(57)【要約】【課題】ヒートシンクをガラスとの良好な封着性と高い熱伝導性とを兼ね備えた構造として、光半導体素子の動作に伴う熱を効率良く外部に放熱でき、より気密性、生産性の高い光半導体装置用気密端子を提供すること。【解決手段】ヒートシンク挿通穴１２が形成された金属ベース１と前記挿通穴１２に挿通されたヒートシンク４とをガラスから成る絶縁材３で封着し、ヒートシンク４を軸芯４１と外周部４２とを有するクラッド材で構成し、ヒートシンク４の軸芯４１に沿った側面をガラス封着に適した第二の金属で形成される外周部４２がロール状に覆い、前記外周部４２で覆われた軸芯４１を熱伝導に優れる第一の金属で形成することにより、放熱性を損なう事無く生産性を向上することができ、気密性も高めることができる。【選択図】図１
2011192681.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内外に貫通するリード端子挿通穴とヒートシンク挿通穴とが金属ベースに形成されており、前記リード端子挿通穴にリード端子を挿通し、かつ前記ヒートシンク挿通穴に金属よりなるヒートシンクを挿通した状態で、前記リード端子及び前記ヒートシンクが前記金属ベースに対してガラスから成る絶縁材で封着されて形成される光半導体装置用気密端子において、
前記ヒートシンクは、第一の金属材料からなる軸芯と、前記軸芯の外周側面を覆う第二の金属材料からなる外周部と、を有するクラッド材であり、
前記外周部をなす第二の金属材料の熱膨張係数が、前記軸芯をなす第一の金属材料の熱膨張係数よりも前記ガラスから成る絶縁材の熱膨張係数に近いこと
を特徴とする光半導体装置用気密端子。
【請求項２】
第二の金属材料からなる外周部の厚みが、第一の金属材料からなる軸芯の太さの２５％以上であること
を特徴とする請求項１に記載の光半導体装置用気密端子。
【請求項３】
第一の金属材料がＣｕ又はその合金からなり、
第二の金属材料がＦｅ又はＮｉあるいはＦｅ−２５〜３５Ｎｉ−１５〜２５Ｃｏ合金、１５〜３０Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−４０〜５５Ｎｉ−３〜８Ｃｒ合金の何れかであること
を特徴とする請求項１，２のいずれかに記載の光半導体装置用気密端子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体用装置用気密端子を有することを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ベースとリード端子とを絶縁材を介して気密封着した気密端子に関し、より特定的には、光半導体素子を気密封止するために用いられる光半導体装置用気密端子、及びそれを用いた光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
元来の光半導体装置用気密端子としては、ＦｅまたはＦｅ合金より形成される金属ベースの所定の位置にリード端子挿通穴が形成されており、前記金属ベースの所定の位置に銀蝋などの蝋材を用いて熱伝導率の良好なＣｕまたはＣｕ合金より成るヒートシンクが固着され、前記金属ベースに設けられたリード挿通穴にリード端子が挿通され、前記金属ベースと前記リード端子とがガラス等の絶縁材を介して電気絶縁を兼ねて気密封着されて構成されていた。
【０００３】
図３は、上述の気密端子の一例を示すもので、１００は金属ベース、１０１はリード端子挿通穴、２００はリード端子、３００はガラス等の絶縁材、４００はヒートシンク、５００は蝋材を各々示している。
【０００４】
図３に示すように元来の気密端子は、金属ベース１００に貫通するリード端子挿通穴１０１が形成され、前記リード端子挿通穴１０１にリード端子２００が挿通され、金属ベース１００とリード端子２００とがガラス等の絶縁材３００を介して電気絶縁を兼ねて気密封着されている。金属ベース１００の中央部の所定の位置には銀蝋などの蝋材５００を介してヒートシンク４００が取り付けられている。なお、ＣｕまたはＣｕ合金より成るヒートシンク４００とガラス等の絶縁材３００とでは、熱膨張係数の違いのために接合性が悪いため、ヒートシンク４００の取り付けには蝋材５００を用いている。
