JP2004214498A

JP2004214498A - 光結合素子

Info

Publication number: JP2004214498A
Application number: JP2003001256A
Authority: JP
Inventors: Yoji Yamaguchi; 洋司山口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】組立工程の簡易化とデバイスの小型化を図ることができる光結合素子を提供する。
【解決手段】入力側に発光素子２を備え、出力側に発光素子２からの光を受けてオンする受光素子３を備える光結合素子１において、発光素子２は、柔軟な透明樹脂基板と、該柔軟な透明樹脂基板に形成された有機ＥＬ素子と、から構成され、柔軟な透明樹脂基板が受光素子３側に対向して配置されている。また、有機ＥＬ素子が、リードフレーム４にダイボンドされることにより搭載される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光結合素子に関する。詳しくは、電源フィードバックやスイッチング素子として各種電子機器に設けられるフォトカプラ、フォトトライアックカプラ、ソリッドステートリレーのような光結合素子に関するものであり、特に入出力間を絶縁して信号伝達を行う回路を備えたＤＶＤ、ＴＶ、ＶＴＲ、ＣＤ、ＭＤ、電源機器、家電機器、インバータ制御機器等の電子機器に好適に用いられる光結合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フォトカプラ等の光結合素子１００は、図１１に示すように、発光素子１０２と受光素子１０３とがそれぞれリードフレーム３０、４０に搭載され、互いに対向するように設置されている。
【０００３】
発光素子１０２としては、発光ダイオード１０１が用いられており、この発光ダイオード１０１が、銀ペースト等を介してリードフレーム３０に搭載されている。そして、発光素子１０２には、発光素子１０２自体や受光素子１０３からの発熱により生じる熱応力から保護するために、透明シリコン樹脂５０が塗布されている。
【０００４】
また、受光素子１０３としては、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトトライアック等が用いられており、この受光素子１０３が、銀ペースト、ポリイミド樹脂を用いた絶縁ペースト等を介してリードフレーム４０に搭載されている。これらの発光素子１０２と受光素子１０３とは、白色の半透明樹脂８とともに黒色の外部樹脂９の内部に封入されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２６７７１４号公報（第２頁、第４図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のフォトカプラ等の光結合素子１００は、発光素子１０２と受光素子１０３をリードフレーム３０、４０にそれぞれダイボンドおよびワイヤボンドし、さらに熱応力から保護するため、発光素子１０２にシリコン樹脂５０を塗布し、白色半透明樹脂８および遮光性黒色樹脂９で二回モールドを行うという複雑な工程を経て製造されていた。
【０００７】
また、その特性上、電気的絶縁を確保するための発光素子１０２と受光素子１０３間の絶縁距離を規定しなければならないにもかかわらず、二枚のリードフレーム３０、４０を対向させているため、リードフレームの製造精度やフォトカプラ生産段階でのリードフレームの歪みにより、絶縁距離を精度良く規定した生産が困難であった。このため、設計段階において絶縁距離に対して必要以上のマージンを取り、デバイスのパッケージ厚が大きくなっていた。
【０００８】
さらに、図１２に示すように、発光素子１０２から受光方向にワイヤａが突出しているために、その分だけ発光素子１０２と受光素子１０３との間隔を大きく設計しなければならず、この点でもデバイスのパッケージ厚が大きくなっていた。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑み創作されたものであって、組立工程の簡易化とデバイスの小型化を図ることができる光結合素子を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、入力側に発光素子を備え、出力側に前記発光素子からの光を受けてオンする受光素子を備える光結合素子において、前記発光素子は、柔軟な透明樹脂基板と、該柔軟な透明樹脂基板に形成された有機ＥＬ素子と、から構成され、柔軟な透明樹脂基板が受光素子側に対向して配置されていることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、発光素子が柔軟な透明樹脂基板に形成された有機ＥＬ素子で構成されているので、有機ＥＬ素子にシリコン樹脂を塗布しなくても、柔軟な透明樹脂基板によって、有機ＥＬ素子の電極部や発光層を有機ＥＬ素子自体や受光素子の発熱によって生じる熱応力から保護することができ、熱応力破壊を防止することができる。