CN101027587A - 具有光信号输入输出机构的半导体装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体装置，具有：印刷线路板(11)，在该印刷线路板(11)上形成了连接到LSI芯片(17)和平面光元件(21)的电线(18)，以及光波导(25)固定在该印刷线路板(11)上，该光波导(25)传导输入到所述平面光元件(21)的光和/或由所述平面光元件(21)输出的光。平面光元件(21)安装在小衬底(13)的一端，以及小衬底(13)的另一端通过焊接块(26)连接到印刷线路板(11)。其上安装有平面光元件(21)的小衬底(13)的一端通过固定机构固定在印刷线路板(11)上。小衬底(13)具有可变形部分(15)，该可变形部分(15)比印刷线路板(11)和小衬底(13)的其他部分容易变形，该可变形部分(15)位于如下两端之间的至少部分区域中：其中一端安装有平面光元件(21)，而另一端电连接到印刷线路板(11)上。

Description

具有光信号输入输出机构的半导体装置
技术领域
本发明涉及一种具有光信号输入输出机构的半导体装置，该光信号输入输出机构包括一种光传导介质和一种光元件，特别涉及一种平面光元件，该光元件从光传导介质接收或向光传导介质传送光信号并在光信号和电信号之间进行相互转换。
背景技术
近来，在半导体装置中，对于在其中半导体芯片通过光信号通路互连的光互连或光通信来说，已经频繁地使用了光信号和电信号之间执行相互转换的光模块。在最新的光模块中，平面光元件在许多情况下被用作组件，并且它们的光耦合系统需要等于或小于几十微米的定位精确度。一种被开发为使用这种光模块的半导体装置是具有如下结构的光信号输入输出单元的装置，其中在该结构中，当光模块被安装在光印刷电路板的预定位置或被安装在配有光波导作为光传导介质的光电复合衬底的预定位置时，光模块的平面光元件和光波导之间就形成了光耦合。人们特别期望这样的光信号输入输出机构能实际应用在光互连领域。
日本专利特开No.2000-332301中公开的半导体装置是一个常规的例子。附图1是该常规例子的半导体装置的部分截面示意图。该半导体装置具有芯片尺寸封装的结构，其中组成半导体集成电路的LSI芯片57和平面光元件阵列61a以与LSI芯片57相当的外径尺寸被封装在该芯片尺寸封装的结构中，其中在所述平面光元件阵列61a中，平面光元件被二维地排列。印刷线路板51和模制树脂68用于封装。印刷线路板51除了电线58之外还配有光波导65。就光波导65而言，每个光输入输出部分都被排列在光波导65的顶面上，该光波导65面对着平面光元件阵列61a。基于该目的，使用了这样的反射面，所述反射面形成在光波导65的一个末端，从而与平面光元件阵列61a的输入/输出光形成45°角。对应地通过焊接块66，LSI芯片57被装在印刷线路板51的预定位置上，而平面光元件阵列61a被装在LSI芯片57的预定位置上。因此，每个平面光元件阵列61a的光输入输出表面部分都与每个光波导65的光输入输出部分光耦合，它们的光轴是互相对准的。微透镜62被配置在平面光元件阵列61a的每个输入输出表面部分和光波导65的每个光输入输出部分。
日本专利特开No.2001-185752公开的半导体装置是另一个例子。附图2是该常规例子的半导体装置的部分截面示意图。在该半导体装置中，插入LSI芯片77和平面光元件阵列81a的TBGA(载带球栅阵列)封装结构79装在印刷线路板71上。平面光元件阵列81a的每个输入输出表面部分都同光波导85的光输入输出部分光耦合，它们的光轴通过TBGA封装结构79互相对准，该TBGA封装结构79被装在印刷线路板71的预定位置上，在所述印刷电路板中形成光波导85。微透镜82被配置在平面光元件阵列81a的每个输入输出表面部分和光波导65的每个光输入输出部分。
尽管如此，但在上述常规例子记述的结构中，仍然难以保持平面光元件阵列61a和81a以及光波导65和85呈如下状态：即，尽管温度发生变化，但它们的光轴仍然对准，所述温度变化是因为印刷线路板51和71与LSI芯片57和77的热膨胀系数之间的差异而产生的，其中，平面光元件阵列61a和81a等安装在LSI芯片57和77上。此外，当多个平面光元件阵列61a和81a被配置时，难以同时进行它们的光轴调整，并且为了调整，需要使用极高精确的安装工艺，而这导致了成本增加。
