JP2017050411A - 光半導体装置、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子の特性劣化を回避することが可能な光半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、光半導体装置は、光を発光または受光する光学素子と、光学素子が設置されたリードフレームと、リードフレームに設置された光学素子を非接触に囲む凹部を有する光透過部材と、凹部を覆う第１部材と、凹部の内面に対向する光透過部材の外面のうち、光学素子に対向する外面の少なくとも一部が露出するように、光透過部材を部分的に覆う第２部材と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、光半導体装置、およびその製造方法に関する。

光半導体装置の一例である光通信モジュールは、一般的に、発光素子または受光素子の一方の光学素子をリードフレームに設置し、光学素子を透明樹脂で覆う構造を備える。このような構造を備える光通信モジュールにおいて、周囲温度の変化によって透明樹脂が収縮すると、収縮により生じた応力が光学素子に作用し、光学素子の特性が劣化する場合がある。

そこで、透明樹脂から光学素子に作用する応力を緩和することを図った構造が知られている。この構造では、光学素子がシリコン樹脂等のエンキャップ樹脂で覆われ、エンキャップ樹脂が透明樹脂で覆われている。

しかし、平坦なリードフレーム上では、エンキャップ樹脂を、光学素子の全体を覆うドーム形状に成形することは困難である。また、リードフレームの材料が銅系である場合、または銅系のめっき処理がリードフレームに施されている場合には、エンキャップ樹脂の内部に銅イオンが滲み出し、これが光学素子の特性劣化の原因となる可能性がある。したがって、エンキャップ樹脂で光学素子を覆う構造であっても、光学素子の特性が劣化する場合がある。

特開２００８−１９８８９２号公報

本発明の実施形態は、光学素子の特性劣化を回避することが可能な光半導体装置、およびその製造方法を提供することである。

本実施形態によれば、光を発光または受光する光学素子と、
前記光学素子が設置されたリードフレームと、
前記リードフレームに設置された前記光学素子を非接触に囲む凹部を有する光透過部材と、
前記凹部を覆う第１部材と、
前記凹部の内面に対向する前記光透過部材の外面のうち、前記光学素子に対向する前記外面の少なくとも一部が露出するように、前記光透過部材を部分的に覆う第２部材と、
を備える光半導体装置が提供される。

第１の実施形態に係る光半導体装置の概略的な外形図である。 （ａ）は図１に示す切断線Ｘ−Ｘに沿った断面図であり、（ｂ）は図１に示す切断線Ｙ−Ｙに沿った断面図である。 （ａ）は光透過部材に凹部を設ける工程を示す断面図であり、（ｂ）は第１部材で凹部を覆う工程を示す断面図であり、（ｃ）は第２部材で光透過部材を部分的に覆う工程を示す断面図である。 （ａ）は第２の実施形態に係る光半導体装置の要部の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）とは異なる切断線に沿った断面図である。 第２の実施形態に係る光半導体装置において、光透過部材にレンズを設ける工程を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、光半導体装置の一例として、光信号を送信する光送信モジュールの構成を中心に説明する。ただし、光送信モジュール以外の他の光結合装置、例えば光信号を受信する光受信モジュールにも本実施形態を適用することは可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る光半導体装置の概略的な外形図である。また、図２（ａ）は、図１に示す切断線Ｘ−Ｘに沿った断面図であり、図２（ｂ）は、図１に示す切断線Ｙ−Ｙに沿った断面図である。

図１、図２（ａ）、および図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係る光半導体装置１は、光学素子１０と、リードフレーム１１と、光透過部材１２と、第１部材１３と、第２部材１４と、を備える。

光学素子１０は、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)等の発光素子である。なお、本実施形態に係る光半導体装置１が光受信モジュールに適用される場合には、光学素子１０はフォトダイオード等の受光素子である。

リードフレーム１１は、第１のリードフレーム１１ａと、第２のリードフレーム１１ｂと、第３のリードフレーム１１ｃと、を有する。各リードフレームは、金属等の導電部材で構成されている。

