(57)【要約】【課題】気密端子としての性能を損なう事なく安価で容易に製造できる気密端子の製造方法を提供する。【解決手段】ベース１と絶縁リード３とを封着する封着ガラス（絶縁ガラス）４を低温封着ガラスとする事でヒートシンク２とベース１とを接着するロウ材５を用いた接着と、前記４による封着と、を通炉温度を適宜に設定して一回のみの通炉のみで施す事が可能となるので、安価で容易な気密端子の製造方法となる。【選択図】図１
2008027679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンから成る組立て治具上の所定の位置に貫通穴を有する鉄系材料から成るベースを入れ、低温封着ガラスのパウダーとバインダーとを混合させた状態でプレスと焼成で円筒状に形成したガラスタブレットを前記ベースの前記貫通穴に挿入し、絶縁リードを前記ガラスタブレットに挿入貫通させる、組立て治具へのガラス封着部組込み工程と、
前記組立て治具へのガラス封着部組込み工程の後、前記ベースの第一主面所定部にロウ材を介してヒートシンクを載置した状態にする、組立て治具へのロウ付け材組込み工程と、
前記組立て治具へのロウ付け材組込み工程の後に前記組立て治具ごと加熱炉へ投入して、前記組立て治具へのガラス封着部組込み工程で組込んだ前記ガラスタブレットを熔融させて封着ガラスとして前記ベースに該封着ガラスを介して前記絶縁リードを封着することと、前記組立て治具へのロウ付け材組込み工程で組込んだ前記ロウ材を熔解させて前記ベースに前記ロウ材を介して前記ヒートシンクをロウ付けすることとを同時に得る加熱炉工程とを含むことを特徴とする気密端子の製造方法。
【請求項２】
前記低温封着ガラスは、熱膨張係数が９０〜１１０×１０−７／℃、転移点が４３０℃以上、屈伏点が４８０℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の気密端子の製造方法。
【請求項３】
前記加熱炉の温度が７５０〜８５０℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の気密端子の製造方法。
【請求項４】
前記ベースの貫通穴を含む全面にあらかじめニッケルめっきを施し、アニール処理を施すことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の気密端子の製造方法。
【請求項５】
前記ベースの表面の少なくとも前記ロウ材載置部の最表層に予め銅または銅を含む合金めっきを施すことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の気密端子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子などを保持する気密パッケージに用いる気密端子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の気密端子は一般的に、金属製のベースにリードを挿通するための貫通孔を設けるとともに、この貫通孔にリードを挿通し、ガラスによってリードを気密絶縁的に封着した構造となっている。気密端子はその封着方法によって整合封着タイプと圧縮封着タイプとに大別される。
【０００３】
両者ともカーボン等から成る組み立て治具に組み込まれた状態で封着炉で加熱され、その際にガラスが溶融してリードとベースとがガラスを介して封着され、その温度は一般的に粘度が１０４ポアズとなる作業点付近で設定される。
【０００４】
前者の整合封着タイプは、金属とガラスの収縮差が最も小さくなるように両者の熱膨張係数がほぼ同じものを選択し、金属とガラスの界面に形成された金属の酸化膜を介して化学的にリードを封着するものである。各材料の組み合わせとしてはベースおよびリードには鉄―ニッケル―コバルト合金（以下、コバールと称する）や、４２アロイ等の鉄−ニッケル合金、ガラスには硼珪酸ガラスが一般的に用いられる。
【０００５】
一方、後者の圧縮封着タイプは、金属とガラスの熱膨張係数の差を利用してガラスに圧縮応力を与えてリードを封着するものであり、ベースの貫通孔にガラスとリードを装填してガラスを加熱溶融した後に冷却固化すると、両者の収縮量の差によりベースがガラスとリードを圧縮して機械的にリードを封着するものである。各材料の組み合わせとして、ベースにはＳＰＣ（冷間圧延鋼）などの鉄材、リードには５０アロイ等の鉄−ニッケル合金やコバール、ガラスにはソーダ系ガラスが一般的に用いられる。
【０００６】
尚、前者は各材料の熱膨張係数が近似であるので耐熱性が非常に優れ、反面において素材コストが高くなるという短所があり、後者は若干耐熱性が劣るが安価な素材を利用できる点で広く利用されている。また、気密端子をプリント基板から一定寸法だけ浮かせて該基板と絶縁状態に実装するため、リードを装填せずガラスのみを突出状に気密封着するスタンドオフと呼ばれる形態においても原理は両者共に同じである。
【０００７】
