JP2001185752A - 半導体装置とそれを用いた光信号入出力装置 - Google Patents
半導体装置とそれを用いた光信号入出力装置Info
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- H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
- H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
Abstract
(57)【要約】
【課題】チップサイズパッケージの形態を維持し、多数
の光信号の入出力を可能とする高性能の光信号入出力装
置を提供すること。 【解決手段】半導体集積回路を有するLSIチップ11
と、面発光素子を二次元配列させて構成した面発光素子
アレイ12aと、面受光素子を二次元配列させて構成し
た面受光素子アレイ12bとを内蔵するパッケージ構造
10をプリント基板20に実装し、出力側多層光導波路
21aを面発光素子アレイ12aに、入力側多層光導波
路21bを面受光素子アレイ12bに、それぞれ、光学
的に結合し、入力側多層光導波路21bからの入力光信
号を面受光素子アレイ12bによって電気信号に変換し
て前記半導体集積回路に入力し、前記半導体集積回路が
出力する出力電気信号を面発光素子アレイ12aによっ
て出力光信号に変換して出力側多層光導波路21aに導
く構成の光信号入出力装置を構成する。
の光信号の入出力を可能とする高性能の光信号入出力装
置を提供すること。 【解決手段】半導体集積回路を有するLSIチップ11
と、面発光素子を二次元配列させて構成した面発光素子
アレイ12aと、面受光素子を二次元配列させて構成し
た面受光素子アレイ12bとを内蔵するパッケージ構造
10をプリント基板20に実装し、出力側多層光導波路
21aを面発光素子アレイ12aに、入力側多層光導波
路21bを面受光素子アレイ12bに、それぞれ、光学
的に結合し、入力側多層光導波路21bからの入力光信
号を面受光素子アレイ12bによって電気信号に変換し
て前記半導体集積回路に入力し、前記半導体集積回路が
出力する出力電気信号を面発光素子アレイ12aによっ
て出力光信号に変換して出力側多層光導波路21aに導
く構成の光信号入出力装置を構成する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信技術におい
て使用される、半導体装置とそれを用いた光信号入出力
装置に関し、特に、多数の光信号の処理を可能とする半
導体装置とそれを用いた光信号入出力装置に関する。
て使用される、半導体装置とそれを用いた光信号入出力
装置に関し、特に、多数の光信号の処理を可能とする半
導体装置とそれを用いた光信号入出力装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光通信技術においては、光信号を受信
し、波形整形、増幅等の処理を施した後、光信号として
再送する機能を有する中継器が使用されている。このよ
うな例を含めて、光通信技術においては、光信号を受信
し発信する光信号入出力装置が必要不可欠となってい
る。
し、波形整形、増幅等の処理を施した後、光信号として
再送する機能を有する中継器が使用されている。このよ
うな例を含めて、光通信技術においては、光信号を受信
し発信する光信号入出力装置が必要不可欠となってい
る。
【0003】図4は、そのような光信号入出力装置の従
来の発明例(特願平11−138605号にて開示)を
示すものである。図中、光信号入出力装置を斜視図によ
って模式的に示す。
来の発明例(特願平11−138605号にて開示)を
示すものである。図中、光信号入出力装置を斜視図によ
って模式的に示す。
【0004】この従来の技術は、図4に示したように、
半導体集積回路を内蔵するLSIチップ51と、プリン
ト基板55上の電気配線58との電気的接続を可能にす
るはんだバンプ56を形成している。また、LSIチッ
プ51に、面発光素子を一次元配列させて(すなわち一
列に並べて)構成した面発光素子アレイ52と、面受光
素子を同じように配列させて構成した面受光素子アレイ
53とをはんだバンプ57等の電気的接続手段により接
続し、光信号の入出力機能を有する半導体装置を構成す
る。このような光信号入出力装置において、面発光素子
アレイ52及び面受光素子アレイ53と、プリント基板
55上に設けた光導波路54との間を、光信号のやりと
りが可能となるように、光学的に結合している。このよ
うにして、電気的信号の入出力機構のみならず、光信号
の入出力機構をも有する光信号入出力装置が構成され
る。
半導体集積回路を内蔵するLSIチップ51と、プリン
ト基板55上の電気配線58との電気的接続を可能にす
るはんだバンプ56を形成している。また、LSIチッ
プ51に、面発光素子を一次元配列させて(すなわち一
列に並べて)構成した面発光素子アレイ52と、面受光
素子を同じように配列させて構成した面受光素子アレイ
53とをはんだバンプ57等の電気的接続手段により接
続し、光信号の入出力機能を有する半導体装置を構成す
る。このような光信号入出力装置において、面発光素子
アレイ52及び面受光素子アレイ53と、プリント基板
55上に設けた光導波路54との間を、光信号のやりと
りが可能となるように、光学的に結合している。このよ
うにして、電気的信号の入出力機構のみならず、光信号
の入出力機構をも有する光信号入出力装置が構成され
る。
【0005】LSIチップ51と面発光素子アレイ52
と面受光素子アレイ53とは、LSIチップ51とほぼ
同じ大きさのパッケージに収めることができるチップサ
イズパッケージ(CSP:Chip Size Package)と呼ば
れる手法によってパッケージされ、光信号の入出力機能
を有する半導体装置を構成する。CSP構造は、特に小
型高密度実装が要求されるハイエンド機器や通信装置等
において需要の高いパッケージ構造である。
と面受光素子アレイ53とは、LSIチップ51とほぼ
同じ大きさのパッケージに収めることができるチップサ
