CN105513975A - 易扩展的集成式光电耦合器及其制作方法 - Google Patents

易扩展的集成式光电耦合器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种易扩展的集成式光电耦合器，所述集成式光电耦合器由LED发光器件和硅基光敏二极管组成；所述硅基光敏二极管的光敏区表面设置有光耦合介质层，光敏区边沿的光耦合介质层表面设置有金属布线层，光敏区中部的光耦合介质层表面设置有金属焊盘，金属焊盘和金属布线层之间通过一窄条形的连接金属层连接，连接金属层设置于光耦合介质层表面；所述金属焊盘与位于LED发光器件上发光区中部的LED阳极焊接固定。本发明的有益技术效果是：提出了一种新结构的光电耦合器，该光电耦合器的光传输结构的尺寸十分小，器件在相应方向上的物理尺寸也大幅缩减。

Description

易扩展的集成式光电耦合器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种光电耦合器，尤其涉及一种易扩展的集成式光电耦合器及其制作方法。
背景技术
光电耦合器是一种重要的光电器件，其具有寿命长、无触点、抗干扰能力强、可靠性好、耐冲击等优点，广泛应用于逻辑开关、数模转换等电路中，以替代继电器、变压器、斩波器等元器件；
随着大容量数字通信技术的快速普及，对各类微处理机和终端进行小型化、便携化改造已成为主流发展趋势，为了适应这种发展趋势，工程界对光电耦合器也提出了更高的技术要求，即要求光电耦合器具备更高的集成度和更小的体积。
现有技术中，光电耦合器常用的传输结构一般有平面结构和轴向结构两种，受限于自身结构特性，采用现有传输结构的光电耦合器在小型化方面存较大的技术难度：
参见图1，图中示出了一种典型的平面结构，该平面结构的内包封采用硅树脂层和薄反射胶层的双层结构；从器件性能方面考虑，为了减少反射传输时的光损失以及提供足够的隔离耐压，要求硅树脂层既要具有良好的光学传输性能（即要求硅树脂层无色、透明、无杂质），又要具有较高的介电系数；从工艺性方面考虑，为了保证内包封表面平滑，硅树脂层和薄反射胶层均需要采用点胶工艺制作，而且要求用于形成内包封的材料都要有较好的流动性、适当的吸附能力和表面张力；此外，封装过程还需要用到价格昂贵的铸模成型工艺，并且存在引脚需整形等问题；为了实现前述平面结构的小型化，只能是缩小内包封的外形尺寸，不可避免地要影响到光信号在其中的反射损失，同时内部空间的缩小也要求芯片的键合金丝弧度要更低，以避免破坏内包封表面的完整性，另外，随着尺寸的缩小，点胶工艺的工艺难度也会大幅增加，这些限制条件都增加了平面结构小型化的难度，此外，平面结构要实现多路并行传输，只能采取增加内包封腔的方式，尺寸要显著增大。
参见图2，图中示出了一种典型的轴向结构，轴向结构小型化的方向是减小发光器件和光接收器件的轴向距离，但这同样面临着两方面工艺难题，首先，由于键合金丝弧度的限制，为保证隔离耐压，发光器件和光接收器件的距离不可能太短，其次，发光器件和光接收器件安装到各自引线框架后，还需点焊到一起（便于后续铸模成型），随着尺寸的缩小，工艺难度将大幅提高。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种易扩展的集成式光电耦合器，其结构为：所述集成式光电耦合器由LED发光器件和硅基光敏二极管组成；所述硅基光敏二极管的光敏区表面设置有光耦合介质层，光敏区边沿的光耦合介质层表面设置有金属布线层，光敏区中部的光耦合介质层表面设置有金属焊盘，金属焊盘和金属布线层之间通过一窄条形的连接金属层连接，连接金属层设置于光耦合介质层表面；所述金属焊盘与位于LED发光器件上发光区中部的LED阳极焊接固定（通过在金属布线层上设置外接引线，就能将驱动信号传输至LED阳极）。
本发明的原理是：为了使光电耦合器的尺寸小型化，最直接的途径就是缩小光传输结构的物理尺寸，但在缩小光传输结构时，需要考虑到器件的电隔离、光传输损耗和工艺性等问题，为此发明人进行了大量的研究，并发现，现有的苯丙环丁烯材料既具有很好的光学传输特性（对840nm波长光信号的传输损耗仅为0.80dB/cm，对入射光的折射率约为1.544）又具有较高的单位长度击穿电压（5.3×106V/cm），而且苯丙环丁烯虽然是有机材料，但其固化后的物理性质接近无机介质，强度高，热稳定性良好，并且与硅材料的匹配较好（现有技术中常将苯丙环丁烯用于制作集成电路多层布线结构中的介质隔离层和芯片外部钝化层），基于苯丙环丁烯的种种特性，于是本发明便应运而生了，采用本发明方案后，光电耦合器上的LED发光器件和硅基光敏二极管之间的距离十分小，几乎已经达到了现有技术条件下器件尺寸缩减的极限，大大的提高了光电耦合器的小型化程度。
优选地，所述光耦合介质层由苯丙环丁烯固化而得。
优选地，金属焊盘和LED发光器件焊接之前，所述金属焊盘表面预设有金属焊料球，所述LED阳极通过金属焊料球与金属焊盘焊接固定。金属焊料球能有效增加金属焊盘处的焊料体积，使LED阳极和金属焊盘之间的焊接牢固性和电气性能得到有效保证。
