JP2007242642A - 受光素子、光ヘッド装置、及び光情報処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】中空の受光素子をリフローにより半田付けしようとすると、温度上昇により内部の圧力が上がり、封止しているガラスが外れてしい、他の部品と同時に部品実装ができない。
【解決手段】入射する光を電気信号に変換する半導体チップと、前記半導体チップを保持すると同時に前記半導体チップからの電気信号を入出力するための端子となる金属フレームと、前記半導体チップへ入射する光が通過する側に配置された透光性ガラス平板と、
前記半導体チップへ入射する光が通過する側以外の側面を備え、前記半導体チップを囲むように金属フレームと一体になったパッケージを備え、前記透光性ガラス平板と前記パッケージが接着剤で固定されることで、半導体チップを含む空間が密閉されている構造であって、前記空間内の気圧が常温で１気圧よりも減圧されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ディスクあるいは光カードなど、光媒体もしくは光磁気媒体上に情報の記録・再生あるいは消去を行う光情報処理装置に関する物であって、特に光媒体もしくは光磁気媒体からの反射光を受光し電気信号に変換する光ヘッド装置とそれに用いられる受光素子に関するものである。
高密度・大容量の記憶媒体として、ピット状パターンを有する光ディスクを用いる光メモリ技術は、ディジタルオーディオディスク、ビデオディスク、文書ファイルディスク、さらにはデータファイルなどその応用が拡大しつつある。この光メモリ技術では、情報は微小に集光された光ビームを介して光ディスクへ高い精度と信頼性をもって記録再生される。この記録再生動作は、ひとえにその光学系に依存している。
その光学系の主要部である光ヘッドの基本的な機能は、光源からの光で回折限界の微小スポットを形成する収束、前記光学系の焦点制御とトラッキング制御及びピット信号の検出、に大別される。これらの機能は、その目的と用途に応じて各種の光学系と光電変換検出方式の組み合わせによって実現されている。
光学系の基本をなす要素の１つとして受光素子があげられるが、これは、記録媒体で反射し情報信号および焦点制御とトラッキング制御に必要な信号成分を含んでいる光を、受光し光電変換をおこない、記録再生に必要な信号を取り出すためのものである。
また、光源から出射される光の一部を受光して光源の出力を制御する場合にも受光素子が用いられる。
光ヘッド用の受光素子は一般に半導体によって光電変換しており、半導体チップ上に受光領域と必要に応じて付属する回路とが作り込まれた構造となっており、さらに外部からの接触や空気中の水分による劣化から保護するために半導体チップは封止され外部と遮断されている。
また、半導体チップの電気信号の入出力のために光ヘッド上の他の電気部品と同様にフレキシブルプリンティングサーキット（以下ＦＰＣと省略）に半田付けされている。
高信頼性をもって情報の記録再生を行うために、当然ながら受光素子についても信頼性の高いものが要求される。
一方で市場の拡大に伴い価格の低廉化も要求され、光ヘッド装置に搭載する際にも低コストに行えることが要求される。そのため、受光素子をＦＰＣに半田付けする際にも、抵抗、コンデンサー、ＩＣなどの他の一般の電気部品と同時にリフロー半田付けできることが必要となる。
この受光素子の従来の一実施の形態について図６を用いて説明する。
図６は従来の一実施の形態による受光素子を示す断面図である。
半導体チップ５１はリードフレーム５４上に固定されている。リードフレーム５４は金属で構成され、受光素子全体を図示しないＦＰＣ等へ半田付けにより位置の固定を行うとともに、電気信号および電力の入出力用の端子となっている。５５はボンディングワイヤーで半導体チップ５１上の電極とリードフレーム５４との間に配線され半導体チップ５１とリードフレーム５４の間を電気的に接続する。
半導体チップ５１は空気中の水分や組立時の外部からの接触によって破壊や変質をする可能性があるため、外部と遮断するために封止する必要がある。
そこで透光性樹脂５２を溶けた状態で半導体チップ５１、リードフレーム５４およびボンディングワイヤー５５があらかじめセットされた金型に射出し、成形され封止する。
そのため、透光性樹脂５２は光束５６に使用される光の波長に対して必要な透過率を備えていると共に、成形製の良い樹脂を使用する必要がある。
この透光性樹脂５２は透光性及び成形性を優先する必要があり、熱に対して強い物を優先して選択できない。
そのため、リフロー半田をしようとすると、その時の熱で溶けたり変質したりする。
それを防ぐために、アルミ膜５７を蒸着し、熱線を反射するようにすることでリフロー時に受光素子が吸収する熱を減らし、リフロー半田を可能としている（例えば特許文献１参照）。
但し、この場合リード部や雰囲気からの熱は防ぐことができない。
