JP2008109048A - 光半導体装置及び光伝送装置 - Google Patents

光半導体装置及び光伝送装置 Download PDF

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Abstract

【課題】実装領域を抑えることが可能な光半導体装置を提供する。
【解決手段】光半導体素子２１と、光半導体素子２１が設けられ、光半導体素子２１と電気的に接続された内部リード１１と、上半部の凸型の曲面部３５ｂと曲面部３５ｂに連続する下半部の平面部３５ａからなる側面、及び、光半導体素子２１の光を出射または入射する機能領域２３の表面に対向する下半部の底面で構成される挿着穴３５が設けられ、光半導体素子２１及び内部リード１１を封止する、出射または入射する光に透明な封止樹脂３１と、内部リード１１に接続された表面実装が可能な外部端子１３とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体装置及び光伝送装置に関する。
光半導体チップ（光半導体素子）を樹脂モールド（封止樹脂）により封止したケース（外囲器）に入れて、このケースには光半導体チップと同軸とし且つ底面で対峙する光ファイバ挿着孔が設けられて、光ファイバ接続用光半導体素子と光ファイバとが直接に接合される光伝送装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術により、光コネクタを不要とすることが可能となる。
しかしながら、開示された光伝送装置は、光半導体素子に接続する外部リードが差込型であり、また、光ファイバは、従来のＰＯＦや石英ガラスファイバを想定しているために、光の出射または入射方向に長く伸び、実装には差込型リードに合わせた基板が必要であり、光ファイバの側には、比較的大きな実装空間が必要であるという問題があった。
特開平１０−２４２５２５号公報
本発明は、実装領域を抑えることが可能な光半導体装置及び光伝送装置を提供することを目的とするものである。
本発明の一態様の光半導体装置は、光半導体素子と、前記光半導体素子が設けられ、前記光半導体素子と電気的に接続された内部リードと、上半部の凸型の曲面部と前記曲面部に連続する下半部の平面部からなる側面、及び、前記光半導体素子の光を出射または入射する機能領域の表面に対向する下半部の底面で構成される挿着穴が設けられ、前記光半導体素子及び前記内部リードを封止する、出射または入射する光に透明な封止樹脂と、前記内部リードに接続された表面実装が可能な外部端子とを具備したことを特徴とする。
また、本発明の別態様の光伝送装置は、光半導体素子と、前記光半導体素子が設けられ、前記光半導体素子と電気的に接続された内部リードと、前記光半導体素子及び前記内部リードを封止し、出射または入射する光に透明な封止樹脂と、前記光半導体素子の光を出射または入射する機能領域の表面に対向して一端面が配設され、前記一端面に連続する前記表面に垂直で中心を通る軸に平行な部分、及び、前記平行な部分に連続する前記平行な部分と一定の角度を有する直線部分が、前記封止樹脂に接触して固定された光伝送媒体と、前記内部リードに接続された表面実装が可能な外部端子とを具備したことを特徴とする。
本発明によれば、実装領域を抑えることが可能な光半導体装置及び光伝送装置を提供することができる。
以下本発明の実施例について、図を参照して説明する。以下に示す図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。
本発明の実施例１に係る光半導体装置及び光伝送装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は光半導体装置の構成を模式的に示すもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２は光伝送装置の構成を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、光半導体装置５は、光半導体素子２１と、光半導体素子２１が設けられ、光半導体素子２１と電気的に接続された内部リード１１と、上半部の凸型の曲面部３５ｂと曲面部３５ｂに連続する下半部の平面部３５ａからなる側面、及び、光半導体素子２１の光を出射または入射する機能領域２３の表面に対向する下半部の底面で構成される挿着穴３５が設けられ、光半導体素子２１及び内部リード１１を封止する、出射または入射する光に透明な封止樹脂３１と、内部リード１１に接続された表面実装が可能な外部端子１３とを備えている。
