JP3754471B2 - 光結合器用パッケージ・リードフレームおよびその製造方法 - Google Patents

光結合器用パッケージ・リードフレームおよびその製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的に半導体光結合素子(semiconductor optocoupler device)のパッケージに関し、更に特定すれば表面実装パッケージ用単一面リードフレームのアーキテクチャに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体光結合器は、低電圧回路と高電圧回路との間で電子信号を結合するために広く用いられている。光結合器は、2つの回路間に電気的絶縁を与えるので、当技術で一般的に知られているインターフェースの問題を低減することができる。かかる用途の一例は、電気モータとこのモータを制御するために用いられるマイクロコンピュータとの間のインターフェースである。マイクロプロセッサでモータを制御することが便利なだけでなく、モータの動作状態についてマイクロコンピュータにフィードバックすることも有益である。この種の用途でインターフェース機能を首尾良く果たすには、少なくとも一対の光結合器が必要となる。
【0003】
過去においては、光結合器は、TO−5、TO−18、および8本リード・デュアル・インライン・パッケージ(8-lead dual in-line package)に封入されていた。JEDEC標準によるケース外形サイズおよびフットプリントの制限、ならびにUL1577およびVDE884標準による制約という業界の理由により、所与のパッケージに収容し得るのは事実上一対の光結合器だけである。したがって、所望のモータ制御を容易に行うには、パッケージが2つ必要となる。更に、TO−5、TO−18、およびデュアル・インライン・パッケージは元々高価である。また、一対以上の光結合器をJEDECによって外形が限定された空間に容易に取り付けられるようにするにはリード・フレームが2つ必要となるので、光結合器のデュアル・インライン構造には余分な経費もかかることになる。この技術を用いると、光結合器対の各素子は、他方の素子とは反対側のリード・フレームに取り付けられる。この構成では、光結合器を構成する素子の整合のような、製造上の別の問題が生じる。フットプリントの制約のために、このパッケージの実施形態は、2対の光結合器を1つのパッケージに取り付けるという要件を容易に満たすことができない。したがって、光絶縁を実際に応用するための費用効率のよい解決案が達成されていない。
【0004】
光結合器系のコストを更に低減させるためには、表面実装素子技術に移行することによって、光結合器系の微細化を図ることも望ましい。表面実装技術は製造および構成物の観点からも費用効率性が高いことは、当技術では一般的に公知である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、多数の光結合素子ダイ対を収容可能な、単一面リードフレーム・アーキテクチャを有する、小型表面実装パッケージが必要とされている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子素子用パッケージのリードフレーム・アーキテクチャ、および最少の単一標準外形パッケージに多数の光結合器ダイ対から成る素子を配置する方法に関するものである。複数対の光結合器ダイは、標準的な取り付け技法を用いて、単一面リードフレーム上に対向して取り付けられる。対をなす光結合器ダイが共通中央線を維持するように、検出器取り付けフラグ(パッド)および発光ダイオード(LED)フラグが構成される。共通中央線は、パッケージの長手方向軸との間で所定内角を形成する。共通中央線は、LEDフラグおよび対応する検出器フラグを二分する。所定角を選択する方法は、所与のパッケージ・フットプリントに対してリードフレームを最適化し、光結合素子の規制および製造要件に適応しつつ、一対以上の光結合器ダイをリードフレーム上に取り付け可能にする。
【0007】
光結合器は、少なくとも1つのエミッタを含む半導体素子であり、ある種の絶縁媒体を介して光検出器に光学的に結合される。エミッタはLEDとすることができ、一方検出器はフォトトランジスタである。かかる構成によって、エミッタを含む入力回路から検出器を含む出力回路までの、電気的情報の光学的経路が形成される。2つの独立した光結合器を含む二重チャンネル光結合器は、素子の高密度化、プリント回路基板設計の簡素化、または同一制御およびフィードバック信号経路を必要とする用途のインターフェースに用いられる。
