JP3810352B2 - Package for housing input/output terminals and semiconductor elements - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、IC,LSI等の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に用いられる入出力端子および半導体素子収納用パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
近時の無線通信に使用される通信機器の発達に伴って、高周波帯域で高出力で作動するIC,LSI等の半導体素子の需要が大幅に伸びている。特に携帯電話の基地局に用いられる情報機器等では、限られた電力で高出力が得られ長時間の信号変換ができるように高効率で動作する高出力用の半導体素子と、これ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もいう)が重要となってきている。即ち、半導体素子内部での電力損失が小さく、印加する直流電力を効率よく高周波電力に変換する半導体素子と、この半導体素子を収納して、その性能を最大限引き出せる半導体パッケージが望まれている。
【0003】
このようなことから、ガリウム砒素(GaAs)化合物半導体を用いたMESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor:金属半導体電界効果トランジスタ)の開発が進められてきたが、低電圧時の特性および変換効率が悪く、また大電流を流せないという点で問題があった。しかしながら、近年、GaAs化合物半導体系HBT(Heterojunction Bipolar Transistor:ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)などの半導体素子が、MESFETに比し優れた低電圧時の特性を有し、また大きな直流電力を効率よく高周波電力に変換できる半導体素子として注目されてきている。また、このような半導体素子は作動時に大量の熱を発生するため、熱放散性の良好な半導体パッケージが強く望まれている。
【0004】
このような半導体素子を収納する半導体パッケージを図3の斜視図に示す。図3は入出力端子Bを用いた半導体パッケージAを示し、この入出力端子Bは、図4の斜視図に示すように、セラミックグリーンシート積層法によって作製される縦断面形状が凸型のものであり、セラミックスからなる平板部1および平板部1上面に線路導体3の一部(中央部)を間に挟んで取着されたセラミックスからなる立壁部2とで構成されている。この入出力端子Bは、図3に示すように、基体7の上面の外周部に載置部7aを囲むようにして接合された枠体8の取付部8aに嵌着され、例えば半導体パッケージAに収納される半導体素子Cに対して高周波電力の出力用として機能する。
【0005】
基体7は高い熱放散性が要求されることから銅(Cu)−タングステン(W)やCuからなる場合が多く、また、枠体8としては入出力端子Bと熱膨張係数が近い鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金が多く用いられている。とりわけ大量の熱を外部に放散させる必要がある場合、Fe−Ni−Co合金に対して200〜300℃での熱膨張係数が近似するCu−W合金が賞用されている。これは、この温度域における熱膨張係数が5×10-6〜8×10-6/℃程度の範囲となるように材料設計をすることが可能であり、よってこれらの合金の熱膨張係数を近似させることができ、これにより基体7に大きな反りが発生しないからである。
【0006】
また、入出力端子Bの平板部1の下面の略全面には下部接地導体層4が形成され、平板部1および立壁部2の線路方向に略平行な両側面には側部接地導体層5が形成され、また立壁部2の上面の略全面には上部接地導体層6が形成され、これらの下部接地導体層4、側部接地導体層5および上部接地導体層6が線路導体3を囲むようにして配置されて、導波管構造を成している。
【0007】
この立壁部2の線路方向に略直交する方向の幅は枠体8の幅と略同じであり、例えば銀(Ag)ロウを介して入出力端子Bを枠体8の取付部8aに嵌着した場合、立壁部2の線路方向に略直交する側面2bと取付部9aの内面との間に大きなメニスカスが生じないようにされている。これにより、半導体パッケージAの温度が上昇した場合にAgロウが立壁部2の表面を引張る応力を小さくすることができ、立壁部2の上面と線路方向に略直交する側面2bとの間の稜部2aに応力が集中するのを回避している。
【0008】
また、上記のように立壁部2の幅を枠体8の厚さと略同じにするのは、立壁部2の幅は高周波信号の挿入損失を小さくするために狭いほうが良く、一方枠体8の厚さは接合の信頼性を得るためにできるだけ広いほうが良く、相反する二つの条件を実質的に満たすためである。現状ではそれぞれの幅を略同じとし、0.25〜1.0mmの間に設定されていることが多い。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4に示すような従来の入出力端子Bを用いる半導体パッケージAでは、Agロウを用いて入出力端子Bを取付部8aに接合するに際して例えば850℃程度の温度で加熱する必要があり、このときCu−Wからなる基体7に比べてFe−Ni−Co合金からなる枠体8が外側方向に広がった状態で溶融したAgロウが固化していき、温度が下がるに伴って枠体8が元に戻ろうとする際に立壁部2の上面の枠体8外側に向いた稜部2aを起点としてマイクロクラックが発生する。このとき、上部接地導体層6に対してこれを剥がそうとする力が作用し、その結果、半導体パッケージの気密性が損なわれるという不具合を招来していた。
