JP5381280B2 - 光結合装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光結合装置に関する。本発明の光結合装置は、一方の端子と他方の端子を光信号を介して電気的に結合させるものである。具体的には、入力電気信号を光信号に変換し、さらに光信号を出力電気信号に変換することにより、入出力間の絶縁を保ちながらその間を電気的に結合させるための光結合装置に関する。
（２つのタイプの光結合装置）
光結合装置の２つのタイプを図１及び図２に示す。図１は対向型の光結合装置の断面図であり、図２は並置型の光結合装置の断面図である。
図１に示す対向型の光結合装置１１では、リードフレーム１２、１３に実装された発光素子１４と受光素子１５が互いに上下に対向しており、発光素子１４と受光素子１５の間を透光性樹脂１６で封止し、さらに透光性樹脂１６の外側を非透光性の封止樹脂１７で封止した構造となっている。そして、発光素子１４によって入力電気信号を光信号に変換し、発光素子１４から出射された光信号を受光素子１５に入射させることによって発光素子１４と受光素子１５を光学的に結合させ、受光素子１５によって光信号を出力電気信号に変換する。このような構造によれば、リードフレーム１２、１３間を電気的に絶縁しながら、入力側のリードフレーム１２から出力側のリードフレーム１３へ電気信号を伝達させることができる。
対向型の光結合装置１１では、発光素子１４から出射した光信号が透光性樹脂１６内を透過して直接に受光素子１５に入射するので、発光素子１４と受光素子１５の間の光結合効率が高くなる利点がある。しかしその反面、発光素子１４を実装したリードフレーム１２と受光素子１５を実装したリードフレーム１３が上下に対向して立体的な構造となっているため、製造コストが高くつく問題がある。
図２に示す並置型の光結合装置２１では、リードフレーム２２、２３の各先端部の同じ向きの面にそれぞれ発光素子２４と受光素子２５が実装され、発光素子２４と受光素子２５を覆うようにして透光性樹脂２６がドーム状に形成され、さらに透光性樹脂２６の外側を非透光性の封止樹脂２７で封止している。そして、発光素子２４によって入力電気信号を光信号に変換し、発光素子２４から出射した光信号を透光性樹脂２６と封止樹脂２７の界面で反射させて受光素子２５に入射させることによって発光素子２４と受光素子２５を光学的に結合させ、受光素子２５によって光信号を出力電気信号に変換する。このような構造でも、リードフレーム２２、２３間を電気的に絶縁しながら、入力側のリードフレーム２２から出力側のリードフレーム２３へ電気信号を伝達させることができる。
このような並置型の光結合装置２１では、発光素子２４から出た光信号を透光性樹脂２６の界面で反射させて受光素子２５へ導くため、透光性樹脂２６の界面における光信号の漏れや吸収によって発光素子２４と受光素子２５の間の光結合効率が低下しやすい。しかし、並置型の光結合装置２１では、発光素子２４と受光素子２５がリードフレーム２２、２３の先端部（素子実装部分）において同じ向きの面に配置されているので、発光素子２４と受光素子２５のリードフレーム２２、２３へのダイボンドや、ボンディングワイヤ２８、２９の結線などを行いやすく、製造コストを安価にできる利点がある。
（光起電力の向上と光電流の改善）
つぎに、光結合装置の光起電力を高めるために一般に用いられている構造について説明する。光結合装置の受光素子は、通常、単一の受光セルで形成することは少なく、複数個の受光セルを並べて受光領域を形成し、各受光セルを直列接続している。このような構造によれば、全体としての起電力は、個々の受光セルの起電力の総和となるので、大きな光起電力を得ることができる。
しかし、複数個の受光セルを直列に接続した場合には、各受光セルに発生する光電流を均一にする必要がある。これは直列に接続された受光セル全体に流れる光電流は、複数個の受光セルのうちで最も小さな光電流によって制限されるためである。
従って、受光時に受光素子に流れる光電流を大きくして光結合装置の効率を最良の状態にするためには、各受光セルに発生する光電流を均一にする必要があり、そのためには各受光セルの受光量を均等にする必要がある。各受光セルの受光量を均等にする方法としては、受光セルの面積を最適化する方法が用いられる。
対向型の光結合装置１１では、図３（ａ）に示すように、１６個の受光セルａ、ｂ、ｃを升目状に配置して受光素子１５を形成し、中央部の受光セルａの面積を小さくするとともに周辺部の受光セルｃの面積を大きくするのが一般的である。このような構造は、特許文献１に記載されている。一般的に光の強度は距離の２乗に比例するので、受光セルの面積を中央部で小さく、周辺部で大きくすることにより、各受光セルの受光量を均一化でき、それによって光電流を大きくして光結合装置の効率を高くできる。
また、特許文献１に開示されている対向型の光結合装置１１では、図３（ｂ）に示すように、中央部の受光セルａの面積を大きくするとともに周辺部の受光セルｃの面積を小さくしている。これは透光性樹脂１６と封止樹脂１７の界面で反射して受光セルａ、ｂ、ｃに入射する光信号を考慮したものである。
