JP4180537B2 - 光学素子の封止構造体および光結合器ならびに光学素子の封止方法 - Google Patents

光学素子の封止構造体および光結合器ならびに光学素子の封止方法 Download PDF

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Description

本発明は、光学素子が封止される光学素子の封止構造体に関する。たとえば光ファイバを伝送媒体として光信号を送受信する光通信リンクなどに用いられる光結合器の封止構造体に関する。
機器間、家庭内および自動車内での光通信を行うために、光結合器が用いられる。光結合器は、光学素子と、光ファイバとを光学的に結合させる装置である。たとえば光学素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ、Light Emitting Diode）またはフォトダイオード（ＰＤ、Photo Diode）などである。光結合器は、光学素子がモールド樹脂によって封止される封
止構造体を有する。
図１５は、第１の従来技術の封止構造体１を示す断面図である。特許文献１の図３には、第１の従来技術の封止構造体１が開示される。この封止構造体１は、リードフレーム３に光学素子２が搭載され、その光学素子２が透明な封止樹脂４で覆われる。封止樹脂４には、光学素子２の光学面５に対向する位置にレンズ部分６が形成される。
光学素子２が発光素子である場合、光学面５から出射した光は、封止樹脂４を透過する。そしてその光は、封止樹脂４のレンズ部分６によって集光されて光ファイバ７に入射する。また光学素子２が受光素子である場合、光ファイバ７から出射した光は、封止樹脂４に入射する。この光は、封止樹脂４のレンズ部分６によって集光されて、封止樹脂４を透過し、光学面５に入射する。このようにして光ファイバ７と光学素子２とが光伝達可能な状態、いわゆる光学的に結合される。
図１６は、第２の従来技術の封止構造体１０を示す断面図である。特許文献１の図１には、第２の従来技術の封止構造体１０が開示される。この封止構造体１０は、光学素子２が、フィラーを含有する封止樹脂、すなわちフィラー含有封止樹脂８によって覆われる。フィラー含有封止樹脂８は、光学素子２に入出射する光の光路領域を除いた光路外領域に形成される。また光路領域には、透光性を有するレンズ体９が設けられる。レンズ体９は、透明樹脂またはガラスによって実現される。なお、光学面５は、光学素子２のうちリードフレーム３０反対側に形成される。光学面５と光ファイバ７との間に形成される光路を進む光は、フィラー含有樹脂８に遮られることなく、レンズ体９を透過する。
また特許文献２には、第３の従来技術の封止構造体として、第２の従来技術の封止構造体１０のレンズ体９に換えて、入射面と出射面とが平坦な光透過板が用いられる技術が開示される。この光透過板は、無機質材料または有機質材料から成る。
また特許文献３には、第４の従来技術の封止構造等体として、第２の従来技術の封止構造体１０のレンズ体９に換えて、入射面と出射面とが平坦に成形される光透過性樹脂が用いられる技術が開示される。この光透過性樹脂は、熱膨張係数を調整するための無機質充填材、いわゆるフィラーが含有される。
特開２０００−１７３９４７号公報（図１，図３） 特開昭５９−１６７０３７号公報（図２（ｆ）） 特開昭６１−５１８５３号公報（図２）
第１の従来技術では、光が封止樹脂４を透過する。封止樹脂４は、フィラーが含有されることで、光学素子２の耐環境性を向上させることができる。しかしながら封止樹脂４は、フィラーの含有量が増えるとともにその光透過率が低下する。光透過率が低下すると、光ファイバ７と光学素子２との間で光伝達量が低下してしまう。したがって第１の従来技術では、封止樹脂４にフィラーを含有できないか少量のフィラーしか含有させることができない。これによって封止構造体１は、光学素子２の耐環境性の向上と光伝達率の向上との両方を満たすことができないという問題がある。このような問題は、第４の従来技術でも同様に生じる。
第２の従来技術では、レンズ体９をガラスによって実現した場合、モールド成形でレンズ体を形成することができず、光結合器を安価に製造することができないという問題がある。
また、結合荷電素子（ＣＣＤ、Charge Coupled Device）のように、数ｍｍ〜数１０ｍ
ｍ角となる比較的サイズが大きい光学素子２を用いる場合は光学面５にガラスレンズ９を配置することが可能である。しかしながら、ＬＥＤのように、数百μｍ角となるサイズが小さい光学素子２を用いると、光学面５が非常に小さいのでガラスレンズ９も非常に小さいものを使用する必要がある。
この場合、光学的に効果が得られるレンズの設計が困難であること、微小なガラスレンズ９の作製が困難であること、光学面５とガラスレンズ９との接合および位置合せが困難であることという３つの問題がある。また、光学素子２の光学面５より大きいガラスレンズ９を用いた場合、光学面５の近傍にガラスレンズ９が接合されるため、光学面５の近傍に形成される電極とリードフレーム３０とのワイヤーボンディングが困難となるという問題がある。このような問題は、第３の従来技術であっても同様に生じる。
また、レンズ体９を樹脂によって実現した場合、ＬＥＤ等のサイズが小さい光学素子２を用いる場合にはその光学面５が小さいので、レンズ体９をガラスによって実現した場合と同様の理由によって対応が困難である。さらに樹脂レンズ９を用いる場合には、レンズの耐熱性の問題から、フィラー含有封止樹脂８による封止を行った後に樹脂レンズ９を光学素子２の光学面５に接合する必要がある。
図１７は、光学素子２が搭載されたリードフレーム３を金型に装着した状態を示す。樹脂レンズ９を用いる場合には、フィラー含有封止樹脂８のモールド成形にあたって、光学素子２の光学面５にフィラー含有封止樹脂８が回り込まないようにする必要がある。このために、リードフレーム３の反りなどを考慮して、成形用金型１１の対向部分１２によって、光学素子２の光学面５を加圧する必要がある。
光学面５が加圧されると、光学面５の一部が欠けたり、光学素子２の光学特性に悪影響を与えたりするおそれがある。また、光学面５の近傍に配置されるワイヤ１３に対向部分１２が接触するおそれがある。これを防ぐためには、高精度の金型管理とリードフレーム３の変形防止との両方を達成する必要があるが、容易に行うことはできない。特にＬＥＤのようにサイズが小さい光学素子では、ワイヤ１３を保護しつつ光学面５にフィラー含有封止樹脂８が回り込まないようにすることは、非常に困難である。
したがって本発明の目的は、耐環境性に優れるとともに、小型化が可能な光学素子の封止構造体を提供することである。
本発明は、予め定める光路を通過する光を、受光または発光する光学面を有する光学素子と、
前記光学素子を搭載する搭載体と、
モールド樹脂から成ってモールド成形され、前記光路を除く領域に形成されて光学素子を封止する封止体と、
前記封止体よりも光透過率の高いモールド樹脂から成ってモールド成形され、搭載体と封止体とを内包して覆う透過体とを含み、
前記搭載体は、予め定める光路に沿って進む光が貫通する透光部を有し、
光学素子は、前記光学面が前記透光部に臨み、透光部の軸線方向一端部を塞いで搭載体に搭載されることを特徴とする光学素子の封止構造体である。
本発明に従えば、光学面が発光面である場合、光学面から出射した光は、光路を覆う透過体を通過して、搭載体の外方に向かって出射される。また光学面が受光面である場合、搭載体の外方から搭載体に向かって進む光は、光路を覆う透過体を通過して、受光面に入射する。また封止体によって光学素子を封止することによって、光学素子の破損を防ぐことができる。また封止体は、光路を除く領域に形成されることによって、透光性を有する必要がなく、封止体の選択肢を広げることができる。
光学面が発光面である場合、光学面から出射した光は、透光部を貫通して搭載体から出射する。また光学面が受光面である場合、搭載体の外方から搭載体に向かって進む光は、透光部を貫通して光学素子の光学面に入射する。封止体は、光路を除く領域に形成されることによって光の進行を遮ることがない。したがって封止体は、透光性を有する必要がない。これによって有色の封止体を用いても、透光部を通過する光の光量が低下することがなく、封止体の選択肢を広げることができる。
また光学面は、光学素子の発熱源となる。本発明では光学面は、搭載体に対向して配置されるので、光学面で生じた熱が搭載体に伝達しやすく、光学素子の放熱性を向上することができる。また光学素子のうち光学面および光学面の近傍部分は、搭載体に接触している。したがって光学素子のうち光学面および光学面の近傍部分を、封止体で封止させる必要がない。したがって光学素子が小型である場合であっても、容易に製造することができる。
また封止体としてモールド樹脂を用いることで、モールド成形によって封止構造体を製造することができる。この場合、光学素子によって搭載体の透光部の軸線方向一端部を塞いだ状態で、光学素子を搭載体に搭載する。次に、光学素子のうち搭載体に対向する表面部以外の残余の部分を、モールド樹脂によって覆って成形加工を行う。このようにして封止構造体を製造することができる。
また本発明では、封止体がモールド成形された後に、透過体がモールド成形されることとなる。透過体をモールド成形する場合には、封止体の離型剤が封止体に付着した状態で、モールド成形することとなる。本発明では、透過体が、搭載体および封止体を内包して覆うように形成されるので、透過体が封止体から剥離することを確実に防ぐことができる。また透過体が封止体および搭載体を覆うことで、水分や不純物が光学面に付着することを防ぐことができる。水分の光学面への浸入を防ぐことによって、封止構造体の耐湿性を向上することができる。
また本発明は、封止体および透過体は、トランスファモールド成形によってそれぞれ形成されることを特徴とする。
本発明に従えば、トランスファ成形を行うことによって、封止構造体の大量生産が可能となり、より安価に封止構造体を製造することができる。
また本発明は、封止体には、溶融シリカ、結晶シリカ、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ボロン、酸化亜鉛および炭化ケイ素のうち、いずれか１つまたは複数の物質が添加されることを特徴とする。
本発明に従えば、封止体は、有色であっても、光伝達率が低下することがない。したがって封止体に、光学素子の線膨張係数を設定することによって、耐熱衝撃性を向上させるための有色の添加剤が添加されても、光の伝達率が低下することがなく、熱伝導率を設定する有色の添加剤が添加されても、光の伝達率が低下することがない。また、耐衝撃性、放熱性、耐湿性、耐熱性、耐寒性、高温での安定動作性、低温状態での安定動作性、樹脂強度および難燃性のうちのいずれか１つまたは複数の性質を向上するための有色の添加剤が添加されても、光の伝達率が低下することがない。
たとえば耐環境性として、耐熱衝撃性および放熱性以外に、耐湿性、耐熱性、耐寒性、高温での安定動作性、低温状態での安定動作性、樹脂強度向上性が挙げられる。これらは、封止体がモールド樹脂である場合、フィラーと称される充填剤を封止体に含有することによって実現される。さらに金型離型性、難燃性および着色性を得るための材料が封止体に含有されてもよい。
また本発明は、光学素子に電気的に接続される接続体と、
光学素子と接続体とを電気的に接続し、封止体に封止されるワイヤとをさらに含み、
前記封止体の線膨張係数は、ワイヤまたは光学素子の線膨張係数とほぼ同等に設定されることを特徴とする。
本発明に従えば、封止体がワイヤまたは光学素子の線膨張係数とほぼ同等に設定されることによって、温度変化に起因して、光学素子またはワイヤに生じる応力を低減させることができ、光学素子またはワイヤの損傷を防止することができる。また線膨張係数を変化させるために、封止体に有色の充填剤を添加しても、透光部を通過する光が減衰しないので、透光部を通過する光の伝達率が低下することがない。
また本発明は、前記搭載体は、導電性を有する金属材料であるリードフレームであり、
