JP3724028B2 - 金属製の容器体およびパッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子を収容するための金属製の容器体、半導体素子を収容した金属製の容器体とその容器体を気密封止した金属製の蓋体とを備えた金属製のパッケージに関し、特に、金属製の容器体への入出力端子の取付構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子や半導体素子等を搭載した基板を気密封止するために金属製のパッケージが用いられている。このような金属製パッケージは、金属製の容器体と蓋体とから構成される。
【０００３】
金属製の容器体は図１６と図１７に示されるように、２つのタイプのものが用いられる。
【０００４】
図１６に示されるように、金属容器体２１０は、半導体素子等が装着される底壁とその底壁を取囲むように形成された側壁とを備えている。金属容器体２１０の側壁には、入出力用端子２０が固着されている。端子２０は、金属容器体２１０の底壁に装着された半導体素子等（図示せず）に接続されるものである。端子２０は金属ピン２１を有する。金属ピン２１は、金属容器体２１０の外面から内面に通ずるように設けられている。端子２０は、金属容器体２１０の側壁面に形成された端子取付穴２１１に挿入されて固着されている。
【０００５】
図１７に示すように、もう１つのタイプの金属容器体は、金属枠体３１０と金属基体３８０とを備えている。金属基体３８０は金属枠体３１０にろう付等によって固着されている。金属枠体３１０の側壁には端子取付用切欠部３１１が形成されている。この端子取付用切欠部３１１に半導体素子用の入出力端子１２０が挿入されて金属容器体に固着されている。なお、金属基体３８０の両端部に形成されたねじ止め用穴３８１は、金属容器体を外部電気回路基板等に固着するとき、ねじを挿入するために用いられる穴である。
【０００６】
上記のように構成される金属容器体の材料としては、通常、銅や鉄を含有する金属材料や複合材料（以下、「銅系材料」と称する）、アルミニウムを含む金属材料や複合材料（以下、「アルミニウム系材料」と称する）が用いられる。
【０００７】
また、入出力端子の構造としては、以下のものが挙げられる。
（ａ） 図１６に示されるように、金属ピン２１を直接ガラスを用いて端子取付穴２１１に取付ける。
【０００８】
（ｂ） 図１８に示されるように、端子２０は、金属ピン２１をセラミック管２４に接合した構造を有する。このような構造の端子２０を図１６に示されるような金属容器体２１０の端子取付穴２１１に挿入し、ろう付によって固着する。
【０００９】
（ｃ） 図１９に示されるように、端子２０は、金属管２３に金属ピン２１を高融点ガラス２２で固着した構造を有する。このような構造の端子２０を図１６で示されるような金属容器体２１０の端子取付穴２１１に挿入して、ろう付によって固着する。
【００１０】
（ｄ） 図２０に示すように、端子１２０は、セラミック基体１２２を備えている。セラミック基体１２２は２つのセラミック部材１２２ａと１２２ｂとから構成される。セラミック部材１２２ａの上面にはメタライズ金属層１２１がストリップ状に形成されている。このストリップ状のメタライズ金属層１２１の一部分がセラミック基体１２２の内部に埋設されるように、セラミック部材１２２ａの上にセラミック部材１２２ｂが固着されている。また、図２１に示すように、セラミック部材１２２ｂの上面と側面、セラミック部材１２２ａの側面と底面を被覆するようにメタライズ金属層１２３が形成されている。このような構造を有する入出力端子は、図１７に示されるような金属枠体３１０と金属基体３８０とから形成される金属容器体に取付けられる。入出力端子１２０は、金属枠体３１０の切欠部３１１にろう付によって固着される。
【００１１】
一般に、金属容器体の材料として銅系材料が用いられる場合、入出力端子の取付構造として上記の（ａ）が採用されている。近年、半導体素子の高密度化、高集積化により、入出力端子の数が増加してきている。また、金属製パッケージの放熱性を高めることが要求されてきている。そのため、端子の大きさを小さくすることができ、１つの金属容器体の側壁に多数個の端子を取付けることができるようにするために、上記の（ｂ）の端子構造が採用されてきている。さらに、金属製パッケージの放熱性を高めるために、金属容器体の材料として熱伝導度の高い銅−タングステン複合材が用いられてきている。その場合、大型の金属製パッケージにおいて信頼性を高めるために、（ｃ）の構造が入出力端子として採用されてきている。
【００１２】
端子の取付方法としては、金属容器体の材料として銅系材料が用いられる場合には、まず、端子取付穴２１１（図１６）または切欠部３１１（図１７）を金属容器体の側壁に切削加工によって形成した後、その表面にニッケルめっき処理を施す。一方、端子２０または１２０の金属部分にもニッケルめっき処理を施す。その後、銀ろうを用いて、端子２０または１２０を穴２１１または切欠部３１１に還元性の雰囲気中で接合する。
【００１３】
金属容器体の材料としてアルミニウム系材料が用いられる場合には、その融点が低いために、（ａ）の端子構造の場合には、低融点のガラスを用いて端子２０または１２０を穴２１１または切欠部２１１に接合する。（ｂ）〜（ｄ）の端子構造の場合には、一般に、金属容器体の材料の融点以下の低融点半田を用いて、端子２０または１２０を穴２１１または切欠部３１１に接合する。なお、金属容器体の材料がアルミニウム系材料の場合、端子の取付けに関する先行技術は、たとえば、特公平２−２８２６４号公報、実公平４−３８５２３号公報、米国特許第５，２２３，６７２号公報等に示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