一方、並置型の光結合装置２１の場合には、受光セルの面積を最適化したものはなく、いずれも図３（ｃ）に示すように、同じ面積の受光セルＡを升目状に配置して受光素子２５を形成している。そのため、発光素子２４に近い受光セルＡでは受光量が大きく、発光素子２４から遠い受光セルＡでは受光量が小さくなっており、各受光セルＡの受光量のばらつきが大きく、各受光セルＡに発生する光電流のばらつきが大きかった。
さらに、並置型の光結合装置２１の場合には、溶融状態の樹脂を発光素子２４と受光素子２５の間に滴下し、これを硬化させて透光性樹脂２６を形成するが、この樹脂の粘度や滴下量のばらつきのために透光性樹脂２６の高さや形状（すなわち、反射面形状）にもばらつきが生じやすい。その結果、透光性樹脂２６で反射されたのち受光素子２５を照射する光信号の光強度分布や光量が変化し、光電流のばらつきや光起電力の変動をもたらす問題があった。なお、この点については、後ほど比較例２において具体的に説明する。
（その他の従来技術）
並置型の光結合装置において受光セルの受光量を均一化する方法としては、反射面形状に工夫をこらしたものが種々提案されている。例えば、特許文献２に開示された光結合半導体装置では、透光性樹脂の上面に断面三角形状の突起部を設けている。また、特許文献３に開示された光結合装置では、透光性樹脂の表面を楕円形状に成形してその周面に反射膜を形成し、その楕円焦点に発光素子と受光素子を配置している。特許文献４に開示された光結合装置では、透光性樹脂の上面にフレネルレンズ状のレンズ面を形成している。
しかし、特許文献２〜４に開示されているような方法では、いずれも透光性樹脂の表面形状を精度よく制御する必要があるので、光結合装置の製造コストが高くつき、並置型の光結合装置のメリットを活かすことができなくなる欠点があった。
並置型の光結合装置では、上記のように受光素子に発生する光電流を大きくすることのできる有効な方法は未だ確立されていないが、並置型の光結合装置には製造が容易で製造コストも安価に抑えられるというすぐれたメリットがあるため、コストアップを招かないような方法によって光電流を大きくする方法が強く求められている。
特許第３０２６３９６号公報 特許第３７２５４１０号公報 特開平５−２１８４９１号公報 特開平５−３０８１５１号公報
本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、対向型光結合装置に比べて製造コストの安価な並置型の光結合装置において、光起電力と光電流の値を高くして効率を良好にすることにある。
このような目的を達成するために、本発明にかかる光結合装置は、電気信号を光信号に変換する第１の変換素子と光信号を電気信号に変換する第２の変換素子をそれぞれの端子板の素子実装部において同じ向きの面に実装し、前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を覆うようにして光反射曲面を形成し、前記第１の変換素子から発した光信号を前記光反射曲面で反射させることによって前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を光学的に結合させた光結合装置において、前記第２の変換素子は、電気的に直列に接続され、かつ、互いに平行に配列された一方向に長い複数個の受光セルを有し、前記第１の変換素子は、前記第２の変換素子の輪郭に接するように定めた、前記受光セルの長さ方向と平行な２本の接線に挟まれた領域内に配置されていることを特徴としている。
本発明の光結合装置では、第１の変換素子と第２の変換素子の距離がばらついたり、光反射曲面の形状がばらついたりして、第２の変換素子に入射する光信号の照射位置がずれた場合でも、光信号が各受光セルにほぼ均一に入射するとともに各受光セルで受光される光量もほとんど変化しないようにすることができる。そのため、第２の変換素子に発生する起電力や出力電流（光電流）を大きくすることができるだけでなく、起電力や出力電流が安定することになり、光結合装置の出力特性を安定させることができる。
本発明のある実施態様による光結合装置は、互いに平行に配列された前記受光セルのうち、中央部に位置する受光セルの幅が狭く、端に位置する受光セルの幅が広くなっている。第１の変換素子が第２の変換素子の幅方向中央を通る中心線上あるいは当該中心線の近傍にある場合には、中央部の受光セルでは光強度が高くなり、端の受光セルでは光強度が低くなることがあるが、そのような場合には、中央部に位置する受光セルの幅を狭く、端に位置する受光セルの幅を広くすることで各受光セルの受光量を均一化することができ、光結合装置の出力特性をより向上させることができる。
本発明にかかるＭＯＳドライバは、電気信号を光信号に変換する第１の変換素子と光信号を電気信号に変換する第２の変換素子をそれぞれの端子板の素子実装部において同じ向きの面に実装し、前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を覆うようにして光反射曲面を形成し、前記第１の変換素子から発した光信号を前記光反射曲面で反射させることによって前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を光学的に結合させた光結合装置において、前記第２の変換素子は、電気的に直列に接続され、かつ、互いに平行に配列された一方向に長い複数個の受光セルを有し、前記第１の変換素子は、前記第２の変換素子の輪郭に接するように定めた、前記受光セルの長さ方向と平行な２本の接線に挟まれた領域内に配置され、ＭＯＳＦＥＴを駆動するための制御回路が、前記第２の変換素子と並列に接続されたことを特徴としている。
