JP5948693B2 - パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、パッケージに関し、例えば、枠体上にリードが固定されたパッケージに関する。

半導体チップを搭載するパッケージを有する半導体装置が知られている。特許文献１には、リードを有するパッケージに半導体チップが搭載された半導体装置が記載されている。

特開２００１−６８６１４号公報

例えば、半導体チップとの入力または出力インピーダンスが小さい場合、リードのインピーダンスを小さくすることが求められる。リードに幅を広くすることにより、リードのインピーダンスを小さくすることができる。しかしながら、リードの幅を広くすると、リードとパッケージの枠体との熱応力により、枠体にクラックが生じる。このように、リードとパッケージの枠体との熱応力を緩和することが求められている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、リードとパッケージの枠体との熱応力を緩和することを目的とする。

本発明は、枠体と、その一端が前記枠体上に固定され、前記枠体内に搭載される半導体チップと前記枠体の外部とを電気的に接続するリードと、を具備し、前記リードは、前記枠体に固定された領域と前記枠体よりも外側の領域との境界において、開口と、前記枠体の外周に対し斜めに交差する外縁と、の少なくとも一方を有することを特徴とするパッケージである。本発明によれば、リードとパッケージの枠体との熱応力を緩和することができる。

上記構成において、前記リードは、それぞれ複数の前記開口を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記リードは前記開口を有し、前記開口は前記枠体側に開放している構成とすることができる。

上記構成において、前記リードは、前記枠体側の幅が前記枠体と反対側の幅より広くなるように、前記外縁を有する構成とすることができる。

上記構成において、前記外縁は、直線あるいは曲線である構成とすることができる。

本発明によれば、リードとパッケージの枠体との熱応力を緩和することができる。

図１（ａ）は、比較例に係るパッケージを実装した平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）は、図１（ａ）の領域Ｂの拡大図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 図３（ａ）は、実施例１に係るパッケージの平面図である。図３（ｂ）は、実施例１に係るパッケージを実装した平面図の拡大図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、シミュレーションに用いた構造を示す図である。 図５は、実施例１の変形例に係るパッケージの平面図である。 図６（ａ）は、実施例２に係るパッケージが実装された平面図の拡大図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の領域Ｄの拡大図である。図６（ｃ）は実施例２の変形例に係るパッケージの平面図の拡大図である。 図７（ａ）は、実施例３に係るパッケージが実装された平面図の拡大図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の領域Ｄの拡大図である。図７（ｃ）は、実施例３の変形例に係るパッケージの平面図の拡大図である。

まず、比較例について説明する。図１（ａ）は、比較例に係るパッケージを実装した平面図（蓋１１は図示していない）、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）は、図１（ａ）の領域Ｂの拡大図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図１（ａ）、図１（ｂ）および図２（ａ）に示すように、比較例に係るパッケージ１００ａは、金属ベース１０、枠体１２、金属膜１４およびリード２０を備えている。金属ベース１０の上面にはセラミックからなる枠体１２が固定されている。枠体１２上にリード２０が固定されている。例えば、枠体１２上には枠体１２内と外とを電気的に接続する金属膜１４が形成されている。金属膜１４上にリード２０が固定されている。金属ベース１０の材料は、放熱性の観点から例えばＣｕまたはＣｕ層とＭｏ層の積層である。枠体１２の材料は、例えば酸化アルミニウム等のセラミックスである。金属膜１４の材料は、例えばＷ（タングステン）とＡｕ（例えばメッキしたＡｕ）との積層膜である。リード２０の材料は、例えば４２合金（ＦｅにＮｉを配合した合金）またはＦｅ、ＮｉおよびＣｏを含む合金等の金属である。

枠体１２内の金属ベース１０上に半導体チップ４０が搭載されている。金属ベース１０は、半導体チップ４０の裏面を接地させるとともに、半導体チップ４０において発生した熱を筐体３０に放出する。金属膜１４と半導体チップ４０とは例えばＡｕ等の金属ボンディングワイヤ４２により電気的に接続されている。これにより、リード２０から入力されたマイクロ波信号は金属膜１４およびボンディングワイヤ４２を介し半導体チップ４０に入力する。半導体チップ４０から出力されたマイクロ信号は、ボンディングワイヤ４２および金属膜１４を介しリード２０から出力される。このように、リード２０は、枠体１２内に搭載される半導体チップ４０と枠体１２の外部とを電気的に接続する。図１（ｂ）のように、枠体１２上には、セラミック等の絶縁体または金属からなる蓋１１が固着される。これにより、半導体チップ４０は気密封止される。半導体チップ４０は、例えば、窒化物半導体層、ＧａＡｓ系半導体層またはシリコン半導体層を含む。窒化物半導体層は、例えばＧａＮ層、ＩｎＮ層、ＡｌＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＡｌＮ層およびＡｌＩｎＧａＮ層の少なくとも１つを含む層である。ＧａＡｓ系半導体層は、例えばＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層およびＡｌＩｎＧａＡｓ層の少なくとも１つを含む層である。

