JP6022842B2 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 - Google Patents

半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、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およびこれを用いた半導体装置に関し、特に外部回路と接続する入出力端子部分に特徴を有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。
従来の半導体素子を気密に収容する半導体素子収納用パッケージ(以下、単にパッケージともいう)の例を図5に示す(例えば、特許文献1参照)。
従来のパッケージは、主要部である基板101と側壁102とを備えている。基板101は、例えば銅(Cu)−タングステン(W)合金等の金属から成る略長方形板状のものである。この基板101の上面に例えば鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金等から成る側壁102が接合されて構成されている。
側壁102は、基板101の上面の中央部を囲繞するようにして基板101の上面に銀(Ag)ロウ等のロウ材を介して接合される。また、側壁102の側面には入出力端子103嵌着用の取付部102aを備えている。取付部102aには、入出力端子103が嵌め込まれ、Agロウ等のロウ材を介して接合される。
入出力端子103は、アルミナ(Al)質セラミックス等のセラミックスから成る矩形状の平板部103aを有し、平板部103aの上面には、一方の長辺から対向する他方の長辺にかけてタングステン(W),モリブデン(Mo)等のメタライズ層から成る線路導体104が形成されている。そして、この平板部103aの上面には、Al質セラミックスから成る立壁部103bが線路導体104を狭持して接合されている。
入出力端子103の外側の線路導体104には、リード端子106がAgロウ等の導電性接合材によって接合される。このリード端子106は外部回路に接続される。
そして、高周波半導体素子を基板101および側壁102で形成される凹部の内側に載置するとともに、半導体素子の各電極を線路導体104にボンディングワイヤ等で接続し、側壁102の上面に蓋体105を接合することによって、パッケージ内に半導体素子が気密に封止された半導体装置とされる。半導体装置は、側壁102の外側の基板101の延長部分に設けられたねじ止め孔101aを用いて実装基板等に固定される。
特開平11−74394号公報
しかしながら、近年、半導体素子の高機能化・高集積化が進み、半導体素子の電極数が増えるに伴って、パッケージの入出力端子103の端子数、すなわち線路導体104,リード端子106の数が増える傾向にある。この端子数の増加に伴って、入出力端子103の幅を狭くするのが困難になりつつある。例えば、リード端子106を一定細さ以上に細くしてしまうと、接続作業に支障を生ずる等の問題が生じる。このような物理的理由によって、入出力端子103の幅を一定程度以上に狭くできないという問題がある。
一方で、入出力端子103の幅を広くすれば、パッケージの大型化を招いてしまうという問題がある。また、パッケージは、基板101および側壁102等の熱膨張係数の差によって、製造時の加熱工程等で上方向や下方向に弓なりに反る場合がある。そして、このようなパッケージを外部回路基板にねじ等で固定したりすると、パッケージの反りを矯正するようにパッケージ各部に力が加わる場合がある。
このようなパッケージの反りやパッケージをねじ固定する際に加わる力によって、大型化した入出力端子103が破損する可能性も大きくなる。
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、多端子で長寸の入出力端子でも、気密封止性に優れるパッケージを得ることにある。
