JPH0625007Y2 - 多電源素子用パツケージ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 (ア)技術分野 この考案は、小型で電極配線の簡略化が可能な多電源半
導体素子用の半導体パッケージに関する。

(イ)従来技術 半導体装置のパッケージは（１）プラスチックモール
ド、（２）サーデイップ、サークワッド、（３）多層セ
ラミック（Multi Laminate Ceramic Packege ＭＬＣ
Ｐ）などのものがある。

（３）はセラミック板を何枚も積層するもので立体的な
構造を取り、配線の自由度は高い。放熱性、気密性とも
に良い。しかし高価である。

（１）は最も安直で最も多用されるパッケージである。
これは、高速信号を扱う素子や、発熱の著しい素子に対
するパッケージとしては不適である。

（２）はセラミック板を使うが、積層構造をとらず、基
板と蓋だけをもつ。基板の上にリードフレームや半導体
素子を付け、蓋をガラス封止する。セラミックが主体で
あるので、放熱性などは良い。（３）よりも安価であ
る。

本考案は（２）のカテゴリーに含まれるパッケージの改
良に関する。

第３図に従来例に係る、ガラス封止した気密封止型パッ
ケージ構造を示す。

この気密封止型半導体装置はサークアッド（Cerquad）
と呼ばれるものである。薄型を要求されるマイクロコン
ピュータなどの進展に伴って多用されてきている。

基板と蓋とがセラミックであるので、セラミックのCer
をとっている。quadというのは、四辺にリードフレーム
を付けるということである。合わせてCerquadという。
二辺にリードのあるものはCerdipという。

できるだけ多くのリードを取りたいという場合は四辺に
リードがあるCerquadが適している。

サークアッドの基板としては、名前のとおり、アルミナ
などのセラミックが主流である。使用実績もある。しか
し、高放熱性を要求されるものでは、CuW、窒化アルミ
（AlN)などを基板にする、という事が検討されている。

サークアッドパッケージは、セラミックを使っていて
も、セラミックパッケージとは言わない。

さて、主流であるセラミック基板の場合の製造方法を説
明する。

焼成したAl₂O₃板の四辺に封止ガラス４（低融点ガラ
ス）を塗り、その上にリードフレーム２を載せる。加熱
してガラスを溶かし、半溶融状態とする。リードフレー
ム２の先端は自重でガラス融液の中に沈みこむ。これを
冷却すれば、リードフレーム２が封止ガラス４の中に固
定されたことになる。

この時リードフレーム２の先端部分の上面は、ガラス表
面と面一（つらいち）に近い状態になっている。

こうしてパッケージができた事になる。ついで基板３′
の中央に半導体素子１′を載せて固定する。素子１′の
上面の電極部と、リードフレーム２の先端とをアルミワ
イヤ５によって結線する。

リードフレーム２は、基板３′の封止ガラス４（低融点
ガラス）の部分に放射状に固定されている。互いに独立
であって、リードフレーム間に特別な関係はない。

従って、素子１′の電極部と、リードフレームとの接続
は任意である。入力信号線、出力信号線、電極線をどの
リードフレームに対応させても良い。

四辺ともに同じようなリードフレーム構造になってい
る。

素子１′の取付、ワイヤボンディングが終わると、四辺
に封止ガラスを塗ったアルミナ製の蓋（キャップ）を、
基板３′に当てがう。封止ガラスが基板３′のリードフ
レーム２の先端部分に当たる。この状態で加熱する。封
止ガラスが溶融して、蓋と基板とを封止する。

このようなCerquadパッケージはリードフレームが独立
であるから、どのような素子に対しても使うことができ
る。汎用性の高いパッケージである。

第３図に於いて、下の一辺だけワイヤボンドされた状態
を示している。他の三辺はワイヤボンド前の状態で、リ
ードフレームが単に放射状に取り付けられているだけで
ある。

(ウ)考案が解決しようとする問題点 ＥＣＬ素子は（Emitter Coupled Logic）は、Si半導体
であるが、高速動作させる事ができる。

高速動作させる場合、発熱も著しい。それ故、放熱が問
題になる。そのため、Cerquad、Cerdip或はセラミック積
層パッケージが用いられる。価格の点で前二者の方が有
利である。

