CN1591920A - 光半导体装置及光信号输入输出装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种光半导体装置及光信号输入输出装置。该光半导体装置(1)具有以下部分：至少一个光半导体元件(2，4)；至少一个半导体集成电路元件(3)；以及电路布线基板(10)。电路布线基板(10)至少有一个光输入输出用贯通孔(7)、以及电气连接用贯通孔(6s)。上述光半导体元件(2)通过上述光输入输出用贯通孔(7)，在上述第二面一侧进行光的输入输出。上述半导体集成电路元件(3)通过上述电气连接用贯通孔(6s)内埋设的布线层(6As)，与上述电极(5s)电气导通。将上述光输入输出用贯通孔(7)设在上述电路布线基板(10)中的非应力区域上。

Description

光半导体装置及光信号输入输出装置
( 相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2003年9月1日递交的在先日本申请2003-308917为优先权，其全部内容在此引作参考。)
技术领域
本发明涉及光半导体装置及光信号输入输出装置。
背景技术
近年来，作为长距离和大容量的信号传输技术，光互连技术引人注目。该光互连是一种用光传输***电子装置内及电子装置之间的信号的技术。例如，FTTH(光纤入户)中的从中心站至一般家庭用光纤传输信息的光加入者***，也是广义的光互连技术的一种。
作为信号的传输技术，一般说来，用电信号进行的传输是众所周知的。为了使该电信号传递的模块高性能化，大多进行硅LSI的高性能化的研究开发，方向在于显著地提高LSI的工作速度和集成规模。可是，进行该性能提高的问题在于电信号布线中的传输速度及电信号布线的安装密度。即，即使进行晶体管等功能元件的性能提高，但如果不进行电信号布线中的传输速度的提高及电信号布线的高密度化，则它们会限制速度，难以实现模块性能的提高。另外，一般说来在电信号布线中存在信号传递的延迟，所以它也成为阻碍上述的性能提高的主要因素。另外，在进行了信号传输速度的高速化和信号布线的高密度化的情况下，EMI(电磁干扰)的影响也变得显著了。因此，作为解决这样的电信号布线中的问题的措施，上述的光互连技术引人注目。
在该光互连中，接收光信号，对该光信号进行了规定的处理后，再发送处理后的光信号的光信号输入输出装置是必需的。在该光信号输入输出装置中，光半导体装置安装在具有电气布线及光波导的电光布线基板上。而且，光半导体装置具有：从光波导接收光信号后变换成电信号的受光元件；处理来自该受光元件的电信号的半导体集成电路元件；以及将来自该半导体集成电路元件的电信号变换成光信号，再将光信号发送给光波导的发光元件。这样的光信号输入输出装置记载于例如日本专利特开2000-332301号公报中。
上述的光半导体装置达到了小型化、高密度化，采用10mm×10mm左右的尺寸的装置。为了有效地进行该小型化、高密度化，作为将上述的光半导体装置安装在电光布线基板上的安装方法，BGA(球栅阵列)安装引人注目。该BGA是一种将锡焊球电极排列成栅极状的结构，占有面积也比使用引线状的电极端子的QFP(四方平坦封装)窄，能小型化。另外，也没有QFP那样的引线变形的问题。另外，利用锡焊球熔融时的表面张力，具有自行对准的效果，自动修正安装时的偏移。使用该BGA的光半导体装置记载于例如特开2001-185752号公报中。
上述这样的作为高密度和高速通信技术的下一代技术，在有效的光互连技术中，确保光半导体装置和电光布线基板的连接可靠性和定位，成为重要的因素。作为实现它的结构，上述的BGA安装是有希望的。
在使用该BGA的光半导体装置中，迄今，如特开2001-185752号公报所示，采用了这样的方法：在电路布线基板的上下表面中，在形成锡焊球电极的下侧面上设有空洞，在该空洞中设有光半导体元件及半导体集成电路元件，电光布线基板和光半导体元件相对地配置(空洞向下BGA)。该方法在提高散热性、或谋求小型化时有效。可是，构成空洞的电路布线基板的成本高，所以存在作为半导体装置的封装成本高的问题。
另一方面，作为重视低成本化的光半导体装置，还考虑了在电路布线基板的下侧面上设置锡焊球电极，在上侧面上设置元件的方法。在该方法中，为了进行光半导体元件和电光布线基板的光信号的收发，有必要在电路布线基板上设置光输入输出贯通孔。可是，实际上采用该方法，可以认为是极其困难的。即，在光互连中增加光信号数，进行高密度的传输，光半导体装置中也增加光信号数。因此，在光半导体装置中，需要配置多个光半导体元件。可是，在将元件设置在电路布线基板的上侧面上的情况下，为了在半导体集成电路元件的周边部，呈一维阵列状排列光半导体元件，致使基板的尺寸增大。这样如果基板增大，则由电路布线基板和电光布线基板的热膨胀系数差引起的应力变形也变大。而且，如上所述由于在电路布线基板上设有光输入输出贯通孔，所以基板的强度减弱。因此，如果将元件设置在电路布线基板的上侧面上，则由于应力变形，基板被破坏，或球电极被剥离，可以认为不能获得高可靠性。
发明内容