本発明の一実施形態に係る半導体素子収納用パッケージは、基板と、この基板の上面の中央部を取り囲むように設けられた多角形枠状の側壁と、この側壁の内側および外側の間を導通する複数の導体が形成され、前記側壁に取り付けられた入出力端子とを備える半導体素子収納用パッケージであって、前記側壁は、前記側壁の一辺を成す一側壁およびこの一側壁に隣り合う両側の両側壁の一部に亘って前記側壁の内外を貫通する開口部を有し、前記入出力端子は、両端が前記両側壁の側面から外側に突出するように前記開口部に嵌め込んで接合されているとともに、前記一側壁の内側における複数の前記導体の形成領域の幅よりも前記一側壁の外側における前記導体の形成領域の幅が広く、前記入出力端子は、矩形状の上面を有する誘電体から成る平板部と、該平板部の上面の一辺から対向する他辺に向けて形成された複数の前記導体と、該導体を挟んで該導体の両端が露出するように前記平板部の上面に接合された誘電体から成る立壁部とから成り、前記立壁部の上面に前記一側壁の幅に合わせた金属層が形成されて前記開口部の前記側壁に接合されているとともに、前記両側壁の側面から外側に突出する部分には金属層が形成されておらず、前記一側壁の外側における前記立壁部の中央部側面に、垂直方向にリブが設けられていることを特徴とする。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、前記一側壁の外側における前記導体の形成領域の幅は、前記一側壁の幅よりも広いのがよい。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、前記導体は、前記側壁の外側における幅が前記側壁の内側における幅よりも広いのがよい。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、前記金属層は、前記一側壁に接合される部分にのみ形成されているのがよい。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、前記入出力端子の前記両側壁から外側に突出している部分の下方に、前記基板が前記両側壁から外側に突出するように配置されているのがよい。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、上記いずれかの半導体素子収納用パッケージと、前記側壁の内側に収容されて前記入出力端子に電気的に接続された半導体素子とを具備していることを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る半導体素子収納用パッケージによれば、側壁の一辺を成す一側壁およびこの一側壁に隣り合う両側の両側壁の一部に亘って側壁の内外を貫通する開口部を側壁に有し、入出力端子は、両端が両側壁の側面から外側に突出するように側壁の開口部に嵌め込んで接合されているとともに、一側壁の内側における複数の導体の形成領域の幅よりも一側壁の外側における導体の形成領域の幅が広いことから、両端の間の幅が一側壁の幅より広い入出力端子を側壁に取り付けることができ、一側壁の幅を入出力端子の幅より狭いものとすることができる。よって、入出力端子を破損しにくいものとすることができる。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、一側壁の外側における導体の形成領域の幅を、一側壁の幅よりも広いものとする場合、外側における導体の間隔を十分広いものとすることができ、接続作業性がよい導体とすることができる。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、側壁の外側における導体の幅が側壁の内側における幅よりも広い場合、外側における導体への接続作業性をよいものとすることができる。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、入出力端子が、矩形状の上面を有する誘電体から成る平板部と、この平板部の上面の一辺から対向する他辺に向けて形成された複数の導体と、この導体を挟んでこの導体の両端が露出するように平板部の上面に接合された誘電体から成る立壁部とから成り、立壁部の上面に一側壁の幅に合わせて金属層が形成されて開口部の側壁に接合されているとともに、両側壁の側面から外側に突出する部分には金属層が形成されていない場合、ろう材等で立壁部に入出力端子を接合する際に、接合材が両側壁から外側に突出する部分に流れにくいので、接合性のよい入出力端子とすることができる。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、金属層は、一側壁に接合される部分にのみ形成されている場合、入出力端子の立壁部への接合性をさらによくすることができる。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、一側壁の外側における立壁部の中央部側面に、垂直方向にリブが設けられていると、パッケージの変形によって入出力端子に力が加わった場合に、最も力が集中しやすい入出力端子の中央部がリブによって補強され、破損しにくい入出力端子とすることができる。
