JPH0290576A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｃ産業上の利用分野〕 この発明は、電気信号を、−旦光信号に変換し、再びこ
の光信号を電気信号に変換する光結合装置に関する。

〔従来の技術〕

発光素子と受光素子とを備え、両者の間の光の授受によ
って動作する光結合装置として、フォトカップラ（「光
カップラ」ともいう）、光半導体リレー、あるいは、同
様の機能を有する光半導体モジュール、光半導体基板な
どが利用されている第６図は、従来のＤＩＰ　（デュア
ルインラインパッケージ）型の光カップラの１例を表す
。図にみるように、この光カップラは、発光素子ｌと受
光素子２とが、発光面と受光面とを相対させるようにし
て配置されている。発光素子ｌは、リードフレーム１０
にダイボンディングされ、かつ、このリードフレーム１
０の外部回路にワイヤボンディングされている。受光素
子２は、別のリードフレーム１１にグイボンディングさ
れ、かつ、このリードフレーム１１の外部回路にワイヤ
ポンディングされている。１２は、ボンディングワイヤ
である。発光素子ｌと受光素子２との間、すなわち、光
の授受の起こる部分には、透明樹脂８が充填されている
。発光素子ｌと受光素子２とは、この透明樹脂４も含め
て全体的に封止樹脂１３で封止されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第６図に示す構造の光結合装置は、発光側および受光側
の２つのマウント体を別個に組み立てるので、製造工程
数が多く、労力も大きくなるという問題点がある。組み
立てたマウント体は、透明樹脂を注入する際に固定治具
で保持する必要があり、しかも、この固定治具は最終組
立が完了するまで外せないという問題点がある。透明樹
脂を注入する工程は、高度な技能が要求されるため、難
作業になる。さらに、第６図のものでは、リードフレー
ムに折曲部を設ける必要があり、組立が難しい。このよ
うに、第６図に示す構造の光結合装置は、組立作業が煩
雑になり、自動化するのも困難である。

これらの問題点を解消するため、実開昭５３−２０８７
４号公報、実開昭５３−４１０７３号公報、特開昭５６
−２４９８４号公報、特公昭６３２８３５２号公報など
で、受光素子および発光素子を同一面上に配置し、光を
反射させる、あるいは、誘導することによって両素子間
の光の授受を行う光結合装置が提案されている。

しかし、これらの光結合装置は、発光素子から出た光を
反射させるための反射体や光を導くための光ファイバー
を設置する必要がある。実開昭５３−２０８７４号公報
に示された光結合装置は、反射プリズム状に成形された
透明体で反射させているが、反射効率に問題がある。実
開昭５３−４１０７３号公報に示された光結合装置は、
外面に光を反射するメツキ処理した、透明樹脂の半円筒
体で反射させているが、この半円筒体をアンプに接触し
ないように配置させることが難しいという問題点がある
。特開昭５６−２４９８４号公報に示された光結合装置
は、光学的プリズムで反射させているが、この光学的プ
リズムも、前記半円筒体と同様の問題点を有する。さら
に、特公昭６３２８３５２号公報に示されている光結合
装置は、製造工程数が多く、位置合わせ精度に労力を要
したり、構成要素数増によるコストアンプの問題点など
がある。

また、以上の例では、光結合装置が好適に用いられるＡ
／Ｄ変換器やＡ／Ｄ変換器を内臓する機器における小型
化、つまり、実装面積の極小化や低価格化の要求に対し
て、十分満足のいくものではないという問題点も有する
。

そこで、この発明は、上記問題点を克服し、簡素で、小
型化が可能で、自動化製造に適し、かつ、光を減衰させ
ずに有効に利用できる光結合装置を提供することを課題
とする。

〔課題を解決するための手段〕

発明者らは、上記課題を解決するためには、発光素子と
受光素子を同一平面上に配置させ、反射体、あるいは、
光ファイバーを設置したり、発光素子と受光素子を別々
にマウントした後、それらの発光面と受光面を対面する
ように配置するよりは、両面実装の基板を用いて光の授
受面が対向するように、それら画素子を配置し、反射体
や不必要に長い光ファイバーを経ずに光を授受させる方
が良いと考えて、この発明にかかる光結合装置を完成さ
せた。

