JP2910113B2 - 光集積回路及び集積回路用パッケージ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光学ヘッド、複合光学素子等の光集積回
路、及び光集積回路、半導体集積回路等を収納する集積
回路用パッケージに関する。

〔発明の概要〕

本発明は、半導体基板に形成された光検出器と、この
光検出器上に配された半透過反射面を有するプリズム
と、半導体基体上に配された半導体レーザを有する光集
積回路において、上記プリズムの両側に段差部を設けて
構成することにより、光集積回路の小型パッケージへの
実装を可能にし、また、主要部に影響（接触による損傷
等）を与えることなくチャッキングしてパッケージへの
実装を可能にし、光集積回路装置の高信頼性化を図るよ
うにしたものである。

また、本発明は、集積回路用パッケージ即ち中空セラ
ミック部とその底部を閉塞する金属底板からなる中空パ
ッケージにおいて、中空セラミック部と金属底板をPbを
主成分とするろう材を介して融着することにより、応力
緩和を図って中空セラミック割れ、熱膨張率差による変
形等を阻止し、熱放散性が大でリードフレーム化による
多連化を可能にしたものである。

〔従来の技術〕

光学記録再生装置等で用いられる光学ヘッド、例えば
CD（コンパクトディスク）等のピット情報を検出するた
めの光学ヘッド（光ピックアップ）としては種々の構造
のものが提案されている。第15図乃至第17図は本出願人
が先に特願平１−99221号（特開平２−278779号）で提
案した光学ヘッドを示すものである。第15図において、
（１）は光学ヘッドの全体を示し、（２）はそのパッケ
ージ（５）に実装された光集積回路（３）とフレキシブ
ル配線基板（４）からなる光集積回路装置、（６），
（７）は反射ミラー、（８）はレンズであり、これらは
ケース（９）内に一体に収納される。（10）は光ディス
クを示す。光集積回路（３）は、第16図及び第17図に示
すように半導体（シリコン）基板（12）の主面にフォト
ダイオード例えばPINダイオードからなる第１及び第２
の光検出器（13）及び（14）が形成され、内部に光検出
器（13）及び（14）からの信号が入力される動作アンプ
（図示せず）が形成されてなり、この半導体基板（12）
の光検出器（13），（14）を含む表面に角θ＝45°の半
透過反射面（15a）を有するプリズム（15）が固定さ
れ、このプリズム（15）の半透過反射面（15a）と対向
する位置にモニタ用フォトダイオード（18）を形成した
シリコンチップ（19）上に半導体レーザ（16）を取付け
た通称LOP（Laser on Photodiode）チップが固定されて
成る。この光ヘッド（１）では、半導体レーザ（16）か
らの光（17）がプリズム（15）の半透過反射面（15a）
に反射され、中空パッケージ（５）の窓部及びフレキシ
ブル配線基板（４）の透孔（4a）を通過し、反射ミラー
（６）及び（７）にて反射され、対物レンズ（８）を経
て光ディスク（10）上に集光される。光ディスク（10）
を反射した戻り光ビームは対物レンズ（８）、反射ミラ
ー（７），（６）を経てプリズム（15）の半透過反射面
（15a）において屈折されてプリズム（15）内に入り込
み、まず第１の光検出器（13）にて検知され、次いで反
射して第２の光検出器（14）にて検知される。モニタ用
フォトダイオード（18）では半導体レーザ（16）から射
出されるレーザ光の光強度が検知される。なお、第１及
び第２の光検出器（13）及び（14）は夫々３分割された
PINダイオード構成を有し、再生信号の検出と共に、フ
ォーカス誤差検出及びトラッキング誤差検出が行われ
る。

