JP4522010B2 - 入出力端子および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
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波で作動する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の入出力部に使用される入出力端子、この入出力端子を用いた半導体素子収納用パッケージ、およびこの半導体素子収納用パッケージを用いた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、マイクロ波帯やミリ波帯等の高周波信号により作動する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が設けられている。この入出力端子を図3に斜視図で示す。
【0003】
同図において、101はアルミナ(Al2O3)セラミックス,窒化アルミニウム(AlN)セラミックス,ムライト(3Al2O3・2SiO2)セラミックス等の誘電体から成る平板部であり、その上面の略中央部に、一辺から対向する辺にかけて形成された線路導体101aを有するとともに、この線路導体101aの両側に所定の間隔をもって形成された同一面接地導体101bを有する。また、平板部101の側面には側面接地導体101c、下面には下面接地導体101dが形成されている。
【0004】
また、平板部101の上面には、線路導体101aを挟持するとともに、上面に上面接地導体層102aを有し、側面に側面接地導体101cから延出するように形成された側面接地導体層102bを有する、Al2O3セラミックス,AlNセラミックス,3Al2O3・2SiO2セラミックス等の誘電体から成る立壁部102が接合される。そのため、線路導体101aは、平板部101と立壁部102とに挟持されていない部位(露出部位)のマイクロストリップ線路と、平板部101と立壁部102とに挟持された部位のストリップ線路とから成る。
【0005】
線路導体101aのストリップ線路は、上面接地導体層102a,側面接地導体層102b,側面接地導体101cおよび下面接地導体101dにより擬似同軸構造とされている。一方、線路導体101aのマイクロストリップ線路は、同一面接地導体101bによりマイクロストリップ構造とされている。即ち、線路導体101aのストリップ線路を伝送する高周波信号の伝搬モードはTEMモードであり、また線路導体101aのマイクロストリップ線路を伝送する高周波信号の伝搬モードは準TEMモードである。
【0006】
このような平板部101,立壁部102から構成される入出力端子103は、半導体パッケージの構成部材の1つである金属枠体に形成された切欠または貫通孔から成る取付部に嵌着されることにより、半導体パッケージ内外を遮断しその内部を封止する機能を有するとともに、外部電気回路基板との高周波信号の入出力を行う機能を有することと成る。
【0007】
また、上記の半導体パッケージ内部に載置固定された半導体素子と、半導体パッケージ上面に取着された蓋体とを具備することにより半導体装置となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の入出力端子103では、半導体素子が例えば10GHz以上の高周波信号により作動するものの場合、ストリップ線路101aの長さを短くすることにより、半導体素子と外部電気回路基板との高周波信号の入出力時における伝送損失を小さくし、伝送効率を良好なものとできるが、これに伴い立壁部102の幅を小さくせざるを得なかった。
【0009】
このように立壁部102の幅を小さくした入出力端子103を半導体パッケージに用いた場合、立壁部102と、半導体パッケージの構成部材の1つである金属枠体との間に発生する熱膨張差による熱歪みを有効に緩和し抑制することができなかった。その結果、平板部101や立壁部102にクラック等の破損が発生し、半導体素子と外部電気回路基板との高周波信号の伝送効率が損なわれ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完成されたものであり、その目的は、半導体パッケージの信号線路部材としての入出力端子の破損を有効に防止するとともに、線路導体を伝送する高周波信号の伝送損失を小さくして伝送効率を良好なものとし、その結果半導体素子と外部電気回路基板との高周波信号の伝送効率を良好に保持し伝送特性を向上させることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の入出力端子は、略長方形の誘電体板から成り、上面の一辺から対向する他辺にかけて形成された線路導体および該線路導体の両側に等間隔をもって形成された同一面接地導体とを有する平板部と、該平板部の上面に前記線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部とを具備した入出力端子において、前記立壁部は、前記線路導体の伝送方向に略垂直な対向する両側面の下端部に前記線路導体を囲むように切欠き部がそれぞれ形成されているとともに、該切欠き部の前記伝送方向に略平行であり互いに対向する2つの内側面に接地導体層が形成されており、該接地導体層の下端が前記同一面接地導体と直接導通していることを特徴とする。
