JP2011181647A - 光結合装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光素子から出射した光を反射面で反射させて受光素子で受光させる構造の光結合装置において、発光素子と受光素子の間の光結合効率と絶縁性の双方を向上させる。
【解決手段】
発光素子３４及び受光素子３５を透光性を有する１次モールド部３８で封止し、１次モールド部３８の表面を、１次モールド部３８よりも屈折率が低い２次モールド部３９で覆っている。１次モールド部３８は回転楕円体（の一部）となっている。発光素子３４は、前記回転楕円体の長軸方向の一方の焦点Ａ１よりも回転楕円体の中心Ｏから遠い側に位置している。受光素子３５も、前記回転楕円体の長軸方向の他方の焦点Ａ２よりも回転楕円体の中心Ｏから遠い側に位置している。
【選択図】図５

Description

本発明は、一方の端子と他方の端子を光信号を介して電気的に結合させる光結合装置と、その製造方法に関するものである。具体的には、入力電気信号を光信号に変換し、さらに光信号を出力電気信号に変換することにより、入出力間の絶縁を保ちながらその間を電気的に結合させるための光結合装置と、その製造方法に関する。
光結合装置は、入力電気信号を光信号に変換するための発光素子と、光信号を出力電気信号に変換するための受光素子を有しており、発光素子から出射された光を反射面で反射させて受光素子で受光する構造となっている。このような光結合装置では、発光素子と受光素子との間の結合効率を高めて受光素子における受光量を大きくするためには、発光素子と受光素子を近づけることが望ましい。しかし、発光素子と受光素子を近づけると、発光素子と受光素子との間における絶縁耐圧が悪くなる問題がある。
かかる問題の解決を図ったものとしては、特許文献１に開示された光結合装置がある。この光結合装置１１にあっては、耐熱性樹脂基板１２の上面に形成された配線パターン１３、１４の上にそれぞれ発光素子１５と受光素子１６を搭載している。発光素子１５及び受光素子１６を覆っている一次モールド体１７（透光性樹脂）は、側面視で楕円形状に形成されており、発光素子１５の発光面を当該楕円の第１焦点に配置し、受光素子１６の受光面を第２焦点に配置している。さらに、一次モールド体１７の外周面には、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ等を用いて反射率の高い金属反射膜１８を成膜することによって反射面が形成されており、金属反射膜１８及び一次モールド体１７の周囲は外乱光を遮蔽するための二次モールド体１９で覆われている。
このような構造の光結合装置１１によれば、発光素子１５の発光面（第１焦点）から出射した光は、金属反射膜１８で反射した後、受光素子１６の受光面（第２焦点）に集光するので、発光素子１５と受光素子１６の距離を保ちながらも光の利用効率を向上させることができる。
しかしながら、この光結合装置１１では、反射面として金属反射膜１８を用いているために発光素子１５と金属反射膜１８との間の絶縁性や、受光素子１６と金属反射膜１８との間の絶縁性が悪くなりやすい。金属反射膜１８はスパッタ等によって成膜されるので、工数や部材費の増加のために光結合装置のコスト上昇要因となりやすい。一次モールド体と二次モールド体の界面に無機材料層（金属反射膜）が形成されるため、界面剥離を起こしやすくて光結合装置の信頼性が低下する、といった問題があった。
特開平５−２１８４９１号公報
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、発光素子から出射した光を反射面で反射させて受光素子で受光させる構造の光結合装置において、発光素子と受光素子の間の光結合効率と絶縁性のいずれをも、より向上させることのできる光結合装置を提供することにある。
本発明にかかる光結合装置は、電気信号を光信号に変換する第１の変換素子と光信号を電気信号に変換する第２の変換素子をそれぞれ第１の端子板と第２の端子板の同じ向きの面に実装し、前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を透光性を有する１次モールド樹脂によって覆い、前記１次モールド樹脂の表面を前記１次モールド樹脂よりも屈折率の低い２次モールド樹脂で覆い、前記第１の変換素子から発した光信号を前記１次モールド樹脂と前記２次モールド樹脂の界面で全反射させることによって前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を光学的に結合させた光結合装置において、前記１次モールド樹脂は、その表面が楕円面となっていて、前記第１の変換素子の発光中心は、前記楕円面のある軸上の一方の焦点を通過し、かつ、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に垂直で前記軸を含む平面に垂直で、かつ、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に垂直な平面よりも前記楕円面の中心から遠い側に位置し、前記第２の変換素子の受光領域の中心は、前記軸上の他方の焦点を通過し、かつ、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に垂直で前記軸を含む平面に垂直で、かつ、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に垂直な平面よりも前記楕円面の中心から遠い側に位置していることを特徴としている。
