(57)【要約】【課題】半導体チップの光素子と蓋体の透光性部材との間の平行度が高く、該光素子の受光や発光の精度の高い光半導体装置を提供する。【解決手段】本発明に係る光半導体装置Ｘは、発光または受光するための光素子１１を有する半導体チップ１０と、半導体チップ１０を搭載するための搭載面２１ａを有する絶縁基体２０と、透光性を有する透光性部材３１を含み、絶縁基体２０とともに搭載面２１ａに搭載された半導体チップ１０を収容するための収容空間Ｓを構成する蓋体３０と、を備える。蓋体３０の下端面は、絶縁基体２０の搭載面２１ａと同一面に当接する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光または受光するための光素子を有する半導体チップと、
前記半導体チップを搭載するための搭載面を有する絶縁基体と、
透光性を有する透光性部材を含み、前記絶縁基体とともに前記搭載面に搭載された前記半導体チップを収容するための収容空間を構成する蓋体と、を備え、
前記蓋体の下端面は、前記絶縁基体の前記搭載面と同一面に当接することを特徴とする、光半導体装置。
【請求項２】
前記蓋体の下端面と前記透光性部材の取付基準面との距離は略一定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。
【請求項３】
前記絶縁基体は、その上面から前記搭載面と同一面まで延びる１または複数の穴を有し、
前記蓋体は、前記１または複数の穴に挿入するための挿入部を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記蓋体は、その本体部と前記挿入部とが別体であり、
前記本体部と前記挿入部とは接着剤により接合されていることを特徴とする、請求項３に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記本体部は、その構成材料として金属、セラミックス、樹脂またはガラスを含み、前記挿入部は、その構成材料として金属またはセラミックスを含むことを特徴とする、請求項４に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁基体は複数の絶縁層を含んで構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁基体は、その構成材料としてセラミックスを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラインセンサやエリアセンサ、発光ダイオードなどの光素子を有する半導体チップを、該半導体チップの搭載面を有する絶縁基体と透光性部材を含む蓋体とにより構成される収容空間に収容してなる光半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スキャナやデジタルカメラ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明装置などの受光や発光の機能を有する電子機器には、ラインセンサやエリアセンサ、発光ダイオードなどの光素子を有する半導体チップを、絶縁基体と蓋体とにより構成される収容空間内に収容してなる光半導体装置が使用されている。このような構成の光半導体装置は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
絶縁基体は、半導体チップを収容するための凹部を有し、例えばセラミックスにより形成されている。絶縁基体の凹部は、その底面が半導体チップの搭載面になる。
【０００４】
また、絶縁基体は、周知のセラミックグリーンシート積層法により製作される。すなわち、凹部となる開口が形成された枠状のものを含む未焼成のシート状セラミックス（セラミックグリーンシート）を複数積層して積層体を形成し、この積層体を焼成することにより製作される。
【０００５】
蓋体は、光を透過させるためのレンズと、該レンズを取付けるための開口を有する枠状部材（フレーム）とを有し、絶縁基体における半導体チップの搭載面を覆うように該絶縁基体の凹部を取り囲む枠部状に取付けられる部材である。レンズは、外部の光を半導体チップの光素子に向けて透過させるための機能、および、半導体チップの光素子から発せられる光を外部に向けて透過させるための機能を担う。フレームの構成材料は、鉄−ニッケル−コバルト合金である。
【０００６】
また、フレームの開口に対するレンズの取り付けは、レンズの取付基準面を基準にして行われる。ここで、取付基準面とは、フレームに対するレンズの位置決めの基準となる面を意味し、具体的にはレンズの厚み方向の中心の横断面である。この取付基準面と半導体チップの光素子との間の離間距離と、レンズの焦点距離とを一致させると、正常な像を得ることができる。
