專利名稱：具有光信號輸入輸出機構的半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有光信號輸入輸出機構的半導體裝置，該光信號輸入輸出機構包括一種光傳導介質和一種光元件，特別涉及一種平面光元件，該光元件從光傳導介質接收或向光傳導介質傳送光信號并在光信號和電信號之間進行相互轉換。
背景技術：
近來，在半導體裝置中，對于在其中半導體芯片通過光信號通路互連的光互連或光通信來說，已經(jīng)頻繁地使用了光信號和電信號之間執(zhí)行相互轉換的光模塊。在最新的光模塊中，平面光元件在許多情況下被用作組件，并且它們的光耦合系統(tǒng)需要等于或小于幾十微米的定位精確度。一種被開發(fā)為使用這種光模塊的半導體裝置是具有如下結構的光信號輸入輸出單元的裝置，其中在該結構中，當光模塊被安裝在光印刷電路板的預定位置或被安裝在配有光波導作為光傳導介質的光電復合襯底的預定位置時，光模塊的平面光元件和光波導之間就形成了光耦合。人們特別期望這樣的光信號輸入輸出機構能實際應用在光互連領域。
日本專利特開No.2000-332301中公開的半導體裝置是一個常規(guī)的例子。附

圖1是該常規(guī)例子的半導體裝置的部分截面示意圖。該半導體裝置具有芯片尺寸封裝的結構，其中組成半導體集成電路的LSI芯片57和平面光元件陣列61a以與LSI芯片57相當?shù)耐鈴匠叽绫环庋b在該芯片尺寸封裝的結構中，其中在所述平面光元件陣列61a中，平面光元件被二維地排列。印刷線路板51和模制樹脂68用于封裝。印刷線路板51除了電線58之外還配有光波導65。就光波導65而言，每個光輸入輸出部分都被排列在光波導65的頂面上，該光波導65面對著平面光元件陣列61a。基于該目的，使用了這樣的反射面，所述反射面形成在光波導65的一個末端，從而與平面光元件陣列61a的輸入/輸出光形成45°角。對應地通過焊接塊66，LSI芯片57被裝在印刷線路板51的預定位置上，而平面光元件陣列61a被裝在LSI芯片57的預定位置上。因此，每個平面光元件陣列61a的光輸入輸出表面部分都與每個光波導65的光輸入輸出部分光耦合，它們的光軸是互相對準的。微透鏡62被配置在平面光元件陣列61a的每個輸入輸出表面部分和光波導65的每個光輸入輸出部分。
日本專利特開No.2001-185752公開的半導體裝置是另一個例子。附圖2是該常規(guī)例子的半導體裝置的部分截面示意圖。在該半導體裝置中，插入LSI芯片77和平面光元件陣列81a的TBGA(載帶球柵陣列)封裝結構79裝在印刷線路板71上。平面光元件陣列81a的每個輸入輸出表面部分都同光波導85的光輸入輸出部分光耦合，它們的光軸通過TBGA封裝結構79互相對準，該TBGA封裝結構79被裝在印刷線路板71的預定位置上，在所述印刷電路板中形成光波導85。微透鏡82被配置在平面光元件陣列81a的每個輸入輸出表面部分和光波導65的每個光輸入輸出部分。
盡管如此，但在上述常規(guī)例子記述的結構中，仍然難以保持平面光元件陣列61a和81a以及光波導65和85呈如下狀態(tài)即，盡管溫度發(fā)生變化，但它們的光軸仍然對準，所述溫度變化是因為印刷線路板51和71與LSI芯片57和77的熱膨脹系數(shù)之間的差異而產(chǎn)生的，其中，平面光元件陣列61a和81a等安裝在LSI芯片57和77上。此外，當多個平面光元件陣列61a和81a被配置時，難以同時進行它們的光軸調(diào)整，并且為了調(diào)整，需要使用極高精確的安裝工藝，而這導致了成本增加。
