JP2005217024A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光半導体装置内部で発生する熱を効率よく外部に放熱し、安定して作動する光半導体装置を作製すること。
【解決手段】 本発明の光半導体装置９は、上面に光半導体素子４を収容し搭載するための凹部を有する樹脂製の絶縁基体１と、絶縁基体１を貫通して凹部の内側から外側に導出されるように設けられたリード端子２と、凹部の底面の搭載部に搭載されるとともに電極６がリード端子２に電気的に接続された光半導体素子４と、絶縁基体１の上面に凹部を塞ぐようにして取着された透光性蓋体３とを具備し、光半導体素子４の上面の互いに対向する端部と透光性蓋体３の下面の端部に対向する部位とが樹脂から成る接続体８を介して接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ラインセンサー，フォトダイオード（ＰＤ），イメージセンサー等の固体撮像素子またはこれらの画像撮像部を有する光半導体素子を具備した光半導体装置に関する。

従来のラインセンサー，ＰＤ，イメージセンサー等の固体撮像素子またはこれらの画像撮像部を有する光半導体素子を具備した光半導体装置は、光半導体素子収納用の凹部を上面に有する絶縁基体の凹部内に光半導体素子を収容して搭載し、凹部を透光性蓋体で塞いで光半導体素子を気密封止することにより基本的に構成される。

この絶縁基体は、通常、光半導体素子の形状に応じた四角形状等の樹脂から成り、例えば、光半導体素子がラインセンサーの場合であれば、細長い長方形状のラインセンサーを搭載するのに適した長方形状である。

また、透光性蓋体は、透明なガラス板等の透光性の部材により形成されたものであり、絶縁基体に搭載された光半導体素子を覆うようにして絶縁基体に取着される。

光半導体素子は、絶縁基体の上面に形成された凹部の底面の中央部に載置固定されており、光半導体素子の上面の中央部には受光部が、外周部には電極が設けられている。

また、絶縁基体の凹部の内側から外側にかけて導出するようにリード端子が設けられており、このリード端子のうち凹部の内側に露出した部位に光半導体素子の電極が、金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等からなるボンディングワイヤにより電気的に接続される。

なお、絶縁基体の上面の凹部は、平板状の絶縁基板の外周部に、光半導体素子が搭載される領域を取り囲むようにして遮光性の枠体を接合することにより形成される。また、基板と枠体とは一体成形されていてもよい。

このように光半導体素子が気密封止されて成る光半導体装置は、各種の光学機器に部品として実装されて使用される。例えば、光半導体素子がラインセンサーの場合であれば、スキャナーやマルチファンクションプリンター，バーコードリーダー等の機器を構成する回路基板に実装される。なお、このときの光半導体装置の回路基板等に対する位置合わせは、光半導体装置の外縁部を回路基板の所定位置に合わせることにより行われる。
特開平５−１９０８７９号公報

しかしながら、上記従来の光半導体装置においては、光半導体装置内の光半導体素子にボンディングワイヤを介して電気を流し、作動させると、光半導体素子に熱が発生し、そして絶縁基体は樹脂等から成り、熱伝導性が低いことから、光半導体装置内に熱が蓄積して光半導体素子の温度が高くなり、その結果、光半導体素子が正常に作動しない場合があるという問題があった。

このような問題があることから、例えばラインセンサーを気密封止して成る光半導体装置をスキャナーやマルチファンクションプリンター，バーコードリーダー等に組み込んだ場合、ラインセンサーによる検知に誤作動が生じるといった問題点が発生していた。

特に、光半導体素子がラインセンサーの場合、その電極が形成されている端部における発熱量が、受光面が形成されている中央部に比べて大きいため、細長い光半導体素子の両端と中央との間で大きな温度差が生じ、これに応じて熱応力が大きくばらつくため、絶縁基体に生じる歪がより顕著なものとなっている。

また、光半導体素子が発生した熱を逃がすために、熱伝導率の高いセラミック材料により絶縁基板を形成する等の手法も考えられるが、セラミック材料は焼成時の収縮にともなう寸法の制御が難しいことから、絶縁基板の寸法精度をあまり高くすることができないため、凹部の内側から外側に導出するようにしてリード端子を絶縁基体に取着するとき、位置ずれを起こし易いという問題がある。

また、セラミックスからなる絶縁基板は外形精度が悪いため、光半導体素子を絶縁基体に収容し搭載する際や、光半導体装置を回路基板等に絶縁基板の外縁部で位置合わせして搭載する際の位置精度をあまり高くすることができず、高い精度を持った光半導体装置の製造が困難であるという問題もあった。

