JP2002190540A - 半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波的な不整合により反射損失が発生しや
すくなることを有効に防止するとともに、半導体パッケ
ージ内部の気密性を損なわないようにすること。 【解決手段】 絶縁基板１の中央部に、下面側開口から
内側にかけて内寸法が小となる段差部１ｂを有するとと
もに、段差部１ｂの天井面に接地導体層１１を形成した
貫通孔１ａを設け、貫通孔１ａの上面側開口の周囲に、
高周波信号を伝送する線路導体３およびその両側の同一
面接地導体層４ならびに同一面接地導体層４と接地導体
層１１とを接続する接地貫通導体１２を形成するととも
に、貫通孔１ａの段差部１ｂの天井面に、上側主面の中
央部に半導体素子９の載置部２ａを有する金属基板２を
その外周部を接地導体層１１に接合させて取着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波通信や
ミリ波通信等の高い周波数で作動する各種半導体素子を
収容する半導体素子収納用パッケージに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の、ＭＨｚ帯やＧＨｚ帯の高周波帯
域での高周波信号で作動する半導体素子１０９を内部に
収容する半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パ
ッケージという）の例を図３に示す。同図に示すよう
に、半導体パッケージは一般に、略中央部に貫通孔１０
１ａを有する、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックス等の
誘電体から成る絶縁基板１０１と、この絶縁基板１０１
の下面に貫通孔１０１ａを塞ぐように設けられ、上面の
載置部１０２ａに半導体素子１０９を支持するととも
に、半導体素子１０９から発せられる熱を外部に伝熱す
る機能を有する金属基板１０２とを具備している（特開
平１１−２５１４８８号公報参照）。

【０００３】また、絶縁基板１０１は半導体素子１０９
と外部電気回路（図示せず）とを電気的に接続して高周
波信号の良好な伝送特性を得るために、高周波信号を伝
送するための線路導体１０３を上面に、配線導体１０５
を下面に形成し、それらを貫通導体１０６で電気的に接
続している。また、絶縁基板１０１の上面には同一面接
地導体層１０４が、絶縁基板１０１の下面には接地導体
層１１１が、それぞれ線路導体１０３、配線導体１０５
の両側に等間隔で形成され、接地（グランド）電位を安
定化させ強化するとともに擬似同軸構造とすることによ
り、線路導体１０３を伝送する高周波信号の伝送損失を
小さいものとしている。

【０００４】このような絶縁基板１０１の貫通孔１０１
ａ内周部に配される半導体素子１０９は、外部電気回路
と配線導体１０５とがリード端子１１０を介して電気的
に接続されるとともに、この配線導体１０５と貫通導体
１０６が線路導体１０３と電気的に接続され、さらに線
路導体１０３にボンディングワイヤ１０７を介して半導
体素子１０９上の電極等が電気的に接続されることによ
り、半導体素子１０９と外部電気回路とが電気的に接続
される。一方、金属基板１０２は、接地導体層１１１を
介して同一面接地導体層１０４，接地貫通導体１１２と
電気的に接続されており、より強化された接地電位とし
て機能する。

【０００５】また、この金属基板１０２は、半導体素子
１０９と線路導体１０３とを電気的に接続するボンディ
ングワイヤ１０７の長さをできるだけ短くすることによ
り、それらの間に発生するインダクタンス（Ｌ）成分を
抑制し、高周波信号の伝送損失を有効に防止するため
に、半導体素子１０９上面と線路導体１０３上面とがほ
ぼ面一となるよう、段差が設けられている。

【０００６】なお、絶縁基板１０１の上面の線路導体１
０３よりも外周側である、絶縁基板１０１の上面の外周
部には、半導体素子１０９を気密に封止し、半導体素子
１０９の作動性が損なわれるのを有効に防止するための
蓋体１０８が接合される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
図３の接地機能を有する部位の周辺部の拡大断面図を示
すように、同一面接地導体層１０４から貫通導体１１
２，接地導体層１１１を介して金属基板１０２にかけて
のグランド電流経路は、その経路の長さが非常に長いた
め、貫通導体１０６を伝送する高周波信号の伝送経路よ
りも長くなり、コプレーナ構造が半導体素子１０９側で
崩れて半導体素子１０９側で高周波信号の位相がずれて
いた。即ち、高周波的な不整合により反射損失が発生し
やすくなるという問題点を有していた。