【0012】
本発明は、上記の構成により、誘電体に挟持されるストリップ線路部の長さを短くすることができ、その結果線路導体を伝送する高周波信号の伝送損失を小さくし、伝送効率を良好なものとできる。
【0013】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着された金属枠体と、該金属枠体に形成された切欠きまたは貫通孔から成る入出力端子の取付部と、該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たことを特徴とする。
【0014】
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、上記入出力端子を半導体パッケージの構成部材の1つである金属枠体の取付部に嵌着しても、入出力端子と金属枠体との間に発生する熱膨張差による熱歪みを有効に抑制でき、半導体パッケージ内部の気密性や、半導体素子と外部電気回路基板との高周波信号の伝送効率を非常に良好なものとできる。
【0015】
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、前記載置部に載置固定された半導体素子と、前記金属枠体の上面に取着された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【0016】
本発明の半導体装置は、上記の構成により、半導体素子が例えば10GHz以上の高周波信号により作動するものの場合であっても、半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させ得る。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の入出力端子について添付の図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の入出力端子の実施の形態の一例を示す斜視図、図2は本発明の半導体パッケージを示す斜視図である。また、図2に示すように、本発明の半導体パッケージに半導体素子を載置固定するとともに、蓋体を接合することにより本発明の半導体装置となる。
【0018】
図1において、1はAl2O3セラミックス,AlNセラミックス,3Al2O3・2SiO2セラミックス等の誘電体から成る平板部であり、この平板部1は上面の略中央部に一辺から対向する他辺にかけて形成された線路導体1aと、この線路導体1aの両側に所定間隔をもって形成されて成る同一面接地導体1bとを有する。また、平板部1の側面には側面接地導体1c、下面には下面接地導体1dが形成されている。
【0019】
また、平板部1の上面には、線路導体1a,同一面接地導体1bを挟持するとともに、上面に上面接地導体層2a、側面に側面接地導体1cを延出するようにして形成された側面接地導体層2bを有する、Al2O3セラミックス,AlNセラミックス,3Al2O3・2SiO2セラミックス等の誘電体から成る立壁部2が接合される。
【0020】
これら平板部1と立壁部2とで入出力端子3が構成される。なお、入出力端子3の作製は以下のようになされる。まず、線路導体1a,同一面接地導体1b,側面接地導体1c,下面接地導体1d,上面接地導体層2a,側面接地導体層2bとなるメタライズ層用の金属ペーストを、タングステン(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn)等の粉末に有機溶剤,溶媒を添加混合して得る。次に、誘電体となる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すとともに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成形されたセラミックグリーンシートに、上記金属ペーストを予め従来周知のスクリーン印刷法により所望の形状に印刷塗布し、約1600℃の高温で焼結することにより、作製される。
【0021】
本発明の入出力端子3は、立壁部2が、線路導体1aの伝送方向に略垂直な対向する両側面の下端部に線路導体1aを囲むように切欠き部2cが形成されているとともに、切欠き部2cの伝送方向に略平行な内面に接地導体層2dが形成されている。また切欠き部2cは、好ましくは、切欠き部2cの内面のうち線路導体1aの伝送方向に平行な対向する2内側面の下端が、同一面接地導体1bの端に位置するかまたは同一面接地導体1b内に位置するように形成されるのがよい。
【0022】
