JP5339755B2

JP5339755B2 - Ｍｅｍｓ振動子、半導体パッケージ

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Publication number: JP5339755B2
Application number: JP2008077477A
Authority: JP
Inventors: 泰史五十嵐
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-03-25
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Description

本発明は、ＭＥＭＳ構造を有するＭＥＭＳ振動子、及びこれを備えた半導体パッケージに関する。

特許文献１には、ＭＥＭＳ振動子の周波数調整方法が記載されている。具体的には、周波数をずらした複数のＭＥＭＳ振動子を作製し、その中から所望の周波数を持ったＭＥＭＳ振動子を選択する方法である。

一方、特許文献２には、水晶振動子の周波数調整方法が記載されている。具体的には、電極材料を真空蒸着する方法やイオンエッチングにより電極材料を削り取る方法により、ｐｐｍオーダまで周波数を合わせこむ方法である。
特表２００３−５３２３２０号公報ＤｅｓｉｇｎＷａｖｅＭａｇａｚｉｎｅ，「第３章水晶振動子の内部構造と製造方法」２００７年２月号，ｐｐ．１１２〜１１６．

しかしながら、特許文献１に記載されているような従来のＭＥＭＳ振動子の周波数調整方法では、ｐｐｍオーダまで目的の周波数に合わせこむには、かなりの数のＭＥＭＳ振動子を形成して選択する必要があり、それに伴いＭＥＭＳ振動子の設置面積が大きくなるという問題点があった。

一方、特許文献２に記載されているような水晶振動子の周波数調整方法をＭＥＭＳ振動子に応用する場合、ウエハ状態で個々のＭＥＭＳ振動子を調整することは難しく、ＭＥＭＳ振動子を各チップに組み立てた後で、ひとつずつ真空装置に入れて真空蒸着させる必要があり、コストが掛かるという問題点があった。

本発明は、上記事実を考慮して、容易に周波数を調整することができるＭＥＭＳ振動子を提供することが課題である。

本発明の請求項１に係るＭＥＭＳ振動子は、基板上に設けられた固定電極に対して対向して配置される振動素子と、前記振動素子と隣接して設けられる放電手段と、を備えて所定の周波数を提供するＭＥＭＳ振動子であって、前記周波数の調整は、前記放電手段を正電極又は負電極の少なくともいずれか一方として放電を起こすことにより、前記振動素子の質量の調整することで行うことを特徴とする。

上記構成によれば、固定電極及び振動素子に所定の電圧を印加すると、固定電極及び振動素子の間に静電力が生じ、これにより、振動素子が振動する。

一方、振動素子に隣接して放電手段が設けられている。例えば、振動素子の周波数を所望の周波数に調整したい場合に、放電手段によって放電を生じさせる。放電を生じさせることで、振動素子を構成する材料を蒸発させる、又は放電により放電手段から蒸発した物質を振動素子に付着させることで、振動素子の質量を変える。

このように、放電手段によって放電を生じさせ、振動素子の質量を変えることで、ＭＥＭＳ振動子の周波数を容易に調整することができる。

本発明の請求項１０に係る半導体パッケージは、凹部を備えた本体と、前記凹部内に形成され、基板と、前記基板上に設けられた固定電極と、前記基板上に前記固定電極に対向して配置された振動素子と、放電手段と、を備えて所定の周波数を提供するＭＥＭＳ振動子と、前記本体と共に前記ＭＥＭＳ振動子を密閉する封止キャップと、を備えた半導体パッケージであって、前記周波数の調整は、前記放電手段を正電極又は負電極の少なくともいずれか一方として放電を起こすことにより、前記振動素子の質量の調整することで行うことを特徴とする。

本発明によれば、容易に周波数を調整することができるＭＥＭＳ振動子を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳ振動子の一例が採用された半導体パッケージについて図１〜図３に従って説明する。
（構成）
図３に示されるように、半導体パッケージ１０の内部には、板状の封止キャップ１２に覆われ外部と仕切られた発振室１４が設けられている。

