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JP7398877B2 - 半導体装置用ステム及び半導体装置 - Google Patents

半導体装置用ステム及び半導体装置 Download PDF

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Description

本開示は、半導体装置用ステム及び半導体装置に関する。
光半導体装置等の半導体装置用のステムとして、高周波特性を確保しながら製造コストの低減を図ったステムが特許文献１に記載されている。
特開２０１６－２２５４５７号公報
しかしながら、特許文献１に記載のステムによれば、所期の目的は達成されるものの、伝送される信号の周波数がより高くなった場合に良好な伝送特性を得ることが困難になることがある。
本開示は、良好に伝送できる信号の周波数を向上することができる半導体装置用ステム及び半導体装置を提供することを目的とする。
本開示の一形態によれば、上面に凹みが形成された本体部と、前記本体部の上面に立設された放熱部と、前記凹み内に設けられた配線基板と、を有し、前記配線基板は、第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面と、を有する基板と、前記第１の主面に設けられ、半導体素子が搭載される搭載部を有する第１の導体パターンと、前記第２の主面に設けられ、前記凹みの内壁面及び前記放熱部に接合された第２の導体パターンと、を有し、前記凹みは底面を備え、前記配線基板は前記底面に接する下端面を備え、前記第２の主面の一部は、前記第２の導体パターンから露出しており、前記配線基板の厚さ方向から視たときに、前記第１の導体パターンの一部は、前記放熱部からはみ出している半導体装置用ステムが提供される。
開示の技術によれば、良好に伝送できる信号の周波数を向上することができる。
第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す斜視図（その１）である。 第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す斜視図（その２）である。 第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す部分断面図である。 第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す上面図である。 第１の実施形態におけるアイレットの構成を示す斜視図である。 第１の実施形態における配線基板の構成を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す断面図（その１）である。 第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す断面図（その２）である。 第１の実施形態におけるネイルリードの構成を示す斜視図である。 参考例に係る半導体装置用ステムの構成を示す斜視図である。 参考例に係る半導体装置用ステムの特性を示す図である。 第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの特性を示す図である。 第１の実施形態における放熱部の好ましいサイズを示す図である。 第１の実施形態の第１の変形例における構成を示す斜視図である。 第１の実施形態の第２の変形例における構成を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す部分断面図である。
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。また、本明細書においては、Ｘ１－Ｘ２方向、Ｙ１－Ｙ２方向、Ｚ１－Ｚ２方向を相互に直交する方向とする。Ｘ１－Ｘ２方向及びＹ１－Ｙ２方向を含む面をＸＹ面と記載し、Ｙ１－Ｙ２方向及びＺ１－Ｚ２方向を含む面をＹＺ面と記載し、Ｚ１－Ｚ２方向及びＸ１－Ｘ２方向を含む面をＺＸ面と記載する。なお、便宜上、Ｚ１－Ｚ２方向を上下方向とする。また、平面視とは、Ｚ１側から対象物を視ることをいい、平面形状とは、対象物をＺ１側から視た形状のことをいう。但し、半導体装置用ステム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。
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、半導体装置用ステムに関する。図１及び図２は、第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す斜視図である。図３は、第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す部分断面図である。図４は、第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す上面図である。図５は、第１の実施形態におけるアイレットの構成を示す斜視図である。図１と、図２と、図３との間では、視点が相違する。図１と、図５との間では視点が一致している。
