JP2005050861A - Package lid for semiconductor element and semiconductor element package using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体パッケージにおいて、気密封止時のリーク不良を低減し、且つ、空洞共振、帰還発振を抑制し、信頼性および伝送特性に優れた半導体パッケージを得る。
【解決手段】パッケージベースと組み合わせて半導体素子を収納する気密封止パッケージを形成する蓋体10において、該蓋体10を平面視したときの長辺方向L1の反りt1と短辺方向の反りt2が共に同一方向に凸であり、長辺の反り率を0.1〜1.0%とする。
【選択図】図1In a semiconductor package, there is obtained a semiconductor package which is excellent in reliability and transmission characteristics by reducing leakage failure during hermetic sealing and suppressing cavity resonance and feedback oscillation.
In a lid that forms a hermetically sealed package that houses a semiconductor element in combination with a package base, a warp t1 in a long side direction L1 and a warp t2 in a short side direction when the lid 10 is viewed in plan view. Are both convex in the same direction, and the warp rate of the long side is 0.1 to 1.0%.
[Selection] Figure 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に無線通信、光通信などの高速情報通信機器および計測機器等に使用される高周波回路デバイス並びに光素子デバイス等に使用される半導体素子用パッケージ蓋体、およびこれを用いた半導体素子パッケージ関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高周波回路デバイス並びに光素子デバイス等に使用される半導体素子パッケージ(以下、単にパッケージと称す)では、金属またはセラミックス等からなる半導体素子用パッケージ蓋体(以下、単に蓋体と称す)を金属またはセラミックス等からなるパッケージベースに取着する事により気密封止を行うことで内部に収納される半導体素子や光素子等を保護し信頼性を確保している。
【0003】
特に近年普及を続ける高速大容量の光通信用高周波回路デバイスや光素子デバイス等では、セラミックスからなる回路基板を内蔵した金属製のパッケージベースに金属製薄板からなる蓋体の周縁部をシーム溶接によって接合したものが一般的に用いられている。
【0004】
これらの蓋体は一般に金属製の薄板をプレス加工あるいはエッチング等の方法で外形を所定の形状に加工し、必要に応じて周縁部のみがその他の部分と比較して相対的に薄くなるように加工され、必要に応じて表面にメッキ等の処理を施すことにより作製される。
【0005】
図4に示す従来のパッケージ40は、金属製のパッケージベース41に半導体素子43が実装されたセラミックス等からなる回路基板42を収納し、前記半導体素子43と、回路基板42上に形成された伝送線路44と、パッケージベース41内を通過して外部の回路(不図示)と接続する端子電極45とをボンディングワイヤ46、47、48、49で接続して、これに金属製薄板からなる蓋体30を図5に示すシーム溶接等の方法にて接合し、気密封止された構造となっている。
【0006】
そして、シーム溶接は図5に示すように、台板51上に載置したパッケージベース41に蓋体30を乗せ、電極であるローラー部52で押圧しながら回転移動させつつ通電溶接する。
【0007】
なお、50はパッケージベース41と蓋体30とで形成するパッケージ40内の内部空間を示している.
ここで、蓋体30とパッケージベース41をシーム溶接等の方法で確実に気密封止する為には、蓋体30の反りを出来るだけ少なくしておく必要がある。
【0008】
しかしながら、前記蓋体30の厚みは概ね0.1mm〜0.3mmと薄いため、その製造工程あるいはパッケージ組立工程における各種の熱処理工程で反りが生じやすく、蓋体30に生じる反りが大きいと、蓋体30とパッケージベース41の隙間が大きくなり、ローラー52による通電が出来ず、パッケージ40の組立時に蓋体30のシーム溶接が出来なかったり、気密封止不良が生じてパッケージ40の歩留まりを低下させたりするなどの問題が生じる。
【0009】
特に、前記蓋体30の反りが図3(a)に示す様に、パッケージ40に組み立てるときにパッケージ40の外側に凹形状となっている蓋体31のような形状の場合、図5に示したように、シーム溶接装置のローラー部52にて押圧する際、蓋体30の角部がパッケージベース41と密着せずシーム溶接時に隙間が生じ、気密不良が生じやすいという問題があった。
【0010】
そのため、蓋体30の製造工程において反り率を測定して選別する工程が必要であるが、選別工程の付加はコスト上昇や歩留まり低下の要因となっていた。
【0011】
また、常温時には蓋体30に反りが生じていない場合でも、パッケージ40の組み立て工程における乾燥処理や溶接工程等での加熱により反りが生じることがある。
【0012】
この場合でも、蓋体30の反りは図3(b)に示す様に、対向する2辺の反り方向が異なる、いわゆるねじれを生じることが多く、この場合も、図5に示すように、組み立て工程において蓋体30とパッケージベース41とを、シーム溶接装置のローラー部52にて押圧する際に両者の間の隙間が大きくなり、通電が出来ずにシーム溶接が不可能であったり、気密不良が生じたりして、パッケージ40の歩留まりを低下させていた。
