CN102157511B - 光耦合器件 - Google Patents

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Abstract

描述了光耦合器件以及用于制造和使用此类器件的方法。光耦合器件包含光发射元件(发光二极管[LED])和光接收元件(光电晶体管[PT])，这两种元件嵌入在衬底内而非附接到预模制衬底的表面。这种配置消除了在LED和PT附接在衬底上时经常使用的接合线，改进了电学性能，并使最终的光耦合器封装体能够被造得更小更薄。还描述了其他实施例。

Description

光耦合器件
技术领域
本申请主要涉及光耦合器件以及用于制造和使用此类器件的方法。更具体地，本申请描述了如下光耦合器件，其中，在光耦合器件的衬底中嵌入有光发射元件或构件以及光接收元件或构件。
背景技术
光耦合器件(或者说光耦合器)包含至少一个光发射器件(或者说元件)，该光发射器件通过光传输介质光耦合至光接收器件(或者说元件)。这种配置结构允许信息从包含光发射器件的一个电路传送至包含光接收器件的另一电路。在所述两个电路之间保持高度电绝缘。因为信息光学地穿过绝缘带，迁移是一种途径。例如，光接收器件不能改变包含光发射器件的电路的操作。这一特点是受人欢迎的，因为例如发射器可以被使用微处理器或逻辑门的低压电路所驱动，而输出光接收器件可以是高压DC或AC负载电路的一部分。光隔离还防止了由于相对冲突的输出电路所引起的对输入电路的损害。
图1示出传统的光耦合器封装体10的侧视图。所示的光耦合器10包括衬底24以及在衬底24上的焊锡球18。包含光发射表面16(a)的LED(发光二极管)器件16以及光电晶体管器件12(包含光接收表面12(a))处于衬底24上并且被光传输介质22覆盖。
因为光电晶体管12接收由LED所发出的光非常有限因而效率低下，所以由光电晶体光(二极管)器件12所产生的输出电流很低(例如，大约数毫微安培(nA)，与噪音同一量级)。这就要求光耦合器封装体具有非常好的电学性能。然而，由于传统光耦合器封装器及其接合线的布局，传统设计中的噪音可以引发与输出电流相等甚至大于输出电流的噪音电平。另外，由于接合线和预模制结构，传统光耦合器封装体的尺寸往往难以减小。这就会限制其应用到要求超薄超小尺寸的电子产品的新生产。
发明内容
本申请描述了光耦合器件以及用于制造和使用此类器件的方法。光耦合器件包含光发射元件(发光二极管[LED])和光接收元件(光电晶体管[PT])器件，光发射元件和光接收元件被嵌入在衬底内而非附接到预模制衬底的表面。此类配置结构消除了在将LED和PT附接在衬底上时经常使用的接合线，改进了电学性能，并允许使最终的光耦合器封装体被造得更小更薄。
附图说明
参照附图可以使下文描述得到更好的理解，所述附图如下：
图1示出传统的光耦合器件；
图2示出光耦合器封装体的一些实施例的剖视图；
图3示出光耦合器封装体的一些实施例的剖视图；
图4示出光耦合器封装体的一些实施例；
图5示出光耦合器封装体的一些实施例的俯视图；
图6示出光耦合器封装体的一些实施例的仰视图；
图7示出用于制造光耦合器封装体的方法的一些实施例，其中光发射晶片和光接收晶片均沉积在支座上；
图8示出用于制造带有预浸材料的光耦合器封装体的方法的一些实施例；
图9示出用于制造带有树脂材料和导体层的光耦合器封装体的方法的一些实施例；
图10示出用于制造光耦合器封装体的方法的一些实施例，其中形成通孔穿过树脂材料和导体层而至晶片表面；
图11示出用于制造带有电镀层的光耦合器封装体的方法的一些实施例；
图12示出用于制造光耦合器封装体的方法的一些实施例，其中电镀层被图案化和蚀刻；
图13示出用于制造光耦合器封装体的方法的一些实施例，其中支座已经被移除；
图14示出用于制造光耦合器封装体的方法的一些实施例，其中在晶片的上侧附近执行蚀刻；
图15示出用于制造光耦合器封装体的方法的一些实施例，其中形成被图案化的电镀层；
图16示出用于制造带有圆顶结构的光耦合器封装体的方法的一些实施例。
附图图示出光耦合器件以及用于制造此类器件的方法的具体方面。附图与下文描述一起证明和阐释了所述方法的原理以及通过这些方法所制成的结构。在附图中，为清晰起见，各层厚度以及各区域被放大。还可以理解的是，当层、元件或衬底被称为在另一层、元件、衬底“上”时，它可以直接位于其他层、元件或衬底上，或者也可以存在中间层。在不同的附图中相同的附图标记指代相同的元件，因此对其将不再重复赘述。
