JP4693684B2

JP4693684B2 - 半導体サブモジュール

Info

Publication number: JP4693684B2
Application number: JP2006100405A
Authority: JP
Inventors: 博正田野辺; 義久界; 裕平森
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273885A

Description

本発明は一般に、半導体サブモジュールに関し、より詳細には、半導体部品を基板上にフリップチップ実装し、封止したことを特徴とする半導体サブモジュールに関する。

図１５に、従来技術による、気密封止半導体サブモジュールを示す。この半導体サブモジュールは、金属箱１４０８内に光半導体素子１４０５が配置され、光ファイバ１４０１と光半導体素子１４０５とが光学的に結合されるように、レンズ１４０２、１４０３、および、アイソレータ１４０４が配置されている。さらに、外部から侵入する水蒸気からの保護を目的として、半導体光集積回路や光半導体素子を金属箱の内部に実装した後に、レーザ溶接によって金属蓋１４０７が取り付けられている。モジュール内部は真空に、あるいは窒素ガス充填、あるいは希ガス充填されており、外部と完全に遮断されている。また、電極１４０６も備えている。

一方、半導体サブモジュールは、金属モジュールを用いることなく、半導体素子を樹脂で覆うという封止手法を採用した構造をとる場合もある（例えば、特許文献１参照）。

また、外部からの水蒸気侵入をあらかじめ考慮し、半導体集積回路や光半導体素子を実装するモジュール内部に吸湿手段としてシリカゲル、活性炭、活性アルミナ、吸水性ポリマーなどを封入した構造をとる場合もある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−１２６０００号公報特開平７−３２１２５１号公報

しかしながら、金属モジュールによる構造は、封止の最適化を目的としているため、他のＬＳＩなどの電子部品と比較してサイズが大きくなってしまい、ボード上への高密度実装が困難である。また、半導体素子が樹脂で覆われている構造では、外部からの水蒸気侵入は原理的に避けられず、特に信頼性を要求される光半導体素子の実装においては、適用先が限定されてしまう。さらに、モジュール内部に吸湿手段を備える構造では、モジュール全体がヒートサイクルを受ける環境下において、一度吸湿手段によって吸収された水蒸気が加熱時において再び放出されてしまい、モジュール内部に滞留してしまう。よって、モジュールの保存時、及び使用時における温度管理が求められる。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものである。その目的とするところは、ボード上への高密度実装が、従来よりも容易であり、水蒸気の侵入を防ぎ、モジュールの保存時、および使用時における温度管理をより容易にすることができる、安価に気密封止が可能な半導体サブモジュールを提供することである。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体サブモジュールであって、ポリマー基板と、前記ポリマー基板上にハンダを用いて実装される少なくとも１つの半導体素子と、前記半導体素子を覆うようにして封止するために、前記ポリマー基板上に配置される少なくとも１つのカバー構造体と、前記ポリマー基板と前記カバー構造体との間に配置されたポリマー中間基板とから構成される半導体サブモジュールであって、前記ポリマー基板は、前記ハンダの融点よりも高い熱変形温度を備え、前記ポリマー中間基板は、前記ハンダの融点よりも低い熱変形温度を備え、複数のポリマー板を組み合わせて構成されており、前記複数のポリマー板のそれぞれを構成する高分子主鎖の配向方向と、前記ポリマー基板を構成する高分子主鎖の配向方向とが、異なるように形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体サブモジュールであって、複数の前記カバー構造体は、複数の前記半導体素子を個別に封止することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の半導体サブモジュールであって、複数の前記半導体素子は、少なくとも1つの半導体集積回路素子および少なくとも２つの光半導体素子であって、複数の前記カバー構造体は、前記少なくとも１つの半導体集積回路素子を個別に封止し、かつ、前記少なくとも２つの光半導体素子をまとめて封止することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の半導体サブモジュールであって、複数の前記半導体素子は、少なくとも２つの半導体集積回路素子および少なくとも１つの光半導体素子であって、複数の前記カバー構造体は、前記少なくとも２つの半導体集積回路素子をまとめて封止し、かつ、前記少なくとも１つの光半導体素子を個別に封止することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の半導体サブモジュールであって、複数の前記半導体素子は、少なくとも１つの半導体集積回路素子および少なくとも１つの光半導体素子であって、１つまたは複数の前記カバー構造体は、前記少なくとも１つの光半導体素子のみを封止することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の半導体サブモジュールであって、前記複数のポリマー板が互いに接合する面は、平面または凸凹面形状であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の半導体サブモジュールであって、前記カバー構造体は、耐熱性樹脂、ガラス、セラミックス、またはシリコンから構成されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の半導体サブモジュールであって、前記カバー構造体の、前記ポリマー中間基板と接合する面は、平面または凹凸形状であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の半導体サブモジュールであって、前記カバー構造体の、前記ポリマー中間基板と接合する面の凸凹形状は、Ｃｒ／Ａｕ、Ａｌ、またはＣｒ／Ｃｕによって構成されていることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の半導体サブモジュールであって、前記ポリマー基板および前記ポリマー中間基板は、液晶ポリマーで構成されていることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の半導体サブモジュールであって、複数の前記半導体素子は、少なくとも１つの光半導体素子であって、前記少なくとも１つの光半導体素子のうちの少なくとも１つが、面発光レーザ、または半導体基板上にモノリシック集積された面発光レーザアレイであることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の半導体サブモジュールであって、前記面発光レーザから出力される光の出射方向は、前記光半導体素子がハンダを用いて実装された面と反対方向であり、前記カバー構造体は、前記面発光レーザのレーザ光波長に対して透明な材料によるレンズ構造を備えていることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項１１に記載の半導体サブモジュールであって、前記面発光レーザから出力される光の出射方向は、前記光半導体素子がハンダを用いて実装された面と反対方向であり、前記ポリマー基板は、前記面発光レーザから出力される光を取り出すために光取り出し窓を備え、前記光取り出し窓は、前記光取り出し窓の大きさよりも大きく、前記面発光レーザのレーザ光波長に対して透明な耐熱性樹脂板、ガラス板、またはシリコン板を用いてキャップされることを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の半導体サブモジュールであって、前記耐熱性樹脂板、ガラス板、またはシリコン板にレンズを備えることを特徴とする。

