JP2008198892A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を確保しつつ小型化が可能な光結合装置を提供する。
【解決手段】第１の主面に凹部が設けられた第１の基板と、前記第１の基板の前記第１の主面上に設けられた第１の配線パターン、第２の配線パターン、第３の配線パターン、及び第４の配線パターンと、前記第１の主面に接合された第２の基板と、前記第１の主面と前記第２の基板とが接合されて形成された内部空間に設けられ、前記第１及び第２の配線パターンと電気的に接続され前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第１の発光素子と、前記内部空間に設けられ、前記第３及び第４の配線パターンと電気的に接続され前記第１の発光素子から放射される前記光を受光する受光素子と、を備え、前記第１の発光素子から放射された前記光の少なくとも一部は、前記第２の基板により反射されて前記受光素子に入射することを特徴とする光結合装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光結合装置に関する。

光結合装置は、遮光性パッケージ内に発光素子及び受光素子を備えており、電気入力信号により駆動される発光素子からの光信号を受光素子により再び電気出力信号に変換する。このため、電気的に絶縁された状態で信号伝送が可能であり、スイッチング電源、ＦＡ用コントローラなどを含む電子機器に広く使用されている。近年、電子機器の高機能化及び小型化要求が強まるにつれて、光結合装置の小型化がますます必要となっている。

この光結合装置は、例えば発光素子及び受光素子がリードフレームにマウントされ、発光素子及び受光素子間に形成された透光性樹脂と、透光性樹脂の外側の包むように形成された遮光性樹脂とを含む構造とされる。

しかしながら、発光素子及び受光素子をマウントしたリードフレームを樹脂成型する構造において特性及び信頼性を確保しつつ小型化をはかるには限界がある。
リードフレームのスプリングバックに起因するクラックが入らないようにして、小型化が可能なフォトカプラに関する技術開示例がある（特許文献１）。
特開２００１−３５８３６１号公報

本発明は、信頼性を確保しつつ小型化が可能な光結合装置を提供する。

本発明の一態様によれば、第１の主面に凹部が設けられた第１の基板と、前記第１の基板の前記第１の主面上に設けられた第１の配線パターン、第２の配線パターン、第３の配線パターン、及び第４の配線パターン、前記第１の主面に接合された第２の基板と、前記第１の主面と前記第２の基板とが接合されて形成された内部空間に設けられ、前記第１及び第２の配線パターンと電気的に接続され前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第１の発光素子と、前記内部空間に設けられ、前記第３及び第４の配線パターンと電気的に接続され前記第１の発光素子から放射される前記光を受光する受光素子と、を備え、前記第１の発光素子から放射された前記光の少なくとも一部は、前記第２の基板により反射されて前記受光素子に入射することを特徴とする光結合装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、第１の主面に凹部が設けられた第１の基板と、前記第１の基板の前記第１の主面上に設けられた第１の配線パターン、第２の配線パターン、第３の配線パターン、及び第４の配線パターンと、前記第１の主面に接合された第２の基板と、前記第１の主面と前記第２の基板とが接合されて形成された内部空間に設けられ、前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第１の発光素子と、前記内部空間において前記第１の発光素子と対向して設けられ、前記第１の発光素子から放射される前記光を受光する受光素子と、前記第２の基板の表面に設けられ前記第３の配線パターンと接続された第５の配線パターンと、前記第２の基板の表面に設けられ前記第４の配線パターンと接続された第６の配線パターンと、を備え、前記第１の発光素子及び前記受光素子のいずれか一方は、前記第１の基板にマウントされ、前記第１及び第２の配線パターンに接続され、前記第１の発光素子及び前記受光素子のいずれか他方は、前記第２の基板にマウントされ、前記第５及び第６の配線パターンに接続されたことを特徴とする光結合装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、第１の主面に凹部が設けられた第１の基板と、前記第１の基板の前記第１の主面上に設けられた第１の配線パターン、第２の配線パターン、第３の配線パターン、及び第４の配線パターンと、半絶縁性半導体からなり、表面に作り込まれた受光素子を有し、前記第１の主面に接合された第２の基板と、前記第１の主面と前記第２の基板とが接合されて形成された内部空間において前記受光素子と対向して前記第１の基板にマウントされ、前記第１及び第２の配線パターンと電気的に接続され、前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第１の発光素子と、前記第２の基板の表面に設けられ前記受光素子と前記第３の配線パターンとを接続する第５の配線パターンと、前記第２の基板の表面に設けられ前記受光素子と前記第４の配線パターンとを接続する第６の配線パターンと、を備えたことを特徴とする光結合装置が提供される。

