JP2012146947A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス材料に光学デバイス素子が搭載された光学デバイスの信頼性と生産性を向上させる。
【解決手段】透明部材に形成した電極と光学デバイス素子の突起電極とを超音波振動により金属間接合した構成からなる。この光学デバイス素子は、軽量で、かつ薄型・小型を実現でき、携帯電話やディジタルカメラ等の光学デバイス素子を用いる電子機器分野等に有用である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学デバイス素子をパッケージに実装した光学デバイスの構造に関する。

従来、透明部材を直接貼り付けた構成の光学デバイスは、有効受光領域の周囲に複数の突起電極が形成された光学デバイス素子と、電極パターンが形成された光学ガラス板とから構成されている。そして、光学ガラス板の電極パターン形成面の中央に、光学デバイス素子の有効受光領域を除く周辺領域が接合材料を介して接合されるとともに、電極パターンの一端が光学デバイス素子の突起電極に電気的に接続されている。なお、配線パターンの他端側は外部接続用電極としている。上記接合材料には遮光のために黒色顔料が配合された材料を使用する構成や異方性導電材料を使用する構成、または半硬化状の接合材料を使用する構成が開示されている。

特開平９−１７９８６号公報

しかしながら、このような従来の光学デバイスの構成においては、光学ガラス板の電極パターンの一端と光学デバイス素子上の電極をフリップチップ方式で接合するための突起電極が、光学デバイス素子上の電極に形成されている。前記突起電極と光学ガラス板の配線パターンの一端とを導電接着剤または異方性導電接着剤または非導電接着剤によって接続しているため、耐久環境試験、例えば８５℃湿度８５％の雰囲気中での通電試験において、前記光学デバイス素子上の突起電極界面と光学ガラス板の配線パターンの一端の接続界面において接続不良等が生じやすい。

このため、光学ガラス板の電極パターンの一端と光学デバイス素子上の突起電極とを接続する際に、光学ガラス板と光学デバイス素子間の隙間を接合材料で光学デバイス素子の受光面を除く領域を封止接着する構成の場合には接合材料が受光面へはみ出すことが多く、歩留りが低下しやすい。また、接着剤が硬化する時間を要し、生産性が低いため、コストがかかっていた。

本発明は、このような従来の課題を解決するもので、製造歩留りと光学特性に優れ、軽量で、薄型・小型の光学デバイスを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の光学デバイスは、受光領域または発光領域と突起電極とが光学的な領域のある面に設けられた光学デバイス素子と、前記光学デバイスよりも広い面積を有し、前記光学デバイス素子に電気的に接続する電極および外部接続用電極が形成されている透明部材と、を備え、前記光学デバイス素子の前記光学的な領域のある面と、前記透明部材の前記電極形成面とは対向しており、前記突起電極と前記電極とが金属接合されていることによって電気的な接続が保持されている構成からなる。

このような構成とすることにより、電子機器に対して非常に薄型に実装可能な光学デバイス装置を実現できる。さらに、透明部材は、例えばガラス基板を用いることで良好な平坦面を容易に確保できるので、光学波長フィルターの取付け及びガラス基板表面に形成することが簡単で、かつ高精度にできる。この結果、取付け及び塗布後の調製もほとんど不要となり、製造工程も大幅に簡略化できる。

本発明の光学デバイスは、軽量で、薄型・小型で、かつ光学特性および品質の優れた光学デバイスを低コストで実現できるという大きな効果を奏する。

本発明の光学デバイスを説明するための模式的に示す断面図である。 同実施の形態の光学デバイスを構成する透明部材の平面図である。 第２の実施の形態の光学デバイスの断面図である。 第２の実施の形態の光学デバイスの下面図である。 第３の実施の形態の光学デバイスの断面図である。 第３の実施の形態の光学デバイスの下面図である。 第３の実施の形態の製造工程１の断面図である。 第３の実施の形態の製造工程２の断面図である。 第３の実施の形態の製造工程３の断面図である。 第３の実施の形態の製造工程４の断面図である。 第３の実施の形態の製造工程完了の側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
なお、実施例では、いわゆる光学デバイス素子、光学デバイスとして説明する。光学デバイスはイメージセンサなどからなる受光素子またはＬＥＤなどからなる発光素子である。

これらの図において、それぞれの構成部材の厚みや長さ等は図面の作成上、実際の厚みや長さ等とは異なって描かれている。また、各構成部材の電極や端子の個数も実際とは異なり、図示しやすい数量としている。さらに、各構成部材の材質も下記説明の材質に限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる光学デバイス１の断面図である。図１に示す光学デバイス１は、透明部材２と光学デバイス素子３から構成されている。

