JP5164733B2 - 光半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子と受光素子とが、その発光面および受光面を同じ方向に向けて並べて配置され、発光素子から放射された光が対象物で反射して受光素子により検出することにより、対象物を検出する光半導体装置およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、たとえば光半導体装置の上面から対象物までの距離が３ｍｍ以上と離れた距離でも、正確に対象物のパターンを読み取ることができ、しかも発光素子および受光素子を封止するのにモールド成形によらないで形成することができ、多品種少量生産に適した非常に小型の光半導体装置の構造およびその製造方法に関する。

従来の発光素子と受光素子とを同じ方向に向けて並べて配置し、発光素子から反射された光が対象物で反射して受光素子で検出するフォトリフレクタのような光半導体装置は、ある程度の量産をする場合、２重モールド方式で製造されている。すなわち、基板上に発光素子と受光素子とをダイボンディングし、ワイヤボンディングなどにより、発光素子および受光素子の各電極を基板上の電極端子（配線）と接続して透光性樹脂により１次モールドを行う。そして、発光素子および受光素子の発光面および受光面とする部分を除いて、発光素子および受光素子を被覆する透光性樹脂層の周囲を、再度遮光性樹脂によりモールド成形して（２次モールド）外部からの光や、対象物以外で反射する光が受光素子に入射しないように形成される。この際、高分解能を必要とされるフォトリフレクタは、発光素子の光が直接受光素子に到達しないように、その間に遮光壁を形成する構造が採用され、また、フォトリフレクタの上面から対象物までの距離が遠い場合には、発光素子および受光素子の表面側にレンズ部が形成されるように１次モールドがされている（たとえば特許文献１参照）。なお、１次モールドは、発光素子と受光素子とを１枚の基板上に搭載して同時にモールドしないで、発光素子および受光素子をそれぞれ別々にモールドして、その両方を遮光性樹脂により２次モールドすることもできる。
特開２００６−３８５７２号公報

前述のように、２重モールド方式で成形すると、１種類の製品に対して２種類のモールド用金型が必要となり、少品種で大量生産をする場合には、金型作製費を回収することができるが、多品種少量生産の場合には、金型費が嵩み、光半導体装置のコストアップになるという問題がある。

たとえば、ただ単に対象物の有無を検出するフォトリフレクタのような光半導体装置なら、光半導体装置を製造する場合に、発光素子と受光素子との位置関係などに関して、それほど精密さを必要としないが、カメラモジュールなどのズームレンズ移動距離の検出など高分解能を必要としたり、光半導体装置からの距離が比較的遠い対象物の有無などを正確に検出したりする光半導体装置では、ノイズの影響などを極力排除し、かつ、発光素子からの光で対象物により反射した光を確実に受光素子で受光することが非常に重要となり、ノイズなどが入らないように、さらには、遠い距離に焦点を結ぶようにレンズを形成するなど、相当精密に製造する必要がある。このような発光面および受光面にレンズを形成したり、精密さを必要としたりする高分解能の光半導体装置は、金型成形による２重モールド方式で製造することが望ましいが、使用用途により外形の大きさが若干異なったり、対象物までの最適な距離が異なったりするような場合、一々金型を変更しなければならず、前述のように２重モールドでは１つの製品に対して２つの金型を必要とするため、しかも金型費用は非常に高価であるため、多品種少量生産の場合には、２重モールド成形による製造は適しないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、高分解能で、発光面および受光面にレンズを必要とするフォトリフレクタのような比較的長距離を正確に検出し得る高性能な光半導体装置を、金型を用いることなく簡単に製造することができる構造の光半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明による光半導体装置は、基板と、発光面および受光面が同じ方向を向くように、前記基板上に搭載される発光素子および受光素子と、前記発光素子および受光素子を被覆する透光性樹脂層と、該透光性樹脂層の外周および前記発光素子と受光素子との間に設けられる遮光性樹脂層とからなり、前記発光素子および受光素子の前記発光面上および受光面上の前記透光性樹脂層および前記遮光性樹脂層の一部を除去した円筒状穴を備え、該円筒状穴内に該円筒状穴の上面から突出しないようにレンズ部材が前記円筒状穴の底部に貼り付けられていることを特徴としている。

