JP2005311255A

JP2005311255A - 光半導体装置

Info

Publication number: JP2005311255A
Application number: JP2004129887A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Miura; 聡三浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】小型でかつ光半導体素子の気密封止の信頼性に優れた光半導体装置を提供すること。
【解決手段】光半導体装置８は、上面に受光部１ａが形成されている光半導体素子１と、光半導体素子１を取り囲む枠状とされ、内側面に光半導体素子１の側面が取着されている絶縁基体２と、絶縁基体２の光半導体素子１が取着されている部位の周辺から外側に導出されるとともに光半導体素子１に電気的に接続されている配線導体３と、絶縁基体２の上面に取着されて光半導体素子１の受光部１ａを気密封止する透光性蓋体６とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトダイオード，ラインセンサ，イメージセンサ等の受光素子である光半導体素子またはこれらの受光部を有する光半導体素子等を具備した光半導体装置に関する。

従来のフォトダイオード（ＰＤ），ラインセンサ，イメージセンサ等の受光素子である光半導体素子またはこれらの受光部を有する光半導体素子を具備した光半導体装置を構成する絶縁基体は、例えば上面に光半導体素子を収容するための凹部が形成されている。また、絶縁基体の凹部の内側から外側に配線導体が導出されている。

光半導体素子は、単結晶シリコン等の半導体基板の主面に受光素子とアンプ等の受光部を形成した構造であり、長期にわたり正常に受光させるためには、受光部を外気と遮断されかつ外部の光を受光できるような状態で封止する必要がある。

光半導体素子は絶縁基体の凹部内に収容されるとともに凹部の底面に樹脂接着剤等により接合されて搭載されており、その光半導体素子の上面の外周部等には電極が設けられている。光半導体素子の電極と上記配線導体のうち凹部の内側に露出した部位とが、Ａｕ，Ａｌ等から成るボンディングワイヤーにより電気的に接続される。また、透光性蓋体が絶縁基体の上面に凹部を塞ぐようにして接合材を介して取着されている。

このように従来の光半導体装置は、絶縁基体の凹部と透光性蓋体とにより構成される容器の内部空間に光半導体素子、特に受光部を気密封止することにより、光半導体装置の内部空間にゴミなどの異物が侵入することを防止するとともに、光半導体装置の内部空間を密閉空間とすることで、外部雰囲気の湿気が光半導体装置内に侵入するのを極力防ぐようにして、光半導体素子の耐久性を向上させるようにしている。

なお、一般的な光半導体装置では、外部機器との電気的接続を行うために絶縁基体の外周部に外部接続端子が配設されており、その外部接続端子は、配線導体のうち凹部の外側に導出された部位と接続され、配線導体等を介して電極パッドと接続されている。

そして、光半導体素子により透光性蓋体を通して外光を受光して変換されて生じた電気信号は、配線導体および外部接続端子を経由して光半導体装置の外部に配置された各種の機器や素子などに送られる。
特開平１０−１１６９４０号公報

しかしながら、従来の光半導体装置においては、絶縁基体の凹部と透光性蓋体とにより構成される容器の内部空間に光半導体素子を気密封止して形成されているため、光半導体素子を気密封止することができる程度に凹部の大きさ（平面面積および深さ）を確保する必要があること、光半導体素子の電極と電気的に接続される配線導体を露出させるだけのスペースを凹部の内側に確保する必要があること等から、そのような凹部の形成される絶縁基体の小型化が難しいという問題があった。

従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、小型で、かつ光半導体素子の気密封止の信頼性に優れた光半導体装置を提供することである。

本発明の光半導体装置は、上面に受光部が形成されている光半導体素子と、該光半導体素子を取り囲む枠状とされ、内側面に前記光半導体素子の側面が取着されている絶縁基体と、該絶縁基体の前記光半導体素子が取着されている部位の周辺から外側に導出されるとともに前記光半導体素子に電気的に接続されている配線導体と、前記絶縁基体の上面に取着されて前記光半導体素子の受光部を気密封止する透光性蓋体とを具備し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、上面に受光部が形成されている光半導体素子と、光半導体素子を取り囲む枠状とされ、内側面に光半導体素子の側面が取着されている絶縁基体と、絶縁基体の光半導体素子が取着されている部位の周辺から外側に導出されるとともに光半導体素子に電気的に接続されている配線導体と、絶縁基体の上面に取着されて光半導体素子の受光部を気密封止する透光性蓋体とを具備していることから、光半導体素子の受光部は、光半導体素子の側面が取着されている枠状の絶縁基体と、光半導体素子自体とにより形成される密閉空間内に気密封止されるため、光半導体素子を収容するための大きな凹部を絶縁基体に形成する必要は無く、絶縁基体を小型化し、光半導体装置を小型化することができる。