光学素子は、リードフレームに搭載されることを特徴とする。
本発明に従えば、光学素子の光学面側部分をリードフレームに接着することによって、光学素子の内部を伝達せずに光学面側部分からリードフレームに熱が直接伝わる。これによって光学素子の放熱特性を改善することができる。特に光学素子が砒化ガリウム（ＧａＡｓ）である場合は熱抵抗が大きいので、光学素子の放熱性を大きく改善することができる。
また本発明は、前記搭載体は、導電性を有する金属材料であるリードフレームと、サブマウントとを含み、
光学素子は、サブマウントを介してリードフレームに搭載されることを特徴とする。
本発明に従えば、サブマウントを介することによって、直接リードフレームに光学素子を搭載した場合に生じる不具合を解消することができる。たとえば、リードフレームと光学素子との線膨張係数の差が大きい場合に、サブマウントの線膨張係数を光学素子に近づけることによって、温度変化に起因して生じる光学素子の応力を低減することができる。またリードフレームに比べて寸法精度を向上することができる。
またサブマウントを用いることによって、特殊な機能を付加することができる。たとえば透光性を有する材料によってサブマウントを実現してもよく、これによって光学面が露出することを防止することができる。またサブマウントにレンズを形成してもよく、これによって光利用効率を向上することができる。また光学素子の電極と電気的に結合する電極を形成してもよく、これによって特別な光学素子を用いる必要がない。
また本発明は、光学素子は、導電性接着材によって搭載体に固定されることを特徴とする。
本発明に従えば、導電性を有する接着材料によって、光学素子と搭載体とが接着される。これによって搭載体に対する光学素子の接着と電気的接続とを１つの動作で行うことができる。
また本発明は、接着材料は、銀ペーストまたはハンダペーストであることを特徴とする。
本発明に従えば、接着剤として、銀ペーストまたははんだペーストを用いることで、リードフレームと光学素子との線膨張係数の差を吸収できることができる。
また本発明は、前記透過体は、光ファイバの端部に形成されるプラグが嵌合する嵌合部が形成されることを特徴とする。
本発明に従えば、光ファイバのプラグを嵌合部に嵌合させるだけで、光ファイバを光学素子に対向する位置に案内することができ、利便性を向上することができる。
また本発明は、前記搭載体の透光部は、光学素子の光学面に向かうにつれて光路を絞る集光部分が形成されることを特徴する。
本発明に従えば、光学面が光を発光する場合、集光部分によって封止構造体から出射する光の拡散を抑えることができる。また光学面が光を受光する場合、集光部分によって光を集光して、光学面に入射する光の光量を増やすことができる。これによって簡単な構成でかつ小型の光学系によって、光利用効率を向上することができる。
また本発明は、前記透光部は、光路に沿って延びる開口を形成し、光学面から遠ざかるにつれて内周径が拡径して形成され、その内周面が高い光反射率を有することを特徴とする。
本発明に従えば、搭載体に入射する光の光径が光学面よりも大きい場合、光学面に入射する光は、内周面で光が反射することによって、光学面に入射する光の光量を増やすことができる。また光学面から出射する光の拡散する角度が大きい場合、搭載体から出射する光は、内周面で光が反射することによって、搭載体から拡散する光の角度を小さくすることができる。
また本発明は、透光部の内周面には、メッキ処理が施されることを特徴とする。
本発明に従えば、メッキ処理を施すことで、透光部の内周面の光反射率を高くすることができる。
また本発明は、透光部の直径が、光学素子の光学面直径の１．１倍以上１．６倍以下に形成されることを特徴とする。
本発明に従えば、光学素子の配置がずれたとしても、光学素子の光学面が、搭載体の透光部によって遮蔽されることを防ぐことができる。また光学素子が発光素子である場合、透光部の内周面で集光させた光の光径が不所望に大きくなることを防ぎ、光ファイバへ向けて出射光を容易に集光させることができる。
また本発明は、前記光学素子は、発光ダイオード、半導体レーザおよびフォトダイオードのうちのいずれか１つであることを特徴とする。
本発明に従えば、光学素子が発光ダイオード、半導体レーザおよびフォトダイオードのうちのいずれかのような小型素子である場合であっても、光学素子を搭載体に搭載した状態で、光学素子を封止体によって封止することができる。
また本発明は、前記光学素子の封止構造体を有し、光伝達媒体と光的に結合可能な光結合器である。
本発明に従えば、上述した封止構造体を光結合器が備えることによって、耐環境性に優れるとともに、小型化が可能な光結合器を形成することができる。
また本発明は、受光または発光する光学面を有する光学素子を、搭載体に搭載し、搭載体に搭載される光学素子をモールド樹脂によって封止する光学素子の封止方法であって、
搭載体に、予め定める光路に沿って進む光が貫通する透光部を形成する透光部形成工程と、
光学面を透光部に臨ませ、光学素子によって透光部の軸線方向一端部を塞いだ状態で、光学素子を搭載体に搭載する半導体搭載工程と、
光学素子が搭載される搭載体を第１の金型に装着し、第１の金型によって透光部の軸線方向他端部を塞いだ状態で、溶融シリカ、結晶シリカ、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ボロン、酸化亜鉛および炭化ケイ素のうち、いずれか１つまたは複数の充填材を添加した封止用モールド樹脂を第１の金型内に注入する封止用モールド樹脂成形工程と、
第１の金型から封止用モールド樹脂が付着した搭載体を取り出して、その搭載体を第２の金型に装着し、第２の金型によって搭載体および封止用モールド樹脂を覆った状態で、封止用モールド樹脂よりも光透過率が高い透過性モールド樹脂を第２の金型内に注入して、封止用モールド樹脂と搭載体とを内包するように透過性モールド樹脂で覆う透過用モールド樹脂成形工程とを有することを特徴とする光学素子の封止方法である。
本発明に従えば、透光部形成工程によって透光部を形成した後、透光部の軸線方向一端部を光学素子によって塞いだ状態で、搭載体に光学素子を搭載する。次に、封止用モールド樹脂を金型内に注入して封止体を形成する。これによって封止用モールド樹脂が光学面およびその近傍に進入することを防ぐことができる。また封止用モールド樹脂は光路から除いた領域に形成することによって、線膨張係数を設定して、耐熱衝撃性を向上させるための添加材を含有した有色の封止用モールド樹脂によって光学素子を封止しても、光伝達率の低下を防ぐことができ、また、耐衝撃性、放熱性、耐湿性、耐熱性、耐寒性、高温での安定動作性、低温状態での安定動作性、樹脂強度および難燃性のうちのいずれか１つまたは複数の性質を向上するための有色の添加剤を含有した有色の封止用モールド樹脂によって光学素子を封止しても、光伝達率の低下を防ぐことができる。
また封止体によって光学素子を封止する場合、搭載体に搭載した光学素子の周囲を覆うように封止用モールド樹脂を注入するだけでよく、金型を光学素子の光学面に接触させる必要がない。これによって金型を高精度に管理する必要がない。また光学素子が損傷することを防ぐことができる。これによって光学素子が小型であっても、封止体によって光学素子を容易に封止することができる。
本発明によれば、封止体によって光学素子を封止することによって、光学素子の破損を防ぐことができる。また封止体は、光路を除く領域に形成されることによって、透光性を有する必要がなく、封止体の選択肢を広げることができる。また透過体が、搭載体および封止体を内包して覆うように形成されるので、透過体が封止体から剥離することを確実に防ぐことができる。また透過体が封止体および搭載体を覆うことで、水分や不純物が、光学面に付着することを防ぐことができる。水分の光学面への浸入を防ぐことによって、封止構造体の耐湿性を向上することができる。
また有色の封止体を用いても、透光部を通過する光の光量が低下することがなく、封止体の選択肢を広げることができる。また光学面が搭載体に対向して配置されることによって、光学面で生じた熱が搭載体に伝わりやすく、光学素子の放熱性を向上することができる。これによって光学素子の故障を低減することができる。また光学素子のうち光学面および光学面の近傍部分は、搭載体に接触している。したがって光学素子のうち光学面および光学面の近傍部分を、封止体で封止させる必要がない。したがって光学素子が小型である場合であっても、容易に製造することができる。
また封止体としてモールド樹脂を用いて、モールド成形によって封止構造体を製造することができる。この場合、光学素子によって搭載体の透光部の軸線方向一端部を塞いだ後で、モールド樹脂による成形加工を行うことで、モールド樹脂が光学面および光路に浸入することを防ぐことができる。また光学素子のうち搭載体に対向する表面部以外の残余の部分を、モールド樹脂によって覆って成形加工を行うことで、光学素子と金型とを接触させる必要がない。これによって金型の精度管理を厳密に行わなくても、光学素子が成形時に破損することを防ぎ、不良品を低減して容易に形成することができる。特に、金型と光学素子とを接触させる必要がないので、光学素子が小型であっても、安易な製造方法を用いて封止構造体を製造することができる。
また本発明によれば、トランスファ成形を行うことによって、封止構造体の大量生産が可能となり、より安価に封止構造体を製造することができる。また封止構造体の大量生産が可能となり、より安価に封止構造体を製造することができる。
また本発明によれば、耐環境性を向上するために有色の添加剤を封止体に添加しても、光の伝達率が低下することがない。したがって耐環境性の向上と、光の伝達率の維持とを両立することができ、品質を向上することができる。
また本発明によれば、光の伝達率を低下することなく、光学素子またはワイヤに生じる応力を低減させることができる。これによって光の伝達率を維持したうえで、光学素子またはワイヤの破損を防ぐことができ、封止構造体の信頼性を向上することができる。
また本発明によれば、封止体をモールド成形によって形成すると、搭載体のうち、光学素子に対して反対側の表面部全面を金型の内面に接触させることができ、金型を複雑な形状にする必要がない。したがって簡単に封止体を形成することができる。また搭載体のうち、光学素子に対して反対側の表面部にモールド樹脂が回り込むことが防がれ、光路にモールド樹脂が浸入することを防ぐことができる。
また本発明によれば、光学素子の光学面側部分をリードフレームに接着することによって、光学素子の内部を伝達せずに光学面側部分からリードフレームに熱が直接伝わる。これによって光学素子の放熱特性を改善することができる。
また本発明によれば、サブマウントを介することによって、直接リードフレームに光学素子を搭載した場合に生じる不具合を解消することができる。たとえば、温度変化に起因して生じる光学素子の応力を低減することができる。またリードフレームに比べて寸法精度を向上することができる。
また本発明によれば、導電性を有する接着材料によって、光学素子と搭載体とが接着される。これによって搭載体に対する光学素子の接着と電気的接続とを１つの動作で行うことができる。
また本発明によれば、接着剤として、銀ペーストまたははんだペーストを用いることで、リードフレームと光学素子との線膨張係数の差を吸収できることができる。
また本発明によれば、光ファイバのプラグを嵌合部に嵌合させるだけで、光ファイバを光学素子に対向する位置に案内することができ、利便性を向上することができる。
また本発明によれば、搭載体の集光部分によって光路に沿って進行する光を屈曲することで、簡単な構成でかつ小型の光学系によって、光利用効率を向上することができる。
また本発明によれば、集光機能を得るために、透光部に内周径が光学面から遠ざかるにつれて拡径する開口を形成するだけでよい。透光部は、エッチングやプレス加工などによって形成することができる。すなわちリードフレームのパターンニング加工とともに形成することができ、別途新たな工程を必要としない。これによって価格を増大させることなく、低コストで封止構造体に集光機能を付加することができる。
