(57)【要約】【課題】透光性樹脂の形状崩れを抑制し、かつ小型化された光結合型半導体リレーを提供する。【解決手段】光結合型半導体リレー１００は、発光側リードフレーム４１に設けられたＬＥＤ１０と、発光側リードフレーム４１と対向配置された受光側リードフレーム４２に設けられた受光ＩＣ２０と、を少なくとも備えている。ＬＥＤ１０の表面と受光ＩＣ２０の主面２１とを少なくとも覆って設けられた透光性樹脂５０が、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０とを光学的に結合している。発光側リードフレーム４１と受光側リードフレーム４２と透光性樹脂５０とを少なくとも封止するように遮光性樹脂６０が設けられている。受光ＩＣ２０の周縁には、その主面２１を取り囲むように段差２２が設けられている。【選択図】図１Ａ
2020191369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光側リードフレームに設けられた発光素子と、
前記発光側リードフレームと所定の間隔をあけて対向配置された受光側リードフレームに設けられた受光素子と、を少なくとも備え、
前記発光素子の表面と前記受光素子の主面とを少なくとも覆って設けられた透光性樹脂が、前記発光素子と前記受光素子とを光学的に結合しており、
前記発光側リードフレームと前記受光側リードフレームと前記透光性樹脂とを少なくとも封止するように遮光性樹脂が設けられており、
前記受光素子の周縁には、前記受光素子の主面を取り囲むように段差が設けられていることを特徴とする光結合型半導体リレー。
【請求項２】
請求項１に記載の光結合型半導体リレーにおいて、
前記段差は、前記受光素子の主面からはみ出した前記透光性樹脂を受け止めるように設けられていることを特徴とする光結合型半導体リレー。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光結合型半導体リレーにおいて、
前記受光側リードフレームに並んで配置された出力側リードフレームと前記出力側リードフレームに設けられた出力素子と、をさらに備え、
前記出力側リードフレームと前記出力素子とは前記遮光性樹脂に封止されており、
前記出力素子と前記受光素子とは電気的に接続されていることを特徴とする光結合型半導体リレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は光結合型半導体リレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光素子であるＬＥＤと受光素子である受光ＩＣとが同一のパッケージ内に封止された光結合型半導体リレーが広く用いられており、例えば、特許文献１の図２に代表的な構造が開示されている。光結合型半導体リレーは、ＬＥＤで発する光を入力信号とし、この光を受光ＩＣで受光した信号を出力側リードフレームに実装された出力素子に入力し、出力素子から出力される信号を外部に出力する、いわゆる入出力絶縁型の半導体リレーである。発光側リードフレームに実装されたＬＥＤと受光側リードフレームに実装された受光ＩＣとは互いに絶縁されており、また、両者の間には透光性樹脂が設けられ、互いに光学的に結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５９７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、各種機器の小型化に伴い、光結合型半導体リレーのさらなる小型化が要求されている。
【０００５】
しかし、光結合型半導体リレーの小型化に伴い、各リードフレームの幅を狭くすると、透光性樹脂が受光側リードフレームからはみ出して形状崩れを起こし、光結合型半導体リレーの特性や信頼性に悪影響を与えるおそれがあった。
【０００６】
本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、透光性樹脂の形状崩れを抑制しつつ、小型化された光結合型半導体リレーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本開示に係る光結合型半導体リレーは、発光側リードフレームに設けられた発光素子と、前記発光側リードフレームと所定の間隔をあけて対向配置された受光側リードフレームに設けられた受光素子と、を少なくとも備え、前記発光素子の表面と前記受光素子の主面とを少なくとも覆って設けられた透光性樹脂が、前記発光素子と前記受光素子とを光学的に結合しており、前記発光側リードフレームと前記受光側リードフレームと前記透光性樹脂とを少なくとも封止するように遮光性樹脂が設けられており、前記受光素子の周縁には、前記受光素子の主面を取り囲むように段差が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、光結合型半導体リレーを小型化できるとともに、透光性樹脂の形状崩れを抑制することができ、光結合型半導体リレーの信頼性を担保することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の光結合型半導体リレーによれば、信頼性を担保しながら小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】一実施形態に係る光結合型半導体リレーの断面模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａにおける破線で囲まれた部分を示す拡大図である。
【図１Ｃ】受光側リードフレームに実装された受光ＩＣを上から見た模式図である。
【図２】受光ＩＣの製造工程の説明図である。
【図３】比較のための光結合型半導体リレーの断面模式図である。
【図４】透光性樹脂の形状崩れによる不具合点を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００１２】
（実施形態）
［光結合型半導体リレーの構成］
図１Ａは、本実施形態に係る光結合型半導体リレーの断面模式図を、図１Ｂは、図１Ａの破線で囲まれた部分の拡大図を、図１Ｃは、受光側リードフレームに実装された受光ＩＣを上から見た模式図をそれぞれ示す。なお、図１Ｃにおいて、ボンディングワイヤ７０の図示を省略している。
【００１３】
光結合型半導体リレー１００は、発光側リードフレーム４１とＬＥＤ（発光素子）１０と受光側リードフレーム４２と受光ＩＣ（受光素子）２０と出力側リードフレーム４３とＭＯＳＦＥＴ（出力素子）３０とを備えている。
【００１４】
なお、以降の説明において、図１に示すＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０との配列方向において、ＬＥＤ１０が配置された側を上側あるいは上と呼び、受光ＩＣ２０が配置された側を下側あるいは下と呼ぶことがある。また、図１に示す受光ＩＣ２０とＭＯＳＦＥＴ３０との配列方向において、受光ＩＣ２０が配置された側を左側あるいは左と呼び、ＭＯＳＦＥＴ３０が配置された側を右側あるいは右と呼ぶことがある。なお、本願明細書における「上」、「下」、「左」、「右」の呼称はあくまでも相対的なものであり、例えば、鉛直方向に沿って「上」、「下」を意味するものではない。
【００１５】
図１に示すように、発光側リードフレーム４１の先端部分の下面にＬＥＤ１０が、受光側リードフレーム４２の上面に受光ＩＣ２０がそれぞれ実装されており、所定の間隔をあけてＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０とが対向配置されている。また、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０との間には透光性樹脂５０が配置されている。透光性樹脂５０はＬＥＤ１０が発する光に対して透明な絶縁性樹脂であり、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０とを光学的に結合する光結合空間を構成している。
【００１６】
透光性樹脂５０として、例えば、シリコーン樹脂が用いられる。シリコーン樹脂は、原子間の結合が強いため分子構造が破壊されにくく、さらに不純物の含有率も低いという特性も有し、絶縁性にも優れている。シリコーン樹脂は、ＬＥＤ１０と受光ＩＣと２０の間を充填するように注入された後、熱または紫外線により硬化されてＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０との間に配置される。また、シリコーン樹脂は、硬化した場合に適度な柔軟性を有しており、ＬＥＤ１０や受光ＩＣ２０に過剰なストレスを加えずに、これらを絶縁被覆できる。
【００１７】
受光ＩＣ２０は、直列接続されたフォトダイオードアレイ（図示せず）とＭＯＳＦＥＴの充放電を制御する制御回路（図示せず）とが上面に形成された半導体素子である。なお、以降の説明において、受光ＩＣ２０の上面を「主面２１」と呼ぶことがある。また、上面視で、受光ＩＣ２０の周縁には、主面２１を取り囲むように段差２２が設けられている。これについても後で詳述する。
【００１８】