すなわち、請求項１記載の発明にかかる光結合装置は、
両面に電極を有する基板を備え、発光素子が基板一表面
の電極に、受光素子が同基板他表面の電極に、それぞれ
の光授受面を対向させるようにバンプを介して接続され
、前記基板の両素子間の部分が光の伝播路となっている
。

請求項２記載の発明にかかる光結合装置は、上記構成に
おいて、基板が透明基板である。

請求項３記載の発明にかかる光結合装置は、請求項１記
載の光結合装置において、基板が透明基板であり、同基
板の光の伝播路がスルーホールとなっていて、このスル
ーホールの内部空間が、透明基板の光屈折率より大きい
光屈折率を持つ透明樹脂で満たされている。

請求項４記載の発明にかかる光結合装置は、請求項１記
載の光結合装置において、基板が不透明基板であり、同
基板における光の伝播路がスルーホールとなっている。

〔作　　　用〕

発光素子が基板一表面の電極に、受光素子が同基板他表
面の電極に、ハンプを介して接続されていると、組立時
にバンブを介して接続した後は、固定治具を用いる必要
がなくなり、組立作業が簡単になり、自動化も容易にな
る。いわゆるギヤングボンディングも可能となっている
。画素子を、それぞれの光授受面を対向させるように配
置し、両素子間の部分を光の伝播路とするようにすると
、反射体や光ファイバーを設ける必要がな（なる。画素
子を基板に組み込むようにすると、この基）及の上に他
の部品を実装することもできるため、光結合装置を含む
混成集積回路としての全体構成が可能となり、全体の大
幅な小型化やコストダウンが可能となる。

上記の構成において、透明基板を基板とすると、基板自
体が光の伝播路となり、別に伝播路を設ける必要がなく
なる。しかし、透明基板における光の伝播路がスルーホ
ールとなっていて、ごのスルーホールの内部空間が、透
明基板の光屈折率より大きい光屈折率を持つ透明樹脂で
満たされていると、同伝播路が光ファイバーを形成した
と同様の効果を持つため、光授受の効率低下を効果的に
防くことができる。

基板が不透明基板であり、その光の伝播路にあたる部分
にスルーホールを設けるようにすると、従来の基板を用
いることが可能になり、安価な光結合装置となる。

〔実　施　例〕

第１図（ａ）は、この発明にかかる光結合装置の一実施
例の断面を示し、第１図（ｂ）は、この第１実施例の一
部の断面を拡大して示している。

これらの図にみるように、この光結合装置は、発光素子
１と受光素子２を備え、両者の間の光の授受によって動
作する光結合装置であるが、両面に電極５ａ、５ｂを有
する透明基板３を備えていて、発光素子１が透明基板３
の一表面の電極５ａＬに、受光素子２が同基板３の他表
面の電極５ｂ上に、それぞれの光授受面が基板例を向く
ように、いわゆるフェイスダウンで配置され、ハンプ４
を介して同電極に接続されている。このように、発光素
子１と受光素子２は、それぞれの光授受面を対向させる
ようにし、その間に光の伝播路を確保しているため、透
明基板３を介しての光信号の（足受が可能となっている
。そのため、この光結合装置は、従来のもののように、
光信号の反射体や光ファイバーを設ける必要がなく、光
の伝達損失も少なくなっているのである。また、ＤＩＰ
型の光結合装置とは違って、発光素子１と受光素子２を
同時に組み立てることができ、部品点数も少な（なって
いるため、簡素で小型化が可能である。

発光素子１としては、たとえば、ＬＩＥＤなどの発光機
能のみの素子や、発光機能と演算・メモリー等の機能を
合わせ持つ、いわゆる０ＥＩＣ（オプトエレクトロ二ソ
クＩＣ）などが使用される。

受光素子２としては、たとえば、フォトダイオードやフ
ォトトランジスタなどの受光機能のみの素子や、受光機
能と演算・メモリー等の機能を合わせ持つ、上述の○Ｅ
ＩＣなどが使用される。