また本発明によれば、メッキ処理を施すことで、透光部の内周面の光反射率を高くすることができる。
また本発明によれば、光学素子の配置がずれたとしても、光学素子の光学面が、搭載体の透光部によって遮蔽されることを防ぐことができる。また光学素子が発光素子である場合、透光部の内周面で集光させた光の光径が不所望に大きくなることを防ぎ、光ファイバへ向けて出射光を容易に集光させることができる。
また本発明によれば、光学素子が発光ダイオード、半導体レーザおよびフォトダイオードのうちのいずれかのような小型素子である場合であっても、光学素子を搭載体に搭載した状態で、光学素子を封止体によって封止することができる。
また本発明によれば、上述した封止構造体を光結合器が備えることによって、耐環境性に優れるとともに、小型化が可能な光結合器を形成することができる。
また本発明によれば、透光部形成工程によって透光部を形成した後、透光部の軸線方向一端部を光学素子によって塞いだ状態で、搭載体に光学素子を搭載する。次に、封止用モールド樹脂を金型内に注入して封止体を形成する。これによって封止用モールド樹脂が光学面およびその近傍に進入することを防ぐことができる。また封止用モールド樹脂は光路から除いた領域に形成することによって、耐環境性を向上するための添加材を含有した有色の封止用モールド樹脂によって光学素子を封止しても、光伝達率の低下を防ぐことができる。
また封止体によって光学素子を封止する場合、搭載体に搭載した光学素子の周囲を覆うように封止用モールド樹脂を注入するだけでよく、金型を光学素子の光学面に接触させる必要がない。これによって金型を高精度に管理する必要がない。また光学素子が損傷することを防ぐことができる。これによって光学素子が小型であっても、封止体によって光学素子を容易に封止することができる。
さらに透過用モールド樹脂成形工程を行うことで、封止用モールド樹脂と搭載体をモールド樹脂で覆うことができる。これによって透過体が封止体から剥離することを防ぐことができる。また透過体が封止体および搭載体を覆うことで、水分や不純物が、光学面に付着することを防ぐことができる。水分の光学面への浸入を防ぐことによって、封止構造体の耐湿性を向上することができる。
図１は、本発明の実施の第１形態である封止構造体２０を示す断面図であり、図２は、封止構造体２０を備える光結合器２１を示す断面図である。光結合器２１は、光通信を行うために、光学素子２２と光ファイバ２３とを光伝達可能に接続する、いわゆる光学的に結合させる装置である。光学素子２２は、光学機能を有する半導体であって、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ、Light Emitting Diode）などの発光素子およびフォトダイオード（ＰＤ、Photo Diode）などの受光素子である。
光ファイバ２３は、可撓性を有して長尺状に形成されるケーブルである。光ファイバ２３は、一端部から他端部に向けて光を伝達する光伝達媒体となる。すなわち光ファイバ２３の一端部から入射した光は、光ファイバ２３内を通過し、光ファイバ２３の他端部から出射する。光ファイバ２３の一端部の外周部分２４は、プラグ２５によって覆われる。プラグ２５は、光結合器２１に結合するための結合部となる。
光結合器２１は、プラグ２５が着脱自在に嵌合するコネクタ部２６が形成される。プラグ２５がコネクタ部２６に嵌合した状態では、光ファイバ２３の一端面２７が光学素子２２と対向した位置に配置される。すなわちコネクタ部２６にプラグ２５が接続されると、光ファイバ２３は、光学素子２２に対して位置合せされた状態となる。
光結合器２１は、光学素子２２を封止体２９によって封止した封止構造体２０を有する。封止構造体２０は、光学素子２２を保護する。封止構造体２０とコネクタ部２６とは、一体に固定される。コネクタ部２６に光ファイバ２３を嵌合することで、光ファイバ２３と光学素子２２との位置ずれを防ぐことができる。また光ファイバ２３と光学素子２２との位置合せを容易に行うことができる。
図１に示すように、封止構造体２０は、光学素子２２と、リードフレーム３０と、封止体２９と、透過体３１と、ドライバ回路３２と、ワイヤ３３とを含んで構成される。リードフレーム３０は、光学素子搭載部３４と、内部接続部３５と、外部接続部３６とを含む。光学素子搭載部３４は、いわゆるダイパッドであってもよい。また内部接続部３５は、いわゆるインナーリードであってもよい。また外部接続部３６は、いわゆるアウターリードであってもよい。このようなリードフレーム３０は、板状に形成される。以後、リードフレーム３０の厚み方向を単に厚み方向Ａと称する。なお、本実施の形態では、リードフレーム３０の光学素子搭載部３４は、厚み方向一方Ａ１側の表面部に光学素子２２を搭載する搭載体となる。
光学素子２２の電極端子と光学素子搭載部３４の電極端子とは、電気的に導通した状態で接着される。光学素子搭載部３４の電極端子は、第１ワイヤ３３ａによって、対応する内部接続部３５ａに電気的に接続される。第１ワイヤ３３ａによって接続される内部接続部３５ａは、対応する外部接続部３６ａに連なり、封止構造体２０の外方に露出する。これによって封止構造体２０の外部の装置から外部接続部３６ａを介して光学素子２２に電気信号を与えることができる。また光学素子２２から外部接続部３６ａを介して封止構造体２０の外部の装置に電気信号を与えることができる。なお、光学素子２２の電極端子と内部接続部３５ａとが、第１ワイヤ３３ａによって電気的に直接接続されてもよい。
ドライバ回路３２の電極端子と他の内部接続部３５ｂは、電気的に導通した状態で接着される。ドライバ回路３２の電極端子は、第２ワイヤ３３ｂによって、光学素子２２の他の電極端子と電気的に接続される。これによってドライバ回路３２は、光学素子２２に電気信号を与えることができ、光学素子２２の駆動および制御を行うことができる。ドライバ回路３２は、他の内部接続部３５ｂに連なる外部接続部３６ｂを介して、外部の装置と電気的に接続されてもよい。
光学素子搭載部３４は、厚み方向Ａに貫通する開口３７を形成する透光部３８を有する。光ファイバ２３と光学素子２２とにわたって進行する光は、予め定める光路８０に沿って進む。この光は、透光部３８の開口３７を通過する。光学素子２２は、透光部３８のうち軸線方向一端部４８を塞ぎ、光学素子搭載部３４の厚み方向一方Ａ１側の表面部３９に接着される。なお、透光部３８の軸線方向一端部４８は、透光部３８の厚み方向一方Ａ１側端部となる。
光学素子２２は、光学面４１を有する。光学素子２２が発光素子、たとえばＬＥＤである場合、光学面４１は、発光面となる。また光学素子２２が受光素子、たとえばＰＤである場合、光学面４１は、受光面となる。光学面４１は、厚み方向一方Ａ１側から透光部３８に臨み、光路８０の延長線上に配置される。このように光学素子２２は、光学面４１がリードフレーム３０の光学素子搭載部３４に対向する。このような光学素子２２とリードフレーム３０との配置状態を、フェースダウン配置という場合がある。
封止体２９は、光学素子２２およびドライバ回路３２に関して、リードフレーム３０の反対側から、光学素子２２およびドライバ回路３２を覆う。したがって封止体２９は、光学素子２２の厚み方向一方Ａ１側部分を塞ぎ、封止体２９のうち厚み方向他方側Ａ２で光学素子２２を覆う。
封止体２９は、少なくとも、光路８０を除く領域に形成される。封止体２９は、封止構造体２０の耐環境性を向上する添加剤が含有される。具体的には、封止体２９は、フィラーが添加される封止用モールド樹脂から成る。封止体２９は、フィラーが添加されることによって、線膨張係数や熱伝達率が設定可能である。
封止体２９の線膨張係数を、被搭載体である光学素子２２、ワイヤ３３およびドライバ回路３２の線膨張係数に近づけることによって、被搭載体２２，３２，３３の耐熱衝撃性を向上することができる。なお、それぞれの被搭載体２２，３２，３３の線膨張係数が異なっている場合には、それらの被搭載体２２，３２，３３の損傷が最も少なくなるように、封止体２９の線膨張係数が最適に設定される。たとえば封止体２９の線膨張係数は、ワイヤ３３または光学素子２２の線膨張係数とほぼ同等に設定される。ほぼ同等とは、一致する場合も含む。これによって被搭載体２２，３２，３３の損傷を小さくすることができる。また封止体２９の熱伝達率を大きく設定することによって、被搭載体２２，３２，３３の放熱性を向上することができる。
透過体３１は、リードフレーム３０の厚み方向他方Ａ２の表面部４７を覆う。透過体３１は、少なくとも透光部３８の軸線方向他端部４９を塞ぐ。透過体３１は、高い光透過率を有し、少なくとも封止体２９よりも高い光透過率を有する。また透過体３１には、レンズ形状に形成されるレンズ部分４２が光路８０上に形成される。レンズ部分４２は、光路８０の中心に向かうにつれて厚み方向寸法が増加し、いわゆる凸レンズとして形成される。
光学素子２２が受光素子の場合、レンズ部分４２は、光ファイバ２３の一端面２７から出射した光を受光素子２２の受光面４１で集光するように、屈折率および焦点距離が決定されることが好ましい。同様に光学素子２２が発光素子の場合、レンズ部分４２は、発光素子２２の発光面４２から出射した光の拡散を抑えて、光ファイバ２３の一端面２７に入射する光の光量が大きくなるように、屈折率および焦点距離が決定されることが好ましい。
このような封止構造体２０を備える光結合器２１は、光結合器２１の外部の装置である制御装置と電気的に接続される。制御装置と光結合器２１とは、互いに電気信号を送受信する。
光学素子２２が、発光素子である場合、制御装置は、発光指令を電気信号として、リードフレーム３０の外部接続部３６を介して、ドライブ回路３２に与える。ドライブ回路３２は、与えられる電気信号に従って、発光素子２２の発光面４１を発光させる。
発光面４１から出射した光は、厚み方向他方Ａ２に進む。その光は、透光部３８の開口３７を通過するとともに透過体３１を透過する。そして光は、透過体３１のレンズ部分４２によって集光されて、光ファイバ２３の一端面２７に入射する。光ファイバ２３の一端面２７に入射した光は、ファイバ内を進行する。
このようにして光結合器２１は、発光素子２２と光ファイバ２３とを光伝達可能に結合し、制御装置から与えられる電気信号を光信号として光ファイバ２３に与えることができる。
また、光学素子２２が、受光素子である場合、ファイバ内を進行する光は、光ファイバ２３の一端面２７から出射する。その光は、透過体３１のレンズ部分４２に入射し、レンズ部分４２によって集光される。その光は、透過体３１を厚み方向一方Ａ１に進む。そして光は、透光部３８の開口３７を通過し、受光素子２２の受光面４１に入射する。
受光素子２２は、受光面４１に光が入射すると、入射する光に応じた電気信号を生成し、生成した電気信号をドライブ回路３２または制御装置に与える。このようにして光結合器２１は、受光素子２２と光ファイバ２３とを光伝達可能に結合し、受光素子２２に与えられる光信号を電気信号として制御装置に与えることができる。
なお、透光部３８は、光学面４１から遠ざかるにつれて内周径が拡径して形成され、その内周面４５が高い光反射率を有することが好ましい。言換えると、軸線方向一端部４８が軸線方向他端部４９に比べて小径となるテーパ形状に形成されることが好ましい。すなわち透光部３８の内周面４５は、円錐形状の立体の外周面に沿った形状となる。
光学素子２２として発光素子を使用する場合、発光面４１から放射される光の放射角が広い場合には、その光は透光部３８の内周面４５で反射された後、レンズ部分４２によって屈折されて光ファイバ２３に入射する。したがって光学素子２２として放射角度の広いＬＥＤ等を用いた場合でも、光学素子２２から出射される光を高効率で光ファイバ２３に入射させることができる。また、光学素子２２として受光素子を使用する場合でも、透過体３１に入射する光を透光部３８の内周面４５で反射することで集光効果を得ることができる。
