JP4359201B2 - 光半導体装置、光コネクタおよび電子機器 - Google Patents

光半導体装置、光コネクタおよび電子機器 Download PDF

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Description

この発明は、半導体光素子を有する光半導体装置、この光半導体装置を備えた光コネクタおよび電子機器に関し、特に、光ファイバを伝送媒体として光信号を送受信する光通信リンク等に利用される光半導体装置、この光半導体装置を備えた光コネクタおよび電子機器に関する。
従来より、発光ダイオード(ＬＥＤ：Light Emitting Diode)やフォトダイオード(ＰＤ：Photo Diode)等の半導体光素子と光ファイバとを結合させる光半導体装置が知られており、機器間や家庭内、自動車内での光通信に利用されている。
これらの光半導体装置としては、図９に示すように透光性樹脂のトランスファ成形を利用して作製されたものが広く使用されている。図９に示した光半導体装置１０１は、リードフレーム１０４上に配置された半導体光素子１０３を透光性樹脂１１０で封止し、その透光性樹脂１１０で形成されたレンズ１０８により半導体光素子１０３と光ファイバ１０２とを光学的に結合させるものである。上記半導体光素子１０３は、リードフレーム１０４とワイヤー１０５により電気的に結合されている。また、上記半導体光素子１０３を駆動・制御するための半導体素子がリードフレーム１０４に搭載されている場合もある。このようなトランスファ成形を利用した光半導体装置は、例えば、ガラスレンズを使用した光半導体装置と比較すると安価で作製が容易であるという特長を有している。
一方、樹脂モールド材料にフィラーを添加することにより、線膨張係数や熱伝導率を調整できることが知られており、光学特性を必要としない半導体素子ではフィラーが添加されたモールド樹脂(通常は黒色)により封止が行われている。上述した透光性樹脂１１０を用いた光半導体装置１０１では、光学特性を重視するためにフィラーの添加が困難(もしくは少量しか添加できない)であることから、耐環境性(耐熱衝撃や放熱性等)に課題があった。
このため、図１０に示すように、光半導体装置の構成を工夫し、フィラーが添加された着色モールド樹脂により封止することができる光半導体装置が提案されている(例えば、特開２０００−１７３９４７号公報(特許文献１)参照)。図１０に示した光半導体装置２０１では、半導体光素子２０３の光学部２０６のみにガラスレンズ２０８を貼付け、リードフレーム２０４に実装し、半導体光素子２０３の光学部２０６の周囲にある電極とリードフレーム２０４とをワイヤー２０５により電気的に結合させている。その後、フィラーが添加された着色モールド樹脂２０９によりトランスファ成形することにより、半導体光素子２０３に光が入出射する光路を着色モールド樹脂２０９により遮蔽することなく、半導体光素子２０３やワイヤー２０５を着色モールド樹脂２０９で封止することを可能としている。
しかしながら、上記光半導体装置は、図１０に示すように、光学部２０６にガラスレンズ２０８を搭載してその一部を含むように樹脂封止する構造としているが、実際にこの構造で樹脂封止する手段が特許文献１には開示されていない。一般的にトランスファ成型に用いる樹脂は、粒子が細かく、数μｍの隙間から樹脂が漏れる現象が生じるため、このような特許文献１に記載された構造を実現することは困難であると考えられる。また、上記光学部２０６にガラスレンズ２０８を用いているため、価格が高くなる。また、ＣＣＤのように比較的サイズが大きい(数ｍｍ〜数十ｍｍ角)半導体光素子を使用する場合は、光学部にガラスレンズを配置することが可能であるが、ＬＥＤのようにサイズが小さい(数百μｍ角)半導体光素子では光学部が非常に小さいことから、ガラスレンズも非常に小さいものを使用する必要があり、(i)光学的に効果が得られるレンズの設計が困難であるという問題や、(ii)微小なガラスレンズの作製が困難であるという問題、および、(iii)光学部とガラスレンズとの接合・位置合わせが困難であるという問題がある。また、半導体光素子の光学部より大きいガラスレンズを使用した場合、半導体光素子の光学部に近接した電極にもガラスレンズが接合されるため、ワイヤーボンディングが行えなくなる。
上記光半導体装置には、樹脂レンズを使用する方法も開示されているが、ＬＥＤ等のサイズが小さい半導体光素子を利用する場合には光学部が小さく、同様の理由により対応が困難である。更に、樹脂レンズを使用する場合は、レンズの耐熱性の問題から、着色モールド樹脂による成形を行った後に樹脂レンズを取り付ける必要があるが、半導体光素子の光学部に着色樹脂が回り込まないように、半導体光素子の光学部と金型を圧接もしくは微小ギャップで保持する必要があり、半導体光素子の損傷や高精度での金型管理(およびリードフレームの変形防止)が必要となるため、作製が困難である。特にＬＥＤのようにサイズが小さい半導体光素子では、ワイヤーを保護しつつ光学部に着色モールド樹脂が回り込まないように管理することは非常に困難である。
特開２０００−１７３９４７号公報
そこで、この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、簡単な構成で耐環境性に優れた信頼性の高い光半導体装置が得られると共に、高い結合効率で小型化と低価格化を両立させることができ、ＬＥＤやＰＤ等のサイズの小さい半導体光素子を利用することが可能な光半導体装置を提供するものである。
上記課題を解決するため、この発明の光半導体装置は、
貫通孔を有するリードフレームと、
光を出射する部分あるいは光を受光する部分である光学部を有すると共に、この光学部が上記貫通孔側を向いて上記貫通孔に重なるように、上記リードフレームの一方の面に配置される半導体光素子と、
この半導体光素子を覆うと共に、上記リードフレームの一方の面に配置される非透光性モールド樹脂からなる第１のモールド部と、
上記貫通孔を覆うと共に、上記リードフレームの他方の面に配置される透光性モールド樹脂からなる第２のモールド部と
を備え、
上記第２のモールド部の上記第１のモールド部側を向いている対向面の面積は、上記第１のモールド部の上記第２のモールド部側を向いている対向面の面積よりも小さく、
