JP3816114B2 - 光結合装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、発光素子及び受光素子を備えた光結合装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の光結合装置は、図10の如く、個別の金属リードフレーム1,2の先端に、赤外発光ダイオード等の発光素子3と、フォトトランジスタ等の受光素子4とをそれぞれ銀ペースト等にてダイボンドされ、前記両素子3,4はAuワイヤー等のボンディングワイヤーにてワイヤボンドが施され、光学的に結合するよう対向配置されている。
【0003】
そして、前記両素子3,4は、素子保護及び光外部量子効率の向上のため、シリコン樹脂,エポキシ樹脂等の透光性樹脂5による一次モールドが施され、さらに一次モールド体の外周部に、前記金属リードフレーム1,2の保護と外乱光の侵入を遮蔽するため、エポキシ樹脂等の遮光性樹脂6にて二次モールドがなされている。
【0004】
このような構造からなる光結合装置では、発光素子3と受光素子4との間隔が比較的大きいために光の損出があり、光結合装置を低電流で駆動することが困難であるという欠点があった。
【0005】
上記欠点を解決するものとして、特開昭59−103387号のホトカプラがある。該フォトカプラは、図11の如く、受光素子4上に発光素子3を積層し、両素子3,4間をガラス等の透明絶縁層7により電気的に絶縁させることで、発光素子3と受光素子4との間隔を狭くとり、光伝達効率を向上させている。
【0006】
また、上記ホトカプラは、両素子3,4間の絶縁耐圧が、透明絶縁層7の厚みにより設定でき、十分高い値を得ることが可能であった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記フォトカプラは、前記透明絶縁層7と前記発光素子3及び受光素子4を覆う封止樹脂とが化学結合をしておらず、両者間に界面が生じている。このため、該界面の長さDが発光素子3と受光素子4との間の沿面距離となり、非常に短くなる。そして、これら沿面の界面には、外部からの汚れや水分が侵入しやすく、その汚れや水分によりイオン伝導が発生する。この現象は、沿面距離が短いほど長時間動作時に電気的絶縁不良が起こる原因となる。
【0008】
また、前記透明絶縁層7と封止樹脂との界面が、温度変化等により剥離することがある。このとき、受光素子4と発光素子3の距離が短いために、剥離した界面で放電が起こり易い状態となり、絶縁耐圧が極端に低下する。尚、絶縁耐圧は光結合装置(フォトカプラ)において、不可欠なものである。
【0009】
さらに、前記発光素子3は底面からだけではなく側面からも光を出射するが、発光素子3、受光素子4および透明絶縁層7をそのまま遮光性樹脂にて封止すると、発光素子3側面は遮光性樹脂にて覆われ、該側面からの出射光は遮光性樹脂によって吸収され受光素子4の受光面に達することがない。このため、発光素子3側面からの出射光を無駄にしていた。
【0010】
本発明は、上記問題点に鑑み、発光素子及び受光素子間での光の伝達効率を向上させ、且つ絶縁耐圧を高めることができるとともに、長時間動作時の絶縁不良および温度変化等による剥離を防止し、安定した動作が可能となる光結合装置の提供を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の光結合装置は、発光素子と受光素子とが厚み方向に積層され、該発光素子及び受光素子が熱硬化性の遮光性樹脂にて封止された光結合装置において、前記発光素子の発光面と受光素子の受光面との間に、前記遮光性樹脂とその界面において重合反応した熱硬化性の透光性樹脂絶縁層を介層してなり、上記受光素子の受光面と対向する上記発光素子の面を除いて、上記発光素子と上記遮光性樹脂との間に、遮光性樹脂、透光性樹脂絶縁層とその界面において重合反応した熱硬化性の光散乱性樹脂を介在してなり、前記界面が実質的に存在しないことを特徴とするものである。
【0012】
【作用】
上記構成によれば、本発明の請求項1記載の光結合装置は、発光素子の発光面と受光素子の受光面との間に透光性樹脂絶縁層を介して光結合させているので、両素子間の間隔を狭めることができ、光伝達効率の向上が図れる。また、前記透光性樹脂絶縁層と前記発光素子及び受光素子を封止している遮光性樹脂とが重合反応をしていることから、沿面距離を短縮させる該透光性樹脂絶縁層と遮光性樹脂間の界面がなく、長時間動作後での電気的絶縁不良及び温度変化等により生ずる剥離による絶縁耐圧の低下を抑えることが可能となる。さらに、両素子間の絶縁耐圧は、前記透光性樹脂絶縁層の厚みによって設定できるため、絶縁限界までの絶縁耐圧を安定して確保でき、設定が容易であり絶縁耐圧を向上できる。