イズパッケージ(CSP:Chip Size Package)と呼ば
れる手法によってパッケージされ、光信号の入出力機能
を有する半導体装置を構成する。CSP構造は、特に小
型高密度実装が要求されるハイエンド機器や通信装置等
において需要の高いパッケージ構造である。
【0006】LSIチップ51とプリント基板55上の
電気配線58との電気的接続ははんだバンプ56でなさ
れるが、はんだバンプ56をパッケージ下面において二
次元アレイ状に面的に配置することによって、多数の電
気的信号の入出力を小型のパッケージ形状を保ったまま
で可能にすることができる。このようなパッケージはボ
ールグリッドアレイ(BGA:Ball Grid Array)パッ
ケージと呼ばれる。また、電気信号の入出力数が少ない
場合には、パッケージ周辺にリード状の電気端子を有す
るクアッドフラットパッケージ(QFP:Quad Flat Pa
ckage)構造が低コストで作製でき、便利である。BG
Aパッケージ構造もQFP構造も、ともに、プリント基
板上に、表面実装技術によって搭載され、低コストにア
センブリすることが可能である点が共通の特徴である。
特に、BGAパッケージ構造の場合には、はんだバンプ
による接続であるため、溶融したはんだのセルフアライ
ン効果により高精度に位置決めすることができ、このこ
とが、この表面実装技術がもつユニークな特徴となって
いる。
電気配線58との電気的接続ははんだバンプ56でなさ
れるが、はんだバンプ56をパッケージ下面において二
次元アレイ状に面的に配置することによって、多数の電
気的信号の入出力を小型のパッケージ形状を保ったまま
で可能にすることができる。このようなパッケージはボ
ールグリッドアレイ(BGA:Ball Grid Array)パッ
ケージと呼ばれる。また、電気信号の入出力数が少ない
場合には、パッケージ周辺にリード状の電気端子を有す
るクアッドフラットパッケージ(QFP:Quad Flat Pa
ckage)構造が低コストで作製でき、便利である。BG
Aパッケージ構造もQFP構造も、ともに、プリント基
板上に、表面実装技術によって搭載され、低コストにア
センブリすることが可能である点が共通の特徴である。
特に、BGAパッケージ構造の場合には、はんだバンプ
による接続であるため、溶融したはんだのセルフアライ
ン効果により高精度に位置決めすることができ、このこ
とが、この表面実装技術がもつユニークな特徴となって
いる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来の技術で
は、光信号の入出力を行う光素子(面発光素子アレイ5
2内の面発光素子と面受光素子アレイ53内の面受光素
子)は、半導体集積回路の周辺部に一次元アレイ状(す
なわち一列)に配備されており、この半導体装置の光入
出力は、発光側、受光側で各々一次元アレイであった。
したがって、光信号数を増やすためには、各々のアレイ
を長手方向に伸ばすしかなく、ひいてはパッケージサイ
ズが大きくなってしまう。これは、プリント基板55へ
面的に信号の入出力が行えるがために小型化を容易に実
現できるBGAパッケージ構造(ないしはCSP構造)
のメリットを活かしていないことを意味している。
は、光信号の入出力を行う光素子(面発光素子アレイ5
2内の面発光素子と面受光素子アレイ53内の面受光素
子)は、半導体集積回路の周辺部に一次元アレイ状(す
なわち一列)に配備されており、この半導体装置の光入
出力は、発光側、受光側で各々一次元アレイであった。
したがって、光信号数を増やすためには、各々のアレイ
を長手方向に伸ばすしかなく、ひいてはパッケージサイ
ズが大きくなってしまう。これは、プリント基板55へ
面的に信号の入出力が行えるがために小型化を容易に実
現できるBGAパッケージ構造(ないしはCSP構造)
のメリットを活かしていないことを意味している。
【0008】このように、上述の従来の技術例において
は、光信号の入出力機構を有する半導体装置は、一次元
アレイ状の信号入出力のみを行うことができ、光信号数
の増加のためには、パッケージの一辺の長さを大きくせ
ざるを得ず、小型パッケージの形状を保てないという問
題を抱えていた。
は、光信号の入出力機構を有する半導体装置は、一次元
アレイ状の信号入出力のみを行うことができ、光信号数
の増加のためには、パッケージの一辺の長さを大きくせ
ざるを得ず、小型パッケージの形状を保てないという問
題を抱えていた。
【0009】本発明は、上述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、光信号数
が増加しても、チップサイズパッケージの形態を維持し
たまま、電気信号入出力に加えて、多数の光信号の入出
力も行うことのできる高性能の半導体装置を構成し、そ
の半導体装置を用いた高性能の光信号入出力装置を提供
することにある。
れたものであって、その目的とするところは、光信号数
が増加しても、チップサイズパッケージの形態を維持し
たまま、電気信号入出力に加えて、多数の光信号の入出
力も行うことのできる高性能の半導体装置を構成し、そ
の半導体装置を用いた高性能の光信号入出力装置を提供
することにある。
【0010】
【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、本発明は、請求項1に記載したように、1
つのパッケージ内に、半導体集積回路と、面発光素子を
二次元配列させて構成した面発光素子アレイと、面受光
素子を二次元配列させて構成した面受光素子アレイと、
該面発光素子と該面受光素子とを該半導体集積回路に電
気的に接続する接続導体とを有することを特徴とする半
導体装置を構成する。
するために、本発明は、請求項1に記載したように、1
つのパッケージ内に、半導体集積回路と、面発光素子を
二次元配列させて構成した面発光素子アレイと、面受光
素子を二次元配列させて構成した面受光素子アレイと、
該面発光素子と該面受光素子とを該半導体集積回路に電
気的に接続する接続導体とを有することを特徴とする半
導体装置を構成する。
【0011】また、本発明は、請求項2に記載したよう