【０００５】
この様な気密端子は一般に、ヒートシンク４００の側面に例えば半導体素子（図示せず）が搭載され、前記半導体素子とリード端子２００で金属ベース１００の上に突出した部分との間をＡｕやＡｌ等の導電性ワイヤー（図示せず）で配線され、金属ベース１００と天板部にガラスで形成される透過窓を有する円筒型の金属キャップ１１０を前記金属ベース１００にキャッピングして、前記金属キャップ１１０と金属ベース１００の外周部とを、銀蝋などの蝋材で蝋付け、あるいは電気熔接で溶接する等の方法で半導体素子（図示せず）を気密封止して使用されていた。
【０００６】
このような半導体素子を搭載する気密端子において、半導体素子等の電子部品から発する熱の放熱経路としては、ヒートシンクを通じて空気中へ放熱する経路とヒートシンクを通じてヒートシンクが取り付けられた金属ベースから空気中へ放熱する経路の２通りがある。
【０００７】
放熱を目的としたヒートシンクの材料としては、熱伝導率の良好なＣｕまたはＣｕ合金が用いられており、より効率的に放熱を図る対策として光半導体装置としての設計の制約の範囲内で可能な限りヒートシンクの容量を増加させているが、電子部品の発熱量が増加する傾向の中において、電子部品の発熱量増加に対するその放熱効果は十分とは言えない状態となりつつある。
【０００８】
より気密端子の放熱性を向上させるためには、金属ベースも含めた全体を熱伝導率の良好なＣｕまたはＣｕ合金で構成することが考えられるが、金属ベースの材料をＣｕまたはＣｕ合金とした場合、ガラスの熱膨張係数に対してＣｕまたはＣｕ合金の熱膨張係数が大きいため、金属ベースに設けられたリード挿通穴にガラスを介してリード端子を気密封止するための通炉工程において、加熱・冷却された際の体積変化が大きくなってしまい、ガラスと金属ベースとの接合面に応力が生じて結合が剥離してしまうおそれがあり、気密性、リード端子接合強度が通常のＦｅまたはＦｅ合金で金属ベースを構成した場合と比較して著しく低下するという問題がある。
【０００９】
このため、金属ベース部はＦｅまたはＦｅ合金で構成し、ヒートシンクのみをＣｕまたはＣｕ合金で構成し、これら二つの材料を銀蝋などの蝋材で接合している。従って、半導体素子より発せられる熱をヒートシンクでは効率的に放熱する形となるが、気密端子の金属ベースはＣｕまたはＣｕ合金よりも熱伝導率の劣るＦｅで構成されているため、外部への放熱を阻害する形となり放熱効果が得られ難いという問題があった。
【００１０】
これに鑑みて気密端子の放熱性を向上させる従来の気密端子としては、金属ベースに貫通したヒートシンク挿通穴を設け、そこにヒートシンクが貫通した状態で蝋材等により取り付けられて形成されているものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
図４は、前記特許文献１に記載された従来の気密端子を示すものである。
図４において、図３と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。図４は従来の気密端子を示すもので、１０２はヒートシンク挿通穴を示している。
【００１２】
図４に示す従来の気密端子は、金属ベース１００の所定の位置にヒートシンク挿通穴１０２が設けられ、そのヒートシンク挿通穴１０２に銀蝋などの蝋材５００を介してヒートシンク４００が金属ベース１００に貫通した状態で取り付けられた構成のものである。
【００１３】
これによれば、熱伝導率の良好な金属よりなるヒートシンク４００の体積を大きく確保することができると共に、熱伝導率の良好なヒートシンク４００が金属ベース１００の内外を貫通した構成となるため、電子部品より発せられた熱を放熱するにあたり、金属ベース１００を構成するＦｅまたはＦｅ合金で阻害されることなく金属ベース１００下面よりの効率的な放熱経路を実現する事が出来た。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平６−３０２９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、前記従来の構成による気密端子を製造する場合においては、生産性に問題があった。