JP4984170B2 - Mounting structure of optical semiconductor element - Google Patents
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Description
本発明は、光半導体素子の実装構造に関し、特に、光通信、光記憶などに用いる光モジュールの実装構造に関するものである。 The present invention relates to an optical semiconductor device mounting structure, and more particularly to an optical module mounting structure used for optical communication, optical storage, and the like.
図6は、特許文献1の特許第2871320号公報「半導体レーザデバイス」や特許文献2の特開平6−314857号公報「半導体発光装置」に記載されている従来の光半導体素子の実装構造の断面図であり、CANタイプ(気密封止タイプ)と呼ばれる比較的短距離の光通信などに用いられる光半導体素子の実装構造を示している。 FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional optical semiconductor element mounting structure described in Japanese Patent No. 2871320 “Semiconductor Laser Device” of Patent Document 1 and Japanese Patent Laid-Open No. 6-314857 “Semiconductor Light Emitting Device”. It is a figure and shows the mounting structure of the optical-semiconductor element used for the optical communication etc. of the comparatively short distance called CAN type (airtight sealing type).
化合物半導体からなる発光素子(レーザダイオードLD、発光ダイオードLEDなど)または受光素子(フォトダイオードPDなど)などの光素子2は、セラミックやSiからなるサブマウント41上に実装され、さらに、サブマウント41は、パッケージ筐体である金属ベース44に接続される。また、光素子2は、ボンディングワイヤ47によりリード電極46に接続される。リード電極46は、金属ベース44と低融点ガラス45によって固定され、気密封止がなされる。光素子2の上部には、低融点ガラスによって中央にレンズ42を固定した金属キャップ43が配置されており、金属キャップ43が抵抗溶接により金属ベース44と接続されることによって、内部を窒素雰囲気とする気密封止構造を形成している。
以上のような従来技術においては、次のような欠点があった。
(1)低融点ガラスを用いて、金属キャップ43の中央にレンズ42を固定し、しかる後、リード電極46を金属ベース44に固定し、さらに、抵抗溶接を用いて、金属キャップ43を金属ベース44に固定することによって、漸く、気密封止することができる構造であり、時間とコストがかかっていた。
The prior art as described above has the following drawbacks.
(1) The
(2)リード電極46を使用しているため、プリント基板ベースの電気表面実装と比較して、コスト面で圧倒的に不利であつた。
(2) Since the
(3)金属キャップ43に固定されたレンズ42から光素子2までの光路が長く、光ファイバとの結合効率が良好ではなかった。
(3) The optical path from the
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、多数の工程が必要であった光素子の気密封止実装を、半導体前工程にてウエハ上で一括して行うことにより、低廉な光モジュールを実現可能とするとともに、光ファイバとの良好な結合効率が得られる光半導体素子の実装構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve such a problem, and by performing hermetic sealing mounting of optical elements, which have required many processes, collectively on a wafer in a semiconductor pre-process, the present invention is inexpensive. It is an object of the present invention to provide a mounting structure for an optical semiconductor element that can realize a simple optical module and can obtain good coupling efficiency with an optical fiber.
本発明は、前述の課題を解決するために、以下のごとき各技術手段から構成されている。
第1の技術手段は、電気機能素子を搭載し、該電気機能素子の配線層を利用して、外周部に、少なくとも該電気機能素子を囲うシーリング構造が作製された第1の半導体基板を有し、かつ、光素子を、前記第1の半導体基板と対向する表面または前記第1の半導体基板とは反対側の裏面に搭載し、前記第1の半導体基板のシーリング構造と鏡像対称な形状のシーリング構造が表面の外周部に、また、前記第1の半導体基板のシーリング構造と同様の形状のシーリング構造が裏面の外周部にそれぞれ作製された第2の半導体基板を有し、かつ、前記第2の半導体基板の裏面側に形成されたシーリング構造と鏡像対称な形状のシーリング構造が表面の外周部に作製され、光ファイバ導入用のV字溝が裏面に形成されたキャップ基板を有する光半導体素子の実装構造において、前記第1の半導体基板のシーリング構造と前記第2の半導体基板の表面のシーリング構造とを、および、前記第2の半導体基板の裏面のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とを、共晶合金接合または表面活性化接合を用いて接合することを特徴とする。
The present invention comprises the following technical means in order to solve the above-mentioned problems .
The first technical means includes a first semiconductor substrate on which an electrical functional element is mounted, and a sealing structure that at least surrounds the electrical functional element is formed on the outer periphery using the wiring layer of the electrical functional element. And an optical element is mounted on the front surface facing the first semiconductor substrate or the back surface opposite to the first semiconductor substrate, and having a mirror-image symmetrical shape with the sealing structure of the first semiconductor substrate. A sealing structure having a second semiconductor substrate formed on the outer periphery of the front surface, and a sealing structure having a shape similar to the sealing structure of the first semiconductor substrate on the outer periphery of the back surface; An optical half having a cap substrate in which a sealing structure that is mirror-symmetrical to the sealing structure formed on the back surface side of the
第2の技術手段は、前記第1の技術手段に記載の半導体素子の実装構造において、前記半導体素子基板のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とが、または、前記第1の半導体基板のシーリング構造と前記第2の半導体基板の表面のシーリング構造とがおよび前記第2の半導体基板の裏面のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とが、共晶合金接合により接合される場合、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかのうち、または、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかを含む共晶合金のうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金により接合されることを特徴とする。 According to a second technical means, in the semiconductor element mounting structure according to the first technical means, the sealing structure of the semiconductor element substrate and the sealing structure of the cap substrate, or the sealing of the first semiconductor substrate. When the structure and the sealing structure of the front surface of the second semiconductor substrate and the sealing structure of the back surface of the second semiconductor substrate and the sealing structure of the cap substrate are bonded by eutectic alloy bonding, InSn, SnBi , SnZn, SnAu, SnCu, or any eutectic alloy containing any of InSn, SnBi, SnZn, SnAu, SnCu, which is bonded by a eutectic alloy having a eutectic temperature of 300 ° C. or lower. It is characterized by.