上記半導体光素子は、発光素子と受光素子とを含み、
上記リードフレームに配置されると共に上記発光素子と電気的に接続されている発光素子用信号処理回路部と、
上記リードフレームに配置されると共に上記受光素子と電気的に接続されている受光素子用信号処理回路部と
を備え、
上記リードフレームの貫通孔は、上記発光素子に対向する発光素子用貫通孔と、上記受光素子に対向する受光素子用貫通孔とを含み、
上記第２のモールド部は、上記発光素子用貫通孔を覆う送信部と、上記受光素子用貫通孔を覆う受信部とを有し、
上記送信部と上記受信部とは、分離していることを特徴としている。
ここで、上記半導体光素子の上記光学部とは、例えば、上記半導体光素子の光が出射する部分、あるいは、上記半導体光素子の光を受光する部分のことをいい、例えば、上記半導体光素子がＬＥＤである場合は、上記光学部とは発光面をいい、上記半導体光素子がＰＤである場合は、上記光学部とは受光面をいう。
この発明の光半導体装置によれば、上記半導体光素子を覆うと共に上記リードフレームの一方の面に配置される非透光性モールド樹脂からなる第１のモールド部と、上記貫通孔を覆うと共に上記リードフレームの他方の面に配置される透光性モールド樹脂からなる第２のモールド部とを備えるので、例えば上記半導体光素子が受光素子である場合、上記第２のモールド部と上記リードフレームの貫通孔とを介して入射した光は、上記半導体光素子の光学部(受光面)に入射する。一方、上記半導体光素子が発光素子である場合、上記半導体光素子の光学部(出射面)から出射された光は、上記リードフレームの貫通孔と上記第２のモールド部とを介して出射される。
このように、簡易な構成により、非透光性モールド樹脂により上記半導体光素子や（上記半導体光素子と上記リードフレームとを電気的に接続する）ワイヤー等の封止が確実にでき、高温度での動作範囲拡大を実現し、かつ、耐環境性に優れた信頼性の高い光半導体装置を実現できる。また、高い結合効率で小型化と低価格化を両立させることができ、ＬＥＤやＰＤ等のサイズの小さい半導体光素子を利用することができる。
上記第２のモールド部の上記第１のモールド部側を向いている対向面の面積は、上記第１のモールド部の上記第２のモールド部側を向いている対向面の面積よりも小さいので、上記第１のモールド部と上記第２のモールド部との線膨張係数の違いによるバイメタル構造の影響を小さくして、樹脂の剥離やクラックを防止し、耐環境性を向上できる。また、上記発光素子、上記受光素子、上記発光素子用信号処理回路部および上記受光素子用信号処理回路部を、上記リードフレームに配置することができて、送信手段と受信手段の一体化を可能として、小型化を図ることができる。また、上記第２のモールド部の送信部と上記第２のモールド部の受信部とは、分離しているので、上記発光素子と上記受光素子は、光学的に分離され、優れたＳＮ比が得られると共に、上記第1のモールド部と上記第２のモールド部のバイメタル構造により発生する内部応力を一層小さくすることができて、耐環境性を一層向上できる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記非透光性モールド樹脂は、フィラーを含有している。
この一実施形態の光半導体装置によれば、フィラーを含有する非透光性モールド樹脂を上記第１のモールド部に用いることによって、半導体光素子、リードフレームおよびボンディングワイヤーの線膨張係数に対して差異を小さくすることが可能であり、ボンディングワイヤーの断線やパッケージクラック等が発生しない、信頼性の高い光半導体装置を作製することができる。
また、この発明の光半導体装置は、
貫通孔を有するリードフレームと、
光を出射する部分あるいは光を受光する部分である光学部を有すると共に、この光学部が上記貫通孔側を向いて上記貫通孔に重なるように、上記リードフレームの一方の面に配置される半導体光素子と、
この半導体光素子を覆うと共に、上記リードフレームの一方の面に配置される非透光性モールド樹脂からなる第１のモールド部と、
上記貫通孔を覆うと共に、上記リードフレームの他方の面に配置される透光性モールド樹脂からなる第２のモールド部と
を備え、
上記第２のモールド部の上記第１のモールド部側を向いている対向面の面積は、上記第１のモールド部の上記第２のモールド部側を向いている対向面の面積よりも小さく、
上記半導体光素子は、発光素子と受光素子とを含み、
上記リードフレームに配置されると共に上記発光素子と電気的に接続されている発光素子用信号処理回路部と、
上記リードフレームに配置されると共に上記受光素子と電気的に接続されている受光素子用信号処理回路部と
を備え、
上記リードフレームの貫通孔は、上記発光素子に対向する発光素子用貫通孔と、上記受光素子に対向する受光素子用貫通孔とを含み、
上記第２のモールド部は、上記発光素子用貫通孔を覆う送信部と、上記受光素子用貫通孔を覆う受信部と、上記送信部と上記受信部とを連結する連結部とを有し、
この連結部は、溝部を有することを特徴としている。
ここで、上記半導体光素子の上記光学部とは、例えば、上記半導体光素子の光が出射する部分、あるいは、上記半導体光素子の光を受光する部分のことをいい、例えば、上記半導体光素子がＬＥＤである場合は、上記光学部とは発光面をいい、上記半導体光素子がＰＤである場合は、上記光学部とは受光面をいう。
この発明の光半導体装置によれば、上記半導体光素子を覆うと共に上記リードフレームの一方の面に配置される非透光性モールド樹脂からなる第１のモールド部と、上記貫通孔を覆うと共に上記リードフレームの他方の面に配置される透光性モールド樹脂からなる第２のモールド部とを備えるので、例えば上記半導体光素子が受光素子である場合、上記第２のモールド部と上記リードフレームの貫通孔とを介して入射した光は、上記半導体光素子の光学部(受光面)に入射する。一方、上記半導体光素子が発光素子である場合、上記半導体光素子の光学部(出射面)から出射された光は、上記リードフレームの貫通孔と上記第２のモールド部とを介して出射される。