詳しく説明すると、金属ベースに設けられたリード端子挿通穴にガラスを介してリード端子を気密封止する際、金属ベースのリード挿通穴にガラスパウダーを焼結させたタブレットとリード端子が組立された状態で高温炉に通炉し、ガラスを溶融させることで金属ベースにガラスを介してリード端子を気密封止していた。また金属ベースに蝋材を介してヒートシンクを取り付ける工程においても同様の高温炉に通炉を行っているが、ガラスの溶融温度と蝋材の溶融温度が異なる温度領域である。そのため、それぞれの異なる温度領域にて２回の通炉工程を入れる必要性があり、それに合わせる形で組立工程も２回行う必要性があるため生産性が悪いという課題を有していた。
【００１６】
そこで、ＣｕまたはＣｕ合金で形成されたヒートシンクに、ＦｅまたはＦｅ合金のメッキを施した上で金属ベースへガラス封着を行うという方法もあったが、通常のメッキ処理では厚みを数μｍ〜数十μｍ程度しか確保できないため、この程度の厚みのＦｅまたはＦｅ合金のメッキでは、通炉工程における加熱時及び冷却時のヒートシンク全体の体積変化が、ＣｕまたはＣｕ合金のみで形成したヒートシンクの場合とほとんど変わらないため、加熱・冷却時にヒートシンクがガラスよりも大きく体積変化を起こしてしまい、ヒートシンクとガラスとの接合面に応力が生じ、クラックの発生のおそれ、及び結合剥離のおそれがあった。すなわち、メッキ処理では、ガラスを用いてヒートシンクを気密封止する際の気密性や接合強度をほとんど高めることはできなかった。
【００１７】
また、メッキ処理では地金とメッキ金属との間の結合がファンデルワールス力のみによる弱い結合となってしまう場合が多いため、通炉工程における加熱・冷却の際に、接合面に応力が生じると、ＣｕまたはＣｕ合金の地金とＦｅまたはＦｅ合金のメッキ金属との間の結合が剥離してしまうおそれがあった。
【００１８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高い生産性を有し、気密性の高い光半導体装置用気密端子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の光半導体装置用気密端子は、内外に貫通するリード端子挿通穴とヒートシンク挿通穴とが金属ベースに形成されており、前記リード端子挿通穴にリード端子を挿通し、かつ前記ヒートシンク挿通穴に金属よりなるヒートシンクを挿通した状態で、前記リード端子及び前記ヒートシンクが前記金属ベースに対してガラスから成る絶縁材で封着されて形成される光半導体装置用気密端子において、前記ヒートシンクは、第一の金属材料からなる軸芯と、前記軸芯の外周側面を覆う第二の金属材料からなる外周部と、を有するクラッド材であり、前記外周部をなす第二の金属材料の熱膨張係数が、前記軸芯をなす第一の金属材料の熱膨張係数よりも前記ガラスから成る絶縁材の熱膨張係数に近いことを特徴とする。
【００２０】
また、第二の金属材料からなる外周部の厚みが、第一の金属材料からなる軸芯の太さの２５％以上であることを特徴とする。
また、第一の金属材料がＣｕ又はその合金からなり、第二の金属材料がＦｅ又はＮｉあるいはＦｅ−２５〜３５Ｎｉ−１５〜２５Ｃｏ合金、１５〜３０Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−４０〜５５Ｎｉ−３〜８Ｃｒ合金の何れかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明の光半導体装置用気密端子によれば、軸芯を成す第一の金属材料の熱伝導率を充分に生かし切った放熱性が得られ、より光半導体装置用気密端子を効率よく生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態における光半導体装置用気密端子の断面図
【図２】本発明の実施の形態における変更実施例を示す断面図
【図３】元来の気密端子の断面図
【図４】従来の気密端子の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態における光半導体装置用気密端子の断面図である。図１において、１は金属ベース、２はリード端子、３は絶縁材、４はヒートシンク、１１はリード端子挿通穴、１２はヒートシンク挿通穴、４１は第一の金属材料で形成される軸芯、４２は第二の金属材料で形成される外周部、５は金属ベース１をキャッピングする金属キャップを各々示している。