【0010】
これは、Fe−Ni−Co合金が420℃付近で熱膨張係数の変曲点を有しているためであり、室温からこの温度までは約5.5×10-6/℃の熱膨張係数を有しているが、この温度を超えると約11.3×10-6/℃の熱膨張係数を有することに起因している。即ち、850℃ではCu−W合金よりも大きい熱膨張率で膨張するために、この温度よりも若干下がった共晶点でAgロウが固化し、このとき枠体8の上部が拡がった状態で入出力端子Bが固定され、その後温度が下がるにつれて枠体8が元に戻ろうとする。このとき発生する応力が、上部接地導体層6の縁端部、特に立壁部2の枠体8外側に向いた稜部2aに集中するため、稜部2aに小さなクラックが発生する。このクラックを起点として、上部接地導体層6に入出力端子Bの表面とともに剥そうとする力が作用してクラックが成長していき、遂には立壁部2の上面における対向する稜部2aに発生するクラックに繋がってしまう場合があり、このとき半導体パッケージAの気密性が損なわれてしまう。
【0011】
そこで、稜部2aに大きな応力が集中しないようにするために、枠体8aの厚さを入出力端子Bの取付部8a付近に限って局部的に薄くし、それに対応して立壁部2の線路方向の厚さを薄くすることが行われていたが、この場合立壁部2の接合部の接合強度が小さくなることによって、小さな力でAgロウにクラックが発生する場合があり、これによって半導体パッケージAの気密性が損なわれる場合があった。
【0012】
また、入出力端子Bの線路方向に平行な方向の長さをそのままにして立壁部2の線路方向に平行な方向の厚さを大きくすることにより稜部2aを枠体8から遠ざけ、これにより稜部2aへの応力集中を緩和することも考えられるが、この場合平板部1上面における線路導体3のワイヤボンディング領域やリード端子(図示せず)の接合領域が狭くなり、これを回避するために入出力端子Bのサイズを大きくせざるを得なくなる。その結果、半導体パッケージA全体のサイズが大きくなってしまうという不具合が発生していた。
【0013】
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、入出力端子の立壁部の上面における稜部を起点としてクラックが発生するのを防いで、立壁部上面の上部接地導体層を剥す力が作用しても容易にクラックが成長することがない入出力端子および半導体パッケージを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の入出力端子は、上面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されたセラミックスから成る略四角形の平板部および該平板部の上面に前記線路導体の一部を間に挟んで接合されたセラミックスから成る立壁部から構成されており、前記立壁部の上面の略全面に上部接地導体層が形成されているとともに前記平板部の下面の略全面に下部接地導体層が形成され、さらに前記線路導体の線路方向に略平行な両側面に側部接地導体層がそれぞれ形成されている入出力端子において、前記上部接地導体層は、前記立壁部の上面から前記立壁部の前記線路導体に略直交する両側面にかけて、前記線路導体の直上に位置する部位に上下方向の幅が0.05乃至0.1mmの第一の延出部が形成され、その他の部位に上下方向の幅が0.05乃至0.3mmの第二の延出部が形成されていることを特徴とする。
【0015】
本発明の入出力端子は、立壁部の上面から線路導体に略直交する両側面にかけて、線路導体の直上に位置する部位に上下方向の幅が0.05〜0.1mmの第一の延出部が形成され、その他の部位に上下方向の幅が0.05〜0.3mmの第二の延出部が形成されていることから、立壁部の平板部の上面に略直交する両側面上端の稜部付近が、上部接地導体層によって押え込まれた状態となってクラックの発生が抑えられ、上部接地導体層の外周部が延出部によって容易に剥れなくなるようにすることができる。また、このとき、上部接地導体層と線路導体との間に発生する浮遊容量を小さくすることができる。
【0016】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に半導体素子を載置する載置部が設けられた基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔または切欠きからなる入出力端子の取付部が形成された枠体と、前記取付部に嵌着された上記本発明の入出力端子とを具備したことを特徴とする。
【0017】
