TWI600136B - Optical coupling device and insulation device - Google Patents

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Description

光耦合裝置及絕緣裝置 (相關申請案之引用)
本申請案係以於2015年03月02日提出申請之先前之日本專利申請案2015-040633號之權利之利益為基礎，且謀求其利益，藉由引用而將該申請案之全部內容包含於本申請案中。
此處所說明之實施形態係一般地關於一種光耦合裝置及絕緣裝置。
於光耦合裝置中，發送晶片輸出電壓(或電流)信號，發光元件發出與該信號相應之光信號，接收晶片接收該光信號並將其轉換為電壓(或電流)信號後輸出。光耦合裝置被通用性地使用於驅動IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極性電晶體)等電力用半導體元件之電路中。又，亦可替代光耦合裝置而使用利用電容耦合或磁耦合之絕緣裝置。
光耦合裝置多以使發送晶片、發光元件及接收晶片彙集於單一封裝中之IC(integrated circuit，積體電路)提供。
因光耦合裝置或絕緣裝置係於各種環境條件下使用，故不理想的是產生增益等電路特性之變動。
實施形態提供一種可抑制電路特性之變動之光耦合裝置及絕緣裝置。
根據一實施形態，提供一種光耦合裝置，其具備：發光元件，其發出光信號；第1半導體元件，其驅動上述發光元件；第2半導體元件，其接收上述光信號並將其轉換為電信號；凝膠狀之第1矽酮部，其覆蓋上述第1半導體元件之側面及上表面；凝膠狀之第2矽酮部，其與上述第1矽酮部隔離配置，且覆蓋上述第2半導體元件之側面及上表面；凝膠狀之第3矽酮部，其與上述第1及第2矽酮部隔離配置，且覆蓋與上述第2半導體元件對向之發光元件之側面及上表面；第1樹脂部，其覆蓋上述第1矽酮部、上述第2矽酮部及上述第3矽酮部之周圍；及第2樹脂部，其覆蓋上述第1樹脂部之周圍。
根據上述構成之照明裝置，可提供一種能夠抑制電路特性之變動之光耦合裝置及絕緣裝置。
1‧‧‧光耦合裝置(絕緣裝置)
2‧‧‧IC封裝
2a‧‧‧端子
3‧‧‧發送晶片
4‧‧‧發光元件
5‧‧‧接收晶片
11‧‧‧第1框架
12‧‧‧第2框架
13‧‧‧第1密封層
14‧‧‧第2密封層
14a‧‧‧第1矽酮部
15‧‧‧第3密封層
15a‧‧‧第2矽酮部
16‧‧‧內部樹脂
17‧‧‧外部樹脂
18‧‧‧橡膠狀矽酮部
19‧‧‧膜
21‧‧‧第1基準電壓調整器
22‧‧‧第1基準電壓產生電路
23‧‧‧A/D轉換器
24‧‧‧第1時脈產生器
25‧‧‧第2時脈產生器
26‧‧‧調變器
27‧‧‧驅動電路
31‧‧‧光電二極體
32‧‧‧跨阻抗放大器
33‧‧‧時脈再生電路
34‧‧‧解調器
35‧‧‧第2基準電壓產生電路
36‧‧‧第2基準電壓調整器
37‧‧‧D/A轉換器
38‧‧‧低通濾波器
41‧‧‧積層體
42‧‧‧凝膠狀矽酮部
G1~G8‧‧‧圖表
r1~r20‧‧‧區域
圖1係光耦合裝置之IC封裝之外形圖。
圖2係圖1之A-A線剖視圖。
圖3係表示發送晶片及接收晶片之內部構成之方塊圖。
圖4係一比較例之光耦合裝置之IC封裝之剖視圖。
圖5係表示第1及第2矽酮部之厚度與增益變動量之關係之圖表。
圖6係表示第1及第2矽酮部之厚度與增益變動量之關係之圖表。
圖7係表示第1及第2矽酮部之厚度與增益變動量之關係之圖表。
圖8係第2實施形態之光耦合裝置之IC封裝之剖視圖。
圖9係一比較例之IC封裝之剖視圖。
圖10A係利用磁耦合或電容耦合之絕緣裝置之剖視圖。
圖10B係利用磁耦合或電容耦合之絕緣裝置之剖視圖。
以下，參照圖式而說明本發明之實施形態。以下之實施形態雖以光耦合裝置及絕緣裝置內之特徵性構成及動作為中心進行說明，但光耦合裝置及絕緣裝置亦可存在以下說明中所省略之構成及動作。但，該等省略之構成及動作亦為涵蓋於本實施形態之範圍內者。
圖1係光耦合裝置1之IC封裝2之外形圖，圖2係圖1之A-A線剖視圖。圖1之光耦合裝置1如圖2所示般具備：發送晶片(第1半導體元件)3、發光元件4、及接收晶片(第2半導體元件)5。發光元件4發出光信號。發送晶片3驅動發光元件4。接收晶片5接收光信號，並將其轉換為電信號。
IC封裝2係例如如圖1所示般沿相互為相反側之兩邊各具備4根端子2a。一邊之4根端子2a連接於發送晶片3，另一邊之4根端子2a連接於接收晶片5。以下，將連接於發送晶片3之端子2a稱為發送晶片用端子，將連接於接收晶片5之端子2a稱為接收晶片用端子。
