JPH036062A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野］ 本発明は信号を光学的に伝送するために発光ダミ圧を絶
縁し、且つ強い光束を保証する技術が提示される。

〔発明の技術的背景及びその問題点〕

場合により光結合器と呼ばれる光絶縁器は光絶縁器の入
力と出力との電圧及び電流の絶縁を保持しつつ、信号を
順方向に伝播できるよう電気回路に利用できる。このよ
うな絶縁属には入力部に発光ダイオード（ＬＥＤ）　と
、出力部に光検出器と、ＬＥＤと光検出器とを分離する
光透過性の、降伏電圧が高い絶縁ギャップとを備えてい
る。性能、信頼性及び再現性を最適なものにするため、
製造中に形状及び材料を精密かつ再現性があるように保
持しなければならない。

入力と出力との間に高度な光透過性を与えて、高度の信
号の強さを得ることも重要である。電流の関数として光
出力が高く効率がよいＬＥＤを得ることが望ましい。更
に、できるだけ多（の光を捕捉するため、光検出面積が
大きい怒度のよい光検出器を得ることが望ましい。しか
し、決定的に重要であるのは、ＬＥＤによって発光され
る光が光検出器に到達する前の光の損失を最小限にする
ことである。

光絶縁器の別の重要な要因は入力電圧が出力から絶縁さ
れる程度である。最近まで約２．５００ボルトまでの絶
縁電圧が許容されてきた。ある用途では、性能上の要請
により５，０００ボルト以上の電気的絶縁が追及される
。部品の物理的寸法は著しく小さいので、このような電
圧絶縁を保持するためには優れた電気的破壊耐性を備え
なければならない。

光絶縁器を多様な回路の用途に利用できる別個の部品と
して備えることが好適である。従って、このような部品
をデュアル・インライン・パンケージ、すなわちＩＰ内
に備え、素子が、各縁に沿った導線を有するモールド成
分（ｍｏｌｄｉｎｇｃｏｍｐｏｕｎｄ）内にカプセル化
されるようにし、ＯｒＰをプリント回路基板等に取付は
可能であるようにすることが便利である。Ｍｅｒｒｉｃ
ｋ他の米国特許第４．６９４．１８３号はこのようなり
ＩＰ及びその製造技術を開示している。

このような実施例では、光絶縁界はほとんど平坦な金属
リード・フレーム上で製造される。リード・フレームの
一部はＬＥＤを光検出器と反対側に配置するため“折り
曲げ°゛られる。ＬＥＤと光検出器との間には両者間の
透明な光経路を保つため、光透過性のシリコン・ゲルが
配置される。その後このアセンブリは従来の不透明なト
ランスファー成形材料内にカプセル化され、金属導線が
トリミングされ、曲げられてＤＩＰが完成する。

このような実施例ではこれまで表面発光ＬＥＤが使用さ
れてきた。光は光検出器の受光表面と位置合わせされた
ＬＥＤの表面から発光される。しかし、あらゆる方向に
光を発し、−層小さい素子から大きい光束が得られる、
全方向性のＬＥＤを使用することが望ましい。全方向性
のＬＥＤがらの４０％もの光が側方から発光され、米国
特許第４，６９４．１８３号に開示された構成ではその
光の多くがシリコン・ゲルから周囲のモールド成分内へ
と散逸する。

全方向性のＬＥＤから透過される光の量はＬＥＤが配置
されている金属導線内に浅い反射性キャップを形成する
ことによって約３０％（フォトダイオード電流で測定し
た値）も増加できる。このようにして、ＬＥＤから横に
発光される光は光検出器の方向に反射される。ＬＥＤか
ら光検出器へと伝達される光量を更に増強することが望
ましい。本発明の実施例では、全光束は本発明がない場
合の光束の３００％まで増加した。