その結果、従来必要であったシリコン樹脂コーティング工程を削除することができ、光結合素子の組立工程の簡素化を図ることができる。また、柔軟な透明樹脂基板が有機ＥＬ素子の保護層と絶縁層とを兼ねることができるので、デバイスの小型化を図ることができる。
【００１２】
本発明は、前記有機ＥＬ素子の透明電極は、この透明電極上に積層される正孔輸送層、発光層、電子輸送層、金属電極よりも平面形状が大きく形成され、有機ＥＬ素子を搭載する入力側リードフレームには、少なくとも二本のリードが備えられ、一方のリードに金属電極がダイボンドされ、他方のリードに透明電極がダイボンドされたことを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、発光素子の二つの電極を各リードにそれぞれダイボンドするので、発光素子をワイヤボンドする必要がなくなる。したがって、発光素子から受光方向にワイヤが突出しないので、発光・受光素子間距離をワイヤ突出分だけ大きく設計しなくても、発光・受光素子間の絶縁距離を十分確保でき、デバイスの小型化を図ることができる。また、ワイヤボンド工程を省くことができるので、光結合素子の組立工程の簡素化を図ることができる。
【００１４】
本発明は、前記柔軟な透明樹脂基板の受光素子側には、０．１５ｍｍ以上の厚さを有するＳｉＯ_２透明ガラス基板が設置されたことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、柔軟な透明樹脂基板の受光素子側に設置するＳｉＯ_２ガラス基板は、剛性が高いので、発光素子と受光素子間の絶縁距離を確実に規定できる。したがって、設計時に必要以上の絶縁距離マージンを取る必要性がなく、入力側と出力側の相対向するリードフレーム間距離を短くすることができ、デバイスの小型化を図ることができる。
【００１６】
本発明は、前記有機ＥＬ素子の透明電極に発光層が複数箇所積層されたことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、一度に複数個の発光素子を搭載することができるので、製造工程を大幅に簡略化できる。
【００１８】
本発明は、前記発光素子が、受光素子に直接搭載されたことを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、透明樹脂基板を例えば０．５ｍｍと十分な厚さを持たせることにより、適切な絶縁距離を保持しながら発光素子を受光素子に直接搭載することができる。また、光学的に直接連結されるため、半透明樹脂を用いたモールド工程を削除することができる。
【００２０】
さらに、発光素子の透明樹脂基板は柔軟性を有するので、発光素子を受光素子にダイボンドする際、受光素子に対して力学的ストレスを緩和することができる。
【００２１】
本発明は、前記受光素子には、素子チップ生産段階で光硬化性樹脂が塗布され、紫外線等の光により硬化させた樹脂が有機ＥＬ素子の透明樹脂基板として用いられ、この樹脂上に有機ＥＬ素子が形成されて一体型受発光素子が構成され、この一体型受発光素子が入力側と出力側の各リードフレームに搭載されたことを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、チップ生産段階にウエハ状態の受光素子に発光素子を作成するため、一回のダイシングで受発光素子のウエハからチップ状態への切り分けが可能となり、光結合素子の組立工程の簡素化を図ることができる。
【００２３】
本発明は、前記発光素子は、受光素子の受光部位にのみ対応した発光層が透明電極または正孔輸送層に積層されてなることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、有機ＥＬ素子は発光面から均一に光が照射されることから、受光素子の受光部位にのみ対応した効率的な発光層を形成することにより、発光層に用いる化合物の量を軽減でき、発光素子の縮小化を図ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光結合素子の実施の形態について、図を参照しながら説明する。
【００２６】
