JP2010177600A - 光学デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】封止樹脂の剥離および剥離を起点とした各種の不具合発生を防止することが可能な光学デバイスを提供する。
【解決手段】本発明の光学デバイスは、凹部を有するパッケージ１０と、上面に光学素子１２が形成され、下面が底部１０Ａに固着された半導体チップ１１と、光学素子１２を覆うように半導体チップ１１の上面に固着された透明部材１４と、パッケージ１０と半導体チップ１１との間に充填された封止樹脂１６とを備え、側壁部１０Ｂに庇状に張り出した突起部１０Ｃを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学デバイスに関し、特に樹脂封止型の光学デバイスに関するものである。
近年、電子機器の小型・薄型化の流れは加速しており、電子機器に使用される光学デバイスも例外ではなく、よりいっそうの小型・薄型化が要求されている。光学デバイスは、例えば凹部を有するパッケージに光学素子が形成された半導体チップを収納し、凹部の開口を保護ガラス等の透明部材により封止して形成されている。光学デバイスを小型化するために、透明部材の接着幅を縮小することに加えて、透明部材の外形からパッケージ外形までの距離を縮小したり、凹部の側壁の幅を縮小したりすることが行われている。
一方、光学素子が形成された半導体チップの上にガラス等の透明部材を直接固着したものを、パッケージの凹部内に収納し、凹部内に封止樹脂を充填する構造の光学デバイスも知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような樹脂封止型の光学デバイスは、凹部の開口を透明部材により封止する光学デバイスと比べてさらに小型・薄型化を図ることが可能となる。
特開昭６１―１２３２８８号公報
ところで、従来の樹脂封止型の光学デバイスでは、封止樹脂が硬化する際の硬化収縮応力や、熱、水分および外部応力といった環境ストレスによって、凹部内に充填された封止樹脂が、パッケージの内面、半導体チップおよび透明部材の側面から剥離してしまうという課題がある。このような封止樹脂の剥離は、特に、プリント基板実装時の高温リフローや繰り返しの熱ストレスに対して顕著に現れることが多い。これは、従来の樹脂封止型の光学デバイスでは、封止樹脂の上面のみが開放（他の材料と接触していない）された構成となっているため、封止樹脂が硬化する際の硬化収縮応力や、各種の外部環境ストレスによって、封止樹脂は上下方向に膨張・収縮を繰り返しやすく、凹部の底付近において、パッケージから封止樹脂が剥がれるような上方向への応力が特に大きいためである。
さらに、この封止樹脂の剥離が発生した位置によって、様々な品質・信頼性に関わる不具合が生じる。例えば、ワイヤーボンディング部等の配線付近で封止樹脂の剥離が発生した場合は、ワイヤー断線を引き起こし、電気特性に致命的な不具合が生じる。また、透明部材の側面で封止樹脂の剥離が発生した場合は、透明部材側面の遮光が不十分となり、透明部材側面反射による光学特性の劣化が引き起こされる。さらに、透明部材の側面や半導体チップの側面で封止樹脂の剥離が発生した場合は、剥離部から水分、不純物およびダスト等が浸入することによって、透明部材と半導体チップとの接着部でも剥離が発生したり、剥離部での封止樹脂と透明部材や半導体チップとの接触（擦れ）によって、透明部材や半導体チップの割れ・クラックが発生したりしてしまう。
そこで本発明は、封止樹脂の硬化収縮応力や各種の外部環境ストレスによって、パッケージ、半導体チップおよび透明部材から封止樹脂が剥離することを防止することが可能な光学デバイスを提供することを目的とする。すなわち、封止樹脂の剥離および封止樹脂の剥離を起点とした各種の不具合発生を防止することが可能な光学デバイスを提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明に係る光学デバイスは、凹部を有するパッケージと、上面に光学素子が形成され、下面が凹部の底に固着された半導体チップと、光学素子を覆うように半導体チップの上面に固着された透明部材と、パッケージと半導体チップとの間に充填された封止樹脂とを備え、凹部の側壁に、庇状に張り出した突起部を有する。
