JP2003503858A - 光子デバイス用気密形チップスケールパッケージ - Google Patents

光子デバイス用気密形チップスケールパッケージ

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Abstract

(57)【要約】 気密に密封されたエンクロージャ内に１つ又はそれ以上の集積回路光子デバイスを有するパッケージ。光子デバイスは、光源でも光検知器でもよい。密封されたエンクロージャは、第1レベルのハウジングに取り付けられた透明なウインドウから構成される。透明なウインドウは、パターンが形成されたウインドウに結合される半導体に対し電気信号を通すためパターンが形成された導電トレースを含む。第２レベルのハウジングは第1レベルのハウジングに取り付けられ、透明なウインドウに組み入れられる機械的機構を介して整列する。第２レベルのハウジングは、レセプタクルに挿入されると光子デバイスと整列する光導波管又は光ファイバーを有するプラグにレセプタクルを提供する。集積回路セミコンダクタ上のＶＣＳＥＬのような気密密封された光子デバイスに対してレセプタクル内のプラグを固定するために、１つ又はそれ以上のピンが、プラグと第２レベルハウジングを通して挿入される。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の背景】 光子デバイスへの光学的結合及び電気的接続、特に単一チップ上の前記結合や
接続のアレーは、環境の影響、電気的渦流（electrical parasitics）、機械的
な不整合を被りやすい。これらの問題を有効に解消するとともに、耐衝撃性に優
れコンパクトで高性能且つ信頼性のあるシステムを提供するために役立つ適切な
パッケージングの取り組みはないようである。 【０００２】 【発明の概要】 本発明は、電気的にパターンが形成された透明なウインドウ上のバンプボンデ
ィング（bump bonding:隆起結合）を介した光学エミッタ及び／又は検出器の気
密パッケージングにある。本発明は、同時に、密封収納即ち気密性、及びＶＣＳ
ＥＬ又は検出器への光学的結合を、アレー（配列）又は単一デバイスとして提供
するものである。これらのデバイスは、ガリウム砒素化合物のような半導体から
作られる。環境に敏感なデバイスには、しばしば気密性が必要とされる。このよ
うな密封形アレーパッケージは知られていない。 【０００３】 半導体は、導電性トレースでパターンが形成されたウインドウにバンプボンデ
ィングされるが、ウインドウ自体は周辺がセラミック又は同様のパッケージに密
封接合される。例えば、密封されたキャビティの外にある、インピーダンスが制
御された多層型トレースへの電気的接続は、セラミックパッケージ内で行われる
。ウインドウは、パッケージに入出する際の光学的連結を改良するために屈折レ
ンズ又は回折レンズを備える。 【０００４】 光学デバイス及びこれに相当するレンズは、1次元アレーの形態でも２次元ア
レーの形態でもよい。デバイスのアレーに光学的に接続されるファイバーは、デ
バイスに出入りする光を伝達するための多数のファイバーを有するリボン又はコ
ードの形態であってもよい。光学デバイスが中に入った第１レベルのパッケージ
を覆う第２レベルのパッケージを受動的又は半能動的に整列させるため、機械的
な機構が設けられる。 【０００５】 パッケージは光学バックプレーンと共に利用される。この取り組みは、精密な
光学連結整列、機械的頑強性、コンパクトさ、光学的及び電気的な絶縁性、非常
に低い寄生特性、高速性能、周囲環境の水分、湿気及びその他の不要な汚染物質
からの保護、デバイスの信頼性、及び製作上の有利性を提供する。 【０００６】 【実施例の説明】 図１ａは、光子デバイス用の気密性チップスケールパッケージ１０を示す。Ｖ
ＣＳＥＬ１１及び／又は検出器１２の線形又は２次元アレーへの機密的且つ効果
的な光学的連結を実現するために、ＶＣＳＥＬ又は検出器を含んでいる半導体の
ダイは、一部金属被覆されたウインドウ１３に導電性バンプ１４でバンプ接着さ
れる。 【０００７】 ウインドウの金属被覆２８は、Ｃｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＩＴＯ、又は
Ｎｉの組み合わせを、スパッタリング、蒸着、又はめっきにより形成したもので
ある。ウインドウ１３も周囲が、気密性はんだシール１６を使って、多層セラミ
ックパッケージ１５に密封接合され、同時にチップ対ウインドウの電気的接続が
導電性バンプ１４で形成される。チップ１１、１２は、電気的及び／又は熱的接
続部１７を介してセラミックパッケージ１５に取り付けられる。チップ１１、１