高速動作させる場合、その他にもいろいろな問題があ
る。信号線に対しても工夫をしなければならない。電源
線に対しても配慮が必要である。

ＥＣＬ素子は、３電源を必要とする。これをV_CC、V_BB、V
_EEと書く。単に３つの電極をこれに充てれば良いという
事ではない。

高速動作をさせようとすると、電源線のインピーダンス
が問題になる。これを実効的に零に近づけなければなら
ない。このため、電源線は太く短い事が望まれる。

こうするために、ＥＣＬ素子の方でも、多くの箇所に電
源用のパッドを作っておき、パッケージの方でも、電源
用のリードを多数設けるようにする。

そうすると、短いワイヤ、短いパターンで電源線を構成
することができる。電源線の実効的なインピーダンスを
減ずる事ができる。

さらに、電源電位を安定化させ、電源線からノイズが入
るのを防ぐためには、電源間に容量の大きいコンデンサ
を入れる必要がある。

電源用のリードを多数設けるために、例えば、一辺に３
つずつの電源用リードを設ける。第３図で、V_CC、V_BB、V
_EE用のリードを、Ｃ、Ｂ、Ｅと書く。３電源であるの
で、一辺にＣ、Ｂ、Ｅのリードが３本ずつ存在する。も
しも入力信号、出力信号用のリードが９本であるとすれ
ば、９＋９＝１８本のリードがあり、このうち９本が電
源用のリードであるという事になる。

電源用のリードが多すぎる。リードの間隔は限られてい
るので、素子のサイズが決まると、取り付けうるリード
の数も決まってしまう。入力、出力信号用のリードを多
数取り付けることができない。

また、電源用リードの間には、外部コンデンサを接続す
るのであるが、このように電源用リードが散在している
と、コンデンサを取り付けるが難しくなる。

素子のサイズが大きくなれば、パッケージも大きくで
き、リードフレームの数も増やす事ができる。すると、
電源用のリードの数の比率を下げる事ができるように見
える。

しかしそうではない。素子サイズが大きくなると、素子
側の電源用パッドの数も増える。パッケージ側にも、１
辺に３つではなく、４つ或は５つの電源用リードを設け
なければならない。

結局、総リード数に占める電源用リードの数の比は変わ
らないのである。

セラミック積層パッケージ（ＭＬＣＰ）の場合は、セラ
ミック層ごとに電源面を設けて、電源用リードの数を減
じたものである。この電源面は四周に存在し、素子上の
どの位置のパッドからも、短いワイヤで到達できるよう
になっている。第４図にこれを示す。

このようなものは、本出願人による特願昭６２−１９３
８０号（Ｓ．６２．１．２９出願）、特願昭６２−１９
８１１号（Ｓ．６２．１．３０出願）などに開示してあ
る。

セラミックパッケージの場合は、セラミック薄板を何枚
も重ねるから、立体的な構造にすることができ、このよ
うな事も可能になる。

しかし、サークアッドの場合は平面構造であるから、そ
のような層ごとに周回電源面を設けることができない。

前述の問題は、特に100本以上の多くのリードを持つパ
ッケージの場合に重要な問題となる。

(エ)構成 本考案のパッケージは、サークワッドパッケージ基板の
素子搭載部の周囲４辺に、必要な電源の数だけのループ
状メタライズ電源線を形成し、これとリードフレーム、
及び素子の電源用パッドとはワイヤによって接続するよ
うにしたものである 基板の四周には封止ガラスが塗布してある。封止ガラス
の内方のリードフレームと素子搭載部の中間にあたる部
分に正方形の金属枠を付け、金属枠の上に絶縁被膜し、
絶縁被膜の上にループ状メタライズ電源線を形成する。

