JP2005159086A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部で発生する熱を効率よく外部に放熱し、安定して作動し得る光半導体装置となるようにすること。
【解決手段】 光半導体装置８は、上面に光半導体素子４を収容し搭載するための凹部を有する樹脂製の絶縁基体１と、該絶縁基体１を貫通して前記凹部の内側から外側に導出されるリード端子２と、凹部の底面の搭載部１ａに搭載されるとともに電極６がリード端子２に電気的に接続された光半導体素子４と、絶縁基体１の上面に凹部を塞ぐようにして取着された透光性蓋体３とを具備し、リード端子２は、凹部の内側の部位が光半導体素子４の外周部の直下から絶縁基体１の下面にかけて貫通するとともに絶縁基体１の下面に沿って露出するように屈曲しており、光半導体素子４とリード端子２の屈曲した部位との間に絶縁基体１を成す樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂１ｃが充填されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ラインセンサー，フォトダイオード（ＰＤ），イメージセンサー等の固体撮像素子またはこれらの画像撮像部を有する光半導体素子を具備した光半導体装置に関する。

従来のラインセンサー，ＰＤ，イメージセンサー等の固体撮像素子またはこれらの画像撮像部を有する光半導体素子を具備した光半導体装置は、光半導体素子収納用の凹部を上面に有する絶縁基体の凹部内に光半導体素子を収容して搭載し、凹部を蓋体で塞いで光半導体素子を気密封止することにより基本的に構成される。

この光半導体装置の絶縁基体は、通常、光半導体素子の形状に応じた四角形状等の樹脂等から成り、例えば、光半導体素子がラインセンサーの場合であれば、細長い長方形状のラインセンサーを搭載するのに適した長方形状である。

また、蓋体は、透明なガラス板等の透光性の部材により形成されたものであり、絶縁基体に搭載された光半導体素子を覆うようにして絶縁基体に取着される。

光半導体素子は、絶縁基体の上面に形成された凹部の底面の中央部に載置固定されており、光半導体素子の上面の中央部には受光部が、外周部には電極が設けられている。

また、絶縁基体の凹部の内側から外側にかけて導出するようにリード端子が設けられており、このリード端子のうち凹部の内側に露出した部位に光半導体素子の電極が、Ａｕ，Ａｌ等からなるボンディングワイヤにより電気的に接続される。

なお、絶縁基体の上面の凹部は、平板状の基板の上面の外周部に、光半導体素子が搭載される領域を取り囲むようにして遮光性の枠体を接合することにより形成される。また、基板と枠体とは一体成形されていてもよい。

このように光半導体素子が気密封止されて成る光半導体装置は、各種の光学機器に部品として実装されて使用される。例えば、光半導体素子がラインセンサーの場合であれば、スキャナーやマルチファンクションプリンター，バーコードリーダー等の機器を構成する回路基板に実装される。なお、このときの光半導体装置の回路基板等に対する位置合わせは、光半導体装置の外縁部を回路基板の所定位置に合わせることにより行われる。
特開平５−１９０８７９号公報

しかしながら、上記従来の光半導体装置においては、光半導体装置内の光半導体素子にボンディングワイヤを通し電気を流し作動させると、光半導体素子に熱が発生し、そして絶縁基体が樹脂等からなり熱伝導性が低いことから、光半導体装置内に熱が蓄積して光半導体素子の温度が高くなり、その結果、光半導体素子が正常に作動しない場合があるという問題があった。

このような問題があることから、例えばラインセンサーを気密封止して成る光半導体装置をスキャナーやマルチファンクションプリンター，バーコードリーダー等に組み込んだ場合、ラインセンサーによる画像の検知に誤作動が生じるといった問題点が発生していた。

また、光半導体素子で発生した熱を逃がすために、熱伝導率の高いセラミック材料により絶縁基板を形成する等の構成も考えられるが、セラミック材料は焼成時の収縮にともなう寸法の制御が難しいことから、絶縁基板の寸法精度をあまり高くすることができないため、凹部の内側から外側に導出するようにしてリード端子を絶縁基体に取着するとき、位置ずれを起こし易いという問題がある。

また、セラミックスからなる絶縁基板は外形寸法の精度が不十分なため、光半導体素子を絶縁基体に収容し搭載する際や、光半導体装置を外部回路基板等に絶縁基板の外縁部を位置合わせして搭載する際の位置精度をあまり高くすることができず、そのため高い位置精度が得られる光半導体装置の製造が困難であるという問題もあった。

また、絶縁基板をセラミック材料で形成する場合、光半導体装置の構造が複雑になり、焼成等の製造工程が増加するとともに製造の作業性が悪くなり、コストダウンが十分に行なえないという問題点があった。