さて、発熱量が大きい半導体素子を実装する場合には、コバール等と比較して熱伝導率が高くしかも安価な鉄材をベース材として用いる圧縮封着タイプの気密端子が多く用いられている。ベースの素材のみでは熱放散が不十分な場合には、安価な単一素材の部品の組み合わせで構成される半導体素子用気密端子が広く用いられている。これは、ベースの素材より熱伝導率の高い無酸素銅などをベース上に銀ロウ付けしてその上に半導体素子を実装することで、ヒートシンクまたはヒートスプレッダとして熱放散性を高めた半導体素子用気密端子である。
【０００８】
こうした構成の半導体素子用気密端子は以下の工程により製造される。
１．気密部品組立工程
図示しないカーボン治具上の所定の場所に、まずベースを入れ、次に絶縁体を前記ベースの開口部に挿入し、最後にリードを前記絶縁体の穴に挿入する。
２．封着工程
前記カーボン治具上に組み立てられた部品（ベース，絶縁体，リード）を、カーボン治具上に組み立てた状態で、カーボン治具ごと、高温（約９００℃〜１０００℃）の封着用炉に投入する。この炉中で絶縁体は溶融し、ベース及びリードと化学的・物理的接着を行い、いわゆる気密端子として封着される。
３．ヒートシンク組立工程
前述した封着された気密端子を、銀ロウ付け用のカーボン治具上の所定の場所にセットする。次に、銀ロウを気密端子の所定の場所にのせ、さらに前記銀ロウの上にヒートシンクをのせる。
４．銀ロウ付け工程
前記カーボン治具上に組み立てられた部品（封着された気密端子、銀ロウ、ヒートシンク）をカーボン治具上に組み立てた状態で、カーボン治具ごと、高温（約７５０℃〜８５０℃）の銀ロウ付け炉に投入する。この炉中で銀ロウは溶融し、封着された気密端子とヒートシンクは銀ロウを介して接合される。
【０００９】
ここで銀系のロウ材を用いるのは銅及び銅合金のロウ付けに対し最も良好な濡れ性や強度を得られる為であるが、銀と銅の共晶点が約７８０℃であるため、８５０℃以上の高温になるとロウ付け対象の銅材料とロウ材の銀が拡散しあい銅材料が目減りして空巣を生じる、いわゆる「銅くわれ現象」が発生する。よって封着とロウ付けの熱処理を分ける必要があり製造コスト低減の阻害要因の一つと成る。
【００１０】
これに対して、気密封着に用いられる第一の金属材料層と熱伝導に優れた第二の金属材料層とキャップを溶接するための第三の金属材料層を順次積層させた三層構造のクラッド材を金型により一体鍛造加工することでベースとヒートシンク部分を一体成形し工程を削減しているものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、前記特許文献１に記載された従来のレーザー素子用ステムとして使用される気密端子を示すものであり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。
【００１２】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、Ａは第一の金属層、Ｂは第二の金属層、Ｃは第三の金属層、１０１はベース、１０１ａはコイニング部、１０２はヒートシンク、１０３は絶縁リード、１０３ａはワイヤーボンドエリア、１０４は封着ガラス（絶縁ガラス）、１０６はアースリードを各々しめしている。
【００１３】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、気密封着に適する第一の金属層Ａと、該金属層Ａの上に熱伝導性に優れた第二の金属層Ｂと、該金属層Ｂの上には後に行われるキャップの加圧電気熔接に適する第三の金属層Ｃと、が一体の板材として形成されたクラッド材を鍛造プレス加工して、第一の金属層Ａと第二の金属層Ｂと第三の金属層Ｃとから成るベース１０１と、半導体素子載置部に第二の金属層Ｂを有する該金属層Ｂと第三の金属層Ｃとから成るヒートシンク１０２と、コイニング部１０１ａと、絶縁リード１０３と封着ガラス（絶縁ガラス）１０４とを封着するための貫通孔と、を一体に形成して、前記貫通孔に封着ガラス（絶縁ガラス）１０４と絶縁リード１０３（必要に応じて１０３ａを有する１０３）とをカーボン治具上に組み立てた状態で、カーボン治具ごと、高温（約９００℃〜１０００℃）の封着用炉に投入して封着し、また、必要に応じてアースリード１０６を第一の金属層Ａ面に熔接にて固定したものである。
【００１４】
これによれば、レーザー素子用ステムの製造に際して、ヒートシンク１０２を接着するための炉への投入が不要になるので、ガラス封着のための炉への一度の投入で済み、工程の削減が出来るものであった。
【特許文献１】特開平９−１７２２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、前記三層のクラッド材を鍛造したベースを用いる構成では、一般に多量に流通している鉄材と銅材及び銀ロウの各々単一素材を用いる場合と比べてコストの低減が不十分である。つまり、クラッド材そのものが高価であり、さらに鍛造加工で一体成型することによってその高価な材料の利用率が低下するためである。
【００１６】
