JP2013251410A - 光結合素子 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により、光結合効率をさらに改善することができる光結合素子を提供する。
【解決手段】光結合素子１は、発光部２と受光部３とこれらを保持する透明基板４とを備え、発光部２と受光部３とは、透明基板４を通して光を伝送するように透明基板４の互いの対向面に形成され、透明基板４は、略四角形のチップ形状の側面に光反射部５を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気的に絶縁した回路間で光を授受する光結合素子に関する。

従来から、回路間を電気的に絶縁した状態で信号やスイッチング指令などを授受するために、発光素子と受光素子とを対にして１パッケージ化したフォトカプラやフォトリレーなどの光結合素子が用いられる。このような光結合素子は、別個に形成した発光素子と受光素子とをパッケージ化する場合に、その構成方法に起因して、素子間の光軸合わせ作業が必要になり、また、位置ずれや光の広がりによる光結合効率の低下、素子間の充填材料による光損失などが発生する。そこで、例えば、プロセスが簡単で低コスト製造ができ、アラインメントが容易な光結合素子を提供するものとして、石英ガラスの一面に発光素子を形成し、その面に対向する面に受光素子を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０６−２３２４４７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような光結合素子においては、光結合効率について、さらなる改善が望まれる。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、光結合効率をさらに改善することができる光結合素子を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明の光結合素子は、互いに電気的に絶縁された発光部と受光部とを備え、発光部からの光を受光部に伝送する光結合素子において、発光部と受光部とこれらを保持する透明基板とを備え、発光部と受光部とは、透明基板を通して光を伝送するように該透明基板の対向面に形成され、透明基板は、その側面に光反射部を備えていることを特徴とする。

この光結合素子において、光反射部と発光部または受光部との間に電気的導通を遮断する絶縁部材を備えてもよい。

この光結合素子において、発光部または受光部は、光の散逸を防ぐ反射層を備えてもよい。

この光結合素子において、透明基板は、発光部または受光部が形成される面に、非平滑面となる凹凸構造を備えてもよい。

本発明の光結合素子によれば、透明基板の側面に光反射部を備えたので、側面からの光損失を抑制して光結合効率をさらに改善することができる。

本発明の一実施形態に係る光結合素子の断面図。 （ａ）は同光結合素子の製造段階における断面斜視図、（ｂ）は同平面図。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ同光結合素子の変形例を示す断面図。 （ａ）は他の実施形態に係る光結合素子の断面図、（ｂ）は同実施形態における反射層の説明図。 （ａ）（ｂ）はそれぞれさらに他の実施形態に係る光結合素子の断面図。 さらに他の実施形態に係る光結合素子の断面図。 （ａ）（ｂ）はそれぞれ同光結合素子の変形例を示す断面図。 さらに他の実施形態に係る光結合素子の断面図。 さらに他の実施形態に係る光結合素子の断面図。 図１に示した光結合素子をパッケージングした例を示す断面図。 （ａ）は図１に示した光結合素子をインタポーザに実装した断面図、（ｂ）は（ａ）の光結合素子をパッケージングした例を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態に係る光結合素子について、図面を参照して説明する。図１に示すように、光結合素子１は、発光部２と受光部３とこれらを保持する透明基板４とを備え、発光部２と受光部３とは、透明基板４を通して光を伝送するように透明基板４の互いの対向面に形成され、透明基板４は、その側面に光反射部５を備えている。光結合素子１は、例えば、ダイシングによって個片化した略四角形のチップ形状を有し、そのチップの上面と下面とに、それぞれ発光部２と受光部３とを備え、チップの４つの側面に光反射部５を備えている。光反射部５は、発光部２から側面に向かう光を受光部３に導くためのものである。発光部２は、発光ダイオードであり、電極層２１，２２の間に発光層２０を備え、各電極層２１，２２に通電するための電極２１ａ，２２ａをさらに備えている。発光部２は、透明基板４の一面に電極層２１、発光層２０、電極層２２を、この順に形成し、適宜パターニングした後、各電極層２１，２２上に電極２１ａ，２２ａを形成することにより、形成される。受光部３は、フォトダイオードであり、透明基板４の他の一面に発光部２と同様に形成されており、電極層３１，３２の間に受光層３０を備え、各電極層３１，３２に電気接続するための電極３１ａ，３２ａをさらに備えている。また、受光部３は、フォトダイオードに限らず、フォトトランジスタとすることもできる。透明基板４は、発光部２と受光部３とを互いに電気的に絶縁する透明材料からなり、例えば、サファイヤ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ガラス基板などを用いることができる。透明基板４の透明性は、発光部２と受光部３との間で用いる光の種類に依存して決定されるものであり、可視光に対して透明であるとは限らない。透明基板４、発光部２および受光部３の材料の組み合わせは、光結合素子１の用途やコスト等に応じて、適宜任意に選択することができる。また、発光部２と受光部３は、バリヤ層などを適宜追加した層構成とすることができる。

