JP7266501B2

JP7266501B2 - ステム

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Publication number: JP7266501B2
Application number: JP2019174482A
Authority: JP
Inventors: 正夫海沼; 明洋松末; 秀幸田中
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: CN112563211A; KR20210036242A; JP2021052106A

Description

本発明は、ステムに関する。

光素子等の半導体素子が搭載されるステムは、貫通孔が形成されたステム本体が形成され、リードがガラス等の絶縁性材料からなる固定部材を介してステム本体の貫通孔に固定されることにより、製造される。

固定部材は、ステム本体の貫通孔に嵌め込まれ、リードが挿通される。そして、固定部材が溶融された後に固化されることにより、リードが固定部材を介してステム本体の貫通孔に固定される。ステム本体の貫通孔は、原則として円形状に形成されるが、例えば長孔形状などの非円形状に形成される場合がある。

特開２００５－１９１０８８号公報

ところで、ステム本体に非円形状の貫通孔が形成されたステムでは、貫通孔に嵌め込まれた固定部材に対してステム本体からの応力が均等に付与されない。すなわち、固定部材には、溶融後の固化過程において、熱膨張係数が互いに異なる固定部材及びステム本体の膨張及び収縮によりステム本体から応力が付与されるが、この応力には非円形状の貫通孔の内壁面に沿って周方向にばらつきが生じることになる。

このようにステム本体から固定部材へ付与される応力にばらつきが生じた状態で、ステム本体に対して半導体素子の実装や半導体素子を保護するキャップの設置等が行われると、熱や衝撃によりステム本体と固定部材との間に隙間が生じることがある。この結果、固定部材が嵌め込まれた非円形状の貫通孔において、ステム本体と固定部材との間の隙間から外気が流入するリークが発生するという問題がある。貫通孔でのリークの発生は、ステム本体に実装された半導体素子の品質を劣化させる要因となり、好ましくない。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、貫通孔でのリークの発生を抑制することができるステムを提供することを目的とする。

本願の開示するステムは、一つの態様において、貫通孔が形成されたステム本体と、前記貫通孔の内壁面を含む、前記ステム本体の表面に形成され、凹凸又は空隙を有するニッケルめっき膜と、前記ステム本体の貫通孔に設けられてリードを固定し、前記貫通孔において一部が前記ニッケルめっき膜の凹凸又は空隙に格納される固定部材と、を有する。

本願の開示するステムの一つの態様によれば、貫通孔でのリークの発生を抑制することができる、という効果を奏する。

図１は、実施例に係るステムの構成の一例を示す断面図である。図２は、ステムを上方向から見た平面図である。図３は、固定部材の設置態様の一例を示す図である。図４は、Ｎｉめっき膜の厚さに対する、ステム本体の表面状態の一例を示す図である。

以下に、本願の開示するステムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により開示技術が限定されるものではない。

［実施例］
［ステムの構成］
図１は、実施例に係るステム１の構成の一例を示す断面図である。以下では、説明の便宜上、図１における紙面に向かって上側の面を上面と呼び、紙面に向かって下側の面を下面と呼ぶ。ただし、ステム１は、例えば上下反転して用いられてもよく、任意の姿勢で用いられてよい。図１に示すように、ステム１は、ステム本体１０と、固定部材２０と、電気信号用リード３０と、固定部材４０と、給電用リード５０とを有する。

ステム本体１０は、例えば、金属により円板状に形成され、ステム１を構成する各種の部品を搭載する基材である。ステム本体１０を形成する金属としては、例えば鉄が用いられる。ステム本体１０の上面には、光素子等の半導体素子が搭載される素子搭載領域Ｒが形成されている。ステム本体１０の上面のうち素子搭載領域Ｒを囲む位置には、ステム本体１０を厚さ方向に貫通する複数のリード用貫通孔１０ａ、１０ｂが形成されている。

