JP4789636B2

JP4789636B2 - 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: JP4789636B2
Application number: JP2006020952A
Authority: JP
Inventors: 道信飯野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-01-30
Also published as: JP2007201362A

Description

本発明は、光通信やマイクロ波通信，ミリ波通信等で使用される、特に10GHｚ以上の高い周波数で作動する各種半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いた半導体装置に関する。

従来の半導体収納用パッケージの使用例として、光通信や無線通信分野に用いられる半導体装置を例に説明する。

各種半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージには、半導体素子を電気的に接続するための導体パターンとしての線路導体等の配線導体が設けられている。このような半導体素子収納用パッケージの断面図を図４、要部拡大断面図を図５に示す。同図において、101は基体、102は金属製の枠体、103は蓋体、104は絶縁基板である。

基体101は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）等の金属から成る四角形状の板状体であり、その上側主面には、ＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子106や、絶縁基板104を載置する載置部101ａが形成されている。半導体素子106や絶縁基板104は、載置部101ａに、例えば銀（Ａｇ）ろう，Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材や半田、樹脂接着剤によって強固に接着固定される。

半導体素子106は、その電極が絶縁基板104の上面に被着されている線路導体104ａにボンディングワイヤ105を介して電気的に接続されている。

基体101の上側主面の外周部には載置部101ａを囲繞するようにして枠体102が立設されており、枠体102は基体101とともにその内側に半導体素子106を収容する空所を形成する。枠体102は基体101と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等から成り、基体101と一体成形されるか、または基体101にＡｇろう，Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材を介してろう付けされるか、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって、基体101の上側主面の外周部に立設される。

枠体102の側面には同軸コネクタ107が嵌着される貫通孔102ａが形成されており、貫通孔102ａ内に同軸コネクタ107を嵌め込むとともに半田等の封着材を貫通孔102ａ内の隙間に挿入し、しかる後、加熱して封着材を溶融させ、溶融した封着材を毛細管現象により同軸コネクタ107と貫通孔102ａの内壁との隙間に充填させることによって、同軸コネクタ107が貫通孔102ａ内に封着材を介して嵌着接合される。

同軸コネクタ107には、中心軸部分に信号線路としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る棒状の中心導体が絶縁体であるホウケイ酸ガラスなどを介して固定されている。中心導体は半田等から成る導電性接着材を介して絶縁基板104の線路導体104ａに電気的に接続される。この同軸コネクタ107には、外部電気回路（図示せず）に接続された同軸ケーブル（図示せず）が装着されることによって、内部に収納された半導体素子106が同軸コネクタ107の中心導体を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。

最後に、基体101および枠体102から成る容器内部に半導体素子106を収容し、枠体102の上面に蓋体103をろう付け法やシームウエルド法等の溶接法により接合し、容器内部を気密に封止することによって製品としての半導体装置となる。
特開２００３−１１５６３０

しかしながら、従来の半導体素子収納用パッケージにおいては、半導体素子106の高周波化が進むにつれ、同軸コネクタ107の中心導体と絶縁基板104の接合部における容量成分が大きくなり所望のインピーダンス値が変動し、その部位を伝送する高周波信号の反射損失が増大するという新たな問題が発生してきた。

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、同軸コネクタの中心導体と絶縁基板部に発生する容量成分を低減することにより、10ＧＨｚ以上の高周波信号においても、その部位での反射損失を低減し、半導体素子へ高周波信号成分が反射して入り込んで半導体素子の差動に影響を与えるのを防ぐことができる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ことにある。

本発明の半導体素子収納用パッケージは、上側主面に半導体素子の載置部を有する基体と、該基体の上側主面に前記載置部を取り囲むように設けられた枠体と、前記基体の上側主面に搭載された絶縁基板と、該絶縁基板の上面に形成された線路導体と、前記枠体に固定されるとともに中心導体が前記線路導体に接続された同軸コネクタとを具備する半導体素子収納用パッケージにおいて、前記中心導体と前記線路導体との接続部の直下における前記基体の上側主面に凹部が形成されているとともに、少なくとも前記基体の前記絶縁基板との接合面および前記凹部の底面が金属面であり、前記絶縁基板の下面の前記凹部に対応する部位を除く部位に接地導体層が形成されており、該接地導体層と前記金属面とがロウ付けされていることを特徴とする。

