CN103489834A - 半导体封装件及包括该半导体封装件的半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体封装件及包括该半导体封装件的半导体装置。半导体封装件包括：封装基底；多个连接元件，设置在封装基底上；以及半导体芯片，半导体芯片包括至少一个光学输入/输出元件，所述至少一个光学输入/输出元件相对于与封装基底的底表面垂直的方向以光学输入/输出角度将光信号传输至外部/从外部接收光信号，半导体芯片通过所述多个连接元件电连接到封装基底。

Description

半导体封装件及包括该半导体封装件的半导体装置
本申请要求于2012年6月7号在韩国知识产权局提交的第10-2012-0061077号韩国专利申请的权益，该申请的公开内容通过引用全部包含于此。
技术领域
本发明构思涉及一种半导体装置，更具体地说，涉及一种半导体封装件及包括该半导体封装件的半导体装置。
背景技术
随着与电子装置相关的技术的发展，对更小和更高速的电子装置的需求增大，因此，期望包括在电子装置中的半导体封装件以更高的速度传输信号。
发明内容
本发明构思提供了一种半导体封装件，当通过光学输入/输出元件将光信号传输到半导体芯片的外部或者从半导体芯片的外部接收光信号时，该半导体封装件可以改善光学输入/输出效率并减少反射光。
本发明构思还提供一种半导体装置，当通过光学输入/输出元件将光信号传输到半导体芯片的外部或者从半导体芯片的外部接收光信号时，该半导体装置可以改善光学输入/输出效率并减少反射光。
根据本发明构思的一方面，提供一种半导体封装件，所述半导体封装件包括：封装基底；多个连接元件，设置在封装基底上；以及半导体芯片，通过所述多个连接元件电连接到封装基底，半导体芯片包括至少一个光学输入/输出元件，所述至少一个光学输入/输出元件被构造为在半导体芯片与半导体基底外部的元件之间以光学输入/输出角度传输光信号，所述光学输入/输出角度基本上与垂直于封装基底的底表面的方向不同。
半导体芯片的底表面可以相对于封装基底的底表面以所述光学输入/输出角度倾斜。
所述多个连接元件可具有不同的高度。所述多个连接元件的高度可沿一个方向逐渐增大。
所述多个连接元件可包括具有不同高度的凸起和具有不同尺寸的焊球中的至少一种。
封装基底的顶表面可以相对于封装基底的底表面以所述光学输入/输出角度倾斜。
半导体封装件还可包括设置在所述至少一个光学输入/输出元件下方的被构造为调节调节所述光学输入/输出角度的微透镜。
光学输入/输出角度可以在大约6度至大约10度之间。
所述至少一个光学输入/输出元件可以是光栅耦合器。
根据本发明构思的另一方面，提供一种半导体装置，所述半导体装置包括：印刷电路板（PCB），包括光学波导和连接到光学波导的一端的反射器，反射器具有弯曲的反射表面；以及半导体封装件，设置在PCB的表面上并包括半导体芯片，所述半导体芯片包括至少一个光学输入/输出元件，所述至少一个光学输入/输出元件可以相对于与PCB的表面垂直的方向以光学输入/输出角度将光信号传输至光学波导或者从光学波导接收光信号。
在一些实施例中，反射器可以相对于光学波导的底表面以范围从大约40度至大约42度的角度倾斜。在其它实施例中，反射器可以相对于光学波导的底表面以大约45度的角度倾斜。
半导体芯片可以相对于PCB的主表面以所述光学输入/输出角度倾斜。
半导体封装件还可包括设置在所述至少一个光学输入/输出元件下方并调节所述光学输入/输出角度的微透镜。
所述至少一个光学输入/输出元件可以是光栅耦合器。
根据本发明构思的另一方面，一种半导体装置包括：印刷电路板，包括光学波导和连接到光学波导的一端的反射器；以及半导体封装件，包括具有光学输入/输出元件的半导体芯片，光学输入/输出元件被构造为与光学波导光学连通，其中，光学输入/输出元件被构造为相对于与半导体芯片的底表面垂直的方向以在大约6度和大约10度之间倾斜的光学输入/输出角度来传输光。
光学输入/输出元件可以是光栅耦合器。
光学波导的底表面可限定第一平面，半导体芯片的底表面可限定与第一平面平行的第二平面。
光学波导的底表面可限定第一平面，半导体芯片的底表面可限定相对于第一平面在大约6度和大约10度之间倾斜的第二平面。
光学波导的底表面可限定第一平面，半导体芯片的底表面可限定与第一平面平行的第二平面，其中，光学会聚元件可以设置在光学波导和光学输入/输出元件之间的光学传输路径中，使得从光学输入/输出元件到光学波导经过的光信号以离轴的方式穿过光学会聚元件。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明构思的示例性实施例将被更清楚地理解，在附图中：
图1是示出根据本发明构思的实施例的半导体装置的剖视图；
图2是图1的半导体装置的透视图；
图3A至图3C是示出包括在图1的半导体装置中的波导的不同示例的透视图；
图4是示出包括在图1的半导体装置中的光栅耦合器的剖视图；
图5是用于解释通过图4的光栅耦合器来进行光学耦合的剖视图；
图6是示出图1的半导体装置的修改示例的剖视图；
图7是示出图1的半导体装置的另一修改示例的剖视图；
图8是示出根据本发明构思的另一实施例的半导体装置的剖视图；
图9是图8的半导体装置的透视图；
图10是示出根据本发明构思的另一实施例的半导体装置的剖视图；
图11是图10的半导体装置的透视图；
图12是示出根据本发明构思的另一实施例的半导体装置的剖视图；
图13是图12的半导体装置的透视图；