【0013】
このような問題を解決する手段として、蓋体30の一部に補強のための凸部を設けることによって反りや変形を防止する方法(特許文献1)が開示されている。
【0014】
また、パッケージベース41上面の少なくとも対向する2辺に凹形状を設けることによって、蓋体30の四隅部分のパッケージベース41との密着を良くし、気密不良を低減する方法(特許文献2)が開示されている。
【0015】
一方、これらのパッケージ40の内部には組立後に概直方体状の内部空間50が形成されることから、パッケージ40は方形空洞共振器と同様の性質を有する。そのため前記内部空間50の寸法によって定まる遮断周波数より高い周波数帯域で空洞共振を生じ、高周波特性が劣化する現象が起きる。そのため、前記周波数帯域で動作する半導体素子、光素子あるいはその他の回路素子をパッケージ40に実装して高周波回路を形成する場合には、前記内部空間50の寸法を小さく設計することによって、遮断周波数を前記回路が動作する周波数帯域よりも十分に高くする必要がある。
【0016】
しかし、パッケージ40に内蔵される回路の動作周波数が高周波化するにつれ、パッケージ40の遮断周波数が使用周波数よりも高くなるように内部空間50の寸法を十分に小さく作製することが精度上あるいは実装工程上困難となる。その為、回路の動作周波数近傍で空洞共振が生じてしまい、デバイスとしての高周波特性が劣化するという問題が生じる。
【0017】
特に近年では、光通信、無線通信の高速化への要求が高まると共に、これらの回路の動作周波数もますます高速化しており、このような問題が避けられない状況にある。
【0018】
さらに、高周波回路用のパッケージ40では、空洞共振のみならず、パッケージ40内に実装する増幅器の自己帰還発振現象を引き起こすこともある。すなわち、パッケージ40及び半導体素子43に形成された高周波伝送線路からの放射電磁波が、蓋体30によって反射されることにより、増幅器入出力線路間に不要信号の帰還が生じ、不要な発振が生じる。
【0019】
このような問題を解決する手段として、前記内部空間50の少なくとも1つのコーナー部を占めるように電波吸収体を蓋体30の一部に配置する方法(特許文献3)が開示されている。
【0020】
また、電波吸収体と蓋体30を接着等の方法で止着することなく、パッケージベース41との挟み込みあるいは蓋体30に係止部を設けることによりパッケージ40へ内蔵する方法(特許文献4)が開示されている。
【0021】
【特許文献1】
特開平5−144959号公報
【0022】
【特許文献2】
特開2001−244355号公報
【0023】
【特許文献3】
特開平6−236935号公報
【0024】
【特許文献4】
特開平6−338696号公報
【0025】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に開示されているように、補強の為の凸部を蓋体30に設ける為には、蓋体30の作製工程で絞り加工用の金型が必要であり、蓋体30のコスト上昇の要因となっていた。また、蓋体30に凸部を設けることは、パッケージ40の内部空間50を狭くする、あるいはパッケージベース41の高さを高くし、実装面や装置の省スペース化を図る際に障害となっていた。
【0026】
また、特許文献2に開示されているように、凹形状の加工をパッケージベース41上面に施す為には、大型プレス機によるプレス加工や特殊な研削加工が必要であるため、量産性が無く、パッケージ40の単価が高くなるという問題があった。
【0027】
さらに、パッケージベース41上面をプレス加工により凹形状にする方法は、パッケージベース41全体に歪みを生じさせる原因となり、実装性の低下や光学素子の位置精度低下につながるため、適切でなかった。
【0028】
また、特許文献3に開示されているように、内部空間50の少なくとも1つのコーナー部を占めるように電波吸収体を蓋体30に配置すれば、蓋体30と電波吸収体および接合剤の線膨張率差により、蓋体30の角部付近に部分的な応力が発生し反りを生じる。
【0029】
前述のように蓋体30角部付近の反りは気密封止不良が特に生じやすく、パッケージ40の歩留まりを低下させる要因となる。
【0030】
また、特許文献4に開示されているように、挟み込みや係止によって電波吸収体を蓋体30に固定する方法では、電波吸収体と蓋体30および接合剤の線膨張率差による反りが生じない為、蓋体30の反りが小さくなり、気密封止不良が低減出来る反面、蓋体30あるいはパッケージベース41に係止部を設ける為の特別な加工が必要であり、コスト上昇の要因となっていた。
【0031】
また、組立後に外部から振動が加わった場合、パッケージ40内部で電波吸収体が動くことで、電波吸収体材料の周縁部が脱落して屑が発生し、パッケージ40内部の回路に付着して回路をショートさせたり、光学素子へ付着して伝送特性を悪化させたりする等の問題が生じていた。
【0032】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明は、パッケージベースと組み合わせて半導体素子を収納するための金属製の半導体素子用パッケージ蓋体において、該半導体素子用パッケージ蓋体の面の長辺と短辺方向の反りを共に半導体素子パッケージの外側方向に凸となる関係としたことを特徴とする。
【0033】
そして、前記半導体素子用パッケージ蓋体の長辺方向の反りが、前記長辺の長さに対して0.1%〜1.0%の大きさで有ることを特徴とする。
【0034】
また、前記半導体素子用パッケージ蓋体は、金属製の基材の少なくとも一方の主表面に該基材とは線膨張係数の異なる付加部材を取着した構成とし、前記付加部材は前記基材よりも線膨張係数が大きく、且つ、前記半導体素子パッケージの内側に相当する面に取着された構造であるか、もしくは、前記付加部材は前記基材よりも線膨張係数が小さく、且つ、前記半導体素子パッケージの外側に相当する面に取着された構造であることを特徴とる。