さらに本発明の半導体素子収納用パッケージは前記基体の前記絶縁基板と接合された部位が上側に突出しており、該突出した部位に前記凹部が形成されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に搭載されるとともに前記線路導体と電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体とを具備することを特徴とする。

本発明の半導体素子収納用パッケージは同軸コネクタの中心導体と線路導体との接続部の直下における前記基体の上側主面に凹部が形成されているとともに、少なくとも基体の絶縁基板との接合面および凹部の底面が金属面であることにより、中心導体と線路導体接続部に発生する容量成分を低減することができ、接続部における特性インピーダンスが所望の値となり、良好な伝送特性が実現でき、10ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝送損失をきわめて少なくして半導体素子を正常に作動させることができる。

本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、基体の絶縁基板と接合された部位が上側に突出しており、この突出した部位に凹部が形成されていることから、基体に凹部を形成しても十分な厚みを確保することができ、半導体素子収納用パッケージの強度を良好に確保することができる。

本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、絶縁基板の下面の凹部に対応する部位を除く部位に接地導体層が形成されており、この接地導体層と基体の上記金属面とがロウ付けされていることから、絶縁基板の上下に線路導体と接地導体層とを形成することにより、精度よくマイクロストリップ線路を構成でき、高周波特性を向上できる。

本発明の半導体装置は、上記本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に搭載されるとともに線路導体と電気的に接続された半導体素子と、枠体の上面に取着された蓋体とを具備することから、高周波特性に優れた半導体装置となる。

本発明の半導体素子収納用パッケージおよびそれを用いた半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は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断面図、図２はその要部拡大断面図であり、１は基体、２は枠体、３は蓋体、４は絶縁基板である。

基体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属やＣｕ−Ｗの焼結材等の金属、またはセラミックス等の誘電体から成る四角形状の板状体であり、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工法、または射出成形と切削加工等を施すことによって、所定の形状に製作される。基体１の上側主面の中央部には、ＩＣ，ＬＳＩ，ＬＤ，ＰＤ等の半導体素子６、絶縁基板４を載置するための載置部１ａが形成されており、例えばＡｇろう，Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材やＡｕ−Ｓｎ半田，Ｐｂ−Ｓｎ半田等の半田、樹脂系接着剤によって強固に接着固定される。

なお、基体１は、セラミックス等の誘電体材料から成る場合、その表面にメタライズ層等の導体層が形成されて成る金属面を有し、接地導体層として機能している必要がある。この金属面は少なくとも絶縁基板４との接合面に形成されている。基体１は、金属から成るか、または表面に導体層が形成された誘電体材料から成ることにより、内部の半導体素子６によって発生する放射ノイズまでも効果的に接地することができ、さらに半導体素子６の動作を安定化させることが可能となる。

絶縁基板４は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質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、Ａｌ_２Ｏ_３，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法でシート状となすことによってセラミックグリーンシートを得る。しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すことによって所定の形状に成形する。または、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＣａＯ，ＭｇＯ等の原料粉末を金型に充填しプレス成型することによって所定の形状に成形する。そして、このセラミックグリーンシートに上面の線路導体４ａとなる金属ペーストを印刷塗布し、還元雰囲気中で約1600℃の温度で焼成することによって製作される。

線路導体４ａとなる金属ペーストは、Ｗ，モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属粉末に適当な有機バインダや溶剤を添加混合してペースト状となしたものを従来周知のスクリーン印刷法を採用して印刷することにより、セラミックグリーンシートまたはセラミックスの成形体に印刷塗布される。

なお、線路導体４ａは薄膜形成法によって形成されていても良く、その場合、線路導体４ａは、窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ），ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ合金），チタン（Ｔｉ），パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），Ａｕ等から形成され、セラミックグリーンシートを焼成した後に形成される。

また、基体１の上側主面の外周部には載置部１ａを囲繞するようにして枠体２が立設するように接合されており、枠体２は基体１とともにその内側に半導体素子６を収容する空所を形成する。この枠体２は、基体１と同様にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ−Ｗの焼結材等の金属やセラミックス等の誘電体から成り、基体１と一体成形される、または基体１にＡｇろう等のろう材を介してろう付けされる、またはシーム溶接法等の溶接法により接合されることによって、基体１の上側主面の外周部に立設される。

