DE2721250C2 - Optokoppler - Google Patents

Optokoppler

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Description

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Lumineszenzdiode und dem Lichtempfänger gemachte Vorschläge für die Verbesserung des Optokopplungswirkungsgrades bis zu einem gewissen Ausmaß erfolgreich waren, führten die bekannten Vorschläge zu einem komplizierten Aufbau des Optokopplers und zu einer unvermeidlich damit verbundenen unerwünschten Verringerung der Massenherstellbarkeit
Die als Lichtquelle des Optokopplers verwendete Lumineszenzdiode wird in zwei Typen unterteilt nämlich den Typ, bei dem die Lichtabstrahlungsoberfläche parallel zum lichterzeugenden PN-Übergang liegt und den Typ, bei dem die Lichtabstrahlungsoberfläche im rechten Winkel zum lichterzeugenden PN-Übergang liegt Zur Vereinfachung der Erklärung sollen der erstere und letztere Typ weiter als Lumineszenzdiode des vertikal strihlenden Typs bzw. als Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs bezeichnet werden. Die Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs hat eine besondere Helligkeitsverteilung in ihrer Lichtabstrahloberfläche, und daher läßt sich ein Optokoppler mit einem sehr hohen Optokopplungswirkungsgrad herstellen, wenn die Lumineszenzdiode dieses Typs gegenüber dem Lichtempfängt, in derartiger Relativstellung angeordnet wird, daß die Helligkeitsverteilung der Lichtabstrahloberfläche der ersteren zur Lichtempfindlichkeitsverteilung des letzteren paßt Trotz der obigen Tatsache wurde die Lumineszenzdiode des vertikal strahlenden Typs bisher am meisten verwendet. Einer der Gründe hierfür beruht darauf, daß die Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs einen komplizierten Montageaufbau erfordert, der zur Massenproduktion nicht geeignet ist.
Beispielsweise ist auch aus der DE-AS 14 89 171 eine opto-elektronische Halbleitervorrichtung bekannt, bei der der photoempfindliche pn-Übergang des Lichtempfängers nahezu in der gleichen Ebene wie der Photonen emittierende pn-übergang liegt und beide in einem einzigen Halbleiterkörper vereint sein können. Die beiden Halbleiterteile lassen sich jedoch nicht nach einer Planartechnik fertigen, da sonst ein zu hoher Lichtabsorptionsverlust auftreten würde.
Außerdem ist in der DE-PS 26 01 956 ein optoelektronisches Koppelelement mit einem ersten isolierenden Substrat, auf dessen einer Oberfläche eine erste leitende Schicht mit einem ersten vorgegebenen Muster angeordnet ist, einem die erste leitende Schicht bedeckenden zweiten isolierender. Substrat, das auf seiner von der ersten leitenden Schicht abgewandten Oberfläche eine zweite leitende Schicht mi: einem zweiten vorgegebenen Muster trägt, einer mit einer der beiden leitenden Schichten verbundenen Leuchtdiode sowie einer mit ihrer lichtempfindlichen Fläche der Leuchtdiode zugewandten und mit der anderen leitenden Schicht verbundenen lichtempfindlichen Einrichtung vorgeschlagen worden, bei der die beiden Substrate aus Keramik bestehen, die zweite leitende Schicht und das zweite Substrat ein bis zu der ersten leitenden Schicht durchgehendes Loch aufweisen, innerhalb dessen die mit der ersten leitenden Schicht verbundene Leuchtdiode angeordnet ist, und die irit der Μ zweiten leitenden Schicht verbundene lichtempfindliche Einrichtung das Loch überdeckend auf dem zweiten Substrat angeordnet ist. Dabei können die lichtempfindliche Einrichtung und die Leuchtdiode mittels Lots mit der zugehörigen, auf dem entsprechenden Substrat angeordneten leitenden Schicht elektrisch und mechanisch verbunden sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
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55 Optokoppler der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, der eine Verbesserung des Optokopplungswirkungsgrades und eine Verbesserung der Massenproduzierbarkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unieransprüchen gekennzeichnet
Die Lage des optischen Pfades und die besondere Art und Anordnung der Elektroden der Lumineszenzdiode zur Vornahme deren Befestigung und gleichzeitig deren elektrischen Anschlusses ermöglichen eine Erhöhung des Optokopplungswirkungsgrades und eine Verbesserung der Massenproduzierbarkeit des Optokopplers mit sehr gutem Betriebsverhalten zu niedrigen Kosten.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt
F i g. 1 eine schematische Ansicht des Aufbaus einer elektrischen Schaltanordnung nv« einem bekannten Optokoppler, bei dem eine Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs verwendet ist;
F i g. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Unterschiedes in der Helligkeitsverteilung rvischen einer Lumineszenzdiode des vertikal strahlenden Typs und einer Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs:
Fig.3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Optokopplers gemäß der Erfindung;
Fig.4 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Perspektivansicht der Lumineszenzdiodenbaueinheit des in F i g. 3 gezeigten Optokopplers;
F i g. 5 eine schematische Teilschnittdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Optokopplers gemäß der Erfindung: und
Fig.6 eine schematische Teilschnittd.irstellung eines weiteren Ausführungsbeispieis des Optokopplers gemäß der Erfindung.
