(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスペンサ方式若しくはインクジェット方式を用いて液状の透明樹脂を連続的若しくは断続的に基板上に吐出してダム状とする工程と、上記透明樹脂を固化して、封止すべき光半導体素子および当該光半導体素子を包囲し、所定の高さを有するダムを上記基板上に形成する工程と、上記ダム内に上記ディスペンサ方式方式若しくはインクジェット方式を用いて液状の透明樹脂を連続的若しくは断続的に吐出して、上記光半導体素子を上記ダム内の上記透明樹脂中に浸漬する工程と、上記ダム内の上記透明樹脂を固化して透明封止樹脂層を形成する工程と、上記光半導体素子の有する光素子の上方の上記透明封止樹脂層の表面上に、液状の透明樹脂をディスペンサ方式若しくはインクジェット方式によって滴下し、滴下された上記液状の透明樹脂を、当該液状の透明樹脂の表面張力によって形成された球面を保持した状態で固化して、マイクロレンズを形成する工程を含むことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記透明樹脂は光硬化性樹脂若しくは熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記熱硬化性透明樹脂はエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂若しくはポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記光硬化性透明樹脂は光重合開始剤が添加されたエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂若しくはポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体装置の製造方法に関し、詳しくは、表面にマイクロレンズが配置される透明封止樹脂層の厚さ制御して、上記マイクロレンズと光素子の間の距離を一定にすることができる、光半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チップサイズパッケージ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ；ＣＳＰ）と呼ばれる形態を維持し、多数の光信号の入出力を可能にするための光信号入出力装置として、図５に示したように、ＬＳＩチップ（半導体集積回路）５１に、面発光素子または面受光素子などの面型光素子５２が、はんだバンプ５３を介して接続された構造が提案されている（特願平１１−１３８６０５）。この装置においては、ＬＳＩチップ５１上に形成された電極５８は、メタルポスト５６を介してはんだバンプ５７に接続されており、はんだバンプ５７によってプリント基板（図示せず）上に固定される。また、上記電極５８やメタルポスト５６は、モールド樹脂５５中に設けられており、ＬＳＩチップ５１に印加されるストレスの緩和や、ピッチ変換等のパッケージ機能を有する上記チップサイズパッケージの形態が構成されている。
【０００３】
また、上記面型光素子５２は、光の入出力方向をプリント基板側（図５では下方）に向けて、ＬＳＩチップ５１上にフリップチップ実装されているが、素子の信頼性を向上させるため、透明な封止樹脂５４による樹脂封止が行われている。このようにして、電気的信号の入出力のみではなく、光学的信号を入出力する機構も有する半導体装置が構成されている。
【０００４】
また、上記特願平１１−１３８６０５には、光学的信号の入出力機構を有する光半導体装置として、図６に示した構造が示されている。この構造において、ＬＳＩチップ６１の上にフリップチップ実装された面型光素子６２は、透明樹脂６３によってモールドされてパッケージ化されている。プリント基板６８との電気的接続は、インターポーザ６４およびパッケージの外部へ延びるフラットリード６５を介して行われる。また、モールドに用いられた上記透明樹脂６３を透過した光ビームは、透明樹脂６３の一方の面上に形成されたマイクロレンズ６６によってコリメートされて高効率に光結合され、それによって面型光素子６２と光導波路６７の間の光学的接続が実現される。
【０００５】
