光耦合装置的制作方法

本申请享受以日本专利申请2018-218229号(申请日：2018年11月21日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含该基础申请的全部内容。

本实施方式涉及一种光耦合装置。

背景技术：

光耦合装置(包括光耦合器、光继电器)能够使用发光元件将输入电信号转换为光信号、并在由受光元件受光之后输出电信号。因此，光耦合装置能够在输入输出之间绝缘的状态下传送电信号。

在机床控制、半导体测试器等用途中，越发要求光耦合装置的高速化。例如，要求5ghz以上的高频通过特性。此外，在这些用途中，为了构成系统，需要多个光耦合装置。在这样的情况下，为了向电路基板进行高密度安装，要求安装面积小且低轮廓的表面安装型封装。

技术实现要素：

实施方式提供一种光耦合装置，搭载于安装面积小且低轮廓的表面安装封装，高频通过特性被改善。

实施方式的光耦合装置具有输入端子、输出端子、第一mosfet、第二mosfet、半导体受光元件、半导体发光元件以及树脂层。上述输入端子包括第一引线以及第二引线。上述输出端子包括第三引线以及第四引线。上述第一mosfet是具有第一面的第一mosfet，该第一面具有第一电极焊盘区域以及与上述第一引线邻接配置的第一接合区域，该第一mosfet通过被接合到上述第三引线上而使漏极区域与上述第三引线被电连接。上述第二mosfet是具有第一面的第二mosfet，该第一面具有第二电极焊盘区域以及与上述第二引线邻接设置的第二接合区域，通过上述第二mosfet被接合到上述第四引线上，由此漏极区域与上述第四引线被电连接。上述半导体受光元件是分别与上述第一接合区域以及上述第二接合区域接合的半导体元件，且具有受光区域以及设置在上述受光区域外侧的电极焊盘区域，上述受光区域设置在与上述第一mosfet和上述第二mosfet接合的面的相反侧的面的中央部。上述半导体发光元件与上述输入端子连接，并能够朝向上述受光区域射出发射光。上述树脂层密封上述第一mosfet和上述第二mosfet、上述半导体受光元件、上述半导体发光元件、上述输入端子的上表面和侧面、以及上述输出端子的上表面和侧面。

附图说明

图1(a)是第一实施方式涉及的光耦合装置的示意平面图，图1(b)是沿a-a线的示意截面图，图1(c)是沿b-b线的示意截面图。

图2(a)是半导体发光元件的示意侧视图，图2(b)是其示意平面图，图2(c)是半导体受光元件的示意平面图，图2(d)是沿c-c线的层叠构造的示意截面图。

图3是第一实施方式涉及的光耦合装置的等价电路图。

图4(a)是比较例涉及的光耦合装置的示意平面图，图4(b)是沿d-d线的示意截面图，图4(c)是沿e-e线的示意截面图。

图5是比较例涉及的光耦合装置的等价电路图。

图6是表示第一实施方式与比较例的高频通过特性的曲线图。

图7(a)是第二实施方式涉及的光耦合装置的示意平面图，图7(b)是沿a-a线的示意截面图，图7(c)是沿b-b线的示意截面图。

图8(a)是第三实施方式涉及的光耦合装置的示意平面图，图8(b)是沿a-a线的示意截面图，图8(c)是从短边侧观察的示意侧视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1(a)是第一实施方式涉及的光耦合装置的示意平面图，图1(b)是沿a-a线的示意截面图，图1(c)是沿b-b线的示意截面图。

光耦合装置具有输入端子50、输出端子53、第一mosfet31、第二mosfet32、半导体受光元件20、半导体发光元件10以及树脂层90。

输入端子50包括第一引线51以及第二引线52。输出端子53包括第三引线54以及第四引线55，分别分离，但构成为一体。此外，各引线不在光耦合装置的上表面以及四个侧面露出，而分别被树脂层90覆盖，仅在下表面露出。

图1(a)～(c)表示将光耦合装置单独化的情况。引线由铁镍合金、铜合金等形成。在通过焊料等接合半导体芯片的区域表面、进行引线接合的区域表面至少形成有au镀层、ag镀层等。