【００２４】
図１に示す光半導体装置用気密端子は、金属ベース１を貫通するリード端子挿通穴１１とヒートシンク挿通穴１２が形成され、前記リード端子挿通穴１１にリード端子２が、前記ヒートシンク挿通穴１２にヒートシンク４がそれぞれ挿通され、金属ベース１にリード端子２とヒートシンク４とがそれぞれガラスから成る絶縁材３によって気密封着されたものから成る。
【００２５】
また、ヒートシンク４の側面には光半導体素子（図示せず）を塔載する為の素子搭載部(図示せず)が形成されている。
ヒートシンク４は、軸芯４１と外周部４２とで形成されており、外周部４２は軸芯４１に沿った側面をロール状に覆っており、第二の金属材料で形成されている。この第二の金属材料としては、Ｆｅ又はＮｉあるいはそれらを含む合金を使用することができる。具体例としては、コバール合金（Ｆｅ−２５〜３５Ｎｉ−１５〜２５Ｃｏ）、１５〜３０Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−４０〜５５Ｎｉ−３〜８Ｃｒ合金の何れかを用いることができる。
【００２６】
前記第二の金属材料で形成される外周部４２で覆われる軸芯４１は、高い熱伝導率を有する第一の金属材料から成るものである。具体例としては、Ｃｕ又はそれらの合金を用いることができる。
【００２７】
前記ヒートシンクは、中心部に貫通穴を有する円柱状で第二の金属よりなる材料（外周部）に、第一の金属よりなる円柱状の材料（軸芯）を圧入した後に熱処理、圧延等の加工を行うことにより金属間結合させたクラッド材料で構成されている。なお、軸芯及び外周部の形状は、クラッド材料として構成可能であれば円柱状に限るものではなく、例えば多角柱状の形状であってもよい。
【００２８】
この様な光半導体装置用気密端子は、容易な方法で製造することが可能である。即ち、金属ベース１に設けられたリード端子挿通穴１１及びヒートシンク挿通穴１２のそれぞれにガラスからなる絶縁材３によってリード端子１１及びヒートシンク４のそれぞれを気密封止する際、金属ベース１のリード挿通穴１１及びヒートシンク挿通穴１２のそれぞれに、ガラスパウダーを焼結させたタブレットとリード端子１１およびヒートシンク４がそれぞれ組立された状態で高温炉に通炉し、ガラスを溶融させることで金属ベース１にガラスからなる絶縁材３によってリード端子１１及びヒートシンク４を気密封止する。
【００２９】
なお、通炉工程においては、気密端子全体が５００〜１０００℃程度までに加熱されることで、ガラスが融解し、その後常温にまで冷却されてガラスが固化することで封止が行なわれる。このとき、ヒートシンク４も加熱・冷却され、ヒートシンク４に体積変化が生じる。このヒートシンク４の体積変化は、軸芯４１の体積変化と外周部４２の体積変化との両方に依存する。
【００３０】
ここで、本発明では、ヒートシンク４として第一，第二の金属材料からなるクラッド材を使用し、その軸芯４１をなす第一の金属材料として熱伝導性の高い金属を用い、その外周部４２をなす第二の金属材料として、ガラスから成る絶縁材３に近い熱膨張係数を有する金属を用いている。そして、通炉工程における加熱・冷却時に軸芯４１をなす第一の金属材料が大きな体積変化を起こしたとしても、外周部４２をなす第二の金属材料は第一の金属材料ほど大きな体積変化を起こさない。したがって、外周部４２の厚みが大きいほど、ヒートシンク全体の温度変化に対する体積変化は小さくなる。
【００３１】
そして、クラッド材であれば、第二の金属材料で形成される外周部４２の厚みを、温度変化に対するヒートシンク４全体の体積変化について外周部４２を形成する第二の金属材料の熱膨張係数が支配的となるようにできる。ここで、外周部４２を形成する第二の金属材料の熱膨張係数が支配的となる軸芯４１と外周部４２との比率は軸芯４１の太さに対して外周部４２の厚みが２５％以上であり、例えば、第一の金属材料からなる軸芯４１の太さが１．０ｍｍであれば、第二の金属材料からなる外周部４２の厚みは２５０μｍ以上とすることが好ましい。ここで、軸芯の太さとは、軸芯の軸方向に直交する断面において最も長い部分の長さであり、例えば軸芯が円柱状であれば直径、四角柱状であれば対角線の長さである。