この発振室１４は、ほぼ真空に保たれており、発振室１４内には、ＭＥＭＳ構造を有するＭＥＭＳ振動子１６が配置されている。また、このＭＥＭＳ振動子１６は、ボンディングワイヤ１８にて本体１０Ａと電気的に接続されている。

図１に示されるように、ＭＥＭＳ振動子１６には、Ｓｉウエハ等から構成される半導体基板２０が設けられ、この半導体基板２０上に絶縁膜２２を介して直方体状の固定電極２４が配置されている。この固定電極２４の下側には、絶縁膜２２を介して配線層３２が設けられており、固定電極２４の下面から延びる複数個のコンタクト部２５（図２参照）を介して、固定電極２４と配線層３２は電気的に接続されている。さらに、この固定電極２４と空隙２６を挟んで振動素子２８が配置されている。

図１、図２に示されるように、振動素子２８には、直方体状の振動可能なビーム部３０が設けられている。さらに、ビーム部３０は、ビーム部３０の両端部に設けられ、前述した絶縁膜２２から突出して設けられるビーム固定部３３に支持されている。また、このビーム固定部３３の下面から延びる複数個のコンタクト部３４を介して、ビーム固定部３３と配線層３２は電気的に接続されている。

この構成により、固定電極２４と振動素子２８に配線層３２を介して所定の電圧を印加することで、固定電極２４と振動素子２８のビーム部３０の間に静電力が生じ、ビーム部３０が振動するようになっている。

また、固定電極２４に対してビーム部３０を挟んで反対側には、放電可能な放電電極３６が設けられている。この放電電極３６には、絶縁膜２２から突出する２本の脚部３８が設けられ、この脚部３８の下面から延びるコンタクト部４０を介して、放電電極３６と配線層３２が電気的に接続されている。

さらに、放電電極３６には、アーク放電が発生しやすいようにビーム部３０へ向う先端先細りの突起部４２が設けられている。先細りの先端部に電界を集中させて放電しやすくするためである。また、本実施形態では、ビーム部３０と放電電極３６の突起部４２との距離は２μｍとされている。

さらに、振動素子２８と放電電極３６が、同じ元素で構成されているか同じ元素を含む構成材料で形成されている。つまり、放電電極３６の材料は振動素子２８との密着性の良い材料が用いられている。本実施形態では一例として、放電電極３６及び振動素子２８の成形材料としてシリコン材料を用いている。

一方、図３に示されるように、封止キャップ１２にて外部と遮断される発振室１４は、前述したように、ほぼ真空とされており、さらに、不活性ガスが含まれている。

本実施形態では、振動素子２８がシリコン材料から形成されているため、この不活性ガスの組成としては、例えば、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）のいずれか１種類、又はこれらのうち２種類以上のガスを含むものを使用することができる。
（作用・効果）
以上の構成により、ＭＥＭＳ振動子１６の周波数を振動素子２８の質量を増やすことで調整する場合は、振動素子２８を正電極にし、放電電極３６を負電極にして、アーク放電が起きるまで直流電圧を印加する。この際、必要であれば、アーク放電を開始するために瞬間的な高電圧を加えても良い。

振動素子２８と放電電極３６との間にアーク放電が起きると、発振室１４内に含まれる不活性ガスがイオン化して正イオンになる。そこで、この正イオンが負電極とされた放電電極３６に衝突し、放電電極３６の材料をスパッタするか、又は放電電極３６の材料を蒸発させる。そして、放電電極３６から放出された物質の一部は振動素子２８に付着する。