本発明の光結合装置にあっては、金属反射膜を用いることなく、１次モールド樹脂と２次モールド樹脂との界面で光信号を全反射させることにより、第１の変換素子から出射した光信号を第２の変換素子へ導いて受光させるようにしている。したがって、従来例のように金属反射膜によって第１の変換素子や第２の変換素子の絶縁性が悪くなる恐れがない。また、１次モールド樹脂などの表面にメッキなどにより金属反射膜を形成する必要がないので、光結合装置の製造工程を簡略にでき、光結合装置の製造コストを抑えることができる。さらに、１次モールド樹脂と２次モールド樹脂との間に金属反射膜を設けた場合には、両モールド樹脂間の界面剥離が発生する恐れがあるが、本発明の光結合装置では金属反射膜を用いていないので、このような界面剥離が発生することがない。
しかも、金属反射膜を用いていないにもかかわらず、１次モールド樹脂の表面を楕円面とし、第１の変換素子の発光中心を、楕円面のある軸上の一方の焦点を通過し、かつ、第１の端子板の第１の変換素子が実装されている面に垂直で軸を含む平面に垂直で、かつ、第１の端子板の第１の変換素子が実装されている面に垂直な平面よりも楕円面の中心から遠い側に位置させているので、第１の変換素子から出射した光信号が１次モールド樹脂と２次モールド樹脂の界面で全反射することなく当該界面を透過して外部へ漏れにくくなる。そのため、第１の変換素子から出射した光信号を効率よく第２の変換素子に入射させることができ、第１の変換素子と第２の変換素子の光結合効率を向上させることができる。
本発明の光結合装置のある実施態様は、前記第１の変換素子及び前記第２の変換素子が、それぞれ前記第１の端子板及び第２の端子板の、前記楕円面の中心を通過し前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に平行な面と対向する面に実装されていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、第１の変換素子から光信号を出射させたとき、１次モールド樹脂と２次モールド樹脂との界面（以下、反射面という。）から外部へ漏れる光信号を少なくでき、第１の変換素子と第２の変換素子との光結合効率を向上させることができる。
本発明の光結合装置の別な実施態様は、前記軸が、前記楕円面の長軸であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、第１の変換素子から出射して第２の変換素子に至る光信号の経路における反射面の曲率を小さくできるので、反射面から外部へ漏れる光信号を少なくでき、第１の変換素子と第２の変換素子との光結合効率を向上させることができる。また、第１の変換素子と第２の変換素子の距離が長くなるので、両素子間の絶縁性を高くできる。
本発明の光結合装置のさらに別な実施態様は、前記軸が、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に対して傾いていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、楕円面の軸を傾きの角度によって反射面における光の挙動を変化させることができるので、光結合装置の設計の自由度が高くなる。
本発明にかかる光結合装置の製造方法は、本発明の光結合装置を製造するための製造方法であって、第１の変換素子を第１の端子板の上面に実装し、第２の変換素子を第２の端子板の上面に実装する工程と、前記第１及び第２の変換素子を覆うようにして前記第１及び第２の端子板の上面に透光性を有する流動状態の１次モールド樹脂を供給する工程と、前記第１及び前記第２の端子板を上下反転させて前記１次モールド樹脂を前記第１及び第２の端子板から垂れ下がらせた状態に保持し、その状態で前記１次モールド樹脂を硬化させる工程と、前記１次モールド樹脂の表面を前記１次モールド樹脂よりも屈折率の低い２次モールド樹脂で覆う工程とを備えたことを特徴としている。
本発明の光結合装置の製造方法によれば、流動状態の１次モールド樹脂を第１及び第２の端子板から垂れ下がらせた状態に保持することにより、１次モールド樹脂をほぼ楕円面状に成形することができる。したがって、１次モールド樹脂を成形するための成形金型が必要なく、また効率よく１次モールド樹脂を成形することができ、光結合装置の製造コストを低減させることができる。
本発明の光結合装置の製造方法のある実施態様は、前記第１の端子板の前記第１の変換素子を実装する部分と、前記第２の端子板の前記第２の変換素子を実装する部分とが、全体として楕円形に形成されていることを特徴としている。かかる実施態様にあっては、第１の端子板と第２の端子板の上に流動状態の１次モールド樹脂を供給したとき、第１及び第２の端子板によって１次モールド樹脂の縁が楕円形となるように制御される。その結果、１次モールド樹脂を第１及び第２の端子板から垂れ下がらせたときの形状がほぼ楕円面となるように整形することができる。
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
図１は、特許文献１に記載された光結合装置の断面図である。 図２は、本発明の実施形態１による光結合装置の断面図である。 図３は、実施形態１の光結合装置において、リードフレームの素子実装部に発光素子と受光素子を実装した状態を示す平面図である。 図４は、三次元の回転楕円体を示す斜視図である。 図５は、実施形態１の光結合装置における、発光素子から出射された光信号の挙動を示す図である。 図６は、発光素子を焦点位置に置いた比較例における光信号の挙動を示す図である。 図７は、発光素子を焦点位置よりも外側に置いた実施形態１の光結合装置における光信号の挙動を示す図である。 図８（ａ）は、図６に示した比較例における底面での照度を示す図である。図８（ｂ）は、図７に示した実施形態１の光結合装置における底面での照度を示す図である。図８（ｃ）は、照度のスケールである。 