一方、中空パッケージ（５）としては、第12図及び第
13図に示すように、互いに積層する３つのセラミックの
枠状板（21），（22），（23）からなる中空セラミック
部（24）と、中空セラミック部（24）の底面を閉塞する
ように接合された金属底板即ちメタル・ダイボンドパッ
ド部（25）とから形成される。３つの枠状板（21），
（22）及び（23）は夫々その枠幅d₁，d₂，d₃がd₁＞d₂＞
d₃となるように形成され、上層の第３及び第２の枠状板
（23）及び（22）によって窓を構成する透明の蓋体（2
6）が嵌着される段差部（27）が形成される。なお、下
層の第１の枠状板（21）においては一方の相対向する辺
の枠幅d₁がその上の第２の枠状板（22）の対応する辺の
枠幅d₂より大となってここに所定パターンの内部リード
電極（28）が形成されるも、他方の相対向する辺の枠幅
は第２の枠状板（22）の枠幅d₂と同一に形成される。中
空セラミック部（24）の一方の相対向する外側壁には内
部リード電極（28）の数に対応して複数の溝部（30）が
全高さにわたって等間隔をもって形成され、各内部リー
ド電極（28）に接続するように溝部（30）内を開口部側
に沿って第３の枠状板（23）の上面にまで延長するよう
に導電層（例えばメタライズ層）からなる外部リード電
極（29）が形成される。このような中空パッケージ
（５）の形成は、第14図に示すようにメタル・ダイボン
ドパッド部となるリードフレーム（31）上に中空セラミ
ック部（24）を、複数個配置し、接合し、その後、光集
積回路の収納を行う等して多連化による製造を行い、最
終的にリードフレーム（31）の連結部を切断して複数個
同時に形成できることが望まれる。

さて、光集積回路（３）において、プリズム（15）、
半導体レーザ（16）等の各素子はフォトダイオード・パ
ターン即ち第１及び第２の光検出器（13），（14）を通
る線（Ａ）を基準に実装されるために高精度の実装技術
が必要となる。特にプリズム（15）の線（Ａ）に対する
角度精度即ち基板（12）の主面内の回転方向の角度精度
がきびしく（この角度精度が悪いと半透過反射面（15
a）の位置がずれて光ディスク（10）で反射した戻りビ
ームが光検出器（13），（14）に照射されない）、第16
図に示すような単独プリズム（15）の実装は困難であ
る。

このプリズム（15）の実装精度を向上するために本出
願人は先に特願昭61−273393号（特開昭63−127444号）
において長尺プリズムを用いる方法を提案した。これは
各ペレットに対応した領域に第１及び第２の光検出器
（13），（14）を形成した半導体（シリコン）ウエハ上
に、半透過反射面を有した長尺プリズムを複数のペレッ
トに跨るように配設し、この長尺プリズムを半導体ウエ
ハを各ペレット毎に例えばダイサーで同時に切断すると
いうものである。この方法によれば、長尺プリズムであ
るので、わずかな回転方向の角度ずれがあっても長尺プ
リズムの端部ではその誤差分が大きくなるので長尺プリ
ズムの両端での位置精度を確保することで角度精度が出
せるというものである。第18図に示す光集積回路（32）
はこの方法を用いて作成した例である。

一方、光集積回路、或は通常の半導体集積回路を封入
する中空セラミックパッケージとしては、収納される素
子（光集積回路、半導体集積回路等）の熱放散性の向上
や、生産性の向上に向けてメタル・ダイポンドパッド部
（金属底板）、特にCu系ダイボンドパッド部付きセラミ
ックパッケージが求められる。この場合、上述の光集積
回路用パッケージでは光ヘッド（１）自体がボイスコイ
ル、永久磁石による駆動系を介して駆動しトラッキング
サーボ、フォーカスサーボが行われるために、このメタ
ル・ダイボンドパッド部は非磁性であることが必要とな
る。

従来、この種の中空パッケージとしては、例えば第９
図〜第11図に示すものが知られている。第９図の中空パ
ッケージ（34）は、中空セラミック部（24）にこのセラ
ミック（Al₂O₃）と熱膨張率の近いCuW又はSiC（放熱性
のよいセラミック）等よりなる底板（33）を接合して構
成される。（35）は実装された素子である。第10図の中
空パッケージ（36）は、中空セラミック部（24）の底面
にFe系リング（例えばコバールリング）（37）を介して
Cu系底板（38）を接合して構成される。Fe系リング（3
7）はセラミックとCu系の熱膨張差による歪みを緩和す
る作用がある。第11図の中空パッケージ（39）は中空セ
ラミック部（24）の底面にコバール底板（40）を接合
し、このコバール底板（40）の内面に熱放散のよいCu系
プレート（41）を接合して構成される。

