(57)【要約】【課題】  半導体素子の放熱性、冷却性に優れた半導体素子パッケージのステムの素材として好適なクラッド材を提供する。【解決手段】  本発明の半導体素子のステム用クラッド材は、鉄鋼材で形成された基層１と、純銅あるいは銅を主成分とする銅合金で形成され、前記基層１に積層された銅層２と、軟鋼で形成され、前記銅層２の上に積層された鉄被覆層３とを備える。前記鉄被覆層３の平均硬度はＨｖ１８０〜２３０とされる。前記鉄被覆層３の表面には表面硬化層を形成することができる。【選択図】      図１
2005101073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼材で形成された基層と、純銅あるいは銅を主成分とする銅合金で形成され、前記基層に積層された銅層と、軟鋼で形成され、前記銅層の上に積層された鉄被覆層とを備え、前記鉄被覆層の平均硬度がＨｖ１８０〜２３０とされた半導体素子パッケージのステム用クラッド材。
【請求項２】
前記鉄被覆層の平均硬度がＨｖ２１０〜２３０とされた請求項１に記載したクラッド材。
【請求項３】
前記基層を軟鋼で形成する請求項１又は２に記載したクラッド材。
【請求項４】
前記鉄被覆層の表面に表面硬化層が形成された請求項１から３のいずれか１項に記載したクラッド材。
【請求項５】
前記鉄被覆層の厚さは１００〜２００μm であり、前記銅層の厚さは５００〜１０００μm である請求項１から４のいずれか１項に記載したクラッド材。
【請求項６】
鉄鋼材で形成された基部と、前記基部の上に形成されたヒートシンクとを備え、
前記ヒートシンクは前記基部に積層された平坦部と、前記平坦部に一体的に成形されたマウント部とで構成され、
前記平坦部およびマウント部は純銅あるいは銅を主成分とする銅合金で形成された芯部の上に軟鋼で形成された抵抗溶接層が被覆形成され、
前記抵抗溶接層はマウント部の側面において分断され、マウント部の芯部が部分的ないし全面的に露出した、半導体素子パッケージのステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子パッケージのステムおよび同ステムのコイニング成形の素材として好適なクラッド材に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザダイオードなどの半導体素子を封入した半導体素子パッケージは、半導体素子が装着されるステムと、前記ステムに装着された半導体素子を覆うように設けられたキャップを備える。
【０００３】
前記ステムは、図４に示すように、低炭素鋼で形成された基部２１と、前記基部２１上に設けられたヒートシンク２２とを備えている。前記ヒートシンク２２は、前記基部２１に積層された平坦部２３と、この平坦部２３から一体的に立設されたマウント部２４とを有している。前記平坦部２３およびマウント部２４の芯部２３ａ，２４ａは放熱性に優れた銅あるいは銅を主成分とする銅合金で形成され、これらの芯部２３ａ，２４ａの表面には抵抗溶接性を向上させるため低炭素鋼で形成された抵抗溶接層２５が被覆されている。
【０００４】
前記マウント部２４の側面（立面）には半導体素子Ｓが搭載され、前記基部２１や平坦部２３には半導体素子Ｓの電極を絶縁状態で取り付けるための挿通孔（図示省略）が適宜開設される。半導体素子Ｓが搭載された後、前記マウント部２４は低炭素鋼で形成されたキャップ２６によって覆われ、その開口周縁部が前記平坦部２３の外周縁部において抵抗溶接層２５に抵抗溶接される。
【０００５】
このような半導体素子パッケージ用のステムは、特許第２８８００４８号公報（特許文献１）に記載されているように、前記基部２１の元になる基層と、前記平坦部２３およびマウント部２４の芯部２３ａ，２４ａの元になる銅層と、前記抵抗溶接層２５の元になる鉄被覆層とが同順序で積層形成されたクラッド材から直径３〜５mm程度のプレス加工素材を採取し、これをコイニング成形することによって一体的に成形される。コイニング成形の際に、クラッド材の銅層および鉄被覆層からステムの平坦部２３とマウント部２４が抵抗溶接層２５とともに一体的に成形される。前記クラッド材は、コイニング成形の際に前記鉄被覆層が銅層と共に円滑に展延してマウント部２４を膨出成形するように１０００℃程度の高温で十分に軟化焼鈍される。
