JP2006351859A

JP2006351859A - 光結合装置の製造方法

Info

Publication number: JP2006351859A
Application number: JP2005176567A
Authority: JP
Inventors: Motonari Aki; 元成秋
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-28
Also published as: CN100452336C; CN1881552A; US7235804B2; US20060284124A1

Abstract

【課題】発光素子３Ａ（３Ｂ）および受光素子４Ａ（４Ｂ）の対からなるフォトカプラを多数有する光結合装置の製造方法において、隣り合うチャンネル間のクロストークを十分に抑制した構造を簡易かつ低コストで得られるようにする。
【解決手段】単一のシリコン基板２上に多数のフォトカプラを設けた多チャンネル・モノリシックタイプのチップ１を絶縁基板２０上に搭載し、フォトカプラを構成する発光素子３Ａ（３Ｂ）と受光素子４Ａ（４Ｂ）との間にダイシングにより第１切り込み溝２５を形成し、この第１切り込み溝２５に透光性絶縁樹脂３０を充填した後、隣り合うフォトカプラの間にダイシングにより第２切り込み溝２６を形成し、各発光素子３Ａ（３Ｂ）および各受光素子４Ａ（４Ｂ）と外部端子２２とをボンディングワイヤ３１にて電気的に接続して、絶縁基板２０上の全体を遮光性樹脂３２でモールドする。
【選択図】図９

Description

本発明は、発光素子および受光素子の対からなるフォトカプラを複数有する多チャンネルタイプの光結合装置の製造方法に関する。

一般的に、フォトカプラの主な使用用途として、例えば「スイッチング電源」、「Factory Automation（以下、ＦＡと略称）機器の通信インターフェイス」が挙げられる。

まず、スイッチング電源回路では、１−２次間の電気的絶縁に用いられるフォトカプラが、トランス、コンデンサの次に大きな部品となるため、実装面積および高さが大きくなりやすい。

近年では、高スイッチング周波数のInsulated Gate Bipolar Transistor（以下、ＩＧＢＴと略称）素子等の登場により、コンデンサやトランスの部品サイズの縮小化が進展しており、スイッチング電源回路の小型化が要求される事が予想される。

一方、ＦＡ機器の通信インターフェイスに用いられる高速通信フォトカプラについても、実装基板あたりのノード数が多い事から、限られた実装面積の中に多くのチャンネルを収納する事が要求される。

また、高速通信の安定化を図るためには、応答遅延時間やＰＷＤ(パルス幅歪み)の精度向上が要求され、それを実現するためには、フォトカプラにおいて絶縁分離された発光素子と受光素子との相対位置を高精度かつ安定して実装されることが必要となる。

そして、その実現の為には、高密度パッケージの実装にあたっては極力単純で手がかからないのが望ましい。

フォトカプラとしては、ＧａＡｓとＳｉを１チップに集積した技術（例えば特許文献１参照）、ＧａＡｌＡｓ基板を用いてフォトリソグラフィー法、エッチング法により絶縁部を形成した技術（例えば特許文献２参照）が挙げられる。

このフォトカプラを多チャンネル化した装置も考えられている（例えば特許文献３参照。）。この特許文献３では、ＴｉＯ₂による絶縁性の光導波路を用いており、プロセス上非常に複雑な構造となっている。
特開昭４８−４６２７７８号公報特開平６−５９０６号公報特開平７−３１２４４３号公報

上記特許文献３に係る従来例は、隣り合うフォトカプラ（チャンネル）間のクロストークを防止する構造について、複雑で手間のかかる半導体プロセスで形成しているために、それが製造コストの高騰をもたらす要因となっている。

ところで、フォトカプラを構成する発光素子と受光素子との相対位置関係を高精度にすればする程、安定した電気的特性が得られるが、隣り合うチャンネル間のクロストークを十分に抑えることさえできれば、上記のように一対の発光素子と受光素子との相対位置関係をそれほど高精度にする必要はない。このことから、本願発明者は、上記従来例のように半導体プロセスを用いる必要がないと考え、本発明を想到するに至った。

本発明は、多チャンネルタイプの光結合装置の製造方法において、隣り合うチャンネル間のクロストークを十分に抑制した構造を簡易かつ低コストで得られるようにすることを目的としている。

