JP6599548B2 - 機能素子収納用パッケージならびに半導体装置およびln変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、パッケージの入出力端に配線基板を備えた機能素子収納用パッケージ、ならびにこれを用いた半導体装置およびLN変調器に関する。
光通信の分野等で使用される半導体レーザダイオード(LD:Laser Diode)、フォトダイオード(PD:Photodiode)等の光半導体素子または電気光学結晶を用いたLN光デバイス等を収納する機能素子収納用パッケージ(以下、単に「パッケージ」ともいう)が知られている(例えば、特許文献1参照)。このようなパッケージは、機能素子を実装するための載置部を有する基体、およびこの載置部を囲むようにして設けられた枠体から成る筐体と、筐体の内外を電気的に導通するための端子とを備えている。筐体の外側に導出された端子には、配線導体が接続される。また、配線導体は、外部回路基板に電気的に接続される。
高周波機能素子を収容するパッケージにおいて、コンパクトに配線導体を接続する方法が提案されている。
特許文献1には、筐体を貫通させたピン端子にフレキシブル基板を接続する構成が示されている。フレキシブル基板には信号線路と接地線路とを有するコプレーナ構造またはマイクロストリップ構造の高周波線路が形成されている。高周波線路の一端には信号線路および接地線路を貫通する孔が開けられている。そして、筐体の外側に突き出させたピン端子をこの孔に挿通し、信号線路または接地線路とはんだで接続する。
本発明の一実施形態に係る機能素子収納用パッケージは、機能素子が収納される筐体と、この筐体の外殻に設けられたピン端子と、このピン端子が接続された配線基板とを備えている。配線基板は、ピン端子が位置する貫通孔、前記筐体側の前記貫通孔の開口周囲に設けられた第1金属層、前記筐体と反対側の前記貫通孔の開口周囲に位置し、前記第1金属層よりも面積が大きい第2金属層および前記第1金属層または前記第2金属層と接続された接続配線をそれぞれ有している。また、前記第1金属層および前記第2金属層と前記ピン端子とがはんだによって接続されている。
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、上記構成の機能素子収納用パッケージと、前記筐体の内側に収納された半導体素子とを備える。
本発明の一実施形態に係るLN変調器は、上記構成の機能素子収納用パッケージと、前記筺体の内側に収納されたLN光デバイスとを備える。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明に係る機能素子収納用パッケージ、LN変調器または半導体装置は、以下参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
なお、以下説明では主としてLN光デバイスを搭載するLN変調器を例にして説明する。しかしながら、形状を適宜変更し、例えばLDやPD等の発光素子または受光素子を搭載した半導体装置にも適用することは可能である。
図1は、本発明の一実施形態に係る機能素子収納用パッケージ10の例を示す斜視図である。図2は図1のパッケージ10を左方向から見た斜視図である。また、図3は図1のパッケージ10を斜め下方から見た斜視図である。図4は、図3のパッケージ10から配線基板6を取り外した分解斜視図である。図5(a)は、配線基板6の一方面6a、図5(b)は他方面6bの平面図である。さらに、図6は、パッケージ10を上面から見た平面図であり、図7はパッケージ10を下面から見た下面図である。図8は、図7に示す断面A−Aにおける断面図、図10は図7の断面B−Bにおける断面図である。図9は図8に示す断面の要部拡大断面図、図11は図10の要部拡大断面図である。例えば図2〜図4に示すように、この実施形態における機能素子収納用パッケージ10(以下、単にパッケージ10ともいう)は、配線基板付き機能素子収納用パッケージ(配線基板付きとしては符号なし)である。
