JP3532456B2 - Semiconductor device having optical signal input / output mechanism - Google Patents
Semiconductor device having optical signal input / output mechanismInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は光学的信号の入出力
機構を有する半導体装置に関する。The present invention relates to relates to a semiconductor equipment having input and output mechanism of the optical signal.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図６は、従来の半導体装置の第１の従来
例を示すものであり、その断面構造を模式的に示してい
る。この第１の従来例は、半導体集積回路６１を、それ
とほぼ同程度の外形をしたパッケージ６２に収め、パッ
ケージ下面から格子状に電気端子６３を取り出した半導
体装置である。このような小型のパッケージは、チップ
サイズパッケージ（ＣＳＰ）と呼ばれ、小型である故
に、プリント基板６４への高密度な表面実装が可能とな
る。また、ＱＦＰ（クワッドフラットパッケージ）や、
ＳＯＰ（スモールアウトラインパッケージ）のような周
辺部からリードを取り出すペリフェラル構造と比べて、
エリアアレイ構造は小型で、かつ多数の電気端子を取り
出すことができる。現在、大型コンピュータの論理ＬＳ
Ｉ（大規模集積回路）パッケージや、通信系用途などに
使われており、今後の高密度表面実装において重要なパ
ッケージになるものと考えられる。また、チップサイズ
パッケージには、上記のような半導体集積回路６１をキ
ャリア基板６５に搭載したタイプのみでなく、多様なパ
ッケージ形態があり、半導体集積回路を単に樹脂などで
保護しただけであっても、プリント基板等に直接接続す
るための電極が形成されていれば、ＣＳＰの範疇に含ま
れる。近年、通信装置や、大型コンピュータの性能向上
に対して、半導体集積回路自身の性能ではなく、それら
の間を接続する電気配線の特性がボトルネックになると
の指摘がなされている。これは、例えば、D.A.B.Mille
r,“Limit to the Bit−Rate Capacity of Electrical
Interconnects from the Aspect Ratio of theSystem A
rchitecture,”Special Issue on Para11e1 Computing
with OpticalInterconnects,Journa1 of Para11e1 and
Distributed Computing,1996.において詳細に述べられ
ているように、電気配線の帯域制限、電気コネクタの小
型化限界、そして電気配線部における消費電力の増大が
特に問題として挙げられている。そして電気配線の代わ
りに光ファイバや光導波路、自由空間を用いた光配線に
よって、それらの問題を解決する方法が数多く提案、研
究されている。チップサイズパッケージは、電気的な信
号入出力を有する半導体装置としては、パッケージサイ
ズや帯域性能において優れたパッケージであるが、半導
体装置間を光配線で行う場合には、発光素子や受光素子
といった電気／光変換素子をパッケージに内蔵しなけれ
ばならず、次に示す第２の従来例に示すようにチップサ
イズより随分大きなパッケージ構造にならざるを得なか
った。2. Description of the Related Art FIG. 6 shows a first conventional example of a conventional semiconductor device, and schematically shows a sectional structure thereof. The first conventional example is a semiconductor device in which a semiconductor integrated circuit 61 is housed in a package 62 having an outer shape that is substantially the same as that of the semiconductor integrated circuit 61, and electric terminals 63 are taken out in a grid pattern from the lower surface of the package. Such a small package is called a chip size package (CSP), and since it is small, high-density surface mounting on the printed circuit board 64 is possible. In addition, QFP (quad flat package),
Compared with peripheral structures such as SOP (Small Outline Package) that takes out leads from the peripheral part,
The area array structure is small, and many electric terminals can be taken out. Currently, large-scale computer logic LS
It is used for I (large-scale integrated circuit) packages and communication applications, and is considered to be an important package for future high-density surface mounting. Further, the chip size package is not limited to the type in which the semiconductor integrated circuit 61 is mounted on the carrier substrate 65 as described above, but there are various package forms. Even if the semiconductor integrated circuit is simply protected by a resin or the like, If an electrode for directly connecting to a printed circuit board or the like is formed, it is included in the category of CSP. In recent years, it has been pointed out that the performance of a communication device or a large-sized computer is improved, not the performance of the semiconductor integrated circuit itself, but the characteristic of electric wiring connecting them, which is a bottleneck. This is, for example, DABMille
r, “Limit to the Bit−Rate Capacity of Electrical
Interconnects from the Aspect Ratio of the System A
rchitecture, ”Special Issue on Para11e1 Computing
with Optical Interconnects, Journa1 of Para11e1 and
As described in detail in Distributed Computing, 1996., the band limitation of electric wiring, the limit of miniaturization of electric connector, and the increase of power consumption in the electric wiring part are mentioned as problems. A number of methods for solving these problems have been proposed and studied by using optical fibers, optical waveguides, and optical wiring using free space instead of electric wiring. The chip size package is a package excellent in package size and band performance as a semiconductor device having an electrical signal input / output. / The light conversion element must be built in the package, and the package structure must be much larger than the chip size as shown in the second conventional example shown below.
【０００３】図７は、光学的信号の入出力機構を有する
半導体装置の第２の従来例であり、その上面図を示して
いる。本第２の従来例で示す半導体装置は、半導体集積
回路７１を、抵抗、コンデンサ等の受動素子類である電
子部品類７２や、半導体レーザアレイ７３、受光素子ア
レイ７４と共に、モジュール基板７５に搭載し、さらに
光ファイバリボン７６によって光学的な信号入出力を行
うことを可能にした、フラットパッケージタイフの並列
光伝送モジュールであり、図７はその上面図である。こ
の並列光伝送モジュール内には、さらにマイクロレンズ
アレイ７７、短尺光ファイバ７８が含まれており、パッ
ケージの一側面にはＭＴコネクタのような光ファイバコ
ネクタレセプタクル７９が具備されている。半導体レー
ザアレイ７３から出射した光は、マイクロレンズアレイ
７７によって集光され、長さ数ミリ程度の短尺光ファイ
バ７８の一端に入射される。短尺光ファイバ７８は、光
ファイバコネクタレセプタクル７９内に固定されてお
り、その他端はパッケージ外へ取り出されている。光フ
ァイバコネクタレセプタクル７９に、それと対応する光
ファイバコネクタプラグ８０を嵌合、接続することによ
り、テープ化された光ファイバリボン７６によって並列
光伝送モジュール間の光伝送を行うことができる。ま
た、この並列光伝送モジュールは、パッケージ側面のう
ち、光ファイバレセプタクル７９が具備された側面以外
の３面に、プリント基板８１へ接続するためのリード８
２が具備されており、これにより電気的な信号入出力を
行う。また、光ファイバリボン７６から受光素子アレイ
７４へ光学的な信号を伝搬する場合においても、上述の
半導体レーザアレイの場合と全く同様に、短尺光ファイ
バ７８、およびマイクロレンズアレイ７７を介して行わ
れる。また、この並列光伝送モジュールのプリント基板
８１への実装は、次のように行われる。
（１）並列光伝送モジュールから、光ファイバコネクタ
プラグ８０を外した状態にしておく。
（２）パッケージをプリント基板８１上の所望の位置に
仮搭載し、はんだリフロー等の表面実装工程により、リ
ード８２をプリント基板上に対応する電極に実装、固定
する。
（３）光ファイバコネクタプラグ８０を端部に設けた光
ファイバリボン７６を、並列光伝送モジュールの光ファ
イバコネクタレセプタクル７９に嵌合する。
（４）プリント基板８１上の光ファイバリボン７６の余
長部をクリップ等でプリント基板８１上の適当な位置に
固定する。上記の手順において、プリント基板８１上に
実装された並列光伝送モジュールヘ光ファイバリボン７
６を接続し、その余長を収納する作業は、人手に頼らざ
るを得ず、基板実装工程の自動化を困難にしている。ま
た、本第２の従来例に示すように、従来の並列光伝送モ
ジュールには、マイクロレンズアレイ７７などのディス
クリートな微小光学部品や、短尺光ファイバ７８やポリ
マー光導波路など、モジュール内において、ごく短距離
伝送のための光導波路部品が必要とされることが多い。
これらの光部品はそれぞれ別個に作製され、モジュール
組み立て時には、それぞれを高精度に光軸調整・固定し
なければならないため、部品点数の増加を招き、並列光
伝送モジュールの小型化・低コスト化・量産化を困難に
していた。また、このような並列光伝送モジュールの製
造は、まずウエハから個別に切り出された半導体集積回
路や半導体レーザアレイ、受光素子アレイを、モジュー
ル基板上にて個別にハイブリッドに搭載されていた。FIG. 7 shows a second conventional example of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism, and shows a top view thereof. In the semiconductor device shown in the second conventional example, a semiconductor integrated circuit 71 is mounted on a module substrate 75 together with electronic components 72 that are passive elements such as resistors and capacitors, a semiconductor laser array 73, and a light receiving element array 74. In addition, it is a parallel optical transmission module of a flat package type that enables optical signal input / output by the optical fiber ribbon 76, and FIG. 7 is a top view thereof. The parallel optical transmission module further includes a microlens array 77 and a short optical fiber 78, and an optical fiber connector receptacle 79 such as an MT connector is provided on one side surface of the package. The light emitted from the semiconductor laser array 73 is condensed by the microlens array 77 and is incident on one end of a short optical fiber 78 having a length of several millimeters. The short optical fiber 78 is fixed in the optical fiber connector receptacle 79, and the other end is taken out of the package. By fitting and connecting the corresponding optical fiber connector plug 80 to the optical fiber connector receptacle 79, optical transmission between the parallel optical transmission modules can be performed by the taped optical fiber ribbon 76. Further, in this parallel optical transmission module, the leads 8 for connecting to the printed circuit board 81 are provided on three sides of the package other than the side on which the optical fiber receptacle 79 is provided.