光反射部５は、例えば、図２（ａ）（ｂ）に示すように、個片化前の透明基板４において、発光部２および受光部３となる領域の周辺領域に貫通部５ａを形成し、その側壁に光反射材料の層を形成したり、貫通部５ａに光反射材料を埋め込んだりして形成される。その後、矢印Ｘや矢印Ｙで示すように、貫通部５ａを通るように透明基板４をダイシングすることによって、チップの４つの側面に光反射部５を備えた光結合素子１が得られる。光反射部５の形成は、例えば、めっきによる成膜、スパッタや蒸着などによる成膜、印刷や塗布などによる埋め込みなどにより、金属材料や樹脂材料を用いて行うことができる。樹脂材料は、例えば、特定分子量の芳香族ポリカーボネート樹脂、メチルメタクリレート系樹脂およびアクリル系弾性重合体の特定割合からなる光高反射樹脂組成物を用いることができる。光反射部５を金属材料によって形成する場合は、各電極層や各電極間を短絡させないように、これらから離して、例えば、４つの側面の各中央部に形成する。光反射部５は、光結合素子１の側面の全面に備える必要はなく、各側面の中央部に備えるだけであっても、発光部２による発光を効果的に受光部３に導くことができる。

光結合素子１は、図３（ａ）に示すように、発光部２と受光部３とから成る対を２つ、一般に複数、備える構成とすることができる。また、図３（ｂ）に示すように、発光部２と受光部３とから成る対を２つ互いに光の伝達方向を逆にする構成、より一般に、任意の光の伝達方向を有する対を複数備える構成とすることができる。これらの光結合素子１を構成する発光部２と受光部３の各対は、互いに隣接する対との間、および最外周面に光反射部５を備えており、光損失の抑制と対間における光の漏れによる干渉の抑制とを実現している。このような光結合素子１は、光結合効果に優れた多連の光結合素子をコンパクトに実現することができる。

本発明の光結合素子１によれば、透明基板４の側面に光反射部５を備えたので、側面からの光損失を抑制して発光部２と受光部３との間の光結合効率を改善することができる。また、光結合素子１は、受発光部一体の素子であり、発光部２と受光部３とを対向面に保持した透明基板４の側面に光反射部５を備えた単体の素子とされており、従って、光高反射樹脂を用いることなく回路基板などの任意の場所に実装して用いることができる。つまり、光結合素子１は、受発光部一体の素子の外周に光反射部５を備えており、単品で光結合効率の良い光結合素子として用いることができる。従って、単体の光結合素子１は、リードフレームなどに容易に実装でき、光高反射樹脂を用いることなく封止してパッケージングできる。すなわち、光結合素子１は、透明基板４の互いの対向面に発光部２と受光部３とを形成して備えているので、発光部と受光部とを互いに別の基板上に形成した後に互いに組み合わせる構成に比べて、受発光部の実装位置合わせが不要であり、製造工程を短縮できる。光結合素子１は、従来の光結合素子における発光部２と受光部３の位置ズレや発光の広がり散逸による光結合効率の低下、および発光部と受光部の間の透明樹脂や構成材料による光吸収などによる光損失などを改善することができる。さらに、光結合素子１は、同一の透明基板４の両面に発光部２と受光部３とを作り込んで形成されるので、素子の小型化やパッケージプロセスの容易化等を実現することができる。光結合素子１は、互いに電気的に絶縁した回路間で電気信号や電力を伝送するための素子や、回路間を電気的に絶縁した状態でスイッチングするフォトカプラやフォトリレーなどの素子として用いることができる。電力を伝送する場合には、受光部３を、例えば、太陽電池の構成とすればよい。

