CN1881552A - 制造光耦合器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有设置在单个硅衬底上的多个光电耦合器的多通道单片芯片，其被安装在绝缘衬底上，通过在构成光电耦合器的发光元件和光接收元件之间进行切割来形成第一切槽，将透明绝缘树脂填充到第一切槽内并然后通过在相邻光电耦合器之间进行切割来形成第二切槽，发光元件和光接收元件的每个利用键合线与外部端子相连，并且利用遮光树脂模制整个绝缘衬底。

Description

制造光耦合器的方法
技术领域
本发明涉及一种多通道光耦合器(multichannel optocoupler)，其具有多个包含发光元件和光接收元件对(pair)的光电耦合器(photo-coupler)。
背景技术
通常，光电耦合器的主要应用的实例包括用作“开关式电源”以及“工厂自动化(以下称作“FA”)装置的通信接口”。
对于开关式电源电路，用作一次侧和二次侧之间电绝缘的光电耦合器是排在变压器和电容器之后的第三大的元件，所以其装配区域以及高度倾向于是大的。
由于近年来出现了高频绝缘栅双极晶体管(以下称作“IGBT”)元件和其他元件，电容器和变压器的元件尺寸已经不断减小，预期存在开关式电源电路尺寸减小的需求。
同样，在用于FA装置的通信接口的高速通信的光电耦合器中，每个安装衬底(mounting substrate)的节点数量大，从而需要在有限安装区域内容纳大量通道。
另外，为了稳定高速通信，必须改善响应延迟时间以及PWD(脉冲宽度失真)的精度。为实现上述目的，安装过程要求发光元件和光接收元件的高度准确而可靠的相对定位，发光元件与光接收元件在光电耦合器中绝缘且分离。
此外，在实现上述目的过程中，期望高密度封装的安装尽可能简单和容易。
已知的光电耦合器包括其中在单片芯片上集成有GaAs和Si(例如，参见S48-46278A)的光电耦合器以及其中利用GaAlAs衬底通过光刻方法和蚀刻形成绝缘部分的光电耦合器(例如，参见H6-5906A)。
已经考虑具有这种光电耦合器的多通道形式的装置(例如参见H7-312443A)。以上提到的H7-312443A中所描述的半导体装置使用基于TiO2的绝缘光波导，并在加工方面具有非常复杂的结构。
在以上提到的H7-312443A中所描述的常规实例中，通过复杂和繁琐的半导体工艺形成用于防止相邻光电耦合器(通道)之间串扰的结构，而这使得生产成本急剧增加。
一方面，构成光电耦合器的发光元件和光接收元件之间相对位置关系的准确度越高，获得的电特性就越稳定。另一方面，如果能充分限制相邻通道之间的串扰，上述发光元件和光接收元件对之间相对位置关系的高准确度就不是必需的。为此，本发明的发明人认为上面提到的常规实例中所描述的半导体工艺的使用是不必要的，并得到了本发明。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够在制造多通道光耦合器的方法中以简单的方式和低成本充分抑制相邻通道中间的串扰。
在本发明的一个方面，用于制造具有其中每个包括一对发光元件和光接收元件的多个光电耦合器的光耦合器的方法，包括：在绝缘衬底上安装多通道单片芯片(monolithic chip)的步骤，所述芯片具有形成在单个半导体衬底上的多个光电耦合器；通过在发光元件和光接收元件之间切割第一切槽(cutgroove)使发光元件和光接收元件绝缘和分离的步骤，上述发光元件和光接收元件构成了绝缘衬底上芯片内的光电耦合器；将透明绝缘树脂填充到第一切槽内的步骤；通过在相邻光电耦合器之间切割第二切槽分离各个光电耦合器的步骤；以及利用键合线(bonding wire)将每个发光元件和每个光接收元件连接到外部端子并利用遮光树脂(light blocking resin)模制整个绝缘衬底的步骤。
