JP2023160007A - 半導体パッケージ用ステム、半導体パッケージ - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体パッケージを構成したときの伝送特性を向上することが可能な半導体パッケージ用ステム及び半導体パッケージを提供する。【解決手段】半導体パッケージ用ステム１は、第１面１１ａ及び第１面１１ａの反対面である第２面１１ｂを備えた平板部１１、平板部１１の第１面１１ａに開口するキャビティ部１２及び平板部１１の第２面１１ｂから突起する金属ブロック１３を備えたアイレット１０と、第１面１１ａから第２面１１ｂに貫通するリードと、有する。金属ブロック１３の体積は、キャビティ部１２の体積と略同一である。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージ用ステム、及び半導体パッケージに関する。
発光素子を搭載した半導体パッケージにおいて、搭載される発光素子の発熱が大きい場合には、温度調節用の冷却素子が搭載され、冷却素子上に配置された素子搭載用基板に発光素子が搭載されることがある。
このような構造では、冷却素子が比較的厚いため、それに合わせて信号用のリードも長くなる。そのため、信号用のリードから発光素子までの伝送線路長が長くなり、所定の特性インピーダンスが得られず、半導体パッケージの伝送特性が悪化する場合がある。
特許第６７９４１４０号
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、半導体パッケージを構成したときの伝送特性を向上することが可能な半導体パッケージ用ステムを提供することを課題とする。
本半導体パッケージ用ステムは、第１面及び前記第１面の反対面である第２面を備えた平板部、前記平板部の前記第１面に開口するキャビティ部、及び前記平板部の前記第２面から突起する金属ブロック、を備えたアイレットと、前記第１面から前記第２面に貫通するリードと、有し、前記金属ブロックの体積は、前記キャビティ部の体積と略同一である。
開示の技術によれば、半導体パッケージを構成したときの伝送特性を向上することが可能な半導体パッケージ用ステムを提供することができる。
第１実施形態に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図である。 第１実施形態に係る半導体パッケージを例示する図である。 比較例に係る半導体パッケージを例示する断面図である。 第１実施形態の変形例１に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図である。 第１実施形態の変形例１に係る半導体パッケージを例示する図である。 シミュレーションの結果について説明する図（その１）である。 シミュレーションの結果について説明する図（その２）である。 シミュレーションの結果について説明する図（その３）である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線に沿う断面図である。
図１を参照すると、第１実施形態に係る半導体パッケージ用ステム１は、アイレット１０と、第１リード２１と、第２リード２２と、第３リード２３と、第４リード２４と、第５リード２５と、第６リード２６と、第７リード２７と、第８リード２８と、封止部３０とを有する。半導体パッケージ用ステム１は、例えば、光通信用のステムとして用いることができる。
なお、第１リード２１と、第２リード２２と、第３リード２３と、第４リード２４と、第５リード２５と、第６リード２６と、第７リード２７と、第８リード２８とを特に区別する必要がない場合には、単に、リードと称する。
アイレット１０は、平板部１１と、キャビティ部１２と、金属ブロック１３とを備えている。
平板部１１は、円板状の部材であり、第１面１１ａ、及び第１面１１ａの反対面である第２面１１ｂを備えている。第１面１１ａと第２面１１ｂは、略平行である。第１面１１ａ及び第２面１１ｂの直径は、特に制限がなく、目的に応じて適宜決定できるが、例えば、φ３．８ｍｍやφ５．６ｍｍ等である。第１面１１ａから第２面１１ｂまでの距離Ｄ１、すなわち、平板部１１の厚さは、特に制限がなく、目的に応じて適宜決定できる。距離Ｄ１は、例えば、１．０ｍｍ以上２ｍｍ以下程度である。平板部１１は、例えば、鉄や鉄ニッケル合金、コバール、銅等の金属材料から形成できる。平板部１１の表面に金めっき等を施してもよい。
なお、本願において、円板状とは、平面形状が略円形で所定の厚さを有するものを指す。直径に対する厚さの大小は問わない。又、部分的に凹部や凸部、貫通孔等が形成されているものも含むものとする。又、本願において、平面視とは対象物を平板部１１の第１面１１ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を平板部１１の第１面１１ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