入力と出力との間の電気的破壊とアークは、特に界面の
結合が良好ではない場合、材料間の界面に沿って発生す
るように思われる。このように、例えばＤＩＰをカプセ
ル化するために使用されるトランスファー成形材料と、
ＬＥＤと光検出器との透明な光経路を得るために使用さ
れるシリコンとの間の結合が良好でないことがあり得る
。シリコン樹脂は硬化前には殆どの表面を大幅に湿潤さ
せる特性を有しているが、硬化後には別の材料による湿
潤に抗する性質がある。トランスファー成形材料はシリ
コンを充分に湿潤しないので、結合強さは充分ではなく
、電気的に弱い経路が残され、それに沿って電気的破壊
及びアークが発生することがある。

従って、良好な結合と、電気的破壊に対する高度な耐性
を保証する手段を得ることが望まれる。

本発明の実施例では５０００ボルト以上の絶縁電圧が達
成される。

〔発明の目的〕

本発明は、良好な光結合と、電気的破壊に対する高耐圧
特性とを存する高耐圧光絶縁署を提供することを目的と
する。

〔発明の概要］ 本発明の一実施例によれば、第１リード上に取り付けた
発光ダイオードと、第２リード上に取り付け、発光ダイ
オードから間隔を隔てられ、発光タイオードからの光を
受ける光検出器とから成る光絶縁器が提供される。透明
な絶縁媒体を含む反射性の、不透明な絶縁コンジノ）　
（ｃｏｎｄｕｉｔ）が発光ダイオードと光検出器との間
に設けられる。このアセンブリ全体が不透明な絶縁成形
材料内に埋設される。

リード間の距離よりも大きい長さの電気的破壊経路を形
成し、かつ、コンジットの外部の主要部分が確実に成形
材料によって湿潤され、光絶縁器の電気的破壊耐性を増
強するため、コンジットの外部は湾曲した表面を有して
いるのが好ましい。

〔発明の実施例］ 光絶縁器が内部に収納されたデュアル・インライン・パ
ッケージ（ＤＩＰ）は一般に耐湿性の不透明な、硬化エ
ポキシ製のトランスファー成形材料から成る絶縁界１０
から形成されている。−列のリード１１が絶縁界の各縁
から横に延び、かつ、プリント回路基板等と接続するた
めに下方に湾曲している。このようなりＩＰは光絶縁器
に利用できるパッケージの例にすぎないことが了解され
よう。リドなしのチップ担体及びその他の従来のパッケ
ージも使用できる。

更にここでは“上部“″、“低部“゛上方°“゛下方”
等の用語は本発明を理解するための説明目的で使用して
いることが明白であろう。素子の方位は問題ではなく、
これらの用語は便宜的に使用しているだけである。

フォトダイオードのような半導体光検出器１２は絶縁器
内のリードの一つの上に配置されている。

光検出器と別のリード又はＤＩＰ内に収納された集積回
路との電気的接続のため、従来どおり結線１３が使用さ
れている。光検出器及びその接続の詳細については本発
明を理解する上で問題ではない。

発光ダイオード（ＬＥＤ）１４はＤＩＰのボデー内の別
のリード上に配置されている。この実施例では、ＬＥＤ
はＤＩＰ内の上部リードの一つの上に配置され、光検出
器は下部のリード上に配置されている。これらは勿論逆
でもよい。結線１６は信号をＬＥＤに送るため、ＬＥＤ
とリード集積回路とを電気的に接続する。

一つの実施例では、光検出器により効率よく検出するの
に適した特性波長帯域で発光するように適切にドーピン
グされた従来のインジウムーガリウムーアルセナイドー
燐化物又はガリウムーアルセナイドー燐化物のＬＥＤが
使用できる。ＬＥＤの発光帯域は任意の便利な波長の可
視光線又は約１マイクロメートルまでの赤外線スペクト
ル外の光線でよい。一実施例ではＬＥＤは全方向に光線
を放射する２５０　ミクロンの管の形状である。ＬＥＤ
及びその接続の詳細は本発明を理解する上で重要ではな
い。

第３図は本発明で得られる光絶縁器に適したＤＩＰを製
造する際に使用されるリード・フレームの実施例を示し
ている。このようなリード・フレーム及び製造技術の例
の更に詳しい説明は米国特許第４，６９４，１８３号に
記載されている。リード・フレームは一対の側部レール
１７を備え、両者の間に、自動加工で複数個のＤＩＰを
製造するためのリード及び支持構造を担持している。第
３図に示したリード・フレーム部は一対の従来の８１７
−ドＤＩＲを並行して製造するのに充分な構造である。

