JP2006135219A - 半導体パッケージ用ステムおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱放散性に優れ、抵抗溶接によってキャップを接合する等の組み立て作業が用にでき、加工上における問題によって放熱体の形状、配置等に制約が受けることがない半導体パッケージ用ステムおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 アイレット本体２１に、アイレット本体２１とは別体に形成された放熱体２５が接合されてなる半導体パッケージ用ステム２０であって、前記アイレット本体２１が、一対の鉄層２２、２４で銅層２３を挟んだ層構造からなるクラッド材によって形成されるとともに、前記放熱体２３が接合される接合領域に、前記クラッド材の銅層２３が露出して形成され、前記放熱体２５が前記銅層２３の露出面２３ａの領域内に接合されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ素子を搭載する半導体パッケージ用ステムおよびその製造方法並びに半導体パッケージ用ステムにレーザ素子を搭載した光半導体装置に関する。

レーザ素子を搭載する半導体パッケージ用ステムには、いくつかの異なる構造の製品が提供されている。図５は、レーザ素子を搭載する半導体パッケージ用ステム１０の基本的な構造を示している。半導体パッケージ用ステム１０は、アイレット本体１２と、アイレット本体１２に設けられた放熱体１４と、アイレット本体１２に封着されたリード１５とを備える。
この半導体パッケージ用ステム１０は、放熱体１４の側面にレーザ素子１６を接合し、レーザ素子１６とリード１５とをワイヤボンディングによって接続し、光透過窓１７を備えたキャップ１８をアイレット本体１２に溶接することにより、光半導体装置として組み立てられる。

半導体パッケージ用ステム１０のアイレット本体１２は通常、鉄系材料によって形成される。鉄系材料がリード１５のガラス封着に好適であること、キャップ１８を抵抗溶接によってアイレット本体１２に接合するため、アイレット本体１２にある程度の電気抵抗が必要だからである。しかしながら、最近の光半導体装置では発熱量の大きなレーザ素子が搭載されるようになってきたことから、より大きな熱放散性を備えた半導体パッケージ用ステム１０が求められるようになってきた。
図６は、鉄と銅との２層構造からなるクラッド材を用いて形成した半導体パッケージ用ステム１１を示す（特許文献１参照）。この半導体パッケージ用ステム１１は、クラッド材をプレス加工し、プレス加工によって銅材部から放熱体１４ａを立ち上げ形状に形成したもので、アイレット本体１２が鉄材部１２ａと銅材部１２ｂからなる。

図６に示す半導体パッケージ用ステム１１は放熱体１４ａを銅材によって形成したこと、アイレット本体１２の一部に銅材が用いられていることから、熱放散性の点で優れているという利点がある。しかしながら、キャップが接合されるアイレット本体１２の上部が銅からなるために、抵抗溶接によってキャップを接合しにくいという問題があり、鉄と銅との２層構造からなるクラッド材にかえて、一対の鉄層で銅層を両面から挟んだ、鉄−銅−鉄の３層構造からなるクラッド材を用いて半導体パッケージ用ステムを形成することが考えられた（特許文献２参照）。この３層構造のクラッド材を用いて形成した半導体パッケージ用ステムは、クラッド材に銅材を使用したことで、熱放散性に優れるとともに、アイレット本体１２の上面が鉄材からなることから、キャップを確実に抵抗溶接できるという利点を有している。
特開平６−２９１２２４号公報 特開平１１−１８６６４９号公報

上述したように、鉄−銅−鉄の３層構造からなる材料（クラッド材）を用いて形成した半導体パッケージ用ステムは、熱放散性に優れ、抵抗溶接によるキャップの取り付けが確実にできるという利点があるが、プレス加工によってアイレットと一体に放熱体を形成するために、放熱体の配置位置や放熱体の形状が制約を受けるという問題がある。
すなわち、アイレットと一体に放熱体を形成する場合は、加工工程上、被加工材に対してプレス加工を施した後に、リードをガラス封着するための透孔を孔あけ加工する。この透孔は、実際の製品では、放熱体の外面にきわめて接近して設けられることが多く、加工時に孔位置がわずかにずれただけで放熱体に接触してばりが生じてしまったり、所要の孔形状に加工できなかったりして不良発生の原因となる。