また、絶縁基板をセラミック材料で形成する場合、光半導体装置の構造が複雑になり、焼成等の製造工程が増加するとともに製造の作業性が悪くなり、製造費用を低減しにくいという問題点があった。

従って、本発明は上記従来の問題に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高い寸法精度を有するとともに光半導体素子が発生した熱を有効に外部に放散することができ、その結果、光半導体素子を長期にわたって安定して正常に作動させることが可能な受光特性等の特性の良好な光半導体装置を提供することにある。

本発明の光半導体装置は、上面に光半導体素子を収容し搭載するための凹部を有する樹脂製の絶縁基体と、前期絶縁基体を貫通して前記凹部の内側から外側に導出されるように設けられたリード端子と、前記凹部の底面の搭載部に搭載されるとともに電極が前記リード端子に電気的に接続された光半導体素子と、前記絶縁基体の上面に前記凹部を塞ぐようにして取着された透光性蓋体とを具備した光半導体装置において、前記光半導体素子の上面の互いに対向する端部と前記透光性蓋体の下面の前記端部に対向する部位とが樹脂から成る接続体を介して接続されていることを特徴とする光半導体装置である。

本発明の光半導体装置は、好ましくは、前記透光性蓋体は、側面に全周にわたって前記透光性蓋体よりも熱伝導率が高い枠状部が取着されているとともに、前記枠状部が前記絶縁基体の上面に取着されており、前記接続体の上端は前記枠状部に接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の光半導体装置は、好ましくは、前記絶縁基体は、前記凹部の底面の前記リード端子直下の部位から前記絶縁基体の下面にかけて貫通孔が形成されているとともに前記貫通孔に放熱部材が嵌着されていることを特徴とするものである。

また、本発明の光半導体装置は、好ましくは、前記貫通孔は、前記接続体の下方に位置するようにして形成されていることを特徴とするものである。

本発明の光半導体装置によれば、光半導体素子の上面の互いに対向する端部と、この端部にそれぞれ対向する透光性蓋体の下面の部位とが樹脂から成る接続体を介して接続されていることから、光半導体素子のうち、特に電極が形成され発熱量が大きい端部で発生した熱を接続体により透光性蓋体に伝え、透光性蓋体から外部に放出することができ、光半導体素子が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置を提供することができる。

また絶縁基体が樹脂製であることから、セラミックスのように焼成等の大きな寸法収縮をともなう工程が不要な材料から成るため、絶縁基体の寸法精度を高いものとすることができることから、高い位置精度および寸法精度で光半導体素子を絶縁基体に搭載することができるとともに、高い位置精度で光半導体装置を外部の回路基板に実装することができる。従って、歩留まりが高く、実装を正確に行える光半導体装置を提供することができる。

また、本発明の光半導体装置は、好ましくは、透光性蓋体は、側面に全周にわたって透光性蓋体よりも熱伝導率が高い枠状部が取着されているとともに、枠状部が絶縁基体の上面に取着されており、接続体の上端は枠状部に接続されていることから、光半導体素子から接続体を介して透光性蓋体に伝わる熱を、熱伝導率の高い枠状部から効率よく外部に放出することができ、光半導体素子が長期にわたってより一層確実に安定して作動することが可能な光半導体装置を提供することができる。

また、本発明の光半導体装置は、好ましくは、凹部の底面のリード端子直下の部位から絶縁基体の下面にかけて貫通孔が形成されているとともにその貫通孔に放熱部材が嵌着されていることから、光半導体素子で発生した熱は放熱部材も介して外部に放出されることになり、光半導体素子で発生した熱を放熱部材を介して光半導体装置の下側の外部にも放出することができ、より確実に光半導体素子が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置を提供することができる。

また本発明の光半導体装置は、好ましくは、貫通孔は、接続体の下方に位置するようにして形成されていることから、光半導体素子の発熱量の多い端部の上下を挟むようにして放熱経路が形成されるので、光半導体素子で発生した熱を接続体および放熱部材の両方に効率良く伝えるとともに、接続体および放熱部材を介して極めて効果的に外部に放出することができ、より確実に光半導体素子が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置を提供することができる。

本発明の光半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の光半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は絶縁基体、２はリード端子、３は透光性蓋体、４は光半導体素子、５は放熱部材、８は樹脂から成る接続体である。これらの絶縁基体１、リード端子２、透光性蓋体３、光半導体素子４、および接続体８により主に光半導体装置９が基本的に構成される。

