JP2016111240A - 半導体素子収容筐体、半導体モジュール、及び半導体素子収容筐体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材料費を削減して製造できる半導体素子収容筐体を実現する。【解決手段】筐体（１００）は、少なくとも、半導体レーザチップ（３２）を搭載する基板（１０）と、半導体レーザチップ（３２）を取り囲む枠部（５０）と、枠部（５０）を介して基板（１０）と対向する蓋部（４０）と、を備え、基板（１０）には金メッキが施されており、枠部（５０）には金メッキが施されていない。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を収容するための半導体素子収容筐体、また、それを用いた半導体モジュール、及び半導体素子収容筐体の製造方法に関する。

従来から様々な機器に各種の半導体モジュールが用いられている。半導体モジュールとして、例えば、ＬＤ（Laser diode）、ＬＥＤ（light-emitting diode）等の発光素子やＰＤ（photo diode）等の受光素子といった光半導体素子が筐体内に収容され、当該光半導体素子とが外部との導通を取る電極端子と、当該光半導体素子と光学的に結合した光ファイバとが、筐体外から挿入された構造を有するものがある。

このような半導体モジュールに用いられる半導体素子は、駆動時の放熱性が重要となるため、はんだ付けにより筐体の底板となる基板へ接合される。基板へのはんだ接合を得るためには、基板に金メッキを施す必要がある。なお、モジュールの信頼性を確保するために、半導体素子は基板に直接に接合するのではなく、中間部材を介して接合されることもある。この場合、中間部材が基板にはんだ付けされることになる。

ここで、通常、半導体モジュールの筐体の製造において、金メッキは、筐体の底部と側部とを一体で削り出した後に、実施される。よって、金メッキは、筐体の底部と側部との両方に実施される。あるいは、特許文献１に開示されているように基体と枠体とが別々に設けられている場合でも枠体に金メッキ必要となる。これは、ファイバを通すための貫通孔をはんだにより封止するためである。この場合は、基体と枠体とをろう付けした後に、筐体全体に金メッキを施すことが多い。

特開２０１３−３０６４０号公報（２０１３年２月７日公開）

上記のように、従来の半導体モジュールでは底板である基板に金メッキが必要な場合、基板だけでなく枠部にも金メッキが施される。そのため、金メッキが不要な筐体の側面にも金メッキが施され、金の使用が多くなり、筐体の材料費が高額になるという問題がある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、材料費を削減して製造できる半導体素子収容筐体、それを用いた半導体モジュール、及び半導体素子収容筐体の製造方法を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、半導体素子を収容する半導体素子収容筐体であって、少なくとも、前記半導体素子を搭載する基板と、当該基板に搭載される当該半導体素子を取り囲む枠部と、当該枠部を介して当該基板と対向する蓋部とを備え、前記基板には金メッキが施されており、前記枠部には金メッキが施されていないことを特徴とする。

上記構成によると、半導体素子収容筐体の枠部には金メッキが施されていないため、基板と枠部との両方に金メッキを施す場合と比べて金メッキのコストを削減でき、よって、半導体素子収容筐体の製造コストを、引いては半導体モジュールの製造コストを、削減することができる。

さらに、半導体素子収容筐体の枠部には金メッキが施されていないことにより、次の効果を奏する。半導体素子収容用筐体の枠部には、筐体外から挿入する電極端子や光ファイバといった挿入部材を通すための、あるいは挿入部材を固定する保持部材を設置するための、貫通孔が設けられる。枠部に金メッキを施す場合、製造工程において貫通孔を設けてから金メッキを施すため、貫通孔内部（内側）にも金メッキが施される。そのため、挿入部材あるいは保持部材を、樹脂を用いて接合させると、貫通孔内部の金メッキが樹脂を弾いて、貫通孔内部と挿入部材あるいは保持部材との接合が不確実となることがある。この場合、筐体内の気密が保持されないという問題が生じる。しかしながら、本発明の上記構成によると、貫通孔内部にも金メッキが施されていないため、貫通孔内部と挿入部材あるいは保持部材とを樹脂を用いて確実にかつ強固に接合することができる。よって、筐体の気密を確保することができる。