に、電気配線と、入力光信号を導く入力側多層光導波路
と、出力光信号を導く出力側多層光導波路とを設けた基
板と、該電気配線と電気的に接続する請求項1に記載の
半導体装置とを少なくとも備えた光信号入出力装置であ
って、該入力側多層光導波路が前記面受光素子アレイと
光学的に結合し、該出力側多層光導波路が前記面発光素
子アレイと光学的に結合している構成を有することを特
徴とする光信号入出力装置を構成する。
に、電気配線と、入力光信号を導く入力側多層光導波路
と、出力光信号を導く出力側多層光導波路とを設けた基
板と、該電気配線と電気的に接続する請求項1に記載の
半導体装置とを少なくとも備えた光信号入出力装置であ
って、該入力側多層光導波路が前記面受光素子アレイと
光学的に結合し、該出力側多層光導波路が前記面発光素
子アレイと光学的に結合している構成を有することを特
徴とする光信号入出力装置を構成する。
【0012】また、本発明は、請求項3に記載したよう
に、前記入力側多層光導波路の端部が入力信号光を前記
面受光素子の方向に向けて方向変換する反射面を有し、
前記出力側多層光導波路の端部が前記面発光素子が発す
る出力信号光を該出力側多層光導波路の導波方向に向け
て方向変換する反射面を有することを特徴とする請求項
2に記載の光信号入出力装置を構成する。
に、前記入力側多層光導波路の端部が入力信号光を前記
面受光素子の方向に向けて方向変換する反射面を有し、
前記出力側多層光導波路の端部が前記面発光素子が発す
る出力信号光を該出力側多層光導波路の導波方向に向け
て方向変換する反射面を有することを特徴とする請求項
2に記載の光信号入出力装置を構成する。
【0013】また、本発明は、請求項4に記載したよう
に、前記入力側多層光導波路又は前記出力側多層光導波
路が、複数の光導波路を有する光導波路シートを積層し
てなるか、又は複数の光ファイバを有する光導波路シー
トを積層してなることを特徴とする請求項2又は3に記
載の光信号入出力装置を構成する。
に、前記入力側多層光導波路又は前記出力側多層光導波
路が、複数の光導波路を有する光導波路シートを積層し
てなるか、又は複数の光ファイバを有する光導波路シー
トを積層してなることを特徴とする請求項2又は3に記
載の光信号入出力装置を構成する。
【0014】また、本発明は、請求項5に記載したよう
に、前記面発光素子から前記出力側多層光導波路に至る
前記出力信号光の光路中又は前記入力側多層光導波路か
ら前記面受光素子に至る前記入力信号光の光路中にマイ
クロレンズを有することを特徴とする請求項2、3又は
4に記載の光信号入出力装置を構成する。
に、前記面発光素子から前記出力側多層光導波路に至る
前記出力信号光の光路中又は前記入力側多層光導波路か
ら前記面受光素子に至る前記入力信号光の光路中にマイ
クロレンズを有することを特徴とする請求項2、3又は
4に記載の光信号入出力装置を構成する。
【0015】また、本発明は、請求項6に記載したよう
に、前記マイクロレンズの焦点距離及び直径が、該マイ
クロレンズから該マイクロレンズに対応する前記出力側
多層光導波路又は前記入力側光導波路のコアに至る光路
長に応じて定められていることを特徴とする請求項5に
記載の光信号入出力装置を構成する。
に、前記マイクロレンズの焦点距離及び直径が、該マイ
クロレンズから該マイクロレンズに対応する前記出力側
多層光導波路又は前記入力側光導波路のコアに至る光路
長に応じて定められていることを特徴とする請求項5に
記載の光信号入出力装置を構成する。
【0016】本発明に係る半導体装置とそれを用いた光
信号入出力装置においては、電気信号の入出力に加え
て、二次元アレイ(配列)状に配列した面発光素子と面
受光素子とによる多数の光信号の入出力も可能となるの
で、本発明の実施によって、チップサイズパッケージ構
造を維持したままで、多数の光信号の入出力機構を有す
る性能に優れた光信号入出力装置を提供することができ
る。
信号入出力装置においては、電気信号の入出力に加え
て、二次元アレイ(配列)状に配列した面発光素子と面
受光素子とによる多数の光信号の入出力も可能となるの
で、本発明の実施によって、チップサイズパッケージ構
造を維持したままで、多数の光信号の入出力機構を有す
る性能に優れた光信号入出力装置を提供することができ
る。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に、図1〜図3を用いて、本
発明の実施の形態を例示し、さらに詳細に説明する。
発明の実施の形態を例示し、さらに詳細に説明する。
【0018】〔第1の実施の形態〕図1は、本発明の第
1の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す
図である。
1の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す
図である。
【0019】本実施の形態において、半導体集積回路を
有するLSIチップ11と、面発光素子を二次元配列さ
せて構成した面発光素子アレイ12aと、面受光素子を
二次元配列させて構成した面受光素子アレイ12bと
を、LSIチップ11より若干大きい程度の外形サイズ
のパッケージ内に収納して、光信号の入出力機能を有す
る半導体装置を構成している。そのパッケージは、はん
だバンプ15を介してプリント基板20(MCM基板を
含む)に実装されて、TBGA(Tape Ball GridArra
y)パッケージ構造10を形成している。
有するLSIチップ11と、面発光素子を二次元配列さ
せて構成した面発光素子アレイ12aと、面受光素子を
二次元配列させて構成した面受光素子アレイ12bと
を、LSIチップ11より若干大きい程度の外形サイズ
のパッケージ内に収納して、光信号の入出力機能を有す
る半導体装置を構成している。そのパッケージは、はん
だバンプ15を介してプリント基板20(MCM基板を
含む)に実装されて、TBGA(Tape Ball GridArra
y)パッケージ構造10を形成している。
【0020】面発光素子アレイ12aと面受光素子アレ
イ12bとにおいては、面発光素子あるいは面受光素子