出力側リードフレーム４３の上面にＭＯＳＦＥＴ３０が実装されており、ＭＯＳＦＥＴ３０と受光ＩＣ２０とはボンディングワイヤ７０により電気的に接続されている。
【００１９】
また、ＭＯＳＦＥＴ３０が実装された出力側リードフレーム４３と、受光ＩＣ２０が実装された受光側リードフレーム４２と、ＬＥＤ１０が実装された発光側リードフレーム４１と、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０との間に配置された透光性樹脂５０とは、遮光性樹脂６０、例えば、黒色色素が含有されたエポキシ樹脂で封止されている。各素子が実装されたリードフレームを金型（図示せず）の内部に配置し、遮光性樹脂６０を注入後、硬化することで、各リードフレーム及びこれらに実装された各素子が樹脂封止される。なお、透光性樹脂５０は、遮光性樹脂６０による封止前に、熱または紫外線により硬化されてＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０との間に設けられている。
【００２０】
発光側リードフレーム４１及び出力側リードフレーム４３は、それぞれ遮光性樹脂６０の内部から外部に延びて下方に折り曲げられ、遮光性樹脂６０の下面近傍でさらに折り曲げられて、先端部分が遮光性樹脂６０の下面と略平行に延びている。このように、遮光性樹脂６０で封止された光結合側半導体リレー１００はＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ  Ｏｎｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）を構成している。ただし、特にこれに限定されず、他のパッケージ形状としてもよい。
【００２１】
また、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０とは、透光性樹脂５０により互いに電気的に絶縁されており、発光側リードフレーム４１と受光側リードフレーム４２と出力側リードフレーム４３とは遮光性樹脂６０により互いに電気的に絶縁されている。従って、ＬＥＤ１０とＭＯＳＦＥＴ３０とは、互いに電気的に絶縁されている。
【００２２】
次に、光結合側半導体リレー１００の動作について説明する。
【００２３】
ＬＥＤ１０は、発光側リードフレーム４１に接続された外部電源（図示せず）から電力が供給されて、所定の波長の光を出力する。ＬＥＤ１０で発生した光が透光性樹脂６０の内部を伝搬して、受光ＩＣ２０のフォトダイオードアレイで受光され、光電変換により、ＬＥＤ１０の光量に応じた電圧が発生する。ボンディングワイヤ７０を介して、受光ＩＣ２０で発生した電圧がＭＯＳＦＥＴ３０のゲート（図示せず）に印加されると、ゲートが充電され、ゲートの電位がＭＯＳＦＥＴ３０のしきい値以上になると、ＭＯＳＦＥＴ３０がオンし、出力側リードフレーム４３から外部に出力電流が流れる。
【００２４】
前述したように、入力部に相当する発光側リードフレーム４１と、出力部に相当する出力側リードフレーム４３とは、互いに電気的に絶縁されている。つまり、光結合側半導体リレー１００は、入力信号と出力信号とを電気的に絶縁した状態で出力信号のオンオフを行う入出力絶縁型の半導体リレーである。
【００２５】
図１Ａ，１Ｂに示すように、透光性樹脂５０は、ＬＥＤ１０の表面、この場合は、ＬＥＤ１０の側面及び下面を覆う一方、受光ＩＣ２０の主面２１を覆うように配置されている。また、主面２１から透光性樹脂５０がはみ出た場合は、受光ＩＣ２０が実装された受光側リードフレーム４２の表面に漏れ出ないように、受光ＩＣ２０に設けられた段差２２の底面で受け止められる。
【００２６】
ＬＥＤ１０で発生した光は主に側面から外部に放射される。従って、ＬＥＤ１０の側面及びフォトダイオードアレイ（図示せず）が形成された受光ＩＣ２０の主面２１を覆って透光性樹脂５０を配置することにより、ＬＥＤ１０で発生した光が受光ＩＣ２０に向けて確実に導波され、受光ＩＣ２０において、ＬＥＤ１０の光量に応じた電圧を出力することができる。
【００２７】
［受光ＩＣの製造方法］
図２は、受光ＩＣの製造工程の説明図を示す。ただし、図２においては、フォトダイオードアレイ（図示せず）や制御回路（図示せず）が形成された後の工程の一部のみを示している。
【００２８】