なお、上記した従来技術と同一のものについては、同一の付号を付している。
【００２７】
本発明の第１実施形態に係る光結合素子１は、図１に示すように、フォトカプラであって、入力側に発光素子２を備える一方、出力側に発光素子２からの光を受けてオンする受光素子３を備えており、発光素子２と受光素子３が相対向するようにそれぞれリードフレーム４、５に搭載されている。そして、発光素子２は、柔軟な透明樹脂基板１０と、柔軟な透明樹脂基板１０に形成された有機ＥＬ素子１１とから構成されている。
【００２８】
ここで、有機ＥＬ素子１１は、透明樹脂基板１０上に透明電極１２、正孔輸送層１３、発光層１４、電子輸送層１５、金属電極１６を順に積層して形成されている（図２参照）。また、有機ＥＬ素子１１としては、受光素子３の受光感度のある波長帯を発光できるものが用いられ、シリコンフォトダイオードでは８００ｎｍを中心に６００から１１００ｎｍの波長の光に感度があるため、赤外発光有機ＥＬ素子が望ましい。
【００２９】
例えば、有機ＥＬ素子１１としては、透明樹脂基板１０上に透明電極１２（ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ）を作成し、正孔輸送層１３としてＮ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−Ｎ，Ｎ’−ｄｉ（ｍ−ｔｏｌｙｌ）−ｂｅｎｚｉｄｉｎｅ［ＴＰＤ］を５０ｎｍ，発光層１４としてｔｒｉｓ（ｄｉｂｅｎｚｏｙｌｍｅｔｈａｎａｔｏ）（ｍｏｎｏｂａｔｈｏｐｈｅｎａｎｔｈｏｒｏｌｉｎｅ）ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ（ＩＩＩ）ｃｏｍｐｌｅｘ［Ｎｄ（ＤＢＭ）３ｂａｔｈ］を２５ｎｍ，電子輸送層１５としてｔｒｉｓ（８−ｑｕｉｎｏｌｉｎｏｌａｔｏ）ａｌｕｍｉｎｕｍ（ＩＩＩ）ｃｏｍｐｌｅｘ［Ａｌｑ３］を５０ｎｍ，金属電極１６としてマグネシウム− 銀（１０：１）合金を１００ｎｍをそれぞれ積層したものでもよい（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．７４，Ｎｏ．２２，３１Ｍａｙ１９９９でＫａｗａｍｕｒａらが作成）。
【００３０】
透明樹脂基板１０は、電気的絶縁性を有し、柔軟性を有するシリコン樹脂等の透明樹脂で構成されており、有機ＥＬ素子１１の電極部１２、１６や発光層１４を発光素子２自体や受光素子３からの発熱による熱応力から保護することができる。
【００３１】
次に、本発明の光結合素子１の第２実施形態について、図３に基づいて説明する。
【００３２】
この実施形態に係る光結合素子１の発光素子２は、柔軟な透明樹脂基板１０上に積層される透明電極１２が、この透明電極１２上に積層される正孔輸送層１３、発光層１４、電子輸送層１５、金属電極１６よりも平面形状が大きく形成されている。
【００３３】
また、受光素子３を搭載する出力側リードフレーム５と相対向して設けられた発光素子２を搭載する入力側リードフレーム４は、二本のリード４１、４２から構成されている（図３（ｂ）参照）。
【００３４】
そして、有機ＥＬ素子１１の金属電極１６は、銀ペースト７を介してリード４１に直接ダイボンドされ、透明電極１２は、銀ペースト７を介してリード４２に直接ダイボンドされている（図３（ａ）参照）。
【００３５】
このように発光素子２は、リードフレーム４に直接ダイボンドすることにより電気的に接合されるため、ワイヤボンディングする必要がなく、絶縁距離を確保することができる。
【００３６】
また、透明樹脂基板１０が柔軟性を有するので、発光素子２をリードフレーム４にダイボンドする際、ダイボンド性を向上させるために透明電極１２、金属電極１６とリードフレーム４との間の距離に対応させてリードフレーム４を微調整したり、接合の際に用いる銀ペースト７の量を微調整する必要がない。
【００３７】
次に、本発明の光結合素子１の第３実施形態について、図４に基づいて説明する。
【００３８】
この実施形態に係る発光素子２は、柔軟な透明樹脂基板１０の受光素子３側に０．１５ｍｍ以上の厚さを有するＳｉＯ_２透明ガラス基板１７が設置されたものである。
【００３９】
従来のように発光素子として発光ダイオードを用いた場合には、受光素子側に直接ガラス基板を設置することは、発光ダイオードの電極の形状により困難であったが、本実施形態のように柔軟な透明樹脂基板１０に形成された有機ＥＬ素子１１を発光素子２とした場合では可能である。
【００４０】
ＳｉＯ_２ガラス基板１７は剛性が高いので、このようにＳｉＯ_２ガラス基板１７を透明樹脂基板１０に直接設置することにより、発光素子２と受光素子３間の絶縁距離を確実に規定できる。このため、設計時に必要以上の絶縁距離マージンを取る必要性がなく、二つの対向するリードフレーム４、５間距離を短くすることができ、デバイスの小型化を図ることができる。