平板部１１の外縁部に、平面視において、外周側から中心側に窪んだ形状の１つ以上の切り欠き部が形成されてもよい。切り欠き部は、例えば、平面形状が略三角状や略四角状の窪みである。切り欠き部は、例えば、半導体パッケージ用ステム１に半導体素子を搭載する際の位置出し等に用いることができる。又、切り欠き部は、例えば、半導体パッケージ用ステム１の回転方向の位置出し等に用いることができる。
キャビティ部１２は、平板部１１の第１面１１ａに開口する。言い換えれば、キャビティ部１２は、平板部１１の第１面１１ａから第２面１１ｂ側に窪む凹部である。キャビティ部１２は、底面１２ａと、底面１２ａの外縁に接続する内側面１２ｂにより形成されている。キャビティ部１２は、冷却素子を配置するための領域である。キャビティ部１２の平面形状や体積は、配置する冷却素子に合わせて適宜決定できる。図１の例では、キャビティ部１２の平面形状は略長方形であり、キャビティ部１２の底面１２ａ及び内側面１２ｂにより画定される空間は略直方体である。
キャビティ部１２の内側面１２ｂは、平板部１１の第１面１１ａに対して略垂直であることが好ましい。これにより、平板部１１の第１面１１ａに開口する部分のキャビティ部１２の面積を小さくできるため、冷却素子を配置する領域を必要以上に大きくしなくて済む。その結果、平板部１１を小型化することができる。なお、略垂直とは、対象物同士のなす角度が９０±５度の場合を意味する。また、キャビティ部１２の底面１２ａは、平板部１１の第１面１１ａと略平行であることが好ましい。これにより、キャビティ部１２の内部に冷却素子を配置することが容易となる。なお、略平行とは、対象物同士のなす角度が１８０±５度の場合を意味する。
また、平板部１１の第１面１１ａからキャビティ部１２の底面１２ａまでの距離Ｄ２は、平板部１１の第１面１１ａから第２面１１ｂまでの距離Ｄ１の１／２以上であることが好ましい。これにより、キャビティ部１２内に比較的高さの高い冷却素子を配置することができる。距離Ｄ２は、距離Ｄ１の２／３以上であることがより好ましく、３／４以上であることがさらに好ましい。距離Ｄ２が大きいほど、キャビティ部１２内に高さのさらに高い冷却素子を配置することができる。
金属ブロック１３は、平板部１１の第２面１１ｂから下方に突起する。平板部１１の第２面１１ｂに対する金属ブロック１３の突起量Ｐは、平板部１１の第１面１１ａからキャビティ部１２の底面１２ａまでの距離Ｄ２と同程度である。突起量Ｐは、例えば、距離Ｄ２に対して±２０％以内である。金属ブロック１３の体積は、キャビティ部１２の体積と略同一である。なお、略同一とは、金属ブロック１３の体積が、キャビティ部１２の体積に対して±１０％以内である場合を意味する。平面視で、金属ブロック１３は、キャビティ部１２と略重複する位置にある。なお、略重複するとは、平面視で、金属ブロック１３の面積の８０％以上がキャビティ部１２と重複することを意味する。
金属ブロック１３は、平板部１１が金属製である場合、平板部１１と一体に形成することができる。金属ブロック１３は、金属板をプレス加工することにより、平板部１１及びキャビティ部１２と同時に形成することができる。金属板を、金属板の下面側に突起する金属ブロック１３を設けるようにプレス加工することにより、キャビティ部１２の位置に元々存在していた材料が金属板の下面側に逃げることができる。そのため、キャビティ部１２の内側面１２ｂを平板部１１の第１面１１ａに対して略垂直に形成することが容易となる。
金属ブロック１３は、ＧＮＤ用のリードの代わりに用いてもよい。すなわち、金属ブロック１３は平板部１１と導通しているため、金属ブロック１３をＧＮＤと接続することにより、平板部１１をＧＮＤ電位にすることができる。これにより、ＧＮＤ用のリードは不要となる。
各リードは、平板部１１の第１面１１ａから第２面１１ｂに貫通する。詳細には、各リードは、平板部１１を第１面１１ａから第２面１１ｂに貫通する貫通孔１１ｘ内に、長手方向を平板部１１の厚さ方向に向けて挿入され、周囲を封止部３０に封止されている。封止部３０は、例えば、ガラス等の絶縁材料から構成されている。ガラスとしては、例えば、比誘電率が約５．５に代表される硬質ガラスや、比誘電率が約６．７に代表される軟質ガラスを用いることができる。なお、１本のリードを１つの貫通孔１１ｘ内に配置してもよいし、複数本のリードを１つの貫通孔１１ｘ内に配置してもよい。図１の例では、２本又は４本のリードを１つの貫通孔１１ｘ内に配置している。
第１リード２１及び第２リード２２の上端は、平板部１１の第１面１１ａと面一であってもよい。あるいは、第１リード２１及び第２リード２２は、平板部１１の第１面１１ａから上側に突出してもよい。この場合、第１面１１ａからの第１リード２１及び第２リード２２の突出量は、０．１ｍｍ～０．３ｍｍ程度であることが好ましい。第１リード２１及び第２リード２２以外のリードも、平板部１１の第１面１１ａと面一であってもよい。あるいは、第１リード２１及び第２リード２２以外のリードは、平板部１１の第１面１１ａから上側に突出してもよい。