發(fā)明公開本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有光信號輸入輸出機構的半導體裝置，該裝置利用以降低成本的簡化結構的光傳導介質來實現(xiàn)平面光元件的光軸的高精度對準。
本發(fā)明的半導體裝置具有一種主襯底，在該襯底上形成了同半導體元件連接并同平面光元件連接的電線。此外，將一種傳導輸入到平面光元件的光和/或從平面光元件輸出的光的光傳導介質固定在主襯底上。
該平面光元件被裝在小襯底的一端上。在本發(fā)明的第一方面中，小襯底的另一個端面被電連接到主襯底上并被固定在主襯底上。在第二方面中，小襯底的另一端被電連接到子襯底上并被固定在子襯底上。該子襯底被電連接到主襯底上并被固定在主襯底上。
在這兩方面的任一方面中，平面光元件安裝處的小襯底的一端被通過固定機構固定到主襯底上，從而平面光元件的輸入輸出表面面對著光傳導介質的光輸入輸出部分。該小襯底具有可變形部分，該可變形部分同主襯底和小襯底的其它部分相比可以容易地變形，該可變形部分位于如下兩端之間的至少部分區(qū)域中其中在一端出安裝了平面光元件，以及另一端同主襯底或子襯底電連接。
這樣，盡管可以使得本發(fā)明的半導體裝置具有簡化結構，然而本發(fā)明中，根據(jù)本發(fā)明，還可以容易地使得平面光元件精確地同光傳導介質對準。這是因為即使當固定到主襯底上或子襯底上的小襯底的端部的安裝位置具有一些容差時，也可以使用可變形部分的變形容易地相對于主襯底而調(diào)整安裝了平面光元件的小襯底的一端的位置，因此可以相對于光傳導介質調(diào)整平面光元件的位置。此外，本發(fā)明不需要如下的工藝，所述的工藝是在主襯底上以高精度實現(xiàn)在其上安裝有平面光元件的平面光元件和組件，用于光傳導介質與平面光元件的光軸的高精度對準，因此可以減少半導體裝置的成本。
本發(fā)明中，也可以抑制平面光元件和光傳導介質之間不對準的發(fā)生，該不對準源于由于如溫度變化的環(huán)境變化，該不對準使得平面光裝置相對于主襯底偏離。這是因為，即使當因為小襯底、主襯底和/或子襯底的溫度變化而產(chǎn)生不同的熱膨脹或熱收縮時，它也可以被可變形部分的變形所吸收。
本發(fā)明中，可變形部分可以具有彎曲和/或收縮部分，該彎曲部分向遠離主襯底處的方向凸起地彎曲，在該收縮部分中，在與連接如下兩端的線正交的方向上寬度變窄，其中一端是平面光元件貼裝處，另一端電連接到主襯底，和/或該可變形部分還可以具有向該線延伸的狹縫。這些結構可以容易地使該可變形部分變形，從而能夠對平面光元件安裝處的一端進行位置調(diào)整。
該小襯底可以是彈性變形的薄襯底，特別是塑料膜。
該平面光元件可以具有多個輸入輸出表面，以及該光傳導介質可以具有分別同多個輸入輸出表面對應的多個光輸入輸出部分。
本發(fā)明的半導體裝置可以具有多個小襯底，平面光元件分別裝在這些小襯底上。
附圖簡述圖1示出了具有光輸入輸出機構的常規(guī)例子的半導體裝置的部分截面示意圖；圖2示出了具有光輸入輸出機構的另一常規(guī)例子的半導體裝置的部分截面示意圖；圖3A示出了具有光輸入輸出機構的本發(fā)明第一實施方式的半導體裝置的截面示意圖；圖3B示出了附圖3A中半導體裝置的小襯底的頂視示意圖；圖3C示出了附圖3A中半導體裝置的小襯底的端部的固定機構的部分截面圖，平面光元件被配置在該處；
圖4A示出了本發(fā)明具有光輸入輸出機構的第二實施方式的半導體裝置的截面示意圖；圖4B示出了附圖4A中半導體裝置的小襯底的端部的固定機構的部分截面圖，平面光元件被配置在該處；和圖5示出了本發(fā)明第三實施方式的半導體裝置的小襯底的頂視示意圖。