【特許文献１】特許第２８８００４８号公報（請求項２、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載されたように、３層クラッド材を用いてコイニング成形することによって、マウント部が平坦部から突出形成されたステムを容易に一体成形することができる。しかし、コイニング成形の際に、マウント部の表面にも不可避的に抵抗溶接層が被覆形成される。この抵抗溶接層を介して、マウント部に半導体素子を搭載すると、抵抗溶接層は鋼材であるため熱伝導率が低く、半導体素子からマウント部の芯部への熱伝導性が劣化する。
【０００７】
近年、高速大容量のブロードバンドに対応した大容量光ディスクシステムにおいて、従来の赤色半導体レーザから青紫色半導体レーザへの代替が進められており、このような半導体素子ではより高い放熱性が求められており、前記抵抗溶接層による熱伝導性の劣化も看過することができない問題になっている。
【０００８】
本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、半導体素子の放熱性、冷却性に優れた半導体素子パッケージのステムおよびその素材として好適なクラッド材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】
【０００９】
本発明の半導体素子のステム用クラッド材は、鉄鋼材で形成された基層と、純銅あるいは銅を主成分とする銅合金で形成され、前記基層に積層された銅層と、軟鋼で形成され、前記銅層の上に積層された鉄被覆層とを備え、前記鉄被覆層の平均硬度がＨｖ１８０〜２３０、好ましくはＨｖ２１０〜２３０とされたものである。
【００１０】
このクラッド材を用いてマウント部を局部的に膨出させるようにコイニング成形すると、銅層が容易に塑性流動してマウント部を膨出成形する一方で、比較的高めの硬度に調整された軟鋼からなる鉄被覆層は銅層の塑性流動に追随することができず、マウント部の側面（立面）では展延した鉄被覆層（抵抗溶接層）に亀裂が入って分断された状態となり、マウント部の芯部が部分的ないし全面的に露出する。このため、コイニング成形によって膨出成形されたマウント部の側面に半導体素子を搭載すると、半導体素子と溶接抵抗層の隙間から露出したマウント部の芯部の銅材とが直接接触する。このため、半導体素子に対する熱伝導性、冷却性に優れる。前記鉄被覆層の平均硬度はＨｖ２１０〜２３０とすることが好ましい。これによって鉄被覆層の平均硬度がＨｖ２１０未満の場合よりマウント部の芯部の露出面積をより増大させることができる。
【００１１】
前記クラッド材において、基層も軟鋼で形成することが好ましい。基層を軟鋼で形成することによって、コイニング成形の際、マウント部の下方に位置する基層の下面を上方へ押し込むように成形することによって、マウント部を膨出成形する際に銅層の塑性流動が促進されてマウント部の成形性が向上する。
【００１２】
また、前記クラッド材において、前記鉄被覆層の表面に表面硬化層を形成しておくとよい。この表面硬化層はコイニング成形の際に亀裂発生の起点となるため、コイニングによるマウント部の膨出成形の際に展延した鉄被覆層に亀裂が入り易く、分断され易くなり、マウント部の芯部銅材の露出面積を増大させることができ、熱伝導性がより向上する。
【００１３】
前記クラッド材の鉄被覆層の厚さとしては１００〜２００μm 程度でよく、また銅層の厚さとしては５００〜１０００μm 程度が好ましい。クラッド材の鉄被覆層の厚さが１００μm 以下ではキャップの抵抗溶接性が低下し、一方２００μm を越えるとコイニング成形の際に５００〜１０００μm 程度の厚さの銅層の膨出成形が困難になる。
【００１４】
