CN1550044A - 表面可装配的光耦合器预装件 - Google Patents

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Abstract

一种光耦合器预装件(30)，它包括承载衬底(32)和在承载衬底上的多个导电区域(46)。光电器件(38、40)、光透射介质(48)和多个导电结构可形成于承载衬底上。

Description

表面可装配的光耦合器预装件
发明背景
光耦合器至少包含有通过光透射介质与一光接收器件进行光耦合的光发射器件。这种结构布置使信息得以从包含有光发射器件的电路传播进入另一个含有光接收器件的电路。两电路之间保持着良好的电学隔离。由于信息是光传播越过绝缘间隙的，传输是单向的。例如，光接收器不能改变含有光发射器的线路的运行。这种特点是重要的，因为例如发射器可以由利用微处理器或逻辑门的低压路驱动，而输出光接收器则可以是高压直流或交流负载电路的一部分。光学隔离还防止相对恶劣的输出电路对输入电路造成破坏。
一种普通光耦合器预装件格式是双列直插式封装或DIP。这种预装件广泛用于容纳集成电路，也用于常规的光耦合器。通常制造的各种形式的光耦合器DIP封装是4、6、8或16脚线的。
图1所示为一常规光耦合器DIP预装件10的横截面图。所示光耦合器10具有包括引线24(a)、24(b)(即线脚)的引线框架24。光发射器12装配在一根引线24(a)上。光接收器14装配在另一根引线24(b)上。光接收器14在接收由光发射器12产生的光之后生成一电信号。光发射器12通过其下表面电连接到引线24(a)，而经导线11连接到另一引线(未示出)。同样，光接收器14通过其下表面电连接到引线24(b)，而经导线13连接到另一引线。本领域的熟练技术人员可认识到，光发射器12工作时有两个电连接：阳极和阴极。由导线11和引线24(a)提供这种连接。同样，光接收器14也以两个电连接工作，通常即发射极和集电极，由导线13和引线24(b)提供这种连接。光耦合器预装件10还包括光透射介质16。成型化合物(moldingcompound)18包封引线框架24，光发射器12、光接收器14和光透射介质16。
可以对图1示出的制造光耦合器预装件10的进行多项重要改进。例如，光耦合器预装件10需要费钱费时的过模工艺(overmolding)。在过模过程中，成型化合物18封装光耦合器预装件10的其它部分。除了过模过程本身，还要求成型材料去除过程(如去废和去边工艺)用于去除过剩的成型化合物，这样增加了光耦合器预装件构成的时间和费用。此外，为了生产不同类型的“构成因素”(如4、6、或8线脚组合件)所需要的加工要求有大的投资。因此，如果过模过程能够取消，生产光耦合器预装件的时间与成本就可以降低。
还能对光耦合器预装件进行另一些改进。光耦合器预装件10也易受热循环的影响而损坏。例如成型化合物18和光透射介质16的不同热膨胀特性使得当它们在加热和冷却时它们的膨胀与收缩率不同。成型化合物18和光透射介质16可能产生潜在的分离，这就使组合件结构变差。温度循环在某些点上也产生应力，如引线框架24脱离成型化合物18(如在点“A”处)处。应力导致引线框架24破裂或脆弱。此外，导线11、13有时经过光透射介质16和成型化合物18。光透射介质16和成型化合物18直接热膨胀特性的差异能够引起导线11、13的产生应力，可能造成它们碎裂。
也希望降低常规光耦合器预装件的高度。图1所示的光耦合器预装件10相对较高。例如，一个典型的DIP组合件的净高度约是3.5到4.0mm。希望降低光耦合器预装件高度使其具有较低轮廓。这样一来，可以制造出较小的电子元件。
本发明的实施例或分别或整体上解决所述这些和其它问题。
发明内容
