小型多通道光耦合器的关键技术：堆栈LED结构--LED显示技术网

小型多通道光耦合器的关键技术：堆栈LED结构 时间：06-07-16 00:37:22 阅读次数:: 2005-5-11 11:32:24 电子工程专辑 Theng-Hui Kek、Leonard Tan

最新的光耦合器的核心是输入LED和输出光侦测器，二者是由一个光传导媒介(也可提供电气绝缘功能)或额外的光传导介电层所隔开。光侦测器可以是光电晶体管、光电二极管加晶体管、或整合的侦测器/逻辑集成电路。大部份的光耦合器都必须依照UL1577、CSA和IEC/DIN EN/EN 60747-5-2的基本安全标准进行认证。

图1：封装成型光耦合器的双模子制程。
在某些应用中，提高一个封装内的光耦合器数量，有助于降低制造成本及节省印刷电路板的空间。以计算机系统为例，在一个封装内整合2个以上的光耦合器通道，可大幅减少并行接口与序列接口，如RS232/485/422、SPI(序列周边接口)和I2C总线，的零件使用数量及电路板空间。多信道光耦合器为工业、电子量测及医疗系统的PLC(可程控逻辑控制器)、Fieldbus接口和数据搜集；POE(power-over-Ethernet)和网络电路板等通讯应用；以及电浆显示面板和其它消费性设备提供了相同的优点。

以往试图将多个光耦合器整合到单颗DIP/表面黏着封装而进行的工程，已被证实是一大挑战。主要的问题来自于各种封装制程的结合及LED晶粒的向前发射特性。

其中的一些困难包括：制造步骤变得更多且更复杂；在光耦合器的通道间会出现轻微的泄漏/串音；因为绝缘材料的配置困难导致需要增加IC芯片的数量；基于引线框和封装几何学而需要非常大的封装。

图2：封装成型光耦合器的介电配置制程。
光耦合器制造技术

光耦合器的运作必须依赖LED发射器传到光侦测器的光线，当中会通过一个透明的媒介，它可提供2.5kV到6kV的高电压绝缘。光线耦合的程度取决于光导的结构和透明度。光导材料本身或额外的光传导介电材料，可提供绝缘效果。LED的排列、光导材料、介电材料和IC，会直接影响光耦合与高电压绝缘的效能。一般而言，光耦合器的封装与传统IC的封装很类似，差别在于必须透过特殊的制程步骤和材料来形成光导及达到高电压绝缘需求。下列表格分别介绍各种不同的成型光耦合器制造技术，并说明特殊的材料、制程与限制。

在单通道光耦合器的双模子制程(double mold process)中，LED和IC晶粒会被附着在两个不同的引线框并进行引线接合，然后再利用焊接将两个引线框结合在一起。当引线框焊接在一起之后， LED会正对着IC，并且位在IC上方。接着使用白色的光传导化合物来铸造结合的引线框以构成光导，如此就可将光线从LED传到IC光侦测器。此白色化合物也能提供高电压绝缘。最后，使用不透明的化合物来铸造组件，以完成最后的封装轮廓。

该制程使用的特殊材料包括：两个引线框(LED和IC)；白色的光传导化合物。使用的特殊制程则包括：经由结合使LED发光区域面对光侦测器；以白色化合物来铸模；移除白色化合物闪光；以不透明的外部化合物来铸模。

图3：封装成型光耦合器的平面制程。
其限制包含：封装的高度会受限于LED与IC之间的距离；封装的高度会受限于化合物材料的厚度；由于白色化合物会发出光线，所以当侦测器之间的距离太近时，很可能会造成光学串音(optical crosstalk)；双模子制程及过度使用化合物材料会增加高整合度的难度；以及LED与侦测器的排列和距离是达到最佳光耦合效果的关键因素。

在介电配置制程中，LED与IC的排列跟在双模子制程中一样，但这次会在LED与IC之间使用硅树脂来构成光导，而非使用白色化合物。此外，还会在LED与IC之间加入一个光传导介电，以形成高电压绝缘。最后，再以不透明的成型化合物来铸造组件。