本発明の上記構成の入出力端子3は以下のような効果を奏する。即ち、線路導体1aの接地導体層2dで囲まれている部位の高周波信号の伝搬モードは、囲まれていない部位の伝搬モードである準TEMモードと、平板部1と立壁部2との間に挟持されている部位の伝搬モードであるTEMモードとの中間程度である。この中間的な伝搬モードが存在することにより、線路導体1aに高周波信号が伝送された場合、従来のように準TEMモードからTEMモードに切り替わった際に伝搬モードの変化部でインピーダンスがステップ状に変化することがなく、高周波信号の反射を大幅に低減できる。従って、本発明では、線路導体1aに高周波信号が伝送された場合、準TEMモードから、準TEMモードとTEMモードとの中間程度のモード、そしてTEMモードと、順次非常に緩やかにモードが変化するため、伝搬モードの変化部でインピーダンスが緩やかに変化し高周波信号の反射を極力抑制できる。
【0023】
また、好ましくは、切欠き部2cの内面のうち線路導体1aの伝送方向に平行な対向する2内側面(接地導体層2d)の下端が、同一面接地導体1bの端に位置するかまたは同一面接地導体1b内に位置するように形成されることにより、接地導体層2dは同一面接地導体1bに直接的に導通される。または、立壁部2を複数の誘電体層を積層して形成し、これら誘電体層の間に設けられた層間接地導体層を介して、接地導体層2dと同一面接地導体1bとを間接的に導通させることもできる。これにより、接地導体層2dは線路導体1aに対するグランドとして機能することになる。
【0024】
一方、接地導体層2dの下端が同一面接地導体1bの端に位置するかまたは同一面接地導体1b内に位置するように形成されていない場合、即ち接地導体層2dの下端が線路導体1aと同一面接地導体1bとの間にある場合、線路導体1aを伝送する高周波信号が、立壁部2の誘電体が露出している側面により誘電体損失が発生し伝送効率が損なわれる傾向にある。
【0025】
また、切欠き部2c内面の線路導体1aの伝送方向に垂直となる面(最奥の面)には、接地導体層2dとなるメタライズ層が線路導体1aに導通しないように被着されているのが好ましい。即ち、切欠き部2c内面の線路導体1aの伝送方向に垂直となる面にメタライズ層が形成されていない場合、線路導体1aの接地導体層2dで囲まれている部位を伝送する高周波信号が、切欠き部2c内面の線路導体1aの伝送方向に垂直な面で誘電体損失が発生し伝送効率が損なわれる傾向にある。
【0026】
この場合、切欠き部2c内面の線路導体1aの伝送方向に垂直となる面(最奥の面)に形成される、接地導体層2dとなるメタライズ層は、最奥の面の上端から線路導体1aの表面に達しないように形成するが、メタライズ層の下端と線路導体1aとの間隔は0.1〜0.2mm程度あればよい。0.1mm未満では、メタライズ層用の金属ペーストを塗布した際に線路導体1aに接触してショートし易くなり、0.2mmを超えると、メタライズ層の非形成部が大きくなり、最奥の面の露出した誘電体部で誘電体損失で発生し伝送損失が増大し易くなる。
【0027】
なお、切欠き部2cの平板部1上面からの高さは、立壁部2の高さの2/3以下であることが好ましい。2/3を超えると、立壁部2の強度が低下し、半導体パッケージの構成部材の1つである金属枠体との熱膨張差による熱歪みにより、入出力端子3が破損する傾向にある。
【0028】
また、一つの切欠き部2cの深さ(奥行き)は、{(立壁部2の伝送方向の幅)−(平板部1と立壁部2とで挟持された線路導体1aの部位の長さ)}/2であれば良い。即ち、二つの切欠き部2cの深さは同一であるのが良い。この理由は、半導体パッケージの金属枠体との熱膨張差による熱歪みを立壁部2から平板部1に均等に分散させるためである。均等に分散されない場合、熱応力分散のバランスがくずれて入出力端子3が破損する傾向にある。
【0029】
また、平板部1と立壁部2とで挟持される線路導体1aの部位の長さは、0.3〜0.8mmであるのが良い。0.3mm未満の場合、切欠き部2cの長さが非常に長くなり、半導体パッケージの金属枠体との熱膨張差による熱歪みにより、入出力端子3が破損する傾向にある。一方、0.8mmを超えると、半導体素子と外部電気回路基板との間での高周波信号の入出力時における伝送損失が非常に大きくなる。
【0030】
なお、切欠き部2cの形状は、切欠き部2c内面の接地導体層2dが平板部1と立壁部2とに挟持された線路導体1aに導通しないものであればよく、例えば図1のような方形状に限らず、半円形状等の種々の形状とし得る。
【0031】
本発明の入出力端子3によれば、線路導体1aの伝送方向に略垂直な対向する両側面であって、立壁部2の誘電体が露出している面の下端部に、切欠き部2cを形成したことにより、線路導体1aの平板部1と立壁部2とに挟持された部分、即ち線路導体1aのストリップ線路の長さを0.3〜0.8mmと非常に短くできる。また、線路導体1aを伝送する高周波信号の伝搬モードが、準TEMモードから、準TEMモードとTEMモードとの中間程度のモード、そしてTEMモードとなるようにできるため、線路導体1aを伝送する高周波信号は、ストリップ線路を伝送することにより失われる誘電体損失や、伝搬モードが急激に変化することによる反射損失が非常に小さくなる。
【0032】
