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堆叠式LED结构实现紧凑型多通道光学耦合器

LED之家  于2009-01-18 00:06:42  http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=1054

文章摘要:堆叠式LED结构实现紧凑型多通道光学耦合器2005年8月10日ThengHuiKek,LeonardTan(安捷伦科技半导体产品事业部隔离产品分部)现代光学耦合器的核心是输入端的LED和输出端的光电探测器它们被绝缘的光传导介质隔开。光电探测器可以是光电晶体管,可以是带有晶体管的光电二极管,也可以

堆叠式LED结构实现紧凑型多通道光学耦合器

2005年8月10日
Theng-Hui Kek,Leonard Tan
(安捷伦科技半导体产品事业部隔离产品分部)


现代光学耦合器的核心是输入端的LED和输出端的光电探测器. 它们被绝缘的光传导介质隔开。光电探测器可以是光电晶体管,可以是带有晶体管的光电二极管,也可以是集成式检测器/逻辑集成电路。大多数光学耦合器都经过UL1577、CSA和 IEC/DIN EN/EN 60747-5-2列明的基本安全标准认证。

在某些情况下,人们特别希望提高一个封装中的光学耦合器数量,以优化生产成本,节约电路板空间。例如,在计算机系统中,在一个封装中集成两条以上的光学耦合器通道,可以明显降低并行接口和串行接口的部件数量和电路板空间,如 RS232/485/422、SPI (串行外设接口)和集成电路之间(I2C)总线。多通道光学耦合器在工业控制、测试测量、PLC(程控逻辑控制器)医疗系统、Fieldbus接口和数据采集中;在POE (通过以太网供电)和联网电路板等通信应用中;在等离子平板显示器和其它消费家电中都提供了同样的优势。

以前把两个以上的光学耦合器集成到一个DIP/ 表面封装的浇铸封装中是一个很大的挑战。主要问题来自已有的封装工艺及LED方块的正面发光特点。

部分困难包括:

● 制造工艺增加,工艺复杂程度增加;

● 光学耦合器通道之间的光泄漏/串扰;

● 由于隔离材料放置困难而导致IC芯片数量提高的相关问题;

● 由于要求的引线框和封装图形,需要明显大得多的封装。

光学耦合器制造技术

光学耦合器的工作基础是LED发出的光通过透明的绝缘介质到光电探测器,这种介质提供2.5 kV - 6 kV范围的高压绝缘。光耦合程度取决于光导材料。绝缘将通过光导材料本身或通过额外的光传导介电材料实现。在任何情况下,LED的排列、光导材料、介电材料和IC都会直接影响光耦合和高压绝缘的性能。一般来说,光学耦合器封装与传统集成电路封装类似,但它采用独特的工艺步骤和必要的材料,以形成光导,满足高压绝缘要求。下表列明了各种浇铸光学耦合器的制造方法,介绍了独特的材料、工艺和限制。

双浇铸工艺(图1)

在单通道光学耦合器的双浇铸工艺中,LED和 IC通过模具连接到两个不同的引线框和焊接线上。然后使用焊接把两个引线框组合在一起。在引线框焊接完毕后,LED直接面向IC,LED位于IC上方。然后,组合好的引线框使用白色光传导化合物进行浇铸,构成光导装置,把光从LED传送到IC光电检测器上。白色化合物还提供了高压绝缘功能。最后,得到的组件使用不透明的化合物浇铸,构成最终的封装轮廓。

介电材料放置工艺(图2)

在介电放置工艺中,LED和IC的排列与双浇铸工艺相同。但它不使用白色化合物,而是在LED和IC之间使用硅树脂,形成光导装置。此外,它在 LED和IC之间放一个光传导介电装置,形成高压绝缘。最后,器件使用不透明的浇铸化合物浇铸。

平面工艺 (图3)

在平面工艺中,LED和IC位于与引线框和焊接线相同的平面中。然后使用一层透明的硅树脂,以近似圆屋顶形覆盖LED和IC。硅树脂提供了光导能力。为防止光逸出,在透明硅树脂上使用了另一层白漆。因此,来自LED的光会在圆屋顶内部反射到IC上。最后,器件使用不透明的浇铸化合物封装。

堆叠式LED技术

图4是光学耦合器的横截面图,其中LED直接堆叠在光电探测器IC上。这种堆叠式LED方法的主要实现技术是背面发光LED的开发。

光电二极管芯片采用两个透明的层:SiO2 钝化/绝缘和光传导聚酰亚胺。LED使用透明的连接层稳固地连接到光电二极管上。IC使用银环氧树脂,通过模具连接到引线框上。介电材料使用光传导环氧树脂连接到IC上。LED模具使用光传导环氧树脂连接到介电材料上。最后,组件使用焊接线和浇铸。它使用标准模具连接工艺,完成所有放置,封装在单次不透明浇铸化合物中完成浇铸。

堆叠式LED的优势

集成度高: 通过采用传统IC组件设备,堆叠式LED技术大大增强了封装功能和灵活性。从本质上看,发射机-检测器芯片组可以插入任何要求的集成式封装中。

减少流程步骤: 该方法减少了流程步骤,因此是一种更加高效的制造方法。

轻薄、小型封装: 总封装高度现在单纯取决于IC、LED、超薄聚酰亚胺和LED焊接线高度的厚度组合。

图5比较了各种制造工艺得到的封装高度。

背面发光LED

图6是传统正面发光LED和透明基底背面发光器件的横截面。表4说明了其属性。

对背面发光的LED,其激活层在透明基底上生长,掺杂程度取决于所要求的发射光波长。发光区域在晶片制造工艺中确定,基底在器件上保持不变。

安捷伦已经在一系列新的多通道和双向15 MBd数字逻辑门光学耦合器中采用堆叠式LED结构。该系列分成紧凑的8针 (双通道为4.9 mm x 5.9 mm x 1.7 mm)和16针 (三通道和四通道为9.9 mm x 5.9 mm x 1.7 mm)薄型小型集成电路(SOIC)封装,包括双通道、三通道和四通道三种型号。

来源:中电网--本文摘自《半导体技术》


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