JP6408661B2 - Ｔｏ−ｃａｎ型パッケージ用ヘッダーおよび半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーおよびそれを用いた半導体装置に関する。

従来の光通信装置に用いられているＬＤ（Laser Diode:レーザーダイオード）やＰＤ（Photo Diode:フォトダイオード）等の半導体素子を収納する半導体装置は、基板に基板を貫通する複数のリード端子を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる半導体装置は、いわゆるＴＯ−ＣＡＮ型の半導体素子収納用パッケージ（略してＴＯ−ＣＡＮ型パッケージとも呼ばれる）である。

ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージは、基板と基板を貫通する複数のリード端子からなる箇所を、ヘッダーと呼び、ヘッダーに実装する半導体素子を封止する蓋体はキャップと呼ばれている。ここでは、ヘッダーに半導体素子を実装し、半導体素子を封止する蓋体を備えたものを半導体装置と呼ぶ。

ヘッダーには、一つの貫通孔に複数のリード端子を固定したものが開発されている（例えば、特許文献２参照）。かかる特許文献２に開示された技術は、基板に一つの貫通孔を設け、貫通孔に複数のリード端子を設けることで、ヘッダー自体の大きさを小さくすることができる。

特開２００４−２５９９６２号公報 特開２０１１−１００７８５号公報

ところで、特許文献２に開示されている技術は、リード端子同士の間の距離も短くなる分、リード端子に高周波の電気信号（以下、高周波信号ともいう）を入出力した場合は、リード端子同士の間で高周波信号によって生じる電磁界分布に起因した電気的な干渉が発生する虞が高まる。その結果、所望する周波数特性を実現することが困難になる虞がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、所望する周波数特性を実現することが可能なＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーおよび半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーは、上面および下面を有し、前記上面から前記下面にかけて貫通孔が形成された基板と、前記貫通孔を通った棒状であって、一端が前記上面よりも上方に位置し、他端が前記下面よりも下方に位置し
た、複数のリード端子と、前記貫通孔内に充填され、前記複数のリード端子同士が接触しないように、前記複数のリード端子を前記基板に固定した第１絶縁部材と、前記基板上に位置する前記複数のリード端子同士の間に設けた、直方体の第２絶縁部材と、前記基板の上面に、前記第２絶縁部材と対向して位置した基台と、前記基台に搭載された半導体素子とを備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る半導体装置は、前記ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーと、前記基板上に設けられ、前記半導体素子を封止した蓋体とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、所望する電気特性を実現することが可能なＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーおよび半導体装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置であって、蓋体が透けた状態の外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーの外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーであって、第２絶縁部材が透けた状態の外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーの下面を示した外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーの平面図である。 本発明の一実施形態に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーの側面図である。 本発明の一実施形態に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーの断面図である。 一変形例に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーの外観斜視図である。 一変形例に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーの外観斜視図である。 一変形例に係るＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーの外観斜視図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダー（以下、単にヘッダーともいう）の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

＜半導体装置の構成＞
図１は、本実施形態に係る半導体装置の外観斜視図であって、蓋体（以下、単にキャップともいう）を透かして内部を示している。図２は、図１の半導体装置に用いられるヘッダーの外観斜視図である。図３は、図２の第２絶縁部材を透かしたヘッダーの外観斜視図である。図４は、基板の下面を示した下方からの外観斜視図である。図５は、ヘッダーの平面図である。図６は、ヘッダーの側面図である。図７は、図５のＸ−Ｘに沿ったヘッダーの断面図である。半導体装置は、例えば、マイクロ波、ミリ波等の高周波で用いられる電子機器の高周波回路に用いられる。具体的には、光通信用の光信号を入出力できる光通信用モジュールに用いられる。

半導体装置１は、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダー（ヘッダー２）と、ヘッダー２に実装した半導体素子３と、半導体素子３を封止した蓋体４とを備えている。半導体素子３は、基板２１上に実装されている。また、蓋体４は、半導体素子３を封止するように基板２１上に設けられている。なお、半導体素子３は、トランジスタ、ダイオード、あるいは、受光素子や発光素子等の光半導体素子である。