図１～図４に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置用ステム（ステム）１００は、本体部２１と、放熱部２２と、配線基板４０とを有する。例えば、本体部２１と、放熱部２２とが一体的に形成され、アイレット２０を構成している。
本体部２１及び放熱部２２は、ステム１００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、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、鉄又は鋼を用いることができる。
図５に示すように、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、５．６ｍｍ～９．０ｍｍ程度とすることができる。本体部２１の厚さは、例えば、１．０ｍｍ～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１００に半導体素子を搭載する際の半導体素子の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。
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１００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及び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の上面２１Ａに凹み２１Ｘが形成されている。凹み２１Ｘは、配線基板４０が倣う内壁面２１Ｚを有する。内壁面２１Ｚは、上面２１Ａに対して略垂直に設けられた平坦面である。つまり、内壁面２１Ｚは、ＸＺ平面に平行に設けられた平坦面である。
本体部２１には、本体部２１を厚さ方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に貫通する貫通孔３１及び３２が形成されている。貫通孔３１及び３２はＸ１－Ｘ２方向に並んで設けられている。貫通孔３１は、貫通孔３２のＸ１側に位置する。貫通孔３１及び３２は、例えば凹み２１Ｘの内側に形成されている。
本体部２１には、更に、本体部２１を厚さ方向に貫通する貫通孔３３及び３４が形成されている。貫通孔３３及び３４はＸ１－Ｘ２方向に並んで設けられている。貫通孔３３及び３４は、貫通孔３１及び３２よりも放熱部２２から離間する側（Ｙ２側）に位置する。また、貫通孔３３は、貫通孔３４のＸ１側に位置する。貫通孔３３及び３４は、例えば凹み２１Ｘの外側に形成されている。
図４及び図５等に示すように、放熱部２２は、例えば、ブロック状に形成され、本体部２１の上面２１Ａに立設されている。放熱部２２は、貫通孔３１及び３２が並ぶ方向（Ｘ１－Ｘ２方向）に略平行な搭載面２２Ａを有する。搭載面２２Ａは、上面２１Ａに対して略垂直に設けられた平坦面である。つまり、搭載面２２Ａは、ＸＺ平面に平行に設けられた平坦面である。搭載面２２Ａは、その下端で凹み２１Ｘの内壁面２１Ｚに繋がっており、例えば、搭載面２２Ａと内壁面２１Ｚとは互いに面一に形成されている。半導体素子が搭載される配線基板４０が、内壁面２１Ｚに倣いつつ、搭載面２２Ａに搭載される。配線基板４０が搭載面２２Ａに搭載された状態において、搭載面２２ＡのＸ１－Ｘ２方向の長さは、配線基板４０のＸ１－Ｘ２方向の長さよりも小さい。
放熱部２２は、ＹＺ平面に平行で、かつ、搭載面２２Ａに繋がる平坦な側面２２Ｂ及び２２Ｃを有する。例えば、Ｘ１－Ｘ２方向において、側面２２Ｂは、搭載面２２ＡのＸ２側の縁と貫通孔３１の中心との間に位置し、側面２２Ｃは、搭載面２２ＡのＸ１側の縁と貫通孔３２の中心との間に位置する。また、例えば、平面視で、貫通孔３１及び３２と放熱部２２との間に重なり合う部分は存在しない。
貫通孔３１に信号用リード５１が挿通され、貫通孔３２に信号用リード５２が挿通され、貫通孔３３にモニタ用リード５３が挿通され、貫通孔３４にモニタ用リード５４が挿通されている。また、本体部２１の下面には、アースリード５５が接続されている。信号用リード５１及び５２は、例えば、後述のように、いわゆるネイルリードである。信号用リード５１及び５２と、モニタ用リード５３及び５４と、アースリード５５との材料としては、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。
信号用リード５１は、貫通孔３１に、当該信号用リード５１の軸方向を本体部２１の厚さ方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に向けて挿通されている。信号用リード５１の上端面は、例えば、凹み２１Ｘの底面と略同一平面に位置する。信号用リード５１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５１は、貫通孔３１内において周囲を封止材６１に封止されている。すなわち、貫通孔３１には、信号用リード５１が封止材６１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５１は、貫通孔３１に充填する封止材６１により貫通孔３１に気密に封着されている。封止材６１は、貫通孔３１内に配置される信号用リード５１の外周面を封止するように形成され、当該信号用リード５１の外周面と貫通孔３１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。封止材６１は、信号用リード５１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５１を貫通孔３１内に固定する機能と、特性インピーダンスを確保する機能とを有する。