2 are provided to electrically input and output signals. Also, when an optical signal is propagated from the optical fiber ribbon 76 to the light receiving element array 74, it is performed via the short optical fiber 78 and the microlens array 77 just as in the case of the semiconductor laser array described above. . The mounting of this parallel optical transmission module on the printed circuit board 81 is performed as follows. (1) The optical fiber connector plug 80 is removed from the parallel optical transmission module. (2) The package is temporarily mounted at a desired position on the printed board 81, and the leads 82 are mounted and fixed to the corresponding electrodes on the printed board by a surface mounting process such as solder reflow. (3) The optical fiber ribbon 76 provided with the optical fiber connector plug 80 at the end is fitted into the optical fiber connector receptacle 79 of the parallel optical transmission module. (4) The extra length portion of the optical fiber ribbon 76 on the printed board 81 is fixed to an appropriate position on the printed board 81 with a clip or the like. In the above procedure, the optical fiber ribbon 7 is mounted on the parallel optical transmission module mounted on the printed circuit board 81.
The work of connecting 6 and accommodating the surplus length is forced to rely on human labor, making automation of the board mounting process difficult. Further, as shown in the second conventional example, in the conventional parallel optical transmission module, discrete micro optical components such as the microlens array 77, short optical fibers 78, polymer optical waveguides, etc. Optical waveguide components for short distance transmission are often required.
These optical components are manufactured separately, and when the module is assembled, the optical axes must be adjusted and fixed with high accuracy, which leads to an increase in the number of components, which results in a smaller size and lower cost of the parallel optical transmission module. It made mass production difficult. Further, in manufacturing such a parallel optical transmission module, first, a semiconductor integrated circuit, a semiconductor laser array, and a light receiving element array, which are individually cut out from a wafer, are individually mounted in a hybrid on a module substrate.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上述の第１
の従来例においては、チップサイズパッケージの半導体
装置は、電気的な信号入出力のみを有しており、電気配
線の帯域制限、電気コネクタ小型化限界、電気配線の消
費電力の増加といった電気配線のボトルネックを解消す
べく光配線を行うために不可欠な、光学的な信号入出力
の機能を有していなかった。また、上述の第２の従来例
においては、半導体レーザと受光素子をパッケージ内に
備えているものの、フラットパッケージの一つの側面を
光学的信号の入出力に用いているために、多数の光学的
信号の入出力の場合には、どうしてもモジュールサイズ
が大きくなっていた。また、パッケージの一側面に具備
した光ファイバコネクタレセプタクルへ、光ファイバコ
ネクタプラグを嵌合・接続させる工程、および、プリン
ト基板上の光ファイバリボンの余長部を収納する作業
は、パッケージをプリント基板上にはんだリフロー等に
よって表面実装した後に、手作業により行わざるを得な
いため、基板実装工程を自動化できず、コスト的に高く
なり、しかも量産化が困難であった。また、第２の従来
例においては、マイクロレンズアレイなどのバルクの微
小光学部品や、短尺光ファイバや、ポリマー光導波路な
ど、モジュール内における極短距離伝送のための光導波
路部品が必要とされることが多く、これらが部品点数の
増加を招き、並列光伝送モジュールの小型化・低コスト
化・量産化を困難にしていた。なお、第２の従来例にお
いては、レセプタクルタイプのコネクタ構造であった
が、この他にもモジュール内部から数十センチ程度の光
ファイバを引き出した格好のピグテールタイプもある。
ピグテールタイプでは、光ファイバがモジュールと一体
であるために、プリント基板上にモジュール自身を表面
実装することさえ困難になる。プリント基板上に実装し
た後に、光ファイバリボンをコネクタ接続し、光ファイ
バリボンの余長部を手作業によって収納せねばならない
点は、レセプタクルタイプと全く同じである。また、こ
のような半導体装置の製造においては、半導体集積回路
や、半導体レーザアレイ、受光素子アレイ等は、各モジ
ュール基板ごとに、順にハイブリッド実装されるため、
各部品の位置合わせ、搭載、固定等の工数が多くなり、
低コストに量産化を実現することが困難であった。本発
明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的とするところは、チップサイズパッケージ
の形態を保ったままで、電気的な信号入出力に加えて、
光学的な信号入出力も行うことのできる半導体装置を提
供することにある。また、フラットパッケージ側面から
光ファイバリボンによって光学的な信号入出力を行う従
来の半導体装置に代って、プリント基板に直接接続でき
る電極を有し、さらにそれに加えて多数の光学的な入出
力も行うことのできる半導体装置を提供することにあ
る。 However, the above-mentioned first problem is solved.
In the conventional example, the semiconductor device of the chip size package has only electrical signal input / output, and the electrical wiring band limitation, the electrical connector miniaturization limit, and the increase in the power consumption of the electrical wiring. It did not have an optical signal input / output function, which is indispensable for optical wiring to eliminate the bottleneck. Further, in the above-mentioned second conventional example, although the semiconductor laser and the light receiving element are provided in the package, since one side surface of the flat package is used for inputting / outputting optical signals, a large number of optical signals are used. In the case of signal input / output, the module size was inevitably large. In addition, the process of fitting and connecting the optical fiber connector plug to the optical fiber connector receptacle provided on one side surface of the package, and the work of storing the extra length portion of the optical fiber ribbon on the printed circuit board are performed by the package. After surface mounting by solder reflow or the like on top, it has to be done manually, so that the board mounting process cannot be automated, resulting in high cost and difficulty in mass production. Further, in the second conventional example, a bulk micro optical component such as a microlens array, an optical waveguide component such as a short optical fiber, a polymer optical waveguide, and the like for an extremely short distance transmission in a module are required. This often leads to an increase in the number of parts, making it difficult to reduce the size, cost, and mass production of the parallel optical transmission module. Although the second conventional example has a receptacle type connector structure, there is also a suitable pigtail type connector in which an optical fiber of about several tens of centimeters is pulled out from the inside of the module.