このような対のいくつかは側部レールの長平方向に沿っ
て備えられる。リード・フレームの一セグメント１日は
一対のＤＩＰ用の下部リードを備え、隣接するセグメン
ト１９は一対のＤＩＰ用の上部リードを備える。

このようなりＩＰの各々に対して、下部リード・セグメ
ント１８内の１つのリード上に光検出器ダイ１２が固定
される。同様に、上部リード・セフメン１−１９内のリ
ード上にはｌ、ＥＤ１４が固定される。光検出器とＬＥ
Ｄに電気的接続をするための結線の後、連結棒２１の端
は側部レールからせん断され、かつ、上部セグメン目９
内のリード配列はリード配列を側部レールと接続するヒ
ンジ゛ビン″２２をねん回することによって１８０°回
転される。この回転（図示せず）によって各ＬＥＤは対
応する光検出器ダイオードの頂部の上方に入念に位置合
わせされた位置へと配置される。１８３号の特許に開示
されているように、それによってＬＥＤは光検出器と良
好な位置合わせされる。

本発明の製造技術と１８３号の特許との相違点は、ＬＥ
Ｄを含むセグメントを回転させる前にＬＥＩ）の上方又
は周囲に光ガイド（第３図には図示せず）が配置される
ことである。好適な光ガイドは光絶縁器のその他の構造
から分離して第４図ないし８図に図示されている。図示
のとおり、光ガイドは上面２６、すなわちＬＥＤを支持
するり一部１１に向き合って取り付けられた、面が平坦
な環状ベースもしくはフランジ２５から成っている。一
対の柱２７がベースの平坦な表面から延びている。柱を
リード内の穴（図示せず）に押し込み、次に柱の端を加
熱又は膨径して光ガイドとリードを互いに固定するビー
ド２８を形成することによって光ガイドはＬＥＤを支持
するリードに組立てられる。

ベースの反対面には周辺から隆起して円周方向に延びる
リム２９が設けである。このリムは平滑に丸み付けされ
、リム内部の環状法３１と融合する。

鉢の中心には取り付は用柱２７から反対方向に延びるほ
ぼ円形のボデー３２が位置している。ボデーの一側部は
ボデーの主要部の端を形成する平面３４を越える延長部
３３を形成している。延長部３３の端３６はベースの平
坦面２６と平行であり、上部リードのセグメントが下部
リード上方の位置へと回転すると、前記セグメントは下
部リードと対面する位置になり、それによって上部と下
部のリード間に定まった間隔が備えられる。寸法に関し
ては、本実施例ではベースの平坦面からの延長部の高さ
は２．２９ｍｍである。

平面３４はボデーの主要部の端部を規定するので、ボデ
ーの端部と、光ガイドの下の光検出器１２との間には密
接した間隔がある。光の損失を最小限にし、ＤＩＰポデ
ーを形成する成形材料への結合を増強するため、光ガイ
ドと光検出器上の戚ギャップは小さいことが望ましい。

ギャップは７５マイクロメーター以下であることが望ま
しい。端子面３４でボデーの主要部分を終端させること
によって、円筒上ボデーのセクタだけを延長部３３とし
て残すと、光ガイドとともに使用される光検出器の選択
に顕著なフレキシビリティが得られる。光検出器の相当
の部分は電気的接続等を行うため、光ガイドのボデーを
かなり越えて延ばしてもよい。ボデーの片側は好ましく
は対角線の面３７によって面取りされ、光検出器に取り
付けた結線用の空隙を設ける。

はぼ円筒状の光経路は光ガイドを通って延びる。

光経路の下部３８、すなわちフォトダイオードに近い部
分の直径は比較的小さく、発光ダイオードの周囲の光経
路の上部３９の直径は比較的大きいので、光経路の長平
方向に沿って段状、すなわちシゴールダー４１の経路部
分が存在する。ベースの平坦面と光経路の直径が大きい
部分との間の対角線沿いに延びるスリット４２によって
ＬＥＤへのリード線用の間隔が備えられる。