パッケージ10は、機能素子1を実装するための筐体2を備えている。筐体2の底板部2a上に、機能素子1が装着される。筐体2は、例えば、セラミック材料、金属材料、ガラス材料、高耐熱の樹脂材料等からなる。セラミック材料は、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)質焼結体、ムライト(3Al2O3・2SiO2)質焼結体、炭化珪素(SiC)質焼結体、窒化アルミニウム(AlN)質焼結体、窒化珪素(Si3N4)質焼結体、ガラスセラミックス等である。また、金属材料は、例えば、Fe系合金、無酸素銅、SUS等である。また、ガラス材料は、例えば、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス等である。さらに、高耐熱の樹脂材料は、例えば、ポリイミド等である。
筐体2は、例えば、長さ30mm〜100mm、幅5mm〜20mm、高さ5mm〜20mmの全体が直方体形状のものである。なお、一例として本実施例の筐体2は、長さ50mm、幅10mm、高さ6.5mmである。
筐体2は、上面(後述する蓋体が接合される面)に開口する凹部を有している。すなわち、筐体2は底板部2aの周囲に機能素子1の載置部を囲むように枠体部2bを有する。筐体2は、一体の底板部2aと枠体部2bとで形成されている。なお、筺体2は、底板部2aと枠体部2bとを別個独立に作製し、その後例えば、半田,ロウ材または接着剤等の接合部材を介してこれらを接合して作製される。
筐体2は、外殻に貫通孔2cを有している。本パッケージの例においては、貫通孔2cは筐体2の底板部2aに設けられている。貫通孔2cを筐体2の底板部2aに設ける場合、筐体2を実装する外部配線基板上において筐体2の設置に占める面積を少なくすることができる。しかしながら、例えば、必要に応じて貫通孔2cを枠体部2bに設けることができる。
筐体2の貫通孔2cには、ピン端子3が位置している。このピン端子3は、貫通孔2c内を貫通孔2cの長さ方向に貫通して(挿通されて)固定される。ピン端子3は、高周波電気信号を筐体2の内外に導通させる機能を有する。ピン端子3は、貫通孔2cの内周面との間に誘電体3aを介して設けられている。ピン端子3および貫通孔2cは同軸線路構造を有しており、高周波電気信号を導通させるのに適している。
ピン端子3は、太さ0.2mm〜1mm、長さ2mm〜5mmのFe−Ni,Fe−Ni−Co等の線状の金属から成る。また、誘電体3aは、セラミックス,ガラス、樹脂等の誘電材から成る。誘電体3aは、ピン端子3と貫通孔2cの内周面との間を封止する。また、誘電体3aは、ピン端子3を貫通孔2cの内側に接合する接合材として機能する。ピン端子3は、一本に限られることはない。例えば、本パッケージ10の例に示すように、複数本のピン端子3が枠体部2bの側壁部に平行かつ一列に並べて設けられる。さらに、例に示すように、複数本のピン端子3および誘電体3aを筒体3bの内側に設置し、この筒体3bを筐体2に接合することによってピン端子3を設けることができる。
なお、一例として本実施例のピン端子3は、太さ0.3mm、長さ3.45mmの金属を用いている。誘電体3aは低融点のガラス材を用い、内径1.6mmの貫通孔2cの内壁面とピン端子3との間に充填されている。
また、筐体2の外殻には、例えば、ピン端子3の他にも筐体2の内外を電気的に導通し、直流電流を入力するための入出力端子が設けられる。入出力端子は、例えば枠体部2bに設けられ、バイアス電位供給等の低周波信号導通用等に用いられる。入出力端子は、絶縁材の内部を貫通させた導体配線を有している。ここで、枠体部2bの内側における導体配線は、ワイヤ(ボンディングワイヤ)等にて内部の電子素子等と電気的に接続される。枠体部2bの外側における導体配線には、リード端子等が接続される。
一方、ピン端子3の外側には配線基板6が接続される。配線基板6は、例えば、FPC(Flexible Printed Circuit)基板である。FPC基板は、ポリイミド等の樹脂フィルムで形成されたベースフィルムに接続配線が形成された可撓性を有する基板である。すなわち、FPC基板は、折り曲げたり、折り畳んだりすることが可能である。なお、配線基板6は、FPC基板に限られるものではなく、例えば、ガラスエポキシ基板等の可撓性でない基板である。