図９は、発光素子の位置を変化させて対称な位置に配置された受光素子の受光量を測定した結果を表示した図である。 図１０は、図９に基づいて伝達効率を求めた結果を表示した図である。 図１１は、１次モールド部と２次モールド部の界面の形状の決め方を説明する概略図である。 図１２は、１次モールド部と２次モールド部の屈折率差と、両モールド樹脂間の界面における全反射角との関係を示す図である。 図１３は、実施形態１の光結合装置を製造する際の一工程を示す概略図である。 図１４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態２の光結合装置において、発光素子及び受光素子を配置することのできる領域を示す斜視図と断面図である。 図１５は、実施形態２による光結合装置の一例を示す概略断面図である。 図１６は、本発明の実施形態３による光結合装置の概略断面図である。 図１７は、１次モールド部の表面を傾いた回転楕円体から変形させる場合の条件を示した図である。 図１８は、実施形態３の光結合装置を製造する際の一工程を示す概略図である。 図１９は、本発明の実施形態４の光結合装置において、発光素子及び受光素子を配置することのできる領域を示す斜視図である。 図２０（ａ）及び（ｂ）は、実施形態４の光結合装置において、発光素子及び受光素子を配置することのできる領域を示す断面図である。 図２１は、実施形態４による光結合装置の一例を示す概略断面図である。 図２２は、本発明の実施形態５による光結合装置の概略断面図である。 図２３は、本発明の実施形態６による光結合装置の断面図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
（第１の実施形態）
まず、実施形態１の光結合装置３１の構造を説明する。図２は、実施形態１による光結合装置３１の構造を示す断面図である。図３は、光結合装置３１の内部においてリードフレーム３２、３３の素子実装部３２ａ、３３ａに実装された発光素子３４（第１の変換素子）と受光素子３５（第２の変換素子）を示す平面図である。
光結合装置３１は、図３に示すように、発光素子３４をダイボンドするためのリードフレーム３２（端子板）、受光素子３５を搭載するためのリードフレーム３３（端子板）、発光素子３４とワイヤボンディングするためのリードフレーム４１、受光素子３５とワイヤボンディングするためのリードフレーム４２、４２を備えている。
リードフレーム３２、３３、４１及び４２は、銅、鉄、４２アロイなどの金属材料によって作製されており、その表面にはメッキが施されている。それぞれのリードフレーム３２、３３、４１及び４２は、封止樹脂４０内に封止されている部分（インナーリード）では、ワイヤボンド性向上のため銀またはニッケル（下層）／パラジウム（中間層）／金（上層）の３層からなるメッキが施されている。また、封止樹脂４０の外に出た部分（アウターリード）では、ハンダ等で実装するためにハンダメッキまたは銀（下層）／パラジウム等の鉛フリーメッキ（上層）の２層メッキが施されている。
リードフレーム３２の一端に形成された素子実装部３２ａには、発光素子３４をダイボンドにより実装してある。発光素子３４は、ダイボンド面と反対面（上面）が光出射面となっている。また、発光素子３４とリードフレーム４１の結線部４１ａとの間は、Ａｕ線、Ａｌ線またはＣｕ線（一般的には、Ａｕ線が用いられる。）からなるボンディングワイヤ３６で電気的に結線されている。
発光素子３４は、電気信号を光信号に変換する素子であって、主に発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。たとえば、ＡｌＧａＡｓ系のＬＥＤ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＬＥＤ、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系のＬＥＤなどを用いることができるが、材料によって発光波長のピークが異なるので、受光素子３５のピーク感度波長や部品コストを考慮して適当なものを選定する。
リードフレーム３３の一端に形成された素子実装部３３ａには、受光素子３５を搭載している。受光素子３５は、光信号を電気信号に変換する素子、主にフォトダイオードアレイであり、実装面と反対面（上面）に受光領域が形成されている。また、受光素子３５のワイヤボンドパッド４３、４４とリードフレーム４２、４２の結線部４２ａ、４２ａとの間は、それぞれＡｕ線、Ａｌ線またはＣｕ線（一般的には、Ａｕ線が用いられる。）からなるボンディングワイヤ３７で電気的に結線されている。
受光素子３５は、基板４５の上面に複数個の受光セル４６を設けたものである。受光セル４６は、光信号を電気信号に変換する領域、すなわち光信号を受光して光起電力を発生させる領域である。受光セル４６は主にフォトダイオードによって形成され、その場合には受光素子３５はフォトダイオードアレイとなる。各受光セル４６は、均一な面積を有していて一定のピッチで格子状に配列されており、各受光セル４６どうしは互いに直列に接続されている。
リードフレーム３２、３３の各素子実装部３２ａ、３３ａは、いずれも平板状に形成されており、隙間をあけて隣接させるようにしてほぼ同一平面上に配置されている。素子実装部３２ａ、３３ａは、図３に示すように、全体として楕円形の輪郭を有している。言い換えると、リードフレームの平板状楕円形の部分をスリットによって分割し、一方を素子実装部３２ａとし、他方を素子実装部３３ａとした形状となっている。また、リードフレーム３２、３３、４１及び４２はいずれも、封止樹脂４０の外部においてプリント基板などへの実装に適した形状に屈曲されている。