このため、放熱体と封着孔の孔位置の位置関係によっては加工が難しく、不良率が高くなり、設計通りの加工が困難になるという問題が生じる。
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、熱放散性に優れるとともに、抵抗溶接によってキャップを接合する等の組み立て作業を支障なく行うことができ、加工上における問題によって放熱体の形状、配置等に制約が受けることがない半導体パッケージ用ステムおよびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、アイレット本体に、アイレット本体とは別体に形成された放熱体が接合されてなる半導体パッケージ用ステムであって、前記アイレット本体が、一対の鉄層で銅層を挟んだ３層構造からなるクラッド材によって形成されるとともに、前記放熱体が接合される接合領域に、前記クラッド材の銅層が露出して形成され、前記放熱体が前記銅層の露出面の領域内に接合されていることを特徴とする。
また、前記アイレット本体の放熱体が接合される表面が、前記銅層の露出面を含めて平坦面に形成されていることにより、放熱体の接合が容易で信頼性の高い半導体パッケージ用ステムとして提供される。
また、前記放熱体が銅からなることにより、熱放散性の良好な半導体パッケージ用ステムとして提供できる。

また、半導体パッケージ用ステムの製造方法として、一対の鉄層で銅層を挟んだ３層構造からなるクラッド材をプレス金型を用いて押圧し、当該クラッド材の片面に形成された鉄層の放熱体を接合する領域部分を、クラッド材の表面から当該領域部分の鉄層部が段差状に突出するようにプレス加工する工程と、前記クラッド材の表面から段差状に突出した鉄層部を除去してクラッド材の表面を平坦面に形成するとともに、前記鉄層部の下層の銅層を露出させる平坦化加工によってアイレット本体を形成し、当該アイレット本体とは別工程により形成した放熱体を、前記アイレット本体の前記銅層の露出面にろう付けする工程とを含むことを特徴とする。
また、前記平坦化加工が、クラッド材の表面から段差状に突出した鉄層部を機械的に除去することを施すことを特徴とする。
また、前記平坦化加工を施した後、アイレット本体にリードを挿通する透孔を形成する孔あけ加工を施すとともに、アイレット本体の外形抜き加工を施して個片のアイレット本体に形成することを特徴とする。

また、前記半導体パッケージ用ステムの放熱体にレーザ素子を搭載して構成された光半導体装置は、熱放散性にすぐれ、信頼性の高い光半導体装置として提供される。

本発明に係る半導体パッケージ用ステムおよびその製造方法によれば、アイレット本体が銅層を備えたクラッド材からなり、放熱体が熱伝導性に優れた銅層に直に接合されていることにより、熱放散性の優れた半導体パッケージ用ステムとして提供することができ、発熱量の大きなレーザ素子を搭載する半導体パッケージ用ステムとして好適に使用することができる。また、アイレット本体と放熱体とを別体としたことで、放熱体の形状や配置位置について加工上の制約を受けることがなくなり、種々の製品に対応することが可能になる。

図１は、本発明に係る半導体パッケージ用ステムの一実施形態の構成を示す断面図である。本実施形態の半導体パッケージ用ステム２０は、アイレット本体２１を一対の鉄層で銅層を挟んだ鉄−銅−鉄の３層構造からなるクラッド材を用いて形成し、アイレット本体２１とは別体に形成した銅からなる放熱体２５をアイレット本体２１にろう付けして形成したものである。
アイレット本体２１は、放熱体２５が接合される面とは反対側の面から順に、第１の鉄層２２と、銅層２３と、第２の鉄層２４とが積層された３層構造に形成され、アイレット本体２１の上下両面が鉄材によって被覆された構造となっている。

また、アイレット本体２１の上面で、放熱体２５がろう付けされている接合領域については、第２の鉄層２４が除去され、銅層２３がアイレット本体２１の上面に露出し、この銅層２３の露出面２３ａに放熱体２５が接合されている。
アイレット本体２１は、鉄−銅−鉄の３層構造からなるクラッド材にプレス加工やシェービング加工を施して、第２の鉄層２４の表面と銅層２３の露出面２３ａとが同一高さ面の平坦面になるように形成されている。放熱体２５はこの露出面２３ａにろう付けされている。