ヘッダー２は、上面および下面を有し、上面から下面にかけて貫通孔Ｈが形成された基
板２１と、貫通孔Ｈを通って棒状であって、一端が上面よりも上方に位置し、他端が下面よりも下方に位置した、複数のリード端子２２と、貫通孔Ｈ内に充填され、複数のリード端子２２同士が接触しないように、複数のリード端子２２を基板２１に固定した第１絶縁部材２３と、基板２１上に位置する複数のリード端子２２同士の間に設けた第２絶縁部材２４とを備えている。

基板２１は、ステムとも呼ばれる。基板２１は、上面の中央部に半導体素子３の基台３１を有する。基板２１は、搭載された半導体素子３が発生する熱を半導体装置１の外部に放散する機能を有する。基板２１は、円板状であって、例えば直径が５ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。基板２１の上下方向の厚みは、例えば０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。

基板２１は、例えば、鉄または鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金、鉄−マンガン合金等の金属からなる。基板２１は、鉄から成る場合は、このインゴットに圧延加工や冷間圧延加工、打ち抜き加工等の従来周知の金属加工方法を施すことによって所定形状に製作される。なお、基板２１の熱伝導率は、例えば１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。

基板２１の表面には、厚さが１μｍ以上１０μｍ以下のニッケル層と、厚さが０．１μｍ以上１μｍ以下の金めっき層が形成されている。基板２１の表面にニッケル層と金めっき層を形成することで、基板２１が酸化腐食するのを防止することができる。また、基板２１の表面にニッケル層と金めっき層を形成しておくことで、基台３１や各部品を基板２１にろう付けしやすくすることができるとともに、接合強度を向上することができる。

基台３１は、半導体素子３が発する熱を基板２１へと伝える機能も有している。そのため、基台３１の下面が平面とされている。基台３１は、矩形状のブロック体である。基台３１は、例えば、鉄または鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金、鉄−マンガン合金等の金属や、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミック等の絶縁材料からなる。基台３１は、基板２１と同じ材料で形成する場合は、基板２１と一体に形成しても良いし、両者を別体に形成し、両者を接合してもよい。なお、基台３１は、基板２１の上面に設けられたペルチェ素子上に接合されてもよい。これにより、半導体素子３は、基台３１を介してペルチェ素子によって所望の温度に冷却される。

また、基板２１は、基台３１と重ならない箇所には上面から下面にかけて貫通孔Ｈが形成されている。貫通案Ｈは、例えば、平面視して、長方形と一対の半円を組み合わせて、一対の半円の間に長方形が挟まった形状である。貫通孔Ｈは、例えば、貫通孔Ｈの半円部分の半径が０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に設定され、長方形状の辺の長さが０．２ｍｍ以上８ｍｍ以下に設定されている。なお、貫通孔Ｈの上下方向の長さは、基板２１の厚みに相当する。貫通孔Ｈは、複数のリード端子２２を挿入可能であって、複数のリード端子２２同士が接触せず、複数のリード端子２２が基板２１と接触しなければ、平面視して楕円状や四角形状等に設定されていてもよい。

基板２１に形成された貫通孔Ｈには、リード端子２２が挿通される。リード端子２２は、棒状であって、一端が前記上面よりも上方に位置し、他端が前記下面よりも下方に位置している。リード端子２２は、半導体素子３を外部の電子機器と電気的に接続するものである。リード端子２２は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属からなる。リード端子２２は、円柱状であって、例えば直径が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、上下方向の長さが１．２ｍｍ以上２４ｍｍ以下に設定されている。

リード端子２２は、第１絶縁部材２３を介して貫通孔Ｈに挿入した状態で固定される。リード端子２２は、基板２１の上面より上方に位置する端部が、半導体素子３の電極や基台３１の上面に設けられた電気配線とボンディングワイヤを介して電気的に接続される。また、リード端子２２は、基板２１の下面より下方に位置する端部が、フレキシブルプリント基板等の外部電気回路と電気的に接続される。そして、外部電気回路からリード端子２２に入出力信号が伝送される。なお、リード端子２２は、基板２１の下面よりも下方に位置する端部が貫通孔Ｈの下端から０．５ｍｍ以上２２ｍｍ以下突出し、基板２１の上面よりも上方に位置する端部が貫通孔Ｈの上端から０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下突出している。

