などによって突起部がキャップから剥離しな
い。また接合などの手数が掛からないのでコストを下げ
ることができる。

【００２８】容器本体がコバールやＡｌＮ、銅１０％タ
ングステン複合材料の場合は、キャップ材料としてコバ
ールを利用するのがよい。容器本体が銅２０％タングス
テン複合容器またはアルミナセラミックの場合は、キャ
ップ材料として４２アロイが熱膨張率整合の点で適して
いる。このキャップは接合がなくて熱的に安定している
ので、容器本体と接合する場合、ＡｕＳｎ、ＰｂＳｎな
どによる鑞づけによることができる。したがって気密封
止の信頼性が高くなる。［実施例５（非周期突起物）］周期的に規則正しく突起
部を設けたのでは、半導体素子や、電子部品と突起部が
ぶつかってしまうという場合がある。この場合は周期性
の条件を緩和しつつ容器内に電波が定在波として存在し
ないようにする。

【００２９】図９によって説明する。容器本体１９の内
部に回路基板２０があり、突起部付きのキャップ２１に
よって閉じられている。回路基板２０の上に背の高い電
子部品２２、半導体素子２３がある。端子板２４にはリ
ード２５が取り付けられる。リードと基板状の配線がワ
イヤ２６によって接続される。背の高い部品などがある
ので突起部の高さを一様にできず、周期性をある程度犠
牲にする必要がある。周期性を緩和するには二つの道が
ある。ひとつは周期的に突起部を設けるが素子や部品に
当たる部分は突起部の先端を切削して背を低くするとい
うことである。幾分背が低くなっても電波の伝搬を抑制
する事ができる。図９においてキャップ２１は多数の突
起部３０〜４６を持っている。中央部の突起部３７、３
８、３９は半導体素子２３の邪魔になるので先端が切断
され少し短くなっている。突起部３６、４０は一部が切
断されている。ワイヤの部分では突起部３０、３１、４
４、４５、４６が少し短くなっている。

【００３０】先端を削るだけでは不十分という場合も
ある。その場合は、素子や部品に衝突する部位の突起部
を全面的に除く。電子部品４４の上の部分は突起部が存
在しない。その場合は他の部位で周期的に突起部が存在
する。突起部の間隔の最大公約数をＬ_ｍとして、これが
基板上の電波波長の半分以下であるようにする。Ｌ_m＜
ｃ／（２ｖε^1/2 ）である。例えば最大周波数が８０Ｇ
Ｈｚとして、回路基板がε＝９のアルミナとする。半波
長λ／２は０．６２５ｍｍとなる。そこで最大公約数Ｌ
_ｍを０．５ｍｍにとることにしよう。最小の突起部の間
隔は０．５ｍｍとして、突起部を周期的に設けることが
できない場合は、１．５ｍｍ、２．５ｍｍ、３．５ｍ
ｍ、…、１１．５ｍｍのように、基準間隔０．５ｍｍの
素数倍として突起部の間隔を定めた。別段偶数倍でもよ
いのであるがＬ_ｍが最大公約数であるために、素数倍の
ものがいくつか必要である。図９において、基準となる
間隔は０．５ｍｍである。突起部４５と４６の間隔は基
準間隔の３倍の１．５ｍｍである。突起部４４と４５の
間隔は２．５ｍｍで基準の５倍である。突起部４６と容
器壁との間隔は３ｍｍで基準の６倍である。突起部４３
と４４の間隔は、１１．５ｍｍで基準の２３倍である。

【００３１】［突起部の長さ］突起部の高さは一様であっても良いが、一様でなくても
差し支えない。突起部は接地電位であるのが望ましいの
で、一部の突起部を延長し、回路配線のＧＮＤと接触導
通させることもできる。図９の半導体デバイスでは突起
部３３、３４、３５の先端が回路基板の接地配線に接触
している。これによって突起部全体がアースされる。あ
るいは突起部先端と他の電子部品の間隔Ｌ_ｗが、電波半
波長未満とするのも有効である。Ｌ_ｗ＜ｃ／（２ｖε
^1/2 ）、つまりこれを満たせば良い。図９の容器構造に
おいて、電子部品２２の頂部とキャップとの上下方向の
間隔は０．５ｍｍである。