以上のことからわかるように、上記構成によると、材料費を削減して製造でき、気密を確保することが可能な、半導体素子収容筐体を提供することができる。

また、本発明に係る上記の半導体素子収容筐体において、前記蓋部に金メッキが施されていてもよい。

上記構成によると、蓋部に金メッキが施されていることで、蓋部と枠部とを溶接（例えば、シーム溶接）により気密性の高い接合をすることができる。枠部への蓋部の取り付けは半導体モジュールの製造における最終工程にて筐体内部の気密を確保するように行われる。そのため、蓋部と枠部とを樹脂にて接合すると有機溶剤が筐体内で揮発して、筐体内に収容された半導体素子等に悪影響を及ぼす場合もある。よって、溶接による接合が好ましい。上記構成によると、溶接により蓋部と枠部とを接合させることができるため、筐体内部に収容する半導体素子の機能性を保証することがでる。

また、本発明に係る半導体素子収容筐体において、前記基板における前記枠部との接合領域には金メッキが施されていなくてもよい。

上記構成によると、基板の枠部との接合部に金メッキが施されていないことで、基板と枠部との樹脂を用いた接合（樹脂組立）を強固にすることができる。

また、本発明に係る半導体素子収容筐体において、前記枠部の表面には、ニッケルメッキが施されていてもよい。

上記構成によると、枠部表面のニッケルメッキは、上記した貫通孔内部にも施される。ニッケルは樹脂との接着性がよいため、貫通孔内部と挿入部材あるいは保持部材とを、樹脂を用いてより確実に接合することができる。よって、筐体の気密をより確実なものとすることができる。

また、本発明に係る半導体素子収容筐体において、前記枠部には、光ファイバを貫通させるための第１貫通孔と、前記半導体素子と外部との導通を取る端子を固定する保持部材を設置するための第２貫通孔とが形成されており、前記第１貫通孔における前記光ファイバと前記枠部との第１接合部、及び、前記第２貫通孔における前記保持部材と前記枠部との第２接合部は、樹脂にて形成されていてもよい。

上記構成によると、第１貫通孔内部と光ファイバとの第１接合部、及び、第２貫通孔内部と保持部材との第２接合部は、樹脂にて形成されていることで、はんだにて形成される場合に比べて、低温で形成することができる。よって、筐体を用いた半導体モジュールの製造工程において、基板に搭載された半導体素子に高温による悪影響を与えるのを防ぐことができる。また、樹脂を用いて接合部を形成する場合、はんだよりもコストを抑えることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る半導体モジュールは、前記本発明に係る半導体素子収容筐体と、前記基板に搭載された半導体素子と、を備えたことを特徴とする。

上記構成によると、本発明に係る半導体素子収容筐体を備えているため、製造費を削減しつつも、気密が確保された信頼性の高い半導体モジュールを実現することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る半導体素子収容筐体の製造方法は、半導体素子を収容する半導体素子収容筐体の製造方法であって、前記半導体素子を搭載する基板であって、金メッキが施された基板と、当該基板に搭載される前記半導体素子を取り囲む枠部であって、金メッキが施されていない枠部とを接合する接合工程を含む、ことを特徴とする。

上記製造方法によると、上記の半導体素子収容筐体と同様の効果を奏し、気密を確保できる筐体を、材料費を削減して製造することができる。

本発明によると、材料費を削減して製造でき、気密を確保することが可能な、半導体素子収容筐体を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザモジュールの全体像を示す斜視図である。 図１に示す半導体レーザモジュールのＡＡ’矢視断面図である。 図１に示す半導体レーザモジュールの筐体の各部の断面図であり、（ａ）基板の断面図、（ｂ）枠部の断面図、（ｃ）蓋部の断面図である。 図１に示す半導体レーザモジュールの製造方法の手順を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態について図面に基づいて以下に説明する。本実施の形態では、本発明に係る半導体モジュールが半導体レーザモジュールである場合について説明する。