信号用リード５２は、貫通孔３２に、当該信号用リード５２の軸方向を本体部２１の厚さ方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に向けて挿通されている。信号用リード５２の上端面は、例えば、凹み２１Ｘの底面と略同一平面に位置する。信号用リード５２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５２は、貫通孔３２内において周囲を封止材６２に封止されている。すなわち、貫通孔３２には、信号用リード５２が封止材６２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５２は、貫通孔３２に充填する封止材６２により貫通孔３２に気密に封着されている。封止材６２は、貫通孔３２内に配置される信号用リード５２の外周面を封止するように形成され、当該信号用リード５２の外周面と貫通孔３２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。封止材６２は、信号用リード５２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５２を貫通孔３２内に固定する機能とを有する。
封止材６１及び６２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、比誘電率が約６．７に代表される軟質ガラスを用いることができる。
ここで、封止材６１及び６２（例えば、軟質ガラス）の熱膨張係数よりもアイレット２０（例えば、鉄又は鋼）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６１及び６２が締め付けられる。従って、封止材６１及び６２により貫通孔３１及び３２が気密に封止されるとともに、封止材６１及び６２によって信号用リード５１及び５２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る。すなわち、貫通孔３１及び３２に信号用リード５１及び５２を挿通して封止材６１及び６２によって封着した部位は、それぞれ、信号用リード５１、５２を芯線とした同軸線路となる。
このような同軸線路では、貫通孔３１及び３２の開口径（内径）と、信号用リード５１及び５２の直径（外径）と、封止材６１及び６２の比誘電率とを適宜調整することにより、信号用リード５１及び５２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。本実施形態に係るステム１００では、信号用リード５１及び５２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、貫通孔３１及び３２の開口径が適宜調整されている。
モニタ用リード５３は、貫通孔３３に、当該モニタ用リード５３の軸方向を本体部２１の厚さ方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に向けて挿通され、封止材６３によって気密に封着されている。すなわち、貫通孔３３には、モニタ用リード５３が封止材６３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５３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５３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５３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。
モニタ用リード５４は、貫通孔３４に、当該モニタ用リード５４の軸方向を本体部２１の厚さ方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に向けて挿通され、封止材６４によって気密に封着されている。すなわち、貫通孔３４には、モニタ用リード５４が封止材６４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５４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５４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５４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。
封止材６３及び６４の材料としては、封止材６１及び６２と同様の材料、例えば軟質ガラスを用いることができる。
ここで、配線基板４０について説明する。図６は、第１の実施形態における配線基板４０の構成を示す斜視図である。図６（ａ）と、図６（ｂ）との間では、視点が相違する。
