DE2253699C3

DE2253699C3 - Halbleiter-Optokoppler und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2253699C3
Application number: DE2253699A
Authority: DE
Inventors: Werner 7100 Heilbronn Schoeberl
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1972-11-02
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1978-11-23
Also published as: DE2253699B2; US3891858A; DE2253699A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Optokoppler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 2, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Bisher ist ein Optokoppler bekannt, bei dem in ein gemeinsames Gehäuse ein lichtempfindlicher Halbleiterkörper und ein lichtaussendender Halbleiterkörper eingebaut ist Die beiden unverkapseltcn Halbleiterkörper werde» dann in ein beiden Halbleiterkörpern gemeinsames Isolationsmaterial eingebettet, das lichtdurchlässig ist Dieses Isolationsmaterial ist beispielsweise ein lichtleitender Lack. Bei einem großen Kopplungsfaktor muß der Abstand zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger gering sein. Daher erzielt man bei den bekannten Anordnungen nur geringe Isolationsspannungen.

Eine ähnliche Anordnung ist aus der US-PS 35 62 527 bekannt. Die Randstücke eines zusammengesetzten dreiteiligen Gehäuses enthalten im Strahlengang gesonderte Linsen, die einander gegenüberliegen. Das Gehäuse ist auf einem isolierenden Trägerkörper befestigt.

Aus der Zeitschrift »Electronics«, Vol. 45, 3. Juli 72, Seite 77 ff, ist es bekannt, optoelektronische Halbleiterbauelemente in Kunststoffgehäuse einzubetten, die eine «o linsenförmige Lichtaustrittsseite aufweisen.

Es ist ferner bekannt, daß die Abstände zwischen den

lichtemittieienden Flächen bei Optokopplern möglichst genau eingestellt werden müssen (DE-OS 14 89 034 und

DE-OS 21 18 391). Diese Bauelemente weisen jedoch

« eine geringe Isolationsspannung auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Optokoppler anzugeben, bei dem der Kopplungsfaktor groß ist und zugleich eine größere Isolationsspannung erzielt wird. Außerdem soll so es sich um fertigungstechnisch rationell und leicht herstellbare Anordnungen handeln.

Diese Aufgabe wird bei einem Koppelelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 oder des Anspruches 2 gelöst

Die gesonderten Gehäuse der beiden Bauelemente haben an der für den Lichtaustritt bzw. Lichteintritt vorgesehenen Stirnfläche die Form einer Linse aus durchsichtigem Kunststoff. Der Luftspalt zwischen den Stirnflächen der beiden gesonderten Gehäuse ist bei einer bevorzugten Ausführungsform ca. 0,1 mm groß. Der Kopplungsfaktor hat den Wert von ca. 0,5 bis 1, während Isolationsspannungen von 8 bis 10 kV erzielt werden.

h5 Der Aufnahmekörper ist vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet und mit einer durchgehenden Bohrung versehen.

