JP3686853B2 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号入出力部に同軸コネクタを用いた半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信分野で用いられる半導体素子や、マイクロ波帯，ミリ波帯等の高周波信号で駆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）には、半導体素子と外部電気回路基板とを電気的に接続するための入出力端子として同軸コネクタが用いられている。この同軸コネクタを具備した半導体パッケージを図５に断面図で示す。同図において、２１は基体、２２は枠体、２３は同軸コネクタ、２４は蓋体、２６は回路基板である。
【０００３】
基体２１は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）等の金属から成る略四角形の板状体であり、その上側主面の略中央部には、ＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子２５を搭載して成る回路基板２６を載置する載置部２１ａが形成されている。載置部２１ａには、半導体素子２５が、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）質セラミックス等から成る回路基板２６に搭載された状態で載置固定される。
【０００４】
なお、回路基板２６に搭載された半導体素子２５は、その電極が、回路基板２６に被着形成されている線路導体２６ａにボンディングワイヤ２７等を介して電気的に接続されている。
【０００５】
基体２１の上側主面の外周部には載置部２１ａを囲繞するようにして枠体２２が立設されており、枠体２２は基体２１とともにその内側に半導体素子２５を収容する空所を形成する。この枠体２２は基体２１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体２１と一体成形される、または基体２１に銀ろう等のろう材を介してろう付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって基体２１の上側主面外周部に立設される。
【０００６】
枠体２２の側部には同軸コネクタ２３が嵌着される貫通孔２２ａが形成されており、貫通孔２２ａ内に同軸コネクタ２３を嵌め込むとともに半田等の封着材２８を貫通孔２２ａ内の隙間に挿入し、しかる後、加熱して封着材２８を溶融させ、溶融した封着材２８を毛細管現象により同軸コネクタ２３と貫通孔２２ａの内面との隙間に充填させることによって、同軸コネクタ２３が貫通孔２２ａ内に封着材２８を介して嵌着接合される。
【０００７】
同軸コネクタ２３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る円筒状の外周導体２３ａの中心軸部分に、信号線路としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る棒状の中心導体２３ｂが絶縁体２３ｃを介して固定されて成る。そして、接地導体としての外周導体２３ａが封着材２８を介して枠体２２に電気的に接続されており、特性インピーダンスに整合された同軸線路モードの信号線路を形成している。また、中心導体２３ｂが半田等から成る導電性接着材２６ｂを介して回路基板２６の線路導体２６ａに電気的に接続される。線路導体２６ａは、所定の特性インピーダンスに整合されたマイクロストリップ線路となっている。
【０００８】
そして、枠体２２の上面に蓋体２４をろう付け法やシームウエルド法等の溶接法によって接合し、基体２１、枠体２２および蓋体２４から成る容器内部に半導体素子２５を収容し気密に封止することによって製品としての半導体装置となる。
【０００９】
なお、図５において、２１ｂは基体２１を外部電気回路基板等にネジ止めするための貫通孔、２２ｂは同軸コネクタプラグ２９を嵌め込むための貫通孔、２９は同軸コネクタプラグ、３０は外部電気回路に接続された同軸ケーブルである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体パッケージでは、同軸コネクタ２３の中心導体２３ｂと回路基板２６の線路導体２６ａとの接続部において、中心導体２３ｂと線路導体２６ａとを導電性接着材２６ｂで接続することによって、線路導体２６ａの表面に中心導体２３ｂが載置されることから、接続部の容量成分が付加されて容量成分が増加し、接続部において信号線路のインピーダンスが低下していた。即ち、容量成分は線路導体２６ａと回路基板２６下面の接地導体との間で発生しているが、中心導体２３ｂと線路導体２６ａとの接続部ではほぼ中心導体２３ｂの表面積の分だけ容量成分を発生させる対向電極の面積が増大することになり、そのため容量成分が増加することとなる。
【００１１】
そして、接続部での容量成分の増加により接続部でインピーダンスの整合がとれなくなり、半導体パッケージ内の中心導体と線路導体との接続部で高周波信号の反射損失が大きくなり、高周波信号を効率よく伝送するのが困難になるという問題があった。
【００１２】
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、高周波信号の伝送効率に優れた半導体パッケージおよび半導体装置を提供することである。
【００１３】
