JP4374300B2

JP4374300B2 - 半導体装置用キャップ

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Publication number: JP4374300B2
Application number: JP2004255092A
Authority: JP
Inventors: 靖畠山
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-09-02
Also published as: KR20060050635A; JP2006073776A; EP1633025A2; EP1633025A3; US7208773B2; US20060043404A1

Description

本発明は、光ディスクの記録再生装置などに用いられる半導体レーザ装置の組立に使用される半導体装置用キャップに関し、より詳細には、キャップ本体に光透過窓体が無鉛の低融点ガラスを用いて封着された半導体装置用キャップに関する。

半導体レーザ装置としては、たとえば図５に示す構成のものが知られている。この半導体レーザ装置は、円形板状の金属製ステム１に立設した金属ブロック（ヒートシンク）の側面に、光源となる半導体レーザ素子２が搭載され、その半導体レーザ素子２の下方にレーザ素子からの出力をモニタするためのＰＩＮフォトダイオードなどのモニタ用素子４が搭載されたものである。金属製ステム１を貫通する貫通穴５にはリードピン６が挿通されてガラス封着され、リードピン６と半導体レーザ素子２、モニタ用素子４とがボンディングワイヤ８を介して電気的に接続されている。なお、リードピン６のうちの一本は接地用リードピンとして金属製ステム１の下面に溶接されている。

半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子２等が搭載された金属製ステム１の素子搭載面に半導体装置用キャップ１０を気密に封着して形成される。半導体装置用キャップ１０は、金属材をプレス加工して端面に光透過孔１２ａが形成されたキャップ状に形成されたキャップ本体１２の内面側から、光透過孔１２ａを封止するようにガラス板からなる光透過窓体１４を封着して形成される。キャップ本体１２は、フランジ部を金属用ステム１の周縁部に溶接することにより金属用ステム１に接合される（特許文献１参照）。

光透過窓体１４をキャップ本体１２に封着する方法には、キャップ本体１２を大気中で加熱処理してキャップ本体１２の表面に酸化膜を形成し、この酸化膜を利用して低融点ガラスにより光透過窓体１４を封着し、キャップ本体１２の表面の不要な酸化膜を除去した後、キャップ本体１２にニッケルめっきなどの耐蝕めっきを施して製品とする方法、また、キャップ本体１２の表面にニッケルめっきを施し、封着時に低融点ガラスとニッケルめっきとの界面に、低融点ガラスに含まれる鉛（Ｐｂ）成分とニッケルめっきのニッケル（Ｎｉ）との共晶反応によるＮｉ−Ｐｂ共晶合金層を形成して光透過窓体１４を封着する方法がある。

後者の方法によれば、光透過窓体１４をキャップ本体１２に封着した後の、めっき工程が不要であり、低融点ガラスがめっき液に侵食されることがなく、また酸化膜の除去工程が不要で、製造工程の簡略化を図ることができるという利点がある。
図４は、ニッケルと低融点ガラスに含まれるＰｂとの共晶反応を利用してキャップ本体１２に光透過窓体１４を封着した封着部の構成を拡大して示している。キャップ本体１２（金属）の表面に形成されたＮｉめっき１８と低融点ガラス１６との界面に、低融点ガラスに含まれるＰｂ成分とＮｉとの共晶反応によるＮｉ−Ｐｂ共晶合金層２０が形成されている。

ところで、近年、環境保護の観点から鉛成分を含まない低融点ガラスを用いて光デバイスを製造する方法が提案されている。たとえば、光透過窓体を封着する封着用ガラスとして、鉛を含有しないＳｎＯ−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスを使用して半導体装置用キャップを製造する方法（特許文献２参照）である。
特開平６−５９９０号公報特開２００３−３４５４９号公報

このように、半導体装置用キャップの製造工程においてはＳｎＯ−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスを使用するといった方法によって無鉛化が図られているが、ＳｎＯ−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスを低融点ガラスとして使用した場合は、従来から用いられているＰｂ系の低融点ガラスを使用した場合と比較して、気密性および耐久性の点で問題があり、高度の気密性および耐久性が求められる半導体装置用キャップとしては、十分な信頼性が得られないという問題があった。

