JP2019012735A - 光結合装置 - Google Patents

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Hidetoshi Kuratani
英敏 倉谷
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Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
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Abstract

【課題】封止樹脂の耐熱性および耐湿性を高めた光結合装置を提供する。
【解決手段】第１及び第２リードフレーム５１，５２と、第１及び第２リードフレームにそれぞれ設けられた第１及び第２マウント材４１，４２と、第１マウント材上に設けられた発光素子１と、第２マウント材上に設けられた受光素子２と、発光素子と、第１リードフレームとを、受光素子と第２リードフレームとを電気的に接続する第１及び第２ワイヤー３１、３２と、第１リードフレーム及び第２リードフレームの一部と、発光素子及び受光素子を囲む外囲器８と、を有し、対向する形で組み合わせて配置される第１リードフレームと第２リードフレームとの間はシリコーン樹脂硬化物にて充填され、外囲器内部の発光素子及び受光素子がシリコーン樹脂硬化物にて覆われている光結合装置。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光結合装置に関する。
光半導体装置の一例である光結合装置は、発光素子や受光素子となる光学素子をリード
フレームに設置し、光学素子を光透過部材で覆う構造を備える。光結合装置を高温、高湿
環境の厳選環境で使用する場合、樹脂の剥離、熱劣化により光強度が変化するので、光結
合装置の特性が変化する虞がある。
特開２０１５−５４９６５号明細書
本発明が解決しようとする課題は、封止樹脂の耐熱性および耐湿性を高めた光結合装置
を提供することである。
実施形態に係る光結合装置は、第１及び第２リードフレームと、前記第１及び第２リー
ドフレームにそれぞれ設けられた第１及び第２マウント材と、前記第１マウント材上に設
けられた発光素子と、前記第２マウント材上に設けられた受光素子と、前記発光素子と、
前記第１リードフレームとを、前記受光素子と前記第２リードフレームとを電気的に接続
する第１及び第２ワイヤーと、前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの一
部と、前記発光素子及び前記受光素子を囲む外囲器と、を有し、対向する形で組み合わせ
て配置される前記第１リードフレームと前記第２リードフレームとの間はシリコーン樹脂
硬化物にて充填され、前記外囲器内部の前記発光素子及び前記受光素子が前記シリコーン
樹脂硬化物にて覆われている光結合装置。
第１の実施形態に係る光結合装置１００の断面図である。 信頼性結果をまとめた図である。 温度変化に対する膨張率のグラフである。 温度変化に対する弾性率のグラフである。 １７５℃での保存時間に対する透過率の変動率グラフである。 光結合装置１００のベッドクリアランス説明図である。 シリコーン樹脂の流動性評価の結果をまとめた図である。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材に
は同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る光結合装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、第
１の実施形態に係る光結合装置１００の断面図である。
図１に示すように、第１の実施形態に係る光結合装置１００は、発光素子１、受光素子
２、ワイヤー３、マウント材４、リードフレーム５、エンキャップ樹脂６、インナ樹脂７
、アウタ樹脂８（外囲器）を有する。
発光素子１は、例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)である。
リードフレーム５は、金属等の導電部材で構成されている。図１では、リードフレーム
は、第１リードフレーム５１と第２リードフレーム５２とに分けて記載している。また、
第１リードフレーム５１は、第１アウターリード５３と第１ベッド５４からなる。第２の
リードフレーム５２は、第２アウターリード５５と第２ベッド５６からなる。
発光素子１は、第１マウント材４１を介して第１リードフレーム５１上に設置される。
第１リードフレーム５１は、第１ワイヤー３１によって発光素子１に電気的に接続されて
いる。同様に、受光素子２は、第２マウント材４２を介して第２リードフレーム５２上に
設置される。第２リードフレーム５２は、第２ワイヤー３２によって受光素子２に電気的
に接続されている。第１及び第２ワイヤーを含めたワイヤー３は、たとえば金やアルミニ
ウム等で構成されている。
また、発光素子１は、エンキャップ樹脂６に覆われているが、これはインナ樹脂７から