また、本発明の半導体素子パッケージのステムは、鉄鋼材で形成された基部と、前記基部の上に形成されたヒートシンクとを備え、前記ヒートシンクは前記基部に積層された平坦部と、前記平坦部に一体的に成形されたマウント部とで構成され、前記平坦部およびマウント部は純銅あるいは銅を主成分とする銅合金で形成された芯部の上に軟鋼で形成された抵抗溶接層が被覆形成され、前記抵抗溶接層はマウント部の側面において分断され、マウント部の芯部が部分的ないし全面的に露出したものである。
このステムによれば、銅材が露出したマウント部に半導体素子を搭載することによって、半導体素子が銅材で形成されたマウント部の芯部に直接接触するので、ステム全体として熱伝導性、冷却性に優れる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のクラッド材によれば、軟鋼で形成された鉄被覆層の硬度がＨｖ１８０〜２３０に調整されているので、本発明のクラッド材を用いてコイニング成形すると、銅層に比して鉄被覆層が塑性流動し難いため、銅層から膨出成形されたマウント部の側面において展延した鉄被覆層（抵抗溶接層）に亀裂が入って分断され、マウント部の芯部銅材が部分的ないし全面的に露出するようになる。このため、マウント部に搭載された半導体素子は、露出した芯部の銅材に直接接触するため、ステム全体として優れた熱伝導性、冷却性を得ることができる。また、本発明の半導体素子パッケージのステムは、半導体素子が搭載されるマウント部側面の抵抗溶接層が分断され、銅材で形成された芯部が部分的ないし全面的に露出しているので、ステム全体として熱伝導性、冷却性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明の実施形態に係るクラッド材の部分断面を示しており、基層１の上に銅層２が拡散接合され、さらにその上に鉄被覆層３が拡散接合されている。この実施形態では、前記基層１および鉄被覆層３は共に軟鋼によって形成されている。
【００１７】
前記鉄被覆層３および基層１を形成する軟鋼としては、基本的には圧接性、プレス成形性が良好な、Ｃ含有量が０．２mass％程度以下の低炭素鋼やステンレス鋼が好適である。一方、前記銅層２は熱伝導性、展延性に富んだ純銅あるいは銅を主成分とする銅合金で形成される。純銅の純度あるいは銅合金の銅含有量は、９８mass％以上、好ましくは９９mass％、より好ましくは９９．９mass％以上が好ましい。
【００１８】
前記基層１は、プレス成形性が要求されない場合は、軟鋼に限らず、よりＣ量の高い炭素鋼や合金鋼を用いることができる。もっとも、コイニング成形の際に、マウント部の下方にて基層１の下面を上方へ押し上げるように成形することによって銅層２の塑性流動が円滑になり、マウント部が成形し易くなる。このように基層１をマウント部の成形に関与させる場合は、本実施形態のように基層１も軟鋼で形成することが好ましい。
【００１９】
前記銅層２は、その硬度がＨｖ８０〜１００程度であって良好なプレス成形性を有する。一方、鉄被覆層３は、むしろプレス成形性が低下した状態に硬度調整される。本発明では後述の実施例から明らかなように、鉄被覆層３の平均硬度はＨｖ１８０〜２３０に設定される。鉄被覆層３の平均硬度がＨｖ１８０未満では展延性が良好過ぎるため、コイニング成形の際にマウント部の側面で展延した鉄被覆層３に亀裂が入り難く、分断され難くなり、マウント部の芯部銅材の露出量が過少となる。一方、Ｈｖ２３０超では銅層２に比して硬過ぎるため、コイニング成形の際にマウント部１４の膨出成形が困難になるとともに銅層２との接合性が低下し、剥がれやすくなる。
【００２０】
図２および図３は、前記クラッド材を用いてコイニング成形したステムの断面説明図である。前記クラッド材をコイニング成形によって、ヒートシンク１２のマウント部１４を膨出成形する際に、図２に示すように、鉄被覆層３が展延して形成された抵抗溶接層１５がマウント部１４の側面（立面）で亀裂が入って分断され、銅層２が塑性流動して形成されたマウント部１４の芯部１４ａが部分的に露出する。前記鉄被覆層３の平均硬度をＨｖ２１０〜２３０と高めに設定することによって、前記亀裂の間隔は増大し、成形条件によっては図３に示すように、マウント部１４の側面に全面的に芯部１４ａが露出するようになる。一方、基層１はコイニング成形の際にマウント部１４の方へ突き上げるように成形され、ステムの基部１１にはその成形に伴う凹部１６が形成され、これに伴って基部１１の上に積層された平坦部１３も同様にマウント部１４側へ突き上げられている。