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、光透過窓体をキャップ本体に封着する封着材として鉛を含有しない低融点ガラスを使用することによって製造工程における無鉛化を図るとともに、半導体レーザ装置あるいは光学デバイス等に求められる高度の気密性、耐湿性を備え、信頼性の高い半導体装置用キャップを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の半導体装置用キャップは次の構成を備える。
すなわち、光透過孔が設けられたキャップ本体に、前記光透過孔を閉塞して、光透過窓体が低融点ガラスを封着材として封着された半導体装置用キャップにおいて、前記低融点ガラスが無鉛のバナジン酸塩系の低融点ガラスからなり、かつキャップ本体の表面に被着された金属がパラジウム（Ｐｄ）であって、前記光透過窓体が、前記低融点ガラスに含有されるバナジウム（Ｖ）と前記キャップ本体の表面に被着されたパラジウム（Ｐｄ）との共晶反応により形成された共晶合金層を介して封着されていることを特徴とする。
なお、バナジン酸塩系の低融点ガラスとは、バナジウム（Ｖ）を主要な構成成分とする（たとえば、酸化物（酸化バナジウム）換算で２０重量％以上含有する）低融点ガラスであり、本発明においては鉛成分を含有しない無鉛ガラスをいう。また、低融点ガラスとは、光透過窓体よりも融点の低いガラスであって、光透過窓体が溶融しない加熱温度下で当該窓体を封着することができる特性を持つガラスである。光透過窓体の封着には５００℃程度で溶融する低融点ガラスが用いられる。したがって、キャップ本体の表面にめっき等の公知の成膜方法を利用して被着する金属としては、光透過窓体を封着する際の封着温度以下で低融点ガラスに含まれているバナジウム（Ｖ）と共晶合金を形成する金属が用いられる。

また、パラジウム（Ｐｄ）を、キャップ本体の表面に形成した下地めっきとしてのニッケルめっき上にパラジウムめっきによって被着し、その際に、前記ニッケルめっきの表面を粗面に形成することによって、光透過窓体をキャップ本体に強固に封着できる。
更に、ニッケルめっきの厚さを４μｍ〜９μｍとし、パラジウムめっきの厚さを０．１μｍ〜０．５μｍとすることが好ましい。

本発明に係る半導体装置用キャップは、鉛を含有しないバナジン酸塩系の低融点ガラスを封着材として光透過窓体をキャップ本体に封着したことにより、半導体装置用キャップの製造工程での無鉛化を図ることができ、これによって環境に悪影響を与えない半導体装置用キャップとして提供することができる。また、低融点ガラスを溶融して光透過窓体をキャップ本体に封着する際に、低融点ガラスに含有されるバナジウム（Ｖ）と、キャップ本体の表面に被着されたパラジウム（Ｐｄ）との共晶反応によって形成される共晶合金層を介して光透過窓体が封着されることにより、光透過窓体が強固にキャップ本体に封着され、十分な接着強度を備え、気密性、耐湿性の優れた半導体装置用キャップとして提供される。

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。
（実施形態１）
図1は、本発明に係る半導体装置用キャップ１０の構成を示す断面図である。この半導体装置用キャップ１０は、封着材として無鉛の低融点ガラス１６を使用してキャップ本体１２に光透過窓体１４を封着したものである。キャップ本体１２は金属材をプレス加工することにより開口周縁にフランジ部を有するキャップ状に形成され、上部に光透過孔１２ａが設けられている。軟質ガラス等からなる板状の光透過窓体１４は光透過孔１２ａの周縁部にキャップ本体１２の内面側から低融点ガラス１６によって光透過孔１２ａを閉塞するように封着されている。なお、キャップ本体１２の材質はとくに限定されるものではなく、たとえば、鉄、鉄−ニッケル合金、鉄−コバルト−ニッケル合金または銅およびニッケルを主成分とする合金等を用いることができる。

本実施形態の半導体装置用キャップ１０において特徴的な構成は、第１に、キャップ本体１２に光透過窓体１４を封着する封着材として、従来から使用されている鉛系の低融点ガラスに替えて、鉛を含有しないバナジン酸塩系の低融点ガラスを使用する構成である。
また、第２に、キャップ本体１２の表面に、封着材として使用するバナジン酸塩系の低融点ガラスに含まれているバナジウム（Ｖ）と光透過窓体１４を封着する際の温度で共晶反応を生じるパラジウムや金といった金属を被着させておき、低融点ガラスを溶融して光透過窓体１４をキャップ本体１２に封着する際に、キャップ本体１２と低融点ガラス１６との界面に、キャップ本体１２の表面に被着された金属と低融点ガラスに含まれているバナジウムとの共晶合金層を形成して光透過窓体１４を封着する構成である。

バナジウムとの共晶合金層を形成するためにキャップ本体１２の表面に設ける金属、たとえばパラジウムや金は、共晶反応を起こさせるに必要な厚さに設けておけばよい。キャップ本体１２の表面に、バナジウムと共晶反応をおこす金属をめっきによって被着する際に、ニッケルめっき等のキャップ本体１２を保護する下地めっきを施した後、パラジウムめっき等の所要のめっきを施すようにしてもよい。