このように、放出された物質の一部を振動素子２８に付着させることで、振動素子２８の質量を増やし、ＭＥＭＳ振動子１６の共振周波数を低減させることができる。

なお、使用する放電条件で共振周波数の変化が単位時間当たりどの程度かを予め確認しておくと共振周波数の調整量を放電時間で管理することができる。

一方、ＭＥＭＳ振動子１６の周波数を振動素子２８の質量を減らすことで調整する場合は、振動素子２８を負電極にし、放電電極３６を正電極にして、アーク放電が起きるまで直流電圧を印加する。この際、必要であれば、アーク放電を開始するために瞬間的な高電圧を加えても良い。

振動素子２８と放電電極３６との間にアーク放電が起きると、発振室１４内に含まれる不活性ガスがイオン化して正イオンになる。このため、この正イオンが負電極とされた振動素子２８に衝突し、振動素子２８の材料をスパッタするか、又は振動素子２８の材料を蒸発させることになる。

このように、振動素子２８の構成材料の一部が放出される結果、振動素子２８の質量が減り、共振周波数を高めることができる。

以下、ＭＥＭＳ振動子１６の周波数を調整する手順について説明する。

先ず、振動素子２８の共振周波数が目的の周波数より高い場合について説明する。

ステップ１で、調整前の振動素子２８の周波数を測定する。

ステップ２で、振動素子２８を正電極にし、放電電極３６を負電極にして、アーク放電を発生させる。

ステップ３で、目的の周波数との差を確認して、目的の周波数に合わせるため、アーク放電の時間を制御する。

ステップ４で、調整後の振動素子２８の周波数を測定する。

発振周波数が必要な精度になるまでステップ２以降を繰り返す。

次に、振動素子２８の共振周波数が目的の周波数より低い場合について説明する。

ステップ１１で、調整前の振動素子２８の周波数を測定する。

ステップ１２で、振動素子２８を負電極にし、放電電極３６を正電極にして、アーク放電を発生させる。

ステップ１３で、目的の周波数との差を確認して、目的の周波数に合わせるため、アーク放電の時間を制御する。

ステップ１４で、調整後の振動素子２８の周波数を測定する。

発振周波数が必要な精度になるまでステップ１２以降を繰り返す。

このように、ＭＥＭＳ振動子１６を組み立てた後に、振動素子２８の共振周波数の調整を、周波数の測定と、アーク放電を生じさせるための電圧印加とで行うことができる。つまり、ＭＥＭＳ振動子１６の周波数を容易に調整することができる。

また、異なる周波数の複数のＭＥＭＳ振動子から目的の周波数のＭＥＭＳ振動子を選択することが無くなり省面積化することができる。

また、水晶振動子の共振周波数の調整のように特殊な真空装置を使って調整する必要がないため、手間を省くことができる。

また、振動素子２８の共振周波数が所望の周波数よりも高くても低くても調整することができる。

また、放電電極３６及び振動素子２８の成形材料をシリコン材料として、放電電極３６及び振動素子２８を同一の材料とすることで、放電電極３６から蒸発した物質を容易に振動素子２８へ付着させることができる。

なお、本発明は、振動素子２８と放電電極３６の間で生じたアーク放電を利用した共振周波数調整方法だが、振動素子と放電電極の間が充分に離れている場合、その間にプラズマを発生させて、プラズマでガスをイオン化して利用することもできる。

また、本実施例では、ＭＥＭＳ振動子１６をカバー構造として、パッケージに実装する際の蓋を使う場合について説明してきたが、真空で封止する方法なら他の方法でも同様に本発明を適用できることができる。例えば、加工したＳｉウエハで真空封止する方法や、ウエハプロセスで真空封止を行う方法などにも適用可能である。

次に本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳ振動子４８の一例について図４、図５に従って説明する。

なお、第１実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図４、図５に示されるように、この実施形態では第１実施形態と違い、固定電極２４に対してビーム部３０を挟んで反対側には、一対の放電可能な放電電極対５０が設けられている。