In the pigtail type, since the optical fiber is integrated with the module, it is difficult to surface mount the module itself on the printed circuit board. This is exactly the same as the receptacle type in that the optical fiber ribbon must be connected to the connector after mounting on the printed circuit board and the extra length of the optical fiber ribbon must be manually stored. Further, in the manufacture of such a semiconductor device, a semiconductor integrated circuit, a semiconductor laser array, a light receiving element array, etc. are hybrid mounted in order for each module substrate,
The number of man-hours for aligning, mounting, and fixing each component increases,
It was difficult to realize mass production at low cost. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to maintain the form of a chip size package, in addition to electrical signal input / output,
It is to provide a semiconductor device that can also perform optical signal input / output. Also, instead of the conventional semiconductor device that carries out optical signal input / output from the side of the flat package by means of an optical fiber ribbon, it has electrodes that can be directly connected to the printed circuit board, and in addition to that many optical input / output To provide a semiconductor device that can perform
It
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明の請求項１に係る光学的信号の入出
力機構を有する半導体装置は、半導体集積回路に、プリ
ント基板への電気的信号の接続が可能な第一の電極を有
し、上記半導体集積回路を構成している素子表面は樹脂
材料によって保護され、上記半導体集積回路は、それ自
体でプリント基板に搭載可能なチップサイズパッケージ
構造を有する半導体装置であって、上記半導体集積回路
の周辺部に、発光面の反対側に正と負の両電極を有する
面発光型素子（面発光型レーザ、発光ダイオード）など
よりなる面型光素子またはそれらのアレイと、受光面の
反対側に正と負の両電極を有する面受光型素子よりなる
面型光素子またはそのアレイとを備え、上記面発光型素
子および上記面受光型素子よりなる面型光素子の正負両
電極は、上記半導体集積回路に形成された第二の電極と
はんだ付け手段により接続され、上記面型光素子から入
出力される光学的信号の接続において、光路をおおむね
９０度変換することが可能な構造の光路端部を有する光
導波路またはシート状の光導波路フィルムをプリント基
板に配設するか、または光路をおおむね９０度変換する
ことが可能な構造の光路端部を有する光ファイバを挟み
込んで形成されたシートを、上記半導体装置の面型光素
子の発光部または受光部の直近に配設し、上記面型光素
子の発光側または受光側の表面の金属層と、それと対応
する位置に形成された上記光導波路、シート状の光導波
路フィルムまたは光ファイバを挟み込んで形成されたシ
ートの上の金属層とを、はんだバンプの手段によって接
続してなることを特徴とする光学的信号の入出力機構を
有する半導体装置である。本発明は、半導体集積回路等
がそれ自体で、例えば、ガラスエポキシ樹脂基板よりな
るプリント基板、あるいはマルチチップ実装に用いられ
るセラミックス基板等に搭載可能なチップサイズパッケ
ージ構造を有するものであって、発光面の反対側に正と
負の両電極を有する面発光型レーザ、ＬＥＤ（発光ダイ
オード）などの面発光型素子よりなる面型光素子または
それらのアレイや、受光面の反対側に正と負の両電極を
有する面型受光素子（面受光型素子）またはそのアレイ
等の面型光素子を、上記半導体集積回路の周辺部に電極
面を下にして、はんだバンプ等のはんだ付け手段により
接続されており、プリント基板等への電気的信号の直接
接続を可能とする電極に加えて、上記半導体装置の光学
的信号の入出力をも可能とする光学的信号の入出力手段
を設けた半導体装置とするものである。さらに、本発明
の請求項１に係る半導体装置は、光路をおおむね９０度
変換することが可能な構造の光路端部を有する光導波路
またはシート状の光導波路フィルムの上記光路端部を、
上記プリント基板等に直接形成するか、または光ファイ
バを挟み込んで形成された光導波路シートに、光路をお
おむね９０度変換することが可能な構造の光路端部を形
成し、該光路端部を、上記半導体装置の面型光素子の発
光部または受光部の直近（直下近傍）に配設し、上記面
型光素子の発光側または受光側の金属層と、それに対応
する位置に形成された、上記光導波路、シート状の光導
波路フィルムまたは光導波路シートのそれぞれの光路端
部上の金属層とを、はんだバンプ等の手段により、それ
らを接続して光学的信号の入出力機構を有する半導体装
置とするものである。 In order to achieve the above-mentioned object of the present invention, a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism according to claim 1 of the present invention is applied to a semiconductor integrated circuit and a printed circuit board. having a first electrode connections are possible electrical signals, the device surface constituting the semiconductor integrated circuit is protected by a resin material, the semiconductor integrated circuit, capable of mounting a chip on its own printed circuit board A semiconductor device having a size package structure, which is a surface-emitting device (surface-emitting laser, light-emitting diode) having both positive and negative electrodes on the side opposite to the light-emitting surface in the peripheral portion of the semiconductor integrated circuit.
Consisting of a planar light-emitting device or array thereof and a surface light-receiving device having both positive and negative electrodes on the side opposite to the light-receiving surface
And a surface optical device or array, the surface-emitting type element
Both positive and negative of the surface-type optical element composed of the child and the surface-receiving element
The electrode is connected to the second electrode formed on the semiconductor integrated circuit by soldering means, and is inserted from the surface type optical element.
Most optical paths are used for connecting optical signals that are output.
Light having an optical path end with a structure capable of 90-degree conversion
Print a waveguide or sheet-shaped optical waveguide film
Place it on a plate or change the optical path by 90 degrees
Sandwiching an optical fiber with an optical path end of a structure capable of
The sheet formed by embedding is arranged in the immediate vicinity of the light emitting portion or the light receiving portion of the surface type optical element of the semiconductor device, and
Metal layer on the light emitting side or the light receiving side of the child and its correspondence
The above-mentioned optical waveguide formed at a position to be formed, a sheet-like optical waveguide
A line film or optical fiber sandwiched between
Contact the metal layer on the board by means of solder bumps.
A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism characterized by being continuously formed . The present invention has a chip size package structure in which a semiconductor integrated circuit or the like can be mounted by itself on, for example, a printed circuit board made of a glass epoxy resin substrate or a ceramics substrate used for multi-chip mounting. Surface-emitting lasers having both positive and negative electrodes on the opposite side of the surface, surface-type optical elements consisting of surface-emitting elements such as LEDs (light-emitting diodes), or arrays thereof, and positive and negative on the opposite side of the light-receiving surface. A surface light receiving element (surface light receiving element) having both electrodes of or a surface light receiving element such as an array thereof is connected to the peripheral portion of the semiconductor integrated circuit with the electrode surface facing down by soldering means such as solder bumps. In addition to the electrodes that enable the direct connection of electrical signals to the printed circuit board, etc., the optical signals that enable the input and output of the optical signals of the semiconductor device are also provided. In which a semiconductor device provided with output means. Furthermore, the present invention
The semiconductor device according to claim 1 has an optical path of approximately 90 degrees.
Optical waveguide having an optical path end having a convertible structure
Or the optical path end of the sheet-like optical waveguide film,
It can be directly formed on the printed circuit board, etc.
The optical path is cut into the optical waveguide sheet formed by sandwiching the
Shape the optical path end of a structure that can convert 90 degrees
And the end of the optical path is connected to the surface type optical element of the semiconductor device.
Place near the light section or light receiving section (near the bottom)
Type light emitting side or light receiving side metal layer and corresponding
The above-mentioned optical waveguide or sheet-shaped optical waveguide formed at the position
Each optical path end of waveguide film or optical waveguide sheet
The metal layer on the part by means such as solder bumps.
A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism by connecting them.
It is a place.
【０００６】また、本発明の請求項２に係る半導体装置
は、請求項１に記載の面型光素子を内蔵したチップサイ
ズパッケージにおいて、面発光型レーザ、ＬＥＤまたは
そのアレイ等の発光側表面、あるいは面型受光素子また
はそのアレイ等の受光側表面にも、はんだバンプを形成
可能な金属層を設けた光学的信号の入出力機構を有する
半導体装置とするものである。According to a second aspect of the present invention, in a semiconductor device according to the first aspect of the present invention, in the chip size package incorporating the surface-type optical element, a surface-emitting laser, an LED or an array thereof, or the like on the light-emitting side, Alternatively, a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism in which a metal layer capable of forming solder bumps is provided on the light-receiving side surface of a surface type light receiving element or an array thereof is also provided.