第3の技術手段は、前記第1の技術手段に記載の半導体素子の実装構造において、前記半導体素子基板のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とが、または、前記第1の半導体基板のシーリング構造と前記第2の半導体基板の表面のシーリング構造とがおよび前記第2の半導体基板の裏面のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とが、表面活性化接合により接合される場合、互いに接合するシーリング構造それぞれを形成する金属同士が接合されることを特徴とする。 According to a third technical means, in the semiconductor element mounting structure according to the first technical means, the sealing structure of the semiconductor element substrate and the sealing structure of the cap substrate, or the sealing of the first semiconductor substrate. When the structure and the sealing structure of the front surface of the second semiconductor substrate and the sealing structure of the back surface of the second semiconductor substrate and the sealing structure of the cap substrate are bonded by surface activation bonding, they are bonded to each other. Metals forming each sealing structure are bonded to each other.
第4の技術手段は、前記第1ないし第3の技術手段のいずれかに記載の光半導体素子の実装構造において、前記半導体素子基板または前記第1の半導体基板に搭載された前記光素子への光路となる前記キャップ基板の表面の位置に、マイクロレンズを形成していることを特徴とする。 According to a fourth technical means, in the optical semiconductor element mounting structure according to any one of the first to third technical means, the semiconductor element substrate or the optical element mounted on the first semiconductor substrate is provided. A microlens is formed at a position on the surface of the cap substrate that serves as an optical path.
第5の技術手段は、前記第1ないし第4の技術手段のいずれかに記載の光半導体素子の実装構造において、前記キャップ基板が、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶からなることを特徴とする。 According to a fifth technical means, in the optical semiconductor device mounting structure according to any one of the first to fourth technical means, the cap substrate is one of GaAs, InP, InAs, InSb, Si, and Ge, Alternatively, it is made of a mixed crystal containing any of GaAs, InP, InAs, InSb, Si, and Ge.
第6の技術手段は、前記第1ないし第5の技術手段のいずれかに記載の光半導体素子の実装構造において、前記キャップ基板の裏面または前記第2の半導体基板の裏面に表面実装用のバンプが形成されていることを特徴とする。 Sixth technical means is the surface mounting bump on the back surface of the cap substrate or the back surface of the second semiconductor substrate in the optical semiconductor element mounting structure according to any one of the first to fifth technical means. Is formed.
第7の技術手段は、前記第6の技術手段に記載の光半導体素子の実装構造において、前記バンプが、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかのうち、または、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかを含む共晶合金のうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金からなることを特徴とする。 According to a seventh technical means, in the optical semiconductor element mounting structure according to the sixth technical means, the bump is one of InSn, SnBi, SnZn, SnAu, SnCu, or InSn, SnBi, SnZn. Of eutectic alloys containing any one of SnAu and SnCu, the eutectic temperature is 300 ° C. or lower.
第8の技術手段は、前記第1ないし第7の技術手段のいずれかに記載の半導体素子の実装構造において、前記半導体素子基板、または、前記第1の半導体基板および前記第2の半導体基板が、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶からなることを特徴とする。 According to an eighth technical means, in the semiconductor element mounting structure according to any one of the first to seventh technical means, the semiconductor element substrate, or the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate are , GaAs, InP, InAs, InSb, Si, Ge, or a mixed crystal containing any of GaAs, InP, InAs, InSb, Si, Ge.
第9の技術手段は、前記第1ないし第8の技術手段のいずれかに記載の半導体素子の実装構造において、前記配線層が複数の配線層からなり、該配線層間を絶縁する配線層間絶縁膜が、ポリイミド、ベンゾシクロブテン(benzcyclobutene:BCB)、ポリシロキサン、パレリン(Parylene)、エポキシ樹脂のいずれかからなることを特徴とする。 According to a ninth technical means, in the semiconductor element mounting structure according to any one of the first to eighth technical means, the wiring layer comprises a plurality of wiring layers and insulates the wiring layers. Is made of any one of polyimide, benzocyclobutene (BCB), polysiloxane, parylene, and epoxy resin.
本発明の光半導体素子の実装構造によれば、以下のごとき効果を奏することができる。
(1)金属のシーリング構造を、半導体素子基板や第1、第2の半導体基板上の光素子や電気機能素子の配線に用いる配線層を流用して作製することによって、プロセス工程を増加させることなしに、光素子や電気機能素子を囲うシーリング構造を作製することができる。また、配線層数を増やし、シーリング構造を多層に積層することによって、深いキャビティ構造も作製することができる。
According to the optical semiconductor element mounting structure of the present invention, the following effects can be obtained.
(1) To increase the number of process steps by creating a metal sealing structure by diverting a wiring layer used for wiring of an optical element or an electric functional element on a semiconductor element substrate or first and second semiconductor substrates. The sealing structure that surrounds the optical element and the electric functional element can be manufactured. Further, a deep cavity structure can be produced by increasing the number of wiring layers and laminating the sealing structure in multiple layers.
(2)実装時におけるプロセス温度を300℃以下に低く抑えているので、化合物半導体機能素子を用いる場合であっても、半導体機能素子の特性を損なうことなく、実装することが可能となる。 (2) Since the process temperature at the time of mounting is kept low at 300 ° C. or lower, even when a compound semiconductor functional element is used, it is possible to mount without impairing the characteristics of the semiconductor functional element.