金属容器体の材料として銅系材料が用いられる場合、端子の取付けにおいて以下のような問題点がある。
【００１５】
まず、上記の（ｂ）と（ｃ）で示される構造の端子２０を図１６で示されるような金属容器体２１０の端子取付穴２１１に接合する場合の問題点について考察する。
【００１６】
図２２は、上記の場合における端子の接合工程を概念的に示す部分断面図である。図２２に示すように、端子２０が（ｃ）の構造を有する場合を例にして説明する。端子２０の外形が円柱状のため、金属容器体２１０の端子取付穴２１１と端子２０との間に銀ろうの箔を所定のサイズに切断して挿入した状態で、ろう付用カーボン治具に金属容器体２１０をセットすることは不可能である。そのため、図２２に示すように、金属容器体２１０の端子取付穴２１１に端子２０を嵌め込み、ドーナツ状リングの銀ろう箔（ろう材のプリフォーム体）５３を取付穴２１１の一方側に置く。この銀ろう箔５３が端子２０と取付穴２１１との間に流れ込むことにより、端子２０が端子取付穴２１１に固着される。このとき、同時に、金属容器体２１０の上端面とシールリング３０との間にも板状の銀ろう箔５２が置かれる。
【００１７】
しかしながら、上記のような接合方法においては、小さな部品をセットする作業は煩雑であり、ドーナツ状リングのろう材の流れ込み量を制御することが困難である。そのため、ろう付後の気密性が悪化し、完成品としての金属製パッケージの歩留りが非常に低くなる。
【００１８】
上記の（ｄ）の構造の端子を図１７で示されるような金属容器体に接合する場合の問題点について考察する。
【００１９】
図２３は、そのような端子の接合工程を概念的に示す部分断面図である。図２３に示されるように、金属容器体を構成する金属枠体３１０、金属基体３８０と端子１２０との間には、板状の銀ろう箔１５３と１５４を挿入する。また、シールリング１３０と金属枠体３１０との間にも板状の銀ろう箔１５２を挿入する。この状態で、金属枠体３１０と金属基体３８０をろう付用カーボン治具にセットし、還元性の雰囲気炉中でろう付接合を行なう。
【００２０】
この場合、小さな部品のセット作業が煩雑となり、また、板状の銀ろう箔を挿入する際、金属枠体３１０の端子取付用切欠部３１１と端子１２０との間にある程度のクリアランスを設ける必要があるため、ろう付後の気密性が悪化し、完成品としての金属製パッケージの歩留りが低くなるという問題がある。
【００２１】
また、金属容器体の材料としてアルミニウム系材料が用いられる場合にも、端子の接合において以下のような問題点がある。
【００２２】
上記の（ａ）の構造の端子を図１６で示されるような金属容器体２１０の端子取付穴２１１に取付ける場合、金属容器体２１０を構成する材料の融点が低いため、現状では高い誘電率を有する低融点ガラスのみが接合材料として適用可能である。この接合材料は、高い誘電率を有するため、端子部分のインピーダンスを整合（たとえば、５０Ω整合）する場合、設計上の制約が存在することになる。したがって、高周波の半導体素子等の用途では、（ａ）の構造の端子を取付けることは困難であり、（ｂ）〜（ｄ）の構造の端子を採用せざるを得ない。
【００２３】
また、（ｂ）〜（ｄ）の構造の端子をアルミニウム系材料からなる金属容器体に取付ける場合にも次のような問題がある。
【００２４】
まず、銅系材料からなる金属容器体に（ｂ）〜（ｄ）の構造の端子を取付ける場合と同様の問題がある。
【００２５】
さらに、その問題に付け加えて、たとえば、特公平２−２８２６４号公報で開示されている接合技術においては、軽量化を図るために、煩雑な部分めっき工程が必要である。また、スズ鉛半田で端子を接合しているため、パッケージに実装する半導体素子や半導体素子等を搭載した基板の接合が、スズ鉛半田の融点以下の作業温度を有する接着剤（ろう材）に制約されるという問題がある。
【００２６】
また、実公平４−３８５２３号公報に示された接合技術においては、アルミニウムのろう材が使用されている。しかしながら、アルミニウムのろう材は融点が高く、また濡れ性が劣るとともに、湿度が高い状態ではアルミニウムとの間に局部電池を生じ、電食が起こる。したがって、接合部の信頼性が低いという問題がある。
【００２７】
さらに、米国特許第５，２２３，６７２号公報に示された接合技術においては、端子の金属管が商品名コバール（鉄−２９重量％ニッケル−１７重量％コバルト合金）であり、金属容器体を構成するアルミニウムとの熱膨張係数の差に起因する問題を解消するため、端子の構造を鍔付きにしてレーザ溶接が行なわれている。この場合、端子の構造を変更し、さらにレーザ溶接の設備を必要とするため、製造コストの上昇を招き、さらに作業性が悪いという問題がある。
【００２８】
そこで、この発明の目的は、煩雑な工程を必要としないで高い歩留りで端子を固着することが可能で、高い信頼性、すなわち高い気密性を有する金属製パッケージの構造、そのパッケージに用いられる金属製容器体の構造を提供することである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
この発明に従った金属製の容器体は、半導体素子を収容するためのものであって以下のような構成を有する。容器体の側壁部には開口部が設けられている。その開口部に通ずる貫通孔が側壁部の端面から延在するように形成されている。半導体素子用の入出力端子が容器体の外面から内面に通ずるように開口部に挿入されている。貫通孔と開口部に充填されたろう材によって入出力端子が側壁部に固着されている。
【００３０】
この発明に従った金属製のパッケージは、半導体素子を収容した金属製の容器体と、その容器体を気密封止した金属製の蓋体とを備えている。金属製の容器体は、以下のような特徴を有する。容器体の側壁部には開口部が設けられている。その開口部に通ずる貫通孔が側壁部の端面から延在するように形成されている。半導体素子用の入出力端子が容器体の外面から内面に通ずるように開口部に挿入されている。貫通孔と開口部に充填されたろう材によって入出力端子が側壁部に固着されている。以上のように構成された金属製の容器体および金属製のパッケージは、次のような好ましい実施の形態を有する。