【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、上側主面に半導体素子および回路基板を載置するための載置部を有する基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように接合され、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るとともに前記貫通孔に嵌着された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、前記回路基板は、その上面に一端側が前記中心導体に、他端側が前記半導体素子にそれぞれ電気的に接続された線路導体が形成されており、前記中心導体は、前記線路導体との接続部で前記線路導体側の先端から該先端と前記線路導体の端との間までの部位に厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部が形成されており、該薄肉部とその残部との間になだらかな形状の段差が形成されているとともに、前記線路導体は、マイクロストリップ線路であって、前記中心導体との接続部が前記中心導体の幅の０．７〜０．９倍の幅狭部とされ、残部が前記中心導体と略同じ幅とされており、前記幅狭部から前記残部へと幅が変化する傾斜部が形成され、さらに該傾斜部に前記中心導体の先端部が位置していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体パッケージによれば、中心導体は線路導体との接続部の厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部が形成されていることから、線路導体の表面に中心導体が載置されても、接続部の容量成分の増加が最小限に抑えられ、中心導体および線路導体から成る信号線路の接続部でのインピーダンスの低下を最小限に抑えることができる。その結果、接続部でのインピーダンスが特性インピーダンスに近い値となり、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失を低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００１６】
また、線路導体は、マイクロストリップ線路であって、中心導体との接続部が中心導体の幅の０．７〜０．９倍の幅狭部とされ、残部が中心導体と略同じ幅とされており、幅狭部から残部へと幅が変化する傾斜部が形成され、さらに傾斜部に中心導体の先端部が位置していることから、接続部のインピーダンスを特性インピーダンスに略整合させ、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失をより低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００１７】
また、本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記同軸コネクタに前記線路導体を介して電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００１８】
本発明は、この構成により、上記本発明の半導体パッケージを用いた信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【００１９】
【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断面図であり、１は基体、２は枠体、３は同軸コネクタ、４は蓋体、６は回路基板である。
【００２０】
本発明の基体１はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、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法、または射出成形と切削加工等を施すことによって、所定の形状に製作される。基体１の上側主面の略中央部には、ＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子５を載置するための載置部１ａが設けられており、載置部１ａには半導体素子５を搭載して成る回路基板６が載置固定される。半導体素子５は、その電極が、回路基板６の上面に被着形成されている線路導体６ａにボンディングワイヤ７等を介して電気的に接続されている。つまり、線路導体６ａは、その一端側が中心導体３ｂに、他端側が半導体素子５にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２１】
また、基体１の上側主面の外周部には載置部１ａを囲繞するようにして枠体２が立設接合されており、枠体２は基体１とともにその内側に半導体素子５を収容する空所を形成する。この枠体２は、基体１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体１と一体成形される、または基体１に銀（Ａｇ）ろう等のろう材を介してろう付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって基体１の上側主面の外周部に立設される。
【００２２】
枠体２の側部には同軸コネクタ３が嵌着される貫通孔２ａが形成されている。貫通孔２ａ内に同軸コネクタ３を嵌め込むとともに半田等の封着材８を貫通孔２ａとの隙間に挿入する。しかる後、加熱して封着材８を溶融させ、溶融した封着材８は毛細管現象により同軸コネクタ３と貫通孔２ａの内面との隙間に充填されることによって、同軸コネクタ３が貫通孔２ａ内に封着材８を介して嵌着接合される。
【００２３】
同軸コネクタ３は、内部に収容する半導体素子５を外部の同軸ケーブル１０に電気的に接続するものであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る円筒状の外周導体３ａの中心軸に同じくＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る中心導体３ｂが絶縁体３ｃを介して固定された構造をしている。
【００２４】
中心導体３ｂを伝送する高周波信号は、貫通孔２ａ，２ｂ部において貫通孔２ａ，２ｂの中心軸を同軸線路のモードで伝送し、特性インピーダンス値に整合されている。中心導体３ｂが枠体２の内面から突出して線路導体６ａと半田等の導電性接着材６ｂにより接続された部分以降では、高周波信号は回路基板６の上面に被着形成された線路導体６ａ上を伝送する。
【００２５】
