JPS581553B2 - ヒカリケツゴウハンドウタイソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、組立が容易で量産に適した光結合半導体装置
（以下ホトカプラーと称する）に関する。

従来、典型的なホトカプラーとしては第１図及び第２図
に示す構造のものが公知である。

第１図に示したホトカプラーは一対のカップ状基体１′
，１′に個別にマウントした発光素子５と受光素子６を
光学的に位置合せした後、基体１′，１′を部分Ａにて
溶着して完成する。

又第２図に示したホトカプラーはステム１上に例えばシ
リコン受光素子６、透光性の絶縁素子４、ＧａＡ８発光
素子５の順で積み上げてマウントし、その後リード線８
，８′をボンデイングし完成する。

しかし、これ等の光結合半導体装置は製作上及び特性上
種々の問題点を含んでいる。

即ち、第１図に示された型のホトカプラーは次のような
難点を有している。

（１）受光素子６が見えない状態で±１００μ以下の精
度でバランキなく位置合せしなくてはならず、これはか
なり困難な作業である。

通常この精度を上げるために受光素子の出力特性を観察
しながら位置合せを行ない溶着しているが位置決めまで
にかなりの時間を要し、量産的でない。

又（２）受光素子、発光素子間の距離Ｘを各素子に於て
バラツキなく一定距離にするのが困難である。

更に（３）第１図の型は発光素子と受光素子との距離Ｘ
が比較的長いために光の発散による効率の低下はまぬが
れない、更に（４）受光光素子間を電気的絶縁性をもち
かつ光の透過性の透れた媒質で緻密にうめる必要がある
が、この作業が難かしい。

次に、第２図に示された型のホトカプラーは、受発光素
子を観察しながら位置合せができる上、位置合せ用のマ
ークはホトエッチング技術で形成できるので精度のよい
位置合せが可能であり、また絶縁素子もガラス板（例え
ば顕微鏡のカバーガラス等）を用いると受発光素子間の
距離Ｘを２００μ程度の厚さにバラツキ少なくおさえる
ことが容易であり、このため光伝達効率を高くかつバラ
ツキを少なくすることが可能である反面、次のような欠
点を有している。

（１）マウンテイング実装技術が難かしく量産性の点で
不満足である。

（２）この装置では素子を三層に積み上げるために溶融
温度の異なる半田を三種類使い分けなければならない。

しかもリードボンデイング温度が通常３２０〜３５０℃
程度なので各半田の溶融温度は３５０℃以上である必要
がある。

一方溶融温度が高すぎると電極材料が素子中にシンタさ
れ素子特性に悪影響を及ぼすので通常６００℃以下にす
る必要がある。

現状では、この温度範囲で３種類の半田を使い分けるの
は極めて難かしい。

（３）３ヶ以上の光機能素子を相互に光学的に結合した
状態で集積化するのが困難である。

即ち１ヶの発光素子で２ヶ以上の受光素子を駆動したり
、２ヶ以上の発光素子で１ヶの受光素子を駆動したりす
るように複数の受発光素子を相互に光結合させるのが受
発光素子の相対的大きさ、実装の難かしさ等の点から容
易でない。

更に共通の問題点として、両装置ともリードボンデイン
グを必要とする点である。

即ち、通常発光素子はＧａＡｓ等のｍ−ｖ族化合物半導
体を利用するが、この半導体基体は硬度が小さくかつ臂
開し易い。

また受光素子はバルクによる光吸収を少なくし光変換効
率を上げるために光活性な接合を極力薄くする傾向にあ
るが、リードボンデイングの際に受ける機械的ストレス
のため素子特性が影響を受け、装置の信頼性の点で問題
を生じている。

そこで、本発明の目的は光伝達効率が比較的高く、かつ
実装が容易で量産に適した新規な構造の光結合半導体装
置を提供することにある。

更に本発明の他の目的は複数個の光機能素子を複合的に
光結合する場合に、組立が容易でかつ量産性の高い改良
された光結合半導体装置を提供するにある。

上記本発明の目的を達成するために、本発明の要旨とす
るところは、一方の主表面が平担で、他方の主表面に光
反射用の複数の傾斜面を有する光伝達媒体の上記平担な
主表面に光の射出、取出しに不便をきたさない形状に電
極および必要に応じて配線用金属層を形成し、上記電極
上に発光素子の発光面、受光素子の受光面が光伝達媒体
に面するように並べてマウントし、上記発光素子より光
伝達媒体内に射出した光が光伝達媒体の上記傾斜面で反
射し、この反射光が最終的に他の傾斜面で反射し、受光
素子の受光面で反射光を受光し、結果的に発光素子と受
光素子とを光結合した光結合半導体装置である。