圖1所示之IC封裝2之形狀、或端子2a之根數、端子2a之配置係一例，而並非限定於圖1。例如，本實施形態之IC封裝2可為SOP(small Out-Line Package，小外形封裝)等表面安裝型，亦可為DIP(Dual In-line Package，雙直插封裝)等插入安裝型。又，亦可為多通道構成。
如圖2所示，於IC封裝2之內部，配置有供安裝發送晶片3及發光元件4之第1框架11、及供安裝接收晶片5之第2框架12。發光元件4與設置於接收晶片5之上表面之受光元件(未圖示)係以相向之方式配置。發送晶片3與發送晶片用端子係由接合線(未圖示)連接，發送晶片3與發光元件4亦由接合線(未圖示)連接。同樣地，接收晶片5與接收晶片用端子係由接合線(未圖示)連接。
又，光耦合裝置1亦可為使發光元件4與接收晶片5保持對向而以 IC封裝2之中心為旋轉中心旋轉180度後之對稱構造。又，圖2中雖示出於IC封裝2內各安裝1個發送晶片3、發光元件4及接收晶片5之例，但亦可各安裝複數個而設為多通道構成。於該情形時，較理想為維持發送晶片3與接收晶片5之相對位置關係。
又，於IC封裝2之內部，設置有第1~第3矽酮部13~15、第1樹脂部16、及第2樹脂部17。第1~第3矽酮部13~15亦稱為密封樹脂部。
第1矽酮部13覆蓋發送晶片3之側面及上表面。第2矽酮部14覆蓋接收晶片5之側面及上表面。第3矽酮部15覆蓋發光元件4之側面及上表面。第1樹脂部16覆蓋第1~第3矽酮部13~15與第1及第2框架11、12之周圍。第2樹脂部17覆蓋第1樹脂部16之周圍。又，第1~第3矽酮部13~15亦可僅覆蓋各晶片之上表面。第2樹脂部17係顯露於IC封裝2之外表面之構件。第1~第3矽酮部13~15及第1樹脂部16係透明樹脂部。更準確而言，其等係對發光元件4所發出之光信號之波長透明之樹脂部。第2樹脂部17係對發光元件4所發出之光信號之波長不透明之樹脂部。又，其發揮以不使外部光射入至發送晶片3、發光元件4及接收晶片5之方式遮光之作用。第2樹脂部17之顏色例如為黑色或白色。
第1~第3矽酮部13~15之相對於光信號之波長頻帶之透過率係90%以上。另一方面，於第1樹脂部16，為使其與第2樹脂部17之線膨脹係數儘可能地一致而添加有SiO2之微粒子等。因此，第1樹脂部16之相對於光信號之波長頻帶之透過率實質上至少為40%以上。因透過率亦依存於樹脂厚度，故作為吸收係數，為700m-1以下。
如此，圖2之IC封裝2係以第2樹脂部17覆蓋第1樹脂部16之外表面之雙色成形(double mold)構造。
第1~第3矽酮部13~15係分別隔離配置，於該等第1~第3矽酮部13~15之間，密接配置有第1樹脂部16。雖於自發光元件4發出之光 信號進行傳輸之路徑中存在覆蓋發光元件4之第3矽酮部15、第1樹脂部16、及覆蓋接收晶片5之第2矽酮部14，但因任一者均透明，故光信號可基本無損耗地於設計範圍內由接收晶片5接收。
第1~第3矽酮部13~15係以較橡膠狀矽酮更為軟質之凝膠狀矽酮形成。又，第1樹脂部16係例如以混有透明填料等之環氧樹脂或硬質橡膠狀矽酮形成，第2樹脂部17係例如以混合有微小之碳或TiO2等之環氧樹脂形成。使用凝膠狀矽酮作為第1~第3矽酮部13~15之材料之原因將於下文詳述。
圖3係表示發送晶片3及接收晶片5之內部構成之一例之方塊圖。圖3之發送晶片3具有：第1基準電壓調整器21、第1基準電壓產生電路22、A/D(Analog/Digital：類比/數位)轉換器23、第1時脈產生器24、第2時脈產生器25、調變器26、及驅動電路27。
第1基準電壓產生電路22係產生A/D轉換器23所使用之第1基準電壓。第1基準電壓產生電路22於其內部具有未圖示之帶隙電路與緩衝電路。帶隙電路係藉由使電晶體之帶隙電壓相抵消而產生不依存於電源電壓或溫度之第1基準電壓。緩衝電路係緩衝帶隙電路所產生之第1基準電壓。第1基準電壓調整器21係對由第1基準電壓產生電路22產生之第1基準電壓之電壓位準進行微調整。
A/D轉換器23係與由第1時脈產生器24產生之第1時脈信號、或自外部輸入之第1時脈信號同步地，將輸入至發送晶片3之電壓信號利用第1基準電壓轉換為數位信號。雖A/D轉換器23例如藉由△Σ調變進行A/D轉換，但亦可使用其他A/D轉換方式。