（半導体レーザモジュール）
図１は、本実施の形態の半導体レーザモジュール（半導体モジュール）１の全体像を示す斜視図である。図２は、図１の半導体レーザモジュール１のＡＡ’矢視断面図である。図１及び２に示すように、半導体レーザモジュール１は、光ファイバ２の末端に装着されるものであり、筐体（半導体素子収容筐体）１００、ＣｏＳ（Chip on Submount、中間部材）３０、及びファイバマウント２０を備えている。筐体１００は、ＣｏＳ３０を収容するケースであり、基板１０と枠部５０と蓋部４０とを備えている。なお、図１においては、半導体レーザモジュール１の内部の構造を明らかにするために、枠部５０の一部を省略し、かつ、枠部５０から蓋部４０を外して描画している。

基板１０は、筐体１００の底板であり、ＣｏＳ３０を搭載させる部材である。本実施形態においては、図１に示すように、基板１０として、上面（主面）及び下面が角丸矩形の板状部材を用いる。基板１０は、半導体レーザモジュール１の内部（特にＣｏＳ３０）で発生した熱を半導体レーザモジュール１の外部に放熱するためのヒートシンクとして機能する。このため、基板１０は、熱伝導率の高い材料により構成される。また、基板１０とＣｏＳ３０とをはんだ接合させるため、基板１０には金メッキが施されている。

基板１０は、本実施形態では、図３の（ａ）に示すように、モリブデン（Ｍｏ）にニッケル（Ｎｉ）メッキを施し、さらに金メッキ（Ａｕ）を施して形成されている。なお、図３の（ａ）では、基板１０の上面及び下面に、ニッケルメッキ及び金メッキを施したものを示しており、基板１０の側面については省略しているが、基板１０の側面にもニッケルメッキ及び金メッキが施されている。

基板１０の上面には、図１に示すように、ＣｏＳ３０とファイバマウント２０とが載置される。基板１０の上面において、ファイバマウント２０は、光ファイバ２が引き出される側（図１において右手前側、以下では「ファイバ側」と記載）に配置され、ＣｏＳ３０は、光ファイバ２が引き出される側と反対側（図１において左奥側、以下では「リード側」と記載）に配置される。

ＣｏＳ３０は、レーザマウント３１と半導体レーザチップ（半導体素子）３２とが一体化されたものである。レーザマウント３１は、半導体レーザチップ３２を支持する支持体であり、本実施形態においては、図１に示すように、レーザマウント３１として、主面が矩形状の板状部材を用いる。この板状部材として、例えば、銅（Ｃｕ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、銅（Ｃｕ）が、この順に積層されて構成されたものを用いることができる。

レーザマウント３１は、その下面と基板１０の上面との間に広がったはんだ１１によって、基板１０の上面に接合される。本実施形態においては、はんだ１１として、例えば、Ｉｎ−Ｓｎ系はんだを用いることができる。

半導体レーザモジュール１においては、半導体レーザチップ３２を駆動している間、半導体レーザチップ３２から熱が発生する。発生した熱は、レーザマウント３１、はんだ１１を介して基板１０に伝導し、基板１０の下面から外部に放熱される。

図１に示すように、レーザマウント３１の上面には、互いに離間した２枚の電極パッド３５、３６が形成されている。第１電極パッド３５は、第１リード（電極端子）５２にワイヤ５４を介して接続されると共に、半導体レーザチップ３２の下面に直接接合される。他方、第２電極パッド３６は、第２リード（電極端子）５３にワイヤ５５を介して接続されると共に、半導体レーザチップ３２とはその上面にワイヤ３３を介して接続される。これにより、第１リード５２、ワイヤ５４、第１電極パッド３５、半導体レーザチップ３２、ワイヤ３３、第２電極パッド３６、ワイヤ５５、及び第２リード５３をこの順に通る電流路が形成される。

半導体レーザチップ３２は、長手軸に直交する一方の端面３２ａからレーザ光を発するレーザ光源である。本実施形態においては、半導体レーザチップ３２として、主にＧａＡｓ（ガリウム砒素）からなる半導体レーザ素子を用いる。半導体レーザチップ３２は、図１に示すように、その長手方向がレーザマウントの長手方向と平行になるように、かつ、その端面３２ａが光ファイバ２の入射端面と対向するように配置されている。