本発明にかかる半導体リレーは、電気信号を光信号に変換する第１の変換素子と光信号を電気信号に変換する第２の変換素子をそれぞれの端子板の素子実装部において同じ向きの面に実装し、前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を覆うようにして光反射曲面を形成し、前記第１の変換素子から発した光信号を前記光反射曲面で反射させることによって前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を光学的に結合させた光結合装置において、前記第２の変換素子は、電気的に直列に接続され、かつ、互いに平行に配列された一方向に長い複数個の受光セルを有し、前記第１の変換素子は、前記第２の変換素子の輪郭に接するように定めた、前記受光セルの長さ方向と平行な２本の接線に挟まれた領域内に配置され、ＭＯＳＦＥＴを駆動するための制御回路が、前記第２の変換素子と並列に接続され、前記接続回路の両端にそれぞれＭＯＳＦＥＴが接続されたことを特徴としている。
これらのＭＯＳドライバや半導体リレーは、本発明の光結合装置の構造を利用して作製することができるので、本発明の光結合装置と同様な作用効果を奏している。また、制御回路やＭＯＳＦＥＴを一体に形成することができるので、ＭＯＳドライバや半導体リレーを小型化することができる。
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
図１は、従来の対向型の光結合装置を示す断面図である。 図２は、従来の並置型の光結合装置を示す断面図である。 図３（ａ）は、従来の対向型光結合装置に用いられている受光セルの配置を示す平面図である。図３（ｂ）は、従来の対向型光結合装置に用いられている受光セルの別な配置を示す平面図である。図３（ｃ）は、従来の並置型光結合装置に用いられている受光セルの配置を示す平面図である。 図４は、本発明の実施形態１にかかる光結合装置の断面図である。 図５は、同上の光結合装置において、リードフレームに実装された発光素子と受光素子を示す平面図である。 図６は、比較例１を示す概略平面図である。 図７は、実施形態１の光結合装置の回路構成を示す図である。 図８（ａ）は、受光素子の一部を示す概略断面図である。図８（ｂ）は、別な構造の受光素子の一部を示す概略断面図である。 図９（ａ）は、比較例２の光結合装置を示す断面図である。図９（ｂ）は、その発光素子及び受光素子の配置と、受光セルの構成を示す平面図である。 図１０（ａ）は、比較例２の光結合装置を示す断面図である。図１０（ｂ）は、その発光素子及び受光素子の配置と、受光セルの構成を示す平面図である。 図１１（ａ）（ｂ）は、実施形態１の光結合装置の作用説明図である。 図１２は、比較例３を示す概略平面図である。 図１３は、比較例３の受光素子の出力電流の測定値と、実施形態１の受光素子の出力電流の測定値とを比較して示した図である。 図１４は、本発明の実施形態２にかかる光結合装置の概略平面図である。 図１５は、本発明の実施形態３にかかる光結合装置の断面図である。 図１６は、実施形態３の光結合装置の作用説明図である。 図１７は、本発明にかかるＭＯＳドライバの回路構成を示す図である。 図１８は、本発明にかかる半導体リレーの回路構成を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
（第１の実施形態）
まず、実施形態１の光結合装置３１の構造を説明する。図４は、実施形態１による光結合装置３１の構造を示す断面図である。図５は、光結合装置３１の内部においてリードフレーム３２、３３の素子実装部３２ａ、３３ａに実装された発光素子３４（第１の変換素子）と受光素子３５（第２の変換素子）を示す平面図である。
光結合装置３１は、図５に示すように、素子実装部３２ａに発光素子３４をダイボンドするためのリードフレーム３２（端子板）、受光素子３５をダイボンドするためのリードフレーム３３（端子板）、結線部４０ａと発光素子３４との間をワイヤボンディングするためのリードフレーム４０、結線部４１ａ、４２ａと受光素子３５との間をワイヤボンディングするためのリードフレーム４１、４２を備えている。リードフレーム３２、３３の各素子実装部３２ａ、３３ａとリードフレーム４０、４１、４２の各結線部４０ａ、４１ａ、４２ａとは、いずれも平板状に形成されていて封止樹脂３７の内部でほぼ同一平面上に配置されている。また、リードフレーム３２、３３、４０〜４２はいずれも、封止樹脂３７の外部においてプリント基板などへの実装に適した形状に屈曲されている。
