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図面 (8)

課題

半導体素子を搭載するヒートシンク部およびヒートシンク部を支持する円形基盤部を一体に成形することができ、キャップを円形状基盤部に直接溶接することが可能であるとともに、熱膨張率および熱伝導率が安定し半導体素子の長期信頼性を得ることができる半導体用ケースを提供する。

解決手段

半導体素子を搭載するヒートシンク部と、該ヒートシンク部を支持する円形状基盤部と、ヒートシンク部および半導体素子を覆い円形状基盤部に接合して密閉空間を形成するキャップとから構成される半導体用ケースであって、ヒートシンク部および円形状基盤部は、タングステン系粉末とその他の金属粉末とが攪拌混合された混合粉末によって一体成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金によって構成されている。

概要

背景

レーザーダイオード発光ダイオードパワートランジスターFET素子電解効果トランジスター)、マイクロ波通信デバイス等の電磁波を発するGaAs,GaP,InAs, GaSb の化合物半導体素子は、電磁波の発生によって生ずる熱により自ら劣化するとともに長期信頼性を失うことがある。この劣化の防止と長期信頼性を確保するために、半導体素子半導体用ケースに収容されて使用される。図6および図7には、従来用いられている半導体用ケースが示されている。半導体用ケースは、半導体素子2を搭載するサブマウント3と、該サブマウント3を支持するヒートシンク部材4と、該ヒートシンク部材4を支持する円形基盤5と、該円形状基盤5に支持された該ヒートシンク部材4および半導体素子2を搭載したサブマウント4を覆い該円形状基盤5に溶接等により接合して密閉空間を形成するキャップ6とからなっている。なお、キャップの上面には、光取り出し窓7が装着されている。このように構成された半導体用ケースは、上記密閉空間に窒素ガス等を封入し、半導体素子を外気遮断した状態で使用する。なお、図中8および9は絶縁部材10を介して円形状基盤5に装着されたリード線、11は一方のリード線8と上記半導体素子2とを接続するリードワイヤである。

上述した半導体用ケースは、レーザーダイオードや発光ダイオード等の半導体素子2から発生した熱を効率良く放熱することが望ましい。一方、半導体素子2とこれを搭載するサブマウント3の熱膨張率に差があると、発熱に伴って歪みが発生し、半導体素子2に不必要なストレスが加わる。このようなストレスは、半導体素子2の性能劣化加速し、更には破壊の原因となる。従って、サブマウント2の材料としては半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率が要求され、ヒートシンク部材4および円形状基盤5としては熱伝導率が高い材料が要求される。このような要求を満足するために従来の半導体用ケースは、サブマウント3を半導体素子2の熱膨張率に近い例えばアルミナ窒化アルミ等によって構成し、ヒートシンク部材4を熱伝導性の良い銅や銀等によって構成し、そして円形状基盤5を溶接が可能な鉄材によって構成したものが一般に用いられている。しかるに、上述した半導体用ケースは、サブマウント3とヒートシンク部材4および円形状基盤5の材質がそれぞれ異なるため、これらを結合するには銀蝋やAu-Sn合金等の蝋材によって蝋付けしなければならず、生産性が悪く高価になるという問題がある。また、上述した半導体用ケースは、蝋材によって熱膨張率および熱拡散が不安定となり、半導体素子の長期信頼性が得られないという問題が指摘されている。

上述した問題を解消するために上記サブマウントとヒートシンク部材および円形基盤を、タングステンまたはモリブデン若しくはタングステンーモリブデン合金のいずれかに溶融金属浸透法溶浸法)により銅を含浸せしめた複合材料によって構成した半導体用ケースが例えば特公平2ー24392号公報、特公平2ー24393号公報に開示されている。この複合材料は、タングステンまたはモリブデン若しくはタングステンとモリブデンの粉末を板状に成形し、これを焼結して網目状構造体を形成し、この網目状構造体上に純度の高い銅板を載置して1200°C程度の温度で加熱することにより、銅を溶融して網目状構造体に浸透させて製造する。また、タングステン粉末銅粉末混合粉末を所定形状に成形し、この所定形状に成形された成形体を焼結したタングステンー銅擬合金によってヒートシンク部材および円形状基盤を一体的に構成する技術も提案されている。

概要

半導体素子を搭載するヒートシンク部およびヒートシンク部を支持する円形状基盤部を一体に成形することができ、キャップを円形状基盤部に直接溶接することが可能であるとともに、熱膨張率および熱伝導率が安定し半導体素子の長期信頼性を得ることができる半導体用ケースを提供する。

