DE19546717A1 - Oberflächen-Optokoppler - Google Patents

Oberflächen-Optokoppler

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Description

Die Erfindung betrifft einen Optokoppler, der ohne Kontakt ein Ausgangssignal auf­ grund eines Signals auf der Eingangsseite abgeben kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Oberflächen-Optokoppler.
Unter Optokopplern, optoelektronischen Kopplern, Optron- oder Lichtkopplern ver­ steht man eine optoelektronische Anordnung zur optischen Kopplung, d. h. zur elek­ trisch-optisch-elektrischen Signalwandlung. Optokoppler bestehen aus einem Licht­ sender, meist einer Lumineszenzdiode oder einem Halbleiterlaser, einem Übertra­ gungsmedium für das Licht und einem Fotodetektor als Lichtempfänger. Je nachdem, ob es sich dabei um eine Fotodiode, einen Fototransistor, einen Fotothyristor oder einen Fotowiderstand handelt, spricht man von einem Diodenoptron, einem Transi­ storoptron, einem Thyristoroptron oder einem Widerstandsoptron. Es gibt auch inte­ grierte Optokoppler, z. B. zur Trennung verschiedener Schaltungsteile in integrierten Festkörperschaltkreisen.
In den Fig. 15 und 16 ist ein herkömmlicher Optokoppler gezeigt, der eine lichtemit­ tierende Diode 10, nachfolgend LED genannt, sowie einen Fototransistor 12 auf­ weist. Beide sind mit jeweils einem der Anschlußrahmen 2 bis 8 über gedruckte bzw. isolierte Leitungen derart verbunden, daß sie in vertikaler Richtung einander gegen­ überliegen. Die LED 10 und der Fototransistor 12 sind gegenüber den Anschlußrah­ men 2 bis 8 mittels eines preßgespritzten hitzebeständigen Kunstharzes 14 versiegelt.
Der Optokoppler ist derart aufgebaut, daß seine Eingangs- und Ausgangsseiten voll­ ständig voneinander isoliert sind, so daß die Spannung auf der Eingangsseite die Aus­ gangsseite nicht beeinflußt. Es ist eine hohe Isolationsspannung erforderlich, um eine derartige Trennung zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite aufrechtzuerhalten. Die Isolationsspannung wird im allgemeinen durch den Abstand zwischen der LED und dem Fototransistor sowie durch den Abstand zwischen den Eingangs- und Aus­ gangsseiten entlang der äußeren Umfangsoberfläche des Optokopplers bestimmt.
Bei dem herkömmlichen Optokoppler gemäß Fig. 15, 16 kann man eine hohe Isola­ tionsspannung dadurch erhalten, daß man den Abstand zwischen der LED 10 und dem Fototransistor 12 vergrößert. Dadurch ergibt sich jedoch das Problem, daß sich die äußeren Abmessungen des Optokopplers vergrößern.
Außerdem nimmt der Wirkungsgrad der Lichtumwandlung ab, wenn der Abstand zwischen der LED 10 und dem Fototransistor 12 vergrößert wird. Somit ist es im Hinblick auf das Verhältnis zwischen der Effektivität der Lichtumwandlung und der Isolationsspannung schwierig, eine Größenreduzierung und eine Leistungszunahme zu erreichen, indem man den Abstand zwischen der LED und dem Fototransistor ver­ ändert.
Des weiteren wird bei einem herkömmlichen Optokoppler die LED 10 durch die me­ chanische Spannung des Epoxidharzes 14 beschädigt, die durch das Spritzgießen ver­ ursacht wird. Um eine solche Zerstörung der LED 10 zu vermeiden, wird der Umfang der LED mit Silikonkunststoff 16 beschichtet, und zwar einen Schritt vor dem Spritz­ gießen, wodurch die LED geschützt wird. Hierdurch wird jedoch die Zahl der Her­ stellungsschritte vergrößert und damit die Produktivität verringert.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Pro­ bleme konzipiert. Die ihr zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen an einer Oberfläche vorgesehenen Optokoppler zu schaffen, dessen Größe reduziert und der mit einer höheren Isolationsspannung betrieben werden kann, wobei die Effektivität der Lichtumwandlung hinsichtlich der Produktivität und der Zuverlässigkeit verbes­ sert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß das lichtemit­ tierende Element und das lichtempfangende Element nahe beieinander angeordnet werden können, wobei eine hinreichende Isolation zwischen ihnen beibehalten wird. Somit kann die Effektivität der Lichtumwandlung wesentlich erhöht werden, ob­ gleich eine hohe Isolationsspannung beibehalten wird.