調變器26係與由第2時脈產生器25產生之第2時脈信號同步地，基於由A/D轉換器23產生之數位信號而產生調變信號(例如PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調變)信號)。驅動電路27係基於調變信號(例如PWM信號)控制發光元件4之陰極電壓。對發光元件4之陽極，供給 電源電壓。因此，發光元件4之陽極-陰極間電壓係根據調變信號(例如PWM信號)之脈衝寬度而變化，發光元件4發出與調變信號(例如PWM信號)之脈衝寬度相應之光信號。發光元件4例如為LED(Light Emitting Diode，發光二極體)，其發出與陽極-陰極間電壓相應之強度的光信號。
圖3之接收晶片5具有：光電二極體31、跨阻抗放大器(TIA：Transimpedance Amplifier)32、時脈再生電路33、解調器(例如PWM解調器)34、第2基準電壓產生電路35、第2基準電壓調整器36、D/A(Digital/Analog，數位/類比)轉換器37、及低通濾波器(LPF：Low Pass Filter)38。
光電二極體31接收由發光元件4發出之光信號，並將其轉換為電流信號。跨阻抗放大器32將流動於光電二極體31中之電流信號轉換為電壓信號。解調器(例如PWM解調器)34係將由跨阻抗放大器32產生之電壓信號解調為原調變信號(例如PWM調變信號)。D/A轉換器37係將經解調器(例如PWM解調器)34解調後之解調信號(例如PWM信號)轉換為類比電壓信號。低通濾波器38係輸出將由D/A轉換器37產生之電壓信號中所含之低頻雜訊去除後之類比電壓信號。第2基準電壓產生電路35係與第1基準電壓產生電路22同樣地，具有帶隙電路與緩衝電路。又，於數位輸出之情形時，將D/A轉換器37及低通濾波器38設為停止狀態，並直接輸出時脈再生電路33及解調器(例如PWM解調器)34之數位信號。
於先前之光耦合裝置1中，雖存在以矽酮部覆蓋接收晶片5或發光元件4之情形，但尚未有過以矽酮部覆蓋發送晶片3之舉。其原因在於：因發光元件4與接收晶片5收發光信號，故為避免污物等附著，且出於防止因來自第1樹脂部16之應力引起之發光元件4之劣化之目的而必須對其等加以保護，與之相對，因發送晶片3不存在此種顧慮，故 認為只要以第1樹脂部16或第2樹脂部17直接覆蓋即可。又，先前為防止矽酮部之變形而使用橡膠狀矽酮等硬度較高者。
於將先前之光耦合裝置1之IC封裝2設為雙色成形構造之情形時，一般以硬度較高之橡膠狀矽酮部覆蓋接收晶片5與發光元件4，以透明樹脂部覆蓋該等橡膠狀矽酮部與發送晶片3之周圍，且進而以黑色樹脂部覆蓋其周圍。
圖4係一比較例之光耦合裝置1之IC封裝2之剖視圖，剖視方向與圖2相同。圖4之IC封裝2係雙色成形構造，發送晶片3未由矽酮部覆蓋，接收晶片5與發光元件4由包含橡膠狀矽酮或凝膠狀矽酮之第1及第2矽酮部14a、15a覆蓋。第1樹脂部16與第2樹脂部17之材料係與本實施形態相同，第1樹脂部16係以環氧樹脂或橡膠狀矽酮形成，第2樹脂部17係以環氧樹脂形成。
本發明人對圖4之一比較例之光耦合裝置1持續96個小時進行被稱為壓力鍋試驗(PCT：Pressure Cooker Test)之高溫飽和水蒸汽壓力試驗，結果得知：光耦合裝置1之相對於輸入電壓之輸出電壓即增益產生變動。PCT係將IC置入高溫高濕度氛圍中以用於評估IC之耐溫度及耐濕度之加速壽命試驗。作為增益變動之要因，雖認為有多種要因，但於構成光耦合裝置1之電路中，信號位準最容易變動者係第1及第2基準電壓產生電路22、35內所使用之運算放大器。第1及第2基準電壓產生電路22、35具有帶隙電路，但帶隙電路以運算放大器對其輸出信號進行負反饋控制。雖於將運算放大器積體電路化時使用COMS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互補金氧半導體)，但運算放大器之輸入級之差動MOS電晶體對係對環境條件之變化特別敏感，故電氣特性容易變動。
眾所周知，MOS電晶體之通道移動率根據應力(壓力)而變化。PCT係用於保證IC封裝2之長期可靠度之加速壽命試驗，且係於高溫 高濕度氛圍中評估IC之耐溫度及耐濕度之試驗。然而，若將圖1之IC置入高溫高濕度氛圍中，則會引起IC封裝2內之樹脂出現體積膨脹。若因該體積膨脹而生之壓縮應力藉由某種作用而施加於發送晶片3與接收晶片5，則由此導致上述運算放大器之差動MOS電晶體對之電氣特性不均勻地變動，而有使運算放大器中產生偏移電壓之虞。認為若運算放大器中產生偏移電壓，則基準電壓之電壓位準變動，自發送晶片3或接收晶片5輸出之電壓信號之電壓位準亦不均勻地變動，結果，導致光耦合裝置1之增益變動。
