專利名稱：光半導體裝置、光通信裝置和電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有被封裝的光半導體元件的光半導體裝置、具有該光半導體裝置的光通信裝置和具有該光半導體裝置的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，作為具有要求光傳輸性或透光性的光半導體元件的光半導體裝置，光半導體元件例如是發(fā)光二極管(LED)和光電二極管(PD)，廣泛使用了利用可透光模制樹脂的傳遞成型生產(chǎn)的產(chǎn)品。
當可透光模制樹脂由單一種類的樹脂模制材料制成時，有一個優(yōu)點，即能夠獲得尤其令人滿意的透光性，然而此類可透光模制樹脂具有熱膨脹系數(shù)大的特點。這帶來了一個問題，可透光模制樹脂的線性膨脹系數(shù)和光半導體裝置、引線框架和焊線的線性膨脹系數(shù)之間的差異在高工作溫度范圍內(nèi)會導致焊線斷開和封裝中裂縫等發(fā)生，結(jié)果難以生產(chǎn)出高可靠性的光半導體裝置。
作為一種用于控制可透光模制樹脂的熱膨脹系數(shù)的方法，已經(jīng)知道的是向樹脂成型材料中添加填料。典型的填料包括玻璃等的透明無機粉末。
圖16為一曲線圖，給出了填料材料(玻璃)的折射率與溫度的關(guān)系以及未添加填料的樹脂成型材料(以下簡稱基礎(chǔ)樹脂模制材料)的折射率與溫度的關(guān)系。詳細地講，圖16給出了曲線圖，該曲線顯示了假設(shè)在25℃溫度下的折射率為1時填料材料和基礎(chǔ)樹脂成型材料相對值形式的折射率，其中如此調(diào)節(jié)填料材料和基礎(chǔ)樹脂成型材料，使得它們之間的折射率差在25℃的溫度下變?yōu)榱恪Ｔ趫D16中，填料材料為石英玻璃，基礎(chǔ)樹脂成型材料為酸酐環(huán)氧樹脂或酚醛環(huán)氧樹脂。
此外，在圖16中，短劃線代表填料材料的折射率與溫度的關(guān)系，而實線代表基礎(chǔ)樹脂成型材料的折射率與溫度的關(guān)系。
如圖16所示，在溫度上升時基礎(chǔ)樹脂成型材料的折射率表現(xiàn)出減小的趨勢，而填料材料的折射率沒有溫度依賴性且表現(xiàn)出恒定不變的趨勢。
圖17為一曲線圖，給出了當把填料加入基礎(chǔ)樹脂時樹脂成型材料的透光率與溫度的關(guān)系。
在圖17中，假定25℃處的透光率的值為1，在其他溫度處的透光率由相對于25℃處透光率的值表示。
在圖17中，透光率依賴于基礎(chǔ)樹脂和填料之間的折射率差，在折射率差為零的溫度下透光率為1。然后，隨著折射率差的增大透光率表現(xiàn)出減小的趨勢。
由于上述原因，在圖17這種情況下，因為折射率差在25℃為零，在25℃下的透光率是最高的，且隨著溫度從25℃升高，透光率表現(xiàn)出減小的趨勢。
圖18為一曲線圖，給出了一般LED的光學輸出功率與溫度的關(guān)系。
在圖18中，假定在25℃的光輸出功率為1，在其他溫度的光輸出功率由相對于25℃的輸出功率的值表示。
如圖18所示，隨著溫度升高光輸出功率表現(xiàn)出減小的趨勢。如圖18所示，一般的LED光輸出功率隨著溫度升高具有減小的趨勢，因此存在一個問題，即，在高溫下光輸出功率的減小變得顯著，難以提供在工作溫度范圍內(nèi)的溫度下具有恒定光輸出功率的光半導體裝置。
圖19為一曲線圖，給出了LED被封裝在未添加填料的可透光樹脂中時其光輸出功率與溫度的關(guān)系的測量結(jié)果，以及LED被封裝在添加了填料的可透光樹脂中時其光輸出功率與溫度的關(guān)系的測量結(jié)果。
在圖19中，實線表示封裝在添加了填料的可透光樹脂中時光輸出功率與溫度的關(guān)系，虛線表示封裝在未添加填料的可透光樹脂中時光輸出功率與溫度的關(guān)系。
在圖19中，在25℃處的光輸出功率被賦予值1，且提供了相對值表示。
如圖19所示，添加填料時LED的光輸出功率比未添加填料時在光輸出功率方面具有更大的波動。這大概歸因于透光率的減小，而透光率的減小是由于溫度變化引起所添加的填料和基礎(chǔ)樹脂之間的折射率差增大所致。
此外，如圖19所示，當未添加填料時，光輸出功率的波動具有如此的趨勢，即，可以由線性方程(共線近似)擬合該波動。當添加填料時，光輸出功率的波動具有無法由線性方程擬合波動的趨勢。這意味著，所添加的填料與基礎(chǔ)樹脂之間的折射率差為零處的點(在圖19中由A表示)處于測量溫度范圍之內(nèi)。
如圖19所示，使用添加了填料的樹脂作為封裝樹脂的常規(guī)光半導體裝置具有這樣的問題在工作溫度范圍內(nèi)光半導體裝置的特性是不穩(wěn)定的。
JP 2003-3043 A披露將環(huán)氧樹脂用作基礎(chǔ)樹脂材料，且將非堿性玻璃填料用作玻璃填料材料。
JP 2002-88223 A是另一篇現(xiàn)有技術(shù)參考文獻，披露了通過向樹脂成型材料添加填料獲得的材料。
該參考文獻披露了一種添加了效果促進劑和無機填料的環(huán)氧樹脂。該文獻還披露，該環(huán)氧樹脂在各種溫度環(huán)境下具有高的透明度且在耐熱性、耐潮性和低應(yīng)力方面性能優(yōu)異。
然而，這種在各種溫度環(huán)境下具有高透明度且在耐熱性、耐潮性和低應(yīng)力方面性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂具有一個問題，即，隨著溫度升高透光率減小，且在高溫下光半導體裝置的特性幾乎不能得以穩(wěn)定，從如下事實可以了解到這個問題隨著溫度從25℃升至100℃，透射率從100減小到70。