第１のリードフレーム１１ａは、第２のリードフレーム１１ｂと第３のリードフレーム１１ｃとの間に配置されている。第１のリードフレーム１１ａの片面には、光学素子１０が設置されている。第２のリードフレーム１１ｂは、導体２０によって光学素子１０と電気的に接続されている。導体２０は、アルミニウム等で構成された金属ワイヤーである。

本実施形態では、第１のリードフレーム１１ａが、光学素子１０のアノード側に接続され、第２のリードフレーム１１ｂが光学素子１０のカソード側に接続されている。つまり、第１のリードフレーム１１ａの電位は、第２のリードフレーム１１ｂの電位と異なっている。第３のリードフレーム１１ｃは、どこにも電気的に接続されていない、いわゆるノーコネクト（ＮＣ）端子である。なお、光学素子１０の極性が逆の場合には、第１のリードフレーム１１ａが、光学素子１０のカソード側に接続され、第２のリードフレーム１１ｂが、光学素子１０のアノード側に接続される。

光透過部材１２は、透明樹脂等の光を透過させる部材で構成されている。光透過部材１２には、凹部１２１が設けられている。この凹部１２１は、第１のリードフレーム１１ａに設置された光学素子１０を非接触に囲んでいる。凹部１２１の内部空間には、希ガスや窒素等の不活性ガス、または水素と窒素の混合ガス等のフォーミングガスが含まれている。

凹部１２１の内面１２１ａには、光透過部材１２の外面１２１ｂが対向している。本実施形態では、外面１２１ｂは、内面１２１ａ側に窪んでいる。その結果、外面１２１ｂと内面１２１ａとの間に挟まれた部分の厚さｔ１は、他の外面と内面１２１ａとの間に挟まれた部分の厚さｔ２よりも薄い。

なお、本実施形態では、外面１２１ｂに面するように光ケーブル（不図示）が設置される。光ケーブルが設置された状態で光学素子１０が発光すると、光学素子１０の光は、内面１２１ａに入射する。この入射光は、光透過部材１２を透過し、外面１２１ｂから出射する。この出射光が光ケーブルに入射する。

光学素子１０が受光素子である場合には、光ケーブルから出射された光が、外面１２１ｂに入射する。この入射光は、光透過部材１２を透過し、内面１２１ａから出射する。この出射光が光学素子１０に受光される。

上記のように、光透過部材１２では、内面１２１ａと外面１２１ｂとの間に挟まれた部分が、光を透過させる窓部として機能する。

第１部材１３は、光透過部材１２の凹部１２１を覆っている。具体的には、第１部材１３は、リードフレーム１１の、凹部１２１に対向する面に対向する面に接合された状態で凹部１２１を密閉している。その結果、本実施形態では、第１部材１３は、第１のリードフレーム１１ａと、第１のリードフレーム１１ａと電位が異なる第２のリードフレーム１１ｂとに接触している。そのため、第１のリードフレーム１１ａと第２のリードフレーム１１ｂとが短絡するのを回避するために、第１部材１３は、絶縁部材で構成されている。

しかし、第１のリードフレーム１１ａと第１部材１３との間、および第２のリードフレーム１１ｂと第１部材１３との間に絶縁部材が介在している場合には、第１部材１３は絶縁部材でなくてもよい。換言すると、第１部材１３が第１のリードフレーム１１ａおよび第２のリードフレーム１１ｂから電気的に絶縁されている場合には、第１部材１３は絶縁部材でなくてもよい。

第２部材１４は、光透過部材１２の外面１２１ｂを露出させるように、光透過部材１２を部分的に覆っている。第２部材１４は、透明樹脂のような透明部材で構成されていてもよいし、黒色樹脂のような遮光部材で構成されていてもよい。

特に、第２部材１４が遮光部材で構成されている場合、光学素子１０から放出された光が、外部に漏れることを防止できる。なお、光学素子１０が受光素子である場合には、外光が受光素子に受光されないようにすることができる。

以下、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照して、本実施形態に係る光半導体装置１の製造方法について説明する。図３（ａ）は、光透過部材１２に凹部１２１を設ける工程を示す断面図であり、図３（ｂ）は、第１部材１３で凹部１２１を覆う工程を示す断面図であり、図３（ｃ）は、第２部材１４で光透過部材１２を部分的に覆う工程を示す断面図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）において、左側の図面は、図１に示す切断線Ｘ−Ｘに沿った断面図に対応し、右側の図面は、図１に示す切断線Ｙ−Ｙに沿った断面図に対応する。