そして、画素子１．２間に光の伝播路が設けられている
のだが、この第１実施例の光結合装置では、基板として
、透明基板３を用いることにより同基板自体を光の伝播
路とするようにしている。

この実施例においては、透明基板３としてガラス基板が
用いられており、このガラス基板は、この分野において
通常用いられているガラス等を用いて作られている。

透明基板の「透明」とは、「使用される光の波長に対し
て透明」という意味であり、見た目の透明を意味するも
のではない。

基板上の、発光素子や受光素子の設置場所以外の部分に
は、発光素子、受光素子に接続される電極を経由して、
画素子の駆動・制御・信号処理などを行うに必要な、ｒ
ｃ、ＬｓＩやコンデンサー、抵抗などの表面実装のチッ
プ部品６が必要に応じて載置されていても良い。７は導
電性結合材料である。

電極（電路）５ａ、５ｂは、透明基板３の両面において
上述のごとく、他の回路などとの電気的接続を行うため
に設けられているが、その形成方法は、プリント等の通
常の方法により電極パターンとして設けられている。も
ちろん、発光素子１および受光素子２の対面個所では、
図にみるように、電極は設けられておらず、透明基板３
のみとなっているため、発光素子ｌから出された光信号
は透明基板３を通って受信素子２に達することができる
のである。

基板上の電極パターンは、発光素子１．受光素子２がバ
ンプ４を介して接続された後に、画素子の授受光中心が
一致するように描かれていることが好ましい。このよう
にしておくと、画素子の基板への取付時の、位置合わせ
精度を非常に簡単に、そして極めて効果的に高めること
が可能になるからである。

透明基板３が、たとえば、ガラス基板である場合、基板
上の電極は、特に限定するのではないがり、めっきした
り等して形成される。このように、この光結合装置では
、素子１，２が基板を挾んで両面に直接載置されている
ため、従来のリードフレームにワイヤボンディングする
ものに比し、小型化が可能である。

バンプ４は、別名、突起電極とも呼ばれるもので、素子
１，２の電極（図示せず）と、それを載置する基板表面
の電極５ａ、５ｂとを電気的に接続するものである。こ
のように、バンプを用いると、素子１，２の多数の電極
を一括して接合すること、いわゆる、ギヤングボンディ
ングが可能となり、作業時間が素子１，２の電極数に影
響されなくなり、作業時間を短くすることができ、また
、自動化が簡単になるという利点もある。ハンプの材料
としては、特に限定されるものではないが、たとえば、
金やハンダなどが用いられる。バンプの高さも、特に限
定されるものではないが、通常の範囲、たとえば、１０
〜１００ｎとすることができる。バンプは、半導体素子
側に設けられても、基板側に設けられても良いが、自動
化の点から、基板側に設ける方が好ましい。

なお、発光素子１．受光素子２のような素子は、非常に
不純イオンやほこり等による悪影響を受けやすいため、
この光結合装置は、第２図にみるように、透明基板３と
画素子１．２の光授受面の間の、バンプ４を含む部分を
透明樹脂８で封止することが望ましい。このように封止
すると、不純イオンやホコリなどから素子部分を保護し
、それらによる性能・信頼性低下を防ぐことができ、し
かも、バンプの機械的固定がさらに強化されるからであ
る。この部分を固化された透明樹脂で満たすようにする
と、さらにバンプを強固に固定することができ、非常に
好ましい。

この実施例の光半導体装置において、透明基板３は、ガ
ラス基板であったが、透明基板は、たとえば、透明な樹
脂などによって作られる基板であってもよく、特に上記
実施例に用いたものに限定される訳ではない。なお、基
板は、発光素子ｌと受光素子２間の光の伝播路にあたる
部分が透明であればよく、他の部分は、通常の不透明な
基板であっても良い。

透明基板３を用いれば、このように、何らスルーホール
形成加工せず用いることができるが、たとえば、第３図
（８１，（ｂｌにみるように、光の伝播路にあたる部分
がスルーホール９となっていても良い。スルーホールは
、発光素子の発光径と受光素子の受光径の大きい方の径
よりも大きければ良く、特に限定されるものではない。

