JP2006108294A - チップ型ホトリフレクタおよびその製造方法 - Google Patents

チップ型ホトリフレクタおよびその製造方法 Download PDF

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太 猪瀬
Tsutomu Tomita
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Abstract

【課題】 ワイヤボンディングをすることなく、しかもチップサイズ程度の非常に小型で、製造するのが容易な構造のチップ型ホトリフレクタおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 四角形状の一面が発光面1aとされ、その発光面1aを挟んだ側面に一対の電極が設けられる発光素子1と、四角形状の一面が受光面2aとされ、その受光面2aを挟んだ側面に一対の電極が設けられる受光素子2とが、発光面1aおよび受光面2aを同じ方向に向け、かつ、一対の電極がそれぞれ同じ方向に現れるように一定間隔を設けて配置され、その発光面1aおよび受光面2aに、光透過性基板3が貼り付けられている。そして、発光素子1および受光素子2の一対の電極のぞれぞれに接続して金属板41、421、422が設けられ、発光素子1および受光素子2の光透過性基板3および金属板4が設けられる部分以外の周囲は、光不透過性樹脂5により被覆されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、発光素子と受光素子とを具備し、発光素子からの光が対象物により反射した光を受光素子により受光することにより、対象物の有無などの状態を検出するホトリフレクタおよびその製造方法に関する。さらに詳しくは、回路基板上に表面実装することができると共に、チップマウンターによって簡単に取り付ける場合に好適なチップ型ホトリフレクタおよびその製造方法に関する。
電子機器の軽薄短小化に伴い、ホトリフレクタにおいても小型化、特に薄型化がより一層要求されてきている。このような要求に基づいて、ホトリフレクタも従来の樹脂モールドした発光素子と受光素子とを並べて不透光性樹脂により2次モールドする構造のものに代えて、図10に断面説明図が示されるようなリードレスパッケージのものが採用されてきている。すなわち、図10において、表裏面に接続された配線64を有するプリント配線基板61の表面に、発光素子62と受光素子63とが配線64と接続されるようにダイボンディングされ、他方の電極はワイヤ65を介して図示しない配線とワイヤボンディングされ、それぞれの発光素子62、受光素子63の周囲に光不透過性のダム樹脂を塗布して硬化させることにより遮光壁66を設け、遮光壁66で区切られた空間に光透過性の樹脂67を塗布して硬化させることにより形成されている。なお、68はダイボンディング剤である。
このように発光素子62や受光素子63のチップを直接プリント配線基板61上にダイボンディングする構造にしても、ワイヤボンディングをしなければならないため、チップ上に一定の空間を必要とし、薄くするためにはプリント配線基板61や発光素子62および受光素子63を薄くする程度しかなく、薄型を充分に達成することができないと共に、プリント配線基板61を薄くすると、プリント配線基板61の撓みによるパッケージ厚の不均一が生じたり、発光素子62および受光素子63のチップを薄くすると、チップの割れや欠けが生じ、歩留りが低下するという問題が生じる。
一方、発光素子では、このようなワイヤボンディングの問題を解決するため、図11に示されるように、発光素子チップ71のn側電極72およびp側電極73に直接チップより大きい面積の電極板74、75を接合し、その隙間に透光性の樹脂76を充填する構造のものも知られている。この構成にすることにより、大きな電極板に複数個の発光素子チップ71を並べて樹脂76の充填後に個片化することにより、大量生産をすることができると共に、図11に示されるようにプリント回路基板77に設けられる配線膜78に簡単にハンダ79で接続することができる(たとえば特許文献1参照)。
特開平9−45964号公報
