JPWO2014002921A1

JPWO2014002921A1 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置

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Publication number: JPWO2014002921A1
Application number: JP2014522605A
Authority: JP
Inventors: 田中　信幸; 信幸田中; 茂典高谷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2016-05-30
Anticipated expiration: 2033-06-24
Also published as: CN104396006B; US9585264B2; JP5902813B2; WO2014002921A1; CN104396006A; US20150181728A1

Abstract

入出力端子の破損を抑止することにより、パッケージの封止性を向上し、半導体素子の長期作動性が良好な半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を提供する。半導体素子収納用パッケージは、底板部１ａおよび枠状の側壁部１ｂから成る基体１と、側壁部１ｂの内外を貫通するように設けられ、線路導体３が形成されたセラミック製の平板部２ａおよびこの平板部２ａ上に側壁部１ｂに連なるようにして線路導体３を挟んで線路導体３の両端部が露出するように固定されたセラミック製の立壁部２ｂを有した入出力端子２とを備え、入出力端子２は、立壁部２ｂの側面の側壁部１ｂに沿った方向の中央部に、壁厚みが厚くなっていて下端が平板部２ａに固定されている厚肉部２ｃを有している。

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、特に信号入出力部に使用される入出力端子部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）を図４に示す（例えば、特許文献１参照）。

従来のパッケージは、主要部である基体１０１を備えている。基体１０１は、銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成る略長方形状である。また、基体１０１の上面に、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等から成る枠体１０２が接合されている。

枠体１０２は、基体１０１の上面にロウ材を介して接合されている。枠体１０２は、その両側部に入出力端子１０３を嵌着するための取付部１０２ｄを備えている。取付部１０２ｄには、入出力端子１０３がロウ材を介して接合される。

入出力端子１０３は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックスから成る矩形状の平板部１０３ａを有する。平板部１０３ａの上面には、一方の辺から対向する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、アルミナ質セラミックスから成る立壁部１０３ｂが線路導体１０４を狭持して固定されている。入出力端子１０３には、立壁部１０３ｂの両側端面から平板部１０３ａの端部に向かって延びる４つの補強部１０３ｃが形成されている。

そして、電界効果トランジスタ等を枠体１０２内の空間に収納し、電界トランジスタ等の各電極と線路導体１０４とをボンディングワイヤ等で接続する。次に、枠体１０２の上面にシールリング１０５を介して蓋体１０６を接合する。このようにして、パッケージ内に電界トランジスタ等が気密に封止された半導体装置を得る。

電界トランジスタ等が動作すると発熱する。電界トランジスタ等の発熱によって、パッケージの各部が熱膨張して、パッケージが撓む。しかし、入出力端子１０３の両端が補強部１０３ｃによって補強されているので、入出力端子１０３の両端部にクラックを生じにくい。入出力端子１０３にクラックが生じにくいので、パッケージの気密性が保たれるというものである。

実開平５−１１４４３号公報

しかしながら、特許文献１に示されるような従来の入出力端子１０３を用いた半導体素子収納用パッケージにおいて、基体１０１に反りが生じている場合に、この反りを矯正するような力を加えると、基体１０１の反りの頂点付近、多くの場合は基体１０１の中央付近で最も大きな応力が発生する。そして、枠体１０２にも応力が発生する。これにより、枠体１０２の中央付近に位置する入出力端子１０３にクラックが生じて、半導体素子収納用パッケージ内部を気密に保持できなくなるという問題が発生していた。

また、入出力端子１０３に形成された線路導体１０４が高密度になり、線路導体１０４間の距離が短くなるにしたがって、線路導体１０４間の異物等によって線路導体１０４同士が短絡しやすくなる傾向が生じている。

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、半導体素子収納用パッケージの気密性を保持することにある。

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、底板部および枠状の側壁部から成る基体と、前記側壁部の内外を貫通するように設けられ、線路導体が形成されたセラミック製の平板部およびこの平板部上に前記側壁部に連なるようにして前記線路導体を挟んで前記線路導体の両端部が露出するように固定されたセラミック製の立壁部を有した入出力端子とを備え、この入出力端子は、前記立壁部の側面の前記側壁部に沿った方向の中央部に、壁厚みが厚くなっていて下端が前記平板部に固定されている厚肉部を有していることを特徴とする。