本発明は、発光素子および受光素子の対からなるフォトカプラを複数有する光結合装置の製造方法であって、複数のフォトカプラが単一の半導体基板上に形成された多チャンネル・モノリシックタイプのチップを、絶縁基板上に搭載する工程と、前記絶縁基板上のチップにおけるフォトカプラを構成する発光素子と受光素子とを、それらの間にダイシングにより第１切り込み溝を形成することにより絶縁分離する工程と、前記第１切り込み溝に透過性絶縁樹脂を充填する工程と、前記隣り合う各フォトカプラを、それらの間にダイシングにより第２切り込み溝を形成することにより分断する工程と、前記各発光素子および各受光素子と外部端子とをボンディングワイヤにて電気的に接続して、前記絶縁基板上の全体を遮光性樹脂でモールドする工程とを含むことを特徴としている。

この場合、ダイシング等の機械的加工でもって形成するようにしているから、従来例のようなフォトリソグラフィー法、エッチング法等を用いる場合に比べて、工程数が少なくなるとともに微細加工が不要となる。これにより、作業が簡単になるとともに作業効率が向上し、製造コストの大幅な低減が可能になる。

ところで、上記第２切り込み溝の深さを、チップの底面側途中までとして絶縁基板に届かないように浅くすることができる。

この場合、多チャンネルの受光素子間にてエミッタもしくはグランドの共通電位化が可能となる。

また、上記受光素子の受光面に、接地させられた透明導電性材料からなる配線を設けることができる。

この場合、発光素子と受光素子との間における急激な電位変動によって発生する電荷を受光素子へ通すことなく外部に逃がすことができるので、ノイズ耐性に優れた特性、つまりフォトカプラのＣＭＲ特性を向上することができる。これにより、発光素子と受光素子間の電位変化による誤動作を防止することが可能になる。しかも、配線が透明であるから、発光素子から受光素子への光信号伝達性を向上するうえで有利となる。

さらに、上記遮光性樹脂を充填する際、その充填方向を第２切り込み溝の長手方向に沿う方向とすることができる。

この場合、第２切り込み溝内に遮光性樹脂を密に充填することが可能になって、遮光性樹脂の硬化後においてボイドの発生を抑えることが可能になるので、チャンネル間のクロストークを確実に防止するうえで有利となる。

このようにして製造される光結合装置は、例えば電源機器、通信機器などの電子機器に用いることが可能となり、全体のコンパクト化に貢献できる。

本発明によれば、隣り合うチャンネル間のクロストークを十分に抑制した構造を、従来例に比べて簡易かつ低コストで得ることが可能となる。

以下、本発明に係る光結合装置の製造方法の一実施形態を、図１から図１２に示して説明する。なお、各工程を、（ａ）〜（ｆ）に項目分けして説明する。

（ａ）まず、図１および図５に示すように、半導体プロセスで製造した多チャンネル・モノリシックタイプのフォトカプラチップ１を用意し、このチップ１をガラスエポキシ基板等の絶縁基板２０上に搭載する。

なお、チップ１は、要するに、平面視で略正方形の単一のシリコン基板２に、二組のフォトカプラつまり二対の発光素子３Ａ，３Ｂおよび受光素子４Ａ，４Ｂを設けた多チャンネル・モノリシック構造になっている。発光面には符号１ａ，１ｂを、受光面には符号１ｃ，１ｄを付している。

二つの発光素子３Ａ，３Ｂおよび二つの受光素子４Ａ，４Ｂは、チップ１を平面的に四等分に区分けされた四つの領域に、一つずつ配置されており、二つの発光素子３Ａ，３Ｂがチップ１の一辺に沿って横並びに、また、二つの受光素子４Ａ，４Ｂがチップ１の前記一辺と対向する辺に沿って横並びに配置されている。

両発光素子３Ａ，３Ｂは、それぞれＰ層５、活性層６、Ｎ層７を有するダブルヘテロ構造の発光ダイオード（ＬＥＤ）とされている。両受光素子４Ａ，４Ｂは、それぞれシリコン基板２そのものからなる共通エミッタ層、ベース層８、コレクタ層９を有するフォトトランジスタとされている。

このシリコン基板２の表面側には、絶縁膜１０が被覆されていて、発光素子３Ａ，３ＢのＰ層５、Ｎ層７および受光素子４Ａ，４Ｂのベース層８、コレクタ層９には、それぞれ上面電極１１・・・が個別に接続され、シリコン基板２の裏面側全面つまりエミッタ層には、接地電極１２が接続されている。

つまり、このようなチップ１の接地電極１２は、絶縁基板２０上に形成してある銅箔等からなる導電性パッド２１上に導電性接合剤１３を用いてオーミックコンタクトするように接合されている。

