(57)【要約】【課題】内部に収容するＩＣ等の部品を増加させ、半導体装置を集積化および多機能化させるとともに、高周波伝送特性を向上させること。【解決手段】半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する貫通穴１ａが形成されているとともに、上側主面の外周部に、下端が開かれた筒状の金属製の蓋体３の下端が接合される金属製の基体１と、半導体素子２を載置するための載置部が形成された、貫通穴１ａの基体１の下側主面側の開口の周囲に上面の外周部が接合された入出力端子５とを具備しており、入出力端子５は、積層された複数のセラミック層５−１からなるとともに下面と一側面との間に段差５ａが形成されており、さらに、上面の載置部の周囲には電極５ｃが、段差５ａの側面には配線導体５ｂがそれぞれ形成されており、電極５ｃと配線導体５ｂとが貫通導体５ｄを介して電気的に接続されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下主面間を貫通する貫通穴が形成されているとともに、上側主面の外周部に、下端が開かれた筒状の金属製の蓋体の前記下端が接合される平板状の金属製の基体と、上面の中央部に半導体素子を載置するための載置部が形成された、前記貫通穴の前記基体の下側主面側の開口の周囲に上面の外周部が接合された入出力端子とを具備しており、該入出力端子は、積層された複数のセラミック層からなるとともに下面と一側面との間に段差が形成されており、さらに、上面の前記載置部の周囲には電極が、前記段差の側面には配線導体がそれぞれ形成されており、前記電極と前記配線導体とが貫通導体を介して電気的に接続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。
【請求項２】
前記入出力端子は、前記貫通導体を中心とする円周上に接地貫通導体が複数個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。
【請求項３】
前記入出力端子は、前記段差の側面にその上端から下端にかけて溝が形成されているとともに該溝の内面に前記配線導体が形成されており、リード端子が前記溝に嵌着されるとともに前記配線導体にロウ付けされていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体素子収納用パッケージ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体素子収納用パッケージの前記載置部に半導体素子が載置されているとともに前記電極に電気的に接続されており、前記基体の上側主面の外周部に前記蓋体の前記下端が接合されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報通信分野等に用いられる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。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光通信等の分野において高い周波数で作動する半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子を気密封止して収納した半導体装置の例を図６に示す。同図において、２１は基体、２２は半導体素子、２３は金属製の蓋体、２４は透光性部材、２６は光ファイバである。
【０００３】
基体２１は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金等の金属から成り、その上側主面の中央部には、半導体素子２２が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質セラミックス等のセラミックスから成る直方体状の基台２８を介して基体２１の上側主面に搭載固定される。また、基体２１には、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属からなる外部接続用ピン２５を挿通させるために上下主面間を貫通する貫通穴２１ａが形成されており、貫通穴２１ａに半導体装置内外を導通する端子としての外部接続用ピン２５を挿通させるとともに、外部接続用ピン２５と貫通穴２１ａとの隙間にガラス等の誘電体から成る接合材を充填し、基体２１と外部接続用ピン２５とを気密に接合する。これにより、外部接続用ピン２５が半導体装置内外を導通する端子として機能する。
【０００４】
なお、基台２８に搭載された半導体素子２２は、その電極が外部接続用ピン２５の半導体素子２２側の先端とボンディングワイヤ２９等を介して電気的に接続されている。
【０００５】
また、基体２１の上側主面の外周部に接合され、上端が閉じられ下端が開かれた筒状であり上端面２３ａの中央部に貫通孔２３ｂが形成されており、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る蓋体２３が設けられる。蓋体２３の下端２３ｃは、例えば図６のような鍔状となっており、これにより基体２１と蓋体２３との接合面積が大きくなり、基体２１と蓋体２３とで構成される容器内部の気密信頼性が向上する。
【０００６】
さらに、貫通孔２３ｂを塞ぐように、貫通孔２３ｂの上端面２３ａ側開口の周囲に透光性部材２４が接合される。透光性部材２４はガラスやサファイア等から成る円板状，レンズ状，球状または半球状等のものであり、ガラスによる接合や半田付け等により蓋体２３に気密に接合される。
【０００７】
このような基体２１、蓋体２３および透光性部材２４から主に構成される容器内部に半導体素子２２を収容し気密に封止する。
【０００８】