好ましくは、上記半導体素子収納用パッケージにおいて、前記立壁部の前記平板部に固定されているコーナー部に曲面部を有していることを特徴とする。

また、好ましくは、前記立壁部の側面から前記厚肉部の側面にかけて曲面部を有していることを特徴とする。

さらに、前記厚肉部は、前記側壁部の内側に位置する前記立壁部の側面のみに設けられていることを特徴とする。

また、前記厚肉部が、前記側壁部の一辺の中央に位置するように配置され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装置は、上記半導体素子収納用パッケージと、前記底板部および前記側壁部に囲まれた凹部内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は、入出力端子が、立壁部の側面の側壁部に沿った方向の中央部に、壁厚みが厚くなっていて下端が前記平板部に固定されている厚肉部を有していることから、入出力端子の中央部付近にクラックが生じ難くなり、半導体素子収納用パッケージ内部を気密に保持しやすくできる。

また、立壁部の平板部に固定されているコーナー部に曲面部を有していると、コーナー部にクラックを生じ難くすることができる。同時に、コーナー部に曲面部が配置されることによって、線路導体にめっき加工を施すときに、コーナー部にめっき液が残留し難くなる。これにより、残留しためっき液による金属異物の発生が抑制され、隣接する線路導体同士の短絡を防止できる。

また、立壁部の側面から厚肉部の側面にかけて曲面部を有していると、厚肉部の立壁部側の部位を幅広にすることができ、立壁部を強化できる。また、曲面となっていることで、クラックの起点となり難くすることにもなる。また、厚肉部と立壁部とが成す角部にめっき液が残留することによって発生する異物を抑制することができる。以上により、クラックが生じ難く、異物発生による隣接する線路導体同士の短絡を防止できる。

また、前記厚肉部は、前記側壁部の内側に位置する前記立壁部の側面のみに設けられていると、側壁部外側の平板部が厚肉部の存在によって狭くなることがないので、側壁部外側の線路導体の幅および間隔を狭める必要がない。これによって、線路導体同士が短絡し難くでき、また電気信号を良好に伝送させることができる。

また、厚肉部が、側壁部の一辺の中央に位置するように配置されていると、ねじ止め時に最も大きい応力が生じ易い側壁部の一辺の中央付近において、入出力端子にクラックが入り難いものとできる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置は、上記半導体素子収納用パッケージと、前記底板部および前記側壁部に囲まれた凹部内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により、気密性がよく、入出力端子の電気的接続の信頼性の高い半導体装置となる。

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入出力端子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入出力端子の実施の形態の他の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入出力端子の実施の形態の他の例を示す斜視図である。入出力端子の他の実施の形態の例を示す斜視図である。入出力端子の他の実施の形態の例を示す斜視図である。従来の半導体素子収納用パッケージの例を示す斜視図である。

本発明の一実施形態に係る半導体素子収納用パッケージの斜視図を図１に示す。また、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃ，図３Ａ，図３Ｂは半導体素子収納用パッケージに用いられる入出力端子の実施の形態の各例を示す斜視図である。なお、図１はＬＤ（半導体レーザ），ＰＤ（フォトダイオード）等の光半導体素子を収納する光半導体素子収納用パッケージ（以下、光パッケージともいう）の場合を例として示している。

これらの図において、１ａは底板部、１ｂは枠状の側壁部であり、底板部１ａおよび側壁部１ｂから基体１が構成される。底板部１ａおよび側壁部１ｂで囲まれた内側に凹部１ｃが形成される。そして、凹部１ｃの内側に半導体素子等が収容される。

２は入出力端子である。入出力端子２は、側壁部１ｂの内外を貫通するように設けられた貫通孔１ｄに嵌着されている。なお、４はシールリング、５はシールリング４に固定される蓋体、７は光ファイバ（図示せず）が取着される金属ホルダ（図示せず）を固定する筒状の固定部材である。

これら基体１と入出力端子２とシールリング４と固定部材７とで、内部に半導体素子としてのＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子を収納する光パッケージとなる。また、光半導体装置を実装してシールリング４の上面に蓋体５を取着することにより光半導体素子を気密に封止する光半導体装置が完成する。

