JP4160888B2 - Input/output terminal, semiconductor element storage package, and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、IC,LSI等の半導体集積回路素子や光通信用の光半導体素子などを収納するための半導体素子収納用パッケージに用いられる入出力端子および半導体素子収納用パッケージならびに半導体装置に関する。 The present invention relates to input/output terminals used in semiconductor element storage packages for storing semiconductor integrated circuit elements such as ICs and LSIs, and optical semiconductor elements for optical communications, as well as semiconductor devices.
従来、IC,LSI等の半導体集積回路素子や光通信分野で用いられる光半導体素子などの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、パッケージともいう)は、半導体素子から発生する熱を強制的に基体へ移動させ、半導体素子を安定して作動させるためのペルチェ素子等の熱電冷却素子を具備している。例えば、半導体レーザ(LD)、フォトダイオード(PD)等の光半導体素子を用い、熱電冷却素子としてペルチェ素子を設置したパッケージを図6に断面図で、図7に斜視図で示す。これらの図において、21は基体、23は枠体、24は入出力端子、31は熱電冷却素子、34はリード線である。 Conventionally, semiconductor element storage packages (hereinafter also referred to as packages) that store semiconductor elements such as semiconductor integrated circuit elements such as ICs and LSIs, and optical semiconductor elements used in the optical communications field, are equipped with thermoelectric cooling elements such as Peltier elements to forcibly transfer heat generated from the semiconductor elements to a base and ensure stable operation of the semiconductor elements. For example, a package using an optical semiconductor element such as a semiconductor laser (LD) or photodiode (PD) and equipped with a Peltier element as a thermoelectric cooling element is shown in a cross-sectional view in Figure 6 and in a perspective view in Figure 7. In these figures, 21 is the base, 23 is the frame, 24 is the input/output terminal, 31 is the thermoelectric cooling element, and 34 is the lead wire.
基体21は鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金等の金属や銅(Cu)−タングステン(W)等の焼結材から成り、その上側主面の中央部に、LD,PD等の光半導体素子30を搭載した熱電冷却素子31を載置するための載置部21aを有している。
The
また、基体21の上側主面の外周部には、側部に光ファイバ32を固定するための光ファイバ固定部材22の取付部23bおよび入出力端子24の取付部23aを有する枠体23が載置部21aを囲繞するように立設されており、枠体23は基体21とともにその内側に半導体素子30を収容する空所を形成する。
A
光ファイバ固定部材22は枠体23の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22aで塞がれており、枠体23の外側の端部から光ファイバ32が挿通固定される。
The inner end of the optical
枠体23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(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21の上側主面の外周部に立設される。
The
また、入出力端子24は、アルミナ(Al2O3)質焼結体、窒化アルミニウム(AlN)質焼結体、ムライト(3Al2O3・2SiO2)質焼結体等のセラミックスから成り、平板部24bと立壁部24cとから構成される。平板部24bの上面には、一辺から対向する他辺にかけて形成され、タングステン(W),モリブデン(Mo)等のメタライズ層から成る線路導体24aを有するとともに、線路導体24aの一部を狭持して接合される立壁部24cが設置される。この入出力端子24は、枠体23の取付部23aにろう材を介して嵌着接合され、線路導体24aが枠体23の内外を導通することとなる。
The input/
線路導体24aの枠体23外側の部位には、Fe−Ni−Co合金等の金属から成る外部リード端子27がAgろう等のろう材を介して取着される。一方、線路導体24aの枠体23内側の部位には、半導体素子30の各電極がボンディングワイヤ33を介して電気的に接続されるとともに、熱電冷却素子31のリード線34の先端部が半田付けされ電気的に接続される。
この線路導体24aのリード線34との接続部は、枠体23内側に位置する平板部24bの線路導体24aの線路方向に直交する側面に設けられた、横断面形状がU字状の切欠き部24dの内面に、線路導体24aが延設されて成る。これにより、切欠き部24dの内面とリード線34との間の半田の接合面積が拡大し、入出力端子24とリード線34との接続が強固なものになる。
The connection between the
また、枠体23および入出力端子24の上面には、Fe−Ni−Co合金等の金属から成るシールリング25がAgろう等のろう材を介して接合され、シールリング25の上面には、Fe−Ni−Co合金等の金属から成る蓋体26がろう付け法やシームウエルド法等の溶接法で接合される。そして、基体21、枠体23、シールリング25および蓋体26から成る容器内部に光半導体素子30が収容され気密に封止される。
A
