JP4214406B2 - 光信号入出力機構を有する半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は光信号入出力機構を有する半導体装置に関し、特に面型光素子と光伝送媒体との間における光軸の食い違いの調整と防止ができる光信号入出力機構を有する半導体装置に関する。

最近、半導体装置において光通信や光インターコネクション用の光モジュールが多く使用されるようになっている。光通信や光インターコネクション用の光モジュールにおいて、その光結合系には数１０ｕｍ以下の位置決め精度が必要である。最近の光モジュールにおいては、光モジュール内に面型光素子を有し、光プリント板や光電気複合基板に光モジュールを搭載すると同時に、それら面型光素子と光導波路との光結合も行われるような構造の光信号入出力機構が開発され、特に半導体チップ間インターコネクションの分野における実用化が期待されている。

従来例の一つとして特許文献１で開示された光学的信号の入出力機構を有する半導体装置がある。図４は、第１の従来例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模式的部分断面図である。本従来例では、半導体集積回路が作製されたＬＳＩチップ５７と面型光素子アレイ６１ａとをＬＳＩチップ５７と同程度の外形サイズのモールド樹脂６８で成形されたパッケージ内に収納したチップサイズパッケージの構造をしている。図４に示されるように面型光素子アレイ６１ａは半田バンプ６６によりＬＳＩチップ５７に実装されている。面型光素子アレイ６１ａの入出力光は、入出力光に対して４５度の角度となるようにプリント基板５１上に形成された光導波路６５の端面と光軸を合わせて結合されており、面型光素子アレイ６１ａのそれぞれの面型光素子アレイの光入出口と、光導波路６５のそれぞれの光入出口にはマイクロレンズ６２が設けられている。

その他の実施例として特許文献２で開示された光学的信号の入出力機構を有する半導体装置がある。図５は、第２の従来例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模式的部分断面図である。本従来例では、半導体集積回路を有するＬＳＩチップ７７と、面型光素子を二次元配列させて構成した面型光素子アレイ８１ａとを内蔵するＴＢＧＡパッケージ構造７９をプリント基板７１上に実装し、光導波路８５の端面と面型光素子アレイ８１ａとの光軸を合わせて光結合させている。面型光素子アレイ８１ａのそれぞれの面型光素子の光入出口と、光導波路８５のそれぞれの光入出口にはマイクロレンズ８２が設けられている。
特開２０００−３３２３０１号公報 特開２００１−１８５７５２号公報

上述の従来例に示す構造では、プリント基板５１、７１と、面型光素子アレイ６１ａ、８１ａの搭載されたＬＳＩチップ５７、７７の熱膨張係数の差などに伴い、温度変化に対して面型光素子アレイ６１ａ、８１ａと光導波路６５、８５の端部との光軸が合った状態を保つことが困難であり、同様に複数の面型光素子アレイ５ａの光軸調整を行って光軸が合った状態に調整することは困難である。さらに、それでも光軸を合わせた状態の保持を実現しようとすれば極めて高精度な実装技術を要し、コスト増加につながってしまう。

本発明の目的は、面型光素子と光伝送媒体との高精度な光軸合せを簡易な構造にて実現することにより、光モジュールの低コスト化を図ることのできる光信号入出力機構を有する半導体装置を提供することにある。

本発明の光信号入出力機構を有する半導体装置は、
第１の態様では、半導体素子と、光信号入出力機構と、半導体素子と光信号入出力機構とに接続する配線が設けられていて半導体素子と光信号入出力機構とを搭載するプリント基板とを備えている。光信号入出力機構は、光入出力端部を有する光伝送媒体と、光入出力面を有する面型光素子と、その面型光素子の光入出力面が光伝送媒体の光入出力端部と対向するようにその面型光素子が一端に固定され、他端がプリント基板に電気的および構造的に接続されている小基板とを有し、その小基板は、面型光素子が固定された一端が固定機構を介してプリント基板に位置決めされ、プリント基板と電気的および構造的に接続されている他端側には、該小基板の熱膨張あるいは熱収縮、及び前記プリント基板の熱膨張あるいは熱収縮によって該小基板の面型光素子の固定部に加わる力を吸収し、面型光素子の光軸と光伝送媒体の光入出力端部との位置ずれを防止するための弾性の高いたわみ可能部を有することを特徴とする。