Der Halbleiter-Optokoppler wird bevorzugt dadurch

hergestellt, daß die gesondert eingekapselten Bauelemente mit ihren linsenförmig ausgebildeten Stirnflächen von den einander gegenüberliegenden Rändern der öffnung aus in den Aufnahmekörper eingebaut werden. Danach werden die aus den gesonderten Gehäusen herausragenden Anschlußleitungen mit Anschlußstreifen verbunden, die vom Rande eines rahmenförmigen Kontaktierungsstreifens in das Innere des Rahmens ragen. Die gesonderten Gehäuse, der Aufnahmekörper und die mit .^gn Anschlußleitungen verbundenen Enden der Anschlußstreifen werden dann in eine Kunststoffmasse eingebettet Schließlich werden die Anschlußstreifen von dem rahmenförmigen Kontaktierungsstreifen abgetrennt und als Anschlußleitungen für die Gesamtanordnung weiterverwendet Bei der weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist bereits der Halbleiterkörper an die Anschlußstreifen angeschlossen, die später auch die Zuleitungen zu der Gesamtanordnung bilden. Hierzu wird der Halbleiterkörper eines Einzelbauelementes auf einem metallischen Trägerkörper befestigt Die Elektroden des Halbleiterkörpers werden mit metallischen Anschlußstreifen verbunden. Anschlußstreifen und Trägerkörper sind vorzugsweise Teil eines zusammenhängenden Kontaktierungsstreifens, der später durch Abtrennen kleinerer, zwischen den Anschlußstreifen liegender Teile in voneinander isolierte Anschlußstreifen aufgeteilt wird. Der Trägerkörper und die Anschlußstreifen werden so in einen lichtdurchlässigen Kunststoff eingebettet daß eine Grundplatte entsteht in deren zentralem Teil sich ein linsenförmiger Gehäuseteil erhebt, der das Halbleiterbauelement umschließt Das linsenförmige Teil ist von einem auf der Grundplatte angeordneten, rahmenförmigen Außengehäuseteil mit abgestufter Randhöhe umgeben. Das andere Halbleiterbauelement ist in ein gleichartiges Gehäuse eingebaut. Die beiden Gehäuse haben somit eine aufeinander passende Randstruktur, so daß beim Zusammensetzen der beiden Gehäuse die beiden linsenförmigen Teile einander gegenüberliegend allseitig und fugendicht von Teilen des Außengehäuses umschlossen sind. Beide Gehäuseteile werden dann noch in eine Kunststoffmasse eingebettet

Die Erfindung wird im weiteren anhand von zwei Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der F i g. 1 sind zwei gesonderte Gehäuse 1 und 2 dargestellt. Das Gehäuse 1 enthält beispielsweise den Sender und damit das Licht aussendende Halbleiterbauelement. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Infrarot-Lumineszenzdiode. Im Gehäuse 2 ist dann das lichtempfindliche Bauelement, vorzugsweise ein so Photo-Transistor, untergebracht In das Gehäuseinnere der Lumineszenzdiode führen die Zuleitungen 3 und 4, während das Photo-Element an die Zuleitungen 5 und 6 angeschlossen ist. Die mit den Zuleitungen versehenen Gehäusesockel 7 und 8 bestehen aus durchsichtigem Kunststoff, die mit dem linsenförmigen Teil 9 bzw. 10 verbunden sind. Die linsenförmigen Teile der beiden Gehäuse werden von den einander gegenüberliegenden Rändern der öffnung 12 in den Aufnahmekörper 11 eingesetzt Hierbei dient der Absatz zwischen den ω Gehäusesockeln 7 bzw. 8 und den aufgesetzten Teilen 9 bzw. 10 als Anschlag. Der Aufnahmekorper 11 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffzylinder, der mit einer durchgehenden Bohrung 12 versehen ist. Der Einschnitt 13 an der äußeren Seite dieses Zylinders dient h^r> als Orientierungsmarke. Nach dem Einbau der beiden Gehäuse in den Aufnahmekörpe; verbleibt zwischen den !inseniormioen Stirnflächen der Einze!"ehäuse vorzugsweise ein kleiner Luftspalt 14, der z. B. 0,1 mm groß ist, um einen optimalen Koppelfaktor zu erreichen. Die hohe Isolationsspannung ergibt sich aus dem großen Abstand und damit dem großen äußeren Kriechweg zwischen den Elektroden der Halbleiterbauelemente.