最後に、枠体23に設けた光ファイバ固定部材22に光ファイバ32を溶接等によって接合させ、光ファイバ32を枠体23に固定することによって製品としての光半導体装置となる。この場合、光ファイバ32は、その端部に金属製フランジ32aを予め取着させておき、金属製フランジ32aを例えばレーザ溶接法によって光ファイバ固定部材22に溶接することにより光ファイバ固定部材22に取着される。
Finally, the
この光半導体装置は、外部電気回路(図示せず)から供給される電気信号によって光半導体素子30に光を励起させ、この光を光ファイバ32を介して外部に伝送することによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。または、外部から光ファイバ32を介して伝送してくる光信号を、透光性部材22aを透過させ、光半導体素子30に受光させて光信号を電気信号に変換することによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能する。
This optical semiconductor device functions as an optical semiconductor device used for high-speed optical communications, etc., by exciting light in the
なお、この光半導体装置には、半導体素子30が作動中に発生する熱を外部に良好に放熱するために、光半導体素子30と基体21との間に熱電冷却素子31が配設されている。熱電冷却素子31には、セラミック基板が、基体21に接合される面と光半導体素子30が搭載される面にそれぞれ設けてあり、熱電冷却素子31の基体21に接合される面のセラミック基板の上面に電極が形成されている。この電極にはリード線34の一端部が接続されている(例えば、下記の特許文献1参照)。
In addition, in this optical semiconductor device, a
そして、リード線34の他端部が入出力端子24の線路導体24aに半田付けにより電気的に接続され、外部リード端子27、線路導体24aおよびリード線34を介して外部より熱電冷却素子31に電力が供給される。即ち、リード線34は、熱電冷却素子31に駆動電圧を供給することによって、熱電冷却素子31を光半導体素子30から基体21に熱を移動させる熱ポンプとして作動させる。従って、光半導体素子30の熱は熱電冷却素子31を介して基体21に強制的に伝達され、基体21から大気中に放散され、その結果光半導体素子30が常に定温で安定して作動することとなる。
しかしながら、図6のような従来の入出力端子24においては、大きな直流電流を流すために線路導体24aの抵抗を小さくすることが望まれるが、線路導体24aの厚さは5〜20μm程度と非常に薄いため、その抵抗を小さくすることがきわめて困難である。従って、熱電冷却素子31の作動に必要な数A〜十数A程度の大きな直流電流を入出力端子24に流すと、大きなジュール熱が発生し、この熱により、線路導体24aが断線したり、また枠体23内部の温度が上昇して内部の光半導体素子30に誤作動を発生させ、最終的に光半導体素子30を熱破壊させるという問題があった。
However, in the conventional input/
そこで、線路導体24aの抵抗を小さくする構成として、線路導体24aの幅を広げることが考えられるが、線路導体24aの幅を十分に抵抗が低下するような幅にまで広げると、必然的に入出力端子24の大きさを従来の数倍以上に大きくしなければならない。そのため、枠体23の取付部23aに入出力端子24を嵌着できなくなるという問題点があった。
In order to reduce the resistance of the
また、線路導体24aを厚くすることにより抵抗を小さくすることができるが、その場合例えば厚さが従来の数倍〜十数倍程度の線路導体24aを形成する必要があり、そのような厚い線路導体24aを適用すると、入出力端子24の平板部24bと立壁部24cとの接合部において、線路導体24aの周囲のセラミックグリーンシート間に積層のための圧力がかかり難くなってセラミックグリーンシート同士の良好な接合状態が得られなくなる。そのため、入出力端子24の平板部24bと立壁部24cとの間に剥れ(デラミネーション)が生じ易くなり、枠体23内部の気密性が損なわれ易いという問題点があった。
Although the resistance can be reduced by thickening the
また、抵抗の小さい銅(Cu)から成る線路導体24aを用いることも考えられるが、Cuの融点が約1083℃と低いため、一般的に用いられている1500〜1600℃で焼成されるアルミナ(Al2O3)質焼結体から成る入出力端子24に、同時焼成によって線路導体24aを形成しようとすると、Cuが融解し流れて所望の形状の線路導体24aを形成できないという問題点があった。
It is also possible to use the
また、特許文献2に示されるように、平板部24bとなる複数のセラミックグリーンシート間に内層導体層を形成するとともに平板部24bの上面に線路導体24aを形成し、平板部24bの端で内層導体層と線路導体24aとを並列接続することによって線路導体24aの抵抗を下げるという方法もある。
Also, as shown in
しかしながら、この特許文献2に示される構成では、平板部24bの端部に線路導体24aとリード線34の先端部とを接合するための切欠き部24dを設けると、切欠き部24dの周囲の平板部24bとなるセラミックグリーンシート間に内層導体層が介在することによって密着強度が低下し、セラミックグリーンシート間で剥れが生じ易くなり、枠体23内部の気密性が損なわれ易くなるという問題点があった。
However, in the configuration shown in
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、入出力端子の線路導体の抵抗を小さくすることにより、大きな直流電力を半導体素子冷却用の熱電冷却素子に供給して半導体素子の作動性を良好にするとともに、パッケージの気密性を損なうことのない入出力端子、およびこの入出力端子を用いたパッケージ、ならびに半導体装置を提供することにある。 The present invention was completed in consideration of the above problems, and its purpose is to provide an input/output terminal that reduces the resistance of the line conductors of the input/output terminals, thereby supplying a large amount of DC power to a thermoelectric cooling element for cooling a semiconductor element, improving the operability of the semiconductor element, and does not impair the airtightness of the package, as well as a package and semiconductor device that use this input/output terminal.