JP H05-25397 A也披露了一種樹脂合成物，其透光率隨著溫度變化可逆地變化，熱膨脹系數(shù)小，且其提供了具有優(yōu)異重復耐久性(repetition durability)的硬化體(hardened body)。
不過，有一個問題，即，不清楚這種樹脂合成物是否可用于光半導體裝置，即，當將該樹脂合成物用于光半導體裝置時它是否會帶來某些問題。還有一個問題，即，即使該樹脂合成物能夠使用，也不知道具有該樹脂合成物的光半導體裝置的制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光半導體裝置，其在工作溫度范圍之內(nèi)的溫度下具有適當?shù)耐腹饴是以诠ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)的溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的工作特性，本發(fā)明的目的還在于提供一種具有該光半導體裝置的光通信裝置和一種具有該光半導體裝置的電子設(shè)備。
為了解決問題，根據(jù)本發(fā)明一個方面的光半導體裝置具有光半導體元件和可透光樹脂，設(shè)置該樹脂以封裝該光半導體元件，且該樹脂包括基礎(chǔ)樹脂和填料。該可透光樹脂具有在工作溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增大的透射率。
需要指出，這里的術(shù)語“光半導體元件”意思是芯片狀態(tài)的光半導體元件。
根據(jù)本發(fā)明，只要溫度處于工作溫度范圍之內(nèi)，所述可透光樹脂的透射率就隨著溫度升高而增大。因此，如果所述光半導體裝置具有的光半導體元件要處理的光量易于隨著溫度升高而減小，例如，使用發(fā)射光隨溫度升高而減少的發(fā)光元件的場合，或者在入射光量隨著溫度升高而減少的條件下使用光探測器的場合，可以通過可透光樹脂的透射率與溫度的關(guān)系補償和消除光量對溫度的依賴性。因此，不管在工作溫度范圍內(nèi)溫度如何變化都可以使工作特性恒定，使得裝置在穩(wěn)定性和可靠性方面變得極好。
此外，根據(jù)本發(fā)明，可透光樹脂含有填料，因此，所述可透光樹脂的線性膨脹系數(shù)能夠通過填料得到減小。因此，在工作溫度范圍內(nèi)的高溫區(qū)中可靠地防止了焊線斷開、封裝中發(fā)生裂縫等，從而能大大提高耐久性。
至于基礎(chǔ)樹脂和填料的材料，只要材料滿足以下條件，任何材料都可以使用，即，在裝置的工作溫度范圍內(nèi)可透光樹脂的透射率隨溫度升高而增大。例如，多種環(huán)氧樹脂可以用于基礎(chǔ)樹脂，多種玻璃材料可以用于填料。
在一個實施例中，在高于工作溫度范圍上限的一個溫度處，可透光樹脂的基礎(chǔ)樹脂和填料具有彼此重合的折射率。
根據(jù)該實施例，在整個工作溫度范圍內(nèi)，可以使可透光樹脂的透光率變化，隨著溫度升高而升高。因此，能夠在整個工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作特性。
在一個實施例中，所述光半導體元件為發(fā)光元件。
根據(jù)該實施例，輸出強度隨著發(fā)光元件溫度的升高而減小的工作特性能夠利用可透光樹脂的透光率隨溫度升高而增大的材料特性加以補償。因此，將要從光半導體裝置輸出的光的量可以做得基本恒定(與溫度無關(guān))，且大大地改善工作特性的可靠性。
在一個實施例中，所述光半導體元件為光探測器。
根據(jù)該實施例，光探測的靈敏度隨著溫度升高而逐漸增大，且光探測的靈敏度在工作溫度的上限變成最大。因此，當所接收的光量隨溫度升高而減小時，例如在所接收的光來自一輸出隨溫度升高而減小的發(fā)光元件時，能夠補償或校正光量因溫度依賴性而減小，從而能夠在工作溫度范圍內(nèi)不管溫度如何變化都獲得高的靈敏度。
在一個實施例中，可透光樹脂因溫度升高而引起的透射率增大因子基本平衡了發(fā)光元件因溫度升高而引起的光輸出功率減小因子。
在本發(fā)明中，“透射率增大因子”被定義為透射率相對于每單位時間的溫升的變化(在透射率減小的情況下用負值)，“光輸出功率減小因子”被定義為從發(fā)光元件發(fā)射的光量相對于每單位時間的溫升的變化(在光量減小的情況下用負值)。
在一個實施例中，可透光樹脂的透射率增大因子對應(yīng)于可透光樹脂中的填料的量。
通過改變可透光樹脂中填料的量可以容易地改變可透光樹脂因溫度升高而造成的透射率增大因子。
在一個實施例中，可透光樹脂的透射率增大因子對應(yīng)于可透光樹脂的基礎(chǔ)樹脂的折射率相對于溫度升高的減小量。
通過控制基礎(chǔ)樹脂的折射率相對于溫度升高的減小量，能夠容易地改變可透光樹脂的透射率增大因子。
在一個實施例中，所述光半導體裝置還具有發(fā)光元件驅(qū)動電路，用于驅(qū)動所述發(fā)光元件。該發(fā)光元件驅(qū)動電路具有校正電路，用于校正發(fā)光元件的光輸出功率因溫度升高而引起的變化。
在該實施例中，在裝置的工作溫度范圍內(nèi)不管溫度如何變化都使光半導體裝置的光輸出功率基本恒定，從而穩(wěn)定了工作特性。
在一個實施例中，發(fā)光元件的光輸出功率因溫度升高而引起的減少量被可透光樹脂的透射率因溫度升高而引起的增加量和發(fā)光元件驅(qū)動電路的校正電路對光輸出功率變化的校正所消除。