各リードは、平板部１１の第２面１１ｂから下側に突出している。各リードの平板部１１の第２面１１ｂからの突出量は、例えば、６～１０ｍｍ程度である。各リードは、例えば、鉄ニッケル合金やコバール等の金属から構成されており、各リードの表面に、金めっき等が形成されてもよい。
第１リード２１及び第２リード２２は、隣接して配置され、半導体パッケージ用ステム１に発光素子が搭載されて半導体パッケージとして使用される際に、発光素子と電気的に接続される差動信号が通る経路となる。第１リード２１及び第２リード２２以外のリードは、例えば、半導体パッケージ用ステム１に搭載される冷却素子と電気的に接続される信号や、半導体パッケージ用ステム１に搭載される温度センサと電気的に接続される信号等が通る経路となる。なお、リードの本数は限定されず、必要に応じて増減してよい。
図２は、第１実施形態に係る半導体パッケージを例示する図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ－Ｂ線に沿う部分断面図である。
図２を参照すると、第１実施形態に係る半導体パッケージ２は、半導体パッケージ用ステム１（図１参照）と、冷却素子１００と、素子搭載用基板１１０と、発光素子１２０とを有している。なお、半導体パッケージ２において、半導体パッケージ用ステム１には、発光素子１２０の出射光を取り出すためのレンズや窓等と一体になったキャップが抵抗溶接等により固定されるが、周知の構造であるため、ここでは図示を省略している。キャップは、例えば、コバールやステンレス鋼等の金属から形成され、内側に半導体パッケージ用ステム１の発光素子１２０等の主要部品を気密封止する。
冷却素子１００は、少なくとも一部がキャビティ部１２に収容されている。冷却素子１００は、全部がキャビティ部１２に収容されてもよい。冷却素子１００の上面の、平板部１１の第１面１１ａからの突出量は、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、第１リード２１及び第２リード２２の平板部１１の第１面１１ａからの突出量を抑制できるため、後述のように半導体パッケージ２の伝送特性の向上に有利となる。
冷却素子１００は、例えば、熱伝導性の高い接着剤等により、キャビティ部１２の底面１２ａに固定されている。冷却素子１００は、発光するとことで発熱した発光素子１２０を冷却する冷却素子であり、例えば、ペルチェ素子である。冷却素子１００は、外部から印加する電圧を変えることにより冷却能力が調整される。冷却素子１００の高さは、例えば、１ｍｍ～２ｍｍ程度である。
素子搭載用基板１１０は、冷却素子１００上に配置されている。素子搭載用基板１１０は、例えば、熱伝導性の高い接着剤等により、冷却素子１００上に固定されている。素子搭載用基板１１０上には、発光素子１２０が実装されている。発光素子１２０は、例えば、波長が１３１０ｎｍ等の半導体レーザチップである。
素子搭載用基板１１０上に、発光素子１２０の端子と電気的に接続された配線１１１及び１１２が形成されている。配線１１１及び１１２は、素子搭載用基板１１０上の第１リード２１及び第２リード２２に近い側まで延伸している。配線１１１は、線状部材１３０を介して、第１リード２１と電気的に接続されている。また、配線１１２は、線状部材１３０を介して、第２リード２２と電気的に接続されている。線状部材１３０としては、例えば、ボンディングワイヤが挙げられるが、線状の部材であれば特に限定されない。
配線１１１及び１１２は、差動配線である。例えば、配線１１１には、第１リード２１及び線状部材１３０を介して正相信号が入力される。また、配線１１２には、第２リード２２及び線状部材１３０を介して正相信号を反転した逆相信号が入力される。
なお、発光素子１２０の端子と電気的に接続される配線は、差動配線には限定されない。例えば、リードが１本の同軸構造から配線することもできる。その場合の配線は、コプレナー構造による信号線と信号線両側のＧＮＤ配線からなることを好適とする。ここで、ＧＮＤ配線は、素子搭載用基板１１０の裏面と、ビアや側面メタライズによって導通させることができる。
半導体パッケージ用ステム１は、半導体パッケージを構成したときの伝送特性を向上することが可能である。これに関し、図３の比較例を参照しながら、以下に説明する。
図３は、比較例に係る半導体パッケージを例示する断面図である。なお、比較例に係る半導体パッケージを例示する平面図は図１（ａ）と同様であるため、図示は省略する。図３は、図１のＡ－Ａ線に沿う断面に対応する。