前述のように、従来のホトリフレクタでは、発光素子をチップのまま基板上にマウントすることにより小型化を図っても、ワイヤボンディングのための空間を確保しなければならず、充分な小型化を図ることができない。また、発光素子や受光素子のチップの両電極に電極板を直接接合して、その隙間に樹脂を充填する構造にする場合、発光素子または受光素子単体であれば、透光性樹脂の充填で形成することができるが、ホトリフレクタのように、発光素子および受光素子として機能するように光を透過させながら、相互間で直接光の授受が行われないように、また、外来ノイズの光が受光素子に入らないように遮光する必要のある場合に、非常に小型で、しかも容易に製造することができる構造のチップ型
ホトリフレクタは得られていない。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、ワイヤボンディングをすることなく、しかも殆どチップサイズ程度の非常に小型で、製造するのが容易な構造のチップ型ホトリフレクタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明によるチップ型ホトリフレクタは、四角形状の一面が発光面とされ、該発光面を挟んで対向する側面にそれぞれ延出する一対の電極が設けられる発光素子と、四角形状の一面が受光面とされ、該受光面を挟んで対向する側面に一対の電極が設けられる受光素子と、前記発光素子および受光素子が、前記発光面および受光面を同じ方向に向け、かつ、前記発光素子および受光素子の一対の電極がそれぞれ同じ方向に現れるように一定間隔を設けて配置され、前記発光面および受光面に貼り付けられる光透過性基板と、前記発光素子および受光素子の一対の電極のぞれぞれに接続するように、前記発光面および受光面を挟んで対向する前記側面に設けられる金属板と、前記発光素子および受光素子の前記光透過性基板および金属板が設けられる部分以外の周囲を被覆する光不透過性樹脂とを具備している。
本発明によるチップ型ホトリフレクタの製造方法は、四角形状の発光面を挟んで対向する側面に一対の電極を形成し、また四角形状の受光面に、該受光面を挟んで対向する側面にそれぞれ延出する一対の電極を形成し、前記対向する側面に形成する前記電極の間隔と前記電極が延出する前記側面の間隔とが等しくなるように発光素子および受光素子を形成する工程と、
光透過性材料からなり、前記間隔と同じ幅を有する帯状の光透過性基板を準備する工程と、
前記発光素子および受光素子を、前記発光面および受光面が前記光透過性基板に面し、かつ、前記それぞれの一対の電極が帯状の光透過性基板の側面側に電極の極性が揃うように所定の間隔を設けて複数組交互に配列し、前記光透過性基板に貼着することにより第1の組立体を形成する工程と、
前記第1の組立体を第1の金属板上に複数個並べて前記発光素子および受光素子の一対の電極のそれぞれの一方と電気的に接続するように貼着し、さらに第2の金属板を前記一対の電極のそれぞれの他方と電気的に接続するように貼り付けて第2の組立体を形成する工程と、
前記第2の組立体の前記第1および第2の金属板の間に形成される空隙を埋めるように光不透過性の樹脂を流し込み、硬化させることにより第3の組立体を形成する工程と、
前記第3の組立体を、前記発光素子および受光素子の1組が含まれるように前記第1の金属板、前記光不透過性の樹脂および前記第2の金属板を切断すると共に、前記第2の金属板を発光素子と受光素子との間で切断して電気的に分離することにより個片化する工程
とを有することを特徴としている。
ここに「電極の極性が揃うように」とは、アースまたは電源端子で発光素子と受光素子とで共通にできる側の電極が同じ方向に揃うことを意味する。
本発明のチップ型ホトリフレクタによれば、発光素子および受光素子のそれぞれの一対の電極を発光面および受光面を挟んで対向する側面で、金属板に接続することにより外部接続電極としているため、ワイヤボンディングをすることなくそれぞれの一対の電極を、発光面および受光面を挟んだ対向する両側に形成することができる。また、発光素子および受光素子の発光面および受光面に1枚の光透過性基板を貼り付け、それ以外の部分は光不透過性の樹脂により被覆する構造になっているため、光透過性樹脂で被覆する必要もなく、発光素子および受光素子のチップサイズを足した大きさに殆ど近い、非常に小型のホトリフレクタが得られる。その結果、近年の電子機器の軽薄短小化により小型、薄型が要求されるホトリフレクタを殆どチップサイズ程度で形成することができ、たとえば縦×横×高さ(厚さ)が、従来の図10に示される構造では2.4mm×1.6mm×0.8mmであったものが、1.2mm×0.7mm×0.5mm程度の大きさで形成することができる。さらに、両側面に設けられる金属板を外部電極として使用できるため、回路基板などにチップマウンターなどにより載置してハンダリフローなどにより簡単に回路基板に実装することができる。
