(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装基板に縦置き状態あるいは横置き状態で実装される表面実装型光学装置であって、回路基板に光学素子が搭載され、前記回路基板の素子搭載面に、前記光学素子を囲む枠体が積み重ねられ、該枠体に、前記光学素子に対して入射または出射する光を集光するレンズ体が積み重ねられ、前記回路基板は、前記実装基板に対する複数の実装面を有し、前記回路基板の表面に、熱可塑性樹脂を射出することにより前記枠体が形成され、前記枠体が前記回路基板の側面と面一にされたことを特徴とする表面実装型光学装置。
【請求項２】
前記回路基板の表面が前記素子搭載面とされ、前記回路基板の裏面および側面が前記実装面とされたことを特徴とする請求項１記載の表面実装型光学装置。
【請求項３】
前記枠体で囲まれた空間に、前記光学素子を覆う透光体が熱硬化性樹脂により形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の表面実装型光学装置。
【請求項４】
前記レンズ体に、前記回路基板の少なくとも１つの実装面と平行な吸着面を有する突起が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の表面実装型光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家電製品やパーソナルコンピュータ等のオフィスオートメーション製品に使用される表面実装型の光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信機能を備えたパーソナルコンピュータや携帯端末機器の普及により、これらの機器間でのデータ等のやり取り、すなわち相互通信が一般的に行われている。その通信手段としては、各機器に通信用コネクタを設置し、このコネクタ間を導通ケーブルで配線するのが主流となっている。
【０００３】
しかしながら、機器の増加により配線数が増加し、配線が複雑化、乱雑化してきていること、また携帯端末機器の増加によりホストコンピュータへのより手軽な通信を要求されてきていることから、赤外線を利用した光通信の要望が高まり、これに使用されるハードウェアの開発、製品化も行われ始めた。
【０００４】
ここで、従来の光通信に使用されるハードウェアとしての光学装置（例えば、受光装置）を図１３ないし１７に基づいて説明する。この受光装置は、図１３，１４に示すように、光学素子である受光チップ１を金属製（主に鉄製）の搭載用リードフレーム２の搭載片２ａに導電性接着剤（Ａｇペースト）３にてダイボンド接着し、受光チップ１の電極部４と搭載用および結線用リードフレーム２，５とを金線６にてワイヤボンディングした後、これらの保護および良好な光学特性を得るため、赤外光を透過して可視光を遮光する熱硬化性エポキシ樹脂を用いてトランスファモールド方式によりレンズ７付きのモールドパッケージ８を成形し、ワイヤボンディング工程時の補強やトランスファモールド工程時の樹脂流れ防止のために設けられているリードフレーム２，５のタイバー部分９のカット、任意のリード形状にするためのリードフレーム２，５の折り曲げやカットを行い、最後に特性検査を経て完成品となる。
【０００５】
そして、図１５に示すように、リードフレーム２，５をストレート、または図１６に示すように、リードフレーム２，５を二方向Ｌ曲げすることにより、実装基板Ｋに対して受光チップ１の受光面が垂直となる縦置き状態で実装することができ、また図１７に示すように、リードフレーム２，５を一方向Ｌ曲げすることにより、実装基板Ｋに対して受光チップ１の受光面が平行となる横置き状態で実装することができるようになっている。なお、発光装置の場合には、上記構成における受光チップ１の代わりに発光チップが用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光学装置では、モールドパッケージ８から突出したリードフレーム２，５を任意に加工することにより、実装基板Ｋへの実装状態が決定するので、機器の設計変更により光学装置における受光面の向きを変更する必要が生じた場合には、例えば図１５に示す構造のものから図１７に示す構造のものへといった光学装置の機種変更を必要とする場合があり、汎用性に乏しかった。