光半導体素子２１は、光半導体装置５が送信装置の場合、発光素子であり、例えば、ＬＥＤあるいはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を含むＬＤ（Laser Diode）等であり、光半導体装置５が受信装置の場合、受光素子であり、例えば、ＰＤ等である。発光素子は、近赤外光または赤色等の可視光を出射し、一方、受光素子は使用される光に十分な感度を有する、例えば、シリコンＰＤである。発光素子及び受光素子は、それぞれ、発光及び受光の機能領域２３の表面側中心を外して、ボンディング用のパッド（図示略）が形成されている。
内部リード１１及び外部端子１３は、Ｃｕ、Ｃｕを主成分とする合金、及び、Ｆｅ−Ｎｉ合金（例えば、４２アロイ）等からなるリードフレームの一部をなし、打ち抜きまたはエッチング等で所望の形状が形成されて、光半導体素子２１に信号（または、電源）供給可能な２端子構成をなす。図１（ａ）に示すように、光半導体素子２１が平面図のほぼ中央の一方の内部リード１１の一定位置に固定され、光半導体素子２１の裏面が内部リード１１に対して電気的に接続されている。光半導体素子２１の表面の周辺部と他方の内部リード１１がボンディングワイヤ、例えば、Ａｕワイヤ２７を介して接続されている。なお、図１（ｂ）に示されるＡｕワイヤ２７は、断面図には表れないが、断面近傍にあるので、正面図に相当する位置に破線で追加してある。
外部端子１３は内部リード１１に接続され、外部端子１３の端部は、内部リード１１の光半導体素子２１の塔載面とは反対側に、それぞれ、「コ」字形に曲げられて、実装時に表面実装が可能な接続端子を構成している。
内部リード１１、光半導体素子２１、及びＡｕワイヤ２７等は、使用する光に実質的に透明な封止樹脂３１で封止されている。封止樹脂３１は、例えば、エポキシ樹脂である。封止樹脂３１の上面から、フィルム状光導波路またはＰＯＦ等の光伝送媒体を差し込むための挿着穴３５が形成されている。
挿着穴３５の下半部は、光半導体素子２１の直上にあり、４角柱がほぼ過不足なく収納される矩形の底面及び４つの平面部３５ａからなる側面で形成されている。矩形の底面が光半導体素子２１の機能領域２３に対向する。機能領域２３の表面に垂直で中心を通る軸３３は、４角柱の底面の中心を通る軸にほぼ一致する。挿着穴３５の上半部は、封止樹脂３１の上面に向かって穴寸法が広がるように、例えば、円柱の側面のような一定の曲率を有する４つの曲面部３５ｂからなる側面で形成されている。曲面部３５ｂは、凸型の曲面を形成している。４つの曲面部３５ｂは、それぞれ境界線３５ｃで交差する。平面部３５ｂと曲面部３６ｂとは、滑らかに接続されている。曲面部３６ｂと封止樹脂３１の上面とは、滑らかに接続されている。平面部３５ａと封止樹脂３１の上面とは、ほぼ９０度をなしている。曲面部３５ｂと軸３３を通る面との交線は、円または楕円の一部をなす。
なお、挿着穴３５の上半部の側面は、軸３３に対して４回対称または２回対称（それぞれ９０度または１８０度の回転対称）を有するように配置される必要な必ずしもなく、上半部の側面の内の１つが凸型の曲面部３５ｂであればよい。また、曲面部３５ｂは、ドーナツ形立体の表面をなす曲面の一部または類似の曲面の一部であっても差し支えない。そして、挿着穴３５の下半部の平面部３５ａからなる側面は、底面に向かって、穴寸法が小さくなるテーパが付いていると好適であるし、エンボス加工等が施されて、凹凸の頂部を接続する面が平面となる形状であっても差し支えない。
挿着穴３５の底面の矩形は、例えば、１辺が約１２０μｍである。凸型の曲面部３５ｂの曲率の半径は約５００μｍである。なお、挿着穴３５の下半部は、光伝送媒体の外形の大きさあるいは形状に合わせて、変形が可能である。また、挿着穴３５を構成する封止樹脂３１の上半部は、光伝送媒体の曲げ半径に適する曲率を持たせることが可能である。