本実施の形態における光学デバイス１は、透明部材２を構成する透明基材４の一方の面に形成された電極２１と光学デバイス素子３の突起電極３１とが超音波接合により電気的に接続されている。突起電極３１は、光学デバイス素子３の機能面上すなわち光学的な領域のある面上に形成された電極上に設けられている。すなわち、突起電極３１と透明基材４の一方の面にナノ銀で形成された電極２１との電気的な接続は、突起電極３１と透明基材４の電極２１とを位置合わせして、加圧かつ超音波振動させることで接合を行う。以上のような構成とすることにより、軽量で、薄型・小型の光学デバイス１を実現できる。

前記超音波接合工法に関して説明すると、前記突起電極３１と前記透明基材４に配置された電極２１を対向させる。次に前記突起電極３１を前記透明基材４に配置された電極２１の所定位置に接触させる。次に光学デバイス素子３に荷重をかけ、前記突起電極３１と前記透明基材４の電極２１とを密着させ、前記透明基材４を加熱しながら、光学デバイス素子３に超音波振動を印可することにより、前記突起電極３１と前記電極２１が金属間接合される。なお、透明基材４に配置された電極２１と光学デバイス素子３の突起電極３１の接合については、はんだ及びAuSn合金接続やナノ銀ペーストによる金属間接続、あるいは透明な非導電接着剤による収縮接続の方法でも行うことができる。また、電極２１は外部接続用電極２２も兼用する。

図２は、本実施の形態の光学デバイス１を構成する透明部材２を示しており、図２は平面図で、図１，２に示す透明部材２は、投影面が矩形状をなす透明基材４と、電極２１，２２とから構成されている。なお、投影面とは透明基材４の上面（電極２１を形成していない面）のことである。

透明基材４には中央部分に光通過領域１１が形成されている。この光通過領域１１は光学デバイス素子３の受光領域よりも面積が広く、且つ光学デバイス１においては、光学デバイス素子３の受光領域の垂直上方の領域全てを覆っている。具体的には、突起電極３１に囲まれた領域であって、透明基材４の面の中央部側における電極２１の先端同士を結んだ領域よりも内側に位置する。なお、図２においては図を見やすくするために、光通過領域１１を実際よりも小さめに領域の内側に描いている。

前記突起電極３１は受光領域を有する半導体素子の周辺回路領域に配置されることにより、受光領域を最大限広げることができ、光学デバイスとして半導体素子を有効に利用できる。なお、突起電極３１は、一般にメッキプロセスやワイヤバンプ法により形成し、その材料としては例えば金、銅、あるいは銅の表面に金薄膜を形成したものを用いることができる。ただし、これらの材料および形成法に限定されることはない。

なお、透明基材４は、ソーダガラス、硬質ガラス、石英、アルミナガラス、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂等であって、少なくとも可視光に対して透明であれば、いずれの材料を用いてもよい。

また、電極２１はナノ銀を直接透明基材４に塗布したが、導電性ペーストを印刷したもの、または蒸着やメッキにより形成したものであり、回路基板等の配線材料として通常用いられるものであれば特に制約なく用いることができる。例えば、銀、銅、ニッケル、金、クロム、アルミニウム等の単体構成、あるいはこれらの積層構成を用いることができる。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の光学デバイス１の断面図を示す。図３に示す光学デバイス１は、前記透明部材２の一方の面に配置された電極２１の外側端部に外部接続用電極２２が形成されている。また、上記外部接続用電極２２は、貫通開口のある外部電極用基材５の貫通電極５１に相対する間隔で配置され、電気的に接続している。また、貫通開口のある外部電極用基材５の外部電極５２は前記貫通開口のある外部電極用基材の貫通電極５１を介して電極２１及び外部接続用電極２２と電気的に接続される。

図４は、第２の実施の形態の光学デバイス１の下面図である。図４に示されるように、貫通開口のある外部電極用基材５の開口寸法は投影面積が少なくとも光学デバイス素子３以上の寸法を備えた構成としている。外部電極用基材５を上記貫通開口のある基材を用いて形成した構成を特徴とし、その他の部分は第１の実施形態と同じである。この透明部材２に用いる透明基材４の材料等については、第１の実施の形態の透明基材４と同じものを用いることができる。