【００３１】
入出力端子は、金属管中に金属リードを絶縁性ガラス、たとえば高融点ガラスで埋設した構造、セラミックス体にメタライズ金属層を埋設した構造、または金属リードをセラミック管に接合した構造を有する。
【００３２】
容器体と蓋体とはシールリングを介在してシーム溶接されている。あるいは、容器体と蓋体とが直接、レーザ溶接されていてもよい。
【００３３】
容器体は、銅を含有する材料、鉄を含有する材料またはモリブデン単体材料から形成されている。蓋体は、銅を含有する材料、鉄を含有する材料またはモリブデン単体材料から形成されている。銅を含有する材料は、無酸素銅、銅−タングステン複合材、銅−モリブデン複合材、銅−タングステン−モリブデン複合材、銅とインバー合金のクラッド材、銅とモリブデンのクラッド材、銅とタングステンのクラッド材のうち、少なくとも１種の材料である。鉄を含有する材料は、鉄−ニッケル−コバルト合金（たとえば、商品名コバール（Ｋｏｖａｒ）（鉄−２９重量％ニッケル−１７重量％コバルト合金））、鉄−ニッケル合金（たとえば、４２アロイ（鉄−４２重量％ニッケル合金））、インバー合金、鉄−ニッケル合金と銀の複合材のうち、少なくとも１種である。
【００３４】
また、容器体は、アルミニウムを含有する材料から形成されていてもよい。蓋体もアルミニウムを含有する材料から形成されていてもよい。アルミニウムを含有する材料は、アルミニウム単体、アルミニウム合金、アルミニウム−シリコン複合材、アルミニウム−シリコンカーバイド複合材、アルミニウム−ホウ素複合材のうち、少なくとも１種である。また、アルミニウムを含有する材料は、シリコンを３０重量％以上、８０重量％以下含有する複合材料であってもよい。
【００３５】
容器体または蓋体を構成する材料としてマグネシウム合金が用いられてもよい。
【００３６】
容器体の熱膨張係数は１７×１０^-6／℃以下であるのが好ましい。
なお、上記においてシールリングを介在して容器体と蓋体をシーム溶接で接合する場合には、両者の間に必ず低い熱伝導性の（たとえば、ステンレス鋼のような）シールリングを介在させる必要がある。これは、容器体と蓋体を構成する高い熱伝導性の材料同士を直接シーム溶接すると、熱が拡散して溶接が困難になるためである。
【００３７】
また、容器体と蓋体とをレーザ溶接する場合には、上述に列挙された材料の中でもタングステン、モリブデン等の高融点金属、またはセラミックスを含むアルミニウム−シリコンカーバイド複合材等の材料で容器体と蓋体とを構成すると、両者の溶接が困難となるため、そのような材料を用いるのは好ましくない。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の金属容器体の１つの実施の形態（Ａタイプ）を示す斜視図である。図１に示すように、銅系材料またはアルミニウム系材料のブロックから、開口部を有する凹型容器体を切削加工することにより、金属容器体１０を作製する。金属容器体１０の側面には、切削加工により端子取付穴１１を形成する。端子取付穴１１に通じ、金属容器体１０の上端面から延在する貫通孔としてろう材挿入穴１２が形成されている。
【００３９】
図２に示すように、図１８または図１９に示されるような構造を有する端子２０が金属容器体１０の端子取付穴１１に挿入されて、ろう付によって固着されている。
【００４０】
図３の（Ｂ）は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った方向から見た断面図である。図３の（Ａ）は蓋体の断面を示している。図３は、図１９に示された構造の端子２０を採用した接合構造の一例を示している。図３に示すように、端子２０と金属容器体１０との間には、ろう材挿入穴１２を通じて供給されたろう材５０が介在することにより、端子２０は金属容器体１０の側壁に固着されている。すなわち、ろう材５０は、ろう材挿入穴１２を通じて端子取付穴１１に供給され、端子２０を構成する金属管２３と金属容器体１０の間に介在している。同時に、シールリング３０も、ろう材５０によって金属容器体１０の上端面に固着されている。
【００４１】
この端子の取付工程において、ろう材と各部材の配置は概略的に図５に示されている。図５に示されるように、金属容器体１０の端子取付穴１１に端子２０が挿入される。ろう材挿入穴１２には円柱状のろう材プリフォーム体５１が挿入される。金属容器体１０の上端面とシールリング３０との間には板状のろう材プリフォーム体５２が配置される。この場合、金属容器体１０が銅系材料から構成されるとき、その表面には無電解または電解ニッケルめっき処理が施されている。一方、端子２０の金属部分、すなわち金属ピン２１と金属管２３の外表面にも同様にニッケルめっき処理が施されている。また、金属容器体１０がアルミニウム系材料から構成されるとき、その表面には無電解または電解ニッケルめっき処理が施された後、さらに無電解または電解金めっき処理が施されている。一方、端子２０の金属部分には、同様にニッケルめっきと金めっきの処理が施されている。このように、予め、めっき処理が施された後、上述のようなろう材の配置を行なう。なお、金属容器体１０の材料が銅系材料の場合、ろう材として銀ろう（銀−２８重量％銅合金：融点７８０℃）が用いられ、金属容器体の材料がアルミニウム系材料の場合、その材料の融点より低い融点を有する金系ろう材（たとえば金−シリコン合金）が用いられる。
【００４２】