従って、本発明は上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高い寸法精度を有するとともに光半導体素子が発生した熱を有効に外部に放散することができ、その結果、光半導体素子を長期にわたって安定して正常に作動させることが可能で受光特性等の特性の良好な光半導体装置を提供することにある。

本発明の光半導体装置は、上面に光半導体素子を収容し搭載するための凹部を有する樹脂製の絶縁基体と、該絶縁基体を貫通して前記凹部の内側から外側に導出されるリード端子と、前記凹部の底面の搭載部に搭載されるとともに電極が前記リード端子に電気的に接続された光半導体素子と、前記絶縁基体の上面に前記凹部を塞ぐようにして取着された透光性蓋体とを具備した光半導体装置において、前記リード端子は、前記凹部の内側の部位が前記光半導体素子の外周部の直下から前記絶縁基体の下面にかけて貫通するとともに前記絶縁基体の下面に沿って露出するように屈曲しており、前記光半導体素子と前記リード端子の屈曲した部位との間に前記絶縁基体を成す樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂が充填されていることを特徴とするものである。

本発明の光半導体装置によれば、リード端子は、凹部の内側の部位が光半導体素子の外周部の直下から絶縁基体の下面にかけて貫通するとともに絶縁基体の下面に沿って露出するように屈曲しており、光半導体素子とリード端子の屈曲した部位との間に、絶縁基体を成す樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂が充填されていることから、光半導体素子で発生した熱を、間に充填された熱伝導性の高い樹脂を介してリード端子に効率よく伝達させるとともに、リード端子のうち絶縁基体の下面に沿って露出した部分から効果的に外部に放出することができ、光半導体素子が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置を提供することができる。

また絶縁基体が樹脂製であることから、セラミックスのように焼成の際等に大きな寸法収縮をともなう工程が不要な材料から成るため、絶縁基体の寸法精度を高いものとすることができ、高い位置精度および寸法精度で光半導体素子を絶縁基体に搭載することができる。さらに、光半導体装置を外部回路基板に実装するときの位置合わせの位置精度を高くすることができ、実装時の位置精度に優れた光半導体装置を提供することができる。また、光半導体素子が光半導体装置内で位置ずれすることもなく、光半導体装置を歩留まり良く低コストで製造できる。

本発明の光半導体装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の光半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は絶縁基体、１ｃは絶縁基体１をなす樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂、２はリード端子、３は蓋体、４は光半導体素子である。これらの絶縁基体１、熱伝導性の高い樹脂１ｃ、リード端子２、蓋体３および光半導体素子４により主に光半導体装置８が構成される。

なお、１ａは絶縁基体１と光半導体素子４とを接合する樹脂接合材、１ｂは絶縁基体１と蓋体３とを接合する樹脂接合材である。

本発明の絶縁基体１は、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド等の樹脂材料によって形成されている。絶縁基体１の上面には、光半導体素子４を収容し搭載するための凹部が設けられている。このような凹部を有する絶縁基体１は、例えば、エポキシ樹脂からなる場合、未硬化のエポキシ樹脂を所定の絶縁基体１の形状に成形できるような金型（第１の金型）を用いて、トランスファーモールド法やインジェクションモールド法等により成形することにより形成される。この場合、平板状の基板部と四角枠状の枠部とを別々に成形しておいて、その後、基板部の上面の外周部に枠部を接合することにより凹部を形成してもよく、凹部が形成されるような金型を用いて一体的に成形してもよい。

本発明の光半導体装置８によれば、絶縁基体１が樹脂製であり、セラミックスのように焼成等の大きな寸法収縮をともなう工程が不要な材料から成るため、絶縁基体１の寸法精度を高いものとすることができ、高い位置精度および寸法精度で光半導体素子４を装絶縁基体１に搭載することができる。さらに、光半導体装置８を外部回路基板に実装するときの位置合わせの精度を高くすることができ、実装時の位置精度に優れた光半導体装置８を作製することができる。また、光半導体素子４が光半導体装置８内で位置ずれすることはなく、光半導体装置８を歩留まり良く低コストで製造できる。

また、絶縁基体１の凹部の内側から外側に導出するようにしてリード端子２が設けられている。リード端子２は、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の鉄系合金や、銅または銅系の合金等からなる。このリード端子２は、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金から成る場合、鉄−ニッケル−コバルト合金の板材に打抜き加工やエッチング加工等を施し、所定の寸法、形状に加工することにより形成される。

リード端子２を、凹部の内側から外側に導出するようにして設けるには、例えば、複数のリード端子２の一端部をフレームで連結してなるリードフレームを、フレームが凹部の外側（絶縁基体１の外縁よりも外側）に出るとともに、フレームで連結していない側の各端部が凹部内に露出するようにして、絶縁基体１を成形する金型（第１の金型）内にセットしておき、絶縁基体１となる未硬化の樹脂をリードフレームと一体的に加熱硬化させる方法等の方法を用いることができる。この場合、リード端子２を絶縁基体１に設けた後、フレームは切断除去する。