发明公开
本发明的一个目的在于提供一种具有光信号输入输出机构的半导体装置，该装置利用以降低成本的简化结构的光传导介质来实现平面光元件的光轴的高精度对准。
本发明的半导体装置具有一种主衬底，在该衬底上形成了同半导体元件连接并同平面光元件连接的电线。此外，将一种传导输入到平面光元件的光和/或从平面光元件输出的光的光传导介质固定在主衬底上。
该平面光元件被装在小衬底的一端上。在本发明的第一方面中，小衬底的另一个端面被电连接到主衬底上并被固定在主衬底上。在第二方面中，小衬底的另一端被电连接到子衬底上并被固定在子衬底上。该子衬底被电连接到主衬底上并被固定在主衬底上。
在这两方面的任一方面中，平面光元件安装处的小衬底的一端被通过固定机构固定到主衬底上，从而平面光元件的输入输出表面面对着光传导介质的光输入输出部分。该小衬底具有可变形部分，该可变形部分同主衬底和小衬底的其它部分相比可以容易地变形，该可变形部分位于如下两端之间的至少部分区域中：其中在一端出安装了平面光元件，以及另一端同主衬底或子衬底电连接。
这样，尽管可以使得本发明的半导体装置具有简化结构，然而本发明中，根据本发明，还可以容易地使得平面光元件精确地同光传导介质对准。这是因为即使当固定到主衬底上或子衬底上的小衬底的端部的安装位置具有一些容差时，也可以使用可变形部分的变形容易地相对于主衬底而调整安装了平面光元件的小衬底的一端的位置，因此可以相对于光传导介质调整平面光元件的位置。此外，本发明不需要如下的工艺，所述的工艺是：在主衬底上以高精度实现在其上安装有平面光元件的平面光元件和组件，用于光传导介质与平面光元件的光轴的高精度对准，因此可以减少半导体装置的成本。
本发明中，也可以抑制平面光元件和光传导介质之间不对准的发生，该不对准源于由于如温度变化的环境变化，该不对准使得平面光装置相对于主衬底偏离。这是因为，即使当因为小衬底、主衬底和/或子衬底的温度变化而产生不同的热膨胀或热收缩时，它也可以被可变形部分的变形所吸收。
本发明中，可变形部分可以具有弯曲和/或收缩部分，该弯曲部分向远离主衬底处的方向凸起地弯曲，在该收缩部分中，在与连接如下两端的线正交的方向上宽度变窄，其中一端是平面光元件贴装处，另一端电连接到主衬底，和/或该可变形部分还可以具有向该线延伸的狭缝。这些结构可以容易地使该可变形部分变形，从而能够对平面光元件安装处的一端进行位置调整。
该小衬底可以是弹性变形的薄衬底，特别是塑料膜。
该平面光元件可以具有多个输入输出表面，以及该光传导介质可以具有分别同多个输入输出表面对应的多个光输入输出部分。
本发明的半导体装置可以具有多个小衬底，平面光元件分别装在这些小衬底上。
附图简述
图1示出了具有光输入输出机构的常规例子的半导体装置的部分截面示意图；
图2示出了具有光输入输出机构的另一常规例子的半导体装置的部分截面示意图；
图3A示出了具有光输入输出机构的本发明第一实施方式的半导体装置的截面示意图；
图3B示出了附图3A中半导体装置的小衬底的顶视示意图；
图3C示出了附图3A中半导体装置的小衬底的端部的固定机构的部分截面图，平面光元件被配置在该处；
图4A示出了本发明具有光输入输出机构的第二实施方式的半导体装置的截面示意图；
图4B示出了附图4A中半导体装置的小衬底的端部的固定机构的部分截面图，平面光元件被配置在该处；和
图5示出了本发明第三实施方式的半导体装置的小衬底的顶视示意图。
本发明的最佳实施方式
图3A-3C举例说明了本发明第一实施方式的半导体装置。该半导体装置具有作为主衬底的印刷线路板11，在所述印刷线路板11上，形成了期望图案的电线18和形成了作为光传送介质的光波导25。光波导25具有在图3A中位于其一端顶面的光输入输出部分25a。