本發(fā)明的最佳實施方式圖3A-3C舉例說明了本發(fā)明第一實施方式的半導體裝置。該半導體裝置具有作為主襯底的印刷線路板11，在所述印刷線路板11上，形成了期望圖案的電線18和形成了作為光傳送介質的光波導25。光波導25具有在圖3A中位于其一端頂面的光輸入輸出部分25a。
在印刷線路板11上，LSI芯片17通過焊接塊26安裝，以及平面光元件21通過小襯底13連接，該平面光元件21可以是在光信號和電信號之間進行轉換的平面光接收元件或平面光發(fā)射元件。也就是說，平面光元件21通過焊接塊26固定在小襯底13的一端，電線18形成于該端面處，而小襯底13的另一端通過焊接塊26形成了連接到印刷線路板11的襯底連接部分14。除了具有塊形式以外的焊料和/或連接組件之外的材料，如導銷也可以用于連接小襯底13和印刷線路板11。
在本實施方式的半導體裝置中，光波導25、平面光元件21和小襯底13組成了光輸入輸出機構，其能夠從LSI芯片17或向LSI芯片17傳送光信號。
平面光元件21在對著小襯底13的側面具有輸入輸出表面部分21a。光通孔13a形成在小襯底13的如下位置該位置對應于輸入輸出表面部分21a。
小襯底13可以是可彈性變形和機械靈活的薄襯底，在該襯底中至少有這樣的區(qū)域形成了容易彎曲的可變形部分15，所述區(qū)域是沿著連接線方向的固定長度的區(qū)域，該連接線連接了襯底連接部分14和安裝了平面光元件21的部分。在圖3A和3B舉例說明的例子中，可變形部分15被布置在小襯底13的襯底連接部分14的附近。
在可變形部分15中，如圖3A舉例說明的那樣，配有一個向上凸起，也就是說，向遠離印刷線路板11的方向凸起的彎曲。此外，如圖3B所示，可變形部分15具有如下收縮結構在該結構中，兩側部分都被開口成半圓形從而寬度較窄，并且該結構是一種彈性結構。因為向上彎曲和收縮結構的協(xié)作效果，使可變形部分15可以容易地在垂直方向(即彎曲方向)和水平方向(即扭曲方向)上移位。
因為該可變形部分15，即使在固定了襯底連接部分14之后仍然可以在小范圍內(nèi)移動平面光元件21。利用上述優(yōu)點，平面光元件21以如下方式固定在印刷線路板11上輸入輸出表面部分21a的定位使得它的光軸同印刷線路板11上形成的光波導25的光輸入輸出部分25a的光軸一致。
對于將小襯底13的一個端部固定到印刷線路板11上的固定機構沒有任何特定的限制，其中平面光元件21被安裝在該端部。在該實施方式中，如附圖3(C)所示，固定是如此實現(xiàn)的使安裝在印刷線路板11里的導銷22穿過形成在小襯底13中的導孔13b，以及將帽狀固定零件23固定在導銷22上。導銷22具有梯級部分22a，經(jīng)過該梯級部分22a的導銷22的上側直徑較窄。導孔13b的直徑比導銷22的下側處較大直徑部分小，以及小襯底13由放置在梯級部分22a之上的底面支撐。這時，因為導孔13b的直徑比導銷22上側的較小直徑部分大，所以通過在導銷22的梯級部分上滑動的小襯底13，可以精確地調(diào)整平面光元件21的位置。利用該優(yōu)點，平面光元件21的輸入輸出表面部分21a的光軸和光波導25的光輸入輸出部分25a的光軸被對準，然后固定零件23被壓進導銷22中。由此，其中實現(xiàn)了平面光元件21的小襯底13的端部的位置和因此平面光元件21的位置通過如下方式相對于印刷線路板11被固定，所述方式是將小襯底13夾入固定零件23的底面和導銷22的梯級部分22a的頂面之間。