２は、デバイス１０の周囲環境１８から気密密封される。 【０００８】 電気接続部１７はチップ１１、１２に接続され、且つ導電路３１を介して外部
パッド１９に接続される。バンプ１４のパッドも、チップ１１、１２からパッド
５１への導電トレース２８を介して電気経路３１に接続されており、これにより
経路３１を経由して外部の電気的接続パッド２０に接続される。光学的連結の効
率改善を促進するために、屈折及び／又は回折光学要素５８が、ウインドウの表
面にエッチング加工されるか又は蒸着される。ここまで説明してきたパッケージ
は第１レベルのパッケージである。 【０００９】 第２レベルのパッケージは、ハウジング２１であり、気密シール内にチップ１
１、１２を包んでいる第１レベルのパッケージ上にこれを取り囲んで嵌め込まれ
ている。ハウジング２１は、ウインドウ１３上の１つ又はそれ以上のキー２２と
機械的に整列している。フェルール（はばき金）２３は、ハウジング２１内に挿
入され、フェルールの縁２４と単一又は複数のキー２２がぶつかる位置まで滑動
できるようになっている。 【００１０】 フェルール２３には、単一又は複数のファイバー２５が設けられ、これらファ
イバーは、ＶＣＳＥＬ１１からの光信号２６及び／又は検出器１２への光信号２
７を伝達する。ハウジング２１は、にかわ、接着剤、又はエポキシを使って第１
レベルのハウジングに固定される。フェルール２３が完全にハウジング２１に挿
入された後、フェルール２３は、定位置に接着してもよいし、しなくともよい。 【００１１】 図１ｂは、ファイバー２５と光子デバイス１１、１２との間の光学的連結をよ
り詳しく示す図である。光はファイバー２５のコア部５３を通って出入りする。
クラッディング（被覆材）５４はガラスコア部５３を覆って保護している。クラ
ッディングは、光をコア部５３内に閉じ込めるような屈折率を有する。ファイバ
ー２５は、ウインドウ１３に突き合わせられる。ウインドウ１３は、厚さ５５が
凡そ２５から２５０ミクロンの範囲にある。ウインドウ１３の材料の屈折率は、
約１．５２である。この屈折率は、パッケージ１０の具体的な設計により変わる
。ウインドウ１３とデバイス１１、１２の発光部又は感知部の間には、約２５ミ
クロンの隙間５６がある。 【００１２】 図２ａは、ウインドウ１３の上に第１レベルのハウジング１５がはんだシール
１６により接着される状態を示す。光信号源１１又は検出器１２は、ウインドウ
１３の表面上の導電性又は金属のトレース２８及びチップ１１、１２上の金属端
子２９を介して、はんだバンプ１４により、透明なウインドウ１３の表面にバン
プ接着される。 【００１３】 金属被覆ストリップ２８は、横方向寸法が２０から５０ミクロンで、厚さは５
ミクロン未満である。チップ１１、１２は、普通３から８ミリの間にある。ウイ
ンドウ１３は、石英又はサファイアのような材料で構成される。はんだリング１
６は、すずを鉛、金、又は銀と組み合わせて作られる。はんだバンプ１４は、す
ずを鉛、金、又は銀と組み合わせて作られる。 【００１４】 図２ｂは、光学デバイス１１、１２を有するハウジングを示しており、電気的
接続点５８は、導電ストリップ２８と整列して、デバイス１１、１２の感知域５
７と接続点２９を電気的に接続するようになっている。外部接続部２０は、ハウ
ジング１５内で接続点２９に接続される。 【００１５】 図３ａは実施例４０を示しており、この実施例では、プラグ即ちフェルール４
３をハウジング４１に対して保持するためにピン４２を使っている。図３ａは、
ピン４２に沿った切断面を示している。一方、図３ｂは、ファイバー２５及び発
光又はレセプタ域５７に沿った切断面を示している。フェルール４３は、図３ｂ
に示すように、端部４４がバンパ４５に突き合わされており、バンパ４５はエラ
ストマーシールでもよい。 【００１６】 ピン４２は、フェルール４３内の整列孔５１とハウジング４１内の整列孔５２
を通して挿入され、ピン４２の端のノッチ４７に保持クリップ４６を挿入して定
位置に固定される。フェルール４３は、フェルール４３と、ピン４２のノッチ４
７がある端とは反対側の端のクリップ又はショルダ４９との間に配置された負荷
ばね４８の張力により定位置にしっかり保持される。ピン４２と孔５１及び５２
により、図３ｂに示すように、ファイバー２５とＶＣＳＥＬ１１又は検出器１２
の発光部又はレセプタ域５７との整合度はそれぞれ、プラスマイナス５ミクロン
ｍｍ未満になる。 【００１７】 フェルール４３はハウジング４１に接着されていないので、必要時には、クリ
ップ４６をノッチ４７から外せば、フェルール４３を外すことができる。実施例
４０によると、チップ１１、１２は気密密封される。しかしながら、より費用の
