TW201519463A - 光耦合裝置 - Google Patents

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TW201519463A TW103123301A TW103123301A TW201519463A TW 201519463 A TW201519463 A TW 201519463A TW 103123301 A TW103123301 A TW 103123301A TW 103123301 A TW103123301 A TW 103123301A TW 201519463 A TW201519463 A TW 201519463A
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Yoshio Noguchi
Mami Yamamoto
Naoya Takai
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Toshiba Kk
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Abstract

藉由一實施形態，光耦合裝置係具有：支持基板、MOSFET、受光元件、發光元件、及接著層。支持基板係具有：絕緣層、輸入端子、及輸出端子。MOSFET係具有：包含動作區域的第1面，被接著在支持基板，且具有與輸出端子相連接的汲極。受光元件係具有：包含受光區域、第1電極、及第2電極的第1面；及與前述MOSFET的前述動作區域呈絕緣的第2面，被接著在MOSFET且與MOSFET相連接。發光元件係具有：包含第1電極及第2電極的第1面、及包含放出光的光出射區域的第2面，與輸入端子相連接。接著層係將發光元件及受光元件的受光區域相接著，具有透光性及絕緣性。藉由被照射放出光而在前述pn接合所產生的光電動勢，前述MOSFET切換成接通或斷開。

Description

光耦合裝置 (相關申請之引用)
本申請案係以2013年8月30日申請之前案日本專利申請2013-180163號所得之權利利益為基礎，而且圖求該利益，藉由引用而在此包含其內容全體。
在此說明的實施形態一般而言係關於光耦合裝置。
光耦合裝置(包含光耦合器或調光繼電器)係可使用發光元件，將輸入電訊號轉換成光訊號，在以受光元件受光之後，輸出電訊號。因此，光耦合裝置係可在輸出入間被絕緣的狀態下傳送電訊號。
在產業用機器、事務用機器、家電機器中，DC電壓系統、AC電源系統、電話線路系統及控制系統等不同的電源系統被配置在1個裝置內。但是，若將不同的電源系統或電路系統直接結合時，會有產生動作不良的情形。
若使用光耦合裝置時，由於不同的電源間呈絕緣，因此可抑制動作不良。
例如，在變頻空氣調節裝置等中，係包含交流負載用而使用多數光耦合器。此外，若為被使用在測試器用途的訊號切換的情形下，係被構裝非常多數的光耦合器。若為如上所示之情形，基於必須減小對基板的構裝面積，而被強力要求小型化。
本實施形態係提供可輕易達成薄型化及平面尺寸小型化的光耦合裝置者。
藉由一實施形態，光耦合裝置係具有：支持基板、MOSFET、受光元件、發光元件、及接著層。前述支持基板係具有：絕緣層、輸入端子、及輸出端子。前述MOSFET係具有：包含動作區域的第1面，被接著在前述支持基板，且具有與前述輸出端子相連接的汲極。前述受光元件係具有：包含受光區域、第1電極、及第2電極的第1面；及為與前述第1面為相反之側且與前述MOSFET的前述動作區域呈絕緣的第2面，被接著在前述MOSFET且與前述MOSFET相連接。前述發光元件係具有：包含第1電極及第2電極的第1面、及為與前述第1面為相反 之側且包含放出光的光出射區域的第2面，與前述輸入端子相連接。前述接著層係將前述發光元件及前述受光元件的前述受光區域相接著，具有透光性及絕緣性。藉由被照射前述放出光而在前述pn接合所產生的光電動勢，前述MOSFET切換成接通或斷開。