図２は、ステム１を上方向から見た平面図である。図２には、円板状にステム本体１０の上面が示されている。図２のＩ－Ｉ線における断面が図１に示すステム１の断面に相当する。図２に示すように、ステム本体１０には、リード用貫通孔１０ａと、リード用貫通孔１０ｂとが形成されている。リード用貫通孔１０ａは、円形状に形成されており、固定部材２０を介して１つの電気信号用リード３０が固定されている。一方、リード用貫通孔１０ｂは、非円形状に形成されている。本実施例では、リード用貫通孔１０ｂは、長孔形状に形成されている。リード用貫通孔１０ｂには、固定部材４０を介して３つの給電用リード５０が固定されている。１つのリード用貫通孔１０ｂに３つの給電用リード５０が固定されることにより、リード間のピッチが小さくなり、リードの実装密度が向上する。

また、リード用貫通孔１０ａ、１０ｂの内壁面を含む、ステム本体１０の表面には、ステム本体１０の表面の腐食を防止するためのニッケル（Ｎｉ）めっき膜が形成されている。Ｎｉめっき膜の詳細については、後述する。

図１に戻る。固定部材２０は、ステム本体１０を形成する金属よりも熱膨張係数が小さい絶縁性材料により形成され、ステム本体１０のリード用貫通孔１０ａに設けられている。固定部材２０を形成する絶縁性材料としては、例えばガラスが用いられる。固定部材２０は、電気信号用リード３０が挿通される孔を有し、該孔に挿通される電気信号用リード３０をリード用貫通孔１０ａに固定する。具体的には、固定部材２０は、ステム本体１０のリード用貫通孔１０ａに嵌め込まれ、電気信号用リード３０が挿通される。そして、固定部材２０が溶融された後に固化されることにより、電気信号用リード３０が固定部材２０を介してステム本体１０のリード用貫通孔１０ａに固定される。

電気信号用リード３０は、例えば、円柱状に形成されており、ステム本体１０の素子搭載領域Ｒ上の半導体素子へ供給される高周波信号である電気信号を伝送する。電気信号用リード３０は、ステム本体１０のリード用貫通孔１０ａに固定部材２０を介して固定されている。

固定部材４０は、ステム本体１０を形成する金属よりも熱膨張係数が小さい絶縁性材料により形成され、ステム本体１０のリード用貫通孔１０ｂに設けられている。固定部材４０を形成する絶縁性材料としては、例えばガラスが用いられる。固定部材４０は、給電用リード５０が挿通される孔を有し、該孔に挿通される給電用リード５０をリード用貫通孔１０ｂに固定する。具体的には、固定部材４０は、ステム本体１０のリード用貫通孔１０ｂに嵌め込まれ、給電用リード５０が挿通される。そして、固定部材４０が溶融された後に固化されることにより、給電用リード５０が固定部材４０を介してステム本体１０のリード用貫通孔１０ｂに固定される。固定部材４０の設置態様については、後述する。

給電用リード５０は、例えば、円柱状に形成されており、ステム本体１０の素子搭載領域Ｒに搭載された半導体素子を駆動するための電流を供給するためのリードである。給電用リード５０は、ステム本体１０のリード用貫通孔１０ｂに固定部材４０を介して固定されている。

［固定部材の設置態様］
次に、図３を参照して、固定部材４０の設置態様について詳細に説明する。図３は、固定部材４０の設置態様の一例を示す図である。固定部材４０は、ステム本体１０のリード用貫通孔１０ｂに設けられて給電用リード５０をリード用貫通孔１０ｂに固定する。リード用貫通孔１０ｂは、長孔形状（図２参照）に形成されている。

リード用貫通孔１０ｂの内壁面を含む、ステム本体１０の表面には、Ｎｉめっき膜７０が形成されている。Ｎｉめっき膜７０は、ステム本体１０の表面を部分的に露出させる空隙７０ａを有する。例えば、Ｎｉめっき膜７０は、Ｎｉめっき膜７０を形成する複数の結晶粒間の境界である結晶粒界の位置に空隙７０ａを有する。そして、リード用貫通孔１０ｂにおいて、固定部材４０の一部がＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納されている。さらに、固定部材４０の一部が空隙７０ａから露出するステム本体１０の表面に接触している。

