JP4969055B2 - 光通信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、たとえば赤外線を利用したデータ通信に用いられる光通信モジュールに関する。

発光素子および受光素子を備えることにより双方向通信が可能とされた光通信モジュールとしては、たとえばＩｒＤＡ準拠の赤外線データ通信モジュールがある。このような赤外線データ通信モジュールは、ノートパソコン、携帯電話、電子手帳などの電子機器に普及している。

この種の従来の赤外線データ通信モジュールの一例を図１２に示す。この赤外線データ通信モジュールＸは、基板９１と、この基板９１上に搭載された発光素子９２、受光素子９３、および半導体チップ９４と、樹脂パッケージ９５とを備えている。発光素子９２および受光素子９３は、それぞれ基板９１上にボンディングされている。樹脂パッケージ９５のうち、発光素子９２および受光素子９３の正面には、２つのレンズ部がそれぞれ形成されている。半導体チップ９４は、発光素子９２および受光素子９３による送受信動作を制御するための信号処理回路が造り込まれたものであり、いわゆるフリップチップ方式により基板９１に搭載されている。このような方式を用いれば、半導体チップ９４を基板９１に搭載するにあたり、基板９１にはこのようなワイヤをボンディングするためのスペースが不要である。これにより、赤外線データ通信モジュールＸにおいては、図中左右方向における小型化が図られている。

しかしながら、近年におけるノートパソコン、携帯電話、および電子手帳などの電子機器の小型・軽量化の傾向により、赤外線データ通信モジュールＸとしてもさらなる小型化が求められている。一方、発光素子９２、受光素子９３、および信号処理回路を構成するための半導体チップＩＣ９４は、それぞれの機能を適切に発揮させるためには、それに応じた大きさが必要である。また、これらを基板９１に分離して配置し、所定の電気的接続を施すためには、一定の（そのための）スペースが必要となる。このため赤外線データ通信モジュールＸの小型化が困難となっており、上記電子機器の小型化のニーズには十分に対応できない場合があった。

特開２０００−１１４５８８号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、より一層の小型化を図ることが可能な光通信モジュールを提供することをその課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明によって提供される光通信モジュールは、基板と、この基板上に搭載された発光素子、受光素子、並びに、これら発光素子および受光素子による送受信動作を制御するための信号処理回路と、上記発光素子および受光素子のそれぞれの正面に形成された２つのレンズ部を有する樹脂パッケージと、を備えた光通信モジュールであって、上記信号処理回路は、能動面が上記基板と対面するようにしてフリップチップ方式により上記基板上に搭載された半導体チップの上記能動面に一体に造り込まれているとともに、上記受光素子は上記半導体チップ上に搭載されており、上記半導体チップには、上記基板と反対側の面に開口するとともに厚み方向に貫通する凹部が形成されており、上記発光素子は、チップ状としたものが上記凹部の底部に臨む上記基板上に配置されており、かつ、上記凹部は、その開口部から底部に向かうほど縮径するとともに、この凹部の内側面の上記基板の上面に対する傾斜角は、６０〜７５度とされていることを特徴としている。本発明でいうフリップチップ方式とは、上記半導体チップなどの半導体素子を実装するための実装技術のひとつであり、半導体素子に形成された電極と、基板に形成された電極とを位置合わせして実装する方式をいう。

このような構成の光通信モジュールによれば、受光素子は半導体チップ上に搭載され、発光素子は半導体チップに形成された凹部に収容されるため、基板には受光素子および発光素子を搭載するためのスペースが不要となる。したがって、光通信モジュールにおいては、より一層の小型化を図ることが可能であり、この光通信モジュールが用いられる電子機器などの小型化に適切に対応することができる。

このような構成によれば、半導体チップを基板上の配線パターンに対して電気的に接続するためのワイヤが不要であり、基板においてこのワイヤを接続するためのスペースを削減することができる。したがって、光通信モジュールの小型化に好適である。加えて、上記構成によれば、半導体チップは、その能動面が基板に対面するように搭載されている。このため、半導体チップの厚み方向視において、能動面に造り込まれた信号処理回路と半導体チップ上に搭載された受光素子とは、重なる状態で配置させることが可能となる。したがって、半導体チップそのものの平面的なサイズを小さくすることができ、光通信モジュールの小型化を図るうえでより好適である。さらに、信号処理回路を凹部と重なる位置に形成することも可能であり、この場合には、光通信モジュールの小型化にさらに有利である。