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、入出力端子を枠体の取付部にロウ材を介して嵌着させる際に立壁部に発生するクラックに起因して上部接地導体層が剥れるのを防止することができるとともに、上部接地導体層と線路導体との間で新たに発生する浮遊容量を最小限にすることにより、半導体素子収納用パッケージ内における高周波信号の共振点の低下を防止することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の入出力端子および半導体素子収納用パッケージを以下に詳細に説明する。図1は、本発明の入出力端子を用いた半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す部分拡大断面図であり、また図2(a)は本発明の入出力端子の正面図を、同図(b)は入出力端子の斜視図をそれぞれ示す。なお、図1、図2において従来例を示す図3、図4と同じ部位には同じ符号を付した。
【0019】
図1、図2において、1は平板部、2は平板部1上に接合された立壁部、2aは立壁部2の線路導体3に略直交する側面の上端の稜部、2bは立壁部2の線路導体3に略直交する側面、2cは立壁部2を構成する最上層の絶縁層(セラミック層)、2dは立壁部2を構成する上から2番目の絶縁層、3は平板部1の上面に形成された線路導体である。また、4は平板部1の下面の略全面に形成された下部接地導体層、5は平板部1および立壁部2の線路方向に略平行な両側面に形成された側部接地導体層、6は立壁部2の上面の略全面に形成された上部接地導体層、6aは上部接地導体層6の延出部、6a−1は第一の延出部、6a−2は第二の延出部、7は基体、7aは半導体素子Cの載置部、8は枠体、8aは取付部である。
【0020】
本発明の入出力端子Bは、上面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体3が形成されたセラミックスから成る略四角形の平板部1および平板部1の上面に線路導体3の一部を間に挟んで接合されたセラミックスから成る立壁部2から構成されており、立壁部2の上面の略全面に上部接地導体層6が形成されているとともに平板部1の下面の略全面に下部接地導体層4が形成され、さらに線路導体3の線路方向に略平行な両側面に側部接地導体層5がそれぞれ形成されており、上部接地導体層6は、立壁部2の上面から立壁部2の線路導体3に略直交する両側面にかけて、線路導体3の直上に位置する部位に上下方向の幅が0.05〜0.1mmの第一の延出部6a−1が形成され、その他の部位に上下方向の幅が0.05〜0.3mmの第二の延出部6a−2が形成されている。
【0021】
本発明の入出力端子Bは、図1、図2(a),(b)に示すように、下部接地導体層4、側部接地導体層5、上部接地導体層6が枠体8の取付部8aに嵌着されロウ付けされる。これにより、取付部8aにおいて半導体パッケージAの気密性が保持されるとともに、外部電気回路装置に対して半導体パッケージAの内部に収容されている半導体素子Cからボンディングワイヤ(図示せず)を介して高周波信号を伝達する機能を有するものとなる。
【0022】
また、入出力端子Bの平板部1および立壁部2は電気的な絶縁体としてのセラミックスから成り、例えばセラミック母基板を多数個に分割する多数個取りによる作製法によって作製され、平板部1および立壁部2はアルミナ(Al2O3)質焼結体(セラミックス)、窒化アルミニウム(AlN)質焼結体、ムライト(3Al2O3・2SiO2)質焼結体等のセラミックスから成る。そして、立壁部2によって線路導体3が露出した一方側と他方側とに区分されている。
【0023】
入出力端子Bが例えばAl2O3セラミックスから成る場合、以下のようにして作製される。まずAl2O3の粉末と、焼結助材としての酸化カルシウム(SiO2)、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)などの粉末と、適当なバインダーおよび溶剤とを混合してこれをスラリーとなす。次に、このスラリーを用いて、従来周知のドクターブレード法などのテープ成形法によって所定厚さのセラミックグリーンシートに成形する。
【0024】
次に、立壁部2のセラミック層となる厚さの異なる複数枚のセラミックグリーンシートと、同様に平板部1となるセラミックグリーンシートとを準備し、平板部1となるセラミックグリーンシートの上面に線路導体3となるパターンを、Wを主成分とする金属ペーストを周知のスクリーン印刷法で塗布形成するとともに、下面に下部接地導体層4となるパターンを同様にして形成する。
【0025】
そして、同様に立壁部2となるセラミックグリーンシートに所定の穴あけ加工および貫通孔の側面への金属ペーストの被着を行い、次いで、これらのセラミックグリーンシートを積層することにより、上下方向の幅が0.05〜0.1mmの第一の延出部6a−1と、その他の部位に上下方向の幅が0.05〜0.3mmの第二の延出部6a−2とを立壁部となる積層部の側面に有するセラミックグリーンシート積層体が得られる。
【0026】
このようにして得られたセラミックグリーンシート積層体を所定長さに切断し、次いで非酸化雰囲気下で1500〜1600℃の温度で焼成することによって入出力端子Bとなるセラミック焼結体を得る。次に、このセラミック焼結体の側面にMo−Mn合金を主成分とする導体ペーストを周知のスクリーン印刷法により印刷して導体パターンを形成し、これを還元性雰囲気中で約1350℃の温度で焼成することにより、立壁部2の上面のWから成る上部接地導体層6、延出部6a、Mo−Mn合金からなる側部接地導体層5、平板部1下面のWから成る下部接地導体層4が形成された入出力端子を得る。
【0027】
このようにして得られた入出力端子Bは、図2に示すように、半導体パッケージAの枠体8に形成された貫通孔または切欠き部から成る取付部8aに嵌着され、例えば半導体パッケージAに収納される半導体素子Cに対する高周波電力の出力用として機能する。