【特許文献１】特開２００３−８６７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような従来の光半導体装置においては、絶縁基体における、半導体チップの搭載面に対して、蓋体の取付け面が傾斜する場合ある。このような傾斜は、例えば、絶縁基体を形成するセラミックグリーンシートのシート内での成形時の厚みにバラツキがあったり、セラミックグリーンシートの上に印刷され且つ電気的信号を伝える配線導体の有無により部分的に傾いて積層されたり、あるいは、セラミックグリーンシートの充填度のバラツキに起因して焼成時に収縮バラツキが生じることにより、発生する。
【０００８】
上述のように蓋体の取付け面が搭載面に対して傾斜すると、レンズの取付基準面と半導体チップの光素子との間の離間距離が所定値から外れてしまい、その結果外部の光を光素子で受光したり、光素子から発せられる光を外部に向けて出射したりするのを正常に行うことが困難になる場合がある。
【０００９】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、半導体チップの光素子と蓋体の透光性部材との間の平行度が高く、該光素子の受光や発光の精度の高い光半導体装置を提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光半導体装置は、発光または受光するための光素子を有する半導体チップと、半導体チップを搭載するための搭載面を有する絶縁基体と、透光性を有する透光性部材を含み、絶縁基体とともに搭載面に搭載された半導体チップを収容するための収容空間を構成する蓋体とを備え、蓋体の下端面は、絶縁基体の搭載面と同一面に当接することを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、蓋体の下端面と透光性部材の取付基準面との距離は略一定である。
【００１２】
好ましくは、絶縁基体は、その上面から搭載面と同一面まで延びる１または複数の穴を有し、蓋体は、１または複数の穴に挿入するための挿入部を有する。
【００１３】
好ましくは、蓋体は、その本体部と挿入部とが別体であり、本体部と挿入部とは接着剤により接合されている。
【００１４】
好ましくは、本体部は、その構成材料として金属、セラミックス、樹脂またはガラスを含み、挿入部は、その構成材料として金属またはセラミックスを含む。
【００１５】
好ましくは、絶縁基体は複数の絶縁層を含んで構成される。
【００１６】
好ましくは、絶縁基体は、その構成材料としてセラミックスを含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光半導体装置では、蓋体の下端面は絶縁基体における半導体チップの搭載面と同一面に当接する。そのため、半導体チップの光素子と蓋体の透光性部材との平行度は、該半導体チップの搭載面と該蓋体の取付け面との間の相対的な傾斜に起因して低下することがない。したがって、本光半導体装置は、半導体チップの光素子と蓋体の透光性部材との間の平行度を高く維持することができるので、光素子の受光や発光の精度を高めることができるのである。
【００１８】
蓋体の下端面と透光性部材の取付基準面との距離が略一定である光半導体装置は、半導体チップの光素子と蓋体の透光性部材との間の平行度をより高く維持することができるので、光素子の受光や発光の精度をより高めることができる。
【００１９】
絶縁基体がその上面から搭載面と同一面まで延びる１または複数の穴を有し且つ蓋体が１または複数の穴に挿入するための挿入部を有する光半導体装置は、半導体チップの光素子と蓋体の透光性部材との間の平行度を容易に高めるうえで好適である。また、本光半導体装置は、挿入部を穴に挿入することにより蓋体の位置合わせができるので、蓋体の絶縁基体に対する位置合わせもより高精度かつ容易になり、受光や発光の精度やその生産性にさらに優れている。
【００２０】
蓋体がその本体部と挿入部とで別体であり且つ本体部と挿入部とが接着剤により接合されている光半導体装置は、同じ長さに作成された挿入部を蓋体に接着剤で取り付けるだけでいいので、製作が容易である。
【００２１】
本体部がその構成材料として金属、セラミックス、樹脂またはガラスを含み且つ挿入部がその構成材料として金属またはセラミックスを含む光半導体装置は、本体部および挿入部の加工性に優れているため、絶縁基体に取着される蓋体の下端面の位置を、挿入部の長さでより正確に調節するうえで好適である。また、本体部と挿入部とを同種の構成材料で形成する光半導体装置は、両者の接合を容易且つ強固にするうえで好適である。
【００２２】
絶縁基体が複数の絶縁層を含んで構成される光半導体装置は、上記構成の光半導体装置をより容易に作製するうえで好適である。具体的には、搭載面より上に位置する絶縁層に穴となる開口部を予め設けておき、それを積層することによって穴が形成されるため、容易に作製できるのである。また、各絶縁層の厚さを調節したり、積層する層数を調節したりすることにより、絶縁基体全体の高さや、搭載面から上面までの高さなどの高さの調節を容易に行うことができる。
