JP4170950B2 - 光学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体撮像装置や、光ピックアップシステムに用いられる受光デバイスや、ホログラムユニットなどの光学デバイスおよびその製造方法に関する。
近年、ビデオカメラ，デジタルカメラ，デジタルスチルカメラ等に内蔵されている光学デバイスは、ＣＣＤ等の撮像素子を絶縁性材料からなる基台などのアダプタ部材に搭載した状態で、受光領域を透光板で覆ってパッケージされ、パッケージ体として提供される。
ところで、光学デバイスの小型化のために、撮像素子は、ベアチップのままで基台などのアダプタ部材に搭載される(例えば、特許文献１を参照)。
図６は、従来の光学デバイスの構造を示す断面図である。同図に示すように、光学デバイスは、主要部材として、セラミックまたは可塑性樹脂からなり、中央部に開口部１３２を有する枠状の基台１３１と、基台１３１の下面側に取り付けられたＣＣＤ等からなる撮像素子１３５と、基台１３１の上面側に開口部１３２を挟んで撮像素子１３５に対向するように取り付けられたガラスからなる透光板１３６とを備えている。
基台１３１の下面における開口部１３２の周縁に沿った領域には凹部１３３が形成されており、基台１３１の下面における開口部１３２の近傍から基台１３１の外周側面に亘る領域を覆う，金メッキ層からなる配線１３４が設けれている。撮像素子１３５は、基台１３１の下面のうち凹部１３３の周縁部に取り付けられており、受光領域１３５ａが開口１３２に露出するように配置されている。
また、撮像素子１３５の上面における外周付近には、撮像素子１３５と外部機器との間で信号を授受するための電極パッド（図示せず）が設けられている。また、配線１３４における開口部１３２に隣接した端部に内部端子部が形成されており、配線１３４の内部端子部と電極パッドとがバンプ（突起電極）１３８を挟んで電気的に接続されている。そして、撮像素子１３５，配線１３４及びバンプ１３８は、基台１３１の下面上で撮像素子１３５の周囲に設けられたシール樹脂１３７によって密封されている。
以上のように、撮像素子１３５の受光領域１３５ａは、開口部１３２に形成された閉鎖空間内に配置されている。この光学デバイスは、同図に示されるように、透光板１３６を上方に向けた状態で回路基板上に搭載される。そして、配線１３４における凹部１３３よりも外側にはみ出た領域のうち基台１３１の下面上に位置する部分に外部端子部が形成されており、この外部端子部が回路基板上の電極と接続するために用いられる。
また、同図には示されていないが、透光板１３６の上方には、撮像光学系が組み込まれた鏡筒が装着される。この鏡筒と受光領域１３５ａとの相互の位置関係は、所定の誤差内に収まるように、その要求精度が定められている。
そして、鏡筒に組み込まれた撮像光学系を通して、被撮像対象からの光が撮像素子１３５の受光領域１３５ａに集光され、撮像素子１３５によって光電変換される。
なお、図６に示される基台１３１の構造とは異なり、撮像素子１３５が搭載される面に凹部１３３が形成されていない，全体として平坦な平板形状を有する基台を用いた光学デバイスの例も知られている（例えば、特許文献２を参照）。その場合には、基台の開口部周縁からはみ出た外周部に配置された外部端子部と、回路基板上の電極とは、径の大きいハンダボール等により接続される。そして、ハンダボールにより、撮像素子の下面と回路基板の上面との間隔が調節される。
このような構造の固体撮像装置は、パッケージの高さや占有面積が小さく、高密度実装に適している。
また、ＤＶＤ，ＣＤ，ＭＤ等の記録媒体との間で情報の書き込み，読み出し，書き換えなどを行なう光ピックアップシステムに用いられる受光デバイスや、光ピックアップ中の複数の要素を一体化したホログラムユニットなどの光学デバイスにおいても、基本的には同様の構成が採用されている。
特開２０００−５８８０５号公報 特開２００２−４３５５４号公報
しかしながら、図６に示される従来の光学デバイスの構造では、固体撮像装置や光ピックアップなどのシステム全体としての集約度が十分でなく、まだ改善の余地がある。
