CN103391077A - 一种三维集成固体继电器 - Google Patents

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张有润
孙成春
刘影
吴浩然
张波
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Abstract

本发明公开了一种集成度较高、可靠性较好的三维集成固体继电器。该三维集成固体继电器，包括集成于同一衬底上的光电池阵列、控制电路和输出端功率半导体器件，所述控制电路和输出端功率半导体器件集成在衬底的正面，光电池阵列集成在衬底的背面，所述光电池阵列通过金属引线与控制电路连接。通过将控制电路和输出端功率半导体器件集成在衬底的正面，光电池阵列集成在衬底的背面，三维集成的方式有效利用了芯片背面的面积，节省了芯片面积，可以大大提高芯片的集成度，而且将光电池阵列、控制电路和输出端功率半导体器件集成于同一衬底上，减小了封装的难度和寄生效应，有效提高了继电器的可靠性，适合在电力电子技术领域推广应用。

Description

一种三维集成固体继电器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三维集成固体继电器。
背景技术
固体继电器（Solid State Relays,SSR）是一种由微电子电路，分立器件及电力电子功率器件构成的无触点电子开关，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体元件)的开关特性，输出端采用无触点大功率输出电路，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。输入信号（控制端）和输出信号（受控端）采用光电隔离电路，既保证了输入与输出互不干扰，又可以利用几毫安的微小信号控制大功率负载的启动与关断，达到“弱电”控制“强电”的目的。固态继电器运行时无火花、无噪音、无污染、不产生电磁干扰，比电磁继电器具有开关速度快、体积小、寿命长、耐震、耐腐蚀、防潮、防腐、输出端在接通瞬间无震颤现象等优点。
传统的固体继电器将光电池阵列和控制电路进行单片集成，再由金属引线通过输出端口连接功率器件，然后进行多芯片封装，这种非单片集成增加了焊盘电容和连接线电感，降低芯片的开关速度，同时增加了封装难度；随后出现了将光电池阵列，控制电路和功率器件进行单片集成，单片集成有效减少了寄生效应和封装难度。但这种将光电池阵列，控制电路和功率器件集成在同一个平面内的方式需要的芯片面积较大，特别是光电池阵列占据了芯片面积的较大比例；另外，由于光电池阵列，控制电路和功率器件分布在较大的面积内，芯片内部金属互连线会变得较长，引起了互连的困难和开关的延迟，并且使芯片的功耗增大。
美国专利号4804866介绍了一种光MOS继电器，其控制电路由N沟道JFET（常闭器件）、二极管及NPN三极管、二极管、电阻组合而成，工艺上其采用的是V型槽隔离方法实现了光伏二极管阵列与控制电路的单片平面集成，很好的实现了固体继电器的控制功能。类似专利还有美国专利号5151602、美国专利号5278422和公开号CN1728553A等等，其共同点是采用V型槽隔离方式将光伏二极管阵列与控制电路单片集成，控制电路的输出端口再外接单片功率MOS元件的栅源端。并最终将LED、光伏二极管阵列与控制电路芯片和功率MOS芯片进行共同封装。多芯片增加了封装的难度，增加了引线的长度，增加了功耗和延迟；并且由于控制电路和功率MOS元件的非单片集成增加了寄生效应，降低了整个元件的可靠性。
中国专利申请号201210529537.8介绍了一种运用V型槽隔离方式，同时将光伏二极管阵列与控制电路和功率器件进行单片集成，降低了控制电路和功率MOS元件的非单片集成增加的寄生效应，但该固体继电器采用平面集成的方式，同时将光伏二极管阵列与控制电路及功率器件集成在同一个平面内，这样会占用较大的芯片面积，芯片集成度不高；同时需要较长的金属引线，增大了功耗和延迟。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种集成度较高、可靠性较好的三维集成固体继电器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该三维集成固体继电器，包括集成于同一衬底上的光电池阵列、控制电路和输出端功率半导体器件，所述光电池阵列将光信号转换成电信号并将电信号提供给控制电路，所述控制电路根据输入的电信号控制输出端功率半导体器件的开关；所述控制电路由若干个三极管、若干个二极管以及若干个阻抗元件组合而成，每个三极管、每个二极管以及每个阻抗元件均单独处于衬底的一个V型槽内；所述输出端功率半导体器件单独处于衬底的V型槽内；所述光电池阵列由若干个光伏电池串联而成，所述每个光伏电池均单独处于衬底的一个V型槽内，所述控制电路和输出端功率半导体器件集成在衬底的正面，光电池阵列集成在衬底的背面，所述光电池阵列通过金属引线与控制电路连接。
进一步的是，所述衬底上设置有硅通孔，所述金属引线设置在硅通孔内。
进一步的是，所述硅通孔的内壁上淀积有SiO2绝缘层。
进一步的是，所述金属引线与SiO2绝缘层之间沉积有金属粘附层。
进一步的是，在金属粘接层围成的通孔内填注金属形成所述的金属引线。
进一步的是，所述光伏电池为多晶硅光伏电池。
进一步的是，所述多晶硅光伏电池表面设置有抗反射层。
进一步的是，所述输出端功率半导体器件为横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管或横向绝缘栅双极型晶体管。
本发明的有益效果：通过将控制电路和输出端功率半导体器件集成在衬底的正面，光电池阵列集成在衬底的背面，三维集成的方式有效利用了芯片背面的面积，节省了芯片面积，可以大大提高芯片的集成度，而且本发明将光电池阵列、控制电路和输出端功率半导体器件集成于同一衬底上，集成功率器件的三维集成固体继电器减小了封装的难度和寄生效应，有效地提高了继电器的可靠性。
附图说明
图1是本发明三维集成固体继电器的版图示意图；
图中标记说明：衬底1、光电池阵列2、控制电路3、输出端功率半导体器件4、金属引线5、硅通孔6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，该三维集成固体继电器，包括集成于同一衬底1上的光电池阵列2、控制电路3和输出端功率半导体器件4，所述光电池阵列2将光信号转换成电信号并将电信号提供给控制电路3，所述控制电路3根据输入的电信号控制输出端功率半导体器件4的开关；所述控制电路3由若干个三极管、若干个二极管以及若干个阻抗元件组合而成，每个三极管、每个二极管以及每个阻抗元件均单独处于衬底1的一个V型槽内；所述输出端功率半导体器件4单独处于衬底1的V型槽内；所述光电池阵列2由若干个光伏电池串联而成，所述每个光伏电池均单独处于衬底1的一个V型槽内，所述控制电路3和输出端功率半导体器件4集成在衬底1的正面，光电池阵列2集成在衬底1的背面，所述光电池阵列2通过金属引线5与控制电路3连接。通过将控制电路3和输出端功率半导体器件4集成在衬底1的正面，光电池阵列2集成在衬底1的背面，三维集成的方式有效利用了芯片背面的面积，节省了芯片面积，可以大大提高芯片的集成度，而且本发明将光电池阵列2、控制电路3和输出端功率半导体器件4集成于同一衬底1上，集成功率器件的三维集成固体继电器减小了封装的难度和寄生效应，有效地提高了继电器的可靠性。
为了减小金属引线5的长度，从而降低功耗、降低芯片的延迟，提高固体继电器的可靠性，所述衬底1上设置有硅通孔6，所述金属引线5设置在硅通孔6内，硅通孔6作为连接光电池阵列2和控制电路3的引线通道，大大缩小了了金属引线5的长度，硅通孔6通常采用硅通孔技术（TSV）制作而成。
为了防止金属引线5与衬底1接触产生寄生效应或漏电，所述硅通孔6的内壁上淀积有SiO2绝缘层。进一步的是，所述金属引线5与SiO2绝缘层之间沉积有金属粘附层，通过金属粘接层可以将金属引线5固定在SiO2绝缘层表面，可以提高固体继电器的安全性和使用寿命。为了便于加工制作金属引线5，本发明采用如下方式：在金属粘接层围成的通孔内填注金属形成所述的金属引线5。
另外，为了降低成本，所述光伏电池采用多晶硅光伏电池，多晶硅光伏电池加工方便，制造成本低，可大大降低整个固体继电器的成本。
为了提高光功率，所述多晶硅光伏电池表面设置有抗反射层。
为了可以控制微弱的电压或者模拟信号，所述输出端功率半导体器件4为横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管或横向绝缘栅双极型晶体管。

