JP4456980B2 - 半導体装置用キャップ - Google Patents

Description

本発明は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低融点ガラスを用いて光透過窓が封着された半導体装置用キャップに関する。

レーザダイオードを搭載した半導体レーザ装置は、レーザダイオードを支持するステムに図６に示すような半導体装置用キャップ１０を接合して組み立てられる。この半導体装置用キャップ１０は、金属材をプレス加工してキャップ状に形成したキャップ本体１２の光透過孔１２ａの周縁部に、ガラス板からなる光透過窓１４を封着して形成される。

光透過窓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を大気中で加熱して表面に酸化膜を形成し、酸化膜を利用して低融点ガラス１６により光透過窓１４を封着する方法、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１６とニッケルめっきとの界面に、低融点ガラス１６に含まれる鉛（Ｐｂ）成分とニッケルとの共晶反応によるＮｉ−Ｐｂ共晶合金層を形成して封着する方法がある。
図７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１４を封着した場合の封着部の構成（図６のＡ部分）を示す説明図である。キャップ本体１２の表面にニッケルめっき１８が施され、鉛を含有する低融点ガラス１６とニッケルめっき１８との界面にＮｉ−Ｐｂ共晶合金層１６ａが形成されて低融点ガラス１６がキャップ本体１２に密着する。

ところで、近年、鉛が環境に悪影響を及ぼすことから、製品の製造段階における無鉛化が図られている。上記の鉛を含有する低融点ガラスを使用する半導体装置用キャップにおいても同様に無鉛化が求められ、無鉛の低融点ガラスを用いて半導体装置用キャップを製造する方法が提案されている。たとえば、光透過窓１４を封着する封着用ガラスとして、鉛を含有しないＳｎＯ−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスを使用するといった方法である（特許文献１参照）。
特開２００３−３４５４９号公報

このように、レーザダイオードを搭載する半導体装置用キャップの製造工程においても、ＳｎＯ−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスを使用するといった方法によって製造工程における無鉛化が図られているのであるが、ＳｎＯ−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスは、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、鉛を含有する低融点ガラスを用いて形成された半導体装置用キャップと比較して耐湿性、信頼性の点で必ずしも満足できるものではないという問題がある。

また、レーザダイオードを搭載する半導体装置用キャップでは、レーザ光の迷光対策からキャップ本体１２の内面での光の反射率が低いことが望まれる。キャップ本体１２の光の反射率を低下させる方法としては、キャップ本体１２に施す下地めっきを黒色化する方法と、キャップ本体１２に光透過窓を封着した後に、黒色めっきを施すといったことが考えられる。しかしながら、キャップ本体１２に施す下地めっきを黒色化する方法は、光透過窓を封着する際にキャップ本体１２が加熱されることにより、黒色めっきの色調異常が生じるという問題があり、また、光透過窓を封着した後に黒色めっきを施す方法は、光透過窓を封着した後にさらにめっきしなければならないため、製造工程が長くなるという問題がある。

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、鉛を含有しない低融点ガラスを用いて光透過窓をキャップ本体に封着することによって、半導体装置用キャップの製造工程における無鉛化を図ることを可能にするとともに、光透過窓をキャップ本体に確実に封着することを可能にして、従来製品と同等以上の信頼性を備えた製品として提供することができ、また、キャップ本体の光の反射率を抑えることによって迷光を防止できる高品質を備えた製品として得ることができる半導体装置用キャップを提供することを目的とするものである。

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、金属からなるキャップ本体に鉛を含有しない低融点ガラスを封着材として光透過窓が封着された半導体装置用キャップであって、前記キャップ本体の表面に無光沢パラジウムめっきが被着され、前記低融点ガラスと前記キャップ本体との界面に形成される共晶合金層を介して、前記キャップ本体に前記光透過窓が封着されていることを特徴とする。