このように、簡易な構成により、非透光性モールド樹脂により上記半導体光素子や（上記半導体光素子と上記リードフレームとを電気的に接続する）ワイヤー等の封止が確実にでき、高温度での動作範囲拡大を実現し、かつ、耐環境性に優れた信頼性の高い光半導体装置を実現できる。また、高い結合効率で小型化と低価格化を両立させることができ、ＬＥＤやＰＤ等のサイズの小さい半導体光素子を利用することができる。
上記第２のモールド部の上記第１のモールド部側を向いている対向面の面積は、上記第１のモールド部の上記第２のモールド部側を向いている対向面の面積よりも小さいので、上記第１のモールド部と上記第２のモールド部との線膨張係数の違いによるバイメタル構造の影響を小さくして、樹脂の剥離やクラックを防止し、耐環境性を向上できる。また、上記発光素子、上記受光素子、上記発光素子用信号処理回路部および上記受光素子用信号処理回路部を、上記リードフレームに配置することができて、送信手段と受信手段の一体化を可能として、小型化を図ることができる。
また、上記第２のモールド部の連結部は、溝部を有するので、上記第２のモールド部の形状を小さくして、上記第1のモールド部と上記第２のモールド部のバイメタル構造により発生する内部応力を一層小さくすることができて、耐環境性を一層向上できる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記発光素子用信号処理回路部と上記受光素子用信号処理回路部は、１つのチップに含まれている。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記発光素子用信号処理回路部と上記受光素子用信号処理回路部は、１つのチップに含まれているので、一層小型化を図ることができる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記半導体光素子と上記リードフレームの間にサブマウントを備える。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記半導体光素子にて発生する熱を、上記サブマウントにより、放熱することができて、信頼性を向上できる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記第１のモールド部と上記第２のモールド部の間に透光性を有する弾性樹脂からなる緩衝部材を備える。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記第１のモールド部と上記第２のモールド部の間に上記緩衝部材を備えるので、上記第1のモールド部と上記第２のモールド部のバイメタル構造により発生する内部応力を一層小さくすることができて、耐環境性を一層向上できる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記緩衝部材の弾性樹脂は、光半導体装置が保証する最低動作温度以下のガラス転移温度を有するシリコーン樹脂である。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記緩衝部材は、接着性に優れると共に、光半導体装置が保証する最低動作温度においても、弾性を維持して、上記第1のモールド部と上記第２のモールド部の熱応力を緩和する作用を有する。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記半導体光素子は、発光素子を含み、この発光素子は、面発光レーザである。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記発光素子は、面発光レーザであるので、ＰＣＳ（Polymer Clad Silica）ファイバによる光伝送の高速化を実現できる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記第２のモールド部のモールド樹脂は、フィラーを含有した略透明の樹脂である。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記第２のモールド部のモールド樹脂は、フィラーを含有しているので、上記第２のモールド部の線膨張係数を低下させることができ、上記第1のモールド部と上記第２のモールド部のバイメタル構造により発生する内部応力を更に小さくすることができて、耐環境性を一層向上できる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記第２のモールド部は、レンズを有する。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記第２のモールド部は、レンズを有するので、上記レンズを、上記リードフレームの貫通孔よりも大きくすることができて、上記半導体光素子と光ファイバとの光の結合効率を高くできる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記半導体光素子は、発光素子を含み、この発光素子と上記リードフレームの間の上記サブマウントは、錐状穴を有するシリコンサブマウントである。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記サブマウントは、錐状穴を有するシリコンサブマウントであるので、上記サブマウントの錐状穴の内壁の反射にて、発光効率を向上させることが出来る。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記錐状穴の形状は、円錐形状または角錐形状である。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記半導体光素子は、受光素子を含み、この受光素子と上記リードフレームの間の上記サブマウントは、ガラスサブマウントである。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記サブマウントは、ガラスサブマウントであるので、透光性のガラスにより、上記受光素子にて確実に受光することができる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記第１のモールド部のモールド樹脂は、上記第２のモールド部のモールド樹脂がモールド成型された後で、この第２のモールド部のモールド樹脂と同時に硬化処理を行われている。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記第１のモールド部のモールド樹脂と上記第２のモールド部のモールド樹脂との間の化成反応の関係により、上記第１のモールド部と上記第２のモールド部との密着性を向上できる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記第２のモールド部の端部は、面取りされている。