根據(jù)本發(fā)明的光通信裝置具有前述的本發(fā)明的光半導體裝置和光纖，以便使用光纖作為傳輸介質(zhì)發(fā)送和/或接收光信號，其中光纖中通信光因光纖溫度升高而引起的衰減率對應(yīng)于光半導體裝置的可透光樹脂因溫度升高而引起的透射率增大因子。
根據(jù)本發(fā)明，光纖中通信光因光纖溫度升高而引起的衰減能夠被可透光樹脂的透射率隨溫度升高而引起的增大所補償。這樣，實現(xiàn)了高通信質(zhì)量的光纖傳輸。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供有一種光通信裝置，其具有前述的本發(fā)明的光半導體裝置和光纖，以便使用光纖作為傳輸介質(zhì)發(fā)送和/或接收光信號，其中光纖中的通信光因光半導體裝置中的光半導體元件的溫度升高而引起的發(fā)射波長變化而造成的衰減率對應(yīng)于可透光樹脂因溫度升高而引起的透射率增大因子。
根據(jù)本發(fā)明，光纖中的通信光因傳輸波長變化而引起的衰減能夠被可透光樹脂的透射率隨溫度升高而引起的增大所補償。這樣，實現(xiàn)了高通信質(zhì)量的光纖傳輸。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的光半導體裝置具有光半導體元件和具有透光性的模制樹脂部分，該模制樹脂部分封裝著光半導體元件，其中所述光半導體元件向模制樹脂部分之外發(fā)射光或者接收從模制樹脂之外入射的光，且模制樹脂部分包括酚醛固化樹脂和由石英玻璃制成的透明填料。
這里的“酚醛固化樹脂”意思是含有酚醛固化劑的樹脂，由環(huán)氧樹脂代表。
在本發(fā)明的光半導體裝置中，因為在石英玻璃制成的透明填料和酚醛固化樹脂之間幾乎沒有折射率差，所以能夠防止模制樹脂的透光率減小。此外，由于由石英玻璃制成的透明填料包含于模制樹脂部分之中，所以使得模制樹脂部分能夠具有減小的線性膨脹系數(shù)，使得光半導體元件、引線框架和線(金線)之間可能的線性膨脹系數(shù)差變小。這將會抑制因熱應(yīng)力導致的焊線斷開和封裝中發(fā)生裂縫。
這樣，實現(xiàn)了在可靠性和透光率方面非常優(yōu)越的光半導體裝置。特別地，滿足了車載裝置(它們放在例如-40℃到105℃的工作溫度下)所需的高可靠性水平。
在一個實施例中，只要裝置的工作溫度處于-40℃到105℃的范圍內(nèi)，透明填料和酚醛固化樹脂之間的折射率差的絕對值就不大于0.02。
在該實施例中，模制樹脂部分的透光率急劇減小。
在一個實施例中，模制樹脂部分中的透明填料的含量為40-80wt％。
在該實施例中，能夠可靠地減小模制樹脂部分和模制樹脂部分中所封裝的諸部分(以下簡稱“被封裝部分”)之間的線性膨脹系數(shù)差，且裝置在可靠性方面變得非常優(yōu)越。更具體地說，如果透明填料的含量小于40wt％，模制樹脂部分和被封裝部分之間的線性膨脹系數(shù)差變大，其結(jié)果是，可能會發(fā)生焊線斷開和封裝中的裂縫等。另一方面，如果透明填料的含量超過80wt％，缺點是樹脂的流動性變差。
在一個實施例中，所述透明填料包括基本球形的塊。
在該實施例中，抑制了在透明填料塊和酚醛固化樹脂的界面處的光的散射。
在一個實施例中，模制樹脂部分具有透鏡。
根據(jù)該實施例，提供透鏡與模制樹脂部分中的球形透明填料一起改善了光輸出功率。亦即，所述光半導體裝置具有良好的透光率。
在一個實施例中，所述模制樹脂部分含有脫模劑(release agent)。
根據(jù)該實施例，因為所述模制樹脂部分含有脫模劑，不再需要在利用金屬模具成型光半導體元件之前將脫模劑涂布到金屬模具。這樣改善了制造效率。
本發(fā)明的電子設(shè)備包括根據(jù)本發(fā)明上述方面的任一個的光半導體裝置。
在該電子設(shè)備中，其光半導體元件即使在惡劣的溫度條件下也能穩(wěn)定工作，因此該電子設(shè)備在耐久性方面是優(yōu)越的，可以用作，例如放在嚴厲環(huán)境中的車載裝置。


從下文給出的詳細說明和附圖將能更全面地理解本發(fā)明，附圖僅作為示意給出，因此并非意在限制本發(fā)明，附圖中圖1A和圖1B為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光半導體裝置的正面透視圖和側(cè)面透視圖；圖2為一曲線圖，給出了用于第一實施例的光半導體裝置的基礎(chǔ)樹脂的折射率與溫度的關(guān)系以及用于第一實施例的光半導體裝置的填料的折射率與溫度的關(guān)系；圖3為一曲線圖，給出了第一實施例的光半導體裝置的透光率與溫度的關(guān)系；圖4為一曲線圖，給出了第一實施例的光半導體裝置所有的LED的光輸出功率與溫度的關(guān)系；圖5為一曲線圖，給出了第一實施例的光半導體裝置的光輸出功率與溫度的關(guān)系；圖6A和圖6B為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光半導體裝置的正面透視圖和側(cè)面透視圖；圖7A和圖7B為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光半導體裝置的正面透視圖和側(cè)面透視圖；圖8為一曲線圖，給出了從驅(qū)動集成電路輸出的LED驅(qū)動電流與溫度的關(guān)系；圖9為一曲線圖，給出了第三實施例的光半導體裝置的光輸出功率；圖10為本發(fā)明的光通信裝置的一個實施例的視圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明實施例的光半導體元件的截面圖；圖12