請求項１５に記載の発明は、請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の半導体サブモジュールを作成する方法であって、前記方法は、ハンダ融点よりも高い温度の熱変形温度を備えるポリマー基板上に半導体素子をハンダを用いて実装し、前記ハンダ融点よりも低い熱変形温度を備えるポリマー中間基板を、前記半導体素子を取り囲むように前記ポリマー基板上にのせ、前記半導体素子の高さよりも深い窪みを備えるカバー構造体を、前記半導体素子を覆うようにして前記ポリマー中間基板の上にのせ、真空中、窒素雰囲気中、または希ガス雰囲気中において、前記ポリマー中間基板の熱変形温度、または前記熱変形温度よりも高く、かつ前記ハンダ融点よりも低い温度で加熱しつつ、前記カバー構造体の上部から圧力を掛けることにより、前記ポリマー基板と前記カバー構造体を接着し、前記半導体素子を封止することを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、ハンダ融点よりも高い熱変形温度を備えるポリマー基板に実装された半導体集積回路素子、光半導体素子を、中央に窪みを備えるカバー構造体を上部から被せることによって気密封止する際において、上記のハンダ融点よりも低い熱変形温度を備えるポリマー中間基板をポリマー基板およびカバー構造体との間に挟み込み、ハンダ融点よりも低くポリマー中間基板の熱変形温度よりも高い温度、あるいはポリマー中間基板の熱変形温度による熱圧着工程により、ポリマー基板とカバー構造体とを接着し、ポリマー基板およびポリマー中間基板を構成するポリマー高分子の配向方向のそれぞれの成す角が０度以上１８０度未満になるように各基板を配置することによって、安価に気密封止が可能な半導体サブモジュールが提供可能となる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、複数の図面において同一の符号は同一のものを示し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態による、半導体サブモジュールの断面図である。この半導体サブモジュール９は、半導体素子１０が、ポリマー基板１１上にハンダ１２を用いて実装されている。さらに、ポリマー基板１１上に、半導体素子１０を覆うようにしてカバー構造体１４が配置され、カバー構造体１４とポリマー基板１１とが、それらの間に配置されるポリマー中間基板１５を挟み込むようにして接着されている。