【０００７】
また、図１５，１７に示す構造のものでは、実装基板Ｋにリードフレーム挿入用の孔を設ける必要があることから、実装基板Ｋにおける回路パターンの高密度化が難しい上に、部品の高密度実装化にも限界があった。最近では、機器の小型化、薄型化に伴って光学装置を取付けるスペースも小さくなってきており、また高密度実装化による実装基板に実装される部品の増加も相俟って、小型薄型で取付けるスペースが小さくて済む表面実装型の光学装置が要求されているが、図１５，１７に示す構造のものではこの要求に答えることができなかった。
【０００８】
さらに、図１６に示す構造のものでは、実装基板Ｋに対して表面実装を可能にしているが、リードフレーム２，５を折り曲げる際に、モールドパッケージ８とリードフレーム２，５の根元部分との間に剥離が生じないように、リードフレーム２，５を金型で挟み込んだり、クランプしたり、押さえ込んだりするので、モールドパッケージ８の端面Ａからリードフレーム２，５の折曲位置Ｂまでの挟み込みに必要な長さだけ実装時の高さ寸法が大となり、省スペース化を図るには不向きな構造であった。
【０００９】
しかも、熱硬化性エポキシ樹脂を用いたトランスファモールド方式によりモールドパッケージ８を成形しているので、金型の開き方向ＣにはテーパーＤが必要となり、またモールドパッケージ８の前面にはレンズ７が形成されているので、モールドパッケージ８を実装機にて吸着して実装基板Ｋに実装する吸着方式での自動実装が困難であるといった問題もある。
【００１０】
本発明は、上記に鑑み、単品で複数の実装状態を可能にし、実装時の省スペース化を図ることができ、吸着方式での自動実装が可能な表面実装型光学装置の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による課題解決手段は、実装基板に実装される回路基板に発光素子や受光素子といった光学素子が搭載され、回路基板の素子搭載面に、光学素子を囲む枠体が積み重ねられ、枠体に、光学素子に対して入射または出射する光を集光するレンズ体が積み重ねられ、回路基板は、実装基板に対して複数の実装面を有するものである。これにより、単品で複数の実装状態が可能となり、リードフレームを廃止して実装時の高さ寸法を小さくできる。
【００１２】
また、回路基板の表面を素子搭載面とし、回路基板の裏面および側面を実装面とすると、実装基板に回路基板の裏面を実装したときと、回路基板の側面を実装したときとで、光学素子の向きを異ならせることができる。
【００１３】
さらに、枠体は熱可塑性樹脂により形成され、枠体で囲まれた空間に、光学素子を覆う透光体が熱硬化性樹脂により形成されている。ここで、熱可塑性樹脂を用いて射出成形した場合には、トランスファーモールド方式では不可能な複雑な薄板成形も可能になるとともに、テーパーをなくすことができて枠体の側面を平坦にすることができる。したがって、回路基板、枠体、レンズ体の各側面を面一にすることができ、光学装置の側面を実装機にて吸着することが可能となる。また、透光体により光学素子に対する熱や衝撃からの物理的保護が可能となり、熱硬化性樹脂として赤外光を透過して可視光を遮断するエポキシ系のものを使用すると、可視光成分の除去といった光学的特性の向上を図ることができる。
【００１４】
また、レンズ体に、回路基板の少なくとも１つの実装面と平行な吸着面を有する突起が設けられている。ここで、吸着面とは、実装基板に光学装置を実装する際に使用する実装機にて吸着される面であり、この吸着面を有することにより、レンズ体を実装機にて吸着して自動実装が可能となる。また、突起に、レンズ体単体でも自立することができるようにアングルとしての機能を付加すると、光学装置を実装基板に対して安定して載置することができ、良好な実装状態を確保できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る光学装置である受光装置は、図１，２に示すように、回路基板２０に光学素子である受光チップ２１が搭載され、回路基板２０の表面２０ａである素子搭載面に、受光チップ２１を囲む枠体２２が積み重ねられ、枠体２２に、受光チップ２１に入射する光を集光するレンズ体２３が積み重ねられた表面実装型のものである。