図２に示すように、素子実装部３２ａに実装された発光素子３４や素子実装部３３ａに実装された受光素子３５は、透光性樹脂からなる１次モールド部３８（１次モールド樹脂）で覆われている。さらに、１次モールド部３８の表面は、１次モールド部３８よりも屈折率の低い透光性樹脂からなる２次モールド部３９（２次モールド樹脂）で覆われている。図２では、１次モールド部３８は素子実装部３２ａ、３３ａよりも上方にだけ形成されているが、素子実装部３２ａ、３３ａの下面側にも形成されていてもよい（たとえば、図２１参照）。また、２次モールド部３９は、図２では１次モールド部３８の表面のうち素子実装部３２ａ、３３ａよりも上方だけを覆っているが、１次モールド部３８の下面も２次モールド部３９で覆われていてもよい。
１次モールド部３８及び２次モールド部３９は、透明ないし光透過性を有するシリコーン樹脂やアクリル樹脂、ウレタン樹脂ゴムなどで形成されており、１次モールド部３８の屈折率をｎｉ、２次モールド部３９の屈折率をｎoとしたとき、これらの屈折率は、通常
１.７＞ｎｉ≧ｎo＞１.２
の範囲にある。
さらに、光結合装置３１は、リードフレーム３２、３３、４１及び４２の端部を残してほぼ全体を不透明な封止樹脂４０で封止されている。封止樹脂４０は、黒色樹脂のように光吸収性の樹脂でもよく、白色樹脂のように光反射性の樹脂でもよい。また、シリカを充填したエポキシ樹脂によって封止樹脂４０を成形すれば、発光素子３４や受光素子３５などを外力や周囲環境から保護（物理的保護、化学的保護）する効果が高くなる。なお、光結合装置３１内には、ドライバ回路用のＩＣなども実装されていることがある。
１次モールド部３８は、表面がほぼ楕円面となるように形成されている。すなわち、１次モールド部３８は、少なくとも素子実装部３２ａ、３３ａよりも上の領域が、図４に示す回転楕円体
（Ｘ／ａ）２＋（Ｙ／ｂ）２＋（Ｚ／ｃ）２＝１
とほぼ一致するように形成されている。ここで、ａは回転楕円体のＸ軸方向の半径、ｂはＹ軸方向の半径、ｃはＺ軸方向の半径であって、Ｘ軸方向を回転楕円体の長軸方向（すなわち、ａ＞ｂ，ａ＞ｃ）とする。
図２に示した光結合装置３１では、１次モールド部３８を近似した回転楕円体のＹ軸が素子実装部３２ａに垂直な方向（つまり、１次モールド部３８の高さ方向）を向き、Ｘ軸が素子実装部３２ａに平行で発光素子３４と受光素子３５を結ぶ水平方向を向き、Ｚ軸が１次モールド部３８の幅方向を向いている。また、上方（Ｙ軸方向）から見たときに１次モールド部３８の中心と回転楕円体の中心とが一致している。そして、１次モールド部３８の素子実装部３２ａ、３３ａよりも上の領域が、上記回転楕円体のＹ＞０の領域とほぼ一致している。このように発光素子３４と受光素子３５を結ぶ方向が回転楕円体の長軸方向を向くようにすれば、発光素子３４と受光素子３５の距離を長くして両素子３４、３５間の絶縁性を高めることができ、また発光素子３４から受光素子３５へ向かう光の反射面（１次モールド部３８の表面）の曲率を小さくできる。
また、発光素子３４の発光中心は、回転楕円体のほぼＸ軸上にあり、かつ、Ｘ軸上の一方の焦点Ａ１よりも回転楕円体の中心Ｏから遠い側に位置している。受光素子３５の受光領域の中心も回転楕円体のほぼＸ軸上にあり、かつ、Ｘ軸上の他方の焦点Ａ２よりも中心Ｏから遠い側に位置している。すなわち、回転楕円体のＸ軸上の焦点を
Ａ１（α，０，０）
Ａ２（−α，０，０）
とすれば、
α＝√（ａ２−ｂ２）
で表され、発光素子３４の発光中心のＸ座標をＸe（＞０）、受光素子３５の受光領域の中心のＸ座標をＸr（＜０）とすれば、
−ａ＜Ｘr＜−α
α＜Ｘe＜ａ
となっている。
このような構造を有する光結合装置３１によれば、リードフレーム３２から入力された電気信号を発光素子３４によって光信号に変換し、発光素子３４から光信号を出射させることができる。発光素子３４から出射した光信号Ｌは、図５に示すように、１次モールド部３８と２次モールド部３９の界面で１回又は複数回全反射されて受光素子３５に入射し、各受光セル４６で受光される。受光素子３５で受光された光信号Ｌは、受光素子３５によって電気信号に変換され、変換された電気信号はリードフレーム３３から出力される。
受光素子３５においては複数の受光セル４６が直列に接続されているので、各受光セル４６が光信号を受光することによって光起電力を発生し、受光素子３５全体としては大きな光起電力を得ることができる。例えば、一つの受光セル４６で０.５Ｖ〜０.６Ｖの起電力が生じるとすれば、受光素子３５全体では、（０.５Ｖ〜０.６Ｖ）×セル段数だけの起電力を得ることができる。
また、この光結合装置３１では、屈折率の異なる１次モールド部３８と２次モールド部３９との界面で光（光信号）を全反射させて光を受光素子３５へ導くようになっており、特許文献１のように１次モールド部３８の表面に金属反射膜を用いていないので、金属反射膜によって発光素子３４や受光素子３５の絶縁性を悪くすることがない。また、１次モールド部３８の表面に金属反射膜を設ける必要がないので、光結合装置３１のコストを低減することができる。また、１次モールド部３８と２次モールド部３９の間などに無機材料（金属反射膜）が介在しないので、１次モールド部３８と２次モールド部３９などが界面剥離するおそれがなく、光結合装置３１の信頼性が向上する。
しかも、この光結合装置３１では、金属反射膜を用いないで両モールド部３８、３９の界面（以下、反射面４７という。）で光を全反射させて光を導光するようにしているにもかかわらず、発光素子３４と受光素子３５をいずれも焦点よりも遠くに位置させることにより、光が反射面４７から外部へ漏れにくくなり、発光素子３４と受光素子３５の光結合効率を高めることができる。この点を図６〜図８によって説明する。