図5は、配線基板6の例を示す表裏両面の平面図である。図5(a)は、配線基板6の一方面6a(表面)を示し、図5(b)は一方面6aと対向する配線基板6の他方面6b(裏面)を示す。なお、図5では、貫通孔Hが4つ存在する例について図示したが、これに限定されない。すなわち、貫通孔Hおよびこれに関連する導体の数については、ピン端子3の数と同じであり、任意である。
配線基板6の一方面6aには、貫通孔Hの開口周囲に貫通孔Hの開口を取り囲むように第1金属層6cが設けられている。第1金属層6cの周囲には、一定間隔を空けて接地導体層6fが設けられている。接地導体層6fは、いわゆるベタの金属層として設けられている。また、配線基板6の他方面6bには、貫通孔Hの開口周囲に開口を取り囲むように第2金属層6dが設けられている。第2金属層6dには接続配線6eが接続されて、配線基板6の端部側(筐体2の外側方向)に延びている。
さらに、本実施形態の一例においては、第2金属層6dの周囲に接地導体層との接続を行なうための接地パッド6gが設けられている。接地パッド6gは、貫通孔HEの開口周囲に設けられている。接地パッド6gの裏面(一方面6a)は、接地導体層6fが貫通孔HEの周囲に形成されている。
配線基板6がFPC基板である場合には、FPC基板の他端(基板6の端部側)は外部回路基板(図示省略)に接続される。外部回路基板には、接続配線6eの他端を外部配線基板の配線に接続可能な電極パッドが設置されたり、例えば、コネクタ等が設置されている。
配線基板6のピン端子3,接地用ピン端子4および外部配線基板との電気的接続を行なう導体端部、すなわち第1金属層6c,第2金属層6d,接続配線6eおよび接地導体層6fの末端の電気的接続端部を除く部分は、例えば、絶縁層で覆われる。図5(a),(b)において、配線基板6は、この絶縁層を省略した状態で各内部導体が描かれている。
第2金属層6dは、第1金属層6cよりも大きな面積に形成されている。例えば、第2金属層6dは直径0.6mm、第1金属層6cは直径0.5mmの円形状である。また、第1金属層6cおよび第2金属層6dは貫通孔Hの中心軸に関して対称形に形成されている。
なお、第2金属層6dおよび接続配線6eの周囲には、例えば、所定の間隔を隔てて接地導体層が形成される。接地導体層が形成されていることによって、接続配線6eと接地導体層とをコプレーナ導波路として機能させることができる。したがって、高周波電気信号を伝播させる配線基板6とすることができる。また、一方面6a側に接地導体層6fも形成した場合は、いわゆるグランデッドコプレーナ導波路として機能させることができる。
また、例えば、他方面6bに接地導体層を形成せず、マイクロストリップ導波路として機能させる。本実施例の配線基板6は、マイクロストリップ導波路が形成される場合を示している。すなわち、他方面6bに形成されている接続配線6eの裏面(一方面6a)には、接地導体層6fが形成されている。これら接続配線6eおよび接地導体層6fとでマイクロストリップ導波路が構成されている。
なお、接続配線6eの配置は、他方面6bに限る必要はない。例えば、一方面6aに設けて、第1金属層6cに接続されたものである。この場合、マイクロストリップ導波路として機能させるために、接地導体層6fは、接続配線6eと対向する他方面6bに設けられる。
このような配線基板6は、一方面6aを筐体2の方に向けて、貫通孔Hにピン端子3の先端を通しながら筐体2の外側に載置する。そして、ピン端子3と第1金属層6cおよび第2金属層6dとをはんだ7(はんだ7aおよびはんだ7b)によって接続することによって配線基板6が筐体2に固定される。なお、はんだ7には、例えば、Sn−Ag−Cu系はんだ,Sn−Zn−Bi系はんだ,Sn−Cu系はんだ等の周知のはんだ7を用いる。なお、はんだ7bは、第2金属層6dからピン端子3の外周面およびピン端子3の先端部にわたって連続して設けられる。その結果、配線基板6は、筒体3bに強固に固定される。また、接地導体層6fがある場合は、同時に筐体2と接地導体層6fとがはんだ7c(詳細は後述)で接続される。