【００１６】
前記回路基板２０は、図３に示すように、平面視略長方形状の耐熱性を有するガラスエポキシ基板の表面に、素子搭載用電極部３０と、これを挟んだ一対の結線用電極部３１ａ，３１ｂとが金メッキを施すことによりパターン形成されたものである。各電極部３０，３１ａ，３１ｂは、ガラスエポキシ基板の表面から前面に適当な間隔をあけて形成された３つのスルーホール切断部２４を介して裏面まで立体的に引きまわしされている。これにより、回路基板２０の前面（各電極部３０，３１ａ，３１ｂが形成された側面）２０ｂおよび裏面２０ｃが実装基板Ｋに対して半田付けにより電気的接続が可能となり、したがって前面２０ｂおよび裏面２０ｃが実装基板Ｋに対する実装面とされている。
【００１７】
なお、スルーホール切断部２４は、ガラスエポキシ基板の前面に断面半円弧状に形成されており、これにより引きまわした各電極部３０，３１ａ，３１ｂの他の部材との接触による傷つきを防止できる。また、回路基板２０は、ガラスエポキシ基板以外にＢＴレジン基板や液晶ポリマー基板を使用したものであってもよい。
【００１８】
前記枠体２２は、回路基板２０の表面２０ａに遮光性を有するＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の熱可塑性樹脂を射出することにより形成され、図４に示すように、平面視略凸状のチップ回避用開口３２を有する主部３３と、該主部３３の表面左右端部から突出してチップ回避用開口３２を挟んで対向配置された一対の爪部３４と、主部３３の裏面左右端部から突出して回路基板２０の左右側面２０ｄを挟み込む一対の係合部３５とが一体成形されたものである。したがって、回路基板２０の表面２０ａの受光チップ２１を搭載する部分、前面２０ｂおよび裏面２０ｃは、枠体２２に覆われていない状態となっている。
【００１９】
また、回路基板２０のガラスエポキシと枠体２２の熱可塑性樹脂との互いの密着力はさほど強くないので、回路基板２０に、その表面２０ａから裏面２０ｃまで貫通した一対の熱可塑性樹脂充填用の円形孔３６（図３参照）を形成することで、密着面積を増大して密着力の向上を図っている。さらに、回路基板２０の左右側面２０ｄには、枠体２２の係合部３５が係合する段差部３７が形成されており、これによって一層の密着力の向上を図っている。なお、枠体２２の主部３３の前面には、スルーホール切断部２４に対応して三つの縦溝３３ａが適当な間隔をあけて形成されている。
【００２０】
前記受光チップ２１は、図示しない発光チップからの微弱な赤外線デジタル信号を受光するフォトダイオードからなる受光部と、該受光部で一旦光電変換した電気信号を処理するアンプ回路、フィルター回路、出力回路等の信号処理回路部とを１チップ上に集積した受光ＩＣチップ（ＯＰＩＣ）が使用され、図４に示すように、回路基板２０の素子搭載用電極部３０にエポキシ系樹脂とＡｇ粉末を混ぜ合わせた導電性接着剤３９にてダイボンドされている。なお、受光部の受光面は、回路基板２０の表面２０ａと平行に配されている。
【００２１】
そして、受光チップ２１のアルミパッドからなる電極部分４０と回路基板２０の各電極部３０，３１ａ，３１ｂとが金線４１にてワイヤボンディングされて、電気的に接続されている。
【００２２】
また、受光チップ２１に対する熱や衝撃からの物理的保護、可視光成分の除去といった光学的特性の向上、さらには金線４１の断線防止といった信頼性の向上を図るため、図５に示すように、枠体２２で囲まれた空間すなわちチップ回避用開口３２に熱硬化性樹脂をポッティングして、受光チップ２１および金線４１を覆う透光体４２を形成している。ここで、熱硬化性樹脂としては、塩素イオン等の不純物イオンが少なく、赤外光を透過して可視光を遮断するエポキシ系のものが使用されている。なお、エポキシ系の熱硬化性樹脂は、同じエポキシ系のガラスエポキシと接着するため、ガラスエポキシと熱可塑性樹脂との密着よりも強固な密着が得られる。また、透光体４２の表面は、枠体２２の主部３３の表面と面一とされている。
【００２３】