【０００７】また、本発明の請求項３に係る半導体装置
は、請求項１または請求項２に記載の半導体装置におけ
る入出力光のビーム変換を行う機構を有するものであっ
て、面型発光素子の発光側表面または裏面、あるいは面
型受光素子の受光側表面または裏面に、集光作用を有す
るレンズ状物体を加工または形成するか、もしくはあら
かじめ成形されたレンズ状物体を装着して、光学的信号
の入出力機構を有する半導体装置とするものである。A semiconductor device according to a third aspect of the present invention has a mechanism for performing beam conversion of input / output light in the semiconductor device according to the first or second aspect, and is a surface-type light emitting device. On the light emitting side surface or back surface of the surface type light receiving element or on the light receiving side surface or back surface of the surface type light receiving element, or by processing with a lens-shaped object having a light-condensing function or by mounting a preformed lens-shaped object, The semiconductor device has a signal input / output mechanism.
【０００８】また、本発明の請求項４に係る半導体装置
は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半
導体装置の信頼性を向上させる手段であって、面型発光
素子あるいは面型受光素子の少なくとも発光領域、受光
領域を、使用する光の波長に関して透明な材料を用いて
封止した光学的信号の入出力機構を有する半導体装置と
するものである。A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is means for improving the reliability of the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, and is a surface-type light emitting device or At least the light emitting region and the light receiving region of the planar light receiving element are sealed with a material transparent with respect to the wavelength of the light used to provide a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism.
【０００９】[0009]
【００１０】[0010]
【００１１】本発明の光学的信号の入出力機構を有する
半導体装置によれば、プリント基板等への電気的信号を
直接接続することを可能とする電極に加えて、半導体装
置からの光学的信号の入出力をも可能とする光学的信号
の入出力機構を有するチップサイズパッケージの半導体
装置が得られるので、チップサイズパッケージを保った
ままで、電気的信号の入出力に加えて、光学的信号の入
出力機構を有する性能に優れた半導体装置を提供するこ
とができ、また、フラットパッケージ側面からファイバ
リボンを介して光学的信号の入出力を行う従来のリード
タイプの半導体装置に代って、小型のパッケージから多
数の光学的信号の入出力を行うことのできる高性能の半
導体装置を実現できる効果がある。また、本発明の半導
体装置は、面型光素子アレイと光導波路とを、はんだバ
ンプを用いて位置合わせして固定するので、プリント基
板の振動や各部品材料の熱膨張係数の差による相対位置
の変動に対して安定な構造となり、これらの光結合系に
与える影響を小さくすることができる効果がある。さら
に、本発明の半導体装置は、光ファイバリボンのコネク
タ接続工程や、余長光ファイバの収納作業といった、従
来の並列光モジュールにおいては手作業に頼らざるを得
なかった煩雑な作業工程が全く不要となるので、プリン
ト基板への実装工程をすべて自動化することが可能であ
り、従来技術に比べて、大幅に低コスト化・量産化をは
かることができる効果がある。According to the semiconductor device having the optical signal input / output mechanism of the present invention, the optical signal from the semiconductor device can be added in addition to the electrode that enables the direct connection of the electrical signal to the printed circuit board or the like. Since it is possible to obtain a semiconductor device of a chip size package having an optical signal input / output mechanism that enables the input / output of the optical signal, in addition to the input / output of the electrical signal while maintaining the chip size package, It is possible to provide a semiconductor device having an input / output mechanism and excellent performance, and to replace a conventional lead type semiconductor device that inputs / outputs an optical signal from the side surface of the flat package with a small size, instead of the conventional lead type semiconductor device. There is an effect that a high-performance semiconductor device capable of inputting and outputting a large number of optical signals from the package can be realized. Further, in the semiconductor device of the present invention, since the surface type optical element array and the optical waveguide are aligned and fixed using solder bumps, the relative position due to the vibration of the printed circuit board and the difference in the coefficient of thermal expansion of each component material. Has a structure that is stable against fluctuations in the above, and has the effect of reducing the effect on these optical coupling systems. Furthermore
In addition, the semiconductor device of the present invention does not require a complicated work process such as a connector connection process of an optical fiber ribbon or a storage work of an extra-length optical fiber, which is required to rely on manual work in a conventional parallel optical module. Therefore, it is possible to automate the entire mounting process on the printed circuit board, and there is an effect that the cost can be significantly reduced and mass production can be achieved as compared with the conventional technique.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を例
示し、図１〜図５を用いて、さらに詳細に説明する。
〈第１の実施の形態〉図１（ａ）は、本発明の第１の実
施の形態における光学的信号の入出力機構を有する半導
体装置の構造と、プリント基板上における電気的信号お
よび光学的信号の接続を模式的に示す図である。また、
図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＩ−II断面の一部を
拡大して示す図である。この第１の実施の形態における
半導体装置は、半導体集積回路が作製されたＬＳＩチッ
プ１１と、面型発光素子アレイまたは面型受光素子アレ
イ等の面型光素子アレイ１２とを、ＬＳＩチップ１１と
同程度の外形サイズのパッケージ内に収納したチップサ
イズパッケージ構造をしている。ただし、図１（ａ）、
（ｂ）では構成の説明であるために、上記パッケージは
図示していない。面型光素子１２は、面型光素子発光部
１２ｃ、あるいは受光部１２ｄの反対側に、面型光素子
正電極１２ａと、負電極１２ｂを有しており、ＬＳＩチ
ップ１１の周辺部に形成した面型光素子用電極パッド１
１ａへ直接、はんだバンプ１３により接続されている。
また、ＬＳＩチップ１１の中央部にはメタルポスト１１
ｂが形成されており、モールド樹脂１４により覆われて
いる。さらに、メタルポスト１１ｂのＬＳＩチップ１１
側の電極１１ｃの反対側には、プリント基板１７に接続
するための、はんだバンプ１５が形成されている。ここ
で、半導体集積回路への半導体レーザアレイや、受光素
子アレイの搭載は、ウエハから個別の半導体集積回路に
切出した後に、各々に対してハイブリッド実装して行っ
てもよいが、ウエハのままでこれらを搭載し、その後に
個別の半導体集積回路に切り出すようにして製造しても
よく、後者の方が低コストで量産できると考えられる。
面型光素子１２を搭載したＬＳＩチップ１１は、面型光
素子１２を搭載した面をプリント基板１７側に向けて、
はんだバンプ１５がプリント基板１７上の電極パッド１
７ａと対向するように位置合わせされ、はんだリフロー
工程により表面実装される。この半導体装置は、はんだ
バンプ１５をパッケージ下面にアレイ状に配置したエリ
アアレイ構造であるために、パッケージ周辺部からリー
ドを取り出すバタフライ型やＤＩＰ（Dual Inline Pack
age）型等のペリフェラル構造と比べて、同一サイズの
パッケージから、より多数の電気的信号の入出力を行う
ことができる。 このように、小型のパッケージに構成
されるために、パッケージ内の電気配線長が短くなり、
電気配線の帯域制限を受けにくくなり、また、電気配線
で消費する電力の増加を抑えることができる。また、面
型光素子１２の入出力光は、短尺の光ファイバや、ディ
スクリートなマイクロレンズアレイ部品等の光部品を介
さずに、直接パッケージから取り出される。したがっ
て、パッケージ内にアセンブリされる部品点数が少なく
て済み、大幅に工数を削減することができ、さらに、パ
ッケージサイズを大幅に小型化することができる。ま
た、プリント基板１７上には、搭載する半導体装置の光
学的信号の入出力位置に対応して、あらかじめ光導波路
１６を形成している。この光導波路１６の端部１６ｃ
は、面型光素子１２の入出力光に対して４５度の角度を
なすように加工され、ＴＩＲ（Total Internal Reflect
ion）ミラーまたは４５度端面に金属膜等を付着させた
反射ミラーとして上方に位置した面発光素子１２の入出
力光を光導波路１６のコア層１６ａへ９０度の光路変換
をしてから光結合させる役割を有している。このような
光学的信号の入出力機構を有する半導体装置は、半導体
装置のはんだバンプ１５と、プリント基板上の電極１７
ａを位置合わせし、はんだリフロー工程を経ることで、
プリント基板１７へ実装される。この際、面型光素子１
２と光導波路１６とも所定の位置に位置合わせされるた
めに、はんだバンプ１５を介した電気的な接続のみでな
く、光学的な接続も行われる。ただし、面型光素子１２
と光導波路１６とは物理的に接触しないので、パッケー
ジの基板固定は、はんだバンプ１５のみによっている。
また、この光導波路は、同一のプリント基板上に搭載さ
れた複数の半導体装置間を光学的に接続するためにも使
用される。したがって、光ファイバリボンのコネクタ接
続工程や、余長光ファイバの収納作業といった、従来の
並列光モジュールにおいては手作業に頼らざるを得なか
った煩雑な作業が全く不要となるので、プリント基板へ
の実装工程をすべて自動化することができ、従来技術に
比べて、大幅に低コスト化・量産化することが可能とな
る。なお、この光導波路１６は、プリント基板１７上に
直接形成されたものでなくても構わない。例えば、フィ
ルム状のポリマー光導波路や、光ファイバを挟み込んだ
シートを接着、あるいは部分的に固定して作製してもよ
い。後者は、配布線した光ファイバを２枚のシート間に
挟み、接着剤等で固定し、その端部を、上記の光導波路
と同じように４５度ミラー加工することにより容易に作
製できる。プリント基板上における光配線長が長い場合
や、光導波路の減衰が問題となる場合においては、光フ
ァイバを用いた接続方法が優位になると考えられる。ま
た、上記の説明においては、光学的信号の入出力機構を
有する半導体装置を実装する基板として、プリント基板
を挙げていたが、これはガラスエポキシ樹脂基板のよう
な標準的なプリント基板に限定されるのでなく、マルチ
チップ実装に用いられるようなセラミックス基板等も包
含していることは言うまでもない。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be exemplified below, and will be described in more detail with reference to FIGS. <First Embodiment> FIG. 1A shows the structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism according to the first embodiment of the present invention, and an electrical signal and an optical signal on a printed circuit board. It is a figure which shows the connection of a signal typically. Also,
FIG. 1B is an enlarged view showing a part of the I-II cross section in FIG. In the semiconductor device according to the first embodiment, an LSI chip 11 in which a semiconductor integrated circuit is manufactured and a surface-type optical element array 12 such as a surface-type light emitting element array or a surface-type light receiving element array are provided as an LSI chip 11. It has a chip size package structure that is housed in a package of the same external size. However, as shown in FIG.
