JP6258748B2 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ、パワーデバイス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および半導体装置に関する。

半導体素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）を用いた半導体装置の例を図５の斜視図に示す（例えば、特許文献１参照）。パッケージ２１は、上面に半導体素子２５が実装される実装領域２２ｃを有する基板２２と、実装領域２２ｃを取り囲むように基板２２の上面に設けられる枠体２３と、枠体２３に設けられた貫通孔Ｈ３を塞ぐように基板２２および枠体２３に嵌着された入出力端子２４とから成る。そして、半導体装置２０は、実装領域２２ｂに実装されるとともに、入出力端子２４と電気的に接続された半導体素子２５と、枠体２３の上面に接合された蓋体２６とによって構成される。パッケージ２１内に収納された半導体素子２５は、基板２２、枠体２３、入出力端子２４および蓋体２６によって気密に封止される。このような半導体装置２０は、基板２２に設けられたＵ字形状の孔２２ｃによって外部の実装基板にねじ止め固定される。半導体装置２０は、半導体素子２５が入出力端子２４を介して外部の電気回路に電気的に接続されることによって作動する。

特開２００５−１９８９７号公報

図５に示す従来のパッケージは、補強部２３ｃによって枠体２３の剛性が向上し、半導体装置２０を作動する際に生じる実装領域２２ｃの変形を抑制することができる。ところが基板２２において、入出力端子２４が位置する基板２２の一辺２２ｆの剛性と、孔２２ｂの間に挟まれた張出部２２ａの剛性とは異なりやすくなる。入出力端子２４が位置する基板２２の一辺２２ｆは、基板２２と枠体２３との間に入出力端子２４が設けられるとともに、この一辺２２ｆに沿って補強部２３ｃが設けられることから変形し難い。これに比べて張出部２２ａは枠体２３等が設けられておらず、変形しやすい傾向になる。

また、基板２２の一辺２２ｆ側は、熱膨張係数の異なる基板２２と枠体２３と入出力端子２４とが接合されているため、温度変化によって変形が生じてしまう。これに対し、実装領域２２ｃと張出部２２ａとを結ぶ基板２２の部位は、熱変形が少なく、基板２２の一辺２２ｆ側とは異なる変形を生じてしまい易い。

特に、図５に示す従来のパッケージはＵ字形状の孔２２ｃが設けられているために、孔２２ｃの両側で基板２２の変形量が異なってしまう場合がある。例えば、孔２２ｃの一辺２２ｆ側が熱変形によって上方または下方に反る反り量と、張出部２２ａが上方または下方に反る反り量とが異なってしまう場合がある。この場合、孔２２ｃの両側、すなわち孔２２ｃの一辺側２２ｆと張出部２２ａとで基板２２の高さが変わってしまうことになる。

このような半導体装置２０を外部の実装基板に孔２２ｃを介してねじ止めすると、基板２２の複雑な変形が実装基板に沿って矯正されるとともに、基板２２の各部に力が加わり、実装領域２２ｃに実装された半導体素子２５が破損する等、影響を受けやすくなるという虞がある。

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、半導体装置を外部の実装基板に固定する際に半導体素子が受ける複雑な機械的影響を少なくすることにある。

本発明の一実施形態に係る半導体素子収納用パッケージは、四角形状の中央部に半導体素子を実装するための実装領域を有し、一辺の両端部および該一辺に対向する他辺の両端部に前記一辺側および前記他辺側に開口するＵ字形状の孔を有し、該孔に挟まれる張出部を有する基板と、この基板の上面に前記実装領域を四角形状に取り囲むように設けられる
とともに、４つの面の内外方向にそれぞれ前記基板に接するように形成された貫通孔を有する枠体と、前記貫通孔に嵌着され、前記枠体の内外を導通させるための導体が絶縁体中に挿通された入出力端子とを備えており、
該入出力端子は、前記枠体の内側から前記張出部における前記基板の上面にかけて接合されていることを特徴とする。

