JP2016225457A - 半導体装置用ステム及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの低減を図ることができる半導体装置用ステムを提供する。
【解決手段】半導体装置用ステム１０は、本体部２１と、本体部２１の上面２１Ａに立設された放熱部２２とが一体に形成されてなるアイレット２０を有する。ステム１０は、開口部Ａ１と、本体部２１の上面２１Ａ側に開口部Ａ１と連通して形成され、開口部Ａ１よりも小径に形成された開口部Ａ２とからなる貫通孔２１Ｘと、貫通孔２１Ｘに挿通され、開口部Ａ１を充填する封止材３５により封着された信号用リード３０とを有する。ステム１０は、放熱部２２の搭載面２２Ａに接合され、信号用リード３０と接続される導体パターン４２と半導体素子が搭載される搭載部とを有する配線基板４０を有する。放熱部２２は、開口部Ａ１の一部と平面視で重なる位置に形成され、開口部Ａ２と平面視で重ならない位置に設けられている。開口部Ａ２には、空気層３６が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、主に光通信に用いられる半導体装置用ステム及び半導体装置に関するものである。

図８は、光素子等の半導体素子を搭載する半導体装置の従来の構成例を示している（例えば、特許文献１参照）。半導体装置１００は、本体部１２１とその本体部１２１の上面に立設された放熱部１２２とを有するアイレット１２０と、本体部１２１に形成された貫通孔１２１Ｘに挿通された信号用リード１３０と、放熱部１２２の搭載面１２２Ａに接合されたスペーサ１５０及び配線基板１４０とを有している。半導体装置１００では、本体部１２１の上面１２１Ａに対して略垂直に設けられた放熱部１２２の搭載面１２２Ａにスペーサ１５０が接合され、そのスペーサ１５０の前面１５０Ａに配線基板１４０が接合されている。そして、配線基板１４０の表面に半導体素子１６０が搭載されている。また、半導体装置１００では、配線基板１４０の表面に形成された導体パターン１４２と信号用リード１３０とが電気的に接続されるとともに、導体パターン１４２と半導体素子１６０とが電気的に接続されている。このとき、配線基板１４０では、配線基板１４０の厚さ、導体パターン１４２の幅及び厚さ等を適宜調整することにより、導体パターン１４２の特性インピーダンスを所望の値に調整することができる。これにより、配線基板１４０を設けずに、貫通孔１２１Ｘから上方に突出する信号用リード１３０と放熱部１２２に直接搭載された半導体素子１６０とをボンディングワイヤで接続する場合に比べて、高周波信号の伝送特性を向上させることができる。

特開２００４−１３４６９７号公報

ところが、半導体装置１００では、放熱部１２２の搭載面１２２Ａと信号用リード１３０との離間距離が長くなる。このため、半導体装置１００では、配線基板１４０の導体パターン１４２と信号用リード１３０とを接続させるために、配線基板１４０と搭載面１２２Ａとの間に、配線基板１４０及び放熱部１２２とは別体のスペーサ１５０が設けられている。しかし、スペーサ１５０を設けることにより、部品点数が増加し、半導体装置１００の製造コストが増大するという問題が生じる。なお、貫通孔１２１Ｘに対して放熱部１２２をオーバーハングさせることにより、スペーサ１５０を省略する方法も考えられる。しかし、この場合には、プレス加工により、放熱部１２２及び貫通孔１２１Ｘを同時に形成することができなくなる。このため、プレス加工によりアイレット１２０を製造する場合に比べて、製造コストが増大するという問題がある。

本発明の一観点によれば、本体部と、前記本体部の上面に立設された放熱部とが一体に形成されてなる基体部と、第１開口部と、前記本体部の上面側に前記第１開口部と連通して形成され、前記第１開口部よりも平面形状が小さく形成された第２開口部とを有し、前記本体部を厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記貫通孔に挿通され、前記第１開口部を充填する封止材により封着されたリードと、前記リードと電気的に接続される導体パターンと、半導体素子が搭載される搭載部とを有し、前記放熱部の搭載面に接合された配線基板と、を有し、前記放熱部は、前記第１開口部の一部と平面視で重なる位置であって、前記第２開口部と平面視で重ならない位置に設けられ、前記第２開口部には、前記封止材よりも比誘電率の小さい被覆材が充填されている。

本発明の一観点によれば、製造コストの低減を図ることができるという効果を奏する。

一実施形態の半導体装置用ステムを示す概略斜視図。 （ａ）は、一実施形態の半導体装置用ステムを示す概略断面図（図３における２−２断面図）、（ｂ）は、（ａ）に示した半導体装置用ステムの一部を拡大した拡大断面図。 一実施形態の半導体装置用ステムを示す概略平面図。 一実施形態の半導体装置用ステムを示す概略断面図（図３における４−４断面図）。 一実施形態の半導体装置を示す概略断面図。 一実施形態の半導体装置用ステムの反射特性を示すグラフ。 変形例の半導体装置を示す概略斜視図。 従来の半導体装置を示す概略断面図。