【0013】
また、発光素子から遮光性樹脂側に発する出射光を光散乱性樹脂にて散乱させ、受光素子側に拡散することができる。これによって、従来、遮光性樹脂にて吸収されていた光を受光素子の受光面で受光することが可能となり、光伝達効率をさらに向上できる。また、遮光性樹脂、透光性樹脂絶縁層と光散乱性樹脂とが重合反応をしていることから、遮光性樹脂と光散乱性樹脂間および透光性樹脂絶縁層と光散乱性樹脂間の界面がなく、上記同様、電気的絶縁不良及び剥離による絶縁耐圧の低下を抑えることが可能となる。
【0014】
【実施例】
図1は、本発明の第一実施例を示す図であり、同図(a)は平面図であり、同図(b)は正面断面図である。
【0015】
本実施例の光結合装置は、図1の如く、表面に導体配線及び凹部を有する絶縁ケース基板11の該凹部に、フォトダイオード等の受光素子12を受光素子搭載用電極部13aを介して銀ペースト等にてダイボンドされ、さらに、前記受光素子12の受光面上に、エポキシ樹脂,ポリイミド樹脂等の熱硬化性の透光性樹脂絶縁層14を介して発光ダイオード等の発光素子15が搭載されている。
【0016】
前記透光性樹脂絶縁層14を具体的に説明すると、例えば酸無水物系硬化剤またはアミン系硬化剤を使用し、シリカの充填剤を重量比40〜60%混入したエポキシ樹脂とする。また、厚さは0.1〜0.2mm程度とし、この厚さで数キロボルトの電気絶縁性をもたせることができる。
【0017】
ここで、前記透光性樹脂絶縁層14の厚さを増加または減少させることで、受発光素子間の光伝達効率を制御することが可能である。しかしながら、光伝達効率と電気絶縁性とは反比例(厚みを、薄くすると光伝達効率は上がるが、電気絶縁性が下がる。逆に、厚くすると光伝達効率は下がるが、電気絶縁性が上がる。)するため、双方を考慮して厚みを設定することが必要である。本実施例では、絶縁限界までの絶縁耐圧を確保させ、光伝達効率を上げている。
【0018】
前記発光素子15、受光素子12及び透光性樹脂絶縁層14の接着は、例えば図2の如く、該透光性樹脂絶縁層14の表裏面に粘着層16,17を構成し、粘着性を持たせたことで前記発光素子15を透光性樹脂絶縁層14を介して受光素子12上に固定する方法を用いる。例えば、図3(a)に示すように、発光素子ウェハー18に薄板状の透光性樹脂絶縁層14を粘着層16にて貼り付け、さらにウェハー固定シート19を粘着層17にて貼り付け、これらを図3(b)に示すように、ダイシングにより多分割し、次に図3(c)に示すような透光性樹脂絶縁層14と一体となった発光素子15を、受光素子の受光面上に搭載して固定する。すなわち、ここでは前記発光素子及び受光素子間に、前記透光性樹脂絶縁層を介層し、仮止めのみを行うものであり、熱硬化工程は行なわない。
【0019】
図1(a)の如く、前記発光素子15及び受光素子12を前記絶縁ケース11の凹部に搭載した後、前記発光素子15の電極部20,21及び受光素子12の電極部22は、それぞれ前記絶縁ケース11に設けられた電極部13b,13c,13dとボンディングワイヤー23により電気的に接続される。その後、図1(b)の如く、前記絶縁ケース11の凹部には、受光素子12への外乱光の遮断及び両素子12,15を保護するために、エポキシ樹脂,ポリイミド樹脂等の熱硬化性の遮光性樹脂24が注入される。該遮光性樹脂24の量は、両素子12,15が充分覆われる程度とする。前記遮光性樹脂24を具体的に説明すると、例えば、可視域から赤外域において、厚み0.15mmで透過率10%以下を示すような液状のエポキシ樹脂とする。
【0020】
次に、これら全体を100℃〜200℃に加熱して、前記遮光性樹脂24及び透光性樹脂絶縁層14のそれぞれに硬化反応を起こさせ、さらに、前記遮光性樹脂24と透光性樹脂絶縁層14との境界に重合反応を起こさせ、光結合装置が構成される。該重合反応により、遮光性樹脂24と透光性樹脂絶縁層14との界面はなくなる。
【0021】