第１絶縁部材２３は、複数のリード端子２２を貫通孔Ｈに挿入させた状態で、複数のリード端子２２を基板２１に固定するものである。例えば、第１絶縁部材２３が低融点ガラスから成る場合には、リード端子２２は、治具を用いて貫通孔Ｈに挿通させた状態で、低融点ガラスからなるリング状の固形の第１絶縁部材２３となる前駆体を貫通孔Ｈに嵌めて、前駆体を熱して溶融させて溶け固めることで、低融点ガラスを介してリード端子２２を基板２１に固定することができる。第１絶縁部材２３は、例えば、低融点ガラス、絶縁性樹脂またはセラミックス等の材料からなり、例えば、第１絶縁部材２３が絶縁性樹脂やセラミックスから成る場合には、貫通孔Ｈと同形状で外形が貫通孔Ｈより小さい絶縁性樹脂やセラミックスから成る第１絶縁部材２３にリード端子２２を固定し、半田や樹脂接合材、低融点ガラスを介して第１絶縁部材２３を貫通孔Ｈに接合する。

第１絶縁部材２３は、貫通孔Ｈで囲まれる領域において、複数のリード端子２２同士の間に介在している。さらに、第１絶縁部材２３は、貫通孔Ｈの内面と複数のリード端子２２との間に介在している。そして、第１絶縁部材２３は、貫通孔Ｈに充填されている。第１絶縁部材２３の上部は平面であって、基板２１の上面の高さ位置と揃っている。第１絶縁部材２３の下部は平面であって、基板２１の下面の高さ位置と揃っている。また、第１絶縁部材２３の上部は、貫通孔Ｈとリード端子２２との間で上側に開口する凹面であってもよく、第１絶縁部材２３の下部は、貫通孔Ｈとリード端子２２との間で下側に開口する凹面であってもよい。これにより、第１絶縁部材２３は、貫通孔Ｈとリード端子２２との間で生じる、熱膨張係数差に起因した熱応力を緩和することができる。

第２絶縁部材２４は、基板２１上に位置する複数のリード端子２２同士の間に設けられている。第２絶縁部材２４は、複数のリード端子２２同士の間の誘電率を上げて、複数のリード端子２２同士の周波数特性を改善するものである。第２絶縁部材は、例えば、第１絶縁部材２３より融点が低い低融点ガラス、絶縁性樹脂またはセラミックス等の誘電体材料からなる。

また、第２絶縁部材２４は、一対のリード端子２２のうち、第１リード端子２２ａから第１リード端子２２ａと異なる第２リード端子２２ｂにかけて設けられている。第１リード端子２２ａと第２リード端子２２ｂの中間部分が下方に窪んでいる。例えば、第２絶縁部材２４が第１絶縁部材２３より融点が低い低融点ガラスから成る場合には、第２絶縁部材２４は、第１リード端子２２ａと第２リード端子２２ｂが挿入される孔が形成された固形状に形成され、第１絶縁部材２３を貫通孔Ｈに形成した後に、新たに、第１リード端子２２ａおよび第２リード端子２２ｂを孔に挿入し、第２絶縁部材２４を第１絶縁部材２３上に載置する。そして、第２絶縁部材２４を溶融し、第１リード端子２２ａから第２リード端子２２ｂにかけてだれるように被着させて、固化することで第２絶縁部材２４を形成することができる。これにより、第２絶縁部材２４は、基板２１の上面より上方に位置する一対のリード端子２２ａ、２２ｂの端部を固定し、所望の位置に保持することができる。よって、第２絶縁部材２４は、ワイヤボンディングや外部部材等の外力によってリード端子２２ａ、２２ｂが変形することを抑制できる。さらに、第２絶縁部材２４は、第１リード端子２２ａと第２リード端子２２ｂの中間部分が下方に窪んでいることにより、第１リード端子２２ａと第２リード端子２２ｂとの間で生じる、熱膨張係数差に起因した熱応力を緩和することができる。よって、第１リード端子２２ａおよび第２リード端子２２ｂは、第２絶縁部材２４を介して近接して配置することができ、ボンディングワイヤおよび一対のリード端子２２を伝送する高周波信号の周波数特性を良好にすることができる。

また、第１リード端子２２ａと第２リード端子２２ｂとの間に第２絶縁部材２４を設けることで、第２絶縁部材２４に覆われた一対のリード端子２２において、一対のリード端子２２の間の容量結合を強くすることができる。その結果、半導体素子３から一対のリード端子２２におけるインピーダンスの変動を抑制することができることにより、一対のリード端子２２に伝送する高周波信号の周波数特性を良好にすることができる。