このような構成を有する光半導体装置は、パッケージをプリント基板上に搭載する際に生ずる、位置ずれによる光結合効率の低下が起こり難いという特徴がある。同様に、面型受光素子またはそのアレイにおいても、マイクロレンズアレイ６６を形成することによって、プリント基板６８側から伝搬されるコリメート光を集束して、高い効率で面型受光素子に導くことが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記マイクロレンズアレイは、面型光素子の光入出力部分に直接形成されるか、あるいは面型光素子を封止する目的で設けられる透明封止樹脂層の表面上に形成される。マイクロレンズアレイの形成においては、その形成位置の制御性と自由度を高く保つことがが特に重要である。例えば、面型発光素子からの出力光を、数１００μｍ径のコリメート光に変換するためには、適当な焦点距離と開口径を有するマイクロレンズを具備していなくてはならない。また、面型発光素子からの出力光は、その構造によって大きく異なり、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）では半値全角が１００°を越すものもあるのに対し、面発光レーザでは１０°以下のものもある。
【０００７】
これら多様な光素子に、マイクロレンズを付加して所望のビーム変換を行い、さらにはパッケージのダウンサイジングを実現するためには、多様な焦点距離を有するマイクロレンズ群を用意するのみではなく、各光素子に対するマイクロレンズの位置、特に光素子−マイクロレンズ間の距離を、正確に制御する必要がある。
【０００８】
多くの場合、マイクロレンズまたはそのアレイは、透明封止樹脂層の表面上の、光素子の光入出力部分に対応した位置に形成されている。したがって、マイクロレンズアレイによる光結合効率を向上させて、位置ずれに対する許容度を十分に拡大するためには、マイクロレンズアレイを高い精度で所定の位置に配置する必要があり、そのためには、マイクロレンズアレイと光素子の間に介在する透明封止樹脂層の厚さを、高い精度で制御するとともに、その表面を十分平坦化することが不可欠である。
【０００９】
本発明の目的は、上記透明封止樹脂層の厚さの制御と表面の平坦化が十分良好で、上記光素子を高い精度で封止樹脂によって封止することができ、さらに、入出力光部分に高い自由度でマイクロレンズを形成することのできる光半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の光半導体装置の製造方法は、ディスペンサ方式若しくはインクジェット方式を用いて、液状の透明樹脂を添加して固化させることにより、光半導体素子の封止、マイクロレンズの形成およびダムの形成を行うことを特徴とする。
【００１３】
上記光硬化性樹脂として使用できる樹脂は、紫外線、可視光若しくは赤外線などの照射によって硬化され、硬化された後において、使用される波長域の光に対し透明あるいは吸収が小さい樹脂であり、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂若しくはポリイミド樹脂に、それぞれ光重合開始剤を添加して、紫外線〜赤外線の範囲の所望の光によって硬化するようにした樹脂を使用できる。とくに光重合開始剤を添加して、屈折率や硬化収縮率が調節された紫外線硬化型のエポキシ樹脂が実用上最も好ましい。
【００１４】
本発明においては、所定の深さを有する凹部を基板に形成した後、封止すべき光半導体素子を上記凹部内に形成し、上記凹部内にディスペンサ方式若しくはインクジェット方式を用いて液状の透明樹脂を連続的若しくは断続的に吐出して上記光半導体素子を上記透明樹脂中に浸漬し、上記透明樹脂を固化して透明封止樹脂層を形成した後、さらに、上記光半導体素子の有する光素子の上方の上記透明封止樹脂層の表面上に、液状の透明樹脂をディスペンサ方式若しくはインクジェット方式によって滴下し、滴下された上記液状の透明樹脂を、当該液状の透明樹脂の表面張力によって形成された球面を保持した状態で固化して、マイクロレンズを形成する。上記透明封止樹脂層の厚さは、上記凹部の深さまたは凹部内に入れられた透明樹脂の量によって定まるから、これらを制御することによって、マイクロレンズと光素子の間の距離を、高い精度で容易に制御することができる。
【００１５】
この場合は、例えば図４に示したように、基板１３の表面に形成された所望の深さを有する凹部と、当該凹部内に形成された光半導体素子と、上記凹部内に形成された上記光半導体素子を覆う透明封止樹脂層３３と、上記光光半導体素子の有する光素子１２ａ、１２ｂの上方の上記透明封止樹脂層３３の表面上に形成されたマイクロレンズ２０を有する光半導体装置が形成される。
【００１６】
また、上記凹部を形成してその中に光半導体素子を形成するのではなく、所定の高さを有するダムを基板上に形成して、基板上に形成された封止すべき光半導体素子を上記ダムによって包囲する。次に、上記ダム内に液状の透明樹脂を、ディスペンサ方式若しくはインクジェット方式を用いて連続的若しくは断続的に吐出して、上記光半導体素子を上記透明樹脂中に浸漬する。次に、上記透明樹脂を固化して透明封止樹脂層を形成した後、上記光半導体素子の有する光素子の上方の上記透明封止樹脂層の表面上に、液状の透明樹脂をディスペンサ方式若しくはインクジェット方式によって滴下し、滴下された上記液状の透明樹脂を、当該液状の透明樹脂の表面張力によって形成された球面を保持した状態で固化して、マイクロレンズを形成する。この場合も、上記透明樹脂層とマイクロレンズは、いずれもディスペンサ方式若しくはインクジェット方式によって形成できるので、実用上好ましい。上記透明封止樹脂層の厚さ、したがってマイクロレンズと光素子の間の距離は、上記ダムの深さまたはダム内に入れた液状の透明樹脂の量に依存し、これらを制御することによって、上記距離を容易かつ高い精度で制御することができる。