上記半導体素子収納用パッケージにおいて、入出力端子の両側壁から外側に突出している部分の下方に、基板が両側壁から外側に突出するように配置されている場合、外側に突出する入出力端子の両端部を基板によって保護することができる。
本発明の一実施形態に係る半導体装置によれば、上記いずれかの半導体素子収納用パッケージと、側壁の内側に収容されて入出力端子に電気的に接続された半導体素子とを具備していることから、高機能で信頼性のよい半導体装置を提供することができる。
本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す斜視図である。 図1の半導体素子収納用パッケージの構成例を示す分解斜視図である。 図1の半導体素子収納用パッケージに用いられている入出力端子の構成例を示す分解斜視図である。 本発明の入出力端子の実施の形態の他の例を示す斜視図である。 従来の入出力端子を用いた半導体素子収納用パッケージの例を示す斜視図である。
本発明の半導体素子収納用パッケージの実施の形態の一例を図1に斜視図で示す。また、図2にその分解斜視図を示す。
図1,図2において、1は基板、2は側壁、3は入出力端子を示す。図に示すように、基板1には、その上面の中央部を取り囲むように側壁2が設けられている。この基板1および側壁2によって形成される凹部内に半導体素子等の電子部品が収容される。
基板1は、例えば略長方形であり、Fe(鉄)−Ni(ニッケル)−Co(コバルト)合金やFe−Ni合金、Cu(銅)−W(タングステン)複合材、Cu−Mo(モリブデン)複合材等の金属から成る。基板1は、これらFe−Ni−Co合金等のインゴットに圧延加工やプレス加工等の金属加工を施すことにより所定形状に成形される。
基板1は、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層とを順次メッキ法により被着させておくのがよく、基板1が酸化腐食するのを防止できるとともに、基板1上面に半導体素子等の電子部品を強固に接着固定できる。
また、基板1の上面には、電子部品を搭載する中央部を囲繞するようにして、Agロウ等のロウ材を介して側壁2が接合される。側壁2は平面視において多角形状である。例えば、図1,図2において側壁2は四角形状とされている。この側壁2の四角形の一辺を成す一側壁2aは両端まで一部が切除され、開口部2dが設けられる。開口部2dは、さらに一側壁2aに隣り合う両側壁2b,2c(側壁2bおよび側壁2c)の一部まで設けられる。この一側壁2aおよび両側壁2b,2cに亘って設けられた開口部2dに入出力端子3が嵌着される。
開口部2dは、図2に示すように、側壁2の上側を切り欠いた側壁2の内外を連通する切欠きから成る場合の他に、側壁2の下側を切り欠いた切欠きから成る場合、側壁2の側面中央を貫通する貫通孔から成る場合のいずれでもよい。側壁2の上側を切り欠いた開口部2dとした場合は、図1,図2に示すように、側壁2および入出力端子3の上面にシールリング5を接合する場合が多い。
この側壁2は、基板1と同様のFe−Ni−Co合金やFe−Ni合金等の金属インゴットに圧延加工やプレス加工、切削加工等の金属加工を施すことにより所定形状に成形される。
なお、側壁2の基板1への接合は基板1上面と側壁2下面とを、基体1上面に敷設したプリフォーム状のAgロウ等のロウ材を溶融させて接合すればよい。また、側壁2表面には、基板1と同様に0.5〜9μmのNi層や厚さ0.5〜5μmのAu層等の金属メッキ層をメッキ法により被着させておくとよい。基板1と側壁2とは、ロウ材を介して接合する他に、金属インゴットをプレス成形したり切削加工したりして、一体形成したものでもよい。
側壁2の開口部2dには半導体素子等の電子部品と外部電気回路との電気信号の入出力を行なう機能を有するとともに、パッケージの内外を気密に密閉するための入出力端子3がAgロウ等のロウ材で接合される。