ここに発光素子および受光素子とは、半導体ウェハからチップ化したベアチップのものが一般的に用いられるが、チップ型素子などの素子の形にパッケージしたものでもよい。要は、光を発光し、または受光する状態に形成されたものであればよく、その外観の形状には制約されない。また、受光素子とは、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの他、光を検出し得る素子であれば何でもよい意味である。

本発明による光半導体装置の製造方法は、集合基板上に発光素子および受光素子の組を複数組搭載すると共に、該発光素子および受光素子の電極を前記集合基板上の電極端子と接続し、前記複数組の発光素子および受光素子を一体に被覆するように透光性樹脂層で封止し、前記発光素子および受光素子の組のそれぞれの前記発光素子と前記受光素子との間、および前記発光素子および受光素子の各組の境界部における前記透光性樹脂層に前記基板に達する溝を形成し、該溝内を含め前記透光性樹脂の周囲を被覆するように遮光性樹脂層で被覆し、前記発光素子および受光素子の発光面および受光面の上の前記遮光性樹脂層および前記透光性樹脂層を円筒状に切削除去することにより円筒状穴を形成し、該円筒状穴の底面にレンズ部材を貼り付け、その後前記発光素子および受光素子の各組の境界部の前記遮光性樹脂層を、該各組の側壁に前記遮光性樹脂層が残存するように切断することにより個片化することを特徴としている。

ここに集合基板とは、複数組の発光素子および受光素子の組を同時に形成し得る大きな基板を意味する。また、電極端子とは、発光素子および受光素子の電極（パッケージで被覆されている場合にはリードを含む）を中継する部分を意味し、配線などを含む意味である。

本発明の光半導体装置によれば、発光素子と受光素子とが、その間に遮光性樹脂層を挟んで透光性樹脂層により封止され、その透光性樹脂層の発光面および受光面上に円筒状穴が形成され、その円筒状穴の底部にレンズ部材が貼り付けられた構造になっているため、発光素子と受光素子とは光学的に完全に分離されており、発光面上の円筒状穴から上方に向かって出た光で、対象物により反射して受光素子に至る光のみが検出され、非常にノイズの侵入を抑制することができる。さらに、発光素子からの光は、レンズ効果により所定の寸法の位置に集光され、この種の光半導体装置としては光半導体装置の表面から対象物までの距離が比較的長い３ｍｍ程度以上の距離の所でも、対象物との距離を非常に正確に検出することができる。また、発光素子と受光素子との間には遮光性樹脂層が挟まれるように形成されると共に、発光面および受光面上に形成される円筒状穴内にレンズ部材を貼り付ける構造にしているため、２重モールドは勿論、一度のモールド成形をすることなく製造することができ、非常に安価に得ることができる。

さらに、本発明による光半導体装置の製造方法によれば、発光素子および受光素子を集合基板上に搭載（ダイボンディング）して、その電極を集合基板に形成された電極端子（配線）などと接続した後に、透光性樹脂で全体を一体に封止してから、発光素子および受光素子の間および１組の発光素子および受光素子の周辺の透光性樹脂層に溝を形成し、その溝を含めて遮光性樹脂層で被覆した後に、発光面および受光面上に円筒状穴を形成してレンズ部材を円筒状穴の底部に貼り付けているため、一切金型の成形による封止を必要とすることがなく、樹脂の流し込みと研削だけで非常に精密な光半導体装置を得ることができる。その結果、ユーザによる仕様変更にも直ちに対応することができると共に、多品種少量の生産でも、非常に安価に、かつ、短期間で製造することができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の光半導体装置およびその製造方法について説明する。図１は、本発明による光半導体装置の一実施形態を示す全体の斜視説明図および破断斜視説明図を示す図で、基板１上に、発光面２ａおよび受光面３ａが同じ方向を向くように、発光素子２および受光素子３が搭載されており、発光素子２および受光素子３の間に遮光性樹脂層６ａが介在されるように、発光素子２および受光素子３を被覆する透光性樹脂層５が設けられ、その透光性樹脂層５の外周に遮光性樹脂層６が設けられている。そして、発光素子２および受光素子３の発光面２ａ上および受光面３ａ上の透光性樹脂層５および遮光性樹脂層６に円筒状穴８が形成され、その円筒状穴８内に円筒状穴８から外に突出しないようにレンズ部材７が円筒状穴８の底部に貼り付けられている。