なお、第２絶縁部材２４は、第１リード端子２２ａと第２リード端子２２ｂの中間部分において上方に突出してもよい。これにより、第２絶縁部材２４は、一対のリード端子２２およびそれぞれに電気的に接続されたボンディングワイヤの間における容量結合をさらに強くすることができる。また、半導体素子３または基台３１の上面に設けられた電気配線と一対のリード端子２２は、複数のボンディングワイヤにて電気的に接続されてもよい。これにより、ボンディングワイヤ間の容量結合が強くなり、半導体装置１の周波数特性をさらに向上することができる。

蓋体４は、基板２１上に半導体素子３を封止して設けられている。蓋体４は、キャップ形状であって、内部に空間があり、その空間に半導体素子３や基台３１が設けられる。また、蓋体４は、抵抗溶接等によって基板２１の上面の外周部に接合される。ここで、蓋体４、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケルまたはコバルト等の金属、あるいはこれらの金属を複数種含む合金からなる。

本実施形態に係る半導体装置１は、基板２１の一つの貫通孔Ｈに一対のリード端子２２ａ、２２ｂを第１絶縁部材２３を介して固定し、一対のリード端子２２ａ、２２ｂ同士の間に、第２絶縁部材２４を設けることで、一対のリード端子２２ａ、２２ｂ同士の間の誘電率を大きくし、例えば、差動信号を一対のリード端子２２ａ、２２ｂに入出力し、半導体素子３を作動させる際の一対のリード端子２２ａ、２２ｂにおける周波数特性を向上することができる。その結果、所望する周波数特性を実現することが可能なＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダー２および半導体装置１を提供することができる。

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において種々の変更、改良等が可能である。なお、上述した実施形態では、貫通孔Ｈに一対のリード端子２２ａ、２２ｂを挿入したものであるが、これに限られない。図８に示すように、例えば、一つ貫通孔Ｈに四つのリード端子２２を設けてもよく、一対のリード端子を入出力端子とし、外部回路基板との間で高周波信号を半導体素子３に入出力することができる。なお、リード端子２２の数は、四つに限らず、一つの貫通孔Ｈに三つや五つ等の複数のリード端子２２を設けてもよく、複数のリード端子２２の中から一対のリード端子を入出力端子とし、外部回路基板との間で高周波信号を半導体素子３に入出力することができる。

また、上述した実施形態では、固形状の第２絶縁部材２４を溶融した低融点ガラスを固化することで形成したものであるが、これに限られない。図９に示すように、直方体の誘電体２５を設けてもよい。かかる誘電体２５は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミック等の誘電体材料からなる。上記の誘電体材料を一対のリード端子２２ａ、２２ｂ同士の間に設ける場合には、リード端子２２ａ、２２ｂが接合される側面にメ
タライズ層を設け、半田を介してリード端子２２ａ、２２ｂとメタライズ層とを接合することにより、一対のリード端子２２ａ、２２ｂ同士の間に直方体の誘電体２５を設けることができる。これにより、誘電体２５は、一対のリード端子２２ａ、２２ｂ同士の間における誘電率を任意に変化させることができるとともに、基板２１の上面より上方に位置する一対のリード端子２２ａ、２２ｂの端部を固定し、所望の位置に保持することができる。よって、誘電体２５は、ワイヤボンディングや外部部材等の外力によってリード端子２２ａ、２２ｂが変形することを抑制できる。

さらには、図１０に示すように、リード端子２２の上端を露出させるとともに、平面視して貫通孔Ｈの外縁に対応する外縁を有する枠体２６であってもよい。なお、枠体２６は、例えば、ガラス、絶縁性樹脂またはセラミックス等の誘電体材料からなり、低融点ガラスや樹脂接合材を介して第１絶縁部材２３の上面およびリード端子２２ａ、２２ｂに接合される。これにより、枠体２６は、一対のリード端子２２ａ、２２ｂ同士の間における誘電率を任意に変化させることができるとともに、基板２１の上面より上方に位置する一対のリード端子２２ａ、２２ｂの端部を固定し、所望の位置に保持することができる。よって、枠体２６は、ワイヤボンディングや外部部材等の外力によってリード端子２２ａ、２２ｂが変形することを抑制できる。