図６は比較例を表しており、反射面４７（楕円面）の焦点Ａ１に発光素子３４を配置した場合において、発光素子３４から出射された光Ｌの挙動をシミュレーションした結果を表している。また、図８（ａ）は、このような状況で１次モールド部３８の底面に位置する矩形領域４８における照度（受光強度）の分布をシミュレーションした結果を示す図である。なお、このシミュレーションでは、１次モールド部３８の屈折率をｎi＝１.５３とし、２次モールド部３９の屈折率をｎo＝１.３１とした。図６に示されているように、焦点Ａ１に発光素子３４を配置した場合には、ほとんどの光が反射面４７を透過して外部へ漏れ、図８（ａ）に示すように矩形領域４８には照度の高い領域は生じない。
図７は焦点Ａ１よりも外側（すなわち、中心Ｏから遠い側で、焦点Ａ１を含まない。）に発光素子３４を配置した場合において、発光素子３４から出射された光Ｌの挙動をシミュレーションした結果を表している。また、図８（ｂ）は、このような状況で、矩形領域４８における照度の分布をシミュレーションした結果を示す図である。なお、このシミュレーションでは、１次モールド部３８の屈折率をｎi＝１.５３とし、２次モールド部３９の屈折率をｎo＝１.３１とし、発光素子３４の位置を焦点距離αの１.８倍の位置（つまり、Ｘe＝１.８α）とした。焦点Ａ１よりも外側に発光素子３４を配置した場合には、図７から分かるように、反射面４７を透過して外部へ漏れる光が少なくなっており、図８（ｂ）に示すように、他方の焦点Ａ２よりも外側（すなわち、中心Ｏから遠い側で、焦点Ａ２を含まない。）に照度の高い領域が生じている。したがって、一方の焦点Ａ１よりも外側に発光素子３４を配置し、他方の焦点Ａ２よりも外側に受光素子３５を配置すれば、金属反射膜を用いないで反射面４７で光を全反射させて受光素子３５へ光を導く構造の光結合装置３１において光結合効率を高めることができる。
なお、一般的には、受光素子は照度の高い領域に受光領域の一部を持てばよいので、照度の高い領域が焦点Ａ２よりも外側であるといっても受光素子の配置の自由度は高い。しかし、ここで用いている受光素子３５は複数の受光セル４６を直列接続した構造を持つものであり、このような構造の受光素子３５では、ほとんど光を受光しない受光セル４６があると全体としての起電力が小さくなってしまう。したがって、このような受光素子３５を用いている光結合装置３１では、受光素子３５も受光領域の中心が焦点Ａ２よりも外側になるように配置する必要がある。
つぎに、１次モールド部３８内における発光素子３４及び受光素子３５の位置と受光素子３５の受光量との関係について、実験を行った結果を述べる。この実験で用いた１次モールド部３８は、２次モールド部３９との界面がほぼ楕円形となったものであって、その楕円形の長手方向（Ｘ軸方向）における半径ａが２.０ｍｍ（つまり、長手方向における全長が４.０ｍｍの１次モールド部３８）であった。発光素子３４は、測定ごとに、楕円の中心からの距離が１.５ｍｍ、１.６ｍｍ、１.７ｍｍ、１.８ｍｍとなるようにＸ軸上で位置を変化させた。受光素子３５は、Ｘ軸上において発光素子３４と対称な位置に配置した。すなわち、受光素子３５は、楕円の中心を挟んで発光素子３４と反対側に配置され、しかも楕円の中心からの距離が発光素子３４と等しくなるように配置した。なお、発光素子３４及び受光素子３５を楕円の中心から１.８ｍｍよりも大きな距離に配置すると、いずれかの素子が部分的に１次モールド部３８から外にはみ出て測定が行えないので、楕円の中心からの距離が１.８ｍｍよりも大きな位置では受光量の測定は行っていない。
測定には、発光量が７.７３８ｍＷの発光素子３４を用いた。そして、発光素子３４及び受光素子３５の位置（楕円中心からの距離）を１.５ｍｍ、１.６ｍｍ、１.７ｍｍ、１.８ｍｍと変化させ、それぞれの場合において受光素子３５による受光量を測定した。こうして測定した受光量をつぎの表１に示す。また、表１には、
伝達効率＝（受光量／発光量）×１００［％］
によって計算した伝達効率（光結合効率）の値も示した。
Figure 2011181647
この表１に示した発光素子３４（及び受光素子３５）の位置と受光量との関係をグラフに表すと、図９のようになる。また、発光素子３４（及び受光素子３５）の位置と伝達効率との関係をグラフに表すと、図１０のようになる。図９及び図１０から分かるように、発光素子３４及び受光素子３５を１次モールド部３８の表面に近づけると、急激に受光量が増大し、伝達効率（光結合効率）が良好になることが分かる。
なお、１次モールド部３８の表面形状（反射面４７の形状）は、楕円面から多少変形していてもよい。例えば、発光素子３４から出射した光が反射面４７のできるだけひろい領域で全反射されるように、以下のように１次モールド部３８の表面を変形させてもよい。図１１に示すように、１次モールド部３８の表面のある点Ｐに入射する光Ｌを考えたとき、その点Ｐに立てた法線Ｎに対する入射光の入射角をθi［°］とすれば、この光が反射面４７で全反射する条件は、
θi≧arcsin（ｎo／ｎi）×（１８０／π） …（数式１）
である。ここで、ｎiは１次モールド部３８の屈折率、ｎoは２次モールド部３９の屈折率で、ｎi＞ｎoである。この等号が成り立つときの入射角
θi＝arcsin（ｎo／ｎi）×（１８０／π） …（数式２）
を全反射角（全反射の臨界角）といい、この全反射角を屈折率差ｎi−ｎoとの関係で表せば、図１２のようになる。したがって、１次モールド部３８の表面を楕円面としたときに数式１のような条件を満たさない箇所があれば、できるだけ数式１を満たすように発光素子３４の位置や１次モールド部３８の表面形状を修正してもよい。
（製造プロセス）
つぎに、光結合装置３１の製造プロセスを説明する。