The package is not shown in FIG. 2B because it is a description of the configuration. The surface-type optical element 12 has a surface-type optical element positive electrode 12a and a negative electrode 12b on the opposite side of the surface-type optical element light emitting portion 12c or the light receiving portion 12d, and is formed in the peripheral portion of the LSI chip 11. Surface type optical device electrode pad 1
It is directly connected to 1a by a solder bump 13.
In addition, a metal post 11 is provided at the center of the LSI chip 11.
b is formed and is covered with the mold resin 14. Furthermore, the LSI chip 11 of the metal post 11b
Solder bumps 15 for connecting to the printed circuit board 17 are formed on the opposite side of the side electrode 11c. Here, the semiconductor laser array and the light-receiving element array may be mounted on the semiconductor integrated circuit by cutting each wafer into individual semiconductor integrated circuits and then performing hybrid mounting on each semiconductor integrated circuit. These may be mounted, and then they may be manufactured by cutting them into individual semiconductor integrated circuits, and it is considered that the latter can be mass-produced at a lower cost.
The LSI chip 11 having the surface-type optical element 12 mounted thereon has the surface on which the surface-type optical element 12 is mounted facing the printed circuit board 17 side.
The solder bump 15 is the electrode pad 1 on the printed circuit board 17.
It is aligned so as to face 7a and is surface-mounted by a solder reflow process. Since this semiconductor device has an area array structure in which solder bumps 15 are arranged in an array on the lower surface of the package, a butterfly type or DIP (Dual Inline Pack) in which leads are taken out from the peripheral portion of the package.
It is possible to input and output a larger number of electrical signals from the same size package as compared with the peripheral structure such as age) type. In this way, because it is configured in a small package, the electrical wiring length in the package is shortened,
The band limitation of the electric wiring is less likely to occur, and an increase in the power consumed by the electric wiring can be suppressed. Further, the input / output light of the surface-type optical element 12 is directly extracted from the package without passing through a short optical fiber or an optical component such as a discrete microlens array component. Therefore, the number of parts to be assembled in the package can be reduced, the number of steps can be significantly reduced, and the package size can be significantly reduced. Further, on the printed board 17, the optical waveguide 16 is formed in advance in correspondence with the input / output position of the optical signal of the mounted semiconductor device. The end portion 16c of the optical waveguide 16
Is processed to form an angle of 45 degrees with respect to the input / output light of the planar optical element 12, and the TIR (Total Internal Reflect
Ion) mirror or a reflection mirror having a metal film or the like attached to the end face at 45 degrees, and the input / output light of the surface light emitting device 12 located above is converted to the core layer 16a of the optical waveguide 16 by 90 degrees, and then optically coupled. It has a role to let. A semiconductor device having such an optical signal input / output mechanism is provided with a solder bump 15 of the semiconductor device and an electrode 17 on a printed circuit board.
By aligning a and performing the solder reflow process,
It is mounted on the printed circuit board 17. At this time, the surface-type optical element 1
Since both 2 and the optical waveguide 16 are aligned at predetermined positions, not only electrical connection via the solder bumps 15 but also optical connection is performed. However, the surface-type optical element 12
Since the optical waveguide 16 and the optical waveguide 16 are not in physical contact with each other, the substrate of the package is fixed only by the solder bump 15.
The optical waveguide is also used to optically connect a plurality of semiconductor devices mounted on the same printed circuit board. Therefore, the complicated process that had to rely on manual work in the conventional parallel optical module, such as the process of connecting the connector of the optical fiber ribbon and the work of storing the extra length optical fiber, is completely unnecessary. All can be automated, and it is possible to significantly reduce the cost and mass-produce it compared with the conventional technology. The optical waveguide 16 does not have to be directly formed on the printed board 17. For example, a film-shaped polymer optical waveguide or a sheet sandwiching an optical fiber may be adhered or partially fixed to manufacture. The latter can be easily manufactured by sandwiching the distributed optical fiber between two sheets, fixing it with an adhesive or the like, and mirror-processing the end of the optical fiber in the same manner as the above optical waveguide by 45 degrees. When the length of the optical wiring on the printed circuit board is long, or when the attenuation of the optical waveguide is a problem, the connection method using the optical fiber is considered to be dominant. Further, in the above description, a printed circuit board is mentioned as a substrate for mounting a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism, but this is not limited to a standard printed circuit board such as a glass epoxy resin substrate. It goes without saying that it also includes a ceramic substrate or the like used for multi-chip mounting.