透光部３８はエッチングまたはプレス加工などによって、リードフレーム３０のパターニング加工と同時に形成することができる。したがって透光部３８の内周面をテーパ形状にするために新たな加工工程を必要としない。これによって製造コストを増大させることなく集光効果の高い封止構造体２０を製造することができる。
このように封止体２９は、光路８０を除いた領域に配置される。光路８０は、上述したように、光学素子２２と光ファイバ２３とにわたって光が進む領域である。これによって封止体２９が有色であっても、透光部３８の開口３７を通過する光の光量が低下することがなく、封止体２９として選択可能な材料の選択肢を広げることができる。これによって封止体２９に光学素子２２の耐環境性を向上するための有色の添加材を添加しても、光の伝達率が低下することがなく、耐環境性を向上することができる。
たとえば封止体がエポキシ樹脂である場合、耐熱衝撃性および放熱性を向上するために、フィラーが添加される。フィラーは、たとえば溶融シリカまたは結晶シリカなどである。また、その他の耐環境性として、耐湿性、耐熱性、耐寒性、高温での安定動作性、低温状態での安定動作性、樹脂強度向上性、難燃性および着色性が挙げられる。その他の耐環境性を向上する物質として、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ボロン、酸化亜鉛および炭化ケイ素などが挙げられ、これらの物質のうちいずれかが添加されてもよい。このような耐環境性を向上する物質が封止体に添加されることによって、光伝達率を低下することなく、封止構造体２０の耐環境性を向上することができる。
また光学素子２２は、光学素子搭載部３４にフェースダウン配置状態で配置される。これによって光学面４１で生じた熱が、光学素子搭載部３４に伝達しやすく、光学素子２２の放熱性を改善することができる。これによって光学素子２２の動作時の温度を低減することができるので、高温環境下においても光学素子２２を安定して動作させることができる。また、光学素子２２の熱膨張を抑えて、光学素子２２に生じる応力を低減することができ、光学素子２２の損傷を低減することができる。
たとえば光学素子２２としてＬＥＤを使用する場合、ＬＥＤの表層の活性層となる光学面４１で発熱する。光学素子２２は熱抵抗が大きい。したがって従来のフェースアップ配置、すなわち光学面４１と反対側の面をリードフレーム３０に接着する配置状態では、光学面４１から光学素子搭載部３４への熱伝達率が低く、放熱特性が悪い。
これに対して本発明では、フェースダウン配置で光学素子２２をリードフレーム３０に接着することによって、光学素子２２の内部を伝達せずに光学面４１からリードフレーム３０に熱が直接伝わる。これによって光学素子２２の放熱特性を改善することができる。特に光学素子２２が砒化ガリウム（ＧａＡｓ）である場合は熱抵抗が大きいので、光学素子２２の放熱性を大きく改善することができる。
また、フェースダウン配置状態では、光学素子２２の厚み方向他方Ａ２側の表面部４６は、リードフレーム３０に接触している。したがって光学面４１の近傍部分を、封止体２９で封止する必要がない。これによって光学素子２２が小型である場合であっても、光学面４１の近傍部分に封止体２９を配置する必要がなく、封止構造体２０を容易に製造することができる。
光学素子２２と光学素子搭載部３４とが電気的に接続される場合、光学素子２２と光学素子搭載部３４との接合には、導電性を有する接着材料によって、光学素子搭載部３４に光学素子２２を接着することが好ましい。これによって光学素子搭載部３４に対する光学素子２２の接着と電気的接続とを１つの動作で行うことができる。
また、導電性の高い接着剤のなかでも、熱伝導性の高い材料や薄膜の材料を用いることで、熱的なコンタクトが十分得られる。さらに接着剤は、リードフレーム３０と光学素子２２との線膨張係数の差を吸収できるようなものがより好ましい。たとえば接着材料は、銀ペーストまたはハンダペーストによって実現することができる。また金共晶接合によって光学素子搭載部３４に光学素子２２を接着してもよい。
また、透光部３８の軸線方向他端部４９を透過体３１で覆うことによって、光学面４１が露出することを防ぐことができる。これによって水分や不純物が光学面４１に付着することを防ぐことができ、封止構造体２０の耐湿性を向上することができる。また透過体３１にレンズ部分４２が形成されることによって、簡単な構成でかつ小型の光学系によって、光利用効率を向上することができる。
光学素子２２としては、ＬＥＤ、ＰＤのほかに、ＣＣＤ、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ、Vertical Cavity Surface Emitting Laser）、およびこれらの光学素子２２と集積回路（ＩＣ、Integrated Circuit）とを集積化した光学集積回路（ＯＰＩＣ、Optical
Integrated Circuit）などを用いることができる。光学素子２２の光波長としては、光結合器２１に結合される光ファイバ２３の伝送損失が少ない波長であることが好ましい。
光ファイバ２３としては、たとえば、プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ：Polymer
Optical Fiber）や石英ガラス光ファイバ（ＧＯＦ：Glass Optical Fiber）などのマル
チモード光ファイバを用いることが好ましい。ＰＯＦは、コアがポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ、Poly methyl Methacrylate）やポリカーボネート等の光透過性に優れたプラスチックから成り、クラッドが上記コアよりも屈折率の低いプラスチックで構成されている。ＰＯＦは、ＧＯＦに比べそのコアの径を２００μｍ以上１ｍｍ以下と大きくすることが容易である。したがってＰＯＦを用いることによって、光結合器２１との結合調整が容易となるとともに、安価に製造することができる。
またコアが石英ガラスから成り、クラッドがポリマーで構成されたＰＣＦ（Polymer
Ｃlad Fiber）を用いても良い。ＰＣＦはＰＯＦに比べると価格が高いが、伝送損失が小さく、伝送帯域が広いという特徴がある。したがってＰＣＦを伝送媒体とすることによって、長距離の通信およびより高速の通信が可能な光通信網を構成することができる。
たとえば、光通信用途の場合に用いられるＬＥＤの大きさは、素子サイズが数百μｍ角程度であり、光学面４１の直径が１００μｍ程度である。また光通信用途の場合に用いられるＰＤの大きさは、１ｍｍ角程度であり、光学面４１の直径が数百μｍ以上１ｍｍ以下程度である。ただし、通信速度等により光学面４１のサイズは異なる場合がある。
リードフレーム３０の厚さは、１００μｍ以上５００μｍ以下である。リードフレーム３０としては、導電性を有し、かつ熱伝導性の高い金属から成る薄板状の金属板が用いられる。たとえばリードフレーム３０は、銅やその合金、鉄の合金、たとえば鉄にニッケルが約４２パーセント含まれる４２アロイ等が用いられる。リードフレーム３０は、透光部３８の内周面４５の光反射率を高くするために、銀または金によるメッキ処理を施してもよい。
上述したように透光部３８の内周面４５は、円錐台形状の立体の外周面に沿った形状となる。透光部３８の軸線方向一端部４８の内径直径である小径側直径は、光学素子２２の光学面４１の大きさに合わせて設定される。小径側直径Ｌ２が小さくなりすぎると、光学素子２２の配置がずれた場合、光学素子２２の光学面４１の一部が遮蔽されて光の利用効率が減少してしまうため、高精度で光学素子２２を配置しなければならないという問題があり、小径直径Ｌ２が大きくなりすぎると、透光部３８の内周面４５で反射された光が、すでに広がった状態で反射されるため、光ファイバ２３に集光させることが困難となったり、光学素子２２の光学素子搭載部３４への接着面積が減少して接着強度が不足したりするという問題がある。
したがって、小径側直径Ｌ２は、光学素子２２の光学面４１の直径に、予め定められる配置精度に起因する最大ずれ量を加算した値に設定される。たとえば、光学面４１の直径が１００μｍで、配置精度が±２０μｍであった場合、小径側直径Ｌ２は１２０μｍに決定される。本実施の形態では、小径側直径Ｌ２が、光学面４１の１．１倍以上１．６倍以下に設定されることによって、上述した問題を解消することができる。
また透光部３８の軸線方向他端部４９の内径直径である大径側直径Ｌ３は、透光部３８の内周面４５の傾斜角度によって決定される。光学素子２２が発光素子である場合、透光部３８の内周面３８は、内周面４５で反射された光が、光ファイバ２３の光軸に対して平行に近くなる角度に設定される。この内周面４５の傾斜角度は、小さすぎても大きすぎても、透光部３８から出射する光が拡散してしまう。具体的には、光軸を含む仮想線で封止構造体を切断した場合に、リードフレーム３０の厚み方向一方Ａ１側表面と内周面４５との成す角度は、３０度以上でかつ７０度以下に設定することが好ましい。
また光学素子２２が受光素子である場合、透光部３８の内周面３８は、内周面４５で反射された光が、受光素子の光学面４１の光学面に集光する角度に設定される。この内周面４５の傾斜角度は、小さすぎても大きすぎても、光学面４１へ集光される光の光量が減少してしまう。具体的には、光軸を含む仮想線で封止構造体を切断した場合に、リードフレーム３０の厚み方向一方Ａ１側表面と内周面４５との成す角度は、３０度以上でかつ７０度以下に設定することが好ましい。
図３は、封止構造体２０の製造手順を示すフローチャートであり、図４は、封止構造体２０の製造手順を示す図である。まず、ステップｓ０で、封止構造体２０の外形設計およびリードフレーム３０の配線パターン設計などの設計工程が完了すると、ステップｓ１に進み、封止構造体２０の製造を開始する。
ステップｓ１では、ステップｓ０で設計される配線パターンに従って、リードフレーム３０を形成する。リードフレーム３０は、エッチングまたはプレス加工によって形成される。これによってリードフレーム３０に、光学素子搭載部３４、内部接続部３５および外部接続部３６などを形成する。このとき、光学素子搭載部３４には、厚み方向Ａに貫通する透光部３８を有する。このように透光部３８を有するリードフレーム３０を形成すると、ステップｓ２に進む。
ステップｓ２では、リードフレーム３０に搭載されるべき被搭載体２２，３２を、リードフレーム３０に接着する。具体的には、光学素子２２を光学素子搭載部３４にダイボンドする。またドライブ回路３２を対応する内部接続部３５ｂにダイボンドする。このとき光学面４１が、光学素子搭載部３４の開口３７に厚み方向一方Ａ１側から臨むように配置する。また透光部３８の軸線方向一端部４８を塞ぐように、光学素子２２を光学素子搭載部３４に接着する。
光学素子２２を光学素子搭載部３４に配置するにあたって、導電性を有する接着材料によって光学素子搭載部３４に光学素子２２を接着する。これによって、光学素子２２のうち厚み方向一方Ａ２に形成される電極端子５３は、光学素子搭載部３４に形成される電極端子５３に電気的に接続される。
次にワイヤ３３によって各被搭載体２２，３３を電気的に接続する。具体的には、光学素子２２のうち厚み方向他方Ａ２側に形成される電極端子５０と、ドライバ回路３２のうち厚み方向他方Ａ２に形成される電極端子５１とを、第１ワイヤ３３ａによってワイヤボンドする。また光学素子搭載部３４に形成される電極端子５３と、予め定められる内側接続部３５とを、第２ワイヤ３３ｂによってワイヤボンドする。このようにして図４（１）に示すように、各被搭載体２２，３２，２２をリードフレーム３０に搭載すると、ステップｓ３に進む。
ステップｓ３では、封止用モールド樹脂を用いて封止体２９をモールド成形する。まず、被搭載体２２，３２を搭載したリードフレーム３０を封止体成形用金型６０に装着する。封止体成形用金型６０は、リードフレーム３０が装着した状態で、リードフレーム３０よりも厚み方向一方Ａ１に内部空間が形成される。封止体成形用金型６０のうちリードフレーム３０に関して厚み方向他方Ａ２側となる第１の金型部分６１は、リードフレーム３０の厚み方向他方Ａ２側の表面部全面に当接する。また封止体成形用金型６０のうちリードフレーム３０に関して厚み方向一方Ａ１側となる第２の金型部分６２は、ドライブ回路３２、光学素子２２およびワイヤ３３ａ、３３ｂから厚み方向一方Ａ１に退避し、それらに接触することがない。