Zum besseren Verständnis der Erfindung soll vor d .ren näherer Beschreibung zunächst der Aufbau einer Schaltungsanordnung mit Verwendung eines aus der JP-OS 42-17 862 bekannten Optokopplers erläutert werden, der von einer Lumineszenzdiode d'.-s horizontal strahlenden Typs Gebrauch macht.
Gemäß Fig. I weist ein Lichtempfänger 1 oder ein Kontaktelement in einer solchen Schaltungsanordnung ein Paar von N *-Emitterbereichen tO und ti. einen N*-Kollektorbereich 12 und einen P Basisbereich 13 auf. Eine Lumineszenzdiode 2 oder ein Betätigungselement in der Schaltungsanordnung weist einen N-Bereich 20 und einen P-Bereich 21 auf. die durch Dotieren ein^s Plättchens aus Galliumarsenid mit Tellur bzw. Zink gebildet sind. Diese Betätigungselement 2 ist also eine Injektions'aserdiode aus Galliumarsenid Die Laserwirkung dieser Diode ist derart, daß die Diode kohärentes Licht einer Infrarotwellenlänge von 840 nm mit einem Bündeldivergenzwinkel unter 4 bei einem Wirkungsgrad ι dhe 100% abstrahlt, wenn Strom durch die Diode mit einer Stromdichte von 10 000 bis 100 000 A/cm2 fließt. Diese Schaltungsanordnung wird beispielsweise durch Umgeben der Bauelemente mil herkömmlichen Metall-Glas-Kopfstücken oder durch Anbringung einer solchen Schaltungsanordnung auf einer Keramikplatte oder ähnlicher, elektrisch isolieren den Basis und anschließende Anbringung von Elektrodenzuführungen 31 bis 34 an der Unterlage montiert.
Bei einem eine Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs verwendeten typischen bekannten Optokoppler wurde allgemein ein Lumineszenzdiodenplättchen in einer an der Oberfläche einer Basis mit mehrlagigen Keramikunterlagen gebildeten Ausnehmung befestigt, und Elektrodenschichten dieses Plättchens wurden durch Drahtverbindung über Zuleitungen zu auf der Keramikbasis vorgesehenen Anschlußleiterbahnen angeschlossen. So traf man tatsächlich beim Verbinden der Elektrodenschichten dieses Plättchens )0 mit den Anschlußleiterbahnen auf der Basis mittels der Drahtverbindung nach Lageeinstellung des Lumineszenzdiodenplättchens relativ zur Unterlage mit einem darauf ausgebildeten Lichtempfänger äußerste Schwierigkeiten an. Diese Schwierigkeiten wurden insbesondere noch ausgeprägter wegen der Notwendigkeit, daß das Lumineszenzdiodenplättchen und die Unterlage mit dem darauf ausgebildeten Lichtempfänger in enger Nähe zueinander (allgemein innerhalb eines Abstandes von weniger als I mm) angeordnet werden müssen, um den Optokopplungswirkungsgrad zu verbessern. Es war daher die übliche Praxis, daß die Unterlage mit dem darauf ausgebildeten Lichtempfänger und das Lumineszenzdiodenplättchen in der genannten gegenseitigen Lage nach Vollendung der elektrischen Verdrahtung 2s befestigt werden. Jedoch ist dies unter dem Gesichtspunkt einer Massenproduktion sehr unbefriedigend, da die Anbringung der elektrischen Verdrahtung und die Befestigung der Elemente in gesonderten Schritten durchgeführt werden. Weiter werden viele Arbeitsstunden zum Zusammenbau der Lumineszer.zdiodenbaueinheit durch Verbinden der Lumineszenzdiode mit der elektrischen Verdrahtung benötigt, und Drahtbruchstörungen, Unterbrechungsstörungen und andere Störungen können während der Einstellung dieser Baueinheit in einer bestimmten Lage aufgrund mechanischer Stöße oder ähnlicher Kräfte leicht auftreten, die ggf. auf diese Baueinheit einwirken.
Es wurden bereits einige Vorschläge im Bestreben zur Verbesserung der Massenproduzierbarkeit gemacht. Nach diesen Vorschlägen werden die elektrische Verdrahtung für die Lumineszenzdiode und die für den Lichtempfänger in zueinander parallelen Ebenen, d. h. in der gleichen Richtung angeordnet. Jedoch sind diese Vorschläge unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung des Optokopplungswirkungsgrades nicht immer befriedigend. Bei einem der Vorschläge nach dem Stand der Technik wird die optische Kopplung zwischen der Lumineszenzdiode und dem Lichtempfänger durch Reflexion des von der Seitenoberfläche der Lumineszenzdiode abgegebenen Lichts und Lenkung des reflektierten Lichts zum Lichtempfänger erreicht. Obwohl diese Lösung im Sinne der Vermeidung einer unerwünschten Verringerung der Massenproduzierbarkeit aufgrund komplizierten elektrischen Verdrahtens wirksam ist. muß hier ein Lichtreflektor hoher Präzision genau angeordnet werden, und daher ergibt auch das mit dieser bekannten Lösung offenbarte Verfahren eine unerwünschte Verringerung der Massenproduzierbarkeit Außerdem führt der verlängerte Lichtpfad go zwischen der Lumineszenzdiode und dem Lichtempfänger zu Lichtabsorptions- und -Streuverlusten, die eine unerwünschte Verringerung des Optokopplungswirkungsgrades zur Folge haben.
