(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなるキャップ本体に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において、
前記キャップ本体の表面に、パラジウムめっきが施され、
前記光透過窓が、前記封着材として用いられた鉛を含まないビスマス系の低融点ガラスに含有されたＢｉと、前記キャップ本体の表面に被着されたパラジウムめっきのＰｄとの共晶反応により形成された共晶合金層を介して、前記キャップ本体に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。
【請求項２】
金属からなるキャップ本体に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において、
前記キャップ本体の表面に、金めっきが施され、
前記光透過窓が、前記封着材として用いられた鉛を含まないビスマス系の低融点ガラスに含有されたＢｉと、前記金めっきのＡｕとの共晶合金層を介して、前記キャップ本体に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。
【請求項３】
金属からなるキャップ本体に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において、
前記キャップ本体の表面に、Ｓｎ−Ｚｎ合金めっき、Ｓｎ−Ｎｉ合金めっき、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっきおよび銀めっきのうちのいずれかのめっきが施され、
前記光透過窓が、前記封着材として用いられた鉛を含まないビスマス系の低融点ガラスに含有されたＢｉと、前記キャップ本体の表面に被着されためっき金属との共晶反応により形成された共晶合金層を介して、前記キャップ本体に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。
【請求項４】
低融点ガラスが、Ｂｉを３０重量％以上含有するもの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。
【請求項５】
前記キャップ本体に被着された金属の表面が、結晶粒度０．５μｍ〜１．０μｍの粗面に形成され、前記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用キャップ。
【請求項６】
前記キャップ本体に被着された金属が、複数層にめっきを積層して形成され、
積層されためっき層のうちの少なくとも一つのめっき層の表面が、めっきの結晶粒度が０．５μｍ〜１．０μｍの粗面に形成されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置用キャップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードを搭載した半導体装置には、レーザダイオードを搭載したステムに図１に示すような半導体装置用キャップ１０を接合してレーザダイオードを気密に封止した製品がある。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を低融点ガラス１６により封着して形成されているものである。
【０００３】
光透過窓１４をキャップ本体１２に封着する従来方法には、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３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を封着した封着部の構成（図１のＡ部分）を拡大して示した説明図である。１２がキャップ本体の金属部であり、１８がキャップ本体１２に施されたニッケルめっき、２０がＮｉ−Ｐｂ共晶合金層である。
【０００４】
ところで、近年、鉛が環境に悪影響を及ぼすことから、各種製品の製造段階における無鉛化が進められている。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（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３４５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、上述した、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、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課題があった。
【０００６】
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、その目的とするところは、鉛を含有しない低融点ガラスを光透過窓をキャップ本体に封着する封着材として使用することによって製造工程における無鉛化を図ることができ、レーザダイオード等の光素子を搭載する半導体装置に好適に使用することができる耐湿性にすぐれ信頼性の高い半導体装置用キャップを提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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において、前記キャップ本体の表面に、パラジウムめっきが施され、前記光透過窓が、前記封着材として用いられた鉛を含まないビスマス系の低融点ガラスに含有されたＢｉと、前記キャップ本体の表面に被着されたパラジウムめっきのＰｄとの共晶反応により形成された共晶合金層を介して、前記キャップ本体に封着されていることを特徴とする。
