DE1614880C3

DE1614880C3 - Optoelektronische Koppelanordnung

Info

Publication number: DE1614880C3
Application number: DE1967T0035125
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. 7297 Alpirsbach Zizelmann
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1967-10-27
Filing date: 1967-10-27
Publication date: 1978-11-16
Also published as: DE1614880A1; DE1614880B2

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Koppelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspru- Eine derartige Anordnung ist aus Elektronik, Heft 6, 1965, Seite 162, bekannt Bei ihr wird jedoch jeder Halbleiterkörper gesondert eingekapselt Außerdem sind die Halbleiterkörper nicht auf Sockeln befestigt

Aus der Zeitschrift »Electronics« vom 26. Juli 1965, Seite 54, ist ferner ein optoelektronisches Koppelelement bekannt bei dem ein Lumineszenzhalbleiterbauelement aus Gallium-Arsenid auf einer lichtempfindlichen Fotodiode aus Silizium befestigt wird. Die beiden Bauelemeate werden mit einem Spezialglas aus Selen, Germanium und Phosphor zusammengefügt und dann in einem Flachgehäuse untergebracht Bei einer derartigen Anordnung besteht die Gefahr, daß aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendete Materialien Brüche auftreten, die die Koppelanordnung unbrauchbar machen.

Aus der OE-PS 2 53 567 ist eine Koppelanordnung bekannt, bei der beide Haübleiterkörper zwar in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet aber von Trägerkörpern getrennt sind. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Koppelanordnung anzugeben, die gute elektrische Kenndaten aufweist und bei der die Gehäuseform eine rationelle Fertigung erlaubt und die Vergußmasse zugleich als Lichtleiter dient

Diese Aufgabe wird bei einer optoelektronischen Koppelanordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst

Diese K.oppelanordnung hat den wesentlichen Vorteil, daß beide Bauelemente getrennt voneinander mit Hilfe der herkömmlichen Aufbautechnik gefertigt werden können. Dadurch wird die Fertigung einfach und billig. Die beiden Bauelemente sind auch bei hohen Betriebsspannungen ausreichend gegeneinander isoliert So beträgt die Isolationsspannung bei einer noch zu beschreibenden Ausführung mehrere Kilovolt. Da die Vergußmasse zugleich den Lichtleiter bildet ergeben sich nur geringfügige Brechungsverluste.

Als lichtemittierendes Halbleiterbauelement läßt sich beispielsweise eine GaAs-Lumineszenzdiode verwenden, die gegebenenfalls auch durch eine LASER-Diode ersetzt werden kann. Für das lichtempfindliche Bauelement eignen sich sowohl Fotodioden, Fotowiderstände als auch Fototransistoren, die vorteilhafterweise aus Silizium bestehen. Bestimmte Kennwerte dieser Bauelemente, wie beispielsweise der Widerstandswert bei Fotowiderständen oder der Sperrstrom bei Fotodioden, sind in ausgeprägtem Maße lichtabhängig.

Wenn sowohl ein Licht ausstrahlendes als auch ein auf Lichteinfall ansprechendes Halbleiterbauelement voneinander isoliert in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, besteht die Möglichkeit, zwei Schaltungen, die je eines der beiden angeführten Bauelemente enthalten, über einen zwischen den beiden Bauelementen geführten, mehr oder weniger stark ausgeprägten Lichtstrahl miteinander zu koppeln. Der Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darin, daß die beiden Schaltungen galvanisch getrennt sind, so daß die Rückwirkung der einen Schaltung auf die andere Schaltung extrem klein bleibt.

Die erfindungsgemäß optoelektronische Koppelanordnung zeichnet sich durch hohe Betriebssicherheit, eine lange Lebensdauer und hohe Schallfrequenzen aus.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Die Figur zeigt teils im Schnitt, teils in einer perspektivischen Ansicht den erfindungsgemäßen Aufbau einer optoelektronischen Koppelanordnung. Ein

fl zylindrischer, scheibenförmiger Gehäusering 1 weist

•ä eine durchgehende Bohrung 2 auf. Der Gehäusering

^5 besteht vorteilhafterweise aus licht- bzw. strahlenun-

^ durchlässigem Material, beispielsweise aus schwarzem

gg Kunstharz. Die Schwarzfärbung des Gehäuses verhin- s

^ dert den Einfluß eines von außen kommenden ^. Fremdlichtes auf die Koppelung der beiden Bauelemen-