基板１は、たとえば有機基板からなり、発光素子２や受光素子３の電極（パッケージで被覆されている場合には、素子の電極端子やリード）と接続する電極端子または配線（外部回路と接続する電極端子や配線）が形成されており、製造段階では、複数個の発光素子２および受光素子３の組を纏めて製造するための大きな基板（集合基板）が用いられる。

発光素子２は、たとえば赤外光や赤色光を発光するＬＥＤなどが用いられる。また、受光素子３は、たとえばフォトトランジスタやフォトダイオードなどを用いることができるが、光を検出することができるものであれば何でもよい。たとえば発光素子２としてＬＥＤのベアチップを用いると、その大きさは、０.２５ｍｍ角程度で、受光素子として、フォトトランジスタのベアチップを用いると、その大きさは、０.６ｍｍ角程度である。この発光素子２および受光素子３は、その一対の電極が、図示しない基板１上の電極端子（配線）と、ワイヤ４（図３参照）や図示しない導電性接着剤などを介して接続されている。

透光性樹脂層５は、たとえばエポキシ樹脂などの発光素子２で発光する光を透過させる樹脂で、発光素子２、受光素子３およびワイヤ４などを被覆して保護するように形成されている。この透光性樹脂層５は、製造方法を後述するように、大きな集合基板の上に複数組の発光素子２および受光素子３の組を並べて搭載し、その集合基板の周囲にダムを形成しておいて、透光性樹脂を流し込むことにより形成される。そのため、モールド成形する必要はなく、ただ集合基板上に透光性樹脂を流し込むだけで上面は平坦に形成することができる。この透光性樹脂層５には、発光素子２と受光素子３との間、および発光素子と受光素子の各組の周囲に、遮光溝５ａおよび分離溝５ｂ（図３（ｃ）参照、分離溝５ｂは透光性樹脂層５の四方の側壁部）が形成されており、その遮光溝５ａおよび分離溝５ｂ内に遮光性樹脂層６が充填されている。遮光性樹脂層６は、たとえばエポキシ樹脂に、カーボンブラックのような光を遮断する粉末などを混入したものを用いることができる。

この遮光性樹脂層６および透光性樹脂層５の一部が切削されて除去されることにより、発光素子２および受光素子３の発光面２ａおよび受光面３ａ上に円筒状穴８が形成されている。この円筒状穴８は、後述する製造方法で示すように、たとえばフラットエンドミル１０（図３（ｅ）参照）などの切削工具で切削することにより、所定の深さまで正確に切削することができる。この円筒状穴８の径は、後述するレンズ部材７の径とほぼ一致する大きさ、たとえば１ｍｍ程度に形成され、その深さは、透光性樹脂層５に達すると共に、レンズ部材７の頂部が円筒状穴８から外に突出しない深さ、たとえば上面から０.６ｍｍ程度の深さになるように形成されている。この場合、円筒状穴８の底面から基板１の裏面までの厚さは０.８ｍｍ程度になる。