【0008】
【実施例】
図1を参照すると、SO−8標準スモール・アウトライン・プラスチック・パッケージに準拠した二重チャンネル8ピン光結合器が、モールド本体内に示されている。リードフレーム10は、光結合器の1対のエミッタ−検出器ダイを取り付けるための、LEDフラグ12とフォトトランジスタ検出器フラグ20とを含む。同様に、光結合器の第2対のエミッタ−検出器ダイの取り付けができるように、LEDフラグ32およびフォトトランジスタ検出器フラグ30も備えられている。エミッタ・フラグ23,47は、フォトトランジスタ検出器フラグ20,30に取り付けられるフォトトランジスタ検出器ダイに、ワイヤ・ボンド用領域を提供する。アノード・フラグ17,37は、それぞれLEDフラグ12,32に取り付けられるLEDエミッタ・ダイに、ワイヤ・ボンド用領域を提供する。エミッタ・フラグ23,47は、それぞれエミッタ・リード22,44の一端に結合されている。フォトトランジスタ検出器フラグ20,30はそれぞれコレクタ・リード18,38の一端に結合されている。エミッタ・リード22、コレクタ・リード18、エミッタ・リード44、およびコレクタ・リード38の反対側の端部は、ダム・バー(dam bar)11に共通に結合されている。LEDフラグ12,32は、それぞれカソード・リード14,34の一端に結合されている。アノード・リード16,36の一端は、それぞれアノード・フラグ17,37に結合されている。カソード・リード14、アノード・リード16、カソード・リード34、およびアノード・リード36の反対側の端部は、ダム・バー21に共通に結合されている。ダム・バー11,21は、連続的にサイドレール(siderail)66,68に結合されている。ダム・バー11,21のサイドレール66,68に対する関係は、当業界では一般的に公知である。長手方向軸24は、リードフレーム10の中央線を規定し、ダム・バー11およびダム・バー21の間を等しく分割(displace)する。LEDフラグ12は、検出器フラグ20と共通の中央線26に沿って、リードフレーム10の内側に突出する形状となっている。共通中央線は、LEDフラグ12および対応する検出器フラグ20を二分する。同様に、LEDフラグ32は、検出器フラグ30と共通の中央線40に沿って、リードフレーム10の内側に突出する形状となっている。中央線26は中央線40と平行である。
【0009】
リードフレーム10の最適アーキテクチャ構成(optimum architecture configuration)を決定する際、エミッタ・リード22,44、コレクタ・リード18,38、カソード・リード14,34、およびアノード・リード16,36の位置は、所与のパッケージ・フットプリントによって決められる。中央線26,40と長手方向軸24との交点に形成される角度28,42は、リードフレーム10のアーキテクチャ設計において考慮しなければならない。角度28,42の決定に影響を与える数個の要因がある。かかる要因の1つは、SO−8パッケージ全体のサイズである。別の要因は、SO−8パッケージ・フットプリントに対して制定されたJEDEC標準によって組み込まれ、業界で受け入れられたパッケージ寸法規定(package dimensioning)に関係がある。標準SO−8、CASE846−01の寸法に対する制約は、パッケージ本体サイズでは0.182ないし0.202インチx0.144ないし0.164インチであり、リード間隔(リード間)は0.050インチとなっている。側面リード対側面の間隔は、0.224ないし0.244インチとなっている。
【0010】