金属枠はリードフレームともともと一体であって、封止
ガラスによって基板にとりつけた後、リードフレームの
端周を切り、分離する。

ループ状というのは、閉曲線であるという事である。メ
タライズというのは、絶縁体の上に金属層を設ける事で
ある。多くはＷの層の上にAuの層を被覆したものであ
る。間にNiの層をつける事もある。これは厚膜印刷法に
よって形成できるし、蒸着法によっても形成できる。蒸
着の場合は、Al、Ag、Auが用いられうる。

リードフレームは、いずれも、ループ状電源メタライズ
線より外側に位置し、必要なリードフレームと、ループ
状電源メタライズ線とはワイヤで結合させる。このた
め、１辺あたりの電源用リードフレームは、各電源V_EE、
V_CC、V_BB、あたり１本ずつで良いようになる。

さらに進んで、パッケージ全体で、各電源あたり１本ず
つで良いようにすることもできる。

以下、実施例を示す図面によって説明する。

第１図は本考案の実施例に係るパッケージの平面図、第
２図は閉蓋時の縦断面図である。

基板３は正方形の、上面が絶縁されている薄板である。
これは、多くの場合セラミック（例えばアルミナAl
₂O₃）である。放熱性を特に高める必要がある場合はCu
−Ｗ、AlNなども使用される。Cu−Ｗは導体であるの
で、この場合は、上面にAl₂O₃、AlN、SiO₂などの前縁膜を
設けて、上面を前縁する。

基板３の中央部が素子搭載部７である。ここにＥＣＬ素
子１が、後に搭載される。この図では、ＥＣＬ素子１を
図示しているが、パッケージという場合、ＥＣＬ素子１
などが未だ搭載されていないものをいう。

素子搭載部７を囲むように、低融点ガラスである封止ガ
ラスが正方形状に外縁に至るまで塗布してある。この内
端に、正方形状の幅の狭い薄い金属枠２０が貼り付けて
ある。金属枠２０の上に、絶縁被膜２１が被覆してあ
る。絶縁被膜２１の上に正方形ループ状に、電源数に等
しい数のループ状電源メタライズ線６を形成する。この
例では３電源V_EE、V_CC、V_BBであるので、ループの数は３
である。

第６図にもともとのリードフレームの概略を示す。リー
ドとなる部分と金属枠２０となる部分は一体であって、
一枚の金属板をうち抜いたものである。金属枠２０の部
分だけ、予め絶縁被覆しておく。これは、ＳｉＯ_２、Ｓ
ｉＮ、ＡｌＮ、Al₂O₃などの被覆である。

金属枠２０とフレーム枠２２は吊りリード２３によって
つながっている。

金属枠２０とリードフレーム２の先端は、封止ガラス４
の作用で固定されている。これは、従来と同じで、リー
ドフレームの先端を封止ガラス４に当てておき、加熱す
ると、ガラスが半溶融状態になり、リードフレーム先端
が融液中に沈み、冷却するとこの状態で固定されるもの
である。

固定された後、リードフレームの４辺を切ってそろえ、
吊りリード２３は基板四隅から切りとる。

第３図のものに比べると、リードフレーム２の支持長も
短くなっている。リードフレーム２の内方端が放射状に
曲げられていない。

しかし、パッケージ基板３が大きければ、封止ガラス４
の塗布幅をもっと拡げる事ができる。この場合、リード
フレーム２の内方端は、放射状に曲げたほうが良い。

さて、辺あたりに多数のリードフレームがある。このう
ち，両端に近いリードフレームを電源の数Ｎだけ選ぶ。
このリードフレームを各電源用のリードフレームとす
る。一辺のリードフレームの数をＭとすると、（Ｍ−
Ｎ）は信号用のリードフレームである。