リードフレーム３２、３３は、銅、鉄、４２アロイなどの金属材料によって作製されており、その表面にはメッキが施されている。それぞれのリードフレーム３２、３３、４０〜４２は、封止樹脂３７内に封止されている部分（インナーリード）では、ワイヤボンド性向上のため銀またはニッケル（下層）／パラジウム（中間層）／金（上層）の３層からなるメッキが施されている。また、封止樹脂３７の外に出た部分（アウターリード）では、ハンダ等で実装するためにハンダメッキまたは銀（下層）／パラジウム等の鉛フリーメッキ（上層）の２層メッキが施されている。
リードフレーム３２の素子実装部３２ａには、発光素子３４をダイボンドにより実装してある。発光素子３４は、ダイボンド面と反対面（上面）が光出射面となっている。また、発光素子３４とリードフレーム４０の結線部４０ａとの間は、金線、アルミニウム線または銅線（一般的には、金線が用いられる。）からなるボンディングワイヤ３８で電気的に結線されている。
発光素子３４は、電気信号を光信号に変換する素子であって、主に発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。たとえば、ＡｌＧａＡｓ系のＬＥＤ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＬＥＤ、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系のＬＥＤなどを用いることができるが、材料によって発光波長のピークが異なるので、受光素子３５のピーク感度波長や部品コストを考慮して適当なものを選定すればよい。
リードフレーム３３の素子実装部３３ａには、受光素子３５をダイボンドにより実装している。受光素子３５は、光信号を電気信号に変換する素子、主にフォトダイオードアレイであり、ダイボンド面と反対面（上面）に受光領域が形成されている。また、受光素子３５のワイヤボンドパッド４３、４４とリードフレーム４１、４２の結線部４１ａ、４２ａとの間は、金線、アルミニウム線または銅線（一般的には、金線が用いられる。）からなるボンディングワイヤ３９で電気的に結線されている。
受光素子３５は、基板４５の上面に複数個の受光セル４６を設けたものである。受光セル４６は、光信号を電気信号に変換する領域、すなわち光信号を受光して光起電力を発生させる領域である。受光セル４６は主にフォトダイオードによって形成され、その場合には受光素子３５はフォトダイオードアレイとなる。各受光セル４６は、上面から見て一方向に長い長方形状ないし短冊状をしており、等しい幅と等しい長さを有している。各受光セル４６は、一定のピッチで互いに平行に配列されており、互いに直列に接続されている。
発光素子３４と受光素子３５の位置関係（配置）について説明すると、つぎの通りである。発光素子３４と受光素子３５は、それぞれ素子実装部３２ａと素子実装部３３ａの同じ向きの面に（すなわち、いずれの素子も素子実装部の上面に）実装されており、光結合装置３１は、並置型の光結合装置となっている。
また、発光素子３４は、受光素子３５に対して受光セル４６の長さ方向に位置している。正確にいうと、受光セル４６の長さ方向と平行な、受光素子３５の輪郭に接する２本の接線（図５に即して言えば、上面側から見て、受光素子３５の側面を延長した線）に挟まれた領域、すなわち図５のｗ２で示す領域に、発光素子３４が配置されている。より好ましくは、発光素子３４は、複数の受光セル４６の配置されている受光領域の縁を延長した線（端の受光セル４６の外側の縁を延長した線）に挟まれた領域、すなわち図５のｗ１で示す領域に配置されている。典型的な配置では、図５に示すように、受光素子３５の受光領域の中心と発光素子３４の中心とを結ぶ線分が、受光セル４６の長さ方向と平行となっている。
また、ワイヤボンドパッド４３、４４は、受光領域外において、受光素子３５の、受光セル４６の長さ方向と直交する辺に沿って設けてあり、受光素子３５はワイヤボンドパッド４３、４４が発光素子３４から遠い側にくるようにしてリードフレーム３３にダイボンドされている。ワイヤボンドパッド４３、４４は、図６に示す比較例１のように、受光領域の側方に配置することも可能であるが、このような形態であると、ボンディングワイヤ３９の配線が複雑になり、光信号がボンディングワイヤ３９で遮られたり、ボンディングワイヤ３９が透光性樹脂３６のドーム形状に影響を与えたりする。したがって、ワイヤボンドパッド４３、４４は、図５のように発光素子３４から遠い側に位置させることが好ましい。
図４に示すように、素子実装部３２ａに実装された発光素子３４や素子実装部３３ａに実装された受光素子３５は、ドーム状の透光性樹脂３６で覆われており、透光性樹脂３６の上面には光反射樹脂層４８が形成され、さらに、リードフレーム３２、３３、４０〜４２の端部を残してほぼ全体を封止樹脂３７で封止している。
透光性樹脂３６は、発光素子３４から発した光信号が通過する媒質であるので、透明ないし光透過性を有するシリコーン樹脂やゴムなどで形成されている。また、透光性樹脂３６は、ほぼ半球状ないしほぼ半楕円球状などのドーム状に形成されている。なお、透光性樹脂３６は素子実装部３２ａ、３３ａの裏面側にも若干形成されている。