本発明により、信頼性を確保しつつ小型化が可能な光結合装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光結合装置を表し、図１（ａ）は模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は内部の模式斜視図である。半絶縁性を有する半導体を含む第１の基板１０は凹部１２を有しており、凹部１２の内部の底面には発光素子３０及び受光素子３２がマウントされる。発光素子３０及び受光素子３２の電極とボンディングワイヤ３４、３５、３６により接続するための配線パターン４２、４４、４６、４８が、第１の主面４０に設けられた凹部１２の内部表面から第１の主面４０に延在している。

発光素子３０の一方の電極は配線パターン４６と接続され、他方の電極は配線パターン４８と接続される。図１において、発光素子３０は配線パターン４６上にマウントされており、一方の電極（図示せず）は発光素子３０のチップの裏面から配線パターン４６に接続される。他方の電極（図示せず）はワイヤボンディング３６により配線パターン４８と接続される。また、受光素子３２の電極（図示せず）は、ボンディングワイヤ３４、３５により配線パターン４４、４２とそれぞれ接続される。

また、第１の基板１０の第１の主面４０と貼り合わされる第２の基板６０は、第１の基板１０の凹部１２と対向する領域に光反射面６２を有する。すなわち、本実施形態は反射型の光結合装置である。光反射面６２は金属、誘電体、樹脂などにより形成でき、その形状は凹部状の曲面には限定されず、凸状の曲面や平面などであってもよい。

配線パターン４６、４８を介して発光素子３０に印加された入力電気信号により発光素子３０が発光し、光反射面６２による反射光が受光素子３２に入射する。受光素子３２により変換された信号は出力電気信号となり、配線パターン４２、４４を介して外部に取り出される。このために、入力側及び出力側は、電気的な絶縁を保ちつつ信号を伝送できる。

第１の基板１０の材質は、例えば半絶縁性の半導体とし、例えばＳｉとする。発光素子３０は、例えばＧａＡｌＡｓまたはＧａＡｓ系材料を用いた赤外発光素子とする。また、受光素子３２は、例えばＳｉを用いたフォトダイオード、フォトトランジスタとする。基板をＳｉとし、外部光による受光素子３２の誤動作を抑制する。

光反射面６２を有し第１の基板１０と貼り合わされる第２の基板６０の材質は、半絶縁性半導体または樹脂成型体などとする。第１及び第２の基板１０、６０に半導体を用いる場合、材質は同一でも異なってもよい。第２の基板６０も、外部光による受光素子３２の誤動作を抑制するよう遮光性を持たせる。すなわち、第１及び第２のき板１０，６０は、遮光性を有する絶縁材料または半絶縁材料とする。
なお、第１の基板１０と第２の基板６０とが接合されることにより形成される内部空間は、加熱による内圧の上昇を防止するために、真空または減圧とすることが望ましい。

第１の実施形態において、第１の基板１０の材質を半導体とすると凹部１２及び配線パターン４２、４４、４６、４８の形成に、半導体の微細加工プロセスを用いることができる。図２は、本実施形態にかかる光結合装置の製造工程を表す工程断面図である。まず、図２（ａ）のように第１の基板１０の第１の主面４０に凹部１２及び非貫通開口１４をＲＩＥ法などにより形成する。