本发明就是基于对这样的课题的认识而完成的，其目的在于提供一种成本低、而且可靠性高的光半导体元件及光信号输入输出装置。
本发明的一种实施方式是一种光半导体装置，具有：在电气连接的状态下机械地安装、且进行了电气的及光学的布线的电光布线基板，该光半导体装置的特征在于：在上述电光布线基板上设有：进行光信号的接收、发送或收发的至少一个光半导体元件；电气连接在上述光半导体元件上的至少一个半导体集成电路元件；以及电路布线基板，它具有在厚度方向上相对的第一面和第二面，在上述第一面上安装上述光半导体元件及上述半导体集成电路元件，在上述第二面上设置在已电气连接到上述电光布线基板上的状态下被机械地固定的电极，且具有贯通上述第一、第二面的至少一个光输入输出用贯通孔、以及贯通上述第一、第二面的电气连接用贯通孔；上述光半导体元件构成为，借助于上述光输入输出用贯通孔，在上述第二面一侧进行光的输入输出，上述半导体集成电路元件构成为，借助于在上述电气连接用贯通孔内埋设的布线层，与上述电极电气导通，将上述光半导体装置中的上述电极在已电气连接的状态下机械地固定在上述电光布线基板上时，将在上述电路布线基板上产生比平均值大的应力的区域作为应力区域的情况下，将上述光输入输出用贯通孔设在上述应力区域以外的非应力区域上，该平均值是由上述电路布线基板的热膨胀系数和上述电光布线基板的热膨胀系数之差引起的、在上述电路布线基板上产生的应力的平均值。
另外，本发明的另一实施方式是一种光信号输入输出装置，具有：电光布线基板、以及安装在该电光布线基板上的多种半导体装置，该光信号输入输出装置的特征在于：上述多种半导体装置中的一种是光半导体装置，上述光半导体装置在上述电光布线基板上设有：进行光信号的接收、发送或收发的至少一个光半导体元件；电气连接到上述光半导体元件上的至少一个半导体集成电路元件；以及电路布线基板，它具有在厚度方向上相对的第一面和第二面，在上述第一面上安装上述光半导体元件及上述半导体集成电路元件，在上述第二面上设置在电气连接到上述电光布线基板上的状态下被机械地固定的电极，且具有贯通上述第一、第二面的至少一个光输入输出用贯通孔、以及贯通上述第一、第二面的电气连接用贯通孔；上述光半导体元件构成为，借助于上述光输入输出用贯通孔，在上述第二面一侧进行光的输入输出，上述半导体集成电路元件构成为，借助于在上述电气连接用贯通孔内埋设的布线层，与上述电极电气导通，将上述光半导体装置中的上述电极在电气连接了的状态下机械地固定在上述电光布线基板上时，将在上述电路布线基板上产生比平均值大的应力的区域作为应力区域的情况下，将上述光输入输出用贯通孔设在上述应力区域以外的非应力区域上，该平均值是由上述电路布线基板的热膨胀系数和上述电光布线基板的热膨胀系数之差引起的、比在上述电路布线基板上产生的应力的平均值。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的光半导体装置的剖面图。
图2是表示本发明的实施方式的光半导体装置的剖面图。
图3是表示本发明的实施方式的光信号输入输出装置的剖面图。
图4是本发明的另一光半导体装置的剖面图。
图5是本发明的另一光半导体装置的剖面图。
图6是表示本发明的实施例2的光半导体装置的一部分的图。
图7是表示本发明的实施例2的第一变形例的光半导体装置的一部分的图。
图8是表示本发明的实施例2的第二变形例的光半导体装置的一部分的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。以下，首先说明本发明的装置的基本的结构和效果，然后，用实施例说明具体的材料、大小、特性、细部的结构等。
图1、图2是表示本发明的实施方式的光半导体装置1的图。其中，图1是垂直方向的剖面图。而图2是图1所示的电路布线基板10沿虚线AA的剖面图。这里，图1相当于图2沿虚线BB的剖面图。另外，为了容易理解，图1、图2是与实际比例缩小后示出的。
图1中的光半导体装置1具有：接收光信号的半导体受光元件2；电气连接在该半导体受光元件2上的半导体集成电路元件3；以及电气连接在该半导体集成电路元件3上的半导体发光元件4。这些元件2～4安装在电路布线基板10上。该电路布线基板10例如是将环氧玻璃作为基板的SLC基板。该电路布线基板10有互相相对的表面和背面，在图中下侧的表面上形成多个球电极(锡焊球电极)5。另外，上述的元件2～4安装在图中上侧的背面上。如图1、图2所示，该电路布线基板10有连接贯通孔6、以及光输入输出贯通孔7。如图1中斜线所示，连接贯通孔6被导电性的电气布线层6A埋入。而且，埋入该连接贯通孔6的电气布线层6A通过电路布线基板10上的布线(图中未示出)及凸点电极9，与上述多个锡焊球电极5、半导体集成电路元件3、以及光半导体元件2、4电气连接。另外，光输入输出贯通孔7用光透射性树脂填充。在该光输入输出贯通孔7的图中下侧，形成由光透射性树脂构成的微透镜8。而且，半导体受光元件2通过该微透镜8及光透射性树脂7A、7A，接收来自图中下侧的光信号。另外，半导体发光元件4通过这些元件8、7A，将光信号发送到图中下侧。