(3)キャップ基板と半導体基板と配線層とによって形成される狭いキャビティ内に光素子や電気機能素子を配置するので、光ファイバと光素子との光路を短くすることができ、光ファイバと光素子との良好な結合効率が得られる。 (3) Since the optical element and the electric functional element are arranged in a narrow cavity formed by the cap substrate, the semiconductor substrate, and the wiring layer, the optical path between the optical fiber and the optical element can be shortened. Good coupling efficiency with the element can be obtained.
(4)さらには、最小限のプロセス工程の追加によって、マイクロレンズを作製することができるので、光ファイバと光素子とのさらに良好な結合効率を得ることができる。 (4) Furthermore, since a microlens can be manufactured by adding a minimum number of process steps, it is possible to obtain better coupling efficiency between an optical fiber and an optical element.
以下に、本発明に係る光半導体素子の実装構造の最良の実施形態について、その一例を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, an example of the best embodiment of the optical semiconductor device mounting structure according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(本発明の特徴)
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴についてその概要をまず説明する。本発明は、光素子を搭載した化合物半導体チップの気密封止ウエハレベルパッケージ技術として好適に適用可能な光半導体素子の実装構造に関するものである。光素子、電気機能素子を搭載し、2層以上の多層の配線層が形成された半導体素子基板の外周部に、この多層配線層を利用して、光素子、電気機能素子を囲う金属のシーリング構造を設ける一方、光ファイバ導入のためのV字溝を裏面に備えたキャップ基板の表面に、前記半導体素子基板上のシーリング構造と鏡像対称な形状のシーリング構造を設け、前記半導体素子基板上のシーリング構造とキャップ基板のシーリング構造とを対向させて、共晶温度が300℃以下の共晶合金を用いて接合するか、表面活性化接合により直接接合することを特徴としている。
(Features of the present invention)
Prior to the description of the embodiments of the present invention, an outline of the features of the present invention will be described first. The present invention relates to an optical semiconductor element mounting structure that can be suitably applied as a hermetically sealed wafer level package technology for a compound semiconductor chip on which an optical element is mounted. Metal sealing that surrounds the optical and electrical functional elements on the outer periphery of the semiconductor element substrate on which the optical and electrical functional elements are mounted and on which two or more multilayer wiring layers are formed. While providing a structure, a cap structure having a V-shaped groove for introducing an optical fiber on the back surface is provided with a sealing structure that is mirror-symmetrical to the sealing structure on the semiconductor element substrate, and on the semiconductor element substrate. The sealing structure and the sealing structure of the cap substrate are opposed to each other and bonded using a eutectic alloy having a eutectic temperature of 300 ° C. or lower, or directly bonded by surface activated bonding.
つまり、本発明は、光モジュールの気密封止ウエハレベルパッケージ実装構造として、次の4点を大きな特徴としている。 That is, the present invention has the following four major features as a hermetically sealed wafer level package mounting structure for an optical module.
(1)気密封止のために、半導体素子基板の外周部に、少なくとも光素子や電気機能素子を囲う金属のシーリング構造を、多層配線層を流用することによって、追加プロセスを付加することなく作製し、キャビティが深い実装構造を実現する。該半導体素子基板のシーリング構造と鏡像対称な形状のシーリング構造をキャップ基板にも作製し、双方の基板のシーリング構造同士を貼り合わせることによって、気密封止を実現する。 (1) For hermetic sealing, a metal sealing structure surrounding at least an optical element and an electric functional element is produced on the outer peripheral portion of a semiconductor element substrate by diverting a multilayer wiring layer without adding an additional process. As a result, a mounting structure with a deep cavity is realized. A sealing structure having a mirror image shape and a sealing structure of the semiconductor element substrate is also formed on the cap substrate, and hermetic sealing is realized by bonding the sealing structures of both substrates together.
(2)実装組立時におけるプロセス温度を低く抑えるために、光素子や電気機能素子を搭載した半導体素子基板とキャップ基板とのシーリング構造同士の接合には、共晶温度が300℃以下の共晶合金を用いた共晶合金接合またはシーリング構造同士を直接結合させる表面活性化接合を用いる。 (2) In order to keep the process temperature at the time of mounting and assembly low, a eutectic temperature of 300 ° C. or lower is used for bonding between the sealing structures of the semiconductor element substrate on which the optical element or the electric functional element is mounted and the cap substrate. Eutectic alloy bonding using an alloy or surface activated bonding that directly bonds the sealing structures is used.
(3)キャップ基板には、光ファイバ導入のためのV字溝を設けることによって、光結合部のパッシブアライメントを確保する。 (3) The cap substrate is provided with a V-shaped groove for introducing an optical fiber, thereby ensuring passive alignment of the optical coupling portion.
(4)さらに、光素子と光ファイバとの結合効率を良くする必要がある場合には、キャップ基板の表面にマイクロレンズを配置する。 (4) Furthermore, when it is necessary to improve the coupling efficiency between the optical element and the optical fiber, a microlens is disposed on the surface of the cap substrate.
