(57)【要約】【課題】信号の共振により利得が急激に落ちる箇所が生じる部分、ディップを、より高周波領域に移動させることで、信号伝送損失を低減することと、高周波特性の改善と、製造の簡略化とコスト削減を目的とする。【解決手段】半導体素子を搭載する金属基体１は、銅や銅合金で構成されている。金属基体１の上面には、コバール材などからなる金属枠体３を銀ろう１４で接着している。金属枠体３には、孔形状が直線と曲線で構成された貫通孔４を形成し、この貫通孔４内に金属枠体３と絶縁しかつ金属枠体３の内外を電気的に導通するために、コバール材で形成された少なくとも２辺の長さが異なる断面形状である外部端子６を貫通孔４に通し、ガラス７を使いガラス封着をしている。その上から、コバール材などからなる金属蓋体９を金属枠体３にろう材１３で接合し気密する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が搭載される金属基体と、前記金属基体上面周縁部に接着される貫通孔が形成された金属枠体と、外部回路と導通接続される外部端子と、前記金属枠体と前記外部端子とを接着する絶縁材からなり、前記貫通孔の孔形状が直線および曲線で構成され、前記絶縁材がガラスであることを特徴とする半導体装置用パッケージ。
【請求項２】
前記外部端子が少なくとも２辺を有する断面形状であることを特徴とした請求項１記載の半導体装置用パッケージ。
【請求項３】
金属枠体に形成された貫通孔に外部端子を挿通し、ガラスタブレットを挿入する工程と、前記金属枠体および前記外部端子を前記ガラスタブレットにより封着する工程と、半導体素子が搭載される金属基体に前記金属枠体を接着する工程を有することを特徴とした半導体装置用パッケージの製造方法。
【請求項４】
半導体素子と、前記半導体素子が搭載される金属基体と、前記金属基体上面周縁部に接着される貫通孔が形成された金属枠体と、外部回路と導通接続される外部端子と、前記半導体素子と前記外部端子とを導通接続する導電性ワイヤと、前記金属枠体と前記外部端子とを封着する絶縁材からなり、前記貫通孔の孔形状が直線および曲線で構成され、前記絶縁材がガラスであることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記外部端子が少なくとも２辺の長さが異なる断面形状であることを特徴とした請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
金属枠体に形成された貫通孔に外部端子を挿通し、ガラスタブレットを挿入する工程と、前記金属枠体および前記外部端子を前記ガラスタブレットにより封着する工程と、半導体素子が搭載される金属基体に前記金属枠体を接着する工程、前記金属基体に前記半導体素子を載置する工程と、前記半導体素子と前記外部端子を導通接続する工程と、前記金属枠体上面に蓋体を接着する工程を有することを特徴とした半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を収納するパッケージにおいて、特に、高周波高出力電力増幅半導体装置用パッケージとその製造方法およびそれを用いた高周波高出力電力増幅用半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や無線ＬＡＮ等の通信機器分野では、大容量の情報を高速に処理するために、高周波化が要求されている。また、情報を電波によって送信するために基地局等の送信部分では高出力であることも必要であり、主にＧａＡｓ等の高周波トランジスタを用いて電力を増幅する。増幅装置では、電力を増幅する際に信号伝達損失が大きいと、その損失の影響により利得が下がってしまうため、高利得、高出力な増幅装置が構成できない。
【０００３】
そこで、高周波高出力電力増幅半導体装置用パッケージは、信号伝送損失を少なくし、大きな利得を得ることができるように設計する必要がある。そのために、外部端子とパッケージ本体を絶縁するのに、従来では、誘電損失の小さい材料であるセラミックを使用し、さらに、セラミックにメタライズ配線をすることでセラミック端子となり、気密性が保てると同時に、メタライズ配線により内外を電気的に導通することができる。
【０００４】
従来の高周波高出力電力増幅半導体装置用パッケージの構造として、特開平５−２２６５１４号公報に記載されたような構造が知られている。
【０００５】
図４（ａ）は、特開平５−２２６５１４号公報に記載された高周波高出力電力増幅用半導体装置の構造である。図４（ｂ）は、その断面図である。また、一般に、絶縁材に酸化アルミニウム質焼結体からなるセラミック端子を使用する場合、図４（ａ）の構造をとる。
【０００６】
半導体素子が搭載される金属基体２１の上部に切り欠き部２３を有する金属枠体２４を銀ろう３３によって接合し、この切り欠き部２３内に金属枠体２４と絶縁し、且つ金属枠体２４の内外を電気的に導通するセラミック端子４０をろう材３２により接着している。セラミック端子４０はメタライズ層５２を有しており、外部回路と電気的に導通するために、メタライズ層５２と外部端子２６を銀ろう３３により接着している。金属枠体２４上に金属蓋体２７をろう材３２により接合し、半導体素子２２を気密封止している。セラミック端子４０のメタライズ層５２の内側は、半導体素子２２と結線したボンディングワイヤ２８を接続するとともに、金属枠体２４の内外を導通している。
【０００７】
図４（ｃ）は上記セラミック端子４０の分解斜視図である。セラミック端子４０は、下段セラミック部材４１と、上段セラミック部材４２で構成されている。下段セラミック部材４１の下面全域には、金属基体２１ろう付け用のメタライズ層５１を形成し、下段セラミック部材４１の上面所定領域には、金属枠体２４の内外導通用のメタライズ層５２を形成している。上段セラミック部材４２の上面には、金属枠体２４ろう付け用のメタライズ層５３を形成している。セラミック端子４０の側面には、金属枠体２４ろう付け用のメタライズ層５４を形成している。
【０００８】
以下上述の図４（ｃ）および図５のセラミック端子製造工程図を参照しながらセラミック端子の製造方法について説明する。Ｓ１で、下段セラミック部材４１を多数形成した下段グリーンシート（未焼成のセラミック基板）の下面全域には、メタライズ層５１を形成するとともに、下段グリーンシートを上面所定領域にメタライズ層５２を形成する。次いでＳ２で、上段セラミック部材４２を多数形成した上段グリーンシート上面に、メタライズ層５３を形成する。次いでＳ３で、下段セラミック部材４１および上段セラミック部材４２を焼結一体化するとともに、メタライズ層５１、５２、５３を焼結する。次いでＳ４で、上下段グリーンシートをあらかじめ形成しておいた分割溝に合わせて、個々のセラミック端子４０に分割する。次いでＳ５で、個々のセラミック端子４０の側面にメタライズ層５４を形成する。次いでＳ６で、上記セラミック端子４０の側面に形成したメタライズ層５４を焼結し、セラミック端子４０を得る。その後Ｓ７で、セラミック端子を、メタライズ層により金属基体と金属枠体に接合する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記で説明したように、高周波高出力電力増幅半導体装置用パッケージにおいて、従来、絶縁材にはメタライズ層を有するセラミック端子が使われていた。
【００１０】
しかし、セラミック端子のメタライズ側面部分が導波管のように働き、信号がそれに結合し、信号の半波長となる周波数で共振する。それにより、高周波領域のある周波数で、利得が急激に落ちる箇所、ディップが生じる。それゆえ高周波領域において所望の帯域あるいは広帯域にわたって安定した利得を得ることができなかった。
【００１１】
また、セラミック端子は、気密封止性とメタライズ部分へのワイヤボンディング性を必要とするために、信号伝搬方向に対して構造が複雑とならざるを得ず、インピーダンス不連続による信号の反射が生じ、信号伝送損失が大きくなる問題があった。
【００１２】
さらに、セラミック端子のメタライズ部分で、局所的に電流密度が高くなる部分が存在してしまう問題があった。
【００１３】
また、セラミック端子の製造工程は、グリーンシートの状態で上下段セラミック部材を焼結一体化するとともにメタライズ層を焼結する工程と、個々のセラミック端子に分割した後にセラミック端子側面のメタライズ層を焼結する２回の焼成工程が必要であり、さらに、セラミック端子を金属枠体に取り付けする工程も必要であり、製造工程が複雑であった。
【００１４】
本発明は上記問題を解決するものであり、セラミック端子を用いた場合、高周波領域において、信号の共振により利得が急激に落ちる箇所が生じる部分、ディップを、本質的になくすあるいはより高周波領域に移動させることにより、広帯域にわたって安定した利得を得ることができ、さらに高周波領域での使用を可能にすることと、セラミック端子の複雑な構造に起因する、インピーダンス不連続により生じる信号の反射による信号伝送損失を低減することを目的とする。
【００１５】
また、前記の構造が複雑であることに起因するインピーダンス不連続により、局所的に電流密度が高くなるのを解消することを目的とする。
【００１６】
また、セラミック端子の製造工程を省略することで、製造の簡略化とコスト削減を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体素子が搭載される金属基体と、金属基体上面周縁部に接着される貫通孔が形成された金属枠体と、外部回路と導通接続される外部端子と、金属枠体と外部端子とを接着する絶縁材からなる半導体装置用パッケージであり、貫通孔の孔形状を直線および曲線で構成し、絶縁材をガラスで形成したものである。
【００１８】
また、高周波高出力電力増幅半導体装置用パッケージの外部端子を、少なくとも２辺の長さが異なる断面形状にしたものである。
【００１９】
また、金属枠体に形成された貫通孔に外部端子を挿通し、ガラスタブレットを挿入する工程と、金属枠体および外部端子をガラスタブレットにより封着する工程と、半導体素子が搭載される金属基体に金属枠体を接着する工程からなる半導体装置用パッケージの製造方法である。
【００２０】
また、本発明は、半導体素子と、半導体素子が搭載される金属基体と、金属基体上面周縁部に接着される貫通孔が形成された金属枠体と、外部回路と導通接続される外部端子と、半導体素子と外部端子とを導通接続する導電性ワイヤと、金属枠体と外部端子とを封着する絶縁材からなる半導体装置であり、貫通孔の孔形状を直線および曲線で構成し、絶縁材をガラスで形成したものである。
【００２１】
また、半導体装置の外部端子を、少なくとも２辺の長さが異なる断面形状にしたものである。
【００２２】
また、金属枠体に形成された貫通孔に外部端子を挿通し、ガラスタブレットを挿入する工程と、金属枠体および外部端子を前記ガラスタブレットにより封着する工程と、半導体素子が搭載される金属基体に金属枠体を接着する工程、金属基体に半導体素子を載置する工程と、半導体素子と外部端子を導通接続する工程と、金属枠体上面に蓋体を接着する工程からなる半導体装置の製造方法である。
【００２３】
これによれば、貫通孔の孔形状を直線および曲線で構成し、絶縁材をガラスで形成することにより、信号の共振の原因であるメタライズ部分を持つセラミック端子を必要としないので、高周波領域のある周波数で、利得が急激に落ちる箇所、ディップを、より高周波領域に移動させることができる。したがって、広帯域にわたって安定した利得が得られ、さらなる高周波領域においての使用を可能にできる。また、セラミック端子を使わないので、セラミック端子の複雑な構造から起る、インピーダンス不連続による信号の反射がなくなり、信号伝送損失を低減できる。
【００２４】
また、孔形状を直線および曲線で形成したものの貫通孔と、少なくとも２辺の長さが異なる断面形状である外部端子との組み合わせにより、膨張圧力を分散させ、高出力用の外部端子を使用可能にできる。
【００２５】
また、金属枠体に形成された貫通孔に外部端子を挿通し、ガラスタブレットを挿入する工程と、前記金属枠体および前記外部端子を前記ガラスタブレットにより封着する工程と、半導体素子が搭載される金属基体に前記金属枠体を接着する工程により、絶縁材を製造することで、セラミック端子を必要とせず、セラミック端子を作る複雑な工程が省略でき、製造の簡略化とコスト削減することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態である高周波高出力電力増幅半導体装置用パッケージについて詳しく説明する。
【００２７】
（実施形態１）
図１（ａ）は、本実施形態による金属蓋体を接合する前の半導体装置用パッケージの斜視図であり、図１（ｂ）は、金属蓋体で気密した半導体装置用パッケージの斜視図、図１（ｃ）は、その断面図である。
【００２８】
半導体素子を搭載する金属基体１１は、放熱性に優れた材料であればよく、例えばヒートシンクとして、銅や銅合金を使用した。
【００２９】
金属基体１１の上面には、コバール材などからなる金属枠体３を銀ろう１４（Ａｇ−Ｃｕ）で接着している。金属枠体３には貫通孔４を形成し、この貫通孔４内に金属枠体３と絶縁しかつ金属枠体３の内外を電気的に導通するために、コバール材で形成された外部端子６を貫通孔４に通し、ガラス７を使いガラス封着をする。
【００３０】
ガラス７はＮａ２Ｏ、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２から形成されるもので、熱膨張係数が４５〜５０×１０−７／℃であり、コバール材の熱膨張係数５３×１０−７／℃と接合しやすい。また、ガラス封着でよく使われる低融点ガラスと違い、鉛を含んでいない。比誘電率は５．５であり、誘電損失はセラミックより高いものもあるが、ガラスを使っている部分は、セラミックに比べ、わずかな部分なので、問題にはならない。
【００３１】
コバール材などからなる金属蓋体９を金属枠体３の上からろう材１３（Ａｕ−Ｓｎ）で接合し気密する。
【００３２】
図１（ｄ）は上記半導体パッケージのガラス封着部分を拡大したものである。金属枠体３の貫通孔４で金属枠体３と内外を電気的に導通する外部端子６とをガラス７によりガラス封着している。貫通孔４の孔形状が直線および曲線で構成されており、ガラス７の断面形状は同軸形状で、ガラス７の孔に外部端子６を通してある。従来、ガラス封着する場合の外部端子の形状は、ガラスの膨張圧力が均一になるように、外部端子の断面形状を円形にする。そこで、孔形状が直線および曲線で構成された貫通孔と、少なくとも２辺の長さが異なる断面形状である外部端子との組み合わせにより、膨張圧力を分散させ、高出力用の外部端子を使用可能にできる。以上のようにして、半導体装置用パッケージを構成している。
【００３３】
（実施形態２）
以下上記半導体装置用パッケージの製造方法について説明する。図２の製造工程図にてガラス封着部の製造工程を説明する。
【００３４】
まず、Ｓ１で、コバール材からなる金属枠体とその貫通孔部分と外部端子７０を、Ｎ２雰囲気中にて９００℃〜９５０℃で加熱することで、酸化膜を形成する。Ｓ２で、ガラスパウダーを成形圧力８０〜１００ｋｇ／ｃｍ２の成形機で、酸化性雰囲気にて、約７００℃で仮焼成、加熱することで、同軸形状のガラスタブレットを形成した。次にＳ３で、酸化膜を形成した貫通孔部分に、仮焼成した同軸形状のガラスタブレットを挿入し、ガラスの孔には外部端子を挿入する。それを、Ｎ２雰囲気中にて９５０℃から１０００℃で同時焼成することで、それぞれを接合し、ガラス封着を行なう。
【００３５】
封着方法は、外部端子と金属枠体は熱膨張係数が４５〜５３×１０−７／℃のコバール材であり、ガラスは熱膨張係数が４５〜５０×１０−７／℃でほぼ同じである。そこで、溶融したガラスが金属の酸化膜と結合し、中間層が出来ることにより接合する整合封着を行った。このようにして、ガラス封着を行なう。
【００３６】
次にＳ４で、金属基体と金属枠体との間に銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ）を挿入し、約８００℃で加熱し、接合し、Ｎｉ、Ａｕメッキをする。次に、金属蓋体と金属枠体とをろう材（Ａｕ−Ｓｎ）により、３２０℃で加熱し接合し、気密する。そして、金属基体と放熱板を金属ネジにより、接合する。以上の工程により、絶縁材にガラス封着を有する半導体装置用パッケージを作製する。
【００３７】
（実施形態３）
図３（ａ）は、本発明の半導体装置用パッケージを用いた半導体装置の金属蓋体を接合する前の斜視図で、図３（ｂ）は、金属蓋体を接合した半導体装置用パッケージを用いた高周波高出力電力増幅用半導体装置で、図３（ｃ）は、その断面図である。
【００３８】
ベース１は、金属基体１１と放熱板１２で構成されている。金属基体１１の上部に半導体素子ＧａＡｓ２を載せ、ろう材１３（Ａｕ−Ｓｎ）により接着する。コバール材などからなる外部端子６と半導体素子２をボンディングワイヤ８で接続することで金属枠体３の内外を電気的に導通させる。そして、金属基体１１と放熱板１２を金属ねじ１５により、接合している。このようにして、半導体装置を構成している。
【００３９】
次に、本実施による半導体装置用パッケージと、従来のセラミック端子を有する高周波高出力電力増幅半導体装置用パッケージの効果の違いを明確にするために、通過特性の測定を行った。
【００４０】
図６が本実施の半導体装置用パッケージの通過特性であり、図７が、セラミック端子を使用した半導体装置用パッケージの通過特性である。
【００４１】
方法は、ＧＳ−ＳＧ構造（１２５０μｍピッチ）のマイクロプローブを用いて、セラミック端子部の通過特性を、Ｗｉｌｔｒｏｎ社製ＶＮＡ（３７３１９Ａ、〜８．６ＧＨｚ）により、０．１ＧＨｚ〜８．０ＧＨｚの帯域にて、０．０１ＧＨｚステップで測定した。測定したのは、Ｓパラメータで、ポート３は５０Ω終端してある。図で、横軸は周波数で単位はＧＨｚ、縦軸は｜Ｓ２１｜の通過特性であり、ｄＢで表示してある。
【００４２】
図７から、５．３ＧＨｚ付近で急激に利得が落ちる箇所、ディップが生じているのがわかる。それに対して、図６では、８ＧＨｚまでは、ディップを生じることなく、安定した通過特性が得られる。その結果を表１に示す。
【００４３】
しかし、この測定は、周波数の上限が８ＧＨｚで測定したため、実際にディップが生じる周波数は、８ＧＨｚ以上となり、さらに、高周波領域での使用が可能である。
【００４４】
【表１】
2004063853.tif 000003
【００４５】
測定の結果から、本発明によれば、貫通孔の孔形状を直線および曲線で構成し、絶縁材をガラスで形成することにより、信号の共振の原因であるメタライズ部分を持つセラミック端子を必要としないので、高周波領域のある周波数で、利得が急激に落ちる箇所、ディップを、周波数８ＧＨｚ以上に移動させることができる。したがって、８ＧＨｚまではディップが生じず、安定した利得が得られ、さらに高周波領域においての使用を可能にできる。
【００４６】
また、ガラス封着することで、セラミック端子を使わないので、セラミック端子の複雑な構造から起る、インピーダンス不連続による信号の反射がなくなり、信号伝送損失を低減できる。
【００４７】
また、貫通孔の孔形状を直線および曲線で形成することで、絶縁材での電流密度が高くなる角の部分がなくなり、電流密度を均一にすることができる。
【００４８】
また、孔形状を直線および曲線で形成したものの貫通孔と、少なくとも２辺の長さが異なる断面形状である外部端子との組み合わせにより、膨張圧力を分散させ、高出力用の外部端子を使用可能にできる。
【００４９】
また、金属枠体に形成された貫通孔に外部端子を挿通し、ガラスタブレットを挿入する工程と、前記金属枠体および前記外部端子を前記ガラスタブレットにより封着する工程と、半導体素子が搭載される金属基体に前記金属枠体を接着する工程により、半導体装置用パッケージを製造することで、セラミック端子を必要とせず、セラミック端子を作る複雑な工程が省略でき、製造の簡略化とコスト削減することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば貫通孔の孔形状を直線および曲線で構成し、絶縁材をガラスで形成することにより、信号の共振の原因であるメタライズ部分を持つセラミック端子を必要としないので、高周波領域のある周波数で、利得が急激に落ちる箇所、ディップを、高周波領域に移動させることができる。したがってディップが生じず、広帯域にわたって安定した利得が得られ、さらなる高周波領域においての使用を可能とする。また、セラミック端子を使わないので、セラミック端子の複雑な構造から起る、インピーダンス不連続による信号の反射がなくなり、信号伝送損失を低減できる。
【００５１】
さらに、孔形状を直線および曲線で形成した貫通孔と、少なくとも２辺の長さが異なる断面形状である外部端子との組み合わせにより、高出力用の外部端子を使用可能にできる。
【００５２】
また、金属枠体に形成された貫通孔に外部端子を挿通し、ガラスタブレットを挿入する工程と、前記金属枠体および前記外部端子を前記ガラスタブレットにより封着する工程と、半導体素子が搭載される金属基体に前記金属枠体を接着する工程により、絶縁材を製造することで、製造の簡略化とコスト削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１における半導体装置用パッケージの構成図であり、
（ａ）金属蓋体接合前の斜視図
（ｂ）金属蓋体接合後の斜視図
（ｃ）（ｂ）の断面図
（ｄ）ガラス封着部の拡大図
【図２】本発明の実施形態１に使用するガラス封着部の製造工程図
【図３】本発明の実施形態２による半導体装置用パッケージ用いた半導体装置の構成図であり、
（ａ）金属蓋体接合前の斜視図
（ｂ）金属蓋体接合後の斜視図
（ｃ）（ｂ）の断面図
【図４】従来の半導体装置用パッケージの構成図であり、
（ａ）斜視図
（ｂ）断面図
（ｃ）セラミック端子の分解斜視図
【図５】従来のセラミック端子の製造工程図
【図６】ガラス封着部の通過特性を示す図
【図７】セラミック端子の通過特性を示す図
【符号の説明】
１　　ベース
２、２２　　半導体素子
３、２４　　金属枠体
４　　貫通孔
６、２６　　外部端子
７　　ガラス
８、２８　　ボンディングワイヤ
９、２７　　金属蓋体
１１、２１　　金属基体
１２　　放熱板
１３、３２　　ろう材
１４、３３　　銀ろう
１５　金属ネジ
２３　　切り欠き部
４０　　セラミック端子
４１　　下段セラミック部材
４２　　上段セラミック部材
５１　　下段セラミック部材の下面メタライズ層
５２　　下段セラミック部材の上面メタライズ層
５３　　上段セラミック部材の上面メタライズ層
５４　　セラミック端子の側面メタライズ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004063853.tif 000008
【図６】
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【図７】
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