本発明では、中心導体３ｂと線路導体６ａとの接続部（以下、単に「接続部」といえば線路導体６ａと中心導体３ｂとの接続部をいうこととする）において、図２の線路方向に対し垂直な面での部分断面図に示すように、中心導体３ｂは、線路導体６ａとの接続部で線路導体６ａ側の先端からその先端と線路導体６ａの端との間までの部位に、厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部３ｄが形成されている。これにより、線路導体６ａの表面に中心導体３ｂが載置されても、接続部の容量成分の増加が最小限に抑えられ、接続部における信号線路のインピーダンスの低下を最小限に抑えることができる。その結果、接続部でのインピーダンスが特性インピーダンスに近い値となり、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失を低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００２６】
即ち、線路導体６ａの容量成分は線路導体６ａと回路基板６下面の接地導体との間で発生しており、接続部ではほぼ中心導体３ｂの表面積の分だけ容量成分を発生させる対向電極の面積が増大することになるが、本発明のように接続部で中心導体３ｂを薄肉化することにより中心導体３ｂの表面積が小さくなり、容量成分を発生させる対向電極の面積が減少して容量成分が小さくなる。
【００２７】
また、中心導体３ｂの薄肉部３ｄの厚みがその残部の厚みの１０％未満では、薄肉部３ｄが薄すぎて折れ等の破損が生じ、中心導体３ｂで高周波信号を伝送できなくなる可能性がある。５０％を超える場合、薄肉部３ｄでの容量成分の増加が大きくなり、接続部における信号線路のインピーダンスが大きく低下して、接続部における信号線路のインピーダンスが特性インピーダンスに比べ大幅に小さい値となり反射損失が大きくなる。
【００２８】
図３（ａ）は、中心導体３ｂと線路導体６ａとの接続部における線路方向に平行な面での部分断面図であり、薄肉部３ｄの長さをＬ１、線路導体６ａの端から薄肉部３ｄの端までの長さをＬ２とする。
【００２９】
本発明では、好ましくは、Ｌ１は０．１ｍｍ≦Ｌ１≦１ｍｍとするのがよい。Ｌ１＜０．１ｍｍの場合、薄肉部３ｄの長さが短かすぎて接続部での信号線路のインピーダンスを特性インピーダンスに近い値とすることができず、接続部での高周波信号の反射損失が増大する。Ｌ＞１ｍｍの場合、薄肉部３ｄの長さが長すぎて薄肉部で折れ等の破損が生じやすくなり、また薄肉部３ｄと線路導体６ａとを金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）半田等の導電性接着材６ｂで接合した後に導電性接着材６ｂとの熱膨張差により薄肉部３ｄが破損し、高周波信号を伝送できなくなる場合がある。
【００３０】
また、Ｌ２は０ｍｍ≦Ｌ２≦１ｍｍとするのが好ましい。Ｌ２＜０ｍｍの場合、即ち薄肉部３ｄが線路導体６ａの端からはみ出す場合、接続部以外の中心導体３ｂの厚さが変化することとなり、接続部以外の中心導体３ｂの厚さが変化している部位で高周波信号の大きな反射損失が発生し、信号線路全体における反射損失が大きくなってしまい、高周波信号を効率よく伝送できなくなりやすい。またＬ２＞１ｍｍの場合、中心導体３ｂの薄肉部３ｄ以外の部分で線路導体６ａと接合される部分の長さが長くなり、信号線路の容量成分が増大し、接続部において高周波信号の反射損失が大きくなり、高周波信号を効率よく伝送できなくなりやすい。
【００３１】
薄肉部３ｄはその残部との間に段差を形成しており、その段差は、図３（ａ）のように薄肉部３ｄに略垂直な平面である構成、図３（ｂ）のように円弧状のなだらかなくぼんだ曲面である構成、図３（ｃ）のように傾斜面である構成等の種々の構成とすることができる。図３（ｂ），図３（ｃ）のように、段差をなだらかな形状とすることが好ましく、表皮効果によって信号線路の表面近くを伝送する高周波信号の反射損失を抑えることができる。
【００３２】
図３（ｃ）において、段差である傾斜面の傾斜角が３０〜６０°であるのが好ましく、信号線路の表面近くを伝送する高周波信号の反射損失を最小限に抑え、高周波信号を効率よく伝送させることが可能となる。
【００３３】
薄肉部３ｄと線路導体６ａとの接続部の構成は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような中心導体３ｂの先端部の上側を切り欠いて形成した薄肉部３ｄが線路導体６ａに接続される構成、図３（ｄ）に示すような中心導体３ｂの先端部の下側を切り欠いて形成した薄肉部３ｄが線路導体６ａに接続される構成、図３（ｅ）に示すような中心導体３ｂの先端部の上側と下側とを切り欠いて形成した薄肉部３ｄが線路導体６ａに接続される構成とし得る。
【００３４】
また、薄肉部３ｄの線路方向に垂直な面における断面形状は、図２のような半円形状のみならず、四角形等様々な形状とし得る。
【００３５】
さらに、薄肉部３ｄの上面は回路基板６の下面に略平行な平坦面であることが好ましい。この場合、薄肉部３ｄの上面から出た電気力線は上方に延びるのみで回路基板６下面の接地導体に結合することがないため、薄肉部３ｄ上面が容量成分を生じる対向電極とはならない。即ち、薄肉部３ｄ上面は容量成分の増加に全く寄与することがなくなるため、容量成分の低減に有効な構成となるのである。
【００３６】
本発明において、図４の回路基板６の平面図に示すように、線路導体６ａは中心導体３ｂとの接続部が中心導体３ｂの幅の０．７〜０．９倍の幅狭部６ｃとされ、その残部が中心導体３ｂと略同じ幅とされている。即ち、幅狭部６ｃを除く線路導体６ａの幅をＷ１、幅狭部６ｃの幅をＷ２、中心導体３ｂの幅をｄとしたとき、０．７ｄ≦Ｗ２≦０．９ｄ，Ｗ１＞Ｗ２となっている。なお、Ｗ１とｄについては、０．９ｄ≦Ｗ１≦１．１ｄといった程度の範囲で略同じであればよい。
【００３７】
この構成により、幅狭部６ｃを除く部分の線路導体６ａを特性インピーダンス値に整合させ、幅狭部６ｃ部においては特性インピーダンス値よりも高いインピーダンス値とすることができる。線路導体６ａの幅狭部６ｃとその残部との間で線路幅に段差が生じるが、この段差部については、幅狭部６ｃから幅の広い線路導体６ａへ変化している傾斜部の線路導体６ａに対する傾斜角度θは３０〜６０°として連続的に線路幅を変化させる。この場合反射損失による高周波信号の減衰を抑制することができる。