以下、一実施形態を添付図面を参照して説明する。
なお、添付図面は、便宜上、特徴を分かりやすくするために特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、各部材の断面構造を分かりやすくするために、一部の部材のハッチングを梨地模様に代えて示し、一部の部材のハッチングを省略している。

図１に示すように、半導体装置用ステム（ステム）１０は、アイレット（基体部）２０と、信号用リード３０と、モニタ用リード３１と、アースリード３２と、配線基板４０とを有している。なお、信号用リード３０、モニタ用リード３１及びアースリード３２の材料としては、例えば、コバールや５２アロイ等の鉄合金を用いることができる。

アイレット２０は、本体部２１と、配線基板４０が搭載される搭載面２２Ａを有する放熱部２２とを有している。これら本体部２１と放熱部２２とは一体に形成されている。本体部２１及び放熱部２２は、ステム１０に搭載された半導体素子が発生する熱を拡散する放熱板として機能する。このため、本体部２１及び放熱部２２の材料としては、熱伝導性の良い金属であることが好ましい。また、本体部２１及び放熱部２２の材料としては、搭載面２２Ａに搭載される配線基板４０やその配線基板４０に搭載される半導体素子と熱膨張係数が近い材料であることが好ましい。このような本体部２１及び放熱部２２の材料としては、例えば、鉄を用いることができる。なお、本体部２１及び放熱部２２の表面にめっきを施してもよい。

本体部２１は、例えば、円板状に形成されている。本体部２１の直径は、例えば、５．６〜９．０ｍｍ程度とすることができる。本体部２１の厚さは、例えば、１．０〜２．０ｍｍ程度とすることができる。ここで、本明細書において、「円板状」とは、平面形状が略円形で所定の厚さを有するものを指す。なお、「円板状」においては、直径に対する厚さの大小は問わない。また、部分的に凹部や凸部が形成されているものも「円板状」に含まれるものとする。

本体部２１の外縁部には、平面視において、外周側から中心側に窪んだ形状の２つの切り欠き部２１Ｃが形成されている。切り欠き部２１Ｃは、例えば、ステム１０に半導体素子を搭載する際の半導体素子搭載面の位置出しに用いることができる。２つの切り欠き部２１Ｃは、例えば、対向配置されている。各切り欠き部２１Ｃの平面形状は、例えば、Ｖの字状に形成されている。

ここで、本明細書において、「平面視」とは、対象物を本体部２１の上面２１Ａの法線方向から視ることを言い、「平面形状」とは、対象物を本体部２１の上面２１Ａの法線方向から視た形状のことを言う。また、本体部２１の上面２１Ａの法線方向をＺ方向、搭載面２２Ａの法線方向をＹ方向、Ｚ方向及びＹ方向の双方と直交する方向をＸ方向とする。また、説明の便宜上、Ｚ方向において、アイレット２０の放熱部２２側を上側、その反対側を下側とする。但し、半導体装置用ステム１０は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。

本体部２１の外縁部には、平面視において、外周側から中心側に窪んだ形状の切り欠き部２１Ｄが切り欠き部２１Ｃとは別に形成されている。切り欠き部２１Ｄは、例えば、ステム１０の回転方向の位置出しに用いることができる。切り欠き部２１Ｄの平面形状は、例えば、コの字状に形成されている。なお、切り欠き部２１Ｃ，２１Ｄは、必要に応じて設ければよく、その形成を省略することもできる。

本体部２１には、所要の箇所（ここでは、２箇所）に、当該本体部２１を厚さ方向（Ｚ方向）に貫通する貫通孔２１Ｘが形成されている。２つの貫通孔２１Ｘは、所定間隔だけ離間してＸ方向に並んで設けられている。

図２（ａ）に示すように、各貫通孔２１Ｘは、本体部２１の上面２１Ａから下面まで貫通するように形成されている。各貫通孔２１Ｘは、開口部Ａ１と、本体部２１の上面２１Ａ側に形成され、開口部Ａ１よりも平面形状が小さく形成された開口部Ａ２とを有している。本例の開口部Ａ１は、例えば略円柱状に形成されている。本例の開口部Ａ２は、例えば略円柱状に形成され、開口部Ａ１よりも小径に形成されている。開口部Ａ２は、開口部Ａ１と平面視で重なる位置に形成され、開口部Ａ１と連通するように形成されている。具体的には、開口部Ａ１と開口部Ａ２とは同心円状に形成されている。このため、図２（ｂ）に示すように、開口部Ａ２の内側面を構成する本体部２１には、開口部Ａ１の上部において、その開口部Ａ１の内側にリング状に突出する突出部Ｂ１が形成されている。換言すると、開口部Ａ２の内側面である突出部Ｂ１は、開口部Ａ１の周縁部と平面視で重なる位置に形成されている。これにより、貫通孔２１Ｘでは、開口部Ａ２の内側面（突出部Ｂ１の側面）と突出部Ｂ１の下面と開口部Ａ１の内側面とによって段差部が形成されている。