【0035】
さらに、前記付加部材は前記基材よりも線膨張係数が大きい電磁波吸収体であり、且つ、前記半導体素子パッケージの内側に相当する面に取着された構造であることを特徴とする。
【0036】
加えて、前記半導体素子用パッケージ蓋体を半導体素子パッケージに用いたことを特徴とする。
【0037】
【作用】
本発明のように、前記半導体素子用パッケージ蓋体を平面視したときの長辺方向の反りと短辺方向の反りが共に同一方向に凸となるようにすることで、製造工程や熱処理工程での反りが生じやすい条件下においても、予め、前記半導体素子用パッケージ蓋体に前述のような反りを設けてあることから、前記熱処理工程などによって、加熱による膨張収縮の影響や、残留応力の影響等で、さらに反りが大きくなることを防止できるとともに、新たな異方向の反りなどが起り難いために、パッケージケースとの組み合わせ時における反りの方向を揃えやすいことから、前記パッケージケース側と相対する方向に凸とすることができ、組み立て工程における蓋体角部の密着性が良好となり、より気密不良を防止できる。
【0038】
そして、前記半導体素子用パッケージ蓋体の長辺方向の反りが、前記長辺の長さに対して0.1%〜1.0%の大きさで設定することによって、熱処理工程によって発生する歪みが抑えられるとともに、蓋体とパッケージケースとがなす接合部の隙間を小さくすることができる。
【0039】
また、前記半導体素子用パッケージ蓋体を、金属製の基材と、該基材の主表面の少なくとも一方に線膨張係数の異なる付加部材を取着することによって、容易に反りの方向を揃えることができるとともに、線膨張係数の違う付加部材を適宜選択することによって、反りの大きさを変えることを可能とし、長辺と短辺の反りを同一方向に凸とすることができる。
【0040】
さらに、前記付加部材に前記基材よりも線膨張係数が大きい電波吸収体を用いることで放射電磁波を防止できることから、前記半導体素子用パッケージの共振を防止できる。
【0041】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図1、2を用いて説明する。
【0042】
図1の(a)は本発明の一例を示す斜視図であり、(b),(c)は本発明の蓋体の他の例を示し、蓋体の長辺方向に短辺中央部付近で破断した断面図である。また、図2は本発明の蓋体を用いたパッケージの一例を示す断面図である。
【0043】
図1(a)の蓋体10は、面1a、1bを有する金属製の概長方形状の基材1からなり、該基材1は面1a側が凸となるように形成し、前記面1a、1bはそれぞれパッケージの外面、内面を構成するようにしてある。
【0044】
また、長辺の寸法をL1としたときに、前記金属製の基材1の長辺の反り量をt1としてある。
【0045】
そして、蓋体10の長辺の反りと短辺の反りをともに同一方向に凸としたことで、パッケージの熱処理工程での温度上昇時において、反り率の増加やねじれを生じることが無くなり、パッケージ組立工程における気密不良を生じることが無く歩留まりが向上するようにしてある。
【0046】
さらに、t1/L1×100(%)を0.1%〜1.0%とすることで、パッケージ組立工程における歩留まりがさらに向上するようにしてある。
【0047】
そして、図2に示すパッケージ20は、金属製のパッケージベース21に半導体素子23が実装されたセラミックス等からなる回路基板22を収納し、前記半導体素子23と、回路基板22上に形成された伝送線路24と、パッケージベース21内を通過して外部の回路(不図示)と接続する端子電極25とをボンディングワイヤ26、27、28、29で接続してある。そして、金属製の基材1のパッケージベース21側の面側1bに、付加部材3として電波吸収体、接合剤としてはんだを用いて接合した金属製薄板からなる蓋体12をシーム溶接等の方法にて接合し、気密封止した構造となっている。
【0048】
なお、パッケージベース21と蓋体12とで形成するパッケージ20内の内部空間15としている。
【0049】
すなわち、本発明者らは、パッケージ20における気密不良の原因が前記蓋体30の反りにあることに着目し、前記反りが長辺と短辺で同一方向に凸であり、前記パッケージケースの外側方向に凸とすることで、前記気密不良を防止できることを知見したのである。
【0050】
蓋体は、本来であれば平坦であることがよいのであるが、逆に平坦であると、パッケージベース21に接合するための組立て工程での熱処理によって、前記蓋体が変形し、反りを生じる事になるのであるが、このままであると、互いに異なった方向に反るいわゆる歪みの反りとなる恐れがあり、これをこのままシーム溶接しようとすると、図5で示したようなローラー部51によって、蓋体30が破損したり、例え、破損なく接合したとしても、蓋体30の4辺が均一にパッケージベース41に密着されなくなることによる気密不良が発生しやすい接合となって好ましくない。
【0051】
つまり、本発明のように、前記蓋体10(12)の反りが長辺と短辺で同一方向に凸であり、前記パッケージケース21の外側方向に凸とすることで、前記パッケージケース21に蓋体10(12)の4辺が前記ローラー部51によって押圧されたときに完全に密着することができるために気密不良を防止できるのである。
【0052】
しかしながら、前記の反りは際限なく大きければよいというものではなく、前記接合剤が蓋体10(12)とパッケージベース21との反りによって生ずる隙間を十分埋めることが可能な範囲で設定することが肝要であり、その観点からすると反り率t1/L1×100(%)を0.1%〜1.0%とすることが好ましく、さらには、0.1%〜0.5%の範囲がより好ましい。
【0053】
前記反り率が0.1%未満であると、前記の不均一な歪みの反りが発生しやすくなり、本発明の効果は薄まり、1.0%を超えると蓋体10(12)とパッケージベース21との前記隙間が大きくなるので気密不良になりやすくなるからである。
【0054】