パッケージ１００ａの金属ベース１０は、金属筐体３０に形成された凹部３８内に固定される。金属ベース１０は、例えば金属ベース１０に形成されたネジ孔１８を用い、金属筐体３０にネジ止めされる。金属ベース１０は他の方法を用い筐体３０に固定されていてもよい。凹部３８の両側には回路基板３２が設けられている。回路基板３２は、筐体３０にネジ止め、接着剤またはロウ材等により固定されている。回路基板３２の上面には金属電極３４が形成されている。リード２０の先端と金属電極３４とはロウ材３６により固定されている。枠体１２のリード２０が固定される外側にはキャスタレーション１６が設けられている。筐体３０の材料は、例えばアルミニウム等の金属である。図２（ａ）に示した領域２１は、リード２０が枠体１２に固定された領域である。回路基板３２は、例えばガラスエポキシ等の樹脂層を含む。金属電極３４は、例えばＣｕまたはＡｕ等の金属膜である。

図２（ｂ）のように、枠体１２の外側にはキャスタレーション１６が形成されている。金属膜１４とリード２０とは例えばＡｇ−Ｃｕ合金等のロウ材２８により固着されている。キャスタレーション１６は、リード２０下に漏れだしたロウ材２８を溜める機能を有する。キャスタレーション１６が設けられている場合、領域２１の外周５０は、キャスタレーション１６の内壁にほぼ一致する。キャスタレーション１６は、設けられていなくともよい。

高出力増幅回路用のトランジスタの入力インピーダンスおよび出力インピーダンスは小さい。例えば、トランジスタが電界効果トランジスタの場合、高出力動作のためにはゲート幅を大きくするためである。パッケージに高出力増幅回路用のトランジスタを搭載する場合、入力インピーダンスおよび出力インピーダンスを変換する整合回路をパッケージに搭載することにより、パッケージの入力インピーダンスおよび出力インピーダンスを大きくできる。例えば５０Ωとできる。しかしながら、半導体装置の低価格化および小型化のためには、パッケージに整合回路を搭載しないことが好ましい。整合回路を搭載しない場合、パッケージの入力インピーダンスおよび出力インピーダンスが小さくなる。このため、リードによる損失を抑制するためには、リードのインピーダンスを小さくすることが求められる。

比較例においては、リード２０の幅Ｌおよび金属膜１４の幅を広くすることにより、リード２０のインピーダンスを小さくすることができる。例えば、リード２０の幅Ｌは一般的には１ｍｍ以下であるが、実施例１においては、２ｍｍ以上、好ましくは４ｍｍ以上とする。

しかしながら、リード２０の幅Ｌを広くすると、パッケージの温度変化により、図２（ａ）の領域２１の端部領域６０において、リード２０から枠体１２に加わる応力が集中する。例えば、図１（ａ）および図１（ｂ）のように、リード２０が筐体３０上の回路基板３２に固定されている場合、回路基板３２および筐体３０の伸縮によりリード２０に大きな応力が加わる。パッケージの温度変化としては、半導体装置の動作、リード２０と金属電極３４との半田付けの際の熱処理等がある。このように、枠体１２とリード２０との熱膨張係数との差により領域６０に応力が集中した場合、セラミックは樹脂等に比べクラックが入り易い。例えば、比較例のように、放熱用の金属ベース１０上にセラミックスからなる枠体１２が形成されている場合、枠体１２が薄くなる。よって、領域６０に集中した応力により、枠体１２が割れ易くなる。枠体１２にクラックが生じると、例えば、枠体１２内を気密封止できなくなる。さらに、リード２０が破断することがある。なお、枠体１２のクラック等は、枠体１２がセラミック以外（例えば樹脂）の場合も起こりえる。

以下の実施例においては、リード２０と枠体１２との熱応力を緩和する例を説明する。

実施例１は、リードが開口を有する例である。図３（ａ）は、実施例１に係るパッケージの平面図（蓋１１は図示していない）である。図３（ｂ）は、実施例１に係るパッケージを実装した平面図の拡大図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、パッケージ１００において、リード２０には開口２２が形成されている。リード２０の領域２１は、リード２０が枠体１２に固定された領域である。開口２２は、領域２１と枠体１２よりも外側の領域との境界（例えば外周５０）において設けられている。例えば、開口２２は枠体１２上から枠体１２の外側にかけて形成されている。その他の構成は、比較例と同じであり説明を省略する。

