JP2014192308A - フォトインタラプタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価に製造することが可能で、検出能が優れ、プリント基板に面実装可能な小型のフォトインタラプタの製造方法を提供する。
【解決手段】集合基板１に赤外光ＬＥＤ２とフォトトランジスタ３を搭載し、集合基板１に遮蔽枠集合板４を集合基板１に位置合わせして接着し、透明樹脂で樹脂封止し、遮蔽枠集合板４の上面に光反射性樹脂を均一に塗布して反射層を形成し、さらに反射層を覆うように遮光性樹脂遮蔽層７を形成した後に、ダイサーブレードにより切削加工することで発光部と受光部間の隙間８と、出射スリット４４１と入射スリット４３１を形成する。
【選択図】図９

Description

本発明はフォトインタラプタ、特にプリント基板に面実装可能な小型のフォトインタラプタの製造方法に関する。

フォトインタラプタは光出力側の発光部と光入力側の受光部が対向して設置されており、発光部の出射光を物体が遮る状態を受光部で検知することで物体の有無や位置を判定するセンサである。

図１２は従来のフォトインタラプタ１２０の構成を示すもので、フォトインタラプタ１２０は光出力側として発光素子１２１をリードフレーム１２３に搭載し、透明エポキシ樹脂を用いたトランスファーモールドにより封止して作成された発光部１２４と、発光部と同様の製法で受光素子１２２を用いて作成された光入力側の受光部１２５とを、遮光性樹脂を用いた射出成形等で作成され、検出物通過スペースとなる一定の間隙を保ちながら対向した配置として保持し、さらに光出力用および光入力用に窓（多くの場合、物体位置検出能を稼ぐためにスリット１２７）を設ける様にしたケース１２６に挿入し接着固定して作成されている。尚、ケース１２６は射出成型品を用いずに、発光部６４と受光部６５を再度、遮光性樹脂によるインサート成型等で包括して作成される場合もある。

上記のフォトインタラプタ１２０の構成は、受光および発光素子を透明樹脂で封止するための金型と、遮光性樹脂によるパッケージを形成する為の金型の2つの金型が必要で、金型費用が嵩む。特に、各素子を封止し発光部または受光部を作成するためのトランスファーモールド金型は非常に高価である。
また、リードフレームを用いて発光部、受光部を作成したものを更にケーシングする構造なので装置が大型化しやすい。

そこで、文献１には金型を用いずに、モデル変更に対しても容易かつ迅速に対応し、且つ安価に製造することを目的として、プリント基板に面実装可能な小型のフォトインタラプタの製法が開示されている。これは、発光素子および受光素子を基板に実装し、透明樹脂でモールド封止後、発光素子と受光素子間の導光路を残す様にエンドミル等で樹脂部を切削する第一の加工の後、再度遮光樹脂でモールドし、再び第二の切削加工にて発光部と受光部間の検出物通過スペース（以降、単に間隙と表記）を形成した後に、個片化して作成するものである。

上記の様に切削加工で間隙を形成する場合には基板面に加工跡の透明樹脂残りがあると光洩れによるＣ／Ｎ比の悪化が懸念されるため面一の精度の高い加工が求められる。文献１のフォトインタラプタでは加工時に、図１３に示す様に基板をハーフカットすることで、その課題を逃れている。図１３は基板１３１、発光素子１３２、受光素子１３３、透明樹脂部１３４、遮光樹脂部１３５を備えたフォトインタラプタ１３０の断面図によりハーフカット個所の態様を示すもので、間隙形成のためのダイシングブレード１３７によって、加工跡に透明樹脂１３４による樹脂残りがでない様に基板１３１も上面から一定の深さで削りとって、ハーフカット個所１３８を形成している。

