CN101136706A - 改进的电隔离器 - Google Patents

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朱利恩·E·富凯
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Abstract

本发明公开了一种电隔离器，它具有分离电路元件、聚合物衬底、发送器和接收器。分离电路元件具有第一部分和第二部分，第一部分设置在衬底的第一表面上，第二部分设置在衬底的第二表面上。发送器接收输入信号并将由输入信号得到的信号耦合到第一部分。接收器连接到电路元件的第二部分并产生耦合到外部电路的输出信号。这种电隔离器可以在传统印刷电路板衬底和柔性电路衬底上经济地制造。

Description

改进的电隔离器
技术领域
本发明涉及改进的电隔离器(galvanicisolator)。
背景技术
在许多电路设计中，必须在两个在其他情况下必须彼此电隔离开的电路之间传送逻辑信号。例如，发送电路可以采用高的内部电压，该电压可能对接收电路或与该电路接触的人员造成伤害。在更普遍的情况下，隔离电路必须在绝缘隔板两端提供电压隔离和噪声隔离。这种隔离电路常常称为“电隔离器”。一种电隔离器基于将逻辑信号转换成光信号，然后将光信号发送到接收电路中的光学接收器，接收电路将光信号转换回电信号。发送和接收电路通常位于分开的衬底上并连接到分开的电源。尽管大量的商用电隔离器基于这种光学传送，但是光学的电隔离器也有一些问题。例如，这些电路的电效率较低。用发光二极管或类似器件只能将一部分信号功率转换成光信号。在接收器端，光信号中被光电检测器恢复的功率比例很小。因此，光学的电隔离器需要较高的功率和信号放大。另外，电路提供的隔离水平受到发送电路和周围环境中产生的RF场限制，所述RF场由接收电路中的电路系统接收并与正以光学方式发送的信号无关。在原理上，可以采用导体隔板对接收电路进行屏蔽；但是这种隔板阻挡了光信号中的部分光，因此进一步降低了隔离器的电效率。
为了克服这些以及其他的限制，已经开发了一种基于一个或多个电换能器的电隔离器。一种示例是变压器。在这些电隔离器中，发送器驱动变压器的初级绕组，接收器连接在次级绕组两端。通常，发送器和两个绕组构造在第一半导体芯片上，接收器构造在分开的芯片上，该芯片通过引线键合等方式连接到第一芯片。通过对通常由传统半导体制造工艺提供的两个金属层进行图案化，将两个变压器绕组沉积在第一芯片上的驱动电路上方。
发送器芯片的尺寸是由变压器线圈的尺寸确定的，与驱动电路相比，它通常需要很大的硅面积。半导体衬底的成本占据了隔离器成本的很大比例。在设计成以相对较低频率工作的器件中这是个特别明显的问题，在所述较低频率下，需要较大的线圈在发送器与接收器之间提供耦合。另外，许多应用中需要单一衬底上多个独立的电隔离器。因为一个线圈产生的散射场(fringe field)会耦合到邻近线圈，所以难以通过较具性价比的方式来阻挡用传统半导体制造技术在硅衬底上构造的隔离器之间的串扰(cross-talk)。如果在硅衬底上将这些芯片分开足够的距离，则所浪费的硅的成本变得很大。
除了浪费硅面积外，用传统的硅集成电路制造构成的器件还受到生产线的设计规则限制以及与该生产线上允许的材料的限制。对于许多应用，变压器的线圈之间的介质绝缘必须承受超过1000伏的电压。传统CMOS生产线中可以得到的介质厚度不足以提供这种绝缘度。另外，在某些应用中，在变压器的线圈之间设置铁氧体层以提高耦合效率会比较有利。但是，许多传统生产线中不能采用这样的材料。
发明内容
本发明包括电隔离器，该电隔离器具有分离电路元件、衬底、发送器和接收器。分离电路元件具有第一部分和第二部分。衬底包括具有第一表面和第二表面的绝缘聚合物或聚合物/无机层，第一部分和第二部分设置在该衬底上。电路元件的第一部分可以设置在第一表面上，第二部分可以设置在第二表面上。或者，可以将两个部分都设置在第一表面上。结构选择取决于要实现的具体分离电路元件。发送器接收输入信号并将由输入信号得到的信号耦合到第一部分。接收器连接到电路元件的第二部分并产生耦合到外部电路的输出信号。在本发明的一个方面，分离电路元件包括变压器，变压器具有包括所述第一部分的初级线圈和包括所述第二部分的次级线圈。在本发明的另一个方面，分离电路元件包括电容器，电容器具有包括所述第一部分的第一板和包括所述第二部分的第二板。在本发明的再一个方面，分离电路元件包括发送天线和接收天线；发送天线包括所述第一部分，接收天线包括所述第二部分。在本发明的另一个方面，衬底是柔性的。