レンズ部材７は、紫外線硬化性樹脂やエポキシ樹脂などにより、表面が球面状で凸型形状に形成されたものからなり、たとえばレンズ部材７の外径が０.９６ｍｍ程度で、その高さが０.４８ｍｍ程度に形成され、前述の円筒状穴８の底部に紫外線硬化性樹脂などにより貼り付けられている。

このようにして形成した本発明の光半導体装置の上面から対象物までの距離を変えたときの出力電流を測定した結果、図２の（Ａ）に示すように、４.５ｍｍ程度離した位置の対象物の検出出力が一番大きく、従来のレンズ部を有しないで、発光面および受光面の上部の遮光性樹脂のみを除去した構造（円筒状穴もなし）の光半導体装置と対比して、検出距離を遠くすることができると共に、対象物の距離が遠くなっても、検出出力が殆ど下がっていないことが分る。

つぎに、図１に示される構造の光半導体装置（フォトリフレクタ）の製造方法について、図３を参照しながら説明する。まず、図３（ａ）に示されるように、集合基板１上に、発光素子２および受光素子３の組を複数組搭載すると共に（図３では、１組のみが示されている）、その発光素子２および受光素子３の電極（図示せず）を集合基板１上の図示しない電極端子（配線）と接続する。この集合基板１は、前述のように、複数個のフォトリフレクタを纏めて製造するための大きな基板で、実際には、図４に概略図を示すように、集合基板１上に、マトリクス状に発光素子２および受光素子３の組を搭載（ダイボンディング）することにより、それぞれの一方の電極を集合基板１の配線などと接着剤により接続すると共に、それぞれの他方の電極を図示しない電極端子（配線）とワイヤ４をボンディングすることにより接続する。

つぎに、図３（ｂ）に示すように、発光素子２、受光素子３およびワイヤ４の部分を透光性樹脂層５により被覆する。この透光性樹脂層５は図４に示すように、集合基板１の周囲に、たとえば１.５ｍｍ程度の高さのダム９を形成し、透光性樹脂を流し込むことにより、ほぼダム９の高さで平らになり、透光性樹脂層５が形成される。

つぎに、図３（ｃ）に示すように、発光素子２および受光素子３の間、および図３（ｃ）には符号のみしか図示されていないが、発光素子２および受光素子３の１組の周囲（図４に示される発光素子２および受光素子３の各組の境界部、すなわち個片化のため切断するラインＳの部分）における透光性樹脂層５に基板１に達する遮光溝５ａ、および分離溝５ｂを形成する。発光素子２と受光素子３との間の溝、すなわち遮光溝５ａは、発光素子２と受光素子３との間に遮光壁を形成するための溝で、０.４ｍｍ程度の幅に形成し、素子周囲の溝、すなわち分離溝５ｂは、個片化のための切断により削られる厚さと、切断後に各光半導体装置の周囲に溝内に埋め込んだ遮光性樹脂層６が残存するような幅、すなわち０.３〜０.６ｍｍ程度の幅に形成する。この遮光溝５ａおよび分離溝５ｂの深さは、集合基板１の厚さの半分ぐらいまで達するように深く形成する。

つぎに、図３（ｄ）に示すように、遮光溝５ａおよび分離溝５ｂの溝内を含め透光性樹脂層５の上面を被覆するように遮光性樹脂層６を形成する。この遮光性樹脂層６の形成も、図４に示す大きな集合基板１の状態で、ダム９の外周にさらに別の図示しないダムを形成し、前述の透光性樹脂層５と同様に、液状の遮光性樹脂を塗り込むことにより、溝内に流れ込み、その表面は平坦になる。また、図示しないダムは、透光性樹脂を塗り込む際に用いたダム９が、遮光溝５ａや分離溝５ｂを形成する際に、切断されていること、透光性樹脂層５よりも若干高く遮光性樹脂層６を形成した方が、表面を平らにしやすいため、ダム９の外周に、そのダム９よりも若干（０.１〜０.２ｍｍ程度）高くなるように形成するのが好ましい。