また、図１３のフォトインタラプタ１３０の構成では、発光素子１３２および受光素子１３３ともに、本来の発光面および受光面が上面方向に向いた状態で搭載されており、光出力側は発光素子の横方向の出射光を使用し、光入力側は受光素子の側面感度を利用して検出するので、各素子の本来の能力を十分に使用しているとは言えず、図１２で示したフォトインタラプタ１２０に比較して
ＣＴＲ（ 電流伝達比 ＝Ｉｃ（出力側光電流） ／ ＩＦ (入力側順電流) × １００（％） ）は小さくなる傾向にある。これを改善するために文献１では、遮光樹脂１３５によるケーシングの内側の発光部及び受光部の界面で光を反射させて信号光を増加させることを意図して、図１４のフォトインタラプタ１４０で示す様に遮光樹脂１３５に酸化チタン等の反射性粒子１３６を混錬したものを用いて発光部―受光部間の光伝送効率を高めることが提示されている。

特開２０１１−１１９３２１号報

文献１に開示された製法によるフォトインタラプタでは、導光路形成を含めた第一の切削加工がフラットエンドミルによるフライス加工にて製造している。フライス加工にて導光路形成を行うのでは切削時間がかかる。更に、間隙形成時のダイシング切削加工と二つの異なる装置による後加工が必要となり、異なる製造装置が必要で安価に提供できるものとはいえない。

また、図１３に示す様に基板をハーフカットする深さまでフライス加工するためには、基板１３１に十分に厚みがあるものを用いないと、曲げ応力に対して強度が確保できない。

さらに、上述のように遮光樹脂１３５に反射性を付与することによりＣＴＲを高めることができるが、ケーシングの内側で発光部及び受光部内の光を反射するだけではなく、ケーシングの外表でも光を反射することになり好ましいとは言い難い。何故なら図１５に示す様に、発光部と受光部間の間隙に入射した外乱光は、遮光樹脂１３５のよるケーシングの端面で反射して、受光部に入射するノイズを増加させ、同様に、発光素子から発光部と受光部間の間隙に放射された光は外部への不要なふく射となり、フォトインタラプタが設置される周囲の環境によっては、反射により舞い戻り外乱光となって受光部に入射するノイズを増加させてＣ／Ｎ比（キャリアとノイズの比）を悪化させる可能性がある。これらは多くの場合、フォトインタラプタとして物体の位置検出時の微妙な位置ずれを生じさせることとなる。よって需要者の多様な使用環境に適応させるためには、外乱光への耐性を向上させ、外部への不要なふく射を低減しておくことが望ましい。

本発明は、上記問題を解決して、安価に製造することが可能で、検出能が優れ、プリント基板に面実装可能な小型のフォトインタラプタの製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の製造方法によれば、
二つの四角形の通し穴と該通し穴の対向する側面同士を結ぶ溝部を備えるように構成された単位遮蔽枠を一枚の板材に碁盤目状の配列状態となるよう複数個多面付けして形成された遮蔽枠集合板を用意する工程と、前記遮蔽枠集合板の前記通し穴に対応して光り半導体素子のボンディングパッドを含む導体パターンを敷設した単位基板が多面付けされた集合基板を用意する工程と、前記集合基板に含まれる各単位基板のボンディングパッドパターンに、発光素子と受光素子を搭載して電気的接続を行う工程と、前記遮蔽枠集合板を前記集合基板に位置合わせして接着する工程と、前記二つの通し穴が発光素子および受光素子を夫々囲うことで形成された凹部と、前記溝部に透明樹脂を前記遮蔽枠集合板の上面と面一状に充填した後、加熱硬化して樹脂封止する工程と、前記樹脂封止を実施した遮蔽枠集合板の上面に遮光性樹脂を塗布して遮蔽層を形成する工程と、前記集合基板の前記遮蔽層側の面から、ダイサーブレードにより前記溝部の長手寸法の二分割線に沿って、前記溝部の底面を超えた所定の深さで切削することにより、前記発光素子を収めた通し穴による枠部と前記受光素子を収めた通し穴による枠部との間の隙間と、発光素子側の出射スリットおよび受光素子側の入射スリットが露出した間隙を形成する工程と、前記間隙を形成した遮蔽枠集合板の各単位遮蔽枠を切り離す様に、単位遮蔽枠間の中央線に沿ってフルダイシングすることで切断し、個片化する工程と、
を有してなるフォトインタラプタの製造方法とすることにより
Ｃ／Ｎ比を高く保つことで物体の位置検出精度が良く、強度が確保された面実装可能な小型のフォトインタラプタを少ない工数で効率的に大量生産することができ、製造コストを低減することが可能となる。