為一曲線圖，給出了填料含量和光輸出功率之間的關(guān)系；圖13為一曲線圖，給出了透明填料的折射率和光輸出功率之間的關(guān)系；圖14為一曲線圖，給出了透明填料含量和線性膨脹系數(shù)之間的關(guān)系；圖15為一曲線圖，給出了有或沒有透明填料、有或沒有透鏡結(jié)構(gòu)以及光輸出功率之間的關(guān)系；圖16為一曲線圖，給出了添加了玻璃作為填料的樹脂模制材料的折射率與溫度的關(guān)系以及基礎(chǔ)樹脂模制材料的折射率與溫度的關(guān)系；圖17為一曲線圖，給出了向基礎(chǔ)樹脂添加了填料的樹脂模制材料的透光率與溫度的關(guān)系；圖18為一曲線圖，給出了一般LED的光學輸出功率與溫度的關(guān)系；以及圖19為一曲線圖，給出了LED被封裝在未添加填料的可透光樹脂時其光輸出功率與溫度的關(guān)系的測量結(jié)果，以及LED被封裝在添加了填料的可透光樹脂中時其光輸出功率與溫度的關(guān)系的測量結(jié)果。
具體實施例方式
以下將基于附圖所示的實施例詳細描述本發(fā)明。
(第一實施例)圖1A和1B為示出本發(fā)明第一實施例的光半導體裝置的視圖。詳細地講，圖1A為第一實施例的光半導體裝置的正面透視圖，而圖1B為第一實施例的光半導體裝置的側(cè)面透視圖。
該光半導體裝置具有引線框架1、LED 2(作為光半導體元件的一例)、線3和添加了填料的可透光模制樹脂4。
線3由具有導電性的導線構(gòu)成，例如Au線、Ag線或Al線。此外，模制樹脂4通過向環(huán)氧樹脂添加作為填料的玻璃形成。至于環(huán)氧樹脂，可以使用多種市場上可買到的環(huán)氧樹脂。同樣，至于玻璃填料，可以使用任何種類的市場上可買到的玻璃填料。因此，除非指定環(huán)氧樹脂和玻璃填料的類型，否則此處的“環(huán)氧樹脂”和“玻璃填料”不應(yīng)被解釋為局限于特定的某種。
利用諸如Ag膏的導電材料將LED 2的背面電極芯片焊接(die-bonded)到引線框架1。通過線3將LED 2的表面電極線焊到引線框架1。通過傳遞成型技術(shù)將安裝在引線框架1上的LED 2封裝在添加了填料的可透光模制樹脂4中。
圖2為一曲線圖，給出了用于第一實施例的光半導體裝置的基礎(chǔ)樹脂的折射率與溫度的關(guān)系以及用于第一實施例的光半導體裝置的填料的折射率與溫度的關(guān)系。
在圖2中，實線代表基礎(chǔ)樹脂的折射率與溫度的關(guān)系，而短劃線代表填料的折射率與溫度的關(guān)系。在圖2中，假定基礎(chǔ)樹脂在85℃溫度下的折射率為1，在85℃之外的基礎(chǔ)樹脂的折射率和填料的折射率由相對于基礎(chǔ)樹脂在85℃處的折射率的相對值表示。
第一實施例的光半導體裝置如此設(shè)計，使得其能夠在-40℃到+85℃的工作溫度范圍內(nèi)工作。此外，如圖2所示，如此設(shè)計基礎(chǔ)樹脂和填料，使得在85℃，即工作溫度的上限處，基礎(chǔ)樹脂的折射率與填料的折射率相同。此外，將在-40℃到+85℃的溫度范圍內(nèi)的溫度下折射率幾乎不變的材料用于填料，而將在-40℃到+85℃的溫度范圍內(nèi)折射率隨溫度上升而減小的材料用于基礎(chǔ)樹脂。應(yīng)該指出，雖然在第一實施例中將工作溫度范圍的上限設(shè)定為+85℃，該上限可以設(shè)定為更大值，例如100℃或更高，根據(jù)該值應(yīng)當調(diào)節(jié)基礎(chǔ)樹脂和填料的折射率。
圖3為一曲線圖，給出了第一實施例的光半導體裝置的透光率與溫度的關(guān)系。
如上所述，添加了填料的模制樹脂在某一溫度下的透光率依賴于在該溫度下填料的折射率和基礎(chǔ)樹脂的折射率之間的差異。
如圖3所示，使用具有圖3所示的折射率與溫度的關(guān)系的填料和基礎(chǔ)樹脂生產(chǎn)的模制樹脂具有這樣的特性，即，隨著溫度在工作溫度范圍的升高透光率增大。
可以通過利用基礎(chǔ)樹脂的折射率與溫度的關(guān)系的變化率的方法，或者通過利用填料的劑量的方法控制透光率相對于溫度升高的增長率(斜率)。換句話說，通過一種方法，透光率相對于溫度升高的增長率(斜率)對應(yīng)于基礎(chǔ)樹脂的折射率與溫度的關(guān)系的變化率，通過一種方法，透光率相對于溫度升高的增長率(斜率)對應(yīng)于填料的劑量。
以下將要描述這些方法。
首先將描述利用基礎(chǔ)樹脂的折射率與溫度的關(guān)系的變化率的方法。通常，眾所周知，基礎(chǔ)樹脂的折射率對溫度的依賴大于填料的折射率對溫度的依賴，而透光率增加的斜率依賴于基礎(chǔ)樹脂的折射率與溫度的關(guān)系的變化率。因此，如果將折射率對溫度依賴性大的材料用于基礎(chǔ)樹脂，就能夠增大透光率增大的斜率。相反，如果將折射率對溫度依賴性小的材料用于基礎(chǔ)樹脂，就能夠減小透光率增大的斜率。利用基礎(chǔ)樹脂的折射率與溫度的關(guān)系的變化率的方法包括控制基礎(chǔ)樹脂的材料，以由此控制透光率的增長率?？刂苹蛘{(diào)節(jié)基礎(chǔ)樹脂的材料的方法包括改變組分類型、改變固化劑等?；蛘?，還可以采取這樣的方法制備多種不同折射率的基礎(chǔ)樹脂并改變這些基礎(chǔ)樹脂的混合比，使得基礎(chǔ)樹脂混合物的折射率得到調(diào)節(jié)。
接下來將描述利用填料的劑量的方法。