图14是示出根据本发明构思的另一实施例的半导体装置的剖视图；
图15是图14的半导体装置的透视图；
图16是示出根据本发明构思的实施例的包括半导体装置的电子装置的剖视图；
图17是示出根据本发明构思的实施例的包括半导体装置的计算机系统的框图。
具体实施方式
如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任意组合和全部组合。当诸如“…中的至少一个(种)”的表述在一系列元件（要素）之后时，修饰整个系列的元件（要素），而不修饰系列中的个别元件（要素）。
现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明构思，在附图中示出了本发明构思的元件。然而，本发明构思可以以许多不同的形式修改，而不应被解释为局限于在此阐述的示例实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且将把本发明构思的范围充分地传达给本领域普通技术人员。
将理解的是，当层被称作“在”另一层或基底“上”时，该层可以直接在所述另一层或基底上，或者也可在它们之间存在中间层。为了清楚起见，夸大了附图中示出的层的厚度或尺寸，同样的标号表示同样的组成元件。
这里使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不意图限制。如在这里使用的，除非上下文清楚地指示为相反，否则单数形式的“一个（种）”和“所述（该）”意图同样包括复数形式。还将理解的是，这里使用的术语“包括”和/或“包含”表示存在所描述的特征、整体、步骤、操作、构件、组件和/或它们的组，但是不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、构件、组件和/或它们的组。
将理解的是，虽然可在这里使用术语第一、第二、第三等来描述不同的元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层和/或部分与另一区域、层和/或部分区分开。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，第一元件、组件、区域、层和/或部分可被命名为第二元件、组件、区域、层和/或部分。
在此参照作为这些实施例的示意性说明的图示来描述示例实施例。这样，预计会出现例如由制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，这里讨论的实施例不应该被理解为局限于示出的区域的特定形状，而是也可包括例如由制造导致的形状偏差。另外，在附图中，同样的标号表示同样的组成元件。
图1是示出根据本发明构思的实施例的半导体装置1的剖视图。图2是图1的半导体装置1的透视图。
参照图1和图2，半导体装置1可包括印刷电路板（PCB）10和设置在PCB10上的多个半导体封装件（例如，第一半导体封装件20和第二半导体封装件30）。第一半导体封装件20和第二半导体封装件30可通过多个连接元件40和13安装在PCB10上，多个连接元件40和13将第一半导体封装件20和第二半导体封装件30电连接到PCB10。PCB10可用作母板PCB或者主PCB。虽然在图1中仅在PCB10上设置第一半导体封装件20和第二半导体封装件30，但是本实施例不限于此，可在PCB10上设置三个或更多个半导体封装件。
PCB10可包括埋置在PCB10中的波导11以及一个或更多个反射器12。光可通过波导11传输，在这种情况下，PCB10可以是光学PCB。现在将详细地解释波导11和反射器12。
波导11可包括上覆盖层111、芯层112和下覆盖层113。芯层112可包括具有相对高的折射率的介电材料，上覆盖层111和下覆盖层113可包括具有相对低的折射率的介电材料。例如，芯层112可包括硅（Si），上覆盖层111和下覆盖层113可包括氧化硅（SiO2）。硅和氧化硅的折射率之间的差可以是例如大约2.0。
由于芯层112被上覆盖层111和下覆盖层113围绕，所以光可由于全内反射而被限制在芯层112内，而不辐射到波导11的外部。通过增大芯层112与上覆盖层111和下覆盖层113的折射率之间的差，可以使光更紧地限制在波导11内，从而提高波导11的导光效率。
图3A至图3C是示出包括在图1和图2的半导体装置1中的波导11的不同示例实施例的透视图。
参照图3A，波导11a可包括（但不限于）下覆盖层113a和芯层112a。芯层112a具有一维平坦板形状并被设置在下覆盖层113a上。波导11a可使用空气层作为上覆盖层。在这种情况下，由于折射率仅沿由箭头指示的深度方向改变，所以穿过波导11a的光信号仅在深度方向上被折射。
参照图3B，波导11b可包括（但不限于）下覆盖层113b和芯层112b，芯层112b为沟槽形状并且设置在下覆盖层113b中。波导11b可使用空气层作为上覆盖层。在这种情况下，折射率沿沟槽形状的深度方向Y和宽度方向X改变。
参照图3C，波导11c可包括（但不限于）下覆盖层113c和芯层112c。芯层112c具有分叉的沟槽形状并且设置在下覆盖层113c中。波导11c可使用空气层作为上覆盖层。在这种情况下，波导11c可将光信号分为两个光信号。
返回参照图1，反射器12可设置在波导11的两端上，每个反射器12可反射通过波导11传输的光信号。波导11可朝反射器12的后表面延伸，即，沿由虚线指示的方向延伸，并且通过波导11传输的光信号可以至少部分地被反射器12反射并且可以部分地被传输到延伸的波导11中。