図２（ａ）に示すように、信号用リード３０は、例えば、略円柱状に形成されている。信号用リード３０の直径は、例えば、０．１５〜０．６ｍｍ程度とすることができる。信号用リード３０は、貫通孔２１Ｘに、当該信号用リード３０の軸方向を本体部２１の厚さ方向（Ｚ方向）に向けて挿通されている。信号用リード３０の上端面は、例えば、本体部２１の上面２１Ａと略同一平面上に形成されている。一方、信号用リード３０の下部は、本体部２１の下面から下方に突出するように形成されている。

信号用リード３０は、開口部Ａ１内において周囲を封止材３５に封止されている。すなわち、貫通孔２１Ｘには、信号用リード３０が封止材３５により気密に封着された状態で挿通され固定されている。具体的には、信号用リード３０は、開口部Ａ１に充填する封止材３５により開口部Ａ１に気密に封着されている。封止材３５は、貫通孔２１Ｘ内に配置される信号用リード３０の外周面を封止するように形成され、その信号用リード３０の外周面と貫通孔２１Ｘの内壁面との間の空間を充填するように形成されている。また、封止材３５は、突出部Ｂ１の下面に接して被覆するように形成されている。封止材３５は、信号用リード３０とアイレット２０との絶縁距離を確保する機能と、信号用リード３０を貫通孔２１Ｘ内に固定する機能とを有する。なお、封止材３５の材料としては、例えば、ガラスや絶縁性樹脂を用いることができる。ガラスとしては、例えば、比誘電率が６．７程度の軟質ガラスを用いることができる。

一方、開口部Ａ２内には封止材３５が形成されておらず、開口部Ａ２内には空気層３６が形成されている。すなわち、開口部Ａ２に挿通する信号用リード３０は、比誘電率が約１の空気中に晒される。換言すると、開口部Ａ２には、封止材３５よりも比誘電率の小さい空気層３６（被覆材）が信号用リード３０の外周面を被覆するように形成されている。

ここで、封止材３５（軟質ガラス）の熱膨張係数よりもアイレット２０（鉄）の熱膨張係数が大きくなる。このため、アイレット２０側から封止材３５が締め付けられる。これにより、封止材３５により開口部Ａ１が気密に封止されるとともに、封止材３５によって信号用リード３０がアイレット２０と絶縁されて固定され、同軸線路が形成されている。すなわち、貫通孔２１Ｘに信号用リード３０を挿通して封止材３５によって封着した部位は、信号用リード３０を芯線とした同軸線路に形成されている。

このような同軸線路では、開口部Ａ１，Ａ２の開口径（内径）、信号用リード３０の直径（外径）、封止材３５の比誘電率及び空気層３６の比誘電率を適宜調整することにより、信号用リード３０の特性インピーダンスを所望の値に調整することができる。本例のステム１０では、信号用リード３０の特性インピーダンスが所望の値（例えば、２５Ω）となるように、開口部Ａ１，Ａ２の開口径が適宜調整されている。

図１に示すように、放熱部２２は、本体部２１の上面２１Ａに立設されている。放熱部２２は、例えば、ブロック状に形成されるとともに、平面視略半円状に形成されている。放熱部２２の一側面が搭載面２２Ａになっている。搭載面２２Ａは、本体部２１の上面２１Ａに対して略垂直に設けられた平坦面であって、且つＸＺ平面に平行に設けられた平坦面である。そして、搭載面２２Ａは、半導体素子が固定される配線基板４０が搭載される面である。

図３に示すように、搭載面２２Ａは、Ｘ方向に所定間隔だけ離間して設けられた２つの貫通孔２１Ｘを架け渡すように形成されている。放熱部２２は、開口部Ａ１の一部と平面視で重なる位置であって、開口部Ａ２と平面視で重ならない位置に設けられている。具体的には、放熱部２２の搭載面２２Ａは、平面視において、開口部Ａ１，Ａ２の中心から、開口部Ａ１の開口径の半径よりも短い距離であって、開口部Ａ２の開口径の半径以上の距離だけ離間した位置に設けられている。

図４に示すように、放熱部２２の搭載面２２Ａに搭載される配線基板４０は、基板４１と、基板４１の表面（前面）に形成された導体パターン４２，４３とを有している。基板４１は、例えば、平板状に形成されている。基板４１の材料としては、例えば、熱伝導率が高く電気絶縁性が高い材料であることが好ましい。このような基板４１の材料としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることができる。基板４１は、例えば、Ｙ方向から視た平面形状が搭載面２２Ａよりも一回り小さく形成されている。すなわち、本例の基板４１の幅（Ｘ方向の長さ）は、搭載面２２Ａの幅よりも短く設定されている。また、本例の基板４１の高さ（Ｚ方向の長さ）は、搭載面２２Ａの高さよりも低く設定されている。例えば、基板４１の幅は２．４〜２．８ｍｍ程度とすることができ、基板４１の高さは例えば１．２〜１．４ｍｍ程度とすることができる。また、基板４１の厚さは、例えば０．２〜０．３ｍｍ程度とすることができる。