また、前記無光沢パラジウムめっきは、めっき表面にパラジウムの針状結晶が形成されたものであることを特徴とする。キャップ本体の表面に形成するパラジウムめっきのめっき表面にパラジウムの針状結晶が形成されていることにより、キャップ本体からの光の反射が抑制され、効果的な迷光防止作用が奏される。
また、前記無光沢パラジウムめっきは、０．３μｍ以上の厚さに形成されていることにより、十分な無光沢性が得られ、キャップ本体が黒色の外観を呈して、キャップ本体の光の反射を抑制する作用がさらに確実になされる。
また、前記鉛を含有しない低融点ガラスとして、Ｂｉを含有するビスマス系の低融点ガラスが用いられ、前記共晶合金層が、前記低融点ガラスに含有されるＢｉとキャップ本体の表面に被着された無光沢パラジウムめっきのＰｄとの共晶反応によって形成されたＰｄ−Ｂｉ共晶合金層であることにより、光透過窓がキャップ本体に気密に封着された信頼性の高い半導体装置用キャップとして提供される。

本発明に係る半導体装置用キャップは、キャップ本体に無光沢パラジウムめっきを施したことにより、キャップ本体からの光の反射を効果的に抑制することができ、これによって迷光を防止した高品質の半導体装置用キャップとして提供される。また、鉛を含有しない低融点ガラスを用いて光透過窓をキャップ本体に封着してなることから、半導体装置用キャップの製造工程における無鉛化を図ることができ、また、キャップ本体と低融点ガラスとの界面に形成される共晶合金層を介して光透過窓がキャップ本体に封着されることにより、耐湿性、気密性に優れた半導体装置用キャップとして提供される。

本発明に係る半導体装置用キャップ１０は、図１に示すように、キャップ本体１２にガラス板からなる光透過窓１４を、低融点ガラス２０を封着材として封着してなるものである。キャップ本体１２は金属材をプレス加工することによって、上部に光透過孔１２ａが形成されたキャップ状に成形されている。キャップ本体１２の材質としては、鉄、鉄−ニッケル合金、鉄−ニッケル−コバルト合金等が使用できる。

本実施形態の半導体装置用キャップにおいて特徴的な構成の一つは、キャップ本体１２に光透過窓１４を封着する封着材として、従来使用されている鉛を含有する低融点ガラスにかえて、鉛を含有しないビスマス系の低融点ガラス２０を使用すること、およびビスマス系の低融点ガラス２０を使用することから、キャップ本体１２の最表面に、ビスマス系の低融点ガラス２０に含まれているＢｉと光透過窓１４を封着する温度で共晶反応する金属を被着し、Ｂｉとの共晶合金層を形成して光透過窓１４を封着するようにしたことにある。

光透過窓１４を封着する封着温度でビスマス系の低融点ガラスとの間で共晶反応をおこす金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｄ等がある。本実施形態では、これらの金属のうちキャップ本体１２の表面に被着して形成する金属としてＰｄ（パラジウム）を使用し、とくにキャップ本体１２の表面に無光沢パラジウムめっき２２を施すことを特徴とする。
本実施形態において、キャップ本体１２の表面に無光沢パラジウムめっき２２を施す理由は、パラジウムと、ビスマス系の低融点ガラスに含有されているビスマスとが光透過窓１４を封着する際の封着温度で共晶反応を起こして容易に共晶合金層が形成されること、また、キャップ本体１２の表面に無光沢パラジウムめっき２２を施すことによってキャップ本体１２の表面からの光反射を抑えることができ、効果的に迷光を抑えることが可能になるからである。

なお、無光沢パラジウムめっきとは、めっき面が無光沢に仕上がるパラジウムめっきをいう。キャップ本体１２に通常のパラジウムめっきを施した場合には、キャップ本体１２の外観は銀色の光沢面になるのに対して、無光沢パラジウムめっき２２を施した場合は、キャップ本体１２の外観は黒色に近い、無光沢面になる。
無光沢パラジウムめっきは、光沢剤を含まないパラジウムめっき液（パラジウムめっき液の例としては、特開2001-335986号公報等）を使用し、ハルセル銅板を使用して無光沢めっきがなされる電流密度条件を設定することによってなされる。本実施形態で無光沢パラジウムめっきを施しためっき条件は、電流密度０．２５(A/dm²)、５分間である。