附图说明
图1和图2图示了根据本发明的电隔离器一种实施例。
图3和图4图示了根据本发明的电隔离器另一种实施例。
图5和图6图示了构成根据本发明另一种实施例的电隔离器可以采用的部件线圈。
图7图示了根据本发明另一种实施例的电隔离器。
图8—图9图示了构成根据本发明的另一种实施例的电隔离器可以采用的部件线圈的另一种实施例。
图10图示了根据本发明另一种实施例的电隔离器。
图11图示了根据本发明的电隔离器另一种实施例。
图12—图13图示了根据本发明的电隔离器另一种实施例。
图14是根据本发明另一种实施例，采用了屏蔽的电隔离器的剖视图。
图15图示了根据本发明另一种实施例的电隔离器片的一部分。
图16是根据本发明另一种实施例的电隔离器的剖视图。
图17是根据本发明另一种实施例的电隔离器的俯视图。
具体实施方式
参考图1和图2可以更容易地理解本发明提供其优点的方式，图1和图2图示了根据本发明的电隔离器的一种实施例。图1是电隔离器20的俯视图，图2是电隔离器20通过2-2线的剖视图。电隔离器20包括发送器芯片21和接收器芯片22，这些芯片接合到衬底，线圈23和24制造在该衬底中并连接到层34的顶表面上的接合焊盘。或者，发送器芯片21和接收器芯片22可以附接(attach)到引线框并通过引线键合方式连接到与线圈23和24相连的接合焊盘。也可以采用其他封装实施方式。线圈23和24形成了变压器。变压器线圈是通过对聚合物衬底33表面上的金属层进行光刻方式的图案化而制造的，聚合物衬底33具有足够的厚度和绝缘特性来承受电隔离器20的设计电压。
每个线圈具有外部末端和内部末端。这些末端必须各自连接到与该线圈有关的发送器或接收器芯片上的正确端子。对于每个线圈，由迹线造成一种连接，所述迹线是当通过图案化而形成线圈的金属层被刻蚀时形成的；由衬底的外表面上被图案化的金属层造成一种连接。例如，线圈23的内部末端26的连接是通过绝缘层34外表面上的迹线25造成的。线圈23的外部末端的连接是通过迹线27造成的，迹线27是通过对与线圈23相同的层进行图案化得到的。迹线27由穿过层34的垂直通孔连接到芯片22。类似地，芯片21通过迹线29和垂直通孔30连接到线圈24的外部末端，迹线29是通过对与线圈24相同的层进行图案化得到的。绝缘层32的底表面上的迹线28通过导电通孔31将线圈24的内部末端连接到芯片21。可以在包括迹线25和28的金属层外侧增加绝缘层，以防迹线25或28与外侧导体之间发生电接触。
图1和图2所示结构可以在传统的印刷电路板生产线上制造。因此，电隔离器20的成本比在半导体生产线上由硅构成的电隔离器的成本低得多。
如果可以采用引线键合方式，则图1和图2所示结构可以简化成单一衬底上的两个金属层。现在参考图3和图4，它们图示了根据本发明的电隔离器另一种实施例。图3是电隔离器40的俯视图，图4是图3所示电隔离器40经4-4线的剖视图。电隔离器40由两个金属层构成，这些金属层在聚合物衬底41上沉积并图案化，聚合物衬底41的厚度足以承受被隔离的两个电路之间的电压差。对顶部的金属层进行图案化以提供线圈42和发送器21和接收器22所用的各个连接焊盘。底部的层用于制造线圈43，线圈43位于线圈42下方并形成变压器的第二线圈。对底部的层也进行图案化以提供迹线44和45，迹线44和45用于经过垂直导电通孔46和47将线圈43连接到层41的顶表面上的引线键合焊盘48和49。线圈43由引线键合51和52连接到发送器21。
线圈42通过迹线53和引线键合54连接到接收器22，迹线53是由顶部金属层图案化而成的。最后，用于将电隔离器40连接到要由电隔离器40隔离的外部电路的各个连接焊盘也由顶部金属层图案化而成。这种类型的示例性连接焊盘由标号55和56示出。