掛らない実施例４０とすると、多層セラミックパッケージをＦＲ４又は同等のプ
ラスチックパッケージに代えることにより、チップ１１、１２を気密密封しない
方式を選択することもできる。 【００１８】 図４ａ及び４ｂに示す装置では、ファイバーアレー２５と共にフェルール４３
をハウジング４１に対して保持するピン４２を１つ又はそれ以上有する。ピン４
２と各孔５１及び５２は、ファイバーアレー２５とレンズ３７及びチップ１１、
１２の感知域又は発光域５７とを、確実に且つ丈夫に精度よく整列させるために
、ファイバーアレー２５のそれぞれの側に配置される。 【００１９】 別の実施例では、プラグ又はフェルール４３は、バックプレーンの一部となっ
ており、ハウジング４１は光学要素回路板に取り付けられ、プラグ４３及びハウ
ジング４１を介してバックプレーンにプラグ接続される。本発明の、ここに開示
していないその他の実施例及び変型例は、特許請求の範囲に述べたことに含まれ
、本発明は、特許請求の範囲に述べる範囲にのみ限定され、これと等価なもの全
てを含むものである。 【図面の簡単な説明】 【図１】 図１ａは光学デバイス用の気密形第１レベルパッケージ、及びそれら光学デバ
イスの光学的及び電気的連結を示す図であり、ボードレベルの電気パッド及び光
ファイバー双方に対して図示の第２レベルパッケージアッセンブリを介して連結
される状態を示す。図１ｂは光ファイバと光子デバイスとの間の光学的連結を示
す図である。 【図２】 図２ａはウインドウを示す図であり、金属トレース及び機械的位置合わせ機構
がウインドウの上に形成される。図２ｂは、光子デバイスを有するハウジングを
示す図であり、その電気的相互接続がウインドウ上の対応している相互接続と整
合している様子を示す。 【図３】 図３ａはウインドウに隣接して配置される光学的光波ガイド又はファイバ−を
有するフェルール又はプラグを接続及び固定するためのピン装置を有するハウジ
ングを示す。図３ｂはウインドウに隣接して配置される光学的光波ガイド又はフ
ァイバ−を有するフェルール又はプラグを接続及び固定するためのピン装置を有
するハウジングを示す別の図である。 【図４】 図４ａはピン装置を有するプラグとハウジングの斜視図、図４ｂはピン装置を
有するプラグとハウジングの別の斜視図である。
【手続補正書】 【提出日】平成１４年１月１７日（２００２．１．１７） 【手続補正１】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】特許請求の範囲 【補正方法】変更 【補正の内容】 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ウインドウと、 前記ウインドウに固定されたチップと、 前記チップを覆うように前記ウインドウ上に形成されたエンクロージャと、を
含む光子デバイス用のチップスケールパッケージ。 【請求項２】 第1のハウジングと、 前記第1のハウジング内に取り付けられた集積回路と、 前記第1のハウジング上に設けられたウインドウと、を備え、 前記集積回路は少なくとも１つの光子デバイスを有しており、 前記第1のハウジングとウインドウは、前記集積回路の周りに気密密封される
エンクロージャを形成する気密形チップスケールパッケージ。 【請求項３】 少なくとも１つの導電性トレースが表面にパターン形成され
た透明なウインドウと、 前記少なくとも１つの導電性トレースに接続された少なくとも1つの端子を有
する、前記ウインドウ上に固定された半導体チップと、 前記チップを取り巻き前記ウインドウに固着されたエンクロージャと、 前記少なくとも1つの導電性トレースから前記エンクロージャの外面上の少な
くとも1つのパッドまでの導電路と、を含む電子デバイス用のチップスケールパ
ッケージ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ， ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，Ｌ Ｓ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ， ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，Ｔ Ｔ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ウインドウと、 前記ウインドウに固定されたチップと、 前記チップを覆うように前記ウインドウ上に形成されたエンクロージャと、を
    含む光子デバイス用のチップスケールパッケージ。 【請求項２】 前記チップは、前記ウインドウ及びエンクロージャにより気