導体パターン４２，４３は、例えば、メタライズパターンである。導体パターン４２，４３は、互いに離間して形成されている。各導体パターン４２は、各信号用リード３０に対応して形成されている。具体的には、各導体パターン４２は、配線基板４０が放熱部２２の搭載面２２Ａに接合されたときに、信号用リード３０と接続される位置に形成されている。各導体パターン４２は、例えば、Ｙ方向から視た形状が略Ｌ字状に形成されている。詳述すると、各導体パターン４２は、基板４１の下端面から導体パターン４３が形成された基板４１の上部に向かって、信号用リード３０の軸線方向（ここでは、Ｚ方向）と平行に延出するように形成されている。そして、各導体パターン４２の上端部には、導体パターン４３に近づくように屈曲された屈曲部４２Ａが形成されている。一対の屈曲部４２Ａは、相対向して設けられ、互いに近づくように形成されている。また、各導体パターン４２の下端部は、基板４１の下端面から露出されている。例えば、図２（ｂ）に示すように、各導体パターン４２の下端面は、基板４１の下端面と面一になるように形成されている。なお、導体パターン４２の幅は例えば０．２〜０．３ｍｍ程度とすることができ、導体パターン４２の厚さは例えば０．００１〜０．００３ｍｍ程度とすることができる。

図４に示すように、導体パターン４３は、対向配置された一対の屈曲部４２Ａの間に設けられている。本例の導体パターン４３は、例えば、Ｙ方向から視た形状が略矩形状に形成されている。この導体パターン４３は、半導体素子が搭載される搭載部となる。導体パターン４３は、例えば、基板４１を貫通して形成された導体等を介してアイレット２０と電気的に接続されている。このため、アイレット２０がアース電位になると、導体パターン４３もアース電位になる。

配線基板４０では、導体パターン４２の特性インピーダンスを所望の値に容易に調整することができる。例えば、配線基板４０では、基板４１の比誘電率、基板４１の厚さ、導体パターン４２の幅及び厚さ等を適宜調整することにより、導体パターン４２の特性インピーダンスを所望の値に調整することができる。また、配線基板４０では、例えば、基板４１の背面にアース電位となる導体層を設け、マイクロストリップライン構造を形成する方法により、導体パターン４２の特性インピーダンスを所望の値に調整することができる。

以上説明した配線基板４０は、基板４１の背面が搭載面２２Ａに添うように接合されてアイレット２０に取り付けられている。搭載面２２Ａに平板状の配線基板４０を接合することにより、配線基板４０の導体パターン４３（半導体素子の搭載部）が形成された表面は、本体部２１の上面２１Ａに対して略垂直となるように設けられている。本例の基板４１の下端面は、本体部２１の上面２１Ａに当接されている。具体的には、図３に示すように、基板４１の下端面は、各開口部Ａ２の周囲に位置にする本体部２１の上面２１Ａと、２つの開口部Ａ２の間に位置する本体部２１の上面２１Ａとに当接されている。すなわち、配線基板４０は、Ｘ方向に所定間隔だけ離間して設けられた２つの信号用リード３０を架け渡すように配置されている。より具体的には、配線基板４０は、導体パターン４２が形成された面が信号用リード３０の上端面と交差するように配置されている。このとき、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、導体パターン４２の下端面が基板４１の下端面と略面一に形成されているため、本体部２１の上面２１Ａと略同一平面上に形成された信号用リード３０の上端面に導体パターン４２の下端面が接する。これにより、導体パターン４２と信号用リード３０とが電気的に接続されている。

本例のステム１０では、例えば、基板４１の背面と搭載面２２Ａとがろう付け等によって接合されるとともに、基板４１の下端面と本体部２１の上面２１Ａとがろう付け等によって接合されている。さらに、本例のステム１０では、各導体パターン４２と各信号用リード３０とをろう付け等によって接合することにより、各導体パターン４２と各信号用リード３０とを確実に電気的に接続している。これらにより、各導体パターン４２と各信号用リード３０とが電気的に接続された状態で、配線基板４０がアイレット２０に取り付けられている。

なお、導体パターン４２と信号用リード３０との電気的接続はろう付けに限らず、導電性接着剤を用いる方法を採用してもよい。また、導体パターン４２と信号用リード３０とをろう付け等によって接合する際には、導体パターン４２及び信号用リード３０がアイレット２０と電気的に短絡しないようにすることが必要である。