本實施形態係可提供輕易達成薄型化及平面尺寸小型化的光耦合裝置。
10‧‧‧發光元件
10b‧‧‧第2面
11‧‧‧基板
11a‧‧‧第1面
11b‧‧‧第2面
12‧‧‧發光層
13‧‧‧半導體積層體
13a‧‧‧底面
14‧‧‧第1電極
15‧‧‧第2電極
18‧‧‧光出射區域
20‧‧‧受光元件
20a‧‧‧第1面
20a‧‧‧光電二極體陣列
20b‧‧‧第2面
22‧‧‧受光區域
23、27‧‧‧第2電極
26、29‧‧‧第1電極
28‧‧‧控制電路
30、31、32‧‧‧MOSFET
30a‧‧‧第1面
30b‧‧‧背面
34‧‧‧接著層
40‧‧‧絕緣層
40a‧‧‧第1面
40b‧‧‧第2面
48‧‧‧支持基板
50‧‧‧輸入端子
50a、52a‧‧‧背面部
50b、52b‧‧‧側面部
50c‧‧‧上面部
50d‧‧‧貫穿金屬層
52‧‧‧輸出端子
52c‧‧‧晶粒焊墊部
52d‧‧‧貫穿金屬層
90‧‧‧密封樹脂層
100‧‧‧發光側引線框架
110、111‧‧‧發光元件
120、121‧‧‧受光元件
130、131、132‧‧‧MOSFET
160‧‧‧光透過性樹脂
170‧‧‧光遮斷性樹脂
190‧‧‧毛細管
190a‧‧‧貫穿孔
200‧‧‧受光側引線框架
220‧‧‧受光側引線框架
BW‧‧‧接合導線
ER‧‧‧動作區域
MR‧‧‧接著區域
G‧‧‧閘極電極
S‧‧‧源極電極
圖1(a)係實施形態之光耦合裝置的模式剖面圖，圖1(b)係沿著A-A線的模式剖面圖，圖1(c)係表示輸入端子之變形例的模式剖面圖。
圖2(a)係發光元件的模式側面圖，圖2(b)係發光元件的模式平面圖，圖2(c)係受光元件的模式平面圖，圖2(d)係沿著B-B線的積層構造的模式剖面圖，圖2(e)係積層構造的模式側面圖。
圖3(a)係第1比較例之光耦合裝置的引線接合前的模式剖面圖，圖3(b)係引線接合後的模式剖面圖。
圖4(a)~(h)係表示第2比較例之光耦合裝置之製造工程的模式圖。
圖5係實施形態之光耦合裝置的構成圖。
以下一面參照圖示，一面說明本發明之實施形態。
圖1(a)係本實施形態之光耦合裝置的模式剖面圖，圖1(b)係沿著A-A線的模式剖面圖，圖1(c)係表示輸入端子之變形例的模式剖面圖。
光耦合裝置係具有：發光元件10、受光元件20、接著層34、MOSFET30、及支持基板48。
支持基板48係具有：絕緣層40、輸入端子50、及輸出端子52。絕緣層40係可形成為玻璃環氧等基材。此外，輸入端子50及輸出端子52係可包含：設在絕緣層40之基材的上面的導電部、及設在其表面之具有Au、Ag、Pd的鍍敷層等的保護層。
MOSFET30係被接著在支持基板48，具有：包含動作區域ER、及與動作區域ER為相反之側的接著區域MR的第1面30a。
受光元件20係被接著在MOSFET30的接著區域MR，具有：包含受光區域、第1電極26、29、及第2電極23、27的第1面20a、以及與第1面20a為相反之側亦即第2面20b。受光元件20的第2面20b係與MOSFET30的動作區域ER呈絕緣。
使MOSFET30及受光元件20呈絕緣時，例如若在MOSFET30的接著區域ER設置絕緣層即可。或者， 若在受光元件20的第2面20b設置絕緣層即可。或者，若在受光元件20的第2面20b、與MOSFET30的第1面30a的接著區域MR之間設置絕緣性接著層即可。或者，可在受光元件20的第2面20b、與MOSFET30的第1面30a的接著區域MR之間配置經絕緣的導電性防護膜。導電性防護膜係減低晶片間的輻射雜訊。導電性防護膜為薄片狀，亦可為連續體、離散的島狀、線狀、或該等之複數組合。
接著層34係將發光元件10的第2面10b、與受光元件20的受光區域22進行接著，具有透光性及絕緣性。