次に、図４（２）に示すように、封止体成形用金型６０の内部空間に封止用モールド樹脂を注入し、封止用モールド樹脂によって封止体２９を成形する。この封止用モールド樹脂は、耐環境性を向上する添加剤が含有されている。このようにして封止体２９を成形して形成すると、ステップｓ４に進む。
ステップｓ４では、透過用モールド樹脂を用いて透過体３０をモールド成形する。まず、封止体２９が成形されたリードフレーム３０を透過体成形用金型６３に装着する。透過体成形用金型６３は、リードフレーム３０が装着した状態で、リードフレーム３０よりも厚み方向他方Ａ２に内部空間が形成される。透過体成形用金型６３のうち、リードフレーム３０に関して厚み方向他方側Ａ２となる第３の金型部分６４は、少なくともリードフレーム３０の透光部３８から退避し、透光部３８を塞ぐことがない。本実施の形態では、透過体３１にレンズ部分を成形するために、第３の金型部分６４とリードフレーム３０との間の厚み方向Ａの距離Ｌ４は、透光部３８の中心軸線から遠ざかるにつれて小さくなる。また透過体成形用金型６３のうち、リードフレーム３０に関して厚み方向一方側Ａ１となる第４の金型部分６５は、成形された封止体２９を収容可能な内部空間が形成される。
次に、図４（３）に示すように、透過体成形用金型６３の内部空間であって、第３の金型部分６４とリードフレーム３０との間に透過用モールド樹脂を注入し、透過用モールド樹脂によって透過体３１を成形する。これによって透光部３８の開口３７にも、透過用モールド樹脂を注入する。このようなモールド樹脂は、成形後の光透過率が高いものが好ましい。このようにして透過体３１を成形して形成すると、ステップｓ５に進む。ステップｓ５では、各モールド樹脂のバリとりなどの後処理を行った後、ステップｓ６に進み、封止構造体２０の製造を完了する。
以上のように、モールド樹脂を用いて封止体２９および透過体３０を形成することで、封止構造体２０を安価にかつ容易に形成することができる。特にトランスファ成形を行うことによって、封止構造体２０の大量生産が可能となり、より安価に封止構造体を製造することができる。本実施の形態では、光学素子２２によってリードフレーム３０の透光部３８の軸線方向一端部４８を塞いだ後で、封止体２９をモールド成形する。これによって封止用モールド樹脂が光学面４１および光路８０に浸入することを容易に防ぐことができる。
なお、封止体成形工程において、リードフレーム３０の変形および金型の寸法誤差などが生じることで、リードフレーム３０から厚み方向他方Ａ２側に封止用モールド樹脂が回り込むことを完全に押さえることができない。この場合、リードフレーム３０の厚み方向他方Ａ２側の一部に封止用モールド樹脂が回り込む現象、いわゆるフラッシュが生じる場合がある。
本実施の形態では、図１に示すように、光学素子搭載部３４は、その縁辺部４４から透光部３８まで予め定める離間距離Ｌ１だけ離間して形成される。これによって、フラッシュが生じても透光部３８には封止用モールド樹脂が回り込まないようにすることが可能である。したがって金型６０およびリードフレーム３０の高精度の管理を必要せずに、封止用モールド樹脂が光路８０を塞ぐことを防ぐことができる。
離間距離Ｌ１は、封止用モールド樹脂が透光部３８に浸入しない十分な長さに設定される。封止体２９および透過体３１の厚み方向寸法が、１ｍｍ程度に形成される場合、離間距離Ｌ１は、数百μｍ以上数ｍｍ以下に設定されることが好ましく、たとえば２００μｍ以上３ｍｍ以下に設定される。離間距離Ｌ１が数百μｍ未満である場合には、封止用モールド樹脂が透光部３８に達してしまう。また離間距離Ｌ１が数百μｍｍを超える場合には、封止構造体２０の小型化が困難になるという問題がある。
このように縁辺部４４から透光部３８までの距離Ｌ１が離間距離Ｌ１に設定されることによって、光学素子搭載部３４によって、フラッシュによる光路の遮蔽を簡単に防止することが可能である。したがって、ＬＥＤやＰＤなどのサイズが小さい光学素子２２を使用しても、封止体２９を簡易に成形することができる。
また、封止体成形工程において、金型と各被搭載体２２，３２，３３とが離反して設けられる。これによって光学素子２２およびワイヤ３３に金型が接触するおそれを少なくすることができる。したがって光学素子２２が破損することを防いで、不良品を低減することができる。また金型の精度管理およびリードフレーム３０の変形防止を厳密に行わなくてもよい。したがって光学素子２２が小型であっても、安易な製造方法を用いて封止構造体２０を製造することができる。
また本実施の形態では、封止体成形工程において、リードフレーム３０の厚み方向他方Ａ２側の表面部全面を第１の金型部分６１の内面に接触させた状態で、金型内部空間へ封止用モールド樹脂を注入する。これによって第１の金型部分６１を複雑な形状にする必要がない。また封止用モールド樹脂が透光部３８および光路８０に達することを確実に防止することができる。
また透過体３１は、高い光透過率を得るために封止体２９よりも耐熱温度が低い場合がある。本実施の形態では、封止体成形工程の後に透過体成形工程を行うことによって、透過用モールド樹脂が過剰に加熱されることがなく、透過体３１の成形精度を向上することができる。これによって透過体３１に形成されるレンズ部分４２を精度よく形成することができ、集光効率を向上することができる。
また、封止用モールド樹脂に耐環境性を向上する添加剤を添加するだけで、封止構造体２０の耐環境性を向上することができる。また耐環境性を向上したうえで、透光部３８を通過する光量の低下を防ぎ、光の伝達率が低下することがない。言換えると耐環境性の向上と光の伝達率の維持とを両立することができ、封止構造体２０の品質を向上することができる。
たとえば、封止体２９の線膨張係数を、各被搭載体２２，３２，３３のいずれかの線膨張係数に近づけることによって、各被搭載体２２，３２，３３の熱衝撃性を向上することができる。これによって被搭載体２２，３２，３３の破損を防ぐことができ、封止構造体の信頼性を向上することができる。また封止体２９の熱抵抗を低下することによって、封止構造体２０の熱伝達率を高くして放熱性を向上することができる。
光学素子２２としてＬＥＤを用いる場合、透光部３８の開口３７に、屈折率が空気よりも高い透過用モールド樹脂を注入し、透過用モールド樹脂が発光面４１に接触した状態で成形することが好ましい。これによってＬＥＤの外部量子効率を改善することができ、発光量を向上することができる。外部量子効率は、ＬＥＤに流れる電流に対して、ＬＥＤから出射される出力電子数である。
なお、透光部３８を形成するにあたって、光学素子２２やレンズ部分４２、光ファイバ２３を位置合せするための基準孔（図示せず）をあわせて形成することが好ましい。このような基準孔を光結合器２１の組み立て基準とし、透光部３８、光学素子２２、レンズ部分４２を位置合せすることによって、高精度な組み立てを行うことができる。さらに封止構造体２０が光結合器２１に用いられる場合、前記基準孔を、光ファイバ２３と光学素子２２との位置合せの基準とすることができる。
また、光学素子２２のダイボンドにあたって、光学素子２２とリードフレーム３０とを接着する接着剤は、光学素子２２の光学面４１に付着しないようにする必要がある。フォトリソグラフィー等の手法によって、光学素子２２の表面のうち、光学面４１以外の部分に接着剤の薄膜を予め形成する。これによって接着剤が光学面４１に付着しないようにすることができる。
封止体２９に用いられる封止用モールド樹脂は、半導体素子の封止に使用されているエポキシ樹脂などにフィラーを添加した材料が使用される。封止用モールド樹脂は、上述したように、光学素子２２またはワイヤ３３の少なくともいずれかと線膨張係数が近く、熱伝導性の高くなるように設定される。たとえば光学素子２２は、シリコン（Ｓｉ）またはガリウム砒素（ＧａＡｓ）から成り、ワイヤ３３は金（Ａｕ）またはアルミ（Ａｌ）から成る。
光学素子２２の線膨張係数が、２．８×１０−６／℃であり、ワイヤ３３の線膨張係数が、１４．２×１０−６／℃である場合、封止用モールド樹脂の線膨張係数は、２０×１０−６／℃以下に設定することが好ましい。なお、フィラーを添加していないエポキシ樹脂の線膨張係数は、６０×１０−６／℃程度である。また、封止用モールド樹脂の熱伝導率は、０．６Ｗ／℃以上に設定することが好ましい。なお、フィラーを添加していないエポキシ樹脂の熱伝導率は、０．２Ｗ／℃程度である。これによって温度変化によって、光学素子２２およびワイヤ３３に生じる応力を低減することができる。また放熱性を向上することができる。
透過体３１に用いられる透過用モールド樹脂は、光学的に透明であるエポキシ樹脂等が使用される。透過用モールド樹脂は、フィラーが添加されていない、もしくは少量のフィラーが添加されているエポキシ樹脂が使用される。
ここで、光学的に透明とは、使用される波長領域の光を透過可能な透過性を有するという意味であり、その光透過率は７０％以上であることが好ましい。透過用モールド樹脂はリードフレーム３０の厚み方向他方Ａ２側の表面を覆うように形成される。
図５は、封止体成形後の状態を示す平面図である。なお、図５には、透過体成形位置を２点差線で示す。封止用モールド樹脂によって封止体２９を成形した後、封止体成形用金型６０からリードフレーム３０を取外す場合に、封止体用成形金型６０と封止体２９とを離型性を高めるために、封止用モールド樹脂には離型剤が添加される。この場合、封止体成形後には、封止体２９の表面に離型剤がしみ出た状態となる。
離型剤が封止体２９の表面にしみ出すと、透過体３１と封止体２９との密着性が低下してしまう。本実施の形態では、図５に示すように、透過体３１がリードフレーム３０に接触する第１接触面積が、透過体３１が封止体２９に接触する第２接触面積よりも大きく設定される。なお、図５に第１接触面積を破線７０のハッチングの領域で示し、第２接触面積を一点鎖線７１のハッチングの領域で示す。第１接触面積が第２接触面積よりも大きく形成されることで、透過体３１の密着性を向上することができる。これによって温度変化および外力などに起因して、透過体３１が、リードフレーム３０および封止体２９からはく離することを防ぐことができる。またはく離に起因して水分が封止構造体内に浸入することを防止することができ、耐湿性を向上することができる。
また、透過体３１はその外周部において応力が大きくなるので、透過体３１の外周部全てまたは一部がリードフレーム３０に接するように設定することが好ましい。たとえば厚み方向Ａに垂直な仮想切断面に沿って透過体３１を切断した場合に、その切断面が長方形に形成される場合には、透過体３１の短辺側の端部をリードフレーム３０と直接接するように設定することが好ましい。図５には、短辺側端部が当接するリードフレーム３０の当接部分を参照符号７２で示す。
以上のように、モールド成形を用いて製造した封止構造体２０は、ガラスレンズを使用した封止構造体と比較すると安価で作製が容易である。また、封止構造体２０は、ＰＤやＬＥＤのようにサイズの小さい光学素子２２を用いた場合でも、耐環境性に優れた封止用モールド樹脂を用いるという簡易な成形工程によって、光学素子２２およびワイヤ３３の封止が可能となり、安価で耐環境性に優れた封止構造体２０を製造することができる。また、光結合器２１が、本実施の形態の封止構造体２０を備えることによって、同様の効果を得ることができる。
図６は、本発明の実施の第２形態である封止構造体１２０を示す断面図であり、図７は、封止構造体１２０を備える光結合器１２１を示す断面図である。第２形態の封止構造体１２０は、第１形態の封止構造体２０に対して、透過体の形状と、リードフレームにおける光学素子搭載部３４の構成とが異なり、他の構成については、第１形態の封止構造体２０と同様の構成を有する。したがって第１形態の封止構造体２０の構成に相当する第２の封止構造体１２０の構成については、第１形態の封止構造体２０と同一の参照符号を付し、説明を省略する。