なお、枠体２は、セラミックス等の誘電体材料から成る場合、その表面にメタライズ層等の導体層が形成されているのが好ましい。枠体２は、金属から成るか、または表面に導体層が形成された誘電体材料から成ることにより、内部の半導体素子６によって発生する放射ノイズまでも効果的に接地することができ、さらに半導体素子６の動作を安定化させることが可能となる。

また、外部より半導体素子６に駆動信号等を入力させる入出力端子として、例えば同軸コネクタ７が用いられ、以下のようにして枠体２に設置される。まず、枠体２の側面に同軸コネクタ７が嵌着される貫通孔２ａを形成し、貫通孔２ａ内に同軸コネクタ７を嵌め込むとともにＡｕ−Ｓｎ半田やＰｂ−Ｓｎ半田等の封着材を貫通孔２ａとの隙間に挿入する。しかる後、加熱して封着材を溶融させ、溶融した封着材を毛細管現象により同軸コネクタ７と貫通孔２ａの内壁との隙間に充填することによって、同軸コネクタ７が貫通孔２ａ内に半田等の封着材を介して嵌着接合される。

同軸コネクタ７は、内部に収容する半導体素子６を外部電気回路に接続された同軸ケーブルに電気的に接続するものであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る円筒形等の筒状の外周導体にガラス等の絶縁体が充填され、中心軸にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る中心導体９が固定されて成る。この中心導体９は半田等から成る導電性接着材を介して絶縁基板４の線路導体４ａに電気的に接続される。この同軸コネクタ７に同軸ケーブルが装着されることによって、半導体素子収納用パッケージの内部に収納された半導体素子６が同軸コネクタ７の中心導体９を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。

半導体素子６は図１の如く、その電極が、絶縁基板４の上面に被着形成されている線路導体４ａの上面にそれぞれボンディングワイヤ６を介して電気的に接続される。

そして、基体１および枠体２から成る容器内部に半導体素子６を収容し、枠体２の上面に金属やセラミックス等から成る蓋体３をろう付け法やシームウエルド法等の溶接法により接合し、容器内部を気密に封止することによって製品としての半導体装置となる。

図１に示すように絶縁基板４は、一主面に形成された高周波信号伝送用の線路導体４ａを具備している。

そして、本発明の半導体素子収納用パッケージは、中心導体９と線路導体４ａとの接続部の直下における基体１の上側主面に凹部８が形成されている。凹部８は少なくとも底面が金属面となっている。基体１が誘電体から成る場合、凹部８の底面に導体層を形成することにより、凹部８の底面を金属面とすることができる。

基体１が誘電体から成り、凹部８の底面に導体層が形成されている場合、凹部８の底面の導体層と、基体１の絶縁基板４との接合部に形成された導体層とがビア導体や側面導体などにより電気的に接続され、接地導体を形成している。

凹部の線路導体４ａの線路方向に直交する方向における幅は同軸コネクタ７の中心導体９の１〜５倍であるのがよく、また、凹部の線路導体４ａの線路方向に平行な方向における長さは中心導体９と線路導体４ａとの接続部の長さの１〜５倍であり、凹部の深さは0.10〜２ｍｍが望ましい。凹部の幅、長さ、深さともに下限未満の場合は、中心導体９と線路導体４ａの接続部における容量成分を相殺するのが困難になり、所望の特性インピーダンスの値にし難くなる。また、凹部の幅、長さ、深さともに上限を超える場合は、中心導体９と線路導体４ａの接続部における容量成分を低減しすぎる傾向にあり、誘導成分が大きくなって、所望の特性インピーダンスの値にし難くなる。また凹部はその加工上、線路導体４ａに直交する方向における断面形状が円形状でも良く、その場合は直径が中心導体９の１〜５倍であることが望ましい。

これらの構成により、中心導体９と線路導体４ａの接続部における容量成分が低減され、その部位の特性インピーダンスが所望の値となり、従来の凹部８がない構成と比較して良好な伝送特性が実現でき、10ＧＨｚ以上の高周波信号においても伝送損失をきわめて少なくして半導体素子10を正常に作動させることができる。

また、本発明の半導体素子収納用パッケージは、図３に示すように、基体１の絶縁基板４と接合された部位が上側に突出しており、この突出した部位Ａに凹部８が形成されているのがよい。これにより、基体１に凹部８を形成しても十分な厚みを確保することができ、半導体素子収納用パッケージの強度を良好に確保することができる。なお、凹部８は図３のように突出した部位Ａの上面と側面との間の角部を切り欠いたものでもよい。

