JP3810334B2

JP3810334B2 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置

Info

Publication number: JP3810334B2
Application number: JP2002116529A
Authority: JP
Inventors: 絵美小磯
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2022-04-18
Also published as: JP2003309203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信やマイクロ波通信、ミリ波通信等の高い周波数で作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および半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光半導体素子を収納するための半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パッケージともいう）を図３，図４に示す。これらの図において、101は基体、102は枠体、104は半導体素子、107は入出力端子、108はシールリングである。これら基体101、枠体102、蓋体103、入出力端子107、シールリング108とで、半導体素子104を半導体パッケージ内に収容する容器が主に構成される。
【０００３】
基体101は、その上側主面の中央部に半導体素子104を載置する載置部101ａを有し、載置部101ａには半導体素子104がペルチェ素子等の基台105を介して金（Ａｕ）−シリコン（Ｓｉ）ロウ材等の接着剤により接着固定されるものであり、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成る。
【０００４】
枠体102は、基体101の上側主面の外周部に載置部101ａを囲繞するように、銀ロウ等のロウ材のプリフォームを介して接合され、側部の上面に入出力端子107を嵌着するための切欠き部から成る取付部102ａが形成されたものであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る。
【０００５】
入出力端子107は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）等のセラミックスから成り、枠体102の内外に突出する平板部107ａと枠体102に嵌着される立壁部107ｂとを有しており、半導体パッケージの内外を導出するようにモリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ），タングステン（Ｗ）等から成る金属ペーストを焼結したメタライズ配線層112が平板部107ａの上面に被着されて半導体素子104と外部電気回路基板とを電気的に接続する。また、入出力端子107は、枠体102の取付部102ａに銀ロウ等のロウ材で嵌着される。
【０００６】
リード端子116は、入出力端子107のメタライズ配線層112に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、外部電気回路と入出力端子107との高周波信号の入出力を行うものであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る。
【０００７】
シールリング108は、枠体102の上面に銀ロウ等のロウ材のプリフォームを介して接合され、枠体102とともに入出力端子107を上方より挟持するものであり、上面に蓋体103をシーム溶接等により接合するための接合媒体として機能する。シールリング108と枠体102とを接合するためのロウ材のプリフォームは、ロウ材が溶融した際に毛細管現象によって、取付部102ａの内周側面と入出力端子107との間に流れ込むことによって、入出力端子107が取付部102ａに銀ロウ等のロウ材で嵌着接合される。
【０００８】
光ファイバ固定部材（以下、固定部材ともいう）109は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、例えばＦｅ−Ｎｉ合金のインゴットをプレス加工により所定の筒状に成形することによって製作される。また、固定部材109は、光ファイバ110を挿通可能な貫通孔を有する筒体であり、枠体２内側の端部（載置部101ａ側の端部）がサファイアやガラス等の透光性材料から成る窓部材111で塞がれており、枠体２外側の端部の開口から光ファイバ110の一端が挿通固定される。
【０００９】
光ファイバ110は、その端部に金属製フランジ110ａをＹＡＧレーザ溶接法等によって固定部材109に溶接することにより枠体102に固定され、これにより光ファイバ110を介して内部に収容する半導体素子104と外部との光信号の授受が可能となる。
【００１０】
また、メタライズ配線層112の枠体102外側の部位には、外部電気回路との高周波信号の入出力を行うために、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成るリード端子116が銀ロウ等のロウ材で接合されるとともに、メタライズ配線層112の枠体102内側の部位には、半導体素子104と電気的に接続するためのボンディングワイヤー114が接合される。
【００１１】