每个反射器12可以从由波导11的底表面限定的平面（即，下覆盖层113的底表面）以第一角度θr倾斜。在本实施例中，第一角度θr的范围可以从大约40度至大约42度。另外，每个反射器12可具有弯曲的后反射表面121，并且可由玻璃或聚合物等形成。在描述第一半导体封装件20和第二半导体封装件30之后，将在下面详细地解释反射器12的结构和效果。
第一半导体封装件20可包括封装基底21、半导体芯片22a、多个连接元件23和多个连接焊盘24。第二半导体封装件30可包括封装基底21、半导体芯片22b、多个连接元件23和多个连接焊盘24。这样，除了第一半导体封装件20和第二半导体封装件30可具有不同的半导体芯片22a和22b之外，它们可具有基本相同的组成元件。
由于封装基底21支撑各自的半导体芯片22a和22b，所以封装基底21可用作支撑基底。在本实施例中，每个封装基底21可以是PCB。每个封装基底21可具有在中心部分中形成有开口H1的平板形状。因此，光信号可以容易地通过用作光学输入/输出元件222的光栅耦合器（将在下面解释）发送/接收。然而，本实施例不限于此，封装基底21可具有在除了中心部分之外的部分中形成有开口H1的板形。开口H1的尺寸可通过例如考虑光栅耦合器222a的尺寸L1和波导11的尺寸L2来确定。开口H1可具有适当的剖面形状，例如圆形或多边形。
多个连接元件23可设置在封装基底21上，半导体芯片22a和22b中的每个可通过连接元件23电连接到封装基底21。具体地说，多个连接焊盘24可设置在半导体芯片22a和22b中的每个的底表面上。由于多个连接焊盘24和多个连接元件23彼此连接，所以半导体芯片22a和22b中的每个可连接到封装基底21。
第一半导体芯片22a可包括第一集成电路（IC）220，第二半导体芯片22b可包括第二IC225。第一IC220可包括波导221、光学输入/输出元件222和调制器223，第二IC225可包括波导221、光学输入/输出元件222和光电二极管224。
由于第一IC220和第二IC225中的每个包括诸如波导221、光学输入/输出元件222和调制器223或光电二极管224的光学元件，所以第一IC220和第二IC225可以是光学IC。虽然未在图1中示出，但是第一IC220和第二IC225还可包括其它光学元件，例如光源、滤波器和多路复用器。另外，第一IC220或第二IC225还可包括电学元件。这里，包括光学元件和电学元件的IC可被称作光电IC。
波导221可以以与用于形成埋置在PCB10中的波导111的方式相似的方式形成，因此，将不给出对它的详细描述。另外，虽然未在图1中分别地示出波导221的芯层、上覆盖层和下覆盖层，但是可将对埋置在PCB10中的波导11的描述应用于波导221。
光学输入/输出元件222可用于提取通过波导221传输的光信号，并将光信号传输至波导221外部，即，传输至埋置在PCB10中的波导11。可选地，光学输入/输出元件222可接收来自外部源的光信号，即，来自埋置在PCB10中的波导11的光信号，然后将光信号注入至波导221中。光学输入/输出元件222可用作光学耦合元件或耦合元件。例如，光学输入/输出元件222可包括光栅耦合器222a。现在将参照图4和图5详细地描述光栅耦合器222a。
图4是示出可用于实现包括在图1的半导体装置1中的光学输入/输出元件222的光栅耦合器222a的示例的剖视图。
参照图4，可通过在波导221的一端上形成多个光栅（例如，光栅G1和G2）来实现光栅耦合器222a。光栅耦合器222a可通过利用光在光栅G1和G2附近衍射的事实来发送/接收光，并且可通过调节光栅G1和G2之间的距离来过滤光。
形成在光栅耦合器222a上的光栅G1和G2中的每个的尺寸，即，光栅G1和G2中的每个的周期，可通过入射到光栅耦合器222a上的光的宽度w或k矢量来确定。因此，由于光栅G1和G2适当地形成在光栅耦合器222a上，所以入射到光栅耦合器222a上的光可以以高光学耦合效率耦合到光栅耦合器222a。现在将参照图5解释光耦合到光栅耦合器222a的情形。
图5是用于解释通过图4的光栅耦合器222a进行的光学耦合的剖视图。
参照图5，为了使入射到光学耦合器222a上的光以高光学耦合效率耦合到光学耦合器222a，光和光学耦合器222a的相位需要相同。可使用等式1来定义这种相位匹配条件。
βν=β0+ν2π/Λ  （1）
在等式1中，v是整数。Λ表示光栅周期，βν表示第v模式下的相位，β0表示基本模式下的相位。
另外，可通过使用等式2来定义作为将入射光限定至波导221的条件的引导条件。
αm=κn3sinθm=(2π/λ0n3)sinθm  （2）
在等式2中，m是整数，λ0表示基本模式下的光的波长，k是作为波长的倒数的k矢量，αm表示在第m模式下的光的折射率条件值，θm表示在第m模式下的光的入射角。
在图5中，w表示入射光的宽度，n1表示下覆盖层的折射率，n2表示芯层的折射率，n3表示上覆盖层或波导221的外部的折射率。为了将光引导至波导221，需要满足κn3<αm<κn2。
返回参照图1，调制器223可将从外部（例如，从波导11）接收的电信号调制为光信号，光学输入/输出元件222可将由调制器223产生的光信号传输至外部。在这种情况下，第一半导体芯片22a可用作发射器，第二半导体芯片22b可用作接收器。光电二极管224可检测从光学输入/输出元件222接收的光信号并产生电信号。将明白的是，在其它实施例中，第二半导体芯片22b可用作发射器并且第一半导体芯片22a可用作接收器，或者半导体芯片22a和22b均可以既被用作发射器又被用作接收器。
