JP6445947B2 - 光結合装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、光結合装置に関する。
フォトリレーやフォトカプラを含む光結合装置のモールド構造の一例として、ダブルモールド構造が知られている。ダブルモールド構造では、一般的に、発光素子と受光素子がインナーモールド樹脂で覆われ、このインナーモールド樹脂がアウターモールド樹脂で覆われている。
上記ダブルモールド構造では、周囲温度が変化したときに応力がインナーモールド樹脂から発光素子に作用し、この応力によって発光素子が劣化するおそれがある。そこで、この応力を緩和する方法として、発光素子をシリコン樹脂で覆った後、このシリコン樹脂をインナーモールド樹脂で覆う方法が知られている。
しかし、シリコン樹脂の温度特性は、インナーモールド樹脂の温度特性と大きく異なる。そのため、周囲温度が変化したとき、シリコン樹脂とインナーモールド樹脂との間の界面は剥離しやすい。この界面が剥離すると、発光素子から受光素子までの光路が遮られる。これにより、受光素子の受光量が減少するので、光の利用効率が悪化するおそれがある。
特開２００８−２２６９０９号公報
本発明の実施形態は、発光素子にかかる応力を緩和しつつ発光素子の光の利用効率を向上させることが可能な光結合装置を提供することである。
本実施形態によれば、発光素子と、
前記発光素子に対向する受光素子と、
前記発光素子が設置された第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面と、を有するリードフレームと、
前記発光素子を覆う第１の被覆部材と、
前記第１の被覆部材と、前記受光素子と、前記第１の面と、前記第２の面と、を覆う第２の被覆部材と、
前記第２の被覆部材を覆う第３の被覆部材であって、前記第２の被覆部材と前記第３の被覆部材の第１の接着強度と、前記第２の被覆部材と前記第２の面の第２の接着強度とのうちの少なくとも一方の接着強度が、前記第１の被覆部材と前記第２の被覆部材の第３の接着強度よりも低い第３の被覆部材と、
を備える光結合装置が提供される。
第１の実施形態に係る光結合装置の概略的な構成を示す平面図である。 図１に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。 図２に示す領域Ｒの拡大図である。 （ａ）は比較例に係る光結合装置の一部を拡大した断面図であり、（ｂ）は第１の実施形態に係る光結合装置の一部を拡大した断面図である。 （ａ）は第２の実施形態に係る光結合装置の一部を拡大した断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光結合装置において、リードフレームと第２の被覆部材との間の界面が剥離した状態を示す断面図である。 （ａ）は第２の実施形態の変形例に係る光結合装置の一部を拡大した断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す光結合装置において、リードフレームと第２の被覆部材との間の界面が剥離した状態を示す断面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、光結合装置の一例としてフォトカプラの構成を中心に説明する。ただし、フォトカプラ以外の他の光結合装置、例えばフォトリレーにも本実施形態を適用することは可能である。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光結合装置の概略的な構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。さらに、図３は、図２に示す領域Ｒの拡大図である。
図１、図２、および図３に示すように、本実施形態に係る光結合装置１は、発光素子１０と、受光素子１１と、リードフレーム１２、１３と、第１の被覆部材１４と、第２の被覆部材１５と、第３の被覆部材１６と、離型剤１７と、を備える。
発光素子１０は、導体２０によってリードフレーム１２に電気的に接続されている。電流がリードフレーム１２から導体２０を介して発光素子１０に供給されると、発光素子１０は受光素子１１へ向けて光を放射する。
本実施形態では、発光素子１０はＬＥＤ(Light Emitting Diode)であるが、この発光素子１０はＬＥＤに限定されず、他の種類の発光素子であってもよい。また、導体２０はアルミニウムのボンディングワイヤであるが、この導体２０はアルミニウムに限定されず金等の他の種類の金属であってもよい。
受光素子１１は、導体２１によってリードフレーム１３に電気的に接続されている。受光素子１１が発光素子１０の光を受光すると、受光量に対応する電流が受光素子１１から導体２１を介してリードフレーム１３に出力される。なお、本実施形態では、導体２１も、導体２０と同様にアルミニウムのボンディングワイヤであるが、この導体２０もアルミニウムに限定されず、他の種類の金属であってもよい。
リードフレーム１２、１３は、例えば、金属等の導電部材で構成されている。リードフレーム１２は、発光素子１０が設置された第１の面１２ａと、第１の面１２ａに対向する第２の面１２ｂと、を有する。リードフレーム１３は、受光素子１１が発光素子１０に対向するように設置された第３の面１３ａと、第３の面１３ａに対向する第４の面１３ｂと、を有する。
なお、本実施形態では、光結合装置１には、複数のリードフレーム１２と複数のリードフレーム１３とが設けられている。複数のリードフレーム１２の１つに発光素子１０がはんだで接合されている。この発光素子１０は、自身が接合されたリードフレーム１２とは別のリードフレーム１２に導体２０で電気的に接続されている。
また、複数のリードフレーム１３の１つに受光素子１１がはんだで接合されている。この受光素子１１は、自身が接合されたリードフレーム１３とは別のリードフレーム１３に導体２０で電気的に接続されている。
第１の被覆部材１４は、発光素子１０を覆っている。第１の被覆部材１４は、例えば、シリコン樹脂で構成されている。本実施形態では、第１の被覆部材１４が、発光素子１０を保護するエンキャップ樹脂として機能する。
第２の被覆部材１５は、受光素子１１と、リードフレーム１２、１３と、第１の被覆部材１４と、を覆っている。第２の被覆部材１５は、発光素子１０の光を透過可能な透明樹脂で構成されている。