如图2所示，上述的图1中的光半导体装置1的电路布线基板10具有中心部的16个连接贯通孔6、以及周边部的20个光输入输出贯通孔7。在该16个连接贯通孔6上形成16个球电极5。配置该球电极5的区域的面积为电路布线基板10的表面面积的1/4以内的面积，在围绕中心C的部分上形成。另外，最多20个光半导体元件2、4安装在20个光输入输出贯通孔7中。图1、图2所示的基板10的宽(W)×深(L)为15mm×15mm，厚度为0.37mm，连接贯通孔6的直径为250μmφ，光输入输出贯通孔7的大小为100μm。
在图1、图2所示的装置中，半导体受光元件2将从图中下侧输入的第一光信号LSIN变换成第一电信号。该第一电信号被传输给半导体集成电路元件3。半导体集成电路元件3对该第一电信号进行处理，变换成第二电信号，从输出端子输出。该第二电信号被传输给半导体发光元件4，半导体发光元件4根据该第二电信号，输出第二光信号，将第二光信号发送到图中下侧。这样，图1中的装置接收第一光信号，对该第一光信号进行了规定的处理后，发送处理后的第二光信号LSOUT。
图1中的光半导体装置的特征之一在于：将球电极5配置在电路布线基板10的表面(图中下侧的面)上，将光半导体元件2、4配置在电路布线基板10的背面(图中上侧的面)上，该光半导体元件通过设置在基板10的周边部上的光输入输出贯通孔7，进行光信号的收发，将球电极5配置在背面的中心部上。由此，如后面所述，能提供成本低、而且可靠性高的光半导体装置。
图1中的光半导体装置1安装在图3所示的电光布线基板31上，作为光信号输入输出装置使用。以下，进行说明。
图3是表示本发明的实施方式的光信号输入输出装置的图。该光信号输入输出装置在电光布线基板31上具有光半导体装置1、以及LSI装置35。另外，电光布线基板31具有光波导32、电气布线层34、45度反射镜37、以及光输入输出部分38。
在图3所示的光信号输入输出装置中，沿光波导32从图中左侧发送光信号LSIN。该第一光信号LSIN利用图中左侧的45度反射镜37(37A)，朝向图中上侧，通过图中左侧的光输入输出部分38及光输入输出贯通孔7(光透射性树脂7A)，被输入半导体受光元件2中。如上所述，该第一光信号由元件2～4进行规定的处理，作为第二光信号LSOUT从半导体发光元件4再发送到图中下侧。该第二光信号LSOUT通过图中右侧的光输入输出贯通孔7(光透射性树脂7A)及光输入输出部分38，经过图中右侧的45度反射镜37(37B)，再发送给光波导32。然后，该第二光信号LSOUT朝向图中右侧，在光波导32中传播。另外，上述的LSI装置35根据从电气布线层34通过凸点电极36传输的电信号，进行规定的工作。
在以上说明的图1所示的光半导体装置1及图3所示的光信号输入输出装置中，将锡焊球电极5设置在图中电路布线基板10的下侧面上，将元件2～4配置在与其相反一侧的面上，所以能使基板10的结构简单，能降低成本。另外，与将元件设置在图中下侧的结构不同，由于元件2～4不会因重力作用而脱离电路布线基板10，所以能使制造工序简单。因此，从制造工序的观点看，也能降低成本。
另外，在图1所示的光半导体装置1中，由于将电极做成球电极5，所以与使用引线状的电极端子的QFP(四方平坦封装)相比，能使电极5及装置1小型化。
另外，在图1所示的光半导体装置1及图3所示的光信号输入输出装置中，设置了20个光输入输出贯通孔7，所以能设置多个光半导体元件2、4。因此，对应于光信号数的增加，能维持优异的特性。
另外，在图1所示的光半导体装置1中，能防止由应力变形引起的电路布线基板10的破坏和球电极5的剥离，能提供连接的可靠性。以下，与本发明者的其它装置(图4、图5)比较，进行说明。
图4、图5是表示本发明的比较例的光半导体装置81的图。其中，图4是垂直方向的剖面图，对应于图1。另外，图5是图4所示的电路布线基板90沿虚线AA的剖面图，对应于图2。该图4、图5中的装置81与本实施方式的装置1不同的地方在于：光输入输出贯通孔87配置在基板90的中心部上，连接贯通孔86(电气布线层86A)及球电极85配置在基板90的周边部上。其他部分与本实施方式的装置1(图1、图2)相同，详细的说明从略。另外，电路布线基板90的大小也与本实施方式的基板10相同，为15mm×15mm。如图3所示，该图4中的光半导体装置81也安装在电光布线基板31上。在该图4、图5所示的装置81中，光输入输出贯通孔87(光透射性树脂87A)位于中心部，所以具有与电光布线基板31的图中左右方向的光轴偏移非常少的优点。
在上述的图4所示的装置81中，在电光布线基板31上安装时，光半导体装置1的电气布线基板90和电光布线基板31的热膨胀系数不同。因此，由于温度循环，在光半导体装置81的电气布线基板90上发生应力变形。而且，在图4所示的装置81中，在基板90的周边部上形成球电极85，所以球电极85的DNP(到中心的距离，到基板90的中心部C的距离)大，基板90也稍大，所以应力变形增大。这里，在电气布线基板90内的区域中，如果将应力变形比平均大的区域作为应力区域，则在图4、图5所示的装置81中，应力区域91大致为图5中用虚线包围的区域。可是，在图5所示的装置81中，光输入输出贯通孔87配置在该应力区域91中，因此该光输入输出贯通孔87附近的基板90的强度弱。因此，在图4、图5所示的装置中，由于起因于热膨胀系数差的应力变形，存在基板90在破坏线92处容易被破坏的问题。