この一実施形態の光半導体装置によれば、上記第２のモールド部の端部は、面取りされているので、内部応力によるクラックや樹脂剥離の発生を防止できる。
また、一実施形態の光半導体装置では、上記面取りされた第２のモールド部の端部の形状は、丸面（Ｒ面）または角面（Ｃ面）である。
また、一実施形態の光コネクタでは、上記光半導体装置を備えることを特徴としている。
この一実施形態の光コネクタによれば、上記光半導体装置を備えるので、耐環境性に優れ、信頼性を向上できると共に、小型化、低コスト化が実現できる。
また、一実施形態の電子機器では、上記光半導体装置を備えることを特徴としている。
この一実施形態の電子機器によれば、上記光半導体装置を備えるので、耐環境性に優れ、信頼性を向上できると共に、小型化、低コスト化が実現できる。
この発明の光半導体装置によれば、ＰＤやＬＥＤのようにサイズの小さい半導体光素子を用いた場合でも、簡易な構成により、耐環境性に優れた非透光性モールド樹脂により半導体光素子やワイヤーの封止が可能となり、バイメタルの影響を極力小さくした、安価で耐環境性に優れた信頼性の高い小型の光半導体装置を得ることができる。
また、この発明の光コネクタによれば、上記光半導体装置を備えるので、耐環境性に優れ、信頼性を向上できると共に、小型化、低コスト化が実現できる。
また、この発明の電子機器によれば、上記光半導体装置を備えるので、耐環境性に優れ、信頼性を向上できると共に、小型化、低コスト化が実現できる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す断面模式図であり、図２は上記光半導体装置をレンズ側から見た正面図である。
図１と図２に示すように、上記光半導体装置１ａは、貫通孔７を有するリードフレーム４と、このリードフレーム４の一方の面（裏面）に配置される半導体光素子３と、この半導体光素子３を覆うと共に上記リードフレーム４の一方の面に配置される非透光性モールド樹脂からなる第１のモールド部９と、上記貫通孔７を覆うと共に上記リードフレーム４の他方の面（表面）に配置される透光性モールド樹脂からなる第２のモールド部１０とを備える。
上記半導体光素子３は、光学部６を有し、この光学部６は、上記貫通孔７側を向いて上記貫通孔７に重なるように配置される。ここで、上記光学部６とは、半導体光素子３の光を出射する部分あるいは光を受光する部分のことを表し、例えば、ＬＥＤでは発光面を表し、ＰＤでは受光面のことを表す。
上記半導体光素子３は、上記光学部６が上記リードフレーム４に対向するように通常とは逆向きに(以後、フェースダウン配置という)、上記リードフレーム４に電気的に導通した状態で接着されている。
上記リードフレーム４の一方の面には、上記半導体光素子３の駆動および制御用のドライバ回路１５が配置されている。上記半導体光素子３の上記光学部６の面（表面）と反対側の面（裏面）、上記リードフレーム４の一方の面（表面）、および、上記ドライバ回路１５とは、ワイヤー５により電気的に結合されている。
上記第１のモールド部９は、フィラーが添加され線膨張係数や熱伝導率が最適化された耐環境性に優れたものであり、上記半導体光素子３、上記ワイヤー５および上記ドライバ回路１５を覆っている。
上記第２のモールド部１０は、光学特性に優れたものであり、上記リードフレーム４の他方の面を覆っている。また、上記第２のモールド部１０は、上記半導体光素子３と上記光ファイバ２とを光学的に結合させるレンズ８を有する。そして、上記半導体光素子３は、上記リードフレーム４の貫通孔７、および、上記第２のモールド部１０のレンズ８を介して、上記光ファイバ２と光学的に結合される。このように、上記レンズ８を、上記リードフレーム４の貫通孔７よりも大きくすることができて、上記半導体光素子３と上記光ファイバ２との光の結合効率を高くできる。
次に、上記光半導体装置１ａの作製方法について説明する。まず、上記半導体光素子３の光学部６が上記リードフレーム４の貫通孔７に対向するように、上記半導体光素子３を上記リードフレーム４に接合する。このとき、上記半導体光素子３と上記リードフレーム４との接合は、Ａｇペースト、半田または金共晶接合等の導電性を有する接合であり、上記半導体光素子３の光学部６側の面（表面）に形成されている電極と上記リードフレーム４とが電気的に結合するように接合する。その後、ワイヤーボンディングにより、上記半導体光素子３の裏面電極と上記リードフレーム４とをワイヤー５を介して電気的に結合させる。
次に、上記第１のモールド部９をトランスファー成形する。このとき、上記リードフレーム４の表面側を金型により押さえ、上記第１のモールド部９の非透光性モールド樹脂が、上記リードフレーム４の表面側に回り込むことを防止する。一般に、上記リードフレーム４の反り等によりモールド樹脂の回り込みを完全に押さえることができず、上記リードフレーム４の一部に、モールド樹脂の回り込み（フラッシュ）が生じる場合がある。
この発明では、上記リードフレーム４の貫通孔７の周囲は、所定幅Ｌの上記リードフレーム４が存在するため、フラッシュが生じても上記貫通孔７には、モールド樹脂が回り込まないようにすることが可能であり、金型や上記リードフレーム４の高精度での管理は必要ない。すなわち、上記貫通孔７以外の部分にはフラッシュが発生しても問題なく、上記貫通孔７の周囲のリードフレーム４（所定幅Ｌ）により、簡単にフラッシュによる光路遮蔽を防止することが可能である。従って、ＬＥＤやＰＤ等のサイズが小さい上記半導体光素子３を使用しても、簡易に作製が可能となる。また、上記リードフレーム４を金型により押さえるため、上記半導体光素子３にダメージを与えることはない。