在印刷线路板11上，LSI芯片17通过焊接块26安装，以及平面光元件21通过小衬底13连接，该平面光元件21可以是在光信号和电信号之间进行转换的平面光接收元件或平面光发射元件。也就是说，平面光元件21通过焊接块26固定在小衬底13的一端，电线18形成于该端面处，而小衬底13的另一端通过焊接块26形成了连接到印刷线路板11的衬底连接部分14。除了具有块形式以外的焊料和/或连接组件之外的材料，如导销也可以用于连接小衬底13和印刷线路板11。
在本实施方式的半导体装置中，光波导25、平面光元件21和小衬底13组成了光输入输出机构，其能够从LSI芯片17或向LSI芯片17传送光信号。
平面光元件21在对着小衬底13的侧面具有输入输出表面部分21a。光通孔13a形成在小衬底13的如下位置：该位置对应于输入输出表面部分21a。
小衬底13可以是可弹性变形和机械灵活的薄衬底，在该衬底中至少有这样的区域形成了容易弯曲的可变形部分15，所述区域是沿着连接线方向的固定长度的区域，该连接线连接了衬底连接部分14和安装了平面光元件21的部分。在图3A和3B举例说明的例子中，可变形部分15被布置在小衬底13的衬底连接部分14的附近。
在可变形部分15中，如图3A举例说明的那样，配有一个向上凸起，也就是说，向远离印刷线路板11的方向凸起的弯曲。此外，如图3B所示，可变形部分15具有如下收缩结构：在该结构中，两侧部分都被开口成半圆形从而宽度较窄，并且该结构是一种弹性结构。因为向上弯曲和收缩结构的协作效果，使可变形部分15可以容易地在垂直方向(即弯曲方向)和水平方向(即扭曲方向)上移位。
因为该可变形部分15，即使在固定了衬底连接部分14之后仍然可以在小范围内移动平面光元件21。利用上述优点，平面光元件21以如下方式固定在印刷线路板11上：输入输出表面部分21a的定位使得它的光轴同印刷线路板11上形成的光波导25的光输入输出部分25a的光轴一致。
对于将小衬底13的一个端部固定到印刷线路板11上的固定机构没有任何特定的限制，其中平面光元件21被安装在该端部。在该实施方式中，如附图3(C)所示，固定是如此实现的：使安装在印刷线路板11里的导销22穿过形成在小衬底13中的导孔13b，以及将帽状固定零件23固定在导销22上。导销22具有梯级部分22a，经过该梯级部分22a的导销22的上侧直径较窄。导孔13b的直径比导销22的下侧处较大直径部分小，以及小衬底13由放置在梯级部分22a之上的底面支撑。这时，因为导孔13b的直径比导销22上侧的较小直径部分大，所以通过在导销22的梯级部分上滑动的小衬底13，可以精确地调整平面光元件21的位置。利用该优点，平面光元件21的输入输出表面部分21a的光轴和光波导25的光输入输出部分25a的光轴被对准，然后固定零件23被压进导销22中。由此，其中实现了平面光元件21的小衬底13的端部的位置和因此平面光元件21的位置通过如下方式相对于印刷线路板11被固定，所述方式是将小衬底13夹入固定零件23的底面和导销22的梯级部分22a的顶面之间。
在该实施方式中，在不需要大幅增加衬底连接部分14处的小衬底13的安装精度的情况下，可以排列平面光元件21使得它的光轴同光波导25的光轴对准。此外，在该实施方式的结构中，即使当小衬底13和印刷线路板11中的温度发生变化时，也可以通过小衬底13的可变形部分15的变形来吸收由于热膨胀量之间、热收缩量之间的差异引起的变形。因此，当温度变化时，可以防止力作用在平面光元件21上和防止平面光元件21和光波导25的光轴之间产生偏差，其中所述的力将会引起平面光元件21相对于印刷线路板11的位移。
接下来，图4A和4B举例说明了本发明第二实施方式的半导体装置。平面光元件41通过焊块46连接到其上形成有电线38的小衬底33的一端上。在该实施方式中，在子衬底32上实现的平面光元件41和小衬底33组成了LSI芯片37的光输入输出机构。
光通孔33a形成在小衬底33与平面光元件21的光输入输出表面部分21a对应的部分。此处，小衬底33可以是可弹性变形和机械灵活的薄衬底。小衬底33的另一端通过焊接块46在衬底连接部分34处连接到子衬底32上，在该子衬底32的两侧都配有电线。此外，子衬底32通过焊接块46连接到印刷线路板31上。在子衬底32中，光通孔32a形成于如下位置：该位置与配置在印刷线路板31上的光波导45的光输入输出表面部分45a对应。此处，除了具有块形式之外的焊料和/或连接组件之外的材料，如导销，可以用于连接小衬底33和子衬底32，并可以用于连接子衬底32和印刷线路板31。