受光元件20係藉由由發光元件10所被放出的放出光，在受光區域的pn接合產生光電動勢。MOSFET30係具有第1面30a，該第1面30a係包含：動作區域ER、及設在與動作區域ER為相反之側的接著區域MR。動作區域ER係包含：與受光元件20的第1電極26、29相連接的閘極電極G、及與受光元件20的第2電極23、27相連接的源極電極S。
若光電動勢被供給至MOSFET30的閘極，MOSFET30即被切換成接通或斷開。如上所示，光耦合裝置係可輸出對應輸入電訊號的電訊號。
輸入端子50係被設在MOSFET30的接著區域MR之側，與發光元件10的第1電極14及第2電極15分別相連接。與輸入端子呈絕緣的輸出端子52係與 MOSFET30的汲極相連接。
此外，輸出端子52係可具有設在絕緣層40的第1面40a的晶粒焊墊部52c。MOSFET30係被接著在晶粒焊墊部52c。若MOSFET為縱形MOSFET，由於可將作為汲極的晶片的背面30b與輸出端子52的晶粒焊墊部52c相連接，因此成為簡單的構造。
輸入端子50及輸出端子52係可另外具有：分別設在與第1面40a為相反之側的絕緣層40的第2面40b的背面部50a、52a、及分別設在絕緣層40的側面的側面部50b、52b。晶粒焊墊部52c及背面部52a係可藉由設在絕緣層40內的貫穿金屬層52d相連接。
此外，如圖1(c)所示，輸入端子50的上面部50c及背面部50a係可藉由設在絕緣層40內的貫穿金屬層50d相連接。如此一來，上面部50c及背面部50a可更加確實地連接。
支持基板48、MOSFET30、受光元件20、及發光元件10係可以密封樹脂層90覆蓋。若將密封樹脂層90形成為遮光性，可抑制因來自外部的光所造成的錯誤動作。此外，密封樹脂層90係可形成為環氧、矽氧等。其中，光耦合裝置並非限定於圖1(a)、(b)所表示的構造，包含包括光耦合器、或調光繼電器等的光耦合型絕緣裝置。
圖2(a)係發光元件的模式側面圖，圖2(b)係發光元件的模式平面圖，圖2(c)係受光元件的 模式平面圖，圖2(d)係沿著B-B線的積層構造的模式剖面圖，圖2(e)係積層構造的模式側面圖。
如圖2(a)所示，具有透光性的基板11係具有：第1面11a、及與第1面11a為相反之側的第2面11b。在第2面11b設有包含發光層12(點線)的半導體積層體13。半導體積層體13係在與基板11之側為相反之側的面，包含由表面到達發光層12之下方的段差部。段差部係具有底面13a。
若基板11形成為具有GaAs者時，其能隙波長為大致870nm。因此，可使來自具有MQW(Multi Quantum Well：量子井)構造等之發光層的放出光G的波長，例如比870nm為更長、比1100nm為更短。其中，若將支持基板11形成為能隙波長為大致500nm的GaP時，放出光G的波長係可形成為700~1100nm等。
在段差部的底面13a設有第1電極14，在除了段差部以外的半導體積層體13的表面設有第2電極15。若第2電極15覆蓋發光層13的上方時，朝向上方的放出光的大部分係藉由第2電極15被反射，可減低朝向上方的放出光。為了使反射率更加提高，亦可採用未含有合金層的歐姆接著金屬、或透明半導體電極與反射金屬層的積層構造，抑制朝向上面的放射光，以最小限度的樹脂厚度構成朝向外部的光漏洩。由發光層12朝向下方的放出光係由發光元件10的第2面10b之中的光出射區域18被放出且入射至受光元件20的受光區域22。若受光區域 22包含例如作串聯連接的pn接合區域等時，可提高光電動勢。
圖2(c)所示之受光元件20的受光區域22若由上方觀看，係可包含在發光元件10的光出射區域18內。如此一來，受光區域22不會有由發光元件10突出的情形。因此，在受光區域22內可將光電動勢的分布平均化，因此為較佳。受光元件20係具有：與pn接合的其中一方導電形層相連接的第1電極26、29、及與pn接合的另一方導電形層相連接的第2電極23、27。