本发明的实施例是针对光耦合器预装件、光耦合器组件及其制造方法。
本发明的一个实施例涉及一种光耦合器预装件，它包括：a)具有多个导电区域的承载衬底；b)承载衬底上的光发射器；c)承载衬底上的光接收器；d)置于光发射器与光接收器之间的光透射介质；和e)至少在承载衬底的部分导电区域上的多个焊料结构。
本发明的另一实施例涉及一种光耦合器预装件，它包括：a)具有多个导电区域的承载衬底；b)承载衬底上的光发射器；c)将光发射器至少连接到多个导电区域之一的第一导线；d)在承载衬底上的光接收器，其中该光接收器适于接收来自光发射器的辐射；e)将光接收器至少连接到导电区域之一的第二导线；f)置于光发射器与光接收器之上及其之间的光透射介质；和g)至少在多个导电区域中的部分导电区域之上的多个焊料结构，其中每一个焊料结构所具有的尺寸大于光接收器和光发射器的高度。
本发明的另一实施例涉及一种光耦合器装置，它包括：a)一包括第一组多个导电区域的电路基片；和b)一光耦合器预装件，它包含有(i)承载衬底，(ii)在承载衬底上的第二组多个导电区域，(iii)在承载衬底上的光接收器，(iv)在承载衬底上的光发射器；(v)置于光发射器与光接收器之间的光透射介质，和(vi)在承载衬底的第二组多个导电区域的至少部分区域上的多个焊料结构，其中该光耦合器预装件安装于该电路基片。
本发明的另一实施例涉及构造光耦合器预装件的方法，该方法包括：a)在具有多个导电区域的承载衬底上装配光发射器；b)在承载衬底上装配光接收器；c)在光接收器与光发射器之间形成光透射介质；和d)在承载衬底的至少部分导电区域上形成多个焊料结构。
本发明的另一实施例涉及构成光耦合器装置的方法，包括：a)依照上面所描述的方法形成光耦合器预装件；和b)将光耦合器预装件安装到电路基片上。
本发明的另一实施例涉及表面可装配的光耦合器预装件，包括：a)具有多个导电区域的承载衬底；b)在承载衬底上的光发射器；c)在承载衬底上的光接收器；d)置于光发射器与光接收器之间的光透射介质；和e)在承载衬底的至少部分导电区域上的多个导电结构，其中，表面可装配的光耦合器预装件能够安装到电路结构上。
以下参考附图对本发明的这些和其它实施例进行详细描述。
附图简要说明
图1所示为一种普通光耦合器预装件的侧横截面图。
图2所示为根据本发明一实施例的光耦合器预装件的平面图。
图3为图2所示光耦合器预装件中3-3线的横截面图。
图4(a)到4(d)示出用于构成本发明一实施例的光耦合器预装件的各种结构的横截面图。
图4(e)示出根据本发明一实施例的光耦合器装置。
具体实施方式
本发明一实施例涉及一种光耦合器预装件。该光耦合器预装件包括一具有多个导电区域的承载衬底。光电子器件，诸如光发射器和光接收器设在承载衬底上。光透射介质配置在光发射器和光接收器之间。焊料结构(或其它导电结构)至少在承载衬底上的部分导电区域上存在。这样得到的预装件可以翻转并安装在如电路板之类的电路基片上。焊料结构可以在电路基片与承载衬底的相对导电区域(如导电焊点)间导通。因此，本发明的一些实施例可用作球栅阵列(BGA)型的预装件。
参照各附图进行讨论的许多具体实施例使用承载衬底上的焊料结构(如焊球)。但是，可以理解，焊料结构是能够为其它合适的导电结构所替换的，包括各种导电柱(例如电镀柱体，诸如电镀铜柱)。任何合适的导电结构都可用在本发明实施例中的光耦合器预装件中将承载衬底与电路基片进行电气连接。
图2示出根据本发明一实施例的光耦合器预装件30。该光耦合器预装件30包括带有光发射器38和光接收器40的承载衬底32。在这个例子中，光发射器38和光接收器40两者可以是并排关系，且基本上是共面的。它们在承载衬底32上设置成使接收器40可接收来自发射器38的辐射。