ここで、蓋体10の長辺方向の反りと短辺方向の反りを共に同一方向へ凸とするためには、金属製の基材1を、母材からプレス機で金型を用いて打ち抜くときの、金型の上下パンチ部に所望の形状が得られるような曲面を設ければ良く、あるいは、一旦所定の形状に外辺のみを母材よりプレス打ち抜きまたはエッチング加工した後、上下パンチ部に所望の形状が得られるような曲面を設けた金型によってプレス加工すればよい。
【0055】
より好適には、図1(b)、(c)に示すように、前記基材1に、付加部材2または3を、前記基材1の面1a、1bのどちらか一方に、接合剤を介して取着した構成とし、前記付加部材2または3の線膨張係数と接合剤の硬化温度を調整することで、所望の反りが得られるように蓋体11および12を構成しても良い。
【0056】
つまり、前記基材1の線膨張係数と異なった線膨張係数を有した付加部材2または3を接合すれば、基材1は必ずどちらかに凸となって、蓋体11もしくは蓋体12を得る事となる。
【0057】
なお、基材1の1b面側に付加部材3を取着する場合、付加部材3の線膨張係数を基材1よりも大きくすることで、半田接合時の半田融点と常温の温度差による両者の収縮差により、長辺短辺ともに凸形状の反りを発生させることが出来る。
【0058】
逆に基材1の1a面側に付加部材2を取着する場合、付加部材2の線膨張係数を基材1よりも小さくすることで、半田接合時の半田融点と常温の温度差による両者の収縮差により、長辺、短辺共に凸形状の反りを発生させることが出来る。
【0059】
このことにより、金型を用いて蓋体に反りを付加する場合と比較して、反り率のばらつきが少なく、安定した形状の反りを生じさせることが出来、蓋体の歩留まりを向上させることが可能となるのである。
【0060】
さらには、前記付加部材3の線膨張係数が基材1の線膨張係数と比較して大きく設定した電波吸収体を用いても良く、組立後にパッケージの内部側に配置するようにすれば、気密不良が低減できると同時に、半導体素子23、伝送線路24、ボンディングワイヤ25、およびそれぞれの接続部分等からの発生する放射電磁波が、付加部材3を構成する電波吸収体により吸収減衰されるため、基材1による前記放射電磁波の内部反射が抑制される結果、空洞共振や発振現象が抑制され、高周波での周波数特性に優れたものとすることが可能となるのである。
【0061】
なお、金属製の基材1としては、例えばFe−Ni−Co合金等の薄板をプレス打ち抜きまたはエッチング等の方法で所定の形状に加工し、さらに表面保護、酸化防止等の目的でNiメッキを施した後、更にAuメッキを施すことで、図1(a)〜(c)の基材1を得ることができる。
【0062】
さらに、前記基材1には、Fe−Ni−Co合金に限らずFe、Fe−Ni、Cu、Cu−W、Al、その他の金属あるいは金属合金から選択して用いればよいが、パッケージの耐熱サイクル性を向上させる為、パッケージベースと線膨張係数が近い物を用いるのが適切である。
【0063】
付加部材と蓋体の線膨張係数の差は、極端な応力が発生して剥離を起こさぬように0.5X10―6/℃から5X10―6/℃の間が好ましい。
【0064】
付加部材のサイズは蓋体の面積に極力近い方が均一な反りとなるので、蓋体の90%以上の面積を有するのが好ましい。
【0065】
また、付加部材2,3として、Fe−Ni−Co合金、Fe、Fe−Ni合金、Cu、Cu−W合金、Al、その他の金属あるいは金属合金を用いる場合、金属の種類あるいは合金の種類および配合比率を調整することで、所望の線膨張係数が得られるように調整することが出来る。
【0066】
さらに、付加部材2,3として電波吸収体を使用する場合、そのベースとなる樹脂やセラミックス、磁性体の種類および配合比率を調整することで、所望の線膨張係数が得られるように調整することができる。
【0067】
フェライト系電波吸収体としては、例えばMn−Zn系フェライト、Ni−Zn系フェライト、Cu−Zn系フェライト、Cu−Zn−Mg系フェライト、Mn−Mg−Al系フェライト、Y型六方晶フェライト、Z型六方晶フェライト、M型六方晶フェライト、等から選択すればよい。
【0068】
また、樹脂と磁性材料との複合材量からなる電波吸収体を用いる場合、樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等が使用でき、一方磁性材料としては、アモルファス磁性金属合金、Ni−Fe系合金、カーボニル鉄、その他軟磁性金属材料または前記フェライト系電波吸収体の中から選択すればよい。
【0069】
【実施例】
まず、Fe−Ni−Co合金製の薄板をエッチング加工にて所定の外辺形状に加工して前記基材1を得た後、パンチ面に曲面形状を有する金型にて、長辺、短辺共に同一方向に凸となるようにプレス加工を行い、表面に電解メッキ法にてNiメッキを施し、更に同じく電解メッキ法でAuメッキを施し、蓋体10を作製した。その際、金型のパンチ面の曲率を変化させ、長辺の反り率が0%〜2%まで変化させた表1に示す試料を作製した。
【0070】
また、図2に示すように、Fe−Ni−Co合金製の薄板をエッチング加工にて所定の外辺形状に加工後、同じくNi、Auメッキを施して基材1を作成後、同じ金属合金であるが、それぞれの成分および比率を調整して線膨張係数を変化させた付加部材2または3を基材1と同様の方法で作製し、基材1にそれぞれ半田を用いて接合し、蓋体11、12を作製した。その際、付加部材2または3の線膨張係数と半田の融点を調整し、長辺の反り率が0%〜2%まで変化させた試料を作製した。
【0071】
次に、蓋体12の付加部材3を電波吸収体に変えて、基材1の1b面側に半田を用いて取着し、長辺短辺共に凸形状で反り率0.8%および1.0%の蓋体12を作製した。
【0072】
なお、電波吸収体にはフェライト系のセラミック材料を使用したが、パッケージ20の使用周波数や要求される吸収特性、耐熱性、信頼性等を考慮し、樹脂と磁性材料との複合材料からなる電波吸収体を用いても良い。また、電波吸収体表面に半田濡れ性を付与する為に、電波吸収体の基材1との接合面に、真空蒸着法により、NiさらにAuの金属膜を施した。
【0073】
また、付加部材2、3の寸法は基材11の寸法よりも小さく設定し、パッケージベース21と組み合わせてシーム溶接する為の周縁部には付加部材2、3並びに半田等が重ならない様にした。