【００１３】また、面型光素子発光部１２ｃ側、あるい
は面型光素子受光部１２ｄ側の表面または裏面に、レン
ズ状の物体を形成することは大きな効果がある。次に、
面型発光素子を搭載したＬＳＩチップを例にとり、その
近傍の縦断面図のみを拡大して示した図２および図３を
用いて説明する。図２は、発光面２２と反対側に正と負
の両電極パッド２３ａ、２３ｂを形成した面型発光素子
２１をＬＳＩチップ１１へ搭載し、発光面２２側の表面
にレンズ状の物体２４を形成した光学的信号の入出力機
構を有する半導体装置を示す。発光面２２から出射した
発散光２５ａは、レンズ状の物体２４によってコリメー
ト光２５ｂに変換される。このようなビーム変換を行う
ことで、面型発光素子２１と、光導波路１６間の距離が
大きい場合においても、高効率に光結合することが可能
となる。このレンズ状の物体２４は、どのような方法で
作製しても構わない。例えば、面型発光素子２１をＬＳ
Ｉチップ１１に搭載した後に、微小量の液体状のポリマ
ー材料を塗布し、続いて、それを硬化させて形成しても
良く、また、球レンズを接着剤等で装着しても良く、あ
るいは、面型発光素子２１を作製する際に、モノリシッ
クに集積化しても構わない。さらに、このレンズ状の物
体２４は、図２に示したような屈折型のマイクロレンズ
だけに限らず、回折型のレンズであっても良い。また、
面型光素子の発光面と反対側にレンズ状物体を形成する
ことも可能である。図３は、発光面３２側に、正と負の
両電極パッド３３ａ、３３ｂと、はんだバンプ１３を形
成した面型発光素子３１を、発光面３２側がＬＳＩチッ
プ１１に向くように搭載した光学的信号の入出力機構を
有する半導体装置を示している。図３では、面型発光素
子３１の基板は、使用波長に対して透明な材料であり、
発光面３２と反対側の表面に回折型のレンズ３４を形成
している。図２と同様に、発光面３２からの発散光３５
ａは、回折型レンズ３４によってコリメート光３５ｂに
変換される。このような回折型レンズ３４は、複数のマ
スクを用いた通常の半導体プロセスによって階段状に近
似した形状を作製できるため、特にモノリシック集積化
が容易である。なお、以上の説明においては、面型光素
子として面型発光素子を対象にしてきたが、面型受光素
子であっても全く同様である。また、面型光素子として
一次元アレイを例に挙げて説明してきたが、平面方向に
縦横に配列された二次元アレイに関しても、光導波路の
多層化などの手段により信号の入出力が可能となる配線
方法を採用することにより、本発明の一応用として実施
可能である。また、上記の説明においては、はんだバン
プ１３は、あらかじめ面型光素子１２上の電極パッドに
形成していたが、これはＬＳＩチップ１１上の電極パッ
ド１１ａに形成しておいても全く構わない。Further, it is very effective to form a lens-shaped object on the surface or the back surface of the surface type optical element light emitting portion 12c side or the surface type optical element light receiving portion 12d side. next,
Taking an LSI chip having a surface light emitting element as an example, description will be given with reference to FIGS. 2 and 3 in which only a vertical sectional view in the vicinity thereof is enlarged. In FIG. 2, a planar light emitting device 21 having positive and negative electrode pads 23a and 23b formed on the side opposite to the light emitting surface 22 is mounted on an LSI chip 11, and a lens-like object 24 is mounted on the surface on the light emitting surface 22 side. 7 shows a semiconductor device having an input / output mechanism of formed optical signals. The divergent light 25a emitted from the light emitting surface 22 is converted into the collimated light 25b by the lens-shaped object 24. By performing such beam conversion, even if the distance between the surface light emitting element 21 and the optical waveguide 16 is large, it is possible to perform optical coupling with high efficiency. The lens-shaped object 24 may be manufactured by any method. For example, if the surface light emitting element 21 is LS
After being mounted on the I-chip 11, it may be formed by applying a minute amount of a liquid polymer material and subsequently curing it, or a ball lens may be attached with an adhesive or the like, or When the planar light emitting device 21 is manufactured, it may be monolithically integrated. Further, the lens-shaped object 24 is not limited to the refraction type microlens as shown in FIG. 2, but may be a diffraction type lens. Also,
It is also possible to form a lens-like object on the side opposite to the light emitting surface of the surface-type optical element. FIG. 3 is an optical system in which the positive and negative electrode pads 33a and 33b and the surface-type light emitting device 31 having the solder bumps 13 are mounted on the light emitting surface 32 side so that the light emitting surface 32 side faces the LSI chip 11. 1 illustrates a semiconductor device having a signal input / output mechanism. In FIG. 3, the substrate of the surface light emitting device 31 is a material transparent to the used wavelength,
A diffractive lens 34 is formed on the surface opposite to the light emitting surface 32. As in FIG. 2, divergent light 35 from the light emitting surface 32
The a is converted into the collimated light 35b by the diffractive lens 34. Since such a diffractive lens 34 can be formed into a stepwise approximated shape by a normal semiconductor process using a plurality of masks, monolithic integration is particularly easy. In the above description, the surface-type light emitting element is used as the surface-type optical element, but the same applies to the surface-type light receiving element. In addition, although the one-dimensional array has been described as an example of the planar optical element, it is possible to input and output signals also by a means such as a multilayer optical waveguide even for a two-dimensional array arranged vertically and horizontally in the plane direction. By adopting the following wiring method, it can be implemented as one application of the present invention. Further, in the above description, the solder bump 13 is formed on the electrode pad on the surface type optical element 12 in advance, but it may be formed on the electrode pad 11a on the LSI chip 11 at all. .
【００１４】また、面型光素子を樹脂封止することも効
果的である。図４は、面型光素子を、使用波長に対して
透明な樹脂によって封止した光学的信号の入出力機構を
有する半導体装置の縦断面の一部を示した図である。面
型光素子４１をＬＳＩチップ１１に搭載した後に、面型
光素子の周囲を封止用樹脂４２で覆っている。このよう
な樹脂封止を施すことで、面型光素子の信頼性を向上さ
せることができ、さらにチップサイズパッケージの取り
扱い性を格段に向上させることができる。上述したレン
ズの形成、樹脂による封止は、半導体レーザアレイや受
光素子アレイの搭載と同様に、ウエハのままの半導体集
積回路に対して行うことができ、一連のこれらの工程の
後に、個別の半導体集積回路に切り分けるようにように
して、本発明の光学的信号の入出力機構を有する半導体
装置を製造することができる。It is also effective to seal the surface type optical element with resin. FIG. 4 is a view showing a part of a vertical cross section of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism in which a surface type optical element is sealed with a resin transparent to a used wavelength. After mounting the surface-type optical element 41 on the LSI chip 11, the periphery of the surface-type optical element is covered with the sealing resin 42. By performing such resin encapsulation, it is possible to improve the reliability of the surface-type optical element and further improve the handling property of the chip size package. The above-described formation of the lens and sealing with the resin can be performed on the semiconductor integrated circuit as it is on the wafer, similarly to the mounting of the semiconductor laser array or the light-receiving element array. The semiconductor device having the optical signal input / output mechanism of the present invention can be manufactured by dividing the semiconductor device into semiconductor integrated circuits.
【００１５】〈第２の実施の形態〉図５は、本発明に係
る光学的信号の入出力機構を有する半導体装置の構造
と、プリント基板上における電気的信号および光学的信
号の接続系を示す模式図である。図５は、図１（ｂ）と
同様に、半導体装置の縦断面の一部を拡大して示してい
る。この第２の実施の形態における半導体装置は、半導
体集積回路が作製されたＬＳＩチップ１１と、面型発光
素子アレイまたは面型受光素子アレイ等の面型光素子ア
レイ５２とを、ＬＳＩチップ１１と同程度の外形サイズ
のパッケージ内に収めたチップサイズパッケージ構造を
している。面型光素子アレイ５２は、発光面５３ａある
いは受光面５３ｂの反対側に正と負の両電極パッド５４
ａ、５４ｂを有しており、ＬＳＩチップ１１の周辺部に
形成した面型光素子用電極パッド１１ａへ直接、はんだ
バンプ１３により接続されている。さらに、面型光素子
アレイ５２の発光面５３ａあるいは受光面５３ｂ側の表
面にも、金属層５５が形成され、はんだバンプ５６が形
成されている。また、ＬＳＩチップ１１の中央部には、
メタルポスト１１ｂが形成されており、モールド樹脂１
４により覆われている。さらに、メタルポスト１１ｂの
ＬＳＩチップ１１側の電極１１ｃの反対側には、プリン
ト基板１７に接続するためのはんだバンプ１５が形成さ
れている。さらに、この第２の実施の形態では、光導波
路５７の端部５７ｃにおけるクラッド層５７ｂ上面に、
面型光素子アレイ５２の金属層５５、および、はんだバ
ンプ５６と対応するように、金属層５８が形成されてい
る。面型光素子アレイ５２を搭載したＬＳＩチップ１１
は、面型光素子アレイ５２を搭載した面を、プリント基
板１７側に向けて、はんだバンプ１５がプリント基板１
７上の電極パッド１７ａと対向するように位置合わせさ
れ、はんだリフロー工程により表面実装される。その
際、電気的な入出力のためのはんだバンプ１５が溶融し
て、プリント基板１７側の電極パッド１７ａと接続・固
定されると同時に、面型光素子アレイ５２に形成された
はんだバンプ５５も溶融し、光導波路５７と接続・固定
される。このように面型光素子アレイ１２と光導波路２
３とをはんだバンプを用いて位置合わせ、固定すること
により、プリント基板１７の振動や各部品材料の熱膨張
係数の差による相対位置の変動に対して安定な構造とな
り、これらの光結合系に与える影響を小さくすることが
できる効果がある。<Second Embodiment> FIG. 5 shows a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism according to the present invention and a connection system for electrical signals and optical signals on a printed circuit board. It is a schematic diagram. Similar to FIG. 1B, FIG. 5 shows an enlarged part of the vertical cross section of the semiconductor device. In the semiconductor device according to the second embodiment, an LSI chip 11 in which a semiconductor integrated circuit is manufactured and a surface-type optical element array 52 such as a surface-type light emitting element array or a surface-type light receiving element array are provided as an LSI chip 11. It has a chip size package structure that is housed in a package of the same external size. The surface-type optical element array 52 includes positive and negative electrode pads 54 on the opposite side of the light emitting surface 53a or the light receiving surface 53b.