最後に、光ファイバ２６固定用の筒状の金属製の固定部材２７が、蓋体２３の外周面に溶接され、光ファイバ２６が固定部材２７の上面の貫通孔に外部から挿通固定されて透光性部材２４の上方に固定され、外部接続用ピン２５の外側の先端部が外部電気回路（図示せず）に電気的に接続されることによって、半導体装置となる（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００９】
この半導体装置は、外部電気回路から供給される電気信号によって半導体素子２２にレーザ光等の光を励起させ、この光を透光性部材２４、光ファイバ２６の順に透過させ、光ファイバ２６を介して外部に伝送させることによって、高速光通信等に使用される半導体装置として機能する。この場合、半導体素子２２から光信号が正常に発光しているか確認するためのモニタ用ＰＤ（図示せず）が搭載されていてもよい。または、外部から光ファイバ２６を介して伝送してくる光信号を、透光性部材２４を透過させ半導体素子２２に受光させて、光信号を電気信号に変換することによって、高速光通信等に使用される半導体装置として機能する。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１８３３６９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置において、外部接続用ピン２５が基体２１の貫通穴２１ａに挿通されガラス等を介して気密に接合される構成であるため、外部接続用ピン２５の直径寸法の最小加工限界、貫通穴２１ａの穴寸法、隣接する貫通穴２１ａ間の間隔の最小加工限界等の制約があり、そのため、外部接続用ピン２５を挿入する位置が制約され、半導体素子２２と外部接続用ピン２５とを接続するためのボンディングワイヤ２９が長くなる場合があり、ボンディングワイヤ２９ではインピーダンスを整合できないことから高周波信号の伝送損失が大きくなるという問題点があった。その結果、ボンディングワイヤ２９で高周波信号を効率よく伝送できない場合があった。
【００１２】
また、基体２１に外部接続用ピン２５を１本挿入するために大きな面積が必要とされ、基体２１に取り付けられる外部接続用ピン２５の本数が数本に限られるという問題点があった。
【００１３】
さらに、半導体装置内にはＬＤ，ＰＤ等の半導体素子２２やモニタ用ＰＤのみが収容され、半導体素子２２を駆動するためのドライバＩＣは別の半導体素子収納用パッケージ内に収納され、外部電気回路を介してドライバＩＣと半導体装置とを電気的に接続する必要があり、半導体素子２２を駆動させるための装置全体が大型化するという問題点もあった。
【００１４】
また、外部接続用ピン２５をガラス等の接合材を介して基体２１に接合しただけの端子構造であるため、外部接続用ピン２５に外部から応力が加わった場合に接合材にクラック等の破損が生じ、半導体装置内部の気密が損なわれるという問題点があった。
【００１５】
さらに、外部接続用ピン２５の貫通穴２１ａに挿入されていない部位を特性インピーダンスに整合させた信号線路とするのが困難であり、外部接続用ピン２５を伝送する高周波信号が外部接続用ピン２５で反射等して伝送損失が生じ、高周波信号を効率よく伝送できなくなるという問題点もあった。特に、２ＧＨｚ以上の高周波になると伝送効率が著しく劣化し易くなっていた。
【００１６】
さらにまた、２ＧＨｚ以上の高周波領域では、半導体素子２２の動作中に発生する熱量が大きくなって熱が外部接続用ピン２５に伝わり、外部接続用ピン２５の熱膨張による寸法変化のために接合材２１ａや基体２１に歪みが生じ、その結果、半導体素子２２と光ファイバ２６との光軸がずれて光伝送効率が低下してしまうという問題点もあった。
【００１７】
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、半導体素子と外部接続用ピンとを接続するためのボンディングワイヤを短線化して高周波信号の伝送特性を向上させるとともに、半導体装置に取り付けられる端子数を増やして内部に収容する集積回路素子（ＩＣ）等の部品を増加させて半導体装置を集積化および多機能化させることである。また、内部の気密信頼性を向上させるとともに、外部接続用ピンで高周波信号が反射等するのを防いで高周波信号の伝送効率を向上させ、また、半導体素子と光ファイバとの光軸のずれを抑制して光伝送効率の優れたものとし、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高性能のものとすることにある。
【００１８】
【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、上下主面間を貫通する貫通穴が形成されているとともに、上側主面の外周部に、下端が開かれた筒状の金属製の蓋体の前記下端が接合される平板状の金属製の基体と、上面の中央部に半導体素子を載置するための載置部が形成された、前記貫通穴の前記基体の下側主面側の開口の周囲に上面の外周部が接合された入出力端子とを具備しており、該入出力端子は、積層された複数のセラミック層からなるとともに下面と一側面との間に段差が形成されており、さらに、上面の前記載置部の周囲には電極が、前記段差の側面には配線導体がそれぞれ形成されており、前記電極と前記配線導体とが貫通導体を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、入出力端子が、積層された複数のセラミック層からなるとともに下面と一側面との間に段差が形成されており、さらに、上面の載置部の周囲には電極が、段差の側面には配線導体がそれぞれ形成されており、電極と配線導体とが貫通導体を介して電気的に接続されていることから、入出力端子の上面、側面および内部に微細な間隔をもって電極、配線導体および貫通導体等を多数形成することができ、その結果、半導体素子だけでなく、半導体素子を駆動するためのドライバＩＣや電気的特性を向上するためのコンデンサ素子等を入出力端子の表面や内部に設けたり、入出力端子内にフィルタ等の電気回路を形成することにより半導体素子収納用パッケージを多機能化することができる。従って、外部電気回路に設けられていたドライバＩＣやコンデンサ素子等の素子を半導体素子収納用パッケージの内部や入出力端子の外側に実装し集積化することができることから、半導体素子を駆動させるための装置全体を小型化できる。