第一mosfet31具有第一面31a，该第一面31a具有第一电极焊盘区域er以及与第一引线51邻接配置的第一接合区域mr(图1(c))。第一mosfet31通过与第三引线54的表面接合而使漏极区域与第三引线54电连接。

第二mosfet32具有第一面32a，该第一面32a具有第二电极焊盘区域er以及与第二引线52邻接设置的第二接合区域mr(图1(c))。第二mosfet32通过与第四引线55的表面接合而使漏极区域与第四引线55电连接。

在mosfet由si材料形成的情况下，能够成为将芯片的背面侧作为漏极区域的纵型构造。与构成输出端子53的第三引线54、第四引线55接合的mosfet31、32的背面例如能够成为高浓度的接触层(未图示)。如果在接触层上设置包含au等的电极，则能够通过糊料或者焊料92等与第三引线54、第四引线55接合。或者，也可以通过接触层(si)与引线表面的金电极来形成ausi共晶。另外，mosfet不限定为纵型构造，即使在横型构造中电连接关系也相同，该芯片也可以被统一为一个芯片。

半导体受光元件20跨越第一接合区域mr以及第二接合区域mr而使用粘接材料91等粘接。半导体受光元件20具有受光区域和设置在受光区域外侧的电极焊盘区域，该受光区域设置在与第一mosfet31的表面31a以及第二mosfet32的表面32a接合的面的相反侧的面的中央部。半导体受光元件20例如能够为si二极管、光电晶体管等。

半导体发光元件10与输入端子50连接，并朝向受光区域射出发射光(在图2(a)、(d)中由下方箭头表示)。半导体发光元件10的材料例如能够为ingaas、gaas等。对于实现小型化来说，优选成为基板11的发光层12的光透射基板的构成的材料组合。

树脂层90密封第一以及第二mosfet31、32、半导体受光元件20、半导体发光元件10、输入端子50的第一引线51的上表面51a和侧面51b、51c、第二引线52的上表面52a和侧面52b、52c、以及输出端子53的第三引线54的上表面54a和侧面54b、54c，但不密封输入端子50的下表面51d、52d、输出端子53的下表面54d、55d而使其露出。此外，在光耦合装置的下表面、即输入输出端子51、53的下表面51d、52d、54d、55d所露出的面中，与各个输出端子的下表面邻接的树脂层90也能够形成大致相同平面。如此，能够将光耦合装置表面安装到电路基板上。

光耦合装置也可以进一步具有粘接层34。粘接层34对受光区域22与半导体发光元件10进行粘接，且具有透光性以及绝缘性。此外，也可以涂覆基于硅树脂等的封装树脂95。封装树脂95覆盖半导体发光元件10的上侧面和半导体受光元件20的上表面，并通过树脂层90密封。封装树脂95防止半导体发光元件10的剥离，降低来自树脂层90的树脂应力，进一步提高可靠性。并且，通过使封装树脂95夹设在分离的输入输出端子50、53与树脂层90之间，由此能够抑制由于由线膨胀系数差导致的树脂层90之间与封装树脂95之间的空隙、封装树脂95自身的塑性变形而光耦合装置的外形变形。

如之后在图3中说明的那样，第一以及第二mosfet31、32成为共源极连接，且两个源极电极s与半导体受光元件20的第二电极23、27分别连接。此外，第一以及第二mosfet31、32的栅极电极g与半导体受光元件20的第一电极26、29分别连接。

图2(a)是半导体发光元件的示意侧视图，图2(b)是其示意平面图，图2(c)是半导体受光元件的示意平面图，图2(d)是沿c-c线的层叠构造的示意截面图。

如图2(a)所示，具有透光性的基板11具有第一面11a以及与第一面11a相反侧的第二面11b。在第二面11b上设置有包括发光层12(点线)的半导体层叠体13。半导体层叠体13在与基板11侧相反侧的面上具有从表面到达发光层12下方的台阶部。台阶部具有底面13a。