【0074】
次に、作製した蓋体11、12をパッケージ20の組み立て工程における乾燥条件である、200℃のオーブンにて24時間の乾燥処理を行い、その後常温に戻したときの反り率と反り方向の変化を測定した。
【0075】
そして、図2に示すように、回路基板22を実装したパッケージベース21に、それぞれの蓋体10をシーム溶接にて気密封止し、パッケージ20をそれぞれ100個作製した。ここで、パッケージ20の端子電極25と、回路基板22上に形成された伝送線路24とはボンディングワイヤ28,29で接続されている。
なお、本実施例では、パッケージ20の空洞共振現象をより詳細に観察する為に、半導体素子23は実際には実装せず、代わりに伝送線路22,24のみとした。
【0076】
次に、上記の方法で作成したパッケージ20を加圧ヘリウムリーク試験にて気密不良率を調査した。気密封止不良の判断基準としては、ヘリウムリーク率で1.0×10−6atm・cm3/秒とし、それより大きい値を示した物を不良として、不良率を算出した。
【0077】
また、高周波入力側、出力側の端子電極にそれぞれ高周波特性測定用のプローブを接続し、プローブはそれぞれネットワークアナライザー201のポート1(202)、ポート2(203)に接続して、パッケージ20の伝送特性を評価した。伝送特性は、従来の金属のみからなる蓋体30を使用した場合(比較例として試料1、2)と、本発明の蓋体10,11,12を使用した場合(実施例として試料28、29)の電力透過係数の最小値(S21 min)を、ネットワークアナライザー201を用いて100MHz〜40.1GHzまで測定し、共振抑制効果の有無を確認した。
【0078】
【表1】
【0079】
上記実験の結果、表1に示すように、本発明の実施例である試料3、5、7、9、11、13〜15、17〜25は、パッケージ組立工程における200℃、24時間の乾燥処理後であっても、反りの方向、反り率の変化が少なく、組立後のHeリーク試験においてもリーク不良率が極めて小さかったのに対し、比較例である試料1、2、4、6、8、10、13は、200℃、24時間の乾燥のための熱処理によって、反り率が増加したり、長辺と短辺の反りの方向が違う歪みの反りが発生し、その結果、蓋体の角部においてパッケージベースとの密着が悪くなり、組立後のHeリーク試験においてリーク不良率が高い結果となった。
【0080】
また、本発明の実施例である、蓋体の長辺、短辺の反りが共にパッケージ内側に凸になっている試料17では、同じく蓋体角部でのパッケージベースとの密着が悪くなり、組立後のHeリーク試験においてリーク不良率が高い結果となった。
【0081】
また、本発明の実施例である反り率が0.1〜1.0%の大きさである試料5、7、9、14、15、17、20〜22、24、25は、比較例である反り率が0.1未満および反り率が1.0%を超える大きさである試料3、13、18、19、23と比較して、パッケージ組立後のHeリーク試験における歩留まりが良好であることが確認された。
【0082】
さらに、付加部材として電波吸収体を使用した試料24、25では、パッケージ組み立て工程における200℃、24時間の乾燥処理後においても、歪みの発生や反り率の増加が見られず、リーク不良率が0%であると同時に、40GHzまでの範囲で空洞共振を抑制する効果が確認された。
【0083】
上記の一連の実験結果によると、本発明の請求範囲の半導体パッケージ用蓋体1を用いれば、気密性に優れ、高信頼性であり、かつ、高周波での伝送特性に優れたパッケージ20を製造することが可能となることが確認された。
【0084】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、パッケージベースと組み合わせて半導体素子を収納する半導体素子用パッケージ蓋体において、該蓋体を平面視したときの長辺と短辺の反りが共に同一方向に凸であり、長辺の反り率を0.1〜1.0%とすることで、気密封止性に優れた高信頼性の半導体素子用パッケージを得ることが可能となる。
【0085】
そして、前記半導体素子用パッケージ蓋体を、金属製の基材と、該基材の主表面の少なくとも一方に線膨張係数の異なる付加部材を取着することによって、容易に反りの方向を揃えることができるようになり、線膨張係数の違う付加部材を適宜選択することによって、反りの大きさを変えることを可能とし、長辺と短辺の反りを同一方向に凸とすることができるとともに反り率を調整できる。
【0086】
さらに、蓋体の内面側に電波吸収体を取着した構成とすれば、気密封止性に優れると同時に、高周波での伝送特性にも優れた半導体パッケージを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の半導体素子用パッケージ蓋体の斜視図であり、(b),(c)は本発明の半導体素子用パッケージ蓋体の他の一例を示す断面図である。
【図2】本発明の半導体素子用パッケージの断面図および、伝送特性の測定方法を示した概略図である。
【図3】(a)、(b)は従来の半導体素子用パッケージ蓋体の斜視図である。
【図4】従来の半導体素子用パッケージの断面図である。
【図5】従来の半導体素子用パッケージの組み立て工程を示した概略図である。
【符号の説明】
1,31,32・・・・基材
1a,1b・・・面
2,3・・・・・付加部材
10,30・・・半導体素子用パッケージ蓋体
20,40・・・半導体素子パッケージ
21,41・・・パッケージベース
22,42・・・回路基板
23,43・・・半導体素子
24,44・・・伝送線路
25,45・・・端子電極
26,27,28,29・・・ボンディングワイヤ
15,50・・・内部空間
46,47,48,49・・・ボンディングワイヤ
51・・・台板
52・・・ローラー部
200・・・伝送特性測定装置
201・・・ネットワークアナライザー
202・・・ポート1