また、このスルーホールの形状も、光の伝播路を設ける
ことができることができれば良いのであって、特に限定
されるものではない。図中、第１図と同じ符号は同じ部
分をあられす。

この第３実施例において、透明基板３と発光素子ｌと受
光素子２の光授受面の間の、バンプ４を含む部分は必ず
しも、透明樹脂で封止されなくとも良いけれども、次の
ような条件を満たす透明樹脂で封止されていると非常に
好ましい結果をもたらす。つまり、使用されている透明
基板３、つまり、この実施例では、ガラス基板の光屈折
率をｎｇとすると、透明樹脂４の光屈折率ｎｒが、それ
以上のもの、つまり、ｎｇ＜ｎｒであるものを用いると
いうことである。このような条件を満たす透明樹脂を用
いると、スルーホール９に満たされた透明樹脂８、そし
て、それを囲む透明基板３たるガラス基板が、いわゆる
、光ファイバーを形成したと同様の作用をもたらし、全
ての光エネルギーが、全反射しながら伝えられてゆくと
いう、光の伝送損失が非常に小さい導波路が形成された
ことになり、光授受の効率低下を極めて効果的に防止で
きるのである。このようにすると、第１．第２実施例以
上の効果が得られ、光の伝達損失が非常に小さくなるの
である。

透明基板３たるガラス基板より、光屈折率が大きく、か
つ、発光素子１の発光波長、たとえば、６００〜９００
ｎｍの発光波長で透明な樹脂としては、たとえば、ビス
フェノールＡジグリジルエーテルのベンゼン環に結合し
た水素原子を臭素原子に置換した、ブロム化エポキシを
使用したエポキシ樹脂等が挙げられる。しかしながら、
透明樹脂もこれに限定されるものではない。

透明基板３と画素子の光授受面の間の、ハンプ４を含む
部分を、前述の特性を持つ透明樹脂８で封止することは
、第２実施例と同様、不純イオンやホコリなどから素子
部分を保護する効果をも持つ。また、この部分を固化さ
れた透明樹脂で封止するようにすると、さらにハンプを
強固に固定することができるという効果も持つことは言
うまでもない。

この実施例にかかる光半導体装置において、第１実施例
同様、透明基板３はガラス基板に限定されず、また、透
明基板は、光の伝播路たるスルーホールの円周部分だけ
であっても良く、他の部分の構成は特に限定されない。

もっとも、光の伝播路としてスルーホールを設けるよう
にする場合には、基板は、必ずしも、透明基板でなくと
もよく、第４図（ａ）、（ｂ）にみるように、不透明基
板３′であっても良い。図中、第１図と同じ符号は同じ
部分をあられす。

スルーホール９の内部空間、および、不透明基板３′と
画素子の光授受面の間の、バンプ４を含む部分は、第４
図（ｂｌのように透明樹脂８で封止されてなくてもよい
し、第５図のように封止されていてもよいが、前述の理
由から、封止することが好ましい。

このように、基板が不透明基板である場合、基板上の電
極は、特に限定するものではないが、般に、銅や金、銀
などが使用される。

不透明基板３′としては、従来、この分野において用い
られている光不透過性の基板、たとえば、ガラス・エポ
キシ基板、セラミ７り基板、および、鉄２銅、アルミニ
ウムなどの金属に絶縁処理を施したものなどが用いられ
る。

不透明基板の「不透明」とは、口使用される光のＩＪ！
ｉ長に対して不透明」という意味であり、見た目の不透
明を意味するものではない。

このように、基板として不透明基板３′を用いた場合で
も、第１〜第３実施例と同様の効果を持つ。

以上、第１〜第４実施例では、発光素子と受光素子の間
およびハンプを含む部分を透明樹脂で封止することが望
ましいことは、既に述べたが、ハンプを強固に固定する
効果を発揮させるためには、透明樹脂として、従来の光
結合装置で用いられているゲル状の樹脂よりもむしろ、
固いガラス状に固化するものの方が好ましい。

発光素子と受光素子との間の隙間を満たす透明樹脂とし
ては、伝達される光の波区に対して透明であれば、特に
限定されない。たとえば、エポキシ樹脂、シリコーン樹
脂などが使用される。