また、光半導体素子は、その側面が、光半導体素子を取り囲んでいる枠状の絶縁基体の内側面に取着されているので、光半導体素子の全周にわたって絶縁基体との間に隙間を生じることなく光半導体素子を絶縁基板に取着して密閉空間を形成し、光半導体素子の受光部を確実に気密封止することができる。

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について実施の形態の例を示す断面図である。図１において、１は光半導体素子、２は絶縁基体、３は配線導体、６は透光性蓋体である。これらの光半導体素子１、絶縁基体２、配線導体３および透光性蓋体６により、光半導体装置８が主に構成されている。

光半導体素子１は、単結晶シリコン等の半導体基板から成り、上面に受光素子とアンプ等から成る受光部１ａが設けられており、上面の外周部には電極（図示せず）が設けられている。この受光部１ａで光を受光し、半導体基板に形成された光電変換回路で光を電気信号に変換し、その電気信号を電極から外部に供給する機能を有している。

光半導体素子１は、ＰＤ，ラインセンサ，イメージセンサ，ＣＣＤ（Charge Coupled Device），ＥＰＲＯＭ（Erasable and Programmable ＲＯＭ）等の受光素子、またはこれらの受光部を有する光半導体素子からなるものである。

絶縁基体２は、光半導体素子１を取り囲む枠状とされ、内側面に光半導体素子１の側面が取着されている。この絶縁基体２は、アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウムセラミックス，炭化珪素セラミックス，窒化珪素セラミックス，ガラスセラミックス等のセラミックス、樹脂等から成る。絶縁基体２は、例えばアルミナ質焼結体から成る場合、アルミナ，ガラス等の原料粉末を有機溶剤，バインダー等とともにシート状に成形して複数のセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を作製し、次に、グリーンシートに打ち抜き加工を施して枠状に成形し、その後、枠状のグリーンシートを積層するとともに約１３００〜１６００℃の温度で焼成することにより形成される。

光半導体素子１の側面の絶縁基体２の内側面に対する取着は、エポキシ樹脂等の樹脂や低融点ガラス、Ａｕ−Ｓｉ合金ろう材等のろう材等の接着剤４を介して接合することにより行われる。また、光半導体素子１の側面の絶縁基体２の内側面に対する取着は、例えば樹脂を介して接合することにより行なう場合であれば、未硬化の樹脂を間に挟んで光半導体素子１の側面を絶縁基体２の内側面の所定位置に位置決めし、その後樹脂を加熱硬化させることにより行うことができる。なお、樹脂は、上記のような熱硬化型のものに限らず、紫外線等の光で硬化する光硬化型のものでもよい。光硬化型の樹脂を用いた場合、光半導体素子１に熱が加わり難いため、受光部１ａに歪み等の不具合が生じることが効果的に防止され、受光の精度をより確実に良好に確保することができる。

また、光半導体素子１の側面の絶縁基体２の内側面に対する取着は、接着剤を介して接合する手段に限らず、光半導体素子１の外形寸法と絶縁基体２の内側面の寸法とを同じにしておいて、両者を嵌合させるような手段でもよい。

この場合、受光部１ａを封止する空間の気密性を確保するために、嵌合面の上端部や下端部に沿って樹脂やガラス等を塗布し、塞いでおく必要がある。

本発明において、図１に示すように、光半導体素子１の下面が絶縁基体２の下面よりも上側に位置するのがよい。これにより、光半導体装置８の取り扱い中に誤って光半導体素子１の下面が外部装置や治具等にぶつかるようなことを有効に防止することができ、光半導体素子１にカケやクラック等の機械的な破壊が生じることを効果的に防止することができる。この場合、光半導体素子１の下面と絶縁基体２の下面との高さの差を０．３ｍｍ以上とするのが良く、上記のような光半導体素子１の機械的な破壊等の不具合をより確実に防止することができる。さらに、光半導体装置８の低背化等も考慮すると、上記高さの差は０．３乃至０．６ｍｍがより好ましい。