図１に示すように、本体部２１には、所要の箇所（ここでは、１箇所）に、当該本体部２１を厚さ方向に貫通する貫通孔２１Ｙが形成されている。本例の貫通孔２１Ｙは、例えば、内側面に段差部を有さない形状に形成されている。なお、貫通孔２１Ｙを、貫通孔２１Ｘと同様に段差部を有する形状に形成してもよい。

モニタ用リード３１は、貫通孔２１Ｙに、当該モニタ用リード３１の軸方向を本体部２１の厚さ方向（Ｚ方向）に向けて挿入され、封止材３７によって気密に封着されている。すなわち、貫通孔２１Ｙには、モニタ用リード３１が封止材３７によって封着された状態で挿通して固定されている。モニタ用リード３１は、例えば、略円柱状に形成されている。例えば、モニタ用リード３１の上部は、本体部２１の上面２１Ａから上方に突出するように形成されている。また、モニタ用リード３１の下部は、本体部２１の下面から下方に突出するように形成されている。なお、封止材３７の材料としては、封止材３５（図２参照）と同様の材料を用いることができる。

図２（ａ）に示すように、アースリード３２は、本体部２１の下面に形成されている。アースリード３２は、例えば、本体部２１の下面に溶接等により接合されており、本体部２１と電気的に接続されている。このため、アースリード３２が接地されるとアイレット２０（本体部２１及び放熱部２２）も接地される。この場合の放熱部２２は、アース電位に設定された接地部としても機能する。アースリード３２は、例えば、略円柱状に形成されている。このアースリード３２は、軸方向をＺ方向に向けて本体部２１の下面から下方に突出するように形成されている。

以上説明したステム１０は、例えば以下のような方法により製造することができる。アイレット２０は、例えば、冷間鍛造プレス等のプレス加工により、本体部２１及び放熱部２２を一体に形成して製造することができる。このとき、放熱部２２を開口部Ａ２と平面視で重ならない位置に配置したため、貫通孔２１Ｘ（開口部Ａ１，Ａ２）及び放熱部２２の双方をプレス加工により形成することができる。

続いて、例えば封止材３５がガラスからなる場合には、周知の粉末プレス法や押し出し成形法を用いてガラス粉末を成形して、内径を信号用リード３０の外径に合わせ、外径を開口部Ａ１の内径に合わせた筒状の成形体を作製する。次いで、筒状の成形体を開口部Ａ１に挿入し、さらに信号用リード３０を上記筒状の成形体の孔に挿通する。そして、所定の温度に加熱して封止材３５（筒状の成形体）を溶融させた後、封止材３５を冷却して固化させる。これにより、信号用リード３０が開口部Ａ１内で封止材３５により封着され、封止材３５によって信号用リード３０がアイレット２０と絶縁されて固定される。本工程では、ガラス（封止材３５）が加熱により溶融し一定形状になじむ過程で必ず球体になる過程を踏み、水平面ではなく曲面となる自由表面が形成されるため、図２（ｂ）に示すように、封止材３５の端面（例えば、上端面）付近において開口部Ａ１内に空隙Ｓ１が生じる。このとき、封止材３５の上端面の一部が突出部Ｂ１（開口部Ａ２の内側面を構成する本体部２１）によって押えられるため、封止材３５の上端面の一部のみが自由表面となる。このため、図８に示した半導体装置１００のように、内側面に段差部が存在せず突出部Ｂ１の存在しない貫通孔１２１Ｘに封止材１３５を形成する場合に比べて、封止材３５の自由表面を小さくでき、比誘電率が約１の空気が充填される空隙Ｓ１の体積を小さくできる。具体的には、貫通孔１２１Ｘの開口径と開口部Ａ１の開口径とを同一径とした場合には、開口部Ａ１に生じる空隙Ｓ１の体積を、図８に示した貫通孔１２１Ｘに生じる空隙Ｓ２の体積よりも小さくすることができる。これにより、空隙Ｓ１に起因する信号用リード３０の特性インピーダンスのずれを小さく抑えることができ、信号用リード３０と導体パターン４２との接続部での特性インピーダンスの不整合を小さく抑えることができる。

次に、配線基板４０の導体パターン４２と信号用リード３０とを位置合わせした上で、ろう付け等により、配線基板４０を放熱部２２の搭載面２２Ａ及び本体部２１の上面２１Ａに接合する。また、配線基板４０のアイレット２０への接合と同時に、ろう付け等により、信号用リード３０と導体パターン４２との接続を行う。なお、配線基板４０のアイレット２０への接合を行った後に、信号用リード３０と導体パターン４２との接続を行ってもよい。

以上の製造方法により、図１に示した半導体装置用ステム１０を製造することができる。
次に、図５に従って、ステム１０に半導体素子５０が実装された半導体装置１１の構造について説明する。

半導体装置１１は、ステム１０と、半導体素子５０と、接合部６０と、キャップ７０とを有している。半導体素子５０としては、例えば、発光素子を用いることができる。発光素子としては、例えば、波長が１３１０ｎｍの半導体レーザチップを用いることができる。