|| te. Der Öffnungsquerschnitt der Bohrung 2 wird an

vt deren Enden so gewählt, daß in diese Öffnung gerade

^!" die Gehäusesockel 3 und 4 passen, so daß durch diese

^Y Gehäusesockel der Kunststoffring 1 allseitig abge-

¹^ schlossen wird. Wenn die Querschnitte der verwendeten

jji Gehäusesockel verschieden groß sind, werden sich

daher auch die Öffnungsquerschnitte der durchgehen- t den Bohrung an deren Enden entsprechend voneinan- is

der unterscheiden.

* Bei der dargestellten Anordnung wurde das lichtempfindliche Bauelement beispielsweise eine Silizium-Phot* todiode 5 auf einen normierten TO 18-Sockel

ί aufmontiert Dieser Sockel besteht aus einer mit

* Kunststoff ausgefüllten Metallkappe 6, auf deren ^% aufbauseitiger Fläche 7 die Photodiode mit ihrer einen ι Elektrode aufgelötet wird. Die andere Elektrode der

lit Diode wird mit einem dünnen Zuleitungsdraht 8 mit der

*,^h isoliert durch den Gehäusesockel geführten Elektroden-

^h Zuleitung 9 elektrisch leidend verbunden. Die Elektro-

·* denzuleitung 10 ist an die Metallkappe 6 angeschlossen.

Die Metallkappe 6 ist an ihrem Rand vorzugsweise ^ flanschartig (11) erweitert Dieser Flansch dient beim

^ Einbau des Gehäusesockels 4 in den Kunststoff ring 1 als

Anschlag und bestimmt somit die Einbautiefe der Photodiode in dem Kunststoffring. Der Gehäusesockel 4 wird nach der Montage der Photodiode mit seiner aufbauseitigen Fläche von der einen Seite in die durchgehende Bohrung 2 des Kunststoffringes eingeführt oder eingepreßt Der Gehäusesockel 4 läßt sich auch vorteilhaft mit dem Kunststoffring 1 verkleben, wofür beispielsweise Kunstharz als Klebemittel geeignet ist. Anschließend wird der verbliebene Hohlraum 12 im Inneren des Kunststoffringes mit flüssigem, licht- «o durchlässigem Kunstharz ausgefüllt. Von ober wird nun in die im Kunststoffring 1 noch verbliebene Öffnung ein weiterer Gehäusesockel 3 eingeführt, an dessen aufbauseitiger, der Photodiode 5 zugewandten Fläche eine GaAs-Lumineszenzdiode 17 befestigt ist. Als Sockel eignet sich hierfür beispielsweise der genormte, metallische TO 5 Fuß, dessen eine Elektrodenzuleitung 13 mit dem metallischen Sockel verbunden ist, während die zweite Elektrodenzuleitung 14 isoliert durch den Sockel geführt und über einen dünnen Zuleitungsdraht so 15 mit der noch unkontaktierten Elektrode der Lumineszenzdiode 17 elektrisch leitend verbunden ist

Bei der Einpassung des Gehäusesockels 3 in die Bohrung 2 des Kunststoffringes 1 wird überschüssiges Kunstharz aus dem Inneren des Kunststoffringes herausgepreßt und fließt in die hierfür vorgesehene Aussparung über der Außenfläche des metallischen Gehäusesockels. Das ausfließende Kunstharz dient gleichzeitig als Klebemittel für eine mechanisch gute Verbindung zwischen den genannten Teilen. Da sich die Außenfläche des Gehäusesockels 3 mit überschüssigem Kunstharz überzieht ergibt sich hieraus ein weiterer zusätzlicher Isolationsschutz. Die flanschartige Erweite-, rung 16 des Gehäusesockels dient auch hier beim Zusammenbau der Anordnung als die Einbautiefe begrenzender Anschlag.