例如，第一半导体芯片22a可以是中央处理单元（CPU），第二半导体芯片22b可以是存储装置。在这种情况下，第二半导体芯片22b还可包括多个存储单元（未示出）。可选择地，第一半导体芯片22a和第二半导体芯片22b均可以是存储装置，在这种情况下，第一半导体芯片22a和第二半导体芯片22b中的每个还可包括多个存储单元。可选择地，第一半导体芯片22a可以是CPU，第二半导体芯片22b可以是集线器，在这种情况下，第二半导体芯片22b可连接到多个存储装置（未示出）。
在传统方法中，通过独立地制造光学元件并随后将光学元件组装在PCB上来形成半导体封装件，并将垂直腔面发射激光器（VCSEL）或光电二极管用作用于向半导体封装件的外部发射光信号/从半导体封装件的外部接收光信号的光学输入/输出元件。然而，在本实施例中，诸如调制器223和光电二极管224的独立的光学元件形成在第一IC220和第二IC225中，并且通过第一IC220和第二IC225中的波导221进行连接，并且使用光栅耦合器222a作为用于将通过光学元件传输的光信号输出至外部/将通过光学元件传输的光信号从外部输入的光学输入/输出元件222。
当光信号从光栅耦合器222a垂直地输出或垂直地输入至光栅耦合器222a时，可能产生反射光，因此，光信号传输效率会降低。因此，为了提高光信号传输效率，半导体封装件20和30或者PCB10可被构造为使得光信号以第二角度θg输入到光栅耦合器222a或从光栅耦合器222a输出。第二角度θg可以与垂直于PCB10的主表面的方向（在下文中称作“垂直方向”）呈例如大约8度。在这种情况下，第二角度θg可被定义为“光学输入/输出角”。
在本实施例中，反射器12可以从波导11的底表面以第一角度θr倾斜，第一角度θr可具有从大约40度至大约42度的范围。因此，通过波导11传输的光信号可以不沿垂直方向反射，而是相反可以以与垂直方向呈大约6度至大约10度的倾斜度被传输至光栅耦合器222a。另外，从光栅耦合器222a输出的光信号可以以相对于垂直方向的大约6度至大约10度的倾斜度被传输至波导11。因此，光学输入/输出角（即第二角度θg）可被设计为从大约6度至大约10度的范围。具体地说，当第一角度θr是40度时，第二角度θg可以是10度，当第一角度θr是41度时，第二角度θg可以是8度，当第一角度θr是42度时，第二角度θg可以是6度。光学波导靠近反射器12的区域包括光学波导的光信号注入/提取区域，以便光信号可在这些区域被输入到光学波导或者从光学波导提取。
另外，光栅耦合器222a的尺寸L1可小于波导11的尺寸L2（即，波导11的宽度）。例如，光栅耦合器222a的尺寸L1可以是大约10μm，波导11的尺寸L2可以是大约50μm。因此，可以容易地将光学信号从光栅耦合器222a传输至波导11，而难以将光信号从波导11传输至光栅耦合器222a。具体地说，由于波导11输出的光场的表面积超出光栅耦合器222a的表面积，所以光栅耦合器222a不会接收从波导11传输的全部光信号。这导致光学耦合效率降低。为了解决该问题，从波导11传输的光信号可以通过在半导体装置1上额外地提供光学系统（例如，透镜系统）来收集并传输至光栅耦合器222a。
根据本实施例，由于反射器12均具有弯曲的反射表面121，所以沿波导11传输的光信号可被收集在弯曲的反射表面121上。然后，在反射表面121上收集的光信号可以以适于光栅耦合器222a的尺寸L1的宽度传输至光栅耦合器222a（即，弯曲的反射表面121使从波导11接收的光会聚）。因此，波导11和光栅耦合器222a之间的光学耦合效率可被提高。在这种情况下，由于不需要在光栅耦合器222a和波导11之间额外地设置用于光学耦合的光学系统，所以可降低成本并可以有助于大规模生产。
折射率匹配单元45可设置在开口H1和PCB10之间，并且折射率匹配单元45可通过涂覆具有与每个PCB10的材料和开口H1中的任何材料的折射率基本相同的折射率的液体或粘合剂来形成。因此，可减小埋置在PCB10中的波导11与光栅耦合器222a之间的光信号损失。
如上所述，由于光信号可通过第一半导体封装件20和第二半导体封装件30中的波导221传输，并且电信号可通过使用多个连接元件23和多个连接焊盘24来通过布线来传输，所以第一半导体封装件20和第二半导体封装件30中的每个可被称作光电半导体封装件。然而，本实施例不限于此，第一半导体封装件20和第二半导体封装件30中的每个可以是其中所有数据均以光信号来发送/接收的光学半导体封装件。即使在该情况下，也可通过布线将电力作为电信号供应至第一半导体封装件20和第二半导体封装件30。
图6是示出图1的半导体装置1的修改示例的剖视图。
参照图6，半导体装置1’可包括PCB10’以及第一半导体封装件20和第二半导体封装件30。包括在半导体装置1’中的一些组成元件与图1的半导体装置的一些组成元件基本相同。相同的组成元件用相同的标号表示并且在下面将不再重复描述。下面的描述将集中于图1的半导体装置1与图6的半导体装置1’之间的区别。