透光性樹脂３６と光反射樹脂層４８との界面は、光信号を反射させるための光反射曲面となるので、透光性樹脂３６の上面を覆う光反射樹脂層４８は、光信号を反射させるのに適した材料で形成されている。たとえば、反射率の高い有色樹脂（主に、酸化チタンなどの反射性のよい材料を充填された白色樹脂）を用いればよい。また、光反射樹脂層４８を透光性樹脂３６よりも屈折率の小さな透明樹脂で形成し、透光性樹脂３６と光反射樹脂層４８との界面で光信号を全反射させるようにしたものであってもよい。光反射樹脂層４８の材料としては、シリコーン樹脂、ゴム、エポキシ樹脂などが用いられる。
封止樹脂３７は、発光素子３４や受光素子３５などを外力や周囲環境から保護（物理的保護、化学的保護）するものであって、シリカを充填したエポキシ樹脂によって成形されている。また、シリカ以外に酸化チタンなどの反射性のよい物質を封止樹脂３７に充填しておけば、封止樹脂３７で光信号を反射させることができるので、透光性樹脂３６を省略することができる。
しかして、このような構造の光結合装置３１によれば、リードフレーム３２から入力された電気信号を発光素子３４によって光信号に変換し、発光素子３４から光信号を出射させることができる。発光素子３４から出射した光信号は、透光性樹脂３６の界面（光反射曲面）で反射されて受光素子３５に入射し、各受光セル４６で受光される。受光素子３５で受光された光信号は、受光素子３５によって電気信号に変換され、変換された電気信号はリードフレーム３３から出力される。
また、図７に示すように、受光素子３５においては複数の受光セル４６が直列に接続されているので、各受光セル４６が光信号を受光することによって光起電力を発生し、受光素子３５全体としては大きな光起電力を得ることができる。例えば、一つの受光セル４６で０.５Ｖ〜０.６Ｖの起電力が生じるとすれば、受光素子３５全体では、（０.５Ｖ〜０.６Ｖ）×セル段数だけの起電力を得ることができる。
また、受光素子３５は、図８（ａ）に示すような断面構造となっている。受光素子３５は、ポリシリコン等の基板４５の上に酸化膜等の絶縁物からなる分離層４７を形成し、その上に分離層４７で区切られた複数個の受光セル４６を形成した構造となっている。受光セル４６は、たとえばＳｉ系、Ｇｅ系、ＩｎＧａＡｓ系などのフォトダイオードによって構成される。受光セル４６は、材料によってピーク感度が異なるので、発光素子３４の発光ピーク波長や部品コストを考慮して適当なものを選定すればよい。各受光セル４６は、受光素子３５の上面に形成された金属配線パターン（図示せず）によって直列に接続されている。
また、図８（ａ）に示す受光素子３５では、各受光セル４６は断面がほぼ矩形状となっている。これはＳＯＩ方式の分離層４７を用いた場合である。複数の受光セル４６を直列に接続するためには各受光セル４６どうしを分離（アイソレーション）する必要があるが、その分離方式にはＤＩ方式とＳＯＩ方式がある。ＳＯＩウエハを利用するＳＯＩ方式の場合には、分離層４７を垂直に形成することができるので、受光セル４６は断面がほぼ矩形状となる。これに対し、ＤＩ方式の場合には、図８（ｂ）に示すように、側面での分離層４７が傾斜するので、受光セル４６は断面が略Ｖ形となる。
ＤＩ方式では、受光セル４６の断面が略Ｖ形となるので、受光セル４６の両側部（図８（ｂ）にＱで示す傾斜領域）で受光セル４６の深さが浅くなっており、この領域では受光セル４６の効率が悪い。ＤＩ方式の場合には、受光セル４６の幅Ｐをあまり狭くすると傾斜領域Ｑの割合が大きくなって受光セル４６全体の効率が悪くなるので、受光セル４６の幅を狭くすることが困難である。これに対し、ＳＯＩ方式では、このような傾斜領域がほとんど生じないので、受光セル４６の幅を狭くすることが可能である。本実施形態のように長方形状の受光セル４６を複数個平行に並べる場合には、同数の受光セル４６を形成する場合には、ＳＯＩ方式の方が受光素子３５のサイズを小型化することができ、また同じサイズの受光素子３５であれば、ＳＯＩ方式の方が受光セル４６の数を多くとることができて受光素子３５の光起電力を大きくできる。よって、本実施形態においては、受光セル４６はＳＯＩ方式によって断面矩形状に形成することが望ましい。
（製造プロセス）
つぎに、光結合装置３１の製造プロセスを説明する。
(1) まず、電気伝導性と熱伝導性に優れた材質（たとえば銅系の材質。あるいは鉄系の材質や４２アロイでもよい。）のフープ材をパンチングまたはエッチングすることにより、所望形状のリードフレーム３２、３３、４０〜４２などを形成する。ついで、各リードフレーム３２、３３、４０〜４２のインナーリードに、ワイヤボンド性を良好にするようなメッキ処理（たとえばＣｕ下地にＡｇメッキしたもの。あるいは、Ｎｉ／Ｐｄ下地にＡｕメッキしたものでもよい。）を施した後、リードフレーム３２、３３にそれぞれ、導電性接着剤（たとえばＡｇペーストすなわちＡｇ粒子を含んだエポキシ樹脂でもよい。）などで発光素子３４、受光素子３５をダイボンダ等の装置で搭載する。導電性接着剤の場合は、１００〜１５０℃程度のオーブンで熱硬化させる。受光素子３５は、共晶結合でリードフレーム３３に接合（搭載）される場合もある。
(2) ついで、ワイヤボンダ等の装置を用いて、発光素子３４のワイヤボンドパッドとリードフレーム４０をボンディングワイヤ３８で結線する。また、ワイヤボンダ等により受光素子３５のワイヤボンドパッド４３、４４とリードフレーム４１、４２をボンディングワイヤ３９で結線する。このときワイヤボンド性をよくするために１８０〜２５０℃程度の温度をかけながらワイヤボンディングを行う。