在此情况中，由于使用诸如切割的机械处理，减少了步骤的数量并相比于传统实例中所使用的光刻或蚀刻方法能够消除对微加工的需要。这简化了操作并提高了操作效率，并因此显著地降低了生产成本。
在上述用于制造光耦合器的方法中，第二切槽的深度可被设定为未到达芯片底面的深度。
在此情况中，可在多通道光接收元件之间共享发射极的电势或地电压。
在上述用于制造光耦合器的方法中，第二切槽的深度可被设定为到达绝缘衬底内的深度。
在此情况中，能够更有效地抑制相邻通道之间的串扰。
另外，已经接地的包含透明导电材料的导体可设置在光接收元件的光接收表面上。
在此情况中，由于发光元件和光接收元件之间的突然电势改变所产生的电荷在不通过光接收元件的情况下可逃逸到外部，所以能够实现良好的噪声耐量(noise tolerance)，换句话说，能够改善光电耦合器的CMR特性。这样能够防止由于发光元件和光接收元件之间的电势改变所引起的误动作。此外，由于导体是透明的，具有提高光信号从发光元件到光接收元件的透射率的优点。
此外，当填充遮光树脂时，填充方向可以是沿着第二切槽纵向方向的方向。
在此情况中，遮光树脂可紧密地填充到第二切槽内并抑制了遮光树脂固化后所产生的空隙，且因而具有可靠地防止通道之间串扰的优点。
根据上述所生产的光耦合器例如可用于诸如电源装置或通信装置的电子装置，并有助于整体的尺寸缩减。
相比于传统实例，本发明能够以更简单的方式和更低的成本实现可充分抑制相邻通道之间串扰的结构。
附图说明
图1为示出了用于制造根据本发明的光耦合器的方法的实施例的第一阶段的步骤的截面图；
图2为示出了用于制造根据本发明的光耦合器的方法的实施例的第二阶段的步骤的截面图；
图3为示出了用于制造根据本发明的光耦合器的方法的实施例的第三阶段的步骤的截面图；
图4为图3中所示步骤的另一示例的截面图；
图5为示出了对应图1的步骤的透视图；
图6为示出了对应图2的步骤的透视图；
图7为示出了用于制造根据本发明的光耦合器的方法的实施例的第四阶段的步骤的透视图；
图8为沿着箭头所指示的X方向观察时图7的侧视图；
图9为示出了用于制造根据本发明的光耦合器的方法的实施例的第五阶段的步骤的透视图；
图10为示出了用于制造根据本发明的光耦合器的方法的实施例的第六阶段的步骤的示意图；
图11为用于形成图10中所示的遮光树脂的方法的示例的示意图；
图12为图9中所示结构的等效电路图；
图13为图12的另一示例的等效电路图；
图14为图12的另一示例的等效电路图；
图15为图10的另一示例的示意图；
图16为图2的另一示例的截面图；
图17为图16中所示结构的等效电路图；
图18为示出了在用于制造根据本发明的光耦合器的方法的另一实施例中对应图9的步骤的透视图。
具体实施方式
以下，参照图1至12描述用于制造根据本发明的光耦合器的方法的实施例。各个步骤通过将其编成(a)至(f)来说明。
(a)首先，如图1和图5所示，提供在半导体工艺中已经制造的多通道(multichannel)单片(monolithic)光电耦合器芯片1，并且将芯片1安装在可以是玻璃环氧衬底等的绝缘衬底20上(第一阶段)。
更具体地，芯片1具有多通道单片结构，其中两组光电耦合器，换句话说，两对发光元件3A和3B以及光接收元件4A和4B设置在从上方观察时为几乎正方形的单个硅衬底2上。发光表面由附图标记1a和1b表示，而光接收表面由附图标记1c和1d表示。
芯片1的表面被分成四个相等的部分，并且两个发光元件3A和3B以及两个光接收元件4A和4B每个放置在四个区域中的一个内，使得两个发光元件3A和3B沿着芯片的一侧边横向放置，而两个光接收元件4A和4B沿着面对芯片1的上述侧边的侧边横向放置。
发光元件3A和3B的每个为具有P层5、有源层6和N层7的双异质结构的发光二极管(LED)。光接收元件4A和4B的每个为具有由硅衬底2本身制成的公共发射极(common emitter)层、基极(base)层8和集电极(collector)层9的光电晶体管。
