JP3967905B2 - 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、光通信分野やマイクロ波通信，ミリ波通信等の無線通信分野で使用されるとともに、高い周波数で作動する各種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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野やマイクロ波通信，ミリ波通信等の無線通信分野で使用されるとともに、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（以下、半導体パッケージという）のうち、光通信分野に用いられる光半導体パッケージを図３に示す。
【０００３】
同図に示すように、光半導体パッケージは一般に、上面に半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子107が載置用基台108を介して載置される載置部101ａを有する鉄（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基体101を有する。また、載置部101ａを囲繞するように基体101の上面に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、一側部に光半導体素子107と外部電気回路（図示せず）とを電気的に接続する同軸コネクタ（ガラスビーズ端子ともいう）103を嵌着するための貫通孔102ａが形成され、対向する側部に光半導体素子107と光結合するための光伝送路用の貫通孔102ｂが形成された、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る枠体102を有する。
【０００４】
この貫通孔102ｂの枠体102外側開口の周辺部には、筒状の光ファイバ固定部材（以下、固定部材という）104が銀ロウ等のロウ材で接合される。この固定部材104は、枠体102の熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、外側端面に戻り光防止用の光アイソレータ111と光ファイバ113とが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ112が設けられ、また内部には非晶質ガラス等から成り集光レンズとして機能するとともに光半導体パッケージ内部を塞ぐ機能を有する透光性部材105が固定される。この固定部材104と金属ホルダ112とは、各々の端面同士がＹＡＧレーザ溶接等により固定され、一方固定部材104と透光性部材105とは、固定部材104内周面に形成されたメッキ層と透光性部材105外周面の一部に形成されたメッキ層とを、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材でロウ付けすることにより固定される。
【０００５】
また、同軸コネクタ103は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成り、貫通孔102ａ内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材によりロウ付けされる筒状のホルダ（外周導体）103ａと、外周導体103ａの内部に充填されたホウケイ酸ガラス等の誘電体から成るガラス（絶縁体）103ｂと、外周導体103ａの中心軸部分に絶縁体103bを介して装着され光半導体パッケージ内外を導通させる金属端子（中心導体）103ｃとから成る。この同軸コネクタ103は、外部電気回路と光半導体素子107とを電気的に接続する機能を有するとともに光半導体パッケージ内部を塞ぐ機能を有する。また同軸コネクタ103は、高周波信号が伝送される中心導体103ｃと、それを取り囲む部位、即ち金属から成る外周導体103ａ部および貫通孔102ａ内周面部が、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。
【０００６】
なお、同軸コネクタ103と光半導体素子107との電気的接続は、中心導体103cの貫通孔102ａ内部でのインピーダンスと同じになるように形成された、マイクロストリップ線路であるメタライズ金属層109ａと、中心導体103ｃの先端部とを、錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の低融点ロウ材を介して接合するとともに、メタライズ金属層109ａと光半導体素子107とをボンディングワイヤ110で接続することによりなされる。
【０００７】
このような光半導体パッケージは、光半導体素子107や回路基板109を搭載した載置用基台108を樹脂接着剤，ロウ材等の接着剤を介して載置固定した後、中心導体103ｃの一端を回路基板109上面のメタライズ金属層109ａに低融点ロウ材で接合するとともに、光半導体素子107とメタライズ金属層109ａとをボンディングワイヤ110で電気的に接続し、その後、光アイソレータ111，光ファイバ113が固定されている金属ホルダ112を固定部材104に溶接し、枠体102上面に蓋体106をシーム溶接やロウ付け等により接合することにより、製品としての光半導体装置となる。
【０００８】