そして、上記第１のモールド部９を形成した後、上記第２のモールド部１０をトランスファー成形して、上記光半導体装置１ａを完成する。上記第１のモールド部９および上記第２のモールド部１０の樹脂が、エポキシ系の場合、上記第１のモールド部９のモールド樹脂をモールドした後、加熱などによる硬化処理を完全に行わずに、上記第２のモールド部１０のモールド樹脂をトランスファー成形すると、上記第１のモールド部９および上記第２のモールド部１０の樹脂間の化成反応の関係により密着性を向上できる。すなわち、上記第１のモールド部９のモールド樹脂は、上記第２のモールド部１０のモールド樹脂がモールド成型された後で、この第２のモールド部のモールド樹脂と同時に硬化処理を行われている。
また、上記第２のモールド部１０の上記第１のモールド部９側を向いている対向面の面積は、上記第１のモールド部９の上記第２のモールド部１０側を向いている対向面の面積よりも小さい。このように、上記第１のモールド部９と上記第２のモールド部１０との線膨張係数の違いによるバイメタル構造の影響を小さくし、バイメタル構造により発生する内部応力を小さくして、樹脂の剥離やクラックを防止し、耐環境性を向上できる。
また、上記第２のモールド部１０の端部は、面取りされている。具体的には、上記面取りされた第２のモールド部１０の端部の形状は、丸面（Ｒ面）または角面（Ｃ面）である。このように、内部応力によるクラックや樹脂剥離の発生を防止できる。
また、上記第２のモールド部１０のモールド樹脂は、上記貫通孔７にも注入されている。上記半導体光素子３として、ＬＥＤを使用する場合、ＬＥＤの光学部６を屈折率が空気よりも高い上記第２のモールド部１０のモールド樹脂により覆うことにより、ＬＥＤの外部量子効率を改善することができる。
上記リードフレーム４の貫通孔７は、上記半導体光素子３が配置される側が小径となるテーパ形状となる角錐穴を設けることが好ましい。上記半導体光素子３としてＬＥＤを使用する場合、放射される光の内の放射角の狭い光は、上記貫通孔７を通過して上記レンズ８に入射し、屈折されて上記光ファイバ２に結合する。一方、上記半導体光素子３から放射される光の内の放射角の広い光は、上記貫通孔７のテーパ部で反射された後、上記レンズ８に入射し、屈折されて上記光ファイバ２に結合して、上記半導体光素子３として放射角度の広いＬＥＤ等を使用した場合でも、上記半導体光素子３から出射される光を、高効率で上記光ファイバ２に結合させることができる。また、上記半導体光素子３としてＰＤを使用する場合でも、入射光を上記貫通孔７のテーパ部により反射することで、集光効果を得ることができる。
上記貫通孔７は、エッチングやプレス加工等により、上記リードフレーム４のパターニング加工の際に同時に形成することができるため、価格を増大させることなく、低価格の光半導体装置１ａが得られる。なお、上記貫通孔７を加工する際に、上記半導体光素子３、上記レンズ８および上記光ファイバ２を位置合せするための基準孔（図示せず）を併せて形成することが好ましい。このような基準孔を上記光半導体装置１ａの組み立て基準とし、上記貫通孔７、上記半導体光素子３、上記レンズ８および上記光ファイバ２を位置合せすることにより、高精度で組み立てを行うことができる。
また、上記半導体光素子３を上記リードフレーム４にフェースダウン配置することにより、上記半導体光素子３の放熱特性を改善できるという副次的効果を得ることができる。例えば、上記半導体光素子３としてＬＥＤを使用する場合、熱はＬＥＤの表層の活性層（上記光学部６）で発生するが、基板（例えばＧａＡｓ）の熱抵抗が大きいため、従来のフェースアップ配置（基板側を上記リードフレーム４に接着する配置）では放熱特性が悪かったが、フェースダウン配置することにより、基板を介さずに、上記リードフレーム４に直接放熱することが可能となって、上記半導体光素子３の放熱特性を改善できる。
上記半導体光素子３と上記リードフレーム４との接合には、例えば、銀ペーストのように導電性の高い接着剤を使用することが好ましい。また、導電性の高い接着剤のなかでも、熱伝導性の高い材料や薄膜の材料を用いることで、熱的なコンタクトが十分得られ、かつ、上記リードフレーム４と上記半導体光素子３との線膨張係数の差を吸収できるようなものがより好ましい。
なお、接着剤は、上記半導体光素子３の光学部６に付着しないようにする必要がある。上記半導体光素子３の表面にあらかじめ、フォトリソグラフィー等の手法により、上記光学部６以外の部分に接着剤の薄膜を形成することにより、確実に接着剤が上記光学部６に付着しないようにすることができる。
上記半導体光素子３としては、ＬＥＤ、ＰＤ、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser））、ＣＣＤ、または、これらの半導体光素子３とＩＣを集積化したＯＰＩＣを用いることができる。上記半導体光素子３の光波長としては、使用する上記光ファイバ２の伝送損失が少ない波長であることが好ましい。
上記半導体光素子３として、８５０nm近辺の発光波長のＶＣＳＥＬを用いた場合は、コアがガラス製でクラッドを樹脂としたＰＣＳ（Polymer Clad Silica）ファイバが使用でき、ＰＯＦ（プラスチックファイバー）を用いる場合よりさらに高速伝送化を実現できる。
上記リードフレーム４としては、銅やその合金、４２アロイ等の導電性を有し、熱伝導性の高い金属からなる薄板状の金属板に、エッチングやプレス、切削加工等により上記貫通孔７を形成し、高い反射率が得られるように表面に銀や金等によるメッキを施したものが用いられる。
ここで、上記リードフレーム４とは、上記半導体光素子３や上記ドライバ回路１５等の部品を搭載して支えるとともに、各部品へ電気を伝える役割を果たす薄板状の金属板を意味する。もちろん、上記リードフレーム４の代わりに、例えば、ステムやプリント基板等の各種の基板を用いることもできる。