硅衬底2的前表面被涂覆以绝缘膜10。各个上表面电极11分别连接到发光元件3A和3B的P层5和N层7以及光接收元件4A和4B的基极层8和集电极层9的每个，而地电极(ground electrode)12连接到硅衬底2的后侧的整个表面，换言之，连接到发射极层。
更具体地，利用导电粘合剂13将上述芯片1的地电极12粘合到导电垫(conductive pad)21从而形成欧姆接触，所述导电垫由形成在绝缘衬底20上的铜箔等制成。
(b)此后，使在绝缘衬底20上构成芯片1上两组光电耦合器的发光元件3A和3B及光接收元件4A和4B绝缘和分离。
更具体地，如图2和图6所示，通过在发光元件3A和3B与光接收元件4A和4B之间切割第一切槽(cut groove)25而物理分离发光元件3A和3B与光接收元件4A和4B(第二阶段)。
第一切槽25的深度被设定为到达绝缘衬底20内部的深度。
(c)如图3或图4所示，形成光波导的透明绝缘树脂30被填充到第一切槽25内(第三阶段)。透明绝缘树脂30设置为从第一切槽25的开口处向外升起，从而覆盖发光元件3A和3B的发光表面1a和1b以及光接收元件4A和4B的光接收表面1c和1d。
图3示出了其中透明绝缘树脂30被转移模制的示例。在此情况中，透明绝缘树脂30从第一切槽25升起的部分呈有角的形状。
图4示出了其中液态透明硅树脂等作为透明绝缘树脂30应用到第一切槽25并被加热固化的示例。在此情况中，透明绝缘树脂30从第一切槽25升起的部分呈圆形。
(d)接着，分离绝缘衬底20上芯片1上的两相邻组的光电耦合器(通道)。
更具体地，如图7和8所示，通过在两相邻组的光电耦合器之间，即包含发光元件3A和光接收元件4A的第一对与包含发光元件3B和光接收元件4B的第二对之间，切割第二切槽26而物理分离两相邻组的光电耦合器(第四阶段)。
设置第二切槽26使其垂直交叉第一切槽。另外，第二切槽26的深度被设定为不到达芯片1的硅衬底2的底表面的深度，从而不会到达绝缘衬底20。这能够使相邻的通道共享发射极层以及地电极12中的电势。因此，能够减少外部端子的数量，并因此减小了封装的尺寸。另外，由于通过如上所述地形成第二切槽26而可以共享电势，在封装内部通过线键合(wire bonding)的内部连接变得不必要，所述连接由于电势共享已经完成。
(e)此后，如图9所示，利用键合线(bonding wire)31使发光元件3A和3B及光接收元件4A和4B的上表面电极11的每个电连接到相应的由铜箔等制成并已经设置在绝缘衬底20上的外部端子焊盘(terminal pad)22(第五阶段)。
(f)如图10所示，模制遮光树脂32从而覆盖并围绕整个的如此构造的组件(第六阶段)。此时，由于遮光树脂32被填充到第二切槽26内，所以能够防止通道之间的串扰。
更特别地，遮光树脂32可通过例如转移模制来填充。
例如，图10中示出的组件可存储在转移模子40内，如图11所示。此时，由于熔化的树脂在转移模子40内从门部分41流到气孔部分42，组件的第二切槽26的纵向方向沿着流动方向设置。
结果，能够紧密地将遮光树脂32填充到第二切槽26内，并抑制了遮光树脂32固化后出现的空隙，从而具有可靠地防止通道之间串扰的优点。
根据上述可实现光耦合器，并在此情况中，等效电路变成图12所示。
如上所述，利用诸如切割的机械加工方法形成使一对发光元件3A和3B与一对光接收元件4A和4B绝缘并分离的第一切槽25及防止相邻通道之间串扰的第二切槽26。
与使用传统示例中使用的光刻或蚀刻时相比，这减少了步骤的数量并消除了对微机械加工的需求。为此，操作变得简单并提高了操作的效率，因此能够显著降低生产成本。因此，能够提供具有可靠结构的合理价位的光耦合器。
以下，描述本发明的另一实施例。
(1)如图13中的等效电路所示，放大器15A和15B可连接到用作光接收元件4A和4B的光电晶体管。