が、それぞれ、二次元配列(図1において、左右方向に
複数個、奥行き方向に複数個が配列)している。このよ
うに、本発明においては、二次元配列した光素子を用い
ているので、一次元配列した光素子を用いる従来技術に
比べて、入出力処理可能な光信号数を飛躍的に大きくす
ることができる。面発光素子アレイ12aと面受光素子
アレイ12bとは、それぞれの光入出力面12c(符号
「12c」によって面発光素子アレイ12aの光出力面
のみを示す)がプリント基板20側を向くように、LS
Iチップ11上に、はんだバンプ13によって固定され
ている。また、それによって、面発光素子アレイ12a
の面発光素子と面受光素子アレイ12bの面受光素子と
は、はんだバンプ13を介して、LSIチップ11の半
導体集積回路と電気的に接続される。すなわち、はんだ
バンプ13は、面発光素子アレイ12aの面発光素子と
面受光素子アレイ12bの面受光素子とを該半導体集積
回路に電気的に接続する接続導体となっている。
イ12bとにおいては、面発光素子あるいは面受光素子
が、それぞれ、二次元配列(図1において、左右方向に
複数個、奥行き方向に複数個が配列)している。このよ
うに、本発明においては、二次元配列した光素子を用い
ているので、一次元配列した光素子を用いる従来技術に
比べて、入出力処理可能な光信号数を飛躍的に大きくす
ることができる。面発光素子アレイ12aと面受光素子
アレイ12bとは、それぞれの光入出力面12c(符号
「12c」によって面発光素子アレイ12aの光出力面
のみを示す)がプリント基板20側を向くように、LS
Iチップ11上に、はんだバンプ13によって固定され
ている。また、それによって、面発光素子アレイ12a
の面発光素子と面受光素子アレイ12bの面受光素子と
は、はんだバンプ13を介して、LSIチップ11の半
導体集積回路と電気的に接続される。すなわち、はんだ
バンプ13は、面発光素子アレイ12aの面発光素子と
面受光素子アレイ12bの面受光素子とを該半導体集積
回路に電気的に接続する接続導体となっている。
【0021】さらにLSIチップ11は、テープ状のキ
ャリア14aに電気的及び構造的に接続されている。テ
ープキャリア14aには電気配線層14cが形成されて
おり、プリント基板20との電気接続に適した端子ピッ
チになるよう展開されている。LSIチップ11とプリ
ント基板20との接続の間に介在する部材(本実施の形
態においては、テープキャリア14aと電気配線層14
cと補強材14dとヒートスプレッダー14e)は全体
としてインターポーザと呼ばれ、このインターポーザは
ピッチ展開のほかに、部材間の熱膨張率の違いを吸収し
たり、チップを保護する等の役割りを果たす。ピッチ展
開されたテープキャリア14a上の電気配線端部には、
はんだバンプ15が形成されており、プリント基板20
上の電極パッド19と表面実装技術によって接続され
る。電極パッド19はプリント基板20上の電気配線
(図示せず)と電気的に接続しているから、これによっ
て、LSIチップ11中の半導体集積回路がこの電気配
線と電気的に接続して動作可能となり、その半導体集積
回路と電気的に接続している面発光素子及び面受光素子
も機能可能となる。また、テープキャリア14aは、補
強材14dを介してヒートスプレッダー14eに固定さ
れており、放熱性と取扱性を向上させている。
ャリア14aに電気的及び構造的に接続されている。テ
ープキャリア14aには電気配線層14cが形成されて
おり、プリント基板20との電気接続に適した端子ピッ
チになるよう展開されている。LSIチップ11とプリ
ント基板20との接続の間に介在する部材(本実施の形
態においては、テープキャリア14aと電気配線層14
cと補強材14dとヒートスプレッダー14e)は全体
としてインターポーザと呼ばれ、このインターポーザは
ピッチ展開のほかに、部材間の熱膨張率の違いを吸収し
たり、チップを保護する等の役割りを果たす。ピッチ展
開されたテープキャリア14a上の電気配線端部には、
はんだバンプ15が形成されており、プリント基板20
上の電極パッド19と表面実装技術によって接続され
る。電極パッド19はプリント基板20上の電気配線
(図示せず)と電気的に接続しているから、これによっ
て、LSIチップ11中の半導体集積回路がこの電気配
線と電気的に接続して動作可能となり、その半導体集積
回路と電気的に接続している面発光素子及び面受光素子
も機能可能となる。また、テープキャリア14aは、補
強材14dを介してヒートスプレッダー14eに固定さ
れており、放熱性と取扱性を向上させている。
【0022】一方、LSIチップ11と面発光素子アレ
イ12aと面受光素子アレイ12bとは、それぞれの表
面保護のために、使用光に対して透明な透明樹脂16に
て封止されており、光入出力面17(透明樹脂16の表
面)は、LSIチップ11に対して平行となっている。
そして、この透明樹脂16の表面上における、面発光素
子アレイ12aと面受光素子アレイ12bとの入出力光
路との交点には、各素子位置に対応して、パッケージ側
のマイクロレンズ18aが二次元アレイ状に形成されて
いる。このマイクロレンズ18aは、例えば、透明樹脂
16による樹脂封止がなされた後に、紫外線硬化型樹脂
液を透明樹脂16の表面に滴下し、その液の表面張力に
よって出現する球面を保持させたまま樹脂を硬化してレ
ンズとするなどの方法によって容易に形成される。ま
た、透明樹脂16による樹脂封止をモールドによって行
う場合には、その型にあらかじめマイクロレンズ形状の
凹みを形成しておいても容易に形成される。さらには、
平板マイクロレンズアレイのような、ガラス基板上に形
成されたマイクロレンズアレイを、テープキャリア14
a中央の開口部に固定して実現することも可能である。
イ12aと面受光素子アレイ12bとは、それぞれの表
面保護のために、使用光に対して透明な透明樹脂16に
て封止されており、光入出力面17(透明樹脂16の表
面)は、LSIチップ11に対して平行となっている。
そして、この透明樹脂16の表面上における、面発光素
子アレイ12aと面受光素子アレイ12bとの入出力光
路との交点には、各素子位置に対応して、パッケージ側