図２の上側に示すように、まず、受光ＩＣ２０が複数形成された半導体ウエハ（以下、受光ＩＣウエハ２００という）を準備する。なお、図２の上側及び中央では受光ＩＣ２０の図示を省略している。次に、図２の中央に示すように、第１のブレード３００を用いて、受光ＩＣウエハ２００を所定の深さまでダイシングして複数の溝２１０を形成する。この溝２１０は、互いに隣り合う受光ＩＣ２０の間にそれぞれ形成される。次に、図２の下側に示すように、第２のブレード３１０を用いて、受光ＩＣウエハ２００を底面までダイシングして複数の受光ＩＣ２０にチップ分割する。第２のブレード３１０は、第１のブレード３００よりも幅が狭いため、溝２１０の中央部を第２のブレード３１０でダイシングすることで、受光ＩＣ２０の周縁に前述の段差２２が形成される。
【００２９】
このように、受光ＩＣウエハ２００を幅の異なる２種類のブレード３００，３１０を用いて２段階でダイシングするという低コストかつ簡便な方法を用いることで、受光ＩＣ２０の周縁に所望の幅及び高さを有する段差２２を形成することができる。
【００３０】
なお、本実施形態において、受光ＩＣ２０のサイズは１ｍｍ角程度であり、段差２２の底面の幅は１００μｍ〜１５０μｍ程度であり、段差２２の高さは１００μｍ程度であるが、特にこれに限定されず、適宜変更されうる。
【００３１】
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る光結合型半導体リレー１００は、発光側リードフレーム４１に設けられたＬＥＤ（発光素子）１０と、発光側リードフレーム４１と所定の間隔をあけて対向配置された受光側リードフレーム４２に設けられた受光ＩＣ（受光素子）２０と、を備えている。
【００３２】
ＬＥＤ１０の表面と受光ＩＣ２０の主面２１とを少なくとも覆って設けられた透光性樹脂５０が、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０とを光学的に結合している。
【００３３】
発光側リードフレーム４１と受光側リードフレーム４２と透光性樹脂５０とを少なくとも封止するように遮光性樹脂６０が設けられており、受光ＩＣ２０の周縁には、受光ＩＣ２０の主面２１を取り囲むように段差２２が設けられている。段差２２は、受光ＩＣ２０の主面２１からはみ出した透光性樹脂５０を受け止めるように設けられている。
【００３４】
受光ＩＣ２０の周縁に段差２２を設けることで、受光ＩＣ２０の主面２１を覆う透光性樹脂５０が受光側リードフレーム４２にはみ出すのを防止することができる。このことにより、受光側リードフレーム４２を含めて光結合型半導体リレー１００を小型化できるとともに、透光性樹脂５０の形状崩れを抑制することができる。このことについてさらに説明する。
【００３５】
図３は、比較のための光結合型半導体リレーを示し、図４は、透光性樹脂の形状崩れによる不具合点を説明するための模式図を示す。なお、図４において、（ａ）図は、透光性樹脂５０が受光側リードフレーム４１の下面に回り込んだ場合を示し、（ｂ）図は、受光ＩＣ２０のサイズを主面２１に合わせてシュリンクした場合を示す。
【００３６】
図３に示す光結合型半導体リレー１１０は、特許文献１に示すのと同様の従来の構成であり、受光ＩＣ２０の上面及び側面と受光側リードフレーム４２の上面とがそれぞれ透光性樹脂に覆われている。このような構成において、受光ＩＣ２０の側面と受光側リードフレーム４２の側面との間隔が狭くなると、図４の（ａ）図に示すように、透光性樹脂５０が受光側リードフレーム４２の上面からはみ出して下面に回り込んでしまうことがある。また、受光側リードフレーム４２側での形状崩れに伴い、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０との間でも透光性樹脂５０が形状崩れを起こすことがある。図４の（ａ）図に示す例では、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０との間で透光性樹脂５０が膨らんで形成されている。
【００３７】
透光性樹脂５０が受光側リードフレーム４２の下面に回り込んでしまうと、遮光性樹脂６０がその周囲を封止しきれず、透光性樹脂５０と遮光性樹脂６０との間、または遮光性樹脂６０と受光側リードフレーム４２との間あるいはその両方に隙間８０ができてしまう場合がある。このような隙間８０を通して光結合型半導体リレー１１０の内部に水分が侵入したり、光結合型半導体リレー１１０を主に封止する遮光性樹脂６０の密着性が低下して剥がれが生じたりおそれがあり、光結合型半導体リレー１１０の内部で素子間の絶縁耐圧が低下するとともに、信頼性を低下させてしまうおそれがあった。
【００３８】
さらに、ＬＥＤ１０と受光ＩＣ２０との間で透光性樹脂が形状崩れを起こすと、ＬＥＤ１０で発生し、透光性樹脂５０と遮光性樹脂６０との界面で反射される光の光路が変化してしまい、図４の（ａ）図に示すように、受光ＩＣ２０に入射してしまう場合があった。このようなことが起こると、光結合型半導体リレー１１０の入出力特性が設計からずれてしまい、所望通りに動作しなくなるおそれがあった。