【０００８】このような問題点を解決するために、絶縁
基板１０１全体の厚さを薄くしてグランド電流経路を短
くすることも考えられるが、絶縁基板１０１の強度が低
下し、絶縁基板１０１と金属基板１０２とのわずかな熱
膨張係数差によりクラックが発生し、半導体パッケージ
内部の気密性が損なわれる場合があった。

【０００９】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、グランド電流経路が長くなり
高周波的な不整合により反射損失が発生しやすくなるこ
とを有効に防止するとともに、半導体パッケージ内部の
気密性を損なわないようにすることにより、半導体素子
を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る半導体パッ
ケージを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子収納
用パッケージは、絶縁基板の中央部に、下面側開口から
内側にかけて内寸法が小となる段差部を有するとともに
該段差部の天井面に接地導体層を形成した貫通孔を設
け、前記貫通孔の上面側開口の周囲に、高周波信号を伝
送する線路導体およびその両側の同一面接地導体層なら
びに該同一面接地導体層と前記接地導体層とを電気的に
接続する接地貫通導体を形成するとともに、前記貫通孔
の前記段差部の天井面に、上側主面の中央部に半導体素
子の載置部を有する金属基板をその外周部を前記接地導
体層に接合させて取着して成ることを特徴とする。

【００１１】本発明の半導体パッケージによれば、上記
構成のように、同一面接地導体層と接地導体層とを電気
的に接続する接地貫通導体の長さが短くなるように、接
地貫通導体の周辺部の絶縁基板の厚さが薄くなる部位
（段差部）を形成したことによりグランド電流経路が短
くなる。その結果、高周波信号の伝送経路とグランド電
流経路とが略等しくなり、半導体素子側で高周波信号の
位相がずれるの改善することができる。従って、高周波
的な不整合による反射損失を有効に防止できる。さらに
は、絶縁基板はその段差部のみが薄くなるため、金属基
板と絶縁基板との接合における絶縁基板のクラック発生
が有効に防止できる。そのため、半導体素子を高い信頼
性でもって半導体パッケージ内部に気密に収容できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の半導体パッケージを以下
に詳細に説明する。図１は本発明の半導体パッケージの
実施の形態の一例を示す断面図、図２はこの半導体パッ
ケージの接地機能を有する部位の周辺部の拡大断面図で
ある。これらの図において、１は絶縁基板、２は金属基
板、８は蓋体、９は半導体素子である。これら絶縁基板
１，金属基板２，蓋体８とで、内部に半導体素子９を収
容するための容器が構成される。

【００１３】絶縁基板１は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラ
ミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等
の誘電体から成り、その略中央部に半導体素子９が内部
に収容される貫通孔１ａを有するとともに、絶縁基板１
の下面の貫通孔１ａ周辺部に下面側開口から内側にかけ
て内寸法が小となる段差部１ｂを有する。

【００１４】この絶縁基板１は、その上面に半導体素子
９がボンディングワイヤ７を介して接続される線路導体
３と、この線路導体３に等間隔で形成され、接地を強化
する機能を有する同一面接地導体層４とが形成されると
ともに、その下面には配線導体５が、また段差部１ｂに
は接地導体層１１が形成されており、絶縁基板１内部に
形成された貫通導体６，接地貫通導体１２を介して、線
路導体３と配線導体５とが、また同一面接地導体層４と
接地導体層１１とが電気的に接続されている。

【００１５】同一面接地導体層４，接地導体層１１は、
線路導体３と配線導体５との間のアイソレーションを向
上させる機能を有する。さらに、貫通導体６におけるイ
ンピーダンスの不整合を防ぐことが可能であり、これら
の結果、半導体素子９と外部電気回路との間の電気的接
続におけるインピーダンスのミスマッチングを効果的に
抑えて高周波信号の伝送特性の劣化を有効に防止でき、
低反射損失の半導体パッケージとし得る。

【００１６】なお、同一面接地導体層４および接地導体
層１１は、線路導体３，配線導体５をそれぞれ取り囲む
ように連続して一体的に形成されており、良好な接地状
態を得ることができる。