のマイクロレンズ18aが二次元アレイ状に形成されて
いる。このマイクロレンズ18aは、例えば、透明樹脂
16による樹脂封止がなされた後に、紫外線硬化型樹脂
液を透明樹脂16の表面に滴下し、その液の表面張力に
よって出現する球面を保持させたまま樹脂を硬化してレ
ンズとするなどの方法によって容易に形成される。ま
た、透明樹脂16による樹脂封止をモールドによって行
う場合には、その型にあらかじめマイクロレンズ形状の
凹みを形成しておいても容易に形成される。さらには、
平板マイクロレンズアレイのような、ガラス基板上に形
成されたマイクロレンズアレイを、テープキャリア14
a中央の開口部に固定して実現することも可能である。
【0023】また、面発光素子アレイ12aからの二次
元アレイ状の出力信号光は、それぞれ、パッケージ側の
マイクロレンズ18aによってコリメート(平行光化)
され、細いビーム(コリメート光31b)となってプリ
ント基板20側へ向かう。
元アレイ状の出力信号光は、それぞれ、パッケージ側の
マイクロレンズ18aによってコリメート(平行光化)
され、細いビーム(コリメート光31b)となってプリ
ント基板20側へ向かう。
【0024】プリント基板20上には、二次元アレイ状
の出力信号光及び入力信号光に1対1に対応可能な光導
波路を有する多層光導波路(出力側多層光導波路21a
及び入力側多層光導波路21b)が設けられている。こ
れらの多層光導波路は、複数の光導波路を有する単層を
積層して構成されている。多層光導波路端部22は導波
方向に対して45度の角度をもつ平面状に加工され、全
反射ミラー:TIR(Total Internal Reflection)ミ
ラー又は端面に金属膜等を付着させた反射ミラーとして
ビームをおおよそ90度方向変換し、発光素子が発した
出力信号光を光導波路に導入する役割り、及び、光導波
路を伝搬してきた入力信号光を受光素子方向に向ける役
割りを果たす。すなわち、この場合に、入力側多層光導
波路21bの端部が入力信号光を面受光素子アレイ12
bの方向に向けて方向変換する反射面を有し、出力側多
層光導波路21aの端部が面発光素子アレイ12aが発
する出力信号光を出力側多層光導波路21aの導波方向
に向けて方向変換する反射面を有する。このようにし
て、入力側多層光導波路21bが面受光素子アレイ12
bと光学的に結合し、出力側多層光導波路21aが面発
光素子アレイ12aと光学的に結合している。
の出力信号光及び入力信号光に1対1に対応可能な光導
波路を有する多層光導波路(出力側多層光導波路21a
及び入力側多層光導波路21b)が設けられている。こ
れらの多層光導波路は、複数の光導波路を有する単層を
積層して構成されている。多層光導波路端部22は導波
方向に対して45度の角度をもつ平面状に加工され、全
反射ミラー:TIR(Total Internal Reflection)ミ
ラー又は端面に金属膜等を付着させた反射ミラーとして
ビームをおおよそ90度方向変換し、発光素子が発した
出力信号光を光導波路に導入する役割り、及び、光導波
路を伝搬してきた入力信号光を受光素子方向に向ける役
割りを果たす。すなわち、この場合に、入力側多層光導
波路21bの端部が入力信号光を面受光素子アレイ12
bの方向に向けて方向変換する反射面を有し、出力側多
層光導波路21aの端部が面発光素子アレイ12aが発
する出力信号光を出力側多層光導波路21aの導波方向
に向けて方向変換する反射面を有する。このようにし
て、入力側多層光導波路21bが面受光素子アレイ12
bと光学的に結合し、出力側多層光導波路21aが面発
光素子アレイ12aと光学的に結合している。
【0025】なお、この多層光導波路(21a又は21
b)は、プリント基板20上に直接形成されたものでな
くとも構わない。例えば、複数の光導波路を有する光導
波路シート(例えばフィルム状のポリマー光導波路)
や、複数の光ファイバを有する光導波路シートを積層し
てなる多層光導波路をプリント基板20に接着あるいは
固定して、多層光導波路(21a又は21b)としても
よい。複数の光ファイバを有する光導波路シートを積層
してなる多層光導波路を作製するには、例えば、配布線
した光ファイバを二枚のシート間に挟んで光導波路シー
トとし、それをさらに積層し、接着剤等で一体化し、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。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。
b)は、プリント基板20上に直接形成されたものでな
くとも構わない。例えば、複数の光導波路を有する光導
波路シート(例えばフィルム状のポリマー光導波路)
や、複数の光ファイバを有する光導波路シートを積層し
てなる多層光導波路をプリント基板20に接着あるいは
固定して、多層光導波路(21a又は21b)としても
よい。複数の光ファイバを有する光導波路シートを積層
してなる多層光導波路を作製するには、例えば、配布線
した光ファイバを二枚のシート間に挟んで光導波路シー
トとし、それをさらに積層し、接着剤等で一体化し、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。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。
【0026】また、図1中のa部詳細図に示すように、
出力側多層光導波路21aの光入射部分には、各光信号
チャネル(信号の通路)に対応してマイクロレンズ18
bが二次元アレイ状に形成されている。これにより、例
えばパッケージ構造10内の面発光素子アレイ12aか
ら出射したビーム31aは、マイクロレンズ18aによ
ってコリーメート光31bとなり、続いてマイクロレン
ズ18bによって収束光31cとなってコア23aに入
射する。マイクロレンズ18aとマイクロレンズ18b
との間のビーム(コリーメート光31b)の直径を大き
くすることができ、パッケージ構造10をプリント基板
20に実装する際の位置ずれに対して大きなトレランス
(許容誤差範囲)を得ることが可能となる。