これにより、突起部より下に充填される封止樹脂の幅・面積よりも、突起部の横に充填される封止樹脂の幅・面積の方が狭くなる。従って、突起部の下に充填された封止樹脂の上下方向への変動および応力発生が抑制され、特に凹部の底付近においてパッケージから封止樹脂が剥がれるような剥離発生を防止することができる。その結果、封止樹脂の剥離および封止樹脂の剥離を起点とした各種の不具合発生を防止することができる。
本発明の光学デバイスにおいて、封止樹脂は、透明部材の側面を覆っている構成としてもよい。
これにより、透明部材の側面から封止樹脂が剥離することを防止することが可能となる。
本発明の光学デバイスにおいて、透明部材の上面は、パッケージの上面よりも高い位置に設けられている構成としてもよい。
これにより、透明部材の上面を光学的な基準面として使用することができる。
本発明の光学デバイスにおいて、パッケージは、光学素子と電気的に接続される内部電極を凹部の側壁に有し、突起部は、内部電極よりも低い位置に形成されている構成としてもよい。
これにより、内部電極や金属配線付近での封止樹脂の剥離発生を防止できるため、剥離による金属配線の断線等の致命的不具合をより効果的に防止することができる。
本発明の光学デバイスにおいて、突起部の断面形状は、矩形であってもよい。また、突起部は、凹部の側壁に向かって厚くなる逆テーパ形状を有してもよい。
本発明の光学デバイスにおいて、突起部の側面および下面に接する形で、封止樹脂が充填されている構成としてもよい。
これにより、突起部を含む凹部の内面と封止樹脂との接着面積を大きくすることができるため、接着強度の向上とともに、より効果的に封止樹脂の上下方向への変動および応力発生を抑制し、特に凹部の底付近においてパッケージから封止樹脂が剥がれるような剥離発生を防止することができる。
本発明の光学デバイスにおいて、突起部は、凹部の側壁の全てに連続して形成されている構成であっても、凹部の側壁の一部に形成されている構成であってもよい。
本発明の光学デバイスにおいて、突起部は、パッケージのコーナー部において、Ｃ面取りされていても、Ｒ面取りされていてもよい。
これにより、応力集中が発生しやすいパッケージのコーナー部において、より効果的に封止樹脂の上下方向への変動および応力発生を抑制し、剥離発生を防止することができる。
本発明の光学デバイスにおいて、パッケージは、モールド樹脂から構成されても、セラミックスの積層体から構成されてもよい。
本発明によると、封止樹脂の硬化収縮応力や各種の外部環境ストレスによって、パッケージの内面や半導体チップおよびガラスの側面から封止樹脂が剥離することを防止し、さらには、この剥離を起点とした各種の不具合発生を防止することが可能となる。
よって、本発明により、外部環境ストレスに対して高い信頼性を確保可能な小型・薄型の光学デバイスを提供することが可能となり、小型・薄型・軽量および高性能の各種電子機器を実現することができ、実用的価値は極めて高い。
以下、本発明の一実施形態に係る樹脂封止型の光学デバイスについて図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る樹脂封止型の光学デバイスの構造を示す断面図（パッケージ１０の底部１０Ａに対して垂直な方向の断面図）である。なお、図１（ｂ）は同光学デバイスの一部（図１（ａ）の破線で囲まれる部分）を拡大して示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る光学デバイスは、パッケージ１０と、半導体チップ１１と、透明部材１４と、封止樹脂１６とを備えている。
パッケージ１０は、凹部を有する函体であり、例えばモールド樹脂、および積層されたセラミックスなどから構成される。パッケージ１０は、凹部の底としての底部１０Ａと凹部の側壁としての側壁部１０Ｂとを有し、さらに、側壁部１０Ｂにはパッケージ１０の内側方向（凹部内に向かう方向）に庇状に張り出した突起部１０Ｃが形成されている。この庇状に張り出した突起部１０Ｃがあることによって、突起部１０Ｃより下（凹部内の突起部１０Ｃよりも低い位置）に充填される封止樹脂の幅・面積（図１（ｂ）に示すＢ）よりも、突起部１０Ｃの横（凹部内の突起部１０Ｃと同じ高さの位置）に充填される封止樹脂の幅・面積（図１（ｂ）に示すＡ）の方が狭くなる。