本発明の目的は、配線をモールドする際のスペースを利用して、集約度の高い光学デバイス及びその製造方法を提供することにある。
本発明の光学デバイスは、光学素子チップ及び透光性部材を取り付けるための基台を構成するモールド樹脂により、配線と共に半導体チップ及び金属細線等の接続部材をモールドして形成されている。
これにより、光学素子チップと周辺回路等を含む半導体チップとを１パッケージ化することができ、集約度の高い光学デバイスを得ることができる。また、光学デバイスが組み込まれるシステム全体の小型化，コストの低減を図ることができる。
基台の厚みが実質的に一定である，つまり，平板状であることにより、光学素子チップが取り付けられる面の平坦度を高く保持することができるので、光学部品の取り付けの安定化及び取り付け精度の向上を図ることができる。
半導体チップは、配線上に搭載されていることが好ましい。
本発明の光学デバイスの製造方法は、配線パターンを有するリードフレームと半導体チップと半導体チップ−リードフレーム間を接続する接続部材とをモールドして、各々開口部を囲む複数の光学デバイス形成領域を有する成形体を形成する方法である。
この方法により、モールド樹脂内のスペースを利用して半導体チップを配線と共にモールドすることができる。
本発明の光学デバイス及びその製造方法によれば、光学素子チップ，透光性部材，配線などを連結するための基台を構成するモールド樹脂により、半導体チップや接続部材を配線と共にモールドすることにより、光学素子チップと周辺回路用の半導体チップとを１パッケージ化することができる。
（第１の実施形態）
−光学デバイスの構造−
図１（ａ），（ｂ）は、順に、第１の実施形態に係る光学デバイスのIA−IA線における断面図及び裏面図である。ただし、図１（ａ）と図１（ｂ）とは、互いに異なる縮尺で描かれている。
同図に示すように、本実施形態の光学デバイスは、エポキシ樹脂等の可塑性樹脂からなり、中央部に開口部２を有する枠状の基台１０と、基台１０の下面側に取り付けられた光学素子チップ５と、基台１０の上面側に開口部２を挟んで光学素子チップ５に対向するように取り付けられたガラスなどからなる透光性部材である窓部材６と、半田ボール１３とを備えている。基台１０は、光学デバイスの光学素子チップ５と窓部材６とを連結する部材である。この構造は、モールド工程を行なってから光学素子チップ５を基台１０上に搭載する手順により形成されるので、いわゆるプリモールド構造といわれている。
本実施形態においては、光学素子チップ５は、ＣＣＤ等の固体撮像素子を搭載しており、光学デバイスは、ビデオカメラ，デジタルカメラ，デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像装置である。
ただし、光学素子チップが、固体撮像素子に代えて複数の受光素子を離散的に配置したものでもよく、その場合には、光学デバイスは、ＤＶＤ，ＣＤ，ＭＤなどを備えたシステムに用いられる光ピックアップに配置される受光デバイスである。
基台１０内には配線１２が埋め込まれており、配線１２の一方の端部は基台１０の下面の開口部２付近の領域で基台１０を構成するモールド樹脂から露出して内部端子部１２ａとなり、配線１２の他方の端部は基台１０の下面の外縁部において基台１０を構成するモールド樹脂から露出して外部端子部１２ｂとなっている。
さらに、基台１０内には、光学素子チップ５の周辺回路などを内蔵した半導体チップ５１と、半導体チップのパッド電極と配線１２とを接続するための金属細線５２とが埋め込まれている。ここで、半導体チップ５１内に内蔵されている集積回路装置は、光学素子チップ５のドライバ回路，各種ロジック回路，フロントエンド回路，タイミングジェネレータなどの周辺回路や、メモリなどである。
図２は、半導体チップ５１が基台１０を構成するモールド樹脂によってモールドされている構造の例を示す斜視図である。同図においては、モールド樹脂は破線で表示して、透明体として扱っている。同図に示すように、半導体チップ５１は、例えば１つの配線１２上に接着剤（図示せず）を介して固着されており、半導体チップ５１のパッド電極（図示せず）と配線１２とが、金属細線５２によって電気的に接続されている。ただし、半導体チップは必ずしも配線１２上に搭載されている必要はなく、光学素子チップ５につながる支持部材上に搭載されていてもよいし、後述する製造工程において、接着剤が設けられた封止テープ上に半導体チップが固着されていてもよい。