本実施例においては、接地用ピン端子4も同時に接地パッド6gおよび接地導体層6fに他のはんだ(はんだ7c、はんだ7d)で接続される。接地用ピン端子4は、例えば金属製の筒体3bから突出させて設けられ、貫通孔HEに挿入されるとともに、はんだ7cおよびはんだ7dを介して接地導体層6fおよび接地パッド6gに接合固定される。また、はんだ7cおよびはんだ7dは、筒体3bの表面から接地用ピン端子4の先端部にわたって連続して設けられる。その結果、配線基板6は、筒体3bに強固に固定されるとともに、余剰のはんだ7cおよびはんだ7dが筒体3bを介して濡れ広がり、配線基板6と筒体3bとの間に配置される接地用ピン端子4に余剰のはんだ7cが設けられる可能性を低減することができる。これにより、本発明の実施形態に係るパッケージ10は、筒体3bと配線基板6との間に位置するピン端子3において、特性インピーダンスが所望の値から変動する可能性を低減することができる。
また、このような構成において、ピン端子3は、配線基板6の他方面6b側から突出する長さを、配線基板6の他方面6b側から突出する接地用ピン端子4の長さよりも短くする。その結果、本発明の実施形態に係るパッケージ10は、パッケージ10、半導体装置およびLN変調器を製造する工程において、人体や外部の部材がピン端子3に接触する可能性を低減することができる。このことから、ピン端子3が変形したり、折れたりする可能性を低減することができ、製品不良の発生を低減することができる。
また、配線基板6は、筒体3bの上面(接地用ピン端子4が設けられる面)との間に空隙が設けられて筒体3bに接合固定される。その結果、本発明の実施形態に係るパッケージ10は、パッケージ10、半導体装置およびLN変調器を製造する工程において、配線基板6を適度に変形させることができる。このことから、変形接地用ピン端子4と配線基板6との接続部に作用する応力が分散され、配線基板6が接地用ピン端子4から外れる可能性を低減することができる。
貫通孔Hの内周面には金属導体が形成されていないが、溶融したはんだ7はピン端子3を介して第1金属層6cおよび第2金属層6dの間で融通される。そして、はんだ7は、第1金属層6cと第2金属層6dとの面積比によって配分される。その結果、面積が大きい第2金属層6dとピン端子3とを接続するはんだ7bの体積は、第1金属層6cとピン端子3とを接続するはんだ7aの体積より大きくなる。第2金属層6dとピン端子3とを接続するはんだ7bの体積をより大きくすることができる。
ピン端子3と貫通孔2c(または筒体3b)とは同軸線路構造を有している。高周波信号は、接続配線6eから第2金属層6dを介してピン端子3に接続され、ピン端子3と貫通孔2c(または筒体3b)とによる同軸線路を伝播する。ところが、途中に第1金属層6cおよび第1金属層6cとピン端子3とを接合するはんだ7aとが存在すると、この部分で同軸構造が均質でなくなるため、高周波信号の伝播が乱れて信号損失を生じる可能性がある。一方、第2金属層6dとピン端子3との接合位置は、同軸線路構造の外側となるため、高周波信号損失に与える影響が少ないと考えられる。
このようにピン端子3が、第1金属層6cおよび第1金属層6cよりも面積の大きい第2金属層6dによって接続されているため、また、はんだ7bは第1金属層6cとピン端子3とを接続するはんだ7aの体積より大きくなるため、高周波線路構造の電気特性が向上するとともに、ピン端子3と配線基板6との接続強度が良好なものとすることができる。
一方で、配線基板6の筐体2との間のピン端子3の長さの方を、例えば、配線基板6の他方面6b側から突出するピン端子3の長さよりも短くする。そして、筐体2と配線基板6との間のピン端子3の表面積が、配線基板6の第2金属層より突出するピン端子3の表面積より小さくするのがよい。
筐体2と配線基板6との間のピン端子3の表面積を配線基板6よりも突出するピン端子3の表面積よりも小さくすることによって、前述の同軸線路構造内に設けられるはんだ7aの体積を小さくすることができる。また、高周波特性にとって影響が小さいと考えられるはんだ7bの体積を大きくすることができる。これにより、同軸線路構造内における電気特性を良好に維持しつつ、ピン端子3の先端側においてピン端子3と配線基板6との接合強度を向上することができる。