具体实施方式
下文描述提供具体细节以便获得透彻理解。然而，普通技术人员将理解的是，可以在不采用这些具体细节的情况下实施和应用所述光耦合器件以及制造及使用此类器件的相关方法。事实上，光耦合器件以及相关方法可以通过改造所描述的器件和方法而投入实践，并且可以与在工业中传统应用的任何其他装置和技术结合使用。例如，尽管说明书描述针对的是光耦合器件，但是它也可以被改造用于其它电子器件，例如模拟IC晶片或MOSFET器件。而且，尽管下文描述所关注的光耦合器带有标准微型耦合器球栅阵列(BGA)封装体或具有BGA型印迹封装的充分模制封装体，它也可以被改造用作标准表面安装类型网格栅阵列(LGA)器件(不具有焊锡球)。
图2-16中示出光耦合器封装体(其中封装形成光耦合器)以及用于制造此类器件的方法的一些实施例。在一些实施例中，光耦合器件100包含嵌入于衬底120中的光接收元件(例如光探测器或光电晶体管(或者说PT)105)和光发射元件(例如LED 110)。如图2和4所示，光耦合器件100还包含位于衬底120的上表面上的焊锡球120。衬底120部分地封闭上金属迹线结构125和下金属迹线结构135(如图6所示)。金属迹线厚度的范围可从大约10微米(μm)到大约50微米。衬底可包含第一部分151和第二部分152，这两部分可由树脂材料和/或预浸材料形成。
焊锡球140附接到光耦合器件100的周边区域(例如边角区域)。在一些实施例中，焊锡球140可具有量级为大约0.5毫米(mm)或更小的半径。在其他实施例中，焊锡球可具有大约0.20毫米的半径。焊锡球140可用作针对光发射元件(PT 105)和光接收元件(LED 110)的输入/输出端子。尽管所述和所示的许多实施例使用焊锡球，但是可以理解的是，焊锡球可以被替换成其他合适的导体结构，包括导体柱(例如，诸如电镀铜柱的电镀柱)。
如图3所示，上金属迹线结构125包含多个暴露区域，这些暴露区域通过衬底120的上表面得以暴露。金属迹线结构125包含一个端部131，该端部131被暴露出且能够电连接到焊锡球140。金属迹线125的另一端部132可连接到PT 105或LED 110。
如图6所示，下金属迹线结构135也包含多个暴露区域，这些暴露区域通过衬底的下表面得以暴露。金属迹线结构135包含一个端部(端子)141，该端部141被暴露出且可适于经由通孔和另一侧的焊锡球电连接到外部器件，例如印刷电路板(PCB)。金属迹线结构135的另一端部142可连接到PT 105的连接器106或LED 110的连接器107。采用这种上下金属迹线结构的配置，在光耦合器件100中就不需要采用丝焊(wirebond)。
光耦合器件100包含光发射元件(LED 110)，该光发射元件被夹在两个金属迹线结构之间并连接到这两个金属迹线结构。光发射元件可以是本领域公知的任何光发射器件。在一些实施例中，LED 100可具有立方体结构，尺寸为大约0.23毫米×大约0.23毫米×大约0.218毫米。
另外，光耦合器件100包含光接收元件(PT 105)，该光接收元件也被夹在两个金属迹线结构之间并连接到这两个金属迹线结构。光接收元件可以是本领域公知的任何光探测器件。在一些实施例中，PT 105可具有立方体结构，尺寸为大约0.58毫米×大约0.58毫米×大约0.175毫米。
光耦合器件100还包含圆顶结构(或者说圆顶)190。在一些实施例中，圆顶190部分地或完全地由光透明材料制成，使得具有工作波长的光可以部分或全部地通过其间。圆顶可以由与这些功能相符的任何材料制成，例如硅酮、玻璃、透明环氧树脂或这些材料的组合。在一些实施例中，圆顶190所用的材料包括光耦合凝胶。这种材料可形成在LED 110以及PT 105上。在一些配置结构中，透明材料可以涂布有反光材料(例如银粉漆)或不透光材料(例如环氧团(epoxy g1ob))，使得从光发射元件发出的任何光朝向光接收元件反射。
采用这种配置，光耦合器件100比起传统的PT和LED附接在衬底上表面上的光耦合器件，在尺寸上可以更小且在厚度上可以更薄。在一些实施例中，光耦合器件100的尺寸范围可以设计为，长度从大约2毫米到大约2.2毫米，宽度从大约2毫米到大约2.2毫米，高度(厚度)从大约0.7毫米到大约0.8毫米。相比于如图1所示尺寸为大约3.3mm×3.3mm×1.3mm的其他光耦合器，光耦合器件100在尺寸上减小大约55％，而在厚度上减小大约46％。