【００３８】
図２に示すように、線路導体６ａと中心導体３ｂとを接続することにより、接続部では信号線路が中心導体３ｂ，線路導体６ａおよび導電性接着材６ｂとなっている。線路導体６ａのみが信号線路である場合と比して、接続部で信号線路の容量成分が増加し、接続部のインピーダンスが低下することとなる。従って、本発明では、接続部における線路導体６ａを幅狭部６ｃとして、幅狭部６ｃのインピーダンス値は特性インピーダンスより高い値とし、接続部における中心導体３ｂの厚みを接続部以外の部分の厚みの１０〜５０％とした薄肉部３ｄとし、接続部における信号線路の容量成分の増加を最小限に抑える。これにより、中心導体３ｂを接続して接続部のインピーダンスが低下しても、接続部を特性インピーダンスに整合させることができる。また、接続部では、導電性接着材６ｂの量を適宜調整して信号線路のインピーダンスを略整合することができる。このようにして、半導体パッケージ内において、高周波信号の反射損失や透過損失等の伝送損失の小さい良好な伝送特性の信号線路が形成される。
【００３９】
枠体２の貫通孔２ｂ内に挿入固定される同軸コネクタプラグ９は、外部電気回路に接続された同軸ケーブル１０と枠体２に嵌着された同軸コネクタ３とを接続するためのプラグである。
【００４０】
そして、本発明の半導体パッケージは、半導体素子５を回路基板６上に搭載して載置部１ａに回路基板を載置固定し、半導体素子５の電極と回路基板６の上面に形成された線路導体６ａとを電気的に接続し、線路導体６ａと中心導体３ｂとを導電性接着材６ｂを介して電気的に接続し、しかる後、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体４を半田付け法やシームウエルド法により接合することにより製品としての半導体装置となる。
【００４１】
この半導体装置は、基体１が外部電気回路基板に実装され、同軸コネクタプラグ９と外部電気回路に接続された同軸ケーブル１０とを接続することにより、内部に収容する半導体素子５が外部電気回路に電気的に接続され、半導体素子５が高周波信号で作動することとなる。
【００４２】
本発明における高周波信号の好ましい周波数は５〜１００ＧＨｚ程度であり、この場合に高周波信号の伝送特性を良好なものとすることができる。
【００４３】
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であれば種々の変更は可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、同軸コネクタの中心導体は、回路基板の線路導体との接続部で線路導体側の先端からその先端と線路導体の端との間までの部位に厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部が形成されていることから、線路導体の表面に中心導体が載置され接続されても、接続部の容量成分の増加が最小限に抑えられ、接続部における信号線路のインピーダンスの低下を最小限に抑えることができる。その結果、接続部でのインピーダンスが特性インピーダンスにきわめて近い値となり、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失を低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００４５】
本発明は、線路導体は、中心導体との接続部が中心導体の幅の０．７〜０．９倍の幅狭部とされ、残部が中心導体と略同じ幅とされることにより、接続部のインピーダンスを特性インピーダンスに略整合させ、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失をより低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００４６】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置固定されて同軸コネクタに線路導体を介して電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことにより、上記本発明の作用効果を有する半導体パッケージを用いた信頼性の高い半導体装置となる。
【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例を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体パッケージ内に収容された回路基板の線路方向に垂直な面における部分断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の各種例を示し、半導体パッケージ内に収容された回路基板の線路方向に平行な面における部分断面図である。
【図４】本発明の半導体パッケージ内に収容された回路基板について実施の形態の他の例を示す平面図である。
【図５】従来の半導体パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：同軸コネクタ
３ａ：外周導体
３ｂ：中心導体
３ｃ：絶縁体
３ｄ：薄肉部
５：半導体素子
６：回路基板
６ａ：線路導体
６ｃ：幅狭部
【発明の属する技術分野】
本発明は、信号入出力部に同軸コネクタを用いた半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信分野で用いられる半導体素子や、マイクロ波帯，ミリ波帯等の高周波信号で駆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）には、半導体素子と外部電気回路基板とを電気的に接続するための入出力端子として同軸コネクタが用いられている。この同軸コネクタを具備した半導体パッケージを図５に断面図で示す。同図において、２１は基体、２２は枠体、２３は同軸コネクタ、２４は蓋体、２６は回路基板である。