上記光ファイバ２としては、例えば、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ：Polymer Optical Fiber）や石英ガラス光ファイバ（ＧＯＦ：Glass Optical Fiber）等のマルチモード光ファイバを用いることが好ましい。ＰＯＦは、コアがＰＭＭＡ(PolymethylMethaAcrylate)やポリカーボネート等の光透過性に優れたプラスチックからなり、クラッドが上記コアより屈折率の低いプラスチックで構成されている。ＰＯＦは、ＧＯＦに比べそのコアの径を約２００μｍから約１ｍｍと大きくすることが容易であることから、上記光半導体装置１ａとの結合調整が容易であり、安価な光通信リンクを得ることができる。また、コアが石英ガラスよりなり、クラッドがポリマーで構成されたＰＣＦ（Polymer Ｃlad Fiber）を用いても良い。ＰＣＦはＰＯＦに比べると価格が高いが、伝送損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴がある。このため、ＰＣＦを伝送媒体とすることにより、より長距離の通信や、より高速の通信を行える光通信リンクを得ることができる。
上記第１のモールド部９のモールド樹脂は、一般に半導体素子の封止に使用されているエポキシ樹脂等にフィラーを添加した材料が使用され、上記半導体光素子３（ＳｉやＧａＡｓ）や上記ワイヤー５（ＡｕやＡｌ）と線膨張係数が近く、熱伝導性の高い材料が使用される。例えば、上記半導体光素子３の線膨張係数が２．８×１０-6／℃（Ｓｉ）であり、上記ワイヤー５の線膨張係数が１４．２×１０-6／℃（Ａｕ）である場合、上記第１のモールド部９の樹脂の線膨張係数は２０×１０-6／℃以下に設定することが好ましい（通常、フィラーを添加していないエポキシ樹脂の線膨張係数は６０×１０-6／℃程度である）。また、上記第１のモールド部９の樹脂の熱伝導率は０．６Ｗ／℃以上に設定することが好ましい（通常、フィラーを添加していないエポキシ樹脂の熱伝導率は０．２Ｗ／℃程度である）。
ここで、通常、膨張係数が大きく異なる２種類のモールド樹脂が密着すると、バイメタル構造の影響により内部熱応力が発生して、例えば、熱サイクル試験におけるクラックや剥離の原因となる。そこで、この発明では、図２に示すように、上記第２のモールド部１０の上記第１のモールド部９側を向いている対向面の面積は、上記第１のモールド部９の上記第２のモールド部１０側を向いている対向面の面積の７０％以下に設定している。
次に、各部材の好ましい寸法について説明する。上記半導体光素子３がＬＥＤである場合、素子サイズが数百μｍ角程度で、上記光学部６はφ１００μｍ程度であり、上記半導体光素子３がＰＤである場合、素子サイズが１ｍｍ角程度で、上記光学部６はφ数百μｍ〜φ１ｍｍ程度である（ただし、通信速度等により上記光学部６のサイズは異なる場合がある）。また、上記リードフレーム４の厚さは、１００〜５００μｍ程度で、上記貫通孔７の小径側は、上記半導体光素子３の光学部６の大きさに合わせて設定される。また、上記貫通孔７周囲のリードフレーム４の所定幅Ｌは、上記第１のモールド９の樹脂が上記貫通孔７に回り込むことを防止するため、数百μｍ〜数ｍｍ程度に設定することが好ましい。上記第１のモールド部９および上記第２のモールド部１０は、厚さが１ｍｍ程度に形成されている。
上記構成の光半導体装置によれば、上記半導体光素子３を上記リードフレーム４の貫通孔７に対向するようにフェースダウン配置していることから、上記リードフレーム４により上記第１のモールド部９の樹脂が上記半導体光素子３の光学部６や光路を遮蔽することを簡易に防止することができる。このように、安価な製造方法で簡易な構成により、フィラーを添加した耐環境性に優れた上記第１のモールド部９の樹脂による上記半導体光素子３や上記ワイヤー５の封止が可能になるという効果を得ることができる。しかも、上記第1のモールド部９の樹脂と上記第２のモールド部１０の樹脂とのバイメタル構造により発生する内部応力を小さくすることができる。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す断面模式図であり、図４は上記光半導体装置をレンズ側から見た正面図である。ただし、上記第１の実施形態で示した構成部と同様の機能を有する構成部は、上記第１の実施形態の構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
この第２の実施形態の光半導体装置１ｂでは、上記半導体光素子３として発光素子３ａと受光素子３ｂとを含み、上記リードフレーム４の貫通孔７として上記発光素子３ａに対向する発光素子用貫通孔７ａと、上記受光素子３ｂに対向する受光素子用貫通孔７ｂとを含む。上記第２のモールド部１０は、上記発光素子用貫通孔７ａを覆う送信部１０ａと、上記受光素子用貫通孔７ｂを覆う受信部１０ｂとを有し、上記送信部１０ａと上記受信部１０ｂとは、分離している。
このように、上記送信部１０ａと上記受信部１０ｂとは、分離しているので、上記発光素子３ａと上記受光素子３ｂは、光学的に分離され、優れたＳＮ比が得られると共に、上記第1のモールド部９と上記第２のモールド部１０のバイメタル構造により発生する内部応力を一層小さくすることができて、耐環境性を一層向上できる。
また、この光半導体装置１ｂでは、上記リードフレーム４に配置されると共に上記発光素子３ａと電気的に接続されている発光素子用信号処理回路部と、上記リードフレーム４に配置されると共に上記受光素子３ｂと電気的に接続されている受光素子用信号処理回路部とを備える。上記発光素子用信号処理回路部および上記受光素子用信号処理回路部は、１つのチップに含まれて、発光素子および受光素子用の信号処理回路部１１となる。
このように、上記発光素子３ａ、上記受光素子３ｂおよび上記信号処理回路部１１を、上記リードフレーム４に配置することができて、送信手段と受信手段の一体化を可能として、小型化を図ることができる。また、上記信号処理回路部１１は、１つのチップであるので、一層小型化を図ることができる。
また、この光半導体装置１ｂでは、上記発光素子３ａと上記リードフレーム４の間に発光素子用サブマウント１２を備え、この発光素子用サブマウント１２は、錐状穴１２ａを有するシリコンサブマウントである。上記錐状穴１２ａの形状は、例えば、円錐形状または角錐形状である。上記錐状穴１２ａは、Ｓｉの異方性エッチングを利用して形成される。このように、上記サブマウント１２の錐状穴１２ａの内壁の反射にて、発光効率を向上させることができる。