203・・・ポート2[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention particularly relates to a high-frequency circuit device used for high-speed information communication equipment and measurement equipment such as wireless communication and optical communication, a semiconductor device package lid used for an optical device and the like, and a semiconductor device using the same It is about the package.
[0002]
[Prior art]
In semiconductor element packages (hereinafter simply referred to as packages) used for high-frequency circuit devices and optical element devices, semiconductor element package lids (hereinafter simply referred to as lid bodies) made of metal or ceramics are referred to as metals or ceramics. The semiconductor element and the optical element housed in the interior are protected by airtight sealing by attaching to a package base made of, etc., and reliability is ensured.
[0003]
Especially in high-speed and high-capacity high-frequency circuit devices for optical communications and optical element devices, which have been widely used in recent years, the periphery of a lid made of a thin metal plate is seam welded to a metal package base containing a circuit board made of ceramics. What was joined is generally used.
[0004]
In general, these lids are made by processing a metal thin plate into a predetermined shape by a method such as pressing or etching, and if necessary, only the peripheral part is relatively thin compared to other parts. It is processed and manufactured by subjecting the surface to a treatment such as plating as necessary.
[0005]
A
[0006]
As shown in FIG. 5, the seam welding is performed by energizing welding while placing the
[0007]
Here, in order to securely seal the
[0008]
However, since the thickness of the
[0009]
In particular, as shown in FIG. 3, the warping of the
[0010]
For this reason, a process of measuring and selecting the warpage rate in the manufacturing process of the
[0011]
Further, even when the
[0012]
Even in this case, as shown in FIG. 3B, the warping of the
[0013]
As means for solving such a problem, a method (Patent Document 1) for preventing warpage and deformation by providing a convex portion for reinforcement on a part of the
[0014]
In addition, a method is disclosed in which a concave shape is provided on at least two opposite sides of the upper surface of the
[0015]
On the other hand, since an approximately rectangular parallelepiped
[0016]
However, as the operating frequency of the circuit built in the
[0017]
In particular, in recent years, demands for higher speeds of optical communication and wireless communication have increased, and the operating frequency of these circuits has been increased more and more, and such a problem is inevitable.