优选地，所述硅基光敏二极管和LED发光器件之间还设置有多个辅助焊接点，多个辅助焊接点位于金属焊盘的周围；在辅助焊接点处，LED发光器件表面和光耦合介质层表面之间直接通过金属焊料焊接。辅助焊接点能够对金属焊盘外围的空隙起到填充支撑作用，以进一步增加器件的结构稳定性。
优选地，所述硅基光敏二极管硅基PIN光电二极管、NPN型光敏晶体管或光敏达灵顿管，所述LED发光器件采用异质结的面发射发光二极管芯片。
基于前述结构方案，本发明还提出了一种易扩展的集成式光电耦合器的制作工艺，其步骤为：1）预制LED发光器件和硅基光敏二极管；
2）采用旋涂工艺，在硅基光敏二极管的光敏区表面涂覆苯丙环丁烯，采用热处理工艺使苯丙环丁烯固化成膜，形成光耦合介质层；
3）采用干法刻蚀工艺在光耦合介质层上刻蚀出与硅基光敏二极管上的电极孔匹配的通孔；
4）采用电子束蒸发工艺，在光耦合介质层表面形成金属层；
5）采用光刻工艺，在金属层上光刻出金属布线层、金属焊盘、连接金属层和光敏二极管电极；
6）采用倒装焊工艺，将金属焊盘与位于LED发光器件上发光区中部的LED阳极焊接固定，器件制作完成。
优选地，步骤6）中，在进行焊接操作时，所述硅基光敏二极管和LED发光器件之间还设置有多个辅助焊接点，多个辅助焊接点位于金属焊盘的周围；在辅助焊接点处，LED发光器件表面和光耦合介质层表面之间直接通过金属焊料焊接。
优选地，步骤6）中，在进行焊接操作之前，预先在金属焊盘表面设置一金属焊料球，然后再进行焊接操作。
优选地，所述硅基光敏二极管硅基PIN光电二极管、NPN型光敏晶体管或光敏达灵顿管，所述LED发光器件采用异质结的面发射发光二极管芯片。
本发明的有益技术效果是：提出了一种新结构的光电耦合器，该光电耦合器的光传输结构的尺寸十分小，器件在相应方向上的物理尺寸也大幅缩减。
附图说明
图1、现有的采用平面结构的光电耦合器原理示意图；
图2、现有的采用轴向结构的光电耦合器原理示意图；
图3、本发明的原理示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：LED发光器件1、硅基光敏二极管2、光耦合介质层3、金属布线层4、金属焊盘5、金属焊料球6、发光器件A、光接收器件B、金属引线C。
具体实施方式
一种易扩展的集成式光电耦合器，其创新在于：所述集成式光电耦合器由LED发光器件1和硅基光敏二极管2组成；所述硅基光敏二极管2的光敏区表面设置有光耦合介质层3，光敏区边沿的光耦合介质层3表面设置有金属布线层4，光敏区中部的光耦合介质层3表面设置有金属焊盘5，金属焊盘5和金属布线层4之间通过一窄条形的连接金属层连接，连接金属层设置于光耦合介质层3表面；所述金属焊盘5与位于LED发光器件1上发光区中部的LED阳极焊接固定。
进一步地，所述光耦合介质层3由苯丙环丁烯固化而得。
进一步地，金属焊盘5和LED发光器件1焊接之前，所述金属焊盘5表面预设有金属焊料球6，所述LED阳极通过金属焊料球6与金属焊盘5焊接固定。
进一步地，所述硅基光敏二极管2和LED发光器件1之间还设置有多个辅助焊接点，多个辅助焊接点位于金属焊盘5的周围；在辅助焊接点处，LED发光器件1表面和光耦合介质层3表面之间直接通过金属焊料焊接。
进一步地，所述硅基光敏二极管2硅基PIN光电二极管、NPN型光敏晶体管或光敏达灵顿管，所述LED发光器件1采用异质结的面发射发光二极管芯片。
一种易扩展的集成式光电耦合器的制作工艺，其创新在于：1）预制LED发光器件1和硅基光敏二极管2；
2）采用旋涂工艺，在硅基光敏二极管2的光敏区表面涂覆苯丙环丁烯，采用热处理工艺使苯丙环丁烯固化成膜，形成光耦合介质层3；
3）采用干法刻蚀工艺在光耦合介质层3上刻蚀出与硅基光敏二极管2上的电极孔匹配的通孔；
4）采用电子束蒸发工艺，在光耦合介质层3表面形成金属层；
5）采用光刻工艺，在金属层上光刻出金属布线层4、金属焊盘5、连接金属层和光敏二极管电极；
6）采用倒装焊工艺，将金属焊盘5与位于LED发光器件1上发光区中部的LED阳极焊接固定，器件制作完成。
进一步地，步骤6）中，在进行焊接操作时，所述硅基光敏二极管2和LED发光器件1之间还设置有多个辅助焊接点，多个辅助焊接点位于金属焊盘5的周围；在辅助焊接点处，LED发光器件1表面和光耦合介质层3表面之间直接通过金属焊料焊接。
进一步地，步骤6）中，在进行焊接操作之前，预先在金属焊盘5表面设置一金属焊料球6，然后再进行焊接操作。
进一步地，所述硅基光敏二极管2硅基PIN光电二极管、NPN型光敏晶体管或光敏达灵顿管，所述LED发光器件1采用异质结的面发射发光二极管芯片。
参见图3，图中示出了本发明的一种具体实施例，LED阳极通过金属焊盘5、连接金属层与金属布线层4相连，金属布线层4通过外接引线与左侧的引脚连通，LED阴极直接通过金属引线与左侧的另一引脚连通；整个光电耦合器封装在壳体内，得益于本发明对光电耦合器尺寸的缩减效果，器件的封装高度可以控制在1.4mm以内，相比于现有的光电耦合器，本发明可以使器件的尺寸大幅缩减，十分适合小型化的需求。