また、このような構成によれば、半導体チップに形成された凹部の内側面は、開口部から底部に向かうほど縮径する斜面となる。このため、凹部の内側面を光反射率の高い面としておけば、凹部の底部に配置された発光素子から側方に進行する光を上記内側面で反射させて、発光素子の正面に位置するレンズ部（光通信モジュールの出射方向）に向かわせることが可能となる。したがって、出射する光の光量を大きくすることができ、データ通信の信頼性が高い光通信モジュールを提供することができる。

さらに、凹部が半導体チップの厚み方向に貫通しているので、凹部の内側面は半導体チップの厚み方向全体にわたる比較的広い領域に形成されることになる。この場合、凹部の底部に配置された発光素子から正面ないし側方に進行する光を効率よくレンズ部に向かわせることが可能となり、出射効率を向上させるのに好適である。

本発明の好ましい実施の形態においては、凹部の内側面および底面は、反射膜で覆われている。このような構成によれば、発光素子からの光の反射効率を適切に向上させることができるので、出射効率を向上させるうえで有利である。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記半導体チップの上記能動面と反対側の面には、追加の凹部が形成されており、上記受光素子は、チップ状としたものが上記追加の凹部の底部に配置されている。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の参考例および好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明の参考例に係る光通信モジュールを赤外線を利用した赤外線データ通信モジュールに適用した一例を示している。図１に示すように、本参考例の赤外線データ通信モジュールＡ１は、基板１、発光素子２、受光素子３、半導体チップ４、および樹脂パッケージ５を具備して構成されている。なお、便宜上、図１を基準として上下左右の方向を特定するとともに、図２においては、樹脂パッケージ５、後述するワイヤＷ、およびワイヤＷが接続された配線パターン１１を省略している。

基板１は、たとえばガラスエポキシ樹脂からなり、図２に示すように全体として平面視長矩形状に形成されている。基板１の表面には、所定の配線パターン１１が形成されている。配線パターン１１は、発光素子２、受光素子３、および半導体チップ４と後述するワイヤＷなどを介して接続されるとともに、外部接続用の端子部（図示せず）と適宜繋がっている。図１に示すように、基板１の上面には、半導体チップ４が搭載されている。

半導体チップ４は、発光素子２および受光素子３による送受信動作を制御するための信号処理回路４１が能動面４ａに一体に造り込まれたものであり、平面視長矩形状とされている。信号処理回路４１は、発光素子２を駆動させる駆動回路や受光素子３からの電気信号を増幅させる増幅回路などを備えて構成されており、半導体チップ４の長手方向（左右方向）における略中央に配置されている。半導体チップ４は、能動面４ａが基板１と反対側に位置するように、すなわち、上方を向くように、基板１の上面にボンディングされている。半導体チップ４は、その上面（能動面４ａ）がワイヤＷを介して基板１上の配線パターン１１の適所と電気的に接続されている。

半導体チップ４の右端寄りには、凹部４２が形成されている。凹部４２は、上方に円形の開口部を有しており、その開口部から底部に向かうほど縮径するテーパ形状とされている。凹部４２の内側面４２ａおよび底面４２ｂは、反射膜６により覆われている。反射膜６は、たとえばＡｕメッキにより形成されたものであり、その表面が光反射率の高い平滑面とされている。反射膜６の底部６ｂには、発光素子２がボンディングされている。反射膜６のうち凹部４２の内側面４２ａを覆う斜面部６ａは、発光素子２の周囲を囲っており、発光素子２から側方に進行する赤外線を反射させて上方に進行させるために利用されるものである。なお、凹部４２の深さは、発光素子２の厚み寸法および反射膜６の厚み寸法の合計以上とされており、発光素子２の全体が凹部４２に収容された構造となっている。このことにより、発光素子２から側方に進行する光は、斜面部６ａにより適切に反射される。

発光素子２は、たとえば赤外線を発することができる赤外線発光ダイオードからなり、チップ状とされている。発光素子２の上面電極と半導体チップ４の上面適所の電極パッドとの間は、ワイヤＷを介して電気的に接続されている。