半導体素子を搭載するヒートシンク部と、該ヒートシンク部を支持する円形状基盤部と、ヒートシンク部および半導体素子を覆い円形状基盤部に接合して密閉空間を形成するキャップとから構成される半導体用ケースであって、ヒートシンク部および円形状基盤部は、タングステン系粉末とその他の金属粉末とが攪拌混合された混合粉末によって一体成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金によって構成されている。

目的

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、半導体素子を搭載するヒートシンク部およびヒートシンク部を支持する円形状基盤部を一体に成形することができ、キャップを円形状基盤部に直接溶接することが可能であるとともに、熱膨張率および熱伝導率が安定し半導体素子の長期信頼性を得ることができる半導体用ケースを提供することにある。

効果

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請求項1

半導体素子を搭載するヒートシンク部と、該ヒートシンク部を支持する円形基盤部と、該ヒートシンク部および該半導体素子を覆い該円形状基盤部に接合して密閉空間を形成するキャップと、から構成される半導体用ケースにおいて、該ヒートシンク部および該円形状基盤部は、タングステン系粉末とその他の金属粉末とが攪拌混合された混合粉末によって一体成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金によって構成されている、ことを特徴とする半導体用ケース。

請求項2

該タングステン系粉末は、タングステン粉末またはモリブデン粉末のいずれかであるか、タングステン粉末またはモリブデン粉末のいずれかを主成分とした混合粉末であり、該その他の金属粉末は、ニッケル粉末を含む、請求項1記載の半導体用ケース。

請求項3

該タングステン粉末の重量比は85〜98%であり、モリブデン粉末の重量比は0〜12%であり、ニッケル粉末の重量比は1〜12%であり、銅粉末の重量比は0〜5%であり、鉄粉末の重量比は0〜5%であり、コバルト粉末の重量比は0〜5%であって、重量比の合計が100%に成るように適宜の割合で混合された混合粉末からなる、請求項2記載の半導体用ケース。

請求項4

「銅粉末の重量比0%、鉄粉末の重量比0%」または「銅粉末の重量比0%、鉄粉末の重量比1%以下、モリブデン粉末の重量比0.1〜8%、および/またはコバルト粉末の重量比0.1〜5%」の混合粉末からなる、請求項3記載の半導体用ケース。

技術分野

0001

本発明は、光伝送等に用いられる半導体素子を収容するための半導体用ケースに関する。

背景技術

0002

レーザーダイオード発光ダイオードパワートランジスターFET素子電解効果トランジスター)、マイクロ波通信デバイス等の電磁波を発するGaAs,GaP,InAs, GaSb の化合物半導体素子は、電磁波の発生によって生ずる熱により自ら劣化するとともに長期信頼性を失うことがある。この劣化の防止と長期信頼性を確保するために、半導体素子は半導体用ケースに収容されて使用される。図6および図7には、従来用いられている半導体用ケースが示されている。半導体用ケースは、半導体素子2を搭載するサブマウント3と、該サブマウント3を支持するヒートシンク部材4と、該ヒートシンク部材4を支持する円形基盤5と、該円形状基盤5に支持された該ヒートシンク部材4および半導体素子2を搭載したサブマウント4を覆い該円形状基盤5に溶接等により接合して密閉空間を形成するキャップ6とからなっている。なお、キャップの上面には、光取り出し窓7が装着されている。このように構成された半導体用ケースは、上記密閉空間に窒素ガス等を封入し、半導体素子を外気遮断した状態で使用する。なお、図中8および9は絶縁部材10を介して円形状基盤5に装着されたリード線、11は一方のリード線8と上記半導体素子2とを接続するリードワイヤである。

0003

上述した半導体用ケースは、レーザーダイオードや発光ダイオード等の半導体素子2から発生した熱を効率良く放熱することが望ましい。一方、半導体素子2とこれを搭載するサブマウント3の熱膨張率に差があると、発熱に伴って歪みが発生し、半導体素子2に不必要なストレスが加わる。このようなストレスは、半導体素子2の性能劣化加速し、更には破壊の原因となる。従って、サブマウント2の材料としては半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率が要求され、ヒートシンク部材4および円形状基盤5としては熱伝導率が高い材料が要求される。このような要求を満足するために従来の半導体用ケースは、サブマウント3を半導体素子2の熱膨張率に近い例えばアルミナ窒化アルミ等によって構成し、ヒートシンク部材4を熱伝導性の良い銅や銀等によって構成し、そして円形状基盤5を溶接が可能な鉄材によって構成したものが一般に用いられている。しかるに、上述した半導体用ケースは、サブマウント3とヒートシンク部材4および円形状基盤5の材質がそれぞれ異なるため、これらを結合するには銀蝋やAu-Sn合金等の蝋材によって蝋付けしなければならず、生産性が悪く高価になるという問題がある。また、上述した半導体用ケースは、蝋材によって熱膨張率および熱拡散が不安定となり、半導体素子の長期信頼性が得られないという問題が指摘されている。