底板部１ａは、その上面に半導体素子を載置する載置部を有している。底板部１ａは、半導体素子を支持する支持部材として機能するとともに、半導体素子の作動時に発する熱を外部に放散する機能を有する。また、底板部１ａは、側壁部１ｂの外側にねじ止め孔１ｅを有している。このねじ止め孔１ｅを介して半導体装置が外部電気回路基板にねじ止めされる。

この底板部１ａは、略長方形であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗ合金等の金属から成る。また底板部１ａは、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。

なお、底板部１ａ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層とを順次めっき法により被着しておいてもよい。めっきは、底板部１ａが酸化腐食するのを防止する。まためっきは、底板部１ａ上面に半導体素子等を強固に接着固定できるようにする。

また、底板部１ａの上面には、半導体素子の載置部を囲繞するようにしてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る平面視形状が略長方形の側壁部１ｂが、Ａｇロウ等のロウ材を介して接合される。側壁部１ｂは、長辺側の両側部に、入出力端子２を嵌着するための貫通孔または切欠きから成る取付部１ｄを有する。取付部１ｄは、図１に示すように、側壁部１ｂの上側を切欠いて側壁部１ｂの内外を連通する切欠きから成る場合の他に、側壁部１ｂの下側を切欠いた切欠きから成る場合、側壁部１ｂ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。

この側壁部１ｂは、底板部１ａと同様の合金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。なお、ここでは底板部１ａおよび側壁部１ｂを接合して一体の基体１を形成する方法を示しているが、底板部１ａおよび側壁部１ｂを一体加工されたものとしてもよい。

側壁部１ｂの底板部１ａへの接合は、底板部１ａ上面と側壁部１ｂ下面との間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た後に冷却して固化させることによって接合される。さらに、側壁部１ｂ表面には、底板部１ａと同様に0.5〜９μｍのＮｉ層および厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をめっき法により被着させておいてもよい。

側壁部１ｂの取付部１ｄには、光パッケージの内外の通気性を遮断する機能を有する入出力端子２がＡｇロウ等のロウ材で接合される。入出力端子２は、半導体素子と外部電気回路との間で高周波信号の入出力を行なう機能を有する。

この入出力端子２は、長方形状の誘電体から成る平板部２ａの上面の一方の長辺から他方の長辺にかけてＷ，Ｍｏ，マンガン（Ｍｎ）等のメタライズ層によって形成された線路導体３を有する。さらに、平板部２ａの上面に四角柱状の誘電体から成る立壁部２ｂが平板部２ａの短辺方向の略中央部に長手方向（側壁部１ｂに沿って取り付けられる方向）に沿って、線路導体３の一部を間に挟んで積層されている。線路導体３の両端部は、立壁部２ｂの外で露出している。

線路導体３は、例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ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２ａ用の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。なお、判りやすくするために、図中、線路導体３にはクロスハッチを付している。このクロスハッチは断面を示すものではない。

平板部２ａおよび立壁部２ｂは、Ａｌ_２Ｏ_３質セラミックス，ＡｌＮ質セラミックス，３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２質セラミックス等の誘電体から成る。なお、平板部２ａおよび立壁部２ｂの取付部１ｄと接合される外周面には、線路導体３と同様のメタライズ層が形成されている。

立壁部２ｂには、長手方向の中央部に壁厚みが厚くなっている厚肉部２ｃが形成されている。厚肉部２ｃは、立壁部２ｂの下端まで形成されており、この下端は立壁部２ｂの下端と一緒に平板部２ａの上面に接合されて一体化されている。厚肉部２ｃの上端は、立壁部２ｂの上端まで形成されていてもよいが、必ず上端まで形成されていなくてもよい。

このように、入出力端子２の長手方向の中央部に厚肉部２ｃが設けられていることにより、立壁部２ｂの中央部の厚みが大きくなって補強され、ねじ止め時のひずみが生じた際にも入出力端子２の中央部付近にクラックが生じるのを防止し、パッケージ内部を気密に保持する機能を果たす。

厚肉部２ｃは、例えば、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示すように、種々の形態で設けることができる。