以上のように、ろう材を配置した状態で金属容器体１０とシールリング３０とを還元性の加熱雰囲気に置くことにより、シールリング３０と端子２０が金属容器体１０に接合される。この場合、ろう材プリフォーム体５１は溶融し、端子取付穴１１に流れ込み、金属管２３の外周面と端子取付穴１１の壁面との間にろう材が供給される。このようにして、煩雑な工程を伴うことなく、端子を金属容器体に接合することができる。
【００４３】
その後、図４に示すように、金属容器体１０の内部に半導体素子（または半導体素子を搭載した基板）６０が装着される。半導体素子６０と金属ピン２１とは金ワイヤ７０によって接続される。そして、金属容器体１０の上端面に、図３の（Ａ）で示されるような蓋体４０が載置され、シールリング３０を介してシーム溶接が行なわれる。このようにして半導体素子を気密封止した金属製パッケージ（メタルパッケージ）１が完成する。なお、この場合、シールリング３０を用いないで金属容器体１０の上端面に直接、蓋体４０をレーザ溶接で接合してもよい。
【００４４】
なお、蓋体４０とシールリング３０は、図６の（Ａ）と（Ｂ）に示される形状のものが用いられる。
【００４５】
図７と図８は、この発明のもう１つの実施の形態（Ｂタイプ）の金属容器体を示す斜視図である。図７に示すように、金属容器体を構成する１つの部材として金属枠体１１０の下端部には、複数個の切欠部１１１が間隔を隔てて形成されている。金属枠体１１０の上端部には、切欠部１１１のそれぞれに通ずるように、ろう材挿入穴１１２が貫通孔として延在するように形成されている。上記のように構成された金属枠体１１０に金属基体１８０が接合される。金属基体１８０には、完成品の金属製パッケージを外部電気回路基板等にねじ止めにより固着する際、ねじを挿入するためのねじ止め用穴１８１が形成されている。
【００４６】
図９は、図２０に示されるような端子１２０が端子取付け用切欠部１１１に挿入されて、ろう付によって固着された状態を示している。金属基体１８０も、ろう付によって金属枠体１１０の下端部に固着されている。
【００４７】
図１０の（Ｂ）は図９のＸ−Ｘ線に沿う方向から見た断面図である。図１０の（Ａ）は蓋体１４０の断面図である。図１０に示すように、ろう材１５０が端子１２０と金属基体１８０との間に介在することにより、端子１２０が金属基体１８０に固着されている。また、ろう材挿入穴１１２を通じてろう材１５０が端子取付用切欠部１１１に供給され、端子１２０が金属枠体１１０に接合されている。また、シールリング１３０も、ろう材１５０によって金属枠体１１０の上端面に接合されている。
【００４８】
上記の接合工程におけるろう材の配置は、概略的に図１２に示されている。端子１２０と金属基体１８０との間には板状のろう材プリフォーム体１５３が挿入される。金属枠体１１０のろう材挿入穴１１２には円柱状のろう材プリフォーム体１５１が挿入される。金属枠体１１０の上端面とシールリング１３０との間には板状のろう材プリフォーム体１５２が挿入される。このように、ろう材が配置された状態で接合工程が行なわれる。
【００４９】
なお、ろう材が配置される前に、金属枠体１１０や金属基体１８０の材料が銅系材料の場合には、それらの部材の表面に無電解または電解ニッケルめっき処理が施される。一方、端子１２０の金属部分にも同様にニッケルめっき処理が施される。また、金属枠体１１０や金属基体１８０がアルミニウム系材料から構成される場合には、それらの部材の表面に無電解または電解ニッケルめっき処理が施され、さらに無電解または電解金めっき処理が施される。一方、端子１２０の金属部分にも同様にニッケルめっきと金めっき処理が施される。
【００５０】
このように予め、めっき処理が施された後、ろう材が配置された状態で還元性の加熱雰囲気中に金属枠体１１０と金属基体１８０を置くことにより、接合工程が行なわれる。このとき、ろう材プリフォーム体１５１は溶融し、端子取付用切欠部１１１に流れ込む。その流れ込んだろう材によって、端子１２０は端子取付用切欠部１１１の壁面に固着される。このとき、同時に端子１２０は金属基体１８０に接合され、シールリング１３０は金属枠体１１０の上端面に接合される。
【００５１】
そして、図１１に示すように、金属基体１８０の上に半導体素子（または半導体素子を搭載した基板）１６０が装着される。半導体素子１６０と端子１２０とは金ワイヤ１７０によって接続される。その後、図１０の（Ａ）で示されるような蓋体１４０がシールリング１３０を介在して金属枠体１１０の上端面にシーム溶接される。このようにして、半導体素子１６０を気密封止した金属製パッケージ（メタルパッケージ）１００が完成する。
【００５２】
なお、上記の実施の形態においても、金属枠体１１０や金属基体１８０が銅系材料から構成される場合には、ろう材として銀ろう（銀−２８重量％銅合金：融点７８０℃）が用いられ、アルミニウム系材料から構成される場合には、その材料の融点よりも低い融点を有する金系ろう材（たとえば、金−シリコン合金）が用いられる。
【００５３】
以上の２つの実施の形態において、シールリングを用いて接続する場合には、金属容器体を構成する材料は、メタルパッケージの反りの規格にしたがって、１７×１０^-6／℃以下の熱膨張係数を有するのが好ましい。
【００５４】
なお、この発明の金属容器体に接合される端子は、図１８〜図２０に示される従来の構造のものを採用することができる。
【００５５】
図１８で示される構造の端子２０は、セラミック管（たとえば、アルミナ管）２４の貫通孔の内部に金属ピン（たとえば、商品名コバールから形成されたピン）２１を銀ろうで接合したものである。セラミック管２４は、プレス成形法で所定の筒状に成形した後、所定の雰囲気中で焼成したアルミナ等の電気絶縁性のセラミックスの外周と内周の表面にメタライズ金属層（タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属からなる金属層）をポストメタライズ処理し、それにニッケルめっき処理が施されたものである。