上記半導体素子収納用パッケージにおいて、前記一辺側および前記他辺側に配置される前記入出力端子の少なくとも一方は、前記枠体の内側から前記張出部における前記２辺の位置まで設けられているのがよい。

また、上記半導体素子収納用パッケージにおいて、前記一辺側および前記他辺側に配置される前記入出力端子の少なくとも一方は、前記枠体の外側に配置される部分が、前記枠体の内側に配置される部分よりも長いのがよい。

本発明の一実施形態に係る半導体装置は、上記の半導体素子収納用パッケージと、前記実装領域に実装されるとともに前記入出力端子の前記導体に電気的に接続された半導体素子とを具備していることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る半導体素子収納用パッケージによれば、四角形状の中央部に半導体素子を実装するための実装領域を有し、一辺の両端部および該一辺に対向する他辺の両端部に前記一辺側および前記他辺側に開口するＵ字形状の孔を有する基板と、この基板の上面に実装領域を四角形状に取り囲むように設けられるとともに、４つの面の内外方向にそれぞれ基板に接するように形成された貫通孔を有する枠体と、貫通孔に嵌着され、枠体の内外を導通させるための導体が絶縁体中に挿通された入出力端子とを備えることから、基板の対向する一辺側および他辺側において、孔に挟まれた張出部と実装領域とを結ぶ基板の部位と、一辺側および他辺側の端点を平行に結ぶ他の２辺に沿った基板の部位とが同じ方向に反るようにできるので、孔の両側の高さの違いを少なくすることができ、半導体装置の孔を外部の実装基板にねじによって固定する際に半導体素子に加わる機械的影響を緩和することができる。

上記半導体素子収納用パッケージにおいて、一辺側および他辺側に配置される入出力端子の少なくとも一方が、枠体の内側から対向する２辺の位置まで設けられていると、孔に挟まれた張出部の変形と、基板の他の２辺に沿った部位との変形量の差をより少なくすることができる。よって、孔の両側の高さの違いを少なくすることができる。

また、上記半導体素子収納用パッケージにおいて、一辺側および他辺側に配置される入出力端子の少なくとも一方の枠体の外側に配置される部分が、枠体の内側に配置される部分よりも長いと、孔に挟まれた張出部の変形と、基板の他の２辺に沿った部位との変形量の差をさらに少なくすることができる。よって、孔の両側の高さの違いを少なくすることができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置によれば、上記の半導体素子収納用パッケージと、実装領域に実装されるとともに入出力端子の導体に電気的に接続された半導体素子とを具備していることから、半導体装置を外部実装基板に固定する際に、実装領域に加わる力が少なく、半導体素子に及ぼす影響が少ない半導体装置とできる。

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斜視図である。 本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す分解斜視図である。 図１に示す半導体素子収納用パッケージの上視平面図である。 （ａ）は図３に示す半導体素子収納用パッケージのＡ−Ａ’の断面図、（ｂ）は図３に示す半導体素子収納用パッケージのＢ−Ｂ’の断面図である。 従来の半導体装置の例を示す分解斜視図である。

本発明の半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置を図面に基づき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１の実施の形態の一例を示す斜視図である。図２は、本発明の半導体装置１０の実施の形態の一例を示す分解斜視図である。図３は、本発明の半導体素子収納用パッケージ１の実施の形態の一例を示す上視平面図である。図４は、本発明の半導体素子収納用パッケージ１の実施の形態の一例を示す断面図であり、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ’におけるパッケージの断面図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ’におけるパッケージの断面図である。なお、図１，図２，図３，図４において同じ部位には同じ符号を付している。

本発明の半導体素子収納用パッケージ１は、基板２、枠体３、入出力端子４とから基本的に構成される。基板２は、枠体３、入出力端子４および蓋体６とともに半導体素子５を気密に封止するための部材である。基板２は、平面視したときの形状が四角形の板状の部材であり、上面中央部に半導体素子５を実装するための実装領域２ｂを有する。また、４つの角部に近接した位置に孔２ｃを有する。実装領域２ｂとは、基板２を平面視した場合に四角形状の枠体３で取り囲まれる領域であって、半導体素子５が実装される領域を意味している。