0004

上述した問題を解消するために上記サブマウントとヒートシンク部材および円形基盤を、タングステンまたはモリブデン若しくはタングステンーモリブデン合金のいずれかに溶融金属浸透法溶浸法)により銅を含浸せしめた複合材料によって構成した半導体用ケースが例えば特公平2ー24392号公報、特公平2ー24393号公報に開示されている。この複合材料は、タングステンまたはモリブデン若しくはタングステンとモリブデンの粉末を板状に成形し、これを焼結して網目状構造体を形成し、この網目状構造体上に純度の高い銅板を載置して1200°C程度の温度で加熱することにより、銅を溶融して網目状構造体に浸透させて製造する。また、タングステン粉末銅粉末混合粉末を所定形状に成形し、この所定形状に成形された成形体を焼結したタングステンー銅擬合金によってヒートシンク部材および円形状基盤を一体的に構成する技術も提案されている。

発明が解決しようとする課題

0005

而して、上述した溶浸法によって製造される複合材料および上記タングステンー銅擬合金は、鉄系金属との溶接が困難であるため、上記円形状基盤部を上記複合材料またはタングステンー銅擬合金によって形成すると、円形状基盤部に鉄系金属で形成されたキャップを溶接によって直接接合することができない。従って、円形状基盤部にコバール等の鉄系金属材を銀蝋等の剤によって予め蝋付けしておき、この鉄系金属材に鉄系金属で形成されたキャップをレーザー溶接によって接合している。このように、上記複合材料またはタングステンー銅擬合金によって円形状基盤部を構成したものにおいては、キャップを溶接するために鉄系金属材を予め蝋付けしておく必要があるため、作業工程が増加して生産性を向上することができない。また、上記複合材料またはタングステンー銅擬合金は、タングステンの網目状構造体内に銅が取り込まれた状態の構造であるため、密度が必ずしも均一とはならず、熱膨張率および熱伝導率が場所によって異なり品質が安定せず信頼性に欠けるという問題がある。

0006

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、半導体素子を搭載するヒートシンク部およびヒートシンク部を支持する円形状基盤部を一体に成形することができ、キャップを円形状基盤部に直接溶接することが可能であるとともに、熱膨張率および熱伝導率が安定し半導体素子の長期信頼性を得ることができる半導体用ケースを提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上記主たる技術課題を解決するために、本発明によれば、半導体素子を搭載するヒートシンク部と、該ヒートシンク部を支持する円形状基盤部と、該ヒートシンク部および該半導体素子を覆い該円形状基盤部に接合して密閉空間を形成するキャップと、から構成される半導体用ケースにおいて、該ヒートシンク部および該円形状基盤部は、タングステン系粉末とその他の金属粉末とが攪拌混合された混合粉末によって一体成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金によって構成されている、ことを特徴とする半導体用ケースが提供される。

0008

上記タングステン系粉末は、タングステン粉末またはモリブデン粉末のいずれかであるか、タングステン粉末またはモリブデン粉末のいずれかを主成分とした混合粉末であり、その他の金属粉末は、ニッケル粉末を含む。上記タングステン粉末の重量比は85〜98%であり、モリブデン粉末の重量比は0〜12%であり、ニッケル粉末の重量比は1〜12%であり、銅粉末の重量比は0〜5%であり、鉄粉末の重量比は0〜5%であり、コバルト粉末の重量比は0〜5%であって、重量比の合計が100%に成るように適宜の割合で混合された混合粉末からなる。この混合粉末において、「銅粉末の重量比0%、鉄粉末の重量比0%」または「銅粉末の重量比0%、鉄粉末の重量比1%以下、モリブデン粉末の重量比0.1〜8%、および/またはコバルト粉末の重量比0.1〜5%」であることが望ましい。