(1) まず、電気伝導性と熱伝導性に優れた材質（たとえば銅系の材質。あるいは鉄系の材質や４２アロイでもよい。）のフープ材をパンチングまたはエッチングすることにより、所望形状のリードフレーム３２、３３、４１及び４２などを形成する。ついで、各リードフレーム３２、３３、４１及び４２のインナーリードに、ワイヤボンド性を良好にするようなメッキ処理（たとえばＣｕ下地にＡｇメッキしたもの。あるいは、Ｎｉ／Ｐｄ下地にＡｕメッキしたものでもよい。）を施した後、素子実装部３２ａ、３３ａにそれぞれ、導電性接着剤（たとえばＡｇペーストすなわちＡｇ粒子を含んだエポキシ樹脂でもよい。）などで発光素子３４、受光素子３５をダイボンダ等の装置で搭載する。導電性接着剤の場合は、１００〜１５０℃程度のオーブンで熱硬化させる。受光素子３５は、共晶結合で素子実装部３３ａに接合（搭載）される場合もある。
(2) ついで、ワイヤボンダ等の装置を用いて、発光素子３４のワイヤボンドパッドとリードフレーム４１をボンディングワイヤ３６で結線する。また、ワイヤボンダ等により受光素子３５のワイヤボンドパッド４３、４４とリードフレーム４２をボンディングワイヤ３７で結線する。このときワイヤボンド性をよくするために１８０〜２５０℃程度の温度をかけながらワイヤボンディングを行う。
(3) 発光素子３４と受光素子３５を光学的に結合するため、粘度調整された流動状態のシリコーン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂などの透光性樹脂４９をディスペンサなどの装置で発光素子３４と受光素子３５を覆うようにして素子実装部３２ａ、３３ａの上に塗布する。ついで、図１３に示すように、リードフレーム３２、３３、４１及び４２を上下反転させる。リードフレーム３２、３３、４１及び４２を上下反転させると、重力のために透光性樹脂４９がほぼ回転楕円体の半分となるように垂れ下がる。ここで、素子実装部３２ａ、３３ａが矩形状をしているような場合には、矩形状をした素子実装部３２ａ、３３ａの角部に透光性樹脂４９が引き付けられて透光性樹脂４９が変形し、滑らかな楕円形となりにくくなる。しかし、本実施形態では、図３で説明したように、素子実装部３２ａ、３３ａが合わせて楕円形となるように形成されているので、素子実装部３２ａ、３３ａの下面に垂れ下がった透光性樹脂４９は滑らかなほぼ楕円形となる。透光性樹脂４９が熱硬化性樹脂である場合には、この状態のままで１００〜１５０℃程度の温度で１〜２時間程度加熱して透光性樹脂４９を硬化させる。こうして硬化した透光性樹脂４９は、１次モールド部３８となる。なお、透光性樹脂４９の表面形状は、透光性樹脂４９の粘度や塗布量によって制御することができる。
(4) ついで、１次モールド部３８の表面を、透光性樹脂４９よりも屈折率の低い透光性樹脂で覆って２次モールド部３９を成形する。さらに、トランスファー成形機により、１次モールド部３８及び２次モールド部３９の外側を熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）で封止し、封止樹脂４０を成形する。このときの金型温度は１６０〜１８０℃程度である。封止樹脂４０を完全に硬化させるために１００〜１５０℃の温度で３〜８時間加熱し、アフターキュアを行う。
(5) この後、封止樹脂４０の成形時にできたリードフレーム３２、３３、４１及び４２の樹脂止め（タイバー）と封止樹脂４０の間の厚張りをパンチで型抜きし、リードフレーム３２、３３、４１及び４２の樹脂止め（タイバー）をパンチで型抜きする。また、成形時にできたリードフレーム３２、３３、４１及び４２の表面の薄バリを電解バリ取りやブラストにより除去する。ついで、リードフレーム３２、３３、４１及び４２のアウターリードをハンダや鉛フリーメッキにより外装メッキする。リードフレーム３２、３３、４１及び４２を金型により所定の長さにカットして折り曲げ、フープ材から切り離す。
(6) 最後に、光結合装置３１（製品）を半導体テスタ等でテストし、良品／不良品判別し、不良品の抜き取りを行うとともに、良品を実装機形態に合せて梱包する。たとえば、実装にマウンタを使う場合には、光結合装置３１をテープリールで梱包する。
上記のような方法で光結合装置３１を製造すれば、成形金型を用いることなく１次モールド部３８をほぼ楕円形に成形することができるので、光結合装置３１の製造効率が向上し、また製造コストも安価にすることができる。
（第２の実施形態）
本発明の実施形態２による光結合装置は、Ｘ軸から外れた位置、すなわち図１４（ａ）及び（ｂ）において斜線を施した領域に発光素子３４と受光素子３５を設けたものである。この実施形態では、１次モールド部３８を近似した回転楕円体のＹ軸が素子実装部３２ａに垂直な方向（つまり、１次モールド部３８の高さ方向）を向き、Ｘ軸とＺ軸が素子実装部３２ａに平行なある（任意の）方向を向いている。そして、発光素子３４は、その発光点がつぎの条件を満たす領域内に位置している。
（Ｘ／ａ）２＋（Ｙ／ｂ）２＋（Ｚ／ｃ）２≦１
α＜Ｘ≦ａ
Ｙ＜０
この領域は、図１４（ａ）及び（ｂ）の向かって右側の斜線を施した領域である。また、受光素子３５は、その受光領域の中心がつぎの条件を満たす領域内に位置している。
（Ｘ／ａ）２＋（Ｙ／ｂ）２＋（Ｚ／ｃ）２≦１
−ａ≦Ｘ＜−α
Ｙ＜０
この領域は、図１４（ａ）及び（ｂ）の向かって左側の斜線を施した領域である。ただし、ａは回転楕円体のＸ軸方向の半径、ｂはＹ軸方向の半径、ｃはＺ軸方向の半径であり、α＝√（ａ２−ｂ２である。
回転楕円体のＸＺ平面は、素子実装部３２ａに平行となっている。以下においては、素子実装部３２ａの上面を水平方向の基準とし、素子実装部３２ａの上面に平行な面を水平面ということがある。そして、発光素子３４及び受光素子３５は、それぞれ素子実装部３２ａ、３３ａのＸＺ平面（Ｙ＝０）と対向する面に実装されている。つまり、発光素子３４及び受光素子３５の位置が、図１４（ａ）及び（ｂ）のように回転楕円体の下半球である場合には、発光素子３４及び受光素子３５はそれぞれ素子実装部３２ａ、３３ａの上面に実装され、発光素子３４から受光素子３５へ導光する距離が長くなるようにしている。