【００２３】
絶縁基体がその構成材料としてセラミックスを含む光半導体装置は、機械的強度が高く、熱や湿気による変形が少ないため、組み立て時に設定した平行度の低下を抑制でき、信頼性の向上が得られる。また、本光半導体装置は、放熱性が高いため、搭載面に搭載された半導体チップの熱を効率よく外部に放熱することができ、また耐熱性が高いため、搭載面に搭載された半導体チップが高い温度で作動する場合でも、受ける影響を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係る光半導体装置Ｘを表す断面図である。光半導体装置Ｘは、半導体チップ１０、絶縁基体２０、蓋体３０、配線導体４０、封止部材５０およびワイヤ６０を備えるものであり、発光型と受光型がある。発光型の光半導体装置Ｘは、外部からの電気信号を光に変換するとともに、その光を外部に出射する機能を有し、受光型の光半導体装置Ｘは、外部からの光を受光し、それを電気信号に変換するとともに、その電気信号を外部に導出する機能を有する。光半導体装置Ｘは、バーコードリーダ、画像認識装置、センサ、スキャナ、デジタルカメラ、携帯電話、ＬＥＤ光源装置、ファクシミリ、コピー機、車載用認識装置などの各種光学機器や各種電子機器を構成する外部電気回路基板に、受光（センサや撮像など）用または発光用の装置として実装されるものである。
【００２５】
半導体チップ１０は、光素子１１および電極パッド（図示せず）を有する。半導体チップ１０の形状としては、例えば直方体状や平板状が挙げられる。半導体チップ１０を構成する材料としては、単結晶シリコン、ガリウム−リン（Ｇａ−Ｐ）系化合物、インジウム−リン（Ｉｎ−Ｐ）系化合物などが挙げられる。
【００２６】
光素子１１は、発光または受光するための部材（以下、発光するための光素子を「発光素子」、受光するための光素子を「受光素子」とする場合がある）であり、半導体チップ１０の上面１０ａにおいて、その長手方向（矢印ＡＢ方向）に延びるように設けられている。発光素子１１としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などが挙げられ、発光素子１１を有する半導体チップ１０としては、ＬＥＤチップおよびＬＤチップなどが挙げられる。受光素子１１としては、フォトダイオード（ＰＤ）やフォトトランジスタなどが挙げられ、受光素子１１を有する半導体チップ１０としては、ラインセンサ、エリアセンサ、イメージセンサ、電荷結合素子（ＣＣＤ）、ＥＰＲＯＭ（Erasable and Programmable Read Only Memory）などが挙げられる。
【００２７】
電極パッドは、半導体チップ１０に対して電気や電気信号などを入出力するための部位であり、半導体チップ１０の上面１０ａに配設されている。電極パッドを構成する材料としては、アルミニウム、金および銅などが挙げられる。
【００２８】
絶縁基体２０は、凹部２１および穴部２２を有する。凹部２１は、半導体チップ１０を収容するための部位であり、その底面（搭載面）２１ａに半導体チップ１０が搭載される。穴部２２は、後述する蓋体３０の挿入部３２２を挿入するための部位であり、その形状としては例えば平面視で円形、楕円形、多角形などが挙げられる。絶縁基体２０を構成する材料としては、セラミックスや樹脂などが挙げられる。ここで、セラミックスとは、アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウムセラミックス、炭化珪素セラミックス、窒化珪素セラミックス、ガラスセラミックスなどであり、樹脂とは、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化型または紫外線硬化型の樹脂である。
【００２９】
ここで、絶縁基体２０を構成する材料としてアルミナセラミックスを採用した場合における絶縁基体２０の作製方法の一例について説明する。まず、酸化アルミニウム（アルミナ）やガラスなどの原料粉末を有機溶剤やバインダなどとともにシート状に成形して複数のセラミックグリーンシートを作製する。次に、作製されたセラミックグリーンシートの一部を半導体チップ１０が収容可能な所定寸法の長方形の板状に打ち抜くとともに、穴部２２を構成するために円形状に打ち抜く。次に、打ち抜かれたセラミックグリーンシートを半導体チップが収容可能な所定寸法まで積層するとともに、打ち抜かれていないセラミックグリーンシートを所定寸法まで積層し、所定の焼成温度（例えば１３００〜１６００℃）で焼成する。以上のようにして、絶縁基体２０は作製される。
【００３０】
蓋体３０は、透光性部材３１およびフレーム３２を有し、絶縁基体２０とともに底面（搭載面）２１ａに搭載された半導体チップ１０を収容するための収容空間Ｓを構成する。
【００３１】