上記目的を達成するため、本発明の請求項２に記載の製造方法によれば、
前記遮蔽槽を形成する工程の前に、前記樹脂封止を実施した遮蔽枠集合板の上面の全面に光反射性樹脂を均一に塗布した後、加熱硬化させて反射層を形成する工程を行うことを特徴とする請求項１に記載のフォトインタラプタの製造方法とすることにより
高いＣＴＲのフォトインタラプタの製造が可能となる。

本発明によれば、安価に製造することが可能で、検出能が優れ、プリント基板に面実装可能な小型のフォトインタラプタの製造方法を提供することができる。

図１は遮蔽枠集合板の実施例を示す図である。 図２は光半導体素子を搭載する工程を示す図である。 図３は遮蔽枠集合板を接着する工程を示す図である。 図４は透明樹脂により封止を行う工程を示す図である。 図５は反射層を塗布する工程を示す図である。 図６は遮蔽層を塗布する工程を示す図である。 図７は遮蔽層塗布に用いるメタルマスクのデザイン例を示す図である。 図８は切削加工の工程を示す図である。 図９は図８のＣ部詳細を示す図である。 図１０は切断／個片化の工程を示す図である。 図１１は本製造工程で製作されたフォトインタラプタの構造を示す断面図ある。 図１２はフォトインタラプタの従来例を示す図である。 図１３はフォトインタラプタの別の従来例において、切削加工で間隙を形成するため加工跡に透明樹脂残りがでない様に基板に形成されたハーフカット個所を示す図である。 図１４はフォトインタラプタの別の従来例において、遮光樹脂に酸化チタン等の反射性粒子を混錬したものを用いて発光部―受光部間の光伝送効率を高める様子を示す図である。 図１５はフォトインタラプタの別の従来例において、遮光樹脂に酸化チタン等の反射性粒子を混錬した場合にＣ／Ｎ比（キャリアとノイズの比）を悪化させる可能性があることを描いた図である。

（製造方法）
図１乃至図１０により、本発明の実施例に係るフォトインタラプタの製造方法を説明する。

まず、本製造方法を実現するために枢要な機構構成要素である遮蔽枠集合板４を形成する。図１は遮蔽枠集合板４の実施例を示すものであり、複数個の単位遮蔽枠４２を多面付けのために一枚の板材に碁盤目状に配列して収めたもので、単位遮蔽枠４２は、二つの四角形の通し穴４３と４４、さらに通し穴４３と４４の対向する側面同士を結ぶ溝部４５を備える。通し穴４３、４４は遮蔽枠集合板４を貫通するように形成する。溝部４５は遮蔽枠集合板４を貫通せず、後述する遮光層７の形成面側から凹んだ非貫通溝孔として形成する。

遮蔽枠集合板４は射出成型によって形成し、これに使用する樹脂は、本製造方法によるフォトインタラプタがプリント基板に面実装可能なものとするため、リフローによるはんだ実装に耐える様、ＰＰＡ（ポリフタルアミド樹脂）などの耐熱性の高い材料を用いる。

また後述するとおり、前記通し穴４３と４４はフォトインタラプタとして基板に組み付け後に発光素子および受光素子を収めるキャビティの遮蔽枠となるものであり、形状は様々に変形が可能することができる。

次に、図２に示すように光半導体素子の搭載を行う。まず、前記遮蔽枠集合板４の各単位遮蔽枠４２と位置関係が揃うように、フォトインタラプタ用のボンディングパッドを含む導体パターンを敷設した単位基板１２が多面付けされた集合基板１を用意し、各ボンディングパッドパターンに、発光素子として赤外光ＬＥＤ２と受光素子としてフォトトランジスタ３をダイアタッチし、金線等で電気的接続を行う。