如图6中所示，图1的半导体装置1的两个反射器12中的一个在半导体装置1’中被替换为第二反射器12’。因此，在图6的实施例中，第一反射器12从由波导11的底表面（即，下覆盖层113的底表面）限定的平面以第一角度θr1倾斜，第二反射器12’可以从由波导11的底表面限定的平面以第三角度θr2倾斜。这里，第一角度θr1的范围可以从大约40度到大约42度，第三角度θr2可以是大约45度。另外，第一反射器具有弯曲的反射表面121，而第二反射器12’可具有平坦的反射表面121’。
因此，虽然在包括在第一半导体芯片22a中的光学输入/输出元件222与第一反射器12之间经过的光信号可以以相对于垂直方向（即，垂直于PCB10’的主表面的方向）的第二角度θg（即，光学输入/输出角）传输，但是在包括在第二半导体芯片22b中的光学输入/输出元件222与第二反射器12’之间经过的光信号可以沿垂直方向传输（即，可以以基本垂直于PCB10’的角度传输）。虽然未在图6中示出，但是在该情况下，可在包括在第二半导体芯片22b中的光学输入/输出元件222与第二反射器12’之间额外地设置诸如透镜的光学系统。
这样，半导体装置1’可以对设置在PCB10’上的第一半导体封装件20和第二半导体封装件30中的一个沿垂直方向发送/接收光信号，并且可以对第一半导体封装件20和第二半导体封装件30中的另一个以光学输入/输出角（即，相对于垂直方向的第二角度θg）发送/接收光信号。
图7是示出图1的半导体装置1的另一修改示例的剖视图。
参照图7，半导体装置1’’可包括PCB10和第一半导体封装件20。包括在半导体装置1’’中的组成元件与图1的半导体装置1中的组成元件基本相同，因此将不再给出它们的详细描述。
半导体装置1’’可包括PCB10和设置在PCB10上的第一半导体封装件20。在埋置在PCB10中的波导11与包括在第一半导体封装件20中的光学输入/输出元件222之间经过的光信号可以以光学输入/输出角（即，相对于垂直方向的第二角度θg）传输。从光学输入/输出元件222传输至波导11的光信号可被传输至PCB10中的另一光学元件。然后，光信号可被传输至安装在PCB10上的另一半导体封装件（未示出）。可选地，光信号可被传输至连接到PCB10的另一输入/输出装置（未示出）。
图8是示出根据本发明构思的另一实施例的半导体装置2的剖视图。图9是图8的半导体装置2的透视图。
参照图8和图9，半导体装置2可包括PCB10a以及设置在PCB10a上的多个半导体封装件（例如第一半导体封装件20a和第二半导体封装件30a）。图8的半导体装置2中包括的一些组成元件与图1的半导体装置1的一些组成元件基本相同。相同的组成元件由相同的标号表示并且这里将不再重复描述。下面的描述将集中于图1的半导体装置1与图8的半导体装置2之间的区别。
PCB10a可包括埋置在PCB10a中的波导11，以及设置在波导11的各个端部的第一和第二反射器12a。第一和第二反射器12a可反射通过波导管11传输的光信号。每个反射器12a可以从由波导11的底表面限定的平面以第一角度θr倾斜。在本实施例中，第一角度θr可以是大约45度。这样，当第一角度θr为大约45度时，与第一角度θr不是大约45度的情况（即，当第一角度θr是40度或50度时）相比，在波导11的各个端部上形成第一和第二反射器12a的工艺更加简单，从而有助于大规模生产。
每个反射器12a具有弯曲的反射表面121a，从波导11传输的光信号可被收集在反射表面121a上。然后，在反射表面121a上收集的光信号可以以适于光栅耦合器222a的尺寸L1的宽度传输至光栅耦合器222a。因此，可改善波导11和光栅耦合器222a之间的光学耦合效率。在这种情况下，由于不需要额外地提供用于使光栅耦合器222a和波导11耦合的光学系统，所以可降低成本并可以有助于大规模生产。
第一半导体封装件20a和第二半导体封装件30a中的每个可以相对于由封装基底21的底表面限定的平面倾斜第四角度θc。第一半导体封装件20a可包括封装基底21、半导体芯片22a、多个连接元件23、多个连接焊盘24以及多个凸起25，第二半导体封装件30a可包括封装基底21、半导体芯片22b、多个连接元件23、多个连接焊盘24以及多个凸起25。这样，除了半导体芯片22a和22b可以是不同的半导体芯片类型之外，第一半导体封装件20a和第二半导体封装件30a可具有基本相同的组成元件。
如上所述，第一半导体封装件20a和第二半导体封装件30a中的每个还可包括多个凸起25。多个凸起25可设置在封装基底21上，多个连接单元23可设置在多个凸起25上。多个连接焊盘24可设置在半导体芯片22a和22b的底表面上，可通过将多个连接焊盘24连接到多个连接元件23来将半导体芯片22a和22b电连接到封装基底21。
多个凸起25可具有不同的高度。具体地说，如图8和图9中所示，多个凸起35可具有沿一个方向逐渐增大的高度。这样，半导体芯片22a和22b中的每个可以相对于由封装基底21的底表面限定的平面以第四角度θc倾斜。在这种情况下，可通过考虑光学输入/输出元件222的尺寸L1、波导11的尺寸L2以及光学输入/输出元件222和波导11之间的距离来确定第四角度θc。例如，在一些实施例中，第四角度θc的范围可以从大约6度至大约10度。
虽然第一半导体封装件20a和第二半导体封装件30a中的每个包括多个凸起25，但是本实施例不限于此，可使用不同的导电材料来调节封装基底21和多个连接元件23之间的高度差。