【００１７】これら線路導体３，同一面接地導体層４，
配線導体５，貫通導体６，接地導体層１１，接地貫通導
体１２は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ），
銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ）等の金属メタライズ等の導電性
材料から形成される。例えば、Ｗからなる場合、Ｗ粉末
に適当な有機バインダ，溶剤を添加混合して得たＷペー
ストを、貫通導体６，接地貫通導体１２となる貫通孔が
予め形成された絶縁基板１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所定パター
ンに印刷塗布するとともに貫通孔に充填し、これをセラ
ミックグリーンシートとともに焼成することにより、絶
縁基板１の上面から下面にかけての所定のパターンに被
着形成される。

【００１８】なお、これら線路導体３，同一面接地導体
層４，配線導体５，接地導体層１１は、その露出する表
面に耐蝕性に優れ、かつロウ材やボンディングワイヤ７
との接合性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μ
ｍのニッケル（Ｎｉ）層と、厚さ０．５〜５μｍの金
（Ａｕ）層を順次メッキ法により被着させておくと、線
路導体３，同一面接地導体層４，配線導体５，接地導体
層１１が酸化腐食するのを有効に防止できるとともに、
線路導体３，配線導体５および同一面接地導体層４，接
地導体層１１とボンディングワイヤ７や半田等との接続
を強固かつ容易なものとできる。従って、線路導体３，
同一面接地導体層４，配線導体５，接地導体層１１の各
導体には、その露出する表面にＮｉ，Ａｕ等の耐蝕性に
優れる金属をそれぞれ厚さ０．５〜９μｍ，０．５〜５
μｍにて順次メッキ法により被着させておくことが好ま
しい。

【００１９】また、段差部１ｂの天井面に形成された接
地導体層１１には、金属基板２が銀ロウ等のロウ材を介
して接合されており、さらに良好な接地状態としてい
る。

【００２０】この金属基板２は、その上側主面の中央部
に半導体素子９を載置する載置部２ａを有しており、こ
の載置部２ａに載置された半導体素子９が作動時に発す
る熱を効率良く外部に放散する放熱板としての機能も有
する。

【００２１】金属基板２は、絶縁基板１にほぼ熱膨張係
数が近似する、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバル
ト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金
等の金属材料からなり、例えばＣｕ−Ｗ合金からなる場
合、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来
周知の金属加工を施すことにより所定の形状に製作され
る。

【００２２】また、この金属基板２は、その露出する表
面に耐蝕性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μ
ｍのＮｉ層と、厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層を順次メッ
キ法により被着させておくと、金属基板２が酸化腐食す
るのを有効に防止できるとともに、金属基板２の上側主
面の載置部２ａに半導体素子９を強固に接着固定でき
る。従って、金属基板２には、その露出する表面にＮ
ｉ，Ａｕ等の耐蝕性に優れる金属をそれぞれ厚さ０．５
〜９μｍ，０．５〜５μｍにて順次メッキ法により被着
させておくことが好ましい。

【００２３】この金属基板２が嵌合される段差部１ｂ
は、同一面接地導体層４と接地導体層１１との距離、即
ち接地貫通導体１２の長さを短くし、グランド電流経路
を短くする機能を有するとともに、金属基板２を接地導
体層１１に接合した際の熱応力による絶縁基板１のクラ
ック等の破損を有効に防止する機能を有する。

【００２４】具体的には、この接地貫通導体１２の長さ
は、絶縁基板１の厚さに比し２０〜７０％であるのが好
ましい。２０％未満の場合、接地貫通導体１２の長さが
非常に短くなることから、同一面接地導体層４から金属
基板２にかけてのグランド電流経路は非常に短くなる
が、絶縁基板１の段差部１ｂに相当する部分の強度が低
下し、絶縁基板１の段差部１ｂ付近にクラック等の破損
が発生しやすくなる。一方、７０％を超える場合、絶縁
基板１の段差部１ｂに相当する部分の強度は充分なた
め、絶縁基板１の段差部１ｂ付近にクラック等の破損が
発生することはないが、同一面接地導体層４から金属基
板２にかけてのグランド電流経路が非常に長くなり高周
波的な不整合による反射損失が発生し易くなる。