半導体チップ１１は、その上面に光学素子１２が形成され、光学素子１２が形成された上面を上にして凹部内に収納されている。半導体チップ１１は、その上面が側壁部１０Ｂに囲まれた窓部から露出するように、上面と反対の下面が底部１０Ａに銀ペーストやダイアタッチメントフィルム等の接着剤１５によって接着されている。
半導体チップ１１の上面には、光学素子１２を覆うように、ガラス等からなる透明部材１４が透明接着剤１３により接着されている。また、透明部材１４の上面は、パッケージ１０の上面よりも高い位置に設けられ、パッケージ１０の上面から突出している。これにより、透明部材１４の上面を光学的な基準面として使用することができる。
なお、透明接着剤１３は、半導体チップ１１の上面全面に形成されてもよいし、半導体チップ１１の外周部等の一部の領域のみに形成されてもよい。また、透明部材１４の上面を光学的な基準面とする必要がない場合には、透明部材１４の上面がパッケージ１０の上面よりも突出していなくてもよい。この場合には、側壁部１０Ｂの高さを低くすることによって、光学デバイスをさらに薄型化することができる。透明接着剤１３としては、例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂およびシリコン樹脂等の透明樹脂材料が用いられる。
封止樹脂１６は、遮光性を有する材料で構成され、半導体チップ１１とパッケージ１０との間に充填されている。また、封止樹脂１６は、透明部材１４の上面が露出し、かつ、透明部材１４の側面が封止樹脂１６で覆われるように透明部材１４とパッケージ１０との間にも充填されている。これにより、透明部材１４の側面は完全に遮光され、透明部材１４の側面から不要な光が入射または出射することを防止し、かつ、透明部材１４の上面から入射された光が、透明部材１４の側面で反射することを防止することができる。なお、透明部材１４の側面の遮光が不要な場合には、封止樹脂１６が遮光性を有する材料で構成されず、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂およびシリコン樹脂等の透明樹脂材料で構成され、また封止樹脂１６が透明部材１４の側面を覆っていなくてもよい。
パッケージ１０には、内部電極１９と、内部電極１９と電気的に接続された外部電極２０とが形成されている。内部電極１９は、半導体チップ１１の上面に形成された電極１７と、ＡｕワイヤーおよびＡｌワイヤー等の金属配線１８を介して電気的に接続されている。なお、金属配線１８に代えて、バンプ等によって電極１７と内部電極１９とが接続されてもよい。また、図１の光学デバイスでは、内部電極１９と外部電極２０とはパッケージ１０の外側の側面上の配線を介して電気的に接続されているが、凹部内の配線で接続されても構わない。
次に、突起部１０Ｃの具体的な形状について説明する。
図１に示すように、突起部１０Ｃの上面と下面とは平行で、かつ側面と上面及び下面とは垂直で、突起部１０Ｃの断面形状は矩形であり、パッケージ１０の内側方向に庇状に張り出している。突起部１０Ｃの形成位置としては、側壁部１０Ｂの中間部（側壁部１０Ｂの高さの半分の高さの位置）、特に、内部電極１９よりも下の位置（内部電極１９よりも低い位置）が好ましい。
封止樹脂１６の上面のみが開放（他の材料と接触していない）された構成となっているため、封止樹脂１６が硬化する際の硬化収縮応力や各種の外部環境ストレス下において、封止樹脂１６は上下方向に膨張・収縮を繰り返しやすく、底部１０Ａ付近で最も大きな応力が発生する傾向にある。また、Ａｕメッキ等の内部電極１９と封止樹脂１６との密着性は比較的弱いため、封止樹脂１６の剥離は、底部１０Ａから内部電極１９が形成された部分にかけて最も発生しやすい。これに対して、本実施形態の光学デバイスでは、側壁部１０Ｂから内側方向へ庇状に張り出した突起部１０Ｃによって、突起部１０Ｃより下に充填される封止樹脂の幅・面積（図１（ｂ）に示すＢ）よりも、突起部１０Ｃの横に充填される封止樹脂の幅・面積（図１（ｂ）に示すＡ）の方が狭くなるようにされている。これにより、突起部１０Ｃよりも下に充填された封止樹脂１６の上下方向への変動および応力発生を抑制し、特に底部１０Ａ付近において底部１０Ａから封止樹脂１６が剥がれるような剥離発生を防止することができる。
