JP2008226895A - 光半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 青紫色レーザなどの、高エネルギーで高密度の出力の光を受光する光半導体装置でも、受光面が変色して光の透過率を低下させることなく、また、容易に製造することができて安価に得られる受光素子を有する光半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板２の少なくとも１つの面（表面）に電極端子２２が形成されると共に、開口孔２１が形成され、その基板２上に受光素子１が、そのバンプ１２と電極端子２２とが接続され、かつ、受光面１１が基板２の開口孔２１と対向するように、フリップチップ実装されている。そして、少なくともその接続部（バンプ１２の部分）が被覆されるように、紫外線硬化樹脂が、開口孔２１の周縁に沿って受光素子１と基板２との間隙部に充填されて封止樹脂層３が形成されている。この封止樹脂層３は、受光素子１の受光面および開口孔２１内には漏出しないように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、青紫色レーザ対応の光ピックアップ用レーザモニタのような波長の短い光または高密度の光を受光する光半導体装置およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、波長の短い光や高密度の光によっても受光感度が劣化せず、しかも製造が簡単な構造の光半導体装置およびその製造方法に関する。

従来の受光用光半導体装置は、たとえば図５に、その平面説明図およびそのＢ−Ｂ線断面説明図が示されるように、リードフレームやプリント配線板などからなる基板９２上に受光素子９１がダイボンディングされ、基板９２の両端部に設けられる一対の電極端子９３ａと受光素子９１の素子電極がワイヤ９４により接続（ワイヤボンディング）され、その周囲を透光性の封止樹脂層９５によりモールドすることにより形成されている。なお、９３ｃは基板９２の裏面に形成された接続端子で、９３ｂは電極端子９３ａと接続端子９３ｃとを接続するコンタクトである。この封止樹脂層９５としては、一般的にはエポキシ樹脂が用いられているが、レーザなどの高密度の光や青紫色などの短波長でエネルギー強度の大きい光が照射されると変色などの劣化が著しく、耐光性のある樹脂を用いても樹脂の変色、変形を完全に抑えることは困難である。変色や変形などが生じると、光の受光感度が大幅に低下し、信頼性が非常に低いという問題を有している。

そこで、たとえば図６に同様の断面説明図が示されるように、基板９２上に受光素子９１をダイボンディングおよびワイヤボンディングし、受光素子９１の受光面は、封止樹脂層９５により被覆されないよう封止樹脂層９５を形成し、その表面にカバーガラス９６を被せる構造のものも知られている（たとえば特許文献１参照）。なお、図６において、図５と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。

一方、近年の電子機器の軽薄短小化の進展に伴い、この種の光半導体装置も、より一層の小形化が要求され、たとえば図７に、受光素子９１を基板９２にマウントした同様の断面説明図が示されるように、ワイヤボンディングをしないで、受光素子９１の受光面９１ａを基板９２側に向けて、素子電極（図示せず）を基板９１上の電極端子９３とバンプ９７などを介して直接接続する、いわゆるフリップチップ実装がなされると共に、基板９２の受光面９１ａと対向する部分には開口部９２ａを設け、受光素子９１の受光面９１ａの前方には封止樹脂層９５を設けない構造のものも知られている（たとえば特許文献２参照）。図７に示される例では、前述の高エネルギー光による受光量の変動を防止する目的で、受光面９１ａや開口部９２ａ側に封止樹脂が流れ込まないように、基板９２の開口部９２ａの周囲に突起部９８を形成して、高エネルギー光により変色しやすい封止樹脂が突起部９８で遮断される構造になっている。なお、図７においても、図５と同じ部分には、同じ符号を付してその説明を省略する。
特開２００６−２３７０５１号公報 特開２００３−０６８９３９号公報

