JP2000332301A - Semiconductor device having input/output mechanism for optical signal, and manufacture thereof - Google Patents
Semiconductor device having input/output mechanism for optical signal, and manufacture thereofInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は光学的信号の入出力
機構を有する半導体装置およびその製造方法に関する。The present invention relates to a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図６は、従来の半導体装置の第１の従来
例を示すものであり、その断面構造を模式的に示してい
る。この第１の従来例は、半導体集積回路６１を、それ
とほぼ同程度の外形をしたパッケージ６２に収め、パッ
ケージ下面から格子状に電気端子６３を取り出した半導
体装置である。このような小型のパッケージは、チップ
サイズパッケージ（ＣＳＰ）と呼ばれ、小型である故
に、プリント基板６４への高密度な表面実装が可能とな
る。また、ＱＦＰ（クワッドフラットパッケージ）や、
ＳＯＰ（スモールアウトラインパッケージ）のような周
辺部からリードを取り出すペリフェラル構造と比べて、
エリアアレイ構造は小型で、かつ多数の電気端子を取り
出すことができる。現在、大型コンピュータの論理ＬＳ
Ｉ（大規模集積回路）パッケージや、通信系用途などに
使われており、今後の高密度表面実装において重要なパ
ッケージになるものと考えられる。また、チップサイズ
パッケージには、上記のような半導体集積回路６１をキ
ャリア基板６５に搭載したタイプのみでなく、多様なパ
ッケージ形態があり、半導体集積回路を単に樹脂などで
保護しただけであっても、プリント基板等に直接接続す
るための電極が形成されていれば、ＣＳＰの範疇に含ま
れる。近年、通信装置や、大型コンピュータの性能向上
に対して、半導体集積回路自身の性能ではなく、それら
の間を接続する電気配線の特性がボトルネックになると
の指摘がなされている。これは、例えば、D.A.B.Mille
r,“Limit to the Bit−Rate Capacity of Electrical
Interconnects from the Aspect Ratio of theSystem A
rchitecture,”Special Issue on Para11e1 Computing
with OpticalInterconnects,Journa1 of Para11e1 and
Distributed Computing,1996.において詳細に述べられ
ているように、電気配線の帯域制限、電気コネクタの小
型化限界、そして電気配線部における消費電力の増大が
特に問題として挙げられている。そして電気配線の代わ
りに光ファイバや光導波路、自由空間を用いた光配線に
よって、それらの問題を解決する方法が数多く提案、研
究されている。チップサイズパッケージは、電気的な信
号入出力を有する半導体装置としては、パッケージサイ
ズや帯域性能において優れたパッケージであるが、半導
体装置間を光配線で行う場合には、発光素子や受光素子
といった電気／光変換素子をパッケージに内蔵しなけれ
ばならず、次に示す第２の従来例に示すようにチップサ
イズより随分大きなパッケージ構造にならざるを得なか
った。2. Description of the Related Art FIG. 6 shows a first conventional example of a conventional semiconductor device, and schematically shows a cross-sectional structure thereof. This first conventional example is a semiconductor device in which a semiconductor integrated circuit 61 is housed in a package 62 having substantially the same outer shape as that of the semiconductor integrated circuit 61, and electrical terminals 63 are taken out from the lower surface of the package in a grid. Such a small package is called a chip size package (CSP), and since it is small, high-density surface mounting on the printed circuit board 64 is possible. Also, QFP (Quad Flat Package),
Compared to a peripheral structure such as SOP (Small Outline Package) that takes out leads from the periphery,
The area array structure is small and can take out many electric terminals. Currently, the logic LS of large computers
It is used for I (large scale integrated circuit) packages and communication systems, and is considered to be an important package in future high-density surface mounting. The chip size package is not limited to the type in which the semiconductor integrated circuit 61 is mounted on the carrier substrate 65 as described above, and there are various package forms. Even if the semiconductor integrated circuit is simply protected with resin or the like, If an electrode for directly connecting to a printed circuit board or the like is formed, it is included in the category of CSP. In recent years, it has been pointed out that not only the performance of the semiconductor integrated circuit itself but the characteristics of the electrical wiring connecting them become a bottleneck in improving the performance of communication devices and large computers. This is, for example, DABMille
r, “Limit to the Bit−Rate Capacity of Electrical
Interconnects from the Aspect Ratio of the System A
rchitecture, ”Special Issue on Para11e1 Computing
with OpticalInterconnects, Journa1 of Para11e1 and
As described in detail in Distributed Computing, 1996., the band limitation of the electric wiring, the limit of miniaturization of the electric connector, and the increase in power consumption in the electric wiring section are mentioned as particular problems. Many methods have been proposed and studied to solve these problems by using optical fibers, optical waveguides, or optical wiring using free space instead of electrical wiring. A chip size package is a package excellent in package size and band performance as a semiconductor device having an electrical signal input / output. However, when optical wiring is performed between semiconductor devices, an electrical device such as a light emitting element or a light receiving element is used. The optical conversion element had to be built in the package, and the package structure had to be much larger than the chip size as shown in the second conventional example shown below.
【０００３】図７は、光学的信号の入出力機構を有する
半導体装置の第２の従来例であり、その上面図を示して
いる。本第２の従来例で示す半導体装置は、半導体集積
回路７１を、抵抗、コンデンサ等の受動素子類である電
子部品類７２や、半導体レーザアレイ７３、受光素子ア
レイ７４と共に、モジュール基板７５に搭載し、さらに
光ファイバリボン７６によって光学的な信号入出力を行
うことを可能にした、フラットパッケージタイフの並列
光伝送モジュールであり、図７はその上面図である。こ
の並列光伝送モジュール内には、さらにマイクロレンズ
アレイ７７、短尺光ファイバ７８が含まれており、パッ
ケージの一側面にはＭＴコネクタのような光ファイバコ
ネクタレセプタクル７９が具備されている。半導体レー
ザアレイ７３から出射した光は、マイクロレンズアレイ
７７によって集光され、長さ数ミリ程度の短尺光ファイ
バ７８の一端に入射される。短尺光ファイバ７８は、光
ファイバコネクタレセプタクル７９内に固定されてお
り、その他端はパッケージ外へ取り出されている。光フ
ァイバコネクタレセプタクル７９に、それと対応する光
ファイバコネクタプラグ８０を嵌合、接続することによ
り、テープ化された光ファイバリボン７６によって並列
光伝送モジュール間の光伝送を行うことができる。ま
た、この並列光伝送モジュールは、パッケージ側面のう
ち、光ファイバレセプタクル７９が具備された側面以外
の３面に、プリント基板８１へ接続するためのリード８
２が具備されており、これにより電気的な信号入出力を
行う。また、光ファイバリボン７６から受光素子アレイ
７４へ光学的な信号を伝搬する場合においても、上述の
半導体レーザアレイの場合と全く同様に、短尺光ファイ
バ７８、およびマイクロレンズアレイ７７を介して行わ
れる。また、この並列光伝送モジュールのプリント基板
８１への実装は、次のように行われる。 （１）並列光伝送モジュールから、光ファイバコネクタ
プラグ８０を外した状態にしておく。 （２）パッケージをプリント基板８１上の所望の位置に
仮搭載し、はんだリフロー等の表面実装工程により、リ
ード８２をプリント基板上に対応する電極に実装、固定
する。 （３）光ファイバコネクタプラグ８０を端部に設けた光
ファイバリボン７６を、並列光伝送モジュールの光ファ
イバコネクタレセプタクル７９に嵌合する。 （４）プリント基板８１上の光ファイバリボン７６の余
長部をクリップ等でプリント基板８１上の適当な位置に
固定する。上記の手順において、プリント基板８１上に
実装された並列光伝送モジュールヘ光ファイバリボン７
６を接続し、その余長を収納する作業は、人手に頼らざ
るを得ず、基板実装工程の自動化を困難にしている。ま
た、本第２の従来例に示すように、従来の並列光伝送モ
ジュールには、マイクロレンズアレイ７７などのディス
クリートな微小光学部品や、短尺光ファイバ７８やポリ
マー光導波路など、モジュール内において、ごく短距離
伝送のための光導波路部品が必要とされることが多い。
これらの光部品はそれぞれ別個に作製され、モジュール
組み立て時には、それぞれを高精度に光軸調整・固定し
なければならないため、部品点数の増加を招き、並列光
伝送モジュールの小型化・低コスト化・量産化を困難に
していた。また、このような並列光伝送モジュールの製
造は、まずウエハから個別に切り出された半導体集積回
路や半導体レーザアレイ、受光素子アレイを、モジュー
ル基板上にて個別にハイブリッドに搭載されていた。FIG. 7 shows a second conventional example of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism, and shows a top view thereof. In the semiconductor device shown in the second conventional example, a semiconductor integrated circuit 71 is mounted on a module substrate 75 together with electronic components 72 which are passive elements such as resistors and capacitors, a semiconductor laser array 73 and a light receiving element array 74. FIG. 7 is a top view of a flat package type parallel optical transmission module that enables optical signal input / output with an optical fiber ribbon 76. FIG. The parallel optical transmission module further includes a microlens array 77 and a short optical fiber 78, and an optical fiber connector receptacle 79 such as an MT connector is provided on one side of the package. Light emitted from the semiconductor laser array 73 is condensed by the microlens array 77 and is incident on one end of a short optical fiber 78 having a length of about several millimeters. The short optical fiber 78 is fixed in the optical fiber connector receptacle 79, and the other end is taken out of the package. By fitting and connecting the corresponding optical fiber connector plug 80 to the optical fiber connector receptacle 79, the optical transmission between the parallel optical transmission modules can be performed by the optical fiber ribbon 76 taped. The parallel optical transmission module has leads 8 for connecting to the printed circuit board 81 on three sides of the package other than the side where the optical fiber receptacle 79 is provided.