貫通開口のある外部電極用基材５についても、例えばガラスエポキシ樹脂、アラミド不織布、ポリイミド樹脂、各種セラミック、表面に絶縁被膜を備える金属板のうちのいずれかの材料を用いることができる。また、貫通開口のある外部電極用基材５に可とう性のあるフレキシブル基板を用いることにより、密着前記透明部材２の基材との密着性が向上し、特に耐久試験による温湿度変化に対して信頼性の高い外部電極を形成できる。また、フレキシブル基板の材質は樹脂であるため、貫通開口の加工が容易で、しかも材料費が安価である。

また、第２の実施の形態では貫通電極５１を介して光学デバイスの外部電極５２と電気的に接続したが、外部電極用基材５の側面、つまり、光学デバイス１の外側面に電気回路を形成し、前記光学デバイスの外部電極５２と電気的に接続しても良い。

また、前記第２の実施の形態の説明では光学デバイスが１個場合の製造方法を説明したが、複数の光学デバイスを一度に製造することもできる。以下に説明すると、複数の前記光学デバイス素子３を透明部材に所定の間隔で接合する。次に所定の間隔に複数の貫通開口のある外部電極用基材と前記複数の光学デバイス素子実装後の透明部材とを電気的に接続する。次に、切断機を用いて複数の光学デバイスを各々に分割して製造する。

このように貫通開口のある外部電極用基材５を用いた構成とする光学デバイスであるために、実装基板へ透明部材を接続することが容易で、かつ歩留まりよく製造することができる。

（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態の光学デバイス１の断面図を示す。図５に示す光学デバイス１は、前記透明部材２の一方の面に配置された電極２１の外側端部に外部接続用電極２２が形成されている。

また、光学デバイス素子３の光学的に活性な活性領域１２に対面する透明基材４の中央部の領域が光透過領域１１であり、透明部材２の前記光学デバイス素子３と相対する面に配置された電極２１と電気的に接続する外部接続用電極２２と、外部接続用電極２２の周辺部端面に外部接続用電極２２と電気的に接続する外部電極５２を有している。

また、前記外部接続用電極２２に金属ボールを装着して、またはスタッドバンプをワイヤーボンディングで外部電極５２を形成することとした。
また、前記外部電極５２の電極高さは、前記電極２１の面に対して垂直方向に光学デバイス素子３の光学的に活性な活性領域の反対側の面の高さを超える高さを有することとした。
また、前記電極２１の面には、前記活性領域を囲む土手６１を有することとした。

また、前記光学デバイス素子３の光学的に活性な活性領域１２の面は、前記土手６１により囲まれる光学的な領域を除いて遮光樹脂材６２により、前記光学デバイス素子３の光学的な領域と反対の面が突出しないよう前記光学デバイス素子３を収納するまでモールドされていることとした。

また、前記外部電極５２は、前記外部接続用電極２２の面に対して垂直方向に前記遮光樹脂材６２の高さを超える高さを有し、前記遮光樹脂材６２面上に前記外部電極５２の最高部分が突出していることとした。
また、前記外部電極５２の突出部は本発明の光学デバイスの外部電極であることとした。

図６は、第３の実施の形態の光学デバイス１の下面図を示し、透明基材４に設置した光透過領域１１は略中央に位置する。また、透明基材４は周辺部に電極２１を備え、光学デバイス素子３の突起電極３１と電気的に接続している。電気的接続方法は第１の実施の方法と同じものを用いることができる。また、透明基材４は前記電極２１のさらに外周部に電極２２を備え、周辺部端面に外部接続用電極２２と電気的に接続する外部電極５２を備えている。

この構成により、光学デバイス１の光学デバイス素子３の活性領域１２と反対の面が突出することがないので、回路基板等の平坦面に光学デバイス１を容易に設置することができる。また、透明基材４の周辺部端面に外部電極６を設けたので、実装しようとする回路基板等との間の電気的接続が容易となる。即ち、光学デバイス１を回路基板等に実装用基板を必要としないで容易にフリップチップ実装することができる。また、透明基材４の外表面は平坦面なので、他の部材、例えばフィルター等を容易に設置することができる。