尚、上記の光半導体素子の搭載工程は、後述の遮蔽枠集合板４を単位基板１２に接着した工程の後とすることも可能である。但し、単位基板１２のボンディングパッドの清浄度を確保するためには光半導体素子の搭載工程を先に行うことが好ましい。

次に、発光素子２および受光素子３を搭載済みの集合基板１に遮蔽枠集合板４を接着する。発光素子２としては例えば赤外光ＬＥＤを用いる。受光素子３としては例えばフォトトランジスタを用いる。図３に遮蔽枠集合板４と集合基板１との接着工程を示す。遮蔽枠集合板４の前記通し穴４３が集合基板１のボンディング面（上面）を底面としてフォトトランジスタ３が収納されるキャビティとなり、前記通し穴４４は集合基板１のボンディング面（上面）を底面として赤外光ＬＥＤ２が収納されるキャビティとなり、前記溝部４５は赤外光ＬＥＤ２とフォトトランジスタ３の間にあり、該溝部４５が赤外光ＬＥＤ２で出射された光をフォトトランジスタ３に導くための導光路となるよう略一列の揃うように配置される。遮蔽枠集合板４の通し穴４３、４４および溝部４５と集合基板１上の赤外光ＬＥＤ２およびフォトトランジスタ３の位置関係にずれが生じない様に位置決め治具等を用いた接着作業とすると良い。

尚、遮蔽枠集合板４と集合基板１の接着には、エポキシ接着剤やエポキシ系接着フィルムを使用して浮きが発生しない様に加圧しながら加熱硬化するのが好ましい。

次に、遮蔽枠集合板４が集合基板１に接着されたワークに対して印刷工法を用いた樹脂封止を行う。図４は樹脂封止の工程を示す。遮蔽枠集合板４を集合基板１に設置された一種のステンシルとみなして印刷により透明樹脂を充填する。遮蔽枠集合板４の上面の一端に透明樹脂５１をのせ、スキージ５２を摺動させることで、遮蔽枠集合板４に設けられた通し穴４３、４４および溝部４４に透明樹脂５１が遮蔽枠集合板４の上面と面一状に充填され、樹脂封止部５が形成される。樹脂充填後、樹脂製ブレードでできたスクレーパー５３を用いて遮蔽枠集合板４の上面に残された透明樹脂５１の残留分や堆積分をそぎ取り、該上面と平滑化にした後に封止樹脂５を加熱硬化する。

尚、透明樹脂５１は本工程以降にダイシングブレードによる切削の工程が控えているため、切削性が良好な透明エポキシ樹脂を用いる。

次に、反射層を形成する。図５は反射層を塗布する工程を示すもので、樹脂封止の工程を終えたワークに対して、蔽枠集合板４の上面にローラ６２（スキージでも良い）を用いて光反射性樹脂６１を全面に均一塗布した後に加熱硬化させて反射層６を形成する。反射層は封止樹脂を充填した側の面、すなわち集合基板１と反対側に位置する上面の全面に塗布形成する。

光反射性樹脂６１も切削性が良好な透明エポキシ樹脂をバインダー樹脂とするのが好ましく、封止樹脂５と同一組成材料に反射性顔料（ルチル型酸化チタン微粒子等）を混錬した反射性樹脂材料を用いれば良い。

尚、反射層は前述した高いＣＴＲを得るために敷設するものであり、搭載される赤外光ＬＥＤの発光効率やフォトトランジスタの感度特性によってＣＴＲが十分確保できる場合は反射層を省略しても良い。

次に、遮蔽層を形成する。封止樹脂の形成および反射層形成を終えたワークの上面に対して遮光性樹脂を塗布する。遮光性樹脂の印刷は、スプレー印刷や、凹版印刷など各種の方法を用いることができる。図６にメタルマスクを用いて遮蔽層を塗布する工程を示す。反射層６を覆うようにメタルマスク７３とスキージ７２を用いて遮光性樹脂７１を印刷により塗布した後に加熱硬化させて遮蔽層７を形成する。