図２Ａは、厚肉部２ｃが立壁部２ｂの内側および外側の両側に設けられる例を示している。

図２Ｂは、厚肉部２ｃが、パッケージの内側となる立壁部２ｂの内側のみに設けられる例を示している。また、立壁部２ｂの平板部２ａに固定されている下端に、曲面部２ｅが形成されている例を示している。

図２Ｃは、厚肉部２ｃが立壁部２ｂの内側のみに設けられ、厚肉部２ｃの側面から立壁部２ｂの側面にかけて曲面部２ｄが形成されている例を示している。なお、立壁部２ｂの平板部２ａに固定されている下端に曲面部２ｅも形成されている。

厚肉部２ｃの側面から立壁部２ｂの側面にかけて曲面部２ｄが形成されることによって、厚肉部２ｃの立壁部２ｂ側の部位が幅広になり、立壁部２ｂの補強が強化される。また、厚肉部２ｃと立壁部２ｂとが成す角部が無くなり、めっき後のめっき液が残留し難くなるので、残留めっき液によって生じる異物発生を抑止できる。また、曲面となっていることで、クラックの起点となり難くすることにもなる。以上により、曲面部２ｄは、入出力端子２にクラックが生じ難くするとともに、隣接する線路導体３同士の異物による短絡を防止できる。

また、厚肉部２ｃが立壁部２ｂの内側のみに設けられることによって、側壁部１ｂ外側の平板部２ａが厚肉部２ｃの存在によって狭くなることがない。これによって、側壁部１ｂの外側における線路導体３の幅および間隔等の配置の自由度が増し、線路導体３同士が短絡し難くできる。また、線路導体３に電気信号を良好に伝送させることができる。

なお、立壁部２ｂおよび／または立壁部２ｂの一部である厚肉部２ｃが平板部２ａに接する部分である立壁部２ｂの下端部と、平板部２ａとが成すコーナー部に、曲面部２ｅが形成されていてもよい。これら曲面部２ｅは、焼成前の入出力端子２のコーナー部に、ペースト状のセラミックスラリー（低粘度のセラミック材料の混合物）を塗布しておくことによって形成できる。

このような曲面部２ｅが形成されることによって、コーナー部にクラックが生じ難くなるとともに、線路導体３にめっき加工を施す際に、コーナー部にめっき液が残留し難くなる。これにより、残留しためっき液による金属異物の発生が抑制され、隣接する線路導体３同士の短絡を防止できる。

コーナー部に設けられる曲面部２ｅは、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示されるように、厚肉部２ｃを含む立壁部２ｂの平板部２ａに固定されているコーナー部に形成してもよい。その他、図３Ａに示すように、厚肉部２ｃを除く立壁部２ｂの平板部２ａに固定されているコーナー部に形成したものでもよい。図３Ａに示すような曲面部２ｅでも十分上記目的を達成し得る。

また、金属異物による短絡防止の目的の為には、図３Ｂに示すように、コーナー部の線路導体３を覆うセラミック膜を形成したものでもよい。

さらに、厚肉部２ｃは、側壁部１ｂの長手方向の中央に位置するように配置してもよい。例えば、図１に示すように、入出力端子２が側壁部１ｂの長辺の中央に取り付けられる場合、厚肉部２ｃは入出力端子２の中央位置に形成されて、側壁部１ｂの長辺の中央に位置するように配置される。もし、入出力端子２が長辺の中央から少し外れた位置に取り付けられる場合は、厚肉部２ｃが長辺の中央に配置されるように、入出力端子２の中央から少し外れた位置に形成される。

このように、厚肉部２ｃが側壁部１ｂの中央に位置するように配置されることによって、最も大きい応力が生じ易くクラックの生じ易い側壁部１ｂの中央付近において、入出力端子２にクラックが入り難くすることができる。

以上の結果、入出力端子２部分にクラック等の破損が生じ難くて、パッケージ内部の気密封止性がよいパッケージとすることができる。また、線路導体３を介して高周波信号を良好に伝送できるパッケージとすることができる。また、パッケージ内部に収納される半導体素子が正常かつ安定に作動するパッケージとすることができる。

線路導体３の側壁部１ｂ外側の部位には、外部電気回路と入出力端子２との間で高周波信号を伝える、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成るリード端子６がＡｇロウ等のロウ材で接合される。