半導体素子５０は、例えば、光出射面（ここでは、上端面）を上側に向けた状態で、配線基板４０の導体パターン４３の表面に搭載され固定されている。具体的には、半導体素子５０の発光点位置が、平面視において、本体部２１の上面２１Ａの中心と略一致するように、半導体素子５０がステム１０に搭載されている。半導体素子５０の電極（図示略）は、例えば、ボンディングワイヤ５１により導体パターン４２と電気的に接続されている。これにより、信号用リード３０は、導体パターン４２を介して半導体素子５０と電気的に接続される。また、例えば、半導体素子５０の背面には接地電極（図示略）が形成されており、半導体素子５０が導体パターン４３に搭載されると、接地電極と導体パターン４３とが電気的に接続される。

接合部６０は、本体部２１の上面２１Ａ上に、放熱部２２、信号用リード３０及びモニタ用リード３１（図１参照）を取り囲むように形成されている。接合部６０は、例えば、略円環状に形成されている。接合部６０としては、例えば、耐食性に優れたニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層とが順次積層された金属層を用いることができる。Ｎｉ層及びＡｕ層は、例えば、めっき法により形成することができる。

キャップ７０は、中空ハット状に形成されている。キャップ７０は、天板部の平面視略中央に開口部７１Ｘ（窓）が設けられた円筒形に類似したキャップ本体部７１と、開口部７１Ｘの下側に接着剤７３によって封着された透明部材７４とを有している。キャップ本体部７１は、その外周底部が外側に屈曲して突出した環状（ここでは、円環状）のフランジ７２を有している。そして、キャップ７０は、フランジ７２の下面が接合部６０上に接合されることにより、アイレット２０と接合されている。これにより、配線基板４０に固定された半導体素子５０がキャップ７０の内部に気密封止されている。接合部６０に対するキャップ７０の接合は、例えば、抵抗溶接により行うことができる。

キャップ本体部７１の材料としては、例えば、鉄や銅等の金属又はそれらの金属を少なくとも一種以上含む合金を用いることができる。接着剤７３の材料としては、例えば、低融点ガラスを用いることができる。透明部材７４の材料としては、例えば、ガラスを用いることができる。なお、キャップ７０における開口部７１Ｘ、接着剤７３や透明部材７４を省略してもよい。また、接合部６０を省略し、本体部２１の上面２１Ａにキャップ７０を溶接等により直接接合するようにしてもよい。

以上説明した半導体装置１１では、半導体素子５０の光出射面（ここでは、上端面）から出射された光が、透明部材７４を透過して開口部７１ＸからＺ方向（ここでは、上方）に出射される。

次に、半導体装置１１の作用について説明する。
半導体装置１１では、貫通孔２１Ｘに封止材３５により封着された信号用リード３０が配線基板４０の導体パターン４２と電気的に接続され、その導体パターン４２がボンディングワイヤ５１により半導体素子５０と電気的に接続される。これにより、信号用リード３０の上端部が導体パターン４２を介して半導体素子５０と電気的に接続されている。一方、信号用リード３０の下端部は、例えば、外部電気回路（図示略）と電気的に接続される。これによって、信号用リード３０は、半導体素子５０と外部電気回路との間で高周波の入出力信号を伝送する機能を果たす。このとき、信号用リード３０を貫通孔２１Ｘに封止材３５により封着した部位が同軸線路（同軸構造）に形成されている。このため、信号用リード３０の直径、開口部Ａ１，Ａ２の開口径、封止材３５の比誘電率及び空気層３６の比誘電率を調整することにより、信号用リード３０の特性インピーダンスを容易に調整することができる。例えば、開口部Ａ１，Ａ２の開口径を適宜調整することにより、信号用リード３０の特性インピーダンスを２５Ωといった所望の特性インピーダンス値（例えば、半導体素子５０に形成された回路等の持つ特性インピーダンス）にマッチングさせることができる。さらに、信号用リード３０と半導体素子５０とを電気的に接続する導体パターン４２についても、上述したように、所望の特性インピーダンス値に容易に調整することができる。これらにより、半導体装置１１における伝送路の全体を、特性インピーダンス値をマッチングさせた伝送路とすることができる。この結果、高周波信号の反射損失を小さくすることができ、高周波信号の伝送特性を良好に保つことができる。

例えば、封止材３５の比誘電率を６．７とし、信号用リード３０の直径を０．３２ｍｍとした場合には、開口部Ａ１の開口径を０．９３ｍｍとすることにより、開口部Ａ１を挿通する信号用リード３０を２５Ωにインピーダンス整合させることができる。また、空気層３６の比誘電率を１とし、信号用リード３０の直径を０．３２ｍｍとした場合に、開口部Ａ２の開口径を０．４８ｍｍとすることにより、開口部Ａ２を挿通する信号用リード３０を２５Ωにインピーダンス整合させることができる。ここで、空気層３６の比誘電率を封止材３５の比誘電率よりも小さくしたため、開口部Ａ２の開口径を開口部Ａ１の開口径よりも小径に設定することができる。さらに、配線基板４０では、比誘電率が８．７の窒化アルミニウムからなる基板４１の厚さを０．３ｍｍとし、導体パターン４２の幅を０．３ｍｍとし、導体パターン４２の厚さを０．００２ｍｍとすることにより、導体パターン４２を２５Ωにインピーダンス整合させることができる。