【００２０】
また、半導体素子を入出力端子の上面に直接載置固定することにより、入出力端子上面の電極を半導体素子の近傍に形成できることから、電極と半導体素子とをきわめて短線化されたボンディングワイヤにより電気的に接続でき、ボンディングワイヤでの高周波信号の伝送損失を最小限に抑えることができる。
【００２１】
さらに、基体の貫通穴を覆って基体の下側主面に接合された入出力端子を有していることによって、従来のガラス接合された外部接続用ピンに比較して、外部接続用ピンの接合部にクラック等の破損が生じて半導体装置内部の気密が破れるのを有効に防止できる。従って、外部接続用ピンをガラス等の接合材を介して基体の貫通孔に接合した従来の構造に比べ気密信頼性が大幅に向上する。また外部接続用ピンを介すことなく、入出力端子を段差の部位で外部電気回路基板に接続できるため、高周波信号が反射等して伝送損失が生じるのを抑制し、高周波信号の伝送効率を大幅に改善できる。
【００２２】
また、入出力端子の段差を外部電気回路基板の端部にかみ合わせて、配線導体を外部電気回路に電気的に接続することにより、配線導体を外部電気回路基板の所望の配線導体層等に正確に位置を合わせて接続して特性インピーダンスの整合性をよくし、高周波信号の伝送効率が優れたものとすることができる。
【００２３】
さらに、入出力端子は積層された複数のセラミック層からなることから、セラミック層間に大面積の導体を形成することができ、シールド効果や接地特性、放熱性を非常に良好にすることができる。また、半導体素子が光半導体素子である場合、半導体素子から発せられた光がセラミック層に設けられた大面積の導体の表面で反射しやすくすることができる。その結果、半導体素子からの光が半導体素子収納用パッケージ内部で吸収されて損失するのを良好に抑制し、発光効率を高めることができる。
【００２４】
本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記入出力端子は、前記貫通導体を中心とする円周上に接地貫通導体が複数個設けられていることを特徴とする。
【００２５】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、好ましくは、貫通導体を中心とする円周上に接地貫通導体が複数個設けられていることにより、貫通導体を疑似同軸線路として特性インピーダンスに整合された線路とすることができ、半導体素子が１０ＧＨｚ以上の高周波信号で作動する場合に、貫通導体を伝送する高周波信号に反射損失等の伝送損失が発生するのを有効に防止することができる。
【００２６】
また本発明の半導体素子収納用パッケージにおいて、好ましくは、前記入出力端子は、前記段差の側面にその上端から下端にかけて溝が形成されているとともに該溝の内面に前記配線導体が形成されており、リード端子が前記溝に嵌着されるとともに前記配線導体にロウ付けされていることを特徴とする。
【００２７】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、好ましくは入出力端子は、段差の側面にその上端から下端にかけて溝が形成されているとともに溝の内面に配線導体が形成されており、リード端子が溝に嵌着されるとともに配線導体にロウ付けされていることにより、リード端子は入出力端子の所定の位置に正確に接合されているため、リード端子を外部電気回路基板の配線導体層にロウ付けする際に、配線導体を外部電気回路基板の所望の配線導体層に正確に位置合わせして接続することができる。
【００２８】
また、リード端子を溝に嵌着して配線導体にロウ付けする際に、リード端子の露出した面を段差の側面と面一にすることができるとともに、ほぼ同じ平面上でリード端子を介して入出力端子の配線導体と外部電気回路基板の配線導体層とを接続できる。その結果、配線導体から外部電気回路基板の配線導体層までを段差なく電気的に接続でき、配線導体と外部電気回路基板の配線導体層との間の信号経路のインピーダンスを正確に整合させることができる。
【００２９】
これらの結果、入出力端子の配線導体と外部電気回路基板の配線導体層との間をリード端子を介して伝送する高周波信号に反射損失等の伝送損失が発生するのを有効に防止し、高周波信号の伝送効率が優れたものとすることができる。
【００３０】
本発明の半導体装置は、上記の半導体素子収納用パッケージの前記載置部に半導体素子が載置されているとともに前記電極に電気的に接続され、前記基体の上側主面の外周部に前記蓋体の下端が接合されていることを特徴とする。
【００３１】
本発明の半導体装置は、上記の構成により、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた高周波伝送特性、気密信頼性および放熱性に優れたものとなる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