遮光性樹脂７１はエポキシ樹脂に遮光性顔料（カーボンブラック、チタン系黒色顔料等）を混錬し、遮光性に加え非反射性を加味したものとする。なお、遮光性樹脂７は、後に実施する加熱硬化工程における加熱により粘度低下を起こすものを用いている。

また遮光層７の厚さは、ピンホールの発生、および塗布量や遮光性顔料の含有量のばらつきによる光学濃度の低下を抑制するため２００μｍ程に設定する。そのためにメタルマスクは２５０〜３００μｍとして、押し込みによる過充填が可能なオフコンタクト印刷（マスクとワークの間に隙間を設ける）により厚塗りに対応させる。さらにメタルマスクデザインは図７に示すように、印刷時の樹脂離れ良好とするために開口を大きく、且つ開口部の占有率を高くする。このようにすることで、次に行う加熱硬化の過程で印刷された所定パターンの樹脂材料の粘度低下が起こり、隣接するパターン間に拡がって容易に印刷面全面を所定の厚みにて覆うことができる。

この印刷方法により遮光性樹脂７１の塗布面は凹凸面状態となっているが、加熱硬化することで、ゲル化直前に粘度が低下し、実用上問題ない程度に樹脂表面が平滑化した遮蔽層７が得られる。さらに遮蔽層７の平坦化が必要な場合は、加熱により樹脂が半硬化となった時点で一旦冷却し、金属平板を押し付けて平坦面とした後に再度加熱し完全硬化させる。

次に、フォトインタラプタとして発光素子側の出射スリットと受光素子側の入射スリット、および発光部―受光部間の隙間（検出物通過スペース）を形成する。図８はダイサーブレード８２による切削加工の工程を示すもので、遮蔽層形成の工程を終えたワークをダイシングテープ８３で保持し、切削加工を行う。図９は図８のＣ部詳細を示すもので、赤外光ＬＥＤ２を収めた通し穴４４による枠部とフォトトランジスタ３を収めた通し穴４３による枠部の間、溝部４５の長手寸法の二分割線８５に沿って切削（ハーフダイシング）を行う。切削（ハーフダイシング）は遮蔽枠集合板４の溝部４５の一部を切削する深さで、且つ、集合基板１の表面から一定高さの位置までの深さにて切削を行う。

それによりフォトインタラプタにおける機構要件として発光部と受光部間の間隙８が形成され、同時に発光部側の出射スリット４４１と受光部側の入射スリット４３１が形成される（図１１、Ｄ−Ｄ断面参照）。また、本実施形態によれば、出射スリット４４１および入射スリット４３１と単位基板１２との間の隙間には、遮蔽枠集合板４の溝部４５が残存している（図１１、Ｄ−Ｄ断面参照）。したがって、切削（ハーフダイシング）を遮蔽枠集合板４と集合基板１との界面の位置まで精密に実施しなくても、発光素子２と受光素子３との間における物体有無を判断する光路において、物体検知に用いない間隙８の底部、即ち溝部４５の部分の光路を遮光することができ、物体見地を行うための出射スリット４４１および入射スリット４３１を所定の大きさおよび位置に調整することができる。これにより前記した溝部４５の底が存在しない場合におけるＣ／Ｎ比の悪化を改善することができる。

最後に切断／個片化を行い製造工程が終了する。図１０は切断／個片化の工程を示すものでワーク状態から遮蔽枠集合板の単位遮蔽枠４２を切り離す様に、単位遮蔽枠間の中央線１０５および１０６に沿ってフルダイシングすることで切断し、個片化することによりフォトインタラプタ１０１が得られる。