前記透光性樹脂絶縁層14及び遮光性樹脂24はエポキシ樹脂同志、ポリイミド樹脂同志又はエポキシ樹脂とポリイミド樹脂の組み合わせのように、共に熱硬化性であれば上述のように重合反応するが、さらに、前記透光性樹脂絶縁層14及び遮光性樹脂15を同一の樹脂(例えば、エポキシ樹脂−エポキシ樹脂,ポリイミド樹脂−ポリイミド樹脂)とすることが、重合反応し易く確実であるため望ましい。
【0022】
上記構成の光結合装置によれば、透光性樹脂絶縁層14を発光素子15と受光素子12間に介在することで、両素子15,12間の絶縁耐圧および光伝達効率は得られる。そこで得られる絶縁耐圧および光伝達効率は、搭載される前記透光性樹脂絶縁層14の厚みにより決まる。
【0023】
また、遮光性樹脂24と透光性樹脂絶縁層14とが重合反応をすることから、該遮光性樹脂24と透光性樹脂絶縁層14間の界面がなくなり、長時間動作後での電気的絶縁不良及び温度変化等により生ずる剥離による絶縁耐圧の低下を防止することができる。
【0024】
図4は、本発明の他の実施例を示す図であり、同図(a)は断面図であり、同図(b)は樹脂封止前の斜視図である。
【0025】
本実施例は、図示の如く、上記実施例における絶縁ケース基板の代わりに金属性のリードフレーム25a,25b,25c,25dを用い、該リードフレーム25aの電極部26a上に受光素子12、透光性樹脂絶縁層14、発光素子15を順次積層したものである。さらに、本実施例においても、上記実施例と同様に、前記透光性樹脂絶縁層14と前記発光素子15及び受光素子12を封止する遮光性樹脂24に硬化,重合反応を起こさせ光結合装置が構成される。
【0026】
前記透光性樹脂絶縁層14(例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等)及び遮光性樹脂24(例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等)は、上記同様、共に熱硬化性であれば上述のように重合反応するが、さらに、前記透光性樹脂絶縁層14及び遮光性樹脂24を同一の樹脂とすることが、重合反応し易く確実であるので望ましい。
【0027】
前記受光素子12、透光性樹脂絶縁層14、発光素子15の積層工程では、受光素子12及び発光素子15間に透光性樹脂絶縁層14を介層し、仮止めのみを行うものである。例えば、発光素子ウエハーとシート状の透光性樹脂絶縁層14を貼り合せ、該ウエハーと絶縁層を一体化した後ダイシングしてチップ化を行い、受光素子ウエハーの受光領域上にダイボンドする。次に、ダイシングにより受光素子12、透光性樹脂絶縁層14、発光素子15が一体となったチップを形成し、前記電極部25a上に銀ペースト等で搭載する。
【0028】
また、前記発光素子15の電極部(図示せず)及び受光素子12の電極部(図示せず)は、それぞれ前記リードフレーム25b,25c,25dに設けられた電極部26b,26c,26dとボンディングワイヤー23により電気的結線がされている。さらに、外乱光の遮断及び両素子12,15の保護を目的として、前記リードフレーム25a,25b,25c,25dの一部を除く部分に成形等により遮光性樹脂24にてモールドされている。
【0029】
このように、本実施例においても上記実施例と同様に、発光素子15と受光素子12間に透光性樹脂絶縁層14を介在したので、両素子15,12間の絶縁耐圧および光伝達効率は得られ、また、前記透光性樹脂絶縁層14と遮光性樹脂24とが重合反応することから、電気的絶縁不良及び剥離による絶縁耐圧の低下を防止することができる。
【0030】
図5は、本発明のさらに他の実施例を示す図であり、同図(a)は斜視図であり、同図(b)は正面断面図である。
【0031】
本実施例は、図示の如く、表面側と裏面側とに導体配線30を有し、側面に前記表裏導体配線を接続するスルーホール31を有するガラスエポキシ等からなるプリント基板32上に、受光素子12、透光性樹脂絶縁層14、発光素子15が順次積み上げられ、前記プリント基板32のスルーホール31上には樹脂流れ止め枠33が設けられ、前記受光素子12、透光性樹脂絶縁層14、発光素子15が遮光性樹脂24にて封止されてなる構成である。
【0032】
前記透光性樹脂絶縁層14(例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等)及び遮光性樹脂(例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等)24は、上記同様、共に熱硬化性であれば上述のように重合反応するが、さらに、前記透光性樹脂絶縁層14及び遮光性樹脂24を同一の樹脂とすることが、重合反応し易く確実であるので望ましい。