(第1の参考例)
図1は、第1の参考例に係る光半導体素子の実装構造を例示する光半導体素子の断面構造を示す模式図であり、半導体素子基板1をキャップ基板31に接合しようとする状態を示している。また、図2は、図1に例示する光半導体素子の実装構造の斜視図であり、図1の同様、半導体素子基板1をキャップ基板31に接合しようとする状態を示している。
( First reference example )
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of an optical semiconductor element illustrating a mounting structure of an optical semiconductor element according to a first reference example, and shows a state in which the semiconductor element substrate 1 is to be bonded to a
図1、図2において、半導体素子基板1は、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶などからなっている。半導体素子基板1上には、半導体素子基板1上に直接成長させたエピタキシャル層か、または、第3の基板に成長させて剥離した薄膜を加圧ボンディングして接着させることにより形成されたエピタキシャル層を用いて、光素子2と電気機能素子3とが作製されている。
1 and 2, the semiconductor element substrate 1 is made of any one of GaAs, InP, InAs, InSb, Si, and Ge, or a mixed crystal containing any of GaAs, InP, InAs, InSb, Si, and Ge. It has become. On the semiconductor element substrate 1, an epitaxial layer directly grown on the semiconductor element substrate 1 or an epitaxial layer formed by pressure bonding and bonding a thin film grown on a third substrate and peeled off. The
また、半導体素子基板1上には、光素子2および/または電気機能素子3の内部接続、相互接続などのために、多層の配線層が作製される。図1には、第1の配線層4、第2の配線層6、第3の配線層8の3層配線層の例を示している。第1の配線層4、第2の配線層6、第3の配線層8は、Au,Cu,Al,W,Moのいずれか、または、Au,Cu,Al,W,Moのいずれかを含む合金などからなっている。
On the semiconductor element substrate 1, a multilayer wiring layer is produced for internal connection, interconnection, etc. of the
第1の配線層4と第2の配線層6との間には、第1−第2の配線層間絶縁膜10が、また、第2の配線層6と第3の配線層8との間には、第2−第3の配線層間絶縁膜11が挿入される。第1−第2の配線層間絶縁膜10、第2−第3の配線層間絶縁膜11は、厚膜化が容易な有機系材料であるポリイミド、ベンゾシクロブテン(benzocyclobutene:BCB)、ポリシロキサン、パレリン(Paralene)、エポキシ樹脂などからなっている。
Between the first wiring layer 4 and the second wiring layer 6, a first-second wiring
また、第1の配線層4と第2の配線層6とを接続する第1−第2の配線層間ビア5、第2の配線層6と第3の配線層8とを接続する第2−第3の配線層間ビア7は、Au,Cu,Al,Wのいずれか、または、Au,Cu,Al,Wのいずれかを含む合金などからなっている。 The first and second wiring interlayer vias 5 that connect the first wiring layer 4 and the second wiring layer 6, and the second and second wiring layers 6 and 8 that connect the second wiring layer 6 and the third wiring layer 8. The third wiring interlayer via 7 is made of any one of Au, Cu, Al, and W, or an alloy containing any of Au, Cu, Al, and W.
半導体素子基板1上の外周部には、第1の配線層4、第2の配線層6、第3の配線層8と第1−第2の配線層間ビア5、第2−第3の配線層間ビア7とを用いて、気密封止のために、多層(図1の場合、3層)に亘るシーリング構造9が形成されている。シーリング構造9は、図1、図2に示すように、半導体素子基板1上の光素子2と電気機能素子3とを囲むように、四角い枠状(リング状)などの形状で作製され、その幅は、10〜200μm程度である。
In the outer peripheral portion on the semiconductor element substrate 1, the first wiring layer 4, the second wiring layer 6, the third wiring layer 8, the first to second wiring interlayer vias 5, and the second to third wirings are provided. A sealing
最上層の配線層(図1の場合には、第3の配線層8)は、配線金属が露出しているが、必要であれば、配線金属表面の酸化等を防ぐために、Auなど酸化しにくい金属で被覆しても良い。また、キャップ基板31との接続を強化する目的で、シーリング構造9以外の場所に、キャップ基板31側との接続用の第3の配線層を配置しても構わない。
The uppermost wiring layer (third wiring layer 8 in the case of FIG. 1) exposes the wiring metal. However, if necessary, it is oxidized with Au or the like to prevent oxidation of the wiring metal surface. It may be covered with a difficult metal. Further, for the purpose of strengthening the connection with the
キャップ基板31は、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶などの半導体からなっている。例えば、キャップ基板31としてSiを用いる場合には、高周波損失の少ない高抵抗基板を用いることが望ましい。
The
キャップ基板31の表面の外周部には、図1、図2に示すように、半導体素子基板1のシーリング構造9と鏡像対称な形状のシーリング構造34が、Au,Cu,Al,Wのいずれか、または、Au,Cu,Al,Wのいずれかを含む合金などを用いた表面配線層33を利用して形成されている。該シーリング構造34を形成する表面配線層33の上には、半導体素子基板1側と共晶合金接合するために共晶合金金属32を堆積している。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a sealing
共晶合金金属32は、InSn(共晶温度117℃)、SnBi(共晶温度139℃)、SnZn(共晶温度198℃)、SnAu(共晶温度217℃、280℃)、SnCu(共晶温度227℃)などのいずれかのうち、あるいは、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかを含む共晶合金のうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金を用いて形成されている。なお、SnAu(共晶温度217℃、280℃)は、特許第3640017号公報「鉛フリーはんだバンプとその形成法」に記載されているものであっても構わない。
The
また、キャップ基板31の表面配線層33は、基板貫通ビア35を通して、キャップ基板31裏面側の裏面配線層36と接続されている。この裏面配線層36を通して、外部からの高周波信号の送受、直流バイアスの印加や、グランド電位の共通化などを行う。
The front
