(57)【要約】【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】開口部を有し絶縁材料からなる支持体と、前記支持体の第１の面に設けられた第１の配線層と、前記支持体の前記第１の面と反対側の第２の面に設けられた第２の配線層と、前記第１の面上に設けられ、前記第１の配線層に接続され、少なくとも一部が前記開口部に対向する発光素子と、前記第２の面上に設けられ、前記第２の配線層に接続され、前記開口部を介して前記発光素子と対向する受光素子と、前記発光素子と、前記受光素子と、を覆うように設けられた遮光性樹脂と、を備えたことを特徴とする光結合装置が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有し絶縁材料からなる支持体と、
前記支持体の第１の面に設けられた第１の配線層と、
前記支持体の前記第１の面と反対側の第２の面に設けられた第２の配線層と、
前記第１の面上に設けられ、前記第１の配線層に接続され、少なくとも一部が前記開口部に対向する発光素子と、
前記第２の面上に設けられ、前記第２の配線層に接続され、前記開口部を介して前記発光素子と対向する受光素子と、
前記発光素子と、前記受光素子と、を覆うように設けられた遮光性樹脂と、
を備えたことを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
前記発光素子と前記第１の配線層との間、及び前記受光素子と前記第２の配線層との間にはバンプが設けられたことを特徴とする請求項１記載の光結合装置。  
【請求項３】
前記支持体は、前記第１及び第２の面と前記開口部とを有する支持部と、前記支持部の周囲に立設された枠部と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光結合装置。  
【請求項４】
前記第１及び第２の配線層は、前記枠部に延在して端部が露出してなることを特徴とする請求項３記載の光結合装置。
【請求項５】
前記第１または第２の面上に設けられたスイッチング素子と、
前記スイッチング素子が設けられた側の面に設けられた第３の配線層と、
をさらに備え、
前記スイッチング素子は、前記第２及び前記第３の配線層に接続され、
前記第１の配線層と、前記第２及び第３の配線層のうち少なくともいずれかと、は前記枠部に延在して端部が露出してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力信号に応じて半導体発光素子を点灯させ、その放射光を半導体受光素子で受光して半導体スイッチング素子を導通させ、逆に半導体発光素子を消灯させた場合に半導体スイッチング素子を非導通とさせると、電源系を絶縁した状態で信号伝達ができる。
【０００３】
このような半導体装置を光結合装置と呼び、エアコンを含む家庭用電気機器、ＦＡＸやＰＢＸを含む情報通信機器、その他産業用機器などへの応用が拡大している。
【０００４】
光結合装置は、ＬＥＤなどの発光素子と、シリコンフォトダイオード及びフォトトランジスタなどからなる受光素子とが対向するようにそれぞれの金属リード上に配置された対向型の構造が良く用いられる。発光素子及び受光素子は、例えば透光性樹脂により一次封止され、その外部及びリードが遮光性樹脂により二次封止される。
【０００５】
ところで、光結合装置の用途が拡大するに従い、厳しい使用環境に耐える構造が要求されるようになっている。上記の構造においては、リードと、樹脂と、半導体素子との間で熱収縮または熱膨張による応力の影響を受けやすい。厳しい使用環境においても応力による樹脂クラックや半導体素子の剥離などを抑制するには、樹脂形状及び厚みの余裕が必要である。例えば、透光性樹脂とパッケージ端面、またはリードとパッケージ端面との間を厚くすると効果があるが、光結合装置の小型化を困難にする。
【０００６】
開口部を設けた配線基板を含む積層配線基板を用い、信頼性に優れ、小型化可能な光結合半導体装置に関する技術開示例がある（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−６３７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、開口部を有し絶縁材料からなる支持体と、前記支持体の第１の面に設けられた第１の配線層と、前記支持体の前記第１の面と反対側の第２の面に設けられた第２の配線層と、前記第１の面上に設けられ、前記第１の配線層に接続され、少なくとも一部が前記開口部に対向する発光素子と、前記第２の面上に設けられ、前記第２の配線層に接続され、前記開口部を介して前記発光素子と対向する受光素子と、前記発光素子と、前記受光素子と、を覆うように設けられた遮光性樹脂と、を備えたことを特徴とする光結合装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明する。  