【０００３】
基体２１は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）等の金属から成る略四角形の板状体であり、その上側主面の略中央部には、ＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子２５を搭載して成る回路基板２６を載置する載置部２１ａが形成されている。載置部２１ａには、半導体素子２５が、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）質セラミックス等から成る回路基板２６に搭載された状態で載置固定される。
【０００４】
なお、回路基板２６に搭載された半導体素子２５は、その電極が、回路基板２６に被着形成されている線路導体２６ａにボンディングワイヤ２７等を介して電気的に接続されている。
【０００５】
基体２１の上側主面の外周部には載置部２１ａを囲繞するようにして枠体２２が立設されており、枠体２２は基体２１とともにその内側に半導体素子２５を収容する空所を形成する。この枠体２２は基体２１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体２１と一体成形される、または基体２１に銀ろう等のろう材を介してろう付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって基体２１の上側主面外周部に立設される。
【０００６】
枠体２２の側部には同軸コネクタ２３が嵌着される貫通孔２２ａが形成されており、貫通孔２２ａ内に同軸コネクタ２３を嵌め込むとともに半田等の封着材２８を貫通孔２２ａ内の隙間に挿入し、しかる後、加熱して封着材２８を溶融させ、溶融した封着材２８を毛細管現象により同軸コネクタ２３と貫通孔２２ａの内面との隙間に充填させることによって、同軸コネクタ２３が貫通孔２２ａ内に封着材２８を介して嵌着接合される。
【０００７】
同軸コネクタ２３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る円筒状の外周導体２３ａの中心軸部分に、信号線路としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る棒状の中心導体２３ｂが絶縁体２３ｃを介して固定されて成る。そして、接地導体としての外周導体２３ａが封着材２８を介して枠体２２に電気的に接続されており、特性インピーダンスに整合された同軸線路モードの信号線路を形成している。また、中心導体２３ｂが半田等から成る導電性接着材２６ｂを介して回路基板２６の線路導体２６ａに電気的に接続される。線路導体２６ａは、所定の特性インピーダンスに整合されたマイクロストリップ線路となっている。
【０００８】
そして、枠体２２の上面に蓋体２４をろう付け法やシームウエルド法等の溶接法によって接合し、基体２１、枠体２２および蓋体２４から成る容器内部に半導体素子２５を収容し気密に封止することによって製品としての半導体装置となる。
【０００９】
なお、図５において、２１ｂは基体２１を外部電気回路基板等にネジ止めするための貫通孔、２２ｂは同軸コネクタプラグ２９を嵌め込むための貫通孔、２９は同軸コネクタプラグ、３０は外部電気回路に接続された同軸ケーブルである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体パッケージでは、同軸コネクタ２３の中心導体２３ｂと回路基板２６の線路導体２６ａとの接続部において、中心導体２３ｂと線路導体２６ａとを導電性接着材２６ｂで接続することによって、線路導体２６ａの表面に中心導体２３ｂが載置されることから、接続部の容量成分が付加されて容量成分が増加し、接続部において信号線路のインピーダンスが低下していた。即ち、容量成分は線路導体２６ａと回路基板２６下面の接地導体との間で発生しているが、中心導体２３ｂと線路導体２６ａとの接続部ではほぼ中心導体２３ｂの表面積の分だけ容量成分を発生させる対向電極の面積が増大することになり、そのため容量成分が増加することとなる。
【００１１】
そして、接続部での容量成分の増加により接続部でインピーダンスの整合がとれなくなり、半導体パッケージ内の中心導体と線路導体との接続部で高周波信号の反射損失が大きくなり、高周波信号を効率よく伝送するのが困難になるという問題があった。
【００１２】
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、高周波信号の伝送効率に優れた半導体パッケージおよび半導体装置を提供することである。
【００１３】
【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、上側主面に半導体素子および回路基板を載置するための載置部を有する基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように接合され、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るとともに前記貫通孔に嵌着された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、前記回路基板は、その上面に一端側が前記中心導体に、他端側が前記半導体素子にそれぞれ電気的に接続された線路導体が形成されており、前記中心導体は、前記線路導体との接続部で前記線路導体側の先端から該先端と前記線路導体の端との間までの部位に厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部が形成されており、該薄肉部とその残部との間になだらかな形状の段差が形成されているとともに、前記線路導体は、マイクロストリップ線路であって、前記中心導体との接続部が前記中心導体の幅の０．７〜０．９倍の幅狭部とされ、残部が前記中心導体と略同じ幅とされており、前記幅狭部から前記残部へと幅が変化する傾斜部が形成され、さらに該傾斜部に前記中心導体の先端部が位置していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体パッケージによれば、中心導体は線路導体との接続部の厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部が形成されていることから、線路導体の表面に中心導体が載置されても、接続部の容量成分の増加が最小限に抑えられ、中心導体および線路導体から成る信号線路の接続部でのインピーダンスの低下を最小限に抑えることができる。その結果、接続部でのインピーダンスが特性インピーダンスに近い値となり、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失を低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００１６】