(3) 発光素子３４と受光素子３５を光学的に結合するため、粘度調整された流動状態のシリコーン樹脂、ゴム、エポキシ樹脂などの透光性樹脂３６を、半球状または半楕円球状となるよう、ディスペンサなどの装置で発光素子３４と受光素子３５を覆うように塗布する。このときの透光性樹脂３６の粘度は、１〜１０ｐａ・sであり、シリコーン樹脂を用いる場合には、その透過率は９７％以上、屈折率は１.４〜１.６程度である。透光性樹脂３６が熱硬化性樹脂である場合には、１００〜１５０℃程度の温度で１〜２時間程度加熱して透光性樹脂３６を硬化させる。透光性樹脂３６を安定した半球状または半楕円球状形にするためには、全体を上下反転させて発光素子３４や受光素子３５がリードフレーム３２、３３の下面側となるようにし、透光性樹脂３６が下方へ垂れ下がった状態で熱硬化させればよい。
(4) ついで、透光性樹脂３６の表面を、酸化チタンなどの粒子を充填された反射性のある有色樹脂からなる光反射樹脂層４８で覆う。あるいは、透光性樹脂３６よりも屈折率の低い透光性樹脂（屈折率１.２〜１.４程度）で覆ってもよい。
(5) さらに、トランスファー成形機により、透光性樹脂３６及び光反射樹脂層４８の外側を熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂）で封止し、封止樹脂３７を成形する。このときの金型温度は１６０〜１８０℃程度である。封止樹脂３７を完全に硬化させるために１００〜１５０℃の温度で３〜８時間加熱し、アフターキュアを行う。
(6) この後、封止樹脂３７の成形時にできたリードフレーム３２、３３、４０〜４２の樹脂止め（タイバー）と封止樹脂３７の間の厚張りをパンチで型抜きし、リードフレーム３２、３３、４０〜４２の樹脂止め（タイバー）をパンチで型抜きする。また、成形時にできたリードフレーム３２、３３、４０〜４２の表面の薄バリを電解バリ取りやブラストにより除去する。
(７) ついで、リードフレーム３２、３３、４０〜４２のアウターリードをハンダや鉛フリーメッキにより外装メッキする。
(8) リードフレーム３２、３３、４０〜４２を金型により所定の長さにカットして折り曲げ、フープ材から切り離す。
(9) 最後に、光結合装置３１（製品）を半導体テスタ等でテストし、良品／不良品判別し、不良品の抜き取りを行うとともに、良品を実装機形態に合せて梱包する。たとえば、実装にマウンタを使う場合には、光結合装置３１をテープリールで梱包する。
（実施形態１の特徴）
本実施形態の光結合装置３１によれば、受光セル４６を直列に接続しているので、光起電力を大きくできることを説明したが、さらに受光素子３５に発生する光電流も大きくできることを比較例２と比較しながら説明する。図９（ａ）及び図１０（ａ）は比較例２の光結合装置１０１の要部を示す概略断面図であり、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）は光結合装置１０１の受光素子１０５における光照射強度の分布を表した図である。なお、図９（ｂ）及び図１０（ｂ）における破線は、光信号による光照射強度の分布を表しており、太い破線ｅは光照射強度の高い領域を示し、細い破線ｇは光照射強度の低い領域を示し、中間の太さの破線ｆは中間の光強度の領域を表している。
従来の並置型の光結合装置では、図３（ｃ）に示したように、同じ面積の受光セルＡが升目状に配列されていた。しかし、並置型の光結合装置の場合には、受光素子の受光領域のうち発光素子に近い領域では光照射強度が高く、発光素子から遠くなると光照射強度が低くなる。したがって、対向型の光結合装置に適用されていた特許文献１のような技術的思想を並置型の光結合装置に適用するなら、図９（ｂ）又は図１０（ｂ）に示すように、発光素子３４に近い受光セル１１６の面積を小さくし、発光素子３４から遠くなるほど受光セル１１６の面積を大きくすればよい。
このように受光セル１１６を升目状に配置し、発光素子３４からの距離に応じて次第に受光セル１１６の面積が大きくなるようにした比較例２の光結合装置１０１では、受光セル１１６の面積の最適化がなされているので、発生する光電流を大きくでき、光結合装置１０１の特性が向上するように思われる。
しかしながら、シリコーン樹脂やゴム等からなる透光性樹脂３６は、熱・光・硬化剤などの反応による粘度の経時変化、製造ロットよる初期・硬化時の粘度差、ディスペンス内の樹脂量差による吐出量の差、封止樹脂で封止することによる変形などがあり、透光性樹脂３６を所望のドーム形状や高さ、屈折率となるように制御することは非常に困難である。このことにより、光反射曲面の形状を安定させることは難かしい。
並置型の光結合装置では、発光素子３４と受光素子１０５とが光反射曲面を通して光結合されるので、透光性樹脂３６（光反射曲面）の形状のばらつきや発光素子３４と受光素子１０５との距離のばらつきなどの影響を受ける。例えば、透光性樹脂３６の塗布量が少なかったり、透光性樹脂３６の粘度が低かったりして図９（ａ）のように透光性樹脂３６の高さが低くなった場合には、光反射曲面で反射された光信号は遠くまで届くようになる。そのため、受光素子１０５における光信号による光照射強度は、図９（ｂ）に示すように、発光素子３４から遠い側へシフトする。反対に、透光性樹脂３６の塗布量が多かったり、透光性樹脂３６の粘度が高かったりして図１０（ａ）のように透光性樹脂３６の高さが高くなった場合には、光反射曲面で反射された光信号は遠くに届きにくくなる。そのため、受光素子１０５における光信号による光照射強度は、図１０（ｂ）に示すように、発光素子３４に近い側へシフトする。