与此不同，在本实施方式的图1所示的装置1中，应力区域是形成了最外周的锡焊球电极5的位置的内侧的区域。因此，在图1所示的装置1中，光输入输出贯通孔7配置在应力区域的周边。其结果，在图1所示的装置1中，应力区域的基板10的强度增强，能防止基板10的破坏。另外，由于球电极5的DNP小，所以球电极5的变形小，能防止球电极5的剥离。因此，在图1所示的装置1中，能提高连接的可靠性。
可是，在光半导体装置及光信号输入输出装置中，迄今，如图1中的装置1所示，可以认为难以将光输入输出贯通孔7设置在基板10的周边部上。这是因为如果将光输入输出贯通孔7设置在基板10的周边部上，则由电气布线基板10的热膨胀或热收缩引起的光轴的偏移增大，光耦合效率发生离散，可以认为可靠性下降。另外，在光半导体装置及光信号输入输出装置中，有理由要求以最精密的精度对准光轴的位置。可是，本发明者认识到，如果将图1所示的准直透镜(微透镜)8设置在光输入输出贯通孔7中，则光耦合效率不会比现有的低。具体地说，在本发明者的实验中，通过设置准直透镜8，在-55℃～125℃的温度实验中，相对于图中左右方向，大约能以±5μm～10μm的误差精度确保光轴。基于该认识可知，在图1所示的装置1中，也能确保充分的光耦合效率，能维持高的可靠性。
另外，在图3所示的装置中，在光半导体装置1中，将球电极5配置在基板10的表面上，将光半导体元件2、4配置在基板10的背面上，所以电光布线基板31和光半导体元件2、4之间稍微离开一些距离。可是，在图3所示的装置中，通过设置准直透镜8，使光半导体装置1和电光布线基板38的光耦合损失维持与现有的装置相同的程度，能维持较高的光耦合效率。
另外，在图1所示的装置中，由于使用球电极5，所以利用自对准效应，能准确地进行光半导体装置1和电光布线基板31沿图中左右方向的定位。因此，从该观点看，能减少左右方向的光轴偏移量，维持高可靠性。
理所当然，在图1所示的装置的这样的球电极5中，容易产生由安装引起的高度方向的距离离散，就是说，容易产生电光布线基板31和光半导体元件2、4的距离离散。可是，在图1所示的装置中，通过设置准直透镜8，即使产生距离的离散，也能减少光耦合效率的离散。因此，能维持高可靠性。
另外，在图1所示的光半导体装置1及图3所示的光信号输入输出装置中，通过使填充光输入输出贯通孔7的树脂和构成准直透镜8的树脂为同一材料，能提高准直透镜8的粘接强度。因此，即使形成准直透镜8，装置1也不容易破坏。
如上所述，如果采用图1所示的光半导体装置1及图3所示的光信号输入输出装置，则能提供成本低、而且可靠性高的光半导体装置及光信号输入输出装置。
在以上说明的图1所示的装置中，作为光半导体元件2、4，说明了使用半导体受光元件2和半导体发光元件4的情况。可是，也可以根据需要，只使用半导体受光元件2，或者只使用半导体发光元件4。
另外，在实验中，在图1所示的装置中，球电极5的形成区域是电路布线基板10的表面中的中心部分，而且是表面的全部面积中的1/4以内的面积部分。就是说，在除此之外的部分不形成球电极5。如果这样做，可知能有效地提高球电极5的连接的可靠性。
[实施例1]
其次，用图1～图3，说明光半导体装置1及使用它的光信号输入输出装置的具体的材料、尺寸、制造方法、特性。以下，首先说明图1中的光半导体装置1的材料、尺寸、制造方法，其次说明图3中的光信号输入输出装置的材料、尺寸、制造方法，然后说明它们的特性。
首先，说明图1所示的光半导体装置1中的电路布线基板10。
该电路布线基板10安装了光半导体元件2、4和半导体集成电路元件3。作为该电路布线基板10，能使用例如在环氧玻璃基板上将绝缘层和导体层相互构建(build-up)起来的方式的印刷基板(SLC：表面叠层电路)。另外，也可以使用将聚酰亚胺树脂作为基板的主要材料，在表面上构建形成铜布线的方式的多层挠性基板、或构建方式的陶瓷多层基板。其中，在本实施例中，使用以将环氧玻璃作为底板的SLC基板作为基本结构的电路布线基板10。该基板10是在0.37mm的环氧玻璃基板上层叠了18μm厚的铜箔的15mm×15mm两面贴铜环氧玻璃基板。如图1所示，在该环氧玻璃基板19上用穿孔器形成250μmφ的贯通孔6、以及100μmφ的贯通孔7。另外，形成了贯通孔6、贯通孔7后，用无电解电镀法和电镀法，进行通孔电镀。具体地说，如图2所示，在环氧玻璃基板10的中心部形成250μmφ的贯通孔6，在环氧玻璃基板10的周边部形成100μmφ的贯通孔7。其中，250μmφ的贯通孔6用与光半导体元件2、4、半导体集成电路元件3、以及锡焊球电极5进行电气连接的电气布线层埋入。另外，100μmφ的贯通孔7作为使光半导体元件2、4与电光布线基板进行光学耦合的光输入输出贯通孔用。该光输入输出贯通孔7用光透射性树脂43(图6)进行填充，使得内侧不进行无电解电镀。