如此，由於發送晶片3與接收晶片5之兩者包含具有運算放大器之第1或第2基準電壓產生電路22、35，故而兩晶片均容易產生由某種應力引起之基準電壓之變動。又，若施加於各晶片之應力產生差異，則基準電壓之變動量亦不均勻而成為不同者，若長期於嚴酷條件下動作，則有光耦合裝置1之增益變動增大之虞。
而且，第1及第2基準電壓產生電路22、35內所使用之運算放大器並非僅為帶隙電路之負反饋控制用者。雖由帶隙電路產生之基準電壓被輸入至緩衝電路，但該緩衝電路亦使用運算放大器。
如此，設置於發送晶片3與接收晶片5之內部之第1或第2基準電壓產生電路22、35具備複數個運算放大器。認為若各運算放大器因應力而產生偏移電壓，各者之變動量不均勻而相對失衡，則光耦合裝置1之增益於長期動作條件下會大幅變動。
本發明人進行試誤之結果為，發現若以凝膠狀矽酮覆蓋發送晶片3與接收晶片5，則可緩和應力。凝膠狀矽酮係硬度值較環氧樹脂或橡膠狀矽酮更小而容易塑性變形之構件。凝膠狀矽酮之硬度值例如可藉由硬度計進行測量。本實施形態中所使用之凝膠狀矽酮係以JIS K 6253或JIS K 7215(類型A)為基準，以硬度計測量出之硬度值為10~24之範圍內者。本發明人對硬度值作出各種變更而進行實驗，結果得 知，若硬度值未達10，則凝膠狀矽酮之形狀容易變形，而有無法穩定地維持第1~第3矽酮部13~15之外形形狀之虞。又，得知，若硬度為16以上，則可形成更穩定之形狀。又，得知，若硬度值超過24，則變得過硬而導致與第1樹脂部16之密接性變差以致有產生間隙之虞。若產生間隙，則有產生剝離或絕緣耐壓性能降低之虞，故並不理想。又，於各第1~第3矽酮部13~15與第1樹脂部16之間，混合存在有剝離部分與密接部分，而於長期動作條件下其狀態會變動。於不同之樹脂部彼此之界面，變形量於其長邊與短邊方向上不同，且於長邊方向上變形較大，於短邊方向上變形較小。因此，存在第1~第3矽酮部13~15之頂部(於縱向上)膨脹而於周邊部(橫向)收縮之傾向，容易於不同之樹脂部彼此之界面產生剝離。
再者，為參考起見，以硬度計測定第1樹脂部16之硬度值，結果為75。此時，關於凝膠狀矽酮中硬度為10~24之範圍內者，第1~第3矽酮部13~15與第1樹脂部16之密接性較佳，於PCT等加速壽命試驗之前後不會產生剝離等，且未看到頂部或周邊部之密接部分或剝離部分。如此，第1樹脂部16之硬度值較理想為第1~第3矽酮部13~15之硬度值之3倍以上、即30以上。
根據本發明人之實驗可知，若以硬度值為10~24、較理想為16~24之凝膠狀矽酮覆蓋發送晶片3、接收晶片5及發光元件4，則即便進行PCT等在高溫高濕度下之加速壽命試驗，亦可緩和對發送晶片3及接收晶片5造成影響之應力，從而可將光耦合裝置1之以輸出電壓/輸入電壓所表示之增益變動量抑制為甚至實際使用上不存在問題之程度。
先前係如圖4之一比較例所示，於將隔離IC雙色成形之情形時，以包含凝膠狀矽酮等相對較為硬質之樹脂材料的第1及第2矽酮部14a、15a覆蓋接收晶片5與發光元件4，發送晶片3則並不以矽酮部覆 蓋，而形成第1樹脂部16與第2樹脂部17。於該情形時，第1樹脂部16與第1及第2矽酮部14a、15a之間之密接性變差，於接收晶片5之側面部分尤其容易產生剝離。另一方面，接收晶片5之上表面側係牢固地接著有第1及第2矽酮部14a、15a與第1樹脂部16，於進行PCT等加速壽命試驗時，存在容易對接收晶片5之上表面側施加應力，而容易產生增益變動之問題。又，由於發送晶片3之側面及上表面直接由第1樹脂部16覆蓋，且第1樹脂部16亦為硬質材料，故有亦會對發送晶片3施加應力之虞。又，接收晶片5與發送晶片3之周圍之樹脂之變形量於長期動作前後不均勻，而存在相對失衡之可能性。
相對於此，於本實施形態中，由於以包含軟質之凝膠狀矽酮之第1及第2矽酮部13、14覆蓋發送晶片3與接收晶片5兩者，故可藉由凝膠狀矽酮使應力分散。因此，即便以PCT等之高溫高濕化進行加速壽命試驗，亦可將施加於發送晶片3與接收晶片5之應力減少而仍相對保持平衡。又，因第1~第3矽酮部13~15為凝膠狀矽酮部，故與第1樹脂部16之密接性較佳，而不會局部地剝離，因此亦消除對發送晶片3與接收晶片5之表面之一部分較強地施加壓力之虞。
惟根據由本發明人進行之實驗可知，即便使用凝膠狀矽酮，但若改變第1及第2矽酮部13、14之厚度，則增益之變動量會大幅變化。即，可知必須將第1及第2矽酮部13、14之厚度最佳化。