Außerdem kann der Abstand zwischen dem lichtemittierenden Element und dem lichtempfangenden Element sehr klein gemacht werden, wobei auf einen Anschluß­ rahmen verzichtet werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Dicke und die Größe des Optokopplers zu reduzieren.
Da außerdem die Effektivität der Lichtumwandlung wesentlich verbessert wird, kann der dem lichtemittierenden Element zugeführte Strom sehr klein gehalten werden. Dies ermöglicht eine Einsparung von elektrischer Leistung.
Ferner können mehrere Optokoppler auf einer gemeinsamen Platte gleichzeitig her­ gestellt werden, wodurch die Produktivität erheblich gesteigert werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Oberflächen-Optokoppler gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des in der Fig. 1 gezeigten Optokopplers;
Fig. 3 eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines in der Fig. 2 gezeigten lichtemittierenden Elements;
Fig. 4 einen perspektivische Ansicht einer herkömmlichen LED;
Fig. 5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des in der Fig. 2 gezeigten lichtempfangenden Elements;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Fototransistors;
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Gesamt-Leiterplatte bei dem Prozeß der Herstellung des in der Fig. 1 gezeigten Optokopplers;
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie A-A der in der Fig. 7 dargestellten Gesamt-Leiterplatte;
Fig. 9 einen Querschnitt, der eine teilweise Abänderung des in der Fig. 1 gezeigten Optokopplers darstellt;
Fig. 10 einen Querschnitt, der einen teilweise Abänderung des in der Fig. 1 gezeigten Optokopplers darstellt;
Fig. 11 einen Querschnitt, der einen Einschnitt in eine Platte gemäß Fig. 10 zeigt;
Fig. 12 einen Querschnitt, der eine teilweise Abänderung des in der Fig. 1 gezeigten Optokopplers darstellt;
Fig. 13 einen Querschnitt, der eine andere teilweise Abänderung des in der Fig. 1 dargestellten Optokopplers zeigt;
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht, die ein in der Fig. 13 gezeigtes licht­ emittierendes Element zeigt;
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Optokopplers;
Fig. 16 einen Schnitt durch den in der Fig. 15 gezeigten Optokoppler.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Oberflächen-Optokoppler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, während die Fig. 2 eine Explosionsdar­ stellung desselben zeigt. Mit der Bezugszahl 2 ist ein Substrat bezeichnet, das ein Isoliermaterial enthält, welches transparent und hitzebeständig ist. Das Substrat 2 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer thermoplastischen Polyimidschicht mit einer Dicke von 0,1 mm bis zu mehreren Millimetern. Das Substrat 2 weist einen zentral angeordneten kegelstumpfförmigen Befestigungsbereich 4 auf, dessen Ober­ seite einen Vorsprung definiert, während sein Boden eine Aussparung definiert. Die Oberseite und der Boden des Substrats 2 sind so ausgebildet, daß sie eine erste Elek­ trodenanordnung 6, 8 und eine zweite Elektrodenanordnung 10, 12 besitzen, die sich von den Rändern des Substrats 2 zu einer horizontalen Oberfläche 4a im Zentrum des Befestigungsbereichs 4 hin erstrecken. Die erste und zweite Elektrodenanordnung 6 bis 12 werden durch die Kupferätzung hergestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die aus Kupfer hergestellten Anordnungen mit Gold, Nickel oder Lötmaterial platiert. Außerdem sind die Kanten des Substrats 2 mit Ausnehmungen 14 bis 20 versehen, die mit den ersten bzw. zweiten Elektrodenanordnungen 6 bis 12 verbunden sind.
Mit der Bezugszahl 22 ist ein lichtemittierendes Element bezeichnet, das eine LED aufweist und mit einem Boden 22 c versehen ist, der mit dem Boden der horizontalen Oberfläche 4a des Befestigungsbereichs 4 auf dem Substrat 2 verbunden ist.
Wie die Fig. 3 zeigt, handelt es sich bei dem lichtemittierenden Element 22 um einen Würfel oder ein rechteckiges Parallelepiped mit den Seiten 22a, 22b, die mit den Elektroden 22d, 22e versehen sind, welche relativ zum Boden 22c versetzt angeord­ net sind. Die Elektroden 22d, 22e sind elektrisch mit den zweiten Elektrodenanord­ nungen 10, 12 verbunden. Damit das lichtemittierende Element 22 Licht in Richtung auf den Boden 22c aussenden kann, ist das lichtemittierende Element 22 so ausgebil­ det, daß es die gleiche Struktur hat wie diejenige, die man erhält, wenn eine her­ kömmliche LED 24, welche Elektroden auf ihrer Ober- und Unterseite enthält, wie es die Fig. 4 zeigt, auf ihre Seite gedreht wird.