この光半導体装置は、例えば外部から供給される高周波信号により光半導体素子107を光励起させ、励起したレーザ光等の光を透光性部材105を通して光ファイバ113に授受させ光ファイバ113内を伝送させることにより、大容量の情報を高速に伝送できる光電変換装置として機能し、光通信分野等に多用されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光半導体パッケージにおいて、同軸コネクタ103と光半導体素子107との電気的接続は、中心導体103cの貫通孔102ａ内部でのインピーダンスと同じになるように形成された、マイクロストリップ線路であるメタライズ金属層109ａと、中心導体103ｃの先端部とを、錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の低融点ロウ材を介して接合するとともに、メタライズ金属層109ａと光半導体素子107とをボンディングワイヤ110またはボンディングリボンで接続することによりなされる。このため、同軸コネクタ103と光半導体素子107との導電経路に電気的な接続部分が多いため、伝送される高周波信号の入出力時における反射損失が大きくなり、光半導体素子107の作動性が劣化するという問題点を有していた。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高周波信号の入出力時における反射損失を非常に小さいものとすることにより、光半導体素子の作動性を良好なものとすることにある。
【００１１】
【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、上面に半導体素子が載置用基台を介して載置される載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着され、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て前記半導体素子に電気的に接続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、前記中心導体は、前記絶縁体および前記枠体内面より突出して露出する先端部が前記載置用基台の上面と平行に対置されているとともに、前記半導体素子に接続される先端から0.1〜0.4ｍｍの前記先端部の厚みがその残部の50〜80％とされており、前記先端部はその上側が軸方向に略平行な平坦面とされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、上記の構成により、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との接続をボンディングワイヤ，リボン等の導電線で直接行うことが可能となり、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との接続を回路基板の線路導体を経由して行なう必要がなくなる。その結果、電気的な接続部を一部省くことで高周波信号の入出力時における反射損失をきわめて小さくできる。
【００１３】
また、同軸コネクタの中心導体の先端部を上記の構成とすることによって、半導体素子のボンディングワイヤ等の導電線に生じるインダクタンス成分を丁度相殺するような容量成分を中心導体の先端部に付与して、先端部でインピーダンスがずれないようにして整合することができる。また、中心導体の先端部の形状および表面積が半導体素子の導電線に近いものとなり、これらの間のインピーダンスの相違を小さくすることができる。さらに、中心導体の先端部の上側に平坦面があることから、例えば円柱状の中心導体の場合半導体素子のボンディングワイヤ等の導電線を直接中心導体に強固に接合することができる。
【００１４】
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、前記載置部に載置されるとともに前記中心導体の前記先端部に長さ0.05〜１ｍｍの導電線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。
【００１５】
本発明は、上記の構成により、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との距離を小さくして半導体装置を小型化することができ、また導電線の誘導成分を小さくして高周波信号の損失を小さくすることができる。その結果、高周波信号の伝送特性に優れた小型の半導体装置となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージの１種である光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、本発明の光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る。
【００１７】
同図において、１は光半導体素子を収容する容器本体の底面を成す基体、２は容器本体の側壁用の枠体、３は高周波信号の入出力端子である同軸コネクタ、４は透光性部材５や金属ホルダ11を設置固定するとともに光ファイバ12を取着するための筒状の固定部材、５は透光性部材、６は蓋体、７はＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子である。これら基体１、枠体２、同軸コネクタ３、固定部材４、透光性部材５および蓋体６とで、内部に光半導体素子７を収容するための容器が基本的に構成される。また、従来例（図３）と同様に、固定部材４の枠体２外側の端面には、光アイソレータ10と光ファイバ12とが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ11が、ＹＡＧレーザ溶接等により固定される。
【００１８】
本発明の基体１は、光半導体素子７を支持するための支持部材ならびに光半導体素子７から発せられる熱を放散するための放熱板として機能し、その上面の略中央部に光半導体素子７が載置用基台８を介して載置される載置部１ａを有している。この載置部１ａに、載置用基台８がＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材を介して接着固定されるとともに、この低融点ロウ材を介して光半導体素子７の熱が伝えられて外部に効率良く放散され、光半導体素子７の作動性を良好にする。
【００１９】