受光素子３は、たとえば赤外線を感知することができるＰＩＮフォトダイオードからなり、半導体チップ４に搭載されている。本実施形態において、受光素子３は、半導体チップ４の能動面４ａに一体に造り込まれたものであり、半導体チップ４の左端寄りに位置している。受光素子３は、その上面がワイヤＷを介して基板１上の配線パターン１１の適所と電気的に接続されている。

樹脂パッケージ５は、たとえば顔料を含んだエポキシ樹脂により形成されており、可視光に対しては透光性を有しない反面、赤外線に対しては透光性を有する。この樹脂パッケージ５は、トランスファーモールド法などの手法により形成されており、図１に示すように、発光素子２、受光素子３、および半導体チップ４を覆うように基板１上に設けられている。樹脂パッケージ５には、２つのレンズ部５１，５２が一体的に形成されている。レンズ部５１，５２は、いずれも上方に膨出した形状とされている。レンズ部５１は、発光素子２の正面に位置しており、発光素子２から放射された赤外線を集光しつつ出射するように構成されている。レンズ部５２は、受光素子３の正面に位置しており、赤外線データ通信モジュールＡ１に送信されてきた赤外線を集光して受光素子３に入射するように構成されている。

次に、上記した赤外線データ通信モジュールＡ１の製造方法の一例を図３〜図９を参照して説明する。

まず、図３に示すように、基板材料１０を用意する。基板材料１０は、たとえばガラスエポキシ樹脂製である。基板材料１０は、上述した赤外線データ通信モジュールＡ１を複数個製造可能なサイズとされている。なお、図３〜図９においては、図１および図２に示した赤外線データ通信モジュールＡ１を少なくとも１つ構成するのに必要となる部材が示されている。

次に、図４に示すように、基板材料１０の表面に所定の配線パターン１１を形成する。配線パターン１１の形成は、たとえばフォトリソグラフィー法により、基板材料１０上に形成されたＣｕなどの導体膜に対してその不要部分をエッチングすることにより行う。

次に、基板材料１０上に半導体チップ４を搭載する。ただし、これに先立ち、半導体チップ４として、上述したように信号処理回路４１および受光素子３が造り込まれるとともに凹部４２が形成されたものを、あらかじめ準備しておく必要がある。半導体チップ４は、たとえば下記の手順により準備される。

図５に示すように、Ｓｉなどの半導体基板４０にイオン注入などの所定のマスクワークを施すことにより信号処理回路４１や受光素子３が形成される。次に、図６に示すように、信号処理回路４１などが造り込まれた能動面４ａの所定部位に穴加工を施すことにより、凹部４２を形成する。穴加工の手法としては、レーザ加工、或いは異方性エッチング、反応性イオンエッチングなどのウエットエッチング技術、ドライエッチング技術などを採用することができる。レーザ加工によると、高硬度なＳｉにより構成された半導体基板４０において、所望の部位を迅速、かつ適正に除去することができ、凹部４２の形成は容易となる。そして半導体基板４０を分割するように切断することにより、半導体チップ４が得られる。

そして図７に示すように、上記のようして形成された半導体チップ４を、その能動面４ａを上方に向けて基板材料１０上に搭載する。ここで、半導体チップ４は、たとえば導電性樹脂などを介してボンディングされる。

次に、図８に示すように、凹部４２の内側面４２ａおよび底面４２ｂを覆うようにして反射膜６を形成する。反射膜６の形成は、たとえば無電解メッキ処理などの手法を用いてＡｕメッキを施すことにより行う。

次に、図９に示すように、反射膜６の底部６ｂに発光素子２を取り付ける。ここで、発光素子２は、たとえば導電性樹脂などを介してボンディングされる。そして、ワイヤボンディングの手法により、発光素子２の上面と半導体チップ４の上面とをワイヤＷにより接続する。同様にして、受光素子３および半導体チップ４の上面と基板材料１０上に形成された配線パターン１１とをそれぞれワイヤＷにより接続する。

この後は、上記の工程を終えた基板材料１０を樹脂モールド装置の金型にセットし、いわゆるトランスファーモールド法によって樹脂パッケージングを行う。最後に、基板材料１０を分割するように切断することにより、図１および図２に示す赤外線データ通信モジュールＡ１を複数個製造することができる。