可变形部分35被配置在小衬底33的衬底连接部分34的附近。因为可变形部分35具有同图3A-3C记述的第一实施方式中可变形部分15相同的结构和功能，故略去详细的说明。
因为可变形部分35，即使在衬底连接部分34固定的情况下，平面光元件41仍然可以在小范围内移动。因此，可以使平面光元件41和形成在印刷线路板31上的光波导45对准。
在对准光轴之后，小衬底33通过利用导销42和固定零件43固定在印刷线路板31上，其中所述导销被固定到印刷线路板31。因此，用于穿过导销42的孔32b形成在子衬底32中，且其内径略大于导销42的直径。导孔33b的尺寸比导销42的下部的较大直径部分的尺寸小并且比上部的较小直径部分的尺寸大，其中该导孔33b被配置在小衬底33中并且导销42通过它穿过。因此，可以通过在导销42的梯级部分42a上滑动小衬底33来精确地调整平面光元件41的位置。这样，可以如下固定平面光元件41：它的光轴同印刷线路板31上的光波导45的光轴对准。
根据该实施方式，即使当衬底连接部分34处的小衬底33的安装位置有些偏差时，也仍然可以容易地相对于光波导25的光输入输出部分以精确的位置对平面光元件41进行调整和固定。此外，在该实施方式的结构中，即使当小衬底33、印刷线路板31和子衬底32中发生了温度变化，仍然可以通过小衬底33的可变形部分35的变形来吸收由这些组件的热膨胀量、热收缩量的差异引起的变形。因此，当温度变化时，可以防止力作用在平面光元件41上，其中所述的力将会引起平面光元件41相对于印刷线路板31的位移。此外，这时，还认为子衬底32相对于印刷线路板31发生了位移，且因此相对于固定在印刷线路板31上的导销42也发生了位移。然而，因为在孔32b和导销42之间形成了缝隙，因此可以防止这种位移引起的力作用在导销42上，以及防止导销42发生位移，因此，可以防止导销42的位移，该位移将引起在其中配置了平面光元件41的小衬底33的部分的位移。因此，可以防止平面光元件41和光波导45的光轴之间发生偏差。
图5示出了本发明第三实施方式中小衬底的顶视示意图。因为该实施方式的半导体装置的一般结构可以与上述第一实施方式或第二实施方式的相同，故略去详细的说明。在说明该实施方式中，使用的参考数字与第一实施方式中的那些相同。
在该实施方式中，可变形部分15与第一和第二实施方式类似被配置在小衬底13的衬底连接部分14的附近部分，并且该可变形部分15具有向上的弯曲，但此处没有显示。另一方面，本实施方式的可变形部分15没有在第一和第二实施方式中配置的收缩结构，但相反，具有在小衬底13的纵向方向上延伸的多个狭缝16。因为狭缝16，该可变形部分15的硬度降低了。因为狭缝16和弯曲的协同作用，可变形部分15可以容易地在垂直方向(即弯曲方向)上和水平方向(即扭曲方向)上变形。
在上述每个实施方式中，平面光元件21和41可以是平面光元件阵列，在该阵列处多个输入输出表面部分21a和41a被二维排列。这种情况下，同平面光元件21和41的多个输入输出表面部分21a和41a相对应，光波导25和45也可以具有多个二维排列的光输入输出部分25a和45a。微透镜可以被配置在平面光元件21和41的每个输入输出表面部分21a和41a中以及光波导25和45的每个光输入输出部分25a和45a中。小衬底13和33可以由如聚酰亚胺的树脂制得，或可以由另一种具有弹性的树脂制得并且可以具有塑性。作为光传导介质的光波导25和45可以由光纤制得。此外，在每个实施方式中，平面光元件41、小衬底33、子衬底32、导销42、固定零件43等分别可以是多个。
此外，作为每个实施例的变形例，可变形部分15和35可以同时具有第一和第二实施例中的收缩结构和第三实施例中的狭缝的结构。除了导销22和42，导孔可以被配置在印刷线路板11和31中，且它们可以用于光轴对准。为了将其中安装了平面光元件21或41的小衬底13或33的端部固定到印刷线路板31上，可以使用与用于光轴对准的导销22或42分开的固定机构等。
