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最新的光耦合器的核心是輸入LED和輸出光偵測器,二者是由一個(gè)光傳導(dǎo)媒介(也可提供電氣絕緣功能)或額外的光傳導(dǎo)介電層所隔開。光偵測器可以是光電晶體管、光電二極管加晶體管、或整合的偵測器/邏輯集成電路。大部份的光耦合器都必須依照UL1577、CSA和IEC/DIN EN/EN 60747-5-2的基本安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證。
在某些應(yīng)用中,提高一個(gè)封裝內(nèi)的光耦合器數(shù)量,有助于降低制造成本及節(jié)省印刷電路板的空間。以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為例,在一個(gè)封裝內(nèi)整合2個(gè)以上的光耦合器信道,可大幅減少并行接口與串行接口(如RS232/485/422、SPI(串行周邊接口)和I2C總線)的零件使用數(shù)量及電路板空間。多信道光耦合器為工業(yè)、電子量測及醫(yī)療系統(tǒng)的PLC(可編程邏輯控制器)、Fieldbus接口和數(shù)據(jù)采集,以太網(wǎng)供電(POE)和網(wǎng)絡(luò)電路板等通信應(yīng)用,以及等離子顯示面板和其它消費(fèi)類設(shè)備提供了相同的優(yōu)點(diǎn)。
以往試圖將多個(gè)光耦合器整合到單顆DIP/表面貼裝而進(jìn)行的工程,已被證實(shí)是一大挑戰(zhàn)。主要的問題來自于各種封裝工藝的結(jié)合及LED裸片(Dice)的向前發(fā)射特性。其中的一些困難包括:
- 制造步驟變得更多且更復(fù)雜；
- 在光耦合器的信道間會出現(xiàn)輕微的泄漏/串音；
- 因?yàn)榻^緣材料的配置困難導(dǎo)致需要增加IC芯片的數(shù)量；
- 基于引線框和封裝幾何學(xué)而需要非常大的封裝。
光耦合器制造技術(shù)
光耦合器的工運(yùn)作必須依賴LED發(fā)射器傳到光偵測器的光線,當(dāng)中會通過一個(gè)透明的媒介,它可提供2.5 kV到6 kV的高電壓絕緣。光線耦合的程度取決于光導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和透明度。光導(dǎo)材料本身或額外的光傳導(dǎo)介電材料,可提供絕緣效果。LED的排列、光導(dǎo)材料、介電材料和IC,會直接影響光耦合與高電壓絕緣的性能。一般而言,光耦合器的封裝與傳統(tǒng)IC的封裝很類似,差別在于必須透過特殊的工藝步驟和材料來形成光導(dǎo),及達(dá)到高電壓絕緣需求。下列表格分別介紹各種不同的成型光耦合器制造技術(shù),并說明特殊的材料、工藝與限制。
圖1:封裝成型光耦合器的雙模子工藝。
表1:雙模子工藝。
圖2:封裝成型光耦合器的介電配置工藝。
表2:介電配置工藝。
圖3:封裝成型光耦合器的平面工藝。
表3:平面工藝。
圖4:光耦合器的橫切面,其中LED直接堆放在光電探測器IC上。
圖5:雙模子、介電配置、平面與堆棧LED工藝的封裝高度。
圖6:傳統(tǒng)吸收基板向前發(fā)射LED與透明基板向后發(fā)射LED的橫切面比較。(點(diǎn)擊放大該圖)
表4:傳統(tǒng)LED與向后發(fā)射LED的差異。
在單信道光耦合器的雙模子工藝(double mold process)中,LED和IC裸片會被附著在兩個(gè)不同的引線框并進(jìn)行引線接合,然后再利用焊接將兩個(gè)引線框結(jié)合在一起。當(dāng)引線框焊接在一起之后,LED會正對著IC,并且位在IC上方。接著使用白色的光傳導(dǎo)化合物來鑄造結(jié)合的引線框以構(gòu)成光導(dǎo),如此就可將光線從LED傳到IC光偵測器。此白色化合物也能提供高電壓絕緣。最后,使用不透明的化合物來鑄造組件,以完成最后的封裝輪廓。
在介電配置工藝中,LED與IC的排列跟在雙模子工藝中一樣,但這次會在LED與IC之間使用硅樹脂來構(gòu)成光導(dǎo),而非使用白色化合物。此外,還會在LED與IC之間加入一個(gè)光傳導(dǎo)介電,以形成高電壓絕緣。最后,再以不透明的成型化合物來鑄造組件。
在平面工藝中,LED和IC必須位在同一個(gè)引線框的相同平面,并進(jìn)行引線接合,然后加上一層透明的硅樹脂,以近似圓頂?shù)男螤罡采w在LED和IC上面。這層硅樹脂可提供光導(dǎo)。為防止光線漏出,必須在透明硅樹脂上再涂一層白色顏料,這樣LED發(fā)出的光將會反射到圓頂內(nèi)的IC。最后再使用不透明的成型化合物來填充組件。
堆棧LED技術(shù)
圖4顯示一個(gè)光耦合器的橫切面,其中LED直接堆放在光電探測器IC上。這種堆棧LED方法的關(guān)鍵,在于向后發(fā)射的LED。
光電二極管芯片包含了兩個(gè)透明層:SiO2鈍化/絕緣層和光傳導(dǎo)聚醯亞氨層。LED利用一個(gè)透明連接層,牢牢附著在光電二極管上。IC裸片必須使用環(huán)氧化銀來附著在引線框上,介電材料須以光傳導(dǎo)環(huán)氧化物附著在IC上,而LED裸片則得用光傳導(dǎo)環(huán)氧化物附著在介電材料上。最后再對組件進(jìn)行引線接合與鑄造。標(biāo)準(zhǔn)的裸片附著工藝可用來完成所有的配置,封裝則以一層不透明的成型化合物來鑄模。
堆棧LED的優(yōu)點(diǎn)
高整合度:堆棧LED技術(shù)使用傳統(tǒng)的IC組裝設(shè)備,大幅提升封裝的能力和彈性。基本上,在任何的整合封裝內(nèi)都可插入發(fā)射器-偵測器芯片組。
減少制程步驟:這種方法所需的工藝步驟較少,因此是比較有效的制造方法。
小巧超薄的封裝:封裝的總高度完全取決于IC、LED、超薄的聚醯亞氨、及LED引線接合高度的整個(gè)組合的厚度。
圖5比較了不同工藝的封裝高度。
向后發(fā)射LED
圖6顯示傳統(tǒng)的向前發(fā)射LED與透明基板向后發(fā)射LED的橫切面。表4描述了它們的特性。
對于向后發(fā)射的LED來說,必須將作用層置于透明基板上,讓組合物漸漸變成所需的波長。發(fā)光區(qū)是在晶圓工藝中定義的,裝置上的基板則會保持完整不變。
安捷倫在新系列的多信道和雙向15 MBd數(shù)字邏輯閘光耦合器中加入了堆棧LED結(jié)構(gòu)。這個(gè)系列包含了二、三和四信道產(chǎn)品,主要采用小巧的8接腳(二信道為××)和16接腳三和四信道為××)SOIC封裝。
作者:Theng-Hui Kek,Leonard Tan
隔離產(chǎn)品部門
半導(dǎo)體產(chǎn)品事業(yè)群
安捷倫科技股份有限公司
