JPH05243589A

JPH05243589A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH05243589A
Application number: JP4075774A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kondo; 浩史近藤; Tetsuo Yoshizawa; 徹夫吉沢; Toyohide Miyazaki; 豊秀宮崎; Takashi Sakaki; 隆榊; Yoshimi Terayama; 芳実寺山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】【目的】電気的な接続部材を間に介して光学部品と受
光素子との電気的接続を果すことにより、単純な工程
で、確実な組立を実現できる構成の光半導体装置を提供
する。【構成】電気的絶縁材料よりなる保持体（１０７）中
に複数の電気的導電部材（１１１）を埋設するととも
に、上記電気的導電部材（１１１）の一端を上記保持体
（１０７）の一方の面に、また、他端を上記保持体の他
方の面に露出している電気的接続部材（１２５）と；少
なくとも一面に配線パターンが形成され、かつ、その配
線パターンの少なくとも１部に接続部（１０３）が形成
された光学部品（２０２）と；電気的接続部（１０５）
を有する受光素子（１０４）とを具備してなり；上記光
学部品と受光素子との間に上記電気的接続部材を挟持し
た形で、上記光学部品の接続部と上記電気的接続部の電
気的導電部材とを、また、上記電気的導電部材と上記受
光素子の接続部とを、それぞれ、電気的に接続している
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、純粋に集光、発散、分
離、屈折などの光学機能を発揮する光学部品を、その光
学部品から与えられた光を電気変換する光学素子に組込
んだ光半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の光半導体装置では、レン
ズ、プリズムなどの、集光、発散、分離、屈折させる機
能の光学部品と、フォトダイオード、ＰＩＮフォトダイ
オード、アバランシュフォトダイオード、ＣＣＤなどの
受光素子とが、それぞれ、分離されて、装置内に実装さ
れてきた。しかし、このような実装の仕方では、両者の
光学的位置合せと電気的接続が面倒で、作業性が悪い。
そこで、微小な光学部品を半導体プロセスを用いること
により、これら受光素子の受光部上に作り込む方法とし
て、例えば、ＣＣＤエリアセンサーの各画素上にマイク
ロレンズを作り込む方法などが既に実施されている。ま
た、一般には、受光素子の電気的接続を行なう方法とし
て、ワイヤーボンディング法やＴＡＢ法など、もしく
は、半導体素子を基板に対してフェースダウンマウント
する方法として、半田バンプによるＣＣＢ（ＩＢＭ方
式）、マイクロバンプ（松下電器方式）、Ｉｎバンプ
（東芝方式）、マイクロコネクタ（カシオ方式）などの
方法が既に実施されている。これらの方式は、ＣＣＢ方
式を除き、主に、液晶ディスプレイのドライバーＩＣの
実装用に開発されたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、受
光素子上に光学部品を作り込む方法は、半導体プロセス
を利用する関係で、微細な形状を製作する上では有利で
あるが、チップ全面にかかるくらいの大きなサイズの光
学部品を作り込むことができない。そのため、適用でき
る光学部品のサイズが制限されるため、想うような光学
的機能を十分に発揮できない。さらに、複数の光学部品
を同一チップ上に組合せて作り込むことができない。ま
た、ウェハー単位で製作するため、ＩＣ側に不良がある
と、この上に作り込まれた光学部品も、不良品扱いとな
るので、歩留りが悪く、コストアップになる。

【０００４】また、従来のフェーズダウンボンディング
では、その開発目的が液晶用に向けられているため、そ
の接続抵抗値が高く、フォトダイオードなどの受光素子
のように、電流をモニターする方式には適さない。ま
た、ＣＣＢ方式は、接続部材が半田であることから、半
導体素子（Ｓｉ）と基板の熱膨張係数差が大きくなると
破損などの問題が発生し、信頼性が低下する。また、こ
れらの方式では、半導体素子上に、金、半田などの「バ
ンプ」と呼ばれる突起を、フォトリソ工程およびメッキ
工程により、ウェハー状態で形成するため、不良ＩＣ上
にも「バンプ」を形成してしまうので、それだけコスト
アップとなる。また、工程数が増えることによる歩留り
の低下も問題である。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、上記事情に基いてなされたも
ので、電気的な接続部材を間に介して光学部品と受光素
子との電気的接続を果すことにより、単純な工程で、確
実な組立を実現できる構成の光半導体装置を提供しよう
とするものである。