2 for inputting and outputting electrical signals. Also, when an optical signal is propagated from the optical fiber ribbon 76 to the light receiving element array 74, it is performed via the short optical fiber 78 and the microlens array 77 just like the case of the above-described semiconductor laser array. . The mounting of the parallel optical transmission module on the printed circuit board 81 is performed as follows. (1) The optical fiber connector plug 80 is detached from the parallel optical transmission module. (2) The package is temporarily mounted on a desired position on the printed circuit board 81, and the leads 82 are mounted and fixed to the corresponding electrodes on the printed circuit board by a surface mounting process such as solder reflow. (3) The optical fiber ribbon 76 provided with the optical fiber connector plug 80 at the end is fitted to the optical fiber connector receptacle 79 of the parallel optical transmission module. (4) The extra length of the optical fiber ribbon 76 on the printed circuit board 81 is fixed to an appropriate position on the printed circuit board 81 with a clip or the like. In the above procedure, the optical fiber ribbon 7 is connected to the parallel optical transmission module mounted on the printed circuit board 81.
The work of connecting 6 and storing the extra length has to rely on humans, making it difficult to automate the board mounting process. Further, as shown in the second conventional example, the conventional parallel optical transmission module includes very small discrete optical components such as a microlens array 77, a short optical fiber 78, a polymer optical waveguide, and the like. Optical waveguide components for short-range transmission are often required.
Each of these optical components is manufactured separately, and when assembling the module, it is necessary to adjust and fix the optical axis with high precision, which leads to an increase in the number of components and a reduction in the size, cost, and cost of the parallel optical transmission module. Mass production was difficult. In the manufacture of such a parallel optical transmission module, first, a semiconductor integrated circuit, a semiconductor laser array, and a light receiving element array individually cut out from a wafer are individually mounted on a module substrate in a hybrid manner.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上述の第１
の従来例においては、チップサイズパッケージの半導体
装置は、電気的な信号入出力のみを有しており、電気配
線の帯域制限、電気コネクタ小型化限界、電気配線の消
費電力の増加といった電気配線のボトルネックを解消す
べく光配線を行うために不可欠な、光学的な信号入出力
の機能を有していなかった。また、上述の第２の従来例
においては、半導体レーザと受光素子をパッケージ内に
備えているものの、フラットパッケージの一つの側面を
光学的信号の入出力に用いているために、多数の光学的
信号の入出力の場合には、どうしてもモジュールサイズ
が大きくなっていた。また、パッケージの一側面に具備
した光ファイバコネクタレセプタクルへ、光ファイバコ
ネクタプラグを嵌合・接続させる工程、および、プリン
ト基板上の光ファイバリボンの余長部を収納する作業
は、パッケージをプリント基板上にはんだリフロー等に
よって表面実装した後に、手作業により行わざるを得な
いため、基板実装工程を自動化できず、コスト的に高く
なり、しかも量産化が困難であった。また、第２の従来
例においては、マイクロレンズアレイなどのバルクの微
小光学部品や、短尺光ファイバや、ポリマー光導波路な
ど、モジュール内における極短距離伝送のための光導波
路部品が必要とされることが多く、これらが部品点数の
増加を招き、並列光伝送モジュールの小型化・低コスト
化・量産化を困難にしていた。なお、第２の従来例にお
いては、レセプタクルタイプのコネクタ構造であった
が、この他にもモジュール内部から数十センチ程度の光
ファイバを引き出した格好のピグテールタイプもある。
ピグテールタイプでは、光ファイバがモジュールと一体
であるために、プリント基板上にモジュール自身を表面
実装することさえ困難になる。プリント基板上に実装し
た後に、光ファイバリボンをコネクタ接続し、光ファイ
バリボンの余長部を手作業によって収納せねばならない
点は、レセプタクルタイプと全く同じである。また、こ
のような半導体装置の製造においては、半導体集積回路
や、半導体レーザアレイ、受光素子アレイ等は、各モジ
ュール基板ごとに、順にハイブリッド実装されるため、
各部品の位置合わせ、搭載、固定等の工数が多くなり、
低コストに量産化を実現することが困難であった。本発
明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的とするところは、チップサイズパッケージ
の形態を保ったままで、電気的な信号入出力に加えて、
光学的な信号入出力も行うことのできる半導体装置を提
供することにある。また、フラットパッケージ側面から
光ファイバリボンによって光学的な信号入出力を行う従
来の半導体装置に代って、プリント基板に直接接続でき
る電極を有し、さらにそれに加えて多数の光学的な入出
力も行うことのできる半導体装置を提供することにあ
る。また、上記の光学的な入出力機構を有する半導体装
置を生産性良く製造する方法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION However, in the first embodiment,
In the conventional example, the semiconductor device of the chip size package has only the electrical signal input / output, and the electrical wiring bandwidth is limited, the size of the electrical connector is reduced, and the power consumption of the electrical wiring is increased. It does not have an optical signal input / output function that is indispensable for optical wiring to eliminate bottlenecks. Further, in the second conventional example described above, although a semiconductor laser and a light receiving element are provided in a package, since one side surface of a flat package is used for input and output of optical signals, a large number of optical signals are used. In the case of signal input / output, the module size was inevitably large. Further, the step of fitting and connecting the optical fiber connector plug to the optical fiber connector receptacle provided on one side of the package, and the operation of storing the extra length of the optical fiber ribbon on the printed circuit board are performed by attaching the package to the printed circuit board. After the surface mounting by solder reflow or the like, it has to be performed manually, so that the substrate mounting process cannot be automated, cost increases, and mass production is difficult. In the second conventional example, bulk micro optical components such as a micro lens array, and optical waveguide components for extremely short distance transmission in a module such as a short optical fiber and a polymer optical waveguide are required. In many cases, these increase the number of components, making it difficult to reduce the size, cost, and mass production of the parallel optical transmission module. In the second conventional example, the connector structure is a receptacle type connector, but there is also a pigtail type in which an optical fiber of about several tens of centimeters is drawn out from the inside of the module.