そして、基体101の載置部101ａに半導体素子104が基台105を介して接着固定され、半導体素子104の電極をボンディングワイヤー114を介してメタライズ配線層112に接続させる。次に、枠体102の上面に蓋体103を接合させ、基体101と枠体102と入出力端子107とシールリング108と蓋体103とから成る容器内部に、半導体素子104および基台105を気密に収容する。最後に、枠体102に設けられた固定部材109に光ファイバ110の一端を挿通させるとともに、これを半田等の接着剤やレーザ溶接によって接合させ、光ファイバ110を枠体102に固定することによって最終製品としての半導体装置となる。そして、光ファイバ110を介して内部に収容する半導体素子104と外部との光信号の授受が可能となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体パッケージにおいて、内部に収容する素子や部品を増加させ、多くの機能を有する集積化した半導体装置を形成するために、入出力端子107の平板部107ａ上面の高さをそのままとして枠体102の高さを高くして内部の容積を大きくする場合、入出力端子107の立壁部107ｂの高さを高くして、取付部102ａを立壁部107ｂの大きさに合わせて大きくする必要があった。そして、立壁部107ｂを高くすると、立壁部107ｂと枠体102との熱膨張差が大きくなり、立壁部107ｂにクラック等の破損が発生して、半導体パッケージ内部を気密に保持できなくなる場合があった。そこで、立壁部107ｂに破損が生ずるのを防止するために立壁部107ｂを厚くすることも考えられるが、この場合半導体パッケージ内部の容積が小さくなるという問題があった。
【００１３】
また、立壁部107ｂを高くすると、入出力端子107外周の長さが長くなり、毛細管現象によりロウ材を取付部102ａの内周側面と入出力端子107との間に入出力端子107全周にわたって流し込むことが困難になり、取付部102ａの内周側面と入出力端子107との間に隙間ができて、半導体パッケージ内部を気密に保持できなくなるという問題点があった。
【００１４】
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、内部の容積を大きくできるとともに内部の気密性が良好な半導体パッケージを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上側主面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、該基体の前記上側主面に前記載置部を囲繞するように取着され、上面側に切欠き部が形成された金属製の枠体と、上面の一辺側から対向する他辺側にかけて形成された複数のメタライズ配線層を有する誘電体から成る平板部および該平板部の上面に前記複数のメタライズ配線層の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から構成されるとともに前記切欠き部内の下側に嵌着された入出力端子と、前記枠体の上面と上面が略面一となるように前記切欠き部内の上側の前記入出力端子上に嵌着された、中央部が上下にわたって前記枠体よりも薄い金属壁と、前記枠体および前記金属壁の上面に接合された金属製のシールリングとを具備したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記の構成により、入出力端子の平板部の上面の高さをそのままとし枠体を高くして内部の容積を大きくする際に、立壁部とシールリングとの間に少なくとも中央部が枠体よりも薄い金属壁が設けられることによって、入出力端子の立壁部を高くする必要がなくなり、立壁部にクラック等の破損が発生するのを防止して、半導体素子収納用パッケージ内部を気密に保持できる。また、金属壁の中央部が上下にわたって枠体よりも薄く、かつシールリングの幅が枠体の厚さと同程度であることから、金属壁の中央部の厚さは枠体およびシールリングよりも薄いことになり、その結果、枠体とシールリングの間に設けたロウ材が金属壁の中央部の内面または外面を流れ、ロウ材を立壁部上面にすみやかに流し込むことができる。また、金属壁と立壁部上面との接合部に良好なロウ材のメニスカスを形成することができ、入出力端子の接合を強固にすることができ、半導体素子収納用パッケージの気密信頼性を高めることができる。
【００１７】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記金属壁は、前記立壁部の両端部に位置する部位に上下にわたって前記枠体と略同じ厚さの厚肉部が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上記の構成により、金属壁を切欠き部に嵌着し接合する際に位置合わせが容易になり、また、枠体と金属壁との隙間の枠体の厚さ方向の長さが長くなるため、毛細管現象によってロウ材をより良好に流し込むことができる。従って、枠体と金属壁、入出力端子と枠体とを、より強固に接合できる。
【００１９】
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、前記載置部に載置されるとともに前記入出力端子に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。
【００２０】