の応力を和らげるためであり、必ずしも必要ではない。
アウタ樹脂８は、発光素子１、受光素子２、ワイヤー３、マウント材４、エンキャップ
樹脂６、インナ樹脂７、第１リードフレーム５１の一部、及び第２リードフレーム５２の
一部を封止するように設けられる。アウタ樹脂８は、例えばエポキシ樹脂硬化物が用いら
れている。
インナ樹脂７は、アウタ樹脂８で囲まれた内部を充填している。インナ樹脂７は、シリ
コーン樹脂硬化物が用いられる。
＜作用、効果＞
次に、本実施形態に係る光結合装置１００の作用と効果について、第１の比較例を用い
て説明する。第１の比較例に係る光結合装置２００の構造は、第１の実施形態に係る光結
合装置１００の構造とおおむね同様であり図示していないが、異なる点は、シリコーン樹
脂化合物のインナ樹脂７がエポキシ樹脂にて形成されるインナ樹脂９となっている点であ
る。
光結合装置２００では、実装時のリフロー、温度サイクル等の熱履歴によって、発光素
子や受光素子とアウタ樹脂との間、アウタ樹脂とフレームとの間において、剥離等が生じ
る可能性がある。また、熱劣化により光強度が変化するため、信頼性の低下や特性が変化
する虞がある。
一方で、第１の実施形態に係る光結合装置１００は、インナ樹脂７にシリコーン樹脂硬
化物が用いられている。この効果について図２から図５を用いて説明する。
図２に示すのは、各インナ樹脂の成分に対応した信頼性結果を表にまとめたものである
。各インナ樹脂はそれぞれ、エポキシ樹脂Ａ、エポキシ樹脂Ｂ、シリコーン樹脂Ｃ、シリ
コーン樹脂Ｄ、エポキシ樹脂Ｅ、エポキシ樹脂Ｆである。このうち、エポキシ樹脂Ａ、エ
ポキシ樹脂Ｂ、エポキシ樹脂Ｅ、エポキシ樹脂Ｆが、光結合装置２００に対応し、シリコ
ーン樹脂Ｃ、シリコーン樹脂Ｄが、光結合装置１００に対応する。各樹脂のフィラー量と
、レジンタイプは図２の表中に記載している。レジンに含有するフィラー量を多く充填す
ることで、膨張量が低く、弾性率が高くなる。
信頼性測定の項目は、ＨＴＳ（High Temperature Storage）、ＨＴＯ（High Temperatu
re Observation）、ＰＣＴ（Pressure Cooker test）、ＴＣＴ（Temperature Cycling te
st）である。ＨＴＳとＨＴＯに関しては、１５０℃で５０００ｈ以上相当の耐性がある際
の○とし、３０００ｈ相当では△、１０００ｈ相当では×と表記している。また、ＰＣＴ
に関しては、１２７℃、１００％ｒｈ下で１９２ｈ相当の耐性がある際に○と表記してい
る。条件に満たない場合には、△で表記している。ＴＣＴに関しては、２０００ｃｙｃの
耐性がある際に○と表記している。
図２から分かるように、光結合装置２００に用いられるインナ樹脂９のように、成分が
エポキシ樹脂を用いたものである場合には、ＨＴＳ、ＨＴＯ、ＰＣＴの項目において、十
分な信頼性を確保することが出来ていない。一方で、光結合装置１００に用いられるイン
ナ樹脂７のように、その成分がシリコーン樹脂の場合には、ＨＴＳ、ＨＴＯ、ＰＣＴ、Ｔ
ＣＴの４つの項目において、信頼性を確保することが出来ている。
図３には、２５℃から２６５℃の温度変化に対する膨張率のグラフを示している。２６
５℃において、光結合装置１００のシリコーン樹脂Ｃ、シリコーン樹脂Ｄは、膨張率が、
０．６５％以下の範囲にある。フォトカプラに使用するリードフレームは、主にＣｕ母材
が使用され、膨張係数が１６．８ｐｐｍ／℃である。そのため、２５〜２６０℃における
、リードフレームの膨張率は０．３９％である。リードフレームの膨張量とミスマッチが
少ない方が複合材界面への応力集中が少なくなり、熱サイクルに有利となる。
一方で、光結合装置２００のエポキシ樹脂Ｂの膨張率は、０．７９％にも及び、熱サイ
クルによって膨張と収縮を繰り返した際に剥離等が生じる危険性が高まる。
また、図４には、温度変化に対する弾性率のグラフを示している。２５℃から２５０℃
において、光結合装置１００は、２ＧＰａ〜２０ＧＰａの範囲で、弾性率が変動する。一
方で、光結合装置２００の場合には、３００ＭＰａ〜４０ＧＰａの範囲と広い範囲で、弾
性率が変動する。弾性率の変化が大きいと、その分部材の剥離や特性悪化を招くこととな
る。そのため、光結合装置１００の方が弾性率の変動範囲が狭い分、剥離や特性悪化を招
きにくい。
更に、図５には、１７５℃での保存時間に対する透過率の変動率グラフを示している。
１７５℃にて、１０００ｈの保存後の光結合装置１００の４００ｎｍ以上の波長の透過率
と初期透過率との変動率は、シリコーン樹脂Ｃ、シリコーン樹脂Ｄともに２５％以下であ
る。一方で、光結合装置２００のエポキシ樹脂Ｂ、エポキシ樹脂Ｅ、エポキシ樹脂Ｆの場
合には、変動率は５０％以上であり、大きいものでは９０％を超えるものもある。透過率
が大きく変化してしまうと、その分光強度が変化し、光結合装置の特性が変化してしまう
可能性が高まる。
また、光結合装置２００のエポキシ樹脂は、硬化剤にフェノールと酸無水物があり、フ
ェノールであると高温保存で透過率が悪くなりＨＴＳは判定まで満たさない。酸無水物に