図４（ａ）（ｂ）は他の実施形態に係る光結合素子１を示す。この光結合素子１は、図４（ａ）に示すように、上述の図１に示した光結合素子１において、発光部２と受光部３に光の散逸を防ぐ反射層２３，３３をそれぞれ備えるものである。すなわち、発光部２の発光層２０における受光部３との対向面とは反対側に反射層２３を備え、受光部３の受光層３０における発光部２との対向面とは反対側に反射層３３を備えている。反射層２３は、図４（ｂ）に示すように、光結合素子１における内側の発光層２０と外側の電極層２２との間にあって、発光層２０からの光が電極層２２を透過して外部に散逸しないように、内側すなわち受光部３の方向に光を反射する。反射層３３は、光結合素子１における内側の受光層３０と外側の電極層３２との間にあって、受光層３０を透過した光を、電極層３２を透過して外部に散逸しないように、受光層３０に向けて反射する。このような光結合素子１によれば、受光部３側へ向かう光量を増加させることができ、また、受光層３０を透過した光を再度受光層３０に向かわせることよって吸収させることができ、光結合効率を向上させることができる。反射層２３，３３は、両方備える場合に限定されず、反射層２３だけを備えるようにしてもよく、また、反射層３３だけを備えるようにしてもよい。また、反射層２３，３３は、それぞれ電極層２２，３２に光反射特性を持たせることにより、電極層２２，３２で兼用させてもよい。また、反射層２３，３３は、それぞれ単層構成とせずに、複数層構成によって発光部２による発光の波長に応じた複合反射膜を形成するようにしてもよい。このような反射層は、発光層２０や受光層３０に接した状態で備えることに限定されず、電極層２２，３２等よりも外側に備えるようにしてもよい。

図５（ａ）（ｂ）はさらに他の実施形態に係る光結合素子１を示す。図５（ａ）に示す光結合素子１は、上述の図１に示した光結合素子１において、発光部２と受光部３が形成される透明基板４の各面に、非平滑面となる凹凸構造４ａを備えるものである。また、図５（ｂ）に示す光結合素子１は、上述の図４（ａ）に示した反射層２３，３３を備える光結合素子１において、発光部２と受光部３が形成される透明基板４の各面に、非平滑面となる凹凸構造４ａを備えるものである。このような凹凸構造４ａを備える構成によると、発光部２と透明基板４の間や受光部３と透明基板４の間において、界面における光反射を低減でき、それぞれ受光効率や発光効率を向上でき、また、アンカー効果によって密着性を向上できる。また、密着性の向上により、界面における光反射低減効果も得られる。

図６はさらに他の実施形態に係る光結合素子１を示す。この光結合素子１は、上述の図４（ａ）に示した反射層２３，３３を備える光結合素子１において、光反射部５と発光部２との間、および光反射部５と受光部３との間に、電気的導通を遮断する絶縁部材６を備えている。絶縁部材６は、光反射部５が金属スパッタ膜などの電気導体で構成されている場合や、耐電圧特性の低い材料で構成されている場合などに、発光部２と受光部３との間の電気絶縁をより確実にするためのものである。絶縁部材６は、例えば、透明基板４の側面に光反射部５を形成後や形成前に、絶縁性樹脂を印刷したり塗布したりして形成することができる。このような絶縁部材６は、上述の図１に示した光結合素子１において、光反射部５が電気不導体で構成されている場合にも効果的であり、絶縁性をより高めることができる。また、絶縁部材６は、光反射部５を介して発光部２と受光部３が導通することを防止するものであり、従って、少なくとも光反射部５と発光部２との間、または光反射部５と受光部３との間のいずれか一方に備えるようにしてもよい。このような絶縁部材６を備える構成によると、発光部２と受光部３との間の耐圧を確保することができる。

図７（ａ）（ｂ）は上述の絶縁部材６を備える光結合素子１の変形例を示す。図７（ａ）に示す光結合素子１は、上述の図４（ａ）に示した光結合素子１において、光反射部５が、それぞれ隣接する電極２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａなどの層の上面位置まで延伸されており、その光反射部５の内側に絶縁部材６が備えられている。その絶縁部材６は、透明基板４の表面から、それぞれ電極２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａなどの層の上面位置に至るまで、発光部２と受光部３の各層の端部断面部分を覆うように形成されている。また、発光部２における電極２１ａと電極２２ａとの間、および受光部３における電極３１ａと電極３２ａとの間にあって、それらを互いに電気絶縁する絶縁部材６ａが、それぞれ発光部２と受光部３の各層の端部断面部分を覆うように形成されている。

また、図７（ｂ）に示す光結合素子１は、図７（ａ）に示した光結合素子１において、光反射部５の延伸位置が各電極２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａによる一層分だけ手前側であり、その光反射部５の端面を覆うように、絶縁部材６が形成されている。すなわち、図７（ｂ）に示す光結合素子１は、図７（ａ）に示した光結合素子１に比べて、光反射部５と各電極２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａとの沿面距離（面に沿った絶縁距離）が、より長く構成されており、電気絶縁性をより確実にしたものとなっている。