〔発明が解決しようとする課題」 ところで、上述した第18図の光集積回路（32）におい
ては、長尺プリズムを用いて作成するので、プリズムの
角度精度が得られる利点を有するが、反面次のような問
題点があった。

（ｉ）長尺プリズムを配したのち、半導体ウエハと共
に、ペレット毎に切断するので、長尺プリズムの両端で
のプリズム又は、フォトダイオード（光検出器）の無駄
が発生する（但し余り長いプリズムは精度確保ができな
い）。

（ii）ペレタイズ後の光集積回路（32）をパッケージ内
にダイボンドする際、第６図に示すようにペレット即ち
光集積回路（32）をチャックするコレット（43）が大き
くなり、小型パッケージにダイボンドするのが困難とな
る。

（iii）ペレタイズにおいて、プリズム（ガラス）（1
5）とシリコン基板（12）とを同時に切断する必要があ
るために性質の異なる材料を同一のブレードで切るため
にダイシング条件出しが困難となる。

次に、上述の第９図〜第11図に示す中空パッケージ
（34），（36），（39）においても、例えば中空パッケ
ージ（34）は底板材料が高価であり、加工し難く、且つ
底板（33）をリードフレーム化できない欠点があり、中
空パッケージ（36），（39）は、リードフレーム化は可
能であるもパッケージ作成プロセスが複雑であり熱放散
も劣るものであった。Cu系リードフレームを中空セラミ
ック部（24）に直接融着（通常800℃程度において銀ろ
う付けを行う）した場合、融着時の高温から室温の降温
過程でセラミック割れが発生してしまい不良となる。ま
た第８図に示すように、中空セラミック部（24）とCu系
リードフレーム（44）の熱膨張率の違いにより、銀ろう
（45）を介した融着時（同図Ａ）から冷却後（同図Ｂ）
において歪みによる変形（反り）が生じるものであっ
た。

本発明は、上述の点に鑑み、特に小型パッケージへの
実装を可能とし、且つコレット、ピンセット等によるチ
ャッキングに際し半導体基板、プリズムの主要部に対す
る接触、損傷を回避できるようにした光集積回路を提供
するものである。

又、本発明は、熱放散性がよく、リードフレーム化が
可能な金属底板を有し、しかもセラミック割れ、変形を
生じることのない集積回路用パッケージを提供するもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、半導体基板（12）に形成された光検出器
（13），（14）と、この光検出器（13），（14）上に配
された半透過反射面（15a）を有するプリズム（15）
と、半導体基板（12）上に配された半導体レーザ（16）
を有する光集積回路において、プリズム（15）の両側
に、即ち半導体レーザ（16）と光検出器（13），（14）
を結ぶ線（Ａ）を挟む両側に、互いに平行する対の段差
部（56）を形成して構成する。

また、本発明に係る集積回路用パッケージは、中空セ
ラミック部（24）とこの中空セラミック部（24）の底部
を閉塞する金属底板（60）からなる中空パッケージにお
いて、中空セラミック部（24）と金属底板（60）をPbを
主成分とするろう材（61）を介して融着して構成され
る。金属底板（60）は熱放散性がよいもセラミックと熱
膨張率差の大きい例えばCu系底板等を用いることができ
る。Pbを主成分とするろう材（61）としてはPbが80重量
％以上、好ましくは90重量％以上含むを可とし、Pb以外
の不純物としてはIn,Ag,Bi等を選択的に含有せしめるを
可とする。Pbの含有量が80重量％より少なくなるとろう
材の融点が下がり過ぎその後の熱工程等においてパッケ
ージの信頼性が劣ることになる。