圖5係表示使覆蓋發送晶片3之第1矽酮部13之厚度與覆蓋接收晶片5之第2矽酮部14之厚度變化而進行PCT之情形時之增益變動量的圖表。於圖5中，示出針對不存在第1及第2矽酮部13、14之情形、厚度較小(120~170μm)之情形、厚度中等(170~220μm)之情形、厚度較大(220~270μm)之情形之共4種情形，4個試驗用光耦合裝置(以下，稱為供試體)中之增益變動量之時間變化之測定結果。各圖表之橫軸係PCT之試驗時間，縱軸係增益變動量。圖表G1表示未以第1及第2矽 酮部13、14覆蓋發送晶片3與接收晶片5之情形。圖表G2表示以第2矽酮部14僅覆蓋接收晶片5之情形。圖表G3表示第1矽酮部13之厚度較小且第2矽酮部14之厚度為中等之情形。圖表G4~G7分別表示第1矽酮部13之厚度為中等且第2矽酮部14之厚度為無、小、中、大之情形。圖表G8表示第1矽酮部13之厚度較大且第2矽酮部14之厚度為中等之情形。該等圖表G1~G8中之4條摺線係4個供試體中之測定結果。
如自圖表G1~G8所知，若第1及第2矽酮部13、14之厚度為中等以上，則增益變動量變少，第1及第2矽酮部13、14之厚度越大，則減少增益變動量之效果越佳。
圖6係表示相對於第1矽酮部13與第2矽酮部14之厚度之增益變動率(96h後增益變量/初始值)的圖。圖6之橫軸係第1矽酮部13之厚度，縱軸係第2矽酮部14之厚度。
圖6之區域r1係第2矽酮部14之厚度相對於第1矽酮部13之厚度之比極大之區域。區域r2係次於區域r1之上述比較大之區域。區域r3係次於區域r2之上述比較大之區域。區域r4係次於區域r3之上述比較大之區域。區域r5係次於區域r4之上述比較大之區域。又，區域r6係第1矽酮部13之厚度相對於第2矽酮部14之厚度之比極大之區域。區域r7係次於區域r6之上述比較大之區域。區域r8係次於區域r7之上述比較大之區域。區域r9係次於區域r8之上述比較大之區域。區域r10係次於區域r9之上述比較大之區域。
於區域r1~r5中，朝向負方向之增益變動率變大。此處，所謂負方向係指增益較原來之增益變小之意。尤其於區域r1及r2(第2矽酮部14之厚度為180μm以上且第1矽酮部13之厚度為100μm以下)中，負增益變動率更進一步變大。
另一方面，區域r6~r9係第1矽酮部13之厚度較第2矽酮部14之厚 度更大之區域。於該等區域r6~r9中，朝向正方向之增益變動率變大。此處，所謂正方向係指增益較原來之增益變大之意。尤其，於區域r6及r7(第1矽酮部13之厚度為180μm以上且第2矽酮部14之厚度為100μm以下)中，正增益變動率更進一步變大。增益變動率最少者係區域r1~r4與區域r6~r9之間之區域r10。該區域r10係第1矽酮部13之厚度與第2矽酮部14之厚度大致相等之區域。又，可知，於第1矽酮部13之厚度與第2矽酮部14之厚度為200μm以上時，即便兩者之厚度不同，變動量亦較小。
圖7係表示相對於第1矽酮部13與第2矽酮部14之厚度之增益變動量(96h後增益值與初始值之差)的圖。圖7之橫軸係第1矽酮部13之厚度，縱軸係第2矽酮部14之厚度。
圖7之區域r11係第2矽酮部14之厚度相對於第1矽酮部13之厚度之比極大之區域。區域r12係次於區域r11之上述比較大之區域。區域r13係次於區域r12之上述比較大之區域。區域r14係次於區域r13之上述比較大之區域。區域r15係次於區域r14之上述比較大之區域。又，區域r16係第1矽酮部13之厚度相對於第2矽酮部14之厚度之比極大之區域。區域r17係次於區域r16之上述比較大之區域。區域r18係次於區域r17之上述比較大之區域。區域r19係次於區域r18之上述比較大之區域。區域r20係次於區域r19之上述比較大之區域。
於區域r11~r15中，朝向負方向之增益變動量變大，區域r16~r19中，朝向正方向之增益變動量變大。增益變動量最少者係區域r11~r15與區域r16~r19之間之區域20。該區域r20係第1矽酮部13之厚度與第2矽酮部14之厚度大致相等之區域。又，可知，於第1矽酮部13之厚度與第2矽酮部14之厚度為200μm以上時，即便兩者之厚度不同，變動量亦較小。
亦即，自圖6及圖7之圖可知，將第1及第2矽酮部13、14之厚度 設為相同之100μm至250μm左右，又，較理想為，若一者為200μm以上，則設定為該厚度以上之厚度。
如此，於雙色成形構造之情形時，若第1矽酮部13與第2矽酮部14之厚度存在較大差異，則施加於發送晶片3與接收晶片5之應力亦產生差別，而導致增益變動量變大。因此，較理想為將第1矽酮部13與第2矽酮部14之厚度設為同等程度。如下所述，因必須根據發送晶片3或接收晶片5之厚度或面積等變更第1及第2矽酮部13、14之厚度，故更準確而言，較理想為以施加於發送晶片3與接收晶片5之應力大致相等、且應力之值亦變小之方式，將第1及第2矽酮部13、14之厚度最佳化。