また、突起部１０Ｃの側方および下方の領域に、突起部１０Ｃの側面および下面に接する形で封止樹脂１６が充填されている。これによって、突起部１０Ｃを含むパッケージ１０の内面（パッケージ１０の凹部の表面）と封止樹脂１６との接着面積を大きくすることができるため、接着強度の向上とともに、より効果的に封止樹脂１６の上下方向への変動および応力発生を抑制し、特に底部１０Ａ付近においてパッケージから封止樹脂が剥がれるような剥離発生を防止することができる。このとき、突起部１０Ｃを内部電極１９よりも下（内部電極１９よりも低い位置）に形成することで、内部電極１９や金属配線１８付近での封止樹脂の剥離発生を防止できるため、剥離による金属配線１８の断線等の致命的不具合をより効果的に防止することができる。
なお、図２の光学デバイスの断面図（底部１０Ａに対して垂直な方向の断面図）に示すように、光学デバイスは断面形状が台形の突起部１０Ｃを有してもよい。この場合、突起部１０Ｃは側壁部１０Ｂに向かって厚くなる逆テーパ形状を有し、突起部１０Ｃの上面と側面は垂直で、かつ下面は下方に向かって突起部１０Ｃの断面積（上面に平行な断面の面積）が徐々に小さくなるように傾斜する。この場合も上記と同様の効果を得ることができる。パッケージ１０の製造の観点からすると、パッケージ１０をセラミックスの積層体で形成する場合には、突起部１０Ｃの断面形状は矩形が好ましく、パッケージ１０をモールド樹脂で形成する場合には、突起部１０Ｃの断面形状は台形が好ましい。
また、図１の光学デバイスでは、突起部１０Ｃを１つの突起のみがパッケージ１０の内側方向に張り出してなる１段構造の突起部にしているが、２つ以上の突起がパッケージ１０の内側方向に張り出してなる２段以上の複数段構造の突起部としてもよい。
図３は本実施形態の光学デバイスの構造を示す上面図である。
図３に示すように、突起部１０Ｃはパッケージ１０の４辺全てに形成されている。つまり、突起部１０Ｃはパッケージ１０の凹部を形成する４つの側壁部１０Ｂの全てに連続して形成されている。
なお、突起部１０Ｃは内部電極１９の位置に合わせる等、一部にのみ形成されても構わない。また、図４の光学デバイスの上面図に示すように、突起部１０Ｃはパッケージのコーナー部（パッケージの凹部のコーナー部）において他の部分よりパッケージ１０の内側方向に大きく張り出すようにＣ面取りされ、突起部１０Ｃの上面形状がパッケージ１０のコーナー部でＣ面形状となるように形成され、コーナー部の突起部１０Ｃの面積が特に大きく取られても構わない。これにより、応力集中が発生しやすいパッケージ１０のコーナー部において、より効果的に封止樹脂１６の上下方向への変動および応力発生を抑制し、剥離発生を防止することができる。ここで、コーナー部の突起部１０Ｃの上面形状は図４ではＣ面形状としているが、面積を大きく取れる形状であればこれに限られず、例えば突起部１０Ｃはパッケージのコーナー部においてＲ面取りされ、コーナー部の突起部１０Ｃの上面形状はＲ面形状とされても構わない。
以上のように、本実施形態に係る光学デバイスによれば、パッケージ１０の凹部の側壁に庇状に張り出した突起部１０Ｃが設けられる。従って、封止樹脂の硬化収縮応力や各種の外部環境ストレスによって、パッケージ１０の凹部内面や半導体チップ１１および透明部材１４の側面から封止樹脂が剥離することを防止し、さらには、この剥離を起点とした各種の不具合発生を防止することが可能となる。
本発明の光学デバイスは、固体撮像素子をはじめ、フォトダイオードおよびレーザーモジュール等の各種半導体装置や各種モジュールに特に好適である。そして、このような光学デバイスは、電子機器の配線基板の表面上に電気的に接続されて電子機器に搭載される。
以上、本発明の光学デバイスについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
例えば、上記実施の形態において、「上面」および「下面」等の語は、光学デバイスを水平面上に載置したことを前提として使用している。すなわち、上記の各語は、絶対的な意味ではなく、相対的な意味で解釈されるべきである。