まず、図３（ａ）に示すように、凹型の金型３０と、凸型の金型３１とを互いに対向に配置し、これらの間で光透過部材１２を成型する。これにより、光透過部材１２に凹部１２１が設けられる。このとき、図３（ａ）の右側の図面に示すように、金型３１によって、凹部１２１の開口端の一部に段差１２１ｃも設けられる。さらに、金型３０の中央部に設けられた円柱状のピストン３２によって、光透過部材１２の外面の一部が窪む。この窪んだ外面は、上述した外面１２１ｂに相当する。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１のリードフレーム１１ａに設置された光学素子１０が凹部１２１に非接触に囲まれた状態で、この凹部１２１を、フィルム状または平板状に形成された第１部材１３で覆う。このとき、図３（ｂ）の右側の図面に示すように、第１のリードフレーム１１ａは、その端部が凹部１２１の段差１２１ｃに保持されるように光透過部材１２に載置される。つまり、光透過部材１２に段差１２１ｃを設けることによって、光透過部材１２に対して第１のリードフレーム１１ａを容易かつ高精度に位置合わせすることが可能となる。

本実施形態では、凹部１２１を覆う工程は、不活性ガスまたはフォーミングガスが充填された室内で実施される。また、凹部１２１は、第１部材１３によって、不活性ガスまたはフォーミングガスを含んだ状態で密閉される。なお、これらのガスの圧力は、大気圧との圧力差で凹部１２１が破損しない範囲内で減圧されていることが望ましい。この減圧によって、光学素子１０に作用する応力を極力緩和することができるからである。

凹部１２１が第１部材１３によって覆われた後、凹型の金型３３が、上述した金型３１の代わりに設置される。このとき、金型３３は、金型３０に対向しているものの第１部材１３は接触してない。そのため、金型３３と第１部材１３との間には、隙間が設けられている。また、ピストン３２が光透過部材１２を押し上げることによって、金型３０と光透過部材１２との間にも隙間が設けられる。

最後に、図３（ｃ）に示すように、金型３３と第１部材１３との隙間と、金型３０と光透過部材１２との隙間とに、樹脂で構成された第２部材１４が注入される。その結果、第２部材１４は、光透過部材１２を部分的に覆うとともに第１部材１３を全体的に覆うように成型される。その後、金型３０と金型３３が第２部材１４から離型され、ピストン３２が光透過部材１２から引き抜かれる。これにより、本実施形態に係る光半導体装置１が完成する。

以上説明した本実施形態に係る光半導体装置１によれば、光透過部材１２が、第１のリードフレーム１１ａに設置された光学素子１０を非接触に囲む凹部１２１を有する。そのため、周囲温度の変化によって第２部材１４が収縮しても、この収縮により生じた応力は、光学素子１０に作用しない。よって、光学素子１０の特性に悪影響を及ぼさないようにすることができる。また、本実施形態に係る光半導体装置１では、光学素子１０を保護するエンキャップ樹脂が不要である。よって、光学素子１０の特性が、銅イオンの滲み出しによって劣化することもない。したがって、光学素子１０の特性劣化を回避することが可能となる。

また、本実施形態に係る光半導体装置１によれば、図２（ａ）に示すように、外面１２１ｂと内面１２１ａとの間における厚さｔ１が、第２部材１４に覆われた光透過部材１２の外面と内面１２１ａとの間における厚さｔ２よりも薄い。つまり、光透過部材１２において、光学素子１０の光が透過する窓部として機能する部分の厚さが、窓部として機能しない他の部分の厚さよりも薄くなっている。これにより、この窓部に吸収される光量を抑制できるので、光の利用効率を向上させることが可能となる。