In the pigtail type, since the optical fiber is integrated with the module, it becomes difficult to even surface mount the module itself on a printed circuit board. The point that the optical fiber ribbon must be connected to the connector after mounting on the printed circuit board and the extra length of the optical fiber ribbon must be stored manually is exactly the same as the receptacle type. In the manufacture of such a semiconductor device, a semiconductor integrated circuit, a semiconductor laser array, a light receiving element array, and the like are hybrid-mounted in order for each module substrate.
The man-hours for positioning, mounting, fixing, etc. of each part increase,
It was difficult to realize mass production at low cost. The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and its purpose is to maintain the form of a chip-size package, in addition to electrical signal input / output,
An object of the present invention is to provide a semiconductor device which can also perform optical signal input / output. In addition, instead of the conventional semiconductor device that performs optical signal input and output from the side of the flat package with an optical fiber ribbon, it has electrodes that can be directly connected to the printed circuit board, and in addition, a large number of optical inputs and outputs It is an object of the present invention to provide a semiconductor device which can be used. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having the above optical input / output mechanism with high productivity.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明の請求項１に係る光学的信号の入出
力機構を有する半導体装置は、半導体集積回路等がそれ
自体で、例えば、ガラスエポキシ樹脂基板よりなるプリ
ント基板、あるいはマルチチップ実装に用いられるセラ
ミックス基板等に搭載可能なチップサイズパッケージ構
造を有するものであって、発光面の反対側に正と負の両
電極を有する面発光型レーザ、ＬＥＤ（発光ダイオー
ド）またはそれらのアレイや、受光面の反対側に正と負
の両電極を有する面型受光素子またはそのアレイ等の面
型光素子を、上記半導体集積回路の周辺部に電極面を下
にして、はんだバンプ等のはんだ付け手段により接続さ
れており、プリント基板等への電気的信号の直接接続を
可能とする電極に加えて、上記半導体装置の光学的信号
の入出力をも可能とする光学的信号の入出力手段を設け
た半導体装置とするものである。In order to achieve the above object of the present invention, a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism according to claim 1 of the present invention comprises a semiconductor integrated circuit or the like, which itself includes: For example, it has a chip size package structure that can be mounted on a printed substrate made of a glass epoxy resin substrate, or a ceramic substrate used for multi-chip mounting, and has both positive and negative electrodes on the opposite side of the light emitting surface A surface light emitting device such as a surface emitting laser, an LED (light emitting diode) or an array thereof, a surface light receiving device having both positive and negative electrodes on the opposite side of the light receiving surface, or an array thereof is used for the semiconductor integrated circuit. It is connected to the peripheral part by soldering means such as solder bumps with the electrode surface facing down, and is connected to an electrode that enables direct connection of electrical signals to a printed circuit board or the like. Te, in which a semiconductor device provided with input and output means of the optical signal that allows also the input and output of the optical signal of the semiconductor device.
【０００６】また、本発明の請求項２に係る半導体装置
は、請求項１に記載の面型光素子を内蔵したチップサイ
ズパッケージにおいて、面発光型レーザ、ＬＥＤまたは
そのアレイ等の発光側表面、あるいは面型受光素子また
はそのアレイ等の受光側表面にも、はんだバンプを形成
可能な金属層を設けた光学的信号の入出力機構を有する
半導体装置とするものである。According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device according to the first aspect of the present invention, wherein the light emitting side surface of a surface emitting laser, an LED or an array thereof, etc. Alternatively, a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism in which a metal layer on which a solder bump can be formed is also provided on the light receiving side surface of a surface light receiving element or an array thereof.
【０００７】また、本発明の請求項３に係る半導体装置
は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置におけ
る入出力光のビーム変換を行う機構を有するものであっ
て、面型発光素子の発光側表面または裏面、あるいは面
型受光素子の受光側表面または裏面に、集光作用を有す
るレンズ状物体を加工または形成するか、もしくはあら
かじめ成形されたレンズ状物体を装着して、光学的信号
の入出力機構を有する半導体装置とするものである。According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a mechanism for performing beam conversion of input / output light in the semiconductor device according to the first or second aspect, and comprising: A lenticular object having a light-condensing action is processed or formed on the light emitting side surface or the back surface of the surface type, or the light receiving side surface or the back surface of the surface type light receiving element, or a preformed lenticular object is mounted on the light receiving side. The semiconductor device has a signal input / output mechanism.
【０００８】また、本発明の請求項４に係る半導体装置
は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半
導体装置の信頼性を向上させる手段であって、面型発光
素子あるいは面型受光素子の少なくとも発光領域、受光
領域を、使用する光の波長に関して透明な材料を用いて
封止した光学的信号の入出力機構を有する半導体装置と
するものである。A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is a means for improving the reliability of the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the semiconductor device is a surface-emitting element or a semiconductor device. A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism in which at least a light emitting region and a light receiving region of a surface light receiving element are sealed with a material transparent with respect to a wavelength of light to be used.
【０００９】また、本発明の請求項５に係る半導体装置
は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半
導体装置からの光学的信号の接続機構を有するものであ
って、光路をおおむね９０度変換することが可能な構造
の光路端部を有する光導波路またはシート状の光導波路
フィルムの上記光路端部を、上記プリント基板等に直接
形成するか、または光ファイバを挟み込んで形成された
光導波路シートに、光路をおおむね９０度変換すること
が可能な構造の光路端部を形成し、該光路端部を、上記
半導体装置の面型光素子の発光部または受光部の直近
（直下近傍）に配設し、上記面型光素子の発光側または
受光側の金属層と、それに対応する位置に形成された、
上記光導波路、シート状の光導波路フィルムまたは光導
波路シートのそれぞれの光路端部上の金属層とを、はん
だバンプ等の手段により、それらを接続して光学的信号
の入出力機構を有する半導体装置とするものである。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a mechanism for connecting an optical signal from the semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects, wherein an optical path is provided. The optical path end of an optical waveguide or a sheet-shaped optical waveguide film having an optical path end of a structure capable of converting the angle by about 90 degrees is formed directly on the printed circuit board or the like, or formed by sandwiching an optical fiber. An optical path end having a structure capable of converting an optical path by approximately 90 degrees is formed on the optical waveguide sheet thus formed, and the optical path end is positioned immediately adjacent to a light emitting portion or a light receiving portion of the surface type optical element of the semiconductor device ( (In the vicinity of immediately below), formed on the metal layer on the light-emitting side or light-receiving side of the surface-type optical element, and at a position corresponding to the metal layer.
A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism by connecting the above-mentioned optical waveguide, sheet-shaped optical waveguide film or metal layer on each optical path end of the optical waveguide sheet with means such as solder bumps It is assumed that.
【００１０】また、本発明の請求項６に係る光学的信号
の入出力機構を有する半導体装置の製造方法は、請求項
１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置を
作製する方法であって、半導体集積回路が作製されたウ
エハのままで、電気的信号および光学的信号を入出力す
るための電極パッドを作製する工程と、上記面型光素子
を搭載する工程と、上記面型光素子の発光側または受光
側の表面もしくは裏面に、集光作用を有するレンズ状物
体を加工または形成するか、もしくはあらかじめ成形さ
れたレンズ状物体を装着する工程と、上記面型光素子の
発光側または受光側の表面の少なくとも発光または受光
領域が、使用する光の波長に関して透明な材料によって
封止する工程と、個別の半導体集積回路に切り分けをす
る工程を含む光学的信号の入出力機構を有する半導体装
置の製造方法とするものである。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism, the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects. A step of producing electrode pads for inputting and outputting electrical signals and optical signals while maintaining the wafer on which the semiconductor integrated circuit is produced; a step of mounting the surface-type optical element; Processing or forming a lens-like object having a light-condensing action on the light-emitting side or light-receiving side of the surface-type light element, or mounting a pre-shaped lens-like object; and Optics including a step of sealing at least a light-emitting or light-receiving region on a light-emitting or light-receiving surface with a material transparent with respect to a wavelength of light to be used, and a step of cutting into individual semiconductor integrated circuits It is an method for manufacturing a semiconductor device having input and output mechanism of the signal.