【００４１】
次に、本発明の光結合素子１の第４実施形態について、図５および図６に基づいて説明する。
【００４２】
この実施形態に係る発光素子２は、一枚の透明樹脂基板１０に透明電極１２を積層し、独立した発光層１４を複数箇所に積層したものであり、一つの基板１０に複数の発光部位を有する発光素子２を形成することができる。
【００４３】
なお、発光部位間の光の干渉を防ぐため、内部に遮光性樹脂１８を拡散させた透明樹脂基板１０を用いてもよい。
【００４４】
この結果、従来の複数チャンネルの光結合素子では複数個の受光素子に対してそれぞれ独立した発光素子を対向させて形成する必要があるが、本実施形態により、例えば、図６に示すように、タイバーにより一時的につながっているリードフレーム４ａを用いると、一度に複数個の発光素子２の搭載が可能となり、製造工程を大幅に簡略化できる。また、この場合、第２実施形態で説明した形状のリードフレーム４を用いると、発光素子２は、リードフレーム４に直接ダイボンドすることにより電気的に接合され、ワイヤボンディングする必要がない。
【００４５】
次に、本発明の光結合素子１の第５実施形態について、図７に基づいて説明する。
【００４６】
この実施形態に係る発光素子２は、受光素子３に直接搭載されている。すなわち、受光素子３を出力側リードフレーム５に設置し、受光素子３の電気的接合のためにワイヤボンドを行った後、柔軟な透明樹脂基板１０上に形成された有機ＥＬ素子１１を、絶縁ペースト８等を介して受光素子３にダイボンドしている（図７（ａ），（ｂ）参照）。
【００４７】
例えば、０．５ｍｍと十分な厚さを有する透明樹脂基板１０を用いることにより、適切な絶縁距離を保持しながら発光素子２は受光素子３に固定される。したがって、図７（ａ）、（ｃ）に示すような平面的な形状のリードフレーム５を用いた場合、受光素子３の裏面３１（発光素子２側の背面）をリードフレーム５に電気的・物理的接合のためにダイボンドすれば、発光素子２と受光素子３とを個々のリードフレーム４、５にダイボンドしなくても対向させることができ、一枚のリードフレーム５のみで発光素子２と受光素子３とを搭載することができる。また、光学的に直接連結されるため、半透明樹脂を用いたモールド工程を削除することができる。さらに、発光素子２の透明樹脂基板１０は柔軟性を有するので、発光素子２を受光素子３にダイボンドする際、受光素子３に対して力学的ストレスを緩和することができる。
【００４８】
次に、本発明の光結合素子１の第６実施形態について、図８および図９に基づいて説明する。
【００４９】
この実施形態に係る受光素子３には、素子チップ生産段階で光硬化性樹脂１９が塗布され、紫外線等の光により硬化された前記樹脂１９が有機ＥＬ素子１１の透明樹脂基板１０として用いられ、この樹脂１９上に有機ＥＬ素子１１が形成されて一体型受発光素子６が構成されている。そして、この一体型受発光素子６が入力側と出力側の各リードフレーム４、５に搭載されている（図９参照）。
【００５０】
ここでいう光硬化性樹脂１９は、紫外・可視光等により硬化するが、硬化物硬度は柔軟であり、電気的絶縁性をもつものを指している。
【００５１】
従来では、ウェハ状態の発光素子、受光素子のそれぞれに対してダイシングを行なっていたが、本実施形態では、素子チップ生産段階でウェハ状態の受光素子３に発光素子２を作成するので、一回のダイシングで、ウェハ状態の受発光素子６からチップ状態へ切り分けることができる。
【００５２】
また、受光素子３の裏面３１を出力側リードフレーム５にダイボンドすれば、発光素子２、受光素子３をリードフレーム４、５に搭載することができ、ダイボンド工程を一回で済ませることができる。
【００５３】
さらに、受発光素子６は、発光素子２が受光素子３に直接搭載されている構成において、上記した第５実施形態と同様である。したがって、適切な絶縁距離を保持しながら発光素子２が受光素子３に固定されること、一枚のリードフレーム５のみで受発光素子６を搭載することができること、光学的に直接連結されるためモールド工程を削除できること、といった優位性も第５実施形態と同様に有している。
【００５４】
さらにまた、第２実施形態で説明した形状のリードフレーム４および有機ＥＬ素子１１を用い、図９に示すように、受光素子３の裏面３１を出力側リードフレーム５に電気的・物理的接合のためにダイボンドした後に、発光素子２の透明電極１２と金属電極１６のそれぞれに対して電気的接合のためのペースト材を塗布し、発光素子２を入力側リードフレーム４に搭載してもよい。