本発明の入出力端子は、上面の一辺側から対向する他辺側にかけて形成された線路導体を有するセラミックスから成る直方体状の平板部および該平板部の上面に前記線路導体の一部を間に挟んで接合されたセラミックスから成る立壁部から構成され、前記平板部の下面と前記立壁部の上面と前記線路導体の線路方向に平行な両側面とに接地導体層がそれぞれ形成されている入出力端子において、前記平板部は、複数のセラミック層が積層されて成るとともに前記一辺側の端面から前記他辺側の端面にわたる内層導体層が設けられ、さらにこれら両端面に上下方向に切欠き部がそれぞれ設けられているとともに該切欠き部の内面に前記線路導体の端および前記内層導体層の端を電気的に接続する導体層がそれぞれ形成されており、前記切欠き部は前記内層導体層の中央部よりも幅が狭く、前記内層導体層は端部が前記切欠き部に向かって漸次幅が狭くなっているとともに先端の幅が前記切欠き部と同じであり、さらに、前記切欠き部の一方は平面視における最奥部の形状が半円状であるとともに前記線路導体の線路方向における長さが前記内層導体層の端部よりも長いことを特徴とする。 The input/output terminal of the present invention is composed of a rectangular parallelepiped flat plate portion made of ceramics having a line conductor formed from one side of the upper surface to the opposing other side, and a vertical wall portion made of ceramics joined to the upper surface of the flat plate portion with a part of the line conductor sandwiched therebetween, and in the input/output terminal in which ground conductor layers are formed on the lower surface of the flat plate portion, the upper surface of the vertical wall portion, and both side surfaces parallel to the line direction of the line conductor, the flat plate portion is formed by laminating a plurality of ceramic layers, and an inner layer conductor layer is provided from the end surface of the one side to the end surface of the other side, and these A notch is provided in the vertical direction on each end surface, and a conductor layer that electrically connects the end of the line conductor and the end of the inner conductor layer is formed on the inner surface of the notch, the notch is narrower than the center of the inner conductor layer, the end of the inner conductor layer gradually narrows toward the notch and has the same width as the notch, and one of the notches has a semicircular shape at its innermost part in a plan view and the length of the line conductor in the line direction is longer than the end of the inner conductor layer.
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に熱電冷却素子を介して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、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部が形成された枠体と、前記入出力端子の取付部に嵌着された請求項1記載の入出力端子とを具備し、前記熱電冷却素子のリード線は前記入出力端子の前記一方の切欠き部に半田付けされて前記線路導体に電気的に接続されることを特徴とする。
The package for housing a semiconductor element of the present invention comprises a base having a mounting portion on the upper surface of which a semiconductor element is mounted via a thermoelectric cooling element, a frame body attached to the upper surface of the base so as to surround the mounting portion and having an input/output terminal mounting portion formed of a through hole or a notch on the side, and the input/output terminal according to
本発明の半導体装置は、上記構成の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部にロウ付け固定されるとともに前記リード線が前記入出力端子の前記一方の切欠き部に半田付けされて前記線路導体に電気的に接続された前記熱電冷却素子と、該熱電冷却素子の上面に載置固定され前記入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体とを具備していることを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention is characterized by comprising a package for housing a semiconductor element as described above, the thermoelectric cooling element that is brazed to the mounting portion and the lead wire is soldered to one of the notches of the input/output terminal and electrically connected to the line conductor, a semiconductor element that is mounted and fixed on the upper surface of the thermoelectric cooling element and electrically connected to the input/output terminal, and a lid attached to the upper surface of the frame.
本発明の入出力端子は、平板部は、複数のセラミック層が積層されて成るとともに一辺側の端面から他辺側の端面にわたる内層導体層が設けられ、さらにこれら両端面に上下方向に切欠き部がそれぞれ設けられているとともに切欠き部の内面に線路導体の端および内層導体層の端を電気的に接続する導体層がそれぞれ形成されていることから、内層導体層が線路導体に並列に接続して線路導体の両端間の抵抗を数分の1程度以下に小さくすることができる。その結果、大きな直流電流を流すことが可能な入出力端子が得られる。また、内層導体層の層数、幅、長さを調整することにより、線路導体の両端間の抵抗を容易に制御することができ、所望の設計値の入出力端子を非常に容易に製造することが可能となる。 The input/output terminal of the present invention has a flat plate portion formed by laminating a plurality of ceramic layers and an inner conductor layer extending from the end face of one side to the end face of the other side. Furthermore, notches are provided in the vertical direction on both end faces, and conductor layers that electrically connect the ends of the line conductor and the ends of the inner conductor layer are formed on the inner surfaces of the notches. Therefore, the inner conductor layer is connected in parallel to the line conductor, and the resistance between both ends of the line conductor can be reduced to a fraction or less. As a result, an input/output terminal capable of passing a large direct current is obtained. Furthermore, by adjusting the number of layers, width, and length of the inner conductor layer, the resistance between both ends of the line conductor can be easily controlled, making it possible to very easily manufacture an input/output terminal with the desired design value.