さらに、上記ダムを、光硬化性樹脂を用いて形成することもできる。この場合、ディスペンサ方式若しくはインクジェット方式を用いて液状の透明樹脂を連続的若しくは断続的に吐出して、封止すべき光半導体素子および当該光半導体素子を包囲し所定の高さを有するするダム状とした後、上記透明樹脂を固化して所定の高さを有するダムを基板上に形成する。このようにすれば、ダム、透明封止樹脂層およびマイクロレンズを共通の方式を用いて形成できるので実用上好ましい。
【００１７】
この場合は、例えば図３に示したように、基板１３の表面上に形成された光半導体素子と、上記基板の表面上に上記光半導体素子を包囲して形成された所望の高さを有するダム３２と、当該ダム３２内に形成された上記光半導体素子を覆う透明封止樹脂層３３と、上記光半導体素子の有する光素子１２ａ、１２ｂの上方の上記透明封止樹脂層３３の表面上に形成されたマイクロレンズ２０を有する光半導体装置が形成される。
【００１８】
上記凹部を形成して利用する場合およびダムを形成して利用する場合において、上記透明樹脂としては光硬化性樹脂若しくは熱硬化性樹脂を使用することができる。上記熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂若しくはポリイミド樹脂などを使用することができ、上記光硬化性樹脂としては、光半導体素子を液状の樹脂中にいれて光照射を行った上記方法の場合と同じものを使用できる。
【００１９】
なお、上記光硬化性樹脂に対する光照射において、光強度は数ｍＷ／ｃｍ２〜数１００Ｗ／ｃｍ２、露光時間は樹脂層の厚さによって１０秒〜５分の範囲内で適宜選択できる。比較的低い光強度（数１０ｍＷ／ｃｍ２程度）で長時間（１分以上）露光すると、樹脂層表面の凹凸が少なく、平坦性が良好になる。また、未硬化部分の除去には、エチルアルコールなどの有機溶剤によって溶解させるか、あるいは空気のブローによって吹き飛ばしてもよい。
【００２０】
上記マイクロレンズとしては、集光作用を有するレンズ状物体を形成するか、あるいは、あらかじめ成型された物体を透明封止樹脂層上に装着して用いることが可能であるが、本発明では、上記のように集光作用を有するレンズ状物体を、透明樹脂層上に滴下した透明樹脂から形成し、レンズとして使用する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
参考例
図１および図２を用いて本発明の参考例を説明する。図２に示したように、本参考例によって形成された光半導体装置は、半導体集積回路を有するＬＳＩチップ１１、複数の面発光素子をアレイ配列して構成された面発光素子１２ａおよび複数の面受光素子をアレイ配列して構成された面受光素子１２ｂを、パッケージ（図示せず）内に収納して、光信号入出力機能を有する光半導体装置が構成されている。
【００２２】
上記ＬＳＩチップ１１、面発光素子１２ａおよび面受光素子１２ｂは、電気配線基板１３上に搭載されており、接続導体１４によって電気的に互いに接続されている。さらに、ＬＳＩチップ１１の周縁部には接続リード１５が形成され、配線フィルム１６と接続されている。配線フィルム１６上には、エリアアレイ状にはんだバンプ１８が形成されており、プリント基板（図示せず）との接続に用いられる。また、ＬＳＩチップ１１と配線フィルム１６の間には、エラストマ１７が挿入されて、ＬＳＩチップ１１にかかるストレスを吸収し、ＬＳＩチップ１１を保護する。また、面型光素子１２ａ、１２ｂは、それぞれ透明封止樹脂１９によって封止されており、この透明樹脂１９の表面上には、マイクロレンズ２０が形成されている。
【００２３】
上記面型発光素子１２ａからの出力光１２ｃは、透明封止樹脂１９を透過した後、マイクロレンズ２０によってコリメートされて、あらかじめプリント基板側に設けられた光導波路（図示せず）と高い効率で光結合される。上記透明封止樹脂１９としては光硬化性樹脂を用い、面型光素子１２を電気配線基板１３に実装して、接続導体１４と電気的に接続した後に、光造形法を用いて作製した。
【００２４】