無光沢パラジウムめっき２２を施したキャップ本体１２の表面状態を電子顕微鏡で観察したところ、めっき面の表面に針状結晶が形成されていた。無光沢パラジウムめっき２２を施したキャップ本体１２の外観が、黒色に近い無光沢面となるのは、パラジウムめっきの表面が針状結晶によるきわめて微細な凹凸面に形成され、キャップ本体１２の表面で光が乱反射し、散乱されることによると考えられる。すなわち、無光沢パラジウムめっきは、めっき表面に針状結晶が形成されるめっき条件でめっきを施すことにより形成することができる。

なお、無光沢パラジウムめっきは、めっき厚が薄いと十分な無光沢面に仕上がらず、黒色の色調が薄くなる。したがって、キャップ本体１２に無光沢パラジウムめっきを施す場合には、黒色の無光沢面に仕上がる厚さにめっきすること、また同時にビスマス系の低融点ガラスと共晶合金層を形成するに十分な厚さに形成する必要がある。本実施形態では無光沢パラジウムめっき層の厚さを０．３μｍとした。

また、本実施形態では、キャップ本体１２の保護を兼ねて無光沢パラジウムめっき２２の下地めっきとしてニッケルめっきを施した。無光沢パラジウムめっき２２の下地めっきとしては、ニッケルめっき以外のめっきによることも可能であり、下地めっきを異種金属による複数層に形成することもできる。下地めっきおよび無光沢パラジウムめっき２２は、バレルを用いた電解めっきによって行った。バレルめっき法によることで、キャップ本体１２の外面の全面にニッケルめっきと無光沢パラジウムめっき２２が施される。

光透過窓１４の封着に用いるビスマス系の低融点ガラス２０として本実施形態では、少なくともＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃を含むものを使用した。ここで、Ｂｉ₂Ｏ₃はこのビスマス系の低融点ガラス２０を構成する主要成分であり、本実施形態では、Ｂｉ₂Ｏ₃を５０重量％含有する低融点ガラスを使用した。Ｂｉ₂Ｏ₃はキャップ本体１２の表面に被着された無光沢パラジウムめっき２２のパラジウムと共晶反応して光透過窓１４を気密に封着する共晶合金層を形成するものであるから、低融点ガラス１６中に相当程度（３０重量％以上程度）含有されている必要がある。このビスマス系の低融点ガラス２０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、あるいはペースト状に形成して使用される。

本発明に係る半導体装置用キャップは、カーボン治具に、表面に無光沢パラジウムめっき２２が施されたキャップ本体１２と、ビスマス系の低融点ガラス２０からなるタブレットと、光透過窓１４とを位置合わせしてセットし、これらの部品をセットしたカーボン治具を加熱炉に入れ、低融点ガラスが溶融される温度まで加熱することによって得られる。本実施形態では、窒素ガス雰囲気中で５００℃まで加熱炉で加熱して、キャップ本体１２に光透過窓１４を封着した。

図２は、光透過窓１４とキャップ本体１２との封着部の構成（図１のＢの部分）を拡大して説明的に示したものである。
図２(a)は、光透過窓１４を封着する前の状態で、キャップ本体１２の金属表面に下地めっきとしてのニッケルめっき２４が形成され、ニッケルめっき２４の表面に無光沢パラジウムめっき２２が被着されていることを示す。光透過窓１４を封着する低融点ガラス１６は上述したビスマス系の低融点ガラスである。
図２(b)は、光透過窓１４を封着した後の状態で、キャップ本体１２と低融点ガラス２０との界面にＰｄ−Ｂｉ共晶合金層２０ａが形成され、低融点ガラス２０がキャップ本体１２に密着した状態になることを示す。

Ｐｄ−Ｂｉ共晶合金層２０ａは、加熱炉中で低融点ガラス２０を溶融した際に、キャップ本体１２の最表面に形成された無光沢パラジウムめっき２２のＰｄと、ビスマス系の低融点ガラス２０に含有されるＢｉとが共晶反応を起こすことによって形成されたものである。ＰｄとＢｉとの共晶反応は２５６℃程度で起きるから、光透過窓１４の封着温度で容易にＰｄ−Ｂｉ共晶合金層２０ａが形成される。キャップ本体１２と低融点ガラス２０との界面にＰｄ−Ｂｉ共晶合金層２０ａが形成されることにより、低融点ガラス２０とキャップ本体１２との密着性が良好になり、光透過窓１４が確実にキャップ本体１２に封着される。