【０００６】

【課題を解決させるための手段】このため、本発明で
は、電気的絶縁材料よりなる保持体中に複数の電気的導
電部材を埋設するとともに、上記電気的導電部材の一端
を上記保持体の一方の面に、また、他端を上記保持体の
他方の面に露出している電気的接続部材と；少なくとも
一面に配線パターンが形成され、かつ、その配線パター
ンの少なくとも１部に接続部が形成された光学部品と；
電気的接続部を有する受光素子とを具備してなり；上記
光学部品と受光素子との間に上記電気的接続部材を挟持
した形で、上記光学部品の接続部と上記電気的接続部の
電気的導電部材とを、また、上記電気的導電部材と上記
受光素子の接続部とを、それぞれ、電気的に接続してい
る。この場合、ここで挙げられる各構成要素は、以下の
ようなものを使用するものとする。

【０００７】（電気的接続部材）本発明で採用される電
気的接続部材は、電気的絶縁材料からなる保持体に複数
の電気的導電部材が露出している。また、そこに配線パ
ターンの存在するものもある。その際、上記配線パター
ンは保持体の内部に存在していてもよいし、保持体の一
方または両方の面上に存在してもよい。更に、上記保持
体内に埋設されている個々の電気的導電部材と配線パタ
ーンとは、電気的に接続されていてもよいし、接続され
ていなくてもよい。この電気的接続は、保持体の内部で
接続されていてもよいし、保持体の面の一方または両方
で行なわれていてもよい。そして、配線パターンに使用
される材料は、通常の金属材料に限らず、他の導電材料
でもよい。なお、電気的導電部材の接続部の端は、凸状
になっている方が好ましい。更に、上記電気的接続部材
は、１層あるいは２層以上の多層構造にして、より複雑
な電気的接続を行なえるようにしてもよい。（電気的導電部材）電気的導電材料としては、金属材料
が一般的であるが、金属材料以外にも超電導性を示すセ
ラミックなどが採用できる。金属材料には、例えば、Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｗ，Ｆｅ，
Ｔｉ，Ｉｎ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｐｂ−Ｓ
ｎなどの金属あるいは合金が、好ましい材質としてあげ
られる。特に、電気的導電部材として用いられる金属の
材質としては、金が好ましいが、金以外の任意の金属あ
るいは合金を使用することもできる。上述の電気的接続
部材において採用される電気的導電部材は、同一の金属
および合金材料から形成されてもよいが、数種類の金属
材料および合金材料から形成されてもよい。また、１つ
の電気的接続部材に採用されている電気的導電部材に
は、同種の金属もしくはその合金だけが使用されるのが
好ましいが、数種類の金属もしくはその合金が使用され
てもよい。さらに、電気的導電部材には、上述の金属材
料に有機材料または無機材料の一方あるいは両方を包含
した複合材料を使用してもよい。上記電気的導電部材の
断面は、円形、四角形、その他の形状とすることができ
るが、製作後の残留応力の過度の集中を避けるには、円
形などの角のない形状が望ましい。また、電気的導電部
材の太さは、特に限定されない。なお、電気的導電部材
の露出部は、保持体の表面と同一の面になるように形成
してもよいが、保持体の表面から突出させてもよい。た
だ、電気回路部品の接続部に対して安定した接続を行
い、接続部の信頼性を確保するためには、上記電気回路
部品の接続部と接続される上記電気的導電部材は、保持
体から一定した状態で突出することが望ましい。（保持体）保持体は電気的絶縁材料で構成されるが、そ
の電気的絶縁材料としては、ポリイミド樹脂，エポキシ
樹脂，シリコーン樹脂などの樹脂材料や、これらの樹脂
中に粉体、繊維、板状体、棒状体、球状体などの、所望
の形状をした部材を分散させた複合材料が採用されると
良く、上記分散部材は、無機材料、金属材料、合金材料
の一種か、または複数種を混在させた構成になっている
とよい。また、電気的絶縁材料として無機材料を用い、
さらに、上記無機材料中に、粉体、繊維、板状体、棒状
体、球状体などの所望の形状をした部材を分散させた複
合材料を用いてもよい。この場合、上記分散部材は、有
機材料、金属材料、合金材料の一種か、または複数種を
混在させた構成にしてもよい。上記金属材料や合金材料
としては、例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｂｅ，Ｃ
ａ，Ｍｇ，Ｍｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｗ，Ｃｒ，
Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｐｂ−Ｓｎなど
が、具体的にあげられる。また、上記無機材料として
は、例えば、ＳｉＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｎａ₂
Ｏ，Ｋ₂Ｏ，ＣａＯ，ＺｎＯ，ＢａＯ，ＰｂＯ，Ｓｂ₂
Ｏ₃，Ａｓ₂Ｏ₃，Ｌａ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＢａＯ，Ｐ
₂Ｏ₅，ＴｉＯ₂，ＭｇＯ，ＳｉＣ，ＢｅＯ，ＢＰ，Ｂ
Ｎ，ＡｌＮ，Ｂ₄Ｃ，ＴａＣ，ＴｉＢ₂，ＣｒＢ₂，Ｔ
ｉＮ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｔａ₂Ｏ₅などのセラミック，ダイ
ヤモンド、ガラス、カーボン、ボロン、その他があげら
れる。（光学部品）光学部品としては、光を集光，発散，分
離，屈折，反射，遮光させる機能を持った部品が採用さ
れるが、これには、一般に、凸レンズ，凹レンズ，フレ
ネルレンズ，球レンズ，非球面レンズ，トーリックレン
ズ，ダイクロイックミラー，回折格子，スリット，ビー
ムスプリッター，プリズム，ハーフミラー，液晶シャッ
ターなどがあげられる。また、本発明では、これらの光
学部品の少なくとも一面に配線パターンを形成し、電気
信号を伝えることができるようになっている。上記配線
パターンの製作には、蒸着とフォトリソとエッチングに
よる方法が採用できるが、その他、例えば、印刷、メッ
キなどによる方法を用いてもよい。なお、本発明で対象
とする光学部品には、上述の光学部品を、それが必要と
する波長帯域に対して透明な性質を示す材質からなる基
板上に貼りあわせたものを含んでおり、この場合、上記
基板には上述の配線パターンを形成しておくのである。
また、本発明には、これらの部品を複数個、用いて、１
つにユニット化した光学部品を採用してもよい。