封止構造体１２０は、リードフレーム３０の光学素子搭載部３４の厚み方向一方Ａ１側に中間体であるサブマウント１００が固定される。そしてサブマウント１００の厚み方向一方Ａ１側に光学素子３４が接着される。すなわち封止構造体１２０は、透光部３８と光学素子２２との間にサブマウント１００が介在される。本実施形態では、リードフレーム３０の光学素子搭載部３４とサブマウント１００とを含んで、光学素子２２を厚み方向一方Ａ１側に搭載する搭載体となる。
光学素子搭載部３４は、厚み方向Ａに貫通する開口３７を形成する透光部３８を有する。光学素子搭載部３４は、厚み方向一方Ａ１側の表面部にサブマウント１００が接着される。この場合、サブマウント１００は、透光部３８の軸線方向一端部４８を塞ぐ。サブマウント１００は、透光部３８に対向する位置に光通過部１０１が形成される。光通過部１０１は、光がサブマウント１００を貫通可能に形成される。本実施の形態では、光通下部１０１には、厚み方向に貫通した開口１０４が形成される。なお、透光部３８に形成される開口３７と、光通過部１０１に形成される開口１０４は、同軸に形成される。
サブマウント１００は、厚み方向一方Ａ１側の表面部に光学素子２２が接着される。この場合、光学素子２２は、光通過部１０１の軸線方向一端部１０２を塞ぐ。光学素子２２は、光学面４１が、透光部３８に形成される開口３７および光通過部１０１に形成される開口１０４を通過する光の光路８０の延長線上に配置される。言換えると、光学素子搭載部３４およびサブマウント１００は、光学面４１と対向する位置に開口３７，１０４がそれぞれ形成される。透光部３８によって形成される開口３７は、サブマウント１００の光通過部１０１によって形成される開口１０４より大きく形成される。
封止体２９は、図１に示す封止構造体２０と同様に、封止体２９は、光学素子２２およびドライバ回路３２に関して、リードフレーム３０の反対側から、光学素子２２およびドライバ回路３２を覆う。したがって封止体２９は、光学素子２２の厚み方向一方Ａ１側部分を塞ぎ、封止体２９のうち厚み方向他方Ａ２側で光学素子２２を覆う。封止体２９は、少なくとも光路８０を除く領域に形成される。
サブマウント１００には光学素子２２の電極と電気的に結合する電極を形成し、ワイヤ３３によってリードフレーム３０およびドライバ回路３２に電気的に接続させてもよい。この場合、光学素子２２およびドライブ回路３２の電極端子とサブマウント１００とは、電気的に導通した状態で接着される。なお、リードフレーム３０とサブマウント１００とは必ずしも電気的に結合させる必要はなく、任意の接着剤によって接着されてもよい。
サブマウント１００は、シリコン基板およびガラス基板などによって形成される。たとえば、サブマウント１００として単結晶シリコン基板を用いる場合、シリコン基板を異方性エッチングすることによって断面が四角形状の開口を、光通過部１０１に形成することができる。具体的には、単結晶シリコンのミラー指数（１００）で表わされる結晶面に水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を滴下してエッチングすることによって、ミラー指数（１１１）面で表わされる結晶面が露出する。四角形のマスクを用いてエッチングすることで、形成される透光部３８の内周面４５は、四角錐形状の立体の外周面に沿った形状となる。この場合、透光部３８の内周面４５は、（１００）で表わされていた結晶面に対して、５４．７４°の角度を有する４つの平滑面を有する。
このようにして、サブマウント１００の光通過部１０１を形成する場合には、リードフレーム３０の透光部３８をテーパ状に加工する場合に比べて、加工精度や面精度が高い。これによって光通過部１０１の内周面について、反射ミラーとしての高い性能を得ることができる。また、シリコンは熱伝導性が高いので、サブマウント１００をシリコンで形成することによって、光学素子２２に発生する熱を奪い、光学素子２２の温度上昇を抑えることができる。さらに光学素子２２がシリコンによって実現される場合には、サブマウント１００と光学素子２２との線膨張係数の差が少なく、光学素子２２に生じる応力を低減することができる。
また、サブマウント１００としてガラス基板を用いても良い。ガラス基板は光学的に透明であるため、サブマウント１００の光通過部１０１に開口１０４を別途形成する必要がない。また、光学素子２２と線膨張係数が近いガラスを用いて、サブマウント１００を形成することによって、光学素子２２への応力を低減することができる。光学素子２２と線膨張係数が近いガラスとして、たとえばパイレックス（登録商標）ガラスがある。また光通過部１０１に凸レンズやフレネルレンズを形成して、光路８０を通過する光を集光する集光部分を形成してもよい。これによって、簡単な構成でかつ小型の光学系によって、封止構造体２０の光利用効率を向上することができる。
またサブマウント１００の光通過部１０１が、光学的に透明な材料で形成されることによって、光学素子２２の発光面４１側の表面と対向させることができる。この場合、透過体によるリードフレーム３０の透光部３０の封止を行う必要がない。ただし、透過体によって透光部３０の封止を行ってもよい。さらに任意の形状のレンズを直接透光部３８に対向する位置に貼り付けてもよい。
また、光学素子２２としてＰＤを用いる場合、光学面４１の近傍にリードフレーム３０などの導電性材料を対向させると、ＰＤの寄生容量が増加して、高速駆動が困難になるという課題がある。本実施の形態では絶縁性を有するサブマウント１００を、リードフレーム２０と光学素子２２との間に介在させることによって、リードフレーム４とのギャップが広くなる。これによってＰＤの寄生容量を低減することが可能となる。さらにサブマウント１００に形成され、光学素子２２の電極と接続する対向電極の面積を小さくすることによって、ＰＤの寄生容量をさらに低減することが可能となる。また、サブマウント１００に任意の電極パターンを形成することによって、光学素子２２としてＯＰＩＣ（ＰＤおよびアンプ等の回路を含んだ集積回路）を使用することが容易となる。
また図６に示す封止構造体１２０の透過体１３１は、光ファイバ２３の一端部に固定されるプラグ２５が嵌合する嵌合部９０が形成される。嵌合部９０は、プラグ２５の一端部が着脱可能に形成される。嵌合部９０は、プラグ２５の外周面に当接し、プラグ２５が厚み方向Ａに垂直な方向に移動することを阻止する。また透過体１３１は、嵌合部９０から、光路に向かって突出する突出部９１が形成される。突出部９１は、光ファイバ２３の一端部に当接することなく、プラグ２５の一端面に当接する。突出部９１は、プラグ２５の厚み方向一方Ａ１への移動を阻止し、光ファイバ２３がレンズ部分４２に接触することを防ぐ。
嵌合部９０にプラグ２５が嵌合した状態で、光ファイバ２３の一端部と、光学素子２２とが厚み方向に一直線に並ぶ。これによって光ファイバ２３を嵌合部９０に嵌合するだけで、光ファイバ２３を光学素子２２に対向する位置に案内することができ、利便性を向上することができる。
また嵌合部９０にプラグ２５が嵌合した状態で、光ファイバ２３の一端部と透過体１３１のレンズ部分４２とは、予め定めるギャップＬ４を開けて設けられる。これによって光ファイバ２３と透過体１３１のレンズ部分４２とが衝突することを防ぐことができ、封止構造体１３１および光ファイバ２３の損傷を防止することができる。なお、第２形態の封止構造体１２０は、第１形態の封止構造体２０と同様の効果を得ることができる。なお、第２形態の封止構造体１２０を構成する封止体２９および透過体１３１は、第１形態の封止構造体２０と同様にモールド成形によって形成される。
図８は、本発明の実施の第３形態である封止構造体２２０を示す断面図である。第３形態の封止構造体２２０は、第２形態の封止構造体１２０に対して透過体１３１を除いた構成を有する。したがって第２形態の封止構造体２２０と同様の構成については、同一の参照符号を付し、説明を省略する。
封止構造体２２０は、光学搭載部３４に光学素子２２が、サブマウント１００を介して接続される。透過体１３１を有しない構成であっても、封止構造体２２０の耐環境性を向上するとともに、モールド成形によって製造することができる。これによって光学素子２２が小型である場合であっても、容易に封止構造体２２０を製造することができる。なお、透過体を形成していないので、製造工程を減らすことができ、さらに安価に製造することができる。なお、第３形態の封止構造体２２０は、第１形態の封止構造体２０とほぼ同様の効果を得ることができる。なお、第３形態の封止構造体２２０を構成する封止体２９は、第１形態の封止構造体２０と同様にモールド成形によって形成される。また図８には、サブマウント１００を介して、光学素子２２をリードフレーム３０に接着したが、光学素子２２を直接リードフレーム３０に接着してもよい。
図９は、本発明の実施の第４形態である封止構造体３２０を示す断面図である。第４形態の封止構造体３２０は、第１形態の封止構造体２０に対して、透過体の形状が異なり、他の構成については、第１形態の封止構造体２０と同様の構成を有する。したがって第１形態の封止構造体２０の構成に相当する第４の封止構造体３２０の構成については、第１形態の封止構造体２０と同一の参照符号を付し、説明を省略する。
第４形態の封止構造体３２０は、前述したように、リードフレーム３０の厚み方向一方Ａ１側の表面部、光学素子２２、ワイヤ３３は封止体２９によって覆われる。封止構造体３２０は、これをさらに透過体１３１で覆った構成となっている。すなわち、透過体３３１が、封止体２９およびリードフレーム３０の外部接続部３６以外を透過体３３１で覆う。透過体１３１はエポキシ樹脂等の光透過性に優れた樹脂材料からなり、この樹脂によりレンズ部分４２が形成されている。モールド成形によって、封止体２９および透過体１３１を形成すると、封止体２９と透過体１３１とは密着性が悪くなる。しかしながら透過体１３１によって、封止体２９を覆うことで、透過体１３１が封止体２９から剥離することを防止することができる。また、第４形態の封止構造体３２０は、第１形態の封止構造体２０と同様の効果を得ることができる。なお、第４形態の封止構造体３２０を構成する封止体２９および透過体３３１は、第１形態の封止構造体２０と同様にモールド成形によって形成される。
図１０は、本発明の実施の第５形態である封止構造体４２０を示す断面図である。第５の封止構造体４２０は、第３形態の封止構造体２２０に対して、封止体４２９の構成が異なり、その他は同一の構成を有する。したがって第３野形態の封止構造体２２０と同様の構成については、同一の参照符号を付し、説明を省略する。
封止構造体４２０の封止体４２９は、リードフレーム３０の厚み方向両側を覆う。ただし封止体４２９は、光路８０を除く領域に配置される。すなわち、封止体４２９は、透光部３８の軸線方向他端部をのぞく、リードフレーム４の厚み方向他方側の表面も覆う。外５形態の実施形態の封止構造体４２０は、封止体４２９によってリードフレーム３０を両側から挟んでおり、リードフレーム３０と封止体４２９との密着性を改善することが可能となる。また、第２の実施形態の封止構造体１２０のように、リードフレーム３０の厚み方向他方Ａ２側に形成される封止体４２９の一部を、光ファイバ２３との位置合せに用いることもできる。
第５の実施形態の封止体構造４２０は、モールド成形によって形成することができる。この場合、封止体成形用金型６０のうち、装着するリードフレーム３０に関して、厚み方向他方Ａ２側となる第１の金型６１によって、リードフレーム３０と第２の金型との間に内部空間を形成する。この状態で、封止用モールド樹脂を金型の内部空間に注入することによって、封止体２９を成形する。このとき、リードフレーム３０の光学素子搭載部３４に第１の金型部分６１を当接させ、その金型部分６１の当接部分の外周部から透光部３８までの距離が、前記離間距離Ｌ１に設定される。これによって、封止用モールド樹脂が透光部３８に回り込むことを防ぐことができる。また光学素子２２と第１の金型部分６１とは当接することがないので、光学素子２２の破損を防止することができる。また封止用モールド樹脂が透光部３８に回り込むことを防止すれば、他の部分には形成しても光学的に問題とはならない。