また、性能面ではキャップを溶接する箇所の加圧方向に第二の金属層が存在し、その材質として一般的に比較的安価であるが硬度が低い銅材を用いており、キャップが溶接時の加圧によって変形するために、予め変形量を予測した設計が必要であり、厳格な管理が必要である。
【００１７】
また、その変形によるガラス封着部分へのストレスと、気密封着に用いられる第一の金属層Ａが薄くなることとにより、気密性能が低下するという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、気密端子としての性能を損なうことなく、安価で容易に製造できる気密端子の製造方法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】
【００１８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の気密端子の製造方法は、カーボンから成る組立て治具上の所定の位置に貫通穴を有する鉄系材料から成るベースを入れ、低温封着ガラスのパウダーとバインダーとを混合させた状態でプレスと焼成で円筒状に形成したガラスタブレットを前記ベースの前記貫通穴に挿入し、絶縁リードを前記ガラスタブレットに挿入貫通させる、組立て治具へのガラス封着部組込み工程と、前記組立て治具へのガラス封着部組込み工程の後、前記ベースの第一主面所定部にロウ材を介してヒートシンクを載置した状態にする、組立て治具へのロウ付け材組込み工程と、前記組立て治具へのロウ付け材組込み工程の後に前記組立て治具ごと加熱炉へ投入して、前記組立て治具へのガラス封着部組込み工程で組込んだ前記ガラスタブレットを熔融させて封着ガラスとして前記ベースに該封着ガラスを介して前記絶縁リードを封着することと、前記組立て治具へのロウ付け材組込み工程で組込んだ前記ロウ材を熔解させて前記ベースに前記ロウ材を介して前記ヒートシンクをロウ付けすることとを同時に得る加熱炉工程とを含むことを特徴とする。
【００１９】
より詳しくは、低温封着ガラスの、熱膨張係数が９０〜１１０×１０-7／℃、転移点が４３０℃以上、屈伏点が４８０℃以上であり、加熱炉の温度が７５０〜８５０℃であれば良い。
【００２０】
本構成によって、クラッド材等の高価な材料を用いることなく、各々単一材料を用いて一回のみの加熱炉工程で製造が可能と成る。さらには、ベースが鉄系材単体なので後の工程で加圧を伴うキャップ熔接を施される際に、該ベースにかかるストレスが封着ガラス（絶縁ガラス）へ及ぶことが無いので、気密性の劣化が生じたり、該ベースの外径が拡大することも無い。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明によれば、工数の簡略化と共に、安価で且つ気密性や寸法精度の低下を招くことのない気密端子の製造方法とすることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施の形態におけるレーザー素子用ステムの構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。
【００２３】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、１はベース、１ａはコイニング部、２はヒートシンク、３は絶縁リード、３ａはワイヤーボンドエリア、４は封着ガラス（絶縁ガラス）、５はロウ材、６はアースリードを各々示している。
【００２４】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、ＳＰＣ（冷間圧延鋼）等の鉄系材料から成るベース１に二箇所の貫通穴が形成され、各々の貫通穴には封着ガラス（絶縁ガラス）４にて封着された鉄−ニッケル等の合金から成る絶縁リード３が貫通して形成され、前記ベース１の第一主面には、前記二箇所の貫通穴に挟まれた位置にコイニング部１ａが形成されて、該コイニング部１ａに隣接した銅材から成るヒートシンク２が銀を含む銀系のロウ材５を介して立設され、片方の絶縁リード３の第一主面側には平坦に拡がるワイヤーボンドエリア３ａが形成され、ベース１の第一主面の背中合わせの面である第二主面には鉄−ニッケル等の合金から成るアースリード６が熔接などで接合立設されている。
【００２５】
この様なレーザー素子用ステムの製造方法は以下の工程からなる。
・組立て治具へのガラス封着部組込み工程
図示しないカーボンから成る組立て治具上の所定の位置に、まず鉄系材料から成るベース１を入れ、次に低融点ガラスのパウダーとバインダーとを混合させた状態でプレスと焼成で円筒状に形成したガラスタブレットを前記ベース１の貫通穴に挿入し、次にリード３を前記ガラスタブレットの穴に挿入貫通させる。
・組立て治具へのロウ付け材組込み工程
組立て治具へのガラス封着部組込み工程の後、ベース１の第一主面所定部にロウ材５を介してヒートシンク２を載置した状態にする。
・加熱炉工程
組立て治具へのロウ付け材組込み工程の後に組立て治具ごと加熱炉へ投入して、組立て治具へのガラス封着部組込み工程で組込んだガラスタブレットを熔融させて封着ガラス（絶縁ガラス）４としてベース１に該封着ガラス（絶縁ガラス）４を介して絶縁リード３を封着することと、組立て治具へのロウ付け材組込み工程で組込んだロウ材５を熔解させてベース１にロウ材５を介してヒートシンク２をロウ付けすることとを同時に得る。