第３の被覆部材１６は、第２の被覆部材１５を覆っている。第３の被覆部材１５は、例えば、遮光性を備える黒色系の遮光樹脂で構成されている。これにより、発光素子１０の光が外部へ漏れるのを防ぎ、さらに、受光素子１１が外光で誤動作するのを防ぐことが可能となる。
本実施形態では、第２の被覆部材１５がいわゆるインナーモールド樹脂に相当し、第３の被覆部材１６がいわゆるアウターモールド樹脂に相当する。すなわち、本実施形態では、第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６によって、ダブルモールド構造が形成されている。
離型剤１７は、例えば、長鎖脂肪酸等の離型作用を有する有機物で構成されている。本実施形態では、離型剤１７は、第２の被覆部材１５の成型後に、この第２の被覆部材１５の外面に塗布される。その後、第３の被覆部材１６の成型を実施することによって、離型剤１７は、第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６との間に含まれる。
なお、本実施形態では、離型剤１７は、第２の被覆部材１５の外面の一部、具体的にはリードフレーム１２の第２の面１２ｂに対向する領域に塗布されている。しかし、離型剤１７は、第２の被覆部材１５の外面の全領域に渡って塗布されていてもよい。
図４（ａ）は、比較例に係る光結合装置の一部を拡大した断面図であり、図４（ｂ）は、本実施形態に係る光結合装置１の一部を拡大した断面図である。
図４（ａ）に示す比較例では、離型剤１７が第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６との間に含まれていない。換言すると、本比較例では、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５の接着強度が、第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６の接着強度よりも低い。そのため、周囲温度が上昇した場合、図４（ａ）に示すように、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５との間の界面が剥離する可能性が高くなる。
上記界面が剥離すると、光の屈折率が変化する。そのため、図４（ａ）に示すように、発光素子１０から放出された光Ｌ１が第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５との間の界面に入射しても、入射光の大部分が反射光Ｌ２となる。その結果、受光素子１１の受光量が減少し、光の利用効率が悪化する。この対策として、第１の被覆部材１４を除去して発光素子１０を第２の被覆部材１５で被覆することが考えられる。しかし、この場合、発光素子１０が第２の被覆部材１５から受ける応力で劣化するおそれがある。
一方、図４（ｂ）に示す本実施形態によれば、上述したように、離型剤１７が第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６との間に含まれている。換言すると、本実施形態では、第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６の接着強度が、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５の接着強度よりも低く、かつ第２の被覆部材１５と第２の面１２ｂの接着強度よりも低くなっている。そのため、周囲温度が上昇した場合、図４（ｂ）に示すように、第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６との間の界面が剥離する可能性が高くなる。具体的には、有機物から成る離型剤１７が、透明樹脂から成る第２の被覆部材１５と遮光樹脂から成る第３の被覆部材１６との間における水素結合を破壊することによって、これらの界面が剥離しやすくなる。
上記界面が剥離すると、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５との間で生じる応力が緩和される。そのため、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５の密着が維持され、これらの界面における光の屈折率が変化しにくくなる。つまり、本実施形態に係る光結合装置１では、発光素子１０の光の利用効率を向上させるために、発光素子１０から受光素子１１までの光路上に位置しない部材間の界面の剥離を促すことによって、当該光路上に位置する部材間の密着を確保している。
したがって、発光素子１０から放出された光Ｌ１が第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５の界面に入射したとき、入射光の大部分が出射光Ｌ３として受光素子１１に受光される。その結果、第１の被覆材１４を除去しなくても受光素子１１の受光量が比較例よりも増大するので、発光素子１０にかかる応力を緩和しつつ光の利用効率を向上させることが可能となる。
また、本実施形態に係る光結合装置１では、第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６の剥離によって、装置内部で生じる応力が緩和される。これにより、発光素子１０を第１の面１２ａに接合するはんだや、受光素子１１を第３の面１３ａに接合するはんだが受ける応力も緩和されるので、これらのはんだの耐熱性が安定する。
なお、本実施形態に係る光結合装置１では、経年劣化により、リードフレーム１２と第２の被覆部材１５との間の接着が弱くなりやすい。そうすると、第１の被覆部材１４のうち、リードフレーム１２側が酸化されて変色（例えば、茶色）しやすくなる。これを抑制するため、第１の面１２ａの平滑度を高くするなどして、第２の被覆部材１５と第１の面１２ａとの接着強度(第４の接着強度)を高くすることが望ましい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。図５（ａ）は、第２の実施形態に係る光結合装置の一部を拡大した断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す光結合装置において、リードフレーム１２と第２の被覆部材１５とが剥離した状態を示す断面図である。