如圖2(d)所示，由光出射區域18被放出且透過接著層34的放出光G係入射至受光區域22。由於接著層34薄，因此來自發光元件10的放出光G係效率佳地由光出射區域18入射至受光區域22。此外，可抑制對其他控制元件部的光漏洩，其動作的安定性會提升。發光元件10的第1及第2電極14、15係可分別使用Au、Cu、Ag等接合導線等而與輸入端子50相連接。
受光元件20的第1電極26、29係可與MOSFET30的閘極電極G相連接，第2電極23、27係可與MOSFET30的源極電極S相連接。
在本實施形態中，MOSFET30、受光元件20、及發光元件10以此順序被積層在支持基板48之上。因此，減低封裝體的平面尺寸或厚度，可輕易達成光耦合裝置小型化。
若MOSFET30為1個，可進行DC負載控 制。另一方面，如圖1所示，若將2個MOSFET31、32進行源極‧共用連接時，可進行AC負載控制。
圖3(a)係第1比較例之光耦合裝置引線接合前的模式剖面圖，圖3(b)係引線接合後的模式剖面圖。
如圖3(a)所示，在比較例中，係形成為夾著MOSFET130的表面的接著區域MMR而在兩側設有包含閘極電極或源極電極的動作區域EER者。接合導線BW係通過被設在毛細管190的中心軸的近傍的貫穿孔190a被按壓在電極而相連接。即使接合導線BW的直徑小為30μm以下，毛細管190的外徑亦接近200μm。因此，在接著區域MMR的兩側，必須要有供引線接合BW之用的空間，MOSFET130的晶片尺寸變大。
相對於此，在本實施形態中，如圖1(b)所示，在輸入端子50之側，係在MOSFET30的第1面30a未設置動作區域ER，使MOSFET30的側面與受光元件20的側面近接。藉由僅在輸出端子52之側設置動作區域ER，可縮小MOSFET30的晶片尺寸。此外，在封裝體內，並不需要用以接著受光元件20及發光元件10的區域。因此，輕易使得光耦合裝置小型化。結果，可將光耦合裝置的尺寸縮小為例如寬幅L2為1.35mm、長度L1為1.9mm等，可高密度構裝在機器內。
此外，接合導線係可藉由將更為下面側的接合設為1st、上面側的接合設為2nd來降低導線的高度， 可進而使密封樹脂層厚度變薄，而且減小下面側的接合區，因此可縮小光耦合裝置的尺寸。此外，若將下面側的接合設為1st而形成接合球時，垂直將導線上拉，將上面側的2nd接合與元件形成為並行，而朝向裝置中央部進行壓著，藉此提高與樹脂變形量相對應的接合強度，對於樹脂變形或剝離的可靠性會增加。此外，亦可藉由將元件間接合導線配置成與機器外形呈非平行(斜向)，而將因密封樹脂的溫度變形所致之縱橫方向伸縮所造成的應力朝導線長度方向分散且抑制。此外，以形成為愈長的接合導線，愈配置在沿著朝向機器中心的方向為宜。
圖4(a)~(h)係表示第2比較例之對向型光耦合裝置之製造工程的模式圖。亦即，圖4(a)係發光側引線框架的部分模式側面圖，圖4(b)係其部分剖面平面圖，圖4(c)係受光側引線框架的部分模式側面圖，圖4(d)係其部分模式平面圖，圖4(e)係使2個引線框架相對向的模式側面圖，圖4(f)係以光透過性樹脂覆蓋晶片的構造的模式剖面圖，圖4(g)係以光遮斷性樹脂將光透過性樹脂及引線框架進行成型的構造的模式剖面圖。
如圖4(a)、(b)所示，發光元件111被接著在發光側引線框架100。其中，圖4(a)係沿著C-C線的部分模式剖面圖。如圖4(c)、(d)所示，受光元件121及2個MOSFET131、132被接著在受光側引線框架200。其中，圖4(c)係沿著D-D線的部分模式剖面圖。 使發光側引線框架100、及受光側引線框架200如圖4(e)所示彼此相對向。以光透過性樹脂160覆蓋發光元件110、受光元件120、及2個MOSFET 131、132。光透過性樹脂160的形狀係依表面張力等而定而形成為光傳播路徑。
此外，如圖4(g)所示，藉由光遮斷性樹脂170，將光透過性樹脂160、發光側引線框架100、及受光側引線框架200進行密封。此外，如圖4(h)所示，將發光側引線框架100及受光側引線框架220，藉由切割及成形等而形成為光耦合裝置。