これらの信号用のリードフレームは内側に位置する。

この例では３電源（Ｎ＝３）であるので、一辺のうち３
つのリードフレームがV_EE、V_CC、V_BB、に当てられてい
る。

これらのリードフレームをＥ、Ｃ、Ｂと書く。

これらのリードフレームは、アルミワイヤ５によって、
それぞれのループ状電源メタライズ線６ｃ、６ｂ、６ｅ
に接続される。

ループ状電源メタライズ線６ｃ、６ｂ、６ｅの内側の順
序は任意である。

こうすることにより、一辺あたりの電源用リードフレー
ムはひとつで良い事になる。

第３図のものは一辺あたり３つのリードフレームを要し
ていた。つまり、一辺あたり２つのリードフレームを各
電源ごとに節減する事ができる。

さらに進んで、本考案に於いては各電源V_EE、V_CC、V_BBに
つながるリードフレームを、全体で１本とする事もでき
る。つまり、４辺のうち３辺を選び、これらの辺に、V
_EEに、又はV_BBに或はV_CCにつながるリードフレームを１
本ずつ指定するようにする。こうすると、パッケージ全
体で、電源用のリードフレームは、電源の種類の数だけ
でよい事になる。電源用のリードフレームは最外方のも
のを選ぶようにする。

第５図にこのようなパッケージの概略平面図を示す。

金属枠２０とするかわりに、盲板である金属板２０′を
支持部とする事もできる。

第７図にその場合のリードフレーム概略図を示す。金属
板２０′とフレーム枠２２は吊りリード２３によってつ
ながっている。

第８図に実装状態のパッケージ断面を示す。

(オ)作用 ＥＣＬ素子１を、素子搭載部７のメタライズ層９の上に
ダイボンドする。

素子１の四辺にある電極パッドと、リードフレーム２及
びループ状電源メタライズ線６との間をワイヤボンデイ
ングによって接続する。

入力信号、出力信号の場合は、対応するリードフレーム
２と素子のパッド１０とを接続する。

電源線の場合は、素子の電源電極パッド１０と、対応す
るループ状電源メタライズ線６とをワイヤボンデイング
によって接続する。ループ状電源メタライズ線６は、四
周にあるので、どの電源電極パッドも、短いワイヤで接
続する事ができる。

ワイヤは細いので、誘導Ｌの値が大きい。ワイヤを短く
できると、インピーダンスを下げる事ができる。

本考案のパッケージは、リード数を減らす事ができ、全
リード数に対する電源用のリードの数の比率を下げるこ
とができる。

この点を、第３図、第１図に示した例を比較することに
よってさらに詳しく説明する。

この素子は、四辺に同等に電極パッド１０をもち、一辺
について、 入出力信号用の素子電極 ９個 V_EE電極 ３個 V_BB電極 ３個 V_CC電極 ３個 合計 １８個 の電極パッドを持つとする。

第３図に示した従来例では、素子の電極数と、パッケー
ジのリードフレームの数は等しい。このため、リードフ
レームの総数は７２本となる。このうち電源用のリード
フレームは３６本である。半分は電源用のリードフレー
ムとなるわけである これに反し、第１図に示す、本考案のパッケージでは、
電源用のリードフレームは一辺につきひとつずつにまと
める事ができる。このため一辺あたりの電源用のリード
フレームが３本に減る。信号用のリードフレームを９本
とすると、一辺当たりのリードフレーム数が１２本に減
る。総数は４８本であり、このうち電源用リードフレー
ムは１２本に過ぎない。

リードフレームの総数は48/72＝2/3つまり67％に減少す
る。

リードフレームの数を減らす事ができるから、同一の幅
のリードフレームを同一の間隔で設ける事とした場合、
パッケージをより小型にする事ができる。

さらに、電源用のリードフレームをパッケージの隅にま
とめているから、外部コンデンサを電源間に接続するの
が容易になる。

先程の例では、素子の一辺当たり、各電源電極が３個あ
る場合であった。２個以上であればリードを減らす上で
効果がある。

一般に、素子の一辺あたりの各電源電極数がｎであると
する。一辺あたりの入出力信号電極数がｓであるとす
る。必要な電源の種類がＮであるとする。

従来のパッケージでは、必要なリードの総数Σ_１は Σ_１＝４ｎＮ＋４ｓ （１） である。

本考案では、総リード数Σ_０は Σ_０＝４Ｎ＋４ｓ （２） となる。総リード数の比は、 である。先程の例はｓ＝９、Ｎ＝３、ｎ＝３の場合であ
る。ｎが２以上で、この比が１より小さくなる事がわか
る。