また、線路導体は、マイクロストリップ線路であって、中心導体との接続部が中心導体の幅の０．７〜０．９倍の幅狭部とされ、残部が中心導体と略同じ幅とされており、幅狭部から残部へと幅が変化する傾斜部が形成され、さらに傾斜部に中心導体の先端部が位置していることから、接続部のインピーダンスを特性インピーダンスに略整合させ、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失をより低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００１７】
また、本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記同軸コネクタに前記線路導体を介して電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００１８】
本発明は、この構成により、上記本発明の半導体パッケージを用いた信頼性の高い半導体装置を提供できる。
【００１９】
【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断面図であり、１は基体、２は枠体、３は同軸コネクタ、４は蓋体、６は回路基板である。
【００２０】
本発明の基体１はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、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法、または射出成形と切削加工等を施すことによって、所定の形状に製作される。基体１の上側主面の略中央部には、ＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子５を載置するための載置部１ａが設けられており、載置部１ａには半導体素子５を搭載して成る回路基板６が載置固定される。半導体素子５は、その電極が、回路基板６の上面に被着形成されている線路導体６ａにボンディングワイヤ７等を介して電気的に接続されている。つまり、線路導体６ａは、その一端側が中心導体３ｂに、他端側が半導体素子５にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２１】
また、基体１の上側主面の外周部には載置部１ａを囲繞するようにして枠体２が立設接合されており、枠体２は基体１とともにその内側に半導体素子５を収容する空所を形成する。この枠体２は、基体１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体１と一体成形される、または基体１に銀（Ａｇ）ろう等のろう材を介してろう付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって基体１の上側主面の外周部に立設される。
【００２２】
枠体２の側部には同軸コネクタ３が嵌着される貫通孔２ａが形成されている。貫通孔２ａ内に同軸コネクタ３を嵌め込むとともに半田等の封着材８を貫通孔２ａとの隙間に挿入する。しかる後、加熱して封着材８を溶融させ、溶融した封着材８は毛細管現象により同軸コネクタ３と貫通孔２ａの内面との隙間に充填されることによって、同軸コネクタ３が貫通孔２ａ内に封着材８を介して嵌着接合される。
【００２３】
同軸コネクタ３は、内部に収容する半導体素子５を外部の同軸ケーブル１０に電気的に接続するものであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る円筒状の外周導体３ａの中心軸に同じくＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る中心導体３ｂが絶縁体３ｃを介して固定された構造をしている。
【００２４】
中心導体３ｂを伝送する高周波信号は、貫通孔２ａ，２ｂ部において貫通孔２ａ，２ｂの中心軸を同軸線路のモードで伝送し、特性インピーダンス値に整合されている。中心導体３ｂが枠体２の内面から突出して線路導体６ａと半田等の導電性接着材６ｂにより接続された部分以降では、高周波信号は回路基板６の上面に被着形成された線路導体６ａ上を伝送する。
【００２５】
本発明では、中心導体３ｂと線路導体６ａとの接続部（以下、単に「接続部」といえば線路導体６ａと中心導体３ｂとの接続部をいうこととする）において、図２の線路方向に対し垂直な面での部分断面図に示すように、中心導体３ｂは、線路導体６ａとの接続部で線路導体６ａ側の先端からその先端と線路導体６ａの端との間までの部位に、厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部３ｄが形成されている。これにより、線路導体６ａの表面に中心導体３ｂが載置されても、接続部の容量成分の増加が最小限に抑えられ、接続部における信号線路のインピーダンスの低下を最小限に抑えることができる。その結果、接続部でのインピーダンスが特性インピーダンスに近い値となり、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失を低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００２６】