如上所述，根据本实施例，在相对于由波导11的底表面限定的平面以大约45度保持反射器12a的布置角度（第一角度θr）的同时，通过使用具有不同高度的凸起25，半导体芯片22a和22b可以相对于由封装基底21的底表面限定的平面倾斜第四角度θc。因此，通过波导11传输的光信号可以沿垂直于波导11的底表面的方向反射。然而，由于光学输入/输出元件222相对于由封装基底21的底表面限定的平面以第四角度θc倾斜，所以从反射器12a传输的光信号可以相对于与光学输入/输出元件222的底表面垂直的线以大约6度至大约10度的角度进入光学输入/输出元件222。相似地，从光学输入/输出元件222输出的光信号可以相对于垂直方向（即，垂直于PCB10a的主表面的方向）以大约6度至大约10度的倾斜度传输。然而，由于光学输入/输出元件222以第四角度θc（例如，相对于垂直方向以大约6度至大约10度的倾斜度）倾斜，所以可沿垂直方向将光信号传输至反射器12a。
图10是示出根据本发明构思的又一实施例的半导体装置3的剖视图。图11是图10的半导体装置3的透视图。
参照图10和图11，半导体装置在3可包括PCB10a和设置在PCB10a上的多个半导体在封装件（例如，第一半导体封装件20b和第二半导体封装件30b）。半导体装置3中包括的一些组成元件与图8的半导体装置2的一些组成元件基本相同。相同的组成元件由相同的标号表示并且这里将不再重复描述。下面的描述将集中于图8的半导体装置2与半导体装置3之间的区别。
第一半导体封装件20b和第二半导体封装件30b可以相对于由封装基底21的底表面限定的平面以第四角度θc倾斜。第一半导体封装件20b可包括封装基底21a、半导体芯片22a、多个连接元件23和多个连接焊盘24，第二半导体封装件30b可包括封装基底21a、半导体芯片22b、多个连接元件23和多个连接焊盘24。这样，除了半导体芯片22a和22b可以是不同类型的半导体芯片（虽然它们不需要是不同类型）之外，第一半导体封装件20b和第二半导体封装件30b可具有基本相同的组成元件。
在第一半导体封装件20b和第二半导体封装件30b的每个中包括的封装基底21a均可以具有平坦的底表面以及沿一个方向倾斜的顶表面。具体地说，封装基底21a的顶表面可以从由其底表面限定的平面以第四角度θc倾斜。因此，第一半导体封装件20b和第二半导体封装件30b中的每个可以相对于封装基底21a的底表面以第四角度θc倾斜。例如，第四角度θc的范围可以是从大约6度至大约10度。
由于第一半导体封装件20b和第二半导体封装件30b中的每个不包括多个凸起25而是包括具有沿一个方向倾斜的顶表面的封装基底21a，所以半导体芯片22a和22b中的每个可以相对于其各自的封装基底21a的底表面以第四角度θc倾斜。
如上所述，根据本实施例，在相对于垂直方向以大约45度保持反射器12a的布置角度（即，第一角度θr）的同时，封装基底21a可具有平坦的底表面以及从底表面以第四角度θc倾斜的顶表面。因此，通过波导11传输的光信号可被反射器12a沿垂直于波导11的底表面的方向反射。然而，由于光学输入/输出元件222相对于由封装基底21a的底表面限定的平面以第四角度倾斜θc，所以从反射器12a传输的光信号可以相对于光学输入/输出元件222的底表面以大约6度至大约10度的角度进入光学输入/输出元件222。相似地，从光学输入/输出元件222输出的光信号可以相对于垂直方向（即，与PCB10a的主表面垂直的方向）以大约6度至大约10度的倾斜度传输。然而，由于光学输入/输出元件222以第四角度θc（例如，相对于垂直方向以大约6度至大约10度的倾斜度）倾斜，所以光信号可以沿垂直方向传输至反射器12a。
图12是示出根据本发明构思的又一实施例的半导体装置4的剖视图。图13是图12的半导体装置4的透视图。
参照图12和图13，半导体装置4可包括PCB10a和设置在PCB10a上的多个半导体封装件（例如，第一半导体封装件20c和第二半导体封装件30c）。图12的半导体装置4中包括的一些组成元件与图8的半导体装置2的一些组成元件基本相同，并且在这里将不再重复描述。下面的描述将集中于图8的半导体装置2与图12的半导体装置4之间的区别。
第一半导体封装件20c和第二半导体封装件30c中的每个可以相对于由封装基底21的底表面限定的平面以第四角度θc倾斜。第一半导体封装件20c可包括封装基底21、半导体芯片22a、多个连接元件23a和多个连接焊盘24，第二半导体封装件30c可包括封装基底21、半导体芯片22b、多个连接元件23a和多个连接焊盘24。这样，除了半导体芯片22a和22b可以是不同类型之外，第一半导体封装件20c和第二半导体封装件30c可具有基本相同的组成元件。
包括在第一半导体封装件20c和第二半导体封装件30c的每个中的多个连接元件23a可具有不同的尺寸。具体地说，多个连接元件23a可具有沿一个方向增大的尺寸。因此，半导体芯片22a和22b中的每个可以相对于由封装基底21的底表面限定的平面以第四角度θc倾斜。例如，第四角度θc的范围可以从大约6度至大约10度。
具体地说，多个连接元件23a可包括焊球。在这种情况下，焊球的球体尺寸可以不同并且可以沿一个方向增大。然而，本实施例不限于此，多个连接元件23a可包括在封装基底21和多个连接焊盘24之间形成高度差的导电材料。