Mit 26 ist ein lichtempfindliches Element bezeichnet, das einen Fototransistor auf­ weist und mit einem Boden 26c versehen ist, der mit dem Boden der horizontalen Oberfläche 4a eines Verbindungsbereichs 4 auf dem Substrat 2 verbunden ist.
Ein herkömmlicher Fototransistor 28, der in der Fig. 6 dargestellt ist, weist eine Oberseite 28 auf, die mit einer Basis 28b und einem Emitter 28e versehen ist, sowie eine Bodenseite 28d, die einen Kollektor 28c besitzt. Im Gegensatz hierzu besitzt die vorliegende Ausführungsform einen Boden 26d, auf dem alle diese Elemente, nämlich eine Basis 26b, ein Emitter 26e und ein Kollektor 26c, so vorgesehen sind, wie es die Fig. 5 zeigt. Der Kollektor 26c und der Emitter 26e sind elektrisch mit der ersten Elektrodenanordnung 6 bzw. 8 verbunden, wenn die Bodenseite 26 mit dem Substrat 2 verbunden ist.
Mit der Bezugszahl 30 ist ein Kunststoff bezeichnet, der ein Epoxidharz oder derglei­ chen enthält und der das lichtemittierende Element 22 sowie das lichtempfangende Element 26 bedeckt. Der Kunststoff 30 deckt bei dieser Ausführungsform die Ober- und Unterseite des Substrats 2 ab, mit Ausnahme der Ausnehmungen 14 bis 20 des Substrats 2, wobei das lichtemittierende Element 22 und das lichtempfangende Ele­ ment 26 versiegelt werden. Um zu verhindern, daß die Vorrichtung durch externes Licht beeinflußt wird, wird der Kunststoff 30 mit einer Farbe versehen, beispielswei­ se der Farbe schwarz, die das externe Licht blockiert bzw. absorbiert.
Der Oberflächen-Optokoppler, der die oben erwähnten Elemente aufweist, wird da­ durch befestigt, daß er auf eine Mutterplatine gesetzt wird, wobei seine Ausneh­ mungselektroden 14 bis 20 mit der Elektrodenanordnung auf der Mutterplatine über ein Lötmittel verbunden ist. Der Optokoppler arbeitet in der Weise, daß dann, wenn das lichtemittierende Element 22 durch die Zuführung von Signalen zu der zweiten Elektrodenanordnung 10, 12 aktiviert wird, das Licht über das Substrat 2 die Basis 26b des lichtempfangenden Elements 26 erreicht, wobei das lichtempfangende Ele­ ment 26 in den leitenden Zustand gebracht wird, so daß die Signale durch die erste Elektrodenanordnung 6, 8 ausgegeben werden.
Nachfolgend wird ein Verfahren für die Herstellung des oben beschriebenen ober­ flächenangeordneten Optokopplers angegeben.
Zunächst werden, wie die Fig. 7 und 8 zeigen, Muster durch Drucken oder Ätzen von Kupfer auf der Ober- und der Unterseite eines gemeinsamen Substrats 32 gebildet, das einen thermoplastischen Polyimid-Film oder dergleichen aufweist, auf dem meh­ rere Hunderte bis Tausende Optokoppler hergestellt werden können. Die Strukturen oder Kupferfolienstrukturen, die auf diese Weise gebildet werden, werden mit Gold, Nickel oder einem Lötmittel platiert, wodurch sich die ersten und zweiten Elektro­ denanordnungen 6 bis 12 ergeben, die in Fig. 2 gezeigt sind.
Hierauf werden mehrere Befestigungsbereiche 4, die in der Fig. 2 gezeigt sind, mittels eines Erwärmungsprozesses oder mittels Spritzgießens oder Glühens auf dem gemeinsamen Substrat gebildet.
Sodann werden das lichtemittierende Element 22 und das lichtempfangende Element 26, die in den Fig. 3 und 5 gezeigt sind, mit jedem der Befestigungsteile 4 verbunden, so daß sie einander über das gemeinsame Substrat 32 gegenüberliegen. Die Elektro­ den 22d, 22e des lichtemittierenden Elements 22 und der Kollektor 26c sowie der Emitter 26e des lichtempfangenden Elements 26 werden mit entsprechenden der er­ sten und zweiten Elektrodenanordnung 16 bis 12 mittels Hochtemperatur-Lötmittels oder Silberepoxidharz etc. befestigt.