図２は、本発明で用いるポリマー材料の熱変形温度特性を示す図である。横軸は温度、縦軸は引っ張り弾性変化量である。
信号配線や電源配線を備えるポリマー基板への半導体集積回路素子や光半導体素子の実装は、ハンダ融点Ｔｓでの熱処理を伴うハンダリフロー工程によって行われる。したがって、その工程によってポリマー基板が変形してしまわないように、ポリマー基板には、ハンダ融点Ｔｓよりも高い熱変形温度Ｔ１を備えるポリマー材料を用いる。一方、ポリマー基板の上に実装された半導体集積回路素子や光半導体素子を上部から覆うようにキャップさせて気密封止するカバー構造体を、ポリマー基板に対して加熱圧着させるためには、ポリマー中間基板に用いるポリマー材料の熱変形温度Ｔ２は、ハンダ融点Ｔｓよりも低くなければならない。このように、それぞれの温度の関係はＴ２＜Ｔｓ＜Ｔ１となる。

本発明ではさらに、ポリマー材料を構成する高分子主鎖の配向方向特性を利用するため、以下の実施形態では液晶ポリマー（ＬＣＰ）を用いて説明を進める。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の一実施形態による半導体サブモジュール製作に関する工程図であり、その断面をもって示す。

ここでは説明を簡単にするため、高さとフットプリントサイズ（チップの実装面積）が同じ半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５を、それぞれ２つずつポリマー基板２０の上に実装するものとする（Ｓ１０１）。さらに、４つのポリマー中間基板４１、４２、４３、４４および４つのカバー構造体３８を用いて、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５をそれぞれ個別に気密封止するものとする。なお、本実施形態は、本発明を実施するに当たっての構成要素となる半導体集積回路素子等について制限を与えるものではない。

はじめに、ハンダ融点Ｔｓでの熱処理を伴うハンダリフロー工程によって、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５を、ポリマー基板２０の上にハンダバンプ２１を用いて実装する（Ｓ１０２）。このとき、ポリマー基板２０の熱変形温度Ｔ１は、ハンダ融点Ｔｓよりも高いため、ポリマー基板２０が変形することはない。続いて、ハンダ融点Ｔｓよりも低い熱変形温度Ｔ２を備えるリング形状のポリマー中間基板４１、４２、４３、４４を４枚用意し、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５を囲むようにポリマー基板２０の上にそれぞれ置く（Ｓ１０３、Ｓ１０４）。さらに、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５のチップ高さよりも深い窪みを備え、かつ底面がフラットである４つのカバー構造体を、ポリマー中間基板４１、４２、４３、４４の上に置く（Ｓ１０３、Ｓ１０４）。最後に、熱変形温度Ｔ２、あるいは熱変形温度Ｔ２よりも高く、かつハンダ融点Ｔｓよりも低い温度で加熱しつつカバー構造体３８の上部から圧力を掛ける。これにより、加圧および加熱によるアニーリング効果によって、ポリマー中間基板４１、４２、４３、４４を構成する高分子がより低いエネルギー状態へと遷移する際に、ポリマー基板２０とカバー構造体３８が接着する（Ｓ１０５）。以上の工程によって、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５が個別に封止された半導体サブモジュール１００が完成する。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の一実施形態による半導体サブモジュール製作に関する工程図であり、その断面をもって示す。