このとき、半導体装置１１では、開口部Ａ１，Ａ２の平面中心から搭載面２２Ａまでの離間距離が、開口部Ａ１の開口径の半径（０．４６５ｍｍ）よりも短い距離であって、開口部Ａ２の開口径の半径（０．２４ｍｍ）以上の距離に設定される。例えば、開口部Ａ１，Ａ２の平面中心から搭載面２２Ａまでの離間距離が０．３ｍｍに設定される。すると、開口径０．９３ｍｍの開口部Ａ１に対して放熱部２２が０．１６５ｍｍだけオーバーハングするのに対し、開口径０．４８ｍｍの開口部Ａ２の開口端から放熱部２２を０．０６ｍｍだけ離間させることができる。すなわち、放熱部２２が開口部Ａ２に対してオーバーハングしない範囲で、搭載面２２Ａを開口部Ａ１，Ａ２の平面中心に近づけることができる。これにより、基板４１の厚さの増大を抑制しつつ、基板４１の表面に形成された導体パターン４２の下端面を信号用リード３０の上端面に好適に接続することができる。さらに、放熱部２２が開口部Ａ２に対してオーバーハングしていないため、プレス加工により、貫通孔２１Ｘ，２１Ｙと放熱部２２とを一括して形成することができる。

図６は、半導体装置用ステム１０の高周波信号の伝送特性を検証するために、ステム１０の内外が２５Ωのインピーダンスポートに接続されたときのインピーダンスのミスマッチによる特性変化を算出したシミュレーション結果を示すグラフである。具体的には、図６は、入力信号に対する反射信号の周波数特性を示す。

図６のシミュレーション結果から明らかなように、半導体装置用ステム１０では、入力信号の反射損失を小さく抑えることができる。具体的には、入力信号の周波数が２０ＧＨｚ以上となった場合であっても、反射特性Ｓ１１を−２０ｄＢ以下という小さい値に抑えることができる。この結果から、半導体装置用ステム１０では、高周波信号の伝送特性を良好に保つことができることが分かる。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）信号用リード３０が挿通される貫通孔２１Ｘを、開口部Ａ１と、本体部２１の上面２１Ａ側に形成され、開口部Ａ１よりも平面形状が小さく形成された開口部Ａ２とから構成した。また、搭載面２２Ａを有する放熱部２２を、開口部Ａ１の一部と平面視で重なる位置であって、開口部Ａ２と平面視で重ならない位置に設けた。これにより、プレス加工により、放熱部２２と貫通孔２１Ｘとを一括して形成することができる。したがって、半導体装置用ステム１０の製造コストを低減することができる。

（２）また、放熱部２２が開口部Ａ２に対してオーバーハングしない範囲で、搭載面２２Ａを開口部Ａ１，Ａ２の平面中心に近づけることができる。これにより、基板４１の厚さの増大を抑制しつつも、導体パターン４２の下端面を信号用リード３０の上端面に好適に接続することができる。さらに、配線基板４０と搭載面２２Ａとの間にスペーサ等の別部材を介在させる必要がなくなり、配線基板４０を搭載面２２Ａに直接接合することができる。このため、従来の半導体装置１００に比べて部品点数を減らすことができ、半導体装置用ステム１０の製造コストを低減することができる。さらに、配線基板４０を搭載面２２Ａに直接接合できるため、配線基板４０の搭載精度を向上させることができる。

（３）封止材３５の上端面の一部を突出部Ｂ１の下面に接するように形成した。これにより、開口部Ａ１に生じる空隙Ｓ１の体積を小さくすることができる。このため、空隙Ｓ１に起因する信号用リード３０の特性インピーダンスのずれを小さく抑えることができ、信号用リード３０と導体パターン４２との接続部での特性インピーダンスの不整合を小さく抑えることができる。

（４）半導体装置１１における伝送路の全体を、特性インピーダンス値をマッチングさせた伝送路とすることができる。この結果、高周波信号の反射損失を小さくすることができ、高周波信号の伝送特性を良好に保つことができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の態様にて実施することもできる。
・上記実施形態では、２つの貫通孔２１Ｘを有するステム１０に１個の半導体素子５０を搭載した。これに限らず、ステム１０に複数の半導体素子を搭載してもよいし、搭載する半導体素子の数や半導体素子の端子の数に応じて、貫通孔２１Ｘの数や信号用リード３０の数を変更してもよい。

