(57)【要約】      （修正有）【課題】高温・高湿環境において、樹脂剥離が抑制され、信頼性が高められた光結合装置を提供する。【解決手段】光結合装置は、発光素子２０と、受光素子３０と、インナ樹脂層４０と、アウタ樹脂層５０と、を有する。発光素子は、入力電気信号で駆動される。受光素子は、発光素子の放出光を電気信号に変換して出力する。インナ樹脂層は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤と、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤と、を含み、発光素子と受光素子とを覆う。アウタ樹脂層は、インナ樹脂層を包み、放出光を遮光する。光結合装置は、インナ樹脂層とアウタ樹脂層との界面ＦＩからインナ樹脂層の深さ方向の距離が大きくなるのに従って、炭素原子濃度が増大しかつ酸素原子濃度が低下する領域を有する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電気信号で駆動される発光素子と、
前記発光素子の放出光を電気信号に変換して出力する受光素子と、
エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤と、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤と、を含み、前記発光素子と前記受光素子とを覆うインナ樹脂層と、
前記インナ樹脂層を包み、前記放出光を遮光するアウタ樹脂層と、
を備え、
前記インナ樹脂層と前記アウタ樹脂層との界面から前記インナ樹脂層の深さ方向の距離が大きくなるに従い、炭素原子濃度が増大しかつ酸素原子濃度が低下する領域を有する、光結合装置。
【請求項２】
前記インナ樹脂層と前記アウタ樹脂層とは、シリコンを含む無機充填剤をそれぞれ含み、
前記インナ樹脂層の前記無機充填剤は前記界面に露出した請求項１記載の光結合装置。
【請求項３】
前記インナ樹脂層には、６０重量％以上、かつ８５重量％以下の第１の配合比である第１の無機充填剤が配合され、
前記アウタ樹脂層には、６０重量％以上、かつ８５重量％以下の第２の配合比の第２の無機充填剤が配合され、
前記第１の配合比と前記第２の配合比との差が５重量％以上、かつ１２重量％以下である請求項２記載の光結合装置。
【請求項４】
前記イソシアヌル酸は、1,3,5-トリス（2,3-エポキシプロピル）イソシアヌル酸を含み、
前記酸無水物は、イソメチルテトラヒドロ無水フタル酸を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の光結合装置。
【請求項５】
入力電気信号で駆動される発光素子と、
前記発光素子の放出光を電気信号に変換して出力する受光素子と、
エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤と、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤と、を含み、前記発光素子と前記受光素子とを覆うインナ樹脂層と、
前記インナ樹脂層を包み、前記放出光を遮光するアウタ樹脂層と、
を備え、
前記インナ樹脂層と前記アウタ樹脂層との界面から前記インナ樹脂層の深さ方向の距離が大きくなるに従い、シリコン原子濃度に対する酸素原子濃度の比率が減少する領域を有する、光結合装置。
【請求項６】
入力電気信号で駆動される発光素子と、
前記発光素子の放出光を電気信号に変換して出力する受光素子と、
エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤と、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤と、を含み、前記発光素子と前記受光素子とを覆うインナ樹脂層と、
前記インナ樹脂層を包み、前記放出光を遮光するアウタ樹脂層と、
を備え、