ここでは説明を簡単にするため、高さとフットプリントサイズが同じ半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５を、それぞれ２つずつポリマー基板２０の上に実装するものとする。さらに、２つのポリマー中間基板４１、４２ならびにチップの高さよりも深い窪みを備える２つのカバー構造体３８を用いて、半導体集積回路素子２２、２３を個別に気密封止し、１つのポリマー中間基板４５ならびにチップの高さよりも深い窪みを備える１つのカバー構造体３９を用いて、２つの光半導体素子２４、２５をまとめて気密封止するものとする。なお、本実施形態は、本発明を実施するに当たっての構成要素となる半導体集積回路素子等について制限を与えるものではない。

はじめに、ハンダ融点Ｔｓでの熱処理を伴うハンダリフロー工程によって、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５を、ポリマー基板２０の上に実装する。このとき、ポリマー基板の熱変形温度Ｔ１はハンダ融点Ｔｓよりも高いため、ポリマー基板２０が変形することはない。続いて、ハンダ融点Ｔｓよりも低い熱変形温度Ｔ２を備えるリング形状のポリマー中間基板３８を、２つの半導体集積回路素子２２、２３を個別に囲むようにポリマー基板２０の上に置く。次いで、ハンダ融点Ｔｓよりも低い熱変形温度Ｔ２を備えるリング形状のポリマー中間基板４５を、２つの光半導体素子２４、２５を２つとも囲むようにポリマー基板２０の上に置く。続いて、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５のチップ高さよりも深い窪みを備え、かつ底面がフラットである３つのカバー構造体３８、３９を、ポリマー中間基板４１、４２、４５の上に置く。最後に、熱変形温度Ｔ２、あるいは熱変形温度Ｔ２よりも高く、かつハンダ融点Ｔｓよりも低い温度で加熱しつつ、カバー構造体の上部から圧力を掛ける。これにより、加圧および加熱によるアニーリング効果によって、ポリマー中間基板４１、４２、４５を構成する高分子がより低いエネルギー状態へと遷移する際に、ポリマー基板２０とカバー構造体３８、３９が接着する。以上の工程によって、２つの半導体集積回路素子２２、２３を個別に気密封止すると共に、２つの光半導体素子２４、２５を一括気密封止した半導体サブモジュール１０１が完成する。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の一実施例による半導体サブモジュール製作に関する工程図であり、その断面をもって示す。

ここでは説明を簡単にするため、高さとフットプリントサイズが同じ半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５をそれぞれ２つずつポリマー基板２０の上に実装するものとする。さらに、１つのポリマー中間基板４６ならびにチップの高さよりも深い窪みを備える１つのカバー構造体４０を用いて、２つの半導体集積回路素子２２、２３をまとめて気密封止し、２つのポリマー中間基板４３、４４ならびにチップの高さよりも深い窪みを備える２つのカバー構造体３８を用いて、光半導体素子２４、２５を個別に気密封止するものとする。なお、本実施形態は、本発明を実施するに当たっての構成要素となる半導体集積回路素子等について制限を与えるものではない。

はじめに、ハンダ融点Ｔｓでの熱処理を伴うハンダリフロー工程によって、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５を、ポリマー基板２０の上に実装する。このとき、ポリマー基板２０の熱変形温度Ｔ１はハンダ融点Ｔｓよりも高いため、ポリマー基板２０が変形することはない。続いて、ハンダ融点Ｔｓよりも低い熱変形温度Ｔ２を備えるリング形状のポリマー中間基板４６を、２つの半導体集積回路素子２２、２３を囲むようにポリマー基板２０の上に置く。さらに、ハンダ融点Ｔｓよりも低い熱変形温度Ｔ２を備えるリング形状のポリマー中間基板４３、４４を、２つの光半導体素子を個別に囲むようにポリマー基板２０の上に置く。続いて、半導体集積回路素子２２、２３および光半導体素子２４、２５のチップの高さよりも深い窪みを備え、かつ底面がフラットである３つのカバー構造体３８、４０を、ポリマー中間基板４３、４４の上に置く。最後に、熱変形温度Ｔ２、あるいは該熱変形温度Ｔ２よりも高く、かつハンダ融点Ｔｓよりも低い温度で加熱しつつ、カバー構造体３８、４０の上部から圧力を掛ける。これにより、加圧および加熱によるアニーリング効果によって、ポリマー中間基板４３、４４を構成する高分子がより低いエネルギー状態へと遷移する際に、ポリマー基板２０とカバー構造体３８、４０が接着する。以上の工程によって、２つの半導体集積回路素子２２、２３を一括気密封止すると共に、２つの光半導体素子２４、２５を個別に気密封止した半導体サブモジュール１０２が完成する。