図１１は、本発明の実施の第６形態である封止構造体５２０を示す断面図である。図１２は、封止構造体５２０を示す平面図である。第６形態の封止構造体５２０は、第２の形態の封止構造体１２０に対して、透過体５３１の形状と、光学素子搭載部３４への透過体５３１の接合方法および作製方法が異なり、他の構成については、第２の形態の封止構造体１２０と同様の構成を有する。したがって第２の封止構造体１２０の構成に相当する第６の封止構造体５２０の構成については、第２の封止構造体１２０と同一の参照符号を付し、説明を省略する。
第２の形態の封止構造体１２０においては封止体２９に透過体３１がモールド成形により一体に形成される。これに対して、第６形態の封止構造体５２０は、別途形成される透過体５３１が接着剤５０２によって封止体２９またはリードフレーム３０の少なくとも一方に接着されて、透過体５３１が光学素子搭載部３４の厚み方向一方Ａ２側に固定される。このように別途形成した透過体５３１を用いた構成では、モールド成形によって形成する場合に比べて、透過体５３１を容易に小型にできること、モールド成形時に生じる収縮応力を低減できることなどの利点がある。
図１２に示すように本実施の形態の透過体５３１は、光学素子搭載部３４および光学素子搭載部３４近傍の封止体２９上に接着される。透過体５３１が光学素子搭載部３４および封止体２９に接触する接着面積は、封止体２９の厚み方向他方側Ａ２の表面積よりも小さく形成され、光学素子搭載部３４の厚み方向他方側表面の面積とほぼ同じに形成される。なお、図１２に透過体５３１の接着面積を破線１７０のハッチングの領域で示し、封止体２９の厚み方向他方側Ａ２の表面積を一点鎖線１７１のハッチングの領域で示す。
本実施の形態では、透過体５３１は、光学素子搭載部３４に対向し、内部接続部３５から退避して配置される。透過体５３１は、封止体２９と接着される部分が、無いようにまたは可及的に少なくなるように形成される。すなわち透過体５３１は、接着面の大部分が光学素子搭載部３４に接着される。
透過体５３１は、封止体２９よりも高い透光性を有する。透過体５３１は、接着部５００と、レンズ部分４２と、位置合せ部５０１とを含んで形成される。接着部５００は、板状に形成され、光学素子搭載部３４に対向して配置される。接着部５００は、光学素子搭載部３４の開口３７より大きく形成され、その開口３７を厚み方向他方Ａ２側から覆う。本実施の形態では、接着部５００は、円板状に形成され、光路８０の中心に対して同軸に形成される。透過体５３１は、射出成形によって形成される。
レンズ部分４２は、接着部５００の厚み方向他方Ａ２に連なり、接着部５００から厚み方向他方Ａ２に突出する。レンズ部分４２は、光路８０上に形成され、厚み方向他方Ａ２に向かって凸なレンズ形状に形成される。位置合せ部５０１がレンズ形状に形成されることによって、集光効率を向上することができる。
位置合せ部５０１は、接着部５００の厚み方向一方Ａ１に連なり、接着部５００から厚み方向一方Ａ１に突出する。透過体５３１が接着された状態で、位置合せ部５０１は、光学素子搭載部３４の開口３７に嵌合する。位置合せ部５０１の外周面は、開口３７の軸線に向かうにつれて厚み方向一方に傾斜する。言い換えると、位置合せ部５０１は、厚み方向一方Ａ１に向かうにつれて、その径が小さくなるテーパ形状に形成される。本実施の形態では、位置合せ部５０１は、厚み方向一方Ａ１に向かって凸な凸レンズ形状に形成される。レンズ部分４２と位置合せ部５０１とは、厚み方向に同軸に形成される。これによって位置合せ部５０１が光学素子搭載部３４の開口３７に嵌合した状態で、位置合せ部５０１およびレンズ部分４２が、光路８０の中心と同軸に形成される。
透過体５３１は、位置合せ部５０１が光学素子搭載部３４の開口３７またはサブマウント１００の開口１０４に位置合せされて、接着剤５０２によって固定される。接着剤５０２は、透光性を有するとともに、空気よりも高い屈折率を有する。接着剤５０は、光学素子２２の光学面４１を覆い、光学面４１と透過体５３１との間の空間に充填される。
透過体５３１としては、ポリメチルメタクリレート（Poly methyl methacrylate、略称ＰＭＭＡ ）、ポリカーボネート等の透光性樹脂材料またはガラスなどの透光性無機材料を射出成形等によって任意の形状に加工したものを用いることができる。
接着剤５０２は、光透過性に優れ、その屈折率が透過体５３１に近いものが好ましい。また接着剤５０２は、その粘度が０．１Ｐａ・ｓ以上で１０Ｐａ・ｓ以下であり、ヤング率が３ＭＰａ以下のものを使用することが好ましい。たとえば、接着剤５０２としてエポキシ樹脂およびシリコーン樹脂などを用いることができる。特にシリコーン樹脂は、ヤング率が低いので、環境温度変化によって封止構造体５２０が変形しても、接着剤５０２によって光学素子２２の光学面４１に働く応力を低減でき、接着剤５０２としてより好適に用いることができる。
封止体２９は、図１に示す封止構造体２０と同様に、光学素子２２およびドライバ回路３２に関して、リードフレーム３０の反対側から、光学素子２２およびドライバ回路３２を覆う。したがって封止体２９は、光学素子２２の厚み方向一方Ａ１側部分を塞ぎ、封止体２９のうち厚み方向他方Ａ２側で光学素子２２を覆う。封止体２９は、少なくとも光路８０を除く領域に形成される。
透過体５３１が、光学素子搭載部３４および封止体２９に接着される接着面積（図１２の破線１７０のハッチングで示す領域）は、封止体２９の厚み方向他方Ａ２側の表面積（一点鎖線１７１のハッチングで示す領域）に比べて小さく形成される。また、リードフレーム３０の厚み方向他方Ａ２側の表面の多くは透過体５３１によって覆われることなく空気中、すなわち封止構造体５２０の周囲の雰囲気中に露出する。なお透過体５３１が、光学素子搭載部３４および封止体２９に接触する接着面積は、封止体２９の厚み方向他方Ａ２側の表面積に対して１／３以下に形成することが好ましい。
図１３は、第６実施形態の封止構造体５２０の製造手順を示すフローチャートである。図１４は、封止構造体５２０の製造手順を説明するための断面図である。まず、ステップａ０で、封止構造体５２０の外径設計およびリードフレーム３０の配線パターン設計などの設計工程が完了すると、ステップａ１に進み、封止構造体５２０の製造を開始する。
製造工程は、ステップａ１〜ステップａ３の手順を順番に行う。なお、ステップａ１〜ステップａ３は、図３に示すステップｓ１〜ステップｓ３と同様の工程であり、説明を省略する。ステップａ３によって封止体２９の成形が完了すると、ステップａ４に進む。
ステップａ４では、ディスペンサなどによって、接着剤５０２を光学素子搭載部３４の開口３７およびサブマウント１００の開口１０４に充填する。接着剤５０２の充填が完了すると、ステップａ５に進む。ステップａ５では、封止体２９の成形工程とは別工程で形成された透過体５３１を光学素子搭載部３４に接着する。上述したように透過体５３１は、射出成形などによって、封止体２９とは別体に形成される。
ステップａ５では、図１４に示すように、透過体５３１を厚み方向他方Ａ２側から厚み方向一方Ａ１側に向かって移動させ、位置合せ部５０１を光学素子搭載部３４の開口３７に挿入する。光学素子搭載部３４の開口３７およびサブマウント１００の開口１０４に充填された接着剤５０２の一部は、レンズ位置合せ部５０１のテーパ状に傾斜する外周部によって押し出され、光学素子搭載部３４の開口３７から光学素子搭載部３４の厚み方向他方Ａ２側に溢れ出す。これによって透過体５３１が光学素子搭載部３４に押し込まれた状態で、図１１に示すように、透過体５３１の厚み方向一方Ａ１側表面と光学素子搭載部３４の厚み方向他方側Ａ２表面との間に接着剤５０２が充填された状態となる。この状態で接着剤５０２を硬化させると、ステップａ６に進む。ステップａ６では、製造工程を終了し、封止構造体５２０を完成させる。
以上のように本発明の第６実施形態の封止構造体５２０によれば、上述した各実施形態の封止構造体２０，１２０，３２０，４２０と同様に、光学素子２２は、フェースダウン配置で光学素子搭載部３４に接着される。これによって光学面５の近傍に形成される電極とリードフレーム３０とのワイヤーボンディングを容易に行うことができる。また、透過体５３１の形状の自由度を広げることができ、光学的に効果が得られるレンズの設計を容易に行うことができる。さらに射出成形によって透過体５３１を成形することによって、微小なレンズ形状を有する透過体５３１を形成することができる。また透過体５３１に位置合せ部５０１が形成されることによって、透過体５３１の位置合せおよび接着を容易に行うことができる。
第６実施形態の封止構造体５２０は、封止体２９とともにモールド成形せずに、別途形成した透過体５３１を接着剤５０２によって光学素子搭載部３４に接着する。この場合、モールド成形によって透過体５３１を光学素子搭載部３４に成形する場合に比べて、容易に小型化することができる。また第２実施形態の封止構造体５２０に比べて、モールド成形回数を減らすことができるので、封止体２９および光学素子搭載部３４におけるモールド成形時の収縮応力を低減できる利点がある。
たとえば、第２形態の封止構造体１２０においては、透過体１３１は、トランスファ成形によって形成される。この場合、図４（３）に示すように透過用モールド樹脂を注入するための領域９９を確保する必要がある。したがって図１２に示すように透過体３１，１３１をリードフレーム３０に対して島状に配置することが困難である。また透過用モールド樹脂の溶出が生じやすく、リードフレーム３０のうち空気中に露出する露出面を形成することが困難となる。
これに対して、第６形態の封止構造体５２０では、透過体５３１を、封止体２９の厚み方向他方Ａ２側の表面の縁辺に接触させずに、島状に配置することができ、透過体５３１を小型化することができる。透過体５３１を小型化することによって、リードフレーム３０の表面のうち、空気中に露出する露出面を容易に形成することができる。
透過体５３１を小型化することによって、環境温度の変化による封止構造体５２０の変形や、それにともなう透過体５３１への応力の発生を低減することができ、環境温度の変化による透過体５３１の割れ、ひずみおよび剥離を防ぐことができる。具体的には、図１に示した第１実施形態の封止構造体２０では、封止体２９と透過体３１とが接触する面積が大きく、両者の線膨張係数が異なることから、環境温度が変化した時にひずみが生じやすいが、図１１、図１２に示した第６実施形態の封止構造体５２０では、このような変形を低減することができる。
さらに、トランスファ成形では一般に熱硬化性の樹脂が使用される。この場合、硬化時の収縮、リードフレーム３０および封止体２９などの他の部材と、透過体３との線膨張係数の違いによって、室温において応力が生じた状態となっている。たとえば、硬化温度が１５０℃の透過用モールド樹脂を用いて透過体３１，１３１を成形した場合、１５０℃で硬化した時にリードフレーム３０および封止体２９が、線膨張係数の違いや、形状の非対称性により変形した状態となっている。この状態で透過体３１，１３１を成形すると、室温では、リードフレーム３０などの他の部材と透過体３１，１３１との線膨張係数の違いによって、透過体３１に、成形時の温度である１５０℃と室温の温度との差によって大きな応力が発生する。したがって透過体３１の変形および割れ、リードフレーム３０からの剥離などが生じやすく、信頼性および特性に問題が生じる。
これに対して、第６実施形態の透過体５３１では、別途単体で成形された透過体５３１を用いるので、リードフレーム３０などの他の部材と透過体５３１との間での熱応力の影響を少なくすることができ、より高い信頼性を得ることができる。さらに、透過体５３１を射出成形で作製することによって熱可塑性樹脂を用いて透過体５３１を成形することができ、成形後の応力をより緩和することができる。