また、Ｎｉめっき膜７０は、ステム本体１０を形成する金属がＮｉめっき膜７０に対して拡散して形成された凸部７０ｂを有する。例えば、Ｎｉめっき膜７０は、空隙７０ａが形成されてない領域に凸部７０ｂを有する。凸部７０ｂは、空隙７０ａと共にステム本体１０に所定の表面粗さを付与している。ステム本体１０の表面粗さ（例えば算術平均粗さＲａ）は、例えば、２．５～３．４μｍの範囲内である。そして、固定部材４０は、外周面の、Ｎｉめっき膜７０の凸部７０ｂに対応する位置に、該凸部７０ｂが格納される凹部を有する。

ところで、ステム本体１０に例えば長孔形状などの非円形状にリード用貫通孔１０ｂが形成される場合、リード用貫通孔１０ｂに嵌め込まれた固定部材４０に対してステム本体１０からの応力が均等に付与されない。すなわち、固定部材４０には、溶融後の固化過程において、熱膨張係数が互いに異なる固定部材４０及びステム本体１０の膨張及び固化によりステム本体１０から応力が付与されるが、この応力にはリード用貫通孔１０ｂの内壁面に沿って周方向にばらつきが生じる。

このようにステム本体１０から固定部材４０へ付与される応力にばらつきが生じた状態で、ステム本体１０に対して半導体素子の実装や半導体素子を保護するキャップの設置等が行われると、熱や衝撃によりステム本体１０と固定部材４０との間に隙間が生じる。この結果、固定部材４０が嵌め込まれた非円形状のリード用貫通孔１０ｂにおいて、ステム本体１０と固定部材４０との間の隙間から外気が流入するリークが発生するという問題がある。

そこで、本実施例のステム１では、図３に示したように、Ｎｉめっき膜７０にステム本体１０の表面を部分的に露出させる空隙７０ａを形成し、且つリード用貫通孔１０ｂにおいて固定部材４０の一部をＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納させている。

Ｎｉめっき膜７０に空隙７０ａを形成し、且つリード用貫通孔１０ｂにおいて固定部材４０の一部をＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納させることで、アンカー効果を発現し、固定部材４０とリード用貫通孔１０ｂとの密着性を高めることができる。このため、非円形状のリード用貫通孔１０ｂに嵌め込まれた固定部材４０に対してステム本体１０からの応力が均等に付与されない場合でも、リード用貫通孔１０ｂが固定部材４０により安定的に封止され、リード用貫通孔１０ｂでのリークを抑制することができる。

また、本実施例のステム１では、固定部材４０の一部をＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納させるとともに、空隙７０ａから露出するステム本体１０の表面に接触させている。これにより、固定部材４０とリード用貫通孔１０ｂとの密着性をより高めることができ、リード用貫通孔１０ｂでのリークをより抑制することができる。

また、本実施例のステム１では、Ｎｉめっき膜７０に凸部７０ｂを形成し、固定部材４０の外周面の、Ｎｉめっき膜７０の凸部７０ｂに対応する位置に該凸部７０ｂが格納される凹部を形成している。これにより、アンカー効果を発現し、固定部材４０とリード用貫通孔１０ｂとの密着性をより高めることができ、リード用貫通孔１０ｂでのリークをより抑制することができる。

［ステムの製造方法］
図１に示したステム１は、例えば以下のような製造方法により製造することができる。まず、円形状のリード用貫通孔１０ａ及び長孔形状のリード用貫通孔１０ｂが形成されたステム本体１０が形成される。ステム本体１０は、鉄などの金属に例えば冷間鍛造プレス等のプレス加工が施されることにより、形成される。

続いて、ステム本体１０の表面にＮｉめっき膜７０が形成される。このとき、リード用貫通孔１０ａの内壁面及びリード用貫通孔１０ｂの内壁面を含む、ステム本体１０の表面全体にＮｉめっき膜７０が形成される。Ｎｉめっき膜７０は、例えばステム本体１０の表面に電解Ｎｉめっきが施されることにより、形成される。

続いて、リード用貫通孔１０ａに固定部材２０が嵌め込まれ、リード用貫通孔１０ｂに固定部材４０が嵌め込まれる。

続いて、固定部材２０の孔に電気信号用リード３０が挿通され、固定部材４０の孔に給電用リード５０が挿通される。これにより、ステム本体１０、固定部材２０、電気信号用リード３０、固定部材４０及び給電用リード５０を有する中間構造体が形成される。