この入出力端子3は、例えば図3に示す分解斜視図のように、長方形状の誘電体から成
る平板部3aの上面の一方の長辺3aaから他方の長辺3abにかけてW,Mo等のメタライズ層によって線路状の導体4を形成し、さらに、平板部3aの上面に、誘電体から成る立壁部3bを導体4の一部を間に挟んで積層して形成される。
立壁部3bの短辺方向の幅は、平板部3aの短辺方向の幅よりも狭く形成されている。また、立壁部3bの一方の長辺3baには中央部を切り欠いた切り欠き部3bcが設けられている。これによって、立壁部3bは、その幅が中央部で狭くなるように形成されている。そして、平板部3aの一方の長辺3aaと立壁部3bの一方の長辺3baとを面一になるように立壁部3bを長手方向に沿って平板部3aに接合すると、導体4の一方の長辺3aa側が切り欠き部3bcの内側および他方の長辺3ab側の端部が立壁部3bの他方の長辺3bbの外側に露出される。
一方の長辺3aaから相対向する他方の長辺3abにかけて形成されるW,Mo−Mn等のメタライズ層から成る線路導体4は、例えば、W,Mo等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、平板部3aとなるセラミックグリーンシートに、従来周知のスクリーン印刷法により予め所定パターンに印刷塗布しておき、焼成することにより形成される。
平板部3aおよび立壁部3bは、Al質セラミックス,AlN質セラミックス,3Al・2SiO質セラミックス等の誘電体から成り、平板部3aの下面、平板部3aと立壁部3bの側面および立壁部4bの上面には、側壁2およびシールリング5との接合用となる導体4と同様のメタライズ層から成る金属層3cが形成されている。
立壁部3bの上面および平板部3aの下面に被着される金属層3cは、一側壁2aの幅とほぼ同じで、ロウ材のメニスカスに応じた一側壁2aの幅より少し広めの幅に形成しておけば十分である。金属層3cを、図1,図2のように形成するには、立壁部3bおよび平板部3aの金属層3cを形成する面を揃えて、ローラー等で一定幅に金属ペーストを塗布すればよく、能率よく形成することができる。
このように両側壁2b,2cの側面より外側に突出する部分には金属層3cを形成しないようにすると、ロウ材がこの突出する部分にまで流れてしまうことを防ぐことができる。さらに、ロウ材が一側壁2aの幅より少しだけ広い金属層3c表面を濡れ広がることに伴って、開口部2dに対してロウ材が両側に均等に配置されるように入出力端子3が移動しようとするので、位置ズレが生じたり、入出力端子3に対してシールリングが位置ズレを生じたりするのを抑制することができる。このように、入出力端子3およびシールリング5を所望の位置に接合するのを容易にする。
したがって、両側壁2b,2cの側面より外側に形成される、入出力端子3の長手方向における金属層3の幅は、それぞれ同じ長さであることが好ましい。ロウ材は、開口部2dの両側に一様に配置されるので、ロウ材が偏って配置されることによって生じる偏在応力が抑制される。また、金属層3の端部は、両側壁2b,2cの側面に平行に形成されることが好ましい。両側壁2b,2cの側面に沿って、ロウ材が一様に配置されやすくなり、ロウ材が偏って配置されることによって生じる偏在応力が抑制される。
また、図4に示す入出力端子3の金属層3cのように、一側壁2aおよび両側壁2b,2cの形状に応じて、接合部分のみに金属層3cを被着させることも、スクリーン印刷等を用いることによって可能である。このように金属層3cを形成した場合は、ロウ材が流れるのをロウ材の接合範囲に限定することができる。また、入出力端子3およびシールリング5を所望の位置に接合するのを容易にできる。
入出力端子3は、両端間の幅が一側壁2aの幅よりも広い。したがって、入出力端子3を開口部2dに嵌め込んで接合したとき、その両端が両側壁2b,2cの側面よりも外側に突出する。
導体4は、側壁2の内側に露出する部分の間隔または幅は狭く、外側に露出する部分の間隔または幅は広くなるようにレイアウトされる。したがって、複数の導体4が配置される導体4の形成領域において、側壁2の内側の形成領域4aは側壁2の内側の幅よりも狭く、側壁2の外側の形成領域4bは内側の形成領域4aに比べて広くできる。側壁2の内側の形成領域4aを側壁2の内側の幅いっぱいに配置したとしても、入出力端子3の幅が側壁2の幅よりも広いので、余裕をもって外側の形成領域4bを配置することができる。