光ガイドがリードに固定的に取り付けられた後で、上部
リードが光検出器上方の位置へと完全に回転する前に、
光ガイドを通る光経路には未硬化のシリコン樹脂が完全
な充填状態よりも僅かに多めに充填される。実施例では
僅か約０．５６マイクロリ・ントルの樹脂量が添加され
る。

次ぎに光ガイドが光検出器の上方に配置されると、シリ
コンは光ガイドの内部だけではなく、光検出器の前面を
も湿潤する。シリコンの狭いメニスカスが光検出器の前
面と光ガイドの端を形成する平面３４との間のギャップ
に形成される。

延長部３３があるため、光ガイドは上部リードと下部リ
ードとの間に制御された間隔を備える。これによって、
光経路の容積が周知であることと合わせて、確実に定ま
った空洞の容積が得られるので、完全に充填するため制
御された量のシリコン樹脂を加えることができる。経路
内に添加されるシリコン樹脂の量を厳密に制御すること
によって、光ガイドの別の表面の湿潤を最小限にするこ
とができる。過剰な樹脂が添加された場合は、光ガイド
のボデーを囲む環状鉢３１が溢れた分を受ける役割を果
たす。

好ましいシリコン樹脂はＭｃＧｈａｎ　ＮｕＳｉ１株式
会社、（カリフォルニア州カーペンテリア）から購入で
きるＭｃＧｈａｎ　ＮｕＳｉｌ　ＣＶ−８１５１である
。他の適当な樹脂としてはＤｏｗ　Ｃｏｒｎｉｎｇ株式
会社（ミシガン州ミ７ドランド）から購入できるＱｌ−
４９３９がある。これらの樹脂はそれぞれ硬化して粘性
ゲルを生成する。光経路を充填する媒体が光絶縁器の波
長帯域で高度に透明であることが重要である。更に高度
な絶縁耐力を有し、はとんど気泡がなく　、１．ＥＤ　
。

光経路及び光検出器の表面を湿潤することが必要である
。更にＤＩＰを形成する成形材料の硬化温度で安定性が
あることが必要である。

シリコン樹脂が硬化した後、ＤＴＰのボデーは従来の技
術によってトランスファー成形される。不透明の絶縁エ
ポキシ・モールド成分は一般に７０ｈ／平方センナメー
トルでトランスファー成形される。このことによってシ
リコン内に存在し得る気泡のサイズを縮小するという付
随的な利点が得られる。ＬＩＥＤと光検出器との間の光
経路を透明な材料で充填することが重要である。そうし
ないと、モールド成分が空洞内に侵入し、光検出器を覆
い隠してしまう。エポキシは例えば１７５ないし２００
°Ｃの上昇した温度で硬化される。そこでリードはトリ
ミングされ、曲げられて旧Ｐが完成する。

光ガイドはインペリアル化学工業株式会社（英国、ロン
ドン）から購入できるＶｉｔｒｅｘ　ＰＥＳのような高
温熱可塑性の透明なポリエーテル・スルフォンにより射
出成形される。このポリエーテル・スルフォンには質量
比１２％の二酸化チタニウム顔料が添加される。ポリエ
ーテル・スルフォンが望ましいのは絶縁耐力が強く、直
線膨張係数がＤＩＰを形成するエポキシトランスファー
成形成分と同一であり、かつ、軟化温度が２００’Ｃ以
上であるためである。

製造技術を要約すると次のとおりである。リード・フレ
ーム条片を用意する。

ドをＬＥＤを有するリードに取り付ける。アセンブリ全
体を１７５°Ｃで２時間にわたって予焼成する。

シリコン樹脂を光経路内に射出する。上部リードを下部
リード上方で回転させ、押圧して所定位置に固定する。

シリコンを（例えば）１２５°Ｃで１時間硬化させる。

リード・フレームを取り付けた成分で成形する。リード
をトリミングし、形成する。

光ガイドは多くの機能を果たす。その名称が示唆するよ
うに、これは光検出器に到達するＬＥＤからの光束を増
強する。ガイドの側方からの光の損失を避けるため屈折
率が異なる光ファイバーのことを想起するなら、それは
真の゛′光ガイド′”ではない。ある側面ではこれは反
射空洞の方に近いが、それとも異なるものである。