前記インナ樹脂層と前記アウタ樹脂層との界面から前記インナ樹脂層の深さ方向の距離が大きくなるに従い、シリコン原子濃度、酸素原子濃度および炭素原子濃度の比率が異なる、光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光結合装置を高温・高湿環境で使用する場合、封止樹脂の耐熱性および耐湿性を高めることが要求される。
【０００３】
光半導体素子を樹脂を用いて封止する光結合装置において、ダブルモールド構造の樹脂界面において剥離など生じると吸水や酸化により信頼性が低下することがある。
【０００４】
また、樹脂の剥離や変色により光強度が変化し、光結合効率などが変化する問題を生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−４１４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高温・高湿環境において、樹脂間剥離が抑制され、信頼性が高められた光結合装置を提供する。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の光結合装置は、発光素子と、受光素子と、インナ樹脂層と、アウタ樹脂層と、を有する。発光素子は、入力電気信号で駆動される。受光素子は、前記発光素子の放出光を電気信号に変換して出力する。インナ樹脂層は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤と、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤と、を含み、前記発光素子と前記受光素子とを覆う。アウタ樹脂層は、前記インナ樹脂層を包み、前記放出光を遮光する。光結合装置は、前記インナ樹脂層と前記アウタ樹脂層との界面から前記インナ樹脂層の深さ方向の距離が大きくなるのに従って、炭素原子濃度が増大しかつ酸素原子濃度が低下する領域を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態にかかる光結合装置の模式断面図である。
【図２】図２（ａ）は比較例にかかる光結合装置の模式断面図、図２（ｂ）はその光結合効率の変動率を表すグラフ図、である。
【図３】第１の実施形態の光結合装置の変動率を表すグラフ図である。
【図４】第１の実施形態の光結合装置の製造方法のフロー図である。
【図５】高周波プラズマ照射装置の処理室に、マガジンを収納した写真図である。
【図６】第１の実施形態にかかる光結合装置において、ＸＰＳを用いてプラズマ処理後のインナ樹脂層の表面から深さ方向の組成を分析したグラフ図である。
【図７】比較例にかかる光結合装置において、ＸＰＳを用いてプラズマ処理後のインナ樹脂層の表面から深さ方向の組成を分析したグラフ図である。
【図８】プラズマ照射による表面のＴＯＦ−ＳＩＭＳによる２次イオン強度を表すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態にかかる光結合装置の模式断面図である。
光結合装置は、第１のリード１２に接着された発光素子２０と、第２のリード１０に接着された受光素子３０と、が互いに対向している。また、発光素子２０は、エンキャップのためポッティング樹脂２２で覆われている。
【００１０】
光結合装置は、インナ樹脂４０と、アウタ樹脂５０と、のダブルモールド構造とする。インナ樹脂４０は、可視〜赤外光に対して透光性を有するものとする。また、アウタ樹脂５０は、インナ樹脂４０、第１のリード１２の一方の端部と、第２のリード１０の一方の端部と、を包む。アウタ樹脂５０は、発光ダイオードなどの発光素子２０の放出光の波長に対して遮光性を有するものとする。
【００１１】
また、第１のリード１０の他方の端部と、第２のリード１２の他方の端部と、は、アウタ樹脂５０から突出し、外部への接続端子となる。インナ樹脂４０と、アウタ樹脂５０と、をそれぞれ成型（モールド）体とすることにより、光結合装置の小型化および高い量産性が可能となる。
【００１２】
入力端子となる第１のリード１２と、出力端子となる第２のリード１０と、は、電気的に絶縁されて、電気信号を伝達できる。すなわち、光結合装置は、光結合型絶縁回路として機能する。
【００１３】