続いて図２（ｂ）のように、第１の主面４０、凹部１２の内部表面、非貫通開口１４に沿って配線パターン４２、４４をリソグラフィ法により形成する。配線パターン４２、４４は金属層またはイオン注入層とする。この場合、チップのマウント領域及びワイヤボンディング領域の他はイオン注入層とすることができる。

続いて図２（ｃ）のように、非貫通開口１４近傍を第１の基板１０の裏面となる第２の主面４１側からＲＩＥ法などにより除去し裏面開口１６を設け、配線パターン４２、４４を露出する。続いて図２（ｄ）のように、裏面開口１６近傍に外部配線パターン５２、５４を形成し配線パターン４２、４４とそれぞれ接続する。さらに発光素子３０、受光素子３２を凹部１２内に接着し、ワイヤボンディングなどで接続する。

続いて、図２（ｅ）のように光反射面６２が凹部１２と対向するように第２及び第１の基板６０、１０を、例えば接着剤などにより接着する。さらに、ダイシング法などによりチップを分離して、図２（ｆ）の構造となる。このようにして発光素子３０及び受光素子３２の電極は非貫通開口１４及び裏面開口１６を介して外部配線パターンと接続される。

図１に表した第１の実施形態において、半導体を含む第１の基板１０に微細加工プロセスにより凹部１２を形成し、第２の基板６０に設けられた光反射面６２との間に形成された内部空間において光結合をさせることにより、リードフレーム及び樹脂によるパッケージよりも小型化できる。この場合、パッケージの強度は基板で保たれているので、リードフレームを太く厚くする必要がない。

さらに、光結合装置の端子はリードではなく第１の基板１０に設けられる外部配線パターンとするので、幅を狭く、厚みを薄くでき、リード折り曲げも不要となる。このために、リードフレーム構造より小型化が一層容易となりＣＳＰ（Chip Scale Package）構造も可能となる。なお、第１の基板１０の第２の主面４１に外部配線パターンを設けることなく第１の主面４０に形成された配線パターンのみでもよいが、実装基板への取り付けのためには外部配線パターンを第１の基板１０の第２の主面４１側に形成する方が好ましい
図３は、製造工程の変形例を表し、第１及び第２の基板１０、６０を真空または減圧下で接着する場合の工程断面図である。まず、図３（ａ）のように第１の基板１０の第１の主面４０に凹部１２及び非貫通開口１４をＲＩＥ法などにより形成する。

続いて図３（ｂ）のように、第１の主面４０、凹部１２の内表面、非貫通開口１４に沿って配線パターン４２、４４をリソグラフィ法により形成する。配線パターン４２、４４は金属層またはイオン注入層とする。この場合、チップのマウント領域及びワイヤボンディング領域以外はイオン注入層とすることができる。発光素子３０及び受光素子３２は銀ペーストまたはＡｕＳｎ半田によりマウントし、ワイヤボンディングなどにより配線パターンと接続する。

第１の基板１０の第１の主面４０は、金属、誘電体、樹脂などを含む光反射面６２を有する第２の基板６０と真空または減圧下で接着される。第２の基板６０も半導体であればウェーハ貼り合わせによる工程とする。この場合、半導体の材料が同一である必要はないが、発光素子３０からの放射光に対して遮光性を有することが好ましい。半導体ウェーハを貼り合わせる構造では、より確実かつ容易に基板を接着できる。

続いて図３（ｃ）のように、非貫通開口１４近傍を第１の基板１０の裏面である第２主面４１側からＲＩＥ法などにより除去し、配線パターン４２、４４を露出させる。さらに、図３（ｄ）のように、第２の主面４１側から外部配線パターン５２、５４を形成し配線パターン４２、４４とそれぞれに接続する。