このような突出した部位Ａは基体１と一体になっていてもよく、基体１の底板部となる板状体に突出した部位Ａとなる部材を接合してもよい。なお、突出した部位Ａとなる部材は金属でもよく、セラミック等の誘電体でもよいが、少なくとも絶縁基板４との接合面および凹部８の底面は金属面となっている。なお、基体１の底板部となる板状体の材料と突出した部位Ａとなる部材とが異なる材料であっても、底板部となる板状体と突出した部位Ａとなる部材とを合わせて基体１という。

本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、絶縁基板４の下面の凹部８に対応する部位を除く部位に接地導体層10が形成されており、この接地導体層10と基体１とがロウ付けされている。これにより、絶縁基板４の上下に線路導体４ａと接地導体層10とを形成することにより、精度よくマイクロストリップ線路を構成でき、高周波特性を向上できる。

このような接地導体層10は線路導体４ａと同様に、金属ペーストを焼成することによって、あるいは薄膜形成方法などによって、形成できる。

なお、本発明は、上述の実施の形態の一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。

本発明および比較例の高周波用配線基板を以下のように構成した。まず、絶縁基板４として、比誘電率が9.8のアルミナ質セラミックからなる縦２ｍｍ×横２ｍｍ×厚み0.38ｍｍの基板上に、幅が0.38ｍｍ、厚みが0.002ｍｍの線路導体４ａを形成した。

また、直径が0.38ｍｍの中心導体９と、直径2.01ｍｍの比誘電率４の絶縁体で構成された同軸コネクタ７を枠体２の貫通孔２ａに形成した。

ここで、同軸コネクタ７の中心導体９と線路導体４ａの直下における基体１の上側主面にある円形状の凹部の直径、深さを表１のように形成した。

これら、本発明および比較例の半導体素子収納用パッケージである試料１〜６を、高周波３次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いて１ＧＨｚ〜20ＧＨｚの反射損失Ｓ11を得た。

各試料における上記周波数範囲における最も悪い反射損失Ｓ11を表１に示す。

表１より、本発明の半導体素子収納用パッケージである、試料２〜６については反射損失が-15ｄＢ以下と良好な特性が得られ、特に試料２、３、４については、反射損失Ｓ11が-20ｄＢ以下と非常に良好な特性が得られることが分かった。これに対し、比較例の凹部がない試料１においては、反射損失Ｓ11が増大しており、−15ｄＢを超えていることが分かった。

本発明の高周波用配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の絶縁基板と中心導体の接続部の拡大図である。本発明の高周波用配線基板の実施の形態の他の例を示す要部拡大断面図である。従来の高周波用配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。従来の絶縁基板と中心導体の接続部の拡大図である。

符号の説明

１・・・・・・・基体
１ａ・・・・・・載置部
２・・・・・・・枠体
２ａ・・・・・・貫通孔
３・・・・・・・蓋体
４・・・・・・・絶縁基板
４ａ・・・・・・線路導体
５・・・ボンディングワイヤ
６・・・・・・・半導体素子
７・・・・・・・同軸コネクタ
８・・・・・・・凹部
９・・・・・・・中心導体
10・・・・・・・接地導体層

Claims

上側主面に半導体素子の載置部を有する基体と、該基体の上側主面に前記載置部を取り囲むように設けられた枠体と、前記基体の上側主面に搭載された絶縁基板と、該絶縁基板の上面に形成された線路導体と、前記枠体に固定されるとともに中心導体が前記線路導体に接続された同軸コネクタとを具備する半導体素子収納用パッケージにおいて、前記中心導体と前記線路導体との接続部の直下における前記基体の上側主面に凹部が形成されているとともに、少なくとも前記基体の前記絶縁基板との接合面および前記凹部の底面が金属面であり、前記絶縁基板の下面の前記凹部に対応する部位を除く部位に接地導体層が形成されており、該接地導体層と前記金属面とがロウ付けさ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。
前記基体の前記絶縁基板と接合された部位が上側に突出しており、該突出した部位に前記凹部が形成され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。
請求項１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に搭載されるとともに前記線路導体と電気的に接続された半導体素子と、前記枠体の上面に取着された蓋体とを具備することを特徴とする半導体装置。