又，根據圖7，可知存在第1及第2矽酮部13、14之厚度越大，則增益變動量越小之區域。
若參照圖7，則可知第1及第2矽酮部13、14之厚度之下限值係100μm以上，較理想為200μm以上，更理想為250μm以上。
又，第1及第2矽酮部13、14之厚度之上限值係以滿足第1矽酮部13、第2矽酮部14、以及覆蓋發光元件4之側面及上表面之第3矽酮部15之各者不接觸之條件的方式予以設定。其原因在於，若第1~第3矽酮部13~15彼此接觸，則有導致絕緣耐壓降低之虞。
又，於光電耦合器等之安全國際規格(VDE：Verband Deutsher Electrotechnisher，德國電氣工程師協會)中，要求發送晶片3與接收晶片5之空間絕緣距離為0.4mm且耐壓為3.75kV。根據該規格，發送晶片3側與接收晶片5側之包含接合線之導電區域之各者必須確保0.2mm之絕緣距離。亦即，空間絕緣距離必須為0.4mm以上。於發送晶片3與接收晶片5之上表面連接接合線，接合線之厚度為100~200μm左右。因於連接接合線之狀態下發送晶片3與接收晶片5側之各導電部間之最近接分離距離即空間絕緣距離必須確保0.4mm，故為實現最薄封 裝，必須將近接或交叉之第1及第2矽酮部13、14之厚度之上限值抑制為300μm~400μm。
若對以上加以整理，則如自圖5與圖6之圖表所知，第1及第2矽酮部13、14之厚度之下限值為100μm以上，較理想為200μm以上，更理想為250μm。
又，第1及第2矽酮部13、14之厚度之上限值係以滿足第1~第3矽酮部13~15不接觸之條件的方式予以設定，更具體而言，若將安全國際規格納入考慮，則為300μm~400μm以下。
再者，因第1及第2矽酮部13、14之厚度在晶片之中央部附近較在發送晶片3或接收晶片5之緣部更大，故第1及第2矽酮部13、14之厚度可設為各晶片之中心部附近之最大厚度。更理想為發送晶片3或接收晶片5之表面上之平均厚度。
進而，即便為維持使發送晶片3與接收晶片5對向之狀態而以封裝2之中心為旋轉中心旋轉180度之對稱構造，亦可獲得良好之結果。另一方面，於發送晶片3與接收晶片5之任一者較大程度地偏離相對位置之情形時，雖偏離前之增益變動率為圖6之區域r10，但有偏離後移位至區域r2或區域r7等之虞。因此，發送晶片3與接收晶片5之位置必須處於自對稱中心至少晶片之長邊尺寸之15%以內。其原因在於，圖6之變動率之容許厚度為30μm，此時之必要塗佈厚度之最低值為100μm。於搭載有多通道構造等之複數個晶片之情形時，即便係供交換信號之一對發送IC13與接收IC14，其相對位置亦必須處於晶片之長邊尺寸之15%以內。
另，認為發送晶片3及接收晶片5之厚度越大，則對應力之耐性越高。因此，發送晶片3及接收晶片5之厚度越大，則緩和應力所需之第1及第2矽酮部13、14之厚度亦可越薄。根據由本發明人進行之研究，可知第1及第2矽酮部13、14之厚度與發送晶片3及接收晶片5之厚 度大致存在反比例之關係。例如，若將發送晶片3或接收晶片5之厚度設為t1且將反比例係數設為k1，則緩和應力所需之第1或第2矽酮部13、14之厚度之下限值係k1×100/t1~k1×250/t1以上。同樣地，緩和應力所需之第1或第2矽酮部13、14之厚度之上限值係k1×300/t1~k1×400/t1以下。
同樣地，認為光耦合裝置1之IC封裝2之厚度越大，則對應力之耐性越高。因此，IC封裝2之厚度越大，則緩和應力所需之第1及第2矽酮部13、14之厚度亦可越薄。根據由本發明人進行之研究，可知第1及第2矽酮部13、14之厚度與IC封裝2之厚度大致存在反比例之關係。例如，若將IC封裝2之厚度設為t2，且將反比例係數設為k2，則緩和應力所需之第1或第2矽酮部13、14之厚度之下限值係k2×100/t2~k2×250/t2以上。同樣地，緩和應力所需之第1或第2矽酮部13、14之厚度之上限值係k2×300/t2~k2×400/t2以下。
又，可知，施加於發送晶片3及接收晶片5之應力亦依存於發送晶片3及接收晶片5之表面積。表面積越大，則越容易施加應力，根據由本發明人進行之研究，可知發送晶片3及接收晶片5之表面積與應力大致存在比例關係。例如，若將發送晶片3或接收晶片5之表面積設為t3，且將比例係數設為k3，則緩和應力所需之第1或第2矽酮部13、14之厚度之下限值係k3×100×t3~k3×250×t3以上。同樣地，緩和應力所需之第1或第2矽酮部13、14之厚度之上限值係k3×300×t3~k3×400×t3以下。