    密密封される請求項１のパッケージ。 【請求項３】 前記カバーは、シール型材料により前記ウインドウにウイン
    ドウの周辺部で密封接合される請求項２のパッケージ。 【請求項４】 前記ウインドウは、少なくとも１つの導電性トレースを有す
    る請求項３のパッケージ。 【請求項５】 前記チップは、光子デバイスを含む請求項４のパッケージ。 【請求項６】 前記チップは、前記少なくとも１つの導電性トレースに接続
    される請求項５のパッケージ。 【請求項７】 前記ウインドウの周りに形成されるハウジングを更に含む請
    求項６のパッケージ。 【請求項８】 前記ウインドウに向かって配置される少なくとも１つの光フ
    ァイバーを有するフェルールを更に含む請求項７のパッケージ。 【請求項９】 前記ウインドウ上に形成されるレンズを更に含む請求項８の
    パッケージ。 【請求項１０】 前記フェルールは、前記ハウジングにより形成される開口
    に差し込まれる請求項９のパッケージ。 【請求項１１】 前記ファイバーからの光が光ファイバーとウインドウを通
    り抜けて光子デバイスまで届くように、そして前記光子デバイスからの光が前記
    ウインドウと前記少なくとも１つの光ファイバーを通り抜けられるように、前記
    光ファイバーが前記ウインドウの近傍にある請求項１０のパッケージ。 【請求項１２】 第１のハウジングと、 前記第１のハウジングに取り付けられたチップと、 前記第１のハウジングに取り付けられたウインドウと、を含む光子デバイス用
    のチップスケールパッケージ。 【請求項１３】 前記ウインドウ上に形成される少なくとも１つの導電性ト
    レースを更に含み、前記少なくとも１つの導電性トレースは、前記チップ及びパ
    ッドに接続される請求項１２のパッケージ。 【請求項１４】 前記第１のハウジングと前記ウインドウは、前記チップを
    包含する気密密封される容積を形成する請求項１３のパッケージ。 【請求項１５】 前記パッドは前記密封された容積に対し外方に配置される
    請求項１４のパッケージ。 【請求項１６】 前記第１のハウジングに取り付けられる第２のハウジング
    を更に含む請求項１５のパッケージ。 【請求項１７】 前記チップは、少なくとも１つの光子デバイスを有する請
    求項１６のパッケージ。 【請求項１８】 少なくとも１つの光学導波管を有するフェルールを更に含
    む請求項１７のパッケージ。 【請求項１９】 前記フェルールは前記第２のハウジングの一部分に差し込
    まれる請求項１８のパッケージ。 【請求項２０】 前記少なくとも１つの光学導波管は、前記フェルールが前
    記第２のハウジングの前記一部分に差し込まれると、前記少なくとも１つの光子
    デバイスと整列する請求項１９のパッケージ。 【請求項２１】 前記フェルールを前記第２のハウジングの前記一部分内の
    差し込み位置に保持するためのピンを更に含む請求項２０のパッケージ。 【請求項２２】 前記ウインドウは、前記少なくとも１つの光子デバイスと
    光学導波管との間に配置された少なくとも１つのレンズを有する請求項２１のパ
    ッケージ。 【請求項２３】 前記少なくとも１つの光学導波管は光ファイバーである請
    求項２２のパッケージ。 【請求項２４】 第1のハウジングと、 前記第1のハウジング内に取り付けられた集積回路と、 前記第1のハウジング上に設けられたウインドウと、を備え、 前記集積回路は少なくとも１つの光子デバイスを有しており、 前記第1のハウジングとウインドウは、前記集積回路の周りに気密密封される
    エンクロージャを形成する気密形チップスケールパッケージ。 【請求項２５】 前記ウインドウは、前記集積回路に接続される少なくとも
    １つの導電性トレースを含む請求項２４のパッケージ。 【請求項２６】 前記気密密封されたエンクロージャの外側に接続部を設け
    るために、前記少なくとも１つの導電性トレースに接続される導体を含む請求項
    ２５のパッケージ。 【請求項２７】 一方の端に前記ウインドウを配置したレセプタクルを更に
    含み、前記レセプタクルは少なくとも１つの整列機構を有する請求項２６のパッ
    ケージ。 【請求項２６】 少なくとも1つの光学導波管を有するプラグを更に含み、
    前記少なくとも1つの光学導波管の一方の端が前記ウインドウの近傍に適切に配
    置されるように、前記プラグは前記レセプタクルに嵌り、前記少なくとも１つの
    整列機構と整列する請求項２５のパッケージ。 【請求項２７】 前記少なくとも１つの光学導波管の一方の端が、前記少な