如上所述，根据本发明的电隔离器可以用传统的印刷电路板制造技术来构成。如下面将要更详细地说明的，基于柔性有机/无机或有机衬底的实施例特别有吸引力。印刷电路板或电路载体是本领域公知的，因此将不在此详细讨论。为了这里讨论的目的，只要注意到下述内容就足够了：通过在由注有环氧树脂的玻璃纤维形成的某种柔性有机/无机衬底上沉积薄的金属层或者附接金属层，然后通过传统的光刻技术将这些层转化成多个独立导体，可以制造印刷电路板。柔性电路技术也是本实施例的一种有利方式。这里，衬底由例如聚酰亚胺的有机材料制成。这种类型的薄膜和层压板(laminate)可以从Dupont买到，并使用了由聚酰亚胺制成的称为KaptonTM的衬底，在某些情况下，用粘合剂将多个层制成层压板。这种类型的电路载体或印刷电路板比基于硅衬底的电路便宜得多，并可以提供相对较薄的衬底。在必须使初级线圈和次级线圈之间的信号损失最小化的应用中，较薄的衬底更为有利。在一种实施例中，使用来自Dupont的Pyralux AP层压板，它具有2密耳(mil)厚的KaptonTM层并在顶表面和底表面上具有铜层。
上述实施例采用的衬底上，通过图案化并将各个金属层进行连接而制造成变压器的两个线圈。不过，在某些情况下，由两个分开的变压器部件构成电隔离器具有明显优势。现在参考图5和图6，它们图示了根据本发明的另一种实施例可以用来构成电隔离器的部件线圈。图5是部件线圈60的俯视图，图6是部件线圈60经过6-6线的剖视图。部件线圈60由具有顶部金属层和底部金属层的绝缘衬底62构成。对顶部层进行图案化以提供线圈61和用于安装芯片67的一组安装焊盘。顶部层还包括用于将线圈61连接到芯片67的迹线。线圈61的外部末端由迹线63连接到芯片67，线圈61的内部末端由迹线从通孔64连接。对顶部层也进行图案化以提供用于将芯片67连接到外部电路的迹线(例如迹线66)。对底部金属层进行图案化以提供导体68，导体68通过第二通孔69将线圈61的内部末端连接到通孔64。
现在参考图7，它图示了根据本发明另一种实施例的电隔离器。电隔离器70由上文参考图5和图6所述那种类型的两个部件线圈71和72构成。部件线圈71上的芯片75是接收器，而部件线圈72上的芯片74是相应的发送器。这两个部件线圈接合到绝缘体73。
在图7中，电隔离器所能承受的绝缘电压(standoff voltage)是由层73的厚度和成分来设定的。因此，可以由相同的部件线圈构成具有不同设计绝缘电压的电隔离器，从而降低与维持部件存货量有关的成本并提高规模经济效果。
还应当注意，层73可以包括能够增强两个线圈之间耦合效率的其他材料。例如，在不必考虑高频情况的实施例中，层73可以包括使线圈耦合效率提高的铁氧体材料。
图7所示实施例具有两个线圈之间距离较大的缺点，因为现在是通过绝缘层73的厚度和衬底62的厚度来分开这些线圈。由于变压器的功率耦合效率随着线圈之间的距离增加而减小，所以可以通过对由两个相同的部件线圈构成的器件所获得的规模经济效果得到的改善来平衡这种效率损失。
现在参考图8—图9，它们图示了根据本发明的另一种实施例，可以用于构成电隔离器的部件线圈的另一种实施例。图9是部件线圈120的俯视图，图8是部件线圈120经8-8线的剖视图。部件线圈120与部件线圈60的不同之处在于线圈121位于衬底122的底表面上，并由衬底121顶表面上的迹线125和128连接到适当的驱动器芯片123。这些迹线通过垂直通孔124和126连接到线圈121的末端。
现在参考图10，它图示了根据本发明另一种实施例的电隔离器。电隔离器130由衬底131和132上的两个部件线圈构成。衬底131上的部件线圈135是图8—图9所示的类型，而衬底132上的部件线圈134是图5—图6所示的类型。这两个部件线圈接合到绝缘体133。由于未由衬底层将这些线圈与绝缘体分开，所以这种实施例使得对于绝缘体133的任何指定厚度，这些线圈都可以彼此更接近。
以衬底122和金属层作为柔性电路载体的组成部分的实施例还具有进一步的优点。在某些情况下，安装电隔离器的可用区域有限。即，电隔离器必须具有相对较小的“占地”。在这些情况中的一些中，实现线圈所需的面积大于所述占地。因此，为了提供具有期望占地的电隔离器，必须以垂直配置形式来实现线圈，以减小安装隔离器所需的水平表面积量。在例如上述的部件线圈设计中，在柔性电路载体上构成部件线圈，这种部件线圈设计提供了对该问题的颇具性价比的解决方案。