本発明の半導体装置は、上記の構成により、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた信頼性の高いものとなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子収納用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例を示す断面図であり、図２（ａ），（ｂ）は本発明の半導体パッケージの平面図である。図１において、１は基体、２は枠体、６は金属壁、７は入出力端子、８はシールリングであり、これらで半導体素子４を内部に収容するための容器が主に構成される。
【００２２】
本発明の半導体パッケージは、上側主面に半導体素子４が載置される載置部１ａを有する基体１と、基体１の上側主面に載置部１ａを囲繞するように取着され、上面側に切欠き部２ａが形成された金属製の枠体２と、上面の一辺側から対向する他辺側にかけて形成された複数のメタライズ配線層12を有する誘電体から成る平板部７ａおよび平板部７ａの上面に複数のメタライズ配線層12の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部７ｂから構成されるとともに切欠き部２ａ内の下側に嵌着された入出力端子７と、枠体２の上面と上面が略面一となるように切欠き部２ａ内の上側の入出力端子７上に嵌着された、中央部が上下にわたって枠体２よりも薄い金属壁６と、枠体２および金属壁６の上面に接合された金属製のシールリング８とを具備した構成である。
【００２３】
本発明の基体１は、その上側主面に半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ），ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子４がペルチェ素子，絶縁基板等の基台５を間に介して載置するための載置部１ａを有している。この基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ等の金属、またはＡｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂等のセラミックスから成る。金属から成る場合、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴット（塊）に圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法を施すことによって所定形状に製作される。一方、セラミックスから成る場合、その原料粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合しペースト状と成し、このペーストをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、しかる後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、これを複数枚積層し焼成することによって作製される。
【００２４】
なお、基体１が金属からなる場合、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層と厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層を順次メッキ法により被着させておくのがよく、基体１が酸化腐蝕するのを有効に防止できるとともに、基体１の上側主面の載置部１ａに半導体素子４を基台５を間に介して強固に接着固定させることができる。
【００２５】
一方、基体１がセラミックスから成る場合、半導体素子４を基台５を間に介して載置する載置部１ａに耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層と厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層を順次メッキ法により被着させておくのがよく、基体１上面の載置部１ａに半導体素子４を基台５を間に介して強固に接着固定させることができる。
【００２６】
枠体２は、基体１の上側主面に載置部１ａを囲繞するように取着され、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る。例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のインゴットをプレス加工により所定の枠状となすことによって製作される。また、枠体２には、内部に収容する半導体素子４との間で光信号を授受するための光ファイバ10が挿通固定される光ファイバ固定部材９が枠体２を貫通して銀ロウ等のロウ材を介して接合されている。
【００２７】
入出力端子７は、基体１，枠体２に熱膨張係数が近似するアルミナセラミックス等のセラミックスから成り、枠体２の内外に突出する平板部７ａと枠体２に嵌着される立壁部７ｂとを有しており、半導体パッケージの内外を導出するようにＭｏ−Ｍｎ，Ｗ等から成る金属ペーストを焼結したメタライズ配線層12が平板部７ａ上面に被着されて、半導体素子４と外部電気回路基板とを電気的に接続する。この入出力端子７は、枠体２上面側に形成された切欠き部２ａ内の下側に嵌めこまれ、入出力端子７の立壁部７ｂとシールリング８との間に枠体２およびシールリング８よりも薄いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等からなる金属壁６が嵌めこまれて、金属壁６とともに切欠き部２ａに銀ロウ等のロウ材を介して嵌着される。
【００２８】