この作製方法を、図１を用いて詳細に説明する。なお、図１においては、説明を簡略化するため、ＬＳＩチップ１１の部分は図示を省略し、面型光素子１２のみが電気配線基板上に実装されている状態を示した。まず、図１（ａ）に示したように、未硬化の液状の光硬化性樹脂２１として、紫外線硬化型エポキシ樹脂を容器２２内に入れ、面型光素子１２が搭載された電気配線基板１３をこの光硬化性樹脂液２１内に入れた。この際、面型光素子１２の発光面若しくは受光面が、光硬化性樹脂液２１の液面から所定の深さに位置するように、ステージ２３を調節しておく。上記深さは、面型光素子上における上記透明封止樹脂層１９の厚さに相当し、この厚さによって面型光素子とマイクロレンズの間の距離が決まる。
【００２５】
この状態において、面型光素子１２より大きな開口を有する露光マスク２４を用い、光照射装置２５によって上面より紫外線を露光して、光硬化性樹脂２１の被照射部分を硬化させて固体化した後、未硬化部分を除去して、図１（ｂ）に示したように、硬化された光硬化性樹脂２１ｂによって、面型光素子１２が樹脂封止された構造を形成した。
【００２６】
次に、上記硬化された光硬化性樹脂２１ｂからなる透明封止樹脂１９の表面上に、マイクロレンズ２０を形成して、図２に示したＢＧＡパッケージ構造の光半導体装置を作製した。なお、マイクロレンズ２０の形成方法としては、透明封止樹脂１９による樹脂封止を行った後に、紫外線硬化型樹脂液を、ディスペンサあるいはインクジェット方式によって透明封止樹脂１９の表面に滴下し、その液の表面張力によって形成される球面を保持させたまま、樹脂を硬化してレンズとする方法が、形成の簡便さと形成の自由度の点から特に有効である。
【００２７】
あるいは、光硬化性樹脂２１の所望部分を硬化させて光硬化性樹脂２１ｂを形成した後、ステージ２３を駆動させて光硬化性樹脂２１ｂによって覆われた面型光素子１２が搭載された電気配線基板１３を下降させ、この状態で、上記光照射装置２５からの光ビームを細く集光して、未硬化の光硬化性樹脂２１のごく微小領域のみを硬化させてもよい。このようにすれば、マイクロレンズ２０と硬化された光硬化性樹脂２１ｂ（図２における上記透明封止樹脂１９に相当）を、一体化して形成することができる。
【００２８】
さらに、平板マイクロレンズアレイのような、ガラス基板上に形成されたマイクロレンズアレイを、透明封止樹脂１９上に固定して、上記マイクロレンズ２０を形成することも可能である。
【００２９】
また、本参考例においては、発光素子１２の上面と未硬化の光硬化性樹脂２１の液面の間の距離が、透明封止樹脂層の厚さと等しくなるように、発光素子１２を未硬化の液状光硬化性樹脂２１内に沈降させることによって、露光プロセスを一回のみとした。しかし、ステージ２３を断続的あるいは連続的に駆動して、複数回の露光を行い、一回あたりの硬化深さを少なくすれば、硬化時の収縮や硬化深度の影響は減少し、硬化後の表面平坦性をさらに向上させることができた。
【００３０】
実施例１
図３は、本発明によって形成された、光学的信号の入出力機構を有する樹脂封止光半導体装置の構造の例を示す。本実施例においては、半導体集積回路を有するＬＳＩチップ１１、複数の面発光素子をアレイ配列して構成された面発光素子１２ａおよび複数の面受光素子をアレイを配列して構成された面受光素子１２ｂを、パッケージ（図示せず）内に収納して、光信号入出力機能を有する光半導体装置が構成されている。
【００３１】
上記ＬＳＩチップ１１、面発光素子１２ａおよび面受光素子１２ｂは、電気配線基板１３上に搭載されており、接続導体１４によって互いに電気的に接続されている。さらに、上記電気配線基板１３の周縁部には、リードフレーム３１が形成され、プリント基板（図示せず）との接続に用いられる。
【００３２】
また、電気配線基板１３上においては、樹脂からなるダム３２がＬＳＩチップ１１および面型光素子１２ａ、１２ｂを、内側に含むように形成されている。上記樹脂からなるダム３２によって囲まれた領域には、透明樹脂３３が充填されており、上記ＬＳＩチップ１１と、面型光素子１２ａ、１２ｂを封止して、熱や衝撃等のストレスから保護する役割を果たし、耐環境性を高めることによって、チップの信頼性を高めている。
【００３３】
さらに、上記透明樹脂３３の表面上にはマイクロレンズアレイ２０が形成される。面型光素子１２ａ、１２ｂとマイクロレンズ２０の間の距離は、封止に用いられた透明樹脂層３３の厚さによって規定されるが、この厚さは、ダム３２の高さおよび封止樹脂３３の供給量によって容易に調節することができる。
【００３４】
上記ダム３２を形成する方法として、たとえば、ディスペンサやインクジェット方式を用いて、適当量の光硬化性樹脂液を連続的または断続的に吐出しながら、面型光素子１２ａ、１２ｂとＬＳＩチップ１１を囲むようにステージを駆動させてダム状とした後、光照射によって硬化させる方法を用いた。この形成方法は、続いて行われる透明樹脂による封止工程と、マイクロレンズの形成においても同様に適用することができるため、非常に有効である。
【００３５】