【００３２】
このため、加熱・冷却時のヒートシンク４全体の体積変化をガラスから成る絶縁材３と同程度にでき、絶縁材３とヒートシンク４との接合面に熱膨張収縮による応力を生じにくくでき、金属ベース１やガラスから成る絶縁材３にクラックを生じさせず、かつヒートシンク４とガラスから成る絶縁材３との間の結合が剥離しにくいようにできるので、気密性を確保することができる。
【００３３】
また、ヒートシンク４を構成しているクラッド材は、第一の金属材料で形成される軸芯４１と、第二の金属材料で形成される外周部４２との間を確実に金属結合されているので、通炉工程の加熱・冷却時に軸芯４１と外周部４２との間に熱膨張収縮による応力が生じても、この応力よりも強い結合力で軸芯４１と外周部４２とが結合されているため、メッキ処理でＣｕ合金の地金の上にＦｅまたはＦｅ合金のメッキ金属層を形成したヒートシンクを使用する場合のように軸芯４１と外周部４２とが剥離してしまうおそれもない。
【００３４】
さらに、ヒートシンク４の軸芯４１に沿った側面が、第二の金属材料で形成される外周部４２で覆われるので、ガラスから成る絶縁材３との良好な封着が得られ、高い気密性を確保することができ、ヒートシンク４の外周部４２で覆われる軸芯４１は、熱伝導率の高い第一の金属材料で形成されており、金属キャップ５で覆われる領域の内外を第一の金属材料で形成された軸芯４１が貫通する構成と成るので、従来技術と同様に、ＣｕまたはＣｕ合金で形成される第一の金属材料の熱伝導率による放熱性が得られ、素子搭載部に搭載される光半導体素子（図示せず）の発する熱を効率的に放熱することが出来、より高出力高輝度な光半導体装置への採用が可能である。
【００３５】
また、ヒートシンク４の軸芯４１に沿った側面が、ガラスから成る絶縁材３に近い熱膨張係数を有する第二の金属材料で形成される外周部４２で覆われるので、ガラスとの良好な封着が得られ、リード端子２とヒートシンク４をどちらもガラスから成る絶縁材３で金属ベース１に封着させることが可能であり、１回の通炉工程で金属ベース１にリード端子２、ヒートシンク４を取り付けることができるので、高い生産性を実現することが可能となる。
【００３６】
なお、本実施の形態において、金属ベース１として平板状のものを用い、前記金属ベース１に設けられた貫通穴にガラスから成る絶縁材３を介してリード端子挿通穴１１に挿通させたリード端子２とヒートシンク挿通穴１２に挿通させたヒートシンク４とをそれぞれ封着するものとして説明したが、これに限定されるものでは無く、図２に示す変更実施例の様に、金属ベース１としてつば付き円筒状のものを用い、前記つば付き円筒状の金属ベース１の天板部１４にリード端子挿通穴１１とヒートシンク挿通穴１２とを設け、これらリード端子挿通穴１１とヒートシンク挿通穴１２にそれぞれリード端子２とヒートシンク４のそれぞれを挿通し、前記金属ベース１の側壁部１３と金属ベース天板部１４とで囲まれる領域にガラスから成る絶縁材３を満たしてリード端子挿通穴１１に挿通させたリード端子２及びヒートシンク挿通穴１２に挿通させたヒートシンク４を封着するものとしても良い。
【００３７】
さらに、リード端子２の線径とリード端子挿通穴１１の穴径を調整し、金属ベース１の底面より突出するリード端子２の長さを短縮する事で、表面実装型のものとしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
光半導体装置に用いる気密端子として有用であり、特に高出力高輝度な光半導体装置に適している。
【符号の説明】
【００３９】
１、１００  金属ベース
２、２００  リード端子
３、３００  絶縁材
４、４００  ヒートシンク
５００  蝋材
１１、１０１  リード端子挿通穴
１２、１０２  ヒートシンク挿通穴
１３  円筒部
１４  金属ベース天板部
４１  軸芯
４２  外周部
【図１】
2011192681.tif 000003
【図２】
2011192681.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011192681.tif 000006