[0018]
Further, in the
[0019]
As a means for solving such a problem, a method of disposing a radio wave absorber on a part of the
[0020]
Further, the electromagnetic wave absorber and the
[0021]
[Patent Document 1]
JP-A-5-144959
[0022]
[Patent Document 2]
JP 2001-244355 A
[0023]
[Patent Document 3]
JP-A-6-236935
[0024]
[Patent Document 4]
JP-A-6-338696
[0025]
[Problems to be solved by the invention]
However, as disclosed in
[0026]
In addition, as disclosed in
[0027]
Furthermore, the method of forming the concave shape on the upper surface of the
[0028]
Further, as disclosed in
[0029]
As described above, the warp near the corner of the
[0030]
Further, as disclosed in Patent Document 4, in the method of fixing the radio wave absorber to the
[0031]
In addition, when vibration is applied from the outside after assembly, the radio wave absorber moves inside the
[0032]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, the present invention provides a metal semiconductor element package lid for housing a semiconductor element in combination with a package base, wherein both the long side and the short side warpage of the semiconductor element package lid are semiconductor. It is characterized by having a convex relationship in the outer direction of the element package.
[0033]
And the curvature of the long side direction of the said package lid | cover for semiconductor elements is a magnitude | size of 0.1%-1.0% with respect to the length of the said long side, It is characterized by the above-mentioned.
[0034]
Further, the package lid for a semiconductor element has a configuration in which an additional member having a linear expansion coefficient different from that of the base material is attached to at least one main surface of a metal base material, and the additional member is formed from the base material. The linear expansion coefficient is large and the structure is attached to a surface corresponding to the inside of the semiconductor element package, or the additional member has a smaller linear expansion coefficient than the base material, and the semiconductor. A feature is that the structure is attached to a surface corresponding to the outside of the element package.
[0035]
Further, the additional member is an electromagnetic wave absorber having a linear expansion coefficient larger than that of the base material, and has a structure attached to a surface corresponding to the inner side of the semiconductor element package.
[0036]
In addition, the semiconductor element package lid is used for a semiconductor element package.
[0037]
[Action]
As in the present invention, the warp in the long side direction and the warp in the short side direction when both of the semiconductor element package lids are viewed in plan are convex in the same direction. Even under conditions where warpage is likely to occur, since the warp as described above is provided in advance in the semiconductor device package lid, the effects of expansion and contraction due to heating and the effects of residual stress are caused by the heat treatment step and the like. Since it is possible to prevent further warping from occurring and to prevent new warping in a different direction, it is easy to align the warping direction when combined with the package case. It can be convex in the direction, the adhesion of the lid corner in the assembling process becomes good, and airtight defects can be prevented more.
[0038]
Further, the warpage in the long side direction of the package lid for a semiconductor element is set to a size of 0.1% to 1.0% with respect to the length of the long side, thereby causing distortion generated by the heat treatment process. And the gap between the joints formed by the lid and the package case can be reduced.
[0039]
Further, the semiconductor device package lid can be easily aligned in the direction of warping by attaching an additional member having a different linear expansion coefficient to at least one of a metal base material and the main surface of the base material. In addition, by appropriately selecting additional members having different linear expansion coefficients, it is possible to change the magnitude of the warp, and to warp the long side and the short side in the same direction.
[0040]
Furthermore, since a radiated electromagnetic wave can be prevented by using a radio wave absorber having a linear expansion coefficient larger than that of the base material for the additional member, resonance of the semiconductor element package can be prevented.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0042]
(A) of FIG. 1 is a perspective view showing an example of the present invention, and (b) and (c) show other examples of the lid of the present invention, near the center of the short side in the long side direction of the lid. FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a package using the lid of the present invention.
[0043]
The
[0044]
Moreover, when the dimension of the long side is L1, the amount of warpage of the long side of the
[0045]
Further, since the warp of the long side and the warp of the short side of the
[0046]
Furthermore, the yield in the package assembly process is further improved by setting t1 / L1 × 100 (%) to 0.1% to 1.0%.
[0047]
A
[0048]
An
[0049]
That is, the present inventors pay attention to the cause of the airtight failure in the
[0050]
The lid is preferably flat in nature. However, if the lid is flat, the lid is deformed and warped by heat treatment in an assembly process for joining to the
[0051]
That is, as in the present invention, the warpage of the lid 10 (12) is convex in the same direction on the long side and the short side, and is convex in the outer direction of the
[0052]
However, the warp is not limited to an infinitely large amount, and it is important that the bonding agent is set within a range in which the gap generated by the warp between the lid 10 (12) and the
[0053]
When the warp rate is less than 0.1%, the uneven distortion warp is likely to occur, and the effect of the present invention is reduced. When the warp rate exceeds 1.0%, the lid 10 (12) and the package base are reduced. This is because the gap with 21 is increased, and airtightness is likely to occur.
