JP2007073874A - 半導体装置およびこれに用いる金属キャップ - Google Patents

Abstract

【課題】 金属キャップとステムとの封着性を向上させた半導体装置およびこの半導体装置の製造に好適に使用できる金属キャップを提供する。
【解決手段】 キャップ状に形成された本体の開口縁にフランジ部３０ａが設けられ、フランジ部３０ａがステムに抵抗溶接により取り付けられる金属キャップ３０であって、前記フランジ部３０ａの溶接面に、周方向に一周する突起３１が設けられ、該突起３１の外側の溶接面３０ｃと前記突起３１の先端との離間間隔が、前記突起３１の内側の溶接面３０ｂと前記突起３１の先端との離間間隔よりも広く設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は金属製のキャップを金属製のステムに抵抗溶接して形成される半導体装置およびこれに用いる金属キャップに関する。

半導体レーザ素子を搭載する半導体レーザ装置には、レーザ素子を搭載した金属製のステムに、光透過窓を封着した金属キャップを抵抗溶接により封着して形成する製品がある。図５は、光透過窓１２を封着した金属キャップ１０と、リード線２２をガラス封着した金属製のステム２０とを抵抗溶接によって封着する方法を示す。金属キャップ１０のフランジ部１０ａを下電極１５により支持し、フランジ部１０ａとステム２０とを下電極１５と上電極２５とで挟圧しながら、下電極１５と上電極２５との間に電圧を印加することによってフランジ部１０ａとステム２０との当接部分が抵抗溶接される。

従来は、フランジ部１０ａのステム２０に対向する面に突起（プロジェクション）１１をフランジ面で一周する配置に設け、フランジ部１０ａとステム２０とを下電極１５と上電極２５とでクランプした際に、突起１１をステム２０の押接面にくい込ませ、その状態で溶接電圧を印加することにより、突起１１部分に電流を集中させてフランジ部１０ａとステム２０とを溶接している。
特開平５−１０２３６５号公報 特開平５−２１８２１７号公報

ところで、金属キャップ１０とステム２０とを抵抗溶接によって封着する際に、金属キャップ１０とステム２０とを挟圧する力がばらついたりすることによって放電が不確実になり、金属キャップ１０に設けた突起１１に電流が集中せず、突起部分で確実に溶融しないために確実な封着がなされないといった問題が生じることがある。このように、金属キャップ１０とステム２０とを挟圧する際に挟圧力がばらついたりすることを防止し、また安定した溶接が難しい製品の場合には、金属キャップとステムとを挟圧する際の挟圧力を強くして安定した溶接がなされるようにすることがなされる。

しかしながら、金属キャップ１０とステム２０との挟圧力を強くすると、フランジ部１０ａに設けた突起１１とステム２０との間で放電せずに、フランジ部１０ａの表面、とくにフランジ部１０ａの周縁部とステム２０とが接触してこの間で放電してしまい、突起１１部分での封着性が不十分になるという問題や、フランジ部１０ａの周縁部で放電することで溶接用の電極が傷み、電極を消耗させてしまうといった問題が生じる。

そこで、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、金属キャップと金属製のステムとを抵抗溶接によって確実に溶接することができ、金属キャップとステムとの封着性を向上させた半導体装置およびこの半導体装置の製造に好適に使用できる金属キャップを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、キャップ状に形成された本体の開口縁にフランジ部が設けられた金属キャップと、ステムとを、前記フランジ部をステムに抵抗溶接して組み立てた半導体装置において、前記フランジ部と前記ステムとが当接して溶接される溶接面の一方に、周方向に一周する突起が設けられ、該突起が設けられた部位の外側の領域で対向する溶接面間の間隔が、該突起が設けられた部位の内側の領域で対向する溶接面間の間隔よりも広く設定されて、前記フランジ部と前記ステムとが抵抗溶接されたことを特徴とする。