・熔接工程
ベース１の第二主面の所定位置にアースリード６を電気熔接にて熔接する。
・プレス加工工程
絶縁リード３のベース１の第一主面側に相当する端部をプレス加工して平坦なワイヤーボンドエリア３ａを得る。
【００２６】
ここで、ガラスタブレットが有するガラス（低温封着ガラス）の特性は、熱膨張係数が９０〜１１０×１０-7／℃、転移点が４３０℃以上、屈伏点が４８０℃以上で作業点が７５０〜８５０℃の範囲であることが好まい。ロウ材５は、銀と銅等を含む銀系で融点は７５０〜８５０℃の範囲であることが好ましい。
【００２７】
加熱炉の温度と雰囲気は、７５０〜８５０℃程度で還元雰囲気であることが好ましい。
これによれば、ガラスタブレットが有する低温封着ガラスの作業点が７５０℃〜８５０℃であるので、ガラスタブレットを熔融させて封着ガラス（絶縁ガラス）４となし、ベース１に該封着ガラス（絶縁ガラス）４を介して絶縁リード３を封着することと、組立て治具へのロウ付け材組込み工程で組込んだロウ材５を熔解させ、ベース１にロウ材５を介してヒートシンク２をロウ付けすることとを、同時に一回のみの加熱炉工程で得ることができる。
【００２８】
また、気密性については、ガラスが弾性体から粘弾性体に変化する転移点と、熱膨張係数が最大となる屈伏点間近辺での固化した温度からの収縮量差による圧縮に依存するので、転移点が４３０℃以上、屈伏点が４８０℃以上であり、耐熱温度４００℃以上での気密性を確保することができる。
【００２９】
換言すれば、高価なクラッド材を用いることなく、一回のみの加熱炉工程により、ベース１が鉄系の単層で成り、ヒートシンク２が銅から成るレーザー素子用ステムを得ることができる。
【００３０】
よって、ベース１が鉄系の単層なので銅に比して高強度であるために、加圧を伴うキャップ熔接によるストレスが封着ガラス（絶縁ガラス）４へ及ぶこが無いので、気密性の劣化が生じることが無く、また該ベース１の外径が拡大することも無い。
【００３１】
また、加熱炉の温度条件が従来の９００℃〜１０００℃から７５０〜８５０℃へ引き下げられるので、金属をカーボンと近接して高温加熱した際に発生する金属への浸炭現象によるめっきや半田未着などの不良を低減することもできる。
【００３２】
また、カーボンから成る組立て治具は、加熱炉の雰囲気に僅かに含まれる加熱された酸素によって酸化され、繰り返し使用するうちに磨耗した様に目減りして寿命が尽きるが、加熱炉の温度条件が従来の９００℃〜１０００℃から７５０〜８５０℃へ引き下げられるので組立て治具の使用可能時間を引き延ばすこともできる。
【００３３】
尚、上述の実施形態では、ベース１にめっきを施さずに説明したが、該ベース１の貫通穴を含む全面に予め防腐目的でニッケルめっきを施しておいても良い。
また、前記ニッケルめっきの膜厚を２〜５μｍ程度に施してから９００〜１０００℃程度の温度で２０分程度のアニール処理を施しても良い。
【００３４】
これによれば、アニール効果によってベース１及びニッケルめっきの表面状態が均一に整えられるので、後の加熱炉工程での銀系のロウ材との濡れ性を向上させてベース１とヒートシンク２とのロウ付けを確実なものとして機械強度とヒートシンク２の放熱をも確実なものとすることが出来る。
【００３５】
また、ベース１の最表層のめっきを銅または銅を含む合金から成るめっきを施しても良い。
これによれば、銀と銅との共晶点が７８０℃であるので、後の加熱炉工程での温度条件７５０〜８５０℃がマッチングして、ロウ材５の銀成分とベース１の最表層めっきの銅成分とが互いに拡散して極めて良好な濡れ性を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、半導体素子などを保持する気密パッケージに用いる気密端子として有用であり、特に高出力なレーザー素子用ステムに適している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザー素子用ステムの構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿った断面図
【図２】特許文献１に記載された従来のレーザー素子用ステムとして使用される気密端子を示すものであり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線に沿った断面図
【符号の説明】
【００３８】
１、１０１  ベース
１ａ、１０１ａ  コイニング部
２、１０２  ヒートシンク
３、１０３  絶縁リード
３ａ、１０３ａ  ワイヤーボンドエリア
４、１０４  封着ガラス（絶縁ガラス）
５  ロウ材
６、１０６  アースリード
Ａ  第一の金属層
Ｂ  第二の金属層
Ｃ  第三の金属層
【図１】
2008027679.tif 000003
【図２】
2008027679.tif 000004