また、絶縁基体２は、予め枠状に形成されてその内側面に光半導体素子１を取着するものに限らず、図２に示すように、絶縁基体２が複数の部材から成るようにしてもよい。即ち、平面視での形状が長板状やＬ字状の複数の部材を作製し、それぞれの内側面に光半導体素子１の側面を取着する際に各部材同士を接合して枠状に形成するようにしてもよい。この場合、部材の形状や組み合わせ方を変えることにより、種々の形状や大きさの光半導体素子に対応して絶縁基体２を形成することがより容易になる。

図２（ａ）は、四角枠状の絶縁基体２が各側壁を成す４つの板状の部材を接合して成り、各部材の端面同士を接合して成る構成を示す。図２（ｂ）は、四角枠状の絶縁基体２が２側壁を成す平面視形状がＬ字状（鉤状）の２つの部材を接合して成る構成を示す。図２（ｃ）は、四角枠状の絶縁基体２が各側壁を成す４つの板状の部材を接合して成り、或る部材の端面を隣接する部材の内側主面の端部に接合するとともに、或る部材の内側主面の端部を他の隣接する部材の端面に接合して成る構成を示す。

なお、図２は、本発明の光半導体装置８を上記のように絶縁基体２を部材に分割した形態で製作する際の工程を模式的に示した平面図であり、図２において図１と同じ部位には同じ符号を付している。

また、絶縁基体２の光半導体素子１が取着されている部位の周辺から外側に、配線導体３が導出されている。配線導体３は、ボンディングワイヤー５を介して光半導体素子１の電極と電気的に接続されている。光半導体素子１の電極と配線導体３との接続は、ボンディングワイヤー５により行うものに限らず、いわゆるリボン等の帯状の接続線等を用いてもよい。

配線導体３は、絶縁基体２の光半導体素子１が取着されている部位の周辺、例えば絶縁基体２の上面の内周部であって光半導体素子１の上面の外周部に形成されている電極との間の距離が最短になるような部位（例えば平面視で複数の電極に沿った直線上に連なるような部位等）から、絶縁基体２の内部や側面を通り絶縁基体２の下面に導出されている。この導出部分が、半田等の導電性の接続材を介して外部電気回路と電気的に接続される。配線導体３の導出部分と外部電気回路との電気的接続は、予め配線導体３の導出部分に金属バンプやリード端子等の接続端子（図示せず）を取着しておき、この接続端子を介して行なうようにしてもよい。

なお、上記のようにボンディングワイヤー５を配線導体３に接続する場合、配線導体３のうちボンディングワイヤー５が接続される部位は、絶縁基体２の上面に位置するようにしておくことが好ましい。これにより、従来のように、ボンディングワイヤー５が接続される配線導体３を露出させるだけのスペースを光半導体素子１の受光部１ａが気密封止されている空間の内側に確保する必要がなくなるので、光半導体装置８をより有効に小型化することができる。

またこの場合、後述するように、絶縁基体２の上面には透光性蓋体６が取着されるので、例えば、透光性蓋体６を樹脂から成る接着剤７で接着するとともに、その接着剤７によってボンディングワイヤー５と配線導体３との接続部分を被覆するのが良く、その場合、配線導体３とボンディングワイヤー５との間の機械的な接続をより強固なものとすることができ、両者間の電気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。その結果、より一層確実に、小型でかつ電気的な接続の信頼性に優れた光半導体装置８を提供することができる。

そして、配線導体３に電気的に接続された光半導体素子１の電極は、配線導体３を介して外部電気回路と電気的に接続されることになる。この配線導体３は、タングステン，モリブデン，銅，銀等のメタライズ導体等により形成されている。そして、配線導体３は、例えば絶縁基体２となるグリーンシートに予め所定のスルーホールを形成し、タングステン，モリブデン，銅，銀等の金属ペーストをグリーンシートの表面およびスルーホールの内面に印刷塗布したり充填しておくことにより形成される。