確実に優れた光透過を達成するための実際のメカニズム
は鏡のような反射ではなく、閉鎖した空洞内での多くの
散乱反射を含むものである。この散乱反射が生ずる理由
はポリエーテル・スルフォン樹脂が透明で、光が白い二
酸化チタニウム顔料から反射するためである。８５％以
上の反射率を有する顔料から多くの光が散乱する。その
ため、極めて僅かな吸収率で、閉鎖空洞から多くの光が
散乱する。二酸化チタニウムを添加したポリエーテル・
スルフォンの光浸透の深さは５００マイクロメートル未
満である。従って光ガイドの壁厚は光損失を避けるため
５００マイクロメートル未満であることが必要である。

光損失は本実施例では約１０％未満であるものと思われ
る。

樹脂内の金属顔料は一層反射率が高いが、電気的破壊を
防止するために光ガイドは導通率が低いことが必要であ
るのでこのような材料は不適切である。

光経路内の段のためある程度の光は損失するが、さした
ることはない。主要な光損失はＬＥＤのリード線のため
の空隙を備えるスリット４２への光の入射に起因するも
のと考えられる。光検出器から離反する傾斜壁からの反
射が光を主要光経路へと効率悪く戻す。

光ガイドの他の需要な機能は入力と出力の間の絶縁電圧
を増加させることである。光ガイドの幾つかの特徴によ
って電気的破壊耐性が増強される。

光ガイドは光経路内のシリコン樹脂を大幅に制限するの
で、樹脂による他の表面の湿潤は最小限になる。これに
よって別の構造と旧ｅを形成する絶縁成形材料との界面
内にシリコン樹脂の“間層”の存在が最小限になる。従
って光検出器に隣接するギャップでの狭い領域だけが成
形材料によって湿潤されずに残る。シリコンが光経路か
ら漏呂した場合はシリコンはボデーの壁に留まるか、せ
いぜいボテ−を囲む溝付き鉢３１内に入る。

光ガイドのボデーから外側に延びるベース拡張部２５は
絶縁フランジを形成し、このフランジによって、場合に
よって発生するアークの光ガイドに沿った経路が上部と
下部のリードの間隔よりも大幅に長い距離に延長される
。電気的破壊は一般に光ガイドの表面沿いのような界面
に沿って発生するものと見られる。光ガイドの表面に沿
った経路の長さを延長することによって、−層高い降伏
電圧が達成可能である。光ガイドの外表面に沿った幾分
湾曲した経路の長さはリード間の直線距離よりも長い。

ベースの周囲の隆起した丸み付きの周辺リム２９は光ガ
イドの表面に沿った延長した湾曲経路を形成するのに寄
与している。更に、このリムによって導通り一部の間の
絶縁材料内の電界とほぼ垂直な表面が得られる。これも
電気的破壊に対する耐性を増強する。光経路内の段、又
はショールダ４１も電界と垂直な表面を付与する。明確
であるように、このショールダは更にポリエーテル・ス
ルフォンの光ガイドと、光経路内のシリコンの透明、材
料との界面に沿った経路の長さを拡張する。

出力絶縁電圧を達成できる。ＬＥＤと光検出器との間隔
が１／２　ミリメートル程度の小ささであっても１２．
０００ボルトもの降伏電圧が得られる。

別の実施例では、光ガイド、透明媒体及び成形材料のア
センブリ全体を破壊電圧に対する耐性を更に高めるため
、ポリイミド樹脂上に置くことができる。ポリイミド樹
脂は固有絶縁耐力が極めて高く、当該の波長帯域では透
明である。更に、アセンブリ全体を同じ樹脂で製造する
こと乙こよって破壊耐性は更に増強される。この実施例
では光ガイドは二酸化チタニウムのような白い反射性顔
料を添加した透明なポリイミド樹脂がら成形される。