JEDEC標準は、単一のダイをパッケージ内の中央に位置付けられたダイ・ボンド・パッド(die bond pad)上に取り付けるという構想の下で開発された。また、SO−8の応用に対する政府機関の規制要件(regulatory agency requirements)によって、光結合器のリードフレーム10には他の要件も賦課されている。かかる要件の1つは、出力絶縁電圧(output isolation voltage)を1秒間に60Hzで2500.0ボルトRMSにするというものである。2500.0ボルトの電圧を絶縁するには、放出導体と検出導体との間に少なくとも17.5ミルの間隔がなければならない。17.5ミルは、検出器フラグ20とLEDフラグ12との間の距離であり、検出器フラグ30とLEDフラグ32との間の距離でもある。更に、検出器フラグ20,30のようなダイ・ボンド・フラグ、およびエミッタ・フラグ23,47のようなワイヤ・ボンド・フラグ間にそれぞれ必要とされる電気的絶縁のためにも、別の制約が賦課される。同様に、LEDフラグ12,32、およびアノード・フラグ17,37間の電気的絶縁もそれぞれ設けなければならない。このような制約を受ける光電素子として用いる場合、最小15ミルの間隔がなければならない。リードフレーム10のアーキテクチャに影響を及ぼす二次的な要因は、図3に示すように、ダイ・キャップ48,58の位置付けである。図3に示すように、LEDダイ45とフォトトランジスタ・ダイ50との間、およびLEDダイ54とフォトトランジスタ・ダイ52との間で最適な光透過が達成されるように、楕円形のダイ・キャップ48,58のための適当な空間をリードフレーム10内に確保しなければならない。
【0011】
以下に、図1の最適リードフレーム構造をどのように決定したかの一例を記載する。エミッタ・リード22,44、コレクタ・リード18,38、カソード・リード14,34,およびアノード・リード16,36は、JEDEC標準仕様の要求通りの寸法に作られている。エミッタ・フラグ23,47およびアノード・フラグ17,37の幅は、0.054インチに選択されている。この幅は、ワイヤ・ボンディングを容易にするのに適した値である。検出器フラグ20,30は、0.025インチx0.025インチに設計されている。LEDフラグ12,32は、0.015インチx0.015インチに選択されている。フラグの寸法は、当該フラグ上に半導体ダイを取り付け易くなるように選択される。規制標準(regulatory standards)は、LEDフラグ12と検出器フラグ20との間の空間を最少0.0175インチとすることを間接的に要求している。同様に、LEDフラグ32と検出器フラグ30との間の空間も、最少0.0175インチにしなくてはならない。ダイ・キャップ48およびダイ・キャップ58の余裕(clearance)は、最少0.005インチと指定されている。本例の目的は、1つのSO−8パッケージ・フットプリントに、2対の光結合器ダイの配置を可能とする角度28,42の大きさを決定することである。角度28の計算は、一対の光結合器ダイに対する関係を用いて行われる。同じ大きさの角度を角度42にも適用し、リードフレーム10に必要なアーキテクチャを完成する。最適な角度28,42を決定する最初の段階は、検出器フラグ20の長さDL、LEDフラグ12の長さLL、エミッタ・リード22の長さEL、アノード・リード16の長さAL、絶縁余裕IC、およびダイ・キャップの余裕DCによって決定される、クリティカル・パス(CP)寸法を計算することである。検出器フラグ20の長さDL、LEDフラグ12の長さLL、エミッタ・リード22の長さEL、アノード・リード16の長さAL、および絶縁余裕ICは図1に示されている。ダイ・キャップ余裕DCは、ダイ・キャップ48とエミッタ・フラグ23またはアノード・フラグ17との間の最短距離である。本発明によれば、クリティカル・パス長の計算式は、以下の式(1)で与えられる。
【0012】
【数1】
CP=DL+LL+EL+AL+IC+DC (l)
本例ではCPは0.1705インチである。クリティカル・パス長がリードフレーム10の幅W以下である場合、最適化ではないが、角度28が90度に等しくなるようにリードフレームを設計することができる。0.1705インチというクリティカル・パス長はリードフレーム10の幅よりも大きいので、中央線26は長手方向軸24と90度の角度を作ることはできない。したがって、必要な角度28を決定するためには、別の段階を実行しなければならない。本発明では、最適な角度28を決定するための次の段階は、クリティカル・パスの寸法をリードフレーム10の最少幅で除算することによって完了する。得られた数値の逆サイン関数、即ち、アーク・サイン関数を取ると、対応する角度の大きさが角度28となる。以下の式(2)から、角度28には57.63度という大きさが得られる。
【0013】
【数2】
角度28=sin-1CP/W (2)
これを角度42にも適用する。このように、得られた角度28,42は、所与の対の光結合器ダイがパッケージのフットプリントおよびリードフレーム10による制約の範囲内に納まるように、最適化されている。