第２の態様では、半導体素子と、光信号入出力機構と、半導体素子と光信号入出力機構の面型光素子と接続する配線が設けられていて半導体素子と面型光素子とを搭載する両面接続型の子基板と、その子基板と接続する配線が設けられていて、光信号入出力機構の光伝送媒体を搭載するプリント基板とを備えている。光信号入出力機構は、光入出力端部を有する光伝送媒体と、光入出力面を有する面型光素子と、その面型光素子の光入出力面が光伝送媒体の光入出力端部と対向するようにその面型光素子が一端に固定され、他端が子基板に電気的および構造的に接続されている小基板とを有し、その小基板は、面型光素子が固定された一端が固定機構を介してプリント基板に位置決めされ、子基板と電気的および構造的に接続されている他端側には、その他端を介してその小基板に加わる外力を吸収するための弾性の高いたわみ可能部を有し、子基板には、光入出力端部と光入出力面との間で光が通過する孔と、固定機構であるガイドピンが貫通するそのガイドピンの直径よりも大きな孔とが設けられていることを特徴とする。

いずれの態様においても、小基板のたわみ可能部では、その小基板にプリント基板と離れる方向に向けて湾曲する湾曲部が形成され、その小基板の両側面には幅が中央に向けて湾曲するくびれ構造が設けられていてもよく、その小基板にプリント基板と離れる方向に向けて湾曲する湾曲部が形成され、少なくとも１本の長手方向に延びるスリットが設けられていてもよい。小基板は、弾性変形可能な薄型基板であってもよく、プラスティックフィルムであってもよい。

面型光素子および光伝送媒体は、その面型光素子の光入出力面およびその光伝送媒体の光入出力端部に、それぞれが対応する複数の光入出力口を有していてもよく、面型光素子が搭載された小基板が、プリント基板あるいは子基板上に複数個搭載されていてもよく、第２の態様では、子基板が、プリント基板上に複数個搭載されていてもよい。

面型光素子が実装された小基板のプリント基板あるいは子基板との基板接続部近傍にたわみ可能部を設けたので、面型光素子を正しい位置に固定するための実装位置ずれの補正を行うことがきる。また、小基板およびプリント基板の温度変化による熱膨張あるいは熱収縮によって生ずる可能性のある面型光素子と光伝送媒体との光軸のずれを、面型光素子が搭載された基板の接続部近傍のたわみ可能部で吸収できる。

本発明は、簡易な構成で、温度変化などの環境変動に対しても面型光素子の移動を防止でき、安定した光軸を維持できるという効果がある。これは、小基板およびプリント基板の温度変化による熱膨張あるいは熱収縮によって生ずる可能性のある面型光素子と光伝送媒体との光軸のずれを面型光素子を搭載した基板の接続部近傍のたわみ可能部で吸収できるためである。

また、光モジュールの低コスト化を図ることができるという効果がある。これは光軸に発生する可能性のあるずれを、面型光素子を搭載した基板の接続部近傍のたわみ可能部に設けられた湾曲やくびれ構造、あるいはスリットといった簡易な構成で防止できるので、光軸修正のための高精度な実装技術も必要としないからである。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の光信号入出力機構を有する半導体装置の模式的説明図であり、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は小基板の模式的上面図である。面型光素子２１は、電気配線１８が上面に配線された機械的に柔軟性のある小基板１３上の一端に、はんだバンプ２６により固定されている。ここで、小基板１３は弾性変形可能な薄型基板である。この小基板１３の他端は、基板接続部１４においてはんだバンプ２６でプリント基板１１に固定されており、面型光素子２１の光入出口に対応する面には光通過口が設けられている。小基板１３とプリント基板１１との接続は、はんだ以外の接続材料やバンプ形状以外のもの、例えばピン形状のものであってもよい。

小基板１３の基板接続部１４の近傍は、たわみ可能部１５となっており、たわみ可能部１５には図１（ａ）に示されるように上向きの湾曲部が設けられており、第１の実施の形態では、図１（ｂ）に示されるように、さらに弾性構造の一種であるくびれ構造となっている。小基板１３の基板接続部１４近傍の両側に半円型のくびれ構造を設けることで、上向きの湾曲部との相乗効果によって小基板１３に対する上下（すなわち反り）、左右（すなわち捻り）方向の歪みを吸収することができる。