（ｂ）この後、絶縁基板２０上のチップ１における二組のフォトカプラを構成する発光素子３Ａ，３Ｂと受光素子４Ａ，４Ｂとを絶縁分離する。

つまり、図２および図６に示すように、各発光素子３Ａ，３Ｂと各受光素子４Ａ，４Ｂとの間に、ダイシングにより第１切り込み溝２５を形成することにより、各発光素子３Ａ，３Ｂと各受光素子４Ａ，４Ｂとを物理的に分断する。

この第１切り込み溝２５の深さは、絶縁基板２０の内部に到達する深さに設定されている。

（ｃ）この第１切り込み溝２５内に、図３または図４に示すように、光導波路となる透過性絶縁樹脂３０を充填する。この透過性絶縁樹脂３０は、各発光素子３Ａ，３Ｂの発光面１ａ，１ｂおよび各受光素子４Ａ，４Ｂの受光面１ｃ，１ｄを覆うように第１切り込み溝２５の開口より外側へ盛り上げて設けられている。

なお、図３には、透過性絶縁樹脂３０をトランスファーモールド成形とした場合を示しており、透過性絶縁樹脂３０において第１切り込み溝２５から盛り上がる部分が角張った形状になっている。

また、図４には、透過性絶縁樹脂３０を液状の透過性シリコン樹脂等として第１切り込み溝２５上に塗布してから熱硬化させるようにした場合を示しており、透過性絶縁樹脂３０において第１切り込み溝２５から盛り上がる部分が丸い形状になっている。

（ｄ）次いで、絶縁基板２０上のチップ１における隣り合う二組のフォトカプラ（チャンネル）を分断する。

つまり、図７および図８に示すように、隣り合う二組のフォトカプラの間、つまり一方対の発光素子３Ａおよび受光素子４Ａと他方対の発光素子３Ｂおよび受光素子４Ｂとの間に、ダイシングにより第２切り込み溝２６を形成することにより、隣り合う二組のフォトカプラを物理的に分断する。

この第２切り込み溝２６は、第１切り込み溝２５に対して十文字形状に交差するように設けられており、その深さは、チップ１のシリコン基板２の底面側途中までとして絶縁基板２０に届かないように浅く設定されている。この場合、隣り合うチャンネルのエミッタ層および接地電極１２の共通電位化が可能になる。

（ｅ）こうしてから、図９に示すように、各発光素子３Ａ，３Ｂおよび各受光素子４Ａ，４Ｂの各上面電極１１・・・を、絶縁基板２０上に設けてある銅箔等からなる各外部端子パッド２２・・・にそれぞれボンディングワイヤ３１・・・で電気的に接続する。

（ｆ）このようにした組立体に対して、図１０に示すように、それ全体を覆い囲むように遮光性樹脂３２をモールドする。このとき、遮光性樹脂３２が第２切り込み溝２６内に充填されることになるので、チャンネル間のクロストーク防止が図れる。

具体的に、遮光性樹脂３２の充填は、例えばトランスファーモールド成形で行うことができる。

例えば図１１に示すようなトランスファーモールド金型４０内に、図１０に示した組立体を収納する。このとき、トランスファーモールド金型４０内での溶融樹脂の流れは、ゲート部４１からエアベント部４２へ向かうようになるので、この流れの向きに対し、組立体の第２切り込み溝２６の長手方向を沿わせるようにしている。

これにより、第２切り込み溝２６内に遮光性樹脂３２を密に充填することが可能になって、遮光性樹脂３２の硬化後においてボイドの発生を抑えることが可能になるので、チャンネル間のクロストークを確実に防止するうえで有利となる。

以上のようにして光結合装置が得られるが、その場合の等価回路は、図１２に示すようになる。

以上説明したように、二対の発光素子３Ａ，３Ｂと受光素子４Ａ，４Ｂとをそれぞれ絶縁分離する第１切り込み溝２５、および隣り合うチャンネル間のクロストークを防止する第２切り込み溝２６について、ダイシング等の機械的加工でもって形成するようにしている。

これにより、従来例のようなフォトリソグラフィー法、エッチング法等を用いる場合に比べて、工程数が少なくなるとともに微細加工が不要となるので、作業が簡単になるとともに作業効率が向上し、製造コストの大幅な低減が可能になる。したがって、安価で信頼性の高い構造の光結合装置を提供できるようになる。

以下、本発明の他の実施形態を説明する。

（１）図１３に示す等価回路のように、受光素子４Ａ，４Ｂとしてのフォトトランジスタに増幅アンプ１５Ａ，１５Ｂを接続してもよい。

また、図１４に示す等価回路のように、チップ１における発光素子３Ａ，３Ｂの近傍にその駆動回路１６Ａ，１６Ｂを形成してもよい。その場合、発光素子３Ａ，３Ｂのグランド共通電位化も可能である。なお、前記駆動回路はチップ１と別体のＩＣチップとし、絶縁基板２０上に搭載するようにしてもよい。