前述の図６に示される構造にすると、半導体パッケージの小形化、低背化が難しく、また、生産コストが上昇するという問題があると共に、封止樹脂の一部が受光面の表面に流れ出すという問題がある。一方、図７に示される構造にすると、ワイヤボンディングをしなくても良いため、小形化、低背化を達成することができると共に、突起部９８によりある程度の封止樹脂層９５の樹脂の漏出を防ぐことができる。しかし、この構造では、突起
部９８が無いと封止樹脂層９５の樹脂が受光面９１ａや開口部９２ａ内に漏出するため、基板９２の開口部９２ａの周縁部に、予め枠状の突起部９８を設ける必要があり、部品および製造工程の増加を伴いコストアップになるという問題がある。しかも、受光素子９１を突起部９８の上面に当接させて封止樹脂層９５の樹脂を注入する必要があるが、突起部９８の高さのバラツキによっては、封止樹脂層９５の樹脂が受光面側に漏出したり、バンプ９７の接続が不十分になったりするという問題も有している。

本発明は、このような問題を解決し、青紫色レーザなどの、高エネルギーで高密度の出力の光を受光する光半導体装置でも、受光面が変色して光の透過率を低下させることなく、また、容易に製造することができて安価に得られる受光素子を有する光半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明による光半導体装置は、少なくとも１つの面に電極端子が形成されると共に、開口孔が形成された基板と、該基板上の前記電極端子と素子電極が接続され、かつ、受光面が前記開口孔と対向するようにフリップチップ実装される受光素子と、少なくとも前記電極端子と素子電極との接続部が被覆され、かつ、前記開口孔の周縁に沿って前記受光素子と基板との間隙部に充填される紫外線硬化樹脂からなる封止樹脂層とを具備し、該封止樹脂層は、前記受光素子の受光面および前記開口孔内に漏出しないように形成されていることを特徴とする。

また、本発明による光半導体装置の製造方法は、（ａ）開口孔が形成されると共に電極端子が形成された基板上に、受光素子の受光面が前記開口孔と対向すると共に該受光素子の素子電極が前記電極端子と接続されるように、前記受光素子を実装し、（ｂ）前記基板の開口孔を介して前記受光素子の受光面側に紫外線を照射しながら前記受光素子と前記基板との間隙部に紫外線硬化樹脂を注入することにより前記開口孔周縁の前記間隙部の紫外線硬化樹脂を硬化させることにより封止樹脂層を形成することを特徴とする。

本発明の光半導体装置によれば、受光素子の受光面には、封止樹脂層が設けられない構造になっているため、青紫色の半導体レーザなど、短波長で光エネルギーが大きく、また、高密度の光を受光する光半導体装置でも、その光の照射による変色は一切生じることがなく、非常に信頼性の高い光半導体装置が得られる。また、受光素子の素子電極と基板の電極端子との接続部および受光素子と基板との間隙部には、紫外線硬化樹脂が充填されているため、腐食などの恐れは一切なく、また、機械的強度も充分に得られ、非常に信頼性の高い光半導体装置が得られる。さらに、この間隙部を充填する樹脂として、紫外線硬化樹脂を用いているため、製造方法の効果で述べるように、受光素子の受光面および開口孔に封止用の樹脂は一切漏出することなく封止樹脂層を間隙部のみに形成することができる。

本発明の製造方法によれば、基板の開口孔が設けられた側から紫外線を受光素子の受光面に向けて照射しながら紫外線硬化樹脂を注入しているため、受光素子と基板との間隙部に注入された紫外線硬化樹脂が開口孔の周縁に流れてくると、紫外線の照射により硬化して流れが止まる。換言すると、注入された紫外線硬化樹脂が開口孔の周縁に流れてきた時点で硬化を始める。そのため、開口孔の周縁で硬化して間隙部を塞ぎ、その周縁部から開口孔側には紫外線硬化樹脂は流れ出さないで、封止樹脂層を形成することができる。その結果、突起部などの樹脂流れを阻止する手段を特別に設ける必要がなく、非常に簡単な製造工程で、受光素子の受光面および基板の開口孔内に全く封止用の樹脂を漏出させない光半導体装置を得ることができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の光半導体装置およびその製造方法について説明をする。本発明による光半導体装置は、図１にその一実施形態の平面説明図、そのＢ−Ｂ断面説明図、および底面図が示されるように、基板２の少なくとも１つの面（表面）に電極端子２２が形成されると共に、開口孔２１が形成され、その基板２上に受光素子１が、その素子電極（図示せず、その上にバンプ１２が形成されている）が基板２上の電極端子２２と接続され、かつ、受光面１１が基板２の開口孔２１と対向するように、フリップチップ実装されている。そして、少なくとも電極端子２２と素子電極との接続部（バンプ１２の部分）が被覆されるように、紫外線硬化樹脂（紫外線の照射により硬化する樹脂）が、開口孔２１の周縁に沿って受光素子１と基板２との間隙部に充填されて封止樹脂層３が形成されている。この封止樹脂層３は、受光素子１の受光面１１および開口孔２１内には漏出しないように形成されている。

