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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-25
(45)【発行日】2024-10-03
(54)【発明の名称】半導体パッケージ及び半導体電子装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 23/04 20060101AFI20240926BHJP
   H01L 23/02 20060101ALI20240926BHJP
【FI】
H01L23/04 D
H01L23/02 F
【請求項の数】 9
(21)【出願番号】P 2022578499
(86)(22)【出願日】2022-01-28
(86)【国際出願番号】 JP2022003198
(87)【国際公開番号】W WO2022163788
(87)【国際公開日】2022-08-04
【審査請求日】2023-07-26
(31)【優先権主張番号】P 2021012716
(32)【優先日】2021-01-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006633
【氏名又は名称】京セラ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100090033
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 博司
(74)【代理人】
【識別番号】100093045
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 良男
(72)【発明者】
【氏名】佐竹 猛夫
【審査官】井上 和俊
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2020/090882(WO,A1)
【文献】特開2019-145762(JP,A)
【文献】特開2008-109430(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 23/04
H01L 23/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
上面を有する基板と、
貫通孔を有するプレートと、
前記プレートとともに枠状筐体をなす壁体と、
枠体と、
を備え、
前記枠状筐体は、前記基板の上に位置し、
前記枠体は、前記枠状筐体の上に位置し、
前記基板の上であり、かつ前記枠状筐体に囲まれた空間が電子部品の実装領域であり、
前記プレートは、前記枠体との対向面に凹部を有し、少なくとも前記対向面において前記壁体と接しない第1突出部を前記空間の側に有し、
前記第1突出部は、前記対向面から前記上面まで延在し、
前記貫通孔は、前記第1突出部の内部を前記上面の面方向に貫通する、
半導体パッケージ。
【請求項2】
前記プレートは、前記対向面に位置する前記凹部が、平面透視における前記貫通孔を挟んで同数かつ同形状で位置する、請求項1記載の半導体パッケージ。
【請求項3】
前記プレートは、前記第1突出部における前記上面と対向する面とは反対側の面に位置する凹部を有する、請求項1又は2に記載の半導体パッケージ。
【請求項4】
前記プレートは、前記上面に向かう平面視において、両端が前記壁体に向かって延びるU字形状であり、
前記プレートと前記壁体との対向部において前記枠状筐体の内面が窪んでいる、
請求項1~3のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
【請求項5】
前記プレートと前記壁体との対向部において、前記壁体が前記空間の側にはみ出している、
請求項記載の半導体パッケージ。
【請求項6】
前記上面に向かう平面視において、前記第1突出部の前記空間の側への長さと前記プレートの前記U字型形状の前記壁体に向かって延びる両端の長さとが等しい、請求項4又は5記載の半導体パッケージ。
【請求項7】
前記プレートは、前記第1突出部が位置する面とは反対の面に、前記貫通孔を内部に含む第2突出部を有し、
前記第2突出部は、前記対向面に及ぶ平面部分を有する、
請求項1~6のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
【請求項8】
前記枠体は、前記プレートに対向する部分の厚さが前記壁体に対向する部分の厚さよりも薄く、かつ、少なくとも前記プレートに対向する部分が、前記プレートと同一の材料からなる、請求項1~7のいずれか一項に記載の半導体パッケージ。
【請求項9】
請求項1~8のいずれか一項に記載の半導体パッケージと、
前記空間に位置する電子部品と、
を備える、半導体電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体パッケージ及び半導体電子装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子などの電子部品などを利用可能に収納する半導体パッケージがある。国際公開第2017/038582号に記載の半導体パッケージは、製造時や試験時などの加熱などに応じた反りや変形などの問題を考慮して、これらの反りや変形などを抑える構造を有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
本開示の一の態様は、
上面を有する基板と、
貫通孔を有するプレートと、
前記プレートとともに枠状筐体をなす壁体と、
枠体と、
を備え、
前記枠状筐体は、前記基板の上に位置し、
前記枠体は、前記枠状筐体の上に位置し、
前記基板の上であり、かつ前記枠状筐体に囲まれた空間が電子部品の実装領域であり、
前記プレートは、前記枠体との対向面に凹部を有し、少なくとも前記対向面において前記壁体と接しない第1突出部を前記空間の側に有し、
前記第1突出部は、前記対向面から前記上面まで延在し、
前記貫通孔は、前記第1突出部の内部を前記上面の面方向に貫通する、
半導体パッケージである。
【図面の簡単な説明】
【0004】
図1】半導体パッケージの全体形状を示す斜視図である。
図2】半導体パッケージの各構成を分解して示した斜視図である。
図3】プレートを内面側から見た図である。
図4】プレート付近の一部を上方から拡大して見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0005】
以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、半導体電子装置1の全体形状を示す斜視図である。
【0006】
半導体電子装置1は、半導体パッケージ100と、電子部品200とを備える。
半導体パッケージ100は、基板11と、プレート12と、壁体13と、枠体14と、リード15などを備える。
【0007】
基板11は、半導体パッケージ100の平板状の底板であり、上面111を有する。本開示において、上下は、基準となる半導体パッケージ100の体勢で重力方向を基準として定められる。これにより、基板11が下側、枠体14が上側となる。基板11は、例えば、上面111に垂直な方向から見た平面視で長方形である。あるいは、基板11の形状は、平面視で正方形でもよいし、矩形以外であってもよい。例えば、基板11は、楕円形などの角を有さない形状などでもよい。基板11の表面には、ニッケル又は金などの金属層を有していてもよい。これにより、基板11の酸化腐食が抑えられる。金属層は、例えば、電気めっき法又は無電解めっき法などにより形成され得る。
【0008】
プレート12及び壁体13は、基板11の上面111上に位置し、上面111の電子部品200の載置範囲を含む全体を上面111に垂直な方向から見た平面視で矩形状に囲う枠状筐体をなす。すなわち、半導体パッケージ100は、基板11、プレート12及び壁体13で囲われた空間10(キャビティ)を有する箱型形状である。この空間10は、電子部品200の実装領域であり、その底面となる上面111に電子部品200が位置している。
【0009】
プレート12は、空間10を囲う1つの面(側面)をなす。プレート12は、空間10に面する内面121と、内面121とは反対側の外面122と、基板11に接合されている下端面123と、下端面123とは反対の上端面124(枠体14との対向面)と、壁体13と対向してこれに接合されている両側端面125とを有する。プレート12は、内面121と外面122との間を上面111に沿った方向(面方向)に貫く貫通孔126を有する。プレート12は、外面122に突出部127(第2突出部)を有する。外面122に垂直な方向から見て突出部127の略中央に貫通孔126が位置しており、突出部127は、外縁(突出部127の縁)と内縁(貫通孔126の縁)とがそれぞれ略環状のパイプ形状(円筒形状)をなす。貫通孔126は、電子部品200に対して/電子部品200から光信号などを入出力する場合の光ファイバー、光導波路又は光信号自体を通過させる。光ファイバー及び/又は光導波路は、複数本がチューブ内などに束ねられていてもよい。貫通孔126のサイズ及び形状は、上記チューブ及びその固定端子のサイズ及び形状などに合わせて変更されてよい。すなわち、貫通孔126の縁は、固定端子の当接面であり、その固定位置を明確に定めるものであってよい。また、突出部127の外縁も上記の固定端子を接着部材により接着する被着面とされ得る。
【0010】
壁体13は、空間10を囲う3つの面(側面)をなす。壁体13の外面には、複数のリード15が互いに絶縁分離されて固定されている。複数のリード15とそれぞれ電気的につながっている接続端子131が壁体13の内面側階段状部分に互いに絶縁分離されて並んでいる。これら接続端子131がそれぞれ電子部品200の端子と図示略のボンディングワイヤなどを介して電気的に接続され、信号などが伝送される。
【0011】
リード15は、電子部品200と外部の電子機器などとを電気的に接続するための部材である。リード15の各部分の長さは、適宜定められていてよい。リード15が上面111に平行な面内に伸びることで、外部の電子部品との間での信号線の接続がより確実に行われやすくなる。
【0012】
リード15と接続端子131とをつなぐ信号線は、絶縁性の壁体13の内部を貫通している。この信号線を含む部分は、壁体13の他の部分とは別個の配線基板として、導電性又は絶縁性の壁体13の開口又は切り欠き部分を貫通して挿入されてもよい。リード15、接続端子131及び信号線の幅及び間隔は、伝送される信号の周波数などに応じて定められていてもよい。また、信号線は、例えば、マイクロストリップライン構造又はコプレーナ構造を有していてもよく、このための導電性の接地面が信号線を絶縁する絶縁部材を隔てて位置していてよい。信号線、接続端子131及び接地面は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル又はクロムなどの金属材料である。
【0013】
壁体13は、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、又はムライトなどのセラミックス材料である。
【0014】
なお、プレート12及び壁体13は、基板11の上面111の全面を囲っているものではなくてもよい。すなわち、プレート12及び壁体13は、上面111の周縁に接していなくてもよい。電子部品200の載置範囲が囲まれていれば、プレート12及び壁体13は、上面111の一部を囲うように位置していてもよい。
【0015】
枠体14は、プレート12の上端面124及び壁体13の基板11とは反対側の面(すなわち、枠状筐体)の上に位置し、これらに接合されている環状の部材である。枠体14の上面は平坦であり、図示略の蓋体と容易かつ均等に接合可能である。必要がなければ、半導体電子装置1が蓋体を有していなくてもよい。
【0016】
基板11、プレート12、枠体14及びリード15は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルトなどの金属材料若しくはこれらの金属材料を複数種類含有する合金材料、又は金属材料及び合金材料を組み合わせた複合材料である。壁体13の一部が導体である場合には、この一部も上記の金属材料、合金材料又は複合材料であってよい。これらは、同一の材料、例えば、FeNiCo合金(コバール)であってもよい。同一の材料であることで、接合がより確実に行われやすい。また、これらは、熱伝導率が高く、例えば、15~450W/(m・K)などであってもよい。これにより、電子部品200の動作に伴って発する熱が効率よく外部へ放出される。また、これらのヤング率は、例えば、100~500GPaであってもよく、熱膨張係数は、例えば、5×10-6~25×10-6/℃などであってもよい。
【0017】
半導体パッケージ100は、基板11、プレート12、壁体13、枠体14及びリード15がろう材といった接合材により接合されている。ろう材は、例えば、銀、銅、金、アルミニウム又はマグネシウムなどを主に含む。また、ろう材には、ニッケル、カドミウム又は燐などが添加物として含有されていてもよい。接合時には、加熱により溶融したろう材を接合面に流し込んで接合対象の部材同士を加圧固定し、その後ろう材が冷えて固化することで当該接合対象の部材同士が接合される。
【0018】
電子部品200は、例えば、上記のように光を出射又は検出する半導体素子であり、すなわち、レーザーダイオード、フォトダイオード、フォトカプラーなどである。電子部品200は、接続端子131及び貫通孔126に対して適切な位置関係及び向きで基板11の上面111に固定されている。なお、電子部品200は、基板11に対して絶縁されていてもよく、この場合、直接基板11上に位置するのではなく、絶縁膜又は基板11の上面に位置する絶縁部材の台座の上にあってもよい。また、電子部品200は、一つに限られない。複数個の電子部品200が空間10内に位置していてもよい。複数個の電子部品200は、互いに異なる種類のものであってもよい。例えば、一方は、IC又はLSIなどの半導体素子であってもよい。
【0019】
図2は、半導体パッケージ100の各構成を分解して示した斜視図である。この分解斜視図では、リード15の表示を省略している。また、図3は、プレート12を内面121の側から見た図である。
【0020】
プレート12は、空間10に面する内面121に位置し、壁体13と接しない突出部128(第1突出部)を有する。突出部128は、例えば、上下方向について上端面124側の端部から基板11側の端部に至るまで存在している直方体形状であり、内部に貫通孔126を含む。突出部128の略中央に貫通孔126の一端が位置している。
【0021】
また、プレート12の両端部分は、内面121の側に折れ曲がって壁体13に向かって延びる屈曲部12aとなっている。すなわち、プレート12は、U字状の形状を有する。したがって、壁体13と接合されている両側端面125は、内面121と平行である。これにより、両側端面125は、壁体13の接合面と対向している。突出部128と両端の屈曲部12aとの間の部分は、相対的に凹状となっている。この凹状の部分には、プレート12に壁体13及び枠体14が接合される場合に接合材が接合面からはみ出してもよい。
【0022】
また、プレート12の上面には、円形の凹部129が位置している。凹部129の数は特に限られないが、例えば、貫通孔126を挟んで両側に同数、ここでは、平面視で貫通孔126の中心位置に対して対称に、突出部128に2個、両端の折れ曲がり部分に2個がそれぞれ位置している。複数の凹部129は、同一の形状であってもよい。プレート12の高さに比して深さは小さくてよい。この凹部129には、プレート12に枠体14を接合する際に接合材が流入することで、接合材がプレート12の内面121及び外面122に沿って、特に貫通孔126に流下するのを抑え、平坦かつ安定に枠体14を固定する。
【0023】
パイプ形状の突出部127は、プレート12の外面122において中央よりも上側に偏って位置しており、外縁が上端面124にかかっている。これに伴って、突出部127の外縁上部127aは、上端面124に及ぶ一つながりの平面部分となっている。これにより、プレート12が枠体14をより安定して支持し、固定することができる。
【0024】
枠体14のプレート12及び壁体13と接する下面は、プレート12及び壁体13の上面111からの高さに応じた形状になっている。ここでは、プレート12が壁体13よりも高いので、プレート12に対向する部分の枠体14の厚さ(枠体14を含む面に垂直な方向についての幅)は、壁体13に対向する部分の枠体14の厚さよりも小さい(薄い)。上述のように、枠体14及びプレート12が同一の材料、特に、FeNiCo合金などの金属を含む材料であることで、セラミック材とは異なり、枠体14のプレート12との接合部分が薄くても、接合時にクラックなどが生じるおそれが低減される。また、これにより、半導体パッケージ100の高さを小さくすることができる。
【0025】
図4は、半導体パッケージ100のプレート12付近の一部を上方から拡大して見た平面図である。
上述のように、プレート12は、突出部127、128により中央付近で当該プレート12に垂直な方向について部分的に厚くなっており、この部分の内部に貫通孔126が位置している。
【0026】
内面121と平行な両側端面125は、壁体13の端面と接合されている。このとき、接合される壁体13の端面は、両側端面125よりも幅dwだけ空間10の側に広くなっている。これにより、両側端面125と壁体13との接合において、プレート12の両端の折れ曲がり部分と突出部128の間にろう材フィレットを形成することができるので、壁体13とプレート12の接合強度を向上させることができる。特に、はみ出たろう材が導体金属であるプレート12の側に多く被着されやすいので、より安定して壁体13とプレート12との間での接合強度を向上させることができる。
なお、ろう材フィレットをなす窪みは、接合箇所より壁体13の側に位置していてもよい。すなわち、壁体13の端面が部分的に両側端面125よりも幅dwだけ狭くなった先細形状であってもよい。
【0027】
プレート12は、特には限られないが、例えば、立体形状を定める型枠などを用いて成形、作製されてもよい。あるいは、プレート12は、打ち抜き加工又は切削加工などによって作製されてもよい。凹部129は、型枠に含まれていてもよいし、凹部を含まない型枠により作製された後に押圧形成されてもよい。また、凹部129は、型枠から取り出すときの押圧などによって付加されるものであってもよい。例えば、MIM(Metal Injection Molding)のように、加圧混錬されて得られた上記導体金属の粉末とバインダとを含むペレットを、加熱して型枠に押し込み、射出成形するものであってもよい。
【0028】
基板11及び枠体14についても、プレート12と同じように型枠などを用いて、又は打ち抜き加工若しくは切削加工などにより作製されてもよい。
【0029】
信号線及び接地面を含む壁体13の絶縁層(配線基板)の製造では、例えば、まず、上記した導体金属、バインダ及び有機溶剤を混合して金属ペーストを作製する。次いで、材料物質の粉末(例えば、酸化アルミニウム及び酸化ケイ素など)に有機バインダ及び溶剤を混合して作製したスラリーをシート状に成形した複数の絶縁シート(セラミックグリーンシート)を積層する。このときに、接地面又は信号線を有する層の上下いずれかとなる絶縁シートに対し、金属ペーストをスクリーン印刷などにより塗布する。そして、積層された絶縁シート(塗布された金属ペーストを含む)が圧着、焼成(例えば、還元雰囲気中において約1600℃で加熱)されて作製される。配線基板以外の部分が絶縁部材の場合には、上記の製造方法において、金属ペーストを塗布する工程が不要である。
【0030】
このようにして得られた基板11、プレート12、壁体13及び枠体14、並びにリード15から半導体パッケージ100を得るには、まず壁体13にリード15をろう付けする。その後、基板11、プレート12、壁体13を互いにろう付けし、更に枠体14をプレート12及び壁体13にろう付けする。
【0031】
以上のように、本実施形態の半導体パッケージ100は、上面111を有する基板11と、貫通孔126を有するプレート12と、プレート12とともに枠状筐体をなす壁体13と、枠体14と、を備える。枠状筐体は、基板11の上に位置し、枠体14は枠状筐体の上に位置する。基板11の上の枠状筐体に囲まれた空間10が電子部品200の実装領域である。プレート12は、貫通孔126が上面111の面方向に貫通しており、枠体14と対向する上端面124に凹部129を有する。
このように、プレート12の上端面124の枠体14との接合面に凹部129を有することにより、これらを接合するろう材などの接合材がこの凹部129に溜まる。これにより、半導体パッケージ100では、圧着時に接合面からはみ出して不都合及び不具合が生じるのを低減させる。よって、半導体パッケージ100は、より適切に部材間を接合することができる。
【0032】
また、プレート12は、上端面124に位置する複数の凹部129が、平面透視における貫通孔126を挟んで同数かつ同形状で位置する。左右で均等な量の凹部129を上端面124に有することで、ろう材の溜まる量が均一になりやすくなり、バランスよく枠体14をプレート12に接合させることができる。
【0033】
また、プレート12は、上面111に向かう平面視において、両端部分が壁体13に向かって延びるU字形状である。プレート12と壁体13の対向部において、枠状筐体の内面が窪んでいる。これにより、接合面からはみ出したろう材が窪み内に留まることで、半導体パッケージ100に不都合及び不具合が生じるのを低減させることができる。
【0034】
また、両側端面125と壁体13との対向部(接合面)において、壁体13が空間10の側にはみ出している。これにより、上記の窪み部分が更に壁体13のはみ出している部分で囲まれることになるので、プレート12と壁体13との間の接合面からはみ出した接合材が上面111へ広がるのを抑えることができる。また、壁体13の接合面を含む面を広く取ることで、ろう材フィレットを形成することができるので、より安定して接合がしやすくなり、プレート12と壁体13との接合強度を向上させることができる。
【0035】
また、プレート12は、少なくとも上端面124において壁体13と接しない突出部128を空間10の側に有する。すなわち、半導体パッケージ100は、壁体13と貫通孔126との間に窪みを有するので、プレート12と壁体13との接合時に接合面からはみ出した接合材がこの窪み部分に誘導されやすくなる。したがって、接合材が上面111へ広く流下するのを低減させ、これにより、不都合及び不具合の発生が低減される。また、プレート12の平面視で中央部分が厚くなるので、枠体14との接合に係る強度を向上させることができる。
【0036】
また、プレート12は、内面121とは反対の外面122と、外面122に位置して貫通孔126を内部に含む突出部127と、を有する。貫通孔126の縁は、貫通孔126に挿入されるケーブルなどの固定端子の当接面であり、突出部127の外縁は、上記の固定端子を接着部材により接着する被着面とされ得る。したがって、半導体パッケージ100では、ケーブルなどを安定して支持、固定することができる。
【0037】
また、突出部127は、上端面124に含まれる平面部分となっている外縁上部127aを有する。パイプ形状の突出部127の環状の外形全体を有さないことで、半導体パッケージ100の高さを低減させることができる。貫通孔126は、内部の電子部品200との兼ね合いなどによりプレート12の高さ方向中央に位置しない(特に上寄り)ことも多いので、突出部127の上端側をカットして上端面124と同一平面とすることで、枠体14との接合をより安定かつ確実な状態とすることができる。
【0038】
また、枠体14は、枠体14を含む面に垂直な方向について、プレート12と接する部分の厚さがプレート12と接しない他の部分の厚さよりも薄い。すなわち、プレート12が壁体13よりも高い分が、枠体14の厚さの差異で調節されている。これにより、半導体パッケージ100の高さを小さくすることができる。特に、プレート12がFeNiCo合金などである場合には、接合時に加圧などでクラックが生じにくいので、枠体14を薄くすることができる。また、プレート12が、突出部127、128を有することにより、より安定して枠体14を支持することができるので、枠体14が薄くてもよい。
【0039】
また、本実施形態の半導体電子装置1は、上記の半導体パッケージ100と、上記空間10に位置する電子部品200と、を備える。この半導体電子装置1によれば、より安定して部材間で接合された半導体パッケージ100により、より確実に電子部品200が収納される。よって、不良品の発生などを低減することができる。
【0040】
なお、上記実施の形態は例示であって、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、プレート12が内面121の側に突出部128を有するものとして説明したが、突出部128を有していなくてもよい。また、プレート12が突出部128を有している場合に、当該突出部128が少なくとも一方の壁体13に接していてもよい。また、突出部128の上面側が上端面124と同一面内になくてもよいし、下面側が基板11に接していなくてもよい。
【0041】
また、上記実施の形態では、プレート12の両側端面125よりも当該両側端面125との接合面を含む壁体13の面の方が広く、所定の範囲の側にはみ出しているものとして説明したが、これに限られない。壁体13が両側端面125と接合する面は、当該両側端面125と同一の幅(高さ方向に垂直な長さ)であってもよい。
【0042】
また、上記実施の形態では、プレート12の両端部分が内面121の側に曲がってプレート12がU字形状になっているものとして説明したが、これに限られない。内面121に垂直な両側端面125が壁体13の内面側端部に接合していてもよいし、壁体13の側面がプレート12の内面121の両端部分に接合していてもよい。
【0043】
また、プレート12と壁体13との接合面は、単純な平面同士でなくてもよい。例えば、互いに凹凸部分を有し、嵌合していてもよい。
【0044】
また、上記実施の形態では、突出部127が上端面124の側に当該上端面124と同一平面内の外縁上部127aを有するものとして説明したが、外面122に垂直な方向から見た正面視で突出部127に環状の突出部127が外面122に全て収まる場合などには、外縁上部127aがなくてもよい。
【0045】
また、上記実施の形態では、プレート12と壁体13の高さの違いに合わせて枠体14の厚さが非一様であるものとして説明したが、これに限られない。壁体13の高さをプレート12の高さに合わせることとして、枠体14の厚さを一様なものとしてもよい。
その他、上記実施の形態で示した構成、構造及び製造方法などの具体的な細部は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲とその均等の範囲を含む。
【産業上の利用可能性】
【0046】
この発明は、半導体パッケージ及び半導体電子装置に利用することができる。
図1
図2
図3
図4