在該實施方式中，在不需要大幅增加襯底連接部分14處的小襯底13的安裝精度的情況下，可以排列平面光元件21使得它的光軸同光波導25的光軸對準。此外，在該實施方式的結構中，即使當小襯底13和印刷線路板11中的溫度發(fā)生變化時，也可以通過小襯底13的可變形部分15的變形來吸收由于熱膨脹量之間、熱收縮量之間的差異引起的變形。因此，當溫度變化時，可以防止力作用在平面光元件21上和防止平面光元件21和光波導25的光軸之間產(chǎn)生偏差，其中所述的力將會引起平面光元件21相對于印刷線路板11的位移。
接下來，圖4A和4B舉例說明了本發(fā)明第二實施方式的半導體裝置。平面光元件41通過焊塊46連接到其上形成有電線38的小襯底33的一端上。在該實施方式中，在子襯底32上實現(xiàn)的平面光元件41和小襯底33組成了LSI芯片37的光輸入輸出機構。
光通孔33a形成在小襯底33與平面光元件21的光輸入輸出表面部分21a對應的部分。此處，小襯底33可以是可彈性變形和機械靈活的薄襯底。小襯底33的另一端通過焊接塊46在襯底連接部分34處連接到子襯底32上，在該子襯底32的兩側都配有電線。此外，子襯底32通過焊接塊46連接到印刷線路板31上。在子襯底32中，光通孔32a形成于如下位置該位置與配置在印刷線路板31上的光波導45的光輸入輸出表面部分45a對應。此處，除了具有塊形式之外的焊料和/或連接組件之外的材料，如導銷，可以用于連接小襯底33和子襯底32，并可以用于連接子襯底32和印刷線路板31。
可變形部分35被配置在小襯底33的襯底連接部分34的附近。因為可變形部分35具有同圖3A-3C記述的第一實施方式中可變形部分15相同的結構和功能，故略去詳細的說明。
因為可變形部分35，即使在襯底連接部分34固定的情況下，平面光元件41仍然可以在小范圍內(nèi)移動。因此，可以使平面光元件41和形成在印刷線路板31上的光波導45對準。
在對準光軸之后，小襯底33通過利用導銷42和固定零件43固定在印刷線路板31上，其中所述導銷被固定到印刷線路板31。因此，用于穿過導銷42的孔32b形成在子襯底32中，且其內(nèi)徑略大于導銷42的直徑。導孔33b的尺寸比導銷42的下部的較大直徑部分的尺寸小并且比上部的較小直徑部分的尺寸大，其中該導孔33b被配置在小襯底33中并且導銷42通過它穿過。因此，可以通過在導銷42的梯級部分42a上滑動小襯底33來精確地調(diào)整平面光元件41的位置。這樣，可以如下固定平面光元件41它的光軸同印刷線路板31上的光波導45的光軸對準。
根據(jù)該實施方式，即使當襯底連接部分34處的小襯底33的安裝位置有些偏差時，也仍然可以容易地相對于光波導25的光輸入輸出部分以精確的位置對平面光元件41進行調(diào)整和固定。此外，在該實施方式的結構中，即使當小襯底33、印刷線路板31和子襯底32中發(fā)生了溫度變化，仍然可以通過小襯底33的可變形部分35的變形來吸收由這些組件的熱膨脹量、熱收縮量的差異引起的變形。因此，當溫度變化時，可以防止力作用在平面光元件41上，其中所述的力將會引起平面光元件41相對于印刷線路板31的位移。此外，這時，還認為子襯底32相對于印刷線路板31發(fā)生了位移，且因此相對于固定在印刷線路板31上的導銷42也發(fā)生了位移。然而，因為在孔32b和導銷42之間形成了縫隙，因此可以防止這種位移引起的力作用在導銷42上，以及防止導銷42發(fā)生位移，因此，可以防止導銷42的位移，該位移將引起在其中配置了平面光元件41的小襯底33的部分的位移。因此，可以防止平面光元件41和光波導45的光軸之間發(fā)生偏差。