（第４の実施形態）
図６は、本発明の一実施形態による、光半導体素子のみを気密封止した半導体サブモジュールの断面図である。製作にかかわる工程は、第１の実施形態から第３の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

半導体サブモジュールを製作するにあたって、既に個別に封止された状態の半導体集積回路素子２６、２７を用いる場合がある。この場合、半導体サブモジュール１０３、１０４は、半導体集積回路素子２６、２７を更に気密封止する必要が無くなるため、図６に示すような構造、つまり、光半導体素子２４、２５のみをカバー構造体によって気密封止した構造をとることができる。

（第５の実施形態）
図７は、第１の実施形態から第４の実施形態に至る実施形態における、ポリマー中間基板の、半導体集積回路素子および光半導体素子が実装されているポリマー基板に対する配置図である。

ポリマー中間基板４１、４２、４３、４４を構成する高分子主鎖の配向方向２１０と、半導体集積回路素子および光半導体素子２２、２３、２４、２５が実装されているポリマー基板２０を構成する高分子主鎖の配向方向２００との成す角が、０度より大きく１８０度未満になるように、ポリマー中間基板４１、４２、４３、４４をポリマー基板２０の上に備える。これによって、外部と接するポリマー中間基板４１、４２、４３、４４側面からの水蒸気の侵入が、ポリマー中間基板４１、４２、４３、４４を構成する高分子主鎖によって妨げられ、気密封止特性が向上した半導体サブモジュールを得ることができる。

（第６の実施形態）
図８は、第１の実施形態から第４の実施形態に至る実施形態における、ポリマー中間基板の、半導体集積回路素子および光半導体素子が実装されているポリマー基板に対する配置図である。

ポリマー中間基板４１、４２、４３、４４は、３つの扇形状のポリマー板５０を組み合わせて構成されており、扇形状のポリマー板５０を構成する高分子主鎖の配向方向２１０と扇形状のポリマー板外径中央に接する接線方向２２０との成す角が、０度より大きく１８０度未満になるように形成される。さらに、扇形状のポリマー板５０を構成する高分子主鎖の配向方向２１０と、半導体集積回路素子および光半導体素子２２、２３、２４、２５が実装されているポリマー基板２０を構成する高分子主鎖の配向方向２００との成す角が０度より大きく１８０度未満になるように、３つの扇形状のポリマー板５０をポリマー基板２０の上に備える。これによって、外部と接するポリマー中間基板側面からの水蒸気の侵入がポリマー中間基板を構成する高分子主鎖によって妨げられ、気密封止特性が向上した半導体サブモジュールを得ることができる。

なお、本実施形態では、３つの扇形状のポリマー板を組み合わせてポリマー中間基板を構成したが、３つに限定する意図はなく、少なくとも２つ以上のポリマー板を組み合わせて構成可能であることは言うまでもない。

（第７の実施形態）
図９は、第１の実施形態から第４の実施形態に至る実施形態における、ポリマー中間基板の、半導体集積回路素子および光半導体素子が実装されているポリマー基板に対する配置図である。

このポリマー中間基板は四角の形状を備え、４つの台形形状のポリマー板５１を組み合わせて構成されており、台形形状のポリマー板５１を構成する高分子主鎖の配向方向２１０と台形形状のポリマー板底辺２３０との成す角が０度よりも大きく１８０度未満になるように形成される。さらに、台形形状のポリマー板５１を構成する高分子主鎖の配向方向２１０とポリマー板を構成する高分子主鎖の配向方向２００との成す角が０度より大きく１８０度未満になるように４つの台形形状のポリマー板５１をポリマー基板２０の上に備える。これによって、外部と接するポリマー中間基板側面からの水蒸気の侵入がポリマー中間基板を構成する高分子主鎖によって妨げられ、気密封止特性が向上した半導体サブモジュールを得ることができる。