【００５５】
この場合、ダイボンドのみで発光素子２をリードフレーム４に電気的接合することができ、発光素子２に関してワイヤボンド工程の削除が可能となる。
【００５６】
次に、本発明の光結合素子１の第７実施形態について、図１０に基づいて説明する。
【００５７】
この実施形態に係る発光素子２は、受光素子３の受光部位にのみ対応した発光層１４を透明電極１２または正孔輸送層１３に積層して作成されている。
【００５８】
発光ダイオード等の点発光素子と異なり、有機ＥＬ素子は面発光で光るために発光面Ａから均一に光が照射される。したがって、発光面Ａは受光素子の受光部分Ｂの面積分だけあれば十分であり、本実施形態では、受光部分Ｂにのみ対応した発光層１４が形成されている。この場合、発光層１４に用いる化合物の量を軽減でき、発光素子２の縮小化を図ることができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の光結合素子によれば、組立工程の簡易化とデバイスの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光結合素子の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の光結合素子を構成する発光素子の構造を模式的に示す構成図である。
【図３】本発明の光結合素子の第２実施形態のリードフレームと発光素子の接合部を模式的に示す構成図（ａ）、および（ａ）のリードフレーム側からみた平面図（ｂ）である。
【図４】本発明の光結合素子を構成する発光素子の第３実施形態の構造を模式的に示す構成図である。
【図５】本発明の光結合素子を構成する発光素子の第４実施形態を示す平面図である。
【図６】図５における発光素子をリードフレームに搭載した際の平面図である。
【図７】本発明の光結合素子の第５実施形態を示す断面図（ａ）、発光素子と受光素子部分の拡大図（ｂ）、および（ａ）の光結合素子上面からみた平面図（ｃ）である。
【図８】本発明の光結合素子を構成する一体型受発光素子の第６実施形態の構造を模式的に示す構成図である。
【図９】図８における一体型受発光素子をリードフレームに搭載した光結合素子を示す断面図である。
【図１０】本発明の光結合素子の第７実施形態に係る発光層を受光部位と同形状に積層して作成した発光素子を示す斜視図である。
【図１１】従来の光結合素子の一例を示す断面図である。
【図１２】従来の光結合素子の発光素子部分拡大図である。
【符号の説明】
１光結合素子
２発光素子
３受光素子
４入力側リードフレーム
５出力側リードフレーム
６一体型受発光素子
７銀ペースト
８絶縁ペースト
１０柔軟な透明樹脂基板
１１有機ＥＬ素子
１２透明電極
１３正孔輸送層
１４発光層
１５電子輸送層
１６金属電極
１７ＳｉＯ_２ガラス基板
１９光硬化性樹脂
４１、４２リード

Claims

入力側に発光素子を備え、出力側に前記発光素子からの光を受けてオンする受光素子を備える光結合素子において、
前記発光素子は、柔軟な透明樹脂基板と、該柔軟な透明樹脂基板に形成された有機ＥＬ素子と、から構成され、柔軟な透明樹脂基板が受光素子側に対向して配置されていることを特徴とする光結合素子。
前記有機ＥＬ素子の透明電極は、この透明電極上に積層される正孔輸送層、発光層、電子輸送層、金属電極よりも平面形状が大きく形成され、有機ＥＬ素子を搭載する入力側リードフレームには、少なくとも二本のリードが備えられ、一方のリードに金属電極がダイボンドされ、他方のリードに透明電極がダイボンドされたことを特徴とする請求項１記載の光結合素子。
前記柔軟な透明樹脂基板の受光素子側には、０．１５ｍｍ以上の厚さを有するＳｉＯ_２透明ガラス基板が設置されたことを特徴とする請求項１または２記載の光結合素子。
前記有機ＥＬ素子の透明電極に発光層が複数箇所積層されたことを特徴とする請求項１または２記載の光結合素子。
前記発光素子が、受光素子に直接搭載されたことを特徴とする請求項１または２記載の光結合素子。
前記受光素子には、素子チップ生産段階で光硬化性樹脂が塗布され、紫外線等の光により硬化させた樹脂が有機ＥＬ素子の透明樹脂基板として用いられ、この樹脂上に有機ＥＬ素子が形成されて一体型受発光素子が構成され、この一体型受発光素子が入力側と出力側の各リードフレームに搭載されたことを特徴とする請求項５記載の光結合素子。
前記発光素子は、受光素子の受光部位にのみ対応した発光層が透明電極または正孔輸送層に積層されてなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光結合素子。