现在参考图11，它图示了根据本发明的电隔离器另一种实施例。电隔离器由两个部件线圈组件91和92构成，这些组件类似于上述部件线圈120，只是衬底是柔性的。每个部件线圈包括线圈93和芯片接口，芯片接口用于安装发送器94或者接收器95。部件线圈组件以90度弯曲并接合到绝缘层96。因此，在附接平面之外实现了变压器，需要的面积小得多。
本发明的上述实施例采用了分离的变压器设置来执行两个电路的隔离。但是，也可以构成采用其他类型分离电路元件的实施例。例如，也可以构造成基于电容器的隔离器，其中，发送电路驱动电容器的一个板，接收器附接到电容器的另一个板。现在参考图12—图13，它们图示了根据本发明的电隔离器另一种实施例。图12是电隔离器140的俯视图，图13是图12所示电隔离器140经13-13线的剖视图。电隔离器140采用了分离的电容器设置将发送器143与接收器144隔离开。电容器具有板148和149。应当注意，电隔离器140也可以由单一的聚合物层142构成，该聚合物层的顶表面和底表面上沉积有金属层。由于电容器的每个板边缘只需一个连接，所以避免了上述与基于分离变压器的实施例有关的对额外连接进行布线的相关问题。迹线146提供到底部板的连接，迹线146通过单一的垂直通孔连接到衬底142顶表面上的迹线145。到顶部板的连接由迹线147提供。
还应当注意，也可以构成发送器板和接收器板处于分离衬底上的实施例。这样的实施例与上述类似，用电容器板代替线圈。在构成与上文参考图7和图11所述实施例类似的实施例时，这种两衬底实施例较为有利。
还可以构成基于分离天线布置的实施例。在这样的实施例中，用通过对顶部层金属层和底部层金属层进行图案化而制造的天线代替了上文参考图12和图13所述的电容器板。也可以制造更复杂的天线设计，所述设计依靠天线的各个臂的顶部金属层和底部金属层之间的多个通孔。
在某些情况下，上述电隔离器必须在具有大量电干扰的环境中工作。由于用于构成隔离器的分离电路元件可以作为拾取这种干扰的天线，所以需要包括屏蔽的实施例，以防接收到的干扰使发送器芯片与接收器芯片之间发送的数据信号改变。现在参考图14，它图示了根据本发明的另一种实施例，其中采用了屏蔽。图14是例如上文中图4所示电隔离器的剖视图。导电屏蔽161通过焊盘162连接到衬底163，焊盘是在顶部金属层和底部金属层中图案化而得到的。应当注意，屏蔽不能过于靠近线圈165和166。如果从线圈到屏蔽的距离h小于临界距离，则屏蔽会干扰隔离器的工作，所述临界距离取决于经过隔离器发送的信号频率。一种示例性实施例具有1密耳高、5密耳宽的迹线，在这种实施例中，100密耳的屏蔽高度h完全足以避免干扰隔离器工作，而10密耳的屏蔽高度h就太低，因而会干扰器件工作。
应当注意，本发明中所用的衬底的低成本使结合这种屏蔽在经济上是有吸引力的。现在参考图15，它图示了根据本发明一种实施例的电隔离器片的一部分。可以在具有所需数目的金属层的单一衬底片上制造根据本发明的若干个电隔离器。示例性电隔离器以标号201示出。可以在各个电隔离器之间设置间隔202，以提供屏蔽的顶半部和底半部所用的附接点。由于衬底材料便宜，所以这些间隔不会显著增加所得电隔离器的成本。屏蔽可以由适当材料的两个片203和204形成，通过对这些片进行冲压(stamp)来提供期望的穹顶形状。然后可以将经冲压的片附接到衬底片上。之后可以通过对电隔离器的屏蔽片进行切割来对完成的电隔离器片进行单个化(singulate)。因此，可以同时制造大量的电隔离器。
在本发明的上述实施例中，电隔离器顶表面和底表面上的迹线是暴露的。有时最好给暴露迹线提供覆盖物以防迹线受到损坏。用于提供保护覆盖层的一种方法是使用柔性电路载体(例如上述那些)中使用的聚酰胺层。覆盖有粘合剂的聚酰胺层可以从Dupont买到。一种这样的层由0.5密耳的聚酰胺层构成，该聚酰胺在一侧涂有0.5密耳厚的粘合剂。可以对保护层进行切割以在该层中提供孔，所述孔用于给需要电连接的焊盘提供接入或者用于接合芯片(例如上述发送器芯片和接收器芯片)。在对该层进行图案化之后，从粘合剂表面除去保护衬垫，并将该层压到电隔离器的相应表面上。然后执行各种引线键合连接和芯片接合。