また、切欠き部は内層導体層の中央部よりもよりも幅が狭く、内層導体層は切欠き部に向かって漸次幅が狭くなっているとともに先端の幅が切欠き部と同じであることから、セラミックグリーンシートを積層して平板部を形成する際、切欠き部を有するセラミックグリーンシートを内層導体層を挟み込むように積層しても、内層導体層の端部の両側における上下のセラミックグリーンシート同士の密着面積を大きくすることができ、セラミックグリーンシート間に剥がれが生じるのを有効に抑制することができる。その結果、入出力端子の気密性および導通信頼性を向上させ、半導体素子の作動性を向上させることができる。 In addition, the cutout portion is narrower than the center of the inner conductor layer, and the width of the inner conductor layer gradually narrows toward the cutout portion with the tip having the same width as the cutout portion. Therefore, when the ceramic green sheets are stacked to form the flat portion, even if the ceramic green sheets having the cutout portion are stacked so as to sandwich the inner conductor layer, the contact area between the upper and lower ceramic green sheets on both sides of the end of the inner conductor layer can be increased, and peeling between the ceramic green sheets can be effectively suppressed. As a result, the airtightness and conductivity reliability of the input/output terminals can be improved, and the operability of the semiconductor element can be improved.
さらに、内層導体層の先端の幅は切欠き部と同じであることから、内層導体層が切欠き部を全周にわたって覆うことができ、内層導体層と切欠き部の内面の導体層との接触面積を大きくすることができる。特に、切欠き部の内面の全面に導体層を形成すれば、切欠き部の内面の導体層と内層導体層との接触面積を非常に大きくすることができ、上下の内層導体層同士を低抵抗で接続することができる。その結果、入出力端子の電気的特性を良好にすることができる。 Furthermore, because the width of the tip of the inner conductor layer is the same as the notch, the inner conductor layer can cover the entire circumference of the notch, making it possible to increase the contact area between the inner conductor layer and the conductor layer on the inner surface of the notch. In particular, by forming a conductor layer on the entire inner surface of the notch, the contact area between the conductor layer on the inner surface of the notch and the inner conductor layer can be made very large, making it possible to connect the upper and lower inner conductor layers with low resistance. As a result, the electrical characteristics of the input/output terminals can be improved.
また、切欠き部の一方は平面視における最奥部の形状が半円状であるとともに線路導体の線路方向における長さが内層導体層の端部よりも長いことから、切欠き部の最奥部の導体層に熱電冷却素子のリード線を接続した際、リード線の周囲を大面積の内層導体層で覆うことができるため、リード線の周囲の内層導体層の抵抗を小さくして内層導体層からリード線へ電流を非常に流し易くすることができる。さらに、大電流が流れることによってリード線と切欠き部内面の導体層との接続部付近が発熱し、リード線と平板部との間に熱膨張係数差が生じたとしても、リード線周囲に内層導体層が大きな面積で配設されているのでリード線周囲の平板部を内層導体層で有効に補強することができるとともに、切欠き部の最奥部を半円状として応力を集中し難くすることにより、リード線周囲の平板部にクラックが生じるのを有効に防止することができる。 In addition, since the innermost part of one of the notches is semicircular in plan view and the length of the line conductor in the line direction is longer than the end of the inner conductor layer, when the lead wire of the thermoelectric cooling element is connected to the conductor layer at the innermost part of the notch, the lead wire can be covered with a large inner conductor layer, which reduces the resistance of the inner conductor layer around the lead wire and makes it very easy to pass a current from the inner conductor layer to the lead wire. Furthermore, even if a large current flows and heats up the connection between the lead wire and the conductor layer on the inner surface of the notch, causing a difference in thermal expansion coefficient between the lead wire and the flat plate part, the inner conductor layer is arranged with a large area around the lead wire, so the flat plate part around the lead wire can be effectively reinforced with the inner conductor layer, and by making the innermost part of the notch semicircular and making it difficult for stress to concentrate, it is possible to effectively prevent cracks from occurring in the flat plate part around the lead wire.
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に熱電冷却素子を介して半導体素子が載置される載置部を有する基体と、基体の上面に載置部を囲繞するように取着され、側部に貫通孔または切欠きから成る入出力端子の取付部が形成された枠体と、入出力端子の取付部に嵌着された上記本発明の入出力端子とを具備し、熱電冷却素子のリード線は入出力端子の一方の切欠き部に半田付けされて線路導体に電気的に接続されることにより、半導体素子の作動性が良好となり、また半導体素子収納用パッケージの気密性を損なうことのない信頼性の高いものとなる。 The semiconductor device storage package of the present invention comprises a base having a mounting portion on the upper surface of which a semiconductor device is placed via a thermoelectric cooling element, a frame body attached to the upper surface of the base so as to surround the mounting portion and having an input/output terminal mounting portion formed of a through hole or notch on the side, and the input/output terminal of the present invention fitted into the input/output terminal mounting portion, and the lead wire of the thermoelectric cooling element is soldered to one of the notches of the input/output terminal and electrically connected to the line conductor, thereby improving the operability of the semiconductor device and providing a highly reliable package that does not impair the airtightness of the semiconductor device storage package.