図１５は、実施形態２の光結合装置５１の一例を表している。これはＸＹ平面に発光素子３４と受光素子３５を配置したものであり、素子実装部３２ａの上面に実装された発光素子３４はＸ軸よりも下方において焦点Ａ１よりも外側に配置され、素子実装部３３ａの上面に実装された受光素子３５はＸ軸よりも下方において焦点Ａ２よりも外側に配置されている。正確にいえば、発光素子３４の発光点の座標を（Ｘe、Ｙe、Ｚe）とすれば、
（Ｘe／ａ）２＋（Ｙe／ｂ）２＋（Ｚe／ｃ）２≦１
α＜Ｘe≦ａ
Ｙe＜０
Ｚe＝０
となっており、受光素子３５の受光領域の中心の座標を（Ｘr、Ｙr、Ｚr）とすれば、
（Ｘr／ａ）２＋（Ｙr／ｂ）２＋（Ｚr／ｃ）２≦１
−ａ≦Ｘr＜−α
Ｙr＜０
Ｚr＝０
となっている。
実施形態２のような構造でも、図１４に示すように、発光素子３４から出射した光を反射面４７で１回又は複数回全反射させることができる。よって、金属反射膜を用いることなく、発光素子３４と受光素子３５の光結合効率を高めることができる。
なお、実施形態２においては、発光素子３４をＸＹ平面から外れた位置（つまり、Ｚe≠０）に配置することもできるが、その場合には受光素子３５はＸＹ平面に関して発光素子３４と反対側に配置することが好ましい。
（第３の実施形態）
図１６は本発明の実施形態３による光結合装置６１を示す概略断面図である。この実施形態では、１次モールド部３８を近似した回転楕円体のＺ軸が水平面と平行となっており、Ｘ軸とＹ軸がＺ軸の回りにそれぞれ水平面と垂直面からφだけ回転している。素子実装部３２ａ、３３ａは、回転楕円体の中心Ｏを通過する水平面上に位置している。発光素子３４の発光中心はＸＹ平面内にあり、Ｘ軸上の焦点Ａ１を中心Ｏを通る水平面に垂直に射影した点Ｂ１よりも中心Ｏから遠い位置に配置されている。同様に、受光素子３５の受光領域の中心もＸＹ平面内にあり、Ｘ軸上の焦点Ａ２を中心Ｏを通る水平面に垂直に射影した点Ｂ２よりも中心Ｏから遠い位置に配置されている。
この実施形態のように回転楕円体を傾けると、発光素子３４から出射された光Ｌのうち、受光素子３５と反対側へ向けて出射した光が反射面４７へ入射する入射角を大きくすることができるので、この光の漏れを小さくでき、光の利用効率を向上させることができる。また、回転楕円体の角度φが設計パラメータとなるので、設計の自由度が高くなる。
なお、前記のように１次モールド部３８の表面は回転楕円体から多少変形していてもよいが、その場合でも元になる回転楕円体が水平面に対して傾いている場合には、つぎのような注意が必要である。すなわち、図１７に示すように、ＸＹ平面内における回転楕円体と中心Ｏを通過する水平面との交点をＣ１とし、点Ｃ１を通り水平面及びＸＹ平面の双方に垂直な平面Ｄとするとき、１次モールド部３８は平面Ｄよりも外側に出ている部分を持つ必要がある。
また、実施形態３のように回転楕円体が傾いている光結合装置の場合も、実施形態１の場合と同様にして製造することができる。特に、透光性樹脂４９によって１次モールド部３８を成形する工程においては、図１８に示すように、リードフレーム３２、３３、４１及び４２を上下反転させると共にこれらリードフレームを傾ければよい。このとき、重力の方向が回転楕円体の長軸方向となるので、リードフレームの傾き角度によって回転楕円体の傾きを調整できる。また、回転楕円体の形状は、透光性樹脂４９の塗布量や粘度によっても制御可能である。
（第４の実施形態）
本発明の実施形態４による光結合装置は、傾いた回転楕円体となった１次モールド部３８の内部において、中心Ｏを通る水平面から外れた位置、すなわち図１９及び図２０（ａ）、（ｂ）において斜線を施した領域内に発光素子３４と受光素子３５を配置したものである。
図１９及び図２０に示すように、回転楕円体は、Ｚ軸が水平面と平行となっており、Ｚ軸の回りに角度φだけ回転して傾いている。ここで、ＸＹ平面内において、中心Ｏを通過して水平面と平行に定めた軸をξ軸とし、中心を通過して水平面に垂直に定めた軸をζ軸とする。
図１９及び図２０において斜線を施した領域は、回転楕円体のＸ軸上の焦点Ａ１、Ａ２を通過し、かつ、ζＺ平面に平行な面よりも外側（つまり、中心Ｏから遠い側）の領域となっている。さらに、発光素子３４と受光素子３５が素子実装部３２ａ、３３ａの上面に実装されている場合には、導光距離が長くなるように、中心Ｏを通る水平面（Ｚξ平面）よりも下の領域となっている。式で表せば、一方の領域は、
（Ｘ／ａ）２＋（Ｙ／ｂ）２＋（Ｚ／ｃ）２≦１
αcosφ＜ξ
ζ＜０
を満たす領域であり、発光素子３４の発光中心はこの領域内に位置している。他方の領域は、
（Ｘ／ａ）２＋（Ｙ／ｂ）２＋（Ｚ／ｃ）２≦１
ξ＜−αcosφ
ζ＜０
を満たす領域であり、受光素子３５の受光領域の中心はこの領域内に位置している。
図２１は、実施形態４の光結合装置７１の一例を表している。これはＸＹ平面に発光素子３４と受光素子３５を配置したものである。素子実装部３２ａの上面に実装された発光素子３４は、ξＺ平面よりも下方で、かつ、焦点Ａ１を水平面に射影した点Ｂ１を通過しζＺ平面に平行な垂直面よりも外側に配置されている。素子実装部３３ａの上面に実装された受光素子３５は、ξＺ平面よりも下方において焦点Ａ２を水平面に射影した点Ｂ２を通過してζＺ平面に平行な垂直面よりも外側配置されている。
実施形態４のような構造でも、図２１に示すように、発光素子３４から出射した光を反射面４７で１回又は複数回全反射させることができる。よって、金属反射膜を用いることなく、発光素子３４と受光素子３５の光結合効率を高めることができる。