また、前記突起が、前記フランジ部の溶接面に設けられ、前記フランジ部の前記突起の外側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔が、前記突起の内側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔よりも広く設定され、前記ステムの溶接面が平坦面に形成されて、前記フランジ部と前記ステムとが抵抗溶接されたことを特徴とする。
また、前記突起が、前記ステムの溶接面に設けられ、該ステムの前記突起の外側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔が、前記突起の内側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔よりも広く設定される一方、前記フランジ部の溶接面が平坦面に形成されて、前記フランジ部と前記ステムとが抵抗溶接されたことを特徴とする。
また、前記突起が、断面形状で台形に形成されていることにより、さらに的確な抵抗溶接がなされる。

また、キャップ状に形成された本体の開口縁にフランジ部が設けられ、フランジ部がステムに抵抗溶接により取り付けられる金属キャップであって、前記フランジ部の溶接面に、周方向に一周する突起が設けられ、該突起の外側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔が、前記突起の内側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔よりも広く設けられていることを特徴とする。
また、前記突起が、断面形状で台形に形成されていることにより、さらに的確な抵抗溶接が可能となり、また前記金属キャップの本体の外面に、ニッケルめっきが施されていることにより、溶接部の封着性がさらに確実になる。

本発明に係る半導体装置によれば、金属キャップとステムとの溶接部が確実に封着され、良好な気密性を備え、信頼性の高い半導体装置として提供される。また、本発明に係る金属キャップによれば、突起に電流を集中させて溶接することができ、溶接部の信頼性を高めることができる。また、溶接時の挟圧力を増大させた場合でもフランジ部の周縁部とステムとのの間の放電を抑制して、安定した溶接を可能にし、溶接部の封着性を向上させることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面にしたがって詳細に説明する。
図１(a)、(b)は、本発明に係る金属キャップ３０、３５の実施形態の構成を示す断面図、図１(c)は、比較例として従来の金属キャップ１０の構成を示す断面図である。
図１(a)に示す金属キャップ３０は、キャップ状に形成された本体の開口縁に沿ってフランジ部３０ａが設けられ、フランジ部３０ａのステムに対向する溶接面に、周方向に一周するように突起３１が設けられている。

図１(a)に示す金属キャップ３０において特徴とする構成は、突起３１の内側の溶接面３０ｂと突起３１の外側の溶接面３０ｃを同一高さ面とせず、突起３１の外側の溶接面３０ｃの高さが突起３１の内側の溶接面３０ｂの高さよりも高くなるように設定したことにある。図１(c)に示す従来の金属キャップ１０では突起１１の内側および外側の溶接面１０ｂは同一高さ面となっている。

図２(a)に、金属キャップ３０のフランジ部３０ａの構成を拡大して示す。突起３１の先端から溶接面３０ｃまでの高さをａ、突起３１の先端から溶接面３０ｂまでの高さをｂとすると、フランジ部３０ａは、ａ＞ｂとなるように設けられる。金属キャップ３０の大きさおよび形状は製品によって異なり、高さａ、ｂについても適宜選択することができるが、突起３１の外側の溶接面３０ｃと突起３１の内側の溶接面３０ｂとの高さの差は、突起３１の高さが０．０５ｍｍのときで０．０２〜０．０３ｍｍ程度とする。

図１(b)に示す金属キャップ３５も、金属キャップ３０と同様に、フランジ部３５ａの溶接面に設けられた突起３６の内側の溶接面３５ｂにくらべて、突起３６の外側の溶接面３５ｃの高さを高く設定したことを特徴とする。
図２(b)に、金属キャップ３５のフランジ部３５ａの構成を拡大して示す。突起３６の外側の溶接面３５ｃの突起３６の突端面からの高さをａ、突起３６の内側の溶接面３５ｂの突起３６の突端面からの高さをｂとすると、ａ＞ｂとなる。
なお、図１(c)に示す従来の金属キャップ１０、および図１(a)に示す金属キャップ３０においては、突起１１および突起３１は、その先端が尖鋭な形状に形成されているのに対して、本実施形態の金属キャップ３５では、突起３６の断面形状を台形に形成したことを特徴とする。