なお、アイレット本体２１の上面には、放熱体２５の基部近傍に発光をモニターするための素子（モニター用の素子）を搭載する傾斜凹部２６が形成されている。この傾斜凹部２６は上記３層構造からなるクラッド材にプレス加工を施す際に形成される。
また、リード１５をアイレット本体２１にガラス封着する透孔を形成し、この透孔にリード１５がガラス封着される。図１において、リード１５ａはアース用のリードであり、アイレット本体２１の下面に抵抗溶接によって接合されている。

本実施形態の半導体パッケージ用ステム２０は、アイレット本体２１が第１の鉄層２２と銅層２３と第２の鉄層２４が積層された３層構造となっていることから、アイレット本体２１にキャップ１８を抵抗溶接する際に、所要の電気抵抗が得られて確実にキャップ１８を溶接することができる。また、放熱体２５が銅材からなることにより放熱体２５の熱放散性が良好であり、放熱体２５がアイレット本体２１の銅層２３にろう付けされていることにより、ステム全体としての熱放散性が良好になり、アイレットの銅材をプレス加工して放熱体とアイレットとを一体成形した製品と同等の熱放散性を得ることが可能になる。

また、本実施形態の半導体パッケージ用ステム２０は、アイレット本体２１とは別体に放熱体２５を形成する構成としたから、アイレット本体２１にリード１５を封着するための透孔を加工する工程で、放熱体２５の形状や配置位置に影響されることなく孔あけ加工を施すことができ、したがってアイレット本体２１に確実にかつ正確に透孔を形成することが可能になる。また、放熱体２５は孔加工後にろう付けしてアイレット本体２１に接合するから、放熱体２５の形状が孔加工（孔位置）の加工によって制約を受けることがなく、放熱体２５として、より自由度の大きな設計が可能となり、種々用途の製品に対応することが可能になる。

図２〜４は、上述した半導体パッケージ用ステム１０の製造工程で特徴的なアイレット本体２１の加工工程を示す。
図２(a)は、アイレット本体２１を形成する鉄−銅−鉄の３層構造からなるクラッド材３０に対して、アイレット本体２１の外径よりも大径に粗抜き加工した状態を示す。クラッド材３０は第１の鉄層２２と、銅層２３と、第２の鉄層２４を積層して形成されたものである。本実施形態で使用したクラッド材３０は、第１の鉄層２２の厚さが０．７５ｍｍ、銅層２３の厚さが０．７ｍｍ、第２の鉄層２４の厚さが０．１５ｍｍのものである。実際には、クラッド材３０は長尺な帯状体として提供され、所要のプレス加工を施す加工ステージ間を順送りされて加工される。

図２(b)、(c)は、粗抜き加工したクラッド材３０に、放熱体２５をろう付けする領域に合わせて銅層２３を露出させるプレス加工を施す工程を示す。
図２(b)は、銅層２３を露出させる部位に合わせた凹部４２を形成したプレス金型４０を、粗抜き加工したクラッド材３０に位置合わせして型押しする工程を示す。凹部４２は平面形状が円形で、内底面（天井面）が平坦面に形成されている。凹部４２の深さは第２の鉄層２４の下層の銅層２３も若干入り込む程度の深さに設定する。凹部４２以外のプレス金型４０の型押し面４４は平坦面に形成されている。

図２(c)は、プレス金型４０をクラッド材３０に型押ししている状態を示す。クラッド材３０の下面は支持金型によって支持されており、クラッド材３０はプレス金型４０と支持金型によって挟圧される。プレス金型４０を第２の鉄層２４の厚さと略同一の深さまで押し込むことにより、凹部４２に第２の鉄層２４と銅層２３が入り込み、凹部４２に対応するクラッド材の部位では第２の鉄層２４の下層の銅層２３が盛り上がり形状となる。
図２(d)は、プレス金型４０を用いてクラッド材３０をプレス加工した後の状態を示す。クラッド材３０の上面では、前記凹部４２に対応した部位の鉄層部２４ａ（下層の銅層を一部含む）が第２の鉄層２４の厚さ分以上にクラッド材３０の上面から段差状に突出する。この鉄層部２４ａを支持する銅層２３の部位は台形状に盛り上がった形状となる。