インナ樹脂４０は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤とし、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤として、重合された樹脂である。また、アウタ樹脂５０は、オルソクレゾールノボラックを主剤とし、フェノールノボラックを硬化剤として、重合された樹脂である。
【００１４】
インナ樹脂４０とアウタ樹脂５０に無機充填剤（フィラー）を配合することができる。配合されるフィラーとしては、たとえば、溶融シリカや結晶性シリカを含むシリカ類、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどとすることができる。また、その形状は、線状、球状などとすることができる。なお、アウタ樹脂層５０を遮光性にすると、外乱光による誤動作やノイズを抑制できる。
【００１５】
インナ樹脂４０には、たとえば、６０重量％以上、かつ８５重量％以下の第１の配合比である第１のフィラーが配合される。また、アウタ樹脂５０には、たとえば、６０重量％以上、かつ８５重量％以下の第２の配合比の第２のフィラーが配合される。さらに、第１の配合比と第２の配合比との差が５重量％以上、かつ１２重量％以下とする。なお、フィラー量は、どちらが多くてもよい。また、第１のフィラーと第２のフィラーとが同一の材質および形状であってもよい。
【００１６】
樹脂成型体に離型剤を含むワックスを添加すると、成型後の金型からの離型を容易にし生産性を高めることができる。また、インナ樹脂４０には、極性が低い外滑ワックスと、極性の高い内滑ワックスと、を混合して用いることができる。極性の高い内滑ワックスは、たとえば、ステアリン酸、パルミチン酸、ベヘン酸、アラキジン酸などの脂肪酸とすることができる。極性が低い外滑ワックスは、たとえば、ステアリン酸エステル、パルミチン酸エステル、ベヘン酸エステル、アラキジン酸エステルなどの脂肪酸エステルとすることができる。
【００１７】
第１の実施形態において、インナ樹脂４０の表面は、酸素プラズマ処理により表面改質がされる。このため、インナ樹脂４０と、アウタ樹脂５０と、の界面ＦＩにおける密着強度が高められる。
【００１８】
図２（ａ）は比較例にかかる光結合装置の模式断面図、図２（ｂ）はその光結合効率の変動率を表すグラフ図、である。
図２（ａ）に表すように、光結合装置は、第１のリード１１２に接着された発光素子１２０と、第２のリード１１０に接着された受光素子１３０と、が互いに対向している。また、発光素子１２０は、エンキャップのためポッティング樹脂１２２で覆われている。比較例において、インナ樹脂１４０の表面は、プラズマ処理による表面改質がされていない。
【００１９】
インナ樹脂１４０は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤とし、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤として、重合された樹脂としている。すなわち、インナ樹脂１４０とアウタ樹脂１５０との界面が剥離し、吸水して酸化変色した。図２（ａ）で、樹脂界面や樹脂−リードフレーム界面において、酸化変色した領域ＣＣをドット印で表している。
【００２０】
図２（ｂ）は、比較例にかかる光結合装置において、ＰＣＴによる光結合効率の変動率を表すグラフ図である。発光素子１２０を発光させ、受光素子１３０に所定の電圧を供給する。たとえば、ＰＣＴ（Pressure Cooker Test)後の受光素子１３０の電流を測定することにより、光結合効率の変動率を知ることができる。
【００２１】
ＰＣＴでは、たとえば、光結合装置を、２．５気圧、１２７℃の飽和水蒸気圧の雰囲気と、水蒸気が樹脂内に押し込まれる。次に１気圧、１００℃以上にし、樹脂に取りこまれた水蒸気分子が自由に動き、樹脂体積が増加する。さらに、１気圧、２５℃とすると、水蒸気が水になり樹脂体積が減少し剥離の起点を生じる。さらに、２６０℃でリフローすると、剥離の起点となる水が水蒸気に変化する時に、水蒸気爆発などにより隙間を生じる。
【００２２】
図２（ｂ）に表すように、２００℃の雰囲気に９０時間放置後、透過率が低下する。この結果、１５０℃の雰囲気で１５００時間経過した後、光結合効率の変動率は２８〜４８％にもなる。