また、本発明のチップ型ホトリフレクタの製造方法によれば、帯状の1枚の光透光性基板上に発光素子と受光素子との組を複数組並べて第1の組立体を形成し、その第1の組立体を複数個、2枚の金属板間に挟持して樹脂を流し込むため、樹脂による被覆が非常に簡単で、しかもその後切断して個片化することができるため、一度に非常にたくさんのホトリフレクタを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チップ型ホトリフレクタおよびその製造方法について説明をする。本発明によるチップ型ホトリフレクタは、図1にその一実施形態の斜視およびそのB−B断面の説明図が示されるように、四角形状の一面が発光面1aとされ、その発光面1aを挟んで対向する側面にそれぞれ一対の電極が設けられる発光素子1と、四角形状の一面が受光面2aとされ、その受光面2aを挟んで対向する側面にそれぞれ延出する一対の電極が設けられる受光素子2とが、発光面1aおよび受光面2aを同じ方向に向け、かつ、一対の電極がそれぞれ同じ方向に現れるように一定間隔を設けて配置され、その発光面1aおよび受光面2aに、光透過性基板3が貼り付けられている。そして、発光素子1および受光素子2の一対の電極のぞれぞれに接続して金属板4(41、421、422)が設けられ、発光素子1および受光素子2の光透過性基板3および金属板4が設けられる部分以外の周囲は、光不透過性樹脂5により被覆されている。
発光素子1は、たとえば図2(a)に斜視説明図が示されるように、n型半導体基板11上にp型半導体層12が形成されることにより、pn接合13が形成され、その半導体基板11の裏面にn側電極15、p型半導体層12の表面にp側電極16が形成され、半導体積層部の端面(半導体積層方向と垂直な面)が発光面1aとされている。すなわち、発光素子はpn接合の近傍で発光した光がほぼ全方向に進むが、この例では、半導体層の積層部と垂直な一端面から放射される光のみを利用するもので、その一端面が発光面1aとされている。この発光素子1の大きさは、たとえば縦A×横B×高さCが、0.3mm×0.3mm×0.3mm程度の大きさに形成される。図2(a)に示される例では、発光素子1が最も単純な構造で示されているが、半導体積層部は種々の半導体層が積層されたり、ホモpn接合ではなく、ヘテロ接合やダブルへテロ接合に形成されたものでもよい。
受光素子2は、たとえば図2(b)にその一例の斜視説明図が示されるように、n型半導体基板21上にn型半導体層22が成長され、拡散によりp型領域からなるベース領域23、さらに拡散によりn型領域からなるエミッタ領域24が形成され、エミッタ領域24に接続してエミッタ電極25が、n型半導体層22をコレクタ領域とし、n型半導体層に接続してコレクタ電極26が形成されることによりホトトランジスタが形成されている。この両電極25、26は、半導体層の表面からチップの側面に至るように形成されている。図2(b)に示される例では、ホトトランジスタの例が示され、半導体層の積層表面側を受光面2aとしているが、n型半導体層とp型半導体層とを積層したホトダイオードにして、前述の発光素子と同様に、半導体層の表面および半導体基板裏面にそれぞれ一対の電極を形成し、積層方向と垂直方向の1つの端面を受光面とすることもできる。この受光素子2の大きさは、たとえば縦D×横E×高さFが、0.3mm×0.3mm×0.2mm程度の大きさに形成される。
光透過性基板3は、たとえば厚さが0.1mm程度のポリイミドテープを使用することができるが、厚さや材料はこの例に限定されず、光を透過させることができ、実装時のハンダリフローなどの温度に耐え得るものであれば自由に選定することができる。発光素子の発光波長が赤外光の場合には、ポリイミドに赤外光検知のために紫外線カット用の染料を混ぜたものが好ましい。この光透過性基板3は、発光素子1の発光面1aおよび受光素子2の受光面2aに光透過性の接着剤により貼り付けられている。具体的には、後述するように、光透過性基板3表面に発光素子1および受光素子2がその発光面1aおよび受光面2aを光透過性基板3と対面させ、かつ、それぞれの一対の電極の極性が、その極性を揃えて同じ方向に向くように一定間隔を設けて配置することにより接着されている。