なお、１ａは絶縁基体１と光半導体素子４とを接合する樹脂接合材、１ｂは絶縁基体１と透光性蓋体３を接合する樹脂接合材、１ｃは絶縁基体１に形成され内部に放熱部材５が嵌着された貫通孔である。

本発明の絶縁基体１は、エポキシ樹脂，ガラスエポキシ樹脂，ポリイミド等の樹脂材料によって形成される。絶縁基体１の上面には、光半導体素子４を収容し搭載するための凹部が設けられている。このような凹部を有する絶縁基体１は、例えば、エポキシ樹脂からなる場合、未硬化のエポキシ樹脂を所定の絶縁基体１の形状に成形できるような金型を用いて、トランスファーモールド法やインジェクションモールド法等により成形することにより形成される。この場合、平板状の基板部と四角枠状の枠部とを別々に成形しておいて、その後、基板部の上面の外周部に枠部を接合することにより凹部を形成するようにしてもよく、凹部が形成されるような金型を用いて一体的に成形してもよい。

本発明の光半導体装置９によれば、絶縁基体１が樹脂製であり、セラミックスのように焼成等の大きな寸法収縮をともなう工程が不要な材料から成るため、絶縁基体１の寸法精度を高いものとすることができ、高い位置精度および寸法精度で光半導体素子４を絶縁基体１に搭載することができる。さらに、光半導体装置９を外部の回路基板に実装するときの位置合わせの精度を高くすることができ、実装時の位置精度に優れた光半導体装置９を提供することができる。従って、製造歩留まりが高く、実装を正確に行える光半導体装置とすることができる。

また、絶縁基体１の凹部の内側から外側に導出するようにしてリード端子２が設けられている。リード端子２は鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の鉄系合金，銅または銅系の合金等からなる。このリード端子２は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金から成る場合、鉄−ニッケル−コバルト合金の板材に打抜き加工やエッチング加工等を施し、所定の寸法、形状に加工することにより形成される。

リード端子２を、凹部の内側から外側に導出するようにして設けるには、例えば、複数のリード端子２の一端部をフレームで連結してなるリードフレームを、フレームが凹部の外側（絶縁基体１の側面よりも外側）に出るとともに、フレームで連結していない側の各端部が凹部内に露出するようにして、絶縁基体１を成形する金型内にセットしておき、絶縁基体１となる未硬化の樹脂をリードフレームと一体的に加熱硬化させること等の方法を用いることができる。この場合、リード端子２を絶縁基体１に設けた後、フレームは切断除去する。

そして、絶縁基体１の凹部内に光半導体素子４が収容され搭載されるとともに、その電極６が、リード端子２のうち凹部内に露出した部位にＡｕ，Ａｌ等からなるボンディングワイヤ７等を介して接続される。

光半導体素子４は、ＰＤ，ラインセンサー，イメージセンサー，ＣＣＤ（Charge Coupled Device），ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）等の固体撮像素子、またはこれらの撮像部を有する光半導体素子から成るものである。

凹部内に光半導体素子４を収容し樹脂接合材１ａを介して搭載するとともに、電極６をリード端子２に接続した後、絶縁基体１の上面に凹部を塞ぐようにして透光性蓋体３を取着することにより光半導体装置９が形成される。

透光性蓋体３は、高い光透過率、製造のし易さ、化学的安定性、強度等の点で、ソーダガラス等のガラス、プラスチック、サファイア（アルミナの単結晶）、石英等から成るのが好ましい。

絶縁基体１に対する透光性蓋体３の取着は、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂等の樹脂接合材１ｂ等を介して行われる。

また、樹脂接合材１ｂは、常温で硬化させることが可能で、光半導体素子４に与える影響が小さいことから、紫外線硬化性樹脂からなることが好ましい。この場合、光半導体素子４を載置してから透光性蓋体３を取り付けて封止するまで、オーブン等の中に長時間放置する必要がなくなる。その結果、光半導装置９の内部にダスト、異物等の混入がなくなり、製造歩留まりを飛躍的に向上させ得る。

またエポキシ樹脂等の紫外線硬化性樹脂から成る樹脂接合材１ｂは、余計な外光の入射を遮断するために、樹脂に黒色，茶褐色，暗緑色，濃青色等の暗色系の顔料や染料を混入させてもよい。

本発明の光半導体装置９においては、光半導体素子４の上面の互いに対向する端部と、透光性蓋体３の下面の、光半導体素子４の端部に対向する部位とが樹脂から成る接続体８を介して接続されている。