この樹脂は完全に交叉結合するのではなく“Ｂ段階′′
に部分的にだけ硬化することができる。このような部分
的に硬化した光ガイドは熱変形によってリードに固定す
ることができる。

次に光経路に透明樹脂を充填し、不透明にするため顔料
を添加した樹脂にアセンブリ全体が埋設される。光経路
内の樹脂は最終成形材料が硬化する前に硬化する必要は
ない。液体のポリイミド樹脂は部分的に硬化したひかり
ガイドに好く結合して破壊耐性が極めて高いポリイミド
材料の一体のパッケージを形成する。この実施例では光
ガイドの表面に沿った湾曲したアーク経路の長さを形成
するためにそれほど注意を払わなくてもよい。

これまで光絶縁器、の限定された実施例を説明し、図示
してきたが、当業者には変更と修正が可能であることは
明確であろう。例えば、ここに図示したＤＩＰに単一の
光絶縁器を備えることも可能である。必要なら、単一の
集積回路パッケージに１つ以上の光絶縁器を設けること
もできる。更に、特にフォトダイオード信号を処理する
ために集積回路チップ上に補足の回路をパッケージ内に
含めることができることも明白であろう。

光ガイドを反転させて、光検出器が光経路の直径が大き
い部分内にあり、ＬＥＤが直径が小さい部分にあるよう
にすることも実質的に可能である。

そうすると経路内の段による光損失が僅かに減少する。

拡張フランジが光検出器のリードとＬＥＤのリードのど
ちらに近いかは問題ではないことに留意されたい。唯一
問題であるのは電圧差である。

更に、多くの用途において供給される信号は交流である
。必要なら、本発明の実施例に基づく光ガイドの機構を
窪みのあるキャップ内のＬＥＤのマウントと組み合わせ
て光検出器に更に光を反射させることもできる。しかし
、キャップと比較して光ガイドにより得られる搬送光束
の改善が著しいので、このことによる利点は限られたも
のであると思われる。しかし、ＬＥＤのリード線用のス
リット内での光の損失は縮小できる。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明を用いることにより、良好
な光結合と、電気的破壊に対する高耐圧特性とを有する
高耐圧光絶縁器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理によって構築された光アイソレー
タを含むデュアル・インライン・パッケージの部分切取
等角図である。 第２図は該デュアル・インライン・パッケージの部分横
断面図である。 第３図は前記デュアル・インライン・パッケジの製造に
おいて使用されるリード・フレームの等角図である。 第４図は前記光アイソレータに使用される光ガイドの等
角図である。 第５図は該光ガイドの別の等角図である。 第６図、第７図、第８図はそれぞれ前記光力イトの平面
図、底面図、横断面図である。 １１：リート、　　　　　１２：半導体光検出器１３．
１６：結線、　　　１４：発光ダイオード２７：取り付
は用柱　　２８・ビード ２９：リム　　　　　　３Ｉ：環状体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１リードに装着された発光ダイオードと、第２
   リードに装着され、該発光ダイオードから離れて配置さ
   れ位置合わせされて該発光ダイオードからの照明を受け
   取る光検出器と、 前記発光ダイオードと前記光検出器との間の反射性の不
   透明な絶縁空洞と、 該空洞内の透明な絶縁媒体と、 前記空洞を取り囲む不透明な絶縁成形材料と、を備えて
   成る光アイソレータ。
2. （２）第１リードに装着された発光ダイオードと、第２
   リードに装着された光検出器と、 前記発光ダイオードと前記光検出器との間の光経路に沿
   って設けられ、前記第１リードと前記第２リードとの間
   の距離を一定に保持するための延長部を備えた絶縁性光
   ガイド部材と、 前記発光ダイオードを取り囲み、前記光検出器に向けて
   伸びる透明な媒体と、 を備えて成る光アイソレータ。
3. （３）発光ダイオードと、 該発光ダイオードからの照明を受け取る光検出器と、 透明なゲル状樹脂で満たされた前記発光ダイオードと前
   記光検出器との間の光通路と、 光を散乱するための反射性非金属顔料を含む透明な樹脂
   を備え、前記光通路に沿って設けられた前記光通路の壁
   と、 を備えて成る光アイソレータ。