【0028】
本発明の入出力端子Bは、立壁部2の上面に形成された上部接地導体層6が、立壁部2の線路導体3に略直交する側面に延出した延出部6aを有していることから、入出力端子Bを枠体8の取付部8aにAgロウを介して嵌着接合させる際に、枠体8の変形に起因する応力が立壁部2の稜部2aに集中したとしても、また半導体素子Cの熱により枠体8が変形し立壁部2の稜部2aに応力が集中したとしても、稜部2aが延出部6aで覆われて補強されているため、立壁部2にクラックが発生することがなく、上部接地導体層6の剥れを解消できる。従って、本発明の入出力端子Bによれば、枠体8が変形して入出力端子Bの立壁部2に応力が集中したとしても、立壁部2の稜部2aを起点とするクラックが発生することがなく、半導体パッケージAの内部の気密性が損なわれることがなくなる。
【0029】
本発明の入出力端子Bにおいて、上部接地導体層6は、立壁部2の上面から立壁部2の線路導体3に略直交する両側面にかけて、線路導体3の直上に位置する部位に上下方向の幅が0.05〜0.1mmの第一の延出部6a−1が形成され、その他の部位に上下方向の幅が0.05〜0.3mmの第二の延出部6a−2が形成されている。これにより、入出力端子Bを枠体2の取付部2aに嵌着する際に立壁部2の稜部2aにおけるクラックの発生を抑えることができ、半導体パッケージAの気密性の劣化を防止することができる。
【0030】
第二の延出部6a−2の幅が0.05mm未満では、クラックの発生を抑えることが困難となる。0.3mmを超えると、Agロウが第二の延出部6a−2の表面に大量に流れ出す場合があり、その結果、接合に寄与するAgロウが不足して枠体2の接合強度が劣化してしまう。
【0031】
また、第一の延出部6a−1を形成することにより、線路導体3と第一の延出部6a−1との間で発生する浮遊容量を抑えることができる。この幅が0.05mm未満の場合、稜部2aを起点として発生するクラックを防止することができず、また0.1mmを超えると、浮遊容量が大きくなってしまい、共振点の低下が発生する。
【0032】
また本発明の半導体パッケージAは、上面に半導体素子Cを載置する載置部7aが設けられた基体8と、基体8の上面の外周部に載置部7を囲繞するように接合され、側部に貫通孔または切欠きからなる入出力端子Bの取付部8aが形成された枠体8と、取付部8aに嵌着された入出力端子Bとを具備したことにより、気密性が良好であり、また共振点の低下が抑えられたものとなる。
【0033】
そして、本発明の半導体パッケージAは、入出力端子Bを枠体8の取付部8aにAgロウなどのロウ材で嵌着して接合し、半導体素子Cを載置部7aに載置して、半導体素子C上の電極と入出力端子Bの線路導体3とをボンディングワイヤを介して電気的に接続し、枠体8の上面にFe−Ni−Co合金等から成る蓋体(図示せず)を接合することにより、半導体装置となる。
【0034】
かくして、本発明の入出力端子Bを有する半導体パッケージAは、例えば高周波電力を出力する半導体素子Cを高い信頼性でもって収納することができるものとなる。
【0035】
【実施例】
本発明の入出力端子および半導体パッケージの実施例を以下に説明する。
【0036】
図2の入出力端子Bを以下のように構成した。すなわち、線路方向に直交する方向の長さが3mm、線路方向に平行な方向の長さが2mm、厚さが1mmである平板部1上に、線路方向の長さが0.5mm、線路方向に直交する方向の長さが3mm、高さが1.5mmの立壁部2を設けた入出力端子を用意した。このとき、第二の延出部6a−2の幅を0.025,0.05,0.075,0.15,0.25,0.275,0.3,0.325,0.35(mm)とした種々の入出力端子を各10個ずつの計90個、さらに延出部6aがない従来の入出力端子10個と併せて合計100個を作製した。このとき、下部接地導体層4、側部接地導体層5、上部接地導体層6のそれぞれの厚さを15μmにし、また延出部6aの厚さを20μmとした。
【0037】
なお、第二の延出部6a−2を形成した90個のサンプルにおいて、第一の延出部6a−1の幅はすべて0.05mmとした。
【0038】
また、Cu−W合金からなる10mm角の基体7の上面に、半導体素子Cの載置部7aを囲むように、厚さが0.5mm、高さが2mmであり、側部に入出力端子Bを嵌着する取付部8aが形成された枠体8をAgロウ(BAg−8:JIS Z 3261)で接合したものを100個用意し、それらの表面にニッケルメッキ層および金メッキ層をいずれも2μmの厚さで形成した。
【0039】
そして、取付部8aに、上記Agロウを介して850℃の温度で入出力端子Bを嵌着接合して各種評価用サンプルを作製した。これらの評価用サンプルについて、加速寿命試験として半導体素子Cの作動時の温度よりも2倍以上高い温度(200℃)とする温度サイクル試験を1000サイクル行った。その後、これらの半導体パッケージAについてクラック発生の有無を調査した。クラックの発生は浸透探傷用浸透液(「スーパーチェック」マークテック株式会社製)に漬浸した場合にこの液の浸透によりクラック部が赤く着色することによって判定した。表1にその結果を示す。
【0040】
【表1】
【0041】
表1より、第二の延出部6a−2の幅が0.05〜0.3mmである本発明の入出力端子Bではクラックの発生が見られなかった。
