JPH0638426Y2 - 多電源素子用パッケージ - Google Patents

Description

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

（イ）従来技術 半導体装置のパツケージは、（１）プラスチツクモール
ド、（２）サーデイツプ、サークワツド、（３）多層セ
ラミツク（Multi Laminate Ceramic Package MLCP）な
どのものがある。

（３）はセラミツ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、機密性と
もによい。しかし、高価である。

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

（２）はセラミツク板を使うが、積層構造をとらず、基
板と、蓋だけを持つ。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。セラミツクスが主
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ツケージの改
良に関する。

第３図に従来例に係る、ガラスで封止した気密封止型パ
ツケージ構造を示す。

この気密封止型半導体装置は、サークアツド（Cer qua
d）と呼ばれるものである。薄型を要求されるマシクロ
コンピユータなどの進展に伴つて、多用されてきてい
る。

基板と蓋とがセラミツクであるので、セラミツクのCer
をとつている。quadというのは、四辺にリードフレーム
を付けるという事である。あわせて、Cer quadという。
二辺にリードのあるものはCer dip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Cer quadが適している。

サークアツドの基板としては、名前のとおり、アルミナ
などのセラミツクが主流である。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。

サークアツドパツケージは、セラミツクを使つていて
も、セラミツクパツケージとはいわない。

さて、主流であるセラミツ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）に近い状態になつている。

こうしてパツケージができたことになる。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によつて結線する。

リードフレーム２は、基板３′の低融点ガラス４の部分
に放射状に固定されている。互に独立であつて、リード
フレーム間に特別な関係はない。

従つて、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、電源線をどの
リードフレームに対応させてもよい。

四辺ともに同じようなリードフレーム構造になつてい
る。

素子１′の取付、ワイヤボンデイングが終ると、四辺に
封止ガラスを塗つたアルミナ製の蓋（キヤツプ）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Cer quadパツ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。汎用性の高いパツケージである。

第３図に於て、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とりつ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。それゆえ、放熱が
問題になる。そのため、Cer quad、Cer dip、或はセラ
ミツク積層パツ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よいという
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、電源線は太く短いことが望まれる。

こうするために、ECL素子の方でも、多くの箇所に電源
用のパツドを作つておき、パツケージの方でも、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
減ずることができる。

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本のリードが一辺に存在する。一辺に18
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過ぎる。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、とりつけうるリード
の数も決まつてしまう。入力、出力信号用のリードを多
数とりつ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、コンデンサを取付けるのが難しくなる。

素子のサイズが大きくなれば、パツケージも大きくで
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
子側の電源用パツドの数も増える。パツケージの側にも
１辺に３つではなく、４つあるいは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数の比は変らな
いのである。

セラミツク積層パツケージ（MLCP）の場合は、セラミツ
ク層ごとに電源面を設けて、電源用リードの数を減じた
ものがある。この電源面は四周に存在し、素子上のどの
位置のパツドからも、短いワイヤで到達できるようにな
つている。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62-19380号
（S62.1.29出願）、特願昭62-19811号（S62.1.30出願）
などに開示してある。

セラミツクパツケージの場合は、セラミツク薄板を何枚
も重ねるから、立体的な構造にする事ができ、このよう
な事も可能になる。

しかし、サークアツ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
ツケージの場合に重大な問題となる。

（エ）構成 本考案のパツケージは、サークワツドパツケージ基板の
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ツドとはワイヤによつて接続するよ
うにしたものである。

ループ状というのは、閉曲線であるという事であう。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
よつて形成できるし、蒸着法によつても形成できる。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れる。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本ずつでよいようになる。

以下、実施例を示す図面によつて説明する。第１図は本
考案の実施例にかかるパツケージの平面図、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、多くの場合セラミツク（たとえばアルミナAl₂O
₃）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などの絶縁膜を設
けて、上面を絶縁する。

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、パツケージという場合、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、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。

３重のループ状電源メタライズ線６の外縁に、低融点ガ
ラスである封止ガラス４が正方形状に塗布してある。

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のである。

第３図のものに比べると、封止ガラス４の塗布されてい
る幅が狭く、リードフレーム２の支持長も短かくなつて
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。

これは、封止ガラス４と素子搭載部７の間にループ状電
源メタライズ線６を設けたため、封止ガラス幅を大きく
とれないからである。

しかし、パツケージ基板３が大きければ、封止ガラス４
の塗布幅をもつ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、放射状に曲げた方がよい。