出力側多層光導波路21aの光入射部分には、各光信号
チャネル(信号の通路)に対応してマイクロレンズ18
bが二次元アレイ状に形成されている。これにより、例
えばパッケージ構造10内の面発光素子アレイ12aか
ら出射したビーム31aは、マイクロレンズ18aによ
ってコリーメート光31bとなり、続いてマイクロレン
ズ18bによって収束光31cとなってコア23aに入
射する。マイクロレンズ18aとマイクロレンズ18b
との間のビーム(コリーメート光31b)の直径を大き
くすることができ、パッケージ構造10をプリント基板
20に実装する際の位置ずれに対して大きなトレランス
(許容誤差範囲)を得ることが可能となる。
【0027】上記の説明においては、おもに、出力信号
光について述べたが、入力信号光に対しても同様の構成
を用いる。すなわち、入力側多層光導波路21bを伝搬
してきた入力信号光は、多層光導波路端部22におい
て、おおよそ90度方向変換され、上記の出力信号光と
は逆の光路をたどり、面受光素子アレイ12bの面受光
素子に入射し、電気信号に変換される。
光について述べたが、入力信号光に対しても同様の構成
を用いる。すなわち、入力側多層光導波路21bを伝搬
してきた入力信号光は、多層光導波路端部22におい
て、おおよそ90度方向変換され、上記の出力信号光と
は逆の光路をたどり、面受光素子アレイ12bの面受光
素子に入射し、電気信号に変換される。
【0028】以上説明したように、本実施の形態におけ
る光信号入出力装置は、入力側多層光導波路21bが導
く入力光信号を面受光素子アレイ12bの面受光素子に
よって入力電気信号に変換し、それを、LSIチップ1
1中の半導体集積回路に入力し、該半導体集積回路が出
力する出力電気信号を面発光素子アレイ12aの面発光
素子によって出力光信号に変換し、それを、出力側多層
光導波路21aに導き、多数の光信号の入出力処理を行
う光信号入出力装置となる。
る光信号入出力装置は、入力側多層光導波路21bが導
く入力光信号を面受光素子アレイ12bの面受光素子に
よって入力電気信号に変換し、それを、LSIチップ1
1中の半導体集積回路に入力し、該半導体集積回路が出
力する出力電気信号を面発光素子アレイ12aの面発光
素子によって出力光信号に変換し、それを、出力側多層
光導波路21aに導き、多数の光信号の入出力処理を行
う光信号入出力装置となる。
【0029】また、上記の説明においては、パッケージ
構造10をプリント基板20に実装する場合を説明した
が、本発明に係る半導体装置を実装する基板は、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(MCM)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。この場合には、MCM基板上に表面実装
された半導体装置間が光学的に接続される。
構造10をプリント基板20に実装する場合を説明した
が、本発明に係る半導体装置を実装する基板は、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(MCM)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。この場合には、MCM基板上に表面実装
された半導体装置間が光学的に接続される。
【0030】〔第2の実施の形態〕図2は、本発明の第
1の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す
図である。
1の実施の形態における光信号入出力装置の構造を示す
図である。
【0031】本実施の形態において使用されている半導
体装置は、半導体集積回路が作製されたLSIチップ1
1と、面発光素子を二次元配列させて構成した面発光素
子アレイ12aと、面受光素子を二次元配列させて構成
した面受光素子アレイ12bとを樹脂モールドによりパ
ッケージし、そのパッケージ側面の四方向から電気リー
ド42を取り出したQFP(Quad Flat Package)構造
40を有している。
体装置は、半導体集積回路が作製されたLSIチップ1
1と、面発光素子を二次元配列させて構成した面発光素
子アレイ12aと、面受光素子を二次元配列させて構成
した面受光素子アレイ12bとを樹脂モールドによりパ
ッケージし、そのパッケージ側面の四方向から電気リー
ド42を取り出したQFP(Quad Flat Package)構造
40を有している。
【0032】面発光素子アレイ12aと面受光素子アレ
イ12bとは、光入出力方向がプリント基板20へ向く
ように、LSIチップ11にはんだバンプ13等の電気
的接続手段によって接続されており、はんだバンプ13
は、面発光素子アレイ12aの面発光素子と面受光素子
アレイ12bの面受光素子とを該半導体集積回路に電気
的に接続する接続導体となっている。LSIチップ11
の電極は、インターポーザ14b上の電極とボンディン
グワイヤ41等の電気的接続手法によって接続されてい
る。さらに、インターポーザ14bによってピッチ変換
された電気配線は、リード端子42とQFP構造40内
にて電気的に接続されている。さらに、リード端子42
がプリント基板上の電気配線と電気的に接続されている
から、これらによって、LSIチップ11中の半導体集
積回路が基板上の電気配線と電気的に接続して動作可能
となり、その半導体集積回路と電気的に接続している面
発光素子及び面受光素子も機能可能となる。また、QF
P構造40下面には、面発光素子アレイ12aと面受光
素子アレイ12bとの光入出力部分に、アレイ状に配列
したマイクロレンズ18aが形成されている。このマイ
クロレンズ18aの作製方法としては、前述の第1の実
施例において挙げた方法が適用できる。
イ12bとは、光入出力方向がプリント基板20へ向く
ように、LSIチップ11にはんだバンプ13等の電気
的接続手段によって接続されており、はんだバンプ13
は、面発光素子アレイ12aの面発光素子と面受光素子
アレイ12bの面受光素子とを該半導体集積回路に電気
的に接続する接続導体となっている。LSIチップ11