さらに、前に述べたように、電源用リードフレームを全
体を通じて、各電源ごとに１本だけとすると（第５
図）、総リード数Σ′_０は、Ｎ＋４ｓとなる。

となって、さらにリードの数を減ずることができる。

（カ）実施例Ｉ 通常の粉末冶金法により形成及び焼成してアルミナ基板
を作った。このアルミナ基板の中央部に金ペーストを印
刷、焼成し、素子搭載部のメタライズ層９を形成した。

この後、基板３の四辺周縁上に、約100μｍの厚みの封
止ガラス４を塗布した。

結線部となるべき部分の表面にAlを蒸着した第６図に示
すような中央に金属枠２０を有するリードフレーム２を
所定の位置に置いた。金属枠２０の上には絶縁被覆２１
がされ、３重のループ状電源メタライズ線６がAl蒸着に
よって形成されている。ただし、このときリードフレー
ム２は外側で全てつながっていて、リードフレームの内
端と金属枠２０とが固定された後、外側の枠の部分を切
りとる。

このような基板３、ガラス４を加熱し、封止ガラス４を
半溶融状態にした。リードの内端が自重でガラスの中へ
沈み、リード内端の上面がガラス面とほぼ面一になる。
冷却してゆくと、ガラスは再び固化する。リードフレー
ムの内端と金属枠２０とが封止ガラス４により、基板３
の上に固定された。

この後、リードフレームの後枠の部分を切り取り、リー
ドフレームを分離した。

パッケージとしては、これで出来上がりである ＥＣＬ素子１を、アルミナ基板３の中央の素子搭載部７
にダイボンドした。ＥＣＬ素子１の３種類の電源の電極
をそれぞれ対応するループ状電源メタライズ線６に、ア
ルミワイヤ５で結線した。

さらにそれぞれのループ状電源メタライズ線６を、第５
図に示すように１本ずつ最外方のリードフレームにアル
ミワイヤ５で接続した。

ＥＣＬ素子上の信号用の電極はその他の対応するリード
フレームにアルミワイヤで接続した。

最後に、アルミナ基板３と同じ寸法であり内部に凹部を
持つセラミックキャップ８をセラミック基板３に押し当
て、加熱封止した。

セラミックキャップ８にも周縁に封止ガラス４が塗って
ある。封止ガラス同士が押しあてられ加熱されるので、
両者が溶融状態になる。これを冷却するとセラミックキ
ャップ８と基板３とは強固に結合する。結合部は空気の
流通のない気密封止となる。

こうして、リード数が少ないにもかかわらず、多くの電
源電極を四辺に持つＥＣＬ素子１を収容することができ
た。

このＥＣＬ素子は168個の電極を有する。信号用が138
個、電源用が30個である。第３図のものだと168本のリ
ードフレームが必要であるが、本発明では141本のリー
ドフレームでよい。

このパッケージで初期動作を確認した後、プレッシャー
クッカーテスト（121℃，2.3atm,100H）をした。再度動
作テストをしたところ、30パッケージに対して不良率は
０であった。

(キ)実施例II アルミナ基板のかわりに、CuW板上に10μｍ程度の厚さ
のアルミナ薄膜を形成した基板を用いて、本考案のパッ
ケージを作った。CuWは導体であるから、アルミナ薄膜
を付けて上面を絶縁体にしている。

CuWは熱伝導度が良いから、セラミックより放熱性が優
れている。

基板四周に低融点の封止ガラス４を塗布した。絶縁被膜
２１で覆われた金属枠２０を有するリードフレームを取
り付けた。

Al蒸着により、メタライズ層９とループ状電源メタライ
ズ線６とを形成した。

以後、実施例Ｉと同じ工程を行ことにより、高放熱特性
をもった気密封止サークアッドを製造することができ
た。

(ク)効果 ＥＣＬ素子のように３種類以上の電源を必要とし（Ｎ≧
３）、しかもそれぞれの種類の電源が素子の一辺につい
て２以上の電源電極を持つ（ｎ≧２）場合、本考案のパ
ッケージは極めて有効である。