Claims (9)

1.一种易扩展的集成式光电耦合器，其特征在于：所述集成式光电耦合器由LED发光器件（1）和硅基光敏二极管（2）组成；所述硅基光敏二极管（2）的光敏区表面设置有光耦合介质层（3），光敏区边沿的光耦合介质层（3）表面设置有金属布线层（4），光敏区中部的光耦合介质层（3）表面设置有金属焊盘（5），金属焊盘（5）和金属布线层（4）之间通过一窄条形的连接金属层连接，连接金属层设置于光耦合介质层（3）表面；所述金属焊盘（5）与位于LED发光器件（1）上发光区中部的LED阳极焊接固定。
2.根据权利要求1所述的易扩展的集成式光电耦合器，其特征在于：所述光耦合介质层（3）由苯丙环丁烯固化而得。
3.根据权利要求1所述的易扩展的集成式光电耦合器，其特征在于：金属焊盘（5）和LED发光器件（1）焊接之前，所述金属焊盘（5）表面预设有金属焊料球（6），所述LED阳极通过金属焊料球（6）与金属焊盘（5）焊接固定。
4.根据权利要求1所述的易扩展的集成式光电耦合器，其特征在于：所述硅基光敏二极管（2）和LED发光器件（1）之间还设置有多个辅助焊接点，多个辅助焊接点位于金属焊盘（5）的周围；在辅助焊接点处，LED发光器件（1）表面和光耦合介质层（3）表面之间直接通过金属焊料焊接。
5.根据权利要求1所述的易扩展的集成式光电耦合器，其特征在于：所述硅基光敏二极管（2）硅基PIN光电二极管、NPN型光敏晶体管或光敏达灵顿管，所述LED发光器件（1）采用异质结的面发射发光二极管芯片。
6.一种易扩展的集成式光电耦合器的制作工艺，其特征在于：1）预制LED发光器件（1）和硅基光敏二极管（2）；
2）采用旋涂工艺，在硅基光敏二极管（2）的光敏区表面涂覆苯丙环丁烯，采用热处理工艺使苯丙环丁烯固化成膜，形成光耦合介质层（3）；
3）采用干法刻蚀工艺在光耦合介质层（3）上刻蚀出与硅基光敏二极管（2）上的电极孔匹配的通孔；
4）采用电子束蒸发工艺，在光耦合介质层（3）表面形成金属层；
5）采用光刻工艺，在金属层上光刻出金属布线层（4）、金属焊盘（5）、连接金属层和光敏二极管电极；
6）采用倒装焊工艺，将金属焊盘（5）与位于LED发光器件（1）上发光区中部的LED阳极焊接固定，器件制作完成。
7.根据权利要求6所述的易扩展的集成式光电耦合器的制作工艺，其特征在于：步骤6）中，在进行焊接操作时，所述硅基光敏二极管（2）和LED发光器件（1）之间还设置有多个辅助焊接点，多个辅助焊接点位于金属焊盘（5）的周围；在辅助焊接点处，LED发光器件（1）表面和光耦合介质层（3）表面之间直接通过金属焊料焊接。
8.根据权利要求6或7所述的易扩展的集成式光电耦合器的制作工艺，其特征在于：步骤6）中，在进行焊接操作之前，预先在金属焊盘（5）表面设置一金属焊料球（6），然后再进行焊接操作。
9.根据权利要求6所述的易扩展的集成式光电耦合器的制作工艺，其特征在于：所述硅基光敏二极管（2）硅基PIN光电二极管、NPN型光敏晶体管或光敏达灵顿管，所述LED发光器件（1）采用异质结的面发射发光二极管芯片。
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