続いて、ダイシングなどによりチップを分離して、図３（ｅ）の構造となる。このようにして発光素子３０及び受光素子３２の電極は非貫通開口１４及び裏面開口１６を介して外部配線パターンとそれぞれに接続される。

また、図１において、受光素子３２はＳｉである場合、基板に作り込むことにより、マウントを含む実装工程が簡素化でき、ワイヤボンディング領域が不要となるなど小型化がより容易となる。なお、配線パターン４６，４８の間に２つの発光素子３０を逆並列に接続するとＡＣ入力用光結合装置とできる。

図４は、本発明の第２実施形態にかかる光結合装置の模式斜視図である。本実施形態においては、凹部１２において発光素子３０及び受光素子３２を覆うように透明樹脂２０（ドットで表す）が設けられており、発光素子３０及び受光素子３２を保護している。また、凹部１２の角部から離間した開口部１８が溝部１９を介して第１の主面４０に形成されている。このようにすると、第２の基板６０と貼り合わせられた場合、この開口部１８及び溝部１９の一部は透明樹脂２０の非形成領域となり膨張した透明樹脂２０がこの開口部１８及び溝部１９に沿って逃げることができるのでより好ましい。

すなわち、透明樹脂の線膨張係数は、約３×１０^―４／℃であり、Ｓｉ、リードフレーム、モールド樹脂よりも一桁程度は大きい。このために基板及び透明樹脂の間、モールド樹脂及び透明樹脂の間は密着性が不十分であり、温度変化による膨張・収縮量の差で透明樹脂の剥離を生じることがある。この剥離は光の結合効率を変動させる。また、透明樹脂の膨張によりモールド樹脂にクラックを発生させることもある。

これに対して、本実施形態においては、透明樹脂２０の膨張及び収縮があっても透明樹脂２０の逃げ場となる内部空間（溝部１９と開口部１８の一部または全部）が設けられるために透明樹脂２０の剥離及びモールド樹脂のクラックを抑制できる。したがって、光結合効率の変動を抑制でき、特性及び信頼性の確保が容易となる。
なお、このような溝部１９及び開口部１８は、第２の基板６０に設けてもよく、または第１の基板１０と第２の基板６０の両方に設けてもよい。

また、第１の基板１０を半絶縁性半導体とし、第２の基板６０を半絶縁性基板または樹脂とし、いずれも遮光性とする。図１及び図４では、発光素子３０及び受光素子３２を第１の基板１０に設けられた凹部１２に配置した反射型光結合装置について説明した。しかし本発明はこれに限定されず、一方が第２の基板６０に配置された対向型光結合装置であってもよい。

図５は、本発明の第３の実施形態にかかる対向型の光結合装置を表し、図５（ａ）は第２の基板の模式斜視図、図５（ｂ）は模式断面図、図５（ｃ）は第１の基板の模式斜視図である。本実施形態において、発光素子３０は第１の基板１０にマウントされ、受光素子３２は第２の基板６０にマウントされている。この場合、第１及び第２の基板１０、６０が貼り合わされ２つの凹部を含む内部空間が形成されている。第２の基板６０の配線パターン６６、６８は第１の基板１０の配線パターン４２、４４とそれぞれに接続され、第１の基板１０の第２の主面４１にすべての外部配線パターンが設けられる。本実施形態では、発光素子３０及び受光素子３２の間の距離を大きくし、絶縁耐圧を改善するのが容易となる。なお、図５に表したものとは逆に、発光素子３０を第２の基板６０にマウントし、受光素子３２を第１の基板１０にマントしてもよい。