基板２には、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルトまたはタングステンのような金属材料が用いられる。あるいは、上記の金属材料からなる合金またはコンポジット材が用いられる。基板２は、上記の金属材料からなるインゴットに圧延加工法、打ち抜き加工法、切削加工法等の金属加工法を施すことにより、所定の形状に加工される。

また、基板２には、４つの角部に基板２の上面から下面にかけて穿孔された孔２ｃが設けられる。孔２ｃには、半導体装置１０を外部の実装基板（図示せず）にねじ止めする際にねじが挿入される。そして基板２は、ねじ頭によって基板２の上面から下面の外部の実装基板の方向に押さえ付けて固定される。

孔２ｃは、図１に示すように、一辺２ｄ側と一辺２ｄに対向する他辺２ｅ側に開いたＵ字形状の切欠きとして設けられている。図１に、孔２ｃが基板２の左下および右上の対向する２辺２ｄ，２ｅ側に開いたＵ字形状の切欠きとして設けられる例を示した。一辺２ｄ側および他辺２ｅ側に開いた開口を有するＵ字形状の孔２ｃとすることによって、実装基板に仮止めしたねじに基板２をスライドして取り付けることができるので、ねじ締め作業が容易になる。

枠体３は、基板２の上面に半導体素子５を収容する空間を確保するための部材である。枠体３は、基板２の上面の、孔２ｃが設けられている内側の位置に、実装領域２ｂを取り囲むように設けられる。すなわち、基板２の対向する２辺それぞれの両端に配置される孔２ｃの底面を結ぶ位置よりも実装領域２ｂ側になるように枠体３が設けられる。対向する２辺２ｄ，２ｅに隣接する２辺２ｆ側では枠体３は孔２ｃを結ぶ位置を横切るように設けてもよい。

枠体３は、平面視したときの内周および外周の形状がそれぞれ略四角形の枠状である。この四角形枠状の枠体３の各辺が、基板２の各辺２ｄ，２ｅ，２ｆと平行になるように枠体３は設けられる。枠体３は、四角形の４つの面の内外方向にそれぞれ基板２に接するように形成された貫通孔Ｈを有する。枠体３は、孔２ｃが設けられている対向する２辺２ｄ，２ｅと平行な第１の側壁部３ａと、対向する２辺２ｄ，２ｅの間の辺２ｆと平行な第２の側壁部３ｂとで成る。そして、第１の側壁部３ａの下面に基板２と接する第１の貫通孔Ｈ１を有し、第２の側壁部３ｂの下面に基板２と接する第２の貫通孔Ｈ２を有している。この貫通孔Ｈ（Ｈ１，Ｈ２）に入出力端子４が嵌め込まれて固定される。

枠体３には、鉄、銅、ニッケル、クロム、コバルトまたはタングステンのような金属材料を用いることができる。あるいは、これらの金属からなる合金を用いることができる。このような金属材料のインゴットに圧延加工法、打ち抜き加工法、切削加工法のような金属加工法を施すことによって、枠体３を作製することができる。そして、基板２の上面にＡｇロウによるロウ付け接合等によって接合する。または、基板２と切削加工等によって一体に形成してもよい。

入出力端子４（４ａ，４ｂ）は、貫通孔Ｈ（Ｈ１，Ｈ２）に嵌着され、枠体３の内外を導通させるための導体４ｃを有する。導体４ｃは、絶縁体の一端表面から絶縁体中に挿通されて、絶縁体の他端表面に導出されている。入出力端子４は、第１の貫通孔Ｈ１に嵌着される第１の入出力端子４ａと、第２の貫通孔Ｈ２に嵌着される第２の入出力端子４ｂとを含む。