【００５６】
図１９で示される構造の端子２０は、金属管（商品名コバールから形成された管）２３に金属ピン（たとえば、商品名コバールからなるピン）２１を挿入し、高融点ガラス２２で固着したものである。
【００５７】
図２０で示される構造の端子１２０は、アルミナ等の電気絶縁性のセラミックス基体１２２とメタライズ金属層（タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属からなる金属層）１２１と１２３とを備えている。セラミックス基体１２２の材料としてシート成形法で所定の形状に成形した後、高融点金属ペーストが印刷加工等によって所定の領域に塗布された後、所定の雰囲気中で焼成処理されることにより、セラミックス基体１２２が形成されると同時に、その内部や外表面にメタライズ金属層１２１と１２３が形成される。
【００５８】
金属容器体の材料としてアルミニウム系材料が用いられる場合には、以下の表１に示されるようなシリコンを多量に含有するアルミニウム−シリコン複合材を用いるのが好ましい。表１に示すように、シリコンを多量に含有するアルミニウム−シリコン複合材では、ＪＩＳ規格で示されるアルミニウム合金に比べて熱膨張係数が小さく、かつシリコンにより比重がアルミニウムよりも小さくなっている。これにより、金属容器体の熱膨張を小さくすることができるとともに、軽量化をも図ることができる。
【００５９】
【表１】

【００６０】
表１に示されるアルミニウム−シリコン複合材は、ガスアトマイズ法を用いて製造することによって、シリコンの含有量を種々に変更することができる。しかしながら、本発明の金属容器体や蓋体の材料として用いられるアルミニウム−シリコン複合材としては、シリコンの含有量が高い組成では成形が困難になる。この点とシールリングを用いて容器体と蓋体とをシーム溶接する場合を考慮すると、シリコンを３０重量％以上、８０重量％以下含有するアルミニウム−シリコン複合材を用いるのが好ましい
また、容器体の材料としてアルミニウム系材料が用いられる場合には、端子を接合するために使用される低融点のろう材としては、長期にわたった信頼性と、半導体素子や半導体素子を搭載した基板等を装着する際の温度サイクルとの観点から、金−シリコン合金等の金系のろう材を用いるのが好ましい。
【００６１】
また、端子を金属容器体にろう付によって接合する際、上記の２つの実施の形態で説明したように、シールリングも同時にろう付で接合することが可能である。金属容器体の材料としてアルミニウム−３０〜６０重量％シリコン複合材が用いられる場合には、シールリングの材料としてステンレス合金が用いられ、アルミニウム−６０〜８０重量％シリコン複合材の場合には、シールリングの材料として商品名コバール（鉄−２９重量％ニッケル−１７重量％コバルト合金）が用いられる。このように、金属容器体の材料としてアルミニウム系材料が用いられる場合には、一般的にレーザ溶接で蓋体と金属容器体との接合が行なわれているが、上記のようなアルミニウム−シリコン複合材で金属容器体を構成すると、所定の材料のシールリングを介在させることによりシーム溶接が可能となる。
【００６２】
以上のように、この発明の金属パッケージにおいては、煩雑な工程を伴なうことなく、端子を接合することができる。
【００６３】
【実施例】
実施例１
図１〜図５で示されるＡタイプと図７〜図１２で示されるＢタイプのメタルパッケージの一実施例について以下に説明する。
【００６４】
金属容器体１０、金属枠体１１０および金属基体１８０を構成する材料として、銅（Ｃｕ）、商品名コバール、銅−タングステン複合材（ＣｕＷ）（１５重量％銅−８５重量％タングステン）を用いた。
【００６５】
これらの材料を切削加工することにより、図１（Ａタイプ）と図７，図８（Ｂタイプ）に示される２つのタイプの金属容器体の部材を切削加工によって形成した。
【００６６】
Ａタイプにおいては、図１に示すように、Ｌが５０．８ｍｍ、Ｗが２５．４ｍｍ、Ｈが６．０ｍｍ、ｔが２ｍｍの寸法を有するように金属容器体１０を形成した。また、Ｂタイプにおいては、図７に示すように、Ｌ１が５０．８ｍｍ、Ｗ１が２５．４ｍｍ、Ｈ１が６．０ｍｍ、ｔ１が２ｍｍの寸法を有するように金属枠体１１０を準備した。また、金属基体１８０は、Ｌ２が７０．８ｍｍ、Ｗ２が２５．４ｍｍ、ｔ２が２．０ｍｍの寸法を有するように準備された。金属基体１８０には、完成品のメタルパッケージを外部電気回路基板にねじ止めにより固着する際に用いられるねじ止め用の穴１８１を設けた。
【００６７】
端子は、図１８〜図２０に示される３種類の構造のものを準備した。
図１８に示すように、商品名コバールからなる金属ピン２１は直径が０．３ｍｍ、長さが４ｍｍのものを用いた。アルミナからなるセラミック管２４は円筒状に形成され、長さが２．０ｍｍ、直径が２．０ｍｍになるように成形された。このセラミック管２４の外周と内周の表面にはメタライズ金属層が形成された。このセラミック管２４の貫通孔の内部に金属ピン２１を銀ろうで接続した。
【００６８】
図１９に示すように、商品名コバールからなる金属ピン２１は、直径が０．３ｍｍ、長さが４ｍｍのものを準備した。商品名コバールからなる金属管２３は、外形が２．０ｍｍ、肉厚が０．１ｍｍの円筒形状を有するように準備された。金属管２３と金属ピン２１とは、高融点ガラス２２によって接合された。
【００６９】
図２０に示すように、Ｌ３が４．０ｍｍ、Ｌ４が２．０ｍｍ、Ｈ３が０．３ｍｍ、Ｈ４が０．３ｍｍ、Ｗ３が２．０ｍｍの寸法を有するようにセラミック基体１２２が準備された。メタライズ金属層１２１は、外表面においてｗ１が０．３ｍｍ、内表面においてｗ２が０．１ｍｍを有するように形成された。セラミック基体１２２はアルミナによって形成された。メタライズ金属層１２１と１２３は、タングステンメタライズによって形成された。セラミック基体１２２は、シート成形法によって所定の形状に成形した後、所定の雰囲気中で焼成することにより形成された。同時に、タングステンペーストを塗布した状態で焼成することにより、メタライズ金属層１２１と１２３をセラミック基体１２２の内部または外表面に形成した。