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について以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体装置について、半導体素子としてＬＤ，ＰＤ等の光半導体素子を気密封止して収納した半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は基体、２は半導体素子、３は蓋体、４は透光性部材、５は入出力端子、６は光ファイバ、７は固定部材である。そして、基体１および入出力端子５で半導体素子収納用パッケージが基本的に構成される。また、半導体素子収納用パッケージに半導体素子２を搭載し、蓋体３を接合することにより半導体装置となる。
【００３３】
半導体素子収納用パッケージは、上下主面間を貫通する貫通穴１ａが形成されており、かつ上側主面の外周部に下端３ｃが開かれた筒状の金属製の蓋体３の下端３ｃが接合される平板状の金属製の基体１と、上面の中央部に半導体素子２を載置するための載置部が形成された、貫通穴１ａの基体１の下側主面側の開口の周囲に上面の外周部が接合された入出力端子５とを具備しており、入出力端子５は基体１の主面にほぼ平行に積層された複数のセラミック層５−１からなるとともに下面と一側面との間に段差５ａが形成されており、さらに、上面の載置部の周囲には電極５ｃが、段差５ａの側面５ｅには配線導体５ｂがそれぞれ形成されており、電極５ｃと配線導体５ｂとが貫通導体５ｄを介して電気的に接続されている。
【００３４】
本発明の基体１は、円板状、長方形等の平板状であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等の金属から成り、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形状に製作される。この基体１には、基体１の上下主面間を貫通する貫通穴１ａが設けられている。この貫通穴１ａの基体１の下側主面側開口の周囲には、入出力端子５の上面の外周部に設けられた導体層５ｃ−１が、銀（Ａｇ）ロウ等のロウ材によって接合されることにより、貫通穴１ａを覆うようにして入出力端子５が気密に接合される。
【００３５】
本発明の入出力端子５は以下のようにして作製される。例えば、Ａｌ２Ｏ３質焼結体（セラミックス）から成る場合、先ず酸化アルミニウム、酸化珪素（ＳｉＯ２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して泥漿状と成す。これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術により複数のセラミックグリーンシートを得る。次に、このセラミックグリーンシートに、Ｗやモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、スクリーン印刷法等の厚膜形成技術により印刷塗布して、配線導体５ｂ、電極５ｃ、導体層５ｃ−１および接続パッド５ｄ−１となるメタライズ層を所定パターンに形成する。
【００３６】
なお、接続パッド５ｄ−１は、貫通導体５ｄ同士を確実に接続させるためのものであり、セラミックグリーンシートの層間に設けられる。
【００３７】
そして、貫通導体５ｄとなる貫通孔を金型による打ち抜き加工で形成し、この貫通孔に上記の金属ペーストを充填する。また、一部のセラミックグリーンシートに対して、金型等によって打ち抜き加工を施して形状加工を行なうことによって、セラミックグリーンシートの積層体の所望の位置に段差５ａが形成されるようにする。その後、これらのセラミックグリーンシートを基体１の主面にほぼ平行となるようにして複数枚積層した積層体を還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。
【００３８】
また、入出力端子５は、電極５ｃや導体層５ｃ−１を形成せずに焼成し、焼成後に入出力端子５の上面となる面をスライス切断加工あるいは研磨加工した後、そのスライス切断面あるいは研磨面にＷやＭｏ等を主成分とする金属ペーストをスクリーン印刷法等の厚膜形成技術により印刷塗布して、これを還元雰囲気中、約１３００℃の温度で焼成することにより製作してもよい。このように、入出力端子５の上面を平坦にすることにより、半導体素子２を安定に精度よく載置することができ、インピーダンスをより良好に整合させることができる。また、半導体素子２が光半導体素子であれば、その発光面または受光面を傾けることなく安定に載置することができ、光結合効率をより向上させることができる。
【００３９】
なお、高周波伝送特性をよくするという観点から、図２の入出力端子５の電極５ｃ部およびその周辺部を示す部分拡大上面図に示すように、電極５ｃの近傍まで接近させた導体層５ｃ−１を設けたり、図３に示すように貫通導体５ｄを中心とする円周上に接地貫通導体１５を複数個設けた構造とすることにより、電極５ｃおよび貫通導体５ｄを接地強化することが好ましい。これらの構成により、電極５ｃや貫通導体５ｄに入出力する高周波信号に反射損失等の伝送損失が発生するのをより有効に防止でき、その結果、１０ＧＨｚ以上の高周波帯域においても、入出力端子５において高周波信号を効率よく入出力させることができる。
【００４０】
接地貫通導体１５を設ける場合、貫通導体５ｄの上下の電気的接続を確実なものとするために、図３の入出力端子５の断面図に示すように、接地用接続パッド１５−１を設けるとよい。
【００４１】
さらに、配線導体５ｂを外部電気回路基板１０上に形成した配線導体層１０ａに導電性接着材９や半田等を介して電気的に接続して固定した場合に、その接続強度を十分なものとし、かつ配線導体５ｂを伝送する高周波信号に伝送損失が生じるのを抑制して高周波信号の伝送効率を優れたものとする観点から、図３に示すように、段差５ａの上下方向の長さＬおよび横方向の深さＷを、それぞれ２．５ｍｍ≦Ｌ≦５ｍｍ、０．４ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍとするのがよい。