比較例２のような受光セル構造の場合には、このように光照射強度の分布がずれると、各受光セル１１６で受光する光量が大きくばらつくことになるので、受光素子１０５の光起電力や光電流が大きくばらつき、その出力特性のばらつきが大きくなる。また、受光素子１０５における受光信号の広がりに比べて一列の受光セル１１６（一列の受光セルのひとつを図９において２点鎖線で囲んで示す。）の全体の長さを長くすれば、光照射強度の分布がずれても一列の受光セル１１６全体で受光する受光量は変化しにくくなる。しかし、升目状に分離された受光セル１１６において一列の長さを長くした場合には、端の受光セル１１６がほとんど光信号を受光しなくなり、ほとんど光電流が発生しなくなるので、受光素子１０５の出力電流がきわめて小さくなるという不具合が生じる。なお、このような問題は、図３（ｃ）に示したような同じ面積の受光セルを升目状に配列させた従来例でも同じように問題となる。
これに対し、本実施形態の光結合装置３１では、受光セル４６の長さが光信号の照射領域に比べて十分に長ければ、発光素子３４と受光素子３５の距離がばらついたり、透光性樹脂３６の形状がばらついたりして、図１１（ａ）（ｂ）に示すように光信号の照射位置がずれても、光信号が各受光セル４６にほぼ均一に入射するとともに各受光セル４６で受光される光量もほとんど変化がない。そのため、受光素子３５の起電力や出力電流（光電流）を大きくすることができるだけでなく、起電力や出力電流が安定することになり、光結合装置３１の特性が安定する。
つぎに、受光セル４６の配列方向と光結合装置の効率との関係を調べた結果を説明する。図１２は、複数個の受光セル１３６を並列に配列した受光素子１２５を、受光セル１３６の配列方向が発光素子３４と受光素子１２５を結ぶ方向とほぼ平行となるように実装した比較例３の光結合装置１２１を表している。
図１３は、比較例３の光結合装置１２１と実施形態１の光結合装置３１を各々複数個作製し、それぞれの光結合装置の出力電流を測定した結果を表している。菱形のマークは比較例３の測定結果を表し、四角のマークは実施形態１の測定結果を表し、円形のマークはそれぞれの測定結果の平均値を表している。この測定結果によれば、実施形態１の光結合装置３１では、比較例３の光結合装置１２１に比べて出力電流（光電流）が１５％以上大きくなっており、本発明の実施形態１によれば光結合装置の出力特性を向上させられることが分かる。比較例３と実施形態１とは受光セルの配置を除けば同じ構造を有している。それにもかかわらず、実施形態１の光結合装置３１の方が出力電流が大きくなるのは、各受光セル４６に入射する光信号の光量の差が小さくなる（各受光セル４６がほぼ均等に受光する）ため、各受光セル４６で発生する光電流のうちで最も小さな光電流の値が大きくなるからである。
（第２の実施形態）
図１４は本発明の実施形態２による光結合装置５１の要部の構造を示す平面図である。実施形態１の光結合装置３１では、平行に配列された各受光セル４６は等しい幅を有していたが、この光結合装置５１では、中央部の受光セル４６の幅を狭くし、端の受光セル４６ほど幅が広くなるようにしている。他の構成については、実施形態１と同様であるので、説明は省略する。
発光素子３４が受光領域（受光セル全体）のほぼ中心線上に位置している場合には、両端の受光セル４６よりも中央の受光セル４６の方が入射する光信号の光強度が大きくなる。したがって、このような場合には、中央の受光セル４６の幅を適宜狭くし（従って、面積が狭くなる。）、端の受光セル４６の幅を適宜広く（従って、面積は広くなる。）することにより、各受光セル４６の受光量をより均等に近づけることができる。その結果、光結合装置５１の出力電流がより大きくなり、出力特性がより一層向上する。
また、発光素子３４が受光領域の中心線からかなり離れた位置に配置されるような場合には、各受光セル４６の幅は受光領域の中心線に対して非対称になっていてもよい。さらには、光反射樹脂層４８による光信号の反射の様子によっては、中央部の受光セル４６の幅を広くし、端の受光セル４６の幅を狭くすることも可能である。
（第３の実施形態）
図１５は、本発明の実施形態５による光結合装置５２を示す断面図である。この光結合装置５２でも、発光素子３４と受光素子３５は、それぞれ素子実装部３２ａと３４ａにおいて同じ向きの面に実装されているので並置型の光結合装置となっている。さらに、この光結合装置５２では、発光素子３４を実装した素子実装部３２ａが受光素子３５を実装した素子実装部３３ａよりも高くなっている。
この光結合装置５２のように、発光素子３４の位置が受光素子３５の位置よりも高くなっていると、図１６に矢印線で示すように、発光素子３４から出射した光が光反射樹脂層４８で反射して受光素子３５に入射するだけでなく、発光素子３４から出射した光の一部は光反射樹脂層４８で反射することなく直接受光素子３５で受光されるようになる。その結果、発光素子３４と受光素子３５の光結合効率が向上し、光結合装置５２の出力特性がより良好となる。