圖5示出了本發(fā)明第三實施方式中小襯底的頂視示意圖。因為該實施方式的半導體裝置的一般結構可以與上述第一實施方式或第二實施方式的相同，故略去詳細的說明。在說明該實施方式中，使用的參考數(shù)字與第一實施方式中的那些相同。
在該實施方式中，可變形部分15與第一和第二實施方式類似被配置在小襯底13的襯底連接部分14的附近部分，并且該可變形部分15具有向上的彎曲，但此處沒有顯示。另一方面，本實施方式的可變形部分15沒有在第一和第二實施方式中配置的收縮結構，但相反，具有在小襯底13的縱向方向上延伸的多個狹縫16。因為狹縫16，該可變形部分15的硬度降低了。因為狹縫16和彎曲的協(xié)同作用，可變形部分15可以容易地在垂直方向(即彎曲方向)上和水平方向(即扭曲方向)上變形。
在上述每個實施方式中，平面光元件21和41可以是平面光元件陣列，在該陣列處多個輸入輸出表面部分21a和41a被二維排列。這種情況下，同平面光元件21和41的多個輸入輸出表面部分21a和41a相對應，光波導25和45也可以具有多個二維排列的光輸入輸出部分25a和45a。微透鏡可以被配置在平面光元件21和41的每個輸入輸出表面部分21a和41a中以及光波導25和45的每個光輸入輸出部分25a和45a中。小襯底13和33可以由如聚酰亞胺的樹脂制得，或可以由另一種具有彈性的樹脂制得并且可以具有塑性。作為光傳導介質的光波導25和45可以由光纖制得。此外，在每個實施方式中，平面光元件41、小襯底33、子襯底32、導銷42、固定零件43等分別可以是多個。
此外，作為每個實施例的變形例，可變形部分15和35可以同時具有第一和第二實施例中的收縮結構和第三實施例中的狹縫的結構。除了導銷22和42，導孔可以被配置在印刷線路板11和31中，且它們可以用于光軸對準。為了將其中安裝了平面光元件21或41的小襯底13或33的端部固定到印刷線路板31上，可以使用與用于光軸對準的導銷22或42分開的固定機構等。
此外，作為上述第二實施例的變形例，可以采用如下結構在該結構中，安裝在小襯底33上的平面光元件41位于子襯底32的四個邊或四個拐角上的任何一個位置。
權利要求
1.一種半導體裝置，其具有半導體元件；平面光元件；主襯底，其中形成了連接到所述半導體元件和所述平面光元件的電導線，光傳導介質固定在該主襯底上，該光傳導介質傳導輸入到所述平面光元件的光和/或傳導由所述平面光元件輸出的光；小襯底，該小襯底的一端上安裝所述平面光元件，其另一端電連接到所述主襯底并固定到所述主襯底上；和固定機構，其將所述小襯底的一端固定到所述主襯底上，從而使得所述平面光元件的輸入輸出表面面對著所述光傳導介質的光輸入輸出部分，其中在所述的小襯底處安裝有所述平面光元件，其中所述小襯底具有可變形部分，該可變形部分比所述主襯底和所述小襯底的其他部分容易變形，該可變形部分位于如下兩端之間的至少部分區(qū)域中其中一端安裝有所述平面光元件，而另一端電連接到所述主襯底上。
2.權利要求1的半導體裝置，其中所述小襯底的所述可變形部分具有向遠離所述主襯底的方向凸起地彎曲的彎曲。
3.權利要求1的半導體裝置，其中所述小襯底的所述可變形部分具有如下收縮結構在該結構中，沿著與連接如下兩端的線正交的方向上寬度變窄，其中一端安裝有所述平面光元件，而另一端電連接到所述主襯底。
4.權利要求1的半導體裝置，其中所述小襯底的所述可變形部分具有如下狹縫該狹縫平行于連接如下兩端的線延伸其中一端安裝有所述平面光元件，而另一端電連接到所述主襯底。