前記レンズ体２３は、ＰＳＦ（ポリサルフォン）等の材料を用いて成形され、半田リフローの際の高温にも耐え得る耐熱性を有するもので、図１，２に示すように、枠体２２の爪部３４間に係合されて枠体２２の主部３３に載置される載置台４３と、該載置台４３から突出した凸レンズ４４および突起４５が一体成形されたものである。
【００２４】
前記凸レンズ４４は、受光チップ２１の受光面に対向して配され、受光面に入射する光を集光して、受光面における受光効率を高める機能を有している。
【００２５】
前記突起４５は、凸レンズ４４を囲む円環状壁面４５ａを有するとともに、レンズ体２３単体でも縦置き状態で自立性を確保するためのアングルとして機能する。また、突起４５は、回路基板２０の実装面である裏面２０ｃと平行な実装機にて吸着される吸着面４５ｂを有している。この吸着面４５ｂは、突起４５の表面であり、凸レンズ４４の最も突出した最頂部と同一平面上に位置している。したがって、受光装置の表面が裏面と平行でかつ平坦となり、受光装置を凸レンズ４４が突出した側から実装機にて吸着することができる。
【００２６】
なお、突起４５の吸着面４５ｂは、凸レンズ４４の最頂部よりも突出した位置にあってもよい。また、本実施形態では、突起４５の後面４５ｃも回路基板２０の前面２０ｂと平行な面としており、枠体２２の後面および回路基板２０の後面とともに吸着面を構成している。さらに、図６に示すように、載置台４３の表面の前側角部に一対の突起４６を形成し、レンズ体２３単体でも縦置き状態で自立性を確保するためのアングルとしてのみ機能させるようにしてもよい。この場合、凸レンズ４４の表面側からの吸着は困難となる。さらにまた、突起４５，４６は、載置台４３や凸レンズ４４と一体成形せずに別体で設けたものであってもよい。
【００２７】
そして、上記の受光装置においては、順に積み重ねられた回路基板２０、枠体２２、レンズ体２３の各前面、各後面、各左右側面がそれぞれ面一となっており、これによって受光装置の表面（レンズ体２３の突起４５の表面４５ｂに相当）、側面（面一となった回路基板２０、枠体２２、レンズ体２３の各前面、後面、左右側面に相当）、裏面（回路基板２０の裏面２０ｃに相当）がすべて平坦となっている。
【００２８】
次に、本実施形態の受光装置の製造方法について説明する。まず、図７に示すように、複数のデバイス分のガラスエポキシ基板を金型による打ち抜きによって一体的に成形する。そして、各面をマスキングして金メッキを施して各電極部３０，３１ａ，３１ｂをパターン形成し、回路基板２０を構成する。
【００２９】
この回路基板２０の表面２０ａに、熱可塑性樹脂を射出することにより枠体２２を形成する。このとき、トランスファーモールド方式では不可能な爪部３４等の成形も可能になるとともに、テーパーをなくすことができて枠体２２の側面を平坦にすることができる。
【００３０】
その後、回路基板２０の表面２０ａの素子搭載用電極部３０に、受光チップ２１を導電性接着剤３９にてダイボンドする（ダイボンド工程）。そして、受光チップ２１の電極部分４０と回路基板２０の各電極部３０，３１ａ，３１ｂとを、熱と超音波を加えながらφ２５μｍの金線４１にてワイヤボンディングし、電気的に接続する（ワイヤボンディング工程）。次に、枠体２２のチップ回避用開口３２に熱硬化性樹脂をポッティングして透光体４２を形成し、受光チップ２１および金線４１を封止する（ポッティング工程）。これにより、受光チップ２１および金線４１の保護および光学特性の向上を図る。
【００３１】
ポッティング工程終了後、ガラスエポキシ基板を金型でカットして単品状態とする（単品カット工程）。なお、表面実装用基板のカットには、ウェハーをカットするダイシングと同じ要領のダイシング方式を採用する場合もあるが、カットに要する時間および材料費が金型カット方式に比べて高くなるため、本実施形態では金型カット方式を採用した。
【００３２】
最後に、枠体２２の爪部３４間にレンズ体２３を嵌め込み、受光装置が完成する。完成した受光装置は、回路基板２０の表面２０ａに、枠体２２、レンズ体２３を順に積み重ねた状態となっており、受光装置の表面、側面および裏面は平坦で、表面と裏面、対向する側面同士はともに平行となっている。
【００３３】
