堆疊式LED結(jié)構(gòu)實現(xiàn)緊湊型多通道光學(xué)耦合器

現(xiàn)代光學(xué)耦合器的核心是輸入端的LED和輸出端的光電探測器. 它們被絕緣的光傳導(dǎo)介質(zhì)隔開。光電探測器可以是光電晶體管，可以是帶有晶體管的光電二極管，也可以是集成式檢測器/邏輯集成電路。大多數(shù)光學(xué)耦合器都經(jīng)過UL1577、CSA和IEC/DIN EN/EN 60747-5-2列明的基本安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

在某些情況下，人們特別希望提高一個封裝中的光學(xué)耦合器數(shù)量，以優(yōu)化生產(chǎn)成本，節(jié)約電路板空間。例如，在計算機系統(tǒng)中，在一個封裝中集成兩條以上的光學(xué)耦合器通道，可以明顯降低并行接口和串行接口的部件數(shù)量和電路板空間，如RS232/485/422、SPI (串行外設(shè)接口)和集成電路之間(I2C)總線。多通道光學(xué)耦合器在工業(yè)控制、測試測量、PLC(程控邏輯控制器)醫(yī)療系統(tǒng)、Fieldbus接口和數(shù)據(jù)采集中；在POE (通過以太網(wǎng)供電)和聯(lián)網(wǎng)電路板等通信應(yīng)用中；在等離子平板顯示器和其它消費家電中都提供了同樣的優(yōu)勢。

以前把兩個以上的光學(xué)耦合器集成到一個DIP/表面封裝的澆鑄封裝中是一個很大的挑戰(zhàn)。主要問題來自已有的封裝工藝及LED方塊的正面發(fā)光特點。

部分困難包括：
*制造工藝增加，工藝復(fù)雜程度增加；
*光學(xué)耦合器通道之間的光泄漏/串?dāng)_；
*由于隔離材料放置困難而導(dǎo)致IC芯片數(shù)量提高的相關(guān)問題；
*由于要求的引線框和封裝圖形，需要明顯大得多的封裝。

光學(xué)耦合器制造技術(shù)

光學(xué)耦合器的工作基礎(chǔ)是LED發(fā)出的光通過透明的絕緣介質(zhì)到光電探測器，這種介質(zhì)提供2.5 kV - 6 kV范圍的高壓絕緣。光耦合程度取決于光導(dǎo)材料。絕緣將通過光導(dǎo)材料本身或通過額外的光傳導(dǎo)介電材料實現(xiàn)。在任何情況下，LED的排列、光導(dǎo)材料、介電材料和IC都會直接影響光耦合和高壓絕緣的性能。一般來說，光學(xué)耦合器封裝與傳統(tǒng)集成電路封裝類似，但它采用獨特的工藝步驟和必要的材料，以形成光導(dǎo)，滿足高壓絕緣要求。下表列明了各種澆鑄光學(xué)耦合器的制造方法，介紹了獨特的材料、工藝和限制。

雙澆鑄工藝

圖1 澆鑄光學(xué)耦合器封裝使用的雙澆鑄工藝

圖2 澆鑄光學(xué)耦合器封裝使用的介電材料放置工藝

在單通道光學(xué)耦合器的雙澆鑄工藝中，LED和IC通過模具連接到兩個不同的引線框和焊接線上。然后使用焊接把兩個引線框組合在一起。在引線框焊接完畢后，LED直接面向IC，LED位于IC上方。然后，組合好的引線框使用白色光傳導(dǎo)化合物進(jìn)行澆鑄，構(gòu)成光導(dǎo)裝置，把光從LED傳送到IC光電檢測器上。白色化合物還提供了高壓絕緣功能。最后，得到的組件使用不透明的化合物澆鑄，構(gòu)成最終的封裝輪廓。

介電材料放置工藝

在介電放置工藝中，LED和IC的排列與雙澆鑄工藝相同。但它不使用白色化合物，而是在LED和IC之間使用硅樹脂，形成光導(dǎo)裝置。此外，它在LED和IC之間放一個光傳導(dǎo)介電裝置，形成高壓絕緣。最后，器件使用不透明的澆鑄化合物澆鑄。

圖3  澆鑄光學(xué)耦合器封裝使用的平面工藝

平面工藝

在平面工藝中，LED和IC位于與引線框和焊接線相同的平面中。然后使用一層透明的硅樹脂，以近似圓屋頂形覆蓋LED和IC。硅樹脂提供了光導(dǎo)能力。為防止光逸出，在透明硅樹脂上使用了另一層白漆。因此，來自LED的光會在圓屋頂內(nèi)部反射到IC上。最后，器件使用不透明的澆鑄化合物封裝。

堆疊式LED技術(shù)

圖4是光學(xué)耦合器的橫截面圖，其中LED直接堆疊在光電探測器IC上。這種堆疊式LED方法的主要實現(xiàn)技術(shù)是背面發(fā)光LED的開發(fā)。

圖4  光學(xué)耦合器的橫截面圖，其中LED直接堆疊在光電檢測器IC的上面

光電二極管芯片采用兩個透明的層：SiO2 鈍化/絕緣和光傳導(dǎo)聚酰亞胺。LED使用透明的連接層穩(wěn)固地連接到光電二極管上。IC使用銀環(huán)氧樹脂，通過模具連接到引線框上。介電材料使用光傳導(dǎo)環(huán)氧樹脂連接到IC上。LED模具使用光傳導(dǎo)環(huán)氧樹脂連接到介電材料上。最后，組件使用焊接線和澆鑄。它使用標(biāo)準(zhǔn)模具連接工藝，完成所有放置，封裝在單次不透明澆鑄化合物中完成澆鑄。

堆疊式LED的優(yōu)勢

集成度高: 通過采用傳統(tǒng)IC組件設(shè)備，堆疊式LED技術(shù)大大增強了封裝功能和靈活性。從本質(zhì)上看，發(fā)射機-檢測器芯片組可以插入任何要求的集成式封裝中。

減少流程步驟: 該方法減少了流程步驟，因此是一種更加高效的制造方法。

輕薄、小型封裝: 總封裝高度現(xiàn)在單純?nèi)Q于IC、LED、超薄聚酰亞胺和LED焊接線高度的厚度組合。

圖5比較了各種制造工藝得到的封裝高度。

圖5

背面發(fā)光LED

圖6是傳統(tǒng)正面發(fā)光LED和透明基底背面發(fā)光器件的橫截面。表4說明了其屬性。

圖6  傳統(tǒng)吸收基底正面發(fā)光LED與透明基底背面發(fā)光LED的橫截面

對背面發(fā)光的LED，其激活層在透明基底上生長，摻雜程度取決于所要求的發(fā)射光波長。發(fā)光區(qū)域在晶片制造工藝中確定，基底在器件上保持不變。

Avago Technologies(安華高科技)已經(jīng)在一系列新的多通道和雙向15 MBd數(shù)字邏輯門光學(xué)耦合器中采用堆疊式LED結(jié)構(gòu)。該系列分成緊湊的8針 (雙通道為4.9 mm x 5.9 mm x 1.7 mm)和16針 (三通道和四通道為9.9 mm x 5.9 mm x 1.7 mm)薄型小型集成電路(SOIC)封裝，包括雙通道、三通道和四通道三種型號。