封止樹脂３１の底面は、接続端子となる外部端子１３の底面が実装基板（図示略）に接続可能な状態に露出するように、外部端子１３の底面から突出しないように位置している。外部端子は、表面実装型デバイス（ＳＭＤ、Surface Mount Device）であれば、上述の外部端子１３以外の形状が可能で、例えば、封止樹脂３１の側面から突出してガルウィング形に折り曲げられた形状、封止樹脂３１の底面または底部側面から露出するフラット形、あるいは、これらの中間の形状等であってもよい。
光半導体装置５の製造方法について説明する内部リード１１及び外部端子１３となる形がプレス打ち抜き等で形成された平面状リードフレームに、光半導体素子２１が所定の位置に固定され、Ａｕワイヤ２７でボンディングされる。リードフレームの位置合わせ穴を、挿着穴３５となる突起（ピン）が所定の位置に形成されたモールド金型に正確に合わせて、封止樹脂３１となるモールド樹脂を流し込み、固化させることによって、光半導体素子２１の機能領域２３に精度よく対向した挿着穴３５を有する封止樹脂３１を得ることができる。この後は、めっき、カット、曲げ等の工程を経て光半導体装置５が完成する。なお、リードフレームは、光半導体素子２１の位置精度を上げるために、打ち抜き下面側を、光半導体素子２１を塔載する面とすることが可能である。
次に、光半導体装置５に光伝送媒体を装着した光伝送装置について説明する。図２に示すように、光伝送装置１は、上記の光半導体装置５の挿着穴３５に、一端が圧入して装着されて、他端方向に向かって、挿着穴３５を規定する封止樹脂３１の側面及び上面に沿って曲げられた光伝送媒体４１が、接着材４５で固定された構成をなしている。
光伝送媒体４１は、例えば、相対的に屈折率の高いエポキシ樹脂系のコア４２と、コア４２の周囲を、相対的に屈折率の低いエポキシ樹脂系のクラッド４３で覆って形成されている。コア４２は、断面がほぼ正方形をなし、例えば、１辺が６０〜８０μｍ、クラッド４３はコア４２の周囲をほぼ同じ膜厚となるように覆って、外形の１辺が約１２０μｍとなるほぼ正方形をなしている。なお、挿着穴３５の下半部が、底面に向かって、寸法が小さくなるテーパが付いている場合、クラッド４３は、挿着穴３５のテーパに合わせたテーパを有している。光伝送媒体４１の挿着穴３５下部に装着された部分は直線状、連続する部分は挿着穴３５の曲率に沿って曲げられ、その先に連続する部分は直線状をなし、曲げられた部分に連続する両直線部分は約９０度をなす関係にある。
光伝送媒体４１の曲げ形状は、予め成形されたものでもよいし、装着時に、直線状のものを挿着穴３５の表面に沿って曲げて形成してもよい。光伝送媒体４１は、フィルム状光導波路の一部でもよく、光ファイバとして形成されてもよい。挿着穴３５下部の封止樹脂３１の表面は、光伝送媒体４１の外形面にほとんど隙間なく接触している。光伝送媒体４１は、断面が正方形である必要は必ずしもない。また、コア４２及びクラッド４３の大きさ及び材質等は、光伝送の要求特性に適するように変形が可能である。
接着材４５は、例えば、エポキシ樹脂系の接着材で、封止樹脂３１の上面、封止樹脂３１の上面に載置された光伝送媒体４１、及び挿着穴３５等を覆いまたは埋めて、光伝送媒体４１を封止樹脂３１に固定している。接着材４５は、出射または入射する光に透明、または、挿着穴３５下部の光伝送媒体４１端部に接する部分を除いて不透明であってもよい。
上述したように、光半導体装置５は、光半導体素子２１、光半導体素子２１が固着された内部リード１１、光伝送媒体用の挿着穴３５が配設され、光半導体素子２１及び内部リード１１を封止する透明な封止樹脂３１、表面実装が可能な外部端子１３を備えている。その結果、光半導体装置５は、実装基板（図示略）の表面に半田等の接合材で接続可能であるので、差込型リードに合わせた差込穴を有する実装基板を必要とせず、実装領域の実装基板側への広がりを抑制可能である。
また、光伝送装置１は、上記の光半導体装置５の挿着穴３５に、一端が装着されて、他端方向に向かって、挿着穴３５を構成する封止樹脂３１の側面及び封止樹脂３１の上面に沿って曲げられた光伝送媒体４１が、接着材４５で固定された構成をなしている。従って、送受信される光は、光伝送装置１内でほぼ９０度曲げられる。その結果、例えば、従来、光伝送媒体が光伝送装置の上部外側で曲げられて、実装基板上の他端の光伝送装置に到達する場合に比較して、光伝送装置の上側に必要であった実装領域を抑制することが可能である。光伝送装置１は、光半導体装置５が有する表面実装の効果を同様に有している。