以下では、封着材としてバナジン酸塩系の低融点ガラスを使用し、キャップ本体１２の表面にバナジウムと共晶反応する金属としてパラジウムを被着して半導体装置用キャップを製造する例について説明する。

バナジン酸塩系の低融点ガラスの組成には種々のものがあるが、本実施形態では、酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）を主成分とし、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を含むものを使用した。なお、実施形態で使用した低融点ガラスは、酸化バナジウムを２２重量％含有するものである。
低融点ガラスに含まれるバナジウムはキャップ本体１２の表面に被着されたパラジウムと共晶合金層を形成して光透過窓体１４を気密に封着する作用を有する。したがって、光透過窓体１４の封着材として使用する低融点ガラス材中には相当程度バナジウムが含有されている（酸化物換算で２０重量％以上程度）必要がある。

このバナジン酸塩系の低融点ガラスを光透過窓体１４の封着材として使用する際には、キャップ本体１２の光透過孔１２ａの寸法に合わせてあらかじめリング状のタブレットに粉末成形したものを、キャップ本体１２および光透過窓体１４とともに治具にセットして使用するか、あるいはバナジン酸塩系の低融点ガラスをペースト状に形成し、光透過窓体１４にペーストを塗布して使用する。

本実施形態では、キャップ本体１２に下地めっきとしてニッケルめっきを施し、次いでニッケルめっきの表面にパラジウムめっきを施した。ニッケルめっきおよびパラジウムめっきは共にバレルめっき法による電解めっきによってキャップ本体１２に施した。これによって、キャップ本体１２の表面の全面にパラジウムが被着される。なお、ニッケルめっきの厚さは４μｍ〜９μｍ、パラジウムめっきの厚さは、０．１μｍ〜０．５μｍである。光透過窓体１４を封着するに必要な共晶合金層を形成するためには、パラジウムめっきの厚さは０．１μｍ程度あればよい。

次に、キャップ収納凹部が形成された治具にキャップ本体１２の開口部を上向きにしてキャップ本体１２を収納し、キャップ本体１２内に低融点ガラスのタブレットと光透過窓体１４とをこの順に重ねて配置する。次いで、これらキャップ本体１２、タブレット、光透過窓体１４を組み込んだ治具を加熱炉に入れ、窒素ガス雰囲気中で５００℃まで加熱し、低融点ガラスを溶融してキャップ本体１２に光透過窓体１４を封着する。加熱炉内で低融点ガラスが溶融される際に、キャップ本体１２の表面に被着されたパラジウムめっきのＰｄと低融点ガラスに含有されているバナジウム（Ｖ）とが共晶反応を起こし、Ｐｄ−Ｖの共晶合金が形成されて光透過窓体１４がキャップ本体１２に封着される。

図２は、光透過窓体１４とキャップ本体１２との封着部の界面の近傍部分の構成（図１のＡ部分）を拡大して示す概略図である。
図２(a)は、光透過窓体１４を封着する前の状態で、キャップ本体１２側にニッケルめっき１８とパラジウムめっき２２が形成され、パラジウムめっき２２に接してバナジン酸塩系の低融点ガラス１６ａが配置されていることを示す。

図２(b)は光透過窓体１４を封着した後の状態を示す。光透過窓体１４が封着された状態では、バナジン酸塩系の低融点ガラス１６ａに含まれているバナジウムとパラジウムめっき２２のＰｄとが拡散して共晶反応が生じ、キャップ本体１２と低融点ガラス１６ａとの界面にＰｄ−Ｖの共晶合金層２４が形成され、このＰｄ−Ｖの共晶合金層２４によって光透過窓体１４がキャップ本体１２に気密に封着される。

このようにして作製した半導体装置用キャップ１０について、光透過窓体１４とキャップ本体１２との接着強度、気密性および耐湿性について評価試験を行った。試験結果を以下のＡ〜Ｃに示す。

Ａ．接着強度に関する評価試験
表１は、(a)キャップ本体の外側面（胴体部分）を両側から挟み込むように加圧し、光透過窓体がキャップ本体から剥離するときの荷重値と、(b)キャップ本体に封着した光透過窓体を上方から加圧し、光透過窓体がキャップ本体から剥離するときの荷重値を測定した結果を示す。比較例として、Ｐｂ系の低融点ガラスを使用し、Ｎｉ−Ｐｂ共晶合金層を形成して光透過窓体をキャップ本体に封着した従来の製法による半導体装置用キャップについての試験結果を示す。なお、評価試験で使用したサンプル数は２０である。