在某一溫度下的透光率依賴于在該溫度下基礎(chǔ)樹脂的折射率和填料的折射率之間的差異。因此，通過控制填料的劑量，能夠控制透光率增加的斜率。詳細地講，如果裝置在基礎(chǔ)樹脂和填料之間有折射率差的溫度下使用，就能夠通過增大填料的劑量來增大透光率增加的斜率。相反，通過減少填料的劑量能夠減小透光率增加的斜率。利用填料的劑量的方法是通過控制所添加的填料的劑量來控制透光率的增長率的。
圖4為一曲線圖，給出了第一實施例的光半導體裝置所有的LED 2的光輸出功率與溫度的關(guān)系。已經(jīng)知道，通常LED具有這樣的趨勢，即，它們的光輸出功率隨著溫度升高而減小，如圖4所示，LED 2如通常的LED一樣，也具有隨著溫度升高而減小的光輸出功率。
圖5為一曲線圖，給出了第一實施例的光半導體裝置的光輸出功率與溫度的關(guān)系。
如圖5所示，在裝置的工作溫度范圍之內(nèi)，第一實施例的光半導體裝置的光輸出功率對溫度沒有依賴關(guān)系，這意味著第一實施例的光半導體裝置具有良好的工作特性，即，在裝置的工作溫度范圍內(nèi)光輸出功率不變。
在第一實施例的光半導體裝置中，通過使模制樹脂4的透射率對應(yīng)于LED 2的光輸出功率，即，通過平衡LED 2隨溫度升高而減小的光輸出功率和模制樹脂4隨溫度升高而增大的透射率，為光半導體裝置賦予了優(yōu)良的不隨溫度變化而變化的光學輸出特性。
因為第一實施例的光半導體裝置采用包含玻璃的模制樹脂作為封裝LED 2用的模制樹脂4，而玻璃的透光率適于消除LED 2的光輸出功率隨溫度變化的減少率。因此，能夠使光半導體裝置發(fā)射的光束的光輸出功率在工作溫度范圍內(nèi)基本恒定，且能夠大大地改善光半導體裝置的工作特性。
盡管在第一實施例的光半導體裝置中采用玻璃作為填料，且采用向環(huán)氧樹脂添加玻璃所獲得的模制樹脂4，本發(fā)明的光半導體裝置可以使用除玻璃之外的填料材料，例如二氧化硅、氧化鋁、石英等。
此外，雖然在第一實施例的光半導體裝置中將添加了填料的樹脂用于光半導體裝置的模制部分，該添加了填料的樹脂可以另外用于諸如透鏡或其他光路部分的部分。至于透鏡，使用熱固性樹脂或熱塑性樹脂是可以接受的。至于熱塑性樹脂，可以使用諸如丙烯酸、聚碳酸酯等可透光材料。此外，至于填料，可以使用玻璃或諸如二氧化硅、氧化鋁、石英等其他材料。
此外，在第一實施例的光半導體裝置中，使+85℃下的基礎(chǔ)樹脂的折射率和填料的折射率彼此相同，+85℃是裝置工作溫度區(qū)域的上限。不過，本發(fā)明的光半導體裝置可以采用滿足如下條件的基礎(chǔ)樹脂材料和填料材料，令基礎(chǔ)樹脂的折射率為nb，填料的折射率為nf，那么，在溫度高于工作溫度區(qū)域上限的溫度范圍內(nèi)滿足nb≥nf。在這種情況下，同樣可以獲得類似于第一實施例的光半導體裝置的工作效果。
(第二實施例)圖6A和6B為示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光半導體裝置的視圖。詳細地講，圖6A為第二實施例的光半導體裝置的正面透視圖，而圖6B為第二實施例的光半導體裝置的側(cè)面透視圖。
第二實施例的光半導體裝置與第一實施例的光半導體裝置的主要不同在于采用光電二極管(PD)62，即光探測器取代發(fā)光元件(LED)作為光半導體元件。
對于第二實施例的光半導體裝置，對和第一實施例及其改進例的光半導體裝置相同的效果和優(yōu)勢將不做描述，而僅描述和第一實施例的光半導體裝置不同的構(gòu)造、效果和優(yōu)勢。
該光半導體裝置具有引線框架61、PD 62(作為光半導體元件的一例)、線63和添加了填料的可透光模制樹脂64。線63由具有導電性的導線構(gòu)成，例如Au線、Ag線或Al線。模制樹脂64通過向環(huán)氧基礎(chǔ)樹脂添加作為填料的玻璃形成。在光半導體裝置的工作溫度范圍之內(nèi)，模制樹脂64的透光率隨著溫度升高而增大。
像一般的光電二極管的光探測電流那樣，PD 62的光探測電流對溫度幾乎沒有依賴性，在裝置的工作溫度范圍內(nèi)基本恒定。
第二實施例的光半導體裝置采用了模制樹脂64，其透光率在光半導體裝置的工作溫度范圍內(nèi)隨著溫度升高而增大，第二實施例的光半導體裝置還采用了PD 62，其在工作溫度范圍之內(nèi)具有基本恒定的光探測電流。因此，在光半導體裝置的工作溫度的上限處可以使PD 62的光探測靈敏度最大化。因此，雖然如上所述，一般發(fā)光元件的光輸出功率在高溫下易于減小，使用PD 62在另一方面會補償此類發(fā)光元件的光輸出功率的減小。因此，諸如光通信模塊等的、具有第二實施例的光半導體裝置和發(fā)射光信號的發(fā)光元件的電子設(shè)備會具有不依賴于溫度的良好特性。
(第三實施例)圖7A和7B為示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光半導體裝置的視圖。詳細地講，圖7A為第三實施例的光半導體裝置的正面透視圖，而圖7B為第三實施例的光半導體裝置的側(cè)面透視圖。
第三實施例的光半導體裝置與第一實施例的光半導體裝置的主要不同在于，提供了用于驅(qū)動LED 72的驅(qū)動集成電路76。
對于第三實施例的光半導體裝置，對和第一實施例及其改進例的光半導體裝置相同的效果和優(yōu)勢將不做描述，而僅描述和第一實施例的光半導體裝置不同的構(gòu)造和效果。
光半導體裝置具有引線框架71、LED 72、線73、可透光模制樹脂74和用于驅(qū)動LED 72的驅(qū)動集成電路76。每根線73由具有導電性的導線構(gòu)成，例如Au線、Ag線或Al線。此外，模制樹脂74通過向環(huán)氧基礎(chǔ)樹脂添加作為填料的玻璃形成。