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、載置部にロウ付け固定されるとともにリード線が入出力端子の一方の切欠き部に半田付けされて線路導体に電気的に接続された熱電冷却素子と、熱電冷却素子の上面に載置固定され入出力端子に電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に取着された蓋体とを具備していることにより、上記本発明の半導体素子収納用パッケージの特徴を有する作動性が良好で信頼性の高いものとなる。 The semiconductor device of the present invention comprises the semiconductor element storage package of the present invention, a thermoelectric cooling element that is brazed to the mounting portion and has a lead wire soldered to one of the notches of the input/output terminals and electrically connected to the line conductor, a semiconductor element that is mounted and fixed on the upper surface of the thermoelectric cooling element and electrically connected to the input/output terminals, and a lid attached to the upper surface of the frame, thereby achieving good operability and high reliability that are characteristic of the semiconductor element storage package of the present invention.
本発明の入出力端子および半導体素子収納用パッケージを以下に詳細に説明する。図1(a)は、枠体3に設けられた本発明の入出力端子4について実施の形態の例を示す断面図、図1(b)は図1(a)の入出力端子4の要部上面図、図1(c)は図1(a)の入出力端子4の要部斜視図である。また、図2(a)は図1の入出力端子4におけるリード線が接続される一方側の内層導体層の要部平面図、図2(b)は図1の入出力端子4における他方側の内層導体層の要部平面図である。さらに、図3は本発明の入出力端子4における内層導体層について実施の形態の他の例を示す要部平面図である。また、半導体素子として、半導体レーザ(LD)、フォトダイオード(PD)等の光半導体素子を用い、熱電冷却素子としてペルチェ素子を設置した本発明の半導体素子収納用パッケージを図4に断面図で、図5に斜視図で示す。以下、本発明の半導体素子収納用パッケージの一例である光半導体素子収納用パッケージ、および光半導体装置について説明する。
The input/output terminal and the semiconductor element storage package of the present invention will be described in detail below. FIG. 1(a) is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of the input/
図1〜図5において、4bは複数のセラミック層4b−1を積層して成る直方体状の平板部、4cは平板部4b上に接合された立壁部、4aは平板部4bの上面に形成された線路導体、4a−2および4a−3は、立壁部4cの線路方向の両側に露出した線路導体4aの一方側および他方側である。4dは平板部4bの下面に形成された下部接地導体層、4eは平板部4bの側面から立壁部4cの側面にかけて形成された側部接地導体層、4fは立壁部4cの上面に形成された上部接地導体層である。
In Figures 1 to 5, 4b is a rectangular parallelepiped flat plate portion formed by stacking multiple
また、4a−1は平板部4b内部の複数のセラミック層4b−1の層間に形成されるとともに線路導体4aに並列接続された内層導体層である。4a−11は、内層導体層4a−1の他の形態であって、両端間を並列接続するように形成された複数の配線導体から成る。4b−2は線路導体4aの一方側の端と内層導体層4a−1の一方側の端とを電気的に接続するキャスタレーション導体等から成る一方側の導体層、4b−3は線路導体4aの他方側の端と内層導体層4a−1の他方側の端とを電気的に接続するキャスタレーション導体等から成る他方側の導体層である。
4a-1 is an inner conductor layer formed between the multiple
さらに、4g−2は内面に導体層4b−2が形成される切欠き部、4g−3は内面に導体層4b−3が形成される切欠き部であり、内層導体層4a−1は端部が切欠き部4g−2,4g−3に向かって漸次幅が狭くなっているとともに先端の幅が切欠き部4g−2,4g−3と同じである。
4g-2 is a notch on whose inner surface the
また、図4,図5において、1は基体、3は枠体、4は入出力端子、5はシールリング、6は蓋体であり、これらで半導体素子10を内部に収容するためのパッケージが構成される。
In addition, in Figures 4 and 5, 1 is a base body, 3 is a frame body, 4 is an input/output terminal, 5 is a seal ring, and 6 is a lid body, which together form a package for housing a