金属板4(41、421、422)は、たとえば銅、42アロイ(Fe-Ni合金で42%Ni)、Fe-Ni合金に、錫メッキまたは金メッキしたものなどのリードフレームと同じ材料で、0.5mm程度の厚さのものを用いることができる。この金属板4は、たとえば発光素子1と受光素子2の一対の電極の一方、たとえば図2に示される発光素子1のp側電極16と受光素子2のコレクタ電極26とが同じ方向になるように発光素子1および受光素子2が配列され、1枚の金属板41で両素子の電極に図示しない銀ペーストなどの導電性ペーストなどにより接続され、一対の電極の他方の電極、たとえばn側電極15とエミッタ電極25は、電気的に分離された金属板421、422により接続されている。この金属板421、422の電気的分離は、後述するように、1枚の金属板で組み立てておいてから、光不透過性樹脂を充填した後に、切断することが樹脂充填の際には金属板4で閉塞されているため光不透過性樹脂5を充填しやすい。
光不透過性樹脂5は、たとえばカーボンを混入したエポキシ系樹脂が用いられ、発光素子1および受光素子2の光透過性基板3および金属板4が設けられている部分以外の部分を被覆するように設けられている。具体的には、後述するように、金属板4で挟まれた空隙内に光不透過性樹脂を滴下し、真空吸引することにより充填される。実際には、発光素子および受光素子の多数の組を並べて一度に樹脂を充填した後に切断により個片化されるため、図1に示されるように、発光素子1および受光素子2の発光面1aなどと反対側にも樹脂が充填されて四角柱状(金属板4が切断により削られた分だけ不透過性樹脂5が突出する)に形成される。
このチップ型ホトリフレクタは、エンボステープなどに収容されて実装工程に搬送され、チップマウンターにより回路基板などに実装される。具体的には、プリント配線基板上の配線パターンの接続部に、予めハンダペーストを塗布しておき、その接続部にホトリフレクタの金属板4が当接するようにチップマウンターによりホトリフレクタをマウントし、その後ハンダリフローすることにより実装することができる。すなわち、本発明のチップ型ホトリフレクタでは、金属板4が外部電極として作用する。
本発明によれば、発光素子1および受光素子2は、それぞれの一面1a、2aのみに光透過性基板3が貼り付けられ、その他の面は全て光不透過性樹脂5または金属板4により被覆されているため、発光素子1の光は一方向のみに進み、受光素子2もその一方向からくる光のみを受光する。したがって、発光素子1から受光素子2へ直接光が入射して誤動作することはなく、発光素子1から出射して、その一方向に設けられる対象物により反射する光のみが受光素子2により検出され、対象物の有無や状態などを検出することができる。
つぎに、このチップ型ホトリフレクタの製造方法について、大量生産するのに適した例で、図2〜9を参照しながら説明する。
まず、図2に示されるように、四角形状の発光面1a挟んで対向する側面に一対の電極15、16を有する発光素子1と、四角形状の受光面2aを挟んで対向する側面側にそれぞれ延出する一対の電極25、26を有する受光素子2を形成する。この際、一対の電極のそれぞれの間隔Bと間隔Eがほぼ等しくなるように発光素1子および受光素子2を形成する。この発光素子1および受光素子2は、通常の発光素子や受光素子を製造するプロセスにより製造することができる。また、間隔Bと間隔Eを等しくするには、図2(a)に示される発光素子1の半導体基板11の厚さを研磨などにより所定の寸法にしたり、図2(b)の間隔Eが所定の寸法になるようにウェハからのダイシングの際の寸法を調整したりすることにより合せることができる。
つぎに、光透過性材料からなり、前述の間隔(B、E)と同じ幅を有する帯状の光透過性基板3を準備する。そして、発光素子1および受光素子2を、発光面1aおよび受光面2aが光透過性基板3に面し、かつ、それぞれの一対の電極15、16と25、26が帯状の光透過性基板3の側面に電極の極性が揃うように所定の間隔を設けて複数組交互に配列し、光透過性基板3に貼着することにより第1の組立体6を形成する。