なお、本実施形態では、４つの台形形状のポリマー板を組み合わせてポリマー中間基板を構成したが、４つに限定する意図はなく、少なくとも２つ以上のポリマー板を組み合わせて構成可能であることは言うまでもない。

（第８の実施形態）
図１０は第１の実施形態から第４の実施形態に至る実施形態における、ポリマー中間基板の、半導体集積回路素子および光半導体素子が実装されているポリマー基板に対する配置図である。

このポリマー中間基板は四角の形状を備え、８つの三角形状のポリマー板５２と４つの台形形状のポリマー板５１とを組み合わせて構成されており、三角形状と台形形状のポリマー板を構成する高分子主鎖の配向方向２１０と台形形状のポリマー板の底辺２４０との成す角が０度よりも大きく１８０度未満になるように形成される。さらに、三角形状と台形形状のポリマー板を構成する高分子主鎖の配向方向２１０とポリマー基板２０を構成する高分子主鎖の配向方向２００との成す角が０度よりも大きく１８０度未満になるように８つの三角形状のポリマー板５２および４つの台形形状のポリマー板５１をポリマー基板２０の上に備える。これによって、外部と接するポリマー中間基板側面からの水蒸気の侵入がポリマー中間基板を構成する高分子主鎖によって妨げられ、気密封止特性が向上した半導体サブモジュールを得ることができる。

なお、本実施形態では、８つの三角形状のポリマー板５２と４つの台形形状のポリマー板５１とを組み合わせてポリマー中間基板を構成したが、４つに限定する意図はなく、少なくとも２つ以上の三角形状のポリマー板と台形形状のポリマー板とを組み合わせて構成可能であることは言うまでもない。

（第９の実施形態）
図１１は、第６の実施形態から第８の実施形態に至る実施形態における、ポリマー中間基板を構成するポリマー板の接合面形状を示す図である。

２つのポリマー板が接する部分の強度を向上させることを目的として、ポリマー板の接合面６０は、凹凸面形状で製作されている。これによって、気密封止特性を向上させることが可能であるだけでなく、量産性の向上、および強度特性が向上した半導体サブモジュールを得ることができる。

なお、本実施形態では凹凸形状を鋸刃形状として示しているが、この形状には限定されず、互いの面を噛み合わせることが可能な任意の凹凸形状とすることができることは言うまでもない。

（第１０の実施形態）
図１２は、第１の実施形態から第９の実施形態に至る実施形態において、ポリマー基板と接するカバー構造体の底面の構造を示した図である。

カバー構造体は、耐熱性かつガスバリア性を備える樹脂、ガラス、セラミックス、またはシリコンから構成されており、フラットな底面に微細な凹凸形状を備えている。さらに、底面にＣｒ／Ａｕ、あるいはＡｌ、あるいはＣｒ／Ｃｕを備えることによって、ポリマー中間基板との密着性を向上させている。これによって、外部と接するポリマー中間基板側面からの水蒸気の侵入がポリマー中間基板を構成する高分子主鎖によって妨げられ、気密封止特性が向上した半導体サブモジュールを得ることができる。なお、本実施形態では凹凸形状を鋸刃形状として示しているが、この形状には限定されず、互いの面を噛み合わせることが可能な任意の凹凸形状とすることができることは言うまでもない。

（第１１の実施形態）
図１３は、第１の実施形態から第１０の実施形態に至る全ての実施形態において、光半導体素子２４、２５のうちの少なくとも１つが面発光レーザ、または半導体基板上にモノリシック集積された面発光レーザアレイである、半導体サブモジュールの断面図である。