驅(qū)動集成電路76引入了校正電路，用于校正LED 72的驅(qū)動電流，使得驅(qū)動電流隨著溫度的升高而增大。校正電路補償了LED 72的光輸出功率減小的效應(yīng)。
圖8為一曲線圖，給出了從驅(qū)動集成電路76輸出的LED驅(qū)動電流與溫度的關(guān)系。
在圖8中，為85℃下LED的驅(qū)動電流賦予值1，在其他溫度下的LED驅(qū)動電流由相對于85℃下的LED驅(qū)動電流的相對值表示。
如圖8所示，設(shè)定LED驅(qū)動電流，使其隨著溫度升高而增大。設(shè)定驅(qū)動集成電路76的電阻與溫度的關(guān)系使得電阻隨溫度升高而減小，可以容易地實現(xiàn)上述效果。
圖9為一曲線圖，給出了第三實施例的光半導體裝置的光輸出功率。
在圖9中，光半導體裝置在85℃下的光輸出功率被賦予值1，而光半導體裝置在其他溫度下的光輸出功率由相對于光半導體裝置在85℃下的光輸出功率的相對值表示。
在第三實施例的光半導體裝置中，LED 72的輸出功率隨溫度升高而減小的特性通過驅(qū)動集成電路76的校正電路進行補償。因此，使得光半導體裝置能夠具有在工作溫度范圍之內(nèi)沒有溫度依賴性的良好工作特性。
在第三實施例的光半導體裝置中，LED 72的裝置特性通過驅(qū)動集成電路76的校正電路進行補償，使得光半導體裝置的工作特性在工作溫度范圍之內(nèi)成為極好，沒有溫度依賴性。然而，通過下述方式讓光半導體裝置的工作特性在工作溫度范圍內(nèi)沒有溫度依賴性是可以接受的，即，使輸出功率隨LED溫度升高而減小的工作特性與LED驅(qū)動電流隨驅(qū)動集成電路的溫度升高而增大的特性及透光率隨樹脂模制部分的溫度升高而增大的特性二者之間都取得平衡。
此外，根據(jù)本發(fā)明，通過下述方式讓光半導體裝置的工作特性在工作溫度范圍內(nèi)沒有溫度依賴性也是可以接受的，即，使輸出功率隨LED溫度升高而減小的工作特性和LED驅(qū)動電流隨驅(qū)動集成電路的溫度升高而減小的特性二者與透光率隨樹脂模制部分的溫度升高而增大的特性之間取得平衡。
雖然根據(jù)第一、第二或第三實施例的光半導體裝置具有發(fā)光元件或光探測器，本發(fā)明的光半導體裝置可以具有發(fā)光元件和光探測器二者，且它們可以封裝在同樣的模制樹脂封裝中。此外，在本發(fā)明的光半導體裝置中，除了發(fā)光元件和光探測器之外，還可以把發(fā)光元件驅(qū)動電路和光探測器放大電路封裝在同一樹脂封裝中。
(第四實施例)圖10為本發(fā)明的光通信裝置的一個實施例的視圖。
該光通信裝置具有第一實施例的光半導體裝置、第二實施例的光半導體裝置和光纖87。
光纖87起到的作用是將第一實施例的光半導體裝置發(fā)射的光傳輸?shù)降诙嵤├墓獍雽w裝置。
通常，已經(jīng)知道光纖容易因為溫度升高而吸收水分，而通過光纖的通信光的衰減因傳輸介質(zhì)光纖中的水分吸收增大了。還知道，通過光纖的通信光的衰減因通信光波長變化到更長波長而增大。而且，眾所周知，作為光半導體元件的發(fā)光元件的發(fā)射波長因溫度升高而變化。
在該光通信裝置中，第一實施例的光半導體裝置的封裝樹脂的透射率隨溫度升高的增長率對應(yīng)于因水分吸收引起的通信光隨光纖溫度升高的衰減率以及因通信光波長變化到更長波長而引起的通過光纖的通信光的衰減率。換句話說，第一實施例的光半導體裝置的封裝樹脂的透射率隨溫度升高的增長率基本平衡了因水分吸收引起的隨光纖溫度升高的通信光的衰減率以及因通信光波長變化到更長波長而引起的通過光纖的通信光的衰減率。
那么，通過控制第一實施例的光半導體裝置的光輸出功率相對于溫度升高的增長率，使得從光纖入射到第二實施例的光半導體裝置上的光的光輸出基本恒定，而與溫度升高無關(guān)。利用這一設(shè)置，使得光通信裝置能夠具有所交換的通信光對溫度減小的依賴性，且能夠?qū)崿F(xiàn)高通信質(zhì)量的光傳輸。
在該實施例中，光纖的通信光的衰減率通過因第一實施例的光半導體裝置的封裝樹脂溫度升高引起的透光率的增長率得到補償和消除。然而，根據(jù)本發(fā)明，通過下述方式消除第一實施例的光半導體裝置的LED所發(fā)射的光量對溫度的依賴性是可以接受的，即，利用因第一實施例的光半導體裝置的封裝樹脂溫度升高而造成的透光率的增長率；而且，通過下述方式消除光纖的通信光的衰減率也是可以接受的，即，利用因第二實施例的光半導體裝置的封裝樹脂溫度升高而造成的透光率的增長率。
此外，通過如下方式消除第一實施例的光半導體裝置的LED所發(fā)射的光量對溫度的依賴性以及光纖的通信光的衰減也是可以接受的，即，利用因第一和第二實施例的光半導體裝置的封裝樹脂溫度升高而造成的透光率的增加率之和。
(第五實施例)圖11示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光半導體裝置的截面圖。該光半導體裝置具有引線框架101和安裝在該引線框架101上的光半導體芯片102。
使用Ag膏等導電樹脂將光半導體芯片102芯片焊接到引線框架101。引線框架101和光半導體芯片102通過線103(例如金線)彼此電連接。
光半導體芯片102和線103封裝在具有透光性的模制樹脂部分107中。
光半導體芯片102例如是發(fā)光二極管，向模制樹脂部分107之外發(fā)光?；蛘撸獍雽w芯片102例如是光電二極管，從模制樹脂部分107之外接收光。