絶縁基体２の上面には、ガラス，石英，サファイア，透明樹脂等から成る透光性蓋体６が取着されている。透光性蓋体６の絶縁基体２に対する取着は、例えば、樹脂から成る接着剤７等を介して接着することにより行なわれる。

上述のように、透光性蓋体６と絶縁基体２とを接着する接着剤７でボンディングワイヤー５の配線導体３との接続部分とを被覆する場合、接着剤７は電気絶縁性のものに特定される。

また、接着剤７は、受光部１ａを気密封止している空間内に外気中の水分が侵入するのを防止するために、シリカ等の吸湿材を粉状にして含有させたり、空間の内側の表面に層状に被着させておいたりしてもよい。

透光性蓋体６は、光半導体素子１の上面の受光部１ａを気密封止する機能をなし、内側面に光半導体素子１が取着された絶縁基体２の上面に透光性蓋体６を取着することにより、光半導体素子１自体と絶縁基体２と透光性蓋体６とから成る容器の内部に光半導体素子１の受光部１ａが気密封止され光半導体装置８が形成される。この光半導体装置８は、画像認識装置，センサ等の光学機器や電子機器の部品として使用される。例えば、光学機器や電子機器を構成する外部電気回路基板の所定位置に実装され、外光を受光するとともに光半導体素子１で電気信号に変換し、その電気信号を光学機器や電子機器を構成する外部電気回路基板に供給する。

本発明の光半導体装置８によれば、上記の構成により、光半導体素子１の受光部１ａは、光半導体素子１の側面が取着されている枠状の絶縁基体２と、光半導体素子１自体とにより形成される密閉空間内に気密封止されるため、光半導体素子１を収容するための大きな凹部を絶縁基体２に形成する必要は無く、絶縁基体２および光半導体装置８を小型化することができる。

また、光半導体素子１は、その側面が光半導体素子１を取り囲んでいる枠状の絶縁基体２の内側面に取着されているので、光半導体素子１の全周にわたって絶縁基体２との間に隙間を生じることなく光半導体素子１を絶縁基体２に取着して密閉空間を形成し、光半導体素子１の受光部１ａを確実に気密封止することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

例えば、光半導体素子１の下面の受光部１ａと対向する部位に、樹脂，セラミックス，ガラス，ガラスセラミックス等から成る絶縁層や絶縁板、または銅，銀，金，アルミニウム，タングステン，モリブデン等から成る導体層や導体板を設けもよい。この場合、光半導体素子１の上面に受光部１ａを形成したことによって上面に加わる応力で上面が反るのを、下面に絶縁層等を形成することで相殺し、光半導体素子１の上下面の反りを小さくすることができる。

また、光半導体素子１の下面の受光部１ａと対向する部位に上記の導体層や導体板を設けた場合、光半導体装置８が搭載される外部電気回路基板の導体層と対向するように上記の導体層や導体板を配置するとよく、その場合、上記の導体層や導体板と外部電気回路基板の導体層との間で電気的な容量を発生させて、余計な直流成分をカットするデカップリングコンデンサを構成したり、電気的なフィルタを構成することもできる。さらに、この場合、上記の導体層や導体板の表面にチタン酸バリウム，チタン酸ストロンチウム等の高誘電体層を形成してもよく、大容量のデカップリングコンデンサを構成したり、高特性のフィルタを構成することもできる。

本発明の光半導体装置の実施の形態の例を示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、図１の光半導体装置において絶縁基体が複数の部材から成る３種の場合の製造工程をそれぞれ示す平面図である。

符号の説明

１・・・光半導体素子
１ａ・・・受光部
２・・・絶縁基体
３・・・配線導体
４・・・接着剤
５・・・ボンディングワイヤー
６・・・透光性蓋体
７・・・接合材
８・・・光半導体装置

Claims

上面に受光部が形成されている光半導体素子と、該光半導体素子を取り囲む枠状とされ、内側面に前記光半導体素子の側面が取着されている絶縁基体と、該絶縁基体の前記光半導体素子が取着されている部位の周辺から外側に導出されるとともに前記光半導体素子に電気的に接続されている配線導体と、前記絶縁基体の上面に取着されて前記光半導体素子の受光部を気密封止する透光性蓋体とを具備していることを特徴とする光半導体装置。