任何合适的光电器件都能用于本发明的实施例。例如，光发射器38可以由Si或GaAs制造并发射能够被光接收器40探测到的辐射(如红外、可见光)。光发射器的一个例子是发光二极管(LED)器件。光接收器40的例子包括光电晶体管和光电探测器二极管。光接收器40也可以由半导体材料如Si来制造。
承载衬底32和光耦合器预装件30都可以有任何合适的尺寸。例如，承载衬底32的平面尺寸可以是约小于10×10mm2(3.5×3.5mm2)。当装配在电路基片上时，光耦合器预装件30的高度可以低于常规DIP型预装件的高度(例如，高度约低于3.5或3.0mm)。在一典型实施例中，当安装在电路基片上时，光耦合器预装件30的最大高度约为1.25mm(即承载衬底高度加上焊料结构高度)，甚至1.0mm。例如，承载衬底32约为0.25mm厚，而焊料结构34的高约为1.00mm，这样整个预装件高约是1.25mm。较佳的，焊料结构的高度大于光发射器和光接收器的厚度。与常规DIP型组合件相比，本发明的实施例有较低的轮廓并占据较小空间。因此，各种运用本发明实施例的电子元件都可以制造得比用常规DIP型组合件的电子元件小。
光透射介质48可以覆盖光发射器38、光接收器40和导线52。光透射介质48可以包括光学级的硅树脂模涂层材料(如“球顶”(“glob top”)型封装剂)。在某些实施例中，光透射介质48的覆盖区域可达毫米量级(如约小于1.6×1.6mm2)。
可用坝型结构36作光透射介质48的液体或半固态前体的边界。可以配置在光透射介质48周围，也置于光发射器38和光接收器403的周围连成线。坝型结构36可以留在光耦合器预装件30中或在光透射介质48形成之后除去。在其它实施例中，如果用于形成光透射介质的材料的机械属性(如表面张力和粘度)足以形成适当形状(如圆顶形)，则坝型结构就不是必需的。
多个焊料结构34配置在光发射器38和光接收器40的周围。例如，焊料结构34可以是焊料球。典型的焊球半径约为1mm量级(如0.75mm)或更小。焊料结构34实际上可以作为光发射器38和光接收器40的输入/输出端。在承载衬底32上的焊料结构34可以有任何合适的高度(pitch)。例如，在某实施例中，平均为2.5mm或更小。当承载衬底32翻转并装配在电路基片上时，焊料结构34隔开承载衬底32和电路基片(未示出)。
承载衬底32包括多个导电区域。多个导电区域包括焊料结构34下、光发射器38下及光接收器40下的导电区域(未示出)以及与光发射器38和光接收器40相邻的导电区域46。任何导电区域可以是例如由Cu、Au等形成的导电焊点。
与光发射器38和光接收器40相邻的导电区域46可以与接线52连接在一起。导线45可以用来将焊料结构34电联到导电区域46、光发射器38和光接收器40。
图2所示的实施例只不过是本发明实施例中的一例。尽管在图2中示出了导线和导电区域的特定结构布置，但可以理解，导线和导电区域可以是任何合适的尺寸并在本发明的实施例中呈现任何合适的构形。此外，尽管图2中示出的实施例有一个光发射器38、一个光接收器40和4个焊料结构34，但可以理解，在本发明的实施例中，任何合适数量的电子器件和任何合适数量的焊料结构(以任何合适的排列)都可以在光耦合器预装件中存在。
图3示出的是在图2所示光耦合器预装件的侧横截面图。如图3所示，本实施例中光透射介质48高度未超过焊料结构34(在承载衬底32的导电区域上)的高度。焊料结构34中的每一个所具有的尺寸都大于光接收器40和光发射器38的厚度。当光耦合器预装件30安装于电路基片(未示出)上时，焊料结构隔开了承载衬底32和电路基片。
形成在图2和图3中示出的光耦合器预装件30的典型方法可以参照图4(a)到4(d)进行描述。形成包括光耦合器预装件30的光耦合器装置100的典型方法可以参照4(e)进行描述。