このくびれ構造により、面型光素子２１は基板接続部１４が固定された状態においても小範囲の移動が可能となり、それによって面型光素子２１とプリント基板１１上に形成された光導波路２５との位置合せを行うことが可能となり、位置合せ後にプリント基板１１上に設けられたガイドピン２２と固定部品２３によって小基板１３をプリント基板１１に対して固定することにより、光導波路２５の固定されているプリント基板１１に対し光軸が合った状態で面型光素子２１を固定することが可能となる。面型光素子２１が搭載された小基板１３に設けられたガイドピン２２が貫通するガイド孔は、光軸合せが行われた後に、プリント基板１に固定されているガイドピン２２と固定部品２３により固定される。

固定の方法は特に限定されないが、例えば、ガイドピン２２の小基板１３の下面と対応する位置に直径が上部で小さくなるような段差を設け、小基板１３のガイド孔はガイドピン２２の下側の大径部よりも小さく、ガイドピン２２の上側の小径部よりも大きくすることで、小基板１３をガイドピン２２の段差部で摺動可能とし、位置決めの後でキャップ状の固定部品２３をガイドピン２２の上部からか圧入してキャップの下面を小基板１３の上面に圧着することによって小基板１３とガイドピンとを固定し、プリント基板１１との相対位置を固定してもよい。

本構造により、上述のように基板接続部１４での実装位置ずれに基づく面型光素子２１の位置ずれを補正できる以外に、小基板１３およびプリント基板１１の温度変化による熱膨張あるいは熱収縮によって面型光素子２１に加わる力を緩衝し、面型光素子２１と光導波路２５との光軸のずれを防止することができる。その理由は、温度変化により基板接続部１４に生じる機械的な歪みによる応力や、小基板１３自体に発生する応力の変化は、たわみ可能部１５の変形によって吸収できるためである。したがって、温度変化があっても、小基板１３の面型光素子２１固定部に加わる力は少なくなり、面型発光素子２１の光軸と光導波路２５の光入出射部分との位置ずれはガイドピン２２と固定部材２３による小基板１３の固定により抑制することができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態の光信号入出力機構を有する半導体装置の模式的断面図である。面型光素子４１は、上面に電気配線３８が配線された機械的に柔軟性のある小基板３３上の一端に、バンプ４６により固定されており、面型光素子２１の光入出口に対応する小基板３３の面には光通過口が設けられている。ここで、小基板３３は弾性変形可能な薄型基板である。この小基板３３の他端は、基板接続部３４において両面に電気配線が設けられた子基板３２とはんだバンプ４６によって固定され、さらに子基板３２ははんだバンプ４６によりプリント基板３１と固定される。ここで小基板３３と子基板３２との接続および子基板３２とプリント基板３１との接続は、はんだ以外の接続材料やバンプ形状以外のもの、例えばピン形状のものであってもよい。

小基板３３の基板接続部３４の近傍はたわみ可能部３５となっている、たわみ可能部３５は、図１を参照して説明した第１の実施の形態のたわみ可能部１５と同じ構成と機能なので詳細の説明は省略する。

この構造により、面型光素子４１は基板接続部３４が固定された状態においても小範囲の移動が可能となり、それによって面型光素子４１とプリント基板３１上に形成された光導波路４５との位置合せを行うことが可能となり、位置合せ後にプリント基板３１上に設けられたガイドピン４２と固定部品４３によって小基板３３をプリント基板３１に対して固定することにより、光導波路４５の固定されているプリント基板３１に対し光軸が合った状態で面型光素子４１を固定することが可能となる。ここで、子基板３２に設けられたガイドピン４２が通過するための孔３２ａの内径は、ガイドピン４２の直径よりも余裕を持った大きさとなっている。面型光素子４１が搭載された小基板３３に設けられたガイドピン４２が貫通するガイド孔は、光軸合せが行われた後に、プリント基板３１に固定されているガイドピン４２と固定部品４３により固定される。固定の方法は第１の実施の形態と同じなので説明を省略する。