また基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成り、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を施すことによって所定の形状に製作される。また、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0.5〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくと、基体１が酸化腐食するのを有効に防止することができるとともに、基体１上面に載置用基台８を介して光半導体素子７を強固に接着固定させることができる。
【００２０】
また、載置用基台８はシリコン（Ｓｉ）やＣｕ−Ｗ合金等の熱伝導性の高い金属等の材料から成り、光半導体素子７から基体１へ熱を伝えるための伝熱媒体として機能するとともに、その高さを適宜設定することにより透光性部材５と光半導体素子７との光軸を合致させる機能を有する。
【００２１】
同軸コネクタ３は、枠体２の貫通孔２ａ内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材によりロウ付けされるホルダ（外周導体）３ａと、外周導体３ａの貫通孔に充填されたホウケイ酸ガラス等から成る絶縁体３ｂと、外周導体３ａの中心軸部分に絶縁体３ｂを介して装着され光半導体パッケージ内外を電気的に導通させる中心導体３ｃとから成る。そして中心導体３ｃは、絶縁体３ｂおよび枠体２内面より突出しているとともに光半導体素子７に接続される先端から0.1〜0.4ｍｍの先端部３ｃ'の厚みがその残部の50〜80％とされており、先端部３ｃ'はその上側が軸方向に略平行な平坦面とされている。
【００２２】
先端部３ｃ'の長さが0.1ｍｍ未満では、Ａｕ等から成るリボンやボンディングワイヤ等の導電線９を強固に接合するための面積を確保するのが困難である。0.4ｍｍを超えると、先端部３ｃ'の容量成分（中心導体３ｃと導電線９との間に発生する容量成分）が大きくなり高周波信号の反射損失が大きくなる。
【００２３】
先端部３ｃ'の厚みがその残部の厚みの50％未満では、先端部３ｃ'の強度が低下して、導電線９をボンディング等で接合する際に先端部３ｃ'が変形、破損したり、またボンディングワイヤを接合するのが困難になる。また、導電線９は誘導成分（インダクタンス成分；Ｌ成分）を有しており、それを打ち消してインピーダンスの変化を抑える容量成分が必要であるが、50％未満では容量成分が小さいため、インピーダンスが所定値からずれることになる。その結果、同軸コネクタ３の中心導体３ｃと導電線９との間での高周波信号の反射損失が大きくなる。
【００２４】
一方、先端部３ｃ'の厚みがその残部の厚みの80％を超えると、例えば円柱状の中心導体３ｃの場合、先端部３ｃ'の上側の平坦面の面積が小さくなり、導電線９を接合するのに必要な面積を確保するのが困難になる。また80％を超えると、中心導体３ｃと導電線９との接合部分では通常若干容量成分が増加するが、その容量成分の増加が大きくなり高周波信号の反射損失が大きくなる。
【００２５】
導電線９の長さが0.05ｍｍ未満では、光半導体素子７に先端部３ｃ'を0.05ｍｍ未満の距離に近づける必要があるが、同軸コネクタ３の取り付けの精度上そこまで近づけるのは困難である。また0.1ｍｍを超えると、導電線９の誘導成分が大きくなり高周波信号の反射損失が大きくなる。
【００２６】
そして、同軸コネクタ３は、外部電気回路と光半導体素子７とを電気的に接続する機能を有するとともに光半導体パッケージ内部を塞ぐ機能を有する。また同軸コネクタ３は、高周波信号が伝送される中心導体３ｃと、その外周部、即ち金属から成る外周導体３ａおよび貫通孔２ａの内周面とが、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。従って同軸コネクタ３は、上記の構造であることから、伝送される高周波信号の周波数が高くなっても中心導体３ｃにインピーダンスの整合が困難になる部位が出現することはない。
【００２７】
また、導電線９はＡｕから成る導電性に優れたものが好ましく、導電線９がリボンから成る場合、その幅は中心導体３ｃと同じか近いものがよく、高周波信号の伝送特性が向上する。
【００２８】
この同軸コネクタ３が嵌着される枠体２は、載置部１ａを囲繞するように基体１の上面に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、一側部に同軸コネクタ３の嵌着用の貫通孔２ａを有するとともに他の側部に光半導体素子７と光結合するための光伝送路である貫通孔２ｂを有する。
【００２９】
また枠体２は、基体１との接合時における熱歪みを小さくし接合を強固にするとともに光半導体パッケージ外部に対する電磁遮蔽を行うために、基体１の熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成るのがよい。この枠体２は、基体１と同様にその材料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を施すことにより所定の形状に製作される。そして、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0.5〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させるのがよく、枠体２の酸化腐食を有効に防止できるとともに貫通孔２ａ，２ｂに同軸コネクタ３，固定部材４を強固に接合できる。
【００３０】