【００２１】
前記鉄被覆層３は、その表面に表面硬化層を形成しておくことが好ましい。表面硬化層を形成することによって、コイニング成形によってマウント部１４を膨出成形する際に展延した鉄被覆層（抵抗溶接層）に亀裂が入りやすくなり、マウント部１４の側面で抵抗溶接層１５がより一層分断されやすくなり、マウント部１４の芯部１４ａの露出面積が増加し、半導体素子との接触面積が増加するため熱伝導性がより向上する。
前記表面硬化層の厚さは前記鉄被覆層３の厚さの７％程度以上あればよく、その硬度は鉄被覆層３の平均硬度よりＨｖ１０程度以上高くすればよい。表面硬化層は、鉄被覆層３の表面をワイヤブラシや砥石などによって研磨したり、サンドブラスト、ショットブラストやビーズブラストを施すことによって簡単に形成することができる。
【００２２】
前記クラッド材の各層の厚さは、銅層２が塑性流動してヒートシンク１２のマウント部１４がコイニング成形により膨出成形できればよい。一般的には、前記銅層２の層厚は、通常、５００〜１０００μm 程度でよく、その上に積層形成される鉄被覆層３は１００〜２００μm 程度でよい。また、基層１の層厚は銅層２と同程度の厚さとすればよい。
【００２３】
次に、前記クラッド材の製造方法について説明する。
まず、銅層２の元になる銅材シートの表裏面に、基層１および鉄被覆層３の元になる軟鋼板シート、例えばＪＩＳ規格のＳＰＣＣ、ＳＰＣＤ、ＳＰＣＥを重ね合わせ、一対のロールに通して圧接し、その後、得られた圧接シートに拡散焼鈍を施す。拡散焼鈍後は必要に応じて仕上圧延することができ、これによって板厚や鉄被覆層３の硬度を調整することができる。
【００２４】
前記圧接の際のロール圧下率は５０〜７０％程度でよく、また圧接法としては大気下での冷間圧接で十分である。拡散焼鈍は、表面酸化を防止するには窒素等の不活性ガス、水素ガス等の還元性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。焼鈍温度は通常（１０００℃程度）より低い７５０〜６５０℃程度とし、焼鈍時間は数分程度でよい。７５０℃より高温で焼鈍したり、また焼鈍時間を必要以上に長くすると、鉄被覆層３が過剰に軟化して、所期の硬度を確保することができないようになる。以上のようにして製造されたクラッド材は、適宜の幅にスリットされ、巻き取られる。
【００２５】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【実施例】
【００２６】
純銅製の銅シートの両面に、ＳＰＣＣ（Ｃ量：０．１２mass％以下）の軟鋼板シートを重ね合わせて６０％程度の圧下率にて冷間圧接し、鉄シート（１７０μm ）／銅シート（８００μm ）／鉄シート（８００μm ）の構成を有する圧接シートを得た。この圧接シートを６００〜１０００℃範囲内の種々の温度にて２分間、水素ガス雰囲気中で保持して拡散焼鈍を施した。その後、厚さ調整および硬度調整のために圧下率１０％程度で仕上圧延（冷間圧延）を施し、最終板厚が１．６mmの試料No. １〜１２、２１〜３２のクラッド材を得た。このクラッド材の構成は、鉄被覆層（１６０μm ）／銅層（７２０μm ）／鉄基層（７２０μm ）であった。なお、試料No. １２は拡散焼鈍温度を１０００℃とした従来例である。
さらに、試料No. ２１〜３２については、クラッド材を製作した後、クラッド材の鉄被覆層の表面をワイヤブラシによってブラッシングして表面硬化層を形成した。
【００２７】