図１は、本発明の第１具体例にかかる光結合装置を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式断面図、同図（ｃ）は模式底面図、同図（ｄ）は模式斜視図である。  
絶縁性基板または絶縁性成形体からなる支持体２０には、開口部２２が設けられている。絶縁性基板の材料としてはセラミック及びガラスエポキシなどを用いることができる。また、絶縁性成形体の材料としては樹脂などを用いることができる。
【００１１】
支持体２０は、第１の面２００及び第２の面２０２を有する支持部２０Ａと、その周囲を取り囲むように立設された枠部２０Ｂと、を有する。開口部２２は、支持部２０Ａに設けられている。支持部２０Ａの第１の面２００及び第２の面２０２には、それぞれ配線層２４、２６が形成されている。これら配線層２４、２６は、枠部２０Ｂに延在し、端子２４Ａ、２６Ａとして露出している。そして、図１（ｂ）のように、開口部２２の下方にＬＥＤなどの発光素子４０が、バンプ２８を用いて配線層２４に接続されている。発光素子４０は、すくなくともその一部が開口部２２に対向するように設けられ、発光素子４０から放出した光が開口部２２を通過する。発光素子４０の放射光波長は、例えば可視光乃至赤外光の範囲とする。
【００１２】
開口部２２を通過した放射光または反射光が入射する受光素子４２は、バンプ２８により配線層２６に接続されている。受光素子４２としては、フォトダイオード及びフォトトランジスタなどを用いる。受光素子４２の材料としては、可視光乃至赤外光の波長範囲で受光感度が高いシリコンとする。発光素子４０と受光素子４２との間の光経路には、シリコーンのような透光性樹脂５２が設けられている。さらに、発光素子４０、受光素子４２、透光性樹脂５２、などを覆うように、エポキシなどの遮光性樹脂５４が設けられている。このような構造を、「対向型」と呼ぶ。
【００１３】
発光素子端子２４Ａに入力信号が加わり、発光素子４０が点灯すると光経路である透光性樹脂５２を通って、受光素子４２に放射光が入射し、受光素子４２が導通する。
【００１４】
一方、発光素子４０が消灯すると、受光素子４２は非導通となる。このようにして、受光素子４２が導通及び非導通状態と切り替えられ、出力端子となる受光素子端子２６Ａからの信号がオン−オフ状態と切り替えられる。この結果、電源系が絶縁された状態で信号の送受信ができる。
【００１５】
図２は、本具体例の製造工程を表す模式図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、発光素子バンプ２８が形成される工程を表し、同図（ａ）は模式断面図、同図（ｂ）は模式平面図である。  
支持体２０の第１の面２００に、発光素子４０の２つの電極に接続される配線層２４が設けられている。開口部２２に隣接した配線層２４は発光素子バンプ領域とされ、この領域上に、導電性ワイヤ（金材など）・ボール（半田材）を用いボール状のバンプ２８が２個形成される。
【００１６】
図２（ｃ）及び（ｄ）は、受光素子用のバンプ２８が形成される工程を表し、同図（ｃ）は模式断面図、同図（ｄ）は模式底面図であり同図（ｂ）の反対側である。支持体２０の第２の面２０２に、受光素子４２の２つの電極に接続される配線層２６が設けられており、その受光素子バンプ領域にバンプ２８が２個設けられる。
【００１７】
図２（ｅ）及び（ｆ）は、発光素子４０がフリップチップボンディング（ＦＣＢ）により接着される工程を表し、同図（ｅ）は模式断面図、同図（ｆ）は模式平面図である。
【００１８】
図２（ｇ）及び（ｈ）は、受光素子４２がＦＣＢにより接着される工程を表し、同図（ｇ）は模式断面図、同図（ｈ）は模式底面図であり同図（ｆ）の反対側である。発光素子４０及び受光素子４２は、加圧、加熱、超音波印加により支持体２０の上の配線層２４、２６と接着される。また、発光素子４０と、受光素子４２とは開口部２２を介して対向する様に配置される。
【００１９】
続いて、図２（ｉ）及び（ｊ）は、発光素子４０と受光素子４２との間が透光性樹脂５２により一次封止される工程を表す模式断面図である。図２（ｉ）のように、発光素子４０と受光素子４２との間に、シリコーンのような液状の透光性樹脂５２がポッティング法によりディスペンサ５０から支持体２０の内部に注入され、同図（ｊ）のように光経路ができる。この場合、発光素子４０は側面からも光を放射する場合があるので発光素子４０側から透光性樹脂５２を注入し、発光素子４０を埋め込むように注入することが好ましい。一方、受光素子４２は受光面が覆われるように注入される。透光性樹脂５２は、このあと熱硬化またはＵＶ硬化される。