光学素子チップ５は、基台１０の下面のうち開口部２の周辺に位置する領域に、その受光領域が設けられた主面５ａが開口部２に露出するように取り付けられている。光学素子チップ５の上面における外周付近には、光学素子チップ５と外部機器との間で信号を授受するための電極パッド５ｂが設けられている。そして、配線１２の内部端子部１２ａと電極パッド５ｂとがバンプ（突起電極）８を挟んで電気的に接続されている。つまり、バンプ８を介して光学素子チップ５の電極パッド５ｂと接続されている。そして、光学素子５，配線１２及びバンプ８は、基台１０の下面上で光学素子チップ５の周囲に設けられたシール樹脂７によって密封されている。一方、基台１０の上面上では、基台１０と透光性部材６との間の間隙が、透光性部材６の周囲に設けられたシール樹脂１５によって密封されている。
本実施形態において、パッケージ体全体の厚みは、例えば１．５ｍｍ以下に設定されている。そして、半導体チップ５１の大きさは、縦０．５〜５ｍｍ，横０．５〜５ｍｍ，厚さ０．０５〜０．５ｍｍの範囲であり、光学素子チップ５の大きさは、縦１〜１０ｍｍ，横１〜１０ｍｍ，厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である。
本実施形態の光学デバイスによると、基台１０を構成するモールド樹脂により、配線１２と共に半導体チップ５１や金属細線５２等の接続部材をモールドしたことにより、光学素子チップと周辺回路等を含む半導体チップとを１パッケージ化することができ、集約度の高い光学デバイスが得られる。また、光学デバイスが組み込まれるカメラ等のシステム全体の小型化と製造コストの低減とを図ることできる。
なお、本実施形態の基台１０に代えて、図６に示す凹部を有する基台１３１内に半導体チップや金属細線等を埋め込む構造を採用することによっても、光学素子チップと周辺回路等を含む半導体チップとを１パッケージ化するという効果は発揮することができる。
−光学デバイスの製造工程−
図３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態に係る光学デバイスの製造工程を示す断面図である。ただし、図３（ａ）〜（ｃ）に示す工程において、２個の光学デバイス形成領域のみが表示されているが、一般には、図３（ａ）〜（ｃ）に示す工程においては、多数の光学デバイス形成領域を碁盤目状に有するリードフレームを用いて製造工程が進められる。
また、図４（ａ），（ｂ）は、実施形態に係る光学デバイスの製造工程のうちモールド工程を示す断面図である。
まず、図３（ａ）に示す工程で、配線パターンが形成されたリードフレーム１２ｘを封止テープ２０の上に載置する。このとき、リードフレーム１２ｘの配線となる部分には、図２に示した状態で半導体チップ５１，金属細線５２等が取り付けられている。リードフレーム１２ｘの大部分は、その下部にハーフエッチ又はプレスされてなる凹部が設けられ、外部端子部１２ｂ又は内部端子部１２ａとなる部分だけが、凹部の底面から下方に突出した構造となっている。
次に、図３（ｂ）に示す工程で、モールド工程を行なう。すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、リードフレーム１２ｘに封止テープ２０を取り付けたものを、モールド金型３０に装着し、エポキシ樹脂などの可塑性樹脂（モールド樹脂）をモールド金型３０のダイキャビティ３０ａに充填して、リードフレーム１２ｘの内部端子部１２ａ及び外部端子部１２ｂ以外の部分をモールド樹脂内に埋め込んで成形体１０ｘを形成する。このとき、半導体チップ５１及び金属細線もモールド樹脂内に埋め込まれる。モールド金型３０の各ダイキャビティ３０ａ間を隔てる仕切部３０ｂにはモールド樹脂が充填されないので、成形体１０ｘの各光学デバイス形成領域の中央部には、光学素子を取り付けるための開口部２が形成される。