ファイバマウント２０は、光ファイバ２を支持する支持体である。本実施形態においては、例えば、モリブデンが用いられ、ファイバマウント２０は、基板１０の上面にはんだにて接合される。

ファイバマウント２０には、図１及び２に示すように、枠部５０に形成された光ファイバ挿通パイプ５１を通して半導体レーザモジュール１の内部に引き込まれた光ファイバ２が載置される。光ファイバ２は、その被覆２１から露出し楔状に加工された先端２ａが半導体レーザチップ３２の端面３２ａに正対するように配置され、樹脂６１によってファイバマウント２０の上面に接合される。なお、光ファイバ２をはんだによって樹脂６１によってファイバマウント２０の上面に接合してもよい。

光ファイバ２は、半導体レーザチップ３２と光軸調心を行われた上で光学的に接続されており、半導体レーザチップ３２の端面３２ａから発せられたレーザ光は、先端２ａから光ファイバ２に入射し、光ファイバ２内を伝搬する。なお、光ファイバ２は、図２に示すように、筐体１００内においてその被覆２１から露出している。

枠部５０は、筐体１００の枠を形成し、ＣｏＳ３０及びファイバマウント２０を取り囲む部材である。図１に示すように、本実施形態では、枠部５０は、一体形成されているが、例えば４つの板状部材を枠状に接合して形成してもよい。本実施形態では、枠部５０は、図３の（ｃ）に示すように、ステンレススチール（ＳＵＳ）にニッケル（Ｎｉ）メッキを施して形成されている。枠部５０と基板１０とは樹脂により接合され、よって、枠部５０と基板１０との接合部１５は樹脂により形成されている。

また、本実施形態では、図１及び２に示すように、枠部５０において、ファイバ側に光ファイバ挿通パイプ５１が形成され、リード側にリード保持部材（保持部材）５６が固定されている。

光ファイバ挿通パイプ５１は、図１及び２に示すように、枠部５０のファイバ側に枠部５０と一体に設けられ、枠部５０から基板１０に平行な方向に延伸している筒状のパイプであって、その内部が筐体１００の内部から外部に貫通している。この貫通している部分を以下では、第１貫通孔５０ａと称する。本実施形態では、図２に示すように、光ファイバ挿通パイプ５１は枠部５０と一体形成されているが、枠部５０に貫通孔を形成し、光ファイバ挿通パイプ５１を挿入して固定する構成であってもよい。

第１貫通孔５０ａに挿入された光ファイバ２は、その被覆２１と第１貫通孔５０ａ内部（内側）とが樹脂接着されることで、光ファイバ挿通パイプ５１に固定されている。つまり、光ファイバ２の被覆２１と第１貫通孔５０ａ内部との接合部である第１接合部１８は、樹脂で形成されている。

第１リード５２及び第２リード５３は、樹脂から形成されたリード保持部材５６によって固定され、リード保持部材５６は樹脂によって、枠部５０に設けられた第２貫通孔５０ｂに固定される。つまり、リード保持部材５６と第２貫通孔５０ｂ内部との接合部である第２接合部１６は、樹脂で形成されている。

上記のように、枠部５０の表面のニッケルメッキは、第１貫通孔５０ａ内部及び第２貫通孔５０ｂ内部にも施される。ニッケルは樹脂との接着性がよいため、第１貫通孔５０ａ内部と光ファイバ２の被覆２１、及び第２貫通孔５０ｂ内部とリード保持部材５６とを、樹脂を用いて確実に接合することができる。よって、筐体１００の気密をより確実なものとすることができる。接合に用いられる樹脂としては、熱硬化樹脂が好適である。

蓋部４０は、筐体１００の天井板であり、本実施形態においては、図１に示すように、基板１０と同様の形状の板状部材を用いる。蓋部４０は、枠部５０と溶接により接合させるため、金メッキが施されている。蓋部４０と枠部５０との接合部１７はシーム溶接によって形成される。