このようすれば、光結合装置１０の外形サイズを小型化するうえで有利となる。

（２）第２切り込み溝２６の深さは、例えば図１５に示すように、絶縁基板２０の内部にまで到達するよう深くすることも可能である。

（３）図１６に示すように、チップ１における受光素子４Ａ，４Ｂのベース層８上に、共通グランドもしくは共通エミッタ層に接続された配線３５を設けてもよい。その場合、発光素子３Ａ，３Ｂと受光素子４Ａ，４Ｂとの間における急激な電位変動によって発生する電荷を受光素子４Ａ，４Ｂのベース層８を通すことなく外部に逃がすことができるので、ノイズ耐性に優れた特性、つまりフォトカプラのＣＭＲ特性を向上することができる。

ここで、例えば図３および図４に示すように、透過性絶縁樹脂３０を第１切り込み溝２５の外側へ盛り上げる場合においては、配線３５の素材として、透明導電性材料、好ましくはＩＴＯ，ＺｎＯ，Ｉｎ₂Ｏ₃−ＺｎＯ等を用いれば、発光素子３Ａ，３Ｂから受光素子４Ａ，４Ｂへの光信号伝達性を向上するうえで有利となる。この構成の等価回路は、図１７に示すようになり、配線３５を破線で記載している。

（４）図１８に示すように、絶縁基板２０をガラス基板とし、この絶縁基板２０上にチップ１を搭載して上記実施形態のように形成した後、この絶縁基板２０をリードフレーム５１，５２にまたがるようにマウントし、各発光素子３Ａ，３Ｂおよび受光素子４Ａ，４Ｂの上面電極１１をリードフレーム５３，５４，５５，５６にボンディングワイヤ３１・・・で接続した構造とすることができる。この場合、チップ１の裏面に接地電極１２を設けておらず、複数の上面電極１１・・・のうちのいずれかを接地電極とし、この接地電極をリードフレーム５１にボンディングワイヤ３１で接続している。

本発明に係る光結合装置の製造方法の一実施形態で、第１段階を示す断面図である。図１の続きを示す断面図である。図２の続きを示す断面図である。図３の他例を示す断面図である。図１に対応する斜視図である。図２に対応する斜視図である。図６の続きを示す斜視図である。図７の矢印Ｘ方向から見た側面図である。図７の続きを示す斜視図である。図９の続きで、図８と同様の向きから見た側面図である。図１０の遮光性樹脂の形成方法の一例を示す説明図である。図９に示す構造の等価回路図である。図１２の他例の等価回路図である。図１２の他例の等価回路図である。図１０の他例を示す側面図である。図２の他例を示す断面図である。図１６に示す構造の等価回路図である。本発明に係る光結合装置の他の実施形態で、図９に対応する図である。

符号の説明

１フォトカプラチップ
２シリコン基板
３Ａ，３Ｂ発光素子
４Ａ，４Ｂ受光素子
２０絶縁基板
２５第１切り込み溝
２６第２切り込み溝
３０透過性絶縁樹脂
３１ボンディングワイヤ
３２遮光性樹脂

Claims

発光素子および受光素子の対からなるフォトカプラを複数有する光結合装置の製造方法であって、
複数のフォトカプラが単一の半導体基板上に形成された多チャンネル・モノリシックタイプのチップを、絶縁基板上に搭載する工程と、
前記絶縁基板上のチップにおけるフォトカプラを構成する発光素子と受光素子とを、それらの間にダイシングにより第１切り込み溝を形成することにより絶縁分離する工程と、
前記第１切り込み溝に透過性絶縁樹脂を充填する工程と、
前記隣り合う各フォトカプラを、それらの間にダイシングにより第２切り込み溝を形成することにより分断する工程と、
前記各発光素子および各受光素子と外部端子とをボンディングワイヤにて電気的に接続して、前記絶縁基板上の全体を遮光性樹脂でモールドする工程とを含むことを特徴とする光結合装置の製造方法。
前記第２切り込み溝の深さは、チップの底面側途中までとして絶縁基板に届かないように浅くされることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置の製造方法。
前記受光素子の受光面には、接地させられた透明導電性材料からなる配線が設けられ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の製造方法。
前記遮光性樹脂を充填する際、その充填方向を第２切り込み溝の長手方向に沿う方向とすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光結合装置の製造方法。