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Ｎとすると、（Ｎ−
Ｎ）は信号用のリードフレームである。

これら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_CC、V_BB、V_EEに当てられてい
る。

これらのリードフレームを、Ｃ、Ｂ、Ｅと書く。

これらのリードフレームは、アルミワイヤ５によつて、
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
ムはひとつでよい事になる。

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、本考案に於ては各電源V_EE、V_BB、V_CC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、パツケージ全
体で、電源用のリードフレームは、電源の種類の数だけ
でよいことになる。

第５図にこのようなパツケージの概略平面図を示す。

（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ツドと、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
ングによつて接続する。

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

電源線の場合は、素子の電源電極パツド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
よつて接続する。ループ状電源メタライズ線６は、四周
にあるので、どの電源電極パツドも、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。

本考案のパツケージは、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
よつてさらに詳しく説明する。

この素子は、四辺に同等の電極パツド10を持ち、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 の電極パツドを持つとする。

第３図に示した従来例では、素子の電極数と、パツケー
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、本考案のパツケージでは、
電源用のリードフレームは一辺につきひとつづつにまと
める事ができる。このため一辺あたりの電源用リードフ
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、一辺あ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
本にすぎない。

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、
パツ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ツケージの隅にま
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。

さきほどの例では、素子の一辺あたり、各電源電極が３
個ある場合であつた。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。

従来のパツケージでは、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＝4nN＋4s （２） となる。総リード数の比は である。さきほどの例は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
分る。

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。

となつて、さらにリードの数を減ずることができる。

（カ）実施例Ｉ 通常の粉末治金法により成形及び焼成してアルミナ基板
を作つた。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と、３つのル
ープ状電源メタライズ線６とを同時に形成した。

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を蒸着したリードフレ
ーム２を所定の位置に置いた。ただし、このときリード
フレーム２は外側で全てつながつていて、リードフレー
ムの内端が固定された後、外側の枠の部分を切りとる。
これは周知である。

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とり、リー
ドフレームを分離した。

パツケージとしては、これででき上りである。

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、各辺
につき１本ずつ対応する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所を
持つセラミツクキヤツプ８をセラミツク基板３に押しあ
て、加熱封止した。

セラミツクキヤツプ８にも周縁に封止ガラス４が塗つて
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ツクキ
ヤツプ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を収容する事ができた。

（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
のアツミナ薄膜を形成した基板を用いて、本考案のパツ
ケージを作つた。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は熱伝導度がよいから、セラミツクより放熱性が優
れる。

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。基板四周に低融点の封止ガラス４
を塗布した。

以後、実施例Ｉと同じ工程を行なうことにより、高放熱
特性をもつた気密封止サークアツ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
ツケージは極めて有効である。

このパツ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。するとパツケージを小さくでき
る。

パツ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、パツケージが小さいので、信号線も短
かくでき、高速特性も向上する。

また、このパツケージはサークアツドの改良であつて、
セラミツクパツケージ（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かかるパツケージの平面図。 第２図はキヤツプで封止した状態の縦断面図。 第３図は従来のサークアツドパツケージの平面図。 第４図は多層セラミツクパツ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かかるパツケージの平面
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……セラミツクキヤツプ ９……メタライズ層 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 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 (72)考案者 山中 正策 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 (56)参考文献 特開 昭63−197350（ＪＰ，Ａ) 浅香寿一著「ボンディング技術」昭和45 年３月31日 日刊工業新聞社発行Ｐ．71 図５・13（ａ)

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
   めのサークワッド型平面構造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の中央の素子１を搭載すべき素子搭載
   部７の四周に設けられる同一平面に置かれたＮ本のルー
   プ状電源メタライズ線６と、基板３の四辺外縁部に塗布
   された封止ガラス４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、各辺
   に取付けられたリードフレーム２のうち最外方にあるＮ
   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素子を収容するためのサー
   クワッド型平面構造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の上に絶縁層を形成した基板３
   と、基板３の中央の素子１を搭載すべき素子搭載部７の
   四周に設けられる同一平面に置かれたＮ本のループ状電
   源メタライズ線６と、基板３の四辺外縁部に塗布された
   封止ガラス４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、Ｎ本のルー
   プ状電源メタライズ線６は、それぞれ１本のリードフレ
   ームとワイヤ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。