【００２５】従って、段差部１ｂの厚さは絶縁基板１の
厚さの３０〜８０％であれば良いこととなる。即ち、段
差部１ｂの厚さは、絶縁基板１の強度および金属基板２
との接合性、高周波的な不整合による反射損失に大きく
影響する。

【００２６】さらには、この段差部１ｂは、その幅が金
属基板２の接地導体層１１に対する接合性を容易にする
ようなものであることと、接合時の絶縁基板１の破損が
防止されれば良く、具体的には０．１５〜１．０ｍｍで
あれば良い。０．１５ｍｍ未満の場合、接地導体層１１
の面積が小さくなるため、金属基板２の接地導体層１１
に対する接合が損なわれ、その部位におけるロウ材のク
ラックにより半導体素子９を半導体パッケージ内部を気
密に収容することが困難となる。一方、１．０ｍｍを超
える場合、絶縁基板２の段差部１ｂによる薄い部位が多
くなるため、接合時における絶縁基板２のクラック発生
を防止することが困難となる。従って、段差部１ｂの幅
は０．１５〜１．０ｍｍであることが好ましい。

【００２７】なお、図２，図４を比較して分かるよう
に、図４では金属基板２は半導体素子９を載置するため
の段差が設けられることにより、グランド電流経路が段
差の高さ分だけ長くなり、高周波的な不整合による反射
損失が大きくなる。従って、金属基板２には段差を設け
ないほうが良く、絶縁基板２の段差部１ｂの厚さが絶縁
基板１の厚さの３０〜８０％の範囲において、半導体素
子９上面と線路導体３とがほぼ面一となるような、段差
の無い金属基板２とすることが好ましい。

【００２８】また、配線導体５の下面には、Ｆｅ−Ｎｉ
−Ｃｏ合金等の金属材料からなるリード端子１０が銀ロ
ウ等のロウ材を介して接合され、外部電気回路との電気
的な接続を行う機能を有することとなる。

【００２９】このような絶縁基板１，金属基板２，リー
ド端子１０を具備する半導体パッケージの内部には、半
導体素子９が載置部２ａに鉛（Ｐｂ）−錫（Ｓｎ）半田
等の接着剤を介して接着固定されるとともに、線路導体
３と半導体素子９とがボンディングワイヤ７を介して電
気的に接続される。

【００３０】さらに、金属基板２が接合された絶縁基板
１の上面には、線路導体３の外周側に、半導体素子９を
気密に封止して半導体素子９の作動性が損なわれるのを
有効に防止する蓋体８が、メタライズ層（図示せず）を
介してＡｕ−Ｓｎ等の低融点ロウ材で接合される。

【００３１】この蓋体８は、絶縁基板１にほぼ熱膨張係
数が近似する、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金
等の金属材料や、Ａｌ₂Ｏ₃セラミックス等のセラミック
スからなる。金属材料からなる場合には、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
を施すことによって所定の形状に製作される。一方、セ
ラミックスからなる場合には、その原料粉末に適当な有
機バインダや溶剤等を添加混合しペースト状となすとと
もに、このペーストをドクターブレード法やカレンダー
ロール法によってセラミックグリーンシートとなし、し
かる後セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工
を施し、これを複数枚積層し約１６００℃の高温で焼成
することにより製作される。

【００３２】また、蓋体８が金属材料からなる場合に
は、その表面に耐蝕性に優れかつロウ材との接合性に優
れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのニッケル
（Ｎｉ）層と、厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層を順
次メッキ法により被着させておくと、蓋体８が酸化腐食
するのを有効に防止できるとともに、メタライズ層との
接合を強固かつ容易なものとできる。従って、蓋体８に
は、その表面にＮｉ，Ａｕ等の耐蝕性に優れる金属をそ
れぞれ厚さ０．５〜９μｍ，０．５〜５μｍにて順次メ
ッキ法により被着させておくことが好ましい。

【００３３】一方、蓋体８がセラミックスからなる場合
には、メタライズ層との接合部に、ＷやＭｏ，Ｃｕ，Ａ
ｇ等の金属メタライズ等の導電性材料が所定パターンに
形成、焼結されるとともに、その表面にＮｉ，Ａｕ等の
耐蝕性に優れる金属がそれぞれ厚さ０．５〜９μｍ，
０．５〜５μｍにて順次メッキ法により被着されること
により、蓋体８とメタライズ層との接合を強固なもので
きる。