基板11由gaas形成，当使活性层成为gaas系或者ingaas系等时，射出近红外光～红外光。

在台阶部的底面13a上，在除了第一电极14、台阶部以外的半导体层叠体13的表面上设置有第二电极15。当第二电极15覆盖发光层13的上方时，朝向上方的发射光的大部分被第二电极15反射，能够降低向上方的发射光。为了进一步提高反射率，还能够采用不包括合金层的欧姆粘接金属、透明半导体电极与反射金属层的层叠构造，还能够抑制向上表面的发射光，并以最小限度的树脂厚度来构成向外部的漏光。从发光层12朝向下方的发射光(箭头)，从发光元件10的第二面10b中的光射出区域18射出，并入射到半导体受光元件20的受光区域22。当受光区域22例如包括串联连接的pn结区域等时，能够提高光电动势。另外，半导体受光元件20在受光区域22的外侧具有电极焊盘区域21。

图2(c)所示的半导体受光元件20的受光区域22为，例如从上方观察，能够包括在半导体发光元件10的光射出区域18内。如此，受光区域22不会从半导体发光元件10伸出。因此，由于能够在受光区域22内使光电动势的分布平均化，因此较优选。在受光区域22的外侧设置有电极焊盘区域21。半导体受光元件20具有与pn结的一个导电层连接的第一电极26、29以及与pn结的另一个导电层连接的第二电极23、27。

如图2(d)所示，从光射出区域18射出并透射了粘接层34的发射光(箭头)入射到受光区域22。由于粘接层34较薄，因此来自半导体发光元件10的发射光从光射出区域18向受光区域22高效地入射。此外，能够抑制向其他控制元件部漏光，其动作的稳定性提高。半导体发光元件10的第一以及第二电极14、15能够使用接合引线等与输入端子50分别连接。

图3是第一实施方式涉及的光耦合装置的等价电路图。

半导体受光元件20能够进一步具有控制电路28。控制电路28与光电二极管阵列20a的第一电极26、29以及第二电极23、27分别连接。在光信号开启时，控制电路28将光电二极管阵列20a的电流、电压供给到mosfet31、32(例如，使端子26、29与端子23、27之间开放)。此外，在光信号关闭时，控制电路28使mosfet31、32的栅极g与源极s之间短路，使所积蓄的电荷排出，并关断mosfet31、32(例如，使第一电极26、29与第二电极23、27之间短路)。

另外，最简单的控制电路28的构成为，在第一电极26、29与第二电极23、27之间连接电阻。当成为这种构成时，能够向被共源极连接的mosfet31、32各自的栅极供给电压。

mosfet31、32例如能够成为n沟道增强型。mosfet31、32与光电二极管阵列20a的第二电极23、27连接。各自的栅极与第一电极26、29连接，各自的漏极d成为输出端子53。

当光信号开启时，mosfet31、32均接通，并经由输出端子53连接包括电源、负载的外部电路。另一方面，当光信号关闭时，mosfet31、32均断开，并被与外部电路切断。当进行共源极连接时，在输出端子的第三引线54与输出端子的第四引线55之间容易进行模拟信号、ac信号的切断、导通等的切换。

另外，通常，在漏极与源极之间存在由虚线表示的寄生pn二极管d1、d2，在mosfet31、32导通时，能够将任一个寄生二极管d1、d2作为电流路径的一部分。当对两个mosfet31、32进行共源极连接时，能够进行ac负载控制。

光耦合装置的输入端子50根据以直流电流赋予的输入信号，进行两个mosfet31、32的导通、断开动作。在导通时，在输出端子的第三引线54与输出端子的第四引线55之间传送高频信号，对该高频信号的透射率(电压比)进行s参数测定，求出高频透射特性。在第一实施方式中，两个mosfet的漏极与第三引线54以及第四引线55直接连接，因此能够在高频侧抑制高频通过特性降低。

图4(a)是比较例涉及的光耦合装置的示意平面图，图4(b)是沿d-d线的示意截面图，图4(c)是沿e-e线的示意截面图。

比较例涉及的光耦合装置的半导体受光元件120、半导体发光元件110以及第一及第二mosfet131、132被配置在安装部件上。安装部件具有绝缘基板140、设置在绝缘基板140的表面上的输入端子150、芯片板161、162以及设置在绝缘基板140的表面上的输出端子153。