Claims (8)

1.一种三维集成固体继电器，其特征在于：包括集成于同一衬底（1）上的光电池阵列（2）、控制电路（3）和输出端功率半导体器件（4），所述光电池阵列（2）将光信号转换成电信号并将电信号提供给控制电路（3），所述控制电路（3）根据输入的电信号控制输出端功率半导体器件（4）的开关；所述控制电路（3）由若干个三极管、若干个二极管以及若干个阻抗元件组合而成，每个三极管、每个二极管以及每个阻抗元件均单独处于衬底（1）的一个V型槽内；所述输出端功率半导体器件（4）单独处于衬底（1）的V型槽内；所述光电池阵列（2）由若干个光伏电池串联而成，所述每个光伏电池均单独处于衬底（1）的一个V型槽内，所述控制电路（3）和输出端功率半导体器件（4）集成在衬底（1）的正面，光电池阵列（2）集成在衬底（1）的背面，所述光电池阵列（2）通过金属引线（5）与控制电路（3）连接。
2.如权利要求1所述的一种三维集成固体继电器，其特征在于：所述衬底（1）上设置有硅通孔（6），所述金属引线（5）设置在硅通孔（6）内。
3.如权利要求2所述的一种三维集成固体继电器，其特征在于：所述硅通孔（6）的内壁上淀积有SiO2绝缘层。
4.如权利要求3所述的一种三维集成固体继电器，其特征在于：所述金属引线（5）与SiO2绝缘层之间沉积有金属粘附层。
5.如权利要求4所述的一种三维集成固体继电器，其特征在于：在金属粘接层围成的通孔内填注金属形成所述的金属引线（5）。
6.根据权利要求1至5中任意一项权利要求所述的一种三维集成固体继电器，其特征在于：所述光伏电池为多晶硅光伏电池。
7.如权利要求6所述的一种三维集成固体继电器，其特征在于：所述多晶硅光伏电池表面设置有抗反射层。
8.如权利要求7所述的一种三维集成固体继电器，其特征在于：所述输出端功率半导体器件（4）为横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管或横向绝缘栅双极型晶体管。
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