図６に示すように、配線基板４０は、第１の主面４３Ａと、第１の主面４３Ａとは反対側の第２の主面４３Ｂとを有する基板４３を備える。基板４３は、例えば、平板状に形成されている。基板４３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４３の材料としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いることができる。基板４３の幅（Ｘ１－Ｘ２方向の長さ）は、搭載面２２Ａの幅よりも大きい。例えば、基板４３の幅は２．４ｍｍ～２．８ｍｍ程度とすることができる。例えば、基板４３の高さは１．２ｍｍ～１．４ｍｍ程度とすることができる。例えば、基板４３の厚さは０．１５ｍｍ～０．３ｍｍ程度とすることができる。
第１の主面４３Ａに、半導体素子が搭載される搭載部４８を有する第１の導体パターン４１が設けられている。第１の導体パターン４１は、例えば、互いに絶縁分離された２つの導体パターン４１Ａ及び４１Ｂを有する。導体パターン４１Ａ及び４１Ｂは、例えば、メタライズパターンである。導体パターン４１Ａは信号用リード５１に対応して形成され、導体パターン４１Ｂは信号用リード５２に対応して形成されている。具体的には、配線基板４０が搭載面２２Ａに搭載されたときに、導体パターン４１Ａは信号用リード５１に接続される位置に形成され、導体パターン４１Ｂは信号用リード５２に接続される位置に形成されている。導体パターン４１Ａ及び４１Ｂは、例えば、Ｙ２側から視た形状が略Ｌ字状に形成されている。例えば、搭載部４８は、導体パターン４１Ａの導体パターン４１Ｂ側の端部に設けられている。
例えば、導体パターン４１Ａは、基板４３の下端面から基板４３の上部に向かって、信号用リード５１の軸線方向（ここでは、Ｚ１－Ｚ２方向）と平行に延出するように形成されている。同様に、導体パターン４１Ｂは、基板４３の下端面から基板４３の上部に向かって、信号用リード５２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、導体パターン４１Ａの上端部には、導体パターン４１Ｂに近づくように屈曲された屈曲部４２Ａが形成され、導体パターン４１Ｂの上端部には、導体パターン４１Ａに近づくように屈曲された屈曲部４２Ｂが形成されている。また、導体パターン４１Ａ及び４１Ｂの下端部は、基板４３の下端面から露出している。例えば、導体パターン４１Ａ及び４１Ｂの下端面は、基板４３の下端面と面一になるように形成されている。導体パターン４１Ａ及び４１Ｂの幅は、例えば０．１５ｍｍ～０．３ｍｍ程度とすることができ、導体パターン４１Ａ及び４１Ｂの厚さは、例えば０．００１ｍｍ～０．００３ｍｍ程度とすることができる。
配線基板４０では、第１の導体パターン４１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４３の比誘電率、基板４３の厚さ、第１の導体パターン４１の幅及び厚さ等を適宜調整することにより、第１の導体パターン４１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。
第２の主面４３Ｂに、第２の導体パターン４５が設けられている。第２の導体パターン４５は、例えば、メタライズパターンである。第２の導体パターン４５はアイレット２０及びアースリード５５を介して接地される。従って、第１の導体パターン４１はマイクロストリップライン構造を有する。第２の導体パターン４５は、第２の主面４３Ｂの一部に形成されている。第２の導体パターン４５は、例えば、Ｙ１側から視た形状が略台形状に形成されている。
例えば、基板４３の、Ｘ１－Ｘ２方向の両端で上方の角部には第２の導体パターン４５が形成されておらず、基板４３の一部が第２の導体パターン４５から露出している。第２の主面４３Ｂ上で第２の導体パターン４５が形成されていない領域は、概ね、第１の主面４３Ａ上で、屈曲部４２Ａ及び４２Ｂより上方かつＸ１－Ｘ２方向の外側の領域と基板４３の厚さ方向（Ｙ１－Ｙ２方向）で重なる。その一方で、第２の主面４３Ｂ上で第２の導体パターン４５が形成されている領域は、第１の主面４３Ａ上で第１の導体パターン４１が形成されている領域と基板４３の厚さ方向（Ｙ１－Ｙ２方向）で重なる。
第２の導体パターン４５の下端部は、基板４３の下端面から露出している。例えば、第２の導体パターン４５の下端面は、基板４３の下端面と面一になるように形成されている。第２の導体パターン４５の厚さは、例えば０．００１ｍｍ～０．００３ｍｍ程度とすることができる。
本体部２１及び放熱部２２を介して配線基板４０の第２の導体パターン４５が接地されるため、本体部２１及び放熱部２２の表面の電気抵抗が低いことが好ましい。従って、本体部２１及び放熱部２２の表面には、Ａｕめっき等の高導電性のめっきが施されていることが好ましい。
次に、配線基板４０とアイレット２０との間の接続関係について説明する。図７及び図８は、第１の実施形態に係る半導体装置用ステムの構成を示す断面図である。図７は、図４中のＩＡ－ＩＢ線に沿った断面図に相当する。図８は、図４中のＩＩＡ－ＩＩＢ線に沿った断面図に相当する。