図３を参照すると、比較例に係る半導体パッケージ２Ｘは、アイレット１０が平板部１１のみから形成され、キャビティ部１２及び金属ブロック１３を有していない。冷却素子１００は、平板部１１の第１面１１ａに固定されている。そのため、冷却素子１００上に配置される素子搭載用基板１１０の位置が平板部１１の第１面１１ａから遠くなる。素子搭載用基板１１０の位置に対応するように、第１リード２１及び第２リード２２の第１面１１ａから突出する部分の長さが、半導体パッケージ２に比べて長くなっている。
差動線路を構成する第１リード２１及び第２リード２２において、貫通孔１１ｘ内において周囲を封止部３０に封止されている部分は、所定の差動インピーダンスを満足する構造となっている。これに対して、第１リード２１及び第２リード２２の第１面１１ａから突出する部分は、インピーダンスミスマッチングを起こして、高周波の伝送に障害を及ぼす。半導体パッケージ２Ｘは、第１リード２１及び第２リード２２の第１面１１ａから突出する部分が長いため、インピーダンスミスマッチングを起こしやすい。
一方、キャビティ部１２に冷却素子１００を配置できる半導体パッケージ２は、半導体パッケージ２Ｘと比較して、第１リード２１及び第２リード２２の第１面１１ａから突出する部分の長さを大幅に短くすることができる。そのため、半導体パッケージ２は、インピーダンスミスマッチングを起こしにくく、特性インピーダンスを整合させて反射損失を低減することが容易である。その結果、半導体パッケージ２の伝送特性を向上することができる。すなわち、半導体パッケージ２では、発光素子１２０に高周波信号を良好に伝送することができる。
〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、半導体パッケージ用ステムに中継基板を設ける例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図４は、第１実施形態の変形例１に係る半導体パッケージ用ステムを例示する図であり、図４（ａ）は部分平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ－Ｃ線に沿う部分断面図である。
図４を参照すると、第１実施形態の変形例１に係る半導体パッケージ用ステム１Ａは、平板部１１の第１面１１ａ側に配置された中継基板１４０をさらに有する点が、半導体パッケージ用ステム１（図１参照）と相違する。
中継基板１４０は、例えば、ＡｕＳｎ等のはんだや接着剤等により、平板部１１の第１面１１ａに固定されている。中継基板１４０の上面には中継配線１４１及び１４２が形成されている。中継配線１４１は、導電性接合材１５０（はんだ等）により第１リード２１と電気的に接続されている。また、中継配線１４２は、導電性接合材１５０（はんだ等）により第２リード２２と電気的に接続されている。中継基板１４０としては、例えば、ガラス基板やセラミック基板を用いることができる。中継基板１４０として、樹脂基板（ガラスエポキシ基板等）を用いてもよい。
図５は、第１実施形態の変形例１に係る半導体パッケージを例示する図であり、図５（ａ）は部分平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ－Ｄ線に沿う部分断面図である。
図５を参照すると、第１実施形態の変形例１に係る半導体パッケージ２Ａは、図４と同様に中継基板１４０を有している。そして、素子搭載用基板１１０の配線１１１は、線状部材１３０を介して、中継基板１４０の中継配線１４１と電気的に接続されている。また、素子搭載用基板１１０の配線１１２は、線状部材１３０を介して、中継基板１４０の中継配線１４２と電気的に接続されている。
中継基板１４０を設けることにより、所望のインピーダンスを実現すると共に、差動線路のピッチ変換を行うことができる。これにより、第１リード２１及び第２リード２２と、素子搭載用基板１１０の配線１１１及び１１２を少ない損失により結線することができる。
また、半導体パッケージ２Ａでは、半導体パッケージ２と比較して、線状部材１３０を短くできるため、寄生インダクタンスを低減することができる。この点でも、高周波信号の伝送に有利となる。素子搭載用基板１１０の上面と中継基板１４０の上面は、同一平面上にあることが好ましい。つまり、素子搭載用基板１１０と中継基板１４０とが同じ厚さである場合、冷却素子１００の上面は、平板部１１の第１面１１ａと面一であることが好ましい。これにより、線状部材１３０を一層短くできる。
〈シミュレーション〉
次に、半導体パッケージ２Ａ及び２Ｘについて、シミュレーションを行った結果について説明する。シミュレーションには、解析ソフト：ANSYS Electromagnetics Suite 2019 R3を使用した。
半導体パッケージ２Ａでは、第１リード２１及び第２リード２２の第１面１１ａからの突出量を０．４ｍｍとし、半導体パッケージ２Ｘでは、第１リード２１及び第２リード２２の第１面１１ａからの突出量を１．０ｍｍとしてシミュレーションを行った。なお、半導体パッケージ２Ａでは、中継基板１４０の厚さを０．２ｍｍ、第１リード２１及び第２リード２２の中継基板１４０の上面からの突出量を０．２ｍｍとした。