なお、ビスマス系の低融点ガラスとは、Ｂｉを主要構成部分とする（たとえば、３０重量％以上含有する）低融点ガラスの意であり、本発明においては鉛成分を含有しないものをいう。また、低融点ガラスとは、光透過窓よりも融点が低いガラスをいい、光透過窓が溶融しない加熱温度下で光透過窓を封着するために用いられる。光透過窓の封着には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Ｂｉと共晶合金を形成する金属が用いられる。
【０００８】
また、金属からなるキャップ本体に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において、前記キャップ本体の表面に、金めっきが施され、前記光透過窓が、前記封着材として用いられた鉛を含まないビスマス系の低融点ガラスに含有されたＢｉと、前記金めっきのＡｕとの共晶合金層を介して、前記キャップ本体に封着されていることを特徴とする。
また、金属からなるキャップ本体に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において、前記キャップ本体の表面に、Ｓｎ−Ｚｎ合金めっき、Ｓｎ−Ｎｉ合金めっき、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっきおよび銀めっきのうちのいずれかのめっきが施され、前記光透過窓が、前記封着材として用いられた鉛を含まないビスマス系の低融点ガラスに含有されたＢｉと、前記キャップ本体の表面に被着されためっき金属との共晶反応により形成された共晶合金層を介して、前記キャップ本体に封着されていることを特徴とする。
また、低融点ガラスが、Ｂｉを３０重量％以上含有するものは、キャップ本体に光透過窓を確実に封着できる点で好適である。
【０００９】
また、前記キャップ本体に被着された金属の表面が、結晶粒度０．５μｍ〜１．０μｍの粗面に形成され、前記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ていることにより、光透過窓とキャップ本体との接着強度を向上させることができる。キャップ本体の表面に被着する金属の表面を粗面に形成する方法としては、キャップ本体の表面にめっきを施す際に表面が粗面になるようにめっきする方法、キャップ本体の表面に被着された金属を化学的にエッチングする方法、サンドブラスト法等の物理的な方法によることができる。
また、前記キャップ本体に被着された金属が、複数層にめっきを積層して形成され、積層されためっき層のうちの少なくとも一つのめっき層の表面が、めっきの結晶粒度が０．５μｍ〜１．０μｍの粗面に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る半導体装置用キャップは、鉛を含有しないビスマス系の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から、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、低融点ガラスに含有されるＢｉと、キャップ本体の表面に被着された金属との共晶反応によって形成された共晶合金層を介して光透過窓が封着されることにより、光透過窓が気密にキャップ本体に封着され、耐湿性の良好な半導体装置用キャップとして得られる等の著効を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
本実施形態の半導体装置用キャップは、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、封着材として低融点ガラスを用い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してキャップ状に成形され、上部に光透過孔１２ａが設けられたものである。光透過窓１４は光透過孔１２ａの周縁部に低融点ガラス１６によって封着されている。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−ニッケル合金等が使用できる。
【００１２】
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系の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を使用すること、およびキャップ本体１２の表面に、封着材として使用するビスマス系の低融点ガラスに含まれているＢｉと光透過窓１４の封着温度で共晶反応を生じる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１４を封着する際に、キャップ本体１２と低融点ガラスとの界面に、キャップ本体１２に被着されている金属と低融点ガラスに含まれているＢｉとの共晶合金層を形成して封着するようにしたことにある。
【００１３】
ビスマス系の低融点ガラスを用いて光透過窓１４を封着する際に、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。したがって、キャップ本体１２の表面にＡｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｄ等の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をめっき等によって被着しておくことにより、光透過窓１４を封着する際に、Ｂｉとこれら金属との共晶合金層を形成して光透過窓１４を気密に封着することが可能になる。
キャップ本体１２の表面に設ける共晶合金層を形成するための金属は、共晶反応を起こさせるに十分な厚さに設けておけばよい。めっきによりＢｉと共晶反応をおこす金属をキャップ本体１２に被着する際に、キャップ本体１２の保護用として下地めっきが必要な場合には、たとえばキャップ本体１２にニッケルめっきを施し、次いで、上記の共晶反応をおこさせる金属によるめっきを施せばよい。