また、チップ状の受光素子３２を第２の基板６０にマウントする代わりに、第２の基板６０に受光素子３２を作り込むことができる。すなわち、Ｓｉからなる第２の基板６０の表面に、拡散やパターニングを施すことにより、受光素子３２を形成することができる。このようにすると、実装工程が簡素化でき、小型化がより容易となる。また、ロジック出力やＭＯＳＦＥＴ出力の光結合装置においては、受光素子３２と他の素子を組み込んだ集積回路６９とし、これを第２の基板６０に作り込むと、対向型であるために安定した高い結合効率を有しつつ、小型化が可能な光結合装置が可能となる。つまり、この場合も、Ｓｉからなる第２の基板６０の表面に拡散やパターニングなどのプロセスを施すことにより、集積回路６９を形成することができる。

また、例えば電気的に独立である発光素子を２つ以上配置し、１つの受光素子３２から信号を出力させることができる。図６は、本発明の第４の実施形態にかかる光結合装置を表し、図６（ａ）は第２の基板の模式斜視図、図６（ｂ）は模式断面図、図６（ｃ）は第１の基板の模式斜視図である。本実施形態において、第１の基板１０に２つの発光素子３０，３１をマウントし、それぞれに独立した配線パターン４６、４７、４８、４９を設ける。このような発光素子３０、３１及び受光素子３２を複数ペア配置することにより小型の多チャンネル光結合装置が可能となる。

他方、第１の基板１０に受光素子３２を配置し、第２の基板６０に２つの発光素子３０、３１をマウントしてもよい。この場合、発光素子３０、３１と接続される４つの配線パターンが第２の基板６０に設けられる。第１の基板１０には、受光素子３２と接続される２つの配線パターンと、第２の基板６０に設けられた４つの配線パターンとそれぞれ接続される４つの配線パターンと、が、設けられる。
すなわち、前記第１の主面上に設けられた第７及び第８の配線パターンと、前記第２の基板の表面に設けられ前記第７の配線パターンと接続された第９の配線パターンと、前記第２の基板の表面に設けられ前記第８の配線パターンと接続された第１０の配線パターンと、前記内部空間に設けられ、前記前記第９及び第１０と電気的に接続され前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第２の発光素子と、をさらに備え、前記受光素子は、前記第２の発光素子から放射される前記光を受光し、前記第１及び第２の発光素子は前記第２の基板にマウントされ、前記受光素子は前記第１の基板に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の光結合装置を提供することもできる。

以上第１〜第４の実施形態において、内部空間の発光素子及び受光素子を覆う透明樹脂をさらに備え、第１及び第２の基板の少なくともいずれかは、内部空間に連通した溝部を有する構造とすることができる。

さらに、第１〜第４の実施形態において、発光素子３０、３１及び受光素子３２の配線パターンは、非平行であり垂直にすることが容易であり、入出力間の浮遊静電容量を低減することができる。従来構造では、入出力のリードが平行しており、かつリードの面積が大きいために浮遊静電容量が大きい。例えば、受光素子と一体に集積化されたＭＯＳＦＥＴによりターンオン及びターンオフ時のスイッチング時間を短縮しようとしても、浮遊静電容量のためスイッチング時間短縮には限界があった。これに対して本実施形態ではスイッチング時間の短縮が容易である。

以上に説明したように本発明の実施形態において、入力と出力が絶縁された状態で信号伝送が可能で、信頼性を確保しつつ小型化が容易な光結合装置が提供される。この光結合装置は、スイッチング電源、ＦＡコントローラ、医用を含む電子機器などの広い範囲において用いることができる。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし本発明はこれら実施形態に限定されない。例えば、光結合装置を構成する発光素子、受光素子、集積回路、基板、透明樹脂、モールド樹脂などの形状、材質、サイズ、配置などに関して、当業者が設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

第１の実施形態にかかる光結合装置の模式図。 第１の実施形態の製造工程を表す工程断面図。 第１の実施の形態の製造工程の変形例を表す工程断面図。 第２の実施形態にかかる光結合装置の模式図。 第３の実施形態にかかる光結合装置の模式図。 第４の実施形態にかかる光結合装置の模式図である。