【００３２】［実施例６（半導体モジュール）］本発明
の突起部を有するキャップを持った半導体容器を含む半
導体モジュールを作製した。図１０にこれを示す。これ
は半導体レーザ５１を内蔵するモジュールである。本発
明で問題にする寄生発振やクロストークの他に発熱の問
題もある。半導体レーザ５１、ドライバーＩＣ５２が回
路基板５３の上に搭載される。回路基板５３がパッケー
ジ５４の中に収容される。半導体レーザ５１の発熱が甚
だしいので冷却する必要がある。また半導体レーザは一
定温度（例えば２５℃）に保持しなければならない。温
度変化によって発振周波数が変動するからである。それ
でペルチエ素子５５をパッケージ５４に入れて半導体レ
ーザを冷却するようにしている。半導体レーザ５１の後
方にはモニタ用のＰＤ５６（ホトダイオード）が設けら
れてレーザパワーを監視している。パッケージ５４には
さらに光学系５７のホルダ−５８が取り付けられる。ホ
ルダ−５８の内部にはレンズなどの光学系がある。また
斜めカットガラス５９なども設けられる。ホルダ−５８
の先頭には光ファイバ６０を保持するフェルール６１が
差し込まれている。ベンドリミッタ６２がホルダ−５８
を覆っている。レーザ５１から出た光がレンズ５７で集
光され光ファイバ６０に入り伝搬する。

【００３３】パッケージのキャップには裏面に沢山の突
起部が下向きに形成されている。金属製の突起部であっ
て全てが電気的に同電位にある。同電位であれば電波の
空間伝搬を防ぐことができる。とくにＧＮＤに接続する
のが望ましい。一部の突起部６５がパッケージ底面に接
触している。パッケージ５４の両側にはリードフレーム
６４が突出している。サドル６３など背の高い部品のあ
る部分の突起部は短く切られている。平坦な裏面をもつ
キャップを用いた従来例のパッケージでは信号周波数が
高いときに寄生発振が起こったが、この半導体モジュー
ルでは発振現象は起こらなかった。

【００３４】非対称の突起部をキャップ裏面に設けるの
でキャップの歪みが問題になる。しかし本発明の場合は
キャップの反りはなくて容器との接合部は安定してい
る。為にガスの漏れはない。ＭＩＬーＳＴＤ８８３に規
定される２×１０^-8atmcc/sec未満というリーク条件の
基準を満足することができた。さらに熱応力緩和にも効
果があることが確かめられた。Ｂｅｌｌ−ｃｏｒｅＳＴ
Ｄは−４０℃と＋１５０℃の間を１０回昇温高温させる
半導体容器の温度試験を規定している。このようなヒー
トサイクルを掛けて後も先ほどの２×１０^-8atmcc/sec
未満というリーク基準を満足することができた。