在芯片板161、162上，按顺序设置有各个第一以及第二mosfet131、132、半导体受光元件120、以及半导体发光元件110。在绝缘基板140上设置有通孔。在通孔内分别埋入将芯片板161、162与输出端子153的背面导电层进行连接的埋入导体层171、172。此外，由于在输出端子153侧的绝缘基板140的侧面形成有焊料片，因此设置有导电层。例如，在图4(b)中，输出端子153的第四导电区域155经由通孔导电区域156与背面导电区域157连接，该通孔导电区域156设置于切口部的侧壁，该切口部设置于绝缘基板140的第二侧面142。在第一导电区域151、第二导电区域152、第三导电区域154中也同样设置有通孔导电区域以及背面导电区域。

在比较例中，如图4(b)所示，芯片板161与第三导电区域154之间、以及芯片板162与第四导电区域155之间经由埋入导体层171、172连接。绝缘基板140为了保持机械强度，例如优选成为150μm以上的厚度。埋入导体层171、172成为圆柱形状等。

图5是比较例涉及的光耦合装置的等价电路图。

在第一mosfet131的漏极与第三导电区域154之间、以及第二mosfet132的漏极与第四导电区域155之间分别连接有电感器。这些电感器作为高频通过抑制滤波器起作用，使高频通过特性降低。

图6是表示第一实施方式以及比较例的基于电路模拟的高频通过特性的曲线图。

在本说明书中，通过输出端子的第三引线54与输出端子的第四引线55之间或者输出端子的第三导电区域154与输出端子的第四导电区域155之间的插入损失(db)来表示光耦合装置的高频通过特性。

在图6中，纵轴为插入损失(db)，横轴为频率(ghz)。虚线表示第一实施方式的插入损失，实线表示比较例的插入损失。

在比较例中，插入损失成为10db的频率为大约16ghz。与此相对，在第一实施方式中，插入损失成为10db的频率被改善为大约19ghz。因此，高速脉冲的波形失真得到抑制，信号错误率降低。即，图6表示在大约13ghz以上、在输出端子产生的电感使比较例的高频通过特性降低。

在第一实施方式中，未使用绝缘基板。引线由金属形成，因此与绝缘基板相比机械强度较高，能够将其厚度变薄到100～150μm等。因此，容易降低电感、提高高频通过特性。此外，与比较例相比容易薄型化。

此外，在比较例中，在通过切割等使具备多个的基材单片化的情况下，在密封树脂层与导体层的界面容易产生间隙。因此，密接性降低，机械强度、耐湿性容易降低。此外，在第一实施方式中，在切割部、即侧面上密封树脂层与引线部不共存，因此能够抑制由于界面的剥离而导致的密接性的降低、机械强度、耐湿性的降低。

图7(a)是第二实施方式涉及的光耦合装置的示意平面图，图7(b)是沿a-a线的示意截面图，图7(c)是沿b-b线的示意截面图。

光耦合装置具有输入端子70、输出端子73、第一mosfet31、第二mosfet32、半导体受光元件20、半导体发光元件10以及树脂层90。

输入端子70的下部面以及输出端子73的下部面具有朝向下方成为凸部的台阶。凸部的顶部表面未被树脂层90覆盖，在围绕凸部的侧面以及底面部上覆盖树脂层90，因此各端子部与树脂的密接性提高，耐湿性得到改善。输入端子70以及输出端子73的面具有从光耦合装置的树脂90的侧面露出的部分(71b、72b、71d、72d、74b、75b、74d、75d)，比树脂内部的部分小。即，在比从侧面露出的部分靠上面观察各端子的引线接合部以及各元件的安装部的情况下，当使其宽度变大时，在进行单片化时，根据切断面与被内包的部分的面积比，切断面的影响对内部产生影响的区域被限定，能够改善端子的引线接合部以及各元件的安装部与树脂部的密接性。此外，当将与au接合线的接合位置设定于从侧面对输入端子70的露出部71b、72b进行投影而得到的内部区域之外时(未图示)，即使在侧面产生树脂层90与输入端子70的剥离，其影响也能够降低，能够使与半导体发光元件10连接的au接合线的长度成为最短等，可靠性提高。在第二实施方式中，由于不存在将输出端子73与mosfet31、32直接连接的au接合线，因此能够降低电感，并且能够使封装变薄，能够在提高高频通过特性的同时提高薄型化以及可靠性。