前記試料クラッド材の鉄被覆層および銅層の平均硬度を以下の要領にて測定した。クラッド材から硬さ測定試験片を採取し、圧延方向に沿った板厚断面を測定面とするように試験片を樹脂に埋め込み、前記断面が露出するように埋め込み試験片を研磨し、鉄被覆層および銅層の厚さ中央部のビッカース硬さ（測定時の付加加重２００ｇｆ）を測定した。また、試料No. ２１〜３２については、鉄被覆層の表面のビッカース硬さ（測定時の付加加重２５ｇｆ）を測定した。なお、試料No. ２１〜３２はNo. １〜１２と対応しており、対応する試料の焼鈍温度は同一であり、このため対応する試料の鉄被覆層、銅層の平均硬度は同一となっている。
【００２８】
また、前記クラッド材の各試料から圧延方向に沿って長さ５０mm、幅１０mmの曲げ試験片を採取し、これを用いて曲げ試験を行った。曲げ試験は、曲げ角度が３０°のＶ字状金型（底部曲げアール＝１．６mm）を用いて、鉄被覆層が雌型の成形面側になるようにクラッド材を載置し、上方より雄金型（先端部の曲げアール＝１．６mm）をハンマーにて打撃し、試料をＶ字状成形面に沿って曲げ加工した。また、試験片を９０°に曲げた後、さらに２辺のなす角が０°となるように万力にて屈曲させる曲げ試験も行った。曲げ試験後の試験片の曲げ部の外側（鉄被覆層側）を光学顕微鏡（倍率２５倍）によって観察し、全幅に渡って完全に連続した亀裂が生じたものを「○○○」、全幅の１００％未満、９０％以上に渡って不連続な亀裂が生じたものを「○○」、全幅の９０％未満、５０％以上に渡って不連続な亀裂が生じたものを「○」、全幅の５０％未満、２０％以上に渡って不連続な亀裂が生じたものを「△」、全幅に渡って亀裂が生じなかったものを「×」と評価した。
【００２９】
また、前記クラッド材の各試料を用いて接合強度を調べた。接合強度として、接合状態にある鉄被覆層および銅層を基層から反対方向に１０mm／min で引き剥がす際に要する荷重Ｐ（Ｎ）を板幅Ｗ（mm）で除した，板幅１mm当たりの引き剥がし力を求めた。この値は銅層と基層（軟鋼）との接合強度を示すが、同時に銅層と鉄被覆層（軟鋼）との接合強度を示すものである。接合強度が３０Ｎ／mm以上では取り扱い上問題はないのでを合格（○）、３ＯＮ／mm未満を不合格（×）と評価した。これらの測定結果を表１に併せて示す。
【００３０】
【表１】
2005101073.tif 000003
【００３１】
表１より、試料No. ２〜１２の発明例では、鉄被覆層の平均硬度がＨｖ１８０〜２３０の範囲内に入っており、曲げ角が３０°のＶ字状金型による曲げ加工によって２０％以上の亀裂の発生が認められ、特に０°曲げでは全幅の５０％以上に亀裂が発生した。また、発明例では接合強度も取り扱い上問題のない強度が得られた。さらに、表面硬化層を形成した発明例（試料No. ２２〜２８）では、３０°曲げにおいても全幅の５０％以上に亀裂が発生し、０°曲げでは９０〜１００％の領域で亀裂が発生した。コイニング成形によるマウント部の膨出成形は上記曲げ加工に比して素材の受ける変形が大きく、厳しい加工であるので、発明例のクラッド材によれば、マウント部の膨出成形の際に展延した鉄被覆層（抵抗溶接層）に亀裂が生じて、容易に分断され、マウント部の芯部銅材が露出することが予期される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係るクラッド材の部分断面図である。
【図２】本発明のクラッド材を素材としてコイニング成形したステムの断面説明図であり、マウント部において芯部銅材が部分的に露出している。
【図３】比較的硬度の高い鉄被覆層を有する、本発明のクラッド材を素材としてコイニング成形したステムの断面説明図であり、マウント部において芯部銅材が全面的に露出している。
【図４】従来のクラッド材を素材としてコイニング成形したステムの断面説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  基層
２  銅層
３  鉄被覆層
１１  基部
１２  ヒートシンク
１３  平坦部
１４  マウント部
１５  抵抗溶接層
【図１】
2005101073.tif 000004
【図２】
2005101073.tif 000005
【図３】
2005101073.tif 000006
【図４】
2005101073.tif 000007