続いて、固定部材２０及び固定部材４０を溶融する温度（例えば、１０００℃）で中間構造体が加熱される。中間構造体が加熱されると、固定部材２０及び固定部材４０が溶融される。その後、中間構造体が冷却されて、固定部材２０及び固定部材４０が固化される。

固定部材２０及び固定部材４０が溶融された後に固化されることにより、電気信号用リード３０が固定部材２０を介してリード用貫通孔１０ａに固定され、給電用リード５０が固定部材４０を介してリード用貫通孔１０ｂに固定される。ここで、固定部材４０の溶融時に加えられる熱により、Ｎｉめっき膜７０が再結晶化され、再結晶化後のＮｉめっき膜７０における結晶粒界の位置に、ステム本体１０の表面を部分的に露出させる空隙７０ａが形成される。そして、リード用貫通孔１０ｂにおいて、固定部材４０の一部がＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納される。また、固定部材４０の溶融時に加えられる熱により、ステム本体１０を形成する金属がＮｉめっき膜７０に対して拡散してＮｉめっき膜７０に凸部７０ｂが形成される。そして、リード用貫通孔１０ｂにおいて、固定部材４０の外周面の、Ｎｉめっき膜７０の凸部７０ｂに対応する位置に、該凸部７０ｂが格納される凹部が形成される。この結果、リード用貫通孔１０ｂにおいて、アンカー効果を発現させて、固定部材４０とリード用貫通孔１０ｂとの密着性を高めることができ、リード用貫通孔１０ｂでのリークを抑制することができる。

ここで、空隙７０ａ及び凸部７０ｂが形成されるためのＮｉめっき膜７０の厚さについて、図４を参照して説明する。図４は、Ｎｉめっき膜７０の厚さに対する、ステム本体１０の表面状態の一例を示す図である。図４には、Ｎｉめっき膜７０の厚さが４．５μｍである場合のステム本体１０の表面状態を示すトレース図１０１、１０２が示されている。また、図４には、Ｎｉめっき膜７０の厚さが５μｍである場合のステム本体１０の表面状態を示すトレース図１０３、１０４が示されている。トレース図１０１とトレース図１０３とは、ステム本体１０の表面に電解Ｎｉめっきが施された後のステム本体１０の表面状態を示している。トレース図１０２とトレース図１０４とは、固定部材４０が溶融及び固化された後のステム本体１０の表面状態を示している。各トレース図には、表面粗さが併せて示されている。

図４から、Ｎｉめっき膜７０の厚さが４．５μｍである場合、Ｎｉめっき膜７０の厚さが５μｍである場合と比較して、固定部材４０が溶融及び固化された後のステム本体１０の表面が粗いことが確認される。すなわち、図４から、Ｎｉめっき膜７０の厚さが４．５μｍである場合、再結晶化後のＮｉめっき膜７０における結晶粒界の位置に空隙７０ａが形成されることが推測される。さらに、図４から、Ｎｉめっき膜７０の厚さが４．５μｍである場合、ステム本体１０を形成する金属がＮｉめっき膜７０に対して拡散してＮｉめっき膜７０に凸部７０ｂが形成されることが推測される。これらのことから、Ｎｉめっき膜７０の厚さは、５．０μｍよりも小さい範囲であることが好ましく、４．５μｍ以下の範囲であることがより好ましい。これにより、Ｎｉめっき膜７０に空隙７０ａ及び凸部７０ｂを安定的に形成することができる。

なお、Ｎｉめっき膜７０を形成する前か後に、Ｎｉめっき膜７０の表面を化学的に荒らして凹凸及び空隙を形成してもよい。

中間構造体が冷却されて、固定部材２０及び固定部材４０が固化されると、中間構造体の表面全体にＮｉ／Ａｕめっき膜が形成される。Ｎｉ／Ａｕめっき膜は、例えば中間構造体の表面に電解Ｎｉめっきが施された後に電解Ａｕめっきが施されることにより、形成される。これにより、図１に示したステム１が完成する。