光学デバイス素子３として、発光ダイオード等の発光素子やフォトダイオード、イメージセンサ等の受光素子を使用することができる。光学デバイス素子３の活性領域１２は、光学デバイス素子３が発光素子の場合はその発光面であり、光学素子４が受光素子の場合はその受光面である。光学デバイス素子３は、活性領域１２が形成される面に駆動用の突起電極３１が形成されている。透明基材４として、ガラス材料やプラスチック材料を使用することができる。ガラス材料として、ソーダガラス、硬質ガラス、石英、アルミナガラス、各種セラミックス等を使用することができる。プラスチック材料として、エポキシ系樹脂、ガラスエポキシ樹脂、アラミド不織布、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂等を使用することができる。また、表面に絶縁膜を形成した金属材料を使用することができる。透明基材４の光学的な領域に形成する光透過領域１１は、光学デバイス素子３が発光し又は受光する光の波長に対して透明である。

電極２１、電極２２は、印刷法、めっき法、蒸着法、スパッタ法、インクジェット法等により導体を堆積して形成することができる。回路基板の配線材料として通常用いられる材料を使用することができ、例えば金、銀、銅、ニッケル、クロム、アルミニウム等の単体、或いはこれらを積層して用いることができる。光学デバイス素子３に形成した突起電極３１と透明基材４の光学的な領域の面に形成した電極２１とは導電接着材により電気的に接続することができる。また、突起電極３１をバンプによる電極とし、光学デバイス素子３を透明基材４の光学的な領域の面にフリップチップ実装して前記電極２１と電気的に接続することができる。突起電極として、金、銅、はんだ等とすることができる。

なお、光学デバイス１を回路基板等に実装する際に、光学デバイス素子３の活性領域１２と反対の面側にモールド材を充填し、光学的に活性な活性領域１２の面を外部から密閉することができる。モールド材は光学デバイス素子３の活性領域１２と反対の面の上端面が突出しないようにモールドする。また、モールド材として黒色の材料を使用すれば、背面側からのノイズ光や漏れ光を遮蔽することができる。また、光通過領域１１、活性領域１２の位置、形状は図１、図２、図３、図４、図５又は図６に示すものに限定されない。また、透明基材４の周辺に電極２１、光学デバイス素子３の周辺に突起電極３１を備え、透明基材４の周辺部端面に前記外部接続用電極２２と電気的に接続する外部電極６を８個所形成したが、これら電極の形成個所を変更する或いは形成数を増減することができることはいうまでもない。

次に製造方法について説明する。図７は、本発明の実施形態に係る光学デバイス１の透明基材４の断面模式図である。図７は、最初の製造工程で透明基材４の中央部分に紫外線及び赤外線カットフィルター４１を作製する。作製方法として、フィルターを蒸着法やスパッタ法で製膜する方法とフィルター用ガラスを埋め込み成形する方法がある。

次に、図８において透明基材４の周辺に電極２１を作製する。作製方法として、透明基材４がガラス基材の場合、Ｃｒを蒸着またはスパッタした後、Ａｕを蒸着またはスパッタして、電極２１を作製する。次工程で説明するが、透明基材４の電極２１の所定位置に光学デバイス素子３の突起電極３１をＦＣＢ実装した後、土手６１が光学デバイス素子３の活性領域１２の周囲を取り囲む位置になるように、透明基材４に印刷またはディスペンスにより塗布し製作する。または、土手６１は光学デバイス素子３の活性領域１２の周囲を取り囲む位置になるように、透明基材４を加工するか、透明機材４に土手６１と同様な形状の部材を貼り付けることもできる。

次に、図９において透明基材４の電極２１の所定位置に光学デバイス素子３の突起電極３１をＦＣＢ実装する。ボンディング方法は超音波接合、加熱溶融接合及び導電性接着方式などで、電気的接続を電極２１と突起電極３１間で得る。

次に、図１０において透明基材４の外部接続用電極２２の所定位置に金属ボールを装着して、またはスタッドバンプをワイヤーボンディングで外部電極５２を形成することとした。透明基材４の周辺部端面に外部電極５２を設けたので、実装しようとする回路基板等との間の電気的接続が容易となる。即ち、光学デバイス１を回路基板等に実装用基板を必要としないで容易にフリップチップ実装することができる。また、透明基材４の外表面は平坦面なので、他の部材、例えばフィルター等を容易に設置することができる。

次に、図１１において透明基材４に光学デバイス素子３がボンディングされ、土手６１は光学デバイス素子３の活性領域１２の周囲を取り囲み、モールド材６２の活性領域１２への浸入を防いでいる。即ち、光学デバイス素子３は土手６１により囲まれる領域を除いてモールド材６２によりモールドされている。なお、土手６１はモールド材６２が活性領域１２に流れ込むことを防止するとともに、フリップチップ実装の際に接着剤が活性領域１２に流れ込むことも防止する。この流れ込み防止機能は、土手６１の上端面が光学デバイス素子３の第一面５に当接している場合の他に近接している場合でも有効である。モールド材や接着剤には粘性があるので、土手６１の上端面と活性領域７側の面との間に多少隙間が生じてもモールド材や接着剤は活性領域７側に浸入しない。