【０００８】

【実施例】〔実施例１〕図１は、本発明の光半導体装置
の第１の実施例を示す模式的断面図である。同図に於い
て、符号２０２はガラス基板、２０３は平凸レンズ、１
０３は上記ガラス基板２０２および平凸レンズ２０３よ
りなる光学部品に設けられた接続部、１０４は受光素
子、２０１は上記受光素子１０４に設けられた受光部、
１０５は受光部２０１の電気接続部、１２５は電気的接
続部材、１０７はポリイミド樹脂で構成された電気的接
続部材の保持体、１１１は金で構成された電気的接続部
材の電気的導電部材である。

【０００９】次に、図２を参照して、上記電気的接続部
材１２５を構成する一製造過程を説明する。従来から知
られているように、上記電気的接続部材の製造に際して
は、まず、図２（ａ）に示すように、金属シート５０１
を用意する。次に、図２（ｂ）に示すように、スピンコ
ーターにより感光性樹脂（ポリイミド樹脂（ＰＩ））を
金属シート５０１上に塗布し、１００℃前後の温度でプ
リベイクを行う。その後、図２（ｃ）に示すように、フ
ォトマスクを介して光（紫外線）を照射し、所要時間、
露光した後に、現像を行う。この時、光に曝された部分
にポリイミド樹脂が残り、光に曝されていない部分に、
現像によりポリイミド樹脂が除去された後、穴１４２が
形成される。その後、上記金属シート５０１を２００〜
４００℃に加熱し、ポリイミド樹脂のイミド化を行う。

【００１０】次に図２（ｄ）に示すように、金属のエッ
チング液中に上記金属シートを、この上でイミド化した
ポリイミドとともに、入れ、穴１４２の底部およびその
近傍の金属シート５０１の部分をエッチングし、凹部５
０２を形成する。その後、図２（ｅ）に示すように、金
属シートを共通電極として、金メッキを行い、上記穴に
金を埋設する。この場合、上記金メッキは、上記ポリイ
ミド層の表面にバンプができるまで続けられる。その
後、図２（ｆ）に示すように、金属シート５０１を金属
のエッチングにより除去し、電気的接続部材１２５を完
成する。