另外，如图14中示出的等效电路所示，驱动电路16A和16B形成在芯片1上发光元件3A和3B附近。在此情况中，在发光元件3A和3B之间共享地电势。驱动电路每个可以是与芯片1分离的IC芯片并可安装在绝缘衬底20上。
这样的结构具有减少光耦合器10外部尺寸的优点。
(2)例如，如图15所示，第二切槽26的深度可被设定为足够深以到达绝缘衬底20内部。
在此情况中，能够更有效地抑制相邻通道之间的串扰。另外，当通道之间发射极电势的共享不是必要时，通道可彼此电阻隔。
(3)如图16所示，连接到公共地或公共发射极层的导线35可设置在芯片1上的光接收元件4A和4B的基极层8上。在此情况中，由于发光元件3A和3B与光接收元件4A和4B之间电势的突然改变而产生的电荷在不经过光接收元件4A和4B的基极层8的情况下被逃逸到外部，所以能够实现良好的噪音耐量，换句话说，能够改善光电耦合器的CMR特性。
此刻，例如如图3和4所示，如果透明绝缘树脂30提高到第一切槽25的外部，使用透明导电材料，优选地ITO、ZnO、In2O3-ZnO作为导线35的材料具有提高光信号从发光元件3A和3B到光接收元件4A和4B的透射率的优点。在图17中示出了这种结构的等效电路。导线35由虚线示出。
(4)如图18所示，以下的结构是可行的：将玻璃衬底用作绝缘衬底20，芯片1安装在绝缘衬底20上且如上述实施例那样形成，然后安装绝缘衬底20为跨越引线框架51和52，并且发光元件3A和3B以及光接收元件4A和4B的每个的上表面电极11每个利用键合线31连接到引线框架53、54、55和56。在此情况中，在芯片1的背面上未设置地电极12，而多个上表面电极11中的一个用作地电极并且该地电极利用键合线31连接到引线框架51。
在不脱离本发明的精神和实质特点的情况下，可以其他不同形式实现和实践本发明。因此，从所有方面而言，认为上述实施例是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而非前述说明所指定。落于所附权利要求的等同范围内的所有变型和修改都倾向于包含在本发明的范围内。
本申请要求享有2005年6月16日在日本递交的专利申请No.2005-176567的优先权，其全部内容在此包含引作参考。

Claims (7)

1.一种用于制造具有多个光电耦合器的光耦合器的方法，所述光电耦合器每个包括发光元件和光接收元件对，所述方法包括：
在绝缘衬底上安装多通道单片芯片的步骤，所述芯片具有形成在单个半导体衬底上的多个所述光电耦合器，
通过在构成所述绝缘衬底上所述芯片内的光电耦合器的所述发光元件和所述光接收元件之间切割第一切槽使所述发光元件和所述光接收元件绝缘和分离的步骤，
将透明绝缘树脂填充到所述第一切槽内的步骤，
通过在所述相邻光电耦合器之间切割第二切槽分离所述各个光电耦合器的步骤，以及
利用键合线使每个所述发光元件和每个所述光接收元件与外部端子连接并利用遮光树脂模制整个所述绝缘衬底的步骤。
2.根据权利要求1所述的用于制造光耦合器的方法，其中所述第二切槽的深度设定为不到达所述芯片的底表面的深度。
3.根据权利要求1所述的用于制造光耦合器的方法，其中第二切槽的深度设定为到达所述绝缘衬底内的深度。
4.根据权利要求1所述的用于制造光耦合器的方法，其中已经接地的包含透明导电材料的导体被设置在所述光接收元件的光接收表面上。
5.根据权利要求2所述的用于制造光耦合器的方法，其中已经接地的包含透明导电材料的导体被设置在所述光接收元件的光接收表面上。
6.根据权利要求3所述的用于制造光耦合器的方法，其中已经接地的包含透明导电材料的导体被设置在所述光接收元件的光接收表面上。
7.根据权利要求1至6中任一所述的用于制造光耦合器的方法，其中当填充所述遮光树脂时，填充方向为沿着所述第二切槽纵向方向的方向。
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