また、あらかじめ作製された、樹脂、金属若しくはセラミックス製のスペーサを配線基板１３上に並べて配置し、これらスペーサをダムとして用いてもよい。
これらのダム３２は、透明封止樹脂層３３の厚さを規定するために使用されるものであるから、使用波長に対して透明である必要はない。透明封止樹脂層３３の表面平坦化は、例えば、低粘度あるいは低表面張力の樹脂を用いて形成することによって、容易に実現できる。さらに、このような樹脂の自由液面を利用した方法のみではなく、平坦面を有する透明基板を接触させておき、それを通して光照射を行って樹脂を硬化させた後に、上記透明基板を除去する方法を用いても容易に表面平坦化を実現することができ、実用可能である。また、マイクロレンズ２０は、上記参考例において示した方法と同じ方法、すなわち、紫外線硬化性樹脂液を、ディスペンサあるいはインクジェット方式によって透明封止樹脂層３３の表面に滴下し、その液の表面張力によって形成された球面を保持したまま、樹脂を硬化させてマイクロレンズ２０とする方法を用いて形成した。
【００３６】
なお、本実施例においては、面型光素子１２ａ、１２ｂとＬＳＩチップ１１を内側に含むようにダム３２を形成したが、面型光素子１２ａ、１２ｂのみを内側に含み、ＬＳＩチップ１１は外側になるように、ダム３２を形成してもよい。この場合は、図３に示した、リードフレーム３１を用いたフラットパッケージ構造のみではなく、エリアアレイ状に配置したはんだバンプを用いたボールグリッドアレイ型のパッケージや、チップサイズパッケージ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ；ＣＳＰ）とすることが可能となる。
【００３７】
実施例２
図４は、本発明の第２の実施例において形成された半導体装置の構造を示す図である。図４に示したように、本実施例において形成された半導体装置は、半導体集積回路が作製されたＬＳＩチップ１１、面発光素子をアレイ配列して構成された面発光素子１２ａおよび面受光素子をアレイ配列して構成された面受光素子１２ｂを、あらかじめ凹部を設けたＢＧＡパッケージ基板４１上に搭載し、透明樹脂３２によってこれらを封止したエリアアレイパッケージ構造を有している。
【００３８】
ＢＧＡパッケージ基板４１に設けられた凹部の深さおよび凹部内に入れられた透明樹脂４２の液量によって、封止樹脂４２の厚さが規定され、両者を制御することにって、面型光素子１２ａ、１２ｂとマイクロレンズ２０との距離を所望の値に制御することができる。また、封止樹脂４２の表面は、上記実施例１と同様に、低粘度の樹脂を用いるなどの方法によってして平坦化することができた。また、マイクロレンズ２０も、上記実施例１と同じ方法を用いて形成した。また、上記ＢＧＡパッケージ基板のみではなく、表面に凹部を形成することのできるパッケージ基板であれば、全く同様に使用することができる。さらに、ピングリッドアレイ型パッケージや凹部付きバタフライ型パッケージも、同様に使用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、本発明によれば、光学的信号の入出力機構を有する樹脂封止光半導体装置を製造するに際し、光素子とマイクロレンズの間の距離およびマイクロレンズの位置を高い精度で制御することができる。さらに、チップの保護のためのみではなく、透明封止層の厚さや表面平坦性を制御して樹脂封止を行うことができるので、入出力光のビーム変換に必要なマイクロレンズを高い自由度で形成することが可能になり、様々な形態の光学的信号の入出力機構を有する半導体装置を低コストに形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例における樹脂封止の方法を説明するための図。
【図２】本発明の参考例において形成された半導体装置の断面構造を示す図。
【図３】本発明の第１の実施例において形成された半導体装置の断面構造を示す図。
【図４】本発明の第２の実施例において形成された半導体装置の断面構造を示す図。
【図５】従来の光半導体装置の構造の第１の例を模式的に示した図。
【図６】従来の光半導体装置の構造の第２の例を模式的に示した図。
【符号の説明】
１１…ＬＳＩチップ、１２…面型光素子、１２ａ…面発光素子アレイ、１２ｂ…面受光素子アレイ、１２ｃ…面発光素子からの出力光ビーム、１３…配線基板、１４…接続導体、１５…接続リード、１６…配線フィルム、１７…エラストマ、１８…はんだバンプ、１９…透明封止樹脂、２０…マイクロレンズ、２１…接続リード、２２…はんだバンプ、３１…ＢＧＡパッケージ基板、３２…透明樹脂、３２ｂ…透明樹脂表面、３３…はんだバンプ、４１…透明樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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