【００４２】
Ｌ＜２．５ｍｍの場合、入出力端子５の段差５ａと外部電気回路基板１０との当接する面の面積が小さくなり、外部電気回路基板１０に対して入出力端子５が傾いて当接され易くなり、配線導体層１０ａと配線導体５ｂとの接続不良が生じやすくなる。また、Ｌ＞５ｍｍの場合、入出力端子５の大きさが大きくなり、配線導体５ｂを伝送する高周波信号の誘電体損失が大きくなり易くなるとともに半導体装置が大型化し易くなる。
【００４３】
さらに、Ｗ＜０．４ｍｍの場合、段差５ａの天井面５ｆの面積が小さくなり、外部電気回路基板１０の端部を段差５ａの天井面５ｆに固定し難くなって外部電気回路基板１０上の配線導体層１０ａに配線導体５ｂを精度よく位置合わせするのが困難となり、インピーダンスを整合するのが難しくなる。また、Ｗ＞２ｍｍの場合、入出力端子５の大きさが大きくなって、配線導体５ｂを伝送する高周波信号の誘電体損失が大きくなり易くなるとともに半導体装置が大型化し易くなる。
【００４４】
また、段差５ａの側面５ｅと天井面５ｆとのなす角度θは、外部電気回路基板１０を精度よく位置合わせするという観点から、７０〜１１０°とするのがよい。θ＜  ７０°の場合、天井面５ｆが割れや欠けを生じ易くなり、外部電気回路基板１０を接続する際に位置がずれ易くなる。また、θ＞１１０°の場合、外部電気回路基板１０が傾き易くなり接続不良を生じやすくなる。
【００４５】
好ましくは、外部電気回路基板１０を接続する際に、外部電気回路基板１０の側面と天井面５ｆとの間に形成された隙間に導電性接着材９が流れ込むようにして外部電気回路基板１０の側面に導電性接着材９の溜まり形成することにより接続強度をより向上させるという観点から、６０〜８５°の鋭角とするのがよい。θが６０°より小さいと、外部電気回路基板１０の側面と天井面５ｆとの間に形成された隙間が大きくなって導電性接着材９がその隙間を完全に充填できずに空洞となる。また、θが８５°より大きいと、導電性接着材の溜まりが小さくなって接続強度は小さくなる。
【００４６】
なお、同じ目的のために上記角度θを約９０°として、外部電気回路基板１０の端面を入出力端子５側に向かって下方に傾斜した傾斜面としてもよい。その場合、外部電気回路基板１０は、入出力端子５側の主面に対向する主面と端面との成す角度を６０〜８５°とするのがよい。
【００４７】
また、本発明において、入出力端子５の上面と段差５ａの天井面５ｆとの距離を０．５乃至３ｍｍとすることが好ましい。この構成により、半導体素子２の動作中に発生した熱が貫通導体５ｄや入出力端子５に伝わったとしても、入出力端子５における段差５ａの天井面５ｆから上部の体積が大きくなり、また、貫通導体５ｄとセラミック層５−１との接触面積が大きいので熱を有効に貫通導体５ｄの周囲や入出力端子５の下方へ拡散して放熱することができる。
【００４８】
これにより、基体１と入出力端子５との熱膨張差による応力によって基体１と入出力端子５との接合部で入出力端子５がクラック等により破損するのを抑制して、半導体装置内部の気密を破れ難くすることができる。また、半導体素子２が光半導体素子である場合、貫通導体５ｄの熱膨張による寸法変化を小さくして入出力端子５に歪みを生じ難くし、半導体素子２と光ファイバ６との光軸ずれを有効に抑制して光伝送効率の優れたものとすることができる。さらに、本発明の半導体装置を外部電気回路基板１０に導電性接着材９や半田等を介して接続する際、加熱工程で貫通導体５ｄに伝わった熱を有効に放熱することにより、入出力端子５に歪みを生じ難くするとともに半導体素子２に熱が伝達して半導体素子２の特性が変化するのを防止することができる。
【００４９】
入出力端子５の上面と段差５ａの天井面５ｆとの距離が、０．５ｍｍ未満であると、貫通導体５ｄや入出力端子５に伝わった熱を貫通導体５ｄの周囲や入出力端子５の下方へ有効に拡散させることが困難となるため、基体１と入出力端子５との熱膨張差による応力によって基体１と入出力端子５との接合部で入出力端子５がクラック等により破損し、半導体装置内部の気密が破れ易くなる。また、貫通導体５ｄの熱膨張による寸法変化が大きくなって入出力端子５に歪みを生じて、半導体素子２（光半導体素子）と光ファイバ６との光軸がずれて光伝送効率が低下し易くなる。また、本発明の半導体装置を外部電気回路基板１０に導電性接着材９や半田等を介して接続する際、加熱工程で貫通導体５ｄに伝わった熱を有効に放熱させることが困難となるため、入出力端子５に歪みが生じ易くなるとともに半導体素子２に熱が伝達して半導体素子２の特性が変化し易くなる。
【００５０】
また、３ｍｍを超えると、貫通導体５ｄの長さが長くなって伝送損失が大きくなり易くなるとともに半導体装置が大型化し易くなり近時の半導体装置の小型化傾向に反することとなる。
【００５１】
図４に図３のＡ−Ａ’線断面図を示す。図４に示すように、貫通導体５ｄを中心とする円周上に一定間隔で複数の接地貫通導体１５を設けるのがよい。この場合、図４（ａ）に示すように、セラミック層５−１の層間には貫通導体５ｄの周りに貫通導体５ｄの中心Ｃ１を中心とする円形の接続パッド５ｄ−１を設けるとともに、中心Ｃ１を中心とする円周Ｄ上に接地貫通導体１５の中心Ｃ２が位置するようにして、一定間隔で複数の接地貫通導体１５を設けるのがよい。接地貫通導体１５の周りには中心Ｃ２を中心とする円形の接地用接続パッド１５−１を設けるのがよい。
【００５２】
なお、接続パッド５ｄ−１と接地用接続パッド１５−１は、それぞれ上下のセラミック層５−１における貫通導体５ｄ、接地貫通導体１５同士を確実に電気的に接続させるためのものである。
【００５３】