【００１１】本発明の光学的信号の入出力機構を有する
半導体装置によれば、プリント基板等への電気的信号を
直接接続することを可能とする電極に加えて、半導体装
置からの光学的信号の入出力をも可能とする光学的信号
の入出力機構を有するチップサイズパッケージの半導体
装置が得られるので、チップサイズパッケージを保った
ままで、電気的信号の入出力に加えて、光学的信号の入
出力機構を有する性能に優れた半導体装置を提供するこ
とができ、また、フラットパッケージ側面からファイバ
リボンを介して光学的信号の入出力を行う従来のリード
タイプの半導体装置に代って、小型のパッケージから多
数の光学的信号の入出力を行うことのできる高性能の半
導体装置を実現できる効果がある。また、本発明の半導
体装置は、面型光素子アレイと光導波路とを、はんだバ
ンプを用いて位置合わせして固定するので、プリント基
板の振動や各部品材料の熱膨張係数の差による相対位置
の変動に対して安定な構造となり、これらの光結合系に
与える影響を小さくすることができる効果がある。ま
た、本発明の半導体装置の製造方法によれば、光ファイ
バリボンのコネクタ接続工程や、余長光ファイバの収納
作業といった、従来の並列光モジュールにおいては手作
業に頼らざるを得なかった煩雑な作業工程が全く不要と
なるので、プリント基板への実装工程をすべて自動化す
ることが可能であり、従来技術に比べて、大幅に低コス
ト化・量産化をはかることができる効果がある。According to the semiconductor device having an optical signal input / output mechanism of the present invention, an optical signal from the semiconductor device is provided in addition to an electrode capable of directly connecting an electric signal to a printed circuit board or the like. Since a semiconductor device in a chip size package having an optical signal input / output mechanism capable of inputting / outputting an optical signal can be obtained, in addition to inputting / outputting an electrical signal, the optical signal It is possible to provide a semiconductor device having an input / output mechanism and excellent performance, and to replace a conventional lead type semiconductor device which inputs and outputs optical signals from the side of a flat package via a fiber ribbon, and is compact. This has the effect of realizing a high-performance semiconductor device capable of inputting and outputting a large number of optical signals from this package. Further, in the semiconductor device of the present invention, since the surface-type optical element array and the optical waveguide are aligned and fixed using solder bumps, the relative position due to the vibration of the printed circuit board and the difference in the coefficient of thermal expansion of each component material. And the effect on the optical coupling system can be reduced. Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, complicated operation steps such as a connector connection step of an optical fiber ribbon and a storage operation of an extra-long optical fiber which had to rely on manual work in a conventional parallel optical module. Is completely unnecessary, so that the entire mounting process on the printed circuit board can be automated, and the cost and mass production can be significantly reduced as compared with the related art.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を例
示し、図１〜図５を用いて、さらに詳細に説明する。 〈第１の実施の形態〉図１（ａ）は、本発明の第１の実
施の形態における光学的信号の入出力機構を有する半導
体装置の構造と、プリント基板上における電気的信号お
よび光学的信号の接続を模式的に示す図である。また、
図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＩ−II断面の一部を
拡大して示す図である。この第１の実施の形態における
半導体装置は、半導体集積回路が作製されたＬＳＩチッ
プ１１と、面型発光素子アレイまたは面型受光素子アレ
イ等の面型光素子アレイ１２とを、ＬＳＩチップ１１と
同程度の外形サイズのパッケージ内に収納したチップサ
イズパッケージ構造をしている。ただし、図１（ａ）、
（ｂ）では構成の説明であるために、上記パッケージは
図示していない。面型光素子１２は、面型光素子発光部
１２ｃ、あるいは受光部１２ｄの反対側に、面型光素子
正電極１２ａと、負電極１２ｂを有しており、ＬＳＩチ
ップ１１の周辺部に形成した面型光素子用電極パッド１
１ａへ直接、はんだバンプ１３により接続されている。
また、ＬＳＩチップ１１の中央部にはメタルポスト１１
ｂが形成されており、モールド樹脂１４により覆われて
いる。さらに、メタルポスト１１ｂのＬＳＩチップ１１
側の電極１１ｃの反対側には、プリント基板１７に接続
するための、はんだバンプ１５が形成されている。ここ
で、半導体集積回路への半導体レーザアレイや、受光素
子アレイの搭載は、ウエハから個別の半導体集積回路に
切出した後に、各々に対してハイブリッド実装して行っ
てもよいが、ウエハのままでこれらを搭載し、その後に
個別の半導体集積回路に切り出すようにして製造しても
よく、後者の方が低コストで量産できると考えられる。
面型光素子１２を搭載したＬＳＩチップ１１は、面型光
素子１２を搭載した面をプリント基板１７側に向けて、
はんだバンプ１５がプリント基板１７上の電極パッド１
７ａと対向するように位置合わせされ、はんだリフロー
工程により表面実装される。この半導体装置は、はんだ
バンプ１５をパッケージ下面にアレイ状に配置したエリ
アアレイ構造であるために、パッケージ周辺部からリー
ドを取り出すバタフライ型やＤＩＰ（Dual Inline Pack
age）型等のペリフェラル構造と比べて、同一サイズの
パッケージから、より多数の電気的信号の入出力を行う
ことができる。 このように、小型のパッケージに構成
されるために、パッケージ内の電気配線長が短くなり、
電気配線の帯域制限を受けにくくなり、また、電気配線
で消費する電力の増加を抑えることができる。また、面
型光素子１２の入出力光は、短尺の光ファイバや、ディ
スクリートなマイクロレンズアレイ部品等の光部品を介
さずに、直接パッケージから取り出される。したがっ
て、パッケージ内にアセンブリされる部品点数が少なく
て済み、大幅に工数を削減することができ、さらに、パ
ッケージサイズを大幅に小型化することができる。ま
た、プリント基板１７上には、搭載する半導体装置の光
学的信号の入出力位置に対応して、あらかじめ光導波路
１６を形成している。この光導波路１６の端部１６ｃ
は、面型光素子１２の入出力光に対して４５度の角度を
なすように加工され、ＴＩＲ（Total Internal Reflect
ion）ミラーまたは４５度端面に金属膜等を付着させた
反射ミラーとして上方に位置した面発光素子１２の入出
力光を光導波路１６のコア層１６ａへ９０度の光路変換
をしてから光結合させる役割を有している。このような
光学的信号の入出力機構を有する半導体装置は、半導体
装置のはんだバンプ１５と、プリント基板上の電極１７
ａを位置合わせし、はんだリフロー工程を経ることで、
プリント基板１７へ実装される。この際、面型光素子１
２と光導波路１６とも所定の位置に位置合わせされるた
めに、はんだバンプ１５を介した電気的な接続のみでな
く、光学的な接続も行われる。ただし、面型光素子１２
と光導波路１６とは物理的に接触しないので、パッケー
ジの基板固定は、はんだバンプ１５のみによっている。
また、この光導波路は、同一のプリント基板上に搭載さ
れた複数の半導体装置間を光学的に接続するためにも使
用される。したがって、光ファイバリボンのコネクタ接
続工程や、余長光ファイバの収納作業といった、従来の
並列光モジュールにおいては手作業に頼らざるを得なか
った煩雑な作業が全く不要となるので、プリント基板へ
の実装工程をすべて自動化することができ、従来技術に
比べて、大幅に低コスト化・量産化することが可能とな
る。なお、この光導波路１６は、プリント基板１７上に
直接形成されたものでなくても構わない。例えば、フィ
ルム状のポリマー光導波路や、光ファイバを挟み込んだ
シートを接着、あるいは部分的に固定して作製してもよ
い。後者は、配布線した光ファイバを２枚のシート間に
挟み、接着剤等で固定し、その端部を、上記の光導波路
と同じように４５度ミラー加工することにより容易に作
製できる。プリント基板上における光配線長が長い場合
や、光導波路の減衰が問題となる場合においては、光フ
ァイバを用いた接続方法が優位になると考えられる。ま
た、上記の説明においては、光学的信号の入出力機構を
有する半導体装置を実装する基板として、プリント基板
を挙げていたが、これはガラスエポキシ樹脂基板のよう
な標準的なプリント基板に限定されるのでなく、マルチ
チップ実装に用いられるようなセラミックス基板等も包
含していることは言うまでもない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. <First Embodiment> FIG. 1A shows a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism according to a first embodiment of the present invention, and an electric signal and an optical signal on a printed circuit board. It is a figure which shows the connection of a signal typically. Also,
FIG. 1B is an enlarged view showing a part of a cross section taken along the line I-II in FIG. The semiconductor device according to the first embodiment includes an LSI chip 11 on which a semiconductor integrated circuit is manufactured, and a planar optical element array 12 such as a planar light emitting element array or a planar light receiving element array. It has a chip size package structure housed in a package of similar external size. However, FIG.