【００２０】
続いて、図２（ｋ）及び（ｌ）は、エポキシのような液状の遮光性樹脂５４が、ポッティング法によりディスペンサ５０から支持体２０の内部に注入される工程を表す模式断面図である。さらに、図２（ｍ）及び（ｎ）は、受光素子４２側の支持体２０の内部に遮光性樹脂５４が注入される工程を表す模式断面図である。遮光性樹脂５４の熱硬化後、図２（ｎ）のようになる。
【００２１】
図２（ａ）乃至（ｎ）の工程は、支持体２０が連結された多数個取りの工程でなされる。図２（ｐ）は連結された状態を表し、破線の部分がカッティングにより分割される。図３（ａ）は、製造工程中において図２（ｃ）及び（ｄ）の状態の多数個取りの模式平面図である。１６×１６＝２５６個の支持体２０が一体となった状態を表し、図２の工程をこの状態で一貫して行うことができる。なお、図３（ｂ）のように２つを連結してカッティングすることにより２チャンネル光結合装置、図３（ｃ）のように４つを連結してカッティングすることにより４チャンネル光結合装置とできる。
【００２２】
本具体例に用いる支持体２０は、発光素子４０及び受光素子４２の接着前に成形または加工できるので薄くて強度に優れた材料を選択でき、さらにＦＣＢを用いることによりパッケージの小型化がより容易となる。
【００２３】
図４は、第１具体例の変形例を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式断面図、同図（ｃ）は模式底面図、同図（ｄ）は模式斜視図である。  
この変形例においては、発光素子端子２４Ａは支持体２０の底面側に、出力端子でもある受光素子端子２６Ａは支持体２０の上面側にそれぞれ設けられる。他の構造は第１具体例と同様であるので、詳細の説明を省略する。
【００２４】
図５は、本発明の第２具体例にかかる光結合装置を表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式断面図、同図（ｃ）は模式底面図、同図（ｄ）は模式斜視図、同図（ｅ）は等価回路図である。なお、図１と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明は省略する。  
本具体例にかかる光結合装置は、受光素子４０としてフォトダイオードアレイを用い、その光起電力によりＭＯＳＦＥＴ６４などのスイッチング素子を導通または非導通状態の間でスイッチングするフォトリレーである。図５（ｂ）において、開口部２２の下方に発光素子４０及びＭＯＳＦＥＴ６４が、バンプ２８を用いて支持体２０に接着されている。
【００２５】
また、開口部２２を通過した放射光が入射する受光素子４２は、バンプ２８を用いて発光素子４０と対向するように支持体２０に接着されている。本具体例においては、受光素子４２はフォトダイオードアレイとする。発光素子端子２４Ａに入力信号が加わり、発光素子４０が点灯すると光経路である透光性樹脂５２を通って、フォトダイオードアレイに放射光が入射する。
【００２６】
図５（ｅ）は、等価回路図を表す。フォトダイオードアレイは、例えば、十数個のフォトダイオードが直列接続されており、そのアノードはペアの出力段ＭＯＳＦＥＴ６４の共通ゲートと接続される。また、カソードは、ＭＯＳＦＥＴ６４の共通ソースと接続される。ＭＯＳＦＥＴ６４の２つのドレインが出力端子２７Ａとなる。
【００２７】
フォトダイオードアレイで発生した光電流によりＭＯＳＦＥＴ６４のゲートに電荷が蓄積され導通する。一方、発光素子４０が消灯すると、ＭＯＳＦＥＴ６４のゲートに蓄積された電荷は放電され、ＭＯＳＦＥＴ６４は非導通となる。このようにして、フォトリレーがターンオン及びターンオフ状態と切り替えられ、出力端子２７Ａから信号が取り出され、電源系が絶縁された状態で信号の送受信ができる。
【００２８】
図６は、本具体例の製造工程を表す模式図である。なお、図２と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。図６（ａ）及び（ｂ）は、発光素子用のバンプ２８及びＭＯＳＦＥＴ用のバンプ２８が形成される工程を表し、同図（ａ）は模式断面図、同図（ｂ）は模式平面図である。  