図３、図７及び図８等に示すように、配線基板４０は凹み２１Ｘ内に設けられている。そして、例えばろう付けによって、凹み２１Ｘの内壁面２１Ｚ及び放熱部２２の搭載面２２Ａと配線基板４０の信号用リード５１及び５２近傍の第２の導体パターン４５とが互いに電気的に接続され、基板４３の下端面と本体部２１の上面２１Ａとが互いに接している。例えば、内壁面２１Ｚ及び搭載面２２Ａと第２の導体パターン４５との間にろう材４６が介在している。ろう材４６としては、例えばＡｕ－Ｓｎ合金が用いられる。また、上述のように、搭載面２２ＡのＸ１－Ｘ２方向の長さは、配線基板４０のＸ１－Ｘ２方向の長さよりも小さい。従って、図１等に示すように、配線基板４０の厚さ方向から視たときに、第１の導体パターン４１の一部、例えば信号の伝送方向が変化する屈曲部４２Ａ及び４２Ｂを含む部分が、放熱部からはみ出している。また、図２等に示すように、第２の導体パターン４５の一部も、放熱部２２からはみ出している。
また、例えばろう付けによって、図１及び図４等に示すように、導体パターン４１Ａと信号用リード５１とが互いに接合され、導体パターン４１Ｂと信号用リード５２とが互いに接合されている。これらの接合には、例えば、図８に示すように、ろう材４７が用いられる。このようにして、第２の導体パターン４５と本体部２１及び放熱部２２とが確実に電気的に接続され、導体パターン４１Ａと信号用リード５１とが確実に電気的に接続され、導体パターン４１Ｂと信号用リード５２とが確実に電気的に接続されている。そして、配線基板４０がアイレット２０に固定されている。ろう材４７としては、例えばＡｕ－Ｓｎ合金が用いられる。
なお、上記の接合の形態は、ろう付けに限らず、導電性接着剤を用いた接合等であってもよい。
図５等に示すように、搭載部４８の下方（Ｚ２側）において、凹み２１Ｘの底面に傾斜面２１Ｙが形成されている。傾斜面２１Ｙは、ＸＹ平面において貫通孔３１と貫通孔３２との間で、放熱部２２からＹ２側に向かって下るように傾斜している。搭載部４８に搭載される半導体素子が発光素子である場合に、発光素子からの光を受ける受光素子が傾斜面２１Ｙ上に搭載される。受光素子の電極は、例えば、ボンディングワイヤ等によりモニタ用リード５３及び５４に接続される。
ステム１００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は貫通孔３１及び３２と平面視で重ならない位置に配置されるため、貫通孔３１及び３２と放熱部２２と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６１及び６２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、それぞれ内径を信号用リード５１及び５２の外径に合わせ、外径を貫通孔３１及び３２の内径に合わせた筒状の成形体を作製する。例えば封止材６３及び６４がガラスからなる場合には、同様の方法で、それぞれ内径をモニタ用リード５３及び５４の外径に合わせ、外径を貫通孔３３及び３４の内径に合わせた筒状の成形体を作製する。次いで、筒状の成形体を貫通孔３１～３４に挿入し、さらに信号用リード５１及び５２とモニタ用リード５３及び５４と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６１～６４（筒状の成形体）を溶融させた後、封止材６１～６４を冷却して固化させる。これにより、信号用リード５１及び５２とモニタ用リード５３及び５４とが貫通孔３１～３４内で封止材６１～６４により封着され、封止材６１～６４によって信号用リード５１及び５２とモニタ用リード５３及び５４とがアイレット２０から電気的に絶縁されて固定される。
次に、凹み２１Ｘ内に配線基板４０の下端を挿入し、凹み２１Ｘの内壁面２１Ｚ及び放熱部２２の搭載面２２Ａと配線基板４０の第２の導体パターン４５とを、ろう付け等により互いに接合する。また、信号用リード５１と導体パターン４１Ａとを、ろう付け等により互いに接合し、信号用リード５２と導体パターン４１Ｂとを、ろう付け等により互いに接合する。これらの接合は同時に行ってもよく、例えば、内壁面２１Ｚ及び搭載面２２Ａと第２の導体パターン４５との接合を行った後に、信号用リード５１と導体パターン４１Ａとの接合、及び信号用リード５２と導体パターン４１Ｂとの接合を行ってもよい。信号用リード５１と導体パターン４１Ａとの接合では封止材６１により、信号用リード５２と導体パターン４１Ｂとの接合では封止材６２により、アイレット２０との間の短絡を防止することができる。
このようにして、第１の実施形態に係る半導体装置用ステム１００を製造することができる。
図９に、信号用リード５１及び５２の一例であるネイルリードを示す。図９に示すネイルリード５０は、第１の実施形態における信号用リード５１及び５２の一例である。図９（ａ）に示すように、ネイルリード５０は、柱状部５０ａと、柱状部５０ａの一端に設けられた頭頂部５０ｂとを有する。頭頂部５０ｂの直径は、柱状部５０ａの直径よりも大きく、頭頂部５０ｂの軸方向に垂直な断面の第２の断面積は、柱状部５０ａの軸方向に垂直な断面の第１の断面積よりも大きい。柱状部５０ａの直径は、例えば、０．１５ｍｍ～０．６ｍｍ程度とすることができる。また、図９（ｂ）に示すように、軟質ガラスの封止材６０により、貫通孔を封止することができる。封止材６０は、封止材６１及び６２の一例である。ネイルリード５０の頭頂部５０ｂの厚さの調整によっても、信号用リード５１及び５２の特性インピーダンスを調整することができる。