このパッケージによると配線を簡略化し、リードフレー
ムの数を削減できる。するとパッケージを小さくでき
る。特に、第５図のようにすると、極めて効果的であ
る。

パッケージが小さくなると、実装の点で便利になり使い
やすい。さらに、パッケージが小さいので、信号線も短
くでき，高速特性も向上する。

また、このパッケージはサークアッドの改良であって、
セラミックパッケージ（ＭＬＣＰ）に比べて安価であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例に係るパッケージの平面図。 第２図はキャップで封止した状態の縦断面図。 第３図は従来のサークアッドパッケージの平面図。 第４図は多層セラミックパッケージで各層ごとに電源面
を設けたものの例を示す縦断面図。 第５図は本考案の他の実施例に係るパッケージの平面
図。 第６図は中央に金属枠を有するリードフレーム全体略平
面図。 第７図は中央に金属板を有するリードフレーム全体略平
面図。 第８図は第７図のリードフレームを使ったパッケージの
縦断面図。 １……ＥＣＬ素子 ２……リードフレーム ３……基板 ４……封止ガラス ５……アルミワイヤ ６……ループ状電源メタライズ線 ７……素子搭載部 ８……セラミックキャップ ９……メタライズ層 ２０……金属枠 ２０′……金属板 ２３……吊りリード ２２……フレーム枠 V_EE,V_BB,V_CC……電源 E,B,C……各電源につながるリードフレーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 瀧川 貴稔 兵庫県伊丹市昆陽北１丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)考案者 安原 正晴 兵庫県伊丹市昆陽北１丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｎを３以上の整数、ｎを２以上の整数と
   し、Ｎ種類の電源を必要としひとつの電源について各辺
   ごとにｎ以上の電極を有する正方形の素子を収容するた
   めのパッケージであって、正方形状の、セラミック或は
   金属板上に絶縁層を形成した基板３と、基板３の四辺外
   縁部に塗布された封止ガラス４と、基板３の中央の素子
   １を搭載すべき素子搭載部７の四周であって、封止ガラ
   ス４の内端に取り付けられる正方形のリードフレームと
   同じ材質の金属枠２０と金属枠２０の上に被覆した絶縁
   膜２１と、絶縁膜２１の上に設けられるＮ本のループ状
   電源メタライズ線６と、封止ガラス４によって内方端部
   が固定された多数のリードフレーム２とよりなり、リー
   ドフレーム２のうち最外方にある適数本のリードフレー
   ムが前記Ｎ本のループ状電源メタライズ線６とワイヤ５
   で結線され、素子１の各辺上のｎ個の電源電極はその直
   近のループ状電源メタライズ線６とワイヤ５で結線され
   るようにした事を特徴とする多電源素子用パッケージ。
2. 【請求項２】Ｎを３以上の整数、ｎを２以上の整数と
   し、Ｎ種類の電源を必要としひとつの電源について各辺
   ごとにｎ以上の電極を有する正方形の素子を収容するた
   めのパッケージであって、正方形状の、セラミック或は
   金属板上に絶縁層を形成した基板３と、基板３の四辺外
   縁部に塗布された封止ガラス４と、基板３の中央の素子
   １を搭載すべき素子搭載部７の四周であって、封止ガラ
   ス４の内端に取り付けられる正方形のリードフレームと
   同じ材質の金属枠２０′と金属板２０′の上に被覆した
   絶縁膜２１と、絶縁膜２１の上に設けられるＮ本のルー
   プ状電源メタライズ線６と、封止ガラス４によって内方
   端部が固定された多数のリードフレーム２とよりなり、
   リードフレーム２のうち最外方にある適数本のリードフ
   レームが前記Ｎ本のループ状電源メタライズ線６とワイ
   ヤ５で結線され、素子１の各辺上のｎ個の電源電極はそ
   の直近のループ状電源メタライズ線６とワイヤ５で結線
   されるようにした事を特徴とする多電源素子用パッケー
   ジ。