【００１４】
以下では、ビスマス系の低融点ガラスを使用し、キャップ本体１２に金めっきを施して、半導体装置用キャップを製造する例について説明する。
ビスマス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、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は低融点ガラスの主要構成成分であり、本実施形態で使用した低融点ガラスは、Ｂｉ2Ｏ3を５０重量％含有するものである。Ｂｉ2Ｏ3はキャップ本体１２の表面に被着された金属と共晶反応して光透過窓１４を気密に封着するものであるから、低融点ガラス材中に相当程度（３０重量％以上程度）含有しているものである必要がある。このＢｉ系の低融点ガラスは、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１４とともに治具にセットして使用するか、あるいはペースト状に形成したものを光透過窓１４に塗布して使用する。
【００１５】
本実施形態では、キャップ本体１２については、まず、下地めっきとしてニッケルめっきを施し、次いで金めっきを施した。ニッケルめっきおよび金めっきはともにバレルめっきによる電解めっきによってキャップ本体１２の外面の全面に設ける。ニッケルめっきの厚さは２μｍ程度、金めっきの厚さは、０．１μｍ程度である。低融点ガラスに含まれているＢｉと共晶合金を形成するためには、金めっきは０．１μｍ程度の厚さがあればよい。
【００１６】
次に、光透過窓１４をキャップ本体１２に融着する治具に、キャップ本体１２と低融点ガラスのタブレットと光透過窓１４とをセットする。
次いで、これらキャップ本体１２、タブレット、光透過窓１４をセットした状態で治具ごと加熱炉に入れ、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金めっきのＡｕと低融点ガラスに含有されているＢｉとが共晶反応を起こし、Ａｕ−Ｂｉの共晶合金が形成されて光透過窓１４がキャップ本体１２に封着される。ＡｕとＢｉの共晶反応は２４０℃程度で生じるから、低融点ガラスが溶融される際に容易にＡｕ−Ｂｉ共晶合金層が形成される。
【００１７】
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Ａ部分）を拡大して説明的に示したものである。
図２(a)は、ビスマス系の低融点ガラス１６ａによって光透過窓１４を封着する前の状態を示し、図２(b)はビスマス系の低融点ガラス１６ａによって光透過窓１４を封着した後の状態を示す。図２(a)に示すように、キャップ本体１２には下地めっきとしてニッケルめっき１８が施され、ニッケルめっき１８の表面に金めっき２２が施されている。
【００１８】
図２(b)に示すように、光透過窓１４が封着された状態では、ビスマス系の低融点ガラス１６ａに含まれているＢｉと金めっき２２のＡｕ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Ａｕ−Ｂｉの共晶合金層２４が形成され、このＡｕ−Ｂｉの共晶合金層２４によって光透過窓１４がキャップ本体１２に気密に封着される。
【００１９】
図３は、本発明に係る半導体装置用キャップの他の実施形態として、キャップ本体１２の表面にパラジウムめっき２５を施し、上述した実施形態と同様にビスマス系の低融点ガラスを使用して、光透過窓１４をキャップ本体１２に封着した例を示す。
図３(a)が光透過窓１４を封着する前の状態、図３(b)が光透過窓１４を封着した後の封着部の構成を示す。
上述した実施形態と同様に、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、パラジウムめっきを施した。パラジウムめっきの厚さは０．１μｍである。ＢｉとＰｄの共晶反応がおきる温度は約２５６℃であり、ビスマス系の低融点ガラスを使用して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Ｐｄ−Ｂｉ共晶合金層２６が形成され、光透過窓１４がキャップ本体１２に気密に封着される。
【００２０】
前述したキャップ本体１２の表面に金めっき２２を施した半導体装置用キャップでは、キャップ本体１２の表面が光沢を有するのに対して、本実施形態のキャップ本体１２の表面にパラジウムめっき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の表面の光沢度が金めっき２２による場合にくらべて低下し、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る。これによって、キャップ内面での光の反射を抑える作用が生じる。
【００２１】
なお、本実施形態でパラジウムめっき２５の下地めっきとして施すニッケルめっき１８を、めっきの表面が粗面になるようにめっきすることにより、光透過窓１４をより強固にキャップ本体１２に融着することができる。これは、ニッケルめっき１８の表面を粗面に形成したことにより、アンカー作用が付加されて光透過窓１４がキャップ本体１２に融着されるためと考えられる。
【００２２】
【表１】
0003655916.tif 000002
表１は、キャップ本体１２にニッケルめっき１８とパラジウムめっき２５を施し、ビスマス系の低融点ガラスを用いて光透過窓１４を封着する際に、ニッケルめっき１８を通常のめっき方法で形成した場合と、表面が粗面になるように形成した場合での光透過窓１４の接着強度を測定した結果を示す。
【００２３】
表１に示す測定結果は、下地のニッケルめっき１８を表面が粗面になるように形成することによって、光透過窓１４の接着強度が有効に向上することを示す。