【0014】
検出器フラグ20,30は、LEDフラグ12,32と共に、先に示した寸法上の制約にしたがって、リードフレーム・フットプリント内に位置付けられ、各中央線26,40は、角度28,42にしたがって、整合されかつ位置付けられる。上述の例は、所与のSO−8JEDECによるフットプリントに対する要件として規定された、1組の寸法を反映させたものであることに注意されたい。工具の許容度および製造者のリードフレームの許容度に対する最終調節を行った後、角度28,42は62.8度に調節された。角度28の決定およびこれに対応する角度42の決定は、製造およびプロセス許容度が変われば、変更することができる。したがって、本発明の原理は、他の矩形および正方形のパッケージ・フットプリントにも拡大することができる。本方法を正方形のフットプリントに用いる場合、長手方向軸24はフットプリントの中央線として規定され、この長手方向軸24の両対向側にリードがあるパッケージを二分する。
【0015】
リードフレーム10は、当技術では公知の打ち抜き技法(stamping techniques)を用い、打ち抜き工具(stamping tools)によってストリップ状に作成される。工具の設定は、寸法決めされたリードフレーム・ストリップの図面にしたがって行われる。リードフレーム10に選択される材料は合金42であるが、代わりに銅を用いることもできる。
【0016】
図2に移ると、リードフレーム10を多数(multiple arrangement)含んだリードフレーム・ストリップ70の一部が示されている。リードフレーム・ストリップ70は、本発明にしたがって作成されるリードフレーム10のアーキテクチャを組み込むような寸法に作られる。また、リードフレーム・ストリップ70の寸法は、最終的にパッケージに封入される光結合器素子のモールド、トリム・シンギュレート(trim singulate)、および形成に用いられる製造工具との互換性を保つように決められる。これら製造作業の詳細は、当業者にはよく知られているものである。図1の例では、1つのパターンに24個のリードフレーム10が2列共存して、リードフレーム・ストリップ70を規定している。しかしながら、実際には、リードフレーム・ストリップは、本例に用いられた個々のリードフレーム10の数や配列に限定される訳ではない。
【0017】
図3を参照すると、本発明を利用した光結合器の応用例が、更に詳細に示されている。リードフレーム10は、図1で説明したものである。図1に示した素子に加えて、図3は、検出器フラグ20,30上にそれぞれ取り付けられているフォトトランジスタ・ダイ50,52を含む。LEDダイ45,54は、それぞれLEDフラグ12,32上に取り付けられている。ボンドワイヤ46,56,62,64が、フォトトランジスタ50をエミッタ・フラグ23に、フォトトランジスタ52をエミッタ・フラグ47に、LEDダイ45をアノード・フラグ17に、そしてLEDダイ54をアノード・フラグに、それぞれ結合する。ダイ・キャップ48はフォトトランジスタ・ダイ50およびLEDダイ45を被覆し、一方ダイ・キャップ58はフォトトランジスタ・ダイ52およびLEDダイ54を被覆する。
【0018】
リードフレーム10のアーキテクチャは、本発明にしたがって明示されている。リードフレーム10は合金材料42で作られる。LEDダイ45は、砒化ガリウムで作られ、従来の金共晶ダイ接着技法(gold eutectic die attach techniques)を用いてLEDフラグ12に接着される。LEDダイ45の背面側は、LEDのカソード接点となっており、カソード・リード14を介して結合される。LEDダイ45のアノード接点は、第1の上側に現れ、ワイヤボンド62を介してアノード・フラグ17に結合される。フォトトランジスタ・ダイ50は、シリコンで作られ、金共晶ダイ接着技法を用いて、検出器フラグ20に取り付けられる。フォトトランジスタ・ダイ50の背面側はコレクタ接点となっており、コレクタ・リード18を介して結合される。フォトトランジスタ・ダイ50のエミッタ接点は、ダイの上表面上に位置する。エミッタ接点はボンド・ワイヤ46を介してエミッタ・フラグ23に結合されている。LEDダイ45とフォトトランジスタ・ダイ50は一対の光結合器ダイを形成する。LEDによって発生される光信号は、光媒体、この場合はダイ・キャップ48を通じて、フォトトランジスタ50のベースに伝送される。