在第2比較例中，由於受光元件121及2個MOSFET131、132被平面式配置，因此難以將封裝體的平面尺寸小型化。此外，由於光透過性樹脂160、及將其包圍的光遮斷性樹脂170的厚度大，因此難以薄型化。此外，在對向型中係難以提高量產性，並不容易減低成本。
相對於此，在本實施形態中，由於將發光元件10、受光元件20、及MOSFET30積層為3段，因此可輕易達成封裝體平面尺寸的小型化、及薄型化。此外，相較於使用引線框架的對向型，可增多取得數，可提高量產性，且可輕易減低成本。
圖5係第1實施形態之光耦合裝置的構成圖。
受光元件20係另外具有控制電路28。控制電路28係分別與光電二極體陣列20a的第1電極26、29、及第2 電極23、27相連接。光訊號接通之時，控制電路28係將光電二極體陣列20a的電流或電壓供給至MOSFET30、31(例如將端子26、29與端子23、27之間形成為開路(open))。此外，當光訊號斷開之時，控制電路28係拉攏將MOSFET30、31的閘極G與源極S之間短路而被蓄積的電荷，將MOSFET30、31進行關閉(例如將端子26、29與端子23、27之間短路)。其中，最為簡單的控制電路28的構成係在端子26、29與端子23、27之間連接電阻者。若形成為如上所示之構成，可對經源極‧共用連接的MOSFET31、32的各自的閘極供給電壓。
MOSFET31、32係可形成為例如n通道增強型。MOSFET31、32係與光電二極體陣列20a的第2電極23、27相連接。各自的閘極係與第1電極26、29相連接，各自的汲極D係成為輸出端子52。
光訊號接通之時，MOSFET31、32係均形成為接通，透過輸出端子52，而與包含電源或負載的外部電路相連接。另一方面，光訊號斷開之時，MOSFET31、32均成為斷開，與外部電路被遮斷。若形成為源極‧共用連接時，可進行線性輸出，可輕易進行類比訊號或AC訊號的切換。
其中，通常在汲極與源極之間存在以虛線表示的寄生pn二極體D1、D2，當MOSFET31、32接通之時，可將任何寄生二極體D1、D2形成為電流路徑的一部分。
此外，MOSFET31、32進行高電流動作時，MOSFET31、32的發熱量會增大。此時，若將設在絕緣層40內的貫穿金屬層52d設在MOSFET31、32的發熱部的下方時，可將貫穿金屬層52d形成為放熱路徑，可減低熱電阻。
藉由實施形態的光耦合裝置，輕易達成薄型化及平面尺寸小型化。該光耦合裝置係可在產業用機器、事務用機器、家電機器等中廣泛使用。因此，在內置不同電源的機器中，可正常且安定地保持動作。
以上說明若干個實施形態，惟該等實施形態係提示為例者，並非意圖限定發明之範圍。該等新穎的實施形態係可以其他各種形態實施，可在未脫離發明要旨的範圍內進行各種省略、置換、變更。該等實施形態或其變形係包含在發明的範圍或要旨，並且包含在申請專利範圍所記載之發明及其均等的範圍。
10‧‧‧發光元件
10b‧‧‧第2面
14‧‧‧第1電極
15‧‧‧第2電極
20‧‧‧受光元件
20a‧‧‧第1面
20b‧‧‧第2面
23、27‧‧‧第2電極
26、29‧‧‧第1電極
30、31、32‧‧‧MOSFET
30a‧‧‧第1面
30b‧‧‧背面
34‧‧‧接著層
40‧‧‧絕緣層
40a‧‧‧第1面
40b‧‧‧第2面
48‧‧‧支持基板
50‧‧‧輸入端子
50a、52a‧‧‧背面部
50b、52b‧‧‧側面部
50c‧‧‧上面部
50d‧‧‧貫穿金屬層
52‧‧‧輸出端子
52c‧‧‧晶粒焊墊部
52d‧‧‧貫穿金屬層
90‧‧‧密封樹脂層
ER‧‧‧動作區域
MR‧‧‧接著區域
G‧‧‧閘極電極
S‧‧‧源極電極

Claims (12)