また、本発明の光半導体装置８においては、リード端子２は、凹部の内側の部位が光半導体素子４の外周部の直下から絶縁基体１の下面にかけて貫通するとともに絶縁基体１の下面に沿って露出するように屈曲しており、光半導体素子４とリード端子２の屈曲した部位との間に、絶縁基体１を成す樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂１ｃが充填されている。これにより、光半導体素子４で発生した熱を、間に充填された熱伝導性の高い樹脂１ｃを介してリード端子２に伝えるとともに、リード端子２のうち絶縁基体１の下面に沿って露出した部分から効果的に外部に放出することができ、光半導体素子４が長期にわたって安定して作動することが可能な光半導体装置８を作製することができる。

リード端子２の構成を、凹部の内側の部位が光半導体素子４の外周部の直下から絶縁基体１の下面にかけて貫通するとともに絶縁基体１の下面に沿って露出するように屈曲しているようなものとするには、以下のような方法によって行なうことができる。例えば、予め、リード端子２について、四角形状の光半導体素子４の対向する２辺側の外周部の直下に位置する部位で下側に向けて折れ曲がるとともに、この折れ曲がった部位から絶縁基体１の厚みに相当する分だけ下方に進んだ部位で内側に向けて横方向に折れ曲がった形状となるように折り曲げ加工を施す。次に、折り曲げ加工を施したリード端子２を上述のように絶縁基体１と一体的に成形する方法等の方法を用いてリード端子２を作製する。

また、リード端子２の屈曲した部位と光半導体素子４との間に樹脂１ｃが充填された構造とするには、例えば、絶縁基体１のうち、平面視でリード端子２の屈曲した部位と重なる部位に、絶縁基体１の下面に達するような開口部を設けておき、絶縁基体１にリード端子２を設けた後、これらを別の金型（第２の金型）内にセットするとともに、絶縁基体１の開口部内に未硬化の樹脂１ｃをトランスファーモールド法やインジェクションモールド法等により充填するとともに加熱硬化させること等の方法を用いることができる。なお、絶縁基体１に上記のような開口部を設けるには、例えば、絶縁基体１を成形する金型内に、開口部に相当するような突起部を設けておき、この部分に絶縁基体１となる未硬化の樹脂が充填されないようにしておくこと等の方法を用いることができる。

本発明の樹脂１ｃは、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド等の樹脂材料によって形成されている。樹脂１ｃの熱伝導性を、絶縁基体１をなす樹脂よりも熱伝導性を高くするには、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド等の樹脂材料の内部に、結晶性シリカあるいは酸化アルミナ等のフィラー等の熱伝導性に優れたフィラーの粒子を添加しておくこと等の方法を用いることができる。

この場合、リード端子２は、光半導体素子４で発生する熱の放熱性を良好とするうえでは、絶縁基体１の下面に露出する面積が大きければ大きいほど好ましいものとなるが、大きくしすぎると、絶縁基体１の下面付近における機械的強度を確保することが難しくなる。従って、リード端子２のうち絶縁基体１の下面に沿って露出する部分の面積は、絶縁基体１の下面の面積に対して３０〜７５％の範囲が好ましい。

また、リード端子２のうち絶縁基体１の下面に沿って露出する部分は、絶縁基体１の下面の中央部が好ましい。

また、リード端子２のうち絶縁基体１の下面に沿って露出する部分は、露出している面が絶縁基体１の下面と同じ高さ、すなわち面一になっているか、または絶縁基体１の下面よりも下側に突出していることが好ましい。リード端子２の露出している面が絶縁基体１の下面よりも上側に位置する（絶縁基体１の内部側に入り込んでいる）と、リード端子２から外部に熱を放散させる効果が低下する傾向があり、光半導体素子４の温度の上昇を招き、正常な作動が妨げられるおそれがある。

また、リード端子２のうち絶縁基体１の下面に沿って露出する部分の幅は、中央部よりも両端部を広くしておくことが好ましい。これは、ラインセンサー，イメージセンサー等の光半導体素子４の熱発生量はその中央部よりも両端部で大きいことによるものであり、リード端子２の両端部が光半導体素子４の発熱源に近く伝熱量が多量となるためである。したがって、この場合多量の熱を効率よく外部に放散させることができる。

また、リード端子２のうち凹部の内側の部位で、光半導体素子４の外周部の直下から絶縁基体１の下面にかけて貫通するように屈曲した部分は、上端部から下端部に向かって漸次幅を広くしたり厚さを厚くしたりすることにより、その断面積を広くすることが好ましい。この場合、リード端子２の上記屈曲した部分は、伝熱方向に断面積が広がるような形状となるため、光半導体素子４から伝わった熱をより効果的にリード端子２のうち絶縁基体１の下面に沿って露出している部分に伝えることができるため、放熱性をより向上させることができる。