第３図Ａ乃至Ｃに本発明に係わる光結合半導体装置の基
本構造を示す。

図に於て、１はステム基体であり、２は基体にうめられ
た光伝達媒体、例えばガラス又はエポキシ等の透光性樹
脂であり、媒体の両側面は光伝達媒体の平担な表面に対
し各各θ、π一θなる角度で傾斜している。

４はこの基体上に蒸着、ホトエツチという周知の方法で
形成された電極である。

この電極上に発光素子５、受光素子６が半田７，７′で
もってダイボンデイングされ、更に金リード線８，８′
でステムのポスト９，９′にリードボンデイングされて
いる。

１０は基体上に形成された反射板である。

この反射板は必要に応じて光伝達媒体の平担表面に設け
られる配線用金属層に代えることも可能である。

１１，１１′は受発光素子と光伝達媒体の間に注入され
た光学媒体（シルガード等の樹脂）である。

図に於て、反射板、受光素子の最も好ましいボンデイン
グ位置は発光素子と媒体の位置から次式により一義的に
定められる。

受光素子の中心位置ｃ＝２ｂ 但し、ａは媒体の端から発光素子の中心位置までの距離
である。

反射板および受光素子の受光面の大きさは発光素子の大
きさに等しいが若干大きい程度が好ましい。

この結果発光素子より光伝達媒体２の中に入射した光は
図の矢印で示した光路、すなわち光伝達媒体の傾斜面３
から反射板、媒体の他の傾斜を経て受光素子に到り光結
合を完成する。

路を示している。

θ＝する面が反射板の役目をする。

次に、本発明の実施例につき説明し、本発明の構成乃至
作用効果を更に明らかにする。

第３図に示された構成の光結合半導体装置につき説明す
る。

即ち、基体１にファニコのステムを使用し、これにプレ
ス法で光伝達媒体２のうめこみ用穴を開ける。

穴の側面はθ＝４５°なる角度の傾斜をもたせた。

次にこの穴に光伝達媒体としてガラスを焼付ける。

ガラス材質としては０．９〜１μ付近の近赤外光をよく
透過し、かつ、熱膨脹係数が基体のそれに近いものを選
ぶ。

ガラス面は研磨により平面にしてある。

電極４はＣｒを蒸着し、更にＡｕを蒸着し、その後ホト
エッチングを行なって形成する。

次に、前もって形成された０．４ｍｍ２のＧａＡｓ赤外
光発光ダイオードチツプ５、０．８ｍｍ２のシリコン受
光ダイオードチツプ６をそれぞれ電極４にダイボンデイ
ングする。

各チップにはダイボンデイング温度を３８０℃にするた
めに、あらかじめ半田材のＡｕ−Ｇｅ，もしくはＡｕ−
Ｓｉ合金を蒸着しておく。

その後熱圧着法で各チップにリードボンデイングを施す
。

この際の温度は３２０℃である。しかる後、受発光素子
とガラスとの間の間げきをうめるための光学媒体１１と
してシルガードを注入、固化し第３図の装置を得る。

ついでこの装置にキャップ封止をする。

本発明になる素子は半田接着処理が素子特性に影響を及
ぼさない低い温度で、しかも一回ですむので組立がきわ
めて容易であり、従来品に比べ、組立時間の短縮、歩留
り向上等量産上著しい効果を有している。

また本発明の装置は電流伝達効率０．５％入出力間のア
イソレーション電圧１５００Ｖ程度であり、従来の装置
に比べ損色はない。

次に、本発明の他の実施例につき説明する。

この実施例は、フエイスダウンボンデイング法を利用し
た光結合半導体装置の実施例である。

第４図は本実施例のホトカプラーの主要部を示す図であ
り、第４図Ａは平面図、第４図Ｂは第４図ＡにおけるＡ
−Ａ′断面図を示す。

尚第３図と同じ番号は同一部分を示している。

ステム１は前記実施例と同様の方法で形成したものであ
る。

光伝達媒体２の平担面には蒸着配線層３が形成されてい
る。

ここに利用された発光素子４は不純物の拡散法によって
製作したブレーナ型のＧａＡ８発光ダイオード素子であ
り、又受光素子５はシリコンサイリスタ素子である。

受光素子、発光素子のすべての電極は受発光面と同一平
面に設けられている。

そしてこれ等素子の電極が電極配線層３の所定の位置に
重なるように周知の方法でフエイスダウンボンデイング
する。

光はシリコンホトサイリスタ素子の最も感度の良いｐ，
ｎベース部分に照射するように設計しておく、ボンデイ
ング用のハンダやボンデイング温度は前記実施例と同様
である。