（第４の実施形態）
図１７は本発明の実施形態４によるＭＯＳドライバ６１の回路構成を示す平面図である。このＭＯＳドライバ６１は、実施形態１の光結合装置３１において、受光素子３５と並列に制御回路６２を接続したものである。制御回路６２は光結合装置３１に外付けされるのでなく、発光素子３４や受光素子３５とともに封止樹脂３７内に封止されている。
このＭＯＳドライバ６１は出力側にＭＯＳＦＥＴを外付けし（図１８参照）、ＭＯＳＦＥＴのゲートをオン（チャージ）／オフ（ディスチャージ）制御するものである。また、制御回路６２は、ＭＯＳドライバ６１の出力側に接続される負荷を制御するものであって、抵抗やトランジスタ等によって構成されている。
（第５の実施形態）
図１８は本発明の実施形態５による半導体リレー６３の要部の構造を示す平面図である。この半導体リレー６３は、前記ＭＯＳドライバ６１において、受光素子３５の一端（アノード側）に２つのＭＯＳＦＥＴ６４、６５のゲート電極を接続し、また受光素子３５の他端（カソード側）に各ＭＯＳＦＥＴ６４、６５のソース電極を接続し、ＭＯＳＦＥＴ６４、６５のドレイン電極を半導体リレー６３の出力端子としたものである。ＭＯＳＦＥＴ６４、６５はＭＯＳドライバ６１に外付けされるのでなく、発光素子３４や受光素子３５、制御回路６２とともに封止樹脂３７内に封止されている。
３１、５１ 光結合装置
３２、３３、４０、４１、４２ リードフレーム
３２ａ、３３ａ 素子実装部
３４ 発光素子
３５ 受光素子
３６ 透光性樹脂
３７ 封止樹脂
４３、４４ ワイヤボンドパッド
４６ 受光セル
４８ 光反射樹脂層
６１ ＭＯＳドライバ
６３ 半導体リレー

Claims (4)

  1. 電気信号を光信号に変換する第１の変換素子と光信号を電気信号に変換する第２の変換素子をそれぞれの端子板の素子実装部において同じ向きの面に実装し、前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を覆うようにして光反射曲面を形成し、前記第１の変換素子から発した光信号を前記光反射曲面で反射させることによって前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を光学的に結合させた光結合装置において、
    前記第２の変換素子は、電気的に直列に接続され、かつ、互いに平行に配列された一方向に長い複数個の受光セルを有し、
    前記第１の変換素子は、前記第２の変換素子の輪郭に接するように定めた、前記受光セルの長さ方向と平行な２本の接線に挟まれた領域内に配置されていることを特徴とする光結合装置。
  2. 互いに平行に配列された前記受光セルのうち、中央部に位置する受光セルの幅が狭く、端に位置する受光セルの幅が広くなっていることを特徴とする、請求項１に記載の光結合装置。
  3. 電気信号を光信号に変換する第１の変換素子と光信号を電気信号に変換する第２の変換素子をそれぞれの端子板の素子実装部において同じ向きの面に実装し、前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を覆うようにして光反射曲面を形成し、前記第１の変換素子から発した光信号を前記光反射曲面で反射させることによって前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を光学的に結合させた光結合装置において、
    前記第２の変換素子は、電気的に直列に接続され、かつ、互いに平行に配列された一方向に長い複数個の受光セルを有し、
    前記第１の変換素子は、前記第２の変換素子の輪郭に接するように定めた、前記受光セルの長さ方向と平行な２本の接線に挟まれた領域内に配置され、
    ＭＯＳＦＥＴを駆動するための制御回路が、前記第２の変換素子と並列に接続されたことを特徴とするＭＯＳドライバ。
  4. 電気信号を光信号に変換する第１の変換素子と光信号を電気信号に変換する第２の変換素子をそれぞれの端子板の素子実装部において同じ向きの面に実装し、前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を覆うようにして光反射曲面を形成し、前記第１の変換素子から発した光信号を前記光反射曲面で反射させることによって前記第１の変換素子と前記第２の変換素子を光学的に結合させた光結合装置において、
    前記第２の変換素子は、電気的に直列に接続され、かつ、互いに平行に配列された一方向に長い複数個の受光セルを有し、
    前記第１の変換素子は、前記第２の変換素子の輪郭に接するように定めた、前記受光セルの長さ方向と平行な２本の接線に挟まれた領域内に配置され、
    ＭＯＳＦＥＴを駆動するための制御回路が、前記第２の変換素子と並列に接続され、
    前記接続回路の両端にそれぞれＭＯＳＦＥＴが接続されたことを特徴とする半導体リレー。
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