上記の構成により、貫通導体５ｄを伝送する高周波信号を同軸線路のモードで伝送させることができ、反射等の伝送損失を抑えて無駄なく伝送できる。さらに、図４（ｂ）に示すように、接地用接続パッド１５−１を各接地貫通導体１５に個々に設けるのではなく、接続パッド５ｄ−１の周囲に一定間隔をもって、連続して設けてもよい。これにより、貫通導体５ｄを伝送する高周波信号をより同軸線路のモードに近似させることができ、より伝送損失を抑えることが可能となる。
【００５４】
また、貫通導体５ｄを伝送する高周波信号がさらに高周波帯域のものとなると、接地貫通導体１５を貫通導体５ｄのより近くに配置することによって、貫通導体５ｄを伝送する高周波信号に共振による伝送損失が発生するのを防止することができる。
【００５５】
この場合、図４（ａ）のような円形の接地用接続パッド１５−１を設けたものでは、貫通導体５ｄと接地貫通導体１５との距離が小さいために接地用接続パッド１５−１と接続パッド５ｄ−１とが重なるため、電気的に短絡してしまい高周波信号を伝送できなくなるので、図４（ｃ）に示すように、接地用接続パッド１５−１の貫通導体５ｄ側を切欠いて、接地用接続パッド１５−１を扇形にするのがよい。この構成によって、接地用接続パッド１５−１と接続パッド５ｄ−１とが重なることなく接地貫通導体１５を貫通導体５ｄのより近くに配置することができ、貫通導体５ｄを伝送する高周波信号がより高周波帯域のものとなっても、高周波信号に発生する伝送損失を最小限に抑えることが可能となる。
【００５６】
なお、中心Ｃ１と中心Ｃ２とを結ぶ直線をＳ，扇形の端面をＴとすれば、ＳとＴとの成す角度は図４（ｃ）に示すように９０〜１２０°であるのがよい。これにより、接地貫通導体１５を貫通導体５ｄのより近くに配置して高周波信号の伝送特性を良好にできるとともに、接地貫通導体１５同士の接続信頼性を低下させることなく高信頼性のものとすることができる。
【００５７】
また本発明において好ましくは、入出力端子５は、図５に示すように、段差５ａの側面５ｅにその上端から下端にかけて溝５ｇが形成されているとともに溝５ｇの内面に配線導体５ｂが形成されており、リード端子１１が溝５ｇに嵌着されるとともに配線導体５ｂにロウ付けされているのがよい。これにより、リード端子１１が入出力端子５に正確に位置合わせされて接合されることから、リード端子１１を外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａにロウ付け等により電気的に接続する際に、配線導体５ｂを外部電気回路基板１０の所望の配線導体層１０ａに正確に位置を合わせして接続することができる。
【００５８】
なお、図５（ａ）は入出力端子５の実施の形態の他の例を示す断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の入出力端子５の下面図である。
【００５９】
また、リード端子１１を溝５ｇに嵌着して配線導体５ｂにロウ付けする際に、リード端子１１の配線導体５ｂと反対側の露出した面を段差５ａの側面と面一にすることができるとともに、ほぼ同じ平面上でリード端子１１を介して入出力端子５の配線導体５ｂと外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａとを接続できる。その結果、配線導体５ｂから外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａまでを段差なく電気的に接続でき、配線導体５ｂと外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａとの間の信号経路のインピーダンスを正確に整合させることができる。
【００６０】
これらの結果、入出力端子５の配線導体５ｂと外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａとの間をリード端子１１を介して伝送する高周波信号に反射損失等の伝送損失が発生するのを有効に防止し、高周波信号の伝送効率が優れたものとすることができる。
【００６１】
ここで、溝５ｇの深さは０．０５〜０．３５ｍｍがよく、段差５ａの側面５ｅとリード端子１１の露出した面（配線導体５ｂと反対側の面）との段差は０．１５ｍｍ以下がよい。これにより、配線導体５ｂから外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａまでをほぼ段差なく電気的に接続でき、高周波信号の伝送効率を非常に優れたものとすることができる。
【００６２】
溝５ｇの深さが０．０５ｍｍ未満であると、溝５ｇが浅すぎて入出力端子５に溝５ｇを形成するのが困難となり、また、リード端子１１が段差５ａの側面５ｅからリード端子１１が突出するため、この突出部分（リード端子１１は空気で覆われている）と溝５ｇに埋設されている部分（リード端子１１はセラミック層５−１で覆われている）とでリード端子１１の周囲の誘電率が異なることとなってインピーダンス整合が困難になりやすい。
【００６３】
一方、０．３５ｍｍを超えると溝５ｇが深くなり、それに合わせてリード端子１１を厚くしなければならず、入出力端子５のリード端子１１接合部に入出力端子５とリード端子１１との熱膨張差による熱応力が大きく加わりやすくなり、入出力端子５にクラック等の破損が生じ易くなる。この結果、半導体装置内部を気密に保持できなくなったり、入出力端子５の配線導体５ｂや貫通導体５ｄに断線が生じて、半導体素子を正常に作動させることができなくなるおそれがある。
【００６４】