模制樹脂部分107含有酚醛固化樹脂105(作為基礎(chǔ)或基體)以及多個透明的填料104塊。酚醛固化樹脂105是一種含有酚醛固化劑的環(huán)氧樹脂。透明填料104塊具有大致球形且由石英玻璃制成。如此調(diào)節(jié)酚醛固化樹脂105和透明填料104的材料，使得只要光半導體裝置的工作溫度處于-40℃到105℃的范圍內(nèi)，酚醛固化樹脂105和透明填料104之間的折射率差的絕對值就為0.02或更小。
模制樹脂部分107具有一透鏡106。亦即，透鏡106和樹脂105一體地形成。在透鏡106中放置透明填料104。
接著，圖12給出了填料含量和光輸出功率之間的關(guān)系。如圖12所示，假定當填料含量為0wt％時的光輸出功率為1，那么當填料含量為80wt％時一般填料的光輸出功率減小為大約0.4。另一方面，透明填料的光輸出功率未降至大約0.9的水平以下，這實際上不會帶來任何問題。這里，“一般填料”意思是折射率未調(diào)整的碎狀填料。
如上所述，本發(fā)明的光半導體裝置使用了透明填料104。因此，比起使用一般填料，光輸出功率變得更加令人滿意。
接著，圖13給出了透明填料的折射率和光輸出功率之間的關(guān)系。如圖13所示，假定在折射率為1.62時光輸出功率為1，可了解，當所包含的透明填料的折射率為1.60和1.64時，光輸出功率的減少量降到10％的范圍內(nèi)，而當所含的透明填料的折射率為1.57時，光輸出功率減小大約20％。
從以上描述可以理解，利用基礎(chǔ)的酚醛固化樹脂105的折射率為1.62這一事實，通過把透明填料104和酚醛固化樹脂105之間的折射率差的絕對值設(shè)定為0.02或更小，基本上抑制了模制樹脂部分107的透光率的減小。如上所述，如此調(diào)節(jié)酚醛固化樹脂105和透明填料104的材料，使得只要光半導體裝置的工作溫度處于-40℃到105℃的范圍內(nèi)，酚醛固化樹脂105和透明填料104之間的折射率差的絕對值就為0.02或更小。這樣，不僅在25℃的工作溫度下，而且在上述指定溫度范圍內(nèi)的任何工作溫度下，模制樹脂部分107都具有令人滿意的透光率。
接著，圖14給出了透明填料含量和線性膨脹系數(shù)之間的關(guān)系。首先將描述本發(fā)明的光半導體裝置所用的諸部件的線性膨脹系數(shù)。引線框架101的線膨脹系數(shù)約為17ppm，光半導體芯片102的線膨脹系數(shù)約為3到8ppm，線(金線)3的線膨脹系數(shù)約為14ppm。
那么，為了確保車載使用(即，容忍在大約-40℃到105℃的溫度下的使用)的可靠性，盡可能地匹配諸部件的線性膨脹系數(shù)是很重要的?？紤]到上述諸部件的線性膨脹系數(shù)，要求模制樹脂部分107的線膨脹系數(shù)為40ppm或更小。就此而論，用于常規(guī)光半導體裝置的酸酐固化環(huán)氧樹脂(即，含有酸酐作為固化劑的環(huán)氧樹脂)的線性膨脹系數(shù)約為65ppm。
亦即，如圖14所示，要求透明填料的含量不小于40wt％。另一方面，當透明填料含量過分增大時，成型期間樹脂流動這一缺點變得更加嚴重，因此，從成型的角度看，透明填料含量的上限為80wt％。
如上所述，通過將透明填料的含量設(shè)定為40到80wt％，減小了模制樹脂部分107和封裝在模制樹脂部分107內(nèi)的諸部分(均稱為被封裝部分)之間的線性膨脹系數(shù)差，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性。
根據(jù)上述構(gòu)造，由于使用了酚醛固化樹脂105且其中包含了40到80wt％的由石英玻璃制成的透明填料104，填料104和酚醛固化樹脂105之間折射率差的絕對值不大于0.02，因此，光半導體裝置成為高可靠性的光半導體裝置，其具有相當于酸酐固化樹脂水平的透光率，且其中的線103斷開和封裝中裂縫的發(fā)生得到了抑制。
接著，圖15示出了在有/沒有球形透明填料和有/沒有透鏡結(jié)構(gòu)時的光輸出功率特性。從圖15可以理解，在有球形透明填料塊或顆粒時，每個透明填料塊和酚醛固化樹脂之間的界面處的光散射得到抑制，且透鏡對光輸出功率的效果比沒有填料時的情形大。
亦即，通過添加球形填料且進一步在模制樹脂部分提供透鏡(即，通過將封裝成型為透鏡形狀提供透鏡結(jié)構(gòu))，有可能提供具有改善的光輸出功率和改善的透光率的光半導體裝置。
(第六實施例)指出與第五實施例的差別，在第六實施例中模制樹脂部分107含有脫模劑。酚醛固化樹脂105中所含的脫模劑使得能夠提供具有良好制造效率的光半導體裝置。
亦即，通常，在利用酸酐固化樹脂的樹脂封裝工藝中，常規(guī)地，在每次成型投射時都向金屬模具涂布脫模劑。然而，向金屬模具涂布脫模劑的工藝已經(jīng)成為了阻礙生產(chǎn)自動化的一個瓶頸。為了解決這一生產(chǎn)問題，在樹脂中預(yù)先加入脫模劑，以消除每次投射涂布脫模劑的工序。這樣一來，就有可能使生產(chǎn)自動化了。簡而言之，在用金屬模具成型光半導體裝置之前不需要向金屬模具涂布脫模劑，從而提高了制造效率。
(第七實施例)本實施例的電子設(shè)備具有根據(jù)第一到第三實施例或第五或第六實施例的任一種光半導體裝置。該電子設(shè)備可以是特別用于寬工作溫度范圍環(huán)境中的電子設(shè)備，例如車載設(shè)備的電子設(shè)備、工廠中機器人的傳感器，或控制設(shè)備。舉例來說，車載設(shè)備包括車載音頻系統(tǒng)、汽車導航系統(tǒng)、傳感器等。