〔作用〕

上述の光集積回路によれば、光検出器（13），（14）
上に配したプリズム（15）の両側に互に平行する段差部
（56）が形成されるので、プリズム（15）の断面即ち半
導体レーザ（16）と光検出器（13），（14）を結ぶ線
（Ａ）と直交するプリズム断面が凸状となる。従って、
このプリズム（15）の凸状とされた上段部をチャックす
ることにより、光集積回路の小型パッケージへの実装が
可能となる。また、プリズムの段差部（56）をつき当て
てチャックすることにより、プリズム（15）の主要部又
は光検出器（フォトダイオード）（13），（14）その他
の回路素子が形成されている半導体基体（12）にチャッ
ク手段（コレット・ピンセット等）が接触することがな
く、これによる損傷が回避される。

次に、上述の集積回路用パッケージ（62）によれば、
中空セラミック部（24）とその底部を閉塞する放熱性の
よい例えばCu系等の金属底板（60）とをPbを主成分とす
るろう材（61）を介して融着することにより、セラミッ
ク割れが発生せず、且つシール性、融着部の強度も充分
であり、信頼性の高いパッケージが得られる。これはPb
を主成分としたろう材（61）の融点が300℃前後と低い
ため、熱歪の発生量が小さいこと、ろう材（61）のヤン
グ率が小さく且つ塑性変形し易いことが効いてセラミッ
ク割れが抑制されるものと考えられる。

〔実施例〕

先ず、第１図乃至第３図を用いて本発明に係る光集積
回路の一実施例についてその製法と共に説明する。

本例において、第２図及び第３図（第２図のＡ−Ａ線
上の断面図）に示すように、シリコンウエハ（51）の各
ペレット（52）に対応する領域に図示せざるも夫々前述
の第16図で説明したように例えばPINダイオードからな
る第１及び第２の光検出器（13）及び（14）、さらに信
号が入力される作動アンプ等の回路素子を形成した後、
半透過反射面（15a）を有した複数の長尺プリズム、即
ち本例では４素子（ペレット）分の長さの長尺プリズム
（53）を、光検出器（13）及び（14）を結ぶ線（Ａ）と
直交する方向に４つのペレット（52）に対応する領域に
差し渡るようにシリコンウエハ（51）上に高精度に接着
する。この場合、長尺プリズム（53）はその長手方向の
長さl₁をシリコンウエハ（51）の４ペレット（52）分の
長さl₂より、わずかに短めに（l₂＞l₁）形成する。

尚、図示せざるも各ペレットに対応する領域に第16図
で示した半導体レーザ（16）を実装したシリコンチップ
（19）を接着するを可とする。

次に、プリズム（本例ではガラスプリズム）専用の厚
いブレードで各素子（ペレット）のスクライブライン
（Ｓ）に沿って長尺プリズム（53）のみを鎖線（54）で
示す厚みの途中まで切断（所謂ハーフカット）する。ブ
レード幅は隣り合う長尺プリズム（53）間の継なぎ部分
の間隙（55）を十分にカバーできる幅ｄとする。次い
で、シリコンとガラス両用の薄いブレード（シリコン専
用のブレードを可とする）を用いてスクライブライン
（Ｓ）に沿ってプリズム（53）の残った厚み分とシリコ
ンウエハ（51）の全てを切断（所謂フルカット）してペ
レッタライズする。このようにして、例えばPINダイオ
ードからなる第１及び第２の光検出器（13）及び（14）
等を形成した半導体基板（12）の所定領域上に、モニタ
用フォトダイオード（18）を形成したシリコンチップ
（19）上に半導体レーザ（16）を接着したLOPが接着さ
れ、第１及び第２の光検出器（13）及び（14）上を含む
表面に半透過反射面（15a）を有し、半導体レーザ（1
6）と光検出器（13），（14）を結ぶ線（Ａ）を挟む両
側に互に平行する段差部（56）を有するプリズム（15）
が接着されて成る目的の光集積回路（57）を得る。