可以使用提供上述结构的任意方法来形成光耦合器件100。在一些实施例中，用于制造光耦合器件100的方法始于提供支座210。支座210可以是任意衬底(或处于下方衬底上的薄膜)，此类衬底在制造过程期间为元件提供必要的支撑而又能容易地从元件卸下。在一些实施例中，支座可包含任意塑料膜或带。
当一个晶片(或多个晶片)附接到支座210时，上述方法继续。所述晶片可以采用本领域公知的任何工艺进行附接，包括任何公知的晶片附接工艺。在一些实施例中，晶片通过使用拾取和放置工艺的设备附接到支座。晶片包含光发射元件和光接收元件，无论这些元件是分处不同的晶片中还是共处同一晶片中。如图7所示，晶片可包括含LED的第一晶片211和含PT的第二晶片212。
预浸层230然后可附接到支座210，如图8所示。预浸层230可包括本领域公知的含有未固化树脂和短纤维的任何预浸材料，并且厚度为大约0.2毫米到大约0.3毫米。在一些实施例中，预浸材料可包含任何光半透明材料。预浸层230可形成在支座210上的不设置晶片211、212的这些位置。
接下来，如图9所示，涂布有树脂材料240的导体层250然后可设置在晶片和预浸材料上。树脂材料240(厚度可为大约0.05毫米到大约0.1毫米)然后可用于在预浸的固化温度下填充在支座210上在晶片和预浸层230之间留下的空闲空间。树脂材料可以是本领域中的任何环氧树脂。导体层250可包含本领域公知的任何传导材料，包括任何金属或非金属传导材料。涂布有诸如铜的导体层250的树脂240被称为涂布铜的树脂(RCC)箔。导体层250的厚度可为大约10微米到大约50微米。可以使用本领域公知的任何工艺来沉积具有树脂240的导体层250，直至达到希望厚度。然后，可以使用层压工艺(例如真空层压工艺)来将各种元件一起暂时密封到如图9所示的结构中。
然后可以去除导体层250和树脂材料240的选定部分。在一些实施例中，使用任何公知的激光打孔工艺来去除这些材料，以形成如图10所示的孔(或通孔)260。这一过程去除了导体层250和树脂材料240的如下这些部分，在这些部分中，PT和LED的连接器106、107将形成为与金属迹线结构135相连的连接部分。
接下来，可以执行电镀过程，以制造金属迹线结构135在光耦合器件100的下部(或背侧)上的部分。电镀过程基本使用与将用于形成金属迹线结构135相同的传导材料。电镀过程填充已经在激光打孔过程中形成的孔260，并且还在导体层250的表面上形成电镀层270。在一些实施例中，如图11所示，电镀层270和导体层250可形成单一的导体层。
然后，电镀层270可被图案化，以在光耦合器件100的背侧上形成金属迹线结构135。可以使用本领域公知的任何工艺对电镀层270图案化，包括光刻图案化和蚀刻工艺。图12中示出结果形成的图案层280(其形成金属迹线结构135的一部分)。
然后所述结构被翻转，支座210然后从背侧去除。可以使用本领域公知的任何移除工艺来去除支座210，包括仅仅通过任意剥离工艺来去除。随着支座210被去除，包含LED的晶片211和包含PT的晶片212的上表面得以暴露，如图13所示。
可选地，然后可以执行蚀刻过程，以去除预浸材料和树脂材料的如下部分，该部分与包含LED 110的晶片211和包含PT 105的晶片212的顶侧相邻。在这一去除过程中可使用任意公知的蚀刻工艺。图14中示出结果形成的结构，其中LED和PT的顶侧和上侧被暴露出来，并因此可以发射和接收光。
然后，导体层290可以被沉积和图案化，以在光耦合器封装体100的上侧上形成上金属迹线结构125。可以使用任意公知工艺来形成导体层290，例如金属沉积工艺。然后可以使用本领域公知的任何工艺来对导体层进行图案化，包括光刻图案化和蚀刻工艺。图15中示出结果形成的图案层(其形成金属迹线结构125的一部分)。
然后，可以使用任意公知工艺来形成圆顶结构190。在一些实施例中，通过使用本领域公知的任意工艺将凝胶层310沉积在光耦合器件的内部分上，来形成圆顶190。然后，可在凝胶层310的顶部上形成环氧树脂层320。在图16中以侧视图的方式示出结果形成的结构。在此之后，焊锡球在衬底的衬垫上被隆起(bumped)，如本领域所公知。结果形成的器件然后可通过任意公知的工艺(例如通过锯切单一化工艺)被单一化(singulate)以形成BGA光耦合器件。在其他实施例中，不使用焊锡球，器件被单一化以形成LGA光耦合器件。