如上所述，在以大约45度保持反射器12a的布置角度（即，第一角度θr）的同时，半导体芯片22a和22b可通过使用具有不同尺寸的多个连接元件23a而相对于封装基底21的底表面以第四角度θc倾斜。因此，通过波导11传输的光信号可被反射器12a沿垂直于波导11的底表面的方向反射。然而，由于光学输入/输出元件222相对于由封装基底21的底表面限定的平面以第四角度θc倾斜，所以从反射器12a传输的光信号可以相对于光学输入/输出元件222的底表面以大约6度至大约10度的角度进入光学输入/输出元件222。相似地，从光学输入/输出元件222输出的光信号可以相对于垂直方向（即，与PCB10a的主表面垂直的方向）以大约6度至大约10度的倾斜度传输。然而，由于光学输入/输出元件222以第四角度θc倾斜（例如，相对于垂直方向以大约6度至大约10度的倾斜度），所以光信号可以沿垂直方向传输至反射器12a。
图14是示出根据本发明构思的另一实施例的半导体装置5的剖视图。图15是图14的半导体装置5的透视图。
参照图14和图15，半导体装置5可包括PCB10b和设置在PCB10b上的多个半导体封装件（例如，第一半导体封装件20d和第二半导体封装件30d）。图14的半导体装置5中包括的一些组成元件与图1的半导体装置1的一些组成元件基本相同。相同的组成元件由相同的标号表示并且这里将不再重复描述。下面的描述将集中于图1的半导体装置1与图14的半导体装置5之间的区别。
PCB10b可包括埋置在PCB10b中的波导11以及一对反射器12b。反射器12b可设置在波导11的任一端上并且可反射通过波导11传输的光信号。反射器12b均可从由波导11的底表面限定的平面（即，下覆盖层113的底表面）以第一角度θr倾斜。在本实施例中，第一角度θr可以是大约45度。另外，反射器12b均可具有平坦的反射表面121b。
第一半导体封装件20d可包括封装基底21、半导体芯片22a、多个连接元件23、多个连接焊盘24和第一微透镜26，第二半导体封装件30d可包括封装基底21、半导体芯片22b、多个连接元件23、多个连接焊盘24和第二微透镜26。这样，除了半导体芯片22a和22b可以是不同类型的半导体芯片之外，第一半导体封装件20d和第二半导体封装件30d可具有基本相同的组成元件。
与图1的半导体装置1不同，第一半导体封装件20d和第二半导体封装件30d中的每个还可包括微透镜26。微透镜26可收集通过波导11传输的光信号，并将收集的具有适合于光学输入/输出元件222的尺寸L1的宽度的光信号传输至光学输入/输出元件222。另外，微透镜26可收集从光学输入/输出元件222输出的光信号并将具有适于波导11的尺寸L2的宽度的光信号传输至波导11。
另外，微透镜26可设置在开口H1中，可根据光学输入/输出元件222的期望的光学输入/输出角度来调节微透镜26在开口H1中的位置。具体地说，微透镜26可设置在开口H1中，使得穿过光学输入/输出元件222传输至反射器12b的光信号经过微透镜26的边缘，即，以离轴的方式。这是因为入射到除了微透镜26的中心以外的部分的光由于折射而会聚在中心上。
因此，通过波导11传输的光信号可被反射器12b沿垂直于波导11的底表面的方向反射。由于光以离轴的方式穿过微透镜26，所以光被折射，使得光相对于与光学输入/输出元件222的底表面垂直的线以大约6度至大约10度的角度传输。相似地，从光学输入/输出元件222输出的光可以相对于垂直方向以大约6度至大约10度的角度传输，但是可以随后随着光穿过微透镜而倾斜大约6度至大约10度的角度，使得传输的光可以沿垂直方向离开微透镜26，从而光在反射器12b处沿垂直方向被接收。
图16是示出根据本发明构思的实施例的包括半导体装置的电子装置1000的透视图。
参照图16，电子装置1000可包括存储模块1100、光源1300、CPU1400、光电转换器1500和系统板1600。这里，存储模块1100或CPU1400可包括根据前述实施例中的任意一个的半导体封装件或半导体装置。
存储模块1100可包括根据前述实施例中的任意一个的半导体封装件或半导体装置。因此，存储模块1100可包括用于传输光信号的光学输入/输出装置，即，光学输入/输出元件222以及波导11和221。当使用光学输入/输出元件222时，光学输入/输出角度的范围可以是大约6度至大约10度。存储模块1100通过形成在系统板1600上的插槽1200结合到系统板1600。
光源1300是诸如激光二极管（LD）的光学元件，光源1300产生准直的光，并将准直的光施加至存储模块1100。CPU1400包括计算/逻辑单元和控制单元，以处理数据或控制电子装置10的每个元件。虽然使用了CPU1400，但是在小型计算机、移动装置等中使用的微处理器可以允许CPU1400容纳在其中，并且可以使用该微处理器。
光电转换器1500可将从存储模块1100传输的光信号转换为电信号并将电信号传输至CPU1400，并且将从CPU1400输出的电信号转换为光信号并将光信号传输至存储模块1100。虽然光信号可通过光电转换器1500产生并直接地传输至存储模块1100，但是通常由光源1300产生光，将对应的信号添加至所述光以获得光信号，并将光信号传输至存储模块1100。
组成元件，即，存储模块1100、光源1300、CPU1400和光电转换器1500，安装在系统板1600上。用于传输光信号的一个或更多个光学波导1700可设置在存储模块1100和光电转换器1500之间。
由于用于传输光信号的光学输入/输出装置和光路（即，波导）形成在存储模块1100中，并且用于将光信号转换为电信号以及将电信号转换为光信号的光电转换器1500设置在CPU1400的前端上，所以电子装置1000可以通过使用光信号而以高速执行数据处理和控制。
图17是示出根据本发明构思的实施例的包括半导体装置的计算机系统2000的框图。