次に、図３（ｃ）に示す工程で、封止テープ２０を成形体１０ｘから剥がした後、成形体１０ｘを内部端子部１２ａ及び外部端子部１２ｂが露出している面を上方に向けて設置して、外部端子部１２ｂの上に半田ボール１３を形成する。
次に、図３（ｄ）に示す工程で、ブレードにより、成形体１０ｘの相隣接する光学デバイス形成領域間の境界部分を切り込み部の中央部分で切断して、成形体１０ｘから個々の光学デバイスの基台１０（分離体）を形成する。このとき、基台１０には、それぞれ多数の内部端子部１２ａ及び外部端子部１２ｂを有する配線１０と共に、半導体チップ５１及び金属細線５２が埋め込まれている。
次に、図３（ｅ）に示す工程で、基台１０の上に光学素子５をその主面５ａを下方に向けて搭載する。そのとき、各基台１０の内部端子部１２ａの上にバンプ８を設けて、バンプ８の上に光学素子チップ５の電極パッド５ｂを接続させ、シール樹脂７によって接続部の間隙を埋める。
次に、図３（ｆ）に示す工程で、基台１０の光学素子チップ５が搭載された側（下面）を下方に向けて、基台１０の上面に開口部２を覆うガラスからなる窓部材６を載置して、シール樹脂１５によって窓部材６と基台１０との間隙を埋め、開口部２を密封する。
本実施形態の製造方法によると、図３（ａ）に示す工程で、リードフレーム１２ｘ上に半導体チップ５１及び金属細線５２を搭載しておいて、図３（ｂ）に示す工程で、半導体チップ５１及び金属細線５２をリードフレーム１２ｘ（配線）とともにモールド樹脂によりモールドすることにより、モールド樹脂内のスペースを利用して、集約度の高い光学デバイスを容易に製造することができる。
なお、図３（ｄ）に示す切断工程は、図３（ｅ）に示す光学素子チップの取り付け工程の後、又は、図３（ｆ）に示す窓部材６の取り付け工程の後で行なうことも可能である。
なお、実施形態における製造工程においては、リードフレームを封止テープの上に載置した状態でモールド工程を行なったが、必ずしも封止テープを用いる必要はない。ただし、封止テープを用いた場合には、リードフレームの上下面を、上金型および下金型でクランプすることにより、金型面とリードフレームの上下面が密着した状態を安定して得ることができる。その結果、成形による樹脂ばりの発生が効果的に抑制されるとともに、外部端子部が封止樹脂から突出した構造が得られるので、光学デバイスをマザーボードに取り付ける際の半田接合が容易になるなど、実装の容易化，迅速化を図ることができる。
（第２の実施形態）
図５（ａ），（ｂ）は、順に、第２の実施形態に係る光学デバイスのVA−VA線における断面図及び裏面図である。ただし、図５（ａ）と図５（ｂ）とは、互いに異なる縮尺で描かれている。
同図に示すように、本実施形態の光学デバイスは、エポキシ樹脂等の可塑性樹脂からなり、中央部に開口部２を有する枠状の基台１０と、基台１０の下面側に取り付けられた光学素子チップ５と、基台１０の上面側に開口部２を挟んで光学素子チップ５に対向するように取り付けられた光学用樹脂などからなるホログラム４０と、半田ボール１３とを備えている。基台１０は、光学デバイスの光学素子チップ５とホログラム４０とを連結する部材である。この構造は、モールド工程を行なってから光学素子チップを基台上に搭載する手順により形成されるので、いわゆるプリモールド構造といわれている。本実施形態においては、光学素子チップ５は、発光ダイオードなどの発光素子５ｃと受光素子５ｄとを搭載して構成されており、光学デバイスは、ＤＶＤ，ＣＤ，ＭＤなどを備えたシステムに用いられる光ピックアップ中の複数の要素を組み込んだホログラムユニットである。
基台１０内には配線１２が埋め込まれており、配線１２の一方の端部は基台１０の下面の開口部２付近の領域で基台１０を構成するモールド樹脂から露出して内部端子部１２ａとなり、配線１２の他方の端部は基台１０の下面の外縁部において基台１０を構成するモールド樹脂から露出して外部端子部１２ｂとなっている。
さらに、基台１０内には、光学素子チップ５の周辺回路などを内蔵した半導体チップ５１と、半導体チップのパッド電極と配線１２とを接続するための金属細線５２とが埋め込まれている。ここで、半導体チップ５１内に内蔵されている集積回路装置は、光学素子チップ５内の発光素子や受光素子のドライバ回路，各種ロジック回路，フロントエンド回路，タイミングジェネレータなどの周辺回路や、メモリなどである。