a and 54b, and are directly connected to the surface type optical element electrode pad 11a formed in the peripheral portion of the LSI chip 11 by the solder bumps 13. Further, the metal layer 55 and the solder bumps 56 are also formed on the surface of the surface-type optical element array 52 on the side of the light emitting surface 53a or the light receiving surface 53b. In addition, in the central part of the LSI chip 11,
The metal post 11b is formed, and the mold resin 1
Covered by 4. Further, solder bumps 15 for connecting to the printed circuit board 17 are formed on the side of the metal posts 11b opposite to the electrodes 11c on the LSI chip 11 side. Furthermore, in the second embodiment, on the upper surface of the cladding layer 57b at the end 57c of the optical waveguide 57,
A metal layer 58 is formed so as to correspond to the metal layer 55 of the surface-type optical element array 52 and the solder bump 56. LSI chip 11 mounting the surface-type optical element array 52
Faces the printed board 17 side with the surface on which the surface-type optical element array 52 is mounted so that the solder bumps 15 are mounted on the printed board 1.
It is positioned so as to face the electrode pad 17a on the upper surface of the substrate 7, and is surface-mounted by a solder reflow process. At this time, the solder bumps 15 for electrical input / output are melted and connected and fixed to the electrode pads 17a on the printed circuit board 17 side, and at the same time, the solder bumps 55 formed on the surface-type optical element array 52 are also removed. It melts and is connected and fixed to the optical waveguide 57. Thus, the surface-type optical element array 12 and the optical waveguide 2 are
By aligning and fixing 3 and 3 using solder bumps, a stable structure is formed against vibration of the printed circuit board 17 and relative position fluctuation due to the difference in thermal expansion coefficient of each component material. This has the effect of reducing the impact.
【００１６】[0016]
【発明の効果】本発明の光学的信号の入出力機構を有す
る半導体装置によれば、プリント基板等への電気的信号
を直接接続することを可能とする電極に加えて、半導体
装置からの光学的信号の入出力をも可能とする光学的信
号の入出力機構を有するチップサイズパッケージの半導
体装置が得られるので、チップサイズパッケージを保っ
たままで、電気的信号の入出力に加えて、光学的信号の
入出力機構を有する性能に優れた半導体装置を提供する
ことができ、また、フラットパッケージ側面からファイ
バリボンを介して光学的信号の入出力を行う従来のリー
ドタイプの半導体装置に代って、小型のパッケージから
多数の光学的信号の入出力を行うことのできる高性能の
半導体装置を実現できる効果がある。また、本発明の半
導体装置は、面型光素子アレイと光導波路とを、はんだ
バンプを用いて位置合わせして固定するので、プリント
基板の振動や各部品材料の熱膨張係数の差による相対位
置の変動に対して安定な構造となり、これらの光結合系
に与える影響を小さくすることができる効果がある。ま
た、本発明の半導体装置の製造方法によれば、光ファイ
バリボンのコネクタ接続工程や、余長光ファイバの収納
作業といった、従来の並列光モジュールにおいては手作
業に頼らざるを得なかった煩雑な作業工程が全く不要と
なるので、プリント基板への実装工程をすべて自動化す
ることが可能であり、従来技術に比べて、大幅に低コス
ト化・量産化をはかることができる効果がある。According to the semiconductor device having the optical signal input / output mechanism of the present invention, in addition to the electrodes that enable direct connection of an electrical signal to a printed circuit board or the like, an optical signal from the semiconductor device is transmitted. Since a semiconductor device of a chip size package having an optical signal input / output mechanism that enables the input / output of an optical signal can be obtained, an optical signal can be input / output in addition to the input / output of an electric signal while the chip size package is kept. It is possible to provide a semiconductor device having a signal input / output mechanism and excellent performance, and replace the conventional lead type semiconductor device that inputs and outputs an optical signal from the side surface of the flat package through the fiber ribbon. There is an effect that it is possible to realize a high performance semiconductor device capable of inputting and outputting a large number of optical signals from a small package. Further, in the semiconductor device of the present invention, since the surface type optical element array and the optical waveguide are aligned and fixed using solder bumps, the relative position due to the vibration of the printed circuit board and the difference in the coefficient of thermal expansion of each component material. Has a structure that is stable against fluctuations in the above, and has the effect of reducing the effect on these optical coupling systems. Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the conventional parallel optical module, such as a connector connecting step of an optical fiber ribbon and a storing operation of an extra-length optical fiber, a complicated work step that must rely on manual work. Since it is not necessary at all, it is possible to automate the entire mounting process on the printed circuit board, and there is an effect that the cost can be significantly reduced and mass production can be achieved as compared with the conventional technique.
【図１】本発明の第１の実施の形態で例示した光学的信
号の入出力機構を有する半導体装置の構造を示す模式
図。FIG. 1 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism illustrated in a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１の実施の形態で例示した発光面と
反対側に正と負の両電極パッドを形成した面型発光素子
の構造を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a surface light emitting device in which both positive and negative electrode pads are formed on the side opposite to the light emitting surface exemplified in the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第１の実施の形態で例示した発光面側
に正と負の両電極パッドとはんだバンプを形成した面型
発光素子の構造を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a structure of a surface light emitting device in which both positive and negative electrode pads and solder bumps are formed on the light emitting surface side illustrated in the first embodiment of the present invention.
【図４】本発明の第１の実施の形態で例示した面型光素
子を使用波長に対して透明な樹脂で封止した光学的信号
の入出力機構を有する半導体装置の構造を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism in which the surface-type optical element illustrated in the first embodiment of the present invention is sealed with a resin transparent to a used wavelength. .
【図５】本発明の第２の実施の形態で例示した光学的信
号の入出力機構を有する半導体装置の構造とプリント基
板上における電気的信号と光学的信号の接続系を示す模
式図。FIG. 5 is a schematic diagram showing a structure of a semiconductor device having an optical signal input / output mechanism exemplified in the second embodiment of the present invention and a connection system of electrical signals and optical signals on a printed circuit board.
【図６】従来のパッケージ型半導体装置の構造を模式的
に示した第１の従来例。FIG. 6 is a first conventional example schematically showing a structure of a conventional package type semiconductor device.
【図７】従来の光学的信号の入出力機構を有する半導体
装置の構造を模式的に示した第２の従来例。FIG. 7 is a second conventional example schematically showing the structure of a semiconductor device having a conventional optical signal input / output mechanism.