图4(a)所示为一安装在承载衬底32的导电区域上的光发射器38。较佳地，承载衬底32包括陶瓷材料或金属化陶瓷材料。陶瓷材料有优越的结构、热导性和电绝缘特性。承载衬底32有无内部电路皆可。光接收器(在图4(a)中未示出)可以配置在光发射器38旁边。光发射器38和光接收器是可以用任何本领域熟练技术人员所熟知的合适的方式安装到承载衬底32上。
承载衬底32也可以含有一定数量的导电区域和导线，以任何合适的结构布置。在图4(a)示出的例中，某些导电区域47是在承载衬底32的边缘区域，并且是配置在光发射器32和光接收器(未示出)的周围。这些导电区域47可以是例如焊料结构将要形成于其上的导电焊点(pad)。内导电区域46也可以是导电焊点。导线52可以与内导电区域46连接，也与光发射器38连接。导电区域49也是在光发射器38下面。
图4(a)示出的结构可以以任何合适方式形成。例如，在某些实施例中，多个光发射器可以是在半导体晶片(未示出)中形成。形成光发射器之后，半导体晶片可以切成小片使用，例如锯成小方片。光发射器彼此分离开之后，单个光发射器可以以任何合适方式的装配在一片或一条承载衬底上。例如，光发射器可以通过管芯焊接(die bonded)的方式与承载衬底连接。例如，涉及环氧树脂或焊料低共熔管芯附着技术(solder eutectic die attach)的管芯焊接技术可以使用。光接收器可以用相似方式形成并连接到承载衬底上。
当光电器件，如光发射器安装到单个承载衬底上时，该承载衬底可以是片状或条带状中相连接的一定数量的承载衬底之一。片状或条带状的承载衬底中的单个承载衬底用系杆(tie bar)或其它结构连接在一起。在诸如形成坝型结构、形成光透射介质和形成焊料结构(下面将进行全面详细描述)等一个步骤或几个步骤之后，系杆可以切断(例如用切割元件，诸如切割刀片)以彼此分离成独立的承载衬底并构成单个的光耦合器预装件。为说明简便起见，图4(a)到4(d)中只示出了一个承载衬底32。可以理解，根据本发明实施例的光电预装件可以在单个承载衬底顺序制造，或者在多个承载衬底的片或条带上并列制造。
在光发射器38和光接收器安装在承载衬底32上之后，导线52(如金线)随后可以连接到光发射器38和相应的导电区域46。另一导线(未示出)可以连接到光接收器以及其相应的导电区域。这种导线连接方法是本技术领域中所周知的。例如，导线可以通过热声连接工艺与光发射器、光接收器连接或承载衬底的导电区域连接。
参照图4(b)，坝型结构51可以在承载衬底32上形成。坝型结构51可包括任何合适材料的在光发射器38和光接收器(未示出)周围形成的环。坝型结构51对于随后沉积的光透射材料或光透射材料前体物提供了实体屏障。任何合适的材料都可用于坝型结构51。在某些实施例中，用一个合适的分配器在承载衬底上围绕光发射器38和光接收器的周围沉积出一环氧树脂材料的闭合几何图形(如一个环)。然后可将环氧树脂固化。
参照图4(c)，坝型结构51形成之后，可以在坝型结构51之内形成光透射材料48。光透射材料前体诸如象硅树脂液或凝胶可以使用合适的分配器沉积到承载衬底32上并使其在坝型结构51之内。例如，所谓分配器可以是能分配液态硅树脂于承载衬底32上的针头。坝型结构51防止光透射材料前体物向外流动，并形光透射材料前体的边界，使其不能到达外部的导电区域47。光透射材料前体沉积在承载衬底32上之后，所沉积的硅树脂液随后固化(如，加热固化)成固体状态，以形成光透射材料48。