さらに、本実施形態に係る光半導体装置１によれば、密閉された凹部１２１に不活性ガスまたはフォーミングガスが含まれている。そのため、この凹部１２１に収容された発光素子１０の酸化を防止できるので、発光素子１０の特性劣化を防止する効果をさらに高めることが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。図４（ａ）は、第２の実施形態に係る光半導体装置の要部の構成を示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）とは異なる切断線に沿った断面図である。具体的には、図４（ａ）は、図１に示す切断線Ｘ−Ｘに沿った断面図に対応し、図４（ｂ）は、図１に示す切断線Ｙ−Ｙに沿った断面図に対応している。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、本実施形態は、レンズ１２２を備える点で第１の実施形態と異なる。レンズ１２２は、第２部材１４から露出した光透過部材１２の外面１２１ｂに設けられている。レンズ１２２によって、光学素子１０から放出された光が集光される。

以下、図５を参照して、光透過部材１２にレンズ１２２を設ける方法の一例について説明する。図５は、本実施形態に係る光半導体装置において、光透過部材１２にレンズ１２２を設ける工程を示す断面図である。

図５に示すように、本実施形態では、凹部３２ａが先端部に設けられたピストン３２を用いる。レンズ１２２は、ピストン３２の凹部３２ａによって成型される。具体的には、凹型の金型３０と凸型の金型３１との間で光透過部材１２に凹部１２１を成型するときに、ピストン３２の凹部３２ａによって、半球状のレンズ１２２も一緒に成型される。

光透過部材１２に凹部１２１とレンズ１２２とが設けられた後は、第１の実施形態と同様に、図３（ｂ）に示す工程と、図３（ｃ）に示す工程とが順次実施される。具体的には、第１部材１３で凹部１２１を覆う工程と、第２部材１４で光透過部材１２を部分的に覆う工程とが順次実施される。

以上説明した本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、光透過部材１２が、第１のリードフレーム１１ａに設置された光学素子１０を非接触に囲む凹部１２１を有するので、第２部材１４の収縮により生じた応力が、光学素子１０に作用しない。また、光学素子１０を保護するエンキャップ樹脂も不要であるので、銅イオンの滲み出しにより光学素子１０の特性が劣化することもない。よって、光学素子１０の特性劣化を回避することが可能となる。

特に、本実施形態では、光透過部材１２の外面１２１ｂにレンズ１２２が設けられ、このレンズ１２２が、発光素子である光学素子１０の光を集光する。これにより、光学素子１０の光が効率的に光ケーブル（不図示）に入射されるので、光の利用効率を高めることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 光半導体装置、１０ 光学素子、１１ リードフレーム、１２ 光透過部材、１３ 第１部材、１４ 第２部材、１２１ 凹部、１２１ａ 内面、１２１ｂ 外面、１２２ レンズ

Claims (6)

1. 光を発光または受光する光学素子と、
   前記光学素子が設置されたリードフレームと、
   前記リードフレームに設置された前記光学素子を非接触に囲む凹部を有する光透過部材と、
   前記凹部を覆う第１部材と、
   前記凹部の内面に対向する前記光透過部材の外面のうち、前記光学素子に対向する前記外面の少なくとも一部が露出するように、前記光透過部材を部分的に覆う第２部材と、
   を備える光半導体装置。
2. 前記外面の前記一部と前記内面との間における前記光透過部材の厚さが、前記第２部材に覆われた前記外面の他の部分と前記内面との間における前記光透過部材の厚さよりも薄い、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記凹部に、不活性ガスまたはフォーミングガスが含まれている、請求項１または２に記載の光半導体装置。
4. 前記第２部材が遮光部材で構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の光半導体装置。
5. 前記光学素子が、前記光を発光する発光素子であり、
   前記第２部材から露出した前記外面の前記一部に、前記光を集光するレンズが設けられている、請求項１から４のいずれかに記載の光半導体装置。
6. 光透過部材に凹部を設ける工程と、
   リードフレームに設置された光学素子が前記凹部に非接触に囲まれた状態で、前記凹部を第１部材で覆う工程と、
   前記凹部の内面に対向する前記光透過部材の外面のうち、前記光学素子に対向する前記外面の少なくとも一部が露出するように、第２部材で前記光透過部材を部分的に覆う工程と、
   を備える光半導体装置の製造方法。

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