なお、実施形態４においても、発光素子３４をＸＹ平面から外れた位置（つまり、Ｚe≠０）に配置することもできるが、その場合には受光素子３５はＸＹ平面に関して発光素子３４と反対側に配置することが好ましい。
（第５の実施形態）
図２２は、本発明の実施形態５による光結合装置８１を示す概略断面図である。この実施形態では、発光素子３４を２次モールド部３９内に埋め込むように配置している。その結果、発光素子３４から出射された光Ｌのうち、受光素子３５と反対側へ向けて出射した光Ｌが反射面４７に沿って導光され易くなり、光の漏れを低減することができる。
（第６の実施形態）
図２３は、本発明の実施形態６による光結合装置９１の断面図である。この実施形態では、発光素子３４と受光素子３５を透光性を有する１次モールド部３８で覆って１次モールド部３８の表面をほぼ楕円面に形成している。そして、リードフレーム３２、３３、４１及び４２の端部を残してほぼ全体を、１次モールド部３８よりも屈折率の低い透光性の２次モールド部３９で封止している。この場合も、発光素子３４から出射された光は、１次モールド部３８と２次モールド部３９の界面で全反射されて受光素子３５で受光される。また、この実施形態によれば、光結合装置９１のパッケージ構造を実施形態１の場合よりも簡略にできるので、コストをさらに下げることができる。
なお、上記各実施形態では、１次モールド部３８は三次元の回転楕円体の全体又は一部で近似できるようなものであったが、１次モールド部３８の表面がより低次の楕円面となっていてもよい。たとえば、特許文献１のように側面から見た状態では１次モールド部３８の表面が楕円形となっているが、正面又は上面から見た状態では、１次モールド部３８の輪郭が矩形状となっていてもよい。
３１、５１、６１、７１、８１、９１ 光結合装置
３２、３３ リードフレーム
３２ａ、３３ａ 素子実装部
３４ 発光素子（第１の変換素子）
３５ 受光素子（第２の変換素子）
３８ １次モールド部（１次モールド樹脂）
３９ ２次モールド部（２次モールド樹脂）
４０ 封止樹脂
４６ 受光セル
４９ 透光性樹脂

Claims (6)

  1. 電気信号を光信号に変換する第１の変換素子と光信号を電気信号に変換する第２の変換素子をそれぞれ第１の端子板と第２の端子板の同じ向きの面に実装し、前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を透光性を有する１次モールド樹脂によって覆い、前記１次モールド樹脂の表面を前記１次モールド樹脂よりも屈折率の低い２次モールド樹脂で覆い、前記第１の変換素子から発した光信号を前記１次モールド樹脂と前記２次モールド樹脂の界面で全反射させることによって前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を光学的に結合させた光結合装置において、
    前記１次モールド樹脂は、その表面が楕円面となっていて、
    前記第１の変換素子の発光中心は、前記楕円面のある軸上の一方の焦点を通過し、かつ、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に垂直で前記軸を含む平面に垂直で、かつ、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に垂直な平面よりも前記楕円面の中心から遠い側に位置し、
    前記第２の変換素子の受光領域の中心は、前記軸上の他方の焦点を通過し、かつ、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に垂直で前記軸を含む平面に垂直で、かつ、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に垂直な平面よりも前記楕円面の中心から遠い側に位置していることを特徴とする光結合装置。
  2. 前記第１の変換素子及び前記第２の変換素子は、それぞれ前記第１の端子板及び第２の端子板の、前記楕円面の中心を通過し前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に平行な面と対向する面に実装されていることを特徴とする、請求項１に記載の光結合装置。
  3. 前記軸は、前記楕円面の長軸であることを特徴とする、請求項１に記載の光結合装置。
  4. 前記軸は、前記第１の端子板の前記第１の変換素子が実装されている面に対して傾いていることを特徴とする、請求項１に記載の光結合装置。
  5. 請求項１に記載の光結合装置を製造するための製造方法であって、
    第１の変換素子を第１の端子板の上面に実装し、第２の変換素子を第２の端子板の上面に実装する工程と、
    前記第１及び第２の変換素子を覆うようにして前記第１及び第２の端子板の上面に透光性を有する流動状態の１次モールド樹脂を供給する工程と、
    前記第１及び前記第２の端子板を上下反転させて前記１次モールド樹脂を前記第１及び第２の端子板から垂れ下がらせた状態に保持し、その状態で前記１次モールド樹脂を硬化させる工程と、
    前記１次モールド樹脂の表面を前記１次モールド樹脂よりも屈折率の低い２次モールド樹脂で覆う工程と、
    を備えた光結合装置の製造方法。
  6. 前記第１の端子の前記第１の変換素子を実装する部分と、前記第２の端子の前記第２の変換素子を実装する部分とが、全体として楕円形に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の光結合装置の製造方法。
JP2010043898A 2010-03-01 2010-03-01 光結合装置及びその製造方法 Pending JP2011181647A (ja)

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