また、裏面配線層36には、ボンディング用のバンプ37が形成され、プリント基板などの表面実装を可能にしている。バンプ37も、共晶合金金属32と同様、InSn(共晶温度117℃)、SnBi(共晶温度139℃)、SnZn(共晶温度198℃)、SnAu(共晶温度217℃、280℃)、SnCu(共晶温度227℃)などのいずれかのうち、あるいは、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかを含む共晶合金のうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金を用いて形成されている。なお、SnAu(共晶温度217℃、280℃)は、特許第3640017号公報「鉛フリーはんだバンプとその形成法」に記載されているものであっても構わない。
In addition, bonding bumps 37 are formed on the
また、キャップ基板31の裏面には、図1、図2に示すように、光ファイバ導入用に基板の結晶方位を利用してV字型のV字溝39が設けられており、光ファイバのパッシブアライメントを可能にしている。さらに、光ファイバと光素子2との結合効率を向上させるために、光素子2への光路となるキャップ基板31の表面の位置には、アクリル、エポキシなどのUV硬化樹脂によって、10〜500μm直径のマイクロレンズ38が形成されている。
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, a V-shaped V-shaped
半導体素子基板1とキャップ基板31とは、半導体素子基板1側のシーリング構造9とキャップ基板31側のシーリング構造34との部分で、それぞれのシーリング構造を形成している配線金属同士を、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuなどのいずれかのうち、または、これらのいずれかを含む共晶合金などのうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金金属32を用いて、共晶合金接合することにより、光素子2、電気機能素子3周辺の気密性を確保している。
The semiconductor element substrate 1 and the
ここで、半導体素子基板1とキャップ基板31との接合については、前述のような、共晶合金による接合を用いずに、「表面活性化による低エネルギー接合」(須賀 唯知、まてりあ、35(5)、476(1996))に記載されているような表面活性化接合(SAB:Surface Activated Bonding)を用いることも可能である。
Here, the bonding between the semiconductor element substrate 1 and the
表面活性化接合の場合には、接合する2つの基板の互いに接合させる面に、真空中で、Arイオンビームなどを照射してエッチングした後、活性化した金属同士(Au−Au,Cu−Cu,Al−Al,Au−Cuなど)を直接接合させる。表面活性化接合を用いる場合には、キャップ基板31のシーリング構造34つまり表面配線層33の上には、共晶合金金属32を堆積する必要はない。
In the case of surface activation bonding, the surfaces to be bonded to each other of the two substrates to be bonded are etched by irradiating an Ar ion beam or the like in a vacuum, and then activated metals (Au—Au, Cu—Cu). , Al-Al, Au-Cu, etc.) are directly joined. When surface activated bonding is used, it is not necessary to deposit the
また、表面活性化接合を用いる場合、半導体素子基板1のシーリング構造9を構成する最上層の配線層(図1の場合、第3の配線層8)とキャップ基板31のシーリング構造34を構成する表面配線層33とのそれぞれの材料を、同一の金属材料(Au,Cu,Al,Wなどのうち、同一の金属材料)を用いて形成し、同一の金属材料同士を接合することが望ましい。
When surface activated bonding is used, the uppermost wiring layer (third wiring layer 8 in the case of FIG. 1) constituting the sealing
(第1の実施形態)
次に、本発明に係る光半導体素子の実装構造の第1の実施形態について、図3を用いて説明する。図3は、本発明に係る光半導体素子の実装構造として第1の実施形態を例示する光半導体素子の断面構造を示す模式図である。
( First embodiment)
Next, a first embodiment of an optical semiconductor element mounting structure according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of an optical semiconductor device illustrating the first embodiment as a mounting structure of the optical semiconductor device according to the present invention.
図3に示す光半導体素子の実装構造は、光素子2と電気機能素子3とが、それぞれ、別々の半導体基板上に作製されているという点で、第1の参考例における図1、図2の半導体素子の実装構造とは異なった構造とされ、電気機能素子3を搭載する半導体素子基板1(第1の半導体基板)、光素子2を搭載する第2の半導体基板21、キャップ基板31の3枚の基板構成とされている。本第1の実施形態の実装構造は、光素子2と電気機能素子3との作製プロセスに互換性がない場合などに有効な実装構造である。
The optical semiconductor element mounting structure shown in FIG. 3 is the same as that in the first reference example in that the
なお、半導体素子基板1(第1の半導体基板)および第2の半導体基板21は、第1の参考例における半導体素子基板1と同様、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶などからなっている。
The semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the
図3に示す実装構造の場合、電気機能素子3については、第1の参考例における図1の場合と同様、半導体素子基板1(第1の半導体基板)上に形成され、該半導体素子基板1上の外周部には、第1の配線層4、第2の配線層6、第3の配線層8と第1−第2の配線層間ビア5、第2−第3の配線層間ビア7とを用いて、気密封止のための金属のシーリング構造9を電気機能素子3を囲うように形成する。
In the case of the mounting structure shown in FIG. 3, the electrical functional element 3 is formed on the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) as in the case of FIG. 1 in the first reference example , and the semiconductor element substrate 1 The upper peripheral portion includes a first wiring layer 4, a second wiring layer 6, a third wiring layer 8, a first to second wiring interlayer via 5, and a second to third wiring interlayer via 7. Is used to form a
また、半導体素子基板1(第1の半導体基板)の最上層の配線層(図3の場合には、第3の配線層8)についても、第1の参考例における図1の場合と同様、配線金属が露出しているが、必要であれば、配線金属表面の酸化等を防ぐために、Auなど酸化しにくい金属で被覆しても良い。 The uppermost wiring layer (in the case of FIG. 3, the third wiring layer 8) of the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) is also similar to the case of FIG. 1 in the first reference example . Although the wiring metal is exposed, if necessary, it may be coated with a metal that is difficult to oxidize, such as Au, in order to prevent oxidation of the surface of the wiring metal.