放電電極対５０は、互いに向かい合う放電電極５２と放電電極５４を備えており、放電電極５２、５４には、アーク放電が発生しやすいように互いに向き合う先細りの突起部５２Ａ、５４Ａが設けられている。先細りの先端部に電界を集中させて放電しやすくするためである。さらに、放電電極５２、５４は、コンタクト部５３、５５を介して配線層３２に接続されている。また、本実施例では、放電電極５２と放電電極５４との電極間距離を２μｍとし、振動素子２８と放電電極対５０との距離を１μｍとしている。

以上の構成により、振動素子２８の質量を増やすことで、ＭＥＭＳ振動子４８の共振周波数を調整することができる。

具体的には、一方の放電電極である放電電極５２を正電極とし、他方の放電電極である放電電極５４を負電極として、アーク放電が起きるまで直流電圧を印加する。この際、必要であれば、アーク放電を開始するために瞬間的な高電圧を加えても良い。

アーク放電が起きると、発振室１４内に含まれる不活性ガスがイオン化して正イオンになる。そこで、この正イオンが負電極の放電電極５４に衝突し、放電電極５４の材料をスパッタするか、又は放電電極５４の材料を蒸発させる。そして、この放電電極５４から放出された物質の一部が振動素子２８に付着する。これにより、振動素子２８の質量を増加させ、共振周波数を低減させることができる。

以下、ＭＥＭＳ振動子４８の周波数を調整する手順について説明する。

先ず、調整前のＭＥＭＳ振動子の共振周波数を目標値に比べて高めになるようにＭＥＭＳ振動子を製造する。

ステップ２１で、調整前のＭＥＭＳ振動子４８の周波数を測定する。

ステップ２２で、放電電極５４を負電極にし、放電電極５４を正電極にして、アーク放電を発生させる。

ステップ２３で、目的の周波数との差を確認して、目的の周波数に合わせるため、アーク放電の時間を制御する。

ステップ２４で、調整後のＭＥＭＳ振動子４８の周波数を測定する。

発振周波数が必要な精度になるまでステップ２２以降を繰り返す。

このように、放電電極５２と放電電極５４との間で放電させるため、振動素子２８に放電用電圧を印加する必要がなくなり、振動素子２８が受ける放電のダメージを減らすことができる。

さらに、放電電極５２と放電電極５４との放電距離を狭く設定することができるので、低電圧でアーク放電を発生させることができる。

なお、本発明は、一対の放電電極間のアーク放電を利用した共振周波数調整方法だが、放電電極間が充分に離れている場合、その間にプラズマを発生させて、プラズマでガスをイオン化して利用することもできる。

次に本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳ振動子６０の一例について図６、図７に従って説明する。

図６、図７に示されるように、この実施形態では第１実施形態と違い、固定電極２４に対してビーム部３０を挟んで反対側には、放電電極は設けられておらず、これに代えて、ビーム部３０に対向するように放電電極６２が、封止キャップ１２に設けられている。

詳細には、封止キャップ１２は、導電性の材料で形成されており、封止キャップ１２の内面に放電電極６２が固定されている。放電電極６２には、アーク放電が発生しやすいようにビーム部３０へ向う先端先細りの突起部６２Ａが設けられている。先細りの先端部に電界が集中させて放電しやすくするためである。また、本実施形態では、ビーム部３０と放電電極６２の突起部６２Ａとの距離は１０μｍとされている。

なお、放電電極６２を陽極として使用する場合、必ずしも電界を集中させる構造（細い先端を有する構造）は必要なく、平坦な形状であってもよい。

この構成により、ＭＥＭＳ振動子６０の共振周波数が目標周波数よりも高い場合でも、低い場合でも目標周波数に調整することができる。

また、導電性の封止キャップ１２に放電電極６２を接続させるため、図７に示すように、調整時にアーク放電用の外部電源に容易に接続することができる。

次に本発明の第４実施形態に係るＭＥＭＳ振動子７０の一例について図８に従って説明する。

なお、第３実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図８に示されるように、この実施形態では第３実施形態と違い、封止キャップ１２から振動素子２８へ向けて複数個の棒状の放電電極７２が設けられている。