本実施形態においても、半導体チップ５１が基台１０を構成するモールド樹脂によってモールドされている構造は、第１の実施形態における図２に示す構造と基本的には同じである。すなわち、半導体チップ５１は、例えば１つの配線１２上に接着剤を介して固着されており、半導体チップ５１のパッド電極と配線１２とが、金属細線５２によって電気的に接続されている。ただし、半導体チップは必ずしも配線１２上に搭載されている必要はなく、光学素子チップにつながる支持部材上に搭載されていてもよいし、後述する製造工程において、接着剤が設けられた封止テープ上に半導体チップが固着されていてもよい。
光学素子チップ５は、基台１０の下面のうち開口部２の周辺に位置する領域に、発光素子５ｃや受光素子５ｄが設けられた主面５ａが開口部２に露出するように取り付けられている。光学素子チップ５の上面における外周付近には、光学素子チップ５の発光素子５ｃや受光素子５ｄと外部機器との間で信号を授受するための電極パッド５ｂが設けられている。そして、配線１２の内部端子部１２ａと電極パッド５ｂとがバンプ（突起電極）８を挟んで電気的に接続されている。つまり、バンプ８を介して光学素子チップ５の電極パッド５ｂと接続されている。そして、光学素子チップ５，配線１２及びバンプ８は、基台１０の下面上で光学素子チップ５の周囲に設けられたシール樹脂７によって密封されている。
ホログラム４０は、例えば光学用樹脂などの透光性材料からなる本体部４０ａと、本体部４０の上面に設けられたホログラム領域４０ｂとを有している。ホログラム４０の本体部４０ａの外周部及び下面において接着剤１５によって基台１０の上端部に固着されている。そして、接着剤１５によりホログラム４０と基台１０との間隙が埋められて内部空間２が密封されて、パッケージ体が構成されている。
ホログラム４０の高さは例えば０．５〜１０ｍｍの範囲であり、パッケージ体全体の厚みは、例えば１．５ｍｍ以下に設定されている。なお、半導体チップ５１の大きさは第１の実施形態と同じであり、光学素子チップ５の大きさは、縦１〜１０ｍｍ，横１〜１０ｍｍ，厚さ０．１〜１．０ｍｍの範囲である。
本実施形態の光学デバイスによると、基台１０を構成するモールド樹脂により、配線１２と共に半導体チップ５１や金属細線５２等の接続部材をモールドしたことにより、ホログラムに加えて光学素子チップと周辺回路等を含む半導体チップとを１パッケージ化することができ、集約度の高いホログラムユニットが得られる。また、ホログラムユニットが組み込まれる光ピックアップのシステム全体の小型化と製造コストの低減とを図ることできる。
なお、本実施形態の基台１０に代えて、図６に示す凹部を有する基台１３１内に半導体チップや金属細線等を埋め込む構造を採用することによっても、光学素子チップと周辺回路等を含む半導体チップとを１パッケージ化するという効果は発揮することができる。
本発明に係る光学デバイスは、ビデオカメラ，デジタルカメラ，デジタルスチルカメラ等の部品、あるいは、ＤＶＤ，ＣＤ，ＭＤなどを利用するシステムの光ピックアップに利用することができる。
（ａ），（ｂ）は、順に、第１の実施形態に係る光学デバイスのIA−IA線における断面図及び裏面図である。 第１の実施形態における半導体チップが基台を構成するモールド樹脂内に埋め込まれている構造の例を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態に係る光学デバイスの製造工程を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、第１の実施形態に係る光学デバイスの製造工程のうちモールド工程を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、順に、第２の実施形態に係る光学デバイスのVA−VA線における断面図及び裏面図である。 従来の光学デバイスの構造を示す断面図である。
符号の説明
２ 開口部
５ 光学素子チップ
５ａ 主面
５ｂ パッド電極
６ 窓部材
７ シール樹脂
８ バンプ
１０ 基台
１０ｘ 成形体