また、この光半導体装置１ｂでは、上記受光素子３ｂと上記リードフレーム４の間に受光素子用サブマウント１４を備え、この受光素子用サブマウント１４は、ガラスサブマウントである。上記受光素子用サブマウント１４は、上記受光素子３ｂの電気回路接続用の電極およびパターンを有している。このように、透光性のガラスにより、上記受光素子３ｂにて確実に受光することができる。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す断面模式図であり、図６は上記光半導体装置をレンズ側から見た正面図である。ただし、上記第２の実施形態で示した構成部と同様の機能を有する構成部は、上記第２の実施形態の構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
この第３の実施形態の光半導体装置１ｃでは、上記第２のモールド部１０は、上記発光素子用貫通孔７ａを覆う送信部１０ａと、上記受光素子用貫通孔７ｂを覆う受信部１０ｂと、上記送信部１０ａと上記受信部１０ｂとを連結する連結部１０ｃとを有し、この連結部１０ｃは、溝部１０ｄを有する。
このように、上記連結部１０ｃは、溝部１０ｄを有するので、上記第２のモールド部１０の形状を小さくして、上記第1のモールド部９と上記第２のモールド部１０のバイメタル構造により発生する内部応力を一層小さくすることができて、耐環境性を一層向上できる。
また、この光半導体装置１ｃでは、上記第２のモールド部１０のモールド樹脂は、フィラーを含有した略透明の樹脂である。このように、上記第２のモールド部１０のモールド樹脂は、フィラーを含有しているので、上記第２のモールド部１０の線膨張係数を低下させることができ、上記第1のモールド部９と上記第２のモールド部１０のバイメタル構造により発生する内部応力を更に小さくすることができて、耐環境性を一層向上できる。
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す断面模式図であり、図８は上記光半導体装置をレンズ側から見た正面図である。ただし、上記第２の実施形態で示した構成部と同様の機能を有する構成部は、上記第２の実施形態の構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
この第４の実施形態の光半導体装置１ｄでは、上記第１のモールド部９と上記第２のモールド部１０の間に透光性を有する弾性樹脂からなる緩衝部材１７を備える。このように、上記第１のモールド部９と上記第２のモールド部１０の間に上記緩衝部材１７を備えるので、上記第1のモールド部９と上記第２のモールド部１０のバイメタル構造により発生する内部応力を一層小さくすることができて、耐環境性を一層向上できる。
また、この光半導体装置１ｄでは、上記緩衝部材１７の弾性樹脂は、光半導体装置が保証する最低動作温度以下のガラス転移温度（例えば−４０℃）を有するシリコーン樹脂である。このように、上記緩衝部材１７は、接着性に優れると共に、光半導体装置１ｄが保証する最低動作温度においても、弾性を維持して、上記第1のモールド部９と上記第２のモールド部１０の熱応力を緩和する作用を有する。
この発明の光半導体装置は、光コネクタに使用される。このように、この光コネクタは、上記光半導体装置を備えるので、耐環境性に優れ、信頼性を向上できると共に、小型化、低コスト化が実現できる。
この発明の光半導体装置は、デジタルＴＶ(televisionテレビジョン)、デジタルＢＳ(Broadcasting Satellite：ブロードキャスティング・サテライト)チューナ、ＣＳ(Communication Satellite：コミュニケーション・サテライト)チューナ、ＤＶＤ(Digital Versatile Disc：デジタル多用途ディスク)プレーヤー、スーパーオーディオＣＤ(Compact Disc：コンパクト・ディスク)プレーヤー、ＡＶ(Audio Visual：オーディオ・ビジュアル)アンプ、オーディオ、パソコン、パソコン周辺機器、携帯電話、ＰＤＡ(Personal Digital Assistant：パーソナル・デジタル・アシスタント)等の電子機器に使用される。また、動作温度範囲の広い環境、例えば車載用機器であるカーオーディオ、カーナビ、センサーや、工場内のロボットのセンサー、制御用機器等の電子機器にも使用可能である。このように、この電子機器は、上記光半導体装置を備えるので、耐環境性に優れ、信頼性を向上できると共に、小型化、低コスト化が実現できる。
本発明の第１実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す断面模式図である。 本発明の第１実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す正面図である。 本発明の第２実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す断面模式図である。 本発明の第２実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す正面図である。 本発明の第３実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す断面模式図である。 本発明の第３実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す正面図である。 本発明の第４実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す断面模式図である。 本発明の第４実施形態による光半導体装置の概略的な構成を示す正面図である。 従来の光半導体装置の概略的な構成を示す断面図である。 従来の他の光半導体装置の概略的な構成を示す断面図である。
符号の説明
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 光半導体装置
２ 光ファイバ
３ 半導体光素子
３ａ 発光素子
３ｂ 受光素子
４ リードフレーム
４ａ リード端子
５ ワイヤー
６ 光学部
７ 貫通孔
７ａ 発光素子用貫通孔
７ｂ 受光素子用貫通孔
８ レンズ
９ 第１のモールド部
１０ 第２のモールド部
１０ａ 送信部
１０ｂ 受信部
１０ｃ 連結部