【００１１】このように作製された電気的接続部材１２
５では、金が電気的導電部材１０７を構成し、ポリイミ
ド樹脂が保持体（電気的絶縁体）１１１を構成する。な
お、電気的接続部材１２５における寸法は、ポリイミド
樹脂の厚みを約１０μｍ、金の柱状部の直径を約２０μ
ｍ、バンプ間のピッチを約４０μｍとする。また、バン
プ１５０の突出量は表裏面とも数μｍにする。なお、電
気的接続部材１２５の厚みは図２（ｂ）と図２（ｆ）と
では異なる寸法となる。これにはポリイミド樹脂の硬化
収縮反応が主に起因している。また、電気的接続部材１
２５のポリイミド樹脂の開口径と開口ピッチとは、図２
（ｃ）と図２（ｆ）とでは異なる寸法となる。この原因
としては、ポリイミド樹脂の硬化収縮反応や、さらに、
現像工程後に行なわれる加熱工程におけるポリイミド樹
脂と金属シートとの熱膨張係数の差などが考えられる。

【００１２】次に、本発明に係る光半導体装置のアッセ
ンブリについて説明する。まず、配線パターンと接続部
１０３が設けられたガラス基板２０２の所定の部分に、
平凸レンズ２０３を貼り合わせる。次に、このようにし
て得られた光学部品と受光素子１０４とを上述の電気的
接続部材１２５を介して互いに接続する。この実施例で
は、受光素子１０４とガラス基板２０２との間に、上記
電気的接続部材１２５が配置され、それぞれの接続部１
０３，１０５とが互いに対向するように位置決めされ
る。この位置決め後、それぞれの接続部１０３，１０５
と電気的接続部材１２５の電気的導電部材１０７とを３
００℃前後に加熱し、熱圧着作用により、互いに電気的
に接続する。つぎに、上記受光素子１０４の受光部２０
１を、封止用樹脂を用いて、外気に対して遮断された状
態に封止する。以上のようにして製作された光半導体装
置は、ここで使用された大面積のレンズにより集めた光
をモニターでき、しかも、非常に薄い構造となる。ま
た、本実施例においては、組立順序を逆にして、受光素
子１０４とガラス基板２０２とを電気的接続部材１２５
を用いて、熱圧着したあとに、レンズ２０３をガラス基
板２０２に貼りあわせてもよい。

【００１３】なお、上記電気的接続部材１２５は、１枚
のシート状態のものから、受光素子の受光部に相当する
領域を打ち抜いて構成しても良いが、その形状を短冊状
にして、接続すべき対応部分だけに配置しても良い。さ
らに、保持体であるポリイミド樹脂１１１の厚みが１０
μｍ前後であるから、そこでの透光性を確保しているの
で、受光素子の全面に存在してもよい。〔実施例２〕図３は、本発明の第２の実施例を示す模式
的断面図である。同図において、符号２０２はガラス基
板、２０４はプリズム、１０３は上記ガラス基板２０２
およびプリズム２０４よりなる光学部品に設けられた接
続部、１０４は受光素子、２０１は上記受光素子１０４
に設けられた受光部、１０５は受光部２０１の電気接続
部、１２５は電気的接続部材、１０７はポリイミド樹脂
で構成された電気的接続部材の保持体、１１１は金で構
成された電気的接続部材の電気的導電部材、３０１は接
着剤である。本実施例においては、プリズム２０４を、
配線パターンの形成されたガラス基板２０２に貼り合わ
せて、光学部品を構成しており、これによって、光を分
離してモニターすることが可能となる。また、本実施例
では、それぞれの接続部１０３、１０５と電気的導電部
材１０７との接続が、ガラス基板２０２と電気的接続部
材１２５、受光素子１０４と電気的接続部材１２５との
間に接着剤３０１を付けて、上記光学部品と受光素子と
の間で電気的接続部材を加圧した状態下で１５０〜２０
０℃に加熱し、硬化させることによって達成される。そ
のときの接着剤３０１の接着力により、上記接続部１０
３，１０５と電気的導電部材１０７とは、接続固定され
る。また、接着剤として、熱硬化型でなく、紫外線硬化
型の接着剤を用いれば、光学部品、受光素子は加熱され
ることなく接続出来る。このような接続方式を採用すれ
ば、熱圧着方式と比較して低温で接続することが可能と
なり、本発明の光半導体装置の構成要素が耐熱性のない
光学部品、受光素子であっても、接続可能となる。〔実施例３〕図４は、本発明の第３の実施例を示す模式
的断面図である。同図において、符号２０２はガラス基
板、２０４はプリズム、１０３は上記ガラス基板２０２
およびプリズム２０４よりなる光学部品に設けられた接
続部、１０４は受光素子、２０１は上記受光素子１０４
に設けられた受光部、１０５は受光部２０１の電気接続
部、１２５は電気的接続部材、１０７はポリイミド樹脂
で構成された電気的接続部材の保持体、１１１は金で構
成された電気的接続部材の電気的導電部材、３０１は接
着剤である。本実施例においては、プリズム２０４の一
面に配線パターンを形成し、その面に電気的接続部材１
２５を接続した状態で、上記電気的接続部材を介して受
光素子１０４を接続し、所要の光半導体装置を得る。こ
の場合も、上記プリズム２０４を介して上記受光素子１
０４の受光部２０１に光を受けることができる。この時
の接続の方式は、上述した第１および第２の実施例と同
様である。このような光半導体装置は、例えば、出力光
をその光路の途中でモニターすることができ、また、そ
の大きさが非常に小型である。〔実施例４〕図５は、本発明の第４の実施例を示す模式
的断面図である。同図において、符号２０５は回折格
子、１０３は上記回折格子２０５よりなる光学部品に設
けられた接続部、１０４は受光素子、２０１は上記受光
素子１０４に設けられた受光部、１０５は受光部２０１
の電気接続部、１２５は電気的接続部材、１０７はポリ
イミド樹脂で構成された電気的接続部材の保持体、１１
１は金で構成された電気的接続部材の電気的導電部材、
３０１は接着剤である。本実施例においては、回折格子
２０５の裏面側に、電気的接続部材１２５を介して、受
光素子１０４を接続することにより、小型の波長分離
（色分離）機能を持った光半導体装置を提供することが
出来る。なお、接続の方式は、上述の実施例の場合と同
様である。