如圖2所示，於本實施形態中，不僅以第1及第2矽酮部13、14覆蓋發送晶片3及接收晶片5，亦以第3矽酮部15覆蓋發光元件4之側面及上表面。因認為發光元件4所發出之光信號不會受到應力之影響，故就緩和應力之觀點而言，第3矽酮部15並非必須。但，若將發光元件4之保護或第1樹脂部16之密接性等納入考慮，則較理想為與第1及第2 矽酮部13、14同樣地，以包含凝膠狀矽酮之第3矽酮部15覆蓋發光元件4。其原因在於，若於發光元件4之周圍因經時變化而產生間隙，則受其影響而引起光之反射，結果會對朝向接收晶片5之光量賦予變化。又，亦有因剝離與局部之應力集中而產生元件內結晶缺陷之增長或擴散，因此引起發光元件4之劣化而使輸出光量被抑制之虞。
如此，第1實施形態中，於雙色成形構造之光耦合裝置1中，因分別以包含凝膠狀矽酮之第1及第2矽酮部13、14覆蓋發送晶片3與接收晶片5，故即便於在PCT等之高溫高濕度氛圍中進行加速壽命試驗之情形時，亦可藉由凝膠狀矽酮緩和施加於發送晶片3或接收晶片5之應力。藉此，可使應力均一化，從而可抑制光耦合裝置1之增益變動。又，可藉由將第1及第2矽酮部13、14之厚度最佳化而將光耦合裝置1之增益變動最小化。
(第2實施形態)
圖8係第2實施形態之光耦合裝置1之IC封裝2之剖視圖，圖9係一比較例之IC封裝2之剖視圖。圖8及圖9之IC封裝2係雙色成形構造。
圖8之IC封裝2係與第1實施形態同樣地，以包含凝膠狀矽酮部之第1矽酮部13覆蓋發送晶片3。又，於圖8之IC封裝2中，以較凝膠狀矽酮部更為硬質之橡膠狀矽酮部18覆蓋發光元件4之側面及上表面、接收晶片5之側面及上表面、及自發光元件4至受光元件為止之光路。進而，於橡膠狀矽酮部18之中間位置配置膜19，藉由膜19將橡膠狀矽酮部18分割為2個。橡膠狀矽酮部18與第1矽酮部13之周圍被第2樹脂部17覆蓋。
設置膜19係為防止於PCT等之高溫高濕度氛圍中進行加速壽命試驗時，於橡膠狀矽酮部18與第2樹脂部17之間形成間隙而引起放電。再者，亦可替代橡膠狀矽酮部18而以凝膠狀矽酮部覆蓋，將其用作進一步提高絕緣耐壓之機構。
於圖9之一比較例中，發送晶片3未被第1矽酮部13覆蓋而直接接觸於第2樹脂部17。
於圖9之一比較例之情形時，因第2樹脂部17較凝膠狀矽酮部或橡膠狀矽酮部更為硬質，故有無法緩和施加於發送晶片3之應力，發送晶片3內之基準電壓產生變動等，而產生光耦合裝置1之增益變動之虞。
相對於此，於圖8之IC封裝2中，因以包含凝膠狀矽酮之第1矽酮部13覆蓋發送晶片3，故即便於車載用途等長期且嚴酷之條件下，亦可易於緩和矽酮部應力，從而可抑制光耦合裝置1之增益變動。
若參照圖6，便可知，若第1矽酮部13之厚度超過約200μm，則無需依存於接收晶片5側之密封厚度即可抑制增益變動。根據圖6，可知，於第1矽酮部13之厚度為200μm時，增益變動仍輕度依存於接收晶片5側之厚度，但若超過250μm，則基本不依存於接收晶片5側之厚度。因此，雙色成形構造時之覆蓋發送晶片3之第1矽酮部13之厚度必須設為200μm以上，更理想為設為250μm以上。
又，第1矽酮部13之厚度之上限值係於滿足第1矽酮部13不會接觸相鄰之接收側之橡膠狀矽酮部或凝膠狀矽酮部之條件之範圍內設定。
如此，即便於將光耦合裝置1之IC封裝2設為雙色成形之情形時，亦可藉由以第1實施形態之包含凝膠狀矽酮或橡膠狀矽酮之第1矽酮部13覆蓋發送晶片3而緩和發送晶片3之應力，從而可長期地抑制光耦合裝置1之增益變動。
(第3實施形態)
於上述第1及第2實施形態中，已說明維持絕緣狀態而收發來自發光元件4之光信號之光耦合裝置，但光耦合裝置等之絕緣裝置並非僅為收發光信號者，而亦可例如藉由磁耦合或電容耦合而非接觸地傳 輸信號。
於以磁耦合進行信號傳輸之情形時，例如只要以發送晶片側之線圈與接收晶片側之線圈磁耦合之方式進行配置即可。或者，亦可於發送晶片側設置線圈，且於接收晶片側設置電阻橋電路。
又，於藉由電容耦合進行信號傳輸之情形時，例如亦可於發送晶片與接收晶片之間設置電容器，使該電容器之一電極連接於發送晶片，使另一電極連接於接收晶片。
即便為藉由磁耦合或電容耦合進行信號傳輸之絕緣裝置，亦於發送晶片與接收晶片之內部設置有基準電壓產生電路，由基準電壓產生電路產生之基準電壓亦因施加於發送晶片或接收晶片之應力而變動。因此，如於第1及第2實施形態中所說明般，較理想為以凝膠狀矽酮部覆蓋發送晶片或接收晶片而謀求應力緩和。