図３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２μｍの厚さに施し、無光沢パラジウムめっきを０．３μｍの厚さに形成して、上記条件で、ビスマス系の低融点ガラス２０を使用して光透過窓１４を封着した半導体装置用キャップの実施例について、光透過窓の溶着強度を測定した結果を示す。光透過窓１４の溶着強度は、キャップ本体１２を両側面から挟むようにして加圧し、光透過窓１４がキャップ本体１２から剥離するときの圧力を測定したものである。サンプル数は２０である。
図中で比較例とあるのは、キャップ本体１２の表面にニッケルめっきを施し、鉛を含有する低融点ガラスを用いて光透過窓１４を封着した従来品について測定したものである。実施例および比較例とも、キャップ本体１２は外径３．５ｍｍ、鉄−ニッケル−コバルト合金製であり、光透過窓１４は外径１．６ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ、硬質ガラス製である。

図３に示す測定結果は、実施例の半導体装置用キャップが、従来の鉛を含有する低融点ガラスを用いて光透過窓を封着して形成した半導体装置用キャップと比較して、光透過窓の密着性、封着性の点で若干優れていることを示す。実施例の半導体装置用キャップは、耐湿性、気密性の点で、レーザダイオードを搭載する半導体装置用として十分に使用することが可能である。

図４は、半導体装置用キャップの光の反射率を測定した結果を示す。この測定は、キャップ本体１２に光を照射して波長に対する反射率がどのように変化するかを測定したものである。グラフの横軸が波長（ｎｍ）、縦軸が反射率である。測定は、鉄−ニッケル−コバルト製のキャップ本体１２にめっきを施して、光透過窓を封着していない状態のサンプルについて行った。
グラフでは、キャップ本体に無光沢パラジウムめっきを施した実施例品（黒色Ｐｄと表示）、キャップ本体に通常のパラジウムめっきを施した製品（Ｐｄと表示）、キャップ本体にニッケルめっきを施した製品（Ｎｉと表示）の３種についての測定結果を示す。

これらの反射率の測定データを比較すると、無光沢パラジウムめっきを施した実施例品は、通常のパラジウムめっきを施した製品、およびニッケルめっきを施した製品のいずれと比較しても大きく反射率が減少していることがわかる。また、無光沢パラジウムめっきを施した実施例品は、全波長域で反射率が低く抑えられていることが特徴的である。なお、迷光を防止する目的でキャップ本体に黒色めっき（Ｓｎ−Ｎｉめっき）を施した従来品（封着材は鉛含有の低融点ガラス）の波長４００ｎｍ付近での反射率は６〜７％である。この黒色めっきを施した従来品と比較しても、実施例品の反射率は低くなっている。
この測定結果は、キャップ本体に無光沢パラジウムめっきを施すことによって、迷光を防止する作用が顕著に向上することを示している。

図５は、加熱処理を施した場合に光の反射率がどのように変化するかを測定した結果を示す。上述したように、キャップ本体１２に低融点ガラス２０を用いて光透過窓１４を封着する際には、封着温度（本実施形態では５００℃）でキャップ本体１２が加熱されることになる。この加熱の際に、キャップ本体１２に施した無光沢パラジウムめっきの２２反射率は若干上がるようになる。図５は、この加熱によってキャップ本体１２の反射率がどのように変化するかを測定したものである。

図５には、キャップ本体に無光沢パラジウムめっきを施して加熱処理をしていない製品（黒Ｐｄと表示）、キャップ本体に無光沢パラジウムめっきを施して加熱処理した製品（黒Ｐｄ-aniと表示）、キャップ本体に通常のパラジウムめっきを施して加熱処理したもの（電解Ｐｄ-aniと表示）、キャップ本体にニッケルめっきを施して加熱処理したもの（電解Ｎｉ-aniと表示）についての測定結果を示す。
この測定結果は、キャップ本体に無光沢パラジウムめっきを施したものは、加熱処理によって若干反射率は上がるがその変動量はさほど大きくないことを示す。また、加熱処理を施した後の反射率を比較すると、無光沢パラジウムめっきを施した実施例品は、通常のパラジウムめっきを施した製品や、従来のニッケルめっきを施した製品と比較して広い波長領域で反射率が大きく下回っており、反射率が低く抑えられていることがわかる。