支持体２０の第１の面２００に配線層２４、２７が設けられている。開口部２２に隣接した配線層２４は、発光素子バンプ領域とされ、この領域上に、導電性ワイヤ（金材など）・ボール（半田）を用いボール状のバンプ２８が２個形成される。また、同じ面の配線層２７のＭＯＳＦＥＴバンプ領域上に、同様にバンプ２８が４個形成されている。
【００２９】
図６（ｃ）及び（ｄ）は、受光素子用のバンプ２８が形成される工程を表し、同図（ｃ）は模式断面図、同図（ｄ）は模式底面図である。支持体２０の第２の面に、受光素子４２の２つの電極に接続される配線層及びＭＯＳＦＥＴ裏面接続部６２が設けられており、その受光素子バンプ領域にバンプ２８が２個形成され、ＭＯＳＦＥＴ裏面接続部６２にバンプ２８が１個形成されている。
【００３０】
図６（ｅ）及び（ｆ）は、発光素子４０及びＭＯＳＦＥＴ６４がフリップチップボンディング（ＦＣＢ）により接着される工程を表し、同図（ｅ）は模式断面図、同図（ｆ）は模式平面図である。
【００３１】
図６（ｇ）及び（ｈ）は、受光素子４２がＦＣＢにより接着される工程を表し、同図（ｇ）は模式断面図、同図（ｈ）は模式底面図である。発光素子４０と、受光素子４２と、は、開口部２２を介して対向する様に配置される。
【００３２】
続いて、図５（ｉ）及び（ｊ）は、ＭＯＳＦＥＴ６４の裏面とＭＯＳＦＥＴ裏面接続部６２とがボンディングワイヤ６６により接続される工程を表し、同図（ｉ）は模式断面図、同図（ｊ）は模式平面図である。ＭＯＳＦＥＴ６４の裏面は裏面接続部６２を介して、受光素子４２であるフォトダイオードアレイのアノードへ接続され、ＭＯＳＦＥＴ６４の容量低減によりスイッチング時間を短縮している。
【００３３】
図６（ｋ）及び（ｌ）は、発光素子４０と受光素子４２との間が透光性樹脂５２により一次封止される工程を表す模式断面図である。  
続いて、図６（ｍ）及び（ｎ）は、発光素子４０側の支持体２０の内部に遮光性樹脂５４が注入される工程を表す模式断面図である。さらに、図６（ｐ）及び（ｑ）は、受光素子４２側の支持体２０の内部に遮光性樹脂５４が注入される工程を表す模式断面図である。遮光性樹脂の熱硬化後、図６（ｒ）のようになる。図６（ａ）乃至（ｑ）の工程は、支持体が連結された多数個取りの工程でなされる。図６（ｒ）は連結された状態を表し、破線の位置がカッティングにより分割される。
【００３４】
第２具体例のフォトリレーも第１具体例と同様な構造であるので小型化が容易となる。フォトリレーは、メカニカルリレーより高信頼化が容易であるのでＩＣテスタ、計測器、モデムなどの用途が拡大している。これらの用途においては、１システムに用いるフォトリレーの数量が多く、数千個になることもある。このような場合、パッケージの小型化によりシステム小型化が可能となる。
【００３５】
図７は、第２具体例の変形例であるフォトリレーを表し、同図（ａ）は模式平面図、同図（ｂ）は模式断面図、同図（ｃ）は模式底面図、同図（ｄ）は模式斜視図である。なお、図４と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。  
本変形例では、フォトダイオードアレイとＭＯＳＦＥＴ６４とが成形体２０の同一側に配置される点が第２具体例と異なる。
【００３６】
図８は、この変形例の製造工程を表す模式図である。なお、図７と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。図８（ａ）及び（ｂ）は、発光素子用のバンプ２８及びＭＯＳＦＥＴ用のバンプ２８が形成される工程を表し、同図（ａ）は模式断面図、同図（ｂ）は模式平面図である。  
支持体２０の第１の面２００に、発光素子４０の２つの電極に接続される配線層２４が設けられており、その発光素子バンプ領域に発光素子用のバンプ２８が２個形成されている。
【００３７】
図８（ｃ）及び（ｄ）は、受光素子用のバンプ２８及びＭＯＳＦＥＴ用のバンプ２８が形成される工程を表し、同図（ｃ）は模式断面図、同図（ｄ）は模式底面図である。支持体２０の第２の面２０２に、受光素子４２の２つの電極に接続される配線層及びＭＯＳＦＥＴ裏面接続部６２が設けられており、その受光素子バンプ領域３４にバンプが２個形成され、ＭＯＳＦＥＴ裏面接続部６２にバンプ２８が１個形成されている。また、同じ主面にＭＯＳＦＥＴ６４の４個の電極に接続される配線層が設けられており、ＭＯＳＦＥＴバンプ領域にＭＯＳＦＥＴ用のバンプ２８が４個形成されている。
【００３８】
図８（ｅ）及び（ｆ）は、発光素子４０がフリップチップボンディング（ＦＣＢ）により接着される工程を表し、同図（ｅ）は模式断面図、同図（ｆ）は模式平面図である。  
図８（ｇ）及び（ｈ）は、受光素子４２及びＭＯＳＦＥＴ６４がＦＣＢにより接着される工程を表し、同図（ｇ）は模式断面図、同図（ｈ）は模式底面図である。  