透光性部材３１は、光を透過する機能を有し、半導体チップ１０の光素子１１の上方に配される。透光性部材３１の形状としては、平板状、凸レンズ状、凹レンズ状などが挙げられる。透光性部材３１を構成する材料としては、ガラス（光学用ガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、ホウ珪酸ガラスなど）、透明樹脂（アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂など）、石英、サファイアなどが挙げられる。
【００３２】
フレーム３２は、本体部３２１および挿入部３２２を有する。
【００３３】
本体部３２１は、透光性部材３１を取付けるための開口部３２１ａを有し、この開口部３２１ａに接着剤を介して透光性部材３１が取付けられる。接着剤としては、樹脂材料（アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリエーテルアミド系樹脂など）や、低融点ガラスなどが挙げられる。また、本体部３２１の開口部３２１ａに対する透光性部材３１の取り付けは、透光性部材３１の取付基準面を基準にして行われる。ここで、取付基準面とは、フレーム３２に対する透光性部材３１の位置決めの基準となる面を意味し、具体的には透光性部材３１の厚み方向の中心の横断面である。本体部３２１を構成する材料としては、金属材料（鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金など）、セラミックス（アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウムセラミックス、炭化珪素セラミックス、窒化珪素セラミックス、ガラスセラミックスなど）、樹脂、ガラスなどが挙げられる。
【００３４】
挿入部３２２は、絶縁基体２０の穴部２２に挿入するための部材である。挿入部２２の形状は、加工容易性の観点から例えば円形状であり、その直径は例えば２〜４ｍｍである。この直径が２ｍｍ未満になると、本体部３２１の下端面に対して垂直に接続することが困難となる場合があり、この直径が４ｍｍを超えると、挿入部３２２が挿入される穴部２２、該穴部２２を有する絶縁基体２０、ひいては光半導体装置Ｘを大きくする必要があり、小型化を充分に図ることができない場合がある。挿入部３２２を構成する材料としては、金属材料（鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金など）、セラミックス（アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス）、窒化アルミニウムセラミックス、炭化珪素セラミックス、窒化珪素セラミックス、ガラスセラミックスなど）などが挙げられる。なお、挿入部３２２を構成する材料として鉄−ニッケル−コバルト合金を採用した場合、挿入部３２２は、機械切削加工法やプレス加工により作製される。
【００３５】
配線導体４０は、半導体チップ１０と外部電気回路との電気的導通を図るための導電路としての機能を担う。本実施形態における配線導体４０は、その一端部が絶縁基体２０の上面２０ａに配設され、その他端部が絶縁基体２０の下面２０ｂに配設されている。配線導体４０を構成する材料としては、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウム、白金などが挙げられる。
【００３６】
透光性封止部材５０は、絶縁基体２０および接着剤５１と協働して半導体チップ１０を気密封止するための空間を構成する役割を担う。具体的には、光半導体装置Ｘでは、接着剤５１により、透光性封止部材５０が絶縁基体２０の上面２０ａに取り付けられ、且つ、透光性封止部材５０と絶縁基体２０との間の隙間が埋められている。接着剤５１としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルアミド樹脂、アクリル樹脂などの熱硬化型または紫外線硬化型の樹脂である。このような構成とすることにより、透光性封止部材５０および透光性部材３１を介して外部と光素子１１との間の光の授受を達成することができるのに加え、光素子１１を気密封止することができる。したがって、光半導体装置Ｘは、外部の塵埃や水分が光素子１１に影響することに起因する、受光や発光の妨げや特性劣化を抑制することができる。なお、透光性封止部材５０は、上述のように光素子１１を気密封止するような構成には限られず、例えば透光性を有する樹脂材料により光素子１１を直接覆うような構成でもよいし、レンズ状の構成（例えば、鏡筒やレンズホルダ）でもよい。
【００３７】
ワイヤ６０は、半導体チップ１０と配線導体４０とを電気的に接続するための部材であり、その一端部が半導体チップ１０の上記電極パッドに対して電気的に接続され、その他端部が配線導体４０の一端部に対して電気的に接続されている。なお、本実施形態におけるワイヤ６０に代えて、いわゆるリボンなどの帯状接続線などを採用してもよい。