In (b), the package is not shown because it is a description of the configuration. The surface type optical element 12 has a surface type optical element positive electrode 12a and a negative electrode 12b on the opposite side of the surface type optical element light emitting portion 12c or the light receiving portion 12d, and is formed around the LSI chip 11. Surface type optical element electrode pad 1
1a is directly connected by a solder bump 13.
A metal post 11 is provided at the center of the LSI chip 11.
b is formed and covered with the mold resin 14. Furthermore, the LSI chip 11 of the metal post 11b
On the opposite side of the side electrode 11c, a solder bump 15 for connection to the printed board 17 is formed. Here, the mounting of the semiconductor laser array and the light receiving element array on the semiconductor integrated circuit may be performed by cutting the wafer into individual semiconductor integrated circuits and then performing hybrid mounting on each of them. These may be mounted and then manufactured by cutting them into individual semiconductor integrated circuits, and it is considered that the latter can be mass-produced at lower cost.
The LSI chip 11 on which the planar optical element 12 is mounted faces the printed circuit board 17 with the surface on which the planar optical element 12 is mounted,
Solder bump 15 is connected to electrode pad 1 on printed circuit board 17
7a and are surface-mounted by a solder reflow process. Since this semiconductor device has an area array structure in which the solder bumps 15 are arranged in an array on the lower surface of the package, a butterfly type or a DIP (Dual Inline Pack) for taking out leads from the periphery of the package is used.
A larger number of electrical signals can be input and output from a package of the same size as compared to a peripheral structure such as an age) type. As described above, the length of the electric wiring in the package is reduced due to the configuration in the small package,
The band of the electric wiring is less likely to be limited, and an increase in power consumed by the electric wiring can be suppressed. The input / output light of the surface-type optical element 12 is directly extracted from the package without passing through short optical fibers or optical components such as discrete microlens array components. Therefore, the number of parts to be assembled in the package can be reduced, and the number of steps can be significantly reduced, and the package size can be significantly reduced. The optical waveguide 16 is formed on the printed board 17 in advance corresponding to the input / output position of the optical signal of the semiconductor device to be mounted. The end 16c of the optical waveguide 16
Is processed so as to form an angle of 45 degrees with respect to the input / output light of the surface-type optical element 12, and TIR (Total Internal Reflection)
ion) A 90-degree optical path conversion of input / output light of the surface emitting element 12 positioned above as a mirror or a reflection mirror having a 45 ° end face with a metal film or the like adhered to the core layer 16a of the optical waveguide 16 and then optical coupling. Has the role of causing A semiconductor device having such an optical signal input / output mechanism includes a solder bump 15 of the semiconductor device and an electrode 17 on a printed circuit board.
By aligning a and going through the solder reflow process,
The printed circuit board 17 is mounted. At this time, the surface type optical element 1
Since both the optical waveguide 2 and the optical waveguide 16 are aligned at predetermined positions, not only an electrical connection via the solder bump 15 but also an optical connection is performed. However, the surface type optical element 12
And the optical waveguide 16 are not in physical contact with each other, so that the package is fixed to the substrate only by the solder bumps 15.
The optical waveguide is also used for optically connecting a plurality of semiconductor devices mounted on the same printed circuit board. Therefore, in the parallel optical module of the related art, such as a connector connecting step of an optical fiber ribbon and a storing operation of an extra length of optical fiber, complicated work which had to rely on manual work is completely unnecessary. Can be fully automated, and the cost and mass production can be significantly reduced as compared with the prior art. The optical waveguide 16 does not have to be formed directly on the printed circuit board 17. For example, it may be produced by bonding or partially fixing a film-shaped polymer optical waveguide or a sheet sandwiching an optical fiber. The latter can be easily manufactured by sandwiching the distributed optical fiber between two sheets, fixing it with an adhesive or the like, and mirror-cutting the end of the optical fiber at 45 degrees in the same manner as the above-described optical waveguide. When the length of the optical wiring on the printed circuit board is long or when attenuation of the optical waveguide becomes a problem, the connection method using an optical fiber is considered to be superior. In the above description, a printed circuit board is used as a substrate on which a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism is mounted, but this is limited to a standard printed circuit board such as a glass epoxy resin substrate. It goes without saying that a ceramic substrate or the like used for multi-chip mounting is also included.
【００１３】また、面型光素子発光部１２ｃ側、あるい
は面型光素子受光部１２ｄ側の表面または裏面に、レン
ズ状の物体を形成することは大きな効果がある。次に、
面型発光素子を搭載したＬＳＩチップを例にとり、その
近傍の縦断面図のみを拡大して示した図２および図３を
用いて説明する。図２は、発光面２２と反対側に正と負
の両電極パッド２３ａ、２３ｂを形成した面型発光素子
２１をＬＳＩチップ１１へ搭載し、発光面２２側の表面
にレンズ状の物体２４を形成した光学的信号の入出力機
構を有する半導体装置を示す。発光面２２から出射した
発散光２５ａは、レンズ状の物体２４によってコリメー
ト光２５ｂに変換される。このようなビーム変換を行う
ことで、面型発光素子２１と、光導波路１６間の距離が
大きい場合においても、高効率に光結合することが可能
となる。このレンズ状の物体２４は、どのような方法で
作製しても構わない。例えば、面型発光素子２１をＬＳ
Ｉチップ１１に搭載した後に、微小量の液体状のポリマ
ー材料を塗布し、続いて、それを硬化させて形成しても
良く、また、球レンズを接着剤等で装着しても良く、あ
るいは、面型発光素子２１を作製する際に、モノリシッ
クに集積化しても構わない。さらに、このレンズ状の物
体２４は、図２に示したような屈折型のマイクロレンズ
だけに限らず、回折型のレンズであっても良い。また、
面型光素子の発光面と反対側にレンズ状物体を形成する
ことも可能である。図３は、発光面３２側に、正と負の
両電極パッド３３ａ、３３ｂと、はんだバンプ１３を形
成した面型発光素子３１を、発光面３２側がＬＳＩチッ
プ１１に向くように搭載した光学的信号の入出力機構を
有する半導体装置を示している。図３では、面型発光素
子３１の基板は、使用波長に対して透明な材料であり、
発光面３２と反対側の表面に回折型のレンズ３４を形成
している。図２と同様に、発光面３２からの発散光３５
ａは、回折型レンズ３４によってコリメート光３５ｂに
変換される。このような回折型レンズ３４は、複数のマ
スクを用いた通常の半導体プロセスによって階段状に近
似した形状を作製できるため、特にモノリシック集積化
が容易である。なお、以上の説明においては、面型光素
子として面型発光素子を対象にしてきたが、面型受光素
子であっても全く同様である。また、面型光素子として
一次元アレイを例に挙げて説明してきたが、平面方向に
縦横に配列された二次元アレイに関しても、光導波路の
多層化などの手段により信号の入出力が可能となる配線
方法を採用することにより、本発明の一応用として実施
可能である。また、上記の説明においては、はんだバン
プ１３は、あらかじめ面型光素子１２上の電極パッドに
形成していたが、これはＬＳＩチップ１１上の電極パッ
ド１１ａに形成しておいても全く構わない。Forming a lens-shaped object on the front or back surface of the surface type optical element light emitting unit 12c or the surface type optical element light receiving unit 12d has a great effect. next,
An LSI chip on which a surface light emitting element is mounted will be described as an example, with reference to FIGS. 2 and 3 which are enlarged longitudinal sectional views of the vicinity thereof. FIG. 2 shows a case where a surface light emitting element 21 having both positive and negative electrode pads 23a and 23b formed on the opposite side to a light emitting surface 22 is mounted on an LSI chip 11, and a lens-shaped object 24 is provided on the surface on the light emitting surface 22 side. 1 shows a semiconductor device having a formed optical signal input / output mechanism. The divergent light 25a emitted from the light emitting surface 22 is converted into the collimated light 25b by the lens-shaped object 24. By performing such beam conversion, even when the distance between the planar light emitting element 21 and the optical waveguide 16 is large, optical coupling can be performed with high efficiency. This lens-shaped object 24 may be manufactured by any method. For example, the surface light emitting element 21 is LS
After mounting on the I-chip 11, a minute amount of a liquid polymer material may be applied and then cured to form the ball, or a spherical lens may be mounted with an adhesive or the like, or When the surface light emitting device 21 is manufactured, it may be monolithically integrated. Further, the lens-shaped object 24 is not limited to a refraction type micro lens as shown in FIG. 2, but may be a diffraction type lens. Also,
It is also possible to form a lenticular object on the side opposite to the light emitting surface of the surface type optical element. FIG. 3 shows an optical device in which both the positive and negative electrode pads 33 a and 33 b and the surface type light emitting element 31 having the solder bumps 13 formed on the light emitting surface 32 are mounted so that the light emitting surface 32 faces the LSI chip 11. 1 illustrates a semiconductor device having a signal input / output mechanism. In FIG. 3, the substrate of the surface light emitting element 31 is made of a material transparent to the wavelength used.