【0033】
以下に、本実施例の光結合装置の製造工程を図6,図7に従って説明する。
【0034】
まず、多数個成形分の1枚のプリント基板32′に、表裏導体配線および該表裏導体配線を接続するスルーホール31を形成し、前記表側導体配線における受光素子搭載用導体部30′に銀ペースト等にて受光素子12がダイボンドされる。続いて、前記受光素子12の受光面上に透光性樹脂絶縁層14が、該透光性樹脂絶縁層14上に発光素子15が、それぞれエポキシ系樹脂等を主成分とするダイボンド用接着剤で且つ光透過性と電気絶縁性を有するものを用いて固定される。
次に、前記受光素子12、透光性樹脂絶縁層14、発光素子15を遮光性樹脂24にて封止する。該封止の際に、図6(a)の如く、樹脂流れを防止する樹脂流れ止め枠33′を耐熱性両面テープ34等で前記プリント基板32′上に貼り合わせる。ここで、前記樹脂流れ止め枠33′を受光素子類等の搭載前に貼り合わせておいても差し支えない。前記樹脂流れ止め枠33′は、例えばガラスエポキシ基板からなり、前記受光素子12、透光性樹脂絶縁層14、発光素子15が順次積み上げられた高さよりも高くなる程度の厚みを有し、幅と長さが前記プリント基板32′と同サイズとされ、前記プリント基板32′表面端部とスルーホール31上を覆うように形成されている。前記樹脂流れ止め枠33′を貼り合わせた後に、液状の遮光性樹脂24が受光素子12、透光性樹脂絶縁層14、発光素子15を充分覆う程度に注入され、続いてこれら全体を100〜200度に加熱して透光性樹脂絶縁層14および遮光性樹脂24のそれぞれに硬化反応を起こさせるとともに、透光性樹脂絶縁層14と遮光性樹脂24との間に重合反応を起こさせる。
【0035】
前記透光性樹脂絶縁層14(例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等)及び遮光性樹脂(例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等)24は、上記同様、共に熱硬化性であれば上述のように重合反応するが、さらに、前記透光性樹脂絶縁層14及び遮光性樹脂24を同一の樹脂とすることが、重合反応し易く確実であるので望ましい。
【0036】
樹脂硬化後、図6(b)の如く、プリント基板32′のスルーホール部分A−A′とそれらに直交するB−B′部分を、ダイシング等の方法で切断し個々の光結合装置が得られる。
【0037】
上記製造方法によれば、1枚のプリント基板32′上に例えば数百個の光結合装置を一括で組み立てることが可能となり、生産工程が大幅に改善できる。
【0038】
尚、本実施例による作用、効果は上記実施例と同様であるため、省略する。
【0039】
本実施例において、図8に示すように、プリント基板32′の表側導体配線30aにおける内部回路部分幅d2〜d4を入力および出力端子対幅d1よりも内側に狭くすることにより、内部回路部分の外側に間隔d5およびd6(0.5〜1.0mm)が確保され、内部回路と光結合装置外部との間に充分な絶縁材料(遮光性樹脂)厚みが確保することができる。
【0040】
図9は、本発明の第二実施例を示す図であり、同図(a)は斜視図であり、同図(b)は正面断面図である。本実施例について、図1、図4または図5に示す上記第一実施例と相異する点のみ説明する。
【0041】
本実施例の光結合装置は、例えば図9の如く、上記第一実施例において、発光素子15と遮光性樹脂24との間に、遮光性樹脂24、透光性樹脂絶縁層14と重合反応する光散乱性樹脂35を介在してなる構成である。
【0042】
該光散乱性樹脂35は、例えばエポキシ系樹脂からなり、シリカ等が重量比40〜70%混入され、可視から赤外領域において、厚み0.15mmで30〜70%の透過率と、発光素子15の光を散乱させる性質を有し、主に発光素子1側面から出射された光を光散乱性樹脂35にて散乱させて受光素子12側に拡散し、受光面へ導く機能を有している。
【0043】
本実施例の製造方法は、上記第一実施例において、遮光性樹脂注入工程の前に発光素子15を光散乱性樹脂35にて被覆する工程が付加するのみである。
【0044】