同様に、フォトトランジスタ・ダイ52およびLEDダイ54は、それぞれ検出器フラグ30およびLEDフラグ32に取り付けられ、それぞれコレクタ・リード38およびカソード・リード34に結合されている。ワイヤボンド56は、フォトトランジスタ・ダイ52のエミッタ接点をエミッタ・フラグ47に結合し、ワイヤボンド64はLEDダイ54のアノード接点をアノード・フラグ37に結合する。フォトトランジスタ・ダイ52およびLEDダイ54は第2の光結合器ダイ対を形成し、この一対のダイ間に光媒体を形成する、ダイ・キャップ58によって被覆される。フォトトランジスタ・ダイ50,52は、これら自体の検出器フラグ20,30の外周内にそれぞれ収まっている。同様に、LEDダイ45,54も、これら自体のLEDフラグ12,32の外周にそれぞれ収まっている。
【0019】
上述の例では金共晶ダイ接着が用いられたが、導電性エポキシ・ダイ接着も同様に用いることができる。ワイヤボンド46,56,62,64は金化合物で作られ、熱音波法(thermosonic methods)を用いて取り付けられる。或いは、これらをアルミニウム化合物材料で作ることもできる。当技術では公知であるが、フォトトランジスタ・ダイ50,52は、光検出ダイオード(photo detector diode)で等価に置き換えることができる。ダイ・キャップ48,58は、光透過性および誘電体絶縁特性を表わすシリコン材料で作られる。シリコン材料は液体状でニードルを通じて、一対の光結合器ダイに射出される。この液体は周囲環境で硬化し、硬化プロセスの間、50.0ないし70.0パーセントの相対湿度を必要とする。
【0020】
一旦リードフレーム10のアセンブリが完成したなら、リードフレーム・ストリップ70を成形プロセスに送り、LEDフラグ、半導体ダイ、検出器フラグ、パッケージ・リード、およびワイヤボンドを被覆する成形体(molded body)を形成する。成形プロセスは、トランスファー・エポキシ成形(transfer epoxy molding)であり、当業者にはよく知られているものである。一旦成形作業が完了したなら、成形リードフレーム・ストリップ70にシンギュレーション処理(singulation operation)を施す。シンギュレーション処理の間、ダム・バー11,21およびサイドレール68,66は、リードフレーム・ストリップ70から除去される。シンギュレーション処理は当技術では公知である。次にリードを必要な長さに調整(trim)し、形成してSO−8光結合器・パッケージ構造体を完成する。
【0021】
以上の説明から、本発明は、光結合器のような電子部品に応用するのに最適な、最少サイズのパッケージに収容可能なリードフレーム・アーキテクチャを提供することが認められよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】リードフレーム・ストリップの一部を示す上面図。
【図2】図1のリードフレーム部分を含むリードフレーム・ストリップの一部を示す図。
【図3】2対の光結合器ダイの構造を示す図1のリードフレームの応用を示す図。
【符号の説明】
10 リードフレーム
11,21 ダム・バー
12,32 LEDフラグ
14,16,18,22 リード
17,37 アノード・フラグ
20,30 フォトトランジスタ検出器フラグ
23,47 エミッタ・フラグ
24 長手方向軸
26,40 中央線
28 角度
45,54 LEDダイ
46,56,62,64 ボンドワイヤ
48,58 ダイ・キャップ
50,52 フォトトランジスタ・ダイ
66,68 サイドレール
70 リードフレーム・ストリップ

Claims (3)

  1. 光結合器用パッケージ・リードフレーム(10)であって、
    所定フットプリント内に構成された複数のリード(14,16,18,22、34,36,38,44)と、