このように、突起電極３１、電極２１及び外部接続用電極２２がモールドされるので腐食等に基づく断線を防止することができる。モールド材６２として黒色の材料を使用すれば、背面側からのノイズ光や漏れ光を遮蔽することができる。これにより、信頼性の高い光学デバイス１を形成することができる。更に、光学デバイス１の背面側に光学デバイス素子３が突出しないので回路基板等の平坦面に容易にフリップチップ実装することができる。

また、前記第３の実施の形態の説明では光学デバイスが１個場合の製造方法を説明したが、複数の光学デバイスを一度に製造することもできる。以下に説明すると、複数の前記光学デバイス素子３を透明部材の電極２１上に所定の間隔で接合する。次に外部接続用電極２２と電気的に接続する外部電極５２を実装し、モールド材で複数の光学デバイスを同時にスプレーコータなどの塗布機で光学デバイス１の背面側に光学デバイス素子３が突出しないように塗布する。この時、外部電極５２上面にモールド材が掛からないように選択的に塗布するか、外部電極５２上面をマスクして塗布するか、全面塗布後研磨して外部電極５２上面のモールド材を取り除く方法で外部電極を製造することができる。次に、切断機を用いて複数の光学デバイスを各々に分割して製造する。

このように外部電極とモールド材を用いた構成とする光学デバイスであるために、実装基板へ透明部材を接続することが容易で、かつ歩留まりよく、安価に製造することができる。

１ 光学デバイス
２ 透明部材
３ 光学デバイス素子
４ 透明基材
５ 外部電極用基材
１１ 光通過領域
１２ 光学的に活性な活性領域
２１ 電極
２２ 外部接続用電極
３１ 突起電極
４１ 光学フィルター
５１ 貫通電極
５２ 外部電極
６１ 土手
６２ モールド材

Claims (9)

1. 受光領域と突起電極、または発光領域と突起電極が、光学的な領域のある面に設けられた光学デバイス素子と、
   前記光学デバイス素子の光学的な領域のある面より広い面積を有し、前記光学デバイス素子の突起電極と電気的に接続される電極および外部接続用電極を有する透明部材と、を備え、
   前記光学デバイス素子の光学的な領域のある面と、前記透明部材の前記電極および外部接続用電極とは対向しており、前記突起電極と前記電極とが、金属接合により電気的に接続されることを特徴とする光学デバイス。
2. 前記光学デバイス素子は、半導体素子であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
3. 貫通開口と、該貫通開口の周囲に設けられた外部電極と、貫通電極を有し、前記貫通開口に前記光学デバイス素子を収容する外部電極用基材を備え、
   前記透明部材の前記外部接続用電極が、前記貫通電極を介して前記外部電極に電気的に接続することを特徴とする請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 前記貫通開口のある外部電極用基材がフレキシブルな材料であることを特徴とする請求項３に記載の光学デバイス。
5. 前記外部接続用電極と電気的に接続された外部電極と、前記光学デバイスの活性領域を囲むように設けられた土手と、を備え、
   前記光学デバイス及び前記外部電極はモールド材によりモールドされ、前記土手により前記モールド材が前記光学デバイス素子の活性領域に流れ込むことが防止されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学デバイス。
6. 前記外部接続用電極に金属ボールを装着して、またはスタッドバンプをワイヤーボンディングで外部電極を形成することを特徴とする請求項５に記載の光学デバイス。
7. 前記外部電極の電極高さは、前記外部接続用電極面に対して垂直方向に光学デバイス素子の光学的な領域と反対の面の高さを超える高さを有することを特徴とする請求項１または５に記載の光学デバイス。
8. 前記光学デバイス素子の光学活性面は、前記土手により囲まれる光学的な領域を除いて遮光樹脂材により、前記光学デバイス素子の光学的な領域と反対の面が突出しないよう前記光学デバイス素子を収納するまでモールドされていることを特徴とする請求項５に記載の光学デバイス。
9. 前記外部電極は、前記前記外部接続用電極の面に対して垂直方向に前記遮光樹脂材の高さを超える高さを有し、前記遮光樹脂材の面上に前記外部電極の最高部分が突出していることを特徴とする請求項８に記載の光学デバイス。

Images