该制程使用的特殊材料包括：两个引线框(LED和IC)；透明的硅树脂；介电材料。特殊制程则包括：以硅树脂和介电材料来附着；使用硅树脂来结合。其限制包含了：必须使用自订的机器来完成介电配置与结合程序；封装的高度会受限于介电材料的几何学；介电配置会增加高整合度的难度；LED与IC的排列与距离对光耦合来说很重要。

图4：光耦合器的横切面，其中
LED直接堆放在光侦测器IC上面。
在平面制程中，LED和IC必须位在同一个引线框的相同平面，并进行引线接合，然后加上一层透明的硅树脂，以近似圆顶的形状覆盖在LED和IC上面。这层硅树脂可提供光导。为防止光线漏出，必须在透明硅树脂上再涂一层白色颜料，这样LED发出的光将会反射到圆顶内的IC。最后再使用不透明的成型化合物来填充组件。

该制程使用的特殊材料包含：一个引线框；透明硅树脂；特殊的白色反射涂层。特殊制程包含：透明硅树脂圆顶结构；白色反射涂层。其限制则包括：需要自订的机器来分配透明硅树脂和白色反射涂层；特殊的白色反射涂层；硅树脂圆顶结构的大小会增加高整合度的难度；光耦合是间接完成的，效率可能不佳。

堆栈LED技术

图4显示一个光耦合器的横切面，其中LED直接堆放在光侦测器IC上。这种堆栈LED方法的关键，在于向后发射的LED。

图5：双模子、介电配置、平面与堆
迭LED制程的封装高度。
光电二极管芯片包含了两个透明层：SiO2钝化/绝缘层和光传导聚酰亚氨层。LED利用一个透明连接层，牢牢附着在光电二极管上。IC晶粒必须使用环氧化银来附着在引线框上，介电材料须以光传导环氧化物附着在IC上，而LED晶粒则得用光传导环氧化物附着在介电材料上。最后再对组件进行引线接合与铸造。标准的晶粒附着制程可用来完成所有的配置，封装则以一层不透明的成型化合物来铸模。

高整合度是堆栈LED的第一项优点，由于堆栈LED技术使用传统的IC组装设备，因此大幅提升了封装的能力和弹性。基本上，在任何的整合封装内都可插入发射器－侦测器芯片组。其次是减少制程步骤，因为这种方法所需的制程步骤较少，因此是比较有效的制造方法。最后是能制造出小巧超薄的封装，因为封装的总高度完全取决于IC、LED、超薄的聚酰亚氨、及LED引线接合高度的整个组合的厚度。图5比较了不同制程的封装高度。

向后发射LED

图6：传统吸收基板向前发射LED与透明
基板向后发射LED的横切面比较。
图6显示传统的向前发射LED与透明基板向后发射LED的横切面。在传统的向上发射LED部份，其材料为光吸收基板，并具有只从上方发光、从上方取得光线以便与侦测器IC耦合、在晶粒的两边都有金属接面等独有特性。其优点是可简化LED设计。

向后发射LED使用透明基板为材料，其特性包含：可从上方和背面发光；从背面取得光线以便与侦测器IC耦合；在同一边有两个金属接面。其优点则包含：与侦测器IC的耦合更紧密；可将LED堆放在侦测器IC上面；以及可减小组件的总厚度。

对于向后发射的LED来说，必须将作用层置于透明基板上，让组合物渐渐变成所需的波长。发光区是在晶圆制程中定义的，装置上的基板则会保持完整不变。

安捷伦在新系列的多信道和双向15MBd数字逻辑闸光耦合器中加入了堆栈LED结构。这个系列包含了二、三和四信道产品，主要采用小巧的8接脚(二通道为 4.9mm x 5.9mm x 1.7mm)和16接脚(三和四通道为9.9mm x 5.9mm x 1.7mm)SOIC封装。

作者：Theng-Hui Kek、Leonard Tan
半导体产品事业群
隔离产品部门
安捷伦科技