また、モールド金型により、光半導体素子２１の機能領域２３に精度よく対向した挿着穴３５が得られ、挿着穴３５に光伝送媒体４１を圧入して固定するので、精度のよい光半導体素子２１の機能領域２３と光伝送媒体４１との関係を得ることが可能である。
また、光伝送装置１は、光半導体装置５の状態で、実装基板の表面に半田等の接合材で接続し、その後、実装基板上で光伝送媒体４１を装着して完成させることが可能なので、実装後の光接続の自由度を上げることが可能である。
本発明の実施例２に係る光伝送装置について、図３を参照しながら説明する。図３は光伝送装置の構成を模式的に示すもので、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。本実施例の光伝送装置は、光伝送媒体が封止樹脂の中に埋め込まれている点が、実施例１とは異なっている。以下では、上記実施例１と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
図３に示すように、光伝送装置２は、実施例１の光伝送装置１と同様に、光半導体素子２１、内部リード１１、透明な封止樹脂３１、光伝送媒体４１、及び、外部端子１３等を有しているが、光伝送媒体４１は封止樹脂３１の中に埋め込まれて固定され、光伝送媒体４１の一端面は、光半導体素子２１の機能領域２３に精度よく対向している。光伝送媒体４１の一端面に隣接して、光半導体素子２１の表面に垂直な角柱状の３本のガイド穴５１が設けられている。
光伝送装置２の製造方法について、図示を省略して説明する。平面状リードフレームに、光半導体素子２１が所定の位置に固定され、Ａｕワイヤ２７でボンディングされる工程までは、実施例１の光半導体装置５の製造と同様である。
モールド金型には、３本のガイド穴５１となる角柱状の突起（ガイドピン）が所定の位置に形成されている。光伝送媒体４１は、曲げられた部分に連続する両直線部分は約９０度をなす関係に予め成形されて、一端の直線部分は所定の長さに成形されている。光伝送媒体４１の所定の長さに成形された一端を３本のガイドピンで固定して、リードフレームの位置合わせ穴を、モールド金型に正確に合わせて、モールド金型に封止樹脂３１となるモールド樹脂を流し込む。モールド樹脂が固化した後、モールド金型と共に３本のガイドピンを引き抜くことにより、光半導体素子２１の機能領域２３に精度よく対向した光伝送媒体４１を固定した封止樹脂３１を得ることができる。
この後、実施例１の光半導体装置５の製造と同様の工程を経て、ガイド穴５１を有する光伝送装置２が完成する。なお、ガイドピンは、モールド時に光伝送媒体４１を固定することができればよいので、必ずしも、３本である必要はないし、角柱状である必要もない。また、ガイドピンは、抜け易くするために、先端が相対的に細く、つまり、ガイド穴５１の寸法が封止樹脂３１の上面に行くほど大きく形成されていてもよい。
上述したように、光伝送装置２は、曲げられた部分に連続する両直線部分が約９０度をなす光伝送媒体４１が封止樹脂３１の中に固定されている。光伝送媒体４１は、直線部の一端を光半導体素子２１の機能領域２３に対向し、他端方向に連続する直線部を封止樹脂３１の側面から外側に延在する。本実施例の光伝送装置２は、実装基板（図示略）上に実装されると、実施例１の光伝送装置１と同様に、光伝送装置の上側に必要であった実装領域を抑制することが可能である。
更に、光伝送装置２は、光伝送媒体４１をモールド時に固定するので、実施例１の光伝送装置１の製造工程より短縮が可能である。また、光伝送媒体４１の曲げられた部分に連続する光半導体素子２１の機能領域２３に対向する直線部を光伝送装置１の場合より短くすることができ、光伝送装置２の高さは、光伝送装置１より低くすることが可能である。
また、実装基板に実装する時には、一端側に使用条件に適する光伝送装置２を選択し、他端側に実施例１の光伝送装置１を選択することは好ましい。両端部に実施例１の光伝送装置１を選択する場合に比較して、実装時間を短縮することが可能である。また、光伝送媒体４１の長さ、向き等が明確な場合、両端部に光伝送装置２を選択することは可能で、実装時間を更に短縮することが可能である。