【００７０】
シールリング３０は、図６の（Ｂ）に示されるように、Ｌ５が５０．８ｍｍ、Ｗ５が２５．４ｍｍ、ｔ５が１．０ｍｍ、Ｗ６が２．０ｍｍの寸法を有するものを準備した。シールリング３０の材料は、商品名コバールからなるものとステンレス鋼（ＳＵＳ）のものを準備した。シールリング３０は、原料板からエッチング加工またはプレスの打抜き加工によって作製された。
【００７１】
Ａタイプの金属容器体１０においては、図１に示すように、２．０ｍｍの直径を有する穴１１が側壁面に形成され、０．８ｍｍの直径を有する穴１２が形成された。Ｂタイプの金属容器体においては、図７に示されるように、金属枠体１１０の側壁面に２．０ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの切欠部１１１が形成され、金属枠体１１０の上壁面には０．８ｍｍの直径を有する穴１１２が形成された。
【００７２】
これらの金属容器体、金属枠体および金属基体ならびに端子の金属部分に約０．５μｍの厚みのニッケルめっきが施された。
【００７３】
上記のように準備された端子を穴１１または切欠部１１１に嵌め込み、それぞれ、図５と図１２に示されるように、円柱状の銀ろうのプリフォーム体５１または１５１と、板状の銀ろうのプリフォーム体５２、１５２および１５３を挿入した。このようにろう材のプリフォーム体が挿入された状態で金属容器体１０とシールリング３０、金属基体１８０と金属枠体１１０とシールリング１３０とを還元性の加熱雰囲気中（加熱温度が８５０℃）に置いてろう付を行なった。
【００７４】
ろう付後、形成された金属容器体の外周面に約２．０μｍの厚みのニッケルめっきと約３．０μｍの厚みの金めっきを施すことにより、メタルパッケージ（蓋のないパッケージ）が完成した。
【００７５】
端子の接合状態を光学顕微鏡（ＯＭ）で観察した。気密性は、図１３で示されるように、ヘリウムガスを用いてスニーファ方式で測定した。図１３で示されるように、金属容器体１０（１１０，１８０）に蓋体を溶接する前に、金属容器体１０の内部を矢印で示されるように真空に引き、外部からガス管１９０によってヘリウムガスを金属容器体１０に吹きかけ、検出されるヘリウムガスの量によって気密性を評価した。このとき、金属容器体１０とシールリング３０とはＯリング９０によって密封された状態で真空引きが行なわれた。
【００７６】
さらに、気密性の試験を行なった後、信頼性を評価するために、温度サイクル試験（−６５℃と１５０℃との間をヒートサイクルさせる試験）を１００サイクル実施した後、再度、気密性の評価を行なった。
【００７７】
その結果は以下の表２に示される。
【００７８】
【表２】

【００７９】
実施例２
実施例１と同様にＡタイプ（図１〜図５）とＢタイプ（図７〜図１２）のメタルパッケージを作製した。この場合、金属容器体、金属枠体、金属基体の材料としては、ガスアトマイズ法によって製造したアルミニウム−シリコン合金粉末を用いて粉末焼結法によって作製した材料を用いた。また、それ以外の材料として市販のアルミニウム、アルミニウム−シリコンカーバイド複合材も準備した。
【００８０】
実施例１と同様にしてＡタイプの金属容器体、Ｂタイプの金属枠体と金属基体を切削加工によって準備した。また、端子、シールリングも実施例１と同様に準備した。端子取付穴と端子取付用切欠部も、実施例１と同じ大きさで形成した。
【００８１】
金属容器体、金属枠体、金属基体および端子の金属部分に約２．０μｍの厚みのニッケルめっき、さらに約３．０μｍの厚みの金めっき処理を施した。
【００８２】
端子２０または１２０を図５または図１２に示されるように穴１１または切欠部１１１に嵌め込み、金系のろう材（金−シリコン合金）からなる円柱状のプリフォーム体５１または１５１、板状のプリフォーム体５２、または１５２と１５３を挿入した。このようにろう材のプリフォーム体を挿入した状態で、シールリング３０と金属容器体１０、シールリング１３０と金属枠体１１０と金属基体１８０とを還元性の加熱雰囲気（加熱温度が４５０℃）に置くことにより、ろう付を行なった。
【００８３】
ろう付後、端子の接合状態を光学顕微鏡（ＯＭ）で観察した。
蓋体４０は、ステンレス合金（ＳＵＳ３０４）と商品名コバールのそれぞれからなるものを準備した。蓋体４０は、図６に示すように、Ｌ７が５０．８ｍｍ、Ｗ７が２５．４ｍｍ、ｔ７が０．３ｍｍの寸法を有するものを準備した。そして、蓋体４０の外周の溶接相当部を０．１ｍｍの厚みになるようにエッチング加工した。その後、蓋体４０の外表面にニッケルめっきと金めっきの処理を施した。
【００８４】
シールリング付の金属容器体の上端面に、パラレルシーム溶接機（日本アビオニクス社製）を用いて窒素雰囲気中で蓋体４０を溶接した。シールリング３０を用いない金属容器体には、蓋体４０をレーザ溶接によって接合した。
【００８５】
溶接後、図１４と図１５で示されるように、加圧式ヘリウムリーク試験を行なうことにより、気密性を評価した。図１４に示すように、蓋体を溶接したメタルパッケージ１（１００）をヘリウムガス中で４気圧で２時間、矢印で示されるように加圧処理した。その後、図１５に示すように、メタルパッケージ１が置かれた雰囲気から、矢印で示されるように真空引きすることにより、気密性を評価した。
【００８６】
さらに、実施例１と同様に信頼性を評価するために温度サイクル試験を行なった後、再度、リーク試験を行なって気密性を評価した。
【００８７】
その結果は、以下の表３に示されている。