また、図示しない光ディスクから反射してきた信号成分を含む光束５６は透光性樹脂５２を通って半導体チップ５１上の光電変換領域に到達し光電変換され、ボンディングワイヤー５５を通しリードフレーム５４から所要の信号として取り出される。
半導体チップ５１上の光電変換領域は必要に応じて様々な形状で構成されており、図示しない光学系によって作り出される光束５６のプロファイルとの組み合わせで、所望の信号を作り出すことができる。
そのため、透光性樹脂５２のうち光束５６の通過する領域６１は光束５６のプロファイルに悪影響を与えないように平面となっている。
但し、上記の構成では、透過性樹脂５２の表面のうち光があたる領域６１が空気に触れているため、高いエネルギーの光、特に波長４２０ｎｍ以下の青色光などが当たった場合、透光性樹脂５２とその付近の空気中の酸素が反応して、光が当たる部分の透光性樹脂５２が分解、昇華し、透光性樹脂の表面の形状が変形するので、その部分を通過する光束５６の光路に影響が出て、正しいプロファイルのまま光電変換領域に到達することができなくなってしまう。
そうすると所望の信号が得られなくなり、記録再生時のサーボ特性を悪化させる。また、再生信号の品質を悪化させてしまう。
そこで光が当たっても変質しない材料で封止する必要があり、例えば光が透過する側にはガラス平板を配置し、光が透過する側以外の面を覆うパッケージに接着剤で固定し、密閉した中空状態にするような構造が取られる。
実開平１−１４０８３６号公報
しかしながら上記の構成では、受光素子の内部に密閉された空間ができているため、リフロー半田付け時の熱によって内部の空間の気体が膨張しその圧力によってガラス平板内部から押されてはずれてしまい、受光素子の信頼性を損ねてしまうため、リフローによる半田付けができない。そのため、半田付けのためには受光素子全体の温度上昇を抑えるため、他の部品のリフロー半田付けが終わった後で、受光素子のみを、はんだごてを用いてリード部のみを加熱しながら半田付けする必要があり、光ヘッドの低コスト化の妨げとなる。
本発明は、上記の問題点を解決するもので、ガラス板封止による中空パッケージでのリフローによる半田付けを可能とすることで、低コストで部品実装可能な受光素子、及び低コストな光ヘッド装置及び光情報処理装置を提供することを目的とする。
この目的のために本発明は、光電変換を行う半導体チップをガラス平板とパッケージと接着剤で封止する際に、内部の空間の気圧を１気圧よりも減圧していることを特徴とする受光素子である。
また、光電変換を行う半導体チップをガラス平板とパッケージと接着剤で封止する構造で、パッケージの一部に柔構造の部分を設けたことを特徴とする受光素子である。
また、光電変換を行う半導体チップをガラス平板とパッケージと接着剤で封止する構造で、パッケージの一部に温度によって開閉する弁を設けたことを特徴とする受光素子である。
また、上記受光素子を備えた、記録再生可能な光ヘッド装置である。
また、上記光ヘッドを備えた、光情報処理装置である。
以上のように本発明によれば、光電変換を行う半導体チップをガラス平板とパッケージと接着剤で封止する際に、内部の空間の気圧を１気圧よりも減圧することによって、リフロー半田付けを可能にし、低コストに半田付けができる受光素子を提供することができる。
また、本発明の受光素子を用いることにより、低コストな光ヘッド装置を提供することができる。
また、本発明の光ヘッド装置を用いることにより、低コストな光情報処理装置を提供することができる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図１を用いて説明する。
図１は実施の形態１における受光素子の断面図である。
図１において１は半導体チップである。２はパッケージ、３はガラス平板、４はリードフレーム、５はボンディングワイヤーである。６は光束である。７はパッケージ２とガラス平板３に囲まれた空間である。８はガラス平板３とパッケージ２を接着している接着剤である。
半導体チップ１は、光を受けて電流を発生する光電変換領域と、必要に応じてその電流を所望の電気信号に変換する回路が作りこまれている。
リードフレーム４は受光素子を図示しないＦＰＣ等に半田付けにより固定するとともに、電気信号の入出力を行う端子になっている。
半導体チップ１とリードフレーム４の間はボンディングワイヤー５によって電気的に接続されており、半導体チップ１で光電変換によって得られた電気信号や、半導体チップ１に供給される電力が流れる。
パッケージ２はリードフレーム４を含んで成形されている。
パッケージ２は光を通す必要はないため、成形性や耐熱性を優先して選んで用いることができる。
半導体チップ１はパッケージ２の内部に配置され、パッケージ２の開口は半導体チップ１に入射する光を妨げないようガラス平板３でふさがれ、接着剤８によってパッケージ２に固定されて、空間７は外部から遮断されている。
光束６には図示しない光学系によって所望のプロファイルが与えられており、半導体チップ１上の光電変換領域の形状との関係で所望の電気信号が得られる。