の電極は、インターポーザ14b上の電極とボンディン
グワイヤ41等の電気的接続手法によって接続されてい
る。さらに、インターポーザ14bによってピッチ変換
された電気配線は、リード端子42とQFP構造40内
にて電気的に接続されている。さらに、リード端子42
がプリント基板上の電気配線と電気的に接続されている
から、これらによって、LSIチップ11中の半導体集
積回路が基板上の電気配線と電気的に接続して動作可能
となり、その半導体集積回路と電気的に接続している面
発光素子及び面受光素子も機能可能となる。また、QF
P構造40下面には、面発光素子アレイ12aと面受光
素子アレイ12bとの光入出力部分に、アレイ状に配列
したマイクロレンズ18aが形成されている。このマイ
クロレンズ18aの作製方法としては、前述の第1の実
施例において挙げた方法が適用できる。
【0033】QFP構造40は、電気端子数が多い場合
には、BGAパッケージ構造ほど小型化することはでき
ないが、電気端子数が少ない場合には、BGAパッケー
ジ構造とほぼ変わらぬ小型化が可能である。なにより、
QFP構造は、樹脂のモールド成形により一括して作製
できるため、非常にパッケージングコストが安いことが
最大のメリットであり、第1の実施の形態におけるTB
GAパッケージ構造10とともに、小型、高密度、低価
格を実現でき、需要の高いパッケージ構造である。
には、BGAパッケージ構造ほど小型化することはでき
ないが、電気端子数が少ない場合には、BGAパッケー
ジ構造とほぼ変わらぬ小型化が可能である。なにより、
QFP構造は、樹脂のモールド成形により一括して作製
できるため、非常にパッケージングコストが安いことが
最大のメリットであり、第1の実施の形態におけるTB
GAパッケージ構造10とともに、小型、高密度、低価
格を実現でき、需要の高いパッケージ構造である。
【0034】図3は、前述の多層光導波路(出力側多層
光導波路21aと入力側多層光導波路21b)の別の実
施の形態を、図2の左半分(出力側多層光導波路21a
側)を拡大したものを例として示した図である。多層光
導波路21a上に形成されるマイクロレンズアレイにお
いて、各々のマイクロレンズ18c、18d、18eの
焦点距離や直径が、各々のマイクロレンズからそれぞれ
に光結合させるべきコア23c、23d、23eに至る
光路長に応じて、適当なものとなるようにしている。こ
の場合に、レンズの焦点距離は上記の光路長にほぼ等し
くとることが好ましい。したがって、図3においては、
マイクロレンズ18c、18d、18eの焦点距離は、
それぞれ上記の光路長にほぼ等しくなるように、短、
中、長とすることが好ましい。これにより、すべてのチ
ャネル(信号の通路)の光導波路への結合効率を高め、
かつチャネル間のばらつきを低減させることが可能とな
る。
光導波路21aと入力側多層光導波路21b)の別の実
施の形態を、図2の左半分(出力側多層光導波路21a
側)を拡大したものを例として示した図である。多層光
導波路21a上に形成されるマイクロレンズアレイにお
いて、各々のマイクロレンズ18c、18d、18eの
焦点距離や直径が、各々のマイクロレンズからそれぞれ
に光結合させるべきコア23c、23d、23eに至る
光路長に応じて、適当なものとなるようにしている。こ
の場合に、レンズの焦点距離は上記の光路長にほぼ等し
くとることが好ましい。したがって、図3においては、
マイクロレンズ18c、18d、18eの焦点距離は、
それぞれ上記の光路長にほぼ等しくなるように、短、
中、長とすることが好ましい。これにより、すべてのチ
ャネル(信号の通路)の光導波路への結合効率を高め、
かつチャネル間のばらつきを低減させることが可能とな
る。
【0035】本実施の形態においては、QFP構造の例
を開示したが、デュアルインラインパッケージ(DI
P)など、他の半導体パッケージでも実施可能であるこ
とは言うまでもない。
を開示したが、デュアルインラインパッケージ(DI
P)など、他の半導体パッケージでも実施可能であるこ
とは言うまでもない。
【0036】なお、上述の実施の形態におけるパッケー
ジ(図1におけるTBGAパッケージ構造10と図2に
おけるQFP構造40)は請求項1に記載の半導体装置
に該当するものであり、これに、パッケージ内の半導体
集積回路を動作させるための電気配線を施し、光ファイ
バ等によって、パッケージ内の発光素子から光信号を取
り出す手段とパッケージ内の受光素子に光信号を入力す
る手段とを講じれば、このパッケージは、多数の光信号
の入出力処理が可能な光信号入出力装置として機能す
る。
ジ(図1におけるTBGAパッケージ構造10と図2に
おけるQFP構造40)は請求項1に記載の半導体装置
に該当するものであり、これに、パッケージ内の半導体
集積回路を動作させるための電気配線を施し、光ファイ
バ等によって、パッケージ内の発光素子から光信号を取
り出す手段とパッケージ内の受光素子に光信号を入力す
る手段とを講じれば、このパッケージは、多数の光信号
の入出力処理が可能な光信号入出力装置として機能す
る。
【0037】
【発明の効果】本発明の実施によって、プリント基板へ
の電気的信号を接続することを可能とする電気端子に加
えて、多数の光信号の入出力を可能とする光信号の入出
力機構をも有するチップサイズパッケージの半導体装置
を用いた高性能光信号入出力装置を提供することができ
る。
の電気的信号を接続することを可能とする電気端子に加
えて、多数の光信号の入出力を可能とする光信号の入出
力機構をも有するチップサイズパッケージの半導体装置
を用いた高性能光信号入出力装置を提供することができ
る。
【0038】また、本発明に係る半導体装置において
は、光素子の二次元アレイを用いて光信号の入出力を行
っているので、従来技術に比べて、パッケージの小型化
を図ることができる。
は、光素子の二次元アレイを用いて光信号の入出力を行
っているので、従来技術に比べて、パッケージの小型化
を図ることができる。
【0039】さらに、本発明に係る光信号入出力装置に
おいては、プリント基板上の多層化光導波路の光入出力
面上に、各光信号チャネルごとに適したマイクロレンズ