半導体パッケージ２Ａ及び２Ｘについて、特性インピーダンス（Ω）を求めたところ、図６に示す結果が得られた。図６より、半導体パッケージ２Ｘでは、４０ｐｓ時付近の特性インピーダンスが１２０Ω程度である。これに対して、半導体パッケージ２Ａでは、全体を通して特性インピーダンスが５０Ω付近であり、理想に近い特性インピーダンスが得られることが確認できる。
また、半導体パッケージ２Ａ及び２Ｘについて、挿入損失（ｄＢ）を求めたところ、図７に示す結果が得られた。図７より、半導体パッケージ２Ｘに比べて、半導体パッケージ２Ａでは、０～５０ＧＨｚ程度での挿入損失（ｄＢ）が大きく改善されていることがわかる。
また、半導体パッケージ２Ａ及び２Ｘについて、反射損失（ｄＢ）を求めたところ、図８に示す結果が得られた。図８より、半導体パッケージ２Ｘに比べて、半導体パッケージ２Ａでは、１０～５０ＧＨｚ程度での反射損失（ｄＢ）が大きく改善されていることがわかる。
また、図７及び図８の結果から、半導体パッケージ２Ｘでは数ＧＨｚ程度の信号しか伝送できないのに対し、半導体パッケージ２Ａでは３０～４０ＧＨｚ程度の信号を良好に伝送できるといえる。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
１，１Ａ 半導体パッケージ用ステム
２，２Ａ 半導体パッケージ
１０ アイレット
１１ 平板部
１１ａ 第１面
１１ｂ 第２面
１１ｘ 貫通孔
１２ キャビティ部
１２ａ 底面
１２ｂ 内側面
１３ 金属ブロック
２１ 第１リード
２２ 第２リード
２３ 第３リード
２４ 第４リード
２５ 第５リード
２６ 第６リード
２７ 第７リード
２８ 第８リード
３０ 封止部
１００ 冷却素子
１１０ 素子搭載用基板
１１１，１１２ 配線
１２０ 発光素子
１３０ 線状部材
１４０ 中継基板
１４１，１４２ 中継配線
１５０ 導電性接合材

Claims (10)

  1. 第１面及び前記第１面の反対面である第２面を備えた平板部、前記平板部の前記第１面に開口するキャビティ部、及び前記平板部の前記第２面から突起する金属ブロック、を備えたアイレットと、
    前記第１面から前記第２面に貫通するリードと、有し、
    前記金属ブロックの体積は、前記キャビティ部の体積と略同一である、半導体パッケージ用ステム。
  2. 平面視で、前記金属ブロックは、前記キャビティ部と略重複する位置にある、請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。
  3. 前記平板部は金属製であり、
    前記金属ブロックは、前記平板部と一体に形成されている、請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。
  4. 前記キャビティ部の内側面は、前記第１面に対して略垂直である、請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。
  5. 前記第１面から前記キャビティ部の底面までの距離は、前記第１面から前記第２面までの距離の１／２以上である、請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。
  6. 前記第１面側に配置された中継基板をさらに有し、
    前記中継基板には、中継配線が形成され、
    前記中継配線は前記リードと電気的に接続されている、請求項１に記載の半導体パッケージ用ステム。
  7. 請求項１に記載の半導体パッケージ用ステムと、
    少なくとも一部が前記キャビティ部に収容された冷却素子と、
    前記冷却素子上に配置された基板と、
    前記基板上に実装された発光素子と、を有し、
    前記基板上に、前記発光素子と電気的に接続された配線が形成され、
    前記配線は、線状部材を介して、前記リードと電気的に接続されている、半導体パッケージ。
  8. 請求項６に記載の半導体パッケージ用ステムと、
    前記キャビティ部の底面に配置された冷却素子と、
    前記冷却素子上に配置された基板と、
    前記基板上に実装された発光素子と、を有し、
    前記基板上に、前記発光素子と電気的に接続された配線が形成され、
    前記配線は、線状部材を介して、前記中継配線と電気的に接続されている、半導体パッケージ。
  9. 前記基板の上面と前記中継基板の上面は、同一平面上にある、請求項８に記載の半導体パッケージ。
  10. 前記冷却素子の前記第１面からの突出量は、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である、請求項７乃至９の何れか一項に記載の半導体パッケージ。
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