上述の光集積回路（57）によれば、長尺プリズム（5
3）の使用により、各ペレットともプリズム（15）が高
精度に実装される。同時に、プリズム（15）の主要部を
除く両側に互い平行する段差部（56）が設けられるの
で、第５図に示すようにこのプリズム（15）の上段部を
コレット（43）又はピンセット等を介してチャックする
ことでコレット（43）等のサイズを小さく押さえること
ができ、光集積回路（57）の小型パッケージへの実装を
可能ならしめる。またプリズム（15）の上段部は精度が
高いので組立精度の向上が可能となる。

光集積回路（57）のチャックに際しては第５図示のよ
うにプリズム（15）の段差部（56）をつき当ててチャッ
クすることになり、プリズム（15）の主要部又は半導体
基板（12）に直接コレット（43）等が接触せず、従って
接触による損傷を回避することができる。

さらに、光集積回路（57）の製造においては、長尺プ
リズム（53）の長さl₁をシリコンウエハ（51）の４ペレ
ット分の長さl₂よりわずかに短くし、４ペレット分毎に
長尺プリズム（53）を接着した後、隣り合う長尺プリズ
ム（53）間の間隙（55）を含む厚いブレードで長尺プリ
ズム（53）をスクライブライン（Ｓ）に沿って途中まで
切断し、その後、長尺プリズムの残りの厚さとシリコン
ウエハ（51）を同時に切断するようになすので、長尺プ
リズム（53）の両端でもペレットの形状、大きさがほぼ
同じになり、全て有効に利用でき、プリズム、光検出器
（フォトダイオード）の無駄がなくなる。またプリズム
（ガラス）専用のブレードによるハーフカットと、ガラ
ス・シリコン両用のブレードによるフルカットの２段階
でダイシングするので、ダイシングの条件出しが容易と
なり、プリズム（15）、光検出器（13），（14）が形成
された半導体基板（12）の割れ、欠けの発生頻度が低下
し、歩留り良くこの種の光集積回路（57）を製造するこ
とができる。

尚、上例においては長尺プリズム（53）を使用した場
合であるが、その他プリズム（15）の実装精度を十分確
保できるプリズム実装機を用いる場合には、第４図に示
すように段差部（56）付きのプリズム（15）の単独実装
も可能となる。かかる光集積回路（58）においてもプリ
ズム（15）に段差部（56）を有することにより、プリズ
ム主要部、半導体基板（12）に損傷を与えることなくチ
ャックすることができ、且つ光集積回路（58）の小型パ
ッケージへの実装を可能にするものである。

次に、上述した光集積回路、或は半導体集積回路等を
収納する本発明に係る集積回路用パッケージの実施例を
第７図に示す。尚、第７図においては、中空セラミック
部を簡略化して示したが、第12図及び第13図と同様の構
成をとりうるものである。

本例においては、中空セラミック部（24）の底部（こ
こでは底部に例えばタングステン系メタライズ層が形成
される）にメタル・ダイボンドパッド部となる熱放散性
のよいCu系リードフレーム（60）をPb（鉛）を主成分と
するろう材（61）を用いて融着し、その後リードフレー
ム（60）の連結部を切断して集積回路用パッケージ（6
2）を構成する。（35）はパッケージ（62）内にダイボ
ンドされる光集積回路、或は半導体集積回路等の素子で
ある。Pbを主成分とするろう材（61）はPbが80重量％以
上、、好ましくは90重量％以上含有するを可とし、不純
物としてIn,Ag,Bi等を選択的に含有せしめるを可とす
る。Pbが80重量％より少なくなると融点が低くなりすぎ
てパッケージとしての信頼性が低下する。本実施例では
Pb−In−Ag系（Pb:92.5重量％、In:5重量％、Ag:2.5重
量％）の低温ろう材（融点307℃）を用いた。

かかる構成のパッケージ（62）によれば、中空セラミ
ック部（24）とCu系リードフレーム（60）とをPb−In−
Ag系ろう材（61）を介して融着することにより、セラミ
ック割れの発生もなく、且つシール性、融着部強度等も
充分であり、さらに熱膨張率差による反り等の変形も生
じないものであった。