第１の実施形態に係るステム１００では、配線基板４０の厚さ方向から視たときに、第１の導体パターン４１の一部が放熱部２２からはみ出している。このため、第１の導体パターン４１を伝送する信号、例えば高周波信号が放熱部２２に回り込みにくい。従って、信号の損失を低減することができ、良好に伝送できる信号の周波数を向上することができる。
また、上面２１Ａに凹み２１Ｘが形成され、配線基板４０の第２の導体パターン４５が凹み２１Ｘの内壁面２１Ｚ及び放熱部２２の搭載面２２Ａに電気的に接続されているため、配線基板４０をアイレット２０に確実に固定し、第２の導体パターン４５をアイレット２０に確実に電気的及び熱的に接続することができる。
また、放熱部２２が貫通孔３１及び３２と平面視で重ならない位置にあるため、貫通孔３１及び３２と放熱部２２とをプレス加工により容易に形成することができる。
また、第２の主面４３Ｂの一部、例えば、概ね、第１の主面４３Ａ上で、屈曲部４２Ａ及び４２Ｂより上方かつＸ１－Ｘ２方向の外側の領域と基板４３の厚さ方向（Ｙ１－Ｙ２方向）で重なる部分が第２の導体パターン４５から露出している。このため、第１の導体パターン４１を伝送する信号の第２の導体パターン４５への回り込みを抑制することができる。従って、信号の損失を低減することができる。
ここで、参考例と比較しながら、ステム１００の高周波信号の伝送特性について説明する。図１０は、参考例に係る半導体装置用ステムの構成を示す斜視図である。
図１０に示すように、参考例に係る半導体装置用ステム（ステム）９００は、放熱部２２に代えて、平面視で略半円状の放熱部９２２を有する。また、基板４３の第２の主面４３Ｂの全体に第２の導体パターンが形成され、第２の導体パターンの全体が放熱部９２２の搭載面９２２Ａに接合されている。また、本体部２１の上面２１Ａに凹み２１Ｘは形成されていない。他の構成はステム１００と同様である。
図１１は、ステム９００の高周波信号の伝送特性を示す図である。図１２は、ステム１００の高周波信号の伝送特性を示す図である。図１１、図１２には、ステム９００又は１００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の結果を示す。このシミュレーションでは、導体パターン４１Ａの信号用リード５１側の端部をポートＰ１、導体パターン４１Ｂの信号用リード５２側の端部をポートＰ２、導体パターン４１Ａの上端側の端部をポートＰ３、導体パターン４１Ｂの上端側の端部をポートＰ４とし、ＳパラメータＳ１１、Ｓ１２、Ｓ３１及びＳ４２を算出した。
図１１及び図１２に示すように、ステム１００（図１２）によれば、４５ＧＨｚ～５０ＧＨｚの高周波域において、ステム９００（図１１）よりも顕著に優れた通過特性（Ｓ３１、Ｓ４２）が得られ、ステム９００と同等の反射特性（Ｓ１１、Ｓ１２）が得られる。これは、放熱部２２及び第２の導体パターン４５から不要な部分を取り去った効果である。
なお、放熱部２２のサイズは限定されないが、次の条件を満たすことが好ましい。図１３は、放熱部２２の好ましいサイズを示す図である。
優れた放熱性を確保する観点から、放熱部２２は、少なくとも配線基板４０の厚さ方向（Ｙ１－Ｙ２方向）で搭載部４８と重なる範囲で配線基板４０に接合されていることが好ましい。配線基板４０の放熱部２２に接合される範囲が小さすぎる場合、搭載部４８に搭載された半導体素子が発する熱が十分に放熱部２２に伝達されないことがあるためである。
優れた高周波信号の伝送特性を確保する観点から、放熱部２２は、配線基板４０の厚さ方向（Ｙ１－Ｙ２方向）で搭載部４８と重なる範囲に配線基板４０の厚さｔを加えた範囲４９以下の範囲で配線基板４０に接合されていることが好ましい。つまり、第１の主面４３Ａの搭載部４８が設けられた範囲を、４５度の角度で広がるように第２の主面４３Ｂに投影した範囲４９以下の範囲で、放熱部２２が配線基板４０に接合されていることが好ましい。搭載部４８に搭載された半導体素子が発する熱は、概ね４５度の角度で広がりながらＹ１側に伝達される。従って、範囲４９の外側の範囲に伝達される熱は少なく、この範囲にまで放熱部２２を広く設けることで得られる効果は小さい。その一方で、放熱部２２が広く設けられることで、第１の導体パターン４１を伝送される信号が放熱部２２に回り込みやすくなり、損失が大きくなることがある。このような損失を抑制するためである。
凹み２１Ｘの平面形状は限定されない。例えば、図１４に示すように、貫通孔３３及び３４を囲むように凹み２１Ｘが形成されていてもよい。
放熱部２２の平面形状は限定されない。例えば、図１５に示すように、Ｙ１側に向かうほど、側面２２Ｂ及び２２Ｃが広がる形状となっていてもよい。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態に係るステム１００を含んだ半導体装置に関する。図１６は、第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す部分断面図である。
第２の実施形態に係る半導体装置２００は、ステム１００と、半導体素子２１１と、半導体素子２１２と、接合部２２０と、キャップ２３０とを有する。半導体素子２１１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２１２としては、例えば、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。