光半導体素子２４、２５を気密封止しているカバー構造体７０は、レーザ光の波長に対して透明な材料で形成されている。本実施形態では、レーザ光の出射方向はハンダフリップチップ実装面と反対方向であるが、カバー構造体７０がレーザ光の波長に対して透明であるため、レーザ光を取り出すことが可能である。さらに、レーザ光の広がり角を制御するため、マイクロレンズまたはマイクロレンズアレイ３００をカバー構造体７０に備えている。なお、図１３ではマイクロレンズアレイ３００がカバー構造体７０と一体として形成されているように示しているが、一体として形成されていなくても、個別部品としてそれぞれが互いに接着している構造をとることもできる。

（第１２の実施形態）
図１４は、第１の実施形態から第１０の実施形態に至る全ての実施形態において、光半導体素子２４、２５のうちの少なくとも１つが面発光レーザ、または半導体基板上にモノリシック集積された面発光レーザアレイである、半導体サブモジュールの断面図である。

本実施形態では、レーザ光の出射方向は、ハンダフリップチップ実装面に向いた方向である。図１４では、ポリマー基板２０がレーザ光に対して不透明であるため、レーザ光を取り出すための孔が備えられており、さらにポリマー基板２０の裏面にレーザ光の波長に対して透明な、耐熱性およびガスバリア性を有する樹脂板、ガラス板、またはシリコン板から構成されているキャップ板８０を熱圧着工程によってあらかじめ貼り付けることによって、気密封止特性を損なわない構造を有している。さらに、レーザ光の広がり角を制御するため、マイクロレンズまたはマイクロレンズアレイ４００をキャップ板８０に備える。なお、図１４ではマイクロレンズアレイ４００がキャップ板８０と一体として形成されているように示しているが、一体として形成されていなくても、個別部品としてそれぞれが互いに接着している構造をとることもできる。

本発明の一実施形態による、半導体サブモジュールの断面図である。本発明で用いるポリマー材料の熱変形温度特性を示す図である。本発明の一実施形態による、半導体サブモジュール製作工程図である。本発明の一実施形態による、半導体サブモジュール製作工程図である。本発明の一実施形態による、半導体サブモジュール製作工程図である。本発明の一実施形態による、光半導体素子のみを気密封止した半導体サブモジュールの断面図である。本発明の一実施形態による、ポリマー中間基板のポリマー基板に対する配置図である。本発明の一実施形態による、扇形状ポリマー板を組み合わせて形成したポリマー中間基板の、ポリマー基板に対する配置図である。本発明の一実施形態による、台形形状ポリマー板を組み合わせて形成したポリマー中間基板の、ポリマー基板に対する配置図である。本発明の一実施形態による、三角形状ポリマー板と台形形状ポリマー板とを組み合わせて形成したポリマー中間基板の、ポリマー基板に対する配置図である。本発明の一実施形態による、ポリマー中間基板を構成するポリマー板の接合面形状を示す図である。本発明の一実施形態による、ポリマー中間基板と接するカバー構造体の底面の形状を示す図である。本発明の一実施形態による、カバー構造体にマイクロレンズまたはマイクロレンズアレイを備えた半導体サブモジュールの断面図である。本発明の一実施形態による、キャップ板にマイクロレンズまたはマイクロレンズアレイを備えた半導体サブモジュールの断面図である。従来技術による、気密封止半導体サブモジュールの断面図である。