を形成することができるため、すべての光信号チャネル
の光導波路への結合効率を高め、かつチャネル間のばら
つきを低減させることができる効果がある。
おいては、プリント基板上の多層化光導波路の光入出力
面上に、各光信号チャネルごとに適したマイクロレンズ
を形成することができるため、すべての光信号チャネル
の光導波路への結合効率を高め、かつチャネル間のばら
つきを低減させることができる効果がある。
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す模式図であ
る。
る。
【図2】本発明の第2の実施の形態を示す模式図であ
る。
る。
【図3】本発明の第2の実施の形態で例示した多層光導
波路上に形成されるマイクロレンズを、各チャネルごと
に最適化した構造を示す模式図である。
波路上に形成されるマイクロレンズを、各チャネルごと
に最適化した構造を示す模式図である。
【図4】従来の光信号入出力装置の構造を示す模式図で
ある。
ある。
10…TBGAパッケージ構造、11…LSIチップ、
12a…面発光素子アレイ、12b…面受光素子アレ
イ、12c…光入出力面、13…はんだバンプ、14a
…テープキャリア、14b…インターポーザ、14c…
電気配線層、14d…補強材、14e…ヒートスプレッ
ダー、15…はんだバンプ、16…透明樹脂、17…光
入出力面、18a…マイクロレンズ、18b…マイクロ
レンズ、18c…マイクロレンズ(短焦点)、18d…
マイクロレンズ(中焦点)、18e…マイクロレンズ
(長焦点)、19…電極パッド、20…プリント基板、
21a…出力側多層光導波路、21b…入力側多層光導
波路、22…多層光導波路端部、23a…コア、23c
…コア、23d…コア、23e…コア、31a…面発光
素子からの出射光、31b…コリメート光、31c…収
束光、40…QFP構造、41…ボンディングワイヤ、
42…電気リード、51…LSIチップ、52…面発光
素子アレイ、53…面受光素子アレイ、54…光導波
路、55…プリント基板、56…はんだバンプ、57…
はんだバンプ、58…電気配線。
12a…面発光素子アレイ、12b…面受光素子アレ
イ、12c…光入出力面、13…はんだバンプ、14a
…テープキャリア、14b…インターポーザ、14c…
電気配線層、14d…補強材、14e…ヒートスプレッ
ダー、15…はんだバンプ、16…透明樹脂、17…光
入出力面、18a…マイクロレンズ、18b…マイクロ
レンズ、18c…マイクロレンズ(短焦点)、18d…
マイクロレンズ(中焦点)、18e…マイクロレンズ
(長焦点)、19…電極パッド、20…プリント基板、
21a…出力側多層光導波路、21b…入力側多層光導
波路、22…多層光導波路端部、23a…コア、23c
…コア、23d…コア、23e…コア、31a…面発光
素子からの出射光、31b…コリメート光、31c…収
束光、40…QFP構造、41…ボンディングワイヤ、
42…電気リード、51…LSIチップ、52…面発光
素子アレイ、53…面受光素子アレイ、54…光導波
路、55…プリント基板、56…はんだバンプ、57…
はんだバンプ、58…電気配線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H04B 10/02 (72)発明者 小池 真司 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 新井 芳光 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 5F041 AA47 CB22 DA13 DA20 DA82 DA83 EE11 EE25 5F088 BA15 BA20 EA04 EA06 EA09 EA16 JA12 JA14 5F089 AB20 AC07 AC10 AC11 AC16 AC23 AC30 CA20 GA10 5K002 BA01 BA07 BA21 FA01
Claims (6)
- 【請求項1】1つのパッケージ内に、半導体集積回路
と、面発光素子を二次元配列させて構成した面発光素子
アレイと、面受光素子を二次元配列させて構成した面受
光素子アレイと、該面発光素子と該面受光素子とを該半
導体集積回路に電気的に接続する接続導体とを有するこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】電気配線と、入力光信号を導く入力側多層
光導波路と、出力光信号を導く出力側多層光導波路とを
設けた基板と、該電気配線と電気的に接続する請求項1
に記載の半導体装置とを少なくとも備えた光信号入出力
装置であって、該入力側多層光導波路が前記面受光素子
アレイと光学的に結合し、該出力側多層光導波路が前記
面発光素子アレイと光学的に結合している構成を有する
ことを特徴とする光信号入出力装置。 - 【請求項3】前記入力側多層光導波路の端部が入力信号
光を前記面受光素子の方向に向けて方向変換する反射面
を有し、前記出力側多層光導波路の端部が前記面発光素
子が発する出力信号光を該出力側多層光導波路の導波方
向に向けて方向変換する反射面を有することを特徴とす
る請求項2に記載の光信号入出力装置。 - 【請求項4】前記入力側多層光導波路又は前記出力側多
層光導波路が、複数の光導波路を有する光導波路シート
を積層してなるか、又は複数の光ファイバを有する光導
波路シートを積層してなることを特徴とする請求項2又
は3に記載の光信号入出力装置。 - 【請求項5】前記面発光素子から前記出力側多層光導波
路に至る前記出力信号光の光路中又は前記入力側多層光
導波路から前記面受光素子に至る前記入力信号光の光路
中にマイクロレンズを有することを特徴とする請求項
2、3又は4に記載の光信号入出力装置。 - 【請求項6】前記マイクロレンズの焦点距離及び直径
が、該マイクロレンズから該マイクロレンズに対応する
前記出力側多層光導波路又は前記入力側光導波路のコア
に至る光路長に応じて定められていることを特徴とする
請求項5に記載の光信号入出力装置。
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