本発明の光半導体装置９によれば、光半導体素子４の上面の互いに対向する端部と、この端部にそれぞれ対向する透光性蓋体３の下面の部位とが樹脂から成る接続体８を介して接続されていることから、光半導体素子４のうち、特に電極が形成され発熱量が大きい端部で発生した熱を接続体８により透光性蓋体３に伝え、透光性蓋体３から外部に放出することができ、光半導体素子４が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置を提供することができる。

接続体８は、エポキシ系樹脂，シリコーン系樹脂，ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエーテルアミド系樹脂等の樹脂により形成されている。

接続体８は、例えば、エポキシ樹脂から成る場合であれば、光半導体素子４を凹部内に収容し搭載した後、未硬化のエポキシ樹脂を光半導体素子４の端部の上に塗布しておき、その上面に、未硬化のエポキシ樹脂が下面に接するようにして透光性蓋体を位置決め載置し、樹脂を加熱硬化させることにより形成される。

接続体８は、光半導体素子４の受光面を覆うと受光が妨げられるため、光半導体素子４の端部に形成する必要がある。また、端部には電極が形成されており、この電極が形成されている部分における発熱量が大きいため、端部に接続体８が接していることにより、光半導体素子４から接続体８を介して熱の放出を効率よく行うことができる。

この場合、接続体８は、電極６のうちボンディングワイヤ７が接続されている部位の少なくとも一部を覆うようにして、形成することが好ましい。

これにより、接続体８による放熱の効果をより一層確実なものとすることができるとともに、接続体８によりボンディングワイヤ７の電極に対する機械的な接続の強度を補強する効果も得ることができ、光半導体素子４のリード端子２に対する電気的、機械的な接続の信頼性をより一層優れたものとすることができる。

また、接続体８の形状は、直方体状、円柱状、角柱状等の樹脂による形成が容易な形状であり、各端部に複数形成してもよい。

また、本発明の光半導体装置９において、光半導体素子４の上面の互いに対向する端部と、透光性蓋体３の下面のうち光半導体素子４の端部に対向する部位とを接続している樹脂から成る接続体８は、四角柱や円柱状の半硬化状態の樹脂を光半導体素子４の表面と透光性蓋体３の下面の距離よりも大きい高さに設定し、光半導体素子４の端部の受光エリア外の表面に位置させ、絶縁基体１の上面に透光性蓋体３を樹脂接合材１ｂで接合する際に、透光性蓋体３を絶縁基体１に加圧させ、本硬化させることにより、樹脂接続材８が光半導体素子４の上面と透光性蓋体３の下面とを押圧するように接続されるので、光半導体素子４および透光性蓋体３と樹脂接合材８とがより強く確実に密着するようになり、光半導体素子４と接続体８の間、接続体８と透光性蓋体３の間の熱の伝導をより効率よく行わせることができる。

本発明の光半導体装置９は、透光性蓋体３は、側面に全周にわたって透光性蓋体９よりも熱伝導率が高い枠状部（図示せず）が取着されているとともに、枠状部が絶縁基体１の上面に取着されており、接続体８の上端は枠状部に接続されていることが好ましい。

この構成により、接続体８を通って光半導体素子４から伝わって来た熱を、熱伝導率の高い枠状部を介してより効率よく外部に放出することができ、光半導体素子４が長期にわたってより一層確実に安定して作動することが可能な光半導体装置９を提供することができる。

枠状部は、（熱伝導の良い材料）鉄−ニッケル−コバルト合金や銅または銅系の合金等の金属材料や、炭素繊維を樹脂で結合して成る複合材料等から成り、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金や銅または銅系の合金の金属材料に打ち抜き加工やエッチング加工等の加工を施して所定の寸法の枠状に成形することにより製作される。枠状部の寸法は、内周の寸法が透光性蓋体４の外寸と同程度であり、外周の寸法が絶縁基体１の外寸と同じ程度、または、絶縁基体の上面の外周部が露出して樹脂接合材１ｂにメニスカスが形成される程度に、小さい寸法としておく。

透光性蓋体３の側面を枠状部に取着するには、有機樹脂接着材やガラス等の接合材を用いる。

また、本発明の光半導体装置９は、凹部の底面のリード端子２直下の部位から絶縁基体１の下面にかけて貫通孔１ｃが形成されているとともにその貫通孔１ｃに放熱部材５が嵌着されていることが好ましい。