Aus der F i g. 2 ergibt sich, wie die Zuleitungen 3,4,5 und 6 der Gesamtanordnung mit Anschlußstreifen 15 in Verbindung gebracht werden. Diese Anschlußstreifen sind Teil eines rahmenförmigen Kontaktierungsstreifens 16, bei dem die genannten Anschlußstreifen 15 in das Rahmeninnere hineinragen. In Verlängerung der Anschlußstreifen führen vom Rahmen nach außen die Zuleitungen 17, die später die Zuleitungen der Gesamtanordnung bilden. Die Zuleitungen 3 und 6 der beiden Einzelgehäuse werden nun umgebogen und an je einem Anschlußstreifen 15 befestigt Dies kann beispielsweise durch Punktschweißen geschehen. Danach werden die Einzelgehäuse, die Anschlußstreifen und der Aufnahmekorper in eine Kunststoffmasse 19 (Fig.3) eingebettet die beispielsweise durch die gestrichtelt dargestellte Linie 18 begrenzt ist Danach werden die zwischen den Anschlußstreifen befindlichen Teile des metallischen rahmenförmigen Kontaktierungsstreifens entfernt so daß ein Gehäuse mit voneinander isolierten Zuleitungen i7 entsteht Ein derartiges Gehäuse wird in der Fig.3 dargestellt. Der Einbau von gesondert gekapselten Einzelbauelementen in ein Gesamtgehäuse hat sich bei den beschriebenen Halbleiter-Optokopplern als sehr vorteilhaft erwiesen, da nun bei sehr hohen Kopplungsfaktoren extrem hohe Isolationsspannungen erzielt werden können. Zum Vergießen der einzelnen Gehäuse werden die handelsüblichen Isolierstoffe und Kunststoffmaterialien verwendet

In der F i g. 4 ist im Schnitt und in der F i g. 5 in der perspektivischen Ansicht die zweite Ausführungsform des Optokopplers dargestellt Sie weist drei Anschlußleitungen 20, 21 und 22 auf, die ursprünglich Teil eines zusammengehörenden Kontaktierungsstreifens waren. Die Anschlußstreifen sind gemäß Fig.4 doppelt abgewinkelt. Der mittlere Anschlußstreifen trägt den Halbleiterkörper 23. Der Halbleiterkörper und die Anschlußstreifen werden dann in ein Gehäuse 24 aus lichtdurchlässigem Kunststoff eingebettet, das aus einer Grundplatte 25 und einem rahmenförmigen Teil 26 mit abgestufter Randhöhe besteht. Da auf dieses Gehäuse ein weiteres Gehäuse aufgesetzt werden soll, wird, um Verschiebungen auf der Gehäuseseite gegeneinander zu vermeiden, der rahmenförmige Teil zumindest teilweise doppelwandig ausgeführt, wobei der eine Teil 27 gegen das andere Teil 26 in der Höhe differiert.

Gemäß F i g. 5 umfaßt die Innenwand ?7 die Hälfte des rahmenförmigen Gehäusequerschnitts und ist höher als die Außenwand 26. Im zentralen Teil der Grundplatte erhebt sich der linsenförmige Gehäuseteil 28, der den Halbleiterkörper umschließt. Die Anschlußelektroden des Halbleiterkörpers 23 sind mit den Streifen 20 und 22 über dünne Zuleitungsdrähte elektrisch leitend verbunden. Auch diese Verbindungen sind in den Kunststoff eingebettet Gemäß der F i g. 5 wird nun auf das beschriebene Gehäuse 24 ein passendes gleichartiges Gegenstück 29, das gleichfalls ein Halbleiterbauelement enthält, umgekehrt aufgesetzt, so daß ein allseitig abgeschlossenes Kunststoffgehause entsteht, das den Lichtsender und den Lichtempfänger einander unmittelbar gegenüberliegend enthält. Die Gesamtanordnung aus den Gehäusen 24 und 29 wird dann noch vorzugsweise in ein? Kunststoffmasse

eingebettet, die die Gehäuse dauerhaft und luftundurchlässig miteinander verbindet.