上記構成によって、前記発光素子15から遮光性樹脂24側に発する出射光を光散乱性樹脂35にて散乱させ受光素子12側に拡散することができる。これによって、従来、遮光性樹脂にて吸収されていた光を受光素子12の受光面で受光することが可能となり、光伝達効率をさらに向上できる。この光伝達効率は、上記第一実施例と比較して20〜30%向上できる。また、遮光性樹脂24、透光性樹脂絶縁層14と光散乱性樹脂35とが重合反応をしていることから、遮光性樹脂24と光散乱性樹脂35間および透光性樹脂絶縁層14と光散乱性樹脂間35の界面がなく、上記第一実施例同様、電気的絶縁不良及び剥離による絶縁耐圧の低下を抑えることが可能となる。
【0045】
また、本実施例において、前記透光性樹脂絶縁層14の表面積を、発光素子15の低面積の2〜4倍に相当する面積とすることで、安定して発光素子15を光散乱性樹脂35にて被覆することが可能となる。さらに、前記光散乱性樹脂35をドーム状とすることにより、効率よく受光素子12の受光面側へ反射させることができる。
【0046】
尚、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で、上記実施例に多くの修正及び変更を加え得ることは勿論である。
【0047】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項1記載の光結合装置は、発光素子の発光面と受光素子の受光面との間に透光性樹脂絶縁層を設けたので、両素子間の間隔が狭まり光伝達効率が向上されるとともに、絶縁耐圧が向上される。従って、光結合装置の高出力化及び低電流駆動化が可能である。さらに、両素子の縮小が可能となり、低コスト化、高速化できる。
【0048】
また、透光性樹脂絶縁層と遮光性樹脂とは重合反応していることから、両樹脂間に界面がなくなり、電気的絶縁不良及び剥離による絶縁耐圧の低下が防止される。従って、より信頼性の高い光結合装置が提供される。
【0049】
さらに、発光素子と受光素子を積層化しているため、実装面積を小さくでき、より小型、薄型の光結合装置の提供が可能となる。
【0050】
本発明の請求項2記載の光結合装置は、発光素子から遮光性樹脂側に発する出射光を光散乱性樹脂にて散乱させ、受光素子側へ拡散する。これにより受光素子の受光面で受光することが可能となり、光伝達効率がさらに向上される。
【0051】
また、遮光性樹脂、透光性樹脂絶縁層と光散乱性樹脂とが重合反応をしていることから、各樹脂間に界面がなく、上記同様、電気的絶縁不良及び剥離による絶縁耐圧の低下を抑えることが可能となり、信頼性の高い光結合装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例を示す図であり、(a)は平面図であり、(b)は正面断面図である。
【図2】図1に示す受発光素子及び透光性樹脂絶縁層の積層構成図である。
【図3】図1に示す受発光素子及び透光性樹脂絶縁層の接着工程を示す図である。
【図4】本発明の他の実施例を示す図であり、(a)は断面図であり、(b)は樹脂封止前の斜視図である。
【図5】本発明の更に他の実施例を示す図であり、(a)は斜視図であり、(b)は正面断面図である。
【図6】図5に示す実施例の製造工程を説明するための図であり、(a)は樹脂流れ止め枠の貼り付け前を示す斜視図であり、(b)は樹脂硬化後を示す平面図である。
【図7】同じく、要部拡大斜視図である。
【図8】他の表側導体配線の構成を説明するための図であり、(a)は平面図であり、(b)は部分拡大図である。
【図9】本発明の第二実施例を示す図であり、(a)は斜視図であり、(b)は正面断面図である。
【図10】従来例を示す断面図である。
【図11】他の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
12 受光素子
14 透光性樹脂絶縁層
15 発光素子
24 遮光性樹脂
35 光散乱性樹脂
Claims (1)
- 発光素子と受光素子とが厚み方向に積層され、該発光素子及び受光素子が熱硬化性の遮光性樹脂にて封止された光結合装置において、
前記発光素子の発光面と受光素子の受光面との間に、前記遮光性樹脂とその界面において重合反応した熱硬化性の透光性樹脂絶縁層を介層してなり、
上記受光素子の受光面と対向する上記発光素子の面を除いて、上記発光素子と上記遮光性樹脂との間に、遮光性樹脂、透光性樹脂絶縁層とその界面において重合反応した熱硬化性の光散乱性樹脂を介在してなり、前記界面が実質的に存在しないことを特徴とする光結合装置。
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