半導体素子２１１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、第１の導体パターン４１の搭載部４８に搭載され、固定されている。具体的には、半導体素子２１１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２１１がステム１００に搭載されている。半導体素子２１１の電極は、例えば、ボンディングワイヤ等により導体パターン４１Ａ及び４１Ｂに電気的に接続されている。従って、信号用リード５１及び５２は、導体パターン４１Ａ及び４１Ｂを介して半導体素子２１１と電気的に接続される。
半導体素子２１２は、傾斜面２１Ｙ上に搭載されている。半導体素子２１２の電極は、例えば、ボンディングワイヤ等によりモニタ用リード５３及び５４に接続されている。
接合部２２０は、本体部２１の上面２１Ａ上に、放熱部２２と、信号用リード５１及び５２と、モニタ用リード５３及び５４とを取り囲むように形成されている。接合部２２０は、例えば、略円環状に形成されている。接合部２２０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２３０は、中空ハット状に形成されている。キャップ２３０は、天板部の平面視略中央に開口部２３１Ｘ（窓）が設けられた円筒形に類似したキャップ本体部２３１と、開口部２３１Ｘの下側に接着剤２３３によって封着された透明部材２３４とを有している。キャップ本体部２３１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２３２を有している。そして、キャップ２３０は、フランジ２３２の下面が接合部２２０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２１１がキャップ２３０の内部に気密封止されている。接合部２２０に対するキャップ２３０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２３１の材料としては、例えば、鉄、鋼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２３３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２３４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２３０における開口部２３１Ｘ、接着剤２３３や透明部材２３４を省略してもよい。また、接合部２２０を省略し、本体部２１の上面２１Ａにキャップ２３０を溶接等により直接接合するようにしてもよい。
第２の実施形態に係る半導体装置２００では、半導体素子２１１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２３４を透過して開口部２３１ＸからＺ１側（ここでは、上方）に出射される。また、半導体素子２１１の下端面から出射された光が、半導体素子２１２で受光される。例えば、半導体素子２１１の出射光量を半導体素子２１２でモニタし、半導体素子２１２での受光量が一定となるように、半導体装置２００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２００の出射光量を一定にすることができる。
次に、半導体装置２００の作用について説明する。
半導体装置２００では、貫通孔３１に封止材６１により封着された信号用リード５１が導体パターン４１Ａと電気的に接続され、導体パターン４１Ａがボンディングワイヤ等により半導体素子２１１と電気的に接続される。また、貫通孔３２に封止材６２により封着された信号用リード５２が導体パターン４１Ｂと電気的に接続され、導体パターン４１Ｂがボンディングワイヤ等により半導体素子２１１と電気的に接続される。このようにして、信号用リード５１及び５２の上端部が第１の導体パターン４１を介して半導体素子２１１と電気的に接続されている。一方、信号用リード５１及び５２の下端部は、例えば、外部電気回路（図示せず）と電気的に接続される。従って、信号用リード５１及び５２は、半導体素子２１１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５１を貫通孔３１に封止材６１により封着した部位と、信号用リード５２を貫通孔３２に封止材６２により封着した部位とが同軸線路（同軸構造）に形成されている。このため、信号用リード５１及び５２の直径、貫通孔３１及び３２の開口径、封止材６１及び６２の比誘電率を調整することにより、信号用リード５１及び５２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、貫通孔３１及び３２の開口径を適宜調整することにより、信号用リード５１及び５２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２１１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、第１の導体パターン４１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２００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。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、第１の導体パターン４１及び第２の導体パターン４５の形状は特に限定されない。基板４３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。