【００８８】
【表３】

【００８９】
比較のため、従来の方法で端子の取付けを実施したアルミニウム系材料のメタルパッケージについて作業時間の解析と歩留りを確認した。
【００９０】
その結果は表４と表５に示される。
表４と表５において、本発明の容器体としてＡタイプとＢタイプのものは、それぞれ、図１と図７、図８に示されるものを用いた。従来の容器体としてＡタイプとＢタイプのものは、それぞれ、図１６と図１７に示されるものを採用した。
【００９１】
表５において、組立後の気密性歩留り（パーセント）は、加圧式ヘリウムリーク試験におけるリーク速度が１×１０^-9ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下を満足した個数の割合である。なお、従来のものは、いずれもろう付の端子部分においてリークが発生した。
【００９２】
【表４】

【００９３】
【表５】

【００９４】
以上に開示された実施の形態や実施例はすべての点で例示的に示されるものであり、制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものである。
【００９５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、金属製パッケージを高い歩留りで高い信頼性（高い気密性）で効率的に製造することができ、その結果、安価な金属製パッケージを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１つの実施の形態に従った金属容器体を示す斜視図である。
【図２】この発明の１つの実施の形態に従った金属容器体に端子が接合された状態を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は蓋体の断面図、（Ｂ）は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った方向から見た断面を示し、シールリングが接合された状態を示す断面図である。
【図４】この発明の１つの実施の形態に従った金属製パッケージを示す断面図である。
【図５】この発明の１つの実施の形態において端子を接合するときのろう材の配置の状態を示す部分断面図である。
【図６】（Ａ）は蓋体を示す斜視図、（Ｂ）はシールリングを示す斜視図である。
【図７】この発明のもう１つの実施の形態に従った金属容器体を構成する金属枠体を示す斜視図である。
【図８】この発明のもう１つの実施の形態に従った金属容器体を構成する金属基体を示す斜視図である。
【図９】この発明のもう１つの実施の形態に従った金属容器体を示し、端子が取付けられた状態を示す斜視図である。
【図１０】（Ａ）は蓋体を示す断面図、（Ｂ）は、図９のＸ−Ｘ線に沿った方向から見た断面を示し、シールリングが接合された状態を示す断面図である。
【図１１】この発明のもう１つの実施の形態に従った金属製パッケージを示す断面図である。
【図１２】この発明のもう１つの実施の形態において端子を接合するときのろう材の配置の状態を示す部分断面図である。
【図１３】金属製パッケージの気密性を評価するために用いられるスニーファ方式の気密試験の方法を原理的に示す概略図である。
【図１４】金属製パッケージの気密性を評価するために行なわれる加圧式のヘリウムリーク試験の方法の第１工程を原理的に示す概略図である。
【図１５】金属製パッケージの気密性を評価するために行なわれる加圧式ヘリウムリーク試験の方法の第２工程を原理的に示す概略図である。
【図１６】従来の１つの実施の形態に従った金属容器体を示す斜視図である。
【図１７】従来のもう１つの実施の形態に従った金属容器体を示す斜視図である。
【図１８】従来の端子の構造の一例を示す斜視図である。
【図１９】従来の端子の構造のもう１つの例を示す斜視図である。
【図２０】従来の端子の構造の別の例を示す斜視図である。
【図２１】図２０のＸＸＩの方向から見た側面図である。
【図２２】図１６で示される従来の金属容器体において端子の接合方法を示す部分断面図である。
【図２３】図１７で示される従来の金属容器体において端子の接合方法を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１，１００ メタルパッケージ
１０ 金属容器体
１１ 端子取付穴
１２ ろう材挿入穴
２０ 端子
４０ 蓋体
５０ ろう材
５１，５２，５３ ろう材プリフォーム体
６０ 半導体素子
１１０ 金属枠体
１１１ 端子取付用切欠部
１１２ ろう材挿入穴
１２０ 端子
１４０ 蓋体
１５０ ろう材
１５１，１５２，１５３，１５４ ろう材プリフォーム体。
１６０ 半導体素子
１８０ 金属基体

Claims (29)

1. 半導体素子を収容するための金属製の容器体であって、前記容器体の側壁部には開口部が設けられており、その開口部に通ずる貫通孔が前記側壁部の端面から延在するように形成されており、半導体素子用の入出力端子が前記容器体の外面から内面に通ずるように前記開口部に挿入されており、前記貫通孔と前記開口部に充填されたろう材によって前記入出力端子が前記側壁部に固着されている、金属製の容器体。
2. 前記入出力端子は、金属管中に金属リードを絶縁性ガラスで埋設した構造を有する、請求項１に記載の金属製の容器体。
3. 前記入出力端子は、セラミックス体にメタライズ金属層を埋設した構造を有する、請求項１に記載の金属製の容器体。
4. 前記入出力端子は、金属リードをセラミック管に接合した構造を有する、請求項１に記載の金属製の容器体。
5. 前記容器体は、銅を含有する材料、鉄を含有する材料およびモリブデン単体材料からなる群より選ばれた少なくとも１種の材料から形成されている、請求項１から４までのいずれか一項に記載の金属製の容器体。