枠体２の貫通孔２ｂの枠体２外面開口の周辺部または貫通孔２ｂの内周面に、枠体２の熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る筒状の光ファイバの固定部材４が銀ロウ等のロウ材で接合される。この固定部材４は、その外側端面には戻り光防止用の光アイソレータ10および光ファイバ12が樹脂接着剤で接着された金属ホルダ11が設けられ、また内部には非晶質ガラス等から成り集光レンズとして機能するとともに光半導体パッケージ内部を塞ぐ機能を有する透光性部材５が固定される。そして固定部材４の内周面には、透光性部材５がその接合部の表面に形成されたメタライズ層を介して、200〜400℃の融点を有するＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材で接合される。
【００３１】
透光性部材５は、熱膨張係数が４×１０-6〜12×１０-6／℃（室温〜400℃）のサファイア（単結晶アルミナ）や非晶質ガラス等から成り、球状，半球状，凸レンズ状，ロッドレンズ状等とされ、外部のレーザ光等の光を光ファイバ12により伝送させて光半導体素子７に入力させる、または光半導体素子７で出力したレーザ光等の光を光ファイバ12に入力させるための集光用部材である。透光性部材５が例えば結晶軸の存在しない非晶質ガラスの場合、ＳｉＯ2，酸化鉛（ＰｂＯ）を主成分とする鉛系、またはホウ酸やケイ砂を主成分とするホウケイ酸系のものを用いるのがよい。
【００３２】
また透光性部材５は、その熱膨張係数が枠体２のそれと異なっていても固定部材４が熱膨張差による応力を吸収し緩和するので、結晶軸が応力のためにある方向に揃うことによって光の屈折率の変化を起こすようなことは発生しにくい。従って、この透光性部材５を用いることにより光半導体素子７と光ファイバ12との間の光の結合効率を高くできる。
【００３３】
蓋体６は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＡｌ2Ｏ3セラミックス等のセラミックスから成り、枠体２上面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材を介して接合されたり、ＹＡＧレーザ溶接等の溶接により接合され、光半導体素子７を光半導体パッケージ内に封止するものである。
【００３４】
かくして、本発明の半導体パッケージは、基体１の載置部１ａに載置用基台８を介して半導体素子７を載置固定するとともに、半導体素子７の各電極をボンディングワイヤ（図示せず）を介して外部リード端子（図示せず）に電気的に接続し、枠体２の上面に蓋体６を接合し、基体１と枠体２と蓋体６とからなる容器内部に半導体素子７を収納し、最後に枠体２に取着された固定部材４に光アイソレータ10と光ファイバ12を取着した金属ホルダ11を溶接することにより、製品としての光半導体装置となる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、枠体の貫通孔に嵌着されて半導体素子に電気的に接続された同軸コネクタの中心導体は、絶縁体および枠体内面より突出して露出する先端部が載置用基台の上面と平行に対置されているとともに半導体素子に接続される先端から0.1〜0.4ｍｍの先端部の厚みがその残部の50〜80％とされており、先端部はその上側が軸方向に略平行な平坦面とされていることにより、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との接続をボンディングワイヤ，リボン等の導電線で直接行うことが可能となり、中心導体と半導体素子との接続を回路基板の線路導体を経由して行なう必要がなくなる。その結果、電気的な接続部を一部省くことで高周波信号の入出力時における反射損失をきわめて小さくできる。
【００３７】
また、同軸コネクタの中心導体の先端部を上記の構成とすることによって、半導体素子のボンディングワイヤ等の導電線に生じるインダクタンス成分を丁度相殺するような容量成分を中心導体の先端部に付与して、先端部でインピーダンスがずれないようにして整合することができる。また、中心導体の先端部の形状および表面積が半導体素子の導電線に近いものとなり、これらの間のインピーダンスの相違を小さくすることができる。さらに、中心導体の先端部の上側に平坦面があることから、例えば円柱状の中心導体の場合半導体素子のボンディングワイヤ等の導電線を直接中心導体に強固に接合することができる。
【００３８】
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、載置部に載置されるとともに中心導体の先端部に長さ0.05〜１ｍｍの導電線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、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との距離を小さくして半導体装置を小型化することができ、また導電線の誘導成分を小さくして高周波信号の損失を小さくすることができる。その結果、高周波信号の伝送特性に優れた小型の半導体装置となる。
【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一例を示す断面図である。
【図２】図１の半導体パッケージにおける同軸コネクタの先端部の拡大断面図である。
【図３】従来の半導体パッケージの例の断面図である。
【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：絶縁体
３ｃ：中心導体
３ｃ’：先端部
７：光半導体素子
８：載置用基台
９：導電線
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野やマイクロ波通信，ミリ波通信等の無線通信分野で使用されるとともに、高い周波数で作動する各種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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信分野やマイクロ波通信，ミリ波通信等の無線通信分野で使用されるとともに、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（以下、半導体パッケージという）のうち、光通信分野に用いられる光半導体パッケージを図３に示す。