【0042】
次に、第二の延出部6a−2の幅が0.05,0.075,0.15,0.25,0.275,0.3,0.325(mm)のそれぞれの場合において第一の延出部6a−1の幅を0.05mmとしたサンプルを各10個ずつ計70個作製し、また第二の延出部6a−2の幅が上記のそれぞれの場合において第一の延出部6a−1の幅を小さくしていないサンプルを各10個ずつ計70個作製し、これらについて浮遊容量の大きさを測定した。
【0043】
このとき、浮遊容量および共振周波数の測定に際しては、半導体素子Cは1GHzの高周波信号を発信している状態とし、ネットワークアナライザーを用いて測定した。評価結果を表2に示す。
【0044】
【表2】
【0045】
表2より、第一の延出部6a−1の幅が0.05mmで第二の延出部6a−2の幅が0.075〜0.3mmである本発明の入出力端子Bを用いた半導体パッケージAでは、浮遊容量を小さくすることができ、共振点の低下を小さくすることができることが判明した。
【0046】
次に、第二の延出部6a−2の幅を0.2mmとし、第一の延出部6a−1の幅を0.03,0.04,0.05,0.075,0.09,0.1,0.15,0.2(mm)とした種々のサンプルを各10個ずつ計80個作製し、上記と同様に浮遊容量および共振周波数を測定した結果を表3に示す。
【0047】
【表3】
【0048】
表3より、第一の延出部6a−1の幅が0.05〜0.1mmのときに、クラックの発生がなく、かつ浮遊容量を小さくすることができ、共振点の低下を小さくすることができることが判明した。
【0049】
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であれば種々の変更は可能である。例えば、上記実施の形態では、本発明の入出力端子Bを半導体パッケージAに適用した場合について説明したが、混成集積回路基板の入出力端子として本発明の入出力端子Bを適用してもよい。
【0050】
【発明の効果】
本発明の入出力端子は、上面に一辺から対向する他辺にかけて線路導体が形成されたセラミックスから成る略四角形の平板部および平板部の上面に線路導体の一部を間に挟んで接合されたセラミックスから成る立壁部から構成されており、立壁部の上面の略全面に上部接地導体層が形成されているとともに平板部の下面の略全面に下部接地導体層が形成され、さらに線路導体の線路方向に略平行な両側面に側部接地導体層がそれぞれ形成されており、上部接地導体層は、立壁部の上面から立壁部の線路導体に略直交する両側面にかけて、線路導体の直上に位置する部位に上下方向の幅が0.05〜0.1mmの第一の延出部が形成され、その他の部位に上下方向の幅が0.05〜0.3mmの第二の延出部が形成されていることにより、立壁部の線路導体に略直交する両側面上端の稜部付近が、上部接地導体層によって押え込まれた状態となってクラックの発生が抑えられ、上部接地導体層の外周部が延出部によって容易に剥れなくなるようにすることができる。また、上部接地導体層と線路導体との間に発生する浮遊容量を小さくすることができる。
【0051】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、上面に半導体素子を載置する載置部が設けられた基体と、基体の上面に載置部を囲繞するように接合され、側部に貫通孔または切欠きからなる入出力端子の取付部が形成された枠体と、取付部に嵌着された上記本発明の入出力端子とを具備したことにより、入出力端子を枠体の取付部にロウ材を介して嵌着させる際に立壁部に発生するクラックに起因して上部接地導体層が剥れるのを防止することができるとともに、上部接地導体層と線路導体との間に発生する浮遊容量を小さくすることができ、これにより、半導体素子収納用パッケージ内において、上部接地導体層と線路導体との間で発生する新たな浮遊容量により高周波信号の共振点が低下することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の入出力端子が設けられた半導体素子収納用パッケージについて実施の形態の一例を示し、入出力端子部の部分拡大断面図である。
【図2】本発明の入出力端子について実施の形態の一例を示し、(a)は入出力端子の正面図、(b)は入出力端子の斜視図である。
【図3】従来の入出力端子を枠体の側部に有する半導体素子収納用パッケージの斜視図である。
【図4】従来の入出力端子の斜視図である。
【符号の説明】
1:平板部
2:立壁部
2a:稜部
2b:側面
3:線路導体
4:下部接地導体層
5:側部接地導体層
6:上部接地導体層
6a:延出部
6a−1:第一の延出部
6a−2:第二の延出部
7:基体
7a:載置部
8:枠体
8a:取付部
A:半導体素子収納用パッケージ
B:入出力端子
C:半導体素子[0001]
[Technical field to which the invention pertains]
The present invention relates to an input/output terminal used in a package for housing a semiconductor element for housing a semiconductor element such as an IC or an LSI, and to a package for housing a semiconductor element.