また、本構造により、上述のように基板接続部３４での実装位置ずれに基づく面型光素子４１の位置ずれを補正できる以外に、小基板３３およびプリント基板３１の温度変化による熱膨張あるいは熱収縮によって面型光素子４１に加わる力を緩衝し、面型光素子４１と光導波路４５との光軸のずれを防止することができる。その理由は、子基板３２の変形は、孔３２ａとガイドピン４２に隙間があるためガイドピン４２に変形を与えないので、子基板３２の変形は、面型光素子４１の光軸と光導波路４５入射部との相対的な位置関係に影響を与えず、温度変化により基板接続部３４に生じる機械的な歪みによる応力や、小基板３３自体に発生する応力の変化は、たわみ可能部３５の変形によって吸収できるためである。したがって、温度変化があっても、小基板３３の面型光素子４１固定部に加わる力は少なくなり、面型発光素子４１の光軸と光導波路４５の光入出射部分との位置ずれはガイドピン４２と固定部材４３による小基板３３の固定により抑制することができる。

図３は、本発明の第３の実施の形態の小基板の模式的上面図である。第３の実施の形態は、上述の第１の実施の形態、および第２の実施の形態と基本的な構成は同じであるが、小基板１３、３３のたわみ可能部１５、３５の形態が異なるだけなので、基本的な構成と動作についての説明は省略し、同じ部分は第１の実施の形態と同じ名称と記号を付して、たわみ可能部１５の相違点についてのみ説明する。

第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、小基板１３の基板接続部１４の近傍はたわみ可能部１５となっており、たわみ可能部１５には上向きの湾曲部が設けられているが、第１および第２の実施の形態で設けられていた、くびれ構造が設けられておらず、代わりに長手方向に複数のスリット１６が設けられている。小基板１３の基板接続部１４近傍に長手方向に複数のスリット１６が設けられたことで、この部分の剛性が弱まり、上向きの湾曲部との相乗効果によって小基板１３に対する上下（すなわち反り）、左右（すなわち捻り）方向の歪みを吸収することができる。

本実施の形態では、面型光素子２１、４１を対象として説明しているが、複数の面型光素子が２次元配置された面型光素子アレイであり、光導波路２５の光入出力面にはそれに対応する複数の光入出力口が設けられていてもよく、面型光素子と光導波路の光入出力口にはマイクロレンズが設けられていてもよい。

さらに、上述した第１の実施の形態と第２の実施の形態に対して次のような応用例が考えられる。面型光素子２１、４１の搭載された小基板１３、３３は弾性変形可能な薄型基板が用いられていたが、第１の応用例としては、ポリイミドなどの樹脂を材料とした基板であってもよく、第２の応用例としては、可塑性を有する基板であってもよく、第３の応用例として、弾性を有する樹脂を材料とした基板であってもよい。

また、第４の応用例として、面型光素子２１、４１の搭載された小基板１３、３３のたわみ可能部１５、３５には、くびれ構造に加えて第３の実施の形態のような単数または複数のスリットを有する形状としてもよい。

また、第５の応用例として、光導波路２５、４５として説明した光伝送媒体は光ファイバであってもよく、第６の応用例として、光軸合せに用いるガイドピン２２、４２に代えてプリント基板１１、３１に設けられたガイド穴を光軸位置合せに用い、別に小基板１３、３３の面型光素子２１、４１の固定機構が設けられていてもよい。

また、上述した第２の実施の形態に対する第７の応用例として、面型光素子４１の搭載された小基板３３は、子基板３２上の４辺のいずれかにあってもよく、第８の応用例として、面型光素子４１の搭載された小基板３３は、子基板３２上の４隅のいずれかにあってもよく、第９の応用例として子基板３２がプリント基板３１上に複数設けられていてもよい。さらに、第１０の応用例として、面型光素子４１、小基板３３、子基板３２、ガイドピン４２、固定部材４３はそれぞれ複数であってもよい。

本発明の第１の実施の形態の光信号入出力機構を有する半導体装置の模式的説明図であり、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は小基板の模式的上面図である。 本発明の第２の実施の形態の光信号入出力機構を有する半導体装置の模式的断面図である。 本発明の第３の実施の形態の小基板の模式的上面図である。 第１の従来例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模式的部分断面図である。 第２の従来例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模式的部分断面図である。

符号の説明

１１、３１、５１、７１ プリント基板
１３、３３ 小基板
１４、３４ 基板接続部
１５、３５ たわみ可能部
１６ スリット
１７、３７、５７、７７ ＬＳＩチップ
１８、３８、５８、７８ 電気配線
２１、４１ 面型光素子
２２、４２ ガイドピン
２３、４３ 固定部材
２５、４５、６５、８５ 光導波路
２６、４６、６６、８６ はんだバンプ
３２ 子基板
３２ａ 孔
６１ａ、８１ａ 面型光素子アレイ
６２、８２ マイクロレンズ
６８ モールド樹脂
７９ ＴＢＧＡパッケージ構造