【０００３】
同図に示すように、光半導体パッケージは一般に、上面に半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子107が載置用基台108を介して載置される載置部101ａを有する鉄（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基体101を有する。また、載置部101ａを囲繞するように基体101の上面に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、一側部に光半導体素子107と外部電気回路（図示せず）とを電気的に接続する同軸コネクタ（ガラスビーズ端子ともいう）103を嵌着するための貫通孔102ａが形成され、対向する側部に光半導体素子107と光結合するための光伝送路用の貫通孔102ｂが形成された、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る枠体102を有する。
【０００４】
この貫通孔102ｂの枠体102外側開口の周辺部には、筒状の光ファイバ固定部材（以下、固定部材という）104が銀ロウ等のロウ材で接合される。この固定部材104は、枠体102の熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、外側端面に戻り光防止用の光アイソレータ111と光ファイバ113とが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ112が設けられ、また内部には非晶質ガラス等から成り集光レンズとして機能するとともに光半導体パッケージ内部を塞ぐ機能を有する透光性部材105が固定される。この固定部材104と金属ホルダ112とは、各々の端面同士がＹＡＧレーザ溶接等により固定され、一方固定部材104と透光性部材105とは、固定部材104内周面に形成されたメッキ層と透光性部材105外周面の一部に形成されたメッキ層とを、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金半田等の低融点ロウ材でロウ付けすることにより固定される。
【０００５】
また、同軸コネクタ103は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成り、貫通孔102ａ内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材によりロウ付けされる筒状のホルダ（外周導体）103ａと、外周導体103ａの内部に充填されたホウケイ酸ガラス等の誘電体から成るガラス（絶縁体）103ｂと、外周導体103ａの中心軸部分に絶縁体103bを介して装着され光半導体パッケージ内外を導通させる金属端子（中心導体）103ｃとから成る。この同軸コネクタ103は、外部電気回路と光半導体素子107とを電気的に接続する機能を有するとともに光半導体パッケージ内部を塞ぐ機能を有する。また同軸コネクタ103は、高周波信号が伝送される中心導体103ｃと、それを取り囲む部位、即ち金属から成る外周導体103ａ部および貫通孔102ａ内周面部が、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。
【０００６】
なお、同軸コネクタ103と光半導体素子107との電気的接続は、中心導体103cの貫通孔102ａ内部でのインピーダンスと同じになるように形成された、マイクロストリップ線路であるメタライズ金属層109ａと、中心導体103ｃの先端部とを、錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の低融点ロウ材を介して接合するとともに、メタライズ金属層109ａと光半導体素子107とをボンディングワイヤ110で接続することによりなされる。
【０００７】
このような光半導体パッケージは、光半導体素子107や回路基板109を搭載した載置用基台108を樹脂接着剤，ロウ材等の接着剤を介して載置固定した後、中心導体103ｃの一端を回路基板109上面のメタライズ金属層109ａに低融点ロウ材で接合するとともに、光半導体素子107とメタライズ金属層109ａとをボンディングワイヤ110で電気的に接続し、その後、光アイソレータ111，光ファイバ113が固定されている金属ホルダ112を固定部材104に溶接し、枠体102上面に蓋体106をシーム溶接やロウ付け等により接合することにより、製品としての光半導体装置となる。
【０００８】
この光半導体装置は、例えば外部から供給される高周波信号により光半導体素子107を光励起させ、励起したレーザ光等の光を透光性部材105を通して光ファイバ113に授受させ光ファイバ113内を伝送させることにより、大容量の情報を高速に伝送できる光電変換装置として機能し、光通信分野等に多用されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光半導体パッケージにおいて、同軸コネクタ103と光半導体素子107との電気的接続は、中心導体103cの貫通孔102ａ内部でのインピーダンスと同じになるように形成された、マイクロストリップ線路であるメタライズ金属層109ａと、中心導体103ｃの先端部とを、錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田等の低融点ロウ材を介して接合するとともに、メタライズ金属層109ａと光半導体素子107とをボンディングワイヤ110またはボンディングリボンで接続することによりなされる。このため、同軸コネクタ103と光半導体素子107との導電経路に電気的な接続部分が多いため、伝送される高周波信号の入出力時における反射損失が大きくなり、光半導体素子107の作動性が劣化するという問題点を有していた。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高周波信号の入出力時における反射損失を非常に小さいものとすることにより、光半導体素子の作動性を良好なものとすることにある。