[0002]
2. Description of the Related Art
With the recent development of communication devices used in wireless communication, the demand for semiconductor elements such as ICs and LSIs that operate at high power in the high frequency band has increased significantly. In particular, in information devices used in mobile phone base stations, high-power semiconductor elements that operate with high efficiency to obtain high power output with limited power and perform long-term signal conversion, and packages for housing these semiconductor elements (hereinafter also referred to as semiconductor packages) are becoming important. That is, there is a demand for semiconductor elements that have small power loss inside the semiconductor elements and efficiently convert applied DC power into high frequency power, and for semiconductor packages that can house these semiconductor elements and maximize their performance.
[0003]
For this reason, the development of MESFETs (Metal Semiconductor Field Effect Transistors) using gallium arsenide (GaAs) compound semiconductors has been promoted, but there are problems in that the characteristics and conversion efficiency at low voltages are poor and large currents cannot be passed. However, in recent years, semiconductor elements such as GaAs compound semiconductor HBTs (Heterojunction Bipolar Transistors) have been attracting attention as semiconductor elements that have superior characteristics at low voltages compared to MESFETs and can efficiently convert large DC power into high frequency power. In addition, since such semiconductor elements generate a large amount of heat during operation, a semiconductor package with good heat dissipation properties is strongly desired.
[0004]
A semiconductor package that houses such a semiconductor element is shown in the perspective view of Fig. 3. Fig. 3 shows a semiconductor package A using an input/output terminal B, which, as shown in the perspective view of Fig. 4, has a convex vertical cross-sectional shape produced by a ceramic green sheet lamination method, and is composed of a flat plate portion 1 made of ceramics and a
[0005]
Since the base 7 is required to have high heat dissipation properties, it is often made of copper (Cu)-tungsten (W) or Cu, and the frame 8 is often made of an iron (Fe)-nickel (Ni)-cobalt (Co) alloy, which has a thermal expansion coefficient close to that of the input/output terminals B. When a large amount of heat needs to be dissipated to the outside, a Cu-W alloy is preferred, which has a thermal expansion coefficient close to that of the Fe-Ni-Co alloy at 200 to 300°C. This is because it is possible to design the material so that the thermal expansion coefficient in this temperature range is in the range of about 5 x 10-6 to 8 x 10-6 /°C, and therefore the thermal expansion coefficients of these alloys can be made similar, which prevents the base 7 from warping significantly.
[0006]
In addition, a lower
[0007]
The width of the standing
[0008]
The reason why the width of the
[0009]
[Problem to be solved by the invention]
However, in the semiconductor package A using the conventional input/output terminals B as shown in Fig. 4, when the input/output terminals B are joined to the
[0010]
This is because the Fe-Ni-Co alloy has an inflection point of the thermal expansion coefficient at about 420°C, and has a thermal expansion coefficient of about 5.5× 10-6 /°C from room temperature to this temperature, but has a thermal expansion coefficient of about 11.3× 10-6 /°C above this temperature. That is, since it expands at a thermal expansion coefficient greater than that of the Cu-W alloy at 850°C, the Ag braze solidifies at the eutectic point slightly lower than this temperature, and at this time the input/output terminals B are fixed in a state in which the upper part of the frame 8 is expanded, and then as the temperature decreases, the frame 8 tries to return to its original state. The stress generated at this time is concentrated on the edge of the upper ground conductor layer 6, especially on the
[0011]
Therefore, in order to prevent a large stress from concentrating on the
[0012]
It is also conceivable to increase the thickness of the
[0013]
Therefore, the present invention has been completed in consideration of the above-mentioned problems, and its object is to provide an input/output terminal and a semiconductor package that prevent cracks from occurring starting from the ridges on the upper surface of the vertical wall portion of the input/output terminal, and in which cracks do not easily grow even when a force is applied to peel off the upper ground conductor layer on the upper surface of the vertical wall portion.