A diffractive lens 34 is formed on the surface opposite to the light emitting surface 32. 2, divergent light 35 from the light emitting surface 32.
a is converted into a collimated light 35b by the diffraction lens 34. Such a diffractive lens 34 can be formed in a step-like shape by a normal semiconductor process using a plurality of masks, and thus monolithic integration is particularly easy. In the above description, the surface-type light emitting device has been described as a surface-type light-emitting device. However, the same applies to a surface-type light-receiving device. In addition, although a one-dimensional array has been described as an example of a planar optical element, a two-dimensional array arranged vertically and horizontally in a plane direction can input and output signals by means such as multilayer optical waveguides. By adopting such a wiring method, the present invention can be implemented as one application of the present invention. Further, in the above description, the solder bumps 13 are formed in advance on the electrode pads on the surface-type optical element 12, but this may be formed on the electrode pads 11a on the LSI chip 11 at all. .
【００１４】また、面型光素子を樹脂封止することも効
果的である。図４は、面型光素子を、使用波長に対して
透明な樹脂によって封止した光学的信号の入出力機構を
有する半導体装置の縦断面の一部を示した図である。面
型光素子４１をＬＳＩチップ１１に搭載した後に、面型
光素子の周囲を封止用樹脂４２で覆っている。このよう
な樹脂封止を施すことで、面型光素子の信頼性を向上さ
せることができ、さらにチップサイズパッケージの取り
扱い性を格段に向上させることができる。上述したレン
ズの形成、樹脂による封止は、半導体レーザアレイや受
光素子アレイの搭載と同様に、ウエハのままの半導体集
積回路に対して行うことができ、一連のこれらの工程の
後に、個別の半導体集積回路に切り分けるようにように
して、本発明の光学的信号の入出力機構を有する半導体
装置を製造することができる。It is also effective to seal the surface type optical element with a resin. FIG. 4 is a view showing a part of a vertical cross section of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism in which a planar optical element is sealed with a resin transparent to a used wavelength. After mounting the planar optical element 41 on the LSI chip 11, the periphery of the planar optical element is covered with a sealing resin. By performing such resin sealing, the reliability of the surface-type optical element can be improved, and the handling of the chip size package can be significantly improved. The formation of the lens and the sealing with the resin described above can be performed on the semiconductor integrated circuit as it is, similarly to the mounting of the semiconductor laser array and the light receiving element array. The semiconductor device having the optical signal input / output mechanism of the present invention can be manufactured in such a manner as to be divided into semiconductor integrated circuits.
【００１５】〈第２の実施の形態〉図５は、本発明に係
る光学的信号の入出力機構を有する半導体装置の構造
と、プリント基板上における電気的信号および光学的信
号の接続系を示す模式図である。図５は、図１（ｂ）と
同様に、半導体装置の縦断面の一部を拡大して示してい
る。この第２の実施の形態における半導体装置は、半導
体集積回路が作製されたＬＳＩチップ１１と、面型発光
素子アレイまたは面型受光素子アレイ等の面型光素子ア
レイ５２とを、ＬＳＩチップ１１と同程度の外形サイズ
のパッケージ内に収めたチップサイズパッケージ構造を
している。面型光素子アレイ５２は、発光面５３ａある
いは受光面５３ｂの反対側に正と負の両電極パッド５４
ａ、５４ｂを有しており、ＬＳＩチップ１１の周辺部に
形成した面型光素子用電極パッド１１ａへ直接、はんだ
バンプ１３により接続されている。さらに、面型光素子
アレイ５２の発光面５３ａあるいは受光面５３ｂ側の表
面にも、金属層５５が形成され、はんだバンプ５６が形
成されている。また、ＬＳＩチップ１１の中央部には、
メタルポスト１１ｂが形成されており、モールド樹脂１
４により覆われている。さらに、メタルポスト１１ｂの
ＬＳＩチップ１１側の電極１１ｃの反対側には、プリン
ト基板１７に接続するためのはんだバンプ１５が形成さ
れている。さらに、この第２の実施の形態では、光導波
路５７の端部５７ｃにおけるクラッド層５７ｂ上面に、
面型光素子アレイ５２の金属層５５、および、はんだバ
ンプ５６と対応するように、金属層５８が形成されてい
る。面型光素子アレイ５２を搭載したＬＳＩチップ１１
は、面型光素子アレイ５２を搭載した面を、プリント基
板１７側に向けて、はんだバンプ１５がプリント基板１
７上の電極パッド１７ａと対向するように位置合わせさ
れ、はんだリフロー工程により表面実装される。その
際、電気的な入出力のためのはんだバンプ１５が溶融し
て、プリント基板１７側の電極パッド１７ａと接続・固
定されると同時に、面型光素子アレイ５２に形成された
はんだバンプ５５も溶融し、光導波路５７と接続・固定
される。このように面型光素子アレイ１２と光導波路２
３とをはんだバンプを用いて位置合わせ、固定すること
により、プリント基板１７の振動や各部品材料の熱膨張
係数の差による相対位置の変動に対して安定な構造とな
り、これらの光結合系に与える影響を小さくすることが
できる効果がある。Second Embodiment FIG. 5 shows a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism according to the present invention, and a connection system for electrical signals and optical signals on a printed circuit board. It is a schematic diagram. FIG. 5 shows a part of a longitudinal section of the semiconductor device in an enlarged manner, similarly to FIG. 1B. The semiconductor device according to the second embodiment includes an LSI chip 11 on which a semiconductor integrated circuit is manufactured, and a planar optical element array 52 such as a planar light emitting element array or a planar light receiving element array. It has a chip-size package structure housed in a package of similar external size. The surface-type optical element array 52 has two positive and negative electrode pads 54 on the opposite side of the light emitting surface 53a or the light receiving surface 53b.
a and 54b, and are directly connected to the surface type optical element electrode pads 11a formed on the periphery of the LSI chip 11 by the solder bumps 13. Further, a metal layer 55 is formed on the surface on the light emitting surface 53a or the light receiving surface 53b side of the surface type optical element array 52, and solder bumps 56 are formed. In the central part of the LSI chip 11,
The metal post 11b is formed and the molding resin 1
4. Further, a solder bump 15 for connecting to a printed board 17 is formed on the metal post 11b on the side opposite to the electrode 11c on the LSI chip 11 side. Further, in the second embodiment, on the upper surface of the cladding layer 57b at the end 57c of the optical waveguide 57,
A metal layer 58 is formed so as to correspond to the metal layer 55 of the surface-type optical element array 52 and the solder bump 56. LSI chip 11 mounted with planar optical element array 52
With the surface on which the planar optical element array 52 is mounted facing the printed circuit board 17, the solder bumps 15
7 and are surface-mounted by a solder reflow process. At this time, the solder bumps 15 for electrical input / output are melted and connected and fixed to the electrode pads 17a on the printed circuit board 17 side, and at the same time, the solder bumps 55 formed on the surface-type optical element array 52 are also melted. It melts and is connected and fixed to the optical waveguide 57. As described above, the planar optical element array 12 and the optical waveguide 2
3 is fixed using solder bumps and fixed, so that the structure becomes stable with respect to the vibration of the printed circuit board 17 and the relative position fluctuation due to the difference in the coefficient of thermal expansion of each component material. There is an effect that the influence can be reduced.