【００１１】
【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、上面に半導体素子が載置用基台を介して載置される載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着され、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て前記半導体素子に電気的に接続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、前記中心導体は、前記絶縁体および前記枠体内面より突出して露出する先端部が前記載置用基台の上面と平行に対置されているとともに、前記半導体素子に接続される先端から0.1〜0.4ｍｍの前記先端部の厚みがその残部の50〜80％とされており、前記先端部はその上側が軸方向に略平行な平坦面とされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、上記の構成により、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との接続をボンディングワイヤ，リボン等の導電線で直接行うことが可能となり、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との接続を回路基板の線路導体を経由して行なう必要がなくなる。その結果、電気的な接続部を一部省くことで高周波信号の入出力時における反射損失をきわめて小さくできる。
【００１３】
また、同軸コネクタの中心導体の先端部を上記の構成とすることによって、半導体素子のボンディングワイヤ等の導電線に生じるインダクタンス成分を丁度相殺するような容量成分を中心導体の先端部に付与して、先端部でインピーダンスがずれないようにして整合することができる。また、中心導体の先端部の形状および表面積が半導体素子の導電線に近いものとなり、これらの間のインピーダンスの相違を小さくすることができる。さらに、中心導体の先端部の上側に平坦面があることから、例えば円柱状の中心導体の場合半導体素子のボンディングワイヤ等の導電線を直接中心導体に強固に接合することができる。
【００１４】
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、前記載置部に載置されるとともに前記中心導体の前記先端部に長さ0.05〜１ｍｍの導電線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。
【００１５】
本発明は、上記の構成により、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との距離を小さくして半導体装置を小型化することができ、また導電線の誘導成分を小さくして高周波信号の損失を小さくすることができる。その結果、高周波信号の伝送特性に優れた小型の半導体装置となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージの１種である光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、本発明の光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る。
【００１７】
同図において、１は光半導体素子を収容する容器本体の底面を成す基体、２は容器本体の側壁用の枠体、３は高周波信号の入出力端子である同軸コネクタ、４は透光性部材５や金属ホルダ11を設置固定するとともに光ファイバ12を取着するための筒状の固定部材、５は透光性部材、６は蓋体、７はＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子である。これら基体１、枠体２、同軸コネクタ３、固定部材４、透光性部材５および蓋体６とで、内部に光半導体素子７を収容するための容器が基本的に構成される。また、従来例（図３）と同様に、固定部材４の枠体２外側の端面には、光アイソレータ10と光ファイバ12とが樹脂接着剤で接着された金属ホルダ11が、ＹＡＧレーザ溶接等により固定される。
【００１８】
本発明の基体１は、光半導体素子７を支持するための支持部材ならびに光半導体素子７から発せられる熱を放散するための放熱板として機能し、その上面の略中央部に光半導体素子７が載置用基台８を介して載置される載置部１ａを有している。この載置部１ａに、載置用基台８がＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材を介して接着固定されるとともに、この低融点ロウ材を介して光半導体素子７の熱が伝えられて外部に効率良く放散され、光半導体素子７の作動性を良好にする。
【００１９】
また基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成り、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を施すことによって所定の形状に製作される。また、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0.5〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくと、基体１が酸化腐食するのを有効に防止することができるとともに、基体１上面に載置用基台８を介して光半導体素子７を強固に接着固定させることができる。