本発明の入出力端子4は、上面の一辺側から対向する他辺側にかけて形成された線路導体4aを有するセラミックスから成る直方体の平板部4bおよび平板部4bの上面に線路導体4aの一部を間に挟んで接合されたセラミックスから成る立壁部4cから構成され、平板部4bの下面と立壁部4cの上面と線路導体4aの線路方向に平行な両側面とに接地導体層がそれぞれ形成されている。そして、平板部4bは、複数のセラミック層4b−1が積層されて成るとともに一辺側の端面から他辺側の端面にわたる内層導体層4a−1が積層されて成り、さらにこれら両端面に上下方向に切欠き部4g−2,4g−3がそれぞれ設けられているとともに切欠き部4g−2,4g−3の内面に線路導体4aの端および内層導体層4a−1の端を電気的に接続する導体層4b−2,4b−3がそれぞれ形成されている。
The input/
本発明の入出力端子4は、図1,図2に示すように下部接地導体層4d、側部接地導体層4eおよび上部接地導体層4fが設けられており、図3,図4に示すように、枠体3の側部に設けた貫通孔または切欠き部から成る取付部3aに嵌着されろう付けされる。これにより、入出力端子4は、枠体3を取付部3aにおいて気密に封止するとともに、外部電気回路装置からの大きな直流電流を枠体3の内部に収容されている熱電冷却素子11にボンディングワイヤやリード線14を介して伝達する。
The input/
また、入出力端子4の平板部4bおよび立壁部4cは電気的な絶縁体であるセラミックスから成り、立壁部4cによって線路導体4aが中央部で区分され、一方側4a−2と他方側4a−3が露出するように構成されている。
The
入出力端子4は、例えばセラミック母基板を多数個に分割する作製法、いわゆる従来公知の多数個取りによる作製法によって作製され、平板部4bおよび立壁部4cはアルミナ(Al2O3)質焼結体、窒化アルミニウム(AlN)質焼結体、ムライト(3Al2O3・2SiO2)質焼結体等の焼結体(セラミックス)から成る。
The input/
入出力端子4が例えばAl2O3質焼結体から成る場合、例えば以下のようにして作製される。まずAl2O3の粉末と、焼結助材としての酸化カルシウム(SiO2)、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)などの粉末と、適当なバインダーおよび溶剤とを混合してスラリーとなし、これを従来周知のドクターブレード法などのテープ成形法によって所定厚さのセラミックグリーンシートに成形する。次に、焼成後にセラミック層4b−1となる厚さ0.15mmのセラミックグリーンシートを例えば4枚準備し、最下層となるセラミックグリーンシートを除くセラミックグリーンシートに、導体層4b−2、導体層4b−3が形成される貫通孔を周知の金型打抜き法で形成する。それらの貫通孔の内部に、例えばタングステン(W)を主成分としバインダーおよび有機溶剤が添加混合されて成る導体ペーストが周知のスクリーン印刷法などで埋め込まれるか、または貫通孔の内面に上記導体ペーストが被着されて電気的な導電路が形成される。
When the input/
これらの貫通孔は、セラミックグリーンシートを積層後に切断分割することによって、縦方向(上下方向)に二分されるように切断されて切欠き部4g−2,4g−3となり、この内面に被着された導体ペーストがキャスタレーション導体等から成る導体層4b−2,4b−3となる。導体層4b−2,4b−3となる貫通孔の幅は0.3〜1mmが好適であり、0.3mm未満では、大電流を流すことで発生するジュール熱により断線し易くなる。1mmを超える場合、貫通孔の内面に被着した導体層により導通路が形成されるが、その際貫通孔の内面に導体ペーストを被着形成することが困難になる。
These through holes are cut in half vertically (up and down) by cutting and dividing the ceramic green sheets after lamination to form
次に、導体ペーストを、焼成後の幅が例えば0.2〜1mm程度、厚さが5〜20μm程度の線路導体4aとなるように、最上層のセラミックグリーンシート上に印刷塗布する。また、導体ペーストを、焼成後の厚さが5〜20μm程度、幅が0.2〜1mm程度の内層導体層4a−1となるように、セラミック層4b−1となるセラミックグリーンシートの上面に印刷塗布する。このとき、図1に示すように導体層4b−2,4b−3が形成される切欠き部4g−2,4g−3にかけて導体ペーストを印刷塗布する。さらに、導体ペーストを、焼成後の厚さが5〜20μm程度の下部接地導体層4dとなるように、最下層のセラミックグリーンシートの下面に印刷塗布する。
Next, the conductor paste is printed onto the top ceramic green sheet so that it becomes the
これらのセラミックグリーンシートを所定の順序で積層し、平板部4bとなる多層構造のセラミックグリーンシート積層体を得る。
These ceramic green sheets are stacked in a predetermined order to obtain a multi-layered ceramic green sheet laminate that will become the
さらに、焼成後に立壁部4cとなる厚さ1mm程度のセラミックグリーンシートを準備する。このセラミックグリーンシートにおいて、平面視形状が細長い長方形状の貫通孔が複数平行に形成されるように打ち抜くことにより、幅が1mm、長さが数十mmの複数の細長い帯状部を平行に形成する。その帯状部の上面に上部接地導体層4fとなる導体ペーストを、焼成後に5〜20μmの厚さとなるように印刷塗布する。
Furthermore, a ceramic green sheet with a thickness of about 1 mm is prepared, which will become the