Außerdem werden die ganze Oberseite und die Bodenseite des gemeinsamen Sub­ strats 32 mit Ausnahme des Durchbrechungs- Elektrodenbereichs mit dem Kunststoff 30 bedeckt, um das lichtemittierende Element 22 und das lichtempfangende Element 26 zu versiegeln.
Schließlich werden die Leitungen entlang der X- und Y-Achsen, welche durch die Zentren der Durchbrechungselektrodenbereiche des gemeinsamen Substrats 32 ge­ hen, durch Abstechen oder dergleichen geschnitten, wobei das Substrat in einzelne Optokoppler unterteilt wird.
Es ist festzuhalten, daß dann, wenn das gemeinsame Substrat 32 während des Schneid- oder Abstechprozesses geschnitten wird, um einen Zustand zu erhalten, bei dem mehrere Optokoppler miteinander verbunden sind, zahlreiche gleichartige Opto­ koppler, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, hergestellt werden können.
Die Optokoppler können als Einzelkörper leichter bearbeitet werden, wenn die Kunststoffe 30 der Optokoppler in einer untereinander verbundenen Weise gebildet werden.
Die Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch eine teilweise abgeänderte Version des Oberflä­ chen-Optokopplers, der in Fig. 1 dargestellt ist. Bei dem in der Fig. 10 dargestellten Optokoppler wird von einem flachen, plattenförmigen Substrat 34 Gebrauch ge­ macht, das nicht mit einem Befestigungsbereich 4 versehen ist. Die Verwendung des Substrats 34 macht es möglich, ein Substrat wie z. B. Glas zu verwenden, das nur schwer plastisch deformierbar ist. Es wird außerdem möglich, die Stufe zu beseitigen, an welcher der Befestigungsbereich 4 vorgesehen ist. In dem Fall, daß der Optokopp­ ler auf einer Mutterleiterplatte 36 angeordnet ist, ist es erforderlich, daß die Mutter­ leiterplatte 36 im voraus mit einer Durchbohrung 36a oder einer Ausnehmung 36b versehen wird, was in der Fig. 11 gezeigt ist, um eine Aussparung für das lichtemit­ tierende Element 22 vorzusehen, das an der Unterseite des Substrats 34 befestigt ist, oder für den Kunststoff 30.
Wie die Fig. 12 zeigt, ist es möglich, eine Struktur zu wählen, bei welcher die Rand­ bereiche des Substrats 34 gebogen und befestigt oder deformiert entlang der äußeren Peripherie des Kunstharzes 30 sind, wobei die Bereiche der Durchbohrungselektro­ den des Substrats 34 nach dem Boden des Optokopplers hin verdreht sind, um die Oberflächenbefestigung auf der Mutterleiterplatte zu erleichtern. Für den Fall, daß ein Optokoppler mit dieser Struktur hergestellt wird, wird ein zusätzlicher Schritt vorgesehen, bei welchem das Substrat 34 deformiert wird, nachdem es von dem ge­ meinsamen Substrat 32 getrennt wurde.
Die Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Teilmodifikation des in der Fig. 1 dargestellten Oberflächen-Optokopplers. Bei diesem Optokoppler wird ein in der Fig. 14 gezeigtes lichtemittierendes Element 40 mit dem Boden der horizontalen Oberfläche 41 des Befestigungsbereichs 4 des Substrats 2 befestigt. Ähnlich wie bei der in der Fig. 4 gezeigten herkömmlichen LED 24, weist das lichtemittierende Ele­ ment 40 die Elektroden 40c, 40d auf, die mit den Ober- und Unterseiten 40a, 40b drahtverbunden und druckverbunden sein können. Die Elektrode 40d am Boden 40b des lichtemittierenden Elements 40 ist jedoch so ausgebildet, daß sie eine rahmenarti­ ge Konfiguration aufweist, welche den zentralen Bereich 40e des Bodens 40b in einer solchen Weise verläßt, daß das Licht, welches auf den Boden gelangt, nicht aufgehal­ ten wird. Das lichtemittierende Element 40 wird durch Druckverbindung der Elektro­ de 40d mit der zweiten Elektrodenanordnung 12 auf dem Substrat 2 verbunden und durch Drahtverbindung der Elektrode 40c mit der zweiten Elektrodenanordnung 10.