【００２０】
また、載置用基台８はシリコン（Ｓｉ）やＣｕ−Ｗ合金等の熱伝導性の高い金属等の材料から成り、光半導体素子７から基体１へ熱を伝えるための伝熱媒体として機能するとともに、その高さを適宜設定することにより透光性部材５と光半導体素子７との光軸を合致させる機能を有する。
【００２１】
同軸コネクタ３は、枠体２の貫通孔２ａ内周面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材によりロウ付けされるホルダ（外周導体）３ａと、外周導体３ａの貫通孔に充填されたホウケイ酸ガラス等から成る絶縁体３ｂと、外周導体３ａの中心軸部分に絶縁体３ｂを介して装着され光半導体パッケージ内外を電気的に導通させる中心導体３ｃとから成る。そして中心導体３ｃは、絶縁体３ｂおよび枠体２内面より突出しているとともに光半導体素子７に接続される先端から0.1〜0.4ｍｍの先端部３ｃ'の厚みがその残部の50〜80％とされており、先端部３ｃ'はその上側が軸方向に略平行な平坦面とされている。
【００２２】
先端部３ｃ'の長さが0.1ｍｍ未満では、Ａｕ等から成るリボンやボンディングワイヤ等の導電線９を強固に接合するための面積を確保するのが困難である。0.4ｍｍを超えると、先端部３ｃ'の容量成分（中心導体３ｃと導電線９との間に発生する容量成分）が大きくなり高周波信号の反射損失が大きくなる。
【００２３】
先端部３ｃ'の厚みがその残部の厚みの50％未満では、先端部３ｃ'の強度が低下して、導電線９をボンディング等で接合する際に先端部３ｃ'が変形、破損したり、またボンディングワイヤを接合するのが困難になる。また、導電線９は誘導成分（インダクタンス成分；Ｌ成分）を有しており、それを打ち消してインピーダンスの変化を抑える容量成分が必要であるが、50％未満では容量成分が小さいため、インピーダンスが所定値からずれることになる。その結果、同軸コネクタ３の中心導体３ｃと導電線９との間での高周波信号の反射損失が大きくなる。
【００２４】
一方、先端部３ｃ'の厚みがその残部の厚みの80％を超えると、例えば円柱状の中心導体３ｃの場合、先端部３ｃ'の上側の平坦面の面積が小さくなり、導電線９を接合するのに必要な面積を確保するのが困難になる。また80％を超えると、中心導体３ｃと導電線９との接合部分では通常若干容量成分が増加するが、その容量成分の増加が大きくなり高周波信号の反射損失が大きくなる。
【００２５】
導電線９の長さが0.05ｍｍ未満では、光半導体素子７に先端部３ｃ'を0.05ｍｍ未満の距離に近づける必要があるが、同軸コネクタ３の取り付けの精度上そこまで近づけるのは困難である。また0.1ｍｍを超えると、導電線９の誘導成分が大きくなり高周波信号の反射損失が大きくなる。
【００２６】
そして、同軸コネクタ３は、外部電気回路と光半導体素子７とを電気的に接続する機能を有するとともに光半導体パッケージ内部を塞ぐ機能を有する。また同軸コネクタ３は、高周波信号が伝送される中心導体３ｃと、その外周部、即ち金属から成る外周導体３ａおよび貫通孔２ａの内周面とが、高周波信号伝送時のインピーダンスの整合が可能な同軸構造を成している。従って同軸コネクタ３は、上記の構造であることから、伝送される高周波信号の周波数が高くなっても中心導体３ｃにインピーダンスの整合が困難になる部位が出現することはない。
【００２７】
また、導電線９はＡｕから成る導電性に優れたものが好ましく、導電線９がリボンから成る場合、その幅は中心導体３ｃと同じか近いものがよく、高周波信号の伝送特性が向上する。
【００２８】
この同軸コネクタ３が嵌着される枠体２は、載置部１ａを囲繞するように基体１の上面に銀ロウ等のロウ材を介して接合され、一側部に同軸コネクタ３の嵌着用の貫通孔２ａを有するとともに他の側部に光半導体素子７と光結合するための光伝送路である貫通孔２ｂを有する。
【００２９】
また枠体２は、基体１との接合時における熱歪みを小さくし接合を強固にするとともに光半導体パッケージ外部に対する電磁遮蔽を行うために、基体１の熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成るのがよい。この枠体２は、基体１と同様にその材料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を施すことにより所定の形状に製作される。そして、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0.5〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させるのがよく、枠体２の酸化腐食を有効に防止できるとともに貫通孔２ａ，２ｂに同軸コネクタ３，固定部材４を強固に接合できる。
【００３０】
枠体２の貫通孔２ｂの枠体２外面開口の周辺部または貫通孔２ｂの内周面に、枠体２の熱膨張係数に近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属から成る筒状の光ファイバの固定部材４が銀ロウ等のロウ材で接合される。この固定部材４は、その外側端面には戻り光防止用の光アイソレータ10および光ファイバ12が樹脂接着剤で接着された金属ホルダ11が設けられ、また内部には非晶質ガラス等から成り集光レンズとして機能するとともに光半導体パッケージ内部を塞ぐ機能を有する透光性部材５が固定される。そして固定部材４の内周面には、透光性部材５がその接合部の表面に形成されたメタライズ層を介して、200〜400℃の融点を有するＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材で接合される。
【００３１】