[0014]
[Means for solving the problem]
The input/output terminal of the present invention is composed of a substantially rectangular flat plate portion made of ceramics having a line conductor formed on its upper surface from one side to the opposing other side, and a vertical wall portion made of ceramics joined to the upper surface of the flat plate portion with a part of the line conductor sandwiched therebetween, wherein an upper ground conductor layer is formed on substantially the entire surface of the upper surface of the vertical wall portion and a lower ground conductor layer is formed on substantially the entire surface of the lower surface of the flat plate portion, and further, side ground conductor layers are formed on both side surfaces of the line conductor substantially parallel to the line direction, wherein the upper ground conductor layer has a first extension portion having a vertical width of 0.05 to 0.1 mm formed from the upper surface of the vertical wall portion to both side surfaces of the vertical wall portion substantially perpendicular to the line conductor at a portion located directly above the line conductor, and a second extension portion having a vertical width of 0.05 to 0.3 mm formed in other portions.
[0015]
In the input/output terminal of the present invention, a first extending portion having a vertical width of 0.05 to 0.1 mm is formed at a portion located directly above the line conductor from the upper surface of the vertical wall portion to both side surfaces substantially perpendicular to the line conductor, and a second extending portion having a vertical width of 0.05 to 0.3 mm is formed at other portions, so that the ridges near the upper ends of both side surfaces substantially perpendicular to the upper surface of the flat portion of the vertical wall portion are pressed down by the upper ground conductor layer, suppressing the occurrence of cracks and making it possible for the outer periphery of the upper ground conductor layer to be prevented from peeling off easily by the extending portions. Also, at this time, the stray capacitance generated between the upper ground conductor layer and the line conductor can be reduced.
[0016]
The package for storing a semiconductor element of the present invention is characterized by comprising a base having a mounting portion on its upper surface for mounting a semiconductor element thereon, a frame body joined to the upper surface of the base so as to surround the mounting portion and having an attachment portion for an input/output terminal formed on its side in the form of a through hole or a notch, and the input/output terminal of the present invention fitted into the attachment portion.
[0017]
The semiconductor element storage package of the present invention, with its above-mentioned configuration, can prevent peeling of the upper ground conductor layer due to cracks that occur in the vertical wall portion when the input/output terminals are fitted to the mounting portion of the frame body via solder material, and can prevent a decrease in the resonance point of high-frequency signals within the semiconductor element storage package by minimizing the new stray capacitance that occurs between the upper ground conductor layer and the line conductor.
[0018]
[0023]
The input/output terminal and the package for housing a semiconductor element of the present invention will be described in detail below. Fig. 1 is a partially enlarged cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor package using the input/output terminal of the present invention, and Fig. 2(a) shows a front view of the input/output terminal of the present invention, and Fig. 2(b) shows a perspective view of the input/output terminal. In Figs. 1 and 2, the same reference numerals are used to designate the same parts as in Figs. 3 and 4 showing the conventional example.
[0019]
1 and 2, 1 denotes a flat plate portion, 2 denotes a standing wall portion joined onto the
[0020]
The input/output terminal B of the present invention is composed of a substantially rectangular flat plate portion 1 made of ceramics having a
[0021]
1, 2(a) and 2(b), the input/output terminal B of the present invention is configured such that the lower
[0022]
The flat plate 1 and the
[0023]
For example, when the input/output terminal B is made of Al2O3 ceramics , it is manufactured as follows. First , Al2O3 powder, powders of calcium oxide ( SiO2 ), calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO) or the like as sintering aids, a suitable binder and a solvent are mixed to form a slurry. Next, this slurry is formed into a ceramic green sheet of a predetermined thickness by a tape casting method such as the well-known doctor blade method.
[0024]
Next, multiple ceramic green sheets of different thicknesses that will become the ceramic layers of the
[0025]
Similarly, the ceramic green sheets that will become the
[0026]
The ceramic green sheet laminate thus obtained is cut to a predetermined length and then fired in a non-oxidizing atmosphere at a temperature of 1500 to 1600°C to obtain a ceramic sintered compact which becomes the input/output terminal B. Next, a conductor paste mainly composed of a Mo-Mn alloy is printed on the side surfaces of this ceramic sintered compact by a well-known screen printing method to form a conductor pattern, which is then fired in a reducing atmosphere at a temperature of about 1350°C to obtain an input/output terminal having an upper ground conductor layer 6 made of W on the upper surface of the standing
[0027]
The input/output terminal B thus obtained is fitted into a mounting
[0028]
In the input/output terminal B of the present invention, the upper ground conductor layer 6 formed on the upper surface of the
[0029]
In the input/output terminal B of the present invention, the upper ground conductor layer 6 is formed with a first extending
[0030]
If the width of the
[0031]
Furthermore, by forming the first extending
[0032]
In addition, the semiconductor package A of the present invention comprises a base 8 having a mounting portion 7a on its upper surface for mounting a semiconductor element C thereon, a frame body 8 which is joined to the outer periphery of the upper surface of the base 8 so as to surround the mounting portion 7 and has mounting
[0033]
The semiconductor package A of the present invention becomes a semiconductor device by fitting and joining the input/output terminals B to the mounting
[0034]
Thus, the semiconductor package A having the input/output terminals B of the present invention can house, with high reliability, a semiconductor element C that outputs, for example, high frequency power.