すると高温保存の透過率は改善し、ＨＴＳも伸びるが、ＰＣＴで問題が生じる。
以上より、高温高湿環境においても、光結合装置１００では、光結合装置２００と比較
して、封止樹脂の特性変動が少なく、信頼性が高められている。
更に、モールド注入による影響で、ベッドクリアランスが広がることがある。ベッドク
リアランスが広がると、光学特性の劣化が懸念されるため変動は少ない方が望ましい。図
６に示すように、Ｌを第１リードフレームと第２リードフレームとの間の設計値、Ｘをモ
ールド後の断面研磨測定値とすると、ベッドクリアランス変動は、下記（１）式から求め
られる。
ベッドクリアランス変動(％)＝（Ｘ/Ｌ）×１００ ・・・（１）
この変動は、樹脂粘度が低くなると抑制できる。
また、モールド（樹脂注入）時にワイヤ流れが発生することがある。Ｌ’を半導体チッ
プ間の設計値、Ｘ’をモールド樹脂注入方向に対する半導体チップ間を結ぶワイヤ方向測
定値とすると、ワイヤ流れ率は、下記（２）式から求められる。
ワイヤ流れ率(％)＝（Ｘ’/Ｌ’）×１００ ・・・（２）
このワイヤ流れが発生すると、封止プロセス間の電気的短絡の虞がある。
光結合装置１００において、射出成形での樹脂の流動性を評価した結果の一例を図７に
示す。スパイラル形状をしたフローテスト金型に、一定の条件下で樹脂を充填した時、樹
脂が到達する長さをスパイラルフローとしている。
充填量８０ｗｔ％以上の異なるフィラー調整を施したシリコーン樹脂Ｇ〜Ｊからなる光
結合装置１００の樹脂特性、ワイヤ流れ、ベッドクリアランス変動を図７に示す。シリコ
ーン樹脂Ｉ、シリコーン樹脂Ｊを用いた光結合装置１００の場合、ワイヤ流れ率が１０％
以下かつベッドクリアランス変動が１０％以下となっている。
以上より、ワイヤ流れ率１０％以下かつベッドクリアランス変動を１０％以下に収める
ためには、フィラー量を８０ｗｔ％以上含有した場合、スパイラルフローは８０ｃｍ以上
、最低溶融粘度が２０Ｐa・sであることが望ましい。
本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、
発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な
形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き
換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含
まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 発光素子
２ 受光素子
３ ワイヤー
３１ 第１ワイヤー
３２ 第２ワイヤー
４ マウント材
４１ 第１マウント材
４２ 第２マウント材
５ リードフレーム
５１ 第１リードフレーム
５２ 第２リードフレーム
５３ 第１アウターリード
５４ 第１ベッド
５５ 第２アウターリード
５６ 第２ベッド
６ エンキャップ樹脂
７ インナ樹脂(シリコーン樹脂)
９ インナ樹脂
８ アウタ樹脂（外囲器）
１００、２００ 光結合装置

Claims (6)

  1. 第１及び第２リードフレームと、
    前記第１及び第２リードフレームにそれぞれ設けられた第１及び第２マウント材と、
    前記第１マウント材上に設けられた発光素子と、
    前記第２マウント材上に設けられた受光素子と、
    前記発光素子と、前記第１リードフレームとを、前記受光素子と前記第２リードフレー
    ムとを電気的に接続する第１及び第２ワイヤーと、
    前記第１リードフレーム及び前記第２リードフレームの一部と、前記発光素子及び前記
    受光素子を囲む外囲器と、を有し、
    対向する形で組み合わせて配置される前記第１リードフレームと前記第２リードフレー
    ムとの間はシリコーン樹脂硬化物にて充填され、前記外囲器内部の前記発光素子及び前記
    受光素子が前記シリコーン樹脂硬化物にて覆われている光結合装置。
  2. 前記発光素子は、エンキャップ樹脂にて覆われている請求項１に記載の光結合装置。
  3. 前記シリコーン樹脂硬化物は、２５℃〜２６５℃の膨張量が、０．３９〜０．６５％の
    範囲にある請求項１または２に記載の光結合装置。
  4. 前記シリコーン樹脂硬化物は、２５℃〜２５０℃の弾性率が２ＧＰａ〜２０ＧＰａの範
    囲で変動する請求項１から３のいずれか１つに記載の光結合装置。
  5. 前記シリコーン樹脂硬化物は、４００ｎｍ以上波長における初期透過率と、１７５℃に
    て１０００時間保存後の透過率との変動率が２５％以内である請求項１から４のいずれか
    １つに記載の光結合装置。
  6. 前記シリコーン樹脂硬化物は、シリコーン樹脂を主成分とし、無機充填材が全体に対し
    て８０ｗｔ％以上を含有し、当該樹脂の成型特性が、溶融粘度２０Ｐａ・s以下、スパイ
    ラルフローが８０ｃｍ以上である請求項１から５のいずれか１つに記載の光結合装置。
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