具体的には、図3に示されるようなマウント装置90を用いることが効率的である。すなわち、このマウント装置90は、載置台91、支持棒92、ガイド板93、94、収納壁95からなっている。ガイド板は各ホトリフレクタの発光素子1と受光素子2との間には薄いガイド板93が用いられ、ホトリフレクタ同士の間には厚いガイド板94が用いられている。また、載置台91とガイド板93、94は、図示しない動力源により昇降可能になっている。ガイド板93、94は、発光素子1および受光素子2が所定の間隔でマウントされるように、吸着ノズル96に吸着された発光素子1および受光素子2を光透過性基板3にガイドする役目をする。収納壁95は、光透過性基板3にマウントされた発光素子1と受光素子2との組(第1の組立体6)がばらばらにならないように一まとめに収納するためのもので、図では断面図で示されているが、実際には矩形管状になっている。
このマウント装置90を用いて前述の第1の組立体6を製造するには、まず図3に示されるように、載置台91上に光透過性基板3を載置し、発光素子1および受光素子2を吸着ノズル96により吸着して所定の載置場所の上方に待機させる。この際、発光素子1および受光素子2は、発光面1aおよび受光面2aがそれぞれ光透過性基板3側を向き、図示しないそれぞれの一対の電極の極性が揃うような向きに吸着されている。すなわち、発光素子1および受光素子2の吸着面は、発光面1aおよび受光面2aと反対側になっている。また、図示されていないが、光透過性基板3の表面(発光素子1および受光素子2が貼り付けられる面)には透明なエポキシ樹脂系の接着剤を塗布し、その反対側の裏面には、後述する光不透過性樹脂5との剥離を容易にするためのシリコーン剥離コーティング剤を予め塗布しておく。
つぎに、図4に示されるように、発光素子1および受光素子2を吸着した吸着ノズル96を下げて、発光素子1および受光素子2を光透過性基板3上にマウントする。その後、図5に示されるように、吸着ノズル96を発光素子1および受光素子2から離し、さらにガイド板93、94と載置台91とを連動して降下させることにより、光透過性基板3を切断し、光透過性基板3に複数組の発光素子1と受光素子2とが貼着された第1の組立体6が形成される。
つぎに、長尺状(帯状)の光透過性基板3を左右方向に移動して、前述と同様に発光素子1および受光素子2をマウントし、同様に第1の組立体6を形成し、図6に示されるように、収納壁95内に第1の組立体6を積み重ねていく。
その後、図7に示されるように、第1の組立体6を横倒しにして第1の金属板41上に複数個並べて、発光素子1および受光素子2の一対の電極のそれぞれの一方と電気的に接続するように貼着する。この際、第1の組立体6同士は、所定の間隔、たとえば0.2mm程度の間隔を設けて第1の金属板41上に並べる。また、図示されていないが、第1の金属板41の表面には、たとえば銀ペーストなどの導電性接着剤を塗布しておいてから、第1の組立体6を配置することにより電気的接続と固着を同時にすることができる。
ついで、図8に示されるように、その上面に第2の金属板42を前述の一対の電極の他方と電気的に接続するように貼り付けて第2の組立体7を形成する。この際にも、図示されていないが、第2の金属板42の貼り付け面側に銀ペーストなどの導電性接着剤を予め塗布しておく。
その後、前記第2の組立体7の第1および第2の金属板41、42の間に形成される空隙を埋めるように光不透過性樹脂5を流し込み、硬化させることにより第3の組立体8を形成する。具体的には、図8に示される第2の組立体7の端部に漏れ止め用のゴムパッキングをつけ、縦にして光不透過性樹脂(カーボン混入エポキシ系液状樹脂)を滴下し、脱泡機に入れて真空引きをする。その後、オーブンに入れて光不透過樹脂5を硬化させることにより、図9に示されるように、第1および第2の金属板41、42間の空隙に光不透過性樹脂5が充填された第3の組立体8が形成される。