上記の赤外線データ通信モジュールＡ１の製造方法は、基板材料１０を用いることにより複数の赤外線データ通信モジュールＡ１を一括して製造する例であるが、これは製造効率を高めてコストを削減するための便宜である。後述するように本発明の意図する効果を発揮させるためには、複数個を一括して製造する必要は無く、基板材料１０に代えて、図１に示す基板１をあらかじめ形成しておき、これを用いて赤外線データ通信モジュールＡ１を製造してもよい。

なお、上記の赤外線データ通信モジュールＡ１の製造方法においては、反射膜６の形成や発光素子２の取付けは、半導体チップ４を基板材料１０に搭載した後に行っているが、これに代えて、半導体チップ４を基板材料１０に搭載する前に行ってもよい。

次に、赤外線データ通信モジュールＡ１の作用について説明する。

本参考例によれば、受光素子３は半導体チップ４上に搭載され、発光素子２は半導体チップ４に形成された凹部４２に収容されているため、基板１には、受光素子３および発光素子２を搭載するためのスペースが不要となる。したがって、従来採用されていた発光素子、受光素子、および半導体チップが分離して配置された構成のもの比較すると、赤外線データ通信モジュールＡ１のより一層の小型化が達成され、この赤外線データ通信モジュールＡ１が用いられる電子機器などの小型化に適切に対応することができる。

図１に示すように、凹部の内側面４２ａは、開口部から底部に向かうほど縮径する斜面とされており、反射膜６（斜面部６ａ）によって覆われている。反射膜６の表面は光反射率の高い平滑面とされているため、凹部４２の底部に配置された発光素子２から側方に進行する赤外線は、斜面部６ａの表面でその殆どが反射されて、発光素子２の正面に位置するレンズ部５１（赤外線データ通信モジュールＡ１の出射方向）に向かうことになる。したがって、出射する赤外線量を大きくすることができ、データ通信の信頼性が高い赤外線データ通信モジュールＡ１を提供することができる。

また、Ａｕは赤外線透過率が極めて小さい材料であるところ、本実施形態のように反射膜６をＡｕにより形成しておけば、反射膜６は、発光素子２の近傍に配置される受光素子３や信号処理回路４１に対する遮光部として適切に機能する。したがって、赤外線データ通信モジュールＡ１が誤動作するのを防止することができる。

本参考例においては、受光素子３が半導体チップ４の能動面４ａに一体に造り込まれており、受光素子３および半導体チップ４は１チップ化されている。したがって、従来のように受光素子３と半導体チップ４とを個別のチップで構成してこれらを個別に基板上に搭載する場合と比較すると、製造工程を簡略化することができるため、赤外線データ通信モジュールＡ１の製造コストを低減することができる。

図１０は、本発明の他の参考例としての赤外線データ通信モジュールを示し、図１１は、本発明が適用された実施形態としての赤外線データ通信モジュールを示している。なお、これらの図においては、上記参考例と同一または類似の要素については、同一の符号を付しており、適宜説明を省略する。

図１０に示された赤外線データ通信モジュールＡ２においては、凹部４２が半導体チップ４の厚み方向に貫通するように形成されている。発光素子２は、凹部４２の底部に臨む基板１上に反射膜６を介してボンディングされている。本参考例における赤外線データ通信モジュールＡ２の製造方法は、上述した赤外線データ通信モジュールＡ１の製造方法に対して次の点が異なっている。すなわち、本参考例においては、図６に表された半導体基板４０に対して貫通するように穴加工を施し、貫通孔を形成する。この後に、分割された半導体チップ４を基板材料１０上にボンディングすると、貫通孔の下端開口部は基板材料１０の上面によって塞がれ、凹部４２が形成される。そして凹部４２の内側面４２ａおよび底面（基板１の上面）を覆うようにして反射膜６を形成し、反射膜６の底部６ｂに発光素子２をボンディングする。

本参考例によれば、凹部４２の内側面４２ａは、半導体チップ４の厚み方向全体にわたる比較的広い領域に形成されることになる。ここで、基板１の上面に対する内側面４２ａの傾斜角αは、好ましくは６０度〜７５度とされている。このように傾斜角αを比較的大きい値に設定しておくと、発光素子２から正面ないし側方に進行する光を効率よくレンズ部５１に向かわせることが可能となる。図１０に表された赤外線データ通信モジュールＡ２においては、傾斜角αは７０度とされており、同図において矢印を付して表された赤外線の進行経路から理解されるように、発光素子２から側方に進行する光に加えて、斜め上方に進行する光をもレンズ部５１に向かわせることができる。したがって、このような構成によれば、赤外線の出射効率をより一層向上させることができる。