此外，作为上述第二实施例的变形例，可以采用如下结构：在该结构中，安装在小衬底33上的平面光元件41位于子衬底32的四个边或四个拐角上的任何一个位置。

Claims (17)

1.一种半导体装置，其具有：
半导体元件；
平面光元件；
主衬底，其中形成了连接到所述半导体元件和所述平面光元件的电导线，光传导介质固定在该主衬底上，该光传导介质传导输入到所述平面光元件的光和/或传导由所述平面光元件输出的光；
小衬底，该小衬底的一端上安装所述平面光元件，其另一端电连接到所述主衬底并固定到所述主衬底上；和
固定机构，其将所述小衬底的一端固定到所述主衬底上，从而使得所述平面光元件的输入输出表面面对着所述光传导介质的光输入输出部分，其中在所述的小衬底处安装有所述平面光元件，
其中所述小衬底具有可变形部分，该可变形部分比所述主衬底和所述小衬底的其他部分容易变形，该可变形部分位于如下两端之间的至少部分区域中：其中一端安装有所述平面光元件，而另一端电连接到所述主衬底上。
2.权利要求1的半导体装置，其中所述小衬底的所述可变形部分具有向远离所述主衬底的方向凸起地弯曲的弯曲。
3.权利要求1的半导体装置，其中所述小衬底的所述可变形部分具有如下收缩结构：在该结构中，沿着与连接如下两端的线正交的方向上宽度变窄，其中一端安装有所述平面光元件，而另一端电连接到所述主衬底。
4.权利要求1的半导体装置，其中所述小衬底的所述可变形部分具有如下狭缝：该狭缝平行于连接如下两端的线延伸：其中一端安装有所述平面光元件，而另一端电连接到所述主衬底。
5.权利要求1的半导体装置，其中所述小衬底是可弹性变形的薄衬底。
6.权利要求5的半导体装置，其中所述小衬底是塑料膜。
7.权利要求1的半导体装置，其中所述平面光元件具有多个所述输入输出表面，以及所述光传导介质具有多个分别同多个所述输入输出表面相对应的所述光输入输出部分。
8.权利要求1的半导体装置，其中将分别安装了多个所述平面光元件的多个所述小衬底安装在所述主衬底上。
9.一种半导体装置，其具有：
半导体元件；
平面光元件；
主衬底，其中形成了连接到所述半导体元件和所述平面光元件的导线，光传导介质固定在该主衬底上，该光传导介质传导输入到所述平面光元件的光和/或传到由所述平面光元件输出的光；
子衬底，该子衬底电连接到所述主衬底上并固定在所述主衬底上；
小衬底，该小衬底的一端上安装所述平面光元件，其另一端电连接到所述子衬底并固定到所述子衬底上；和
固定机构，其将其中安装有所述平面光元件的所述小衬底的一端固定到所述主衬底上，从而使所述平面光元件的输入输出表面面对着所述光传导介质的光输入输出部分，
其中所述小衬底具有可变形部分，该可变形部分比所述主衬底和所述小衬底的其他部分容易变形，该可变形部分位于如下两端之间的至少部分区域中：其中一端安装有所述平面光元件，而另一端电连接到所述子衬底上。
10.权利要求9的半导体装置，其中所述小衬底的所述可变形部分具有向远离所述主衬底的方向凸起地弯曲的弯曲。
11.权利要求9的半导体装置，其中所述小衬底的所述可变形部分具有如下收缩结构：在该结构中，沿着与连接如下两端的线正交的方向上宽度变窄，其中一端安装有所述平面光元件，而另一端电连接到所述主衬底。
12.权利要求9的半导体装置，其中所述小衬底的所述可变形部分具有如下狭缝：该狭缝平行于连接如下两端的线延伸：其中一端安装有所述平面光元件，而另一端电连接到所述主衬底。
13.权利要求9的半导体装置，其中所述小衬底是可弹性变形的薄衬底。
14.权利要求13的半导体装置，其中所述小衬底是塑料膜。
15.权利要求9的半导体装置，其中所述平面光元件具有多个所述输入输出表面，以及所述光传导介质具有分别同多个所述输入输出表面相对应的多个所述光输入输出部分。
16.权利要求9的半导体装置，其中安装了多个所述小衬底，在该多个小衬底上分别安装有多个所述平面光元件。
17.权利要求9的半导体装置，其中多个所述子衬底安装在所述印刷线路板上。
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