本発明は、上述した実施例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、種々、変形して実施することができる。
例えば、上記実施例では、光半導体装置及び光伝送装置には光半導体素子が塔載されている例を示したが、光半導体装置及び光伝送装置の内部リードに、光半導体素子の他に、受信ＩＣ及び送信ＩＣ等がそれぞれ塔載されても差し支えない。その場合、受信ＩＣ及び送信ＩＣ等に必要な外部端子が、別途、表面実装可能に形成される必要がある。
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 光半導体素子と、前記光半導体素子が設けられ、前記光半導体素子と電気的に接続された内部リードと、前記光半導体素子及び前記内部リードを封止し、出射または入射する光に透明な封止樹脂と、前記光半導体素子の光を出射または入射する機能領域の表面に対向して一端面が配設され、前記一端面に連続する前記表面に垂直で中心を通る軸に平行な部分、及び、前記平行な部分に連続する前記平行な部分と一定の角度を有する直線部分が、前記封止樹脂に接触して固定された光伝送媒体と、前記内部リードに接続された表面実装が可能な外部端子とを具備した光伝送装置。
（付記２） 前記光伝送媒体は、前記封止樹脂の中に固定されている付記１に記載の光伝送装置。
（付記３） 前記光伝送媒体の前記軸に平行な部分に隣接して、前記封止樹脂の前記表面実装される面とは反対側に開口を有する穴が設けられている付記１に記載の光伝送装置。
本発明の実施例１に係る光半導体装置の構成を模式的に示すもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図。 本発明の実施例１に係る光伝送装置の構成を模式的に示す断面図。 本発明の実施例２に係る光伝送装置の構成を模式的に示すもので、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
符号の説明
１、２ 光伝送装置
５ 光半導体装置
１１ 内部リード
１３ 外部端子
２１ 光半導体素子
２３ 機能領域
２７ Ａｕワイア
３１ 封止樹脂
３３ 軸
３５ 挿着穴
３５ａ 平面部
３５ｂ 曲面部
３５ｃ 境界線
４１ 光伝送媒体
４２ コア
４３ クラッド
４５ 接着材
５１ ガイド穴

Claims (5)

  1. 光半導体素子と、
    前記光半導体素子が設けられ、前記光半導体素子と電気的に接続された内部リードと、
    上半部の凸型の曲面部と前記曲面部に連続する下半部の平面部からなる側面、及び、前記光半導体素子の光を出射または入射する機能領域の表面に対向する下半部の底面で構成される挿着穴が設けられ、前記光半導体素子及び前記内部リードを封止する、出射または入射する光に透明な封止樹脂と、
    前記内部リードに接続された表面実装が可能な外部端子と、
    を具備したことを特徴とする光半導体装置。
  2. 前記挿着穴の下半部の平面部は、前記底面に向かって、穴寸法が小さくなるテーパが付いていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
  3. 光半導体素子と、
    前記光半導体素子が設けられ、前記光半導体素子と電気的に接続された内部リードと、
    前記光半導体素子及び前記内部リードを封止し、出射または入射する光に透明な封止樹脂と、
    前記光半導体素子の光を出射または入射する機能領域の表面に対向して一端面が配設され、前記一端面に連続する前記表面に垂直で中心を通る軸に平行な部分、及び、前記平行な部分に連続する前記平行な部分と一定の角度を有する直線部分が、前記封止樹脂に接触して固定された光伝送媒体と、
    前記内部リードに接続された表面実装が可能な外部端子と、
    を具備したことを特徴とする光伝送装置。
  4. 前記角度は、ほぼ９０度であることを特徴とする請求項３に記載の光伝送装置。
  5. 前記光伝送媒体は、前記封止樹脂に接着材で固定されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光伝送装置。
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