Obgleich die Drahtverbindung durch die Verwendung des lichtemittierenden Ele­ ments 40 erforderlich wird, kann ein lichtemittierendes Element mit einer im wesent­ lichen gleichen Struktur wie die einer herkömmlichen LED als lichtemittierendes Element 40 verwendet werden, und die Technik, um diese auf dem Substrat 2 zu be­ festigen, ist die gleiche wie beim Stand der Technik. Somit wird die Zuverlässigkeit des lichtemittierenden Elements selbst und die Zuverlässigkeit des Verbindungspro­ zesses leicht auf dem gleichen Stand gehalten werden wie beim Stand der Technik.
Es ist festzuhalten, daß die strukturellen Komponenten außer dem lichtemittierenden Element 40 des in der Fig. 13 gezeigten Optokopplers die gleichen sind wie die in der Fig. 1 gezeigten. Um jedoch die Zuverlässigkeit der Verbindungen aufrechtzuerhal­ ten, kann die Form der Verbindungen zwischen den zweiten Elektrodenmustern 10, 12 und den Elektroden 40c, 40d des lichtemittierenden Elements 40 in geeigneter Weise abgewandelt werden.
Bezugszeichenliste
2, 34 . . . = Substrat
4 = Befestigungsbereich
6, 8 = erste Elektrodenanordnung
10, 12 = zweite Elektrodenanordnung
14-20 = Ausnehmungselektroden
22, 40 = lichtemittierendes Element
26 = lichtempfangendes Element
30 = Kunststoff
32 = gemeinsames Substrat

Claims (11)

1. Oberflächen-Optokoppler, gekennzeichnet durch:
  • 1. ein licht-transparentes Substrat (2) mit Elektrodenanordnungen (6, 8; 10, 12), die auf der Unter- und Oberseite des Substrats (2) vorgesehen sind;
  • b) ein lichtemittierendes Element (22, 40), das sich auf einer Oberfläche des Substrats (2) befindet und elektrisch mit der Elektrodenanordnung (10, 12) auf der einen Ober­ fläche verbunden ist;
  • c) ein lichtempfangendes Element (26), das sich auf der anderen Oberfläche des Substrats (2) befindet, so daß es dem lichtemittierenden Element (22, 40) über das Substrat (2) gegenüberliegt und mit der Elektrodenanordnung (6, 8) auf der anderen Seite verbunden ist und
  • d) einen Kunststoff (30), welcher das lichtemittierende Element (22, 40) und das lichtempfangende Element (26) bedeckt.
2. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) so ausgebildet ist, daß es einen Befestigungsbereich (4) aufweist, dessen eine Seite herausspringt, um einen Vorsprung zu bilden und dessen andere Seite eine Ausnehmung bildet, wobei das lichtemittierende Element (22) und das lichtempfan­ gende Element (26) mit dem Befestigungsbereich (4) verbunden sind, so daß sie ein­ ander über das Substrat (2) gegenüberliegen.
3. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Element (22) eine LED enthält und einen Boden (22c) aufweist, der mit einer Oberfläche des Befestigungsbereichs befestigt ist, sowie Elektroden, die an dieser Oberfläche vorgesehen sind.
4. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfangende Element (26) einen Fototransistor aufweist und mit einem Boden versehen ist, der mit der anderen Seite des Befestigungsbereichs (4) befestigt ist, und der eine Basis (26b), einen Emitter (26e) und einen Kollektor (26c) auf dieser Boden­ seite aufweist.
5. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (34) aus einem flachen, plattenförmigen Substrat besteht.
6. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kantenbereich des Substrats (34) gebogen ist und an der äußeren Peripherie des Kunststoffs (30) anliegt.
7. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende Element (22) am Boden des Befestigungsbereichs (4) befestigt ist und daß es mit der Elektrodenanordnung am Boden drahtmäßig verbunden ist.
8. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit besitzt.
9. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat gegenüber der Wellenlänge des lichtemittierenden Elements (22, 40) durch­ lässig ist.
10. Oberflächen-Optokoppler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsfähigkeit erheblich größer als die von Luft ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Oberflächen-Optokopplers, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • a) Bilden von Elektrodenanordnungen an der Ober- und Unterseite eines licht­ transparenten gemeinsamen Substrats;
  • b) Anbringen von mehreren lichtemittierenden Elementen und lichtempfangenden Elementen an der Oberseite und an der Unterseite des gemeinsamen Substrats, so daß sie einander über dem gemeinsamen Substrat gegenüberliegen, und Befestigen mit den Elektrodenmustern;
  • c) Versiegeln der lichtemittierenden und lichtempfangenden Elemente mit Kunststoff und
  • d) Durchschneiden des gemeinsamen Substrats, um es in einzelne Optokoppler zu unterteilen.
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