另外，在第一实施方式的构造中，也可以在输入端子50的下表面以及输出端子53的下表面设置朝向下方成为凸部的台阶(未图示)。在光耦合装置侧面不使各端子露出，而仅使其在背面露出，使树脂层包围各端子的外周。台阶部成为锚固部而树脂层的密接性进一步提高，能够提高可靠性。

此外，在第一以及第二实施方式中，输入端子50、70的第一引线51、71的上表面、第二引线52、72的上表面以及输出端子53、73的第三引线54、74的上表面、第四引线55、75的上表面能够含有ag。并且，输入端子50、70的第一引线51、71的侧面、第二引线52、72的侧面、以及输出端子53、73的第三引线54、74的侧面以及第四引线55、75的侧面能够含有cu、ni、pd中的至少一种。如此，在树脂层90与输入端子50、70以及输出端子53、73之间能够提高密接性。另外，高频通过特性与第一实施方式相同。

并且，在第一以及第二实施方式中，当使ag的最表面氧化时，能够提高与树脂层90的密接性，同时能够提高与au接合线的接合强度。

根据第一以及第二实施方式，提供高频通过特性被改善的安装面积小的光耦合装置。此外，输入端子50、70以及输出端子53、73的厚度与比较例的绝缘基板的厚度相比能够减小，因此能够成为低轮廓的光耦合装置。这些光耦合装置有助于半导体测试器、工业用控制设备等的高速化。

图8(a)是第三实施方式涉及的光耦合装置的示意平面图，图8(b)是示意截面图，图8(c)是示意侧视图。

光耦合装置具有半导体受光元件220、半导体发光元件230、半导体控制元件272、输入端子240、输出端子250、第一芯片板部221、第二芯片板部222以及树脂层260。第一芯片板部221具有悬吊销221a，第二芯片板部222具有悬吊销222a。另外，图8(a)表示形成树脂层260(由虚线表示)之前的平面图。

半导体受光元件220使用糊料等粘接到第一芯片板部220上。半导体受光元件220能够为硅pn二极管、光电晶体管。此外，半导体发光元件230设置在半导体受光元件220的受光区域上。

半导体控制元件272具有与半导体受光元件220的第一电极226连接的输入电极(例如两个栅极)294、与半导体受光元件220的第二电极223连接的输入电极(例如共用的源极)295、以及输出电极296、297。此外，半导体控制元件272使用糊料等粘接在第二芯片板部222上。

输入端子240具有第一引线241和第二引线242。第一引线241与半导体发光元件230的第一电极235连接。第二引线242与半导体发光元件230的第二电极234连接。

输出端子250具有第三引线251和第四引线252。第三引线251与半导体控制元件272的输出电极(例如一个漏极)296连接。第四引线252与半导体控制元件272的输出电极(例如另一个漏极)297连接。半导体控制元件272能够成为mosfet等。例如，mosfet272能够包括共源极连接的两个mosfet。

输入端子240以及输出端子250例如能够由cu箔、以及层叠在其上的ni、pd、au等的镀层等形成。221a、222a是悬吊销，其一部分从各分离的框架在树脂层侧面上露出，露出的部分的周围被树脂层包围。通过周围被包围而使其密接为，通过线膨胀系数较大的树脂层来紧固框架。

树脂层260密封输入端子240的上表面与侧面、输出端子250的上表面与侧面、第一芯片板部221的上表面与侧面、第二芯片板部222的上表面与侧面、半导体受光元件20、以及半导体发光元件30。树脂层260能够成为环氧树脂等。另外，如图8(c)所示，输入端子240以及输出端子250的侧面中的一部分也可以从树脂层260露出。

根据第三实施方式，半导体控制元件272的高度能够与半导体受光元件220和半导体发光元件230的层叠高度大致相同。因此，与比较例相比能够提供低轮廓且安装面积小的光耦合装置。此外，由于能够将漏极与输出电极250之间以最短距离连接，因此能够提高高频通过特性。

对本发明的几个实施方式进行了说明，这些实施方式作为例子而提出的，并不意图对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他的各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包括于发明的范围及主旨中，并且包括于权利要求所记载的发明和与其等同的范围中。