【００３５】［実施例７（突起の間隔と使用周波数の関
係）］本発明は半導体容器内部に周期的に突起部を設け
て電波が空間的に伝搬するのを防ぐものである。してみ
れば周波数ｖによって突起部間隔Ｌが決まるはずであ
る。これまでは半波長よりＬが小さいということを繰り
返し述べてきた。ここで実際に突起部の間隔Ｌと使用周
波数ｖの関係について調べた。使用周波数の異なるモジ
ュールを用意し、１００ミリ角寸法の半導体容器に回路
基板や電子部品を実装した。１００ｍｍ角のパッケージ
はきわめて大きいものである。容器の空洞部が大きくな
いと本発明の効果がよく分からないのでそのように大き
なものを使っている。また１００ｍｍとすると、公約数
が沢山あって突起部の間隔を多数選び易いからである。
そしてキャップの突起部の周期を様々に変えて発振現象
が生起するか否かを調べた。最大使用周波数は２．５Ｇ
Ｈｚ、５ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、２０ＧＨｚの４種類とし
た。突起部の間隔は２．５ｍｍ、５ｍｍ、７．５ｍｍ、
１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍの
８種類である。３２個の組み合わせが有り得る。４０の
ケース全部についてモジュールを試作して発振の有無を
確かめた。表１にその結果を示す。○は発振が起こらな
かった場合を、×は発振が起こった場合を示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】周波数が２０ＧＨｚの場合、ε＝９のアル
ミナ基板を使った時に誘電体線路にそってできる信号の
波長は５ｍｍでその半分は２．５ｍｍである。突起部間
隔が２．５ｍｍである場合は発振を抑制できる。しかし
５ｍｍ以上であると、突起部の間隔が離れすぎるから発
振が起こるのである。周波数が１０ＧＨｚの場合は、半
波長は５ｍｍである。突起部間隔が２．５ｍｍと５ｍｍ
のものは発振が起こらない。ところが間隔が７．５ｍｍ
になると発振が生ずる。周波数が５ＧＨｚの場合半波長
というのは１０ｍｍである。突起部間隔が１０ｍｍ以下
であると発振は生じない。しかし１５ｍｍより上では発
振が発生する。周波数が２．５ＧＨｚでは半波長は２０
ｍｍである。間隔が２０ｍｍ以下であると発振が起こら
ない。３０ｍｍ、４０ｍｍでは発振が起こってしまうの
である。

【００３８】このような実験の結果から、突起部間隔Ｌ
ｍがｃ／（２ｖε^1/2 ）以下であれば発振を有効に抑制
できるということが分かる。またクロストークやノイズ
もカットできる。突起の一部を削ったものについても同
様の試験を試みた。やはり間隔ＬがＬ＜ｃ／（２ｖε
^1/2 ）であれば発振を抑制できる事が確かめられた。更
に突起部の一部を下向きに延長し回路のＧＮＤ（０Ｖ）
と接触させるようにするといっそうノイズ抑制に効果が
あり信号のＳ／Ｎ比を上げることができた。突起部と回
路のＧＮＤの接触箇所を増やすとさらにＳ／Ｎ比が上が
ることが分かった。また容器側壁と突起部の間隔を信号
の半波長以下にするということも効果的である。

【００３９】

【発明の効果】本発明では、キャップ裏面にノイズ低減
のために設けた突起部が従来のようにひとつでなく小さ
い突起部を数多く設けるようになる。その為に応力の不
均一が緩和されてキャップの反りが発生しない。また熱
応力による歪みも少なくなる。なんといっても本発明の
顕著な特長は、パッケージ内部でのクロストーク、寄生
的共振を効果的に抑制できるという事である。ノイズ低
減のために従来から提案されている容器の構造はクロス
トークなどを防止するという主目的においてもなお不十
分であって所期の効果を上げていない。

【００４０】本発明は突起部の間隔Ｌを信号波長の半分
λ／２以下としているので、金属突起部によって妨害さ
れ、容器内にその波長の電波が定在波を作る事ができな
い。つまりその周波数の電波が伝搬モードを持つ事がで
きない。ためにある素子や配線から出る高周波電波がそ
の他の素子や配線に伝搬しない。ために素子、配線間の
クロストークを効果的に抑制できる。増幅回路の出力と
入力が空間的に電波によって結合されて自励発振（寄生
発振）することもない。クロストークを防ぎＳ／Ｎを高
めノイズを防ぐことができるので大型で高周波半導体モ
ジュールの容器構造として最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例にかかる半導体容器の蓋（キャップ）を
開いた状態を示す斜視図。