その後、図３（ｅ）に示すように、発光素子２および受光素子３上の遮光性樹脂層６および透光性樹脂層５を、たとえば１ｍｍ程度の径で、０.６ｍｍ程度の深さになるようにエンドミル１０を用いて研削し、円筒状穴８を形成する。この円筒状穴８の径および深さは、光半導体装置の使用目的に応じて、発光素子２および受光素子３の上にどの程度のレンズ部７を形成するかにより定まり、そのレンズ部７の大きさに応じて、そのレンズ部７の径とほぼ同じ径の大きさに形成する。この場合、その径は、エンドミルの太さを変えることにより自由に変更でき、また、深さは、エンドミル１０の送り寸法により正確に制御することができる。

その後、円筒状穴８の底面に紫外線硬化性樹脂などを塗り、別途製造したレンズ部７を、たとえば図示しないコレットなどにより吸着してこの円筒状穴８内に運び、押し付け、紫外線を照射することにより、容易に接着することができる。このレンズ部７の貼り付けを発光素子１の上および受光素子２の上に貼り付けることにより、図１に示す構造の光半導体装置（フォトリフレクタ）を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、発光素子および受光素子の正面側にレンズ部を有する光半導体装置でも、発光素子２および受光素子３を封止する透光性樹脂層５およびその周囲を被覆する遮光性樹脂層６に形成した円筒状穴８内にレンズ部を、その円筒状穴８の上面から突出しないように設けているため、製造工程が非常に簡単であると共に、発光素子２の光が直接受光素子３に到達することはなく、また、外乱光が直接受光素子３には到達しにくいことにより、非常にノイズが少なく、しかも遠方の対象物を感度よく検出することができる。

本発明による光半導体装置の一実施形態を示す斜視説明図である。 図１の構造の光半導体装置による対象物までの距離と感度の特性を示す図である 図１に示される光半導体装置の製造方法を示す製造工程図である。 図３に示す製造方法で、大きな集合基板により製造する説明図である。

符号の説明

１ 集合基板
２ 発光素子
３ 受光素子
４ ワイヤ
５ 透光性樹脂層
５ａ 遮光溝
５ｂ 分離溝
６ 遮光性樹脂層
７ レンズ部
８ 円筒状穴
９ ダム
10 エンドミル
Ｓ 切断ライン

Claims (2)

1. 基板と、発光面および受光面が同じ方向を向くように、前記基板上に搭載される発光素子および受光素子と、前記発光素子および受光素子を被覆する透光性樹脂層と、該透光性樹脂層の外周および前記発光素子と受光素子との間に設けられる遮光性樹脂層とからなり、前記発光素子および受光素子の前記発光面上および受光面上の前記透光性樹脂層および前記遮光性樹脂層の一部を除去した円筒状穴を備え、該円筒状穴内に該円筒状穴の上面から突出しないようにレンズ部材が前記円筒状穴の底部に貼り付けられていることを特徴とする光半導体装置。
2. 集合基板上に発光素子および受光素子の組を複数組搭載すると共に、該発光素子および受光素子の電極を前記集合基板上の電極端子と接続し、前記複数組の発光素子および受光素子を一体に被覆するように透光性樹脂層で封止し、前記発光素子および受光素子の組のそれぞれの前記発光素子と前記受光素子との間、および前記発光素子および受光素子の各組の境界部における前記透光性樹脂層に前記基板に達する溝を形成し、該溝内を含め前記透光性樹脂の周囲を被覆するように遮光性樹脂層で被覆し、前記発光素子および受光素子の発光面および受光面の上の前記遮光性樹脂層および前記透光性樹脂層を円筒状に切削除去することにより円筒状穴を形成し、該円筒状穴の底面にレンズ部材を貼り付け、その後前記発光素子および受光素子の各組の境界部の前記遮光性樹脂層を、該各組の側壁に前記遮光性樹脂層が残存するように切断することにより個片化することを特徴とする光半導体装置の製造方法。

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