5.權利要求1的半導體裝置，其中所述小襯底是可彈性變形的薄襯底。
6.權利要求5的半導體裝置，其中所述小襯底是塑料膜。
7.權利要求1的半導體裝置，其中所述平面光元件具有多個所述輸入輸出表面，以及所述光傳導介質具有多個分別同多個所述輸入輸出表面相對應的所述光輸入輸出部分。
8.權利要求1的半導體裝置，其中將分別安裝了多個所述平面光元件的多個所述小襯底安裝在所述主襯底上。
9.一種半導體裝置，其具有半導體元件；平面光元件；主襯底，其中形成了連接到所述半導體元件和所述平面光元件的導線，光傳導介質固定在該主襯底上，該光傳導介質傳導輸入到所述平面光元件的光和/或傳到由所述平面光元件輸出的光；子襯底，該子襯底電連接到所述主襯底上并固定在所述主襯底上；小襯底，該小襯底的一端上安裝所述平面光元件，其另一端電連接到所述子襯底并固定到所述子襯底上；和固定機構，其將其中安裝有所述平面光元件的所述小襯底的一端固定到所述主襯底上，從而使所述平面光元件的輸入輸出表面面對著所述光傳導介質的光輸入輸出部分，其中所述小襯底具有可變形部分，該可變形部分比所述主襯底和所述小襯底的其他部分容易變形，該可變形部分位于如下兩端之間的至少部分區(qū)域中其中一端安裝有所述平面光元件，而另一端電連接到所述子襯底上。
10.權利要求9的半導體裝置，其中所述小襯底的所述可變形部分具有向遠離所述主襯底的方向凸起地彎曲的彎曲。
11.權利要求9的半導體裝置，其中所述小襯底的所述可變形部分具有如下收縮結構在該結構中，沿著與連接如下兩端的線正交的方向上寬度變窄，其中一端安裝有所述平面光元件，而另一端電連接到所述主襯底。
12.權利要求9的半導體裝置，其中所述小襯底的所述可變形部分具有如下狹縫該狹縫平行于連接如下兩端的線延伸其中一端安裝有所述平面光元件，而另一端電連接到所述主襯底。
13.權利要求9的半導體裝置，其中所述小襯底是可彈性變形的薄襯底。
14.權利要求13的半導體裝置，其中所述小襯底是塑料膜。
15.權利要求9的半導體裝置，其中所述平面光元件具有多個所述輸入輸出表面，以及所述光傳導介質具有分別同多個所述輸入輸出表面相對應的多個所述光輸入輸出部分。
16.權利要求9的半導體裝置，其中安裝了多個所述小襯底，在該多個小襯底上分別安裝有多個所述平面光元件。
17.權利要求9的半導體裝置，其中多個所述子襯底安裝在所述印刷線路板上。
全文摘要
一種半導體裝置，具有印刷線路板(11)，在該印刷線路板(11)上形成了連接到LSI芯片(17)和平面光元件(21)的電線(18)，以及光波導(25)固定在該印刷線路板(11)上，該光波導(25)傳導輸入到所述平面光元件(21)的光和/或由所述平面光元件(21)輸出的光。平面光元件(21)安裝在小襯底(13)的一端，以及小襯底(13)的另一端通過焊接塊(26)連接到印刷線路板(11)。其上安裝有平面光元件(21)的小襯底(13)的一端通過固定機構固定在印刷線路板(11)上。小襯底(13)具有可變形部分(15)，該可變形部分(15)比印刷線路板(11)和小襯底(13)的其他部分容易變形，該可變形部分(15)位于如下兩端之間的至少部分區(qū)域中其中一端安裝有平面光元件(21)，而另一端電連接到印刷線路板(11)上。
文檔編號H01L31/0232GK101027587SQ20058003267
公開日2007年8月29日 申請日期2005年9月20日 優(yōu)先權日2004年9月27日
發(fā)明者三好一德, 藏田和彥, 清水隆德, 畠山意知郎, 佐佐木純一 申請人:日本電氣株式會社