キャップ本体１２の表面にＢｉと共晶反応をおこす金属をめっきする際に、ニッケルめっき等の下地めっきを施す場合は、この実施形態のように、下地めっきの表面が粗面になるようにめっきすることによって光透過窓１４とキャップ本体１２との接着強度を向上させることが可能である。
なお、下地めっきの厚さは２〜９μｍ程度であり、下地めっきの表面を粗面に形成した場合のめっき表面は結晶粒度が０．５μｍ〜１．０μｍの粗面となる。
【００２４】
上記実施形態は、下地めっきのニッケルめっき１８の表面を粗面に形成した例であるが、下地めっきの表面に形成するパラジウムめっき２５を表面が粗面になるようにめっきして、光透過窓１４とキャップ本体１２との接着強度を向上させるようにすることも可能である。すなわち、Ｂｉとの共晶反応をおこすためのめっきを、表面が粗面になるようにめっきすることにより、通常のめっき方法によってパラジウムめっき２５を施した場合にくらべて光透過窓１４とキャップ本体１２との接着強度を向上させることができる。
【００２５】
なお、下地めっきの表面あるいはＢｉとの共晶反応をおこさせるためにキャップ本体１２の表面に被着する金属の表面を粗面に形成する方法としては、表面が粗面になるようにめっきする方法の他に、金属の表面が粗面になるように化学的にエッチングする方法、サンドブラスト等の物理的な方法によって金属の表面を粗面に形成する方法が利用できる。
【００２６】
図４は、本発明に係る半導体装置用キャップのさらに他の実施形態として、キャップ本体１２の表面にＳｎ−Ｚｎ（錫−亜鉛）の合金めっき２７を施し、ビスマス系の低融点ガラスを使用して光透過窓１４をキャップ本体１２に封着した例を示す。図３(a)が光透過窓１４を封着する前の状態、図３(b)が光透過窓１４を封着した後の状態を示す。この実施形態の場合も下地めっきとしてニッケルめっき１８を施し、ニッケルめっき１８の表面にＳｎ−Ｚｎの合金めっき２７を施した。ＢｉとＳｎ−Ｚｎ合金との共晶反応がおきる温度は約２００℃であり、ビスマス系の低融点ガラスを用いて光透過窓１４を封着する操作によって、低融点ガラス１６ａとキャップ本体１２との界面にＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ共晶合金層２８が形成され、これによって、光透過窓１４を気密にキャップ本体１２に封着することができる。
【００２７】
なお、ＢｉとＳｎとの共晶反応がおきる温度は約１４０℃、ＢｉとＺｎとの共晶反応がおきる温度は２５４℃、ＢｉとＡｇとの共晶反応がおきる温度は２６０℃であり、上述した各実施形態と同様にキャップ本体１２の表面にＳｎ−Ｎｉ合金めっきあるいはＺｎ−Ｎｉ合金めっきあるいは銀めっきを施し、ビスマス系の低融点ガラス１６ａを用いて光透過窓１４を封着する操作によって、低融点ガラスとキャップ本体１２との界面に、Ｓｎ−Ｂｉ共晶合金層、Ｚｎ−Ｂｉ共晶合金層、Ａｇ−Ｂｉ共晶合金層を形成して、光透過窓１４をキャップ本体１２に気密に封着することができる。
キャップ本体１２の表面にＳｎ−Ｎｉ合金めっき、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき、Ｓｎ−Ｚｎ合金めっきを施した場合は、キャップ本体１２の表面が粗面状になり、キャップ本体１２の表面にパラジウムめっきを施した場合と同様に、金めっきを施した場合に比べてキャップ内面での光の反射を抑えることができ、半導体装置のノイズの発生を抑えることができるという利点がある。
【００２８】
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１４をキャップ本体１２に封着する封着材として、まったく鉛を含有しないビスマス系の低融点ガラスを使用して組み立てられたものであり、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、ビスマス系の低融点ガラスを封着材とし、低融点ガラスに含まれているＢｉとキャップ本体の表面にめっき等によって被着された金属との共晶合金層を形成し、共晶合金層を介して光透過窓をキャップ本体１２に封着したことによって、光透過窓１４がキャップ本体１２に気密に封着され、従来のＳｎＯ−Ｐ2Ｏ5系ガラスを用いた半導体装置用キャップにくらべて耐湿性、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、気密性、信頼性が求められるレーザダイオードを搭載する半導体装置等に好適に使用することが可能となる。
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半導体装置に用いる半導体装置用キャップとして利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】半導体装置用キャップの構成を示す説明図である。
【図２】光透過窓の封着部の構成を示す説明図である。
【図３】光透過窓の封着部の他の構成を示す説明図である。
【図４】光透過窓の封着部のさらに他の構成を示す説明図である。
【図５】光透過窓の封着部の従来の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
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  ビスマス系の低融点ガラス
１８  ニッケルめっき
２２  金めっき
２４  共晶合金層
２５  パラジウムめっき
２６  Ｐｄ−Ｂｉ共晶合金層
２７  Ｓｎ−Ｚｎ合金めっき
２８  Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ共晶合金層
【図１】
0003655916.tif 000003
【図２】
0003655916.tif 000004
【図３】
0003655916.tif 000005
【図４】
0003655916.tif 000006
【図５】
0003655916.tif 000007