  1. 一種光耦合裝置，其係具備有：支持基板，其係具有：絕緣層、輸入端子、及輸出端子；MOSFET，其係具有包含動作區域的第1面，且被接著在前述支持基板，具有與前述輸出端子相連接的汲極；受光元件，其係具有：包含受光區域、第1電極、及第2電極的第1面；及為與前述第1面為相反之側且與前述MOSFET的前述動作區域呈絕緣的第2面，被接著在前述MOSFET且與前述MOSFET相連接；發光元件，其係具有：包含第1電極、及第2電極的第1面；及為與前述第1面為相反之側且包含放出光的光出射區域的第2面，與前述輸入端子相連接；及接著層，其係將前述發光元件、及前述受光元件的前述受光區域進行接著，具有透光性及絕緣性，藉由被照射前述放出光而在前述pn接合所產生的光電動勢，前述MOSFET切換成接通或斷開。
  2. 如申請專利範圍第1項之光耦合裝置，其中，前述MOSFET係包含經源極‧共用連接的2個MOSFET，由前述輸出端子被輸出對應被輸入至前述輸入端子的電訊號的電訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項之光耦合裝置，其中，前述輸出端子係具有：被設在前述絕緣層的第1面且接著前述MOSFET的晶粒焊墊部。
  4. 如申請專利範圍第1項之光耦合裝置，其中，前述輸入端子與前述輸出端子係具有：分別被設在與前述絕緣層的前述第1面為相反之側的前述絕緣層的第2面的背面部；及分別被設在前述絕緣層的側面的側面部。
  5. 如申請專利範圍第4項之光耦合裝置，其中，前述輸出端子的前述晶粒焊墊部及前述背面部係藉由被設在前述絕緣層內的貫穿金屬層而相連接。
  6. 如申請專利範圍第1項之光耦合裝置，其中，前述受光元件為光電二極體陣列。
  7. 一種光耦合裝置，其係具備有：發光元件，其係具有：包含第1及第2電極的第1面；及被設在與前述第1面為相反之側且包含放出光的光出射區域的第2面；受光元件，其係具有：包含pn接合的受光區域；具有與前述pn接合的第1導電形區域相連接的第1電極、及與前述pn接合的第2導電形區域相連接的第2電極的第1面；及與前述第1面為相反之側的第2面；接著層，其係將前述發光元件的前述第2面、及前述受光元件的前述受光區域相接著，且具有透光性及絕緣性；MOSFET，其係具有：包含具有閘極電極及源極電極的動作區域、及與前述動作區域相鄰接的接著區域的第1面；及與前述第1面為相反之側的第2面的MOSFET，前述受光元件的前述第2面與前述接著區域相接著，前述受 光元件的前述第1電極被連接於前述閘極電極，前述受光元件的前述第2電極被連接於前述源極電極；及支持基板，其係具有：絕緣層；分別與前述發光元件的前述第1及第2電極相連接的輸入端子；及接著前述MOSFET的前述第2面而且與前述MOSFET的汲極相連接的輸出端子，由上方觀看，前述受光區域係被包含在前述光出射區域內，前述接著區域係被設在前述輸入端子之側，前述動作區域係被設在前述輸出端子之側，藉由被照射前述放出光而在前述pn接合所發生的光電動勢，前述MOSFET切換成接通或斷開。
  8. 如申請專利範圍第7項之光耦合裝置，其中，前述MOSFET係包含經源極‧共用連接的2個MOSFET，對應被輸入至前述輸入端子的電訊號的電訊號係由前述輸出端子被輸出。
  9. 如申請專利範圍第8項之光耦合裝置，其中，前述輸出端子係具有：被設在前述絕緣層的第1面且接著前述MOSFET的晶粒焊墊部。
  10. 如申請專利範圍第7項之光耦合裝置，其中，前述輸入端子與前述輸出端子係具有：分別被設在與前述絕緣層的前述第1面為相反之側的前述絕緣層的第2面的背面部；及分別被設在前述絕緣層的側面的側面部。
  11. 如申請專利範圍第10項之光耦合裝置，其中，前 述輸出端子的前述晶粒焊墊部及前述背面部係藉由被設在前述絕緣層內的貫穿金屬層而相連接。
  12. 如申請專利範圍第7項之光耦合裝置，其中，前述受光元件為光電二極體陣列。
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