図３は、上記図１(a)に示す金属キャップ３０をステム２０に抵抗溶接して半導体レーザ装置用の半導体装置を組み立てた状態を示す。
なお、この半導体レーザ装置用の半導体装置で使用している金属キャップ３０は、鉄−コバルト−ニッケル合金を基材とし、基材の表面にニッケルめっきを施したものである。金属キャップ３０に設けた光透過孔３２には光透過窓３３が封着されている。また、ステム２０は基材として鉄を使用し、リード線２２をガラス封着している。ステム２０に設けたヒートシンク２３にレーザ素子（不図示）が搭載され、レーザ素子とリード線２２とが電気的に接続されている。

金属キャップ３０とステム２０とはフランジ部３０ａがステム２０の表面に溶接され、金属キャップ３０内が気密に封止される。３４がフランジ部３０ａとステム２０との溶接部を示す。溶接部３４はフランジ部３０ａに設けた突起３１がステム２０にくい込むようにして溶接されるとともに、金属キャップ３０の表面に被着されたニッケルめっき被膜が溶接時に溶融して凝固することにより、フランジ部３０ａとステム２０とが気密に封止される。ニッケルめっき被膜は、溶接部３４を確実に封止させる作用をなすものであり、気密封止に重要な作用をなす。

半導体装置を組み立てる際には、図５に示すように、下電極１５と上電極２５とで金属キャップ３０のフランジ部３０ａとステム２０とを挟圧し、下電極１５と上電極２５との間に電圧を印加し、フランジ部３０ａとステム２０との間で放電させて組み立てる。本実施形態の半導体装置において使用している金属キャップ３０は、図１(a)、図２(a)に示すように、突起３１の外側の溶接面３０ｃの高さが、突起３１の内側の溶接面３０ｂの高さよりも高くなっており、いいかえれば、ステム２０の表面とフランジ部３０ａの溶接面との離間間隔が突起３１よりも外側部分では、突起３１よりも内側部分よりも広くなっている。

このような形態に金属キャップ３０を形成すると、下電極１５と上電極２５とでフランジ部３０ａとステム２０とを挟圧した際に、フランジ部３０ａの外側部分（周縁部）がステム２０の表面に接触することを抑制することができ、これによってフランジ部３０ａの周縁部とステム２０との間で放電が生じることを防止することができる。フランジ部３０ａの周縁部で放電が生じることを抑制することにより、突起３１とステム２０との間に放電を集中させることができ、突起３１部分で確実に溶接することができる。また、フランジ部３０ａの周縁部で放電が生じさせないようにすることにより、電極が傷んで消耗することを防止する。

溶接条件が安定しない製品については、金属キャップ３０とステム２０との挟圧力を強くして、溶接状態を安定させることが行われる。このような場合でも、フランジ部３０ａの溶接面で、突起３１よりも外側の溶接面３０ｃを突起３１の内側の溶接面３０ｂよりもステム２０の表面からより離間させる形態とすることによって、フランジ部３０ａの周縁部とステム２０との間で放電が生じることを防止し、さらに安定した抵抗溶接が可能になる。

なお、図１(b)、図２(b)に示す金属キャップ３５の場合は、フランジ部３５ａに設けた突起３６の断面形状を台形形状とすることにより、金属キャップ３５とステム２０とを挟圧した際に、突起３６をステム２０にくい込みにくくして抵抗溶接することが可能になる。これによって、下電極１５と上電極２５とで金属キャップ３５とステム２０とを挟圧した際に、金属キャップ３５のフランジ部３５ａの周縁部がステム２０に接触することをさらに抑えることができ、突起３６に放電電流を集中させて、金属キャップ３５とステム２０との溶接部の封止性をさらに向上させることができる。