なお、キャップ基板31も、第1の参考例の図1と同様の構造であり、表面には、マイクロレンズ38、表面配線層33を利用したシーリング構造34が形成され、裏面側には、裏面配線層36、バンプ37が形成され、さらに、光ファイバ導入用のV字溝39が穿設されている。
The
一方、光素子2は、第1の参考例における図1の場合とは異なり、電気機能素子3が形成された半導体素子基板1(第1の半導体基板)上ではなく、半導体素子基板1とキャップ基板31との間に介在する第2の半導体基板21の裏面上(半導体素子基板1とは対向していなく、キャップ基板31と対向している面上)に形成される。
On the other hand, unlike the case of FIG. 1 in the first reference example , the
また、第2の半導体基板21の表面(半導体素子基板1と対向している面)の外周部には、半導体素子基板1のシーリング構造9と鏡像対称な形状のシーリング構造24が形成されている。第2の半導体基板21のシーリング構造24は、半導体素子基板1(第1の半導体基板)のシーリング構造9と同様、Au,Cu,Al,Wのいずれか、または、Au,Cu,Al,Wのいずれかを含む合金などを用いた表面配線層23を用いて形成されている。該シーリング構造24を形成する表面配線層23の上には、半導体素子基板1(第1の半導体基板)側と共晶合金接合するために共晶合金金属22を堆積している。
Further, a sealing
共晶合金金属22は、InSn(共晶温度117℃)、SnBi(共晶温度139℃)、SnZn(共晶温度198℃)、SnAu(共晶温度217℃、280℃)、SnCu(共晶温度227℃)などのいずれかのうち、あるいは、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかを含む共晶合金のうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金を用いて形成されている。なお、SnAu(共晶温度217℃、280℃)は、特許第3640017号公報「鉛フリーはんだバンプとその形成法」に記載されているものであっても構わない。
The
また、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と第2の半導体基板21との接続を強化する目的で、半導体素子基板1(第1の半導体基板)のシーリング構造9および第2の半導体基板21のシーリング構造24以外のそれぞれの基板上の場所に、接続用の第3の配線層や表面配線層を配置しても構わない。
For the purpose of strengthening the connection between the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the
また、第2の半導体基板21の裏面(半導体素子基板1と対向していない反対側の面であって、キャップ基板31と対向している面)の外周部には、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と同様の形状のシーリング構造を形成する裏面配線層25、つまり、第1の参考例の図1と同様の形状(半導体素子基板1のシーリング構造9と鏡像対称な形状)からなるキャップ基板31上のシーリング構造34と鏡像対称な形状のシーリング構造を形成する裏面配線層25が配置されており、該裏面配線層25は、第2の半導体基板21を貫通して設けられた基板貫通ビア26によって表面配線層23と接続されている。
電気機能素子3を形成した半導体素子基板1(第1の半導体基板)と対向して、光素子2を形成した第2の半導体基板21の表面が配置され、半導体素子基板1(第1の半導体基板)の外周部のシーリング構造9と第2の半導体基板21の表面の外周部のシーリング構造24とが、第2の半導体基板21の表面配線層23上に堆積した共晶合金金属22を用いた共晶合金接合により接合される。さらに、第2の半導体基板21の裏面側の裏面配線層25を用いて、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と同様の形状に裏面外周部に形成された第2の半導体基板21のシーリング構造と、第2の半導体基板21の裏面側に対向して配置されて、第1の参考例の図1と同様の形状(半導体素子基板1のシーリング構造9と鏡像対称な形状)つまり第2の半導体基板21の裏面側のシーリング構造と鏡像対称な形状からなるキャップ基板31の外周部のシーリング構造34とが、キャップ基板31のシーリング構造34を形成する表面配線層33上に堆積した共晶合金金属32を用いた共晶合金接合により接合される。
Further, on the outer peripheral portion of the back surface of the second semiconductor substrate 21 (the opposite surface not facing the semiconductor element substrate 1 and facing the cap substrate 31), the semiconductor element substrate 1 (first 1 from the
The surface of the
本第1の実施形態においても、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と第2の半導体基板21とのシーリング構造同士の接合、第2の半導体基板21とキャップ基板31とのシーリング構造同士の接合を、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuなどのいずれかのうち、または、これらのいずれかを含む共晶合金などのうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金金属22,32を用いて、共晶合金接合することにより、チップレベルの大きさで、第1の参考例の場合と同様の気密性を得ることが可能である。
Also in the first embodiment, the sealing structures of the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the
ここで、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と第2の半導体基板21の表面側との接合、第2の半導体基板21の裏面側とキャップ基板31との接合は、第1の参考例の場合と同様、共晶合金による接合を用いずに、表面活性化接合を用いることも可能である。
Here, the bonding between the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the front surface side of the
表面活性化接合を用いる場合、半導体素子基板1(第1の半導体基板)のシーリング構造と第2の半導体基板21の表面のシーリング構造との接合、第2の半導体基板21の裏面のシーリング構造とキャップ基板31のシーリング構造との接合において、互いに接合するシーリング構造それぞれを形成する金属同士(Au−Au,Cu−Cu,Al−Al,Au−Cuなど)を直接接合させるが、互いに接合するシーリング構造それぞれを形成する金属材料が、同一の金属材料(Au,Cu,Al,Wなどのうち、同一の金属材料)からなることが望ましい。
When surface activated bonding is used, bonding between the sealing structure of the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the sealing structure of the surface of the
(第2の実施形態)
次に、本発明に係る光半導体素子の実装構造の第2の実施形態について、図4を用いて説明する。図4は、本発明に係る光半導体素子の実装構造として第2の実施形態を例示する光半導体素子の断面構造を示す模式図である。
( Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the optical semiconductor element mounting structure according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic view showing a cross-sectional structure of an optical semiconductor element illustrating the second embodiment as a mounting structure of the optical semiconductor element according to the present invention.