以上のように、実施例に係るステム１は、ステム本体１０と、Ｎｉめっき膜７０と、固定部材４０とを有する。ステム本体１０には、リード用貫通孔１０ｂが形成される。リード用貫通孔１０ｂは、例えば、非円形状である。Ｎｉめっき膜７０は、リード用貫通孔１０ｂの内壁面を含む、ステム本体１０の表面に形成され、空隙７０ａを有する。固定部材４０は、ステム本体１０のリード用貫通孔１０ｂに設けられて給電用リード５０を固定し、リード用貫通孔１０ｂにおいて一部がＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納される。これにより、リード用貫通孔１０ｂでのリークの発生を抑制することができる。

また、実施例に係るステム１において、固定部材４０は、リード用貫通孔１０ｂにおいて一部がＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納されるとともに、空隙７０ａから露出するステム本体１０の表面に接触する。これにより、固定部材４０とリード用貫通孔１０ｂとの密着性をより高めることができ、リード用貫通孔１０ｂでのリークをより抑制することができる。

また、実施例に係るステム１において、Ｎｉめっき膜７０は、ステム本体１０を形成する金属がＮｉめっき膜７０に対して拡散して形成された凸部７０ｂを有する。そして、固定部材４０は、外周面の、Ｎｉめっき膜７０の凸部７０ｂに対応する位置に、該凸部７０ｂが格納される凹部を有する。これにより、固定部材４０とリード用貫通孔１０ｂとの密着性をより高めることができ、リード用貫通孔１０ｂでのリークをより抑制することができる。

なお、円形状のリード用貫通孔１０ａにおいても本発明を適用することができる。すなわち、Ｎｉめっき膜７０に空隙７０ａを形成し、且つリード用貫通孔１０ａにおいて固定部材２０の一部をＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納させることで、アンカー効果を発現し、固定部材２０とリード用貫通孔１０ａとの密着性を高めることができる。これにより、リード用貫通孔１０ａでのリークの発生を抑制することができる。

また、上述の説明では、Ｎｉめっき膜７０に空隙７０ａを形成し、且つリード用貫通孔１０ｂにおいて固定部材４０の一部をＮｉめっき膜７０の空隙７０ａに格納させる例を説明したが、開示技術はこれに限定されない。例えば、Ｎｉめっき膜７０に凹凸を形成し、且つリード用貫通孔１０ｂにおいて固定部材４０の一部をＮｉめっき膜７０の凹凸に格納させてもよい。

１ステム
１０ステム本体
１０ａ、１０ｂリード用貫通孔
２０、４０固定部材
３０電気信号用リード
５０給電用リード
７０Ｎｉめっき膜
７０ａ空隙
７０ｂ凸部
Ｒ素子搭載領域

Claims

貫通孔が形成されたステム本体と、
前記貫通孔の内壁面を含む、前記ステム本体の表面に形成され、凹凸又は空隙を有するニッケルめっき膜と、
前記ステム本体の貫通孔に設けられてリードを固定し、前記貫通孔において一部が前記ニッケルめっき膜の凹凸又は空隙に格納される固定部材と、
を有し、
前記固定部材は、
前記貫通孔において一部が前記ニッケルめっき膜の空隙に格納されるとともに、前記空隙から露出する前記ステム本体の表面に接触することを特徴とするステム。
前記貫通孔は、非円形状であることを特徴とする請求項１に記載のステム。
前記貫通孔に複数の前記リードが固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のステム。
前記ステム本体は、金属により形成され、
前記固定部材は、前記ステム本体を形成する金属よりも熱膨張係数が小さい絶縁性材料により形成されることを特徴とする請求項１に記載のステム。
前記金属は、鉄であり、
前記絶縁性材料は、ガラスであることを特徴とする請求項４に記載のステム。
前記ニッケルめっき膜は、
前記ステム本体を形成する金属が前記ニッケルめっき膜に対して拡散して形成された凸部を有し、
前記固定部材は、
外周面の、前記ニッケルめっき膜の凸部に対応する位置に、該凸部が格納される凹部を有することを特徴とする請求項４又は５に記載のステム。