F i g. 2 ist eine graphische Darstellung der Helligkeits- & verteiiungscharakteristik einer Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs im Verhältnis zu der einer des vertikal strahlenden Typs. Man ersieht aus der Helligkeitsverteilungskurve A in F i g. 2, daß die von der Lumineszenzdiode des vertikal strahlenden Typs abgegebene Lichtstärke angenähert über ihre ganze zum PN-Übergang parallele Oberfläche gleichmäßig ist. Dagegen hat, wie man anhand der Helligkeitsverteilungskurve B in Fig. 2 erkennt, die von der Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs abgegebene Lichtstärke einen Spitzenwert in der Nähe des PN-Übergangs im P-Bereich, und dieser Spitzenwert ist weit größer als der der Lumineszenzdiode des vertikal strahlenden Typs.
F i g. 3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispicls des Optokopplers gemäß der Erfindung. Gemäß Fig.3 weist der Optokoppler eine keramische Basis, die durch fest verbundene Beschichtung einer keramischen Unterlage 42 mit einer weiteren keramischen Unterlage 44 mit einer mittigen öffnung erhalten ist, ein in der mittigen öffnung der Keramikunterlage 44 der Keramikbasis aufgenommene Lumineszenzdiode 40 und eine Lichtemptänger-Tragunteriage 50 auf, die an der Keramikunterlage 44 der Keramikbasis zum Empfang des von der Lumineszenzdiode 40 ausgestrahlten Lichts befestigt ist. (Nicht dargestellte) gedruckte Anschlußleiterbahnen sind auf der Oberseite der Keramikunterlage 44 unter Erstreckung von der fixierten Stelle der Unterlage 50 zu einem Paar von Zufühningsstiften 46 bzw. 48 vorgesehen. Ein Photothyristor 50« ist in einer Hauptoberfläche der Unterlage 50 so ausgebildet, daß sein Durchlaßspannungsblockier-PN-Übergangsteil mit von der Lumineszenzdiode 40 abgestrahltem Licht bestrahlt oder ausgelöst werden kann. Die Elektrodenschichten des Photothyristors 50a sind elektrisch gegenüber der Unterlagenoberfläche durch eine Schicht eines elektrischen Isolierstoffs, wie z.B. SiO2. isoliert. Man erkennt in Fig.3. daß die Unterlage 50 an ihrer nach unten gekehrten Oberseite mit der Oberseite der Keramikunterlage 44 verbunden ist. so daß die Kathoden- und Anodenschichten des Photothyristors 50a elektrisch mit den zu den Zuführungsstiften 46 bzw. 48 führenden gedruckten Anschlußleiterbahnen verbunden werden können.
Die Lumineszenzdiode 40 ist an der Oberseite der Keramikunterlage 42 innerhalb der mittigen Ausnehmung der Keramikunterlage 44 befestigt, und ein lichtdurchlässiges, elektrisch isolierendes Harzmaterial, wie z. B. ein Silikonharz oder Epoxyharz, ist zur Wärmeaushärtung in die mittige Ausnehmung der Keramikunterlage 44 und den Hohlraum zwischen den Unterlagen 50 und 44 eingefüllt.
Fig.4 veranschaulicht deutlich den Aufbau der Lumineszenzdiode 40 und die Art ihrer Befestigung. Gemäß Fig.4 weist die Lumineszenzdiode 40 ein Infrarotlichtemissionsdioden-Halbleiterplättchen 60 aus GaAs und ein Paar von blockartigen Elektroden 66 und 68 aus beispielsweise Kupfer auf, die fest mit den gegenüberliegenden parallelen Oberflächen des HaIbleiterplättchens 60 durch ein Paar von Meta'lschichten 62 bzw. 64 verbunden sind, die einen ohmschen Kontakt an den Verbindungsflächen sichern. Ein praktisches Verfahren zur Herstellung dieser Lumineszenzdiode 40 soll später im einzelnen beschrieben werden. Mit der Anode und der Kathode des Halbleiterplättchens 60 der Lumineszenzdiode 40 verbundene gedruckte Anschlußleiterbahnen 70 und 72 sind auf der Oberseite der unteren Keramikunterlage 42 unter Erstreckung bis zu Steiien vorgesehen, an denen (nicht dargestellte) den Zuführungsstiften 46 und 48 nach Fig.3 analoge Diodenelektrodenzuführungsstifte montiert sind. Der
Unterlagenoberflächenteil, auf dem die gedruckten Anschlußleiterbahnen 70 und 72 nicht vorgesehen sind, ist mit einer Glasschicht 78 abgedeckt, während die Unterlagenoberfächenteile mit diesen gedruckten Anschlußleiterbahnen 70 und 72 darauf mit Glasschichten «Ο bzