JP2004335573A - 半導体ステム - Google Patents

Abstract

【課題】高速通信が可能で高信頼性を有し安価な半導体ステムを提供する。
【解決手段】半導体素子を搭載する金属ベース３１と、該半導体素子へ信号を供給する金属ピン３３がホウケイ酸ガラス３４によって金属ベース３１の貫通孔３２に封止された半導体ステムにおいて、誘電率が７以下のホウケイ酸ガラス３４の径をｄ１とし、金属ピン３３の径をｄ２とすると、ｄ２が０．１５ｍｍ以上に選ばれ、ｄ１／ｄ２が３．８以上、７．７以下に選ばれている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体ステムに関し、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）が搭載され、通信や民生などの用途で幅広く使用されている半導体パッケージを構成する半導体ステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野では、電気ー光信号変換用の発光素子や、光ー電気信号変換用の受光素子のマウントとして光半導体パッケージが多用されている。そのような例として特開平１１−１３５６９０号公報には、半導体ステムとしてセラミックス板とこれを貫通して設けられた金属リードを含み、セラミックス板上に一体的に形成されている突起部を貫通して導電性ビアを設け、突起部にレーザダイオードなどを取り付けた半導体モジュールについて記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１３５６９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の半導体ステムにおいて、高速通信が要求されていないものでは、特別なインピーダンス設計を施す必要はなかったが、２．５Ｇｂｐｓ以上の高速通信では、ラインとのインピーダンスマッチング設計が必要になる。半導体ステムは金属リードを金属ベースの貫通孔に封止するためにガラスなどの絶縁体が用いられており、このガラスでインピーダンスマッチングの設計を行うと、ガラス径が大きくなり、半導体素子を搭載するスペースが狭くなってしまい、半導体素子を搭載するのが困難になる。
【０００５】
また、金属ベースを覆うレンズキャップをシールするスペースが少なくなり、少ないスペースに半導体素子を無理して搭載すると、信頼性が著しく低下するという問題がある。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、２．５Ｇｂｐｓ以上の高速通信用として、半導体素子を搭載するためのスペースを確保し、供給される信号が半導体素子へ到達する前に生じる減衰の低減を可能にし、高速通信が可能で高信頼性を有し安価な半導体ステムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体素子を搭載する金属ベースと、該半導体素子へ信号を供給する金属ピンが絶縁体によって該金属ベースの貫通孔に封止された半導体ステムにおいて、絶縁体の径をｄ１とし、金属ピンの径をｄ２とすると、ｄ１／ｄ２が３．８以上、７．７以下に選ばれていることを特徴とする。（本明細書において、径とは直径を指す。）
【０００８】
このような条件でフィールドスルー部におけるインピーダンスを設計することで、反射特性を向上できるので、供給される信号が半導体素子へ到達する前に生じる減衰の低減を可能にし、高速通信が可能で高信頼性を得ることができる。
【０００９】
好ましくは、金属ピンを封止している絶縁体はガラスであって、その誘電率は７以下に選ばれる。
【００１０】
好ましくは、金属ピンは、その径ｄ２が０．１５ｍｍ以上に選ばれる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態における半導体ステムの外観斜視図であり、図２は図１に示した半導体ステムのリード端子部分の拡大図である。
【００１２】
図１および図２において、金属ベース３１はＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金またはＦｅを円板状に形成して構成されており、この金属ベース３１には５箇所に貫通孔３２が形成されている。図２に示すように、各貫通孔３２はプレスまたは切削法により形成され、各貫通孔３２には金属ピン３３が挿入される。金属ピン３３はＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金を用いて径ｄ２が０．２ｍｍになるように形成される。金属ピン３３と貫通孔３２の間には、誘電率が４．１のホウケイ酸ガラス３４が、その径ｄ１が例えば１．１ｍｍになるようにプレス法により形成さる。
【００１３】
このように形成された半導体ステムは、大気炉にて３００〜５００℃にて加熱して金属ベース３１および金属ピン３３の表面に酸化膜が形成される。これらをカーボン製治具に搭載し、Ｎ_２中で１０００℃で金属ピン３３をホウケイ酸ガラスで溶融封着させる。
上述のごとく、ガラス径ｄ１，ピン径ｄ２，ｄ１／ｄ２，ガラス誘電率を所定の値に選ぶことにより、供給される信号が半導体素子へ到達する前に生じる減衰の低減が可能なフィールドスルー部のインピーダンス設計を行うことができる。減衰の低減は反射を少なくすることであり、可能な限り反射を少なくして良好な反射特性を得るために、ガラス径ｄ１，ピン径ｄ２，ｄ１／ｄ２，ガラス誘電率を種々の値に設定して反射特性を測定した実施例について、以下に列挙する。
実施例
実施例として貫通孔３２の径であるガラス径ｄ１，金属ピン３３のピン径ｄ２，ｄ１／ｄ２，ホウケイ酸ガラス３４のガラス誘電率を種々の値に設定し、半導体ステム製造後の外観検査，気密テストの結果，測定系Ｚ０＝５０Ωで、１０ＧＨｚにおけるネットアナライザを用いて信号の反射率Ｓ１１を測定した。その結果を表に示す。
尚、実施例１〜４、比較例１〜２については金属ベース３１としてＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金を、実施例５についてはＣｕ−Ｗを、実施例６についてはＦｅをそれぞれ用いた。
【００１４】
【表１】

【００１５】
実施例１として、ガラス径ｄ１＝１．１ｍｍ，ピン径ｄ２＝０．２ｍｍ，ｄ１／ｄ２＝５．５，ガラス誘電率＝４．１に設定したところ、外観検査および気密性も良好であり、反射率Ｓ１１は−２０ｄＢとなった。
【００１６】
実施例２として、ガラス径ｄ１＝０．５８ｍｍ，ピン径ｄ２＝０．１５ｍｍ，ｄ１／ｄ２＝３．９，ガラス誘電率＝４．２に設定したところ、外観検査および気密性も良好であり、反射率Ｓ１１は−１５ｄＢとなった。
【００１７】
実施例３として、ガラス径ｄ１＝１．２ｍｍ，ピン径ｄ２＝０．１６ｍｍ，ｄ１／ｄ２＝７．５，ガラス誘電率＝４．５に設定したところ、外観検査および気密性も良好であり、反射率Ｓ１１は−１８ｄＢとなった。
【００１８】
実施例４として、ガラス径ｄ１＝１．１ｍｍ，ピン径ｄ２＝０．２ｍｍ，ｄ１／ｄ２＝５．５，ガラス誘電率＝８．０に設定したところ、外観検査および気密性も良好であり、反射率Ｓ１１は−１０ｄＢとなった。
【００１９】
実施例５として、ガラス径ｄ１＝０．６ｍｍ，ピン径ｄ２＝０．１２ｍｍ，ｄ１／ｄ２＝５．０，ガラス誘電率＝４．１に設定したところ、外観検査ではガラスピンが変形したものの気密性は良好で、反射率Ｓ１１は−１８ｄＢとなった。
【００２０】
実施例６として、ガラス径ｄ１＝１．１ｍｍ，ピン径ｄ２＝０．１５ｍｍ，ｄ１／ｄ２＝７．３，ガラス誘導率＝６．５に設定したところ、外観検査および気密性も良好であり、反射率Ｓ１１＝−１８ｄＢとなった。
【００２１】
これに対して、比較例１として、ガラス径ｄ１＝１．０ｍｍ，ピン径ｄ２＝０．４５ｍｍ，ｄ１／ｄ２＝２．２，ガラス誘電率＝４．１に設定したところ、外観検査ではガラスピンは良好であったが、反射率Ｓ１１は−５ｄＢとなった。
【００２２】
比較例２として、ガラス径ｄ１＝１．６ｍｍ，ピン径ｄ２＝０．２ｍｍ，ｄ１／ｄ２＝８．０，ガラス誘電率＝６．５に設定したところ、外観検査ではガラスピンは良好であったが市販のキャップを接合した後の気密テストの結果ではリークが見られ、反射率Ｓ１１は−１９ｄＢとなった。
【００２３】
上述の対比から明らかなように、実施例１〜３が特性的に最も良好な結果が得られた。すなわち、ガラス径ｄ１とピン径ｄ２の比は、ｄ１／ｄ２＝３．８以上、７．７以下で、より好ましくは３．９以上、７．５以下に選ぶのが最適である。また、ガラス誘電率は７以下、より好ましくは６．５以下に選ぶのが好ましい。さらに、ピン径ｄ２は０．１５ｍｍ以上に選ぶのが最適な結果の得られることがわかった。
図３は図１に示した半導体ステムを用いた光半導体パッケージの外観斜視図である。光半導体パッケージ１は図１に示した金属ベース３１と同様に構成された金属ベース２を含む。これらの金属ベース３１，２は、例えばニッケル、コバルト、タングステン、モリブデン、カーボン、鉄、銅またはこれらの合金などからなる。金属ベース２の上側平坦部の中心部には５°〜２０°の角度で傾斜した傾斜面部１６と、平坦部から垂直に突出した突起部としての半円柱状のヒートシンク３とが一体的に形成されている。ヒートシンク３はレーザダイオード２３の放熱板となるものである。
【００２４】
金属ベース２の側面には３箇所に窪み形状部１８が形成されている。この窪み形状部１８は、ダイボンダーの治具にある突起部に固定されて位置合わせを行うために設けられている。また、金属ベース２には４箇所に貫通孔４〜７が形成されており、これらの貫通孔４〜７には金属ピン８〜１１がホウケイ酸ガラスなどの絶縁体１２〜１５によって気密封止されている。なお、金属ベース２の底面には金属ピン２０が直付けされている。これらの金属ピン８〜１１、２０は例えばニッケル、コバルト、タングステン、モリブデン、カーボン、鉄、銅またはこれらの合金などからなる。さらにより好ましくは、全体に金メッキが施される。
【００２５】
傾斜面部１６にはフォトダイオード２２が配置され、サブマウント１７を介して、またはサブマウント１７を介さずにダイボンドされる。ヒートシンク３の側面の平坦部には、厚み調整板２１が設けられている。この厚み調整板２１は、例えばニッケル，コバルト，タングステン，モリブデン，カーボン，鉄，銅またはこれらの合金からなり、その厚みが０．０５ｍ以上の厚みを有するように形成されており、金属ピン８，１１を気密封止する絶縁体１２，１５を跨ぐように配置される。
【００２６】
厚み調整板２１の中央上部には、レーザダイオード２３がダイボンドされるとともに、金属ピン８の近傍に窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムで形成された基板２４が取り付けられる。厚み調整板２１の厚みを調整することにより基板２４と金属ピン８とをより接近させることができ、レーザダイオード２３で生じた熱は厚さ調整板２１を介してヒートシンク３に伝達される。
【００２７】
基板２４上には導体２５と蒸着抵抗２６と導体２７とが形成されており、導体２５，２７はインピーダンスが２５Ω又は５０Ωのマイクロストリップ線路を構成している。なお。マイクロストリップ線路に代えてコプレーナ線路を形成するようにしてもよい。導体２５とレーザダイオード２３との間はワイヤーボンディング接続され、導体２７と金属ピン８の先端部とは直接半田付けされる。金属ピン９とフォトダイオード２２はワイヤーボンディング接続される。これらのワイヤーボンディング接続は、５００μｍ以下の長さのワイヤーで行われる。
【００２８】
これらの接続により、金属ピン９と１１との間でフォトダイオード２２からの光検出出力が得られ、金属ピン８から電流を加えることでレーザダイオード２３が発光する。フォトダイオード２２には、金属ベース２の平坦部に対して垂直な方向に配置される光ファイバー（図示せず）から信号光が入射される。また、レーザダイオード２３で発光された信号光は、金属ベース２の平坦部に対して水平方向に延びるように配置された光ファイバー（図示せず）に出射される。
【００２９】
この実施形態によれば、基板２４上に形成されているマイクロストリップ線路の導体２７と金属ピン８の先端部を直接半田することにより高速動作が可能になる。すなわち、ワイヤーボンディングした場合にはボンディングワイヤーによるインダクタンス成分で信号が劣化するのに対して、直接半田付けした場合にはインダクタンス成分が生じないので信号の劣化を減少でき、従来例では２．５Ｇｂｉｔ／ｓより高い例えば１０Ｇｂｐｓでの高速動作が不可能であったものがこの実施形態では可能になり、８０ｋｍ以上の長距離伝送も可能にできる。
【００３０】
また、厚み調整板２１として放熱特性の良好なＦｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−ＮｉなどのＦｅ合金、ＣｕまたはＣｕ−ＷなどのＣｕ合金を用いることで、レーザダイオード２３からの発熱を効率良くヒートシンク３に伝達できるので、放熱効果を高めることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、半導体素子を搭載する金属ベースと、半導体素子へ信号を供給する金属ピンが絶縁体によって該金属ベースの貫通孔に封止された半導体ステムにおいて、絶縁体の径をｄ１とし、金属ピンの径をｄ２とすると、ｄ１／ｄ２が３．８以上、７．７以下に選ぶことにより、２．５Ｇｂｐｓ以上の高速通信用として、半導体素子を搭載するためのスペースを確保でき、反射特性を改善することにより、供給される信号が半導体素子へ到達する前に生じる減衰の低減を実現でき、高速通信が可能で高信頼性を有し安価な半導体ステムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態における半導体ステムの外観斜視図である。
【図２】図１に示した半導体ステムのリード端子部分の拡大図である。
【図３】この発明の一実施形態における半導体ステムを用いた光半導体パッケージの外観斜視図である。
【符号の説明】
１ 光半導体パッケージ
２、３１ 金属ベース
３ ヒートシンク
４〜７、３２ 貫通孔
８〜１１、２０、３３ 金属ピン
１２〜１５、３４ 絶縁体
１６ 傾斜面部
１７ サブマウント
１８ 窪み形状部
２１ 厚み調整板
２２ フォトダイオード
２３ レーザダイオード
２４ 基板
２５、２７ 導体
２６ 蒸着抵抗

Claims (3)

1. 半導体素子を搭載する金属ベースと、該半導体素子へ信号を供給する金属ピンが絶縁体によって該金属ベースの貫通孔に封止された半導体ステムにおいて、
   前記絶縁体の径をｄ１とし、前記金属ピンの径をｄ２とすると、ｄ１／ｄ２が３．８以上、７．７以下に選ばれていることを特徴とする、半導体ステム。
2. 前記金属ピンを封止している絶縁体はガラスであって、その誘電率は７以下に選ばれる、請求項１に記載の半導体ステム。
3. 前記金属ピンは、その径ｄ２が０．１５ｍｍ以上に選ばれる、請求項１または２に記載の半導体ステム。

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