另外，电路布线基板10是一种在铜通孔上依次形成了铜布线图形、绝缘层、构建铜布线层的结构。例如，如下制造该结构。
首先，将光刻胶膜覆盖在进行了铜通孔电镀的基板上，用氯化铁(III)形成铜布线图形。这样设计该布线图形，例如线/间隙＝100μm/100μm，通孔凸台直径为550μm。
其次，在形成了该布线图形的基板上，在整个表面涂敷了感光性环氧光刻胶后，通过曝光/显影，在必要的地方形成通路孔，配置30μm厚的绝缘层。这样设计该通路孔，例如通路直径75μm，凸台直径150μm。
其次，在该绝缘层上形成厚度为18μm的构建铜布线层。该布线图形例如为线/间隙＝75μm/75μm。
其次，通过用同样的方法形成各层，制造图1所示的电路布线基板10。另外，在最上层形成的布线层，考虑所安装的半导体集成电路元件的I/O端子间距，做成线/间隙＝50μm/50μm，另外，在构建基板表面和背面上除了电极部分以外，还形成120μm的碱性光刻胶。
如上处理后，制成了图1所示的电路布线基板10。
其次，说明半导体发光装置1中的安装在上述的电路布线基板10的背面上的光半导体元件2、4、半导体集成电路元件3、以及设置在电路布线基板10的表面上的球电极5。
在本实施例中，作为半导体发光元件4，使用沿垂直于基板10的方向射出激光的面发光激光元件、或配置了多个该面发光激光元件的面发光激光阵列元件。该面发光激光元件是将GaAs作为激活层(发光层)的元件。具体地说，是一种用n型GaAlAs包层和p型GaAlAs包层，将由未掺杂的GaAs构成的激活层(激活区域)夹在中间，在n型GaAlAs包层的外表面及p型GaAlAs包层的外表面上，分别设置由多层膜构成的反射镜的结构。在该结构中，通过在两个反射镜之间引起激光振荡，沿包层及激活层的层叠方向输出激光。
另外，在面发光激光元件4的射出光的表面上，配置p型接触用的电极和n型接触用的电极这两种电极。另外，作为面发光激光阵列元件，例如使用以100μm间距，在1mm×1mm的芯片上按照8×8的布局配置上述发光元件的元件。电极材料使用例如Au/Ni/Ti。
另外，作为半导体受光元件2，使用面型受光元件、或配置了多个该面型受光元件的面受光阵列元件。作为该面型受光元件，例如使用在n+-InP基板上具有作为受光部的PIN光电二极管、受光部由台面部和周边部构成的结构的元件。而且，该受光部是例如从基板侧开始，层叠了厚度为1.5μm的n＝1015cm-3的n-InP缓冲层、厚度为1.9μm的n＝1015cm-3的n-Ga0.47In0.53As的吸收层、以及厚度为1.0μm的p＝1016cm-3的InP层的层叠结构。
这些面受光元件2及面发光元件4用由尺寸为外形50μm、高50μm的锡焊料构成的凸点电极9连接在电路布线基板10上。这些元件2、4配置在光输入输出贯通孔7上。通过该配置，例如从面发光激光元件4射出的光信号朝向作为光输入部的通孔，传输到电光布线基板上。另外，在该通孔部分传输、或在内壁上反射的光信号与光传输部的光传输或反射不同，衰减增大，但由于其距离为数十μm，所以其传输特性几乎不成问题。这里，关于该锡焊料凸点电极9的材料组成，只要具有导电性就没有特别限定，但基本上从Pb、Sn、Ag、Sb、In、Bi中选择的金属或以这些金属为主要成分的合金是优选的。在本实施例中，采用Pb/Sn＝95/5。
另外，半导体集成电路元件3与上述的光半导体元件2、4电气连接，利用由Pb/Sn＝95/5共晶锡焊料构成的凸点电极9，安装在电路布线基板10上。
另外，锡焊料球电极5设置在电路布线基板10的表面(图中下侧的面)上。作为该球电极5的材料，基本上从Pb、Sn、Ag、Sb、In、Bi中选择的金属或以这些金属为主要成分的合金是优选的。而且，其熔融温度是构成凸点电极9的金属的熔点以下的温度是优选的。在本实施例中，使用Pb/Sn＝37/63的锡焊料。
将上述的球电极5、半导体集成电路元件3、以及光半导体元件2、4设置在上述的电路布线基板10上，制造光半导体装置1的方法，如下所述。
首先，采用使用凸点电极9的倒装片方式，将半导体集成电路元件3安装在电路布线基板10上。具体地说，使用具有半反射镜且进行定位的倒装片键合器，进行形成了锡焊料凸点电极的半导体集成电路元件3、以及用电路布线基板10上的电路布线构成的电极端子的定位。这里，半导体集成电路元件3被保持在具有加热机构的筒夹上，在350℃的氮气氛中进行预热。
其次，在半导体集成电路元件3的凸点电极9和电路布线基板10的电极端子接触的状态下，再使筒夹向下方移动，施加30kg/mm2的压力，在施加了机械压力的状态下，使电路布线基板10的电极端子和凸点电极9接触。再在该状态下，使温度上升到370℃，使锡焊料熔融，将电路布线基板的电极端子和半导体集成电路元件的凸点电极9连接起来。另外，根据需要，也可以将密封树脂配置在该半导体集成电路元件3和电路布线基板10形成的间隙部分。作为进行密封的树脂，例如能使用以重量比为45wt％含有双酚系列环氧和咪唑效应催化剂、酸性无水物硬化剂和球状的石英填充物的环氧树脂等。