ここでガラス平板３が固定されるときに、空間７の気圧が室温で１気圧より低くなるようにしておくことで、リフロー半田によるＦＰＣへの半田付け時にリフローの熱により空間７の空気が膨張しようとして内圧が上昇してもガラス平板３への負荷は小さくて済み、ガラス平板３が外れたり破損したりすることを防ぐことができるので、他の電気部品と同時にリフローが可能となるので、低コストに半田付けが可能となる。
また、リフロー半田付け時の温度は一般に最高６００Ｋ位であるから、室温を概ね３００Ｋとすれば、空間７の体積は一定であるので、気圧を０．５気圧以下にしておけば、リフロー時の最高温度になった時でも１気圧を超えることはなく、ガラス平板３を内側から押すような力は発生せず、接着剤８の強度が弱くてもガラス平板３が外れたりせず、リフローによる半田付けが可能となる。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図２を用いて説明する。
図２は実施の形態２における受光素子を示す断面図である。
図２において図１と同じ機能を有する構成部材については同じ記号を付与して説明を省略する。
図２において９は柔構造部である。
柔構造部９は弾力を持った素材から構成されており、周辺はパッケージ２に固定されている。
ここで、リフロー半田によるＦＰＣへの半田付けを行うと、リフローの熱により温度が上昇し、空間７の空気が膨張して内圧が上昇するが、その圧力に応じて変形するように柔構造部９の堅さを選択しておく。
そうすれば柔構造部９が外向きに変形することで空間７の体積が増し、内部の圧力の上昇を抑制することができるので、ガラス平板３が外れたり破損したりすることを防ぐことができ、他の電気部品と同時にリフローが可能となって、低コストに半田付けが可能となる。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図３を用いて説明する。
図３は実施の形態３における受光素子を示す断面図である。
図３において図１と同じ機能を有する構成部材については同じ記号を付与して説明を省略する。
図３において１０は弁である。
弁１０は温度によって開閉する構造になっており、ある温度以下では閉じており受光素子の内部の空間７は外部と遮断されているが、ある温度以上では開き、受光素子内部の空間７と外部の空気は自由に出入りできる状態になる。
ここで弁１０の開閉する温度は受光素子を使用する温度もしくは保存する時の温度の上限より高くかつリフロー半田付けの温度より低い温度になるように設定する。
例えば受光素子の使用される装置について一般的な民生機器の場合、使用及び保存される温度は約１００℃が上限であり、またリフロー半田付け時の最高温度は２４０℃以上くらいであるから、弁１０の開閉する温度を１５０〜２００℃になるようにしておく。
そうすることで、受光素子の使用時及び保存時には弁１０は閉じているため、湿度やほこりの進入は発生せず信頼性は確保され、リフロー半田付け時に温度が上がった時にのみ弁１０が開いて内圧は上昇を防ぐので、ガラス平板３が内側から押されて外れることはない。
なお、弁構造１０にはバイメタルのように温度によって変形する金属を用いることができる。
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について、図４を用いて説明する。
図４は実施の形態４における光ヘッド装置を示す構成図である。
図４において２１は半導体レーザー、２２は半導体レーザー２１から出射されたレーザー光である。２３は集光レンズ、２４は立ち上げミラー、２５は対物レンズ、２６は光ディスクである。２７はビームスプリッターであり、復路光を分離する作用を有する。２８は受光素子であり、本発明の実施の形態１から３のいずれかで説明した受光素子が使用されている。
再生時には半導体レーザー１から出射した波長４０５ｎｍのレーザー光２２が集光レンズ２３により平行光となり、立ち上げミラー２４により光路を折り曲げられ、対物レンズ２５に入射する。対物レンズ２５により光ディスク２６に集光される。光ディスク２６により反射された光は対物レンズ２５、立ち上げミラー２４、集光レンズ２３を逆に戻り、ビームスプリッター２７で反射されて受光素子２８によって光電変換されて電気信号として検出される。受光素子２８により光電変換され検出された電気信号は光ディスク上のピット列のＲＦ信号や、ピット列のトレースを行うためのサーボ信号として用いられる。
記録時においても動作は基本的に同じであるが、半導体レーザー２１から出射する光量が大きく、光ディスク２６に記録が行われる。
本光ヘッド装置は本発明の受光素子を用いているので、部品の半田付け時にリフローを用いることができ、低コストな光ヘッド装置を提供できる。
なお、本実施の形態では本発明の受光素子をＲＦ信号やサーボ信号の検出用に用いているが、光源の出力制御のためのモニター信号検出用として用いても構わない。