このように、複数個の放電電極７２を設けることで、放電電極７２と振動素子２８の位置合せに高度な精度を要求することがなくなる。

次に本発明の第５実施形態に係るＭＥＭＳ振動子８０の一例について図９に従って説明する。

図９に示されるように、この実施形態では第１実施形態と違い、固定電極２４に対してビーム部３０を挟んで反対側には、突起部を有さない直方体状の放電電極８２が設けられている。

さらに、導電性の封止キャップ１２には、放電電極８２と対向するように、放電電極８４が設けられている。放電電極８４には、アーク放電が発生しやすいように放電電極８２へ向う先端先細りの突起部８４Ａが設けられている。先細りの先端部に電界が集中させて放電しやすくするためである。また、本実施形態では、放電電極８２と放電電極８４の突起部８４Ａとの距離は１０μｍとされている。なお、放電電極８４を陽極で使用する場合、必ずしも電界を集中させる構造（細い先端を有する構造）は必要なく、平坦な形状であってもよい。

さらに、放電電極８２と放電電極８４は、振動素子２８と同じ元素で構成されているか同じ元素を含む構成材料で形成されている。つまり、放電電極８２及び放電電極８４の材料は、振動素子２８と密着性が良い材料を用いる必要がある。

本実施例では、放電電極８２、放電電極８４及び振動素子２８の成形材料は、シリコンとされている。

以上の構成により、振動素子２８の質量を増やすことで、ＭＥＭＳ振動子８０の共振周波数を調整することができる。

具体的には、放電電極８４を正電極にし、放電電極８２を負電極にして、アーク放電が起きるまで直流電圧を加えていく。この際、必要であれば、アーク放電を開始するために瞬間的な高電圧を加えても良い。

アーク放電が起きると、発振室１４内に含まれる不活性ガスがイオン化して正イオンになる。このため、この正イオンが負電極の放電電極８２に衝突し、放電電極８２の材料をスパッタするか、又は放電電極８２の材料を蒸発させることになる。そして、この放電電極８２から放出された物質の一部が振動素子２８に付着する。これにより、振動素子２８の質量を増加させ、共振周波数を低減させることができる。

以下、ＭＥＭＳ振動子８０の周波数を調整する手順について説明する。

ステップ３１で、調整前のＭＥＭＳ振動子８０の周波数を測定する。

ステップ３２で、放電電極８２を負電極にし、放電電極８４を正電極にして、アーク放電を発生させる。

ステップ３３で、目的の周波数との差を確認して、目的の周波数に合わせるため、アーク放電の時間を制御する。

ステップ３４で、調整後のＭＥＭＳ振動子８０の周波数を測定する。

発振周波数が必要な精度になるまでステップ３２以降を繰り返す。

このように、放電電極８２と放電電極８４との間で放電させるため、振動素子２８に放電用電圧を印加する必要がなくなり、振動素子２８が受ける放電のダメージを減らすことができる。

さらに、放電電極８２と放電電極８４との放電距離を狭く設定することができるので、低電圧でアーク放電を発生させることができる。

次に本発明の第６実施形態に係るＭＥＭＳ振動子９０の一例について図１０に従って説明する。

なお、第５実施形態と同一部材については、同一符号を付してその説明を省略する。

図１０に示されるように、この実施形態では第５実施形態と違い、放電電極９２と放電電極９４は、複数個の棒状とされている。

このように、複数個の放電電極９２及び放電電極９４を設けることで、放電電極９２と放電電極９４の位置合せに高度な精度を要求することがなくなる。

本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を示した斜視図である。本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を示した平面図である。本発明の第１実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を備えた半導体パッケージを示した断面図である。本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を示した斜視図である。本発明の第２実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を示した平面図である。本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を示した斜視図である。本発明の第３実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を備えた半導体パッケージを示した断面図である。本発明の第４実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を示した斜視図である。本発明の第５実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を示した斜視図である。本発明の第６実施形態に係るＭＥＭＳ振動子を示した斜視図である。