现在参考图16，它是根据本发明的电隔离器另一种实施例的剖视图。电隔离器300与上述电隔离器40的类似之处在于，它包括顶部线圈342和底部线圈343，这些线圈是通过对聚合物或聚合物/无机衬底341的顶表面和底表面上的金属层进行图案化而构成的。发送器芯片351和接收器芯片352分别接合到标号353和354所示的迹线。顶部线圈由聚合物层361保护，聚合物层361包括粘合剂层，粘合剂层与金属层和下方暴露的衬底341表面相接触。层361中开有标号362所示的孔，以向引线键合所用的接合焊盘以及发送器芯片和接收器芯片提供接入。与之类似，涂有粘合剂的聚合物层371施加到衬底341的底表面，以保护底部线圈。为了简化附图，已经略去了保护性聚合物层361和371的各个层。
如上所述，可以由发送天线和接收天线构成分离的电路元件。在上述实施例中，分离电路元件的第一部分和第二部分布置在聚合物衬底的不同表面上。但是，在采用天线对的情况下，第一部分和第二部分可以布置在同一表面上并间隔开一段距离，该距离足以确保发送天线不会对接收天线产生电弧。现在参考图17，它图示了根据本发明的电隔离器另一种实施例。电隔离器400采用了布置在聚合物衬底403上的天线对。发送器芯片401驱动发送天线，所示发送天线具有标号411和412所示的分支。接收芯片402拾取接收天线上接收到的信号，所述接收天线具有分支421和422。应当注意，分支411、412、421和422可以是衬底403上的迹线，或者也可以是从衬底403向外延伸的导线。这种导线可以通过引线键合方式连接到与衬底403上的迹线相连的焊盘。
根据上述说明以及附图，本领域技术人员可以想到对本发明的各种更改。因此，本发明应当仅由权利要求的范围来限定。

Claims (13)

1.一种电隔离器，包括：
分离电路元件，具有第一部分和第二部分；
衬底，包括绝缘聚合物或聚合物/无机层，所述层具有第一表面和第二表面，所述第一部分和所述第二部分设置在所述衬底上；
发送器，接收输入信号并将由所述输入信号得到的信号耦合到所述第一部分；以及
接收器，连接到所述第二部分以产生耦合到外部电路的输出信号。
2.根据权利要求1所述的电隔离器，其中，所述第一部分设置在所述第一表面上，所述第二部分设置在所述第二表面上。
3.根据权利要求1所述的电隔离器，还包括绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述分离电路元件的所述第一部分。
4.根据权利要求3所述的电隔离器，其中，所述保护层包括聚合物层，所述聚合物层具有与所述分离电路元件的所述第一部分接触的粘合剂涂层。
5.根据权利要求2所述的电隔离器，其中，所述分离电路元件包括变压器，所述变压器具有初级线圈和次级线圈，所述初级线圈包括所述第一部分，所述次级线圈包括所述第二部分。
6.根据权利要求2所述的电隔离器，其中，所述分离电路元件包括电容器，所述电容器具有第一板和第二板，所述第一板包括所述第一部分，所述第二板包括所述第二部分。
7.根据权利要求1所述的电隔离器，其中，所述分离电路元件包括发送天线和接收天线，所述发送天线包括所述第一部分，所述接收天线包括所述第二部分。
8.根据权利要求7所述的电隔离器，其中，所述第一部分和所述第二部分设置在所述第一表面上。
9.根据权利要求2所述的电隔离器，其中，所述聚合物层包括具有所述第一表面的第一子层、绝缘子层、以及具有所述第二表面的第二子层，所述第一子层和所述第二子层夹住所述绝缘子层并接合到所述绝缘子层。
10.根据权利要求9所述的电隔离器，其中，所述衬底包括第一平面区域和第二平面区域，所述第二平面区域相对于所述第一平面区域成大于0的角度，所述分离电路设置成跨过所述第二平面区域。
11.根据权利要求2所述的电隔离器，其中，所述衬底是柔性的。
12.根据权利要求2所述的电隔离器，其中，所述衬底包括从由下列项构成的组中选择的材料：聚酰胺、环氧树脂、以及注有环氧树脂的玻璃纤维。
13.根据权利要求2所述的电隔离器，还包括平面导电片，所述平面导电片围绕所述分离电路元件并与其间隔开大于10密耳的距离。
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