【００２３】
図３は、第１の実施形態のＰＣＴによる光結合効率の変動率を表すグラフ図である。
１５０℃の雰囲気で２０００時間経過した後の変動率は、プラス１０％とマイナス１０％との間であり比較例よりも大幅に改善されている。また、インナ樹脂層４０とアウタ樹脂層５０との間に剥離を生じず、かつ変色も生じなかった。
【００２４】
図４は、第１の実施形態の光結合装置の製造方法のフロー図である。
第１のリードフレームに発光素子２０をマウントし、ワイヤボンディングを行う（Ｓ１００）。このあと、発光素子２０をポッティング樹脂２２で覆ってもよい。
【００２５】
他方、第２のリードフレームに受光素子５０をマウントし、ワイヤボンディングを行う（Ｓ１０２）。なお、ステップＳ１００とステップＳ１０２とは、どちらが先でもよい。
【００２６】
続いて、発光素子２０と、受光素子３０と、が対向するように、重ね合わせて、第１のリードフレームと第２のリードフレームとを、たとえば電気溶接などで接合する（Ｓ１０４）。
【００２７】
続いて、発光素子２０と受光素子３０とを覆うように、インナ樹脂層４０を成型する（Ｓ１０６）。
【００２８】
続いて、インナ樹脂層４０の表面にプラズマを照射する（Ｓ１０８）。  プラズマ照射には、高周波プラズマ照射装置を用い、酸素プラズマを発生させて行う。その条件は、たとえば、高周波電力が５００Ｗ、照射時間を３０分、などとする。この場合、多数個取りのリードフレームを複数のマガジンにそれぞれ配列し、処理室に収納すると量産性がます。
【００２９】
続いて、インナ樹脂層４０と、第１のリード１２の一方の端部と、第２のリード１０の一方の端部と、を覆うように、アウタ樹脂層５０を成型する（Ｓ１１０）。このあと、リードカットにより個々の光結合装置に分離する。また、必要に応じて、リード曲げを行う。
【００３０】
図５は、高周波プラズマ照射装置の処理室に、マガジンを収納した写真図である。
複数のマガジン９０の側面にスリット形状の開口部９０ａ、上下にも開口部９０ｂ、９０ｃを設ける。たとえば、高周波プラズマ装置のグランド電極９４にも開口部９４ａを設け、マガジンの開口部９０ｃとグランド電極９４の開口部９４ａとを一致させる。処理室内のガス流量を低く設定すると電子の平均自由工程が長くなり、放電が均一となる。このため、処理室内での反応を均一にできる。プラズマ処理工程の生産性を高めることができる。
【００３１】
図６は、第１の実施形態にかかる光結合装置において、ＸＰＳを用いてプラズマ処理後のインナ樹脂層の表面から深さ方向の組成を分析したグラフ図である。
縦軸は原子濃度（％）、横軸はスパッタ時間（分）、である。横軸に表すスパッタ時間は、表面からの深さに対応する。たとえば、ＳｉＯ２の場合、スパッタレートは、略６ｎｍ／分などとなる。このように、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ：X-ray  Photoelectron  Spectroscopy）を用いて、樹脂層の深さ方向の組成を分析することができる。
【００３２】
プラズマ処理による表面改質により、インナ樹脂層４０の表面のＣ（炭素）原子濃度は、内部の原子濃度よりも低くなる。たとえば、表面のＣ原子濃度は略４０％であるのに対して、スパッタ時間が１００分経過した内部のＣ原子濃度は略６２％である。すなわち、表面側では、Ｃ原子は、酸素プラズマによって、分解し揮発しやすい。このため、Ｃ原子濃度が低下する。他方、酸素プラズマは他の原子を酸化するなどにより、その元素濃度が略４０％に増加する。
【００３３】
表面におけるＳｉ（シリコン）原子濃度は、内部の原子濃度よりも増加することはなく、Ｓｉ原子濃度は、１０〜１６％である。すなわち、フィラーがＳｉを含む場合、フィラーの一部は、インナ樹脂層４０の表面に露出している。このため、露出した無機充填剤と、アウタ樹脂層５０と、により密着性を高めることができる。
【００３４】
図７は、比較例にかかる光結合装置において、ＸＰＳを用いてプラズマ処理後のインナ樹脂層の表面から深さ方向の組成を分析したグラフ図である。