符号の説明

１０半導体パッケージ
１４発振室
１６ＭＥＭＳ振動子
２０半導体基板（基板）
２４固定電極
２８振動素子
３６放電電極（放電手段）
４８ＭＥＭＳ振動子
５０放電電極対（放電手段）
５２放電電極
５４放電電極
６０ＭＥＭＳ振動子
６２放電電極
７０ＭＥＭＳ振動子
７２放電電極
８０ＭＥＭＳ振動子
８２放電電極
８４放電電極
９０ＭＥＭＳ振動子
９２放電電極
９４放電電極

Claims

基板上に設けられた固定電極に対して対向して配置される振動素子と、
前記振動素子と隣接して設けられる放電手段と、
を備えて所定の周波数を提供するＭＥＭＳ振動子であって、
前記周波数の調整は、前記放電手段を正電極又は負電極の少なくともいずれか一方として放電を起こすことにより、前記振動素子の質量の調整をすることで行うことを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
前記振動素子の質量の調整は、前記振動素子を正電極にし、且つ前記放電手段を負電極にして行うことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子。
前記振動素子の質量の調整は、前記放電手段から放出された物質の一部を前記振動素子に付着させることで行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＥＭＳ振動子。
前記振動素子の質量の調整を、前記振動素子を負電極にし、且つ前記放電手段を正電極にして行うことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子。
前記振動素子及び前記放電手段は密閉された発振室の内部に配置され、前記発振室の内部には不活性ガスが含まれることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ振動子。
前記不活性ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれか１種類、又はこれらのうち２種類以上の不活性ガスであることを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳ振動子。
前記放電手段は、前記振動素子に向かって突出した突起部を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ振動子。
前記放電手段は、互いに対向し、且つ一方が正電極になり、他方が負電極になる一対の放電手段となっていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子。
一対の前記放電手段の互いに対向する面の各々には、互いに対向する突起部が設けられていることを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳ振動子。
凹部を備えた本体と、
前記凹部内に形成され、基板と、前記基板上に設けられた固定電極と、前記基板上に前記固定電極に対向して配置された振動素子と、放電手段と、を備えて所定の周波数を提供するＭＥＭＳ振動子と、
前記本体と共に前記ＭＥＭＳ振動子を密閉する封止キャップと、
を備えた半導体パッケージであって、
前記周波数の調整は、前記放電手段を正電極又は負電極の少なくともいずれか一方として放電を起こすことにより、前記振動素子の質量の調整することで行うことを特徴とする半導体パッケージ。
前記振動素子の質量の調整は、前記振動素子を正電極にし、且つ前記放電手段を負電極にして行うことを特徴とする請求項１０に記載の半導体パッケージ。
前記振動素子の質量の調整は、前記放電手段から放出された物質の一部を前記振動素子に付着させることで行うことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体パッケージ。
前記振動素子の質量の調整を、前記振動素子を負電極にし、且つ前記放電手段を正電極にして行うことを特徴とする請求項１０に記載の半導体パッケージ。
前記振動素子及び前記放電手段は密閉された発振室の内部に配置され、前記発振室の内部には不活性ガスが含まれることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
前記不活性ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのいずれか１種類、又はこれらのうち２種類以上の不活性ガスであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体パッケージ。
前記放電手段は、前記振動素子に向かって突出した突起部を備えていることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
前記放電手段は、互いに対向し、且つ一方が正電極になり、他方が負電極になる一対の放電手段となっていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体パッケージ。
一対の前記放電手段の互いに対向する面の各々には、互いに対向する突起部が設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の半導体パッケージ。
前記放電手段は、前記封止キャップに接続されていることを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の半導体パッケージ。
前記放電手段は複数形成されていることを特徴とする請求項１９に記載の半導体パッケージ。