【００１６】[0016]
【発明の効果】本発明の光学的信号の入出力機構を有す
る半導体装置によれば、プリント基板等への電気的信号
を直接接続することを可能とする電極に加えて、半導体
装置からの光学的信号の入出力をも可能とする光学的信
号の入出力機構を有するチップサイズパッケージの半導
体装置が得られるので、チップサイズパッケージを保っ
たままで、電気的信号の入出力に加えて、光学的信号の
入出力機構を有する性能に優れた半導体装置を提供する
ことができ、また、フラットパッケージ側面からファイ
バリボンを介して光学的信号の入出力を行う従来のリー
ドタイプの半導体装置に代って、小型のパッケージから
多数の光学的信号の入出力を行うことのできる高性能の
半導体装置を実現できる効果がある。また、本発明の半
導体装置は、面型光素子アレイと光導波路とを、はんだ
バンプを用いて位置合わせして固定するので、プリント
基板の振動や各部品材料の熱膨張係数の差による相対位
置の変動に対して安定な構造となり、これらの光結合系
に与える影響を小さくすることができる効果がある。ま
た、本発明の半導体装置の製造方法によれば、光ファイ
バリボンのコネクタ接続工程や、余長光ファイバの収納
作業といった、従来の並列光モジュールにおいては手作
業に頼らざるを得なかった煩雑な作業工程が全く不要と
なるので、プリント基板への実装工程をすべて自動化す
ることが可能であり、従来技術に比べて、大幅に低コス
ト化・量産化をはかることができる効果がある。According to the semiconductor device having the optical signal input / output mechanism of the present invention, in addition to the electrodes enabling direct connection of electric signals to a printed circuit board or the like, optical signals from the semiconductor device can be obtained. A chip-size package semiconductor device having an optical signal input / output mechanism that can also input and output an optical signal can be obtained. It is possible to provide a high performance semiconductor device having a signal input / output mechanism, and to replace a conventional lead type semiconductor device which inputs / outputs an optical signal via a fiber ribbon from the side of a flat package. In addition, there is an effect that a high-performance semiconductor device capable of inputting and outputting a large number of optical signals from a small package can be realized. Further, in the semiconductor device of the present invention, since the surface-type optical element array and the optical waveguide are aligned and fixed using solder bumps, the relative position due to the vibration of the printed circuit board and the difference in the coefficient of thermal expansion of each component material. And the effect on the optical coupling system can be reduced. Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, complicated operation steps such as a connector connection step of an optical fiber ribbon and a storage operation of an extra-long optical fiber which had to rely on manual work in a conventional parallel optical module. Is completely unnecessary, so that the entire mounting process on the printed circuit board can be automated, and the cost and mass production can be significantly reduced as compared with the related art.
【図１】本発明の第１の実施の形態で例示した光学的信
号の入出力機構を有する半導体装置の構造を示す模式
図。FIG. 1 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism exemplified in a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１の実施の形態で例示した発光面と
反対側に正と負の両電極パッドを形成した面型発光素子
の構造を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a surface light emitting device having both positive and negative electrode pads formed on the side opposite to the light emitting surface exemplified in the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第１の実施の形態で例示した発光面側
に正と負の両電極パッドとはんだバンプを形成した面型
発光素子の構造を示す模式図。FIG. 3 is a schematic view showing a structure of a surface light emitting device in which both positive and negative electrode pads and solder bumps are formed on a light emitting surface illustrated in the first embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第１の実施の形態で例示した面型光素
子を使用波長に対して透明な樹脂で封止した光学的信号
の入出力機構を有する半導体装置の構造を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism in which the surface optical element exemplified in the first embodiment of the present invention is sealed with a resin transparent to a used wavelength; .
【図５】本発明の第２の実施の形態で例示した光学的信
号の入出力機構を有する半導体装置の構造とプリント基
板上における電気的信号と光学的信号の接続系を示す模
式図。FIG. 5 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism exemplified in a second embodiment of the present invention and a connection system between an electric signal and an optical signal on a printed circuit board.
【図６】従来のパッケージ型半導体装置の構造を模式的
に示した第１の従来例。FIG. 6 is a first conventional example schematically showing the structure of a conventional package type semiconductor device.
【図７】従来の光学的信号の入出力機構を有する半導体
装置の構造を模式的に示した第２の従来例。FIG. 7 is a second conventional example schematically showing the structure of a conventional semiconductor device having an optical signal input / output mechanism.
１１…ＬＳＩチップ １１ａ…面型光素子用電極パッド １１ｂ…メタルポスト １１ｃ…電極 １２…面型光素子アレイ １２ａ…面型光素子正電極 １２ｂ…面型光素子負電極 １２ｃ…面型光素子発光部 １２ｄ…面型光素子受光部 １３…はんだバンプ １４…モールド樹脂 １５…はんだバンプ １６…光導波路 １６ａ…コア層 １６ｂ…クラッド層 １６ｃ…端部 １７…プリント基板 １７ａ…電極パッド １８…電気配線層 ２１…面型発光素子 ２２…発光面 ２３ａ…電極パッド（正） ２３ｂ…電極パッド（負） ２４…レンズ状の物体 ２５ａ…発散光 ２５ｂ…コリメート光 ３１…面型発光素子 ３２…発光面 ３３ａ…電極パッド（正） ３３ｂ…電極パッド（負） ３４…回折型レンズ ３５ａ…発散光 ３５ｂ…コリメート光 ３６…面型発光素子裏面 ４１…面型光素子 ４２…封止用樹脂 ５２…面型光素子アレイ ５３ａ…発光面 ５３ｂ…受光面 ５４ａ…電極パッド（正） ５４ｂ…電極パッド（負） ５５…金属層 ５６…はんだバンプ ５７…光導波路 ５７ａ…コア層 ５７ｂ…クラッド層 ５７ｃ…端部 ５８…金属層 ６１…半導体集積回路 ６２…パッケージ（チップサイズパッケージ） ６３…電気端子 ６４…プリント基板 ６５…キャリア基板 ７１…半導体集積回路 ７２…電子部品類 ７３…半導体レーザアレイ ７４…受光素子アレイ ７５…モジュール基板 ７６…光ファイバリボン ７７…マイクロレンズアレイ ７８…短尺光ファイバ ７９…光ファイバコネクタレセプタクル ８０…光ファイバコネクタプラグ ８１…プリント基板 ８２…リード DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... LSI chip 11a ... Electrode pad for surface type optical element 11b ... Metal post 11c ... Electrode 12 ... Surface type optical element array 12a ... Surface type optical element positive electrode 12b ... Surface type optical element negative electrode 12c ... Surface type optical element light emission Part 12d Surface light-receiving element 13 Solder bump 14 Mold resin 15 Solder bump 16 Optical waveguide 16a Core layer 16b Cladding layer 16c Edge 17 Printed board 17a Electrode pad 18 Electrical wiring layer DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Surface light emitting element 22 ... Light emitting surface 23a ... Electrode pad (positive) 23b ... Electrode pad (negative) 24 ... Lens-shaped object 25a ... Divergent light 25b ... Collimated light 31 ... Surface light emitting element 32 ... Light emitting surface 33a ... Electrode pad (positive) 33b ... Electrode pad (negative) 34 ... Diffraction lens 35a ... Diverging light 35b ... Collimated light 36 ... Back of surface light emitting element Reference Signs List 41 surface optical element 42 sealing resin 52 surface optical element array 53a light emitting surface 53b light receiving surface 54a electrode pad (positive) 54b electrode pad (negative) 55 metal layer 56 solder bump 57 ... Optical waveguide 57a ... Core layer 57b ... Clad layer 57c ... End 58 ... Metal layer 61 ... Semiconductor integrated circuit 62 ... Package (chip size package) 63 ... Electrical terminal 64 ... Printed board 65 ... Carrier substrate 71 ... Semiconductor integrated circuit 72 ... Electronic parts 73 ... Semiconductor laser array 74 ... Light receiving element array 75 ... Module board 76 ... Optical fiber ribbon 77 ... Micro lens array 78 ... Short optical fiber 79 ... Optical fiber connector receptacle 80 ... Optical fiber connector plug 81 ... Printed circuit board 82 … Lead