また、本発明のパッケージが光パッケージとして用いられる場合には、側壁部１ｂの短辺の一側部に貫通孔が形成され、この貫通孔の外側開口の周囲に筒状の固定部材７の一端がＡｇロウ等のロウ材で接合される。固定部材７の他方の端面には、光ファイバ（図示せず）を樹脂等の接着剤で取着した金属ホルダ（図示せず）がＡｕ−Ｓｎ等の低融点ロウ材で接合される。この固定部材７は、底板部１ａや側壁部１ｂと同様の金属を同様の加工法で所望の形状に加工することによって作製される。その表面には厚さ0.5〜９μｍのＮｉ層および厚さ0.5〜５μｍのＡｕ層等の金属層をめっき法により被着させておいてもよい。

このように入出力端子２および固定部材７が取着される側壁部１ｂの上面には、シールリング４がＡｇロウ等のロウ材で接合される。シールリング４は、側壁部１ｂの上面にＡｇロウ等のロウ材で接合されて入出力端子２を挟持するとともに、その上面に半導体素子を封止するための蓋体５をシーム溶接等により接合するための接合媒体として機能する。なお、シールリング４の使用が省略される場合もある。

このような光パッケージの凹部１ｃに、半導体素子をＳｎ−Ｐｂ半田等の低融点ロウ材で載置固定するとともに、入出力端子２の線路導体３と半導体素子の電極とをボンディングワイヤ等で電気的に接続し、さらに固定部材７に、光ファイバを樹脂等の接着剤で取着した金属ホルダを、Ａｕ−Ｓｎ等の低融点ロウ材で接合した後、シールリング４上面に蓋体５をシーム溶接等により凹部１ｃを覆うように接合することにより、製品としての半導体装置となる。

この半導体装置は、外部電気回路基板にねじ止めされた後、外部電気回路から供給される駆動信号によって光半導体素子を光励起させ、励起したレーザ光等の光を光ファイバに授受させるとともに、光ファイバ内を伝送させることにより、大容量の情報を高速に伝送できる光電変換装置として機能するものである。このような半導体装置は、光通信分野等に多く用いられる。

かくして、半導体装置は高周波信号や光信号によって作動する半導体素子を長期にわたり封止し、正常かつ安定に動作させることができる。

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、上記実施の形態例は光パッケージを例にして説明したが、半導体素子は光半導体素子に限られることはなく、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，圧電素子等の電子部品にも適用することができる。

また、底板部１ａと側壁部１ｂ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、底板部１ａおよび側壁部１ｂの平面視形状が六角形，八角形，長円形等であってもよく、種々の形状とすることができる。

また、底板部１ａの上面に側壁部１ｂを接合する基体１の例を示したが、プレス成形等によって、底板部１ａおよび側壁部１ｂが一体の基体１としてもよい。

１：基体
１ａ：底板部
１ｂ：側壁部
１ｃ：凹部
１ｄ：取付部
１ｅ：ねじ止め孔
２：入出力端子
２ａ：平板部
２ｂ：立壁部
２ｃ：厚肉部
２ｄ：曲面部（側面）
２ｅ：曲面部（下端コーナー部）
３：線路導体
４：シールリング
５：蓋体

Claims

底板部および枠状の側壁部から成る基体と、前記側壁部の内外を貫通するように設けられ、線路導体が形成されたセラミック製の平板部および該平板部上に前記側壁部に連なるようにして前記線路導体を挟んで前記線路導体の両端部が露出するように固定されたセラミック製の立壁部を有した入出力端子とを備え、該入出力端子は、前記立壁部の側面の前記側壁部に沿った方向の中央部に、壁厚みが厚くなっていて下端が前記平板部に固定されている厚肉部を有していることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
前記立壁部の前記平板部に固定されているコーナー部に曲面部を有している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。
前記立壁部の側面から前記厚肉部の側面にかけて曲面部を有している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。
前記厚肉部は、前記側壁部の内側に位置する前記立壁部の側面のみに設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージ。
前記厚肉部が、前記側壁部の一辺の中央に位置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４のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージ。
請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージと、前記底板部および前記側壁部に囲まれた凹部内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。