この構成により、金属壁６が接合されることによって、入出力端子７の立壁部７ｂの高さを高くせずとも入出力端子７を切欠き部２ａに嵌着させることができ、立壁部７ｂにクラック等の破損が発生するのを防止して、半導体パッケージ内部を気密に保持できる。また、金属壁６が枠体２とシールリング８よりも薄いことにより、枠体２とシールリング８の間に設けたロウ材が金属壁６の中央部の内面または外面を流れ、ロウ材を立壁部７ｂ上面にすみやかに流し込むことができ、入出力端子７と金属壁６とを強固に接合できる。
【００２９】
また図１，図２に示すように、好ましくは、金属壁６は立壁部７ｂの両端部に位置する部位に上下にわたって枠体２の側部と略同じ厚さの厚肉部６ａが形成されていることにより、金属壁６を枠体２に嵌めこんで接合する際に枠体２に対する金属壁６の位置合わせが容易になるとともに、枠体２と金属壁６との接合部にロウ材の毛細管現象によってロウ材を流れ込ませることが容易になり、その結果、枠体２と金属壁６、入出力端子７と枠体２とを、強固に接合することができる。
【００３０】
金属壁６の厚みは枠体２の厚みの１／２〜３／４であることがよく、この場合金属壁６を介して入出力端子７とシールリング８を接合する際に、シールリング８の幅より薄くなった金属壁６の側面にロウ材が流れ込み、金属壁６と立壁部７ｂの上面との接合部に良好なロウ材のメニスカスを形成することができる。その結果、入出力端子７の接合を強固なものとすることができ、半導体パッケージの気密信頼性を高めることができる。
【００３１】
金属壁６の厚みが枠体２の厚みの１／２未満になると、金属壁６自体が薄くなりすぎるため、金属壁６の強度低下につながってしまう。また、３／４より厚くなると、金属壁６の中央部の内面または外面においてロウ材が流れにくくなって、金属壁６と入出力端子７とを接合するためのロウ材が不足し、金属壁６と立壁部７ｂの上面との接合部に良好なメニスカスを形成できなくなり、金属壁６と立壁部７ｂの上面との接合部において気密信頼性が低下する傾向がある。
【００３２】
また、金属壁６の両端部に形成された厚肉部６ａは、0.3ｍｍ〜金属壁６の長さの１／２であるのがよい。0.3ｍｍ未満では、金属加工により厚肉部を形成するのが困難となる。金属壁６の長さの１／２を超えると、金属壁６で枠体２よりも薄くなっている部分が少なくなり、金属壁６から立壁部７ｂの上面に流れるロウ材が少なくなってしまい、金属壁６と立壁部７ｂとを接合するためのロウ材が不足する。
【００３３】
また金属壁６は、図２（ｂ）に示すように、厚肉部６ａよりもさらに両端側を延長させた、厚肉部６ａ以外の部位と同じ厚さの延長部を有することが好ましい。この場合、半導体素子収納用パッケージの気密信頼性が向上するという効果がある。またこの場合、切欠き部２ａの上側に金属壁６の両端の延長部が嵌合するように段差が形成される。
【００３４】
なお、金属壁６は厚肉部６ａが形成されていなくてもよく、全体が枠体２よりも薄くなっていてもよい。
【００３５】
固定部材９は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、例えばＦｅ−Ｎｉ合金のインゴットをプレス加工により所定の筒状に製作される。この固定部材９は、光ファイバ10を挿通可能な貫通孔を有する筒体であり、枠体２内側の端部がサファイアやガラス等の透光性材料から成る窓部材11で塞がれており、枠体２外側の端部から光ファイバ10の一端が挿通固定される。
【００３６】
光ファイバ10は、その端部に金属製フランジ10ａを例えばレーザ溶接法を採用して固定部材９に溶接することにより枠体２に固定され、これにより光ファイバ10を介して内部に収容する半導体素子４と外部との光信号の授受が可能となる。
【００３７】
リード端子16は、入出力端子７のメタライズ配線層12の枠体２外側に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、外部電気回路と入出力端子７との高周波信号の入出力を行うものであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る。その金属のインゴットを従来周知の圧延加工法、打ち抜き加工法、エッチング加工法等の金属加工法によって、所定の棒状となるように製作される。
【００３８】
シールリング８は、枠体２の上面に銀ロウ等のロウ材で接合され、入出力端子７を枠体２とともに挟持し、上面に蓋体３をシーム溶接等により接合するための接合媒体として機能し、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る。
【００３９】
また、メタライズ配線層12には、外部電気回路との高周波信号の入出力を行うために、導電性を有するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成るリード端子１６が銀ロウ等のロウ材で接合されるとともに、枠体２内側において半導体素子４と電気的に接続するためのボンディングワイヤー14が接合される。
【００４０】
そして、基体１の載置部１ａに半導体素子４を基台５を間に介して接着固定させ、半導体素子４の電極をボンディングワイヤー14を介してメタライズ配線層12に接続させ、次に枠体２の上面に蓋体３を接合させ、基体１と枠体２と入出力端子７とシールリング８と蓋体３とから成る容器内部に半導体素子４を気密に収容し、最後に枠体２に設けられた固定部材９に光ファイバ10の一端を挿通させるとともにこれを半田等の接着剤やレーザ溶接によって接合させ、光ファイバ10を枠体２に固定することによって、最終製品としての半導体装置となる。そして、光ファイバ10を介して内部に収容する半導体素子４と外部との光信号の授受、送受が可能となる。