本発明は、光学デバイスに有用であり、特に小型・薄型・軽量の電子機器に有用である。
本発明の一実施形態に係る光学デバイスの構造を示す断面図である。 同実施形態に係る光学デバイスの変形例の構造を示す断面図である。 同実施形態に係る光学デバイスの構造を示す上面図である。 同実施形態に係る光学デバイスの変形例の構造を示す上面図である。
１０ パッケージ
１０Ａ 底部
１０Ｂ 側壁部
１０Ｃ 突起部
１１ 半導体チップ
１２ 光学素子
１３ 透明接着剤
１４ 透明部材
１５ 接着剤
１６ 封止樹脂
１７ 電極
１８ 金属配線
１９ 内部電極
２０ 外部電極

Claims (14)

  1. 凹部を有するパッケージと、
    上面に光学素子が形成され、下面が前記凹部の底に固着された半導体チップと、
    前記光学素子を覆うように前記半導体チップの上面に固着された透明部材と、
    前記パッケージと前記半導体チップとの間に充填された封止樹脂とを備え、
    前記凹部の側壁に、庇状に張り出した突起部を有する
    光学デバイス。
  2. 前記封止樹脂は、前記透明部材の側面を覆っている
    請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 前記透明部材の上面は、前記パッケージの上面よりも高い位置に設けられている
    請求項１又は２に記載の光学デバイス。
  4. 前記パッケージは、前記光学素子と電気的に接続される内部電極を前記側壁に有し、
    前記突起部は、前記内部電極よりも低い位置に形成されている
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  5. 前記突起部の断面形状は、矩形である
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  6. 前記突起部は、前記凹部の側壁に向かって厚くなる逆テーパ形状を有する
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  7. 前記突起部の側面および下面に接する形で、前記封止樹脂が充填されている
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  8. 前記突起部は、前記凹部の側壁の全てに連続して形成されている
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  9. 前記突起部は、前記凹部の側壁の一部に形成されている
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  10. 前記突起部は、前記パッケージのコーナー部において、Ｃ面取りされている
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  11. 前記突起部は、前記パッケージのコーナー部において、Ｒ面取りされている
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  12. 前記パッケージは、モールド樹脂から構成される
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  13. 前記パッケージは、セラミックスの積層体から構成される
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光学デバイスを搭載した電子機器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10986292B2 (en) 2015-11-30 2021-04-20 Sony Semiconductor Solutions Corporation Solid-state image pickup device and electronic apparatus to increase yield

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