図１１は、本製造工程で製作されたフォトインタラプタ１０１の構造を示す断面図であり、Ｄ−Ｄ断面はフォトトランジスタ３が搭載された受光部４３２側から観た発光素子であるＬＥＤ２が搭載された発光部４４２側の遮蔽枠の側面に設けられた出射スリット４４１の様子を示すものである。尚、図示していないが、発光部４４２から観た受光部４３２側の遮蔽枠の側面に設けられた入射スリットも同様である。フォトインタラプタ１０１は反射層６７とそれに上乗せして設けられた遮蔽層７７によって、ＣＴＲとＣ／Ｎを高く保つことができ、入射スリット４３１と出射スリット４４１により物体の位置検出精度を向上させている。

以上のような製造工程により、集合遮蔽版４を成形するための射出成型金型を必要とするが、複雑な成形を課する形状ではなくシンプルな金型とすることが可能で、従来の発光素子および受光素子を封止するために用いられたトランスファーモールド金型に比較して十分に安価であり、遮蔽枠の形状やダイサーの歯の厚さを変更することで、容易に仕様変更することができ、時間を要すＮＣエンドミル切削作業もなく、少ない工数で効率的にフォトインタラプタを大量生産することができるので、製造コストを低減することができる。

１ 集合基板
２ 赤外光ＬＥＤ
３ フォトトランジスタ
４ 遮蔽枠集合板
５ 封止樹脂部
６ 反射層
７ 遮蔽層
８ 発光部と受光部間の間隙
１２ 単位基板
４２ 単位遮蔽枠
４３、４４ 通し穴
４５ 溝部
５１ 透明樹脂
５２、７２ スキージ
５３ スクレーパー
６１ 光反射性樹脂
６２ ローラ
７１ 遮光性樹脂
７３ メタルマスク
８１ 溝部底面から一定の深さのハーフカット個所
８２ ダイシングブレード
８３ ダイシングテープ
８５ 溝部の長手寸法の二分割線
１０１ フォトインタラプタ
４３１ 入射スリット
４３１ 出射スリット

Claims (2)

1. 二つの四角形の通し穴と該通し穴の対向する側面同士を結ぶ溝部を備えるように構成された単位遮蔽枠を一枚の板材に碁盤目状の配列状態となるよう複数個多面付けして形成された遮蔽枠集合板を用意する工程と、
   前記遮蔽枠集合板の前記通し穴に対応して光り半導体素子のボンディングパッドを含む導体パターンを敷設した単位基板が多面付けされた集合基板を用意する工程と、
   前記集合基板に含まれる各単位基板のボンディングパッドパターンに、発光素子と受光素子を搭載して電気的接続を行う工程と、
   前記遮蔽枠集合板を前記集合基板に位置合わせして接着する工程と、
   前記二つの通し穴が発光素子および受光素子を夫々囲うことで形成された凹部と、前記溝部に透明樹脂を前記遮蔽枠集合板の上面と面一状に充填した後、加熱硬化して樹脂封止する工程と、
   前記樹脂封止を実施した遮蔽枠集合板の上面に遮光性樹脂を塗布して遮蔽層を形成する工程と、
   前記集合基板の前記遮蔽層側の面から、ダイサーブレードにより前記溝部の長手寸法の二分割線に沿って、前記溝部の底面を超えた所定の深さで切削することにより、前記発光素子を収めた通し穴による枠部と前記受光素子を収めた通し穴による枠部との間の隙間と、発光素子側の出射スリットおよび受光素子側の入射スリットが露出した間隙を形成する工程と、
   前記間隙を形成した遮蔽枠集合板の各単位遮蔽枠を切り離す様に、単位遮蔽枠間の中央線に沿ってフルダイシングすることで切断し、個片化する工程と、
   を有してなるフォトインタラプタの製造方法。
2. 前記遮蔽槽を形成する工程の前に、
   前記樹脂封止を実施した遮蔽枠集合板の上面の全面に光反射性樹脂を均一に塗布した後、加熱硬化させて反射層を形成する工程を行うことを特徴とする請求項１に記載のフォトインタラプタの製造方法。

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