第１の入出力端子４ａは、枠体３の内側から、孔２ｃの間に挟まれた基板２の張出部２ａにかけて、基板２の上面に配置される。すなわち、第１の入出力端子４ａは、一端が枠体３の第１の側壁部３ａの内側に位置し、他端が第１の側壁部３ａの外側に位置するとともに孔２ｃに挟まれる張出部２ａに位置するように基板２の上面に接合される。第２の入出力端子４ｂは、第２の側壁部３ｂの内側から第２の側壁部３ｂの外側にかけて基板２の上面に接合される。

入出力端子４（４ａ，４ｂ）は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体（アルミナセラミックス）等のセラミックスから成り、アルミナセラミックスから成る場合は以下のようにして作製される。まず、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末と、焼結助材としての酸化カルシウム（ＳｉＯ_２），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。

次に、入出力端子４の立壁部となる部分を複数枚のセラミックグリーンシートから所定形状に打ち抜き加工したものを複数枚積層する。また、入出力端子４の平板部となる部分を同様にセラミックグリーンシートから所定形状に打ち抜き加工し、複数枚積層する。そして、平板部となるセラミックグリーンシート積層体の上面に導体４ｃとなるタングステン（Ｗ）等の金属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、接地導体層となるパターンを平板部の下面および側面に同様にして塗布形成する。同様に立壁部となるセラミックグリーンシート積層体の側面および上面に金属ペーストを塗布形成する。次に、これら平板部および立壁部のセラミックグリーンシート積層体を積層することにより、入出力端子４となるセラミックグリーンシート積層体を得る。

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、非酸化雰囲気中で1500〜1600℃の温度で焼成することによってアルミナセラミックスから成る入出力端子４を得る。そして、得られた入出力端子４を、基板２と枠体３の間に設けられた貫通孔Ｈに嵌着してＡｇロウなどのロウ材で接合する。また、この枠体３および入出力端子４を基板２の上面の半導体素子５が載置される実装領域２ｂを囲繞するようにＡｇロウなどのロウ材を介して接合する。次いで、基板２，枠体３，入出力端子４の導体４ｃなどの露出した金属表面部分に酸化防止のためのニッケルメッキを施すことによりパッケージ１が得られる。

パッケージ１において、第１の側壁部３ａに挟まれた第２の側壁部３ｂに、第２の入出力端子４ｂが枠体２の内側から外側にかけて第２の貫通孔Ｈ２を塞ぐように基板２および枠体３の第２の貫通孔Ｈ２の内面に接合されている。第２の入出力端子４ｂは、基板２との接合長さが長いので、基板２の熱変形に及ぼす影響も大きい。これにより、基板２の第２の入出力端子４ｂの接合方向に平行な２辺２ｆ側に反りが生じる場合がある。

一方、第１の側壁部３ａの貫通孔Ｈ１には、第１の入出力端子４ａが第１の側壁部３ａの内外方向に接合されている。そして、第１の入出力端子４ａと基板２との間の熱膨張係数の差によって、基板２の張出部２ａ部分にも熱変形が生じる。入出力端子４ａと入出力端子４ｂとが同じ程度の熱膨張係数である場合は、張出部２ａにおける熱変形による反りと２辺２ｆ側に生じる熱変形による反りとが同じ方向に揃う。これによって、孔２ｃの張出部２ａ側と２辺２ｆ側との間の基板２の高さの差を少なくすることができる。そして、ねじを固定する際に基板２の実装領域２ｂに加わる機械的影響を緩和することができる。なお、熱膨張係数を揃えるため、第１の入出力端子４ａと第２の入出力端子４ｂとは同じ材質であるのが好ましい。

ここで、第１の入出力端子４ａを一辺２ｄの位置まで設け、辺２ｆと平行な方向の長い第１の入出力端子４ａとすれば、第１の入出力端子４ａと基板２との接合長さを長くできるので、張出部２ａの熱変形量をより調整しやすくできる。また、第１の入出力端子４ａの端面が一辺２ｄの位置まで設けられると、導体４ｃを一辺２ｄまで設けることができ、外部実装基板から導体４ｃに接続するボンディングワイヤやリード端子等の電気接続部材の長さを短くして高周波信号の伝送距離を小さくできることから、半導体素子収納用パッケージ１の周波数特性を向上させることができる。また、半導体素子収納用パッケージ１を組み立てる際に、第１の入出力端子４ａの端面と、基板２の一辺２ｄとが面一になるように冶具等で保持して組み立てることができ、第１の入出力端子４ａの接合位置が管理しやすくなる。