【図２】従来例にかかる半導体容器蓋の側面図。

【図３】本発明の第１の実施例にかかる半導体容器キャ
ップの側面図。円錐状の突起部を多数形成している。

【図４】図３と同じキャップの底面図。

【図５】円柱状の突起部を多数形成した本発明の第２の
実施例にかかる半導体容器キャップの側面図。

【図６】発泡金属を板状にして裏面に張り付けた構造の
本発明の第３の実施例に掛かるキャップの側面図。

【図７】図６と同じキャップの底面図。

【図８】発泡金属の一部斜視図。

【図９】突起部を非周期にした本発明の実施例にかかる
半導体デバイスの断面図。

【図１０】本発明のキャップを備えた容器に収容される
レーザを持つ発光素子モジュールの一部縦断斜視図。

【符号の説明】

１容器本体２端子板３リード４回路基板５ＰＤ６アンプＩＣ７窓８取付片９蓋１０薄層部１１内縁１３突起部１４ペースト１５発泡金属１９容器本体２０回路基板２１キャップ２２電子部品２３半導体素子２４端子板２５リード２６ワイヤ３０〜４６突起部５１半導体レーザ５２ドライバＩＣ５３回路基板５４パッケージ５５ペルチエ素子５６モニタＰＤ５７光学系５８ホルダ− ６０光ファイバ６１フェルール６３サドル６４リードフレーム

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ｖを使用最大周波数、εを基板の誘電
率、ｃを光速として、裏面に相互の間隔が｛ｃ／（２ｖ
ε^1/2 ）｝未満である複数の金属突起部が設けられてい
るキャップと、キャップによって封止される容器本体と
よりなることを特徴とする半導体容器。
【請求項２】前記突起部の断面形状が直線部を含まな
いことを特徴とする請求項１に記載の半導体容器。
【請求項３】ｖを使用最大周波数、εを基板の誘電
率、ｃを光速として、前記突起部はキャップの裏面に一
定の間隔（Ｌ）を持って配置されその間隔Ｌが不等式０
＜Ｌ＜｛ｃ／（２ｖε^1/2 ）｝を満たす寸法であること
を特徴とする請求項１又は２に記載の半導体容器。
【請求項４】ｖを使用最大周波数、εを基板の誘電
率、ｃを光速として、前記突起部はキャップの裏面に複
数種類の間隔（Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，…）を持って配置さ
れ、その突起物の間隔（Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，…）の最大
公約数Ｌ_x が次の不等式０＜Ｌ_x ＜｛ｃ／（２ｖε
^1/2 ）｝を満足するものであることを特徴とする請求項
１又は２に記載の半導体容器。
【請求項５】前記突起部はＡｌ又はＡｌ合金からなる
ものである請求項１〜４の何れかに記載の半導体容器。
【請求項６】前記キャップと突起部が一体の基体金属
によって形成されていることを特徴とする請求項１〜４
のいずれかに記載の半導体容器。
【請求項７】前記基体金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆ
ｅＮｉ合金またはＦｅＮｉＣｏ合金によって形成されて
いることを特徴とする請求項６に記載の半導体容器。
【請求項８】前記突起部が発泡金属からなるものであ
ることを特徴とする請求項１に記載の半導体容器。
【請求項９】半導体素子と、回路基板と、半導体素
子、回路基板を内蔵する容器と、ｖを使用最大周波数、
εを基板の誘電率、ｃを光速として、裏面に相互の間隔
が｛ｃ／（２ｖε^1/2 ）｝未満である複数の金属突起部
が設けられているキャップとからなる半導体モジュー
ル。
【請求項１０】前記半導体モジュール内部において、
半導体素子、回路基板又は容器側壁と、キャップに付属
する突起部との距離Ｌ_y が次の不等式を満足するもので
あることを特徴とする請求項９に記載の半導体モジュー
ル。０＜Ｌ_y ＜｛ｃ／（２ｖε^1/2 ）｝
【請求項１１】前記モジュールの内部において、キャ
ップに付属する突起部の一箇所以上が、回路基板のグラ
ンド線あるいは電源線もしくは容器の金属部分に接触し
ていることを特徴とする請求項９に記載の半導体モジュ
ール。