蓋部４０は、本実施形態では、図３の（ｂ）に示すように、ステンレススチール（ＳＵＳ）にニッケル（Ｎｉ）メッキを施し、さらに金メッキ（Ａｕ）を施して形成されている。なお、図３の（ｂ）では、蓋部４０の上面及び下面に、ニッケルメッキ及び金メッキを施したものを示しており、蓋部４０の側面については省略しているが、蓋部４０の側面にもニッケルメッキ及び金メッキが施されている。

以上のように、半導体レーザモジュール１では、筐体１００の枠部５０には金メッキが施されていないため、基板１０と枠部５０との両方に金メッキを施す場合と比べて金メッキのコストを削減でき、よって、筐体１００の製造コストを、引いては半導体レーザモジュール１の製造コストを、削減することができる。

さらに、枠部５０には金メッキが施されていないことにより、第１貫通孔５０ａ及び第２貫通孔５０ｂ内部にも金メッキが施されていないため、第１貫通孔５０ａ内部と光ファイバ２とを、あるいは第２貫通孔５０ｂとリード保持部材５６とを、樹脂を用いて確実にかつ強固に接合することができる。よって、筐体１００の気密を確保することができる。

このように、筐体１００は、材料費を削減して製造でき、気密を確保することが可能であるため、半導体レーザモジュール１の高い信頼性を確保することができる。

また、筐体１００では、蓋部４０に金メッキが施されていることで、蓋部４０と枠部５０とを溶接により接合させることができる。枠部５０への蓋部４０の取り付けは半導体レーザモジュール１の製造における最終工程にて筐体１００内部の気密を確保するように行われる。そのため、蓋部４０と枠部５０とを樹脂にて接合すると有機溶剤が筐体１００内部で揮発して、ＣｏＳ３０等に悪影響を及ぼす場合もある。よって、溶接による接合が好ましい。本実施形態では、蓋部４０に金メッキが施されていることにより、溶接により蓋部４０と枠部５０とを接合させることができるため、筐体１００内部に収容するＣｏＳ３０の機能性を保証することがでる。

また、光ファイバ２の被覆２１と第１貫通孔５０ａ内部との第１接合部１８、及び、リード保持部材５６と第２貫通孔５０ｂ内部との第２接合部１６は、樹脂にて形成されていることで、はんだにて形成される場合に比べて、低温で形成することができる。よって、半導体レーザモジュール１の製造工程において、基板１０に搭載されたＣｏＳ３０に高温による悪影響を与えるのを防ぐことができる。また、樹脂を用いて第１接合部及び第２接合部を形成する場合、はんだよりもコストを抑えることができる。

なお、本発明に係る半導体モジュールは、半導体レーザモジュール１に限定されることはなく、各部材についての、形状、構造、大きさ等は、半導体モジュールの用途、目的に応じて、適宜選択することができる。

（製造方法）
本実施形態に係る筐体１００の製造方法は、金メッキが施された基板１０と、金メッキが施されていない枠部５０とを接合する接合工程を含む製造方法として説明することできる。以下ではこの接合工程を含む、本実施形態に係る半導体レーザモジュールの製造方法について説明する。図４は、半導体レーザモジュール１の製造方法の手順を示すフローチャートである。

図４に示すように、半導体レーザモジュール１の製造は、以下の工程Ｓ１〜Ｓ７によって実現される。

工程Ｓ１：基板１０及び蓋部４０に金メッキを施す。

工程Ｓ２：半導体レーザチップ３２をレーザマウント３１にはんだ接合する。より具体的には、半導体レーザチップ３２をレーザマウント３１上面に形成された第１電極パッド３５にはんだ付けする。そして、半導体レーザチップ３２と第２電極パッド３６とをワイヤ３３を介して接続する。

工程Ｓ３：レーザマウント３１を基板１０の上面にはんだ接合する。

工程Ｓ４：基板１０と枠部５０とを樹脂により接合する。この工程が、筐体１００の製造方法における、金メッキが施された基板１０と、金メッキが施されていない枠部５０とを接合する接合工程である。