この構成によって、必要に応じて、入出力端子3の幅を適宜広くすることができる。すなわち、パッケージに入出力する電気信号の数が増え、導体4の数を増やす必要が生じたとしても、必要な導体4の本数に合わせて入出力端子3の幅を広くすることが容易である。側壁2の外側における導体4の形成領域4bの幅を一側壁2aの幅より広くすることも可能であり、このようにすることによってより多くのリード端子6を接続することができる。
また、側壁2の外側における導体4の幅をリード端子6の幅に合わせて広くすることも容易である。導体4の幅をリード端子6の幅に合わせて広くすることによって、リード端子6を導体4に強固に接合することができる。
側壁2の内側における導体4は、例えば半導体素子を搭載した電子基板等の電極との間をボンディングワイヤ等を介して接続することができる。この場合、導体4の幅および間隔を比較的狭くしても、接続作業に支障が生じることはない。一方、側壁2の外側での外部回路基板との接続には、リード端子6等を介して行なうことが多い。リード端子6は、一定程度の剛性が要求されるので、一定程度以上に細くすることはできない。したがって、端子数が多くなると、導体4の間隔をリード端子6の幅および間隔に合わせて広くする必要がある。
導体4の間隔をリード端子6の間隔に合わせて広くすることによって、リード端子6を導体4に接合するロウ材が、隣接するロウ材との間でブリッジし難くでき、電気的な短絡を抑制することができる。
このように、入出力端子3の両端を両側壁2b,2cから突出させ、複数の導体4の形成領域の幅4a,4bを、側壁2の内側および外側において異なるものとすることによって、導体4の数が多くなっても容易に対応可能な入出力端子3を有するパッケージとすることができる。
また、近年半導体素子の集積度が上がり、パッケージ内部に収容すべき半導体素子および電子部品の体積が小さくなる傾向にある。本パッケージは、入出力端子3の幅によらず側壁2の幅を狭くすることができる。したがって、基板1や側壁2等に変形が生じた場合も、基板1や側壁2の変形量が大きくならず、入出力端子3に大きな力が加わらないようにできる。したがって、入出力端子3にクラックが生じる等の破損が生じ難いものとすることができる。
さらに、蓋体(図示せず)が側壁2の上面またはシールリング5を介してロウ付けまたはシーム溶接等でパッケージに接合される場合、熱が両側壁2b,2cの側面より外側に突出する入出力端子3に分散される。その結果、入出力端子3の温度上昇が抑制され、それに伴って生じる熱膨張係数差に起因した熱応力が抑制される。したがって、熱応力によ
って入出力端子3にクラックが生じる等の破損が生じ難いものとすることができる。
次に、図4に示すパッケージについて、図1,図2に示されたパッケージとは異なる部分に焦点を絞って説明する。なお、図1,図2,図3と対応する部分には同じ符号を付している。
先ず、図4に示すパッケージの入出力端子3は、立壁部3bの入出力端子3の幅方向中央部側面に、垂直方向にリブ3dが設けられている。この例において、リブは立壁部3bの上面から平板部3aの上面にかけて立壁部3bの側面から突出させて設けられ、リブ3dの下面は平板部3aと一体に接合されている。
リブ3dは、側壁2の内側および外側の両側に設けた方がよいのであるが、スペース的に内側に設けるのが難しい場合は、外側にのみ設けるのでもよい。上述のように、外側はスペースを設ける自由度が大きいので、リブ3dを設けることが容易である。
側壁2に歪等の変形が生じ、入出力端子3に力が加わる場合、入出力端子3の中央部で最も破損する可能性が大きくなるが、このようなリブ3dを設けることによって、補強する効果を奏させることができる。
また、基板2は、入出力端子3が側壁2より突出する部分を下方でカバーするように側壁2から突出させておくのがよい。セラミックスから成る入出力端子3のような場合、入出力端子3を機械的衝撃から保護することができる。
以上のように、本発明の一実施形態に係るパッケージによれば、多端子に対応することが容易であり、パッケージに熱や機械的歪等が加わっても入出力端子3部分が破損しにくく、気密封止性に優れるパッケージを提供することができる。