さらに、リード端子２において、凹部の内側の部位が光半導体素子４の外周部の直下から絶縁基体４の下面にかけて貫通する部位は、内側（絶縁基体１の中心側）に傾斜していることが好ましい。この場合、光半導体素子４で発生し樹脂１ｃを介して伝わった熱をリード端子２の傾斜し長くなった貫通部で効率的に受熱して下方により多く伝熱させることができる。

また、樹脂１ｃは、絶縁基体１を成す樹脂に比べて、熱伝導率が２〜４倍程度高いものであることが好ましい。２倍未満では、例えば、近時の高精度のラインセンサー等の２．５ワット程度と発熱量が高い光半導体素子４の場合に放熱が不十分となるおそれがある。

この場合、樹脂１ｃは、熱の伝導を良好とする上では、熱伝導率は高ければ高いほどよいが、熱伝導性を高めるためには上記のようなフィラーを添加等する必要があり、これらの添加にともなって樹脂１ｃが脆くなって機械的な強度が低下する。そのため、樹脂１ｃは、絶縁基体１を成す樹脂に比べて、熱伝導率で２倍〜４倍程度にしておくことが好ましい。

また、樹脂１ｃは、少なくとも、光半導体素子４の下面とリード端子２の屈曲した部位とを直線的に結ぶ範囲内に充填するが、この範囲内に限る必要はない。なお、通常は光半導体素子４の幅がリード端子２の幅よりも大きいので、樹脂１ｃは逆角錐形状となる。例えば、樹脂１ｃと絶縁基体１との接触面積を増やして両者の接合をより強固なものとするために、樹脂１ｃの側面を外側に凸の湾曲した形状としてもよい。また、樹脂１ｃの側面の一部に凸部や凹部を設けておき、絶縁基体１との接合面積を増やして接合強度を向上させ、光半導体装置８の機械的強度や気密封止の信頼性をより一層高くするようにしてもよい。

また、樹脂１ｃは、リード端子２に隣接する部位で絶縁基体１の下面に露出するようにして充填しておくと、光半導体素子４から外部への放熱をより一層効率よく行わせることができるため、より放熱性に優れた光半導体装置８を作製することができる。

蓋体３は、高い光透過率、製造のし易さ、化学的安定性、強度等の点で、ソーダガラス等のガラス、プラスチック、サファイア（アルミナの単結晶）、石英等から成るのが好ましい。

この絶縁基体１の凹部内に光半導体素子４が収容され搭載されるとともに、その電極がリード端子２のうち凹部内に露出した部位にＡｕ，Ａｌ等からなるボンディングワイヤ７等を介して接続される。

光半導体素子４は、ＰＤ，ラインセンサー，イメージセンサー，ＣＣＤ（Charge Coupled Device），ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）等の固体撮像素子、またはこれらの撮像部を有する光半導体素子４から成るものである。

また、絶縁基体１と蓋体３とを接合する樹脂接合材１ｂは、常温で硬化させることが可能で光半導体素子４に与える影響が小さいことから、紫外線硬化性樹脂からなることが好ましい。この場合、光半導体素子４を載置してから蓋体３を取り付けて封止するまで、オーブン等の中に長時間放置する必要がなくなる。その結果、光半導体装置８の内部にダスト、異物等の混入がなくなり、製造歩留まりを飛躍的に向上させ得る。

またエポキシ樹脂等の紫外線硬化性樹脂１ｂは、余計な外光の入射を遮断するために、樹脂に黒色，茶褐色，暗緑色，濃青色等の暗色系の顔料や染料を混入させてもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何等差し支えない。

本発明の光半導体装置について実施の形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁基体
１ａ，１ｂ・・・樹脂接合材
１ｃ・・・高熱伝導樹脂
２・・・リード端子
３・・・蓋体
４・・・光半導体素子
８・・・光半導体装置

Claims (1)

1. 上面に光半導体素子を収容し搭載するための凹部を有する樹脂製の絶縁基体と、該絶縁基体を貫通して前記凹部の内側から外側に導出されるリード端子と、前記凹部の底面の搭載部に搭載されるとともに電極が前記リード端子に電気的に接続された光半導体素子と、前記絶縁基体の上面に前記凹部を塞ぐようにして取着された透光性蓋体とを具備した光半導体装置において、前記リード端子は、前記凹部の内側の部位が前記光半導体素子の外周部の直下から前記絶縁基体の下面にかけて貫通するとともに前記絶縁基体の下面に沿って露出するように屈曲しており、前記光半導体素子と前記リード端子の屈曲した部位との間に前記絶縁基体を成す樹脂よりも熱伝導性の高い樹脂が充填されていることを特徴とする光半導体装置。

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