其次，用同样的方法，将光半导体元件2、4以倒装片方式安装在电路布线基板10上。另外，在使用密封树脂的情况下，作为该密封树脂，最好使用例如以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、重氢化氟化PMMA、氟化聚酰亚胺、硅烷、环氧树脂、聚环丁烯等为主体的光透射性树脂。
其次，在光输入输出贯通孔7的表面侧形成由准直透镜构成的微透镜8。作为该微透镜8的形成方法，例如能采用将微量的紫外线硬化性树脂以液态直接滴到规定的位置，通过紫外线照射，使利用表面张力构成的球状树脂硬化的方法。另外，如果考虑光传播损失，则构成该微透镜8的树脂和填充光输入输出贯通孔7的树脂最好相同。
其次，用筛网印刷用的金属掩模，将焊膏筛网印刷在电路布线基板的表面上设置的球电极端子上，然后使全体回流。该焊膏采用Pb/Sn＝37/63的焊膏，焊膏回流后，用异丙醇将BGA电路布线基板清洗10分钟。
通过进行以上的工序，形成图1所示的光半导体装置1。
其次，说明图3中的光信号输入输出装置。
在图3所示的光信号输入输出装置中，上述的光半导体装置1、以及LSI装置35被安装在电光布线基板31上。作为该电光布线基板，例如能使用OE-MCM基板。具体地说，是在形成了电路布线的陶瓷基板上形成了构建布线的MCM基板上，通过刻蚀形成了成为光布线层的光波导的基板。例如，能使用将聚酰亚胺树脂作为基板的主要材料，在表面上构建形成铜布线的方式的挠性基板、构建方式的陶瓷多层基板等。
如下进行光半导体装置1在上述的电光布线基板31上的安装。
首先，用具有半反射镜的键合器，粗略地进行定位。这时装载光半导体装置1和电光布线基板31的加热器、以及保持光半导体装置1的筒夹被加热到180℃。但是，该温度比构成球电极5的锡焊料的共晶温度低，所以球电极5处于非熔融状态。
其次，对光半导体装置1的球电极5和电光布线基板31上的电极进行定位。这样，在光半导体装置1的球电极5和电光布线基板31上的电极接触了的状态下，再将筒夹向下方移动，施加30kg/mm2的压力。然后，在施加了机械压力的状态下，使球电极5接触。再在该状态下，使温度上升到250℃，使锡焊料熔融，将光半导体装置1的球电极5和电光布线基板31的电极端子连接起来。这时的锡焊球的组成为Pb/Sn＝37/63，对光半导体元件2、4和半导体集成电路元件3进行倒装片安装的锡焊料凸点9的组成为Pb/Sn＝95/5，所以不会有光半导体元件1和半导体集成电路元件3的凸点电极9再熔融而发生连接不良。另外，根据需要，例如将甲酚清漆型的环氧树脂(ECON-195XL；住友化学社制)100重量份、作为硬化剂的苯酚树脂54重量份、作为填充剂的熔融二氧化硅100重量份、作为催化剂的苄基二甲胺0.5重量份、作为其他添加剂的碳黑3重量份、硅烷耦合剂3重量份粉碎、混合、熔融了的环氧树脂熔融体，只配置在除了光输入输出部以外的配置了锡焊球5的电路布线基板10的中心部，能提高锡焊球电极5的连接可靠性。
如上处理后，进行光半导体装置1在电光布线基板31上的安装。
对如上获得的光半导体装置1及光信号输入输出装置的性能进行了评价，获得了以下结果。
首先，在图3所示的结构中，测定了要求最精密的定位精度的光输入输出贯通孔7和电光布线基板31的光输入输出部分的精度，结果确认了大约以±5μm～10μm的误差精度连接。
其次，进行了图1中的光半导体装置1的可靠性评价。如图3所示，用在电光布线基板31上安装了光半导体装置1的光模块，进行了可靠性试验评价。另外，为了能确保多条布线，设置了64个球电极5。而且，在64个球电极5中，将即使一个地方连接断开的情况也作为不良进行了评价。作为比较试样，在图5所示的结构中，准备了基板90的外形尺寸为15.0mm×15.0mm、有64个球电极85的光半导体装置81。评价了1000个试样，温度循环条件为-55℃(30min)～25℃(5min)～125℃(30min)～25℃(5min)。评价结果，在图5所示结构的光半导体装置的情况下，在1000个循环中发生连接不良，在2000个循环中连接不良为100％。另外，这些不良是：构成光半导体装置的电路布线基板的破坏成为主要原因，球电极85中由于集中在局部的应力变形，球电极85被破坏的不良，或者由于应力作用，基板90被破坏的不良。与此不同，在图2所示的结构中，直至3500个循环未发生连接不良。另外，3500个循环以后，也未发生基板10的破坏。这样，确认了图1所示结构的光半导体装置1的连接可靠性提高了。
从以上的结果，确认了图1、图2所示的光半导体装置1即使安装在与光半导体装置1的热膨胀系数不同的电光布线基板31上，构成光半导体装置1的电路布线基板10也不破坏，能确保较高的连接可靠性。