参照图17，计算机系统2000可包括处理器2200、半导体存储装置2300、用户界面（UI）2400和电源装置2500。处理器2200、半导体存储装置2300、UI2400和电源装置2500可以通过光学总线2100来彼此交换数据。这里，处理器2200或半导体存储装置2300可包括根据前述实施例中的任意一个的半导体封装件或半导体装置。
具体地说，处理器2200可控制将被写入到半导体存储装置2300或从半导体存储装置2300读取的数据，并且处理器2200可包括光学输入/输出装置222。在这种情况下，光学输入/输出装置222的光学输入/输出角度的范围可以从大约6度至大约10度。半导体存储装置2300可包括多个存储单元，以存储用于操作处理器2200的代码和数据，并且半导体存储装置2300可包括光学输入/输出装置222。在这种情况下，光学输入/输出装置222的光学输入/输出角度的范围可以从大约6度至大约10度。
虽然已经参照本发明构思的示例性实施例具体地示出并描述了本发明构思，但是应当理解，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以在这里进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种半导体封装件，所述半导体封装件包括：
封装基底；
多个连接元件，设置在封装基底上；以及
半导体芯片，通过所述多个连接元件电连接到封装基底，半导体芯片包括至少一个光学输入/输出元件，所述至少一个光学输入/输出元件被构造为在半导体芯片与半导体基底外部的元件之间以光学输入/输出角度传输光信号，所述光学输入/输出角度基本上与垂直于封装基底的底表面的方向不同。
2.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，半导体芯片的底表面相对于封装基底的底表面以所述光学输入/输出角度倾斜。
3.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，所述多个连接元件具有不同的高度。
4.如权利要求3所述的半导体封装件，其中，所述多个连接件的高度沿一个方向逐渐增大。
5.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，所述多个连接元件包括具有不同高度的凸起和具有不同尺寸的焊球中的至少一种。
6.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，封装基底的顶表面相对于封装基底的底表面以所述光学输入/输出角度倾斜。
7.如权利要求1所述的半导体封装件，所述半导体封装件还包括设置在所述至少一个光学输入/输出元件下方的微透镜，其中，微透镜被构造为调节光学输入/输出角度。
8.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，光学输入/输出角度在6度和10度之间。
9.如权利要求1所述的半导体封装件，其中，所述至少一个光学输入/输出元件包括光栅耦合器。
10.一种半导体装置，所述半导体装置包括：
印刷电路板，包括光学波导和连接到光学波导的一端的反射器，反射器具有弯曲的反射表面；以及
半导体封装件，设置在印刷电路板的表面上并包括半导体芯片，所述半导体芯片包括至少一个光学输入/输出元件，所述至少一个光学输入/输出元件被构造为相对于与印刷电路板的表面垂直的方向以光学输入/输出角度将光信号传输至光学波导或者从光学波导接收光信号。
11.如权利要求10所述的半导体装置，其中，反射器以范围从40度至42度的角度从光学波导的底表面倾斜。
12.如权利要求10所述的半导体装置，其中，反射器相对于光学波导的底表面以45度的角度倾斜。
13.如权利要求10所述的半导体装置，其中，半导体芯片相对于印刷电路板的主表面以所述光学输入/输出角度倾斜。
14.如权利要求10所述的半导体装置，其中，半导体封装件还包括设置在所述至少一个光学输入/输出元件下方并调节所述光学输入/输出角度的微透镜。
15.如权利要求10所述的半导体装置，其中，所述至少一个光学输入/输出元件包括光栅耦合器。
16.一种半导体装置，所述半导体装置包括：
印刷电路板，包括光学波导和连接到光学波导的一端的反射器；以及
半导体封装件，包括具有光学输入/输出元件的半导体芯片，光学输入/输出元件被构造为与光学波导光学连通，其中，光学输入/输出元件被构造为相对于与半导体芯片的底表面垂直的方向以在第一角度和第二角度之间倾斜的光学输入/输出角度来传输光。
17.如权利要求16所述的半导体装置，其中，光学输入/输出元件包括光栅耦合器。
18.如权利要求17所述的半导体装置，其中，光学波导的底表面限定第一平面，半导体芯片的底表面限定与第一平面平行的第二平面。
19.如权利要求17所述的半导体装置，其中，光学波导的底表面限定第一平面，半导体芯片的底表面限定相对于第一平面在6度和10度之间倾斜的第二平面。
20.如权利要求17所述的半导体装置，其中，光学波导的底表面限定第一平面，半导体芯片的底表面限定与第一平面平行的第二平面，其中，光学会聚元件设置在光学波导和光学输入/输出元件之间的光学传输路径中，使得从光学输入/输出元件到光学波导经过的光信号以离轴的方式穿过光学会聚元件。
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