受光素子１は、たとえば青紫色の光を検出することができるように、シリコンなどの半導体層によりｐｎ接合が形成されている。この受光素子１の一対の素子電極（図示せず）が、受光素子１の端部側に形成され、その一対の素子電極上に図示しないバリア金属層などを介してＡｕなどからなるバンプ１２が形成され、その中心部が受光面１１とされている。このバンプ１２は、５〜１５μｍ程度の高さに形成されるため、受光素子１と基板２とは、バンプ１２の部分のみで接続されている。

基板２は、たとえばガラスエポキシ樹脂などからなる樹脂基板に配線膜（電極端子）を形成したプリント基板など、絶縁性基板からなっており、その一面（表面）に、一対の電極端子２２が形成されると共に、この上にマウントされる受光素子１の受光面１１に合せた開口孔２１が形成されている。基板２としては、樹脂基板に限らず、他の材料を用いることができ、青紫色のような短波長の光を受光する光半導体装置では、光の照射によっても劣化し難いアルミナなどのセラミックスを用いることが好ましい。また、基板２に形成される開口孔２１は、図１に示される例では、円形状の貫通孔になっているが、形状は円形に限定されるものではなく、四角形など、受光素子１の受光面１１の形状に合せて形成することができる。基板２の表面（一面）に形成される電極端子２２は、基板２の表面に真空蒸着などにより成膜した金属膜をパターニングして形成される。図１に示される例では、基板２の表面に設けられた一対の電極端子２２は、基板２に形成されたビアコンタクト２３を経て、基板２の裏面に形成される接続端子２４に連結されており、そのまま実装基板などに表面実装をすることができる構造になっている。ビアコンタクト２３は、基板２に形成した貫通孔内に導電性材料を埋め込むことにより形成することができ、接続端子２４は、電極端子２２と同様の方法で形成することができる。

この基板２上に、受光素子１が実装されているが、その実装に当っては、受光素子１の受光面１１を基板２側に向けて、一対の素子電極上に形成されたバンプ１２が一対の電極端子２２と重なり、さらに、受光素子２の受光面１１が基板２に形成された開口孔２１と一致するように実装される。そして、バンプ１２と電極端子２２とが接合されている。このバンプ１２は、前述のように、一定の高さを有しており、また、電極端子２２も一定の厚さを有しているため、受光素子１の表面と基板２の表面との間には、５〜１５μｍ程度の間隙部（ギャップ）が形成されている。

封止樹脂層３は、バンプ１２と電極端子２２との接続部を被覆して保護すると共に、受光素子１と基板２との接着強度を確保するため、受光素子１と基板２との間隙部に充填され、受光素子１を被覆するように形成されている。この封止樹脂層３として紫外線硬化樹脂が用いられている理由は、後で詳述するように、封止樹脂層３を構成する樹脂が受光素子１の受光面１１や基板２の開口孔２１内に漏出する前に紫外線を照射することにより硬化させ、開口孔２１の周縁で封止樹脂層３が止まるようにするためである。図１に示され
る例では、紫外線硬化樹脂からなる封止樹脂層３が、受光素子２の上面側（受光面と反対側）を被覆するように設けられているが、この封止樹脂層３は、少なくとも受光素子１と基板２との間隙部に充填されていれば良い。それにより、バンプ１２の接合部を保護すると共に、受光素子１の接着強度を維持することができる。また、紫外線硬化樹脂からなる封止樹脂層３は、間隙部を充填する非常に薄い層のみに形成し、その上に受光素子１を被覆するようにエポキシ樹脂など、通常の封止樹脂の層を設けることもできる。その例が、図２に示されている。