また透過体５３１の位置合せ部５０１が、光学素子搭載部３４の開口３７に嵌合することによって、透過体５３１の位置合せが行われる。このように透過体５３１を直接位置合せが行われることによって、光学素子２２の光学面４１と、透過体５３１のレンズ部分４２とを容易にかつ高精度で位置合せすることが可能となる。なお、本実施の形態では、位置合せ部５０１が開口３７に嵌合するとしたが、光学素子搭載部３４または封止体２９に位置合せ部５０１を位置合わせするための位置合せ孔が、開口３７とは別に形成されてもよい。位置合せ部５０１が、位置合せ孔に嵌合することによって、透過体５３１が光学素子搭載部３４に位置合せされる。この場合、開口３７と対向する位置に位置合せ部５０１を形成する必要がない。
また本実施の形態では、透過体５３１に位置合せ部５０１と成る凸部を形成したが、光学素子搭載部３４または封止体２９に凸部を形成し、透過体５３１に凹所を形成してもよい。この場合、光学素子搭載部３４または封止体２９に形成される凸部を、透過体５３１に形成される凹所に嵌合させることによって、前述した場合と同様に、透過体５３１と光学素子搭載部３４とを位置合せすることができる。
また、透過体５３１と光学素子搭載部３４との位置合せにあたって、接着剤５０２を光学素子搭載部３４の開口３７およびサブマウント１００の開口１０４から漏れ出させることによって、透過体５３１と光学素子搭載部３４との間に接着剤５０２を均一に配置させることができる。また位置合せ部５０１が、テーパ形状に形成されることによって、各開口部３７，１０４に気泡が発生することを防止することができる。位置合せ部５０１のテーパ傾斜角、形状および大きさなどは、各開口３７，１０４から溢れ出させる接着剤７０の量に合わせて、任意のテーパ傾斜角、形状および大きさに最適化される。
接着剤７０２は、光学素子２２の光学面４１を覆い、光学素子搭載部３４の開口３７（透光部３８）、サブマウント１００の開口１０４（光透過部１０１）に充填するように注入される。接着剤５０２は、透過体５３１に接する。光学素子２２としてＬＥＤを使用する場合、光学面４１の表面を接着剤５０２で覆うことによって、前述のように外部量子効率を向上させることが可能となる。また、透過体５３１と同等の屈折率を有する接着剤５０２によって、光学素子搭載部３４の開口３７およびサブマウント１００の開口１０４を充填することで、フレネル反射による光利用効率の低下を防止することができる。
さらに、接着剤５０２は接着相手によって任意の材料を選択することができ、一般にトランスファ成形で用いられる透明樹脂とリードフレーム３０との接着力よりも、強い接着力を得ることができる。これによって、透過体５３１の光学素子搭載部３４からの剥離や、接着剤５０２の光学面４１からの剥離を防止することができ、信頼性の高い封止構造体５２０を得ることができる。
また、透過体５３１を小型化することができるので、透過体５３１がリードフレーム３０を覆う面積も少なくすることができる。これによってリードフレーム３０の厚み方向他方Ａ２の表面のうちの一部を空気中に露出させることができる。このようにしてリードフレーム３０の露出面積を大きくすることによって、封止構造体５２０の放熱特性を改善することができる。これによって透過体５３１の熱伝導性が低くても、リードフレーム３０による放熱特性が低下することを防ぐことができる。さらにリードフレーム３０の露出部を、冷却手段であるヒートシンクなどに接続することによって、より効率的に放熱を行うことができ、高温での動作が可能となる。
更に、封止体２９をリードフレーム３０の厚み方向一方Ａ２側にも形成してもよい。例えば、図６や図７に示す嵌合部９０を封止体２９によって形成してもよい。この場合、透過体５３１が配置される部分には封止体２９は形成せずにし、封止体２９の一部と、透過体５３１の接着部５００の外周部とを位置合せに使用することができる。このような構成とすることにより、光ファイバ２３との位置合せが容易となり、また、封止構造体５２０の強度も高くすることができる。
なお、上述した実施の各形態の封止構造体は、本発明の一例示に過ぎず、発明の範囲内でその構成を変更することができる。たとえば封止構造体２０，１２０，２２０，３２０，４２０，５２０は、光結合器２１に用いられるとしたが、他の装置に用いられてもよい。また光学素子２２は、上述に例示した素子以外であってもよい。また封止体２９は、モールド成形によって形成されることが好ましいが、他の製造方法によって封止構造体が製造されてもよい。また封止体２９は、光学素子２２の全体を覆う必要がない。
また、リードフレーム３０とは、光学素子２２およびドライバ回路３２などの被搭載体を搭載して支えるとともに、各被搭載体へ電気を伝える役割を果たす薄板状の金属板を意味する。本発明では、リードフレーム３０の代わりに、たとえば、ステムやプリント基板等の各種の基板を用いて、光学素子２２を搭載して封止構造体２０を製造することもできる。透光部３８は、開口３７が形成されるとしたが、光通過可能な透光性を有すればよい。またレンズ部分４２は、凸レンズに形成されるが、凹レンズなどの他の形状に形成されてもよい。また上述したように、透過体は、図３に示すようにトランスファ成形によって形成されて光学素子搭載部３４に固定されてもよいし、図１３に示すように接着剤７０２によって光学素子搭載部３４に接着されてもよい。
本発明の実施の第１形態である封止構造体２０を示す断面図である。 封止構造体２０を備える光結合器２１を示す断面図である。 封止構造体２０の製造手順を示すフローチャートである。 封止構造体２０の製造手順を示す図である。 封止体成形後の状態を示す平面図である。 本発明の実施の第２形態である封止構造体１２０を示す断面図である。 封止構造体１２０を備える光結合器１２１を示す断面図である。 本発明の実施の第３形態である封止構造体２２０を示す断面図である。 本発明の実施の第４形態である封止構造体３２０を示す断面図である。 本発明の実施の第５形態である封止構造体４２０を示す断面図である。 本発明の実施の第６形態である封止構造体５２０を示す断面図である。 封止構造体５２０を示す平面図である。 第６実施形態の封止構造体５２０の製造手順を示すフローチャートである。 封止構造体５２０の製造手順を説明するための断面図である。 第１の従来技術の封止構造体１を示す断面図である。 第２の従来技術の封止構造体１０を示す断面図である。 光学素子２が搭載されたリードフレーム３を金型に装着した状態を示す。
符号の説明
２０，１２０，２２０，３２０，４２０，５２０ 封止構造体
２１ 光結合器
２２ 光学素子
２９，４２９ 封止体
３０ リードフレーム
３１，１３１，３３１，５３１ 透過体
３３ ワイヤ
３４ 光学素子搭載部
３５ 内部接続部
３８ 透光部
４１ 光学面
４２ レンズ部分
８０ 光路
１００ サブマウント
Ａ 厚み方向

Claims (16)

  1. 予め定める光路を通過する光を、受光または発光する光学面を有する光学素子と、
    前記光学素子を搭載する搭載体と、
    モールド樹脂から成ってモールド成形され、前記光路を除く領域に形成されて光学素子を封止する封止体と、
    前記封止体よりも光透過率の高いモールド樹脂から成ってモールド成形され、搭載体と封止体とを内包して覆う透過体とを含み、
    前記搭載体は、予め定める光路に沿って進む光が貫通する透光部を有し、
    光学素子は、前記光学面が前記透光部に臨み、透光部の軸線方向一端部を塞いで搭載体に搭載されることを特徴とする光学素子の封止構造体。
  2. 封止体および透過体は、トランスファモールド成形によってそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１記載の封止構造体。
  3. 前記封止体には、溶融シリカ、結晶シリカ、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ボロン、酸化亜鉛および炭化ケイ素のうち、いずれか１つまたは複数の物質が添加されることを特徴とする請求項１または２記載の光学素子の封止構造体。
  4. 光学素子に電気的に接続される接続体と、
    光学素子と接続体とを電気的に接続し、封止体に封止されるワイヤとをさらに含み、
    前記封止体の線膨張係数は、ワイヤまたは光学素子の線膨張係数とほぼ同等に設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光学素子の封止構造体。
  5. 前記搭載体は、導電性を有する金属材料であるリードフレームであり、
    光学素子は、リードフレームに搭載されることを特徴とする請求項４記載の光学素子の封止構造体。
  6. 前記搭載体は、導電性を有する金属材料であるリードフレームと、サブマウントとを含み、
    光学素子は、サブマウントを介してリードフレームに搭載されることを特徴とする請求項４記載の光学素子の封止構造体。
  7. 光学素子は、導電性接着材によって搭載体に固定されることを特徴とする請求項５または６記載の光学素子の封止構造体。
  8. 接着材料は、銀ペーストまたはハンダペーストであることを特徴とする請求項７記載の光学素子の封止構造体。
  9. 前記透過体は、光ファイバの端部に形成されるプラグが嵌合する嵌合部が形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光学素子の封止構造体。
  10. 前記搭載体の透光部は、光学素子の光学面に向かうにつれて光路を絞る集光部分が形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の光学素子の封止構造体。
  11. 前記透光部は、光路に沿って延びる開口を形成し、光学面から遠ざかるにつれて内周径が拡径して形成され、その内周面が高い光反射率を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の光学素子の封止構造体。
  12. 透光部の内周面には、メッキ処理が施されることを特徴とする請求項１１記載の光学素子の封止構造体。
  13. 透光部の直径が、光学素子の光学面直径の１．１倍以上１．６倍以下に形成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の光学素子の封止構造体。
  14. 前記光学素子は、発光ダイオード、半導体レーザおよびフォトダイオードのうちのいずれか１つであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の光学素子の封止構造体。
  15. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載の光学素子の封止構造体を有し、光伝達媒体と光的に結合可能な光結合器。
  16. 受光または発光する光学面を有する光学素子を、搭載体に搭載し、搭載体に搭載される光学素子をモールド樹脂によって封止する光学素子の封止方法であって、
    搭載体に、予め定める光路に沿って進む光が貫通する透光部を形成する透光部形成工程と、
    光学面を透光部に臨ませ、光学素子によって透光部の軸線方向一端部を塞いだ状態で、光学素子を搭載体に搭載する半導体搭載工程と、
    光学素子が搭載される搭載体を第１の金型に装着し、第１の金型によって透光部の軸線方向他端部を塞いだ状態で、溶融シリカ、結晶シリカ、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ボロン、酸化亜鉛および炭化ケイ素のうち、いずれか１つまたは複数の充填材を添加した封止用モールド樹脂を第１の金型内に注入する封止用モールド樹脂成形工程と、
    第１の金型から封止用モールド樹脂が付着した搭載体を取り出して、その搭載体を第２の金型に装着し、第２の金型によって搭載体および封止用モールド樹脂を覆った状態で、封止用モールド樹脂よりも光透過率が高い透過性モールド樹脂を第２の金型内に注入して、封止用モールド樹脂と搭載体とを内包するように透過性モールド樹脂で覆う透過用モールド樹脂成形工程とを有することを特徴とする光学素子の封止方法。
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