実施例１によれば、領域２１の外周５０に開口２２が設けられている。これにより、領域６０において、リード２０から枠体１２に加わる応力を緩和することができる。すわなち、開口２２により外周５０におけるリード２０の幅が実質的に狭くなり、リード２０が撓み応力が逃がされる。また、外周５０における枠体１２とリード２０との固定領域２１が小さくなることにより、領域６０においてリード２０から枠体１２に加わる応力を抑制できる。開口２２の長さＬ１は大きすぎると、リード２０のインダクタ成分が大きくなる。よって、長さＬ１は、応力が緩和できる程度に小さい方がよい。開口２２の幅Ｌ２は、大きすぎるとリード２０のインピーダンスが大きくなってしまう。よって、開口２２の幅Ｌ２の合計は、リードの幅Ｌの１／２以下であることが好ましい。また、リード２０を伝搬する信号の損失を抑制するため、開口２２の幅Ｌ２は、信号の波長より十分小さいことが好ましい。

リード２０は、１つの開口２２を有していてもよいが、それぞれ複数の開口２２を有することが好ましい。これにより、リード２０による熱応力をより緩和することができる。

また、開口２２を上からみた形状は任意であり、長方形以外にも正方形または円形等の他の形状でもよい。

比較例と実施例１に係るパッケージについて、領域６０に加わる応力をシミュレーションした。図４（ａ）および図４（ｂ）はシミュレーションに用いた構造を示す図である。図４（ａ）は、平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、パッケージの図示は簡略化している。図４（ａ）および図４（ｂ）を参照し、５ｍの厚さＴ２を有するアルミニウム製の筐体３０上に、０．８ｍｍの厚さＴ３を有するガラスエポキシ樹脂の回路基板３２が搭載されている。筐体３０の１辺の長さＬ３は５０ｍｍである。回路基板３２は各２箇所のネジ孔３９において筐体３０にネジ止めされている。ネジ孔３９以外では、回路基板３２は筐体３０に固定されていない。ネジ孔３９の間隔Ｌ４は２０ｍｍである。リード２０の厚さＴ１（図２（ｂ）参照）は０．１ｍｍ、幅Ｌは４ｍｍである。リード２０の材料は４２合金またはＦｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金である。開口２２の長さＬ１は１ｍｍ、幅Ｌ２は０．５ｍｍである。

開口２２は、図３（ｂ）のように、１本のリード２０に４つ設けられている。金属ベース１０の材料はＣｕ系である。枠体１２の材料は酸化アルミニウムを主に含むセラミックスである。比較例に係るパッケージにおいては、リード２０に開口２２は設けられていない。その他は、実施例１に係るパッケージと同じとした。リード２０を金属電極３４に半田付けした場合を想定し、２６０℃の応力を０とし、２５℃まで降温した場合の領域６０におけるリード２０が枠体１２に加える応力をシミュレーションした。その結果、実施例１は、比較例に対し、領域６０においてリード２０が枠体１２に加える応力が１５％低減した。なお、このシミュレーションではリード２０の撓みは計算していない。実際は、開口２２によりリード２０が撓むことにより、応力が一層緩和される。

図５は、実施例１の変形例に係るパッケージの平面図である。図５に示すように、開口２２の枠体１２側が開放している。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。開口２２が枠体１２側に開放していることにより、リード２０がより撓み易く、領域６０における応力をより緩和することができる。

実施例２は、リード２０の外縁がテーバ状の例である。図６（ａ）は、実施例２に係るパッケージが実装された平面図の拡大図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の領域Ｄの拡大図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、リード２０に開口２２が設けられていない。リード２０の枠体１２側がテーパ状となっている。図６（ｂ）に示すように、リード２０は、領域２１と枠体１２よりも外側の領域との境界において、枠体１２の外周（例えば外周５０）に対し斜めに交差する外縁５２を有する。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例２によれば、リードの外縁５２が領域６０において外周５０に対し斜めに交差している。これにより、リード２０から枠体１２に加わる応力が分散する。よって、領域６０において、リード２０から枠体１２に加わる応力を緩和できる。実施例１において行なったシミュレーションと同じシミュレーションを行った。ここで、テーパ形状の外縁５２の外周５０に対する角度θを４５°とした。その他の構成は、実施例１のシミュレーションと同じであり説明を省略する。シミュレーションの結果、領域６０におけるリード２０が枠体１２に加える応力は、比較例に対し２０％低減した。

また、実施例２においては、リード２０の枠体１２側の幅Ｌ６に対し、枠体１２と反対側の幅Ｌ５が狭い。幅Ｌ６に対し幅Ｌ５が広くてもよいが、この場合、リード２０が高周波信号を伝送する際の損失が大きくなる。このように、リード２０は、枠体１２側の幅Ｌ６が枠体１２と反対側Ｌ５の幅より広くなるように、外縁５２を有することが好ましい。

図６（ｃ）は実施例２の変形例に係るパッケージの平面図の拡大図である。図６（ｃ）に示すように、外縁５２が曲線である。このように、外縁５２は直線でもよいが、曲線でもよい。また、外縁５２は、枠対１２側から反対側に行くに従い外縁５２に接する直線と外周５０とがなす角が直交に近くなるような曲線であることが好ましい。これにより、リード２０が枠体１２に加える応力をより分散させることができる。

実施例３は、リード２０が開口２２を有し、かつの外縁５２がテーバ状の例である。図７（ａ）は、実施例３に係るパッケージが実装された平面図の拡大図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の領域Ｄの拡大図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、リード２０に開口２２が設けられている。さらに、リード２０の枠体１２側がテーパ状となっている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

図７（ｃ）は、実施例３の変形例に係るパッケージの平面図の拡大図である。図７（ｃ）に示すように、外縁５２が曲線である。このように、外縁５２は直線でもよいが、曲線でもよい。

実施例３およびその変形例によれば、リード２０が開口２２と、テーバ状の外縁５２と、の両方を有している。これにより、領域６０において、リード２０から枠体１２に加わる応力をより緩和できる。

実施例１から３に係るパッケージにおいて、金属ベース１０の代わりに例えばセラミックス等の絶縁性のベースを用いてもよい。

リード２０は、マイクロ波信号以外の信号を伝送するものでもよい。リード２０がマイクロ波信号を伝送する場合、リード２０のインピーダンスを小さくするためには、リード２０の幅Ｌを大きくすることになる。よって、リード２０に、開口２２およびテーパ状の外縁５２の少なくとも一方を設けることが好ましい。

実施例１から３に係るパッケージに半導体チップ４０を搭載した半導体装置としては、増幅器用の半導体装置としてもよい。すなわち、半導体チップ４０は、増幅用トランジスタを含む。リード２０は、増幅用トランジスタに入力するマイクロ波信号または増幅用トランジスタから出力されるマイクロ波信号を伝送する。この場合、増幅用トランジスタの入力インピーダンスおよび出力インピーダンスが小さくなる。よって、リード２０の幅Ｌを大きくすることになる。よって、枠体１２が割れ易くなる。実施例１から３のパッケージによれば、このような枠体１２の割れを抑制できる。

特に、パッケージ内に、半導体チップ４０の入力インピーダンスおよび出力インピーダンスを変換する整合回路を有さない場合、リード２０の幅Ｌを大きくすることとなる。例えば、半導体チップ４０の入力インピーダンスおよび出力インピーダンスを５０Ωに変換しない場合、リード２０の幅Ｌが大きくなる。この場合、リード２０のインピーダンスは例えば５０Ωより小さく、例えば２０Ω以下である。

半導体チップ４０を気密封止するように枠体１２に蓋１１が設けられた場合、枠体１２が割れると、気密封止できなくなる。よって、このような半導体装置に実施例１から３のパッケージを適用することが好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 金属ベース
１２ 枠体
１４ 金属膜
２０ リード
２１ 領域
２２ 開口
４０ 半導体チップ
５０ 外周
５２ 外縁

Claims (5)

1. 枠体と、
   その一端が前記枠体上に固定され、前記枠体内に搭載される半導体チップと前記枠体の外部とを電気的に接続するリードと、
   を具備し、
   １つの前記リードは、前記枠体に固定された領域と前記枠体よりも外側の領域との境界において、前記１つのリードの内部に形成された開口と、前記枠体の外周に対し斜めに交差する外縁と、の少なくとも一方を有することを特徴とするパッケージ。
2. 前記リードは、それぞれ複数の前記開口を有することを特徴とする請求項１記載のパッケージ。
3. 前記リードは前記開口を有し、前記開口は前記枠体側に開放していることを特徴とする請求項１または２記載のパッケージ。
4. 枠体と、
   その一端が前記枠体上に固定され、前記枠体内に搭載される半導体チップと前記枠体の外部とを電気的に接続するリードと、
   を具備し、
   前記リードは、前記枠体に固定された領域と前記枠体よりも外側の領域との境界において、前記枠体の外周に対し斜めに交差し、かつ前記枠体側の幅が前記枠体と反対側の幅より広くなるような外縁を有することを特徴とするパッケージ。
5. 前記外縁は、直線あるいは曲線であることを特徴とする請求項１または請求項４記載のパッケージ。
   
   

Images