比較例では、プラズマ処理を行わない。インナ樹脂層１４０の表面において、Ｃ元素濃度は略９０％と高く、表面からの距離が大きくなるに従って、Ｃ原子濃度は７０％以下に低下する。また、Ｏ（酸素）の原子濃度は、表面で略ゼロであり、表面からの距離が大きくなるに従って、略１８％に上昇する。
【００３５】
Ｓｉ原子濃度は、表面で略ゼロであり、表面からの距離が大きくなるに従って、略１２％に上昇する。このように、表面近傍の原子濃度分布は、プラズマ処理により、インナ樹脂層４０を構成する元素の濃度を変化させ、表面改質することができる。また、アウタ樹脂５０を封止した後も、インナ樹脂層４０とアウタ樹脂層５０との界面ＦＩからインナ樹脂層４０の深さ方向の距離が大きくなるに従い、一部にＣ原子濃度が増大しかつ酸素原子濃度が増大する傾向、特に、Ｓｉ原子濃度に対する酸素原子濃度の比率が減少する傾向を引き継ぐ。つまり、この界面ＦＩからインナ樹脂層４０の深さ方向の距離が大きくなるに従い、Ｓｉ原子濃度、酸素の原子濃度および炭素の原子濃度の比率が異なる領域がインナ樹脂４０中に存在する。
【００３６】
図８は、プラズマ照射による表面のＴＯＦ−ＳＩＭＳによる２次イオン強度を表すグラフ図である。
縦軸は規格化２次イオン強度、横軸は２次イオン種、である。ＴＯＦ−ＳＩＭＳ（Timeof  Flight  Secondary  Ion  Mass  Spectrometry）飛行時間型２次イオン質量分析法）は、３次元イメージや任意箇所の２次元イメージを抽出することができる。破線はプラズマ処理前、実線はプラズマ処理後、を表す。
【００３７】
インナ樹脂層４０は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤とし、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤として、重合された樹脂とする。
【００３８】
また、インナ樹脂層４０は、離型剤および脂肪酸などの有機物からなる各種反応剤をさらに含むことが多く、これらの有機物が、内部からインナ樹脂４０の表面に析出して局在することがある。たとえば、本図において、（ＣＨ２）ｎを含む２次イオン種は、脂肪酸に含まれている。たとえば、脂肪酸の１つであるステアリン酸の組成式は、ＣＨ３（ＣＨ２）１６ＣＯＯＨである。
【００３９】
また、光結合装置の製造工程には、シロキサンなどの有機ケイ素化合物が存在する。本図において、Ｃ３Ｈ９ＯＳｉ、Ｃ５Ｈ１５Ｏ２Ｓｉ、Ｃ７Ｈ２１Ｏ３Ｓｉ３などは、製造工程内でインナ樹脂４０の表面に付着することがあり得る。
【００４０】
インナ樹脂４０の表面に析出した有機物や、インナ樹脂４０の表面に付着した有機物が樹脂界面ＦＩに存在すると、密着性が低下する。たとえば、比較例では密着強度が、３５Ｎよりも小さくなることがある。これに対して、本実施形態では、表面に析出した脂肪酸や表面に付着した有機ケイ素化合物は、プラズマ処理により、インナ樹脂４０の一部とともに揮発する。他方、ＳｉＯ２などのフィラーの濃度は相対的に高くなる。このため、インナ樹脂層４０とアウタ樹脂層５０との密着性が５５Ｎ以上に高まる。なお、プラズマ処理工程の条件（高周波電力、時間など）は、図８の分析結果により決定することができる。
【００４１】
この結果、樹脂界面での剥離が抑制され、吸水／吸湿による樹脂層の酸化が抑制され、樹脂変色も抑制される。また、プラズマ処理により、インナ樹脂４０の表面が削られる。このため、密着性がより高まることもある。
【００４２】
本実施形態の光結合装置は、高温・高湿環境において、樹脂剥離が抑制され、信頼性が高められる。このような光結合装置は、産業機器、エアコン、電子機器などに広く利用できる。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
２０  発光素子、３０  受光素子、４０  インナ樹脂層、５０  アウタ樹脂層、ＦＩ  （インナ樹脂層とアウタ樹脂層との）界面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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