次に、本発明の半導体パッケージを図2に基づいて説明する。同図は本発明の半導体パッケージの実施の形態の一例を示す斜視図である。同図において、11は基体であり、その上面にはIC,LSI等の半導体素子14を載置するための載置部11aを有している。この基体11は、鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金,銅(Cu)−タングステン(W)合金等の金属材料や、Al2O3セラミックス,AlNセラミックス,3Al2O3・2SiO2セラミックス等の誘電体から成る。
【0033】
基体11が金属材料から成る場合、そのインゴット(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の形状に製作される。一方、誘電体から成る場合、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すとともに、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約1600℃の高温で焼成することによって作製される。
【0034】
なお、基体11が金属材料から成る場合、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11が酸化腐蝕するのを有効に防止できるとともに、基体11上面の載置部11aに半導体素子14を強固に接着固定させることができる。
【0035】
一方、基体11が誘電体から成る場合、半導体素子14を載置する載置部11aに、W,Mo−Mn等のメタライズ層を下地層として、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11上面の載置部11aに半導体素子14を強固に接着固定させることができる。
【0036】
また、12は基体11上に載置部11aを囲繞するように、プリフォームとされた銀(Ag)ロウ等のロウ材を介して取着された、金属材料から成る金属枠体である。
【0037】
なお、この金属枠体12の壁の幅(厚さ)は、0.8mm以上かつ入出力端子3の最上面(立壁部2上面)の幅より狭くするのが良い。金属枠体12の幅が0.8mm未満の場合、半導体パッケージとして要求される剛性を満足できなくなる。また、金属枠体12の幅が入出力端子3の最上面の幅よりも大きくなると、金属枠体12上面に蓋体16を接合した際に、蓋体16と金属枠体12との熱膨張差または、蓋体16と入出力端子3との熱膨張差により発生する熱歪みが大きくなる。その結果、入出力端子3にその熱歪みが加わりクラック等による破損が発生し、半導体素子14と外部電気回路基板との高周波信号の伝送効率や、半導体パッケージ内部の気密性が損なわれる。
【0038】
また、12aは金属枠体12の側面に切欠または貫通孔を形成して成る入出力端子3の取付部であり、取付部12aの内周面に入出力端子3がAgロウ等のロウ材で嵌着される。
【0039】
また、入出力端子3の半導体パッケージ外側の線路導体1aの上面には、外部電気回路基板と入出力端子3とを電気的に接続するための、Fe−Ni−Co合金やFe−Ni合金等の金属材料から成るリード端子15が、Agロウ等のロウ材で接合される。このリード端子15の表面には、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、リード端子15が酸化腐蝕するのを有効に防止できる。
【0040】
このような本発明の半導体パッケージは、本発明の入出力端子3を具備していることから、高周波信号の入出力による誘電体損失を最小限に抑え、高周波信号による伝送損失を小さくした、良好な伝送効率を有するものとなる。また、入出力端子3の最上面の幅を上記の範囲としているため、金属枠体12と入出力端子3との間の熱膨張差による熱歪みを有効に抑制したものとなる。そのため、半導体パッケージ内部の気密性も損なわれることなく十分なものとなる。
【0041】
また、本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体パッケージと、載置部11aに載置固定された半導体素子14と、金属枠体12上面に取着された蓋体16とを具備する構成である。
【0042】
そして、本発明の半導体装置は具体的には以下のようにして作製される。載置部11a上面に半導体素子14を載置し、樹脂接着剤,ロウ材等の接着剤で固定した後、半導体パッケージ内側の線路導体1aと半導体素子14の電極とをボンディングワイヤ,リボン等(図示せず)で電気的に接続する。次に、金属枠体12の上面にFe−Ni−Co合金やFe−Ni合金等の金属材料や、Al2O3セラミックス等のセラミックスから成る蓋体16を、Au−錫(Sn)等の低融点ロウ材やシームウエルド法等により接合することにより、半導体素子14が半導体パッケージ内部に収納された製品としての半導体装置となる。なお、蓋体16を接合する際には、半導体パッケージ内部の気密性がとれるように接合したほうが、半導体素子14の酸化腐食等を有効に防止でき、半導体素子14をより長期に亘り正常かつ安定に作動させ得る。
【0043】