さらに、第1金属層6cおよび第2金属層6dは、ピン端子3に関して対称な形状、例えば円形状に形成されている。これにより、第1金属層6cおよび第2金属層6dとピン端子3とを接合するはんだ7a,7bは、ピン端子3に関して対称な円錐形状のメニスカスを形成して固化する。そのため、ピン端子3と貫通孔2cとからなる同軸線路構造は、ピン端子3の中心軸に関して対称な形状となり、高周波電気特性を良好に維持することができる。また、ピン端子3と配線基板6との接続部において生じる熱応力は、ピン端子3の周囲に対称に生じることになり、はんだ7aの一部への局所的集中が抑制される。
第2金属層6dとピン端子3とを接合するはんだ7bの表面積は、第1金属層6cとピン端子3とを接合するはんだ7aの表面積よりも広くなる。その結果、配線基板6よりも外側の方向に突出するピン端子3と接地用ピン端子4および配線基板6に設けられた接地導体層6fとの間の静電容量を増加させることができる。
配線基板6をこのようにはんだ7で固定することによって、高周波特性が向上することを見出した。図12は、第1金属層6cおよび第2金属層6dの大きさに対するパッケージの高周波特性をTDR(time domain reflectometry)による測定方法で比較した線図である。図12において、破線Aは第1金属層6cおよび第2金属層6dの外形を同じ0.6mmにした場合の測定結果を示す。実線Bは第1金属層6cの外形を0.5mm、第2金属層6dの外形を0.6mmとし、はんだ7aの体積をはんだ7bの体積よりも小さくした場合の測定結果を示す。
図12から、本パッケージ10においては第1金属層6cの面積が第2金属層6dの面積よりも小さい場合、または、はんだ7aの体積がはんだ7bの体積よりも小さい場合は、特性インピーダンスの整合に有利であることが解る。すなわち、この場合には、ピン端子3に接合される位置で、特性インピーダンス50Ωからのずれ47Ωが49Ωに改善され、2Ωの改善が図られることが解る。
また、はんだ7bおよびはんだ7dは、例えば、間隔がピン端子3および接地用ピン端子4の先端部に向かうに従って広くする。その結果、本発明の実施形態に係るパッケージ10は、ピン端子3および接地用ピン端子4と配線基板6の接合部で特性インピーダンスが変動する可能性を抑制することができる。
本実施形態に係る機能素子収納用パッケージ(パッケージ)10は、筐体2の内側に機能素子1を収納している。機能素子1の例としては、例えばニオブ酸リチウム(lithium niobate)基板等の電気光学結晶を用いたLN光デバイス等の他、LD,PD等の半導体素子が挙げられる。これらの半導体素子は、高周波電気信号で動作する高周波半導体素子である。この他、高周波電気信号で動作するデバイス、例えば、抵抗器、圧電素子、水晶振動子、セラミック発振子等の任意の機能素子である。なお、ここで言う高周波とは概ね1GHz〜100GHzの周波数範囲を想定している。以下、図13を参照しながら機能素子1にLN光デバイスを用いたLN変調器11を例に説明する。
筐体2の底板部2aには、例えばLN光デバイス等の機能素子1が載置され、その電極がピン端子3に接続される。また、筐体2には、光ファイバを接続する固定部材9a,9bが光ファイバ取付孔2d,2eに設けられている。光ファイバ8a,8bは、LN光デバイス上に設けられた光導波路と光結合するように光ファイバ取付孔2d,2eおよび固定部材9a,9bに挿入され、固定部材9a,9bで固定されることによって筐体2に取り付けられる。
LN光デバイス上には光導波路が形成されている。固定部材9aに取り付けられた一方の光ファイバ8aから入力された光信号は、光導波路の一端に光結合されて光導波路上を伝播する。そして、光信号は、ボンディングワイヤWを介してピン端子3から供給された高周波電気信号によってLN光デバイス上で変調され、光導波路の他端から固定部材9bに取り付けられた他方の光ファイバ8bに向けて出力される。