発明を実施するための最良の形態

0009

以下、本発明に従って構成された半導体用ケースの実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

0010

図1には本発明に従って構成された半導体用ケースの一実施形態を示す平面図が、図2には図1におけるA−A線断面図が示されている。図示の実施形態における半導体用ケースは、半導体素子102を搭載するマウント部103を備えたヒートシンク部104と、該ヒートシンク部104を支持する円形状基盤部105が、タングステン系粉末とその他の金属粉末とが攪拌混合された混合粉末によって所定形状に成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金によって構成されている。ヒートシンク部104および円形状基盤部105の製作について更に詳しく説明すると、タングステン(W)粉末;85〜98重量%、モリブデン(Mo)粉末;0〜12重量%、ニッケル(Ni)粉末;1〜12重量%、銅(Cu)粉末;0〜5重量%、鉄(Fe)粉末;0〜5重量%、コバルト(Co)粉末;0〜5重量%を適宜の割合に配合し、これに潤滑剤または潤滑剤とバインダーを加えてブレンダーまたは混練機にて混合し、この混合粉末を圧縮成形または射出成形により所定形状に成形して成形体を得る。この成形体を実質的に真空雰囲気または実質的に還元性ガス若しくは不活性雰囲気にて、1350〜1700°Cの温度で1時間程度焼成することにより、所定形状のヒートシンク部104と円形状基盤部105を一体的に製作することができる。なお、上記各粉末の「0重量%」は、不可避的な不純物も含まない、という絶対的な意味ではない。

0011

上記ヒートシンク部104のマウント部103に搭載された半導体素子102を覆うキャップ106は、図示の実施形態においては鉄系金属で形成されており、上面に光取り出し窓107を備えている。このキャップ106と円形状基盤部105とによって覆われた密閉空間には窒素ガス等が封入されている。そしてキャップ106は、その取付部106aの外周縁が円形状基盤部105にレーザー溶接によって装着される。即ち、上記合金によって構成された円形状基盤部105は溶接が可能であるため、鉄系金属で形成されたキャップ106を円形状基盤部105に直接溶接することができる。図中108および109は絶縁部材110を介して円形状基盤部105に装着されたリード線、111は一方のリード線108と上記半導体素子102とを接続するリードワイヤである。なお、半導体素子102は図示の実施形態のようにヒートシンク部104のマウント部103に直接搭載することが望ましいが、半導体素子の取扱上の問題でアルミナや窒化アルミ等からなるサブマウント部材に装着してサブマウントした状態でヒートシンク部104のマウント部103に搭載してもよい。

0012

図3乃至図5は、半導体素子102を搭載するマウント部103を備えたヒートシンク部104と、該ヒートシンク部104を支持する円形状基盤部105を、上述した合金即ちタングステン系粉末とその他の金属粉末とが攪拌混合された混合粉末によって所定形状に成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金により一体成形した例を示す斜視図である。図3は、リード線用孔105aを備えた円形状基盤部105とマウント部103を備えたヒートシンク部104とが一体に形成されたものである。図4は、リード線用孔105aを備えた円形状基盤部105とマウント部103を備えたヒートシンク部104とが一体に形成されるとともに、円形状基盤部105におけるマウント部103の直下には半導体レーザーの後部から発する不要なレーザー光乱反射して消滅させるための凹部105bが一体に形成されたものである。図5は、リード線用孔105aを備えた円形状基盤部105と突出して設けられたマウント部103を備えたヒートシンク部104とが一体に形成されたものである。なお、必要に応じて成形体に後加工を施し、使用の態様に適合させることは自由である。

0013

上述したように、本発明に従って構成された半導体用ケースは、ヒートシンク部104および円形状基盤部105がタングステン系粉末とその他の金属粉末とが攪拌混合された混合粉末によって所定形状に成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金によって構成されていることが重要である。ここで、ヘビーアロイメカニズム理論について定義しておく。ヘビーアロイメカニズム理論とは、2種以上の金属粉末(例えばタングステン粉末90重量%、ニッケル粉末7.5重量%、銅粉末2.5重量%)を混合した混合粉末によって所定の形状に成形された成形体を例えば1350〜1700°Cの温度で焼結すると、一部の固体粒子は溶解して液相を生じるが、タングステンのように融点の高い金属粉末は固体粒子の溶解には限度があり、焼結中に溶解現象析出現象とを繰り返して固体粒子がオストワルド成長と称する粒成長をしながら焼結体の密度を上昇させる。この粒成長が1時間程度継続すると、最後に固体粒子同士が接触し固相拡散も生じて理論密度近くまで焼結が進み合金化する現象をいう。