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H047 KA02 KA15 KB09 MA07 RA00 TA01 3K007 AB18 BB01 CC05 FA02 5F041 AA47 CA12 CB22 DA03 DA09 DA20 DA43 EE01 EE11 EE17 EE23 EE25 FF14 FF16 5F088 BA15 BB01 BB10 EA02 JA01 JA09 JA12 JA14 JA20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2H047 KA02 KA15 KB09 MA07 RA00 TA01 3K007 AB18 BB01 CC05 FA02 5F041 AA47 CA12 CB22 DA03 DA09 DA20 DA43 EE01 EE11 EE17 EE23 EE25 FF14 FF16 5F088 BA15 JA12 JA12 JA12 JA12 JA12
Claims (6)
的信号の接続が可能な電極を有し、上記半導体集積回路
を構成している素子表面は樹脂材料によって保護され、
該半導体集積回路は、それ自体でプリント基板に搭載可
能なチップサイズパッケージ構造を有する半導体装置で
あって、上記半導体集積回路の周辺部に、発光面の反対
側に正と負の両電極を有する面発光型レーザ、発光ダイ
オードまたはそれらのアレイを備え、受光面の反対側に
正と負の両電極を有する面型受光素子またはそのアレイ
を備えた面型光素子を、該面型光素子の電極面を下にし
てはんだ付け手段により接続され、上記プリント基板へ
の電気的信号の接続を可能とする電極に加えて、上記半
導体装置の光学的信号の入出力をも可能とする光学的信
号の入出力手段を接続してなることを特徴とする光学的
信号の入出力機構を有する半導体装置。A semiconductor integrated circuit having an electrode capable of connecting an electric signal to a printed circuit board; an element surface of the semiconductor integrated circuit is protected by a resin material;
The semiconductor integrated circuit is a semiconductor device having a chip size package structure that can be mounted on a printed circuit board by itself, and has both positive and negative electrodes on a side opposite to a light emitting surface in a peripheral portion of the semiconductor integrated circuit. A surface emitting laser, a light emitting diode or an array thereof, and a surface light receiving element having both positive and negative electrodes on the opposite side of the light receiving surface or a surface optical element having the array thereof, An optical signal that is connected by soldering means with the electrode surface facing down and that enables the input and output of optical signals of the semiconductor device in addition to the electrodes that enable connection of electrical signals to the printed circuit board A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism, wherein the input / output means is connected.
は、はんだバンプによる接続手段であり、面型光素子の
発光側または受光側の表面にも、はんだバンプを形成可
能とする金属層を有することを特徴とする光学的信号の
入出力機構を有する半導体装置。2. The soldering means according to claim 1, wherein said soldering means is a connection means using a solder bump, and has a metal layer on a light emitting side or a light receiving side of the surface type optical element on which a solder bump can be formed. A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism.
型光素子の発光側または受光側の表面もしくは裏面に、
集光作用を有するレンズ状物体を加工または形成する
か、もしくはあらかじめ成形したレンズ状物体を装着し
てなることを特徴とする光学的信号の入出力機構を有す
る半導体装置。3. The surface-type optical element according to claim 1, wherein the light-emitting side or the light-receiving side of the surface-type optical element has
A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism characterized by processing or forming a lens-shaped object having a light-condensing action or mounting a lens-shaped object formed in advance.
おいて、上記面型光素子の発光側または受光側の表面の
少なくとも発光または受光領域が、使用する光の波長に
関して透明な材料によって封止してなることを特徴とす
る光学的信号の入出力機構を有する半導体装置。4. The surface-type optical element according to claim 1, wherein at least a light-emitting or light-receiving region on a light-emitting side or a light-receiving side of the surface-type optical element is made of a material transparent with respect to a wavelength of light to be used. A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism characterized by being sealed.
記載の光学的信号の入出力機構を有する半導体装置から
の光学的信号の接続において、光路をおおむね９０度変
換することが可能な構造の光路端部を有する光導波路ま
たはシート状の光導波路フィルムをプリント基板に配設
するか、または光路をおおむね９０度変換することが可
能な構造の光路端部を有する光ファイバを挟み込んで形
成されたシートを、上記半導体装置の面型光素子の発光
部または受光部の直近に配設し、上記面型光素子の発光
側または受光側の表面の金属層と、それと対応する位置
に形成された上記光導波路、シート状の光導波路フィル
ムまたは光ファイバを挟み込んで形成されたシートの上
の金属層とを、はんだバンプの手段により接続してなる
ことを特徴とする光学的信号の入出力機構を有する半導
体装置。5. In connecting an optical signal from a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism according to any one of claims 1 to 4, an optical path can be converted by approximately 90 degrees. An optical waveguide having an optical path end having a simple structure or a sheet-shaped optical waveguide film is disposed on a printed circuit board, or an optical fiber having an optical path end having a structure capable of converting an optical path by approximately 90 degrees is sandwiched. The formed sheet is disposed in the vicinity of the light emitting portion or the light receiving portion of the surface type optical element of the semiconductor device, and the metal layer on the light emitting side or the light receiving side of the surface type optical element and the position corresponding to the metal layer. The formed optical waveguide, a sheet-shaped optical waveguide film or a metal layer on a sheet formed by sandwiching an optical fiber, is connected by means of solder bumps. A semiconductor device having input and output mechanism of the biological signal.
記載の光学的信号の入出力機構を有する半導体装置の製
造方法であって、 半導体集積回路が作製されたウエハのままで、電気的信
号および光学的信号を入出力するための電極パッドを作
製する工程と、 上記面型光素子を搭載する工程と、 上記面型光素子の発光側または受光側の表面もしくは裏
面に、集光作用を有するレンズ状物体を加工または形成
するか、もしくはあらかじめ成形されたレンズ状物体を
装着する工程と、 上記面型光素子の発光側または受光側の表面の少なくと
も発光または受光領域が、使用する光の波長に関して透
明な材料によって封止する工程と、 個別の半導体集積回路に切り分けをする工程を含むこと
を特徴とする光学的信号の入出力機構を有する半導体装
置の製造方法。6. A method for manufacturing a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism according to claim 1, wherein the semiconductor integrated circuit is manufactured on a wafer as it is. Forming an electrode pad for inputting and outputting an electrical signal and an optical signal; mounting the surface-type optical element; and collecting light on a light-emitting side or a light-receiving side of the surface-type optical element. Processing or forming a lenticular object having an optical effect, or mounting a preformed lenticular object, wherein at least the light emitting or light receiving area of the light emitting side or light receiving side surface of the surface type optical element is used. A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism, comprising: a step of sealing with a transparent material with respect to the wavelength of light to be emitted; and a step of cutting into individual semiconductor integrated circuits. Manufacturing method.
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