【００３８】
本実施形態に係る光半導体装置Ｘでは、挿入部３２２の下端面は絶縁基体２０における半導体チップ１０の搭載面２１ａと同一面に当接する。そのため、半導体チップ１０の光素子１１と蓋体３０の透光性部材３１との平行度は、該半導体チップ１０の搭載面２１ａと該蓋体３０の取付け面（下端面）との間の相対的な傾斜に起因して低下することがない。したがって、本光半導体装置Ｘは、半導体チップ１０の光素子１１と蓋体３０の透光性部材３１との間の平行度を高く維持することができるので、光素子１１の受光や発光の精度を高めることができるのである。
【００３９】
光半導体装置Ｘは、挿入部３２２の下端面と透光性部材３１の取付基準面との距離が略一定である。ここで、略一定とは、透光性部材３１と半導体チップ１０との平行度が、該半導体チップ１０の光素子１１の平面視で対角線上の距離の１％以内に入ることをいう。したがって、光半導体装置Ｘは、半導体チップ１０の光素子１１と蓋体３０の透光性部材３１との間の平行度をより高く維持することができるので、光素子１１の受光や発光の精度をより高めることができる。
【００４０】
光半導体装置Ｘは、絶縁基体２０がその上面２０ａから搭載面２１ａと同一面まで延びる穴部２２を有し、且つ、蓋体３０が穴部２２に挿入するための挿入部３２２を有する。したがって、光半導体装置Ｘは、半導体チップ１０の光素子１１と蓋体３０の透光性部材３１との間の平行度を容易に高めることができる。また、光半導体装置Ｘは、挿入部３２２を穴部２２に挿入することにより蓋体３０の位置合わせができるので、蓋体３０の絶縁基体２０に対する位置合わせもより高精度かつ容易になり、受光や発光の精度やその生産性にさらに優れている。
【００４１】
光半導体装置Ｘは、蓋体３０がその本体部３２１と挿入部３２２とで別体であり、且つ、本体部３２１と挿入部３２２とが接着剤により接合されている。したがって、光半導体装置Ｘは、同じ長さに作成された挿入部３２２を本体部３２１に接着剤で取り付けるだけでいいので、製作が容易である。
【００４２】
光半導体装置Ｘは、本体部３２１がその構成材料として金属、セラミックス、樹脂またはガラスを含み、且つ、挿入部３２２がその構成材料として金属またはセラミックスを含んでいる。したがって、光半導体装置Ｘは、本体部３２１および挿入部３２２の加工性に優れているため、絶縁基体２０に取着される挿入部３２２の下端面の位置を、挿入部３２２の長さでより正確に調節するうえで好適である。また、本体部３２１と挿入部３２２とを同種の構成材料で形成すると、両者の接合を容易且つ強固にすることができる。
【００４３】
光半導体装置Ｘは、絶縁基体２０が複数の絶縁層を含んで構成されている。したがって、光半導体装置Ｘは、光半導体装置Ｘをより容易に作製することができる。具体的には、搭載面２１ａより上に位置する絶縁層に穴部２２となる開口部を予め設けておき、それを積層することによって穴部２２が形成されるため、容易に作製できるのである。また、各絶縁層の厚さを調節したり、積層する層数を調節したりすることにより、絶縁基体全体の高さや、搭載面２１ａから上面２０ａまでの高さなどの高さの調節を容易に行うことができる。
【００４４】
光半導体装置Ｘは、絶縁基体２０がその構成材料としてセラミックスを含んでいる。したがって、光半導体装置Ｘは、機械的強度が高く、熱や湿気による変形が少ないため、組み立て時に設定した平行度の低下を抑制でき、信頼性の向上が得られる。また、光半導体装置Ｘは、放熱性が高いため、搭載面２１ａに搭載された半導体チップ１０の熱を効率よく外部に放熱することができ、また耐熱性が高いため、搭載面２１ａに搭載された半導体チップ１０が高い温度で作動する場合でも、受ける影響を小さくすることができる。
【００４５】
以上、本発明の具体的な実施形態を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
【００４６】
光半導体装置Ｘでは、本体部３２１と挿入部３２２とは別体であるが、一体としてもよい。
【００４７】
光半導体装置Ｘは、透光性封止部材５０を用いて半導体チップ１０の気密封止を達成しているが、蓋体３０を用いて気密封止を達成するように構成してもよい。なお、このような構成においては、透光性封止部材５０を設けなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態に係る光半導体装置を表す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
Ｘ    光半導体素子
Ｓ    収容空間
１０    半導体チップ
１１    光素子
２０    絶縁基体
２１ａ    底面（搭載面）
３０    蓋体
３１    透光性部材
【図１】
2007012736.tif 000003