また、段差５ａの側面５ｅとリード端子１１の露出した面との差が０．１５ｍｍを超えると、外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａがリード端子１１の露出した面側に接合されると配線導体５ｂから外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａまでに大きな段差が生じてしまい、この段差によって、配線導体５ｂから外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａまでの信号経路のインピーダンスを正確に整合させることができなくなり、信号経路を伝送する高周波信号の伝送効率が劣化しやすくなる。
【００６５】
さらに、入出力端子５は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体（セラミックス）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等の誘電体から成るが、特に窒化アルミニウム質焼結体から成ることが好ましい。これにより、半導体素子２の熱を外部に効率よく放熱することができる。
【００６６】
このような半導体素子収納用パッケージの載置部に半導体素子２が載置され、半導体素子２の電極が入出力端子５の電極５ｃにボンディングワイヤ８などによって電気的に接続され、基体１の上側主面の外周部に下端３ｃが開かれた筒状の金属製の蓋体３の下端３ｃが接合されることにより製品としての半導体装置となる。
【００６７】
このような半導体装置は、半導体素子２の誤作動を防止するために内部を気密にするのがよい。内部を気密にすると、蓋体３の外面に内外の気圧差による圧力が加わり、蓋体３が変形を起こす可能性がある。従って、気圧差により半導体装置の外面に加わる圧力を均一に分布させ、圧力集中を防止するため、蓋体３を円筒形とするのがよい。
【００６８】
蓋体３は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成り、そのインゴットに圧延加工や打ち抜き加工、絞り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形状に製作される。この蓋体３は、筒状部と上端面３ａが個々に製作され、それらをロウ付け、半田付け、溶接等によって接合したものであってもよい。
【００６９】
また、半導体素子２が光半導体素子である場合、半導体素子２と光ファイバ６とで光結合させるため、蓋体３の上端面３ａの中央部に貫通孔３ｂが形成されており、この貫通孔３ｂを塞ぐように貫通孔３ｂの開口の周囲に、透光性部材４が銀（Ａｇ）ロウ付けやガラス接合、半田付け等により気密に接合される。透光性部材４は、ガラスやサファイア等から成る円板状、レンズ状、球状または半球状等のものであり、球状の場合帯状部で、円板状やレンズ状の場合一主面の外周部で、半球状の場合平面部の外周部で蓋体３に接合される。
【００７０】
そして、光ファイバ６が、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属から成る円筒状の固定部材７の上端面に固定され、固定部材７の下端面が蓋体３の外周面にシーム溶接法等の溶接によって接合される。光ファイバ６が固定部材７を介して透光性部材４の上方に固定されることによって、光半導体装置となり、光ファイバ６を介して内部に収容する半導体素子２（光半導体素子）と外部との光信号の授受が可能となる。
【００７１】
好ましくは、透光性部材４は貫通孔３ｂの上端面３ａ側開口の周囲に接合されるのがよい。この場合以下の点で有利である。即ち、蓋体３の外周部に固定部材７を溶接する際の熱が蓋体３に局所的に加わり、蓋体３の透光性部材４との接合面に熱膨張による引っ張り応力が加わると、透光性部材４が蓋体３から剥がれやすくなるが、半導体装置は内部を気密にするため外側から内側に気圧が加わるため、気圧によって透光性部材４が蓋体３に押し付けられて剥がれにくくなる。一方、透光性部材４が貫通孔３ｂの上端面３ａの裏面側開口の周囲に接合されていると、熱膨張による応力によって透光性部材４を剥がそうとする引っ張り応力と気圧による圧力とが加わり、透光性部材４が蓋体３から容易に外れてしまうこととなる。
【００７２】
かくして、本発明の半導体装置は、半導体素子２の電極を外部電気回路基板１０の配線導体層１０ａに電気的に接続し、外部電気回路１０から供給される電気信号によって半導体素子２を作動させることができる。また、半導体素子２が光半導体素子である場合、外部電気回路１０から供給される電気信号によって半導体素子２にレーザ光等の光を励起させ、この光を透光性部材４、光ファイバ６の順に透過させ、光ファイバ６を介して外部に伝送することによって、高速光通信等に使用される光半導体装置として機能させることができる。
【００７３】
なお、本発明は上記実施の形態の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。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、入出力端子が、複数のセラミック層からなるとともに下面と一側面との間に段差が形成されており、さらに、上面の載置部の周囲には電極が、段差の側面には配線導体がそれぞれ形成されており、電極と配線導体とが貫通導体を介して電気的に接続されていることから、入出力端子の上面、側面および内部に微細な間隔をもって電極、配線導体および貫通導体等を多数形成することができ、その結果、半導体素子だけでなく、半導体素子を駆動するためのドライバＩＣや電気的特性を向上するためのコンデンサ素子等を入出力端子の表面や内部に設けたり、入出力端子内にフィルタ等の電気回路を形成することにより半導体素子収納用パッケージを多機能化することができる。従って、外部電気回路に設けられていたドライバＩＣやコンデンサ素子等の素子を半導体素子収納用パッケージの内部や入出力端子の外側に実装し集積化することができることから、半導体素子を駆動させるための装置全体を小型化できる。