上記実施形態では、ステム２０に抵抗溶接する金属キャップ３０、３５のフランジ部３０ａ、３５ａの溶接面を上述した形態とすることによって、金属キャップ３０、３５とステム２０との溶接性、封着性を向上させている。図４は、金属キャップ３０、３５に設けたと同様の溶接面の形態をステム２０に設けた例を示す。
図４に示す実施形態では、ステム２０の金属キャップ３８のフランジ部３８ａの溶接面に対向する位置に突起２１を周方向に一周するように設け、突起２１の内側の溶接面２０ｂの高さにくらべて突起２１の外側の溶接面２０ｃの高さをより低位に設けたことを特徴とする。溶接面２０ｂと溶接面２０ｃの高さの差をｃで示す。なお、金属キャップ３８のフランジ部３８ａの溶接面は平坦面である。

このように、ステム２０の溶接面の高さを、突起２１よりも内側と外側で相違するように設け、突起２１よりも外側の領域の溶接面２０ｃが突起２１の先端から離間する高さ間隔が、突起２１よりも内側領域の溶接面２０ｂが突起２１の先端から離間する高さ間隔よりも広くなるように設定することにより、上述した金属キャップ３０、３５を使用した場合と同様の作用によって、突起２１に溶接時の電流を集中させてフランジ部３８ａとステム２０とを確実に抵抗溶接することができる。

なお、本実施形態ではステム２０に突起２１を設けたが、ステムの溶接面を上述したと同様の段差状の形態とし、金属キャップの平坦面に形成したフランジ部に突起を設ける方法も可能であり、また、ステムの溶接面を平坦面としてステムに突起を設け、金属キャップのフランジ部の溶接面を上述した段差状の形態に設ける方法も可能である。
上述したいずれの場合も、金属キャップとステムとを溶接面を対向させ、挟圧して溶接する際に、突起を設けた部位よりも外側の領域では、突起の内側の領域よりも対向する溶接面の間隔が広くなるように設定されて抵抗溶接されることになる。

フランジ部の形態が異なる２種類の金属キャップを、実際にステムに抵抗溶接し、フランジ部とステムとの溶接部分の溶接状態を観察した。使用した金属キャップは、図１(a)、(c)に示す形態のもので、突起の先端が尖鋭な形状に形成されたものである。表１は、実験に使用した金属キャップのフランジ部の溶接面の高さ寸法を示す。金属キャップの基材は、鉄−コバルト−ニッケル合金であり、表面にニッケルめっきを施した。ステムの基材は鉄である。いずれもプレス成形によって形成した。

表１に示す実施例の金属キャップは、突起の内側に形成される溶接面の突起の先端からの高さａが０．０５ｍｍ、突起の外側に形成される溶接面の突起の先端からの高さｂが０．０８ｍｍのものである。比較例は、突起の内外で溶接面が同一高さ面に形成され、突起の先端からの高さが０．０６ｍｍのものである。

表２は、金属キャップとステムとを電極により挟圧し、電極間に印加する電圧を変えながら、溶接部分の溶接状態を観察した結果を示す。使用した溶接機はコンデンサ式スポット溶接機である。各電圧で使用したサンプル数は各々３個である。
実験１は、金属キャップとステムに４４１Ｎ〜５８８Ｎの挟圧力を加えながら、電極に印加する電圧を変えて測定した結果を示す。実験２は、金属キャップとステムに５８８Ｎ〜７３５Ｎの挟圧力を加えながら、電極に印加する電圧を変えて測定した結果を示す。金属キャップとステムとを抵抗溶接する際には、電極に加える力を徐々に強くしていきながら、その際に電極に電圧を印加する。実験１で、４４１Ｎ〜５８８Ｎの挟圧力を加えたとは、その力を加えている間中、電圧を印加したという意味である。