透光性部材５は、熱膨張係数が４×１０-6〜12×１０-6／℃（室温〜400℃）のサファイア（単結晶アルミナ）や非晶質ガラス等から成り、球状，半球状，凸レンズ状，ロッドレンズ状等とされ、外部のレーザ光等の光を光ファイバ12により伝送させて光半導体素子７に入力させる、または光半導体素子７で出力したレーザ光等の光を光ファイバ12に入力させるための集光用部材である。透光性部材５が例えば結晶軸の存在しない非晶質ガラスの場合、ＳｉＯ2，酸化鉛（ＰｂＯ）を主成分とする鉛系、またはホウ酸やケイ砂を主成分とするホウケイ酸系のものを用いるのがよい。
【００３２】
また透光性部材５は、その熱膨張係数が枠体２のそれと異なっていても固定部材４が熱膨張差による応力を吸収し緩和するので、結晶軸が応力のためにある方向に揃うことによって光の屈折率の変化を起こすようなことは発生しにくい。従って、この透光性部材５を用いることにより光半導体素子７と光ファイバ12との間の光の結合効率を高くできる。
【００３３】
蓋体６は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＡｌ2Ｏ3セラミックス等のセラミックスから成り、枠体２上面にＡｕ−Ｓｎ合金半田等の低融点ロウ材を介して接合されたり、ＹＡＧレーザ溶接等の溶接により接合され、光半導体素子７を光半導体パッケージ内に封止するものである。
【００３４】
かくして、本発明の半導体パッケージは、基体１の載置部１ａに載置用基台８を介して半導体素子７を載置固定するとともに、半導体素子７の各電極をボンディングワイヤ（図示せず）を介して外部リード端子（図示せず）に電気的に接続し、枠体２の上面に蓋体６を接合し、基体１と枠体２と蓋体６とからなる容器内部に半導体素子７を収納し、最後に枠体２に取着された固定部材４に光アイソレータ10と光ファイバ12を取着した金属ホルダ11を溶接することにより、製品としての光半導体装置となる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等支障ない。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、枠体の貫通孔に嵌着されて半導体素子に電気的に接続された同軸コネクタの中心導体は、絶縁体および枠体内面より突出して露出する先端部が載置用基台の上面と平行に対置されているとともに半導体素子に接続される先端から0.1〜0.4ｍｍの先端部の厚みがその残部の50〜80％とされており、先端部はその上側が軸方向に略平行な平坦面とされていることにより、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との接続をボンディングワイヤ，リボン等の導電線で直接行うことが可能となり、中心導体と半導体素子との接続を回路基板の線路導体を経由して行なう必要がなくなる。その結果、電気的な接続部を一部省くことで高周波信号の入出力時における反射損失をきわめて小さくできる。
【００３７】
また、同軸コネクタの中心導体の先端部を上記の構成とすることによって、半導体素子のボンディングワイヤ等の導電線に生じるインダクタンス成分を丁度相殺するような容量成分を中心導体の先端部に付与して、先端部でインピーダンスがずれないようにして整合することができる。また、中心導体の先端部の形状および表面積が半導体素子の導電線に近いものとなり、これらの間のインピーダンスの相違を小さくすることができる。さらに、中心導体の先端部の上側に平坦面があることから、例えば円柱状の中心導体の場合半導体素子のボンディングワイヤ等の導電線を直接中心導体に強固に接合することができる。
【００３８】
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、載置部に載置されるとともに中心導体の先端部に長さ0.05〜１ｍｍの導電線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、同軸コネクタの中心導体と半導体素子との距離を小さくして半導体装置を小型化することができ、また導電線の誘導成分を小さくして高周波信号の損失を小さくすることができる。その結果、高周波信号の伝送特性に優れた小型の半導体装置となる。
【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一例を示す断面図である。
【図２】図１の半導体パッケージにおける同軸コネクタの先端部の拡大断面図である。
【図３】従来の半導体パッケージの例の断面図である。
【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：絶縁体
３ｃ：中心導体
３ｃ’：先端部
７：光半導体素子
８：載置用基台
９：導電線
Claims (2)
- 上面に半導体素子が載置用基台を介して載置される載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着され、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て前記半導体素子に電気的に接続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、前記中心導体は、前記絶縁体および前記枠体内面より突出して露出する先端部が前記載置用基台の上面と平行に対置されているとともに、前記半導体素子に接続される先端から0.1〜0.4ｍｍの前記先端部の厚みがその残部の50〜80％とされており、前記先端部はその上側が軸方向に略平行な平坦面とされ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、前記載置部に載置されるとともに前記中心導体の前記先端部に長さ0.05〜１ｍｍの導電線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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