キャップ本体１２に光透過窓体１４がより強く接着している場合には、荷重値はより大きくあらわれる。表１に示す試験結果は、バナジン酸塩系の低融点ガラスを封着材として使用した本実施例の半導体装置用キャップが、Ｐｂ系の低融点ガラスを使用した従来の半導体装置用キャップと同等の接着強度を有することを示し、本実施形態の半導体装置用キャップが十分に実用に供し得ることを示している。

なお、前述した組成のバナジン酸塩系の低融点ガラスを封着材として光透過窓体１４をキャップ本体１２に封着する場合、キャップ本体１２の表面にパラジウム等のバナジウムと共晶反応を起こす金属をまったく被着することなく、たとえばキャップ本体１２の表面にニッケルめっきのみを施して光透過窓体１４を封着した場合には、キャップ本体１２と低融点ガラスとの界面に共晶合金層が形成されないため、封着状態で光透過窓体１２に外力を作用させると簡単に光透過窓体１４が剥離してしまい、半導体装置用キャップとしての用をなさないものとなる。

Ｂ．気密性に関する評価試験
上記半導体装置用キャップのサンプルについて、サーマルショック操作および温度サイクル操作を施し、ヘリウム検知器を使用してキャップのリーク試験を行った。表２に試験結果を示す。サンプル数は２０である。
表２の試験結果は、サーマルショック試験および温度サイクル試験とも、半導体装置用キャップの光透過窓体とキャップ本体との接着部にリークはなく、気密性についても十分に実用に供し得ることを示す。

Ｃ．耐湿性に関する評価試験
温度１２０℃、２気圧、湿度１００％の条件下にサンプルを４８時間晒すＰＣＴ試験（プレッシャークッカーテスト）を行った。２０個のサンプルについて結露不良の有無を検査したが、結露不良は検出されなかった。
また、上記半導体装置用キャップを金属製ステムに溶接した後、恒温恒湿槽（８５℃、湿度８５％）中に１０００時間晒し結露不良の有無を検査する試験を行ったが、２０個のサンプルについて一つも結露不良が検出されなかった。
この耐湿性試験結果も、本実施形態の半導体装置用キャップが十分に実用に供し得る耐湿性を備えていることを示す。

なお、上記評価試験は、封着材として酸化バナジウムを２２重量％含有する低融点ガラスを用いた半導体装置用キャップについての試験結果であるが、封着材として酸化バナジウムを２６重量％含有する低融点ガラスを用いた半導体装置用キャップについても上述したと同様の良好な結果が得られている。

（参考例）
前述したように、光透過窓体１４をキャップ本体１２に封着する封着材としてバナジン酸塩系の低融点ガラスを使用する場合に、キャップ本体１２の表面にパラジウムめっきに替えて金めっきを施し、金と低融点ガラスに含有されるバナジウムとの共晶合金層を介して光透過窓体１４をキャップ本体１２に封着するようにすることもできる。この参考例に示す半導体装置用キャップは、キャップ本体１２の表面に金めっきを施して作製する半導体装置用キャップである。

図３は、バナジン酸塩系の低融点ガラス１６ａを使用し、キャップ本体１２の表面に金めっき２５を施して光透過窓体１４をキャップ本体１２に封着した場合の封着部の界面の近傍部分の構成を拡大して示す。図３(a)は封着前の状態、図３(b)は封着後の状態を示す。
キャップ本体１２については、下地めっきとしてニッケルめっきを厚さ４μｍ〜９μｍ施し、次いで、金めっき２５を施した。金めっきの厚さは０．１〜０．５μｍである。

図３(b)に示すように、金めっきを施したキャップ本体１２にバナジン酸塩系の低融点ガラスのタブレットと光透過窓体１４をセットし、５００℃の加熱炉内で加熱することにより、低融点ガラス１６ａとキャップ本体１２との界面にＡｕ−Ｖ共晶合金層２６が形成され、光透過窓体１４がＡｕ−Ｖ共晶合金層２６を介してキャップ本体１２に気密に封着される。

このように、キャップ本体１２の表面に金めっき２５を施し、バナジン酸塩系の低融点ガラスを封着材として使用して作製した半導体装置用キャップについても、上述した、キャップ本体１２の表面にパラジウムめっきを施した製品と同様の評価試験を行い、封着材の酸化バナジウムの含有量が２２重量％の場合と、含有量が２６重量％の場合で、ともに同様の気密性、耐湿性を得ることができることを確かめた。すなわち、本参考例の半導体装置用キャップも、十分に実用に供することができる製品として提供することができる。