最後に、このホトカプラーをパッケージにマウントし更
にシルガード１１を注入し、固化し、エポキシ樹脂封止
をして完成する。

完成素子の電流伝達率は約１０００％、入出力間のアイ
ソレーション電圧は１５００Ｖ程度であった。

本実施例の装置はリードボンデイングを必要としないた
め、リードボンデイングの際素子に影響を与える機械歪
をなくすことができる。

この結果、装置の寿命、信頼性、量産性が向上する。

特に受光素子がＩＣの場合等は効果が大きい。

また本装置では反射膜はサイリスタのエミツタ電極部分
の配線と兼用させている。

また、本装置では必要に応じて各素子のダイボンデイン
グ面に対向する面にきわめて容易にヒートシンクを取り
付ける利点もある。

第５図は複数の受発光素子を利用した場合の本発明の他
の実施例を説明するための図である。

微弱な光信号を検出する際、１つの発光素子の光信号で
は十分な出力信号を得ることが困難な場合、バイアス光
を利用することは周知の手段である。

第５図はこの周知の手段を本発明のホトカプラーによっ
て実現した装置である。

図に於て、１はステム、２はガラス等の光伝達媒体を示
している。

５は発光素子、６は受光素子、例えばホトトランジスタ
である。

１２はバイアス光照射用に設けられた発光素子である。

これ等の製作過程は前記実施例で説明したと同様である
。

第６図は、１つの発光素子によって２つの受光素子を駆
動する場合に適用された本発明の他の実施例である。

この実施例の特徴は光伝達媒体の傾斜面が受光素子分だ
け多ぐなっていることである。

即ち、発光素子５から発光された光は２つの傾斜面でそ
れぞれ反射させられ、２つの受光素子１３，１４に投射
される。

以上、本発明の実施例の説明によって、明らかとされた
如く、本発明は次に示す工業上顕著な特長を有している
。

（１）半田処理工程を一工程に削減でき、またハイブリ
ッドＩＣと同様のやり方で素子のマウントができ、ホト
カプラーの組立が容易になり量産性が著しく向上する。

（２）リードボンデイング工程を削減できるので、信頼
性の向上、特性劣化の防止が期待できる。

（３）集積型ホトカプラーも容易に実現することができ
る。

本発明は上記実施例に述べたものに限定されず、本発明
の技術的思想から逸脱しない範囲によって種々変更し得
ること勿論である。

即ち、本発明の実施例に於ては、光伝達媒体の傾斜面が
θ、π一θの傾斜をもつ場合について述べたが、これに
限定されるものではなく、有効な変形例をいくつか提供
することができる、例えば発光面の小さい発光素子で受
光面の大きい受光素子の全受光面に光をあてたい場合、
又は光伝達効率を若干犠性にしてもマウンテイングの位
置決めを楽にしたい場合等は受光面に対応する光媒体の
側面の傾斜角を所定の角度だけ（π一θ）よりずらすこ
とにより容易に達成できる。

また逆により小さな受光面により多量の光を照射したい
場合は、受光面に対応する光媒体の側面に所定の曲率を
もたせ反射光を受光素子の受光面に集光することにより
容易に達成できる。

又、本発明になるステムの作成法は本実施例に限定され
るものでない。

例えば、第３図Ａのごとき形状に基体をエッチング加工
して形成し、その後ガラスを溶着する方法とか、第７図
に示す様にガラス２を型に流して作ったり、エッチング
加工して作った後、蒸着やスパッタリングにより反射側
面に金属層１５を設けて作成することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１乃至第２図は、それぞれ公知の光結合半導体装置の
説明図、第３図Ａ乃至Ｃは、本発明の実施例を説明する
ための図である。 符号の説明、１・・・・・・ステム、２・・・・・・光
伝達媒体、３・・・・・・配線層、５，１２・・・・・
・発光素子、６，１３，１４・・・・・・受光素子、１
１・・・・・・透光性樹脂、１５・・・・・・金属蒸着
層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一方の主表面が平坦で、他方の主表面が光反射用の
   複数の傾斜面を有する光伝達媒体と、光伝達媒体の一方
   の主表面の選ばれた個所に形成された配線層と、光伝達
   媒体の一方の主表面の配線層上に、互いに離され発光面
   及び受光面を一方の主表面側に向けてマウントされた発
   光素子及び受光素子とを備え、かつ発光素子と受光素子
   とは、発光素子の発光面からの光が光伝達媒体中を通り
   他方の主表面の反射を利用して受光素子の受光面に入射
   するような位置関係に配置されていることを特徴とする
   光結合半導体装置。