最後に、第3の組立体8を、発光素子1および受光素子2の1組が含まれるように第1の金属板41、光不透過性樹脂5、第2の金属板42を切断すると共に、第2の金属板42を発光素子1と受光素子2との間で切断して溝43(図1参照)を形成し、電気的に分離して個片化することにより、図1に示されるホトリフレクタが得られる。具体的には、第2の金属板42の表面から発光素子1と受光素子2との間に、第2の金属板のみが切断される程度のハーフダイシングを図9のx方向に沿って行い、さらに各ホトリフレクタに個片化するため、各光透過性基板3の近傍を図9のy方向に沿って(光透過性基板3に沿って)第1の金属板41および第2の金属板42の両面から、第1の金属板41、第2の金属板42の部分をハーフダイシングする。その後、個片化のため、光透過性基板3に沿って並ぶ発光素子1と受光素子2との1組ごとの境界を、x方向に沿って、フルダイシングをする。その結果、光不透過性樹脂5で繋がった短冊状になり、短冊状の各ホトリフレクタ間はハーフダイシングされて第1の金属板41、第2の金属板42が切断されているため、僅かな外力で個片化することができ、光透過性基板3に付着している不透過性樹脂を除去することにより、図1に示される構造のホトリフレクタが得られる。
本発明によるホトリフレクタの一実施形態を示す斜視および断面の説明図である。 図1に示されるホトリフレクタに用いられる発光素子および受光素子の斜視説明図である。 図1に示されるホトリフレクタの製造工程を説明する図である。 図1に示されるホトリフレクタの製造工程を説明する図である。 図1に示されるホトリフレクタの製造工程を説明する図である。 図1に示されるホトリフレクタの製造工程を説明する図である。 図1に示されるホトリフレクタの製造工程を説明する図である。 図1に示されるホトリフレクタの製造工程を説明する図である。 図1に示されるホトリフレクタの製造工程を説明する図である。 従来のホトリフレクタの構成例を示す図である。 従来の発光素子の場合のワイヤレス構造の例を示す図である。
符号の説明
1 発光素子
1a 発光面
2 受光素子
2a 受光面
3 光透過性基板
4 金属板
5 光不透過性樹脂
6 第1の組立体
7 第2の組立体
8 第3の組立体
41 第1の金属板
42 第2の金属板

Claims (2)

  1. 四角形状の一面が発光面とされ、該発光面を挟んで対向する側面に一対の電極が設けられる発光素子と、四角形状の一面が受光面とされ、該受光面を挟んで対向する側面にそれぞれ延出する一対の電極が設けられる受光素子と、前記発光素子および受光素子が、前記発光面および受光面を同じ方向に向け、かつ、前記発光素子および受光素子の一対の電極がそれぞれ同じ方向に現れるように一定間隔を設けて配置され、前記発光面および受光面に貼り付けられる光透過性基板と、前記発光素子および受光素子の一対の電極のぞれぞれに接続するように、前記発光面および受光面を挟んで対向する前記側面に設けられる金属板と、前記発光素子および受光素子の前記光透過性基板および金属板が設けられる部分以外の周囲を被覆する光不透過性樹脂とを具備するチップ型ホトリフレクタ。
  2. 四角形状の発光面を挟んで対向する側面に一対の電極を形成し、また四角形状の受光面に、該受光面を挟んで対向する側面にそれぞれ延出する一対の電極を形成し、前記対向する側面に形成する前記電極の間隔と前記電極が延出する前記側面の間隔とが等しくなるように発光素子および受光素子を形成する工程と、
    光透過性材料からなり、前記間隔と同じ幅を有する帯状の光透過性基板を準備する工程と、
    前記発光素子および受光素子を、前記発光面および受光面が前記光透過性基板に面し、かつ、前記それぞれの一対の電極が帯状の光透過性基板の側面側に電極の極性が揃うように所定の間隔を設けて複数組交互に配列し、前記光透過性基板に貼着することにより第1の組立体を形成する工程と、
    前記第1の組立体を第1の金属板上に複数個並べて前記発光素子および受光素子の一対の電極のそれぞれの一方と電気的に接続するように貼着し、さらに第2の金属板を前記一対の電極のそれぞれの他方と電気的に接続するように貼り付けて第2の組立体を形成する工程と、
    前記第2の組立体の前記第1および第2の金属板の間に形成される空隙を埋めるように光不透過性の樹脂を流し込み、硬化させることにより第3の組立体を形成する工程と、
    前記第3の組立体を、前記発光素子および受光素子の1組が含まれるように前記第1の金属板、前記光不透過性の樹脂および前記第2の金属板を切断すると共に、前記第2の金属板を発光素子と受光素子との間で切断して電気的に分離することにより個片化する工程
    とを有することを特徴とするチップ型ホトリフレクタの製造方法。
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