前述したキャップ本体１２の表面にパラジウムめっき２２を施した半導体装置用キャップでは、パラジウムめっき２２を施すことによって、キャップ本体１２の表面が粗面状になるとともに、光沢のないくすんだ色となりキャップ内面での光の反射を抑える作用が生じる。これに対して、キャップ本体１２の表面に金めっき２５を施した半導体装置用キャップの場合は、キャップ本体１２の表面の光沢度がパラジウムめっき２２による場合に比べて高くなる。

パラジウムめっき２２や金めっき２５の下地めっきとして施すニッケルめっき１８の表面を粗面に形成することによって、光透過窓体１４をより強固にキャップ本体１２に封着することができる。これは、ニッケルめっき１８の表面が粗面になることでアンカー作用が付加されて光透過窓体１４がキャップ本体１２に封着されるためと考えられる。めっきの表面が粗面になるようにするには、めっき後にめっき表面を化学的にエッチングする方法、めっき表面にサンドブラスト等の物理的な作用を施す方法等が利用できる。下地めっきの厚さが４〜９μｍ程度で、下地めっきの表面を粗面に形成した場合のめっき外表面は結晶粒度が０．５μｍ〜１．０μｍの粗面となる。

上述した実施形態および参考例では、光透過窓体１４をキャップ本体１２の内面側に封着した構造の半導体装置用キャップについて述べたが、光透過窓体１４はキャップ本体１２の外面側（上面）に光透過孔１２ａを塞ぐように配置して封着することも可能である。
また、本発明に係る半導体装置用キャップは、半導体レーザ素子を搭載する半導体レーザ装置に限らず、一般の光透過窓体を備える半導体装置に同様に使用することができる。

以上説明したように、本発明に係る半導体装置用キャップは、光透過窓体１４をキャップ本体１２に封着する封着材として、無鉛のバナジン酸塩系の低融点ガラスを使用したことによって、半導体装置用キャップの製造工程における無鉛化を達成することが可能となる。また、低融点ガラスに含まれているバナジウムとキャップ本体の表面にめっきによって被着されたパラジウムまたは金とが共晶合金層を形成し、共晶合金層を介して光透過窓体１４がキャップ本体１２に封着されることにより、光透過窓体１４がキャップ本体１２に気密に封着され、従来のＳｎＯ−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスなどの無鉛ガラスを単に転用した半導体装置用キャップと比較して耐湿性、気密性にすぐれた半導体装置用キャップとして提供することができる。

半導体装置用キャップの構成を示す説明図である。光透過窓体の封着部の構成を示す説明図である。光透過窓の封着部の他の構成を示す説明図である。光透過窓体の封着部の従来の構成を示す説明図である。半導体レーザ装置の従来の構成を示す説明図である。

符号の説明

１０半導体装置用キャップ
１２キャップ本体
１２ａ光透過孔
１４光透過窓体
１６低融点ガラス
１６ａバナジン酸塩系の低融点ガラス
１８ニッケルめっき
２２パラジウムめっき
２４Ｐｄ−Ｖ共晶合金層
２５金めっき
２６Ａｕ−Ｖ共晶合金層

Claims

光透過孔が設けられたキャップ本体に、前記光透過孔を閉塞して、光透過窓体が低融点ガラスを封着材として封着された半導体装置用キャップにおいて、
前記低融点ガラスが無鉛のバナジン酸塩系の低融点ガラスからなり、かつキャップ本体の表面に被着された金属がパラジウム（Ｐｄ）であって、
前記光透過窓体が、前記低融点ガラスに含有されるバナジウム（Ｖ）と前記キャップ本体の表面に被着されたパラジウム（Ｐｄ）との共晶反応により形成された共晶合金層を介して封着されていることを特徴とする半導体装置用キャップ。
パラジウム（Ｐｄ）は、キャップ本体の表面に形成された下地めっきとしてのニッケルめっき上にパラジウムめっきによって被着され、前記ニッケルめっきの表面が粗面に形成されている請求項１記載の半導体装置用キャップ。
パラジウム（Ｐｄ）は、キャップ本体の表面に形成された下地めっきとしてのニッケルめっき上にパラジウムめっきによって被着され、前記ニッケルめっきの厚さが４μｍ〜９μｍであり、前記パラジウムめっきの厚さが０．１μｍ〜０．５μｍである請求項１又は請求項２記載の半導体装置用キャップ。