図８、図９は、それぞれさらに他の実施形態に係る光結合素子１を示す。図８に示す光結合素子１は、上述の図４（ａ）に示した光結合素子１において、透明基板４の側面を鏡面加工することにより光反射部５を形成したものであり、その側面には光反射材料の層や光反射材料を備えないものである。このような光結合素子１は、側面の鏡面加工によって光の反射率を高めることにより、側面からの光損失を抑制して光結合効率を改善することができ、また、光反射材料を備える工程や光反射材料を省くことができる。図９に示す光結合素子１は、図８に示した光結合素子１における透明基板４の側面を、発光部２側から受光部３側に向けて拡径するように、形成したものである。このような構成によると、発光部２からの光の入射角を大きくして全反射の割合を増加させることができ、光の反射率をさらに高めて光結合効率を改善することができる。これらの鏡面加工した側面に、さらに光反射材料の層や光反射材料を備えるようにしてもよい。

図１０は上述の図１に示した光結合素子１をパッケージングした例である光結合絶縁デバイス１０を示す。この光結合絶縁デバイス１０は、リードフレーム１１に光結合素子１と回路素子１２とを実装して、モールド樹脂１３によって樹脂成形して構成されている。光結合素子１は、その下面の電極がリードフレーム１１に、例えば、はんだボール、はんだバンプ、Ａｕバンプなどを用いて実装され、上面の電極が回路素子１２にワイヤボンディングされている。モールド樹脂１３は、光高反射樹脂を用いる必要はなく、安価な樹脂を用いることができる。光結合素子１は、例えば、光結合絶縁デバイス１０の外部から入力される信号によって発光されたとき、その発光を受光するように動作する。受光信号は、回路素子１２によって調整された後、光結合絶縁デバイス１０の外部に出力される。このような光結合絶縁デバイス１０は、互いに電位の異なる回路間で光結合によって信号を伝達することができるので、例えば、電気絶縁された回路間で種々の測定結果を送信または受信するために用いることができる。

図１１（ａ）（ｂ）は光結合絶縁デバイス１０の他の例を示す。光結合素子１は、図１１（ａ）に示すように、例えば、はんだボール、はんだバンプ、Ａｕバンプなどを用いてインターポーザ７に実装されており、図１１（ｂ）に示すように、インターポーザ７に実装された状態でリードフレーム１１に実装されている。光結合素子１は、その下面の電極をインターポーザ７を介して、ワイヤボンディングによってリードフレーム１１に電気接続され、上面の電極を回路素子１２にワイヤボンディングされている。このような光結合絶縁デバイス１０は、図１１（ａ）に示した光結合絶縁デバイス１０に比べて、光結合素子１がインターポーザ７を備える分、背高が高くなるが、実装時における光結合素子１の操作が容易となる。インターポーザ７は、集積回路（ＩＣ）の機能を持たせることにより、回路拡張基板の機能に加えて、多機能のインターポーザ（インターポーザＩＣ）とすることができる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態や変形例の構成、例えば、反射層２３，３３、凹凸構造４ａ、絶縁部材６，６ａなどの配置や有無などを互いに組み合わせた構成とすることができる。また、光反射部５は、図２（ａ）（ｂ）に示したような貫通部５ａを形成する方法に限らず、任意の形状や配置の貫通部や方法を用いて形成することができる。例えば、透明基板４の側面は、単純な平面に限らず発光部２からの光を受光部３に偏向させる形状の、例えばプリズム形状として、その表面に光反射部５を形成するようにしてもよい。

１ 光結合素子
２ 発光部
２２ 反射層
３ 受光部
３３ 反射層
４ 透明基板
４ａ 凹凸構造
５ 光反射部
６ 絶縁部材

Claims (4)

1. 互いに電気的に絶縁された発光部と受光部とを備え、前記発光部からの光を前記受光部に伝送する光結合素子において、
   前記発光部と前記受光部とこれらを保持する透明基板とを備え、
   前記発光部と前記受光部とは、前記透明基板を通して光を伝送するように該透明基板の対向面に形成され、
   前記透明基板は、その側面に光反射部を備えていることを特徴とする光結合素子。
2. 前記光反射部と前記発光部または前記受光部との間に電気的導通を遮断する絶縁部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光結合素子。
3. 前記発光部または前記受光部は、光の散逸を防ぐ反射層を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光結合素子。
4. 前記透明基板は、前記発光部または前記受光部が形成される面に、非平滑面となる凹凸構造を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光結合素子。

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