符号の説明

１０ 第１の基板、１２ 凹部、２０ 透明樹脂、３０、３１ 発光素子、３２ 受光素子、４０ 第１の主面、４２、４４、４６、４７、４８、４９ 配線パターン、５２、５８ 外部配線パターン、６０ 第２の基板、６２ 光反射面、６６、６８ 配線パターン

Claims (5)

1. 第１の主面に凹部が設けられた第１の基板と、
   前記第１の基板の前記第１の主面上に設けられた第１の配線パターン、第２の配線パターン、第３の配線パターン、及び第４の配線パターンと、
   前記第１の主面に接合された第２の基板と、
   前記第１の主面と前記第２の基板とが接合されて形成された内部空間に設けられ、前記第１及び第２の配線パターンと電気的に接続され前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第１の発光素子と、
   前記内部空間に設けられ、前記第３及び第４の配線パターンと電気的に接続され前記第１の発光素子から放射される前記光を受光する受光素子と、
   を備え、
   前記第１の発光素子から放射された前記光の少なくとも一部は、前記第２の基板により反射されて前記受光素子に入射することを特徴とする光結合装置。
2. 第１の主面に凹部が設けられた第１の基板と、
   前記第１の基板の前記第１の主面上に設けられた第１の配線パターン、第２の配線パターン、第３の配線パターン、及び第４の配線パターンと、
   前記第１の主面に接合された第２の基板と、
   前記第１の主面と前記第２の基板とが接合されて形成された内部空間に設けられ、前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第１の発光素子と、
   前記内部空間において前記第１の発光素子と対向して設けられ、前記第１の発光素子から放射される前記光を受光する受光素子と、
   前記第２の基板の表面に設けられ前記第３の配線パターンと接続された第５の配線パターンと、
   前記第２の基板の表面に設けられ前記第４の配線パターンと接続された第６の配線パターンと、
   を備え、
   前記第１の発光素子及び前記受光素子のいずれか一方は、前記第１の基板にマウントされ、前記第１及び第２の配線パターンに接続され、
   前記第１の発光素子及び前記受光素子のいずれか他方は、前記第２の基板にマウントされ、前記第５及び第６の配線パターンに接続されたことを特徴とする光結合装置。
3. 第１の主面に凹部が設けられた第１の基板と、
   前記第１の基板の前記第１の主面上に設けられた第１の配線パターン、第２の配線パターン、第３の配線パターン、及び第４の配線パターンと、
   半絶縁性半導体からなり、表面に作り込まれた受光素子を有し、前記第１の主面に接合された第２の基板と、
   前記第１の主面と前記第２の基板とが接合されて形成された内部空間において前記受光素子と対向して前記第１の基板にマウントされ、前記第１及び第２の配線パターンと電気的に接続され、前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第１の発光素子と、
   前記第２の基板の表面に設けられ前記受光素子と前記第３の配線パターンとを接続する第５の配線パターンと、
   前記第２の基板の表面に設けられ前記受光素子と前記第４の配線パターンとを接続する第６の配線パターンと、
   を備えたことを特徴とする光結合装置。
4. 前記第１の主面上に設けられた第７及び第８の配線パターンと、
   前記内部空間に設けられ、前記第７及び第８の配線パターンと電気的に接続され前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第２の発光素子と、
   をさらに備え、
   前記受光素子は前記第２の発光素子から放射される前記光を受光することを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
5. 前記第１の主面上に設けられた第７及び第８の配線パターンと、
   前記内部空間に設けられ、前記第７及び第８の配線パターンと電気的に接続され前記第１及び第２の基板により遮光される波長の光を放射する第２の発光素子と、
   をさらに備え、
   前記受光素子は前記第１及び第２の発光素子から放射される前記光を受光し、
   前記第１及び第２の発光素子は前記第１の基板にマウントされ、
   前記受光素子は前記第２の基板に配置されたことを特徴とする請求項２または３に記載の光結合装置。

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