この受光装置の実装基板Ｋへの実装は、実装面である回路基板２０の前面２０ｂの各電極部３０，３１ａ，３１ｂや裏面２０ｃの各電極部３０，３１ａ，３１ｂを実装基板Ｋの回路パターンに半田リフローにて電気的に接続することで完了する。
【００３４】
ここで、回路基板２０の前面２０ｂを実装面とした場合には、図８に示すように、受光装置の前面が実装基板Ｋに載置されて、受光チップ２１の受光面が実装基板Ｋに対して垂直となる縦置き状態で実装することができ、また回路基板２０の裏面２０ｃを実装面とした場合には、図９に示すように、受光装置の裏面が実装基板Ｋに載置されて、実装基板Ｋに対して受光チップ２１の受光面が平行となる横置き状態で実装することができる。また、実装時には、受光装置の前面および裏面が平坦であるため、実装基板Ｋに受光装置を安定して載置できて良好な光学位置精度を確保できるとともに、表面と裏面、前面と後面がともに平行であるため、受光装置を表面側すなわち凸レンズ４４が突出した側および後面側から実装機にて吸着し、縦置き状態および横置き状態のいずれにおいても自動実装が可能となる。なお、受光装置の実装高さは、縦置き状態で４ｍｍ以下となっており、従来のリードフレームを必要とする受光装置が５ｍｍ前後であったときと比べて低くすることができる。
【００３５】
受光装置の動作としては、図示しない発光チップからの入射光をレンズ体２３の凸レンズ４４で集光して受光チップ２１の受光面にて効率良く受光し、受光部で光信号を電気信号に変換した後、アンプ回路で信号増幅を行い、フィルター回路でノイズ分の除去を行って、出力回路で最終出力として送信信号と同等のデジタル信号を出力するようになっている。
【００３６】
このように、本実施形態の受光装置においては、単品で縦置き状態や横置き状態といった複数の実装状態を実現することができ、従来のようにリードフレームの加工により実装状態が決定する構造のものと比べて汎用性が高く、機器への搭載状況に応じて自由に実装状態を変更することができる。
【００３７】
また、回路基板２０の表面２０ａに枠体２２を積み重ね、枠体２２にレンズ体２３を積み重ねた構造としてリードフレームを廃止しているので、実装時の高さ寸法を小さくでき、省スペースを実現できる。
【００３８】
次に、その他の実施形態の受光装置について、図１０に基づいて説明する。この受光装置は、回路基板５０において、各電極部５１，５２ａ，５２ｂがガラスエポキシ基板の表面から前面および裏面を介して右側面（左側面でもよい）まで立体的に引きまわしされている。したがって、回路基板５０の直交する前面５０ａと右側面５０ｂ、および裏面５０ｃが実装基板Ｋに対する実装面とされている。
【００３９】
これにより、回路基板２０の右側面５０ｂを実装基板Ｋに実装したときには、前面５０ａや裏面５０ｃを実装基板Ｋに実装したときと比べて実装時の高さ寸法は大となるものの、実装基板Ｋへの受光装置の載置面積は小となり、実装基板Ｋへの他の部品の搭載スペースを大とすることができ、受光装置の実装状態が多様化して汎用性をより高めることができる。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明の光学装置は受光装置に限らず、発光装置であってもよい。この場合、上述の構成において受光チップの代わりに発光チップを採用すればよい。また、レンズ体のレンズは、凸レンズに限らず、フレネルレンズ等であってもよい。さらに、回路基板、枠体、レンズ体は上記の形状に限定されるものではなく、例えば図１１または１２に示すように、実装基板に対して凸レンズが傾くような光学装置であってよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな通り、本発明によると、回路基板が実装基板に対する複数の実装面を有しているので、単品で複数の実装状態を実現することができ、従来のようにリードフレームの加工により実装状態が決定する構造のものと比べて汎用性が高く、機器への搭載状況に応じて自由に実装状態を変更することができる。また、回路基板の素子搭載面に枠体を積み重ね、該枠体にレンズ体を順に積み重ねた構造としてリードフレームを廃止しているので、実装時の高さ寸法を小さくでき、省スペースを実現できる。