図８（ｉ）及び（ｊ）は、ＭＯＳＦＥＴ６４の裏面とＭＯＳＦＥＴ裏面接続部６２とがボンディングワイヤ６６により接続される工程を表し、同図（ｉ）は模式断面図、同図（ｊ）は模式平面図である。
【００３９】
図８（ｋ）及び（ｌ）は、発光素子４０と受光素子４２との間が透光性樹脂５２により一次封止される工程を表す模式断面図である。  
図８（ｍ）及び（ｎ）は、発光素子４０側の支持体２０の内部に遮光性樹脂５４が注入される工程を表す模式断面図である。さらに、図８（ｐ）及び（ｑ）は、受光素子４２側の支持体２０の内部に遮光性樹脂５４が注入される工程を表す模式断面図である。遮光性樹脂の熱硬化後、図８（ｒ）のようになる。
【００４０】
図８（ａ）乃至（ｑ）の工程は、支持体が連結された多数個取りの工程でなされる。図８（ｒ）は連結された状態を表し、破線の位置がカッティングされ個々に分割される。
【００４１】
ここで、比較例について説明する。  
発光素子側は、多数個取りリードフレームに発光素子がマウント及びワイヤボンディングされている。同様に受光素子側も、リードフレームに受光素子がマウント及びワイヤボンディングされている。このあと、発光素子と受光素子とが対向するように、リードフレームが重ね合わされる。
【００４２】
次に、発光素子と、受光素子と、を覆うように液状の透光性樹脂を用いて、その表面張力により一次封止する。さらに、透光性樹脂を覆うように遮光性樹脂により二次封止し、リードフレームを折り曲げ加工する。最後に個々の光結合装置に分離する。
【００４３】
この比較例において、リードフレームとパッケージ端面、透光性樹脂とパッケージ端面までの厚みが薄いと、熱応力によりリードフレームや透光性樹脂を起点にパッケージクラックを生じやすくなる。このために、樹脂厚みを片側で０．５ｍｍ以上とすることが必要となり、薄型化及び小型化を困難にしていた。例えば、この比較例において絶縁耐圧を確保するための絶縁物厚みを含めると、パッケージの厚みを１．８ｍｍ以下とすること困難であった。また、表面張力による透光性樹脂の形状の制御性は十分ではない。さらに、アウターリード形成や樹脂成形工程により、多数個取りに限界があり、生産性が十分ではない。
【００４４】
これに対して、本具体例では、半導体素子を接着する支持体がまず形成され、半導体素子はその上に接着される。従って、組み立て工程における熱応力が低減され、クラックの発生が抑制される様な材料を選択でき、薄層化及び小型化が可能である。また、ＦＣＢを用いるのでパッケージの薄型化が容易となる。例えば、絶縁物厚みを維持しつつパッケージ厚みを１．４ｍｍ以下とすることも可能となる。さらに、支持体に配線層を設けることができるので外装メッキ及びアウターリード形成工程が不要となり、かつ多数個取りが容易となるので製造工程の生産性が向上する。
【００４５】
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明した。しかし、本発明はこれらに限定されない。  
本発明を構成する半導体発光素子、半導体受光素子、スイッチング素子、ＭＯＳＦＥＴ，支持体、配線層、バンプ、透光性樹脂、遮光性樹脂などの形状、サイズ、材質などに関して、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。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１具体例にかかる光結合装置を表す模式図である。
【図２】第１具体例の製造工程を説明する模式図である。
【図３】本発明の多数個取り光結合装置の模式平面図である。
【図４】第１具体例の変形例にかかる光結合装置を表す模式図である。
【図５】本発明の第２具体例にかかる光結合装置を表す図である。
【図６】第２具体例の製造工程を説明する模式図である。
【図７】第２具体例の変形例にかかる光結合装置を表す模式図である。
【図８】第２具体例の変形例の製造工程を表す模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  支持体、２２  開口部、２４Ａ  発光素子端子、２６Ａ  受光素子端子、２７Ａ  出力端子、２８  バンプ、４０  半導体発光素子、４２  半導体受光素子、５２  透光性樹脂、５４  遮光性樹脂、６４  ＭＯＳＦＥＴ
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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