工程Ｓ５：第１リード５２及び第２リード５３が固定されたリード保持部材５６を第２挿入穴に挿入し、リード保持部材５６と第２貫通孔５０ｂ内部とを樹脂により接合する。この後、第１電極パッド３５と第１リード５２とをワイヤ５４を介して接続するとともに、第２電極パッド３６と第２リード５３とをワイヤ５５を介して接続する。そして、光ファイバ２を第１貫通孔５０ａに挿入し、半導体レーザチップ３２との光学的位置合わせ（調心）を行って、ファイバマウント２０に樹脂６１によって固定する。さらに、光ファイバ２の被覆２１と第１貫通孔５０ａ内部とを樹脂により接合する。

工程Ｓ６：枠部５０と蓋部４０とをシーム溶接により接合する。

以上の製造方法によれば、確実に気密封止された信頼性の高い半導体レーザモジュール１を製造することができる。なお、工程Ｓ２および工程Ｓ３を実施する前に、工程Ｓ４を実施してもよい。

（変形例）
上記では、本発明に係る半導体素子収容筐体に用いられる基板として、基板１０表面全体に金メッキを施した構成について説明したが、基板１０における枠部５０との接合領域に金メッキが施されていない構成であってもよい。このように基板１０における枠部５０との接合領域に金メッキが施されていない構成であると、基板１０と枠部５０との樹脂を用いた接合（樹脂組立）を強固にすることができる。

この場合、基板１０表面において枠部５０と接合される領域を、金メッキされないように保護してから、金メッキ処理するようにすればよい。

なお、本発明は上述した実施形態または変形例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態または変形例に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、半導体素子を収容するための半導体素子収容筐体、また、それを用いた半導体モジュールに好適に利用することができる。また、半導体素子収容筐体の製造方法に好適に適用することができる。収容する半導体素子として発光素子や受光素子を対象とすると、例えば光通信システムに用いる光モジュールやその製造方法に利用することができる。

１ 半導体レーザモジュール（半導体モジュール）
２ 光ファイバ
１０ 基板
１６ 第２接合部
１８ 第１接合部
２１ 被覆
３０ ＣｏＳ（Chip on Submount、半導体素子）
３１ レーザマウント
３２ 半導体レーザチップ（半導体素子）
３２ａ 端面
４０ 蓋部
５０ 枠部
５０ａ 第１貫通孔
５０ｂ 第２貫通孔
５１ 挿通パイプ
５２ 第１リード（電極端子）
５３ 第２リード（電極端子）
５６ リード保持部材（保持部材）
１００ 筐体（半導体素子収容筐体）

Claims (6)

1. 半導体素子を収容する半導体素子収容筐体であって、
   少なくとも、前記半導体素子を搭載する基板と、当該基板に搭載される当該半導体素子を取り囲む枠部と、当該枠部を介して当該基板と対向する蓋部とを備え、
   前記基板には金メッキが施されており、前記枠部には金メッキが施されていないことを特徴とする半導体素子収容筐体。
2. 前記蓋部に金メッキが施されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子収容筐体。
3. 前記枠部の表面には、ニッケルメッキが施されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子収容筐体。
4. 前記枠部には、光ファイバを貫通させるための第１貫通孔と、前記半導体素子と外部との導通を取る電極端子を固定する保持部材を設置するための第２貫通孔とが形成されており、
   前記第１貫通孔における前記光ファイバと前記枠部との第１接合部、及び、前記第２貫通孔における前記保持部材と前記枠部との第２接合部は、樹脂にて形成されていること特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体素子収容筐体。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体素子収容筐体と、
   前記基板に搭載された半導体素子と、を備えたことを特徴とする半導体モジュール。
6. 半導体素子を収容する半導体素子収容筐体の製造方法であって、
   前記半導体素子を搭載する基板であって、金メッキが施された基板と、当該基板に搭載される前記半導体素子を取り囲む枠部であって、金メッキが施されていない枠部とを接合する接合工程を含む、
   ことを特徴とする半導体素子収容筐体の製造方法。

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