0014

表1は、タングステン(W)粉末を主成分(85〜97重量%)とし、その他の金属粉末を適宜の割合で配合した混合粉末によって成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金の熱伝導率(W/mK)および熱膨張率(×10−6/°C)を示すものである。なお、耐蝕性は、塩水噴霧試験を24時間実施した結果である。

0015

0016

上述したタングステン系粉末とその他の金属粉末との混合粉末によって成形された成形体をヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金は、熱膨張率が5.23〜7.05)×10−6/°Cの範囲で半導体素子を構成するGaPの熱膨張率(5.3×10−6/°C)、InAsの熱膨張率(5.8×10−6/°C)、GaAsの熱膨張率(6.5×10−6/°C)、 GaSb の熱膨張率(6.9×10−6/°C)に近似し、また、熱伝導率が67〜129(W/mK)で化合物半導体素子の熱膨張率に近い熱膨張率を有するアルミナ(15W/mK)、コバール(15W/mK)に比して5〜8倍の熱伝導率であり、半導体用ヒートシンク材に要求される特性を有している。しかも、上記焼結合金組織が緻密な合金となり、上記複合材料およびタングステンー銅擬合金のように空孔を生じることがないため、熱膨張率および熱伝導率が場所によって不均一となることはなく、安定したヒートシンク特性を確保することができる。更に、上記焼結合金は鉄系金属との溶接が可能であるため、鉄系金属で形成されたキャップを円形状基盤部に直接溶接することができる。

0017

また、表1に示すように「銅(Cu)粉末の重量比0%、鉄(Fe)粉末の重量比0%」または「銅(Cu)粉末の重量比0%、鉄(Fe)粉末の重量比1%以下、モリブデン(Mo)粉末の重量比0.1〜8%、および/またはコバルト(Co)粉末の重量比0.1〜5%」で配合した合金は錆の発生はなく、従って、この焼結合金によってヒートシンク部および円形状基盤部を製作することにより、耐蝕性に優れた半導体用ケースを得ることができる。なお、上記配合以外で配合した合金は錆の発生が認められるが、この合金によってヒートシンク部および円形状基盤部を構成したものにおいては、メッキ或いは金属蒸着等の防錆処理を施して耐蝕性を向上させることが望ましい。

0018

上記表1に示すヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金は、タングステン系粉末としてタングステン(W)粉末を主成分とした例であるが、タングステン系粉末としてモリブデン(Mo)粉末を主成分としてヘビーアロイメカニズム理論によって焼結した合金を用いてヒートシンク部および円形状基盤部を構成してもよい。

発明の効果

0019

本発明による半導体用ケースは以上のように構成されているので、次の作用効果を奏する。

0020

即ち、本発明によれば、半導体用ケースを構成するヒートシンク部および円形状基盤部は、タングステン系粉末とその他の金属粉末とが攪拌混合された混合粉末によって一体成形された成形体を、ヘビーアロイメカニズム理論で焼結した合金によって構成されており、この焼結合金は鉄系金属との溶接が可能であるため、鉄系金属で形成されたキャップを円形状基盤部に直接溶接することができる。従って、キャップを溶接するために鉄系金属材を予め蝋付けしておく必要がないため、生産性を向上することができ、安価な半導体用ケースを得ることができる。また、上記焼結合金は組織が緻密で高密度な合金となり、上記複合材料およびタングステンー銅擬合金のように空孔を生じることがないため、熱膨張率および熱伝導率が均一で寸法精度が良好な信頼性の高い半導体用ケースを得ることができる。

図面の簡単な説明

0021

図1本発明に従って構成された半導体用ケースの平面図。
図2図1におけるA−A線断面図。
図3本発明による半導体用ケースを構成するマウント部を備えたヒートシンク部と円形状基盤部を焼結合金により一体成形した一実施形態を示す斜視図。
図4本発明による半導体用ケースを構成するマウント部を備えたヒートシンク部と円形状基盤部を焼結合金により一体成形した他の実施形態を示す斜視図。
図5本発明による半導体用ケースを構成するマウント部を備えたヒートシンク部と円形状基盤部を焼結合金により一体成形した更に他の実施形態を示す斜視図。
図6従来用いられている半導体用ケースの平面図。
図7図6におけるB−B線断面図。

--

0022

102:半導体素子
104:ヒートシンク部
105:円形状基盤部
106:キャップ
107:光取り出し窓
108、109:リード線
110:絶縁部材
111:リードワイヤ

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