Bei dem beschriebenen Aufbau einer optoelektronischen Koppelanordnung befindet sich im Inneren des Kunststoffringes 1 zwischen den beiden Bauelementen nunmehr eine transparente Kunstharzmasse, durch die eine hohe Durchbruchspannung gewährleistet wird. Die Durchbruchspannung beträgt bis zu 12 kV. Der scheibenförmige Aufbau der beschriebenen Koppelanordnung zwingt Kriechströmen einen großen Weg auf, so daß sich auch hieraus eine günstige Isolationswirkung zwischen den beiden Bauelementen ergibt

Bei Versuchen ergab sich bei einem FlußEtrom von If = 100 mA durch die GaAs-Diode ein Sperrstrom von 50-200 μΑ μΑ in der optoelektronisch angekoppelten Silizium-Photodiode. Die Sperrspannung der Silizium-Photodiode betrug hierbei 20 Volt während ihr Dunkelstrom bei etwa 7OnA liegt Zwischen diesen angeführten Werten ist der Zusammenhang zwischen dem Flußstrom in der Lumineszenzdiode und dem Sperrstrom in der Photodiode in weiten Bereichen linear. Bei Silizium-Phototransistoren wurden Sperrströme bis zu 3 mA erreicht, wobei der Flußstrom in der Lumineszenzdiode wiederum 100mA betrug. Als Schaltzeit ergaben sich bei der Photodiode etwa 0,2 μβεα und beim Silizium-Phototransistor etwa 30 μββ«. Die Kapazität zwischen den beiden Gehäusesockeln beträgt ca. 1 pF.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau erhält man somit eine optoelektronische Koppelanordnung, deren Bauelemente gut gegeneinander isoliert sind und die über einen im Inneren des Kunststoffringes in Achsrichtung verlaufenden Strahlengang optoelektronisch miteinander koppelbar sind. Hierbei ist eine Beeinflussung der Anordnung durch Fremdlicht von außen ausgeschlossen, da die fertige Anordnung allseitig lichtundurchlässig abgeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optoelektronische Koppelanordnung aus einem iichtemjttierenden und einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement, die in einem, beiden Bauelementen gemeinsamen hohlzylindrischen Gehäuse untergebracht sind, wobei die beiden die Bauelemente bildenden Halbleiterkörper getrennt voneinander auf je einem mit Elektrodenzuleitungen versehenen Trägerkörper angeordnet sind, die in die beiden öffnungen des hohlzylindrischen Gehäusekörpers so eingebracht sind, daß die beiden Halbleiterbauelemente über den im Inneren des Gehäuses verlaufenden Strahlengang optoelektronisch mitein- '⁵ ander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) scheibenförmig ist, daß die in die beiden öffnungen des hohlzylindrischen-Gehäuses eingefügten Halbleiterbauelemente aus unverkapselten, auf einem Trägerkörper (3 bzw. » 4) angeordneten Halbleiterkörpern (5,17) bestehen, und daß der im Inneren des Gehäuses zwischen den beiden Halbleiterkörpern liegende Hohlraum (2) vollständig mit lichtdurchlässigem, die Halbleiterkörper einhüllenden Kunstharz ausgefüllt ist

2. Optoelektronische Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsquerschnitte der Bohrung an den beiden Enden des Kunststoffringes verschieden groß sind und den Querschnitten von Gehäusesockeln ange- ^M paßt sind, die für die Aufnahme je eines der beiden Bauelemente vorgesehen sind.

3. Optoelektronische Koppelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Kunststoffring aus schwarzem, lichtun- ³ⁱ durchlässigem Kunstharz besteht

4. Optoelektronische Koppeiahordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer GaAs-Lumineszenzdiode oder einer LASER-Diode und einer «o Photodiode, eines Photowiderstandes oder eines Phototransistors.

5. Verfahren zur Herstellung einer optoelektroni» sehen Koppelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiterkörper auf je einem Gehäusesokkel aufmontiert und die Elektroden der Halbleiterkörper mit isoliert durch den Sockel geführten Elektrodenzuleitungen verbunden werden, und daß die beiden Gehäusesockel mit ihren aufbauseitigen $° Flächen von einander gegenüberliegenden Seiten in den zuvor mit flüssigem Kunstharz gefüllten gemeinsamen Kunststoffring so eingeführt werden, daß das Überschüssige Kunstharz aus dem Inneren des Kunststoff ringes herausgepreßt wird. ^5S

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Halbleiterbauelemente tragenden Gehäusesockel durch einen Preß- oder Klebesitz mit dem zylindrischen Kunststoffring verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Klebemittel Kunstharz verwendet wird.