なお、上述した実施形態は、光透過窓１４をキャップ本体１２に封着する低融点ガラスとしてビスマス系の低融点ガラスを利用した例であるが、キャップ本体１２を封着する低融点ガラスとしては、鉛を含有しないビスマス系の低融点ガラスに限らず、たとえば鉛を含有しないバナジン酸塩系の低融点ガラス（バナジウム（Ｖ）を主要な構成成分とする低融点ガラス）等の他の低融点ガラスを使用することも可能である。バナジン酸塩系の低融点ガラスを使用した場合もキャップ本体１２に無光沢パラジウムめっきを施すことにより、光透過窓１４を封着する際に、低融点ガラスとキャップ本体との界面に、バナジン酸塩系の低融点ガラスに含まれるバナジウムとパラジウム（Ｐｄ）との共晶合金層が形成され、キャップ本体１２に低融点ガラスを密着して光透過窓を気密に封着することができ、また、無光沢パラジウムめっきを施すことによって、キャップ本体からの光の反射を抑え、迷光防止効果を備えた半導体装置用キャップとして提供することができる。

以上の測定結果は、鉛を含有しない低融点ガラスを用いて製造する本実施形態の半導体装置用キャップが、耐湿性、気密性の点で従来品を超える優れた特性を有するとともに、光の反射率が抑えられることによって迷光を防止することができ、レーザダイオードを搭載する半導体装置に有効に利用できることを示している。
また、本実施形態の半導体装置用キャップは、封着材として鉛を含有しない低融点ガラスを用いて製造できることから、製造工程における無鉛化を図ることが可能となる。
また、キャップ本体に無光沢パラジウムめっきを施すだけで、共晶合金層を形成して光透過窓をキャップ本体に気密に封着する作用と、キャップ本体の迷光防止を図る作用を得ることができ、キャップ本体に別途、黒化処理を施すといった必要がなく、簡易な製造工程でかつ優れた特性を有する製品として得ることが可能になる。
なお、本発明に係る半導体装置用キャップは、レーザダイオードを搭載する半導体装置に限らず、一般の光透過窓を備える光部品にも利用することができる。

半導体装置用キャップの一実施形態の構成を示す断面図である。 半導体装置用キャップの光透過窓の封着部の構成を示す説明図である。 光透過窓の溶着強度を測定した結果を示すグラフである。 キャップ本体の反射率を測定した結果を示すグラフである。 熱処理前後のキャップ本体の反射率を測定した結果を示すグラフである。 キャップ本体に低融点ガラスを介して光透過窓を封着した半導体装置用キャップの構成を示す断面図である。 従来の半導体装置用キャップでの光透過窓の封着部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
１６ 低融点ガラス
１６ａ Ｎｉ−Ｐｂ共晶合金層
１８ ニッケルめっき
２０ ビスマス系の低融点ガラス
２０ａ Ｐｄ−Ｂｉ共晶合金層
２２ 無光沢パラジウム
２４ ニッケルめっき

Claims (4)

1. 金属からなるキャップ本体に鉛を含有しない低融点ガラスを封着材として光透過窓が封着された半導体装置用キャップであって、
   前記キャップ本体の表面に無光沢パラジウムめっきが被着され、
   前記低融点ガラスと前記キャップ本体との界面に形成される共晶合金層を介して、前記キャップ本体に前記光透過窓が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。
2. 前記無光沢パラジウムめっきは、めっき表面にパラジウムの針状結晶が形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用キャップ。
3. 前記無光沢パラジウムめっきは、０．３μｍ以上の厚さに形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置用キャップ。
4. 前記鉛を含有しない低融点ガラスとして、Ｂｉを含有するビスマス系の低融点ガラスが用いられ、
   前記共晶合金層が、前記低融点ガラスに含有されるＢｉとキャップ本体の表面に被着された無光沢パラジウムめっきのＰｄとの共晶反応によって形成されたＰｄ−Ｂｉ共晶合金層であ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用キャップ。