図３は、次に、クラッド材３０の上面で段差状に突出する鉄層部２４ａをシェービング加工によって除去し、クラッド材３０の上面を平坦化する平坦化加工の工程を示す。
図３(a)は、鉄層部２４ａの側面下部、すなわち第２の鉄層２４の表面に切刃５０の切削位置を位置合わせした状態で、図３(b)は、切刃５０を第２の鉄層２４の表面に沿って突き出すように動かして鉄層部２４ａをクラッド材３０から切削する状態を示す。
図３(c)は、鉄層部２４ａを切削して除去したクラッド材３０を示す。切刃５０を第２の鉄層２４の表面に沿って動かすことにより、鉄層部２４ａが銅層２３から切削されて除去されるとともに、銅層２３の表面が第２の鉄層２４の表面と同一高さ面に形成されて銅層２３が露出した露出面２３ａが形成される。

なお、本実施形態では、切刃５０を用いたシェービング加工によって鉄層部２４ａを除去したが、シェービング加工によらずに、ドリル加工等の他の機械加工によって鉄層部２４ａを露出させることも可能である。また、機械加工によらずに化学的エッチングを利用して鉄層部２４ａのみを除去することも可能である。
鉄層部２４ａを除去する工程は、鉄層部２４ａの下層の銅層２３を露出させる目的と、放熱体２５を精度よくろう付けできるようにするために、銅層２３の露出面２３ａが平坦面となるように露出させる目的がある。したがって、化学的エッチングに比べてシェービング加工等の機械的な加工手段を利用する方が加工時間等を含めて有利である。

図３(c)に示すように、放熱体２５を接合する部位について銅層２３を露出させた後、クラッド材にプレス加工を施してリード１５を挿通して封着するための透孔を形成し、受光用の素子を搭載する傾斜凹部を形成した後、クラッド材３０をアイレット本体２１の外形形状に合わせて外形抜きする。この外径抜き加工によってアイレット本体２１はクラッド材３０の帯状体から分離して個片となる。

図４は、クラッド材３０を粗抜きし、プレス加工とシェービング加工を施して銅層２３を露出させた状態を示す。本実施形態ではクラッド材３０の表面に直径が約３．０ｍｍの円形に銅層２３の露出面２３ａを露出させた。また、２点鎖線Ａでアイレット本体２１の外形抜き位置を示す。放熱体２５は、銅層２３の露出面２３ａの領域内に接合される。なお、銅層２３を露出させる範囲は、図４に示すような円形形状に限られるものではないが、キャップ１８が確実に溶接できるように、少なくともアイレット本体２１に取り付けるキャップ１８の溶接領域（アイレット本体の外周縁）が第２の鉄層２４によって被覆されるように設定する。

クラッド材３０を外形抜きして個片に形成した後、必要に応じて、アイレット本体２１の腐食を防止するニッケルめっき等のめっきを施す。
次いで、アイレット本体２１にリード１５をガラス封着した後、アイレット本体２１に放熱体２５をろう付けする。放熱体２５はクラッド材３０を用いてアイレット本体２１を形成する工程とは別工程であらかじめ所定の個片に形成されている。
図３(d)は、アイレット本体２１に形成した銅層の露出面２３ａに放熱体２５をろう付けした状態を示す。ろう付け用の治具にアイレット本体２１と銅からなる放熱体２５とろう材とを配置し、加熱炉中でろう材を溶融してろう付けする。本実施形態では銀ろう付けによって放熱体２５をアイレット本体２１に接合した。２５ａが接合層である。

ろう付け用の治具にアイレット本体２１と放熱体２５とを配置することによって、アイレット本体２１と放熱体２５との相互位置が位置決めされるが、放熱体２５をろう付けした後、放熱体２５のレーザ素子取り付け面（放熱体の側面）を平押しして、レーザ素子取り付け面を正確に位置出しするようにしてもよい。
本実施形態の半導体パッケージ用ステムは、放熱体２５をアイレット本体２１にろう付けした後、アイレット本体２１、放熱体２５およびリード１５、１５ａの外面にニッケルめっきおよび金めっきによる仕上げめっきが施される。