在光透射材料48固化之后，一定数量的焊料结构34可以在外导电区域47形成。例如，焊料结构可包括标准的锡/铅焊料(如63/37)。焊料结构34可以任何合适方式形成。例如，焊料结构34可以通过焊膏沉积在导电区域47上形成(如用模板(stencilling))。焊膏沉积在导电区域后，焊膏可回流(reflow)成为焊料球。在可供选择的实施例中，焊料结构可采用将预成形的焊料球放置到并结合在导电区域47上的方式形成。
尽管参照图4(a)到4(d)按特定次序对工艺步骤进行了描述，但可以理解，本发明实施例并不限于所讨论的特定次序。例如，在有些实施例中，在承载衬底上光透射介质之前，可以先在承载衬底上构成焊料结构。
参照图4(e)，在承载衬底32的导电区域47上形成焊料结构34之后，所形成的光耦合器预装件30可以翻转并装配在电路基片57的表面上，从而构成光耦合器装置100。焊料结构34可与电路基片57的导电区域59对准以使承载衬底32与电路基片57连接。例如，电路基片57可以是印刷电路板。
在所说明的实施例中，光透射介质48与电路基片57之间存在着间隙。间隙可以是没有任何材料的空间。有利的是，该空间容许光透射介质48在热循环过程中自由的膨胀或收缩。例如，在光耦合器预装件30的制造过程中，光透射介质48可能要有加热与冷却过程，例如在焊料回流过程中。而且，当光耦合器预装件30是在光耦合器装置100之内时，其中采用了光耦合器装置100的电子器件在工作时，光耦合器预装件30可能承受各种加热与冷却循环过程。。在这两情况中，光透射介质48能自由膨胀与收缩，而不受过度成型(overmolding)的实际限制。在本预装件中产生的应力较小。这样得到更可靠的预装件。
在其它实施例中，光透射介质48与电路基片47之间的间隙可以用某种材料充满。例如，一种非反射材料可填入空隙中以减少来自电路基片57中任何电路(未示出)的光发射器的辐射的潜在反射。作为替换，可以在光透射介质48上涂反射材料以助于使所发射的所有辐射保持在光透射介质48内。这类反射涂层可包括二氧化钛等材料。
在本方法中适当的时候，对光耦合器预装件或半成品可以进行测试、分割和封装。在分割过程中，承载衬底32如果是片装或条带状的多个承载衬底的之一(例如单片陶瓷或陶瓷条)则可通过切割而与其它承载衬底分离。
本发明的实施例除了上述说明的优点之外，还有许多其它优点。例如，由于本发明实施例不需要成型化合物和插脚，与插脚和连接导线的不当应力相联系的各种问题被消除或减少。此外，利用成型材料的过度型过程在本发明实施例中是不需要的。消除过度成型以及与过成型工艺相关联的处理就降低了生产成本和生产时间。这进而使预装件的成本降低。此外，由于本发明实施例不需要使用成型材料和插脚，就不需要对于不同型式的光耦合器预装件(如4脚、6脚、8脚等等)做专用模具。这就减少了维持各种“构成因素”的许多不同光耦合器预装件专门加工的需要。此外，在本发明的实施例中，承载衬底可以提供所需标记，按需要保存在仓库中。最后，当光耦合器预装件安装在电路基片上时，光耦合器预装件比常规的光耦合器预装件有较低的轮廓。因此，运用本发明实施例可以制造比用普通DIP型光耦合器预装件小的电子元件。
尽管以上涉及的是本发明的某些较佳实施例，但是可以设计出其它的和进一步的本发明实施例而不会脱离本发明的基本范围。这种替换性实施例要包括在本发明范围之内。此外，本发明的一个或多个实施例的一个或多个特征可以和本发明其它的实施例的一个或多个特征进行组合，而不脱离本发明的范围。

Claims (20)

1.一种光耦合器预装件，其特征在于，它包括：
a)具有多个导电区域的承载衬底；
b)承载衬底上的光发射器；
c)承载衬底上的光接收器；
d)置于光发射器和光接收器之间的光透射介质；和
e)在至少部分承载衬底导电区域上的多个焊料结构。
2.如权利要求1所述的光耦合器预装件，其特征在于，还包括：
配置于承载衬底上光发射器及光接收器周围的坝型结构。