最後に蓋体(図示せず)が、枠体部2bの上面に接合される。すなわち、蓋体は、筐体2によって形成される機能素子1が収容された収容空間を、例えば、中空構造で密閉するように、枠体部2bの上面に、半田やロウ材等の接続部材を介して接合される。
以上のように、本発明によれば、第1金属層6cよりも面積が大きい第2金属層6dとピン端子3とがはんだ7を介して接続されることにより、高周波特性が良好な機能素子収納用パッケージ10、ならびに半導体装置11およびLN変調器11を提供することができる。
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。例えば、上述の実施の形態の一例では、第1金属層6cの面積そのものを第2金属層6dの面積よりも小さく形成する例を示したが、これに限定されない。例えば、第1金属層6cの面積を第2金属層6dと同等、もしくは、第2金属層6dより大きく形成し、代わりに、配線基板6の一方面6aを覆う絶縁層によって第1金属層6cの外周部を覆うことによって、第1金属層6cが露出し、はんだ7aが設けられる内周部の面積が第2金属層6dが露出する面積より小さくなるようにしてもよい。これにより、実質的にはんだ7aが設けられる第1金属層6cの面積を小さいものとすることができ、第1金属層6cとピン端子3とを接続するはんだ7aの体積を、第2金属層6dとピン端子3とを接続するはんだ7bの体積より小さくすることができる。
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 機能素子
2 筐体
2a 底板部
2b 枠体部
2c 貫通孔
2d,2e 光ファイバ取付孔
3 ピン端子
3a 誘電体
4 接地用ピン端子
6 配線基板
6a 一方面
6b 多方面
6c 第1金属層
6d 第2金属層
6e 接続配線
6f 接地導体層
6g 接地用パッド
7 はんだ
8a,8b 光ファイバ
9a,9b 固定部材
W ボンディングワイヤ
H 貫通孔
2 筐体
2a 底板部
2b 枠体部
2c 貫通孔
2d,2e 光ファイバ取付孔
3 ピン端子
3a 誘電体
4 接地用ピン端子
6 配線基板
6a 一方面
6b 多方面
6c 第1金属層
6d 第2金属層
6e 接続配線
6f 接地導体層
6g 接地用パッド
7 はんだ
8a,8b 光ファイバ
9a,9b 固定部材
W ボンディングワイヤ
H 貫通孔
Claims (7)
- 機能素子が収納される筐体と、
該筐体の外殻に位置するピン端子と、
該ピン端子が位置する貫通孔、前記筐体側の前記貫通孔の開口周囲に位置する第1金属層、前記筐体と反対側の前記貫通孔の開口周囲に位置し、前記第1金属層よりも面積が大きい第2金属層および前記第1金属層または前記第2金属層と接続された接続配線をそれぞれ有し、前記第1金属層および前記第2金属層と前記ピン端子とがはんだによって接続された配線基板とを備えた機能素子収納用パッケージ。 - 前記第1金属層と前記ピン端子とを接続するはんだの体積は、前記第2金属層と前記ピン端子とを接続するはんだの体積よりも小さい請求項1記載の機能素子収納用パッケージ。
- 前記筐体と前記配線基板との間の前記ピン端子の表面積は、前記第2金属層より突出する前記ピン端子の表面積より小さい請求項1または2記載の機能素子収納用パッケージ。
- 前記第1金属層および前記第2金属層は、中心軸に関して対称の形状を有し、前記ピン端子が前記中心軸の位置に配置されている請求項1乃至3のいずれか1つに記載の機能素子収納用パッケージ。
- 前記ピン端子は、前記筐体の底面に配置されている請求項1乃至4のいずれか1つに記載の機能素子収納用パッケージ。
- 請求項1乃至5のいずれか1つに記載の機能素子収納用パッケージと、前記筐体の内側に収納された半導体素子とを備えた半導体装置。
- 請求項1乃至5のいずれか1つに記載の機能素子収納用パッケージと、前記筺体の内側に収納されたLN光デバイスとを備えたLN変調器。
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