例えば、信号用リード５１と導体パターン４１Ａとを電気的に接続し、信号用リード５２と導体パターン４１Ｂとを電気的に接続することが可能であれば、信号用リード５１及び５２の上端面の位置は特に限定されない。例えば、信号用リード５１及び５２の上端面を、凹み２１Ｘの底面よりも上方に突出させるようにしてもよい。
例えば、信号用リード５１及び５２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。貫通孔３１及び３２の断面形状を、三角形、四角形等の多角形や楕円形に形成してもよい。但し、貫通孔３１及び３２の断面形状は、信号用リード５１及び５２の断面形状と同様であることが好ましい。
例えば、貫通孔３３及び３４と、モニタ用リード５３及び５４と、封止材６３及び６４とを省略してもよい。
２０ アイレット
２１ 本体部
２１Ａ 上面
２１Ｘ 凹み
２１Ｙ 傾斜面
２１Ｚ 内壁面
２２ 放熱部
２２Ａ 搭載面
４０ 配線基板
４１ 第１の導体パターン
４１Ａ、４１Ｂ 導体パターン
４２Ａ、４２Ｂ 屈曲部
４３ 基板
４５ 第２の導体パターン
１００ 半導体装置用ステム
２００ 半導体装置
２１１、２１２ 半導体素子

Claims (9)

  1. 上面に凹みが形成された本体部と、
    前記本体部の上面に立設された放熱部と、
    前記凹み内に設けられた配線基板と、
    を有し、
    前記配線基板は、
    第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面と、を有する基板と、
    前記第１の主面に設けられ、半導体素子が搭載される搭載部を有する第１の導体パターンと、
    前記第２の主面に設けられ、前記凹みの内壁面及び前記放熱部に接合された第２の導体パターンと、
    を有し、
    前記凹みは底面を備え、
    前記配線基板は前記底面に接する下端面を備え、
    前記第２の主面の一部は、前記第２の導体パターンから露出しており、
    前記配線基板の厚さ方向から視たときに、前記第１の導体パターンの一部は、前記放熱部からはみ出していることを特徴とする半導体装置用ステム。
  2. 前記本体部と前記放熱部とが一体的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. 前記本体部に、前記配線基板の下方で前記本体部を厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されており、
    前記貫通孔は、前記第１の主面に平行な方向において、前記放熱部から離間してい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. 前記貫通孔に挿通され、前記第１の導体パターンに接続されたリードを有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置用ステム。
  5. 前記リードは、
    第１の断面積を有する柱状部と、
    前記第１の断面積より大きな第２の断面積を有し、前記柱状部の一端に設けられ、前記第１の導体パターンに接続された頭頂部と、
    を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置用ステム。
  6. 前記放熱部は、少なくとも前記配線基板の厚さ方向で前記搭載部と重なる範囲で前記配線基板に接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置用ステム。
  7. 前記放熱部は、前記配線基板の厚さ方向で前記搭載部と重なる範囲に前記配線基板の厚さを加えた範囲以下の範囲で前記配線基板に接合されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置用ステム。
  8. 前記配線基板の厚さ方向から視たときに、前記第１の導体パターンが形成されている領域と前記第２の導体パターンが形成されている領域は重なることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置用ステム。
  9. 請求項１乃至８のいずれか１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、前記第１の導体パターンに電気的に接続された半導体素子と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
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