【００１４】

【発明の効果】以上説明してきたように、光学部品に配
線パターンを形成し、電気的接続部材を介して受光素子
を接続することにより、非常に小型、薄型で、信頼性の
ある光半導体装置を提供することが可能となる。また、
電気的接続部材を用いることにより、受光素子側にバン
プを形成しなくても、接続することが可能となり、コス
ト・ダウンを図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す模式的断面図であ
る。

【図２】電気的接続部材の製造方法を示す模式的断面図
である。

【図３】本発明の第２実施例を示す模式的断面図であ
る。

【図４】本発明の第３実施例を示す模式的断面図であ
る。

【図５】本発明の第４実施例を示す模式的断面図であ
る。

【符号の説明】

１０３接続部１０４受光素子１０５接続部１０７導電部材（金）１１１保持体（ポリイミド樹脂）１２５電気的接続部材１４２穴２０１受光部２０２ガラス基板２０３平凸レンズ２０４プリズム２０５回折格子３０１接着剤５０１金属シート（銅）５０２凹部５０５ポリイミド樹脂

フロントページの続き (72)発明者榊隆東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者寺山芳実東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気的絶縁材料よりなる保持体中に複数
の電気的導電部材を埋設するとともに、上記電気的導電
部材の一端を上記保持体の一方の面に、また、他端を上
記保持体の他方の面に露出している電気的接続部材と；
少なくとも一面に配線パターンが形成され、かつ、その
配線パターンの少なくとも１部に接続部が形成された光
学部品と；電気的接続部を有する受光素子とを具備して
なり；上記光学部品と受光素子との間に上記電気的接続
部材を挟持した形で、上記光学部品の接続部と上記電気
的接続部の電気的導電部材とを、また、上記電気的導電
部材と上記受光素子の接続部とを、それぞれ、電気的に
接続していることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】上記光学部品の接続部と上記電気的接続
部材の電気的導電部材とを、また、電気的接続部材の電
気的導電部材と受光素子の接続部とを、それぞれ、金属
化あるいは合金化することにより、電気的に接続してい
ることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】上記光学部品の接続部と上記電気的接続
部材の電気的導電部材とを、また、電気的接続部材の電
気的導電部材と受光素子の接続部とを、それぞれ、その
間に設けられた接着剤の硬化反応の収縮により、電気的
に接続していることを特徴とする請求項１に記載の光半
導体装置。