符号の説明

９半導体サブモジュール
１０半導体素子
１１ポリマー基板
１２ハンダ
１４カバー構造体
１５ポリマー中間基板

Claims

ポリマー基板と、
前記ポリマー基板上にハンダを用いて実装される少なくとも１つの半導体素子と、
前記半導体素子を覆うようにして封止するために、前記ポリマー基板上に配置される少なくとも１つのカバー構造体と、
前記ポリマー基板と前記カバー構造体との間に配置されたポリマー中間基板と
から構成される半導体サブモジュールであって、
前記ポリマー基板は、前記ハンダの融点よりも高い熱変形温度を備え、前記ポリマー中間基板は、前記ハンダの融点よりも低い熱変形温度を備え、複数のポリマー板を組み合わせて構成されており、前記複数のポリマー板のそれぞれを構成する高分子主鎖の配向方向と、前記ポリマー基板を構成する高分子主鎖の配向方向とが、異なるように形成されていることを特徴とする半導体サブモジュール。
複数の前記カバー構造体は、複数の前記半導体素子を個別に封止することを特徴とする請求項１に記載の半導体サブモジュール。
複数の前記半導体素子は、少なくとも1つの半導体集積回路素子および少なくとも２つの光半導体素子であって、
複数の前記カバー構造体は、前記少なくとも１つの半導体集積回路素子を個別に封止し、かつ、前記少なくとも２つの光半導体素子をまとめて封止することを特徴とする請求項１に記載の半導体サブモジュール。
複数の前記半導体素子は、少なくとも２つの半導体集積回路素子および少なくとも１つの光半導体素子であって、
複数の前記カバー構造体は、前記少なくとも２つの半導体集積回路素子をまとめて封止し、かつ、前記少なくとも１つの光半導体素子を個別に封止することを特徴とする請求項１に記載の半導体サブモジュール。
複数の前記半導体素子は、少なくとも１つの半導体集積回路素子および少なくとも１つの光半導体素子であって、
１つまたは複数の前記カバー構造体は、前記少なくとも１つの光半導体素子のみを封止することを特徴とする請求項１に記載の半導体サブモジュール。
前記複数のポリマー板が互いに接合する面は、平面または凸凹面形状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体サブモジュール。
前記カバー構造体は、耐熱性樹脂、ガラス、セラミックス、またはシリコンから構成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の半導体サブモジュール。
前記カバー構造体の、前記ポリマー中間基板と接合する面は、平面または凹凸形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の半導体サブモジュール。
前記カバー構造体の、前記ポリマー中間基板と接合する面の凸凹形状は、Ｃｒ／Ａｕ、Ａｌ、またはＣｒ／Ｃｕによって構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の半導体サブモジュール。
前記ポリマー基板および前記ポリマー中間基板は、液晶ポリマーで構成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の半導体サブモジュール。
複数の前記半導体素子は、少なくとも１つの光半導体素子であって、
前記少なくとも１つの光半導体素子のうちの少なくとも１つが、面発光レーザ、または半導体基板上にモノリシック集積された面発光レーザアレイであることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の半導体サブモジュール。
前記面発光レーザから出力される光の出射方向は、前記光半導体素子がハンダを用いて実装された面と反対方向であり、
前記カバー構造体は、前記面発光レーザのレーザ光波長に対して透明な材料によるレンズ構造を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体サブモジュール。
前記面発光レーザから出力される光の出射方向は、前記光半導体素子がハンダを用いて実装された面と反対方向であり、
前記ポリマー基板は、前記面発光レーザから出力される光を取り出すために光取り出し窓を備え、前記光取り出し窓は、前記光取り出し窓の大きさよりも大きく、前記面発光レーザのレーザ光波長に対して透明な耐熱性樹脂板、ガラス板、またはシリコン板を用いてキャップされることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体サブモジュール。
前記耐熱性樹脂板、ガラス板、またはシリコン板にレンズを備えることを特徴とする、請求項１３に記載の半導体サブモジュール。
請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の半導体サブモジュールを作成する方法であって、前記方法は、
ハンダ融点よりも高い温度の熱変形温度を備えるポリマー基板上に半導体素子をハンダを用いて実装し、
前記ハンダ融点よりも低い熱変形温度を備えるポリマー中間基板を、前記半導体素子を取り囲むように前記ポリマー基板上にのせ、
前記半導体素子の高さよりも深い窪みを備えるカバー構造体を、前記半導体素子を覆うようにして前記ポリマー中間基板の上にのせ、
真空中、窒素雰囲気中、または希ガス雰囲気中において、前記ポリマー中間基板の熱変形温度、または前記熱変形温度よりも高く、かつ前記ハンダ融点よりも低い温度で加熱しつつ、前記カバー構造体の上部から圧力を掛けることにより、前記ポリマー基板と前記カバー構造体を接着し、前記半導体素子を封止することを特徴とする方法。