    半導体ダイ(50,45及び52,54)を各々のフラグに取り付けるための、第1フラグ(20)および第2フラグ(12)の第1の対(48)と、第1フラグ(30)および第2フラグ(32)の第2の対(58)であって、前記第1フラグおよび第2フラグの対(48,58)は共通の中央線(26,40)を有し且つ前記リードフレーム内で向かい合って配置され前記第1の対(48)の前記第1フラグ(20)は前記複数のリードの第1リード(18)に結合され、前記第1の対(48)の前記第2フラグ(12)は前記複数のリードの第2リード(14)に結合され、前記第2の対(58)の前記第1フラグ(30)は前記複数のリードの第3リード(38)に結合され、前記第2の対(58)の前記第2フラグ(32)は前記複数のリードの第4リード(34)に結合され、前記共通中央線(26,40)は前記リードフレームを二分する長手方向軸(24)と90度より小さい所定角度(28,42)を形成前記所定角度(28,42)は、前記リードフレームのクリティカルパス長対前記リードフレームの幅の比(リードフレームのクリティカルパス長/リードフレームの幅)のアークサインから決定される、第1フラグ(20,30)および第2フラグ(12,32)の対(48,58)と、
    前記半導体ダイの各々を被覆するが、前記複数のリードの内のいくつか(16,22,36,44)のいかなる部分とも接触していない、それぞれのキャップ(48,58)とを備える、ことを特徴とする光結合器用パッケージ・リードフレーム。
  2. 請求項1に記載された光結合器用パッケージ・リードフレーム(10)において、
    前記光結合器用パッケージ・リードフレームは、さらに、
    複数のワイヤボンド(46,62,56,64)であって、それぞれのワイヤボンドは所定のダイを前記複数のリードのうちの所定の1つに連結し、それぞれのワイヤボンドの一部は前記それぞれのキャップで被覆されていない、複数のワイヤボンドを備える、ことを特徴とする光結合器用パッケージ・リードフレーム。
  3. 光結合器用パッケージ・リードフレームの製造方法であって、
    複数のリード(14,16,18,22,34,36,38,44)を有するリードフレーム・フットプリントを選択する段階と、
    前記リードフレームを二分する前記リードフレーム・フットプリントの長手方向軸(24)を決定する段階と、
    第1の共通中央線(26)に沿って、第1ダイ取り付けフラグ(20)および第2ダイ取り付けフラグ(12)を配置する段階と、
    第2の共通中央線(40)に沿って、第3ダイ取り付けフラグ(30)および第4ダイ取り付けフラグ(32)を配置する段階と、
    前記リードフレームのクリティカルパス長対前記リードフレームの幅の比(リードフレームのクリティカルパス長/リードフレームの幅)のアークサインを算出することにより、90度より小さい所定角度(28,42)を算出する段階と、
    前記第1の中央線と前記長手方向線との間と、前記第2の中央線と前記長手方向線との間とに、90度より小さい前記所定角(28,42)を形成する段階と、
    前記第1ダイ取り付けフラグ(20)および第2ダイ取り付けフラグ(12)を、前記リードフレーム内に90度より小さい前記所定角度(28)で配置する段階と、
    前記第3ダイ取り付けフラグ(30)および第4ダイ取り付けフラグ(32)を、前記リードフレーム内に90度より小さい前記所定角度(42)で配置する段階と、
    前記第1ダイ取り付けフラグ(20)を前記複数のリードの第1リード(18)に結合する段階と、
    前記第2ダイ取り付けフラグ(12)を前記複数のリードの第2リード(14)に結合する段階と、
    前記第3ダイ取り付けフラグ(30)を前記複数のリードの第3リード(38)に結合する段階と、
    前記第4ダイ取り付けフラグ(32)を前記複数のリードの第4リード(34)に結合する段階と、
    複数のワイヤボンド・フラグ(23,17,47,37)を用意する段階であって、前記複数のワイヤボンド・フラグの第1ワイヤボンド・フラグ(23)を前記複数のリードの第5リード(22)に結合し、前記複数のワイヤボンド・フラグの第2ワイヤボンドフラグ(17)を前記複数のリードの第6リード(16)に結合し、前記複数のワイヤボンド・フラグの第3ワイヤボンド・フラグ(47)を前記複数のリードの第7リード(44)に結合し、前記複数のワイヤボンド・フラグの第4ワイヤボンドフラグ(37)を前記複数のリードの第8リード(36)に結合する段階と、
    前記複数のワイヤボンド・フラグ(23,17,47,37)を覆うことなしに、前記第1ダイ及び前記第2ダイを第1成形キャップで被覆し、前記第3ダイ及び前記第4ダイを第2成形キャップで被覆する段階と、から成ることを特徴とする方法。
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