Bei dem anhand der Fig.4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um Gehäuse mit rechteckförmigem Querschnitt. In gleicher Weise könnten Gehäuse mit kreisringförmigem Querschnitt verwendet werden, wobei wiederum vorzugsweise ein abgestufter Gehäuserand Verwendung findet, der ein leichtes Zusammenfügen der Teile ermöglicht. Durch das Prinzip der teils vorhandenen Doppelwand wird eine seitliche Verschiebung der Gehäuseteile gegeneinander vermieden. Die linsenförmigen Gehäuseteile werden somit automatisch durch die Zusammensetzung der Gehäuse aufeinander einjustiert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Optokoppler, bestehend aus einem lichtaussendenden und einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement, bei dem jedes der beiden Bauelemente in ein gesondertes, lichtdurchlässiges Gehäuse eingebaut ist, wobei jedes Gehäuse an dem für den Lichteintritt bzw. Lichtaustritt vorgesehenen Teil linsenförmig ausgebildet ist und die beiden linsenförmigen Teile einander gegenüberliegen und bei dem ferner die beiden Gehäuse durch einen Kunststoffträger miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse aus einem Aufnahmekörper (11) mit einer durchgehenden öffnung (12) besteht, daß die beiden gesondert gekapselten Halbleiterbauelemente von den einander gegenüberliegenden Rändern der öffnung aus in den Aufnahmekörper so eingebaut werden, daß zwischen den Stirnflächen der beiden lichtdurchlässigen Gehäuse (1, 2) ein schmaler Luftspalt (14) verbleibt, und daß die Gesamtanordnung ihrerseits in eine ein Gehäuse bildende Kunststoffmasse (19) eingebettet ist.

2. Halbleiter-Optokoppler, bestehend aus einem lichtaussendenden und einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement, bei dem jedes der beiden Bauelemente in ein gesondertes lichtdurchlässiges Gehäuse eingebaut ist, wobei jedes Gehäuse an dem für den Lichteintritt bzw. Lichtaustritt vorgesehenen Teil linsenförmig ausgebildet ist und die beiden linsenförmigen Teile einander gegenüberliegen und bei dem ferner die beiden Gehäuse durch einen Kunststoffträger miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (23) eines Einzelbauelementes auf einem metallischen Trägerkörper (21) befestigt und die Elektroden des Halbleiterkörpers mit metallischen Anschlußstreifen verbunden sind, daß dieser Trägerkörper und die Anschlußstreifen so in einen lichtdurchlässigen Kunststoff (24) eingebettet sind, daß eine Grundplatte (25) entsteht, die von einem rahmenförmigen Außengehäuse-Teil (26) mit abgestufter Randhöhe umgeben ist, wobei im zentralen Teil der Grundplatte der das Halbleiterbauelement umschließende linsenförmige Gehäuseteil (28) angeordnet ist, daß das Gehäuse des anderen Halbleiterbauelementes einen gleichartigen Aufbau aufweist, so daß beim Zusammensetzen der beiden Gehäuse (24, 29) die beiden linsenförmigen Teile einander gegenüberliegend allseitig und fugendicht von Teilen des Außengehäuses umschlossen sind, und daß die beiden Gehäuseteile in eine Kunststoffmasse eingebettet sind.

3. Halbleiter-Optokoppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen den Stirnflächen der beiden linsenförmigen Gehäuseteile ca. 0,1 mm groß ist.

4. Halbleiter-Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmekörper (11) zylinderförmig ist.

5. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Optokopplers nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesondert eingekapselten Halbleiterbauelemente mit ihren linsenförmig ausgebildeten Stirnflächen von den einander gegenüberliegenden Rändern der öffnung aus in den Aufnahmekörper (11) eingebaut werden, daß danach die aus den gesonderten Gehäusen herausredenden

Anschlußleitungen (3—6) mit Anschlußstreifen (15) verbunden werden, die vom Rande eines rahmenförmigen Kontaktierungsstreifens (16) in das Innere des Rahmens ragen, daß danach die gesonderten Gehäuse (1,2), sowie der Aufnahmekörper (11) und die mit den Anschlußleitungen verbundenen Enden der Anschlußstreifen in eine Kunststoffmasse (19) eingebettet werden und daß schließlich die Anschlußstreifen von dem rahmenförmigen Kontaktierungsstreifen abgetrennt und als Anschlußleitungen für die Gesamtanordnung weiter verwendet werden.