[0054]
Here, in order to make both the warp in the long side direction and the warp in the short side direction of the
[0055]
More preferably, as shown in FIGS. 1B and 1C, the
[0056]
That is, if the
[0057]
In addition, when attaching the
[0058]
On the contrary, when the
[0059]
As a result, compared to the case where warpage is added to the lid using a mold, there is less variation in the warpage rate, a stable shape can be warped, and the yield of the lid can be improved. It becomes possible.
[0060]
Furthermore, a radio wave absorber in which the linear expansion coefficient of the
[0061]
In addition, as the
[0062]
Further, the
[0063]
The difference in coefficient of linear expansion between the additional member and the lid is 0.5X10 so that extreme stress is generated and peeling does not occur.―6/ ° C to 5X10―6/ ° C is preferred.
[0064]
Since the additional member has a uniform warp as much as possible to the area of the lid, it preferably has an area of 90% or more of the lid.
[0065]
In addition, when the
[0066]
Furthermore, when using a radio wave absorber as the
[0067]
Examples of ferrite wave absorbers include Mn—Zn ferrite, Ni—Zn ferrite, Cu—Zn ferrite, Cu—Zn—Mg ferrite, Mn—Mg—Al ferrite, Y-type hexagonal ferrite, Z It may be selected from type hexagonal ferrite, M type hexagonal ferrite, and the like.
[0068]
In addition, when using a radio wave absorber composed of a composite material of resin and magnetic material, for example, epoxy resin, phenol resin, melamine resin, urea resin, unsaturated polyester resin, polyimide resin, etc. can be used as the resin. The magnetic material may be selected from amorphous magnetic metal alloys, Ni-Fe alloys, carbonyl iron, other soft magnetic metal materials, or the ferrite wave absorber.
[0069]
【Example】
First, a thin plate made of an Fe—Ni—Co alloy is processed into a predetermined outer side shape by etching to obtain the
[0070]
In addition, as shown in FIG. 2, after processing a thin plate made of Fe—Ni—Co alloy into a predetermined outer shape by etching, the same metal alloy is formed after applying Ni and Au plating to form a
[0071]
Next, the
[0072]
In addition, although the ferrite type ceramic material was used for the radio wave absorber, the radio wave made of a composite material of a resin and a magnetic material in consideration of the operating frequency of the
[0073]
In addition, the dimensions of the
[0074]
Next, the produced
[0075]
Then, as shown in FIG. 2, each
In this embodiment, in order to observe the cavity resonance phenomenon of the
[0076]
Next, the hermetic failure rate of the
[0077]
Further, probes for measuring high frequency characteristics are connected to the terminal electrodes on the high frequency input side and output side, respectively, and the probes are connected to port 1 (202) and port 2 (203) of the
[0078]
[Table 1]
[0079]
As a result of the experiment, as shown in Table 1,
[0080]
In addition, in the sample 17 in which the warp of the long side and the short side of the lid are both convex toward the inside of the package, which is an example of the present invention, the close contact with the package base at the corner of the lid is also deteriorated. In the He leak test after assembly, the leak defect rate was high.
[0081]
[0082]
Further, in the
[0083]
According to the above series of experimental results, the use of the
[0084]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in a package lid for a semiconductor element that houses a semiconductor element in combination with a package base, the warp of the long side and the short side when the lid is viewed in plan is in the same direction. It is possible to obtain a highly reliable package for a semiconductor element having excellent hermetic sealing properties by setting the warpage rate of the long side to 0.1 to 1.0%.
[0085]
Then, the semiconductor element package lid can be easily aligned in the direction of warping by attaching an additional member having a different linear expansion coefficient to at least one of the metal base and the main surface of the base. By appropriately selecting additional members having different linear expansion coefficients, it becomes possible to change the warpage, and the warpage of the long side and the short side can be made convex in the same direction. You can adjust the rate.
[0086]
Furthermore, when the radio wave absorber is attached to the inner surface side of the lid, it is possible to obtain a semiconductor package that is excellent in hermetic sealing properties and also excellent in high-frequency transmission characteristics.
[Brief description of the drawings]
1A is a perspective view of a package lid for a semiconductor element of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing another example of the package lid for a semiconductor element of the present invention. .
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor device package according to the present invention and a schematic diagram showing a method for measuring transmission characteristics.
3A and 3B are perspective views of a conventional package lid for a semiconductor element.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device package.
FIG. 5 is a schematic view showing an assembling process of a conventional semiconductor device package.
[Explanation of symbols]
1, 31, 32... Base material
1a, 1b ... surface
2,3 ... Additional members
10, 30... Semiconductor device package lid
20, 40 ... Semiconductor device package
21,41 ... Package base
22, 42 ... Circuit board
23, 43 ... Semiconductor element
24, 44 ... Transmission line
25, 45 ... Terminal electrodes
26, 27, 28, 29 ... bonding wires
15, 50 ... Internal space
46, 47, 48, 49 ... bonding wires
51 ... Base plate
52 ... Roller part
200 ... Transmission characteristic measuring device
201: Network analyzer
202 ...
203 ...
Claims (5)
Priority Applications (1)
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Publications (1)
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-
2003
- 2003-07-29 JP JP2003203193A patent/JP2005050861A/en active Pending
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