光半導体装置は、この半導体パッケージ用ステムの放熱体２５の側面にレーザ素子を接合し、レーザ素子とリード１５とをワイヤボンディングし、傾斜凹部２６にレーザ素子の発光をモニターするモニター用の素子を搭載した後、アイレット本体２１の外周縁にキャップ１８を溶接して取り付けることによって組み立てられる。

なお、上記実施形態においては、鉄−銅−鉄の３層構造からなるクラッド材３０を使用してアイレット本体２１を形成したが、クラッド材として銅−鉄の２層構造からなる材料を使用して半導体パッケージ用ステムを形成することも可能である。この銅−鉄の２層構造からなるクラッド材を使用する場合も、上述した方法と同様に、銅層の上面を被覆する鉄層側からプレス加工を施して放熱体を接合する領域の鉄層部をクラッド材の表面から突出させ、鉄層部を切除することによって銅層を露出させ、銅層の露出面に放熱体を接合することによって、放熱性にすぐれ、キャップの溶接も可能な半導体パッケージ用ステムとして提供することができる。

半導体パッケージ用ステムの実施形態の構成を示す断面図である。 半導体パッケージ用ステムの加工工程を示す説明図である。 半導体パッケージ用ステムの加工工程を示す説明図である。 銅層を露出した状態のクラッド材の平面図である。 従来の半導体パッケージ用ステムの構成を示す断面図である。 従来の半導体パッケージ用ステムの他の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０、１１、２０ 半導体パッケージ用ステム
１２、２１ アイレット本体
１２ａ 鉄材部
１２ｂ 銅材部
１６ レーザ素子
１８ キャップ
２２ 第１の鉄層
２３ 銅層
２３ａ 露出面
２４ 第２の鉄層
２４ａ 鉄層部
２５ 放熱体
２６ 傾斜凹部
３０ クラッド材
４０ プレス金型
４２ 凹部
５０ 切刃

Claims (7)

1. アイレット本体に、アイレット本体とは別体に形成された放熱体が接合されてなる半導体パッケージ用ステムであって、
   前記アイレット本体が、一対の鉄層で銅層を挟んだ３層構造からなるクラッド材によって形成されるとともに、前記放熱体が接合される接合領域に、前記クラッド材の銅層が露出して形成され、
   前記放熱体が前記銅層の露出面の領域内に接合されていることを特徴とする半導体パッケージ用ステム。
2. 前記アイレット本体の放熱体が接合される表面が、前記銅層の露出面を含めて平坦面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ用ステム。
3. 前記放熱体が銅からなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体パッケージ用ステム。
4. 一対の鉄層で銅層を挟んだ３層構造からなるクラッド材をプレス金型を用いて押圧し、当該クラッド材の片面に形成された鉄層の放熱体を接合する領域部分を、クラッド材の表面から当該領域部分の鉄層部が段差状に突出するようにプレス加工する工程と、
   前記クラッド材の表面から段差状に突出した鉄層部を除去してクラッド材の表面を平坦面に形成するとともに、前記鉄層部の下層の銅層を露出させる平坦化加工によってアイレット本体を形成し、
   当該アイレット本体とは別工程により形成した放熱体を、前記アイレット本体の前記銅層の露出面にろう付けする工程とを含むことを特徴とする半導体パッケージ用ステムの製造方法。
5. 前記平坦化加工が、クラッド材の表面から段差状に突出した鉄層部を機械的に除去することを施すことを特徴とする請求項４記載の半導体パッケージ用ステムの製造方法。
6. 前記平坦化加工を施した後、アイレット本体にリードを挿通する透孔を形成する孔あけ加工を施すとともに、アイレット本体の外形抜き加工を施して個片のアイレット本体に形成することを特徴とする請求項４または５記載の半導体パッケージ用ステムの製造方法。
7. 請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体パッケージ用ステムの放熱体にレーザ素子が搭載されていることを特徴とする光半導体装置。

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