例えば図７に示すように、ステム１０に２つの半導体素子５０，５５を搭載するようにしてもよい。例えば、半導体素子５０として発光素子を用いることができ、半導体素子５５として受光素子を用いることができる。受光素子としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。本例の本体部２１の上面２１Ａには、半導体素子５５が搭載される凹部２１Ｚが形成されている。凹部２１Ｚは、ＸＹ平面において、２つの貫通孔２１Ｘの間であって、導体パターン４３（半導体素子５０の搭載部）付近に設けられている。凹部２１Ｚの底面は、例えば、配線基板４０の表面側から本体部２１の外縁側に向かって下り傾斜する平面状の傾斜面に形成されている。そして、凹部２１Ｚの傾斜面（底面）に、半導体素子５５が搭載されている。この半導体素子５５の電極（図示略）は、例えば、ボンディングワイヤや配線基板４０に形成された導体パターン等により信号用リード３０と電気的に接続されている。

図７に示した半導体装置１１では、半導体素子５０の上端面から出射された光がＺ方向（ここでは、上方）に出射される。一方、半導体素子５０の下端面から出射された光は、半導体素子５５（受光素子）で受光される。例えば、半導体素子５０の出射光量を半導体素子５５でモニタし、半導体素子５５での受光量が一定となるように、半導体装置１１の外部に配置された回路で制御することにより、環境温度等によらず、半導体装置１１の出射光量を一定にすることができる。

・上記実施形態では、開口部Ａ２に空気層３６を形成するようにした。これに限らず、封止材３５よりも比誘電率の小さい材料（空気以外の材料）からなる被覆材を開口部Ａ２に充填するようにしてもよい。

・上記実施形態における導体パターン４２，４３の形状は特に限定されない。
・上記実施形態における導体パターン４３を省略してもよい。
・上記実施形態の基板４１として、ガラスエポキシ基板等の樹脂基板を用いるようにしてもよい。

・上記実施形態では、信号用リード３０の上端面を、本体部２１の上面２１Ａと略同一平面上に形成するようにした。これに限らず、信号用リード３０と導体パターン４２とを電気的に接続することが可能な構造であれば、信号用リード３０の上端面の形成位置は特に限定されない。例えば、信号用リード３０の上端面を、本体部２１の上面２１Ａよりも上方に突出させるようにしてもよい。

・上記実施形態では、信号用リード３０を略円柱状に形成した。これに限らず、例えば、信号用リード３０を、三角柱状、四角柱状等の多角柱状や楕円柱状に形成してもよい。
・上記実施形態では、開口部Ａ１及び開口部Ａ２を略円柱状に形成した。これに限らず、例えば、開口部Ａ１，Ａ２を、三角柱状、四角柱状等の多角柱状や楕円柱状に形成してもよい。但し、開口部Ａ１，Ａ２は、信号用リード３０と同様の形状であることが好ましい。

・上記実施形態における貫通孔２１Ｙ、モニタ用リード３１及び封止材３７を省略してもよい。

１０ 半導体装置用ステム
１１ 半導体装置
２０ アイレット（基体部）
２１ 本体部
２１Ｘ 貫通孔
２２ 放熱部
２２Ａ 搭載面
３０ 信号用リード（リード）
３５ 封止材
３６ 空気層（被覆材）
４０ 配線基板
４１ 基板
４２ 導体パターン
４３ 導体パターン（搭載部）
５０ 半導体素子
６０ 接合部
７０ キャップ
Ａ１ 開口部（第１開口部）
Ａ２ 開口部（第２開口部）
Ｂ１ 突出部

Claims (5)

1. 本体部と、前記本体部の上面に立設された放熱部とが一体に形成されてなる基体部と、
   第１開口部と、前記本体部の上面側に前記第１開口部と連通して形成され、前記第１開口部よりも平面形状が小さく形成された第２開口部とを有し、前記本体部を厚さ方向に貫通する貫通孔と、
   前記貫通孔に挿通され、前記第１開口部を充填する封止材により封着されたリードと、
   前記リードと電気的に接続される導体パターンと、半導体素子が搭載される搭載部とを有し、前記放熱部の搭載面に接合された配線基板と、を有し、
   前記放熱部は、前記第１開口部の一部と平面視で重なる位置であって、前記第２開口部と平面視で重ならない位置に設けられ、
   前記第２開口部には、前記封止材よりも比誘電率の小さい被覆材が充填されていることを特徴とする半導体装置用ステム。
2. 前記第２開口部の内側面には、前記第１開口部の上部において、前記第１開口部の内側に突出する突出部が形成され、
   前記封止材は、前記突出部の下面に接するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置用ステム。
3. 前記被覆材は空気からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置用ステム。
4. 前記第１開口部の開口径及び前記第２開口部の開口径は、前記リードの特性インピーダンスが所望の値となるように設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置用ステム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置用ステムと、
   前記搭載部に搭載され、前記導体パターンと電気的に接続された半導体素子と、
   前記本体部に接合されたキャップと、
   を有することを特徴とする半導体装置。