3.如权利要求1所述的光耦合器预装件，其特征在于，多个焊料结构中的每一个焊料结构的尺寸大于发射器和光接收器的厚度。
4.如权利要求1所述的光耦合器预装件，其特征在于，还包括：
光透射介质上的反射涂层。
5.如权利要求1所述的光耦合器预装件，其特征在于，还包括：
将光发射器与多个导电区域之一连接的第一导线，以及
将光接收器与承载衬底上的多个导电区域之一连接的第二导线。
6.一种光耦合器预装件，其特征在于，它包括：
a)具有多个导电区域的承载衬底；
b)承载衬底上的光发射器；
c)将所述光发射器连接到所述多个导电区域中至少之一的第一导线；
d)承载衬底上的光接收器，其中所述光接收器适于接收来自光发射器的辐射；
e)将所述光接收器连接到至少所述导电区域之一的第二导线；
f)设置于光发射器与光接收器上及其之间的光透射介质；和
g)在多个导电区域中的至少部分导电区域上的多个焊料结构，其中，每一个焊料结构具有的尺寸大于光接器和光发射器的厚度。
7.如权利要求6所述的光耦合器预装件，其特征在于，所述光透射介质包括硅树脂。
8.如权利要求6所述的光耦合器预装件，其特征在于，所述多个焊料结构设置在光发射器、探测器元件和光透射介质的周围。
9.如权利要求6所述的光耦合器预装件，其特征在于，所述承载衬底包括陶瓷材料。
10.一种光耦合器装置，其特征在于，它包括：
a)电路基片，它包括第一组多个导电区域；和
b)光耦合器预装件，它包括(i)承载衬底，(ii)在承载衬底上的第二组多个导电区域，(iii)在承载衬底上的光接收器，(iv)在承载衬底上的光发射器；(v)置于光发射器与光接收器之间的光透射介质，(vi)在承载衬底的第二组多个导电区域的至少部分区域上的多个焊料结构，
其中所述光耦合器预装件安装于所述电路基片上。
11.如权利要求10所述的光耦合器装置，其特征在于，所述光透射介质与承载衬底之间存在间隙。
12.一种形成光耦合器预装件的方法，其特征在于，它包括：
a)将光发射器装配到带有多个导电区域的承载衬底上；
b)将光接收器装配到承载衬底上；
c)在光发射器和光接收器上形成光透射介质；和
d)在承载衬底的至少部分导电区域上形成多个焊料结构。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个焊料结构包括焊球。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，形成所述多个焊料结构包括：
至少在承载衬底的部分导电区域上沉积多个焊料沉积物；以及
使所述焊料沉积物回流。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，d)步骤在c)步骤之后执行。
16.一种形成光耦合器装置的方法，其特征在于，它包括：
a)依照权利要求12所述的方法形成光耦合器预装件；以及
b)将光耦合器预装件安装于电路基片上。
17.一种表面可装配的光耦合器预装件，其特征在于，包括：
a)具有多个导电区域的承载衬底；
b)承载衬底上的光发射器；
c)承载衬底上的光接收器；
d)置于光发射器与光接收器之间的光透射介质；和
e)在至少部分承载衬底导电区域上的多个导电结构，
其中所述表面可装配光耦合器预装件能够安装于线路结构上。
18.如权利要求17所述的表面可装配光耦合器预装件，其特征在于，所述多个导电结构包括多个导电柱。
19.如权利要求17所述的表面可装配光耦合器预装件，其特征在于，所述线路结构是印刷电路板。
20.如权利要求17所述的表面可装配光耦合器预装件，其特征在于，多个导电结构中每一个的高度都大于光发射器和光接收器的高度。
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