Claims (15)

1. 半導体素子と、光信号入出力機構と、前記半導体素子と前記光信号入出力機構とに接続する配線が設けられていて前記半導体素子と前記光信号入出力機構とを搭載するプリント基板とを備えた、半導体装置において、
   前記光信号入出力機構は、光入出力端部を有する光伝送媒体と、光入出力面を有する面型光素子と、該面型光素子の前記光入出力面が前記光伝送媒体の前記光入出力端部と対向するように該面型光素子が一端に固定され、他端が前記プリント基板に電気的および構造的に接続されている小基板とを有し、
   該小基板は、前記面型光素子が固定された前記一端が固定機構を介して前記プリント基板に位置決めされ、前記プリント基板と電気的および構造的に接続されている前記他端側には、該小基板の熱膨張あるいは熱収縮、及び前記プリント基板の熱膨張あるいは熱収縮によって該小基板の前記面型光素子の固定部に加わる力を吸収し、前記面型光素子の光軸と前記光伝送媒体の前記光入出力端部との位置ずれを防止するための弾性の高いたわみ可能部を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記小基板の前記たわみ可能部では、該小基板に前記プリント基板と離れる方向に向けて湾曲する湾曲部が形成され、該小基板の両側面には幅が中央に向けて湾曲するくびれ構造が設けられている、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記小基板の前記たわみ可能部では、該小基板に前記プリント基板と離れる方向に向けて湾曲する湾曲部が形成され、少なくとも１本の長手方向に延びるスリットが設けられている、請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記小基板は、弾性変形可能な薄型基板である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記小基板は、プラスティックフィルムである、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記面型光素子および前記光伝送媒体は、該面型光素子の光入出力面および該光伝送媒体の光入出力端部に、それぞれが対応する複数の光入出力口を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記面型光素子が搭載された小基板が、前記プリント基板上に複数個搭載されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 半導体素子と、光信号入出力機構と、前記半導体素子と前記光信号入出力機構の面型光素子と接続する配線が設けられていて前記半導体素子と前記面型光素子とを搭載する両面接続型の子基板と、該子基板と接続する配線が設けられていて、前記光信号入出力機構の光伝送媒体を搭載するプリント基板と、を備えた半導体装置において、
   前記光信号入出力機構は、光入出力端部を有する前記光伝送媒体と、光入出力面を有する前記面型光素子と、該面型光素子の前記光入出力面が前記光伝送媒体の前記光入出力端部と対向するように該面型光素子が一端に固定され、他端が前記子基板に電気的および構造的に接続されている小基板とを有し、
   該小基板は、前記面型光素子が固定された前記一端が固定機構を介して前記プリント基板に位置決めされ、前記子基板と電気的および構造的に接続されている前記他端側には、該他端を介して該小基板に加わる外力を吸収するための弾性の高いたわみ可能部を有し、
   前記子基板には、前記光入出力端部と前記光入出力面との間で光が通過する孔と、前記固定機構であるガイドピンが貫通する該ガイドピンの直径よりも大きな孔とが設けられていることを特徴とする半導体装置。
9. 前記小基板のたわみ可能部では、該小基板に前記プリント基板と離れる方向に向けて湾曲する湾曲部が形成され、該小基板の両側面には幅が中央に向けて湾曲するくびれ構造が設けられている、請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記小基板のたわみ可能部では、該小基板に前記プリント基板と離れる方向に向けて湾曲する湾曲部が形成され、少なくとも１本の長手方向に延びるスリットが設けられている、請求項８に記載の半導体装置。
11. 前記小基板は、弾性変形可能な薄型基板である、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
12. 前記小基板は、プラスティックフィルムである、請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記面型光素子および前記光伝送媒体は、該面型光素子の光入出力面および該光伝送媒体の光入出力端部に、それぞれが対応する複数の光入出力口を有する、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
14. 前記面型光素子が搭載された小基板が、前記子基板上に複数個搭載されている、請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
15. 前記子基板が、前記プリント基板上に複数個搭載されている、請求項８から請求項１４のいずれか１項に記載の半導体装置。

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