隙間に浸透して完全に充填できるという点からは、透明
樹脂として、低粘度のもの、たとえば、３０００ｃＰ以
下の粘度を持つ樹脂が好ましい。

このような透明樹脂を使用すると、隙間の一方の端に樹
脂を載せるだけで毛細管現象により（月脂が自然に空隙
に入って行き、充填される。このため、充填には、煩雑
な作業が不要になる。第６図に示す構造は、充填の際に
、注射器を使って煩雑な作業を行う必要があった。

また、前記透明樹脂は、封止樹脂として一般的に必要な
低イオン・低吸湿・高密着などの特性を有するものを使
用すると、発光素子や受光素子への悪影響を防ぐことが
できる。

この発明にかかる光結合装置において、発光素子や受光
素子などを、所望の形状に成形された封止樹脂で樹脂封
止されたり、セラミックや金属などにより気密封止され
てもよい。樹脂封止の場合、封止樹脂は、所望の形状に
成形されている必要はなく、たとえば、ポツティング樹
脂やコーティングされた樹脂などであってもよい。封止
樹脂の種類も特に限定されず、たとえば、半導体封止用
のものが使用される。気密封止の場合、上記材質のキャ
ンプや容器などが使用される。

バンプを介して接続した発光素子と受光素子の間の、バ
ンプを含む部分、つまり、それらの空隙を透明樹脂で満
たすことなく、封止樹脂で全体的に封止すると、空隙に
封止樹脂が入り込んで光の授受を妨げることがある。あ
るいは、上記空隙の気体が加熱により膨張して、光結合
装置が大きな気泡を含み、耐湿性、耐ヒートサイクル性
に悪影響を与えることがある。したがって、前述のよう
に、空隙を透明樹脂で封止することが望ましい。

この発明にかかる光結合装置は、上記実施例に限定され
ない。つまり、発光素子が基板の一表面に、受光素子が
同基板の他の表面に、それぞれ光授受面を対向させるよ
うにバンプを介して接続され、両素子間に光の伝播路が
設けられていれば、他の構成は特に限定されないのであ
る。

〔発明の効果〕

この発明にかかる光結合装置は、以上のように構成され
ているので、簡素で、小型化が可能で、自動化製造に適
し、かつ、光を減衰させずに有効に利用でき、コストダ
ウンにもつながる。

【図面の簡単な説明】 第１図（ａｌはこの発明にかかる光結合装置の第１実施
例をあられす断面図、第１図（ｂｌは第１図（８１の一
部拡大断面図、第２図は同第２実施例の一部拡大断面図
、第３図（ａ）は同第３実施例をあられす断面図、第３
図（ｂｌは第３図（ａ）の一部拡大断面図、第４図（ａ
）は同第４実施例をあられす断面図、第４図（ｂ）は第
４図（ａｌの一部拡大断面図、第５図は同第５実施例の
一部拡大断面図、第６図は従来の光結合装置の１例をあ
られす断面図である。 １・・・発光素子　２・・・受光素子　３・・・透明基
板３′・・・不透明基Ｆｊ、４・・・バンプ　８・・・
透明樹脂９・・・スルーホール 第２７ 代理人　弁理士　　松　本　武　彦 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　発光素子と受光素子を備え、両者の間の光の授受に
   よって動作する光結合装置において、両面に電極を有す
   る基板を備え、発光素子が基板一表面の電極に、受光素
   子が同基板他表面の電極に、それぞれの光授受面を対向
   させるようにバンプを介して接続され、前記基板の両素
   子間の部分が光の伝播路となっていることを特徴とする
   光結合装置。 ２　基板が透明基板である請求項１記載の光結合装置。 ３　基板が透明基板であり、同基板における光の伝播路
   がスルーホールとなっていて、このスルーホールの内部
   空間が、透明基板の光屈折率より大きい光屈折率を持つ
   透明樹脂で満たされている請求項１記載の光結合装置。 ４　基板が不透明基板であり、同基板における光の伝播
   路がスルーホールとなっている請求項１記載の光結合装
   置。