この理由は、Pb−In−Ag系ろう材（61）の融点が約30
0℃と低いために熱歪の発生量が小さいこと、ろう材（6
1）のヤング率が小さく且つ塑性変形し易いことにより
セラミック割れが抑制されると考えられる。後者のヤン
グ率、塑性変形が効いていることは、融点がより低いAu
Snろう材（融点232℃）を用いた場合にはセラミック割
れが発生したことからも理解できる。表１に関連する材
料の物性定数を示す。

熱歪に関しては理論的にもある程度説明でき、例えば
簡略化したモデルでの２次元・有限要素法によるシミュ
レーションでも上記実験事実は説明される。セラミック
の限界応力を30Kg/mmとすると、AuSn系ろう材では最大
応力が27Kg/mm程度、Pb系ろう材では最大応力が21Kg/mm
と計算された。Pb系ろう材の柔らかさによる応力緩和を
考慮すると十分安全に設計できる。

上述のようにPbを主成分とした低融点、低応力のろう
材（61）を用いることにより、中空セラミック部（24）
とCu系リードフレーム（60）とを容易に融着することが
できるので、安価で熱放散性が大きく、リードフレーム
による多連化が可能且つ非磁性である等の特徴を同時に
有する集積回路用、特に前述の光集積回路用のパッケー
ジが得られる。

〔発明の効果〕

本発明の光集積回路によれば、プリズムの両側に段差
部を設けて構成したことにより、プリズムの上段部をチ
ャックすることで光集積回路の小型パッケージへの実装
を高精度かつ容易に行うが可能となる。同時に、プリズ
ムの段差部につき当てチャックするのでプリズム主要
部、或は半導体基板に対する損傷を回避することがで
き、信頼性の高い光集積回路が提供できる。

また、本発明の集積回路用パッケージによれば、中空
セラミックとその底部を閉塞する金属底板からなる中空
パッケージにおいて、中空セラミック部とその底面を閉
塞する金属底板とをPbを主成分とする低融点、低応力の
ろう材を介して融着することにより、セラミック割れ、
変形等防ぐことができる。従ってセラミックと熱膨張率
の大きい例えばCu系金属底板の使用が可能となり、熱放
散性が大きく、リードフレームによる多連化が可能であ
り、且つ非磁性、安価等の特徴を同時に備えたパッケー
ジが得られるもので、特に光集積回路用パッケージに用
いて好適ならしめるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光集積回路の一例を示す斜視図、第２
図はその製法例を示す斜視図、第３図は第２図のＡ−Ａ
線状の断面図、第４図は本発明の光集積回路の他の例を
示す斜視図、第５図は本発明に係る光集積回路をコレッ
トにてチャックした状態の断面図、第６図は従来の光集
積回路をコレットにてチャックした状態の断面図、第７
図は本発明に係る集積回路用パッケージの一例を示す構
成図、第８図Ａ及びＢは従来の説明に供するパッケージ
の構成図、第９図〜第11図は従来のパッケージの例を示
す構成図、第12図及び第13図は光集積回路用パッケージ
の斜視図及びその断面図、第14図はそのパッケージの製
造過程の平面図、第15図は光ヘッドの例を示す断面図、
第16図及び第17図はその光集積回路の斜視図及びその側
面図、第18図は従来の光集積回路の他の例を示す斜視図
である。 （12）は半導体基板、（13），（14）は光検出器、（1
5）はプリズム、（16）は半導体レーザ、（56）は段差
部、（24）は中空セラミック部、（60）はCu系リードフ
レーム、（61）はPbを主成分としたろう材である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 正 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−127444（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/12 G02B 6/42 H01S 3/18 G11B 7/135

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板に形成された光検出器と、該光
   検出器上に配された半透過反射面を有するプリズムと、
   上記半導体基板上に配された半導体レーザを有する光集
   積回路において、 上記プリズムの両側に段差部を有して成る光集積回路。
2. 【請求項２】中空セラミック部と該中空セラミック部の
   底部を閉塞する金属底板からなる中空パッケージにおい
   て、 上記中空セラミック部と上記金属底板がPbを主成分とす
   るろう材を介して融着されて成る集積回路用パッケー
   ジ。