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る光結合装置は、離型剤１７が第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６との間の代わりに、リードフレーム１２の第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５との間に含まれている点で第１の実施形態に係る光結合装置１と異なる。
本実施形態では、離型剤１７は、第２の被覆部材１５の成型前に、リードフレーム１２の第２の面１２ｂに塗布される。この離型剤１７によって、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５の接着強度は、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５の接着強度よりも低くなっている。そのため、周囲温度が上昇した場合、図５（ｂ）に示すように、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５が剥離する可能性が高くなる。
第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５が剥離すると、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５との間で生じる応力が緩和される。そのため、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５の密着が維持され、これらの界面の屈折率の変化が抑制される。つまり、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、発光素子１０の光の利用効率を向上させるために、発光素子１０から受光素子１１までの光路上に位置しない部材間の界面の剥離を促すことによって、当該光路上に位置する部材間の密着を確保している。
したがって、第１の実施形態と同様に、発光素子１０から放出された光Ｌ１の大部分が出射光Ｌ３として受光素子１１に受光されるので、発光素子１０にかかる応力を緩和しつつ光の利用効率を向上させることが可能となる。
なお、本実施形態では、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５を剥離させているが、これに加えて、第１の実施形態と同様に、第２の被覆部材１５と第３の被覆材１６も剥離させてもよい。つまり、第２の被覆部材１５と第３の被覆部材１６の接着強度と、第２の被覆部材１５と第２の面１２ｂの接着強度とのうちの少なくとも一方の接着強度が、第１の被覆部材１４と第２の被覆部材１５の接着強度よりも低ければよい。
（変形例）
以下、第２の実施形態の変形例について説明する。図６（ａ）は第２の実施形態の変形例に係る光結合装置の一部を拡大した断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す光結合装置において、リードフレーム１２と第２の被覆部材１５が剥離した状態を示す断面図である。
図６（ａ）に示すように、本変形例のリードフレーム１２では、第２の面１２ｂの表面粗さが第１の面１２ａの表面粗さよりも大きくなっている。なお、各面の表面粗さは、例えば、単位面積当たりの凹凸の高低差の平均値で規定してもよい。
上記表面粗さの相違により、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５の接触面積が、第１の面１２ａと第２の被覆部材１５の接触面積よりも小さくなる。これにより、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５の接着強度が、第１の面１２ａと第２の被覆部材１５の接着強度よりも低くなる。
その結果、図６（ｂ）に示すように、第１の面１２ａと第２の被覆部材１５が密着し、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５が剥離した状態を作り出すことが可能となる。つまり、本変形例では、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５の密着状態と、第１の面１２ａと第２の被覆部材１５の密着状態とのバランスを崩すことによって、離型剤１７を用いることなく、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５の剥離を可能にしている。
なお、本変形例では、リードフレーム１２の第１の面１２ａにプラズマ処理を施してもよい。このプラズマ処理により、第１の面１２ａの平坦性が向上するので、第１の面１２ａと第２の被覆部材１５との密着が強化される。この場合も、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５の接着強度が、第１の面１２ａと第２の被覆部材１５の接着強度よりも低くなる。よって、第２の面１２ｂと第２の被覆部材１５が剥離した状態を作り出すことが可能となる。
本発明のいくつか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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
１ 光結合装置、１０ 発光素子、１１ 受光素子、１２ リードフレーム、１４ 第１の被覆部材、１５ 第２の被覆部材、１６ 第３の被覆部材、１７ 離型剤

Claims (2)

  1. 発光素子と、
    前記発光素子に対向する受光素子と、
    前記発光素子が設置された第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面と、を有するリードフレームと、
    前記発光素子を覆う第１の被覆部材と、
    前記第１の被覆部材と、前記受光素子と、前記リードフレームと、を覆う第２の被覆部材と、
    前記第２の被覆部材を覆う第３の被覆部材であって、前記第２の被覆部材と前記第３の被覆部材の第１の接着強度と、前記第２の被覆部材と前記第２の面の第２の接着強度とのうちの少なくとも一方の接着強度が、前記第１の被覆部材と前記第２の被覆部材の第３の接着強度よりも低い第３の被覆部材と、
    を備え、
    前記第２の接着強度が、前記第２の被覆部材と前記第１の面の接着強度よりも低い、光結合装置。
  2. 前記第２の面の表面粗さが、前記第１の面の表面粗さよりも大きい、請求項１に記載の光結合装置。
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