なお、本発明は上述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において種々の変更、改良等が可能である。例えば、半導体装置１は、一対のリード端子２２ａ、２２ｂを介して差動信号を半導体素子３に入出力してもよい。これにより、半導体装置１は、周波数特性を良好に維持しつつ、より高周波の電気信号を正確に半導体素子３に入出力することができる。

＜半導体装置の製造方法＞
ここで、図１に示す半導体装置１の製造方法を説明する。まず、基板２、リード端子２２および蓋体４のそれぞれを準備する。基板２、リード端子２２および蓋体４のそれぞれは、溶融した金属材料を型枠に鋳込んだ固化させたインゴットに対して、金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。

準備した基板２を貫通孔Ｈが平面方向に沿った状態で固定して、治具を用いて貫通孔Ｈに一対のリード端子２２を挿通した状態で固定する。そして、固形状の第１の低融点ガラスからなる第１絶縁部材２３の前駆体を準備する。固形状の第１の低融点ガラスは、一対のリード端子を挿す箇所に孔が開いており、固定した一対のリード端子２２に挿しながら、基板２の貫通孔Ｈに嵌める。さらに、基板２を両側から板体で挟む。板体は、リード端子が通る孔があいており、一対の板体で挟んだ状態で、第１の低融点ガラスを熱して、第１の低融点ガラスを溶融させて貫通孔Ｈ内で溶融して第１の低融点ガラスを充填させる。その後、第１の低融点ガラスを冷まして、貫通孔Ｈ内に一対のリード端子２２を固定する第１絶縁部材２３を設けることができる。

次に、固形状で第１絶縁部材２３より融点が低い第２の低融点ガラスからなる第２絶縁部材２４の前駆体を準備する。基板２を貫通孔Ｈが平面に対して平面方向に沿った状態で固定して、固形状の第２の低融点ガラスは、一対のリード端子２２を挿す箇所に孔が開いており、固定された一対のリード端子２を孔に挿しながら、第２の低融点ガラスを第１絶縁部材２３の上面に載置する。そして、第２の低融点ガラスを溶融し、第１リード端子２２ａと第２リード端子２２ｂの間に第２の低融点ガラスを被着させる。そして、第２の低融点ガラスを冷やして、第２絶縁部材２４を設けることができる。このようにして、ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダ（ヘッダー２）を作製することができる。

次に、ヘッダー２の基板２１の上面に酸化アルミニウム質焼結体からなる基台３１をろ
う材を介して設ける。そして、基台３１上に半導体素子３をろう材を介して実装し、半導体素子３と基台３１の上面に形成された電気配線とを電気的に接続する。さらに、基台３１の上面に形成された電気配線と一対のリード端子２２のそれぞれとをワイヤボンディングを用いて電気的に接続する。最後に、基板２１上に半導体素子３を封止するようにして蓋体４を接続する。このようにして、半導体装置１を作製することができる。

１ 半導体装置
２ ＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダー（ヘッダー）
２１ 基板
２２ リード端子
２３ 第１絶縁部材
２４ 第２絶縁部材
３ 半導体素子
３１ 基台
４ 蓋体
Ｈ 貫通孔

Claims (5)

1. 上面および下面を有し、前記上面から前記下面にかけて貫通孔が形成された基板と、
   前記貫通孔を通った棒状であって、一端が前記上面よりも上方に位置し、他端が前記下面よりも下方に位置した、複数のリード端子と、
   前記貫通孔内に充填され、前記複数のリード端子同士が接触しないように、前記複数のリード端子を前記基板に固定した第１絶縁部材と、
   前記基板上に位置する前記複数のリード端子同士の間に設けた、直方体の第２絶縁部材と、前記基板の上面に、前記第２絶縁部材と対向して位置した基台と、
   前記基台に搭載された半導体素子とを備えたことを特徴とするＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダー。
2. 前記第２絶縁部材は、誘電体であることを特徴とする請求項１に記載のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダー。
3. 前記第２絶縁部材は、前記複数のリード端子の間において、側面にメタライズ層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダー。
4. 前記貫通孔には、一対のリード端子が位置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダー。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のＴＯ−ＣＡＮ型パッケージ用ヘッダーと、
   前記基板上に設けられ、前記半導体素子を封止した蓋体とを備えたことを特徴とする半導体装置。

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