なお、本発明は上述の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。例えば、半導体素子14が半導体レーザ(LD),フォトダイオード(PD)等の光半導体素子であっても良く、この場合半導体パッケージは光ファイバ等の光学部品を接続可能な所謂光半導体パッケージとなる。
【0044】
【発明の効果】
本発明の入出力端子は、略長方形の誘電体板から成り、上面の一辺から対向する他辺にかけて形成された線路導体および線路導体の両側に等間隔をもって形成された同一面接地導体とを有する平板部と、平板部の上面に線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部とを具備し、立壁部は、線路導体の伝送方向に略垂直な対向する両側面の下端部に線路導体を囲むように切欠き部がそれぞれ形成されているとともに、切欠き部の伝送方向に略平行であり互いに対向する2つの内側面に接地導体層が形成されており、接地導体層の下端が同一面接地導体と直接導通している。これにより、線路導体の平板部と立壁部とに挟持された部分、即ち線路導体のストリップ線路の長さを、0.3〜0.8mmと非常に短くでき、また線路導体を伝送する高周波信号の伝搬モードが、準TEMモードから、準TEMモードとTEMモードとの中間程度のモード、そしてTEMモードと成るようにできるため、線路導体を伝送する高周波信号はストリップ線路を伝送することにより失われる誘電体損失や、伝搬モードが変化することによる反射損失が非常に小さくなる。
【0045】
また、本発明の半導体パッケージは、上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、基体の上面に載置部を囲繞するように取着された金属枠体と、金属枠体に形成された切欠きまたは貫通孔から成る入出力端子の取付部と、取付部に嵌着された本発明の入出力端子とを具備したことから、高周波信号の入出力による誘電体損失を最小限に抑え、高周波信号による伝送損失を小さくした、良好な伝送特性を有するものとなる。また、入出力端子の最上面の幅を従来と同様としているため、金属枠体と入出力端子との間の熱膨張差による熱歪みを有効に抑制し得る。そのため、半導体パッケージ内部の気密性も良好に保持される。
【0046】
また、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た半導体素子と、金属枠体の上面に取着された蓋体とを具備したことにより、半導体素子が例えば10GHz以上の高周波信号で作動する場合であっても、半導体素子を長期に亘り正常かつ安定に作動させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の入出力端子について実施の形態の例を示す斜視図である。
【図2】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斜視図である。
【図3】従来の入出力端子の斜視図である。
【符号の説明】
1:平板部
1a:線路導体
1b:同一面接地導体
2:立壁部
2c:切欠き部
2d:接地導体層
3:入出力端子
11:基体
11a:載置部
12:金属枠体
12a:取付部
14:半導体素子
16:蓋体
Claims (4)
- 略長方形の誘電体板から成り、上面の一辺から対向する他辺にかけて形成された線路導体および該線路導体の両側に等間隔をもって形成された同一面接地導体とを有する平板部と、該平板部の上面に前記線路導体を間に挟んで接合された誘電体から成る立壁部とを具備した入出力端子において、前記立壁部は、前記線路導体の伝送方向に略垂直な対向する両側面の下端部に前記線路導体を囲むように切欠き部がそれぞれ形成されているとともに、該切欠き部の前記伝送方向に略平行であり互いに対向する2つの内側面に接地導体層が形成されており、該接地導体層の下端が前記同一面接地導体と直接導通していることを特徴とする入出力端子。
- 前記立壁部の前記両側面に形成されたそれぞれの切欠き部は、前記伝送方向における深さが互いに同一であることを特徴とする請求項1に記載の入出力端子。
- 上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着された金属枠体と、該金属枠体に形成された切欠きまたは貫通孔から成る入出力端子の取付部と、該取付部に嵌着された請求項1乃至請求項2記載の入出力端子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。
- 請求項3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た半導体素子と、前記金属枠体の上面に取着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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Patent Citations (2)
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