すなわち、図２は、図１の実施形態の変形例を表す、図１（ｂ）と同様の断面説明図で、受光素子１および基板２の構成および受光素子１の実装方法は図１に示される実施形態と同じであり、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。図２に示される例では、紫外線硬化樹脂からなる封止樹脂層３が、受光素子１と基板２との間隙部を充填する程度の量が注入されて薄い封止樹脂層３が形成され、受光素子１の側面および上面側には、エポキシ樹脂などからなる通常の封止材料により第２の封止樹脂層４が形成されることにより構成されている。このような構成にすることにより、紫外線硬化樹脂の硬化を短時間で行うことができ、受光面１１や開口孔２１への封止樹脂の漏出を阻止しながら、従来と同様の封止樹脂層を形成することができる。

本発明の光半導体装置によれば、受光素子１を実装する基板２に開口孔２１を設け、その開口孔２１に受光面１１を対向させて受光素子１をフリップチップ実装しているため、受光素子１の素子電極を基板２側と接続するのにワイヤボンディングをする必要がなく、非常に薄型の光半導体装置とすることができる。しかも、受光面１１には、封止樹脂が設けられない構造にしながら、少なくとも受光素子１と基板２との間隙部を封止する封止樹脂層３に紫外線硬化樹脂を用いているため、紫外線硬化樹脂を注入しながら、開口孔２１側から紫外線を照射することにより、基板２表面の開口孔２１の周縁に沿って紫外線硬化樹脂を硬化させることができ、受光素子１の受光面１１や開口孔２１内に封止樹脂を漏出させることなく、間隙部を完全に充填することができる。その結果、非常に簡単に製造することができながら、受光面１１に一切封止樹脂が付着することがなく、変色による輝度低下などが生じない、非常に信頼性の高い光半導体装置を安価に得ることができる。

つぎに、図１に示される光半導体装置の製造方法について、図３を参照しながら説明する。まず図３（ａ）に示されるように、所望の波長の光を受光することができる材料によりｐｎ接合を形成し、表面の一対の素子電極にバンプが形成された受光素子１を、フェースダウン（受光する主面（受光面１１）を下向き）にして、基板２の表面に形成された電極端子２２にバンプ１２が重なり、また、受光面１１が開口孔２１と重なるように載置し、一定の圧力をかけて、所定の温度に上昇させることにより、バンプ１２と電極端子２２とを接合する。この際、バンプ１２と電極端子２２に、それぞれの厚さがあるため、バンプ１２および電極端子２２の無い部分の受光素子１と基板２との間隙は、前述のように、５〜１５μｍ程度になる。なお、図３（ａ）では、１個分の光半導体装置の受光素子１の部分のみが拡大して書かれているが、実際に製造する段階では、複数個の光半導体装置を同時に製造するため、図３（ｂ）に示されるように、大きな基板２ａに複数個の受光素子１が同時に載置され、後から切断分離することにより個々の光半導体装置が形成される。

つぎに、図３（ｂ）に示されるように、基板２ａの表面（受光素子１が載置された面）の周囲に、封止樹脂の流れを阻止するダム５を、たとえばシリコーン樹脂をポッティングなどにより塗布して乾燥させることにより、１.５〜２ｍｍ程度の厚さに形成しておき、
基板２ａの裏面側から開口孔２１内に紫外線７を照射しながら、ディスペンサ６などにより、紫外線硬化樹脂３ａを受光素子１の周囲に注入する。注入された紫外線硬化樹脂３ａは、基板２ａの表面を流れて広がり、開口孔２１の部分にも流れるが、開口孔２１からは紫外線が照射されているため、開口孔２１の周縁に流れてきた紫外線硬化樹脂３ａは、開
口孔２１ａから流れ落ちることなく硬化する。その結果、開口孔２１の周縁で紫外線硬化樹脂３ａは硬化し、注入される紫外線硬化樹脂３ａの流れを阻止し、基板２ａの前面に広がるが、基板２ａの周囲にはダム５が設けられているため、ダム５で囲まれた全体に注入される紫外線硬化樹脂３ａは堆積される。この紫外線７を照射しながら紫外線硬化樹脂３ａを注入する状態を、１個の受光素子１の部分での拡大断面図で図４に示す。すなわち、紫外線７は、開口孔２１の周縁のみで、紫外線硬化樹脂３ａに照射される。