在以上说明的实施例1中，在不脱离其要旨的范围内，能进行各种变更。例如，在本实施例中，虽然记载了电气布线基板在环氧玻璃基板上层叠了电气布线层和光布线层的OE-MCM，但也可以是配置了光纤的电光布线基板，对该结构没有限定。另外，关于在光半导体装置上构成的光半导体元件，也可以是通过同时安装收发光元件，能进行光收发的结构，还可以是同时安装了半导体集成电路元件和CR部件等的结构。另外，关于安装在电路布线基板上的光半导体元件和半导体集成电路元件等，不限定该结构。另外，对构成光半导体元件和电路布线基板形成的间隙部分、光输入输出贯通孔、微透镜的光透射性树脂也没有限定。
[实施例2]
实施例2是改变了光输入输出贯通孔7的周边结构的例子。
图6是表示本发明的实施例2的光半导体装置1的一部分的图，是相当于将图1中的装置的图中左侧部分放大了的图。主要部分的结构与实施例1相同，详细说明从略。
在图6所示的装置中，由光透射性树脂构成的密封树脂42配置在光半导体元件2、4和电路布线基板10形成的间隙部分。作为进行密封的树脂，最好使用例如以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、重氢化氟化PMMA、氟化聚酰亚胺、硅烷、环氧树脂、聚环丁烯等为主体的光透射性树脂。另外，光输入输出贯通孔7利用由光透射性树脂构成的填充树脂43埋入。在该光输入输出贯通孔7的图中下侧，形成由光透射性树脂构成的微透镜8。
如图6所示，通过设置密封树脂42，能保护光半导体元件2、4，减少光传播损失。
另外，通过使构成密封树脂42的树脂、构成填充树脂43的树脂、以及构成微透镜8的树脂为同一种树脂，更能减少光传播损失。具体地说，能使光半导体元件2、4的光耦合损失约为0.2dB左右。
下面，说明实施例2的变形例。
图7是表示实施例2的第一变形例的光半导体装置1的一部分的图。在该变形例中，为了连接电路布线基板10的图中上侧的面的布线和球电极5，将图中用斜线表示的导电性构件7B设置在光输入输出贯通孔7的一部分上。因此，能减少作为实现电路布线基板10的小型化的重要限制因素的电气通孔数，即，能减少连接贯通孔6的个数和面积，电路布线基板的高密度化成为可能，能实现光半导体装置的小型化。具体地说，图6所示的装置的基板10的尺寸为15.0mm×15.0mm，与此不同，在图7所示的装置中，既能维持与图6的尺寸同样的功能，又能使基板的尺寸为14.0mm×14.0mm。
另外，图8是表示实施例2的第二变形例的光半导体装置1的一部分的图。在该变形例中，除了将图中用斜线表示的导电性构件7B设置在光输入输出贯通孔7的一部分上以外，还将该导电性构件7B连接在光半导体元件2、4的电极9上，另外，将电气布线层45设置在基板10的一部分上。由此，更能实现光半导体装置的小型化。具体地说，图6所示的装置的基板10的尺寸为15.0mm×15.0mm，与此不同，在图8所示的装置中，既能维持与图6的尺寸同样的功能，又能使基板的尺寸为13.0mm×13.0mm。
如果采用本发明的实施方式，则在具有收发光信号的光半导体元件、电路布线基板、以及球电极的光半导体装置中，将球电极配置在电路布线基板的表面上，将光半导体元件配置在电路布线基板的背面上，将光半导体元件配置在背面的周边部上，该光半导体元件通过设置在基板的周边部上的光输入输出贯通孔，进行光信号的收发，由于将球电极配置在表面的中心部上，所以能减少由电路布线基板的热膨胀引起的球电极及电路布线基板的应力变形，能提供成本低、可靠性高的光半导体元件及光信号输入输出装置。

Claims (20)

1、一种光半导体装置，具有：在电气连接的状态下机械地安装、且进行了电气的及光学的布线的电光布线基板(31)，该光半导体装置的特征在于：
在上述电光布线基板(31)上设有：
进行光信号的接收、发送或收发的至少一个光半导体元件(2、4)；
电气连接在上述光半导体元件(2)上的至少一个半导体集成电路元件(3)；以及
电路布线基板(10)，它具有在厚度方向上相对的第一面和第二面，在上述第一面上安装上述光半导体元件(2)及上述半导体集成电路元件(3)，在上述第二面上设置在已电气连接到上述电光布线基板(31)上的状态下被机械地固定的电极(5)，且具有贯通上述第一、第二面的至少一个光输入输出用贯通孔(7)、以及贯通上述第一、第二面的电气连接用贯通孔(6)；
上述光半导体元件(2)构成为，借助于上述光输入输出用贯通孔(7)，在上述第二面一侧进行光的输入输出，
上述半导体集成电路元件(3)构成为，借助于在上述电气连接用贯通孔(6)内埋设的布线层(6A)，与上述电极(5)电气导通，
将上述光半导体装置(1)中的上述电极(5)在已电气连接的状态下机械地固定在上述电光布线基板(31)上时，将在上述电路布线基板(10)上产生比平均值大的应力的区域作为应力区域的情况下，将上述光输入输出用贯通孔(7)设在上述应力区域以外的非应力区域上，该平均值是由上述电路布线基板(10)的热膨胀系数和上述电光布线基板(31)的热膨胀系数之差引起的、在上述电路布线基板(10)上产生的应力的平均值。
2、根据权利要求1所述的光半导体装置，其特征在于：上述半导体集成电路元件(3)安装在上述电路布线基板(10)的中心部分上，上述光半导体元件(2)安装在周边部分上。