[0035]
EXAMPLES
An embodiment of the input/output terminal and the semiconductor package of the present invention will be described below.
[0036]
The input/output terminal B in Fig. 2 was constructed as follows. That is, an input/output terminal was prepared in which a
[0037]
In the 90 samples in which the second extending
[0038]
In addition, 100 pieces of frames 8 each having a thickness of 0.5 mm and a height of 2 mm and each having a mounting
[0039]
Then, input/output terminals B were fitted and joined to mounting
[0040]
Table 1
[0041]
From Table 1, no cracks were observed in the input/output terminal B of the present invention in which the width of the second extending
[0042]
Next, 70 samples in total were fabricated in which the width of the
[0043]
At this time, the floating capacitance and the resonant frequency were measured using a network analyzer while the semiconductor element C was transmitting a high frequency signal of 1 GHz. The evaluation results are shown in Table 2.
[0044]
Table 2
[0045]
From Table 2, it was found that in the semiconductor package A using the input/output terminal B of the present invention in which the width of the
[0046]
Next, various samples were fabricated, each with 10 samples of each type, in which the width of the
[0047]
Table 3
[0048]
It is clear from Table 3 that when the width of the
[0049]
The present invention is not limited to the above-described embodiment and examples, and various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the input/output terminal B of the present invention is applied to the semiconductor package A, but the input/output terminal B of the present invention may be applied as an input/output terminal of a hybrid integrated circuit board.
[0050]
Effect of the Invention
The input/output terminal of the present invention is composed of a substantially rectangular flat plate portion made of ceramics having a line conductor formed on its upper surface from one side to the opposing other side, and a vertical wall portion made of ceramics joined to the upper surface of the flat plate portion with a part of the line conductor sandwiched between them, an upper ground conductor layer is formed on substantially the entire surface of the upper surface of the vertical wall portion and a lower ground conductor layer is formed on substantially the entire surface of the lower surface of the flat plate portion, and further, side ground conductor layers are formed on both side surfaces of the line conductor that are substantially parallel to the line direction, and the upper ground conductor layer has a first extension portion having a vertical width of 0.05 to 0.1 mm formed from the upper surface of the vertical wall portion to both side surfaces of the vertical wall portion substantially perpendicular to the line conductor, at a portion located directly above the line conductor, and a second extension portion having a vertical width of 0.05 to 0.3 mm formed in other portions, so that the vicinity of the ridge portions at the upper ends of both side surfaces of the vertical wall portion substantially perpendicular to the line conductor are pressed down by the upper ground conductor layer, thereby suppressing the occurrence of cracks and making it possible to prevent the outer periphery of the upper ground conductor layer from easily peeling off due to the extension portions. In addition, the stray capacitance occurring between the upper ground conductor layer and the line conductor can be reduced.
[0051]
The package for storing semiconductor elements of the present invention comprises a base having a mounting portion on its upper surface for mounting a semiconductor element thereon, a frame body joined to the upper surface of the base so as to surround the mounting portion and having mounting portions for input/output terminals consisting of through holes or notches formed on the sides, and the input/output terminals of the present invention fitted into the mounting portions.By doing so, it is possible to prevent peeling of the upper ground conductor layer due to cracks that occur in the vertical wall portion when the input/output terminals are fitted into the mounting portions of the frame body via solder, and it is possible to reduce the stray capacitance generated between the upper ground conductor layer and the line conductor, thereby preventing a lowering of the resonance point of high-frequency signals due to new stray capacitance generated between the upper ground conductor layer and the line conductor within the package for storing semiconductor elements.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially enlarged cross-sectional view of an input/output terminal portion, showing an example of an embodiment of a semiconductor element housing package provided with input/output terminals according to the present invention.
2A and 2B show an example of an input/output terminal according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 2A is a front view of the input/output terminal, and FIG. 2B is a perspective view of the input/output terminal.
FIG. 3 is a perspective view of a conventional package for housing a semiconductor element having input/output terminals on the side of a frame body.
FIG. 4 is a perspective view of a conventional input/output terminal.
[Explanation of symbols]
1: Flat plate portion 2: Standing
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