１０ｄ 溝部
１１ 発光素子および受光素子用の処理回路部
１２ 発光素子用サブマウント
１２ａ 錐状穴
１４ 受光素子用サブマウント
１５ ドライバ回路
１７ 緩衝部材
１０１，２０１ 光半導体装置
１０２ 光ファイバ
１０３，２０３ 半導体光素子
１０４，２０４ リードフレーム
１０５，２０５ ワイヤー
１０８ レンズ
１１０ 透光性樹脂
２０６ 光学部
２０８ ガラスレンズ
２０９ 着色モールド樹脂

Claims (15)

  1. 貫通孔を有するリードフレームと、
    光を出射する部分あるいは光を受光する部分である光学部を有すると共に、この光学部が上記貫通孔側を向いて上記貫通孔に重なるように、上記リードフレームの一方の面に配置される半導体光素子と、
    この半導体光素子を覆うと共に、上記リードフレームの一方の面に配置される非透光性モールド樹脂からなる第１のモールド部と、
    上記貫通孔を覆うと共に、上記リードフレームの他方の面に配置される透光性モールド樹脂からなる第２のモールド部と
    を備え、
    上記第２のモールド部の上記第１のモールド部側を向いている対向面の面積は、上記第１のモールド部の上記第２のモールド部側を向いている対向面の面積よりも小さく、
    上記半導体光素子は、発光素子と受光素子とを含み、
    上記リードフレームに配置されると共に上記発光素子と電気的に接続されている発光素子用信号処理回路部と、
    上記リードフレームに配置されると共に上記受光素子と電気的に接続されている受光素子用信号処理回路部と
    を備え、
    上記リードフレームの貫通孔は、上記発光素子に対向する発光素子用貫通孔と、上記受光素子に対向する受光素子用貫通孔とを含み、
    上記第２のモールド部は、上記発光素子用貫通孔を覆う送信部と、上記受光素子用貫通孔を覆う受信部とを有し、
    上記送信部と上記受信部とは、分離していることを特徴とする光半導体装置。
  2. 貫通孔を有するリードフレームと、
    光を出射する部分あるいは光を受光する部分である光学部を有すると共に、この光学部が上記貫通孔側を向いて上記貫通孔に重なるように、上記リードフレームの一方の面に配置される半導体光素子と、
    この半導体光素子を覆うと共に、上記リードフレームの一方の面に配置される非透光性モールド樹脂からなる第１のモールド部と、
    上記貫通孔を覆うと共に、上記リードフレームの他方の面に配置される透光性モールド樹脂からなる第２のモールド部と
    を備え、
    上記第２のモールド部の上記第１のモールド部側を向いている対向面の面積は、上記第１のモールド部の上記第２のモールド部側を向いている対向面の面積よりも小さく、
    上記半導体光素子は、発光素子と受光素子とを含み、
    上記リードフレームに配置されると共に上記発光素子と電気的に接続されている発光素子用信号処理回路部と、
    上記リードフレームに配置されると共に上記受光素子と電気的に接続されている受光素子用信号処理回路部と
    を備え、
    上記リードフレームの貫通孔は、上記発光素子に対向する発光素子用貫通孔と、上記受光素子に対向する受光素子用貫通孔とを含み、
    上記第２のモールド部は、上記発光素子用貫通孔を覆う送信部と、上記受光素子用貫通孔を覆う受信部と、上記送信部と上記受信部とを連結する連結部とを有し、
    この連結部は、溝部を有することを特徴とする光半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載の光半導体装置において、
    上記発光素子用信号処理回路部と上記受光素子用信号処理回路部は、１つのチップに含まれていることを特徴とする光半導体装置。
  4. 請求項１または２に記載の光半導体装置において、
    上記半導体光素子と上記リードフレームの間にサブマウントを備えることを特徴とする光半導体装置。
  5. 請求項１または２に記載の光半導体装置において、
    上記第１のモールド部と上記第２のモールド部の間に透光性を有する弾性樹脂からなる緩衝部材を備えることを特徴とする光半導体装置。
  6. 請求項５に記載の光半導体装置において、
    上記緩衝部材の弾性樹脂は、光半導体装置が保証する最低動作温度以下のガラス転移温度を有するシリコーン樹脂であることを特徴とする光半導体装置。
  7. 請求項１または２に記載の光半導体装置において、
    上記半導体光素子は、発光素子を含み、
    この発光素子は、面発光レーザであることを特徴とする光半導体装置。
  8. 請求項１または２に記載の光半導体装置において、
    上記第２のモールド部のモールド樹脂は、フィラーを含有した略透明の樹脂であることを特徴とする光半導体装置。
  9. 請求項１または２に記載の光半導体装置において、
    上記第２のモールド部は、レンズを有することを特徴とする光半導体装置。
  10. 請求項４に記載の光半導体装置において、
    上記半導体光素子は、発光素子を含み、
    この発光素子と上記リードフレームの間の上記サブマウントは、錐状穴を有するシリコンサブマウントであることを特徴とする光半導体装置。
  11. 請求項４に記載の光半導体装置において、
    上記半導体光素子は、受光素子を含み、
    この受光素子と上記リードフレームの間の上記サブマウントは、ガラスサブマウントであることを特徴とする光半導体装置。
  12. 請求項１または２に記載の光半導体装置において、
    上記第１のモールド部のモールド樹脂は、上記第２のモールド部のモールド樹脂がモールド成型された後で、この第２のモールド部のモールド樹脂と同時に硬化処理を行われていることを特徴とする光半導体装置。
  13. 請求項１または２に記載の光半導体装置において、
    上記第２のモールド部の端部は、面取りされていることを特徴とする光半導体装置。
  14. 請求項１または２に記載の光半導体装置を備えることを特徴とする光コネクタ。
  15. 請求項１または２に記載の光半導体装置を備えることを特徴とする電子機器。
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