在一些实施例中，一种用于制造光耦合器件的方法包括：设置光发射元件；设置光接收元件；设置衬底，该衬底对光发射元件和光接收元件除去其上表面和一部分侧表面之外均进行封闭；设置位于衬底的上表面上的焊锡球；设置位于衬底的下表面上的端子；设置将光发射元件和光接收元件与焊锡球相连的上金属迹线结构；以及设置将光发射元件和光接收元件与端子相连的下金属迹线结构。
除了之前所提的任何改造之外，本领域技术人员在不偏离本说明书的主旨和范围的情况下还可以设计多种其他变体和替换构造，所附权利要求书意在涵盖此类改造和结构。因此，尽管上文已经结合当前被认为最为实用以及优选方面的内容而详细且具体地描述了相关信息，但本领域普通技术人员可以明了的是，在不偏离在此阐述的概念和主旨的情况下，可以采用多种改造，包括但不限于形式、功能、操作方式和应用。另外，如在此所用，示例仅仅意味着示例性，而并不意在以任何方式进行限制。

Claims (20)

1.一种光耦合器封装体，包括：
光发射元件；
光接收元件；
衬底，该衬底对所述光发射元件和光接收元件除了它们的上表面和一部分的侧表面之外均进行封闭；
位于衬底的上表面上的焊锡球；
位于衬底的下表面上的端子；
将所述光发射元件和光接收元件与焊锡球相连的上金属迹线结构；以及
将所述光发射元件和光接收元件与端子相连的下金属迹线结构。
2.根据权利要求1所述的光耦合器封装体，其特征在于，所述光发射元件包括发光二极管。
3.根据权利要求1所述的光耦合器封装体，其特征在于，所述光接收元件包括光电晶体管。
4.根据权利要求1所述的光耦合器封装体，其特征在于，所述衬底包括树脂材料。
5.根据权利要求4所述的光耦合器封装体，其特征在于，所述衬底包括预浸材料。
6.根据权利要求1所述的光耦合器封装体，其特征在于，所述光发射元件和光接收元件被包含在分立的晶片中。
7.根据权利要求1所述的光耦合器封装体，其特征在于，进一步包括部分透明或完全透明的透明材料，该透明材料覆盖所述光发射元件和光接收元件。
8.根据权利要求7所述的光耦合器封装体，其特征在于，进一步包括覆盖所述透明材料的反光材料。
9.根据权利要求1所述的光耦合器封装体，其特征在于，所述封装体，其尺寸小于2.2毫米×2.2毫米，厚度小于0.8毫米。
10.一种包含光耦合器封装体的电子器件，所述封装体包括：
光发射元件；
光接收元件；
衬底，该衬底对所述光发射元件和光接收元件除了它们的上表面和一部分的侧表面之外均进行封闭；
位于衬底的上表面上的焊锡球；
位于衬底的下表面上的端子；
将所述光发射元件和光接收元件与焊锡球相连的上金属迹线结构；以及
将所述光发射元件和光接收元件与端子相连的下金属迹线结构。
11.根据权利要求10所述的器件，其特征在于，所述光发射元件包括发光二极管。
12.根据权利要求10所述的器件，其特征在于，所述光接收元件包括光电晶体管。
13.根据权利要求10所述的器件，其特征在于，所述衬底包括树脂材料。
14.根据权利要求13所述的器件，其特征在于，所述衬底包括预浸材料。
15.根据权利要求10所述的器件，其特征在于，所述光发射元件和光接收元件被包含在分立的晶片中。
16.根据权利要求10所述的器件，其特征在于，进一步包括部分透明或完全透明的透明材料，该透明材料覆盖所述光发射元件和光接收元件。
17.根据权利要求16所述的器件，其特征在于，进一步包括覆盖所述透明材料的反光材料。
18.根据权利要求10所述的器件，其特征在于，所述封装体，其尺寸小于大约2.2毫米×大约2.2毫米，厚度小于大约0.8毫米。
19.一种光耦合器件，包括：
包含在第一晶片中的发光二极管；
包含在第二晶片中的光电晶体管；
包含树脂材料的衬底，该衬底对所述发光二极管和光电晶体管除了它们的上表面和一部分的侧表面之外均进行封闭；
位于衬底的上表面上的焊锡球；
位于衬底的下表面上的端子；
将所述发光二极管和光电晶体管与焊锡球相连的上金属迹线结构；以及
将所述发光二极管和光电晶体管与端子相连的下金属迹线结构。
20.根据权利要求19所述的器件，其特征在于，所述器件，其尺寸小于2.2毫米×2.2毫米，厚度小于0.8毫米。
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