図１１に示された赤外線データ通信モジュールＡ３においては、半導体チップ４は、いわゆるフリップチップ方式により、その能動面４ａが基板１と対面するようにして基板１上に搭載されている。すなわち、半導体チップ４の能動面４ａには、複数の電極４３が形成されている。一方、基板１には、電極４４に対応する位置に配線パターン１１の一部が形成されている。そして半導体チップ４の電極４４は、たとえばＡｕバンプ８を介して上記配線パターン１１の一部と電気的に接続されている。また、半導体チップ４の能動面４ａと反対側の面（図中上面）には、凹部４２および凹部４３が形成されている。凹部４３は、凹部４２と同様に開口部から底面に向かうほど縮径するテーパ形状とされている。凹部４３の内側面および底面は、Ａｕメッキなどからなる反射膜７により覆われている。受光素子３は、チップ状とされており、凹部４３の底部にボンディングされている。本実施形態においては、凹部４２および凹部４３の形成は、能動面４ａと反対側の面の所定部位に穴加工を施すことにより行う。

本実施形態によれば、半導体チップ４を基板１上の配線パターン１１に対して電気的に接続するためのワイヤが不要となる。これにより、基板１においてはこのようなワイヤを接続するためのスペースを削減することができる。したがって、赤外線データ通信モジュールＡ３の小型化に好適である。

また、上記構成の赤外線データ通信モジュールＡ３において、発光素子２および受光素子３は、能動面４ａと反対側に形成された凹部４２，４３に配置されている。これにより、半導体チップ４の厚み方向において、能動面４ａに造り込まれた信号処理回路４１と発光素子２および受光素子３とは、重なる状態で配置することが可能となる。したがって、半導体チップ４そのものの平面的なサイズを小さくすることができ、赤外線データ通信モジュールＡ３の小型化を図るうえで好適である。

本発明に係る光通信モジュールは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る光通信モジュールの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

光通信モジュールとしては、赤外線を発光および受光可能な発光素子および受光素子を備えたＩｒＤＡ準拠の赤外線データ通信モジュールに限定されず、赤外線以外のあらゆる波長の光を発光および受光可能な発光素子および受光素子を用いた構成としてもよい。

本発明の参考例に係る光通信モジュールの一例を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの一例を示す要部平面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの製造方法の一例を示す断面図である。 本発明の参考例に係る光通信モジュールの他の例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る光通信モジュールを示す断面図である。 従来の光通信モジュールの一例を示す断面図である。

Ａ１，Ａ２，Ａ３ 赤外線データ通信モジュール（光通信モジュール）
１ 基板
２ 発光素子
３ 受光素子
４ 半導体チップ
４ａ 能動面
５ 樹脂パッケージ
６ 反射膜
４１ 信号処理回路
４２ 凹部
４２ａ （凹部の）内側面
４２ｂ （凹部の）底面
４３ （追加の）凹部
５１，５２ レンズ部

Claims (3)

1. 基板と、この基板上に搭載された発光素子、受光素子、並びに、これら発光素子および受光素子による送受信動作を制御するための信号処理回路と、上記発光素子および受光素子のそれぞれの正面に形成された２つのレンズ部を有する樹脂パッケージと、を備えた光通信モジュールであって、
   上記信号処理回路は、能動面が上記基板と対面するようにしてフリップチップ方式により上記基板上に搭載された半導体チップの上記能動面に一体に造り込まれているとともに、上記受光素子は上記半導体チップ上に搭載されており、
   上記半導体チップには、上記基板と反対側の面に開口するとともに厚み方向に貫通する凹部が形成されており、
   上記発光素子は、チップ状としたものが上記凹部の底部に臨む上記基板上に配置されており、かつ、
   上記凹部は、その開口部から底部に向かうほど縮径するとともに、この凹部の内側面の上記基板の上面に対する傾斜角は、６０〜７５度とされていることを特徴とする、光通信モジュール。
2. 上記凹部の内側面および底面は、反射膜で覆われている、請求項１に記載の光通信モジュール。
3. 上記半導体チップの上記能動面と反対側の面には、追加の凹部が形成されており、上記受光素子は、チップ状としたものが上記追加の凹部の底部に配置されている、請求項１に記載の光通信モジュール。

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