図4に示す光半導体素子の実装構造は、第1の実施形態の場合と同様、光素子2と電気機能素子3とが、それぞれ、別々の半導体基板上に作製されているという点で、第1の参考例における図1、図2の半導体素子の実装構造とは異なった構造とされている。したがって、本第2の実施形態の実装構造も、第1の実施形態の場合と同様、光素子2と電気機能素子3との作製プロセスに互換性がない場合などに有効な実装構造である。
The optical semiconductor element mounting structure shown in FIG. 4 is similar to that of the first embodiment in that the
図4に示す光半導体素子の実装構造は、光素子2と電気機能素子3とが、それぞれ、別々の半導体基板上に作製されているという点では、第1の実施形態における図3の半導体素子の実装構造と同様であり、電気機能素子3を搭載する半導体素子基板1(第1の半導体基板)、光素子2を搭載する第2の半導体基板21、キャップ基板31の3枚の基板構成とされている。
The optical semiconductor element mounting structure shown in FIG. 4 is the same as the semiconductor element of FIG. 3 in the first embodiment in that the
なお、半導体素子基板1(第1の半導体基板)および第2の半導体基板21は、第1の参考例における半導体素子基板1と同様、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶などからなっている。
The semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the
しかし、図4に示す光半導体素子の実装構造は、光素子2を、第2の半導体基板21の裏面(キャップ基板31と対向している面)上ではなく、第2の半導体基板21の表面上に形成して、半導体素子基板1(第1の半導体基板)上に形成した電気機能素子3と対向させて配置しているという点で、第1の実施形態における図3の半導体素子の実装構造とは異なった構造とされている。
However, in the optical semiconductor element mounting structure shown in FIG. 4, the
本第2の実施形態においては、光素子2の裏面から光を入射する構造としているので、表面入射の場合よりも、開口部が大きく確保することができる。
In the second embodiment, since light is incident from the back surface of the
本第2の実施形態においても、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と第2の半導体基板21とのシーリング構造同士の接合、第2の半導体基板21とキャップ基板31とのシーリング構造同士の接合を、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuなどのいずれかのうち、または、これらのいずれかを含む共晶合金などのうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金金属22,32を用いて、共晶合金接合することにより、チップレベルの大きさで、第1の参考例、第1の実施形態の場合と同様の気密性を得ることが可能である。
Also in the second embodiment, the sealing structures of the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the
ここで、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と第2の半導体基板21の表面側との接合、第2の半導体基板21の裏面側とキャップ基板31との接合は、第1の参考例の場合と同様、共晶合金による接合を用いずに、表面活性化接合を用いることも可能である。
Here, the bonding between the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the front surface side of the
表面活性化接合を用いる場合、半導体素子基板1(第1の半導体基板)のシーリング構造と第2の半導体基板21の表面のシーリング構造との接合、第2の半導体基板21の裏面のシーリング構造とキャップ基板31のシーリング構造との接合において、互いに接合するシーリング構造それぞれを形成する金属同士(Au−Au,Cu−Cu,Al−Al,Au−Cuなど)を直接接合させるが、互いに接合するシーリング構造それぞれを形成する金属材料が、同一の金属材料(Au,Cu,Al,Wなどのうち、同一の金属材料)からなることが望ましい。
When surface activated bonding is used, bonding between the sealing structure of the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the sealing structure of the surface of the
(第2の参考例)
次に、第2の参考例に係る光半導体素子の実装構造について、図5を用いて説明する。図5は、第2の参考例に係る光半導体素子の実装構造を例示する光半導体素子の断面構造を示す模式図である。
( Second reference example )
Next, the mounting structure of the optical semiconductor element according to the second reference example will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of an optical semiconductor element illustrating the mounting structure of the optical semiconductor element according to the second reference example .
図5に示す光半導体素子の実装構造は、光素子2と電気機能素子3とが、それぞれ、別々の半導体基板上に作製され、かつ、光素子2を、第2の半導体基板21の表面上に形成して、半導体素子基板1(第1の半導体基板)上に形成した電気機能素子3と対向させて配置しているという点では、第2の実施形態における図4の半導体素子の実装構造と同様であるが、キャップ基板31がなく、かつ、キャップ基板31に形成されていたマイクロレンズ38がないという点では、第2の実施形態における図4の半導体素子の実装構造とは異なった構造とされている。
In the optical semiconductor element mounting structure shown in FIG. 5, the
なお、図5に示すように、本第第2の参考例における第2の半導体基板21の裏面には、第1の参考例、第2の実施形態として例示した図1、図4において、キャップ基板31の裏面側に形成されていた光ファイバ導入用のV字溝39が、第2の半導体基板21の結晶方位を利用して形成されているとともに、第2の半導体基板21を貫通して設けられた基板貫通ビア26によって表面配線層23と接続される裏面配線層25が、第1の参考例、第2の実施形態として例示した図1、図4におけるキャップ基板31の裏面配線層36と同様の形状で形成されている。
As shown in FIG. 5, the present on the back surface of the
この裏面配線層25を通して、外部からの高周波信号の送受、直流バイアスの印加や、グランド電位の共通化などを行う。また、裏面配線層25の上には、第1の参考例、第2の実施形態として例示した図1、図4におけるキャップ基板31の裏面配線層36の場合と同様、ボンディング用のバンプ37が形成され、プリント基板などの表面実装を可能にしている。
Through this
バンプ37は、第1の参考例として例示した図1におけるキャップ基板31の場合と同様、InSn(共晶温度117℃)、SnBi(共晶温度139℃)、SnZn(共晶温度198℃)、SnAu(共晶温度217℃、280℃)、SnCu(共晶温度227℃)などのいずれかのうち、あるいは、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかを含む共晶合金のうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金を用いて形成されている。なお、SnAu(共晶温度217℃、280℃)は、特許第3640017号公報「鉛フリーはんだバンプとその形成法」に記載されているものであっても構わない。
As in the case of the
本第2の参考例においては、光素子2の裏面から光を入射する構造としているので、表面入射の場合よりも、開口部が大きく確保することができるので、マイクロレンズが搭載されない場合であっても、光ファイバと光素子2との良好な結合効率が得られる。
In the second reference example , since the light is incident from the back surface of the
本第2の参考例においても、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と第2の半導体基板21とのシーリング構造同士の接合を、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuなどのいずれかのうち、または、これらのいずれかを含む共晶合金などのうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金金属22を用いて、共晶合金接合することにより、チップレベルの大きさで、第1の参考例、第1の実施形態、第2の参考例の場合と同様の気密性を得ることが可能である。
Also in the second reference example , the bonding between the sealing structures of the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the
ここで、半導体素子基板1(第1の半導体基板)と第2の半導体基板21の表面との接合は、第1の参考例の場合と同様、共晶合金による接合を用いずに、表面活性化接合を用いることも可能である。
Here, the bonding between the surface of the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the surface of the
表面活性化接合を用いる場合、半導体素子基板1(第1の半導体基板)のシーリング構造と第2の半導体基板21の表面のシーリング構造との接合において、互いに接合するシーリング構造それぞれを形成する金属同士(Au−Au,Cu−Cu,Al−Al,Au−Cuなど)を直接接合させるが、互いに接合するシーリング構造それぞれを形成する金属材料が、同一の金属材料(Au,Cu,Al,Wなどのうち、同一の金属材料)からなることが望ましい。
When surface activated bonding is used, in the bonding of the sealing structure of the semiconductor element substrate 1 (first semiconductor substrate) and the sealing structure of the surface of the
(本発明の作用効果)
以上説明したように、本発明の光半導体素子の実装構造を用いることによって、次のような作用効果を生じる。
(Operational effect of the present invention)
As described above, the use of the optical semiconductor element mounting structure of the present invention produces the following operational effects.