即ち、線路導体６ａの容量成分は線路導体６ａと回路基板６下面の接地導体との間で発生しており、接続部ではほぼ中心導体３ｂの表面積の分だけ容量成分を発生させる対向電極の面積が増大することになるが、本発明のように接続部で中心導体３ｂを薄肉化することにより中心導体３ｂの表面積が小さくなり、容量成分を発生させる対向電極の面積が減少して容量成分が小さくなる。
【００２７】
また、中心導体３ｂの薄肉部３ｄの厚みがその残部の厚みの１０％未満では、薄肉部３ｄが薄すぎて折れ等の破損が生じ、中心導体３ｂで高周波信号を伝送できなくなる可能性がある。５０％を超える場合、薄肉部３ｄでの容量成分の増加が大きくなり、接続部における信号線路のインピーダンスが大きく低下して、接続部における信号線路のインピーダンスが特性インピーダンスに比べ大幅に小さい値となり反射損失が大きくなる。
【００２８】
図３（ａ）は、中心導体３ｂと線路導体６ａとの接続部における線路方向に平行な面での部分断面図であり、薄肉部３ｄの長さをＬ１、線路導体６ａの端から薄肉部３ｄの端までの長さをＬ２とする。
【００２９】
本発明では、好ましくは、Ｌ１は０．１ｍｍ≦Ｌ１≦１ｍｍとするのがよい。Ｌ１＜０．１ｍｍの場合、薄肉部３ｄの長さが短かすぎて接続部での信号線路のインピーダンスを特性インピーダンスに近い値とすることができず、接続部での高周波信号の反射損失が増大する。Ｌ＞１ｍｍの場合、薄肉部３ｄの長さが長すぎて薄肉部で折れ等の破損が生じやすくなり、また薄肉部３ｄと線路導体６ａとを金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）半田等の導電性接着材６ｂで接合した後に導電性接着材６ｂとの熱膨張差により薄肉部３ｄが破損し、高周波信号を伝送できなくなる場合がある。
【００３０】
また、Ｌ２は０ｍｍ≦Ｌ２≦１ｍｍとするのが好ましい。Ｌ２＜０ｍｍの場合、即ち薄肉部３ｄが線路導体６ａの端からはみ出す場合、接続部以外の中心導体３ｂの厚さが変化することとなり、接続部以外の中心導体３ｂの厚さが変化している部位で高周波信号の大きな反射損失が発生し、信号線路全体における反射損失が大きくなってしまい、高周波信号を効率よく伝送できなくなりやすい。またＬ２＞１ｍｍの場合、中心導体３ｂの薄肉部３ｄ以外の部分で線路導体６ａと接合される部分の長さが長くなり、信号線路の容量成分が増大し、接続部において高周波信号の反射損失が大きくなり、高周波信号を効率よく伝送できなくなりやすい。
【００３１】
薄肉部３ｄはその残部との間に段差を形成しており、その段差は、図３（ａ）のように薄肉部３ｄに略垂直な平面である構成、図３（ｂ）のように円弧状のなだらかなくぼんだ曲面である構成、図３（ｃ）のように傾斜面である構成等の種々の構成とすることができる。図３（ｂ），図３（ｃ）のように、段差をなだらかな形状とすることが好ましく、表皮効果によって信号線路の表面近くを伝送する高周波信号の反射損失を抑えることができる。
【００３２】
図３（ｃ）において、段差である傾斜面の傾斜角が３０〜６０°であるのが好ましく、信号線路の表面近くを伝送する高周波信号の反射損失を最小限に抑え、高周波信号を効率よく伝送させることが可能となる。
【００３３】
薄肉部３ｄと線路導体６ａとの接続部の構成は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような中心導体３ｂの先端部の上側を切り欠いて形成した薄肉部３ｄが線路導体６ａに接続される構成、図３（ｄ）に示すような中心導体３ｂの先端部の下側を切り欠いて形成した薄肉部３ｄが線路導体６ａに接続される構成、図３（ｅ）に示すような中心導体３ｂの先端部の上側と下側とを切り欠いて形成した薄肉部３ｄが線路導体６ａに接続される構成とし得る。
【００３４】
また、薄肉部３ｄの線路方向に垂直な面における断面形状は、図２のような半円形状のみならず、四角形等様々な形状とし得る。
【００３５】
さらに、薄肉部３ｄの上面は回路基板６の下面に略平行な平坦面であることが好ましい。この場合、薄肉部３ｄの上面から出た電気力線は上方に延びるのみで回路基板６下面の接地導体に結合することがないため、薄肉部３ｄ上面が容量成分を生じる対向電極とはならない。即ち、薄肉部３ｄ上面は容量成分の増加に全く寄与することがなくなるため、容量成分の低減に有効な構成となるのである。
【００３６】
本発明において、図４の回路基板６の平面図に示すように、線路導体６ａは中心導体３ｂとの接続部が中心導体３ｂの幅の０．７〜０．９倍の幅狭部６ｃとされ、その残部が中心導体３ｂと略同じ幅とされている。即ち、幅狭部６ｃを除く線路導体６ａの幅をＷ１、幅狭部６ｃの幅をＷ２、中心導体３ｂの幅をｄとしたとき、０．７ｄ≦Ｗ２≦０．９ｄ，Ｗ１＞Ｗ２となっている。なお、Ｗ１とｄについては、０．９ｄ≦Ｗ１≦１．１ｄといった程度の範囲で略同じであればよい。
【００３７】
この構成により、幅狭部６ｃを除く部分の線路導体６ａを特性インピーダンス値に整合させ、幅狭部６ｃ部においては特性インピーダンス値よりも高いインピーダンス値とすることができる。線路導体６ａの幅狭部６ｃとその残部との間で線路幅に段差が生じるが、この段差部については、幅狭部６ｃから幅の広い線路導体６ａへ変化している傾斜部の線路導体６ａに対する傾斜角度θは３０〜６０°として連続的に線路幅を変化させる。この場合反射損失による高周波信号の減衰を抑制することができる。
【００３８】
図２に示すように、線路導体６ａと中心導体３ｂとを接続することにより、接続部では信号線路が中心導体３ｂ，線路導体６ａおよび導電性接着材６ｂとなっている。線路導体６ａのみが信号線路である場合と比して、接続部で信号線路の容量成分が増加し、接続部のインピーダンスが低下することとなる。従って、本発明では、接続部における線路導体６ａを幅狭部６ｃとして、幅狭部６ｃのインピーダンス値は特性インピーダンスより高い値とし、接続部における中心導体３ｂの厚みを接続部以外の部分の厚みの１０〜５０％とした薄肉部３ｄとし、接続部における信号線路の容量成分の増加を最小限に抑える。これにより、中心導体３ｂを接続して接続部のインピーダンスが低下しても、接続部を特性インピーダンスに整合させることができる。また、接続部では、導電性接着材６ｂの量を適宜調整して信号線路のインピーダンスを略整合することができる。このようにして、半導体パッケージ内において、高周波信号の反射損失や透過損失等の伝送損失の小さい良好な伝送特性の信号線路が形成される。