これにより、光半導体素子４で発生した熱を放熱部材５を介して効果的に外部に放出することができ、光半導体素子４が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置９を提供することができる。

放熱部材５は、光半導体素子４で発生する熱の放熱性を良好とするうえでは、その体積が大きいほど好ましいものとなるが、大きくしすぎると、絶縁基体１の機械的強度を確保することが難しくなる。従って、放熱部材５の大きさはその体積が３〜１２０ｍｍ^３の範囲が好ましい。また、放熱部材５は、Ａｌあるいはその合金、銅（Ｃｕ）あるいはその合金が、熱伝導性が高いため好ましい。

なお、放熱部材５を絶縁基体１の貫通孔１ｃに嵌着させる方法としては、例えば、接着剤による接着、または絶縁基体１を樹脂成形する際に樹脂と放熱部材５とを一括成形する等の方法を用いることができる。

また放熱部材５は、円柱状、角柱状等の柱状や樽状の形状、または立方体、直方体、球形等の種々の形状とすることができるが、良好な熱伝導性を得るうえで柱状、立方体、直方体等の形状がよい。

また、放熱部材５の下端面は平坦面であることがよく、その場合、放熱部材５の下端面を外部のヒートシンクや回路基板等に接触させて熱を効率良く放熱させることができる。

また、放熱部材５の下端は絶縁基体１の下面から若干突出していることがよく、この場合、放熱部材５の下端を外部のヒートシンクや回路基板等に確実に接触させて熱を効率良く放熱させることができる。またこの場合、リード端子２のうち接地用のものを、金属から成る放熱部材５を介して外部回路の接地電極等に電気的に接続することもでき、安定した接地性を得ることができる。

さらに、放熱部材５は、絶縁基体１の凹部の底面のリード端子２の直下の部位であって、光半導体素子４の両端部の直下の部位に設けることが好ましい。これは、ラインセンサー，イメージセンサー等の光半導体素子４の熱発生量はその中央部よりも両端部で大きいことによる。

また、本発明の光半導体装置９は、絶縁基体１に形成された貫通孔１ｃは、絶縁基体１の上面側から下面側に向かうに伴って内寸法が漸次大きくなっていることが好ましい。この場合、貫通孔１ｃの内部に嵌着されている放熱部材５は伝熱方向に断面積が広がるような形状となるため、光半導体素子４で発生した熱を放熱部材５により一層効果的に外部に放出することができ、より確実に光半導体素子４が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置９を作製することができる。

また本発明の光半導体装置９は、貫通孔１ｃは、接続体８の下方に位置するようにして形成されていることが好ましい。

貫通孔１ｃを接続体８の下方に位置するようにして形成した場合、光半導体素子４の発熱量の多い端部の上下を挟むようにして放熱経路が形成されるので、光半導体素子４で発生した熱を直接、接続体８および放熱部材５の両方に効率良く伝えるとともに、接続体８および放熱部材５を介して極めて効果的に外部に放出することができ、より確実に光半導体素子が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何等差し支えない。

本発明の光半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁基体
１ｂ・・・樹脂接合材
１ｃ・・・貫通孔
２・・・リード端子
３・・・透光性蓋体
４・・・光半導体素子
５・・・放熱部材
７・・・ボンディングワイヤ
８・・・接続体
９・・・光半導体装置

Claims (4)

1. 上面に光半導体素子を収容し搭載するための凹部を有する樹脂製の絶縁基体と、該絶縁基体を貫通して前記凹部の内側から外側に導出されるように設けられたリード端子と、前記凹部の底面の搭載部に搭載されるとともに電極が前記リード端子に電気的に接続された光半導体素子と、前記絶縁基体の上面に前記凹部を塞ぐようにして取着された透光性蓋体とを具備した光半導体装置において、前記光半導体素子の上面の互いに対向する端部と前記透光性蓋体の下面の前記端部に対向する部位とが樹脂から成る接続体を介して接続されていることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記透光性蓋体は、側面に全周にわたって前記透光性蓋体よりも熱伝導率が高い枠状部が取着されているとともに、該枠状部が前記絶縁基体の上面に取着されており、前記接続体の上端は前記枠状部に接続されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記絶縁基体は、前記凹部の底面の前記リード端子直下の部位から前記絶縁基体の下面にかけて貫通孔が形成されているとともに該貫通孔に放熱部材が嵌着されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光半導体装置。
4. 前記貫通孔は、前記接続体の下方に位置するようにして形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光半導体装置。

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