【００４１】
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であれば種々の変更は可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上側主面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、基体の上側主面に載置部を囲繞するように取着され、上面側に切欠き部が形成された金属製の枠体と、上面の一辺側から対向する他辺側にかけて形成された複数のメタライズ配線層を有する誘電体から成る平板部および平板部の上面に複数のメタライズ配線層の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から構成されるとともに切欠き部内の下側に嵌着された入出力端子と、枠体の上面と上面が略面一となるように切欠き部内の上側の入出力端子上に嵌着された、中央部が上下にわたって枠体よりも薄い金属壁と、枠体および金属壁の上面に接合された金属製のシールリングとを具備したことにより、入出力端子の平板部の上面の高さをそのままとし枠体を高くして内部の容積を大きくする際に、立壁部とシールリングとの間に枠体よりも少なくとも中央部が上下にわたって薄い金属壁が設けられることによって、入出力端子の立壁部を高くする必要がなくなり、立壁部にクラック等の破損が発生するのを防止して、半導体素子収納用パッケージ内部を気密に保持できる。また、金属壁が枠体よりも薄く、かつシールリングの幅が枠体の厚さと同程度であることから、金属壁の中央部の厚さは枠体およびシールリングよりも薄いことになり、その結果、枠体とシールリングの間に設けたロウ材が金属壁の中央部の内面または外面を流れ、ロウ材を立壁部上面にすみやかに流し込むことができる。また、金属壁と立壁部上面との接合部に良好なロウ材のメニスカスを形成することができ、入出力端子の接合を強固にすることができ、半導体素子収納用パッケージの気密信頼性を高めることができる。
【００４３】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、好ましくは金属壁は立壁部の両端部に位置する部位に上下にわたって枠体と略同じ厚さの厚肉部が形成されていることにより、金属壁を切欠き部に嵌着し接合する際に位置合わせが容易になり、また、枠体と金属壁との隙間の枠体の厚さ方向の長さが長くなるため、毛細管現象によってロウ材をより良好に流し込むことができる。従って、枠体と金属壁、入出力端子と枠体とを、より強固に接合できる。
【００４４】
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、載置部に載置されるとともに入出力端子に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、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた信頼性の高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用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】（ａ）は図１の半導体素子収納用パッケージの平面図、（ｂ）は本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の他の例を示す平面図である。
【図３】従来の半導体素子収納用パッケージの断面図である。
【図４】図３の半導体素子収納用パッケージの斜視図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
２：枠体
２ａ：切欠き部
４：半導体素子
６：金属壁
６ａ：厚肉部
７：入出力端子
７ａ：平板部
７ｂ：立壁部
８：シールリング
12：メタライズ配線層

Claims

上側主面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、該基体の前記上側主面に前記載置部を囲繞するように取着され、上面側に切欠き部が形成された金属製の枠体と、上面の一辺側から対向する他辺側にかけて形成された複数のメタライズ配線層を有する誘電体から成る平板部および該平板部の上面に前記複数のメタライズ配線層の一部を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部から構成されるとともに前記切欠き部内の下側に嵌着された入出力端子と、前記枠体の上面と上面が略面一となるように前記切欠き部内の上側の前記入出力端子上に嵌着された、中央部が上下にわたって前記枠体よりも薄い金属壁と、前記枠体および前記金属壁の上面に接合された金属製のシールリングとを具備したことを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
前記金属壁は、前記立壁部の両端部に位置する部位に上下にわたって前記枠体と略同じ厚さの厚肉部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体素子収納用パッケージ。
請求項１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置されるとともに前記入出力端子に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。