次に、上記セラミックグリーンシート積層体上に、上記帯状部を有するセラミックグリーンシートを積層圧着し、帯状部の両側にある長方形状の貫通孔を長手方向に平行な中心線において切断することにより、断面が凸型状のセラミックグリーンシートの積層体を得る。さらに、この積層体を長手方向に対して垂直方向に複数個に切断して入出力端子4となる個片の積層体を得、得られた個片の積層体の側面に側部接地導体層4eとなるメタライズ層を焼成後に5〜20μm程度の厚さになるように印刷塗布し、最後に1500〜1600℃程度の高温で焼成することにより、入出力端子4が得られる。
Next, a ceramic green sheet having the above-mentioned band-shaped portion is laminated and pressed onto the above-mentioned ceramic green sheet laminate, and the rectangular through holes on both sides of the band-shaped portion are cut along a center line parallel to the longitudinal direction to obtain a ceramic green sheet laminate having a convex cross section. Furthermore, this laminate is cut into multiple pieces perpendicular to the longitudinal direction to obtain individual laminate pieces that will become the input/
こうして得られた入出力端子4は、図4,5に示すように枠体3の側部に形成された貫通孔または切欠き部から成る取付部3aに嵌着され、枠体3に収納される熱電冷却素子11に対する直流電流の入力用端子として機能する。また、入出力端子4において、高周波信号の入出力用として形成される線路導体4aは、その直下の平板部4b内部には内層導体層4a−1が形成されないのがよい。これは、高周波信号の入出力用の線路導体4aの場合、その特性インピーダンスを所定の値に整合する必要があり、線路導体4aの直下の平板部4b内部に内層導体層4a−1があると特性インピーダンスの整合が困難になるからである。
The input/
本発明の入出力端子4は、線路導体4aと内層導体層4a−1とで並列回路が構成されていること、また好ましくは内層導体層4a−1が並列接続されるように形成された配線導体4a−11で構成されていることから、線路導体4aの一方側4a−3に入力された大きな直流電流は、導体層4b−3を介して線路導体4aと内層導体層4a−1とに分かれて伝達され、内層導体層4a−1を流れる直流電流は導体層4b−2によって線路導体4aの他方側4a−2に至り、線路導体4aを流れる直流電流と合流して基体1の載置部1aに載置されている熱電冷却素子11に送られる。その結果、熱電冷却素子11で光半導体素子10が良好に冷却され、安定した信号を光半導体素子10より出力することができる。
The input/
このように、本発明の入出力端子4によれば、外部電気回路装置からの大きな直流電流が、平板部4bに形成された、線路導体4aおよび内層導体層4a−1により構成された並列回路を流れることにより、線路導体4aを流れる電流が小さくなるため抵抗も小さくなり、大きな熱が発生することがなくなる。また、従来の入出力端子24では、線路導体4aの幅を広げようとすると入出力端子24の大きさが数倍程度に大きくなり、枠体3の側部に嵌着できなくなるという問題があり、また線路導体4aを厚くしようとするとセラミックグリーンシート同士に接合不良が生じることから、線路導体4aの抵抗を小さくすることが困難であったものが、本発明の入出力端子4により、線路導体4aの幅や厚さを大きくせずに入出力端子4の大きさを従来通りとすることができる。また、平板部4bと立壁部4cとの接合部に接合不良が発生することがないものとなる。
In this way, according to the input/
本発明の入出力端子4において、内層導体層4a−1は単層または複数層設けることができるが、複数層設ける場合10層以下がよい。10層を超えると、抵抗が減少しにくくなる。また、内層導体層4a−1の厚さは5〜25μmがよく、5μm未満では、抵抗を下げることが困難になる。25μmを超えると、層間に剥離が発生し易くなる。
In the input/
さらに、セラミック層4b−1の厚さは100〜635μm程度がよく、100μm未満では、位置合せしたり積層することが困難となる。635μmを超えると、貫通孔への導体ペーストの充填や被着が困難となる。
Furthermore, the thickness of the
また、図2に平板部4bのセラミック層4b−1に形成された内層導体層4a−1の平面図を示すように、切欠き部4g−2,4g−3は内層導体層4a−1の中央部よりも幅が狭く、かつ内層導体層4a−1は端部が切欠き部4g−2,4g−3に向かって漸次幅が狭くなっているとともに先端の幅が切欠き部4g−2,4g−3と同じであることにより、内層導体層4a−1の先端にセラミックグリーンシートの密着面4a−4が形成され、セラミックグリーンシートを積層して平板部4bを形成する際、切欠き部を有するセラミックグリーンシートを内層導体層4a−1を挟み込むように積層しても、内層導体層4a−1の端部の両側における上下のセラミックグリーンシート同士の密着面積を大きくすることができ、セラミックグリーンシート間に剥がれが生じるのを有効に抑制することができる。その結果、入出力端子4の気密性および導通信頼性を向上させ、半導体素子の作動性を向上させることができる。
As shown in FIG. 2, the plan view of the