【００３９】
一方、本実施形態によれば、フォトダイオードアレイが形成された受光ＩＣ２０の主面２１は透光性樹脂５０で覆われる一方、受光側リードフレーム４２に透光性樹脂５０がはみ出さないように段差２２を設けているため、前述した不具合を生じることなく、光結合型半導体リレー１００を所望通りに動作させることができる。また、受光側リードフレーム４２の近傍で隙間８０ができるのを抑制でき、素子間の絶縁耐圧を確保できるので、光結合型半導体リレー１００の信頼性を担保することができる。
【００４０】
また、図４の（ｂ）図に示すように、受光ＩＣ２０に段差を設けず、単にサイズシュリンクした場合、透光性樹脂５０が受光側リードフレーム４２の上面にはみ出して、さらに受光側リードフレーム４２の側面にかかり、受光側リードフレーム４２の側面に遮光性樹脂６０で覆われた部分と透光性樹脂５０で覆われた部分とが混在することがある。このような場合も、図４の（ａ）図に示すのと同様に、透光性樹脂５０と受光側リードフレーム４２との間、または遮光性樹脂６０と受光側リードフレーム４２との間あるいはその両方に隙間ができてしまったり、遮光性樹脂６０と受光側リードフレーム４２との密着性が低下したりする場合があり、前述した不具合が発生するおそれがあった。
【００４１】
本実施形態によれば、受光ＩＣ２０の主面２１からはみ出した透光性樹脂５０は段差で受け止められて、受光側リードフレーム４２に透光性樹脂５０がはみ出ないようにしているため、このような不具合を生じることなく、光素子間の絶縁耐圧を確保できるとともに、光結合型半導体リレー１００の信頼性を担保することができる。
【００４２】
また、光結合型半導体リレー１００は、受光側リードフレーム４２に並んで配置された出力側リードフレーム４３と出力側リードフレーム４３に設けられたＭＯＳＦＥＴ（出力素子）３０と、をさらに備えている。出力側リードフレーム４３とＭＯＳＦＥＴ３０とは遮光性樹脂６０に封止されており、ＭＯＳＦＥＴ３０と受光ＩＣ２０とは電気的に接続されている。
【００４３】
光結合型半導体リレー１００をこのように構成することで、受光ＩＣ２０で発生した電圧信号を増幅して出力することができ、光結合型半導体リレー１００の入出力特性のダイナミックレンジを拡大できる。
【００４４】
なお、受光ＩＣ２０に設けられた制御回路（図示せず）は、ＭＯＳＦＥＴ３０のゲートを充電するだけでなく、ゲートに蓄積された電荷を逃がしてＭＯＳＦＥＴ３０をオフにする。このため、光結合型半導体リレー１００のリセットを容易に行うことができる。
【００４５】
（その他の実施形態）
ＭＯＳＦＥＴ３０が２つ設けられ、それぞれのゲートに受光ＩＣ２０で発生した電圧が印加されるようにしてもよい。その場合、ＭＯＳＦＥＴ３０が実装される出力側リードフレーム４３も互いに離間して２つ設けられる。このようにすることで、ＭＯＳＦＥＴ３０の極性、つまりドレイン−ソースの配置に依存せずに、受光ＩＣ２０で発生した電圧に応じた出力電流を外部に出力できる。
【００４６】
また、受光ＩＣ２０にＭＯＳＦＥＴ３０を組み込んで１チップ化してもよい。その場合は、ボンディングワイヤ７０や受光側リードフレーム４２を省略できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本開示の光結合型半導体リレーは、発光素子と受光素子とを光学的に結合する透光性樹脂の形状崩れを抑制でき、小型化された半導体リレーを実現する上で有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１０    ＬＥＤ（発光素子）
２０    受光ＩＣ（受光素子）
２１    主面
２２    段差
３０    ＭＯＳＦＥＴ（出力素子）
４１    発光側リードフレーム
４２    受光側リードフレーム
４３    出力側リードフレーム
５０    透光性樹脂
６０    遮光性樹脂
７０    ボンディングワイヤ
８０    隙間
１００，１１０
２００  受光ＩＣウエハ
２１０  溝
３００  第１のブレード
３１０  第２のブレード
【図１Ａ】
2020191369.tif 000003
【図１Ｂ】
2020191369.tif 000004
【図１Ｃ】
2020191369.tif 000005
【図２】
2020191369.tif 000006
【図３】
2020191369.tif 000007
【図４】
2020191369.tif 000008