（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５について、図５を用いて説明する。
図５は実施の形態５における光情報処理装置の構成図である。
図５において、３１は本発明の実施の形態４で説明した光ヘッド装置であり、２６は光ディスク、３２はモーターであり、光ディスク２６を支持し、回転させる。３３は回路基板であり、３４は電源装置である。
光ディスク２６はモーター３２によって回転される。光ヘッド装置３１は、光ディスク２６との位置関係に対応する信号を回路基板３３へ送る。回路基板３３はこの信号を演算して、光ヘッド装置３１もしくは光ヘッド装置３１内の対物レンズを微動させるための信号を出力する。光ヘッド装置３１もしくは光ヘッド装置３１内の対物レンズは、図示しない駆動機構によって、光ディスク２６に対してフォーカスサーボとトラッキングサーボを行い、光ディスク２６から情報の再生、または光ディスク２６に対して情報の記録もしくは消去を行う。３４は電源または外部電源との接続部であり、ここから回路基板３３，光ヘッド装置３１、モーター３２及び対物レンズ駆動装置へ電気を供給する。なお、電源もしくは外部電源との接続端子は各駆動回路にそれぞれ設けられていても何ら問題ない。
本光情報処理装置は本発明の光ヘッド装置を用いているので、他の部品と同時にリフローによる半田付けが可能なため、低コストな光情報処理装置を提供できる。
本発明は、ガラス板封止による中空パッケージでのリフローによる半田付けを可能とする受光素子に適用が可能であり、更には、この受光素子を用いて光ディスクあるいは光カードなど、光媒体もしくは光磁気媒体上に情報の記録・再生あるいは消去を行う光情報処理装置に適用が可能である。
本発明の実施の形態１における受光素子を示す断面図 本発明の実施の形態２における受光素子を示す断面図 本発明の実施の形態３における受光素子を示す断面図 本発明の実施の形態４における光ヘッド装置を示す構成図 本発明の実施の形態５における光情報処理装置の示す構成図 従来の受光素子の断面図
符号の説明
１ 半導体チップ
２ パッケージ
３ ガラス平板
４ リードフレーム
５ ボンディングワイヤー
６ 光束
７ 空間
８ 接着剤

Claims (7)

  1. 入射する光を電気信号に変換する半導体チップと、
    前記半導体チップを保持すると同時に前記半導体チップからの電気信号を入出力するための端子となる金属フレームと、
    前記半導体チップへ入射する光が通過する側に配置された透光性ガラス平板と、
    前記半導体チップへ入射する光が通過する側以外の側面を備え、前記半導体チップを囲むように金属フレームと一体になったパッケージを備え、
    前記透光性ガラス平板と前記パッケージが接着剤で固定されることで、半導体チップを含む空間が密閉されている構造であって、
    前記空間内の気圧が常温で１気圧よりも減圧されていることを特徴とする受光素子。
  2. 前記空間の気圧が常温で０．５気圧以下であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  3. 入射する光を電気信号に変換する半導体チップと、
    前記半導体チップを保持すると同時に前記半導体チップからの電気信号を入出力するための端子となる金属フレームと、
    前記半導体チップへ入射する光が通過する側に配置された透光性ガラス平板と、
    前記半導体チップへ入射する光が通過する側以外の側面を備え、前記半導体チップを囲むように金属フレームと一体になったパッケージを備え、
    前記透光性ガラス平板と前記パッケージが接着剤で固定されることで、半導体チップを含む空間が密閉されている構造であって、
    前記パッケージの一部に柔構造部が設けられていることを特徴とする受光素子。
  4. 入射する光を電気信号に変換する半導体チップと、
    前記半導体チップを保持すると同時に前記半導体チップからの電気信号を入出力するための端子となる金属フレームと、
    前記半導体チップへ入射する光が通過する側に配置された透光性ガラス平板と、
    前記半導体チップへ入射する光が通過する側以外の側面を備え、前記半導体チップを囲むように金属フレームと一体になったパッケージを備え、
    前記透光性ガラス平板と前記パッケージが接着剤で固定されることで、半導体チップを含む空間が密閉されている構造であって、
    前記パッケージの一部に温度によって開閉する弁が設けられており、高温時に開動作し、低温時に閉動作することを特徴とする受光素子。
  5. 前記弁の開閉する温度が１５０〜２００℃であることを特徴とする請求項４記載の受光素子。
  6. 請求項１〜５記載のいずれかの受光素子を備えたことを特徴とする光ヘッド装置。
  7. 請求項６記載の光ヘッド装置を備えたことを特徴とする光情報処理装置。
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