    くとも１つの光子デバイスと整列する請求項２６のパッケージ。 【請求項２８】 前記プラグを前記レセプタクル内に固定する少なくとも１
    つのピンを更に含む請求項２７のパッケージ。 【請求項２９】 前記少なくとも１つの光子デバイスは、ＶＣＳＥＬである
    請求項２８のパッケージ。 【請求項３０】 前記第1のハウジングはセラミックから成り、前記ウイン
    ドウは石英から成る請求項２９のパッケージ。 【請求項３１】 少なくとも１つの導電性トレースが表面にパターン形成さ
    れた透明なウインドウと、 前記少なくとも１つの導電性トレースに接続された少なくとも1つの端子を有
    する、前記ウインドウ上に固定された半導体チップと、 前記チップを取り巻き前記ウインドウに固着されたエンクロージャと、 前記少なくとも1つの導電性トレースから前記エンクロージャの外面上の少な
    くとも1つのパッドまでの導電路と、を含む電子デバイス用のチップスケールパ
    ッケージ。 【請求項３２】 前記チップは、光子デバイスを含む請求項３１のパッケー
    ジ。 【請求項３３】 前記ウインドウは、整列のために前記ウインドウの表面に
    少なくとも1つの機構を有する請求項３２のパッケージ。 【請求項３４】 前記導電路は、その一部が前記エンクロージャに埋め込ま
    れる請求項３２のパッケージ。 【請求項３５】 前記導電路は、前記エンクロージャの外面上のパッドに接
    続される請求項３４のパッケージ。 【請求項３６】 前記エンクロージャは、前記ウインドウ上の少なくとも１
    つの前記導電トレースに接続される少なくとも１つのパッドを有する請求項３５
    のパッケージ。 【請求項３７】 前記エンクロージャは、前記ウインドウの周辺で前記ウイ
    ンドウに密封接合される請求項３６のパッケージ。 【請求項３８】 前記エンクロージャは、はんだ型の材料により、前記ウイ
    ンドウの周辺で前記ウインドウに密封接合される請求項３７のパッケージ。 【請求項３９】 前記エンクロージャは、接着剤型の材料により、前記ウイ
    ンドウの周辺で前記ウインドウに密封接合される請求項３７のパッケージ。 【請求項４０】 前記チップは、前記ウインドウ及びエンクロージャにより
    気密密封される請求項３７のパッケージ。 【請求項４１】 前記チップは、前記ウインドウ及びエンクロージャにより
    環境的に密封される請求項３７のパッケージ。 【請求項４２】 前記ウインドウは、前記ウインドウの表面上に少なくとも
    １つの屈折光学要素を有する請求項４０のパッケージ。 【請求項４３】 前記ウインドウは、前記ウインドウの表面上に少なくとも
    １つの屈折光学要素を有する請求項４１のパッケージ。 【請求項４４】 前記ウインドウは、前記ウインドウの表面上に少なくとも
    １つの回折光学要素を有する請求項４０のパッケージ。 【請求項４５】 前記ウインドウは、前記ウインドウの表面上に少なくとも
    １つの回折光学要素を有する請求項４１のパッケージ。 【請求項４６】 前記エンクロージャに取り付けられるハウジングを更に含
    む請求項３３のパッケージ。 【請求項４７】 前記ハウジングは、前記ウインドウの表面上の少なくとも
    １つの機構により、前記エンクロージャに対して機械的に位置合わせされる請求
    項４６のパッケージ。 【請求項４８】 少なくとも１つの光学導波管を有するフェルールを更に含
    む請求項４７のパッケージ。 【請求項４９】 前記光学導波管からの光が前記ウインドウを通り抜けて少
    なくとも１つの光子デバイスまで届くように、そして前記光子デバイスからの光
    が前記ウインドウを通り抜けて前記少なくとも１つの光学導波管に届くように、
    前記少なくとも１つの光学導波管は前記ウインドウの近傍にある請求項４８のパ
    ッケージ。 【請求項５０】 前記ウインドウは、前記少なくとも１つの光子デバイスと
    光学導波管の間に配置される少なくとも１つのレンズを有する請求項４９のパッ
    ケージ。 【請求項５１】 前記少なくとも１つの光学導波管は光ファイバーである請
    求項５０のパッケージ。 【請求項５２】 前記フェルールを前記エンクロージャに固定するための少
    なくとも１つのピンを更に含む請求項４９のパッケージ。 【請求項５３】 前記少なくとも１つの光子デバイスはＶＣＳＥＬである請
    求項３２のパッケージ。 【請求項５４】 前記エンクロージャはセラミックから成る請求項３１のパ
    ッケージ。 【請求項５５】 前記ウインドウは石英を含む請求項３１のパッケージ。
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