表２中で、△印は、フランジ部に設けた突起とステムとの当接部分が未溶の状態でフランジ部の外周とステムとの間で放電が生じたこと（コールド・ウェルド）を示す。□印は、フランジ部とステムに放電による飛び散りが生じたことを示す。△□印は、コールド・ウェルドと放電による飛び散りが生じたことを示す。○印は、突起部分で良好な溶接がなされたことを示す。○□印は、突起部分の溶接状態が良好で、同時に放電による飛び散りが見られたことを示す。電圧が高い側での□印は、溶接部にオーバーフローが生じていることを示す。

表２の実験結果は、実施例の金属キャップと比較例の金属キャップとを比較すると、実施例の金属キャップは広い電圧範囲にわたって良好な溶接状態が得られていること、また、金属キャップとステムとの挟圧力をより大きくした場合に、良好な溶接状態が得られることを示す。
これらの実験結果は、金属キャップのフランジ部の構成を表１の形態、すなわち、突起の内側領域の溶接面の高さに比べて、突起の外側領域の溶接面の高さを高くすることによってより安定した抵抗溶接が可能になること、金属キャップとステムとを加圧する加圧力を大きくすることによって、さらに安定した抵抗溶接が可能になり、溶接部分の封着性が向上することを示している。

なお、前述した実施形態においては金属キャップとステムとを抵抗溶接して組み立てる半導体レーザ装置の例を示したが、本発明は、半導体レーザ装置に限らず、フランジ部とステムとを抵抗溶接して組み立てる半導体装置については共通に適用される。

本発明に係る金属キャップの構成を示す断面図である。 本発明に係る金属キャップのフランジ部分の構成を示す断面図である。 本発明に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 金属キャップとステムの他の構成例を示す断面図である。 金属キャップとステムとを抵抗溶接する方法を示す説明図である。

符号の説明

１０ 金属キャップ
１０ａ フランジ部
１１ 突起
１５ 下電極
２０ ステム
２２ リード線
２５ 上電極
３０、３５ 金属キャップ
３０ａ、３５ａ フランジ部
３０ｂ、３０ｃ、３５ｂ、３５ｃ 溶接面
３１、３６ 突起
３４ 溶接部

Claims (7)

1. キャップ状に形成された本体の開口縁にフランジ部が設けられた金属キャップと、ステムとを、前記フランジ部をステムに抵抗溶接して組み立てた半導体装置において、
   前記フランジ部と前記ステムとが当接して溶接される溶接面の一方に、周方向に一周する突起が設けられ、
   該突起が設けられた部位の外側の領域で対向する溶接面間の間隔が、該突起が設けられた部位の内側の領域で対向する溶接面間の間隔よりも広く設定されて、前記フランジ部と前記ステムとが抵抗溶接されたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記突起が、前記フランジ部の溶接面に設けられ、
   前記フランジ部の前記突起の外側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔が、前記突起の内側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔よりも広く設定され、
   前記ステムの溶接面が平坦面に形成されて、前記フランジ部と前記ステムとが抵抗溶接されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記突起が、前記ステムの溶接面に設けられ、
   該ステムの前記突起の外側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔が、前記突起の内側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔よりも広く設定される一方、
   前記フランジ部の溶接面が平坦面に形成されて、前記フランジ部と前記ステムとが抵抗溶接されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記突起が、断面形状で台形に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体装置。
5. キャップ状に形成された本体の開口縁にフランジ部が設けられ、フランジ部がステムに抵抗溶接により取り付けられる金属キャップであって、
   前記フランジ部の溶接面に、周方向に一周する突起が設けられ、
   該突起の外側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔が、前記突起の内側の溶接面と前記突起の先端との離間間隔よりも広く設けられていることを特徴とする金属キャップ。
6. 前記突起が、断面形状で台形に形成されていることを特徴とする請求項５記載の金属キャップ。
7. 前記金属キャップの本体の外面に、ニッケルめっきが施されていることを特徴とする請求項６記載の金属キャップ。

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