１２ 配線
１２ａ 内部端子部
１２ｂ 外部端子部
１３ 半田ボール
１５ シール樹脂
２０ 封止テープ
３０ モールド金型
３０ａ ダイキャビティ
３０ｂ 仕切部
４０ ホログラム
４０ａ 本体部
４０ｂ ホログラム領域
５１ 半導体チップ
５２ 金属細線

Claims (9)

  1. 開口部を有するようにモールド樹脂によってモールドしてなる平板状の基台と、
    上記基台の入光方向に対峙する第１の面に上記開口部を覆って取り付けられた透光性部材と、
    上記基台を構成する上記モールド樹脂内に埋め込まれ、上記基台の上記第１の面に対向する第２の面における上記開口部の周辺に位置する領域に内部端子部を露出させると共に、上記第２の面における上記基台の外縁部に位置する領域に外部端子部を露出させた複数の配線と、
    上記基台の上記第２の面に、上記開口部を覆い且つその主面を上記透光性部材に向けて取り付けられ、その電極が上記内部端子部に電気的に接合された光学素子チップと、
    上記基台を構成する上記モールド樹脂内に埋め込まれた半導体チップと、
    上記基台を構成する上記モールド樹脂内に埋め込まれ、上記半導体チップと上記モールド樹脂内に埋め込まれた上記配線とを電気的に接続する接続部材と
    を備えている光学デバイス。
  2. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、
    配線はリードフレームである，光学デバイス。
  3. 請求項１記載の光学デバイスにおいて、
    上記基台の厚みが実質的に一定である，光学デバイス。
  4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記半導体チップは、上記配線上に搭載されている，光学デバイス。
  5. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学素子チップは、撮像素子を搭載しており、
    固体撮像装置である，光学デバイス。
  6. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記光学素子チップは、受光素子を搭載しており、
    光ピックアップ装置に組み込まれている，光学デバイス。
  7. 請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の光学デバイスにおいて、
    上記透光性部材は、ホログラムであり、
    上記光学素子チップは、受光素子と発光素子とを搭載しており、
    ホログラムユニットである，光学デバイス。
  8. 配線パターンを有し、下部に内部端子部及び外部端子となる凸部が設けられたリードフレームを準備する工程と、
    上記リードフレームの上方に半導体チップを載置し、上記半導体チップ−上記リードフレーム間を接続部材により電気的に接続する工程と、
    各々開口部を有する複数の光学デバイス形成領域を含み、各前記光学デバイス形成領域内に上記半導体チップ及び上記リードフレームを埋め込むと共に上記開口部の周辺に位置する領域に上記内部端子を露出させ且つ外縁部に位置する領域に上記外部端子を露出させるようにモールド樹脂によってモールドしてなる成形体を形成する工程と、
    上記成形体を切断することにより、上記開口部を有する個別の平板状の基台を形成する工程と、
    上記基台の上面に上記開口部を覆って透光性部材を取り付ける工程と、
    上記基台の下面に上記開口部を覆って、光学素子チップをその電極と上記内部端子部とが電気的に接続され且つその主面が上記透光性部材に向くように取り付ける工程と
    を含む光学デバイスの製造方法。
  9. 請求項８記載の光学デバイスの製造方法において、
    前記成形体を形成する工程において、配線となるリードフレームを封止テープの上に載置した状態でモールド金型に取り付けて、樹脂モールドを行ない、上記樹脂モールド後に封止テープを剥がす，光学デバイスの製造方法。
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