【００４２】
回路基板の裏面および側面が実装面とされているので、実装基板に対して回路基板の裏面を実装したときと回路基板の側面を実装したときで、回路基板の表面に搭載された光学素子の向きを異ならせることができ、より汎用性の高い光学装置を提供することができる。
【００４３】
枠体が熱可塑性樹脂により形成されているので、熱硬化性樹脂をトランスファーモールドしたときのようなテーパーをなくすことができ、成型した枠体の側面を平坦にすることが容易となる。したがって、回路基板の側面、枠体の側面、レンズ体の側面を容易に面一にすることができ、面一にすることによって、回路基板の側面を実装基板に実装したときに、実装基板に光学装置を安定して載置できて良好な光学位置精度を確保できるとともに、光学装置の側面側を実装機にて吸着することができて、吸着方式での自動実装が可能となる。また、枠体で囲まれた空間に、光学素子を覆う透光体が熱硬化性樹脂により形成されているので、光学素子の保護および光学特性の向上を図ることができる。
【００４４】
レンズ体に、回路基板の実装面と平行な吸着面を有する突起が設けられているので、回路基板を実装基板に実装したときに、レンズ体を実装機にて吸着することができて、吸着方式での自動実装が可能となる。また、突起に、レンズ体単体でも自立することができるようにアングルとしての機能を付加すると、光学装置を実装基板に対して安定して載置することができ、良好な実装状態を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る受光装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図
【図２】受光装置の縦断面図
【図３】回路基板を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図
【図４】回路基板に枠体を形成したときの状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図
【図５】透光体を示す平面図
【図６】他の突起を形成したときの受光装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図
【図７】単品カット前のガラスエポキシ基板の平面図
【図８】受光装置を縦置き状態で実装基板に実装したときの側面図
【図９】受光装置を横置き状態で実装基板に実装したときの斜視図
【図１０】その他の実施形態に係る受光装置の斜視図
【図１１】他の受光装置を実装基板に実装したときの側面図
【図１２】その他の受光装置を実装基板に実装したときの側面図
【図１３】従来のモールドパッケージ成形前の受光装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図１４】リードフレームカット前の受光装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図１５】リードフレームがストレートの受光装置を実装基板に実装したときを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図１６】リードフレームが二方向Ｌ曲げの受光装置を実装基板に実装したときを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【図１７】リードフレームが一方向Ｌ曲げの受光装置を実装基板に実装したときを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図
【符号の説明】
２０    回路基板
２１    光学素子
２０ａ  回路基板の表面（素子搭載面）
２０ｂ  回路基板の前面（実装面）
２０ｃ  回路基板の裏面（実装面）
２２    枠体
２３    レンズ体
４２    透光体
４５    突起
４５ｂ  吸着面
Ｋ    実装基板
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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