【００３４】本発明の半導体パッケージは、絶縁基板１
の金属基板２が接合される部位に段差部１ｂが形成され
ており、この段差部１ｂの天井面に形成された接地導体
層１１に金属基板２が接合されるとともに、同一面接地
導体層４と接地導体層１１とを電気的に接合する接地貫
通導体１２が形成された構造となっている。

【００３５】かくして、本発明は、同一面接地導体層４
と接地導体層１１とを電気的に接続する接地貫通導体１
２の長さが短くなるように、接地貫通導体１２の周辺部
の絶縁基板１の厚さが薄くなる部位（段差部１ｂ）を、
好ましくは厚さが絶縁基板１の厚さの３０〜８０％、幅
が０．１５〜１．０ｍｍとなるように形成したことによ
り、グランド電流経路が短くなるとともに、絶縁基板１
はその段差部１ｂのみが薄くなるため、金属基板２と絶
縁基板１との接合における絶縁基板１のクラック発生が
有効に防止できる。また、高周波的な不整合による高周
波信号の反射損失を有効に防止できるとともに、半導体
素子９を半導体パッケージ内部に気密に収容できる。

【００３６】また、本発明において、高周波信号の周波
数は５〜７０ＧＨｚ程度が好適であり、このような周波
数帯域で本発明の半導体パッケージは上述した有利な効
果を奏するものとなる。

【００３７】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変
更を行うことは何等支障ない。例えば、段差部１ｂの側
面にも接地導体層１１から延出するように金属メタライ
ズ等の導電性材料が形成されていても良く、この場合、
絶縁基板１と金属基板２との接合面積が増えるため、そ
れらの接合がより強固なものとなり、半導体素子９の気
密性が損なわれる危険性をより低くできる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、絶縁基板の中央部に、下面側
開口から内側にかけて内寸法が小となる段差部を有する
とともに段差部の天井面に接地導体層を形成した貫通孔
を設け、貫通孔の上面側開口の周囲に、高周波信号を伝
送する線路導体およびその両側の同一面接地導体層なら
びに同一面接地導体層と接地導体層とを接続する接地貫
通導体を形成するとともに、貫通孔の段差部の天井面
に、上側主面の中央部に半導体素子の載置部を有する金
属基板をその外周部を接地導体層に接合させて取着して
成ることにより、同一面接地導体層と接地導体層とを接
続する接地貫通導体の長さが短くなり、グランド電流経
路が短くなる。その結果、高周波信号の伝送経路とグラ
ンド電流経路とが略等しくなり、半導体素子側で高周波
信号の位相がずれるのを改善することができる。従っ
て、高周波的な不整合による反射損失を有効に防止でき
る。さらには、絶縁基板はその段差部のみが薄くなるた
め、金属基板と絶縁基板との接合における絶縁基板のク
ラック発生が有効に防止できる。そのため、半導体素子
を高い信頼性でもって半導体パッケージ内部に気密に収
容できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体パッケージの一実施形態を示す
断面図である。

【図２】図１の接地機能を有する部位の周辺部の拡大断
面図である。

【図３】従来の半導体パッケージを示す断面図である。

【図４】図３の接地機能を有する部位の周辺部の拡大断
面図である。

【符号の説明】

１：絶縁基板 １ａ：貫通孔 １ｂ：段差部 ２：金属基板 ２ａ：載置部 ３：線路導体 ４：同一面接地導体層 ９：半導体素子 １１：接地導体層 １２：接地貫通導体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板の中央部に、下面側開口から内
   側にかけて内寸法が小となる段差部を有するとともに該
   段差部の天井面に接地導体層を形成した貫通孔を設け、
   前記貫通孔の上面側開口の周囲に、高周波信号を伝送す
   る線路導体およびその両側の同一面接地導体層ならびに
   該同一面接地導体層と前記接地導体層とを電気的に接続
   する接地貫通導体を形成するとともに、前記貫通孔の前
   記段差部の天井面に、上側主面の中央部に半導体素子の
   載置部を有する金属基板をその外周部を前記接地導体層
   に接合させて取着して成ることを特徴とする半導体素子
   収納用パッケージ。