受光素子１が完全に被覆される量の紫外線硬化樹脂３ａが注入された後に、図３（ｃ）に示されるように、基板２ａの表面側から紫外線７を照射することにより、注入された紫外線硬化樹脂３ａの全体が硬化し、封止樹脂層３が形成される。

その後、図３（ｄ）に示されるように、基板２ａを紫外線硬化樹脂３ａが硬化した封止樹脂層３と共に、各受光素子１に分離されるように、ダイシングライン８に沿って切断分離する。その結果、図１に示される構造の光半導体装置が得られる。

なお、図３に示される製造工程では、図１に示されるように、封止樹脂層３が受光素子１の全体を被覆するように紫外線硬化樹脂により形成する例の製造方法であったが、たとえば図２に示される構造の光半導体装置にするには、紫外線硬化樹脂３ａの注入を受光素子１と基板２との間隙を充填する程度、すなわち開口孔２１ａに封止樹脂が流れ出ないように間隙部を閉塞する量の注入に留め、前述の図３（ｃ）に示される紫外線硬化樹脂３ａの硬化が終った後に、エポキシ樹脂のような通常の封止樹脂を注入して硬化させることにより、第２の封止樹脂層４を形成することができる。また、このような第２の封止樹脂層４を形成しないで、紫外線硬化樹脂により接合部のみを封止する薄い封止樹脂層３のみにすることもできる。このように、紫外線硬化樹脂の層を薄くして、エポキシ樹脂などの通常の封止樹脂により受光素子１の部分を封止することにより、紫外線硬化樹脂の硬化時間を短縮するメリットがある。

本発明の製造方法によれば、紫外線７を基板２の開口孔２１側から照射しながら紫外線硬化樹脂３ａを注入しているため、基板２に突起部などを設けて、受光素子１と基板２との間に封止樹脂の流れを阻止する特別な手段を追加することなく、確実に樹脂流れを開口孔２１の周縁で阻止することができ、非常に簡単な製造工程で、受光素子１の受光面１１および開口孔２１内への樹脂の漏出を完全に防止することができる。その結果、青紫色半導体レーザのように、短波長の高エネルギーや、高密度の光を受光する光半導体装置でも、受光素子の表面が変色して受光感度が低下するというような問題を解消することができる光半導体装置を安価に得ることができる。

本発明による光半導体装置の一実施形態の平面、断面および底面の説明図である。 本発明による光半導体装置の変形例を示す断面説明図である。 図１の光半導体装置の製造工程を示す図である。 図３（ｂ）工程の紫外線照射を断面説明図により示した図である。 従来の光半導体装置の一例を示す断面図である。 従来の光半導体装置の他の一例を示す断面図である。 従来の光半導体装置の他の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 受光素子
２ 基板
３ 封止樹脂層
４ 第２の封止樹脂層
５ ダム
６ ディスペンサ
７ 紫外線
８ ダイシングライン
11 受光面
12 バンプ
21 開口孔
22 電極端子
23 ビアコンタクト
24 接続端子

Claims (2)

1. 少なくとも１つの面に電極端子が形成されると共に、開口孔が形成された基板と、該基板上の前記電極端子と素子電極が接続され、かつ、受光面が前記開口孔と対向するようにフリップチップ実装される受光素子と、少なくとも前記電極端子と素子電極との接続部が被覆され、かつ、前記開口孔の周縁に沿って前記受光素子と基板との間隙部に充填される紫外線硬化樹脂からなる封止樹脂層とを具備し、該封止樹脂層は、前記受光素子の受光面および前記開口孔内に漏出しないように形成されていることを特徴とする光半導体装置。
2. （ａ）開口孔が形成されると共に電極端子が形成された基板上に、受光素子の受光面が前記開口孔と対向すると共に該受光素子の素子電極が前記電極端子と接続されるように、前記受光素子を実装し、（ｂ）前記基板の開口孔を介して前記受光素子の受光面側に紫外線を照射しながら前記受光素子と前記基板との間隙部に紫外線硬化樹脂を注入することにより前記開口孔周縁の前記間隙部の紫外線硬化樹脂を硬化させることにより封止樹脂層を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。

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