また、第１の入出力端子４ａの長さを長くする場合、第１の入出力端子４ａの枠体３の外側の長さが枠体３の内側の長さよりも長くなるように配置すると、枠体３の大きさを小さくすることができるので、望ましい。

次に、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０は、上述のパッケージ１の実装領域２ｂに半導体素子５が実装され、入出力端子４と電気的に接続されることによって完成する。半導体素子５は、金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）からなる低融点ろう材や、Ｓｎ−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）からなる鉛フリーはんだ等の接合材を介して実装領域２ｂに実装される。その後、半導体素子５の電極と入出力端子４の導体４ｃとをボンディングワイヤ等を介して電気的に接続する。

次いで、枠体３の上面にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る蓋体６を枠体３の内側を塞ぐようにロウ付けやシーム溶接により接合する。蓋体６の代わりに、例えば樹脂ポッティング等で枠体３の内側の半導体素子５を覆ってもよい。このように半導体素子５を封止することにより、本発明の半導体装置１０を得る。

なお、導体４ｃの枠体３の外側にリード端子等の一端を接合し、リード端子の他端を外部実装基板の電気回路に電気的に接続することにより、半導体素子５と外部実装基板の電気回路とを接続してもよい。このように接続することにより、半導体素子５に高周波信号が入出力される。半導体素子５の例としては、ＩＣやＬＳＩの他、パワーデバイス用の半導体素子５等が挙げられる。

本発明の半導体装置１０は、本発明の半導体素子収納用パッケージ１を用いることにより、半導体装置１０を外部の実装基板に実装する際に生じる基板２の実装領域２ｂの変形を少なくすることができる。その結果、外部の実装基板に実装される際に生じる半導体素子５の破損を抑制できる半導体装置１０とすることができる。

なお、本発明は上述の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内であれば種々の変更は可能である。また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。

１：半導体素子収納用パッケージ
２：基板
２ａ：張出部
２ｂ：実装領域
２ｃ：孔
３：枠体
３ａ：第１の側壁部
３ｂ：第２の側壁部
４：入出力端子
４ａ：第１の入出力端子
４ｂ：第２の入出力端子
４ｃ：導体
５：半導体素子
６：蓋体
１０：半導体素子収納用パッケージ

Claims (4)

1. 四角形状の中央部に半導体素子を実装するための実装領域を有し、一辺の両端部および該一辺に対向する他辺の両端部に前記一辺側および前記他辺側に開口するＵ字形状の孔を有し、該孔に挟まれる張出部を有する基板と、
   該基板の上面に前記実装領域を四角形状に取り囲むように設けられるとともに、４つの面の内外方向にそれぞれ前記基板に接するように形成された貫通孔を有する枠体と、
   前記貫通孔に嵌着され、前記枠体の内外を導通させるための導体が絶縁体中に挿通された入出力端子と
   を備えており、
   該入出力端子は、前記枠体の内側から前記張出部における前記基板の上面にかけて接合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。
2. 前記一辺側および前記他辺側に配置される前記入出力端子の少なくとも一方は、前記枠体の内側から前記張出部における前記一辺または前記他辺の位置まで設けら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。
3. 前記一辺側および前記他辺側に配置される前記入出力端子の少なくとも一方は、前記枠体の外側に配置される部分が、前記枠体の内側に配置される部分よりも長いことを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子収納用パッケージ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の半導体素子収納用パッケージと、前記実装領域に実装されるとともに前記入出力端子の前記導体に電気的に接続された半導体素子とを具備していることを特徴とする半導体装置。

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