圖10A及圖10B係利用磁耦合或電容耦合之絕緣裝置之剖視圖。於圖10A之情形時，絕緣之發送晶片3、絕緣之接收晶片5、絕緣之線圈或電容器等被動元件之積體層41配置於各自分開之框架11上。該等發送晶片3、接收晶片5及積層體41均被凝膠狀矽酮部13、14、42覆蓋。
於圖10B之情形時，於各自分開之框架11上，發送晶片3及接收晶片5係絕緣地配置，絕緣之線圈或電容器等被動元件之積層體41積體於接收晶片5上。發送晶片3與接收晶片5之側面及上表面係如於第1及第2實施形態中所說明般，被凝膠狀矽酮部13、14覆蓋。
因圖10A及圖10B均為雙色成形構造，故覆蓋發送晶片3或接收晶片5之凝膠狀矽酮部13、14之厚度係與第2實施形態同樣地，較理想為設為200μm以上之厚度。進而，較理想為覆蓋發送晶片3或接收晶片5之凝膠狀矽酮部13、14之厚度實質上相同。
已對本發明之若干實施形態進行了說明，但該等實施形態係作 為例而提出者，並非意欲限定發明之範圍。該等新穎之實施形態能以其他各種形態實施，且可於不脫離發明之主旨之範圍內，進行各種省略、替換、變更。該等實施形態或其變化包含於發明之範圍及主旨內，並且包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等之範圍內。
1‧‧‧光耦合裝置(絕緣裝置)
2‧‧‧IC封裝
2a‧‧‧端子

Claims (12)

  1. 一種光耦合裝置，其具備：發光元件，其發出光信號；第1半導體元件，其驅動上述發光元件；第2半導體元件，其與上述發光元件對向，且接收上述光信號並將其轉換為電信號；凝膠狀之第1矽酮部，其覆蓋上述第1半導體元件之側面及上表面；凝膠狀之第2矽酮部，其與上述第1矽酮部隔離配置，且覆蓋上述第2半導體元件之側面及上表面；凝膠狀之第3矽酮部，其與上述第1及第2矽酮部隔離配置，且覆蓋上述發光元件之側面及上表面；第1樹脂部，其覆蓋上述第1矽酮部、上述第2矽酮部及上述第3矽酮部之周圍；及第2樹脂部，其覆蓋上述第1樹脂部之周圍。
  2. 如請求項1之光耦合裝置，其中上述第1及第2矽酮部其以JIS K 6253及JIS K 7215之至少一者為基準之硬度值為10至24。
  3. 如請求項2之光耦合裝置，其中上述第1及第2樹脂部之硬度值為30以上。
  4. 如請求項1至3中任一項之光耦合裝置，其中上述第1及第2矽酮部之厚度為100μm以上。
  5. 如請求項4之光耦合裝置，其中上述第1及第2矽酮部之厚度為400μm以下。
  6. 如請求項1至3中任一項之光耦合裝置，其中上述第1矽酮部之厚度係與上述第1半導體元件之厚度成反比例地設定；且 上述第2矽酮部之厚度係與上述第2半導體元件之厚度成反比例地設定。
  7. 如請求項1至3中任一項之光耦合裝置，其中上述第1及第2矽酮部之厚度係與該光耦合裝置之IC封裝之厚度成反比例地設定。
  8. 如請求項1至3中任一項之光耦合裝置，其中上述第1矽酮部之厚度係與上述第1半導體元件之表面積成比例地設定；且上述第2矽酮部之厚度係與上述第2半導體元件之表面積成比例地設定。
  9. 一種光耦合裝置，其具備：發光元件，其發出光信號；第1半導體元件，其驅動上述發光元件；第2半導體元件，其接收上述光信號並將其轉換為電信號；凝膠狀之第1矽酮部，其覆蓋上述第1半導體元件之側面及上表面；凝膠狀或橡膠狀之第2矽酮部，其覆蓋自上述發光元件之側面及上表面起包含上述光信號之傳輸路徑在內直至與上述發光元件對向之上述第2半導體元件之側面及上表面為止；及樹脂部，其覆蓋上述第1及第2矽酮部之周圍；且上述第1及第2矽酮部係對上述發光元件所發出之上述光信號之波長透明之構件；且上述樹脂部係對上述發光元件所發出之上述光信號之波長不透明之構件。
  10. 如請求項9之光耦合裝置，其中上述矽酮部之厚度為200μm以上。
  11. 一種絕緣裝置，其具備：第1半導體元件，其產生發送信號； 第2半導體元件，其係藉由磁耦合或電容耦合而接收上述發送信號；凝膠狀之矽酮部，其覆蓋上述第1半導體元件及上述第2半導體元件之側面及上表面；及樹脂部，其覆蓋上述矽酮部之周圍；且上述矽酮部之厚度為200μm以上。
  12. 一種絕緣裝置，其具備：第1半導體元件，其產生發送信號；第2半導體元件，其係藉由磁耦合或電容耦合而接收上述發送信號；凝膠狀之第1矽酮部及第2矽酮部，其覆蓋上述第1半導體元件及上述第2半導體元件之側面及上表面；及樹脂部，其覆蓋上述第1矽酮部及上述第2矽酮部之周圍；且上述第1矽酮部之厚度與上述第2矽酮部之厚度相同。
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