6. 前記銅を含有する材料は、無酸素銅、銅−タングステン複合材、銅−モリブデン複合材、銅−タングステン−モリブデン複合材、銅とインバー合金のクラッド材、銅とモリブデンのクラッド材および銅とタングステンのクラッド材からなる群より選ばれた少なくとも１種の材料である、請求項５に記載の金属製の容器体。
7. 前記鉄を含有する材料は、鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金、インバー合金および鉄−ニッケル合金と銀の複合材からなる群より選ばれた少なくとも１種である、請求項５に記載の金属製の容器体。
8. 前記容器体は、アルミニウムを含有する材料から形成されている、請求項１から４までのいずれか一項に記載の金属製の容器体。
9. 前記アルミニウムを含有する材料は、アルミニウム単体、アルミニウム合金、アルミニウム−シリコン複合材、アルミニウム−シリコンカーバイド複合材およびアルミニウム−ホウ素複合材からなる群より選ばれた少なくとも１種である、請求項８に記載の金属製の容器体。
10. 前記アルミニウムを含有する材料は、シリコンを３０重量％以上、８０重量％以下含有する複合材料である、請求項８に記載の金属製の容器体。
11. 前記容器体は、マグネシウム合金から形成されている、請求項１から４までのいずれか一項に記載の金属製の容器体。
12. 前記容器体は、１７×１０^-6／℃以下の熱膨張係数を有する、請求項１に記載の金属製の容器体。
13. 半導体素子を収容した金属製の容器体と、その容器体を気密封止した金属製の蓋体とを備えた金属製のパッケージであって、前記容器体の側壁には開口部が設けられており、その開口部に通ずる貫通孔が前記側壁部の端面から延在するように形成されており、半導体素子用の入出力端子が前記容器体の外面から内面に通ずるように前記開口部に挿入されており、前記貫通孔と前記開口部に充填されたろう材によって前記入出力端子が前記側壁部に固着されている、金属製のパッケージ。
14. 前記入出力端子は、金属管中に金属リードを絶縁性ガラスで埋設した構造を有する、請求項１３に記載の金属製のパッケージ。
15. 前記入出力端子は、セラミックス体にメタライズ金属層を埋設した構造を有する、請求項１３に記載の金属製のパッケージ。
16. 前記入出力端子は、金属リードをセラミック管に接合した構造を有する、請求項１３に記載の金属製のパッケージ。
17. 前記容器体と前記蓋体とがシールリングを介在してシーム溶接されている、請求項１３から１６までのいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
18. 前記容器体と前記蓋体とが直接、レーザ溶接されている、請求項１３から１６までのいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
19. 前記容器体は、銅を含有する材料、鉄を含有する材料およびモリブデン単体材料からなる群より選ばれた少なくとも１種の材料から形成されている、請求項１３から請求項１８までのいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
20. 前記蓋体は、銅を含有する材料、鉄を含有する材料およびモリブデン単体材料からなる群より選ばれた少なくとも１種の材料から形成されている、請求項１９に記載の金属製のパッケージ。
21. 前記銅を含有する材料は、無酸素銅、銅−タングステン複合材、銅−モリブデン複合材、銅−タングステン−モリブデン複合材、銅とインバー合金のクラッド材、銅とモリブデンのクラッド材および銅とタングステンとのクラッド材からなる群より選ばれた少なくとも１種の材料である、請求項１９または２０のいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
22. 前記鉄を含有する材料は、鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金、インバー合金および鉄−ニッケル合金と銀の複合材からなる群より選ばれた少なくとも１種の材料である、請求項１９または２０のいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
23. 前記容器体は、アルミニウムを含有する材料から形成されている、請求項１３から１８までのいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
24. 前記蓋体は、アルミニウムを含有する材料から形成されている、請求項２３に記載の金属製のパッケージ。
25. 前記アルミニウムを含有する材料は、アルミニウム単体、アルミニウム合金、アルミニウム−シリコン複合材、アルミニウム−シリコンカーバイド複合材、およびアルミニウム−ホウ素複合材からなる群より選ばれた少なくとも１種の材料である、請求項２３または２４のいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
26. 前記アルミニウムを含有する材料は、シリコンを３０重量％以上、８０重量％以下含有する複合材料である、請求項２３または２４のいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
27. 前記容器体は、マグネシウム合金から形成されている、請求項１３から１８までのいずれか一項に記載の金属製のパッケージ。
28. 前記蓋体は、マグネシウム合金から形成されている、請求項２７に記載の金属製のパッケージ。
29. 前記容器体は、１７×１０^-6／℃以下の熱膨張係数を有する、請求項１３に記載の金属製のパッケージ。

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