(1)金属のシーリング構造を、半導体素子基板や第1、第2の半導体基板上の光素子や電気機能素子の配線に用いる配線層を流用して作製することによって、プロセス工程を増加させることなしに、光素子や電気機能素子を囲うシーリング構造を作製することができる。また、配線層数を増やし、シーリング構造を多層に積層することによって、深いキャビティ構造も作製することができる。 (1) To increase the number of process steps by creating a metal sealing structure by diverting a wiring layer used for wiring of an optical element or an electric functional element on a semiconductor element substrate or first and second semiconductor substrates. The sealing structure that surrounds the optical element and the electric functional element can be manufactured. Further, a deep cavity structure can be produced by increasing the number of wiring layers and laminating the sealing structure in multiple layers.
(2)実装時におけるプロセス温度を300℃以下に低く抑えているので、化合物半導体機能素子を用いる場合であっても、半導体機能素子の特性を損なうことなく、実装することが可能となる。 (2) Since the process temperature at the time of mounting is kept low at 300 ° C. or lower, even when a compound semiconductor functional element is used, it is possible to mount without impairing the characteristics of the semiconductor functional element.
(3)キャップ基板と半導体基板と配線層とによって形成される狭いキャビティ内に光素子や電気機能素子を配置するので、光ファイバと光素子との光路を短くすることができ、光ファイバと光素子との良好な結合効率が得られる。 (3) Since the optical element and the electric functional element are arranged in a narrow cavity formed by the cap substrate, the semiconductor substrate, and the wiring layer, the optical path between the optical fiber and the optical element can be shortened. Good coupling efficiency with the element can be obtained.
(4)さらには、(アクリル、エポキシなどのUV硬化樹脂を用いて、)最小限のプロセス工程の追加によって、キャップ基板にマイクロレンズを作製することができるので、光ファイバと光素子とのさらに良好な結合効率を得ることができる。 (4) Furthermore, since a microlens can be produced on the cap substrate (by using a UV curable resin such as acrylic or epoxy) with a minimum number of process steps, the optical fiber and the optical element can be further reduced. Good coupling efficiency can be obtained.
1…半導体素子基板(第1の半導体基板)、2…光素子(受光または発光素子)、3…電気機能素子、4…第1の配線層、5…第1−第2の配線層間ビア、6…第2の配線層、7…第2−第3の配線層間ビア、8…第3の配線層、9…シーリング構造、10…第1−第2の配線層間絶縁膜、11…第2−第3の配線層間絶縁膜、21…第2の半導体基板、22…共晶合金金属(第2の半導体基板共晶合金金属)、23…表面配線層(第2の半導体基板表面配線層)、24…シーリング構造(第2の半導体基板シーリング構造)、25…裏面配線層(第2の半導体基板裏面配線層)、26…基板貫通ビア(第2の半導体基板貫通ビア)、31…キャップ基板、32…共晶合金金属、33…表面配線層(キャップ基板上配線層)、34…シーリング構造(キャップ基板上シーリング構造)、35…基板貫通ビア(キャップ基板貫通ビア)、36…裏面配線層(キャップ基板裏面配線層)、37…バンプ、38…マイクロレンズ、39…V字溝(光ファイバガイド溝)、41…サブマウント、42…レンズ、43…金属キャップ、44…金属ベース、45…低融点ガラス、46…リード電極、47…ボンディングワイヤ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor element board | substrate (1st semiconductor substrate), 2 ... Optical element (light reception or light emitting element), 3 ... Electric functional element, 4 ... 1st wiring layer, 5 ... 1st-2nd wiring interlayer via, 6 ... 2nd wiring layer, 7 ... 2nd-3rd wiring interlayer via, 8 ... 3rd wiring layer, 9 ... Sealing structure, 10 ... 1st-2nd wiring interlayer insulation film, 11 ... 2nd -Third wiring interlayer insulating film, 21 ... second semiconductor substrate, 22 ... eutectic alloy metal (second semiconductor substrate eutectic alloy metal), 23 ... surface wiring layer (second semiconductor substrate surface wiring layer) , 24 ... sealing structure (second semiconductor substrate sealing structure), 25 ... backside wiring layer (second semiconductor substrate backside wiring layer), 26 ... substrate through via (second semiconductor substrate through via), 31 ...
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