【００７５】
また、半導体素子を入出力端子の上面に直接載置固定することにより、入出力端子上面の電極を半導体素子の近傍に形成できることから、電極と半導体素子とをきわめて短線化されたボンディングワイヤにより電気的に接続でき、ボンディングワイヤでの高周波信号の伝送損失を最小限に抑えることができる。
【００７６】
さらに、基体の貫通穴を覆って基体の下側主面に接合された入出力端子を有していることによって、従来のガラス接合された外部接続用ピンに比較して、外部接続用ピンの接合部にクラック等の破損が生じて半導体装置内部の気密が破れるのを有効に防止できる。従って、外部接続用ピンをガラス等の接合材を介して基体の貫通孔に接合した従来の構造に比べ気密信頼性が大幅に向上する。また外部接続用ピンを介すことなく、入出力端子を段差の部位で外部電気回路基板に接続できるため、高周波信号が反射等して伝送損失が生じるのを抑制し、高周波信号の伝送効率を大幅に改善できる。
【００７７】
また、入出力端子の段差を外部電気回路基板の端部にかみ合わせて、配線導体を外部電気回路に電気的に接続することにより、配線導体を外部電気回路基板の所望の配線導体層等に正確に位置を合わせて接続して特性インピーダンスの整合性をよくし、高周波信号の伝送効率が優れたものとすることができる。
【００７８】
さらに、入出力端子は積層された複数のセラミック層からなることから、セラミック層間に大面積の導体を形成することができ、シールド効果や接地特性、放熱性を非常に良好にすることができる。また、半導体素子が光半導体素子である場合、半導体素子から発せられた光がセラミック層に設けられた大面積の導体の表面で反射しやすくすることができる。その結果、半導体素子からの光が半導体素子収納用パッケージ内部で吸収されて損失するのを良好に抑制し、発光効率を高めることができる。
【００７９】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、好ましくは、貫通導体を中心とする円周上に接地貫通導体が複数個設けられていることにより、貫通導体を疑似同軸線路として特性インピーダンスに整合された線路とすることができ、半導体素子が１０ＧＨｚ以上の高周波信号で作動する場合に、貫通導体を伝送する高周波信号に反射損失等の伝送損失が発生するのを有効に防止することができる。
【００８０】
本発明の半導体素子収納用パッケージは、好ましくは入出力端子は、段差の側面にその上端から下端にかけて溝が形成されているとともに溝の内面に配線導体が形成されており、リード端子が溝に嵌着されるとともに配線導体にロウ付けされていることにより、リード端子は入出力端子の所定の位置に正確接合されているため、リード端子を外部電気回路基板の配線導体層にロウ付けする際に、配線導体を外部電気回路基板の所望の配線導体層に正確に位置合わせして接続することができる。
【００８１】
また、リード端子を溝に嵌着して配線導体にロウ付けする際に、リード端子の露出した面を段差の側面と面一にすることができるとともに、ほぼ同じ平面上でリード端子を介して入出力端子の配線導体と外部電気回路基板の配線導体層とを接続できる。その結果、配線導体から外部電気回路基板の配線導体層までを段差なく電気的に接続でき、配線導体と外部電気回路基板の配線導体層との間の信号経路のインピーダンスを正確に整合させることができる。
【００８２】
これらの結果、入出力端子の配線導体と外部電気回路基板の配線導体層との間をリード端子を介して伝送する高周波信号に反射損失等の伝送損失が発生するのを有効に防止し、高周波信号の伝送効率が優れたものとすることができる。
【００８３】
本発明の半導体装置は、上記の半導体素子収納用パッケージの載置部に半導体素子が載置されているとともに電極に電気的に接続され、基体の上側主面の外周部に蓋体の下端が接合されていることにより、上記本発明の半導体素子収納用パッケージを用いた高周波伝送特性、気密信頼性および放熱性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置について実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置における入出力端子の電極およびその周辺部を示す部分拡大上面図である。
【図３】本発明の半導体装置における入出力端子について実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図４】（ａ）は図３の入出力端子のＡ−Ａ’線における断面図、（ｂ）および（ｃ）は本発明の半導体装置における入出力端子の電極およびその周辺部について実施の形態の他の各種例を示す断面図である。
【図５】（ａ）は本発明の半導体装置における入出力端子について実施の形態の他の例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の下面図である。
【図６】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：貫通穴
２：半導体素子
３：蓋体
３ｃ：下端
５：入出力端子
５−１：セラミック層
５ａ：段差
５ｂ：配線導体
５ｃ：電極
５ｄ：貫通導体
５ｅ：段差の側面
５ｇ：溝
１１：リード端子
１５：接地貫通導体
【図１】
2004349567.tif 000003
【図２】
2004349567.tif 000004
【図３】
2004349567.tif 000005
【図４】
2004349567.tif 000006
【図５】
2004349567.tif 000007
【図６】
2004349567.tif 000008