１１…ＬＳＩチップ １１ａ…面型光素子用電極パッド １１ｂ…メタルポスト １１ｃ…電極 １２…面型光素子アレイ １２ａ…面型光素子正電極 １２ｂ…面型光素子負電極 １２ｃ…面型光素子発光部 １２ｄ…面型光素子受光部 １３…はんだバンプ １４…モールド樹脂 １５…はんだバンプ １６…光導波路 １６ａ…コア層 １６ｂ…クラッド層 １６ｃ…端部 １７…プリント基板 １７ａ…電極パッド １８…電気配線層 ２１…面型発光素子 ２２…発光面 ２３ａ…電極パッド（正） ２３ｂ…電極パッド（負） ２４…レンズ状の物体 ２５ａ…発散光 ２５ｂ…コリメート光 ３１…面型発光素子 ３２…発光面 ３３ａ…電極パッド（正） ３３ｂ…電極パッド（負） ３４…回折型レンズ ３５ａ…発散光 ３５ｂ…コリメート光 ３６…面型発光素子裏面 ４１…面型光素子 ４２…封止用樹脂 ５２…面型光素子アレイ ５３ａ…発光面 ５３ｂ…受光面 ５４ａ…電極パッド（正） ５４ｂ…電極パッド（負） ５５…金属層 ５６…はんだバンプ ５７…光導波路 ５７ａ…コア層 ５７ｂ…クラッド層 ５７ｃ…端部 ５８…金属層 ６１…半導体集積回路 ６２…パッケージ（チップサイズパッケージ） ６３…電気端子 ６４…プリント基板 ６５…キャリア基板 ７１…半導体集積回路 ７２…電子部品類 ７３…半導体レーザアレイ ７４…受光素子アレイ ７５…モジュール基板 ７６…光ファイバリボン ７７…マイクロレンズアレイ ７８…短尺光ファイバ ７９…光ファイバコネクタレセプタクル ８０…光ファイバコネクタプラグ ８１…プリント基板 ８２…リード 11 ... LSI chip 11a ... Electrode pad for surface-type optical element 11b ... Metal post 11c ... electrode 12 ... Surface type optical element array 12a ... Surface type optical element positive electrode 12b ... Surface type optical element negative electrode 12c ... Surface type light emitting element 12d ... Surface type optical element light receiving section 13 ... Solder bump 14 ... Mold resin 15 ... Solder bump 16 ... Optical waveguide 16a ... core layer 16b ... cladding layer 16c ... end 17 ... Printed circuit board 17a ... Electrode pad 18 ... Electric wiring layer 21 ... Surface light emitting element 22 ... Light emitting surface 23a ... Electrode pad (positive) 23b ... Electrode pad (negative) 24 ... Lens-like object 25a ... divergent light 25b ... Collimated light 31 ... Surface light emitting element 32 ... Light emitting surface 33a ... Electrode pad (positive) 33b ... Electrode pad (negative) 34 ... Diffractive lens 35a ... Divergent light 35b ... Collimated light 36 ... Surface type light emitting element back surface 41 ... Surface type optical element 42 ... Sealing resin 52 ... Surface type optical element array 53a ... Light emitting surface 53b ... Light receiving surface 54a ... Electrode pad (positive) 54b ... Electrode pad (negative) 55 ... Metal layer 56 ... Solder bump 57 ... Optical waveguide 57a ... core layer 57b ... Cladding layer 57c ... end 58 ... Metal layer 61 ... Semiconductor integrated circuit 62 ... Package (chip size package) 63 ... Electric terminal 64 ... Printed circuit board 65 ... Carrier substrate 71 ... Semiconductor integrated circuit 72 ... Electronic components 73 ... Semiconductor laser array 74 ... Light receiving element array 75 ... Module substrate 76 ... Optical fiber ribbon 77 ... Microlens array 78 ... Short optical fiber 79 ... Optical fiber connector receptacle 80 ... Optical fiber connector plug 81 ... Printed circuit board 82 ... Lead
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−30209（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−283486（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−98463（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−275870（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 Continuation of the front page (56) Reference JP-A-7-30209 (JP, A) JP-A-7-283486 (JP, A) JP-A-7-98463 (JP, A) JP-A-6-275870 (JP , A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01S 5/00-5/50
Claims (4)
的信号の接続が可能な第一の電極を有し、上記半導体集
積回路を構成している素子表面は樹脂材料によって保護
され、上記半導体集積回路は、それ自体でプリント基板
に搭載可能なチップサイズパッケージ構造を有する半導
体装置であって、 上記半導体集積回路の周辺部に、発光面の反対側に正と
負の両電極を有する面発光型素子よりなる面型光素子ま
たはそれらのアレイと、受光面の反対側に正と負の両電
極を有する面受光型素子よりなる面型光素子またはその
アレイとを備え、 上記面発光型素子および上記面受光
型素子よりなる面型光素子の正負両電極は、上記半導体
集積回路に形成された第二の電極とはんだ付け手段によ
り接続され、 上記面型光素子から入出力される光学的
信号の接続において、 光路をおおむね９０度変換することが可能な構造の光路
端部を有する光導波路またはシート状の光導波路フィル
ムをプリント基板に配設するか、または光路をおおむね
９０度変換することが可能な構造の光路端部を有する光
ファイバを挟み込んで形成されたシートを、上記半導体
装置の 面型光素子の発光部または受光部の直近に配設
し、 上記面型光素子の発光側または受光側の表面の金属層
と、それと対応する位置に形成された上記光導波路、シ
ート状の光導波路フィルムまたは光ファイバを挟み込ん
で形成されたシートの上の金属層とを、はんだバンプの
手段によって接続してなる ことを特徴とする光学的信号
の入出力機構を有する半導体装置。To 1. A semiconductor integrated circuit having a first electrode connections are possible electrical signals to the printed circuit board, the surface of the device constituting the semiconductor integrated circuit is protected by a resin material, the semiconductor An integrated circuit is a semiconductor device having a chip size package structure that can be mounted on a printed circuit board by itself, and a surface emitting device having both positive and negative electrodes on the side opposite to the light emitting surface in the peripheral portion of the semiconductor integrated circuit. the surface optical device or <br/> other consisting mold element provided with their array, a positive and negative surface optical element or an array consisting of a surface light receiving type device having two electrodes on the opposite side of the light-receiving surface , The surface emitting device and the surface light receiving
The positive and negative electrodes of the surface-type optical element composed of
An optical circuit that is connected to the second electrode formed on the integrated circuit by soldering means and that is input and output from the surface type optical element.
Optical path with a structure that can convert the optical path by approximately 90 degrees when connecting signals
Optical waveguide or sheet-shaped optical waveguide fill with ends
The optical path on the printed circuit board or the optical path
Light having an optical path end with a structure capable of 90-degree conversion
The sheet formed by sandwiching the fiber is
Arranged in the immediate vicinity of the light emitting part or light receiving part of the planar optical element of the device
And, a metal layer of the light emitting side or light receiving side of the surface of the surface-type optical device
And the above-mentioned optical waveguide formed at the corresponding position,
Inserts a sheet-shaped optical waveguide film or optical fiber
The metal layer on the sheet formed by the solder bump
A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism characterized by being connected by means .
は、はんだバンプによる接続手段であり、面型光素子の
発光側または受光側の表面にも、はんだバンプを形成可
能とする金属層を有することを特徴とする光学的信号の
入出力機構を有する半導体装置。2. The soldering means according to claim 1, wherein the soldering means is a connecting means using solder bumps, and has a metal layer capable of forming solder bumps on the light emitting side or the light receiving side of the surface type optical element. A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism.
型光素子の発光側または受光側の表面もしくは裏面に、
集光作用を有するレンズ状物体を加工または形成する
か、もしくはあらかじめ成形したレンズ状物体を装着し
てなることを特徴とする光学的信号の入出力機構を有す
る半導体装置。3. The surface or back surface on the light emitting side or the light receiving side of the surface type optical element according to claim 1 or 2,
A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism, characterized by processing or forming a lens-shaped object having a light-collecting function, or mounting a lens-shaped object formed in advance.
おいて、上記面型光素子の発光側または受光側の表面の
少なくとも発光または受光領域が、使用する光の波長に
関して透明な材料によって封止してなることを特徴とす
る光学的信号の入出力機構を有する半導体装置。4. The material according to any one of claims 1 to 3, wherein at least a light-emitting or light-receiving area on a light-emitting side or a light-receiving side of the surface-type optical element is made of a transparent material with respect to a wavelength of light used. A semiconductor device having an optical signal input / output mechanism characterized by being sealed.
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