【００３９】
枠体２の貫通孔２ｂ内に挿入固定される同軸コネクタプラグ９は、外部電気回路に接続された同軸ケーブル１０と枠体２に嵌着された同軸コネクタ３とを接続するためのプラグである。
【００４０】
そして、本発明の半導体パッケージは、半導体素子５を回路基板６上に搭載して載置部１ａに回路基板を載置固定し、半導体素子５の電極と回路基板６の上面に形成された線路導体６ａとを電気的に接続し、線路導体６ａと中心導体３ｂとを導電性接着材６ｂを介して電気的に接続し、しかる後、枠体２の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体４を半田付け法やシームウエルド法により接合することにより製品としての半導体装置となる。
【００４１】
この半導体装置は、基体１が外部電気回路基板に実装され、同軸コネクタプラグ９と外部電気回路に接続された同軸ケーブル１０とを接続することにより、内部に収容する半導体素子５が外部電気回路に電気的に接続され、半導体素子５が高周波信号で作動することとなる。
【００４２】
本発明における高周波信号の好ましい周波数は５〜１００ＧＨｚ程度であり、この場合に高周波信号の伝送特性を良好なものとすることができる。
【００４３】
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であれば種々の変更は可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、同軸コネクタの中心導体は、回路基板の線路導体との接続部で線路導体側の先端からその先端と線路導体の端との間までの部位に厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部が形成されていることから、線路導体の表面に中心導体が載置され接続されても、接続部の容量成分の増加が最小限に抑えられ、接続部における信号線路のインピーダンスの低下を最小限に抑えることができる。その結果、接続部でのインピーダンスが特性インピーダンスにきわめて近い値となり、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失を低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００４５】
本発明は、線路導体は、中心導体との接続部が中心導体の幅の０．７〜０．９倍の幅狭部とされ、残部が中心導体と略同じ幅とされることにより、接続部のインピーダンスを特性インピーダンスに略整合させ、半導体パッケージ内の信号線路の接続部で高周波信号の反射損失をより低減させ、高周波信号を効率よく伝送することができる。
【００４６】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置固定されて同軸コネクタに線路導体を介して電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことにより、上記本発明の作用効果を有する半導体パッケージを用いた信頼性の高い半導体装置となる。
【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例を示す断面図である。
【図２】本発明の半導体パッケージ内に収容された回路基板の線路方向に垂直な面における部分断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の各種例を示し、半導体パッケージ内に収容された回路基板の線路方向に平行な面における部分断面図である。
【図４】本発明の半導体パッケージ内に収容された回路基板について実施の形態の他の例を示す平面図である。
【図５】従来の半導体パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：同軸コネクタ
３ａ：外周導体
３ｂ：中心導体
３ｃ：絶縁体
３ｄ：薄肉部
５：半導体素子
６：回路基板
６ａ：線路導体
６ｃ：幅狭部
Claims (2)
- 上側主面に半導体素子および回路基板を載置するための載置部を有する基体と、該基体の前記上側主面の外周部に前記載置部を囲繞するように接合され、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るとともに前記貫通孔に嵌着された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、前記回路基板は、その上面に一端側が前記中心導体に、他端側が前記半導体素子にそれぞれ電気的に接続された線路導体が形成されており、前記中心導体は、前記線路導体との接続部で前記線路導体側の先端から該先端と前記線路導体の端との間までの部位に厚みがその残部の１０〜５０％とされた薄肉部が形成されており、該薄肉部とその残部との間になだらかな形状の段差が形成されているとともに、前記線路導体は、マイクロストリップ線路であって、前記中心導体との接続部が前記中心導体の幅の０．７〜０．９倍の幅狭部とされ、残部が前記中心導体と略同じ幅とされており、前記幅狭部から前記残部へと幅が変化する傾斜部が形成され、さらに該傾斜部に前記中心導体の先端部が位置していることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
- 請求項１記載の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記同軸コネクタに前記線路導体を介して電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする半導体装置。
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