該電子設(shè)備也可以是用于一般環(huán)境中的電子設(shè)備，例如數(shù)字TV(電視)機、數(shù)字BS(廣播衛(wèi)星)調(diào)諧器、CS(通信衛(wèi)星)調(diào)諧器、DVD(數(shù)字多用盤)播放器、超音頻CD(光盤)播放器、AV(視音頻)放大器、音頻裝置、個人計算機、個人計算機外設(shè)、便攜式電話、PDA(個人數(shù)字助理)等。
當將本發(fā)明的光半導體裝置用于該電子設(shè)備時，能夠穩(wěn)定電子設(shè)備的工作特性，使其與溫度幾乎沒有依賴性且做得高度可靠。
這樣描述了本發(fā)明的實施例，很明顯這些實施例可以在許多方面變化。這樣的變化不應(yīng)被看作背離本發(fā)明的精神和范圍，且對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說所有顯而易見的此類改進都旨在包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光半導體裝置，包括光半導體元件；以及可透光樹脂，布置所述可透光樹脂以封裝所述光半導體元件，且所述可透光樹脂包括基礎(chǔ)樹脂和填料，其中所述可透光樹脂具有在工作溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增大的透射率。
2.如權(quán)利要求1所述的光半導體裝置，其中在高于所述工作溫度范圍的上限的一個溫度處，所述可透光樹脂的所述基礎(chǔ)樹脂和所述填料具有彼此重合的折射率。
3.如權(quán)利要求1所述的光半導體裝置，其中所述光半導體元件為發(fā)光元件。
4.如權(quán)利要求1所述的光半導體裝置，其中所述光半導體元件為光探測器。
5.如權(quán)利要求3所述的光半導體裝置，其中所述可透光樹脂因溫度升高而引起的透射率增大因子基本平衡所述發(fā)光元件因溫度升高而引起的光輸出功率減小因子。
6.如權(quán)利要求5所述的光半導體裝置，其中所述可透光樹脂的所述透射率增大因子對應(yīng)于所述可透光樹脂中的所述填料的量。
7.如權(quán)利要求5所述的光半導體裝置，其中所述可透光樹脂的所述透射率增大因子對應(yīng)于所述可透光樹脂的所述基礎(chǔ)樹脂的折射率相對于溫度升高的減小量。
8.如權(quán)利要求3所述的光半導體裝置，還包括用于驅(qū)動所述發(fā)光元件的發(fā)光元件驅(qū)動電路，其中所述發(fā)光元件驅(qū)動電路具有校正電路，用于校正所述發(fā)光元件的光輸出功率因溫度升高而引起的變化。
9.如權(quán)利要求8所述的光半導體裝置，其中所述發(fā)光元件的光輸出功率因溫度升高而引起的減少量被所述可透光樹脂的透射率因溫度升高而引起的增加量和所述發(fā)光元件驅(qū)動電路的校正電路對光輸出功率變化所做的校正所消除。
10.一種光通信裝置，包括如權(quán)利要求1所述的光半導體裝置和光纖，以使用所述光纖作為傳輸介質(zhì)來發(fā)射和/或接收光信號，其中所述光纖中的通信光因所述光纖的溫度升高而引起的衰減率對應(yīng)于所述光半導體裝置的所述可透光樹脂因溫度升高而引起的透射率增大因子。
11.一種光通信裝置，包括如權(quán)利要求1所述的光半導體裝置和光纖，以使用所述光纖作為傳輸介質(zhì)來發(fā)射和/或接收光信號，其中所述光纖中的通信光因所述光半導體裝置中的所述光半導體元件溫度升高而引起的發(fā)射波長變化造成的衰減率對應(yīng)于所述可透光樹脂因溫度升高而引起的透射率增大因子。
12.一種光半導體裝置，包括光半導體元件；以及具有透光性的模制樹脂部分，所述模制樹脂部分封裝所述光半導體元件，其中所述光半導體元件向所述模制樹脂部分之外發(fā)射光或者接收從所述模制樹脂部分之外入射的光，且所述模制樹脂部分包括酚醛固化樹脂和由石英玻璃制成的透明填料。
13.如權(quán)利要求12所述的光半導體裝置，其中只要所述裝置的工作溫度處于-40℃到105℃的范圍內(nèi)，所述透明填料和所述酚醛固化樹脂之間的折射率差的絕對值就不大于0.02。
14.如權(quán)利要求12所述的光半導體裝置，其中所述模制樹脂部分中所述透明填料的含量為40-80wt％。
15.如權(quán)利要求12所述的光半導體裝置，其中所述透明填料包括基本球形的塊。
16.如權(quán)利要求15所述的光半導體裝置，其中所述模制樹脂部分具有透鏡。
17.如權(quán)利要求12所述的光半導體裝置，其中所述模制樹脂部分含有脫模劑。
18.一種電子設(shè)備，包括如權(quán)利要求1-9和12-17中任一項所述的光半導體裝置。
全文摘要
一種光半導體裝置，具有諸如LED或PD的光半導體元件(2)以及封裝該光半導體元件的可透光樹脂(4)，其在工作溫度范圍內(nèi)的溫度下具有適當?shù)耐腹饴是以诠ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)的溫度下表現(xiàn)出優(yōu)異的工作特性。該可透光樹脂含有基礎(chǔ)樹脂和填料。該可透光樹脂(4)具有這樣的特性在工作溫度范圍內(nèi)(例如，－40℃－+85℃)其透射率隨著溫度升高而增大。本發(fā)明還提供一種具有該光半導體裝置的光通信裝置和一種具有該光半導體裝置的電子設(shè)備。
文檔編號H01L31/00GK1753170SQ20051010694
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月22日
發(fā)明者大江信之, 名倉和人, 高倉英也, 楠田一夫, 小路弘之 申請人:夏普株式會社