また、内層導体層4a−1の先端の幅は切欠き部4g−2,4g−3と同じであることから、内層導体層4a−1が切欠き部4g−2,4g−3を全周にわたって覆うことができ、内層導体層4a−1と切欠き部4g−2,4g−3の内面の導体層4b−2,4b−3との接触面積を大きくすることができる。特に、切欠き部4g−2,4g−3の内面の全面に導体層4b−2,4b−3を形成すれば、切欠き部4g−2,4g−3の内面の導体層と内層導体層4b−2,4b−3との接触面積を非常に大きくすることができ、上下の内層導体層4a−1同士を低抵抗で接続することができる。その結果、入出力端子4の電気的特性を良好にすることができる。
In addition, since the width of the tip of the
さらに、切欠き部の一方4g−2は平面視における最奥部の形状が半円状であるとともに線路導体4aの線路方向における長さAが内層導体層4a−1の端部の長さBよりも長いことから、切欠き部4g−2の最奥部の導体層4b−2に熱電冷却素子のリード線14を接続した際、リード線14の周囲を大面積の内層導体層4a−1で覆うことができるため、リード線14の周囲の内層導体層4a−1の抵抗を小さくして内層導体層4a−1からリード線14へ電流を非常に流し易くすることができる。さらに、大電流が流れることによってリード線14と切欠き部4g−2内面の導体層4b−2との接続部付近が発熱し、リード線14と平板部4bとの間に熱膨張係数差が生じたとしても、リード線14周囲に内層導体層4a−1が大きな面積で配設されているのでリード線14周囲の平板部4bを内層導体層4a−1で有効に補強することができるとともに、切欠き部4g−2の最奥部を半円状として応力を集中し難くすることにより、リード線14周囲の平板部4bにクラックが生じるのを有効に防止することができる。
Furthermore, one of the
また本発明において、図3に示すように、内層導体層4a−1は、線路導体4aの両端にそれぞれ接続される導体層4b−2,4b−3との接続部間を並列接続するように形成された複数の配線導体4a−11から成っていることが好ましい。これにより、さらに線路導体4aの両端間の抵抗を小さくすることができ、よってさらに大きな直流電流を流すことができる。この場合、複数の配線導体4a−11の本数は2〜10本がよく、2本未満では、導体層4b−2,4b−3間の抵抗の減少が小さくジュール熱の発生が大きくなり易い。10本を超えると、抵抗減少効果が小さくなっていく。
In the present invention, as shown in FIG. 3, it is preferable that the
また、複数の配線導体4a−11は、導体層4b−2,4b−3との接続部より離れたものほど配線長が長くなり抵抗が増大するので、導体層4b−2,4b−3との接続部から離れるに従って幅広に形成し抵抗を小さくするのがよく、全体として同程度の抵抗の配線導体4a−11とすることができる。
In addition, the
そして、本発明の光半導体装置は、入出力端子4を枠体3の側部の取付部3aにAgロウなどのロウ材で嵌着するとともに円筒状等の筒状の光ファイバ固定部材2を枠体3の他の側部の取付部3bにAgロウなどのロウ材で嵌着し、さらに熱電冷却素子11を載置部1aに載置して熱電冷却素子11上に光半導体素子10を半田材等で搭載固定し、枠体3の上面にFe−Ni−Co合金等から成る蓋体(図示せず)を接合することにより作製される。
The optical semiconductor device of the present invention is fabricated by fitting the input/
かくして、本発明の入出力端子4を有する枠体3は、大きな直流電流で作動させる熱電冷却素子11を収納し得るものとなる。
Thus, the
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を施すことは可能である。例えば、上記実施の形態では、本発明の入出力端子4を光半導体素子収納用パッケージに適用した場合について説明したが、混成集積回路基板等の入出力端子として本発明の入出力端子4を適用してもよい。また、半導体素子として光半導体素子10ではなくIC,LSI等の半導体集積回路素子を用いる場合、光ファイバ固定部材2およびその取付部3bは不要である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the input/
本発明はIC,LSI等の半導体集積回路素子や光通信用の光半導体素子などを収納するための半導体素子収納用パッケージに用いられる入出力端子、およびそれを用いた半導体素子収納用パッケージならびに半導体装置において、大きな直流電力を内部に供給するものに好適に利用できる。 The present invention can be suitably used for input/output terminals used in semiconductor element storage packages for storing semiconductor integrated circuit elements such as ICs and LSIs, and optical semiconductor elements for optical communications, as well as for semiconductor element storage packages and semiconductor devices using the same that supply large DC power to the inside.
1:基体
1a:載置部
3:枠体
4:入出力端子
4a:線路導体
4a−1:内層導体層
4b:平板部
4b−1:セラミック層
4b−2,4b−3:導体層
4c:立壁部
4d:下部接地導体層
4e:側部接地導体層
4f:上部接地導体層
4g−2,4g−3:切欠き部
10:半導体素子
11:熱電冷却素子
1: Base body 1a: Mounting portion 3: Frame body 4: Input/
10. Semiconductor elements
11: Thermoelectric cooling element
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