3、根据权利要求2所述的光半导体装置，其特征在于：在上述电路布线基板(10)的中心部分上形成上述电气连接用贯通孔(6)，在周边部分上形成上述光输入输出用贯通孔(7)。
4、根据权利要求3所述的光半导体装置，其特征在于：在上述电路布线基板(10)的全部面积中，在中心侧的1/4的面积部分上形成上述电气连接用贯通孔(6)，在除此之外的部分上形成上述光输入输出用贯通孔(7)。
5、根据权利要求3所述的光半导体装置，其特征在于：上述电极(5)构成为，电气连接在被埋入到上述电气连接用贯通孔(6)中的电气布线层(6A)上。
6、根据权利要求5所述的光半导体装置，其特征在于：上述电极(5)是用来将上述光半导体装置(1)固定在上述电光布线基板(31)上的球电极。
7、根据权利要求3所述的光半导体装置，其特征在于：在上述光输入输出用贯通孔(7)中填充对上述光信号有透射性的光透射性树脂，在上述第二面上的上述光输入输出用贯通孔(7)上形成透镜(8)。
8、根据权利要求7所述的光半导体装置，其特征在于：上述透镜(8)用与上述光透射性树脂相同的材料构成。
9、根据权利要求3所述的光半导体装置，其特征在于：在上述光输入输出用贯通孔(7)的内侧设置与上述光半导体元件(2)电气连接的导电性构件(7B)。
10、根据权利要求9所述的光半导体装置，其特征在于：上述导电性构件(7B)与被埋入上述电路布线基板(10)内而形成的电气布线层(45)电气连接。
11、根据权利要求3所述的光半导体装置，其特征在于：用树脂将上述电路布线基板(10)和安装在它上面的上述光半导体元件(2)之间密封起来。
12、根据权利要求3所述的光半导体装置，其特征在于：用树脂将上述电路布线基板(10)和安装在它上面的上述半导体集成电路元件(3)之间密封起来。
13、根据权利要求3所述的光半导体装置，其特征在于：上述光半导体元件(2、4)是面发光型激光元件或面受光元件中的任一种。
14、根据权利要求3所述的光半导体装置，其特征在于：作为上述光半导体元件(2、4)，具有至少一个发光元件(2)和至少一个受光元件(4)，上述光半导体元件(2、4)设置在上述电路布线基板(10)的周边部分上，上述半导体集成电路元件(3)设置在其内侧，与其相对应，在上述电路布线基板(10)的周边部分上形成上述光输入输出用贯通孔(7)，在其内侧形成上述电气连接用贯通孔(6)。
15、一种光信号输入输出装置，具有：电光布线基板(31)、以及安装在该电光布线基板(31)上的多种半导体装置(1、35)，该光信号输入输出装置的特征在于：
上述多种半导体装置中的一种是光半导体装置(1)，上述光半导体装置(1)在上述电光布线基板(31)上设有：
进行光信号的接收、发送或收发的至少一个光半导体元件(2、4)；
电气连接到上述光半导体元件(2)上的至少一个半导体集成电路元件(3)；以及
电路布线基板(10)，它具有在厚度方向上相对的第一面和第二面，在上述第一面上安装上述光半导体元件(2)及上述半导体集成电路元件(3)，在上述第二面上设置在电气连接到上述电光布线基板(31)上的状态下被机械地固定的电极(5)，且具有贯通上述第一、第二面的至少一个光输入输出用贯通孔(7)、以及贯通上述第一、第二面的电气连接用贯通孔(6)；
上述光半导体元件(2)构成为，借助于上述光输入输出用贯通孔(7)，在上述第二面一侧进行光的输入输出，
上述半导体集成电路元件(3)构成为，借助于在上述电气连接用贯通孔(6)内埋设的布线层(6A)，与上述电极(5)电气导通，
将上述光半导体装置(1)中的上述电极(5)在电气连接了的状态下机械地固定在上述电光布线基板(31)上时，将在上述电路布线基板(10)上产生比平均值大的应力的区域作为应力区域的情况下，将上述光输入输出用贯通孔(7)设在上述应力区域以外的非应力区域上，该平均值是由上述电路布线基板(10)的热膨胀系数和上述电光布线基板(31)的热膨胀系数之差引起的、比在上述电路布线基板(10)上产生的应力的平均值。
16、根据权利要求15所述的光信号输入输出装置，其特征在于：上述半导体集成电路元件(3)安装在上述电路布线基板(10)的中心部分上，上述光半导体元件(2)安装在周边部分上。
17、根据权利要求16所述的光信号输入输出装置，其特征在于：在上述电路布线基板(10)的中心部分上形成上述电气连接用贯通孔(6)，在周边部分上形成上述光输入输出用贯通孔(7)。
18、根据权利要求17所述的光信号输入输出装置，其特征在于：在上述电路布线基板(10)的全部面积中，在中心侧的1/4的面积部分上形成上述电气连接用贯通孔(6)，在除此之外的部分上形成上述光输入输出用贯通孔(7)。
19、根据权利要求17所述的光信号输入输出装置，其特征在于：上述电极(5)设置成，电气连接在被埋入到上述电气连接用贯通孔(6)中的电气布线层(6A)上。
20、根据权利要求19所述的光信号输入输出装置，其特征在于：上述电极(5)是球电极，上述光半导体装置(1)利用上述电极(5)固定在上述电光布线基板(31)上。
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