このようなパッケージに、半導体素子等の電子部品を側壁2の内側の基板1と側壁2とで形成される凹部内に収容し、より具体的には、例えば、基板1の上面に配置された配線基板上にSn−Pb半田等の低融点ロウ材で電子部品を載置固定し、配線基板または電子部品の電極を入出力端子3の導体4にボンディングワイヤ等で接続し、凹部の上面を蓋体等で気密に封止することによって、多端子化が容易で気密封止性に優れる半導体装置とできる。
この半導体装置は、基板1のねじ孔1aにねじによって外部電気回路基板に固定する等し、リード端子6を介して外部電気回路から供給される駆動信号によって半導体装置を動作させることができる。
かくして、パッケージおよび半導体装置は高機能で長期にわたり正常かつ安定に動作するものとできる。
なお、本発明は上記実施の形態および実施例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何等差し支えない。例えば、本パッケージは高周波半導体素子や光半導体素子、例えば、発光素子(LED),電界効果型トランジスタ(FET),集積回路素子(IC),コンデンサ,圧電素子等の半導体素子および電子部品に適用することができる。
また、基板1と側壁2とは平面視形状が四角形である場合について示したが、これに限定されるものではなく、基板1と側壁2との平面視形状が六角形,八角形等の多角形であってもよく、種々の形状とすることができる。
1:基板
1a:ねじ孔
2:側壁
2a:一側壁
2b,2c:両側壁
2d:開口部
3:入出力端子
3a:平板部
3b:立壁部
3c:金属層
3d:リブ
4:導体
4a:側壁内側の導体の形成領域
4b:側壁外側の導体の形成領域

Claims (6)

  1. 基板と、該基板の上面の中央部を取り囲むように設けられた多角形枠状の側壁と、該側壁の内側および外側の間を導通する複数の導体が形成され、前記側壁に取り付けられた入出力端子とを備える半導体素子収納用パッケージであって、前記側壁は、前記側壁の一辺を成す一側壁および該一側壁に隣り合う両側の両側壁の一部に亘って前記側壁の内外を貫通する開口部を有し、前記入出力端子は、両端が前記両側壁の側面から外側に突出するように前記開口部に嵌め込んで接合されているとともに、前記一側壁の内側における複数の前記導体の形成領域の幅よりも前記一側壁の外側における前記導体の形成領域の幅が広く、前記入出力端子は、矩形状の上面を有する誘電体から成る平板部と、該平板部の上面の一辺から対向する他辺に向けて形成された複数の前記導体と、該導体を挟んで該導体の両端が露出するように前記平板部の上面に接合された誘電体から成る立壁部とから成り、前記立壁部の上面に前記一側壁の幅に合わせた金属層が形成されて前記開口部の前記側壁に接合されているとともに、前記両側壁の側面から外側に突出する部分には金属層が形成されておらず、前記一側壁の外側における前記立壁部の中央部側面に、垂直方向にリブが設けら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。
  2. 前記一側壁の外側における前記導体の形成領域の幅は、前記一側壁の幅よりも広い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。
  3. 前記導体は、前記側壁の外側における幅が前記側壁の内側における幅よりも広いことを特徴とする請求項1または2記載の半導体素子収納用パッケージ。
  4. 前記金属層は、前記一側壁に接合される部分にのみ形成されていることを特徴とする請求項記載の半導体素子収納用パッケージ。
  5. 前記入出力端子の前記両側壁から外側に突出している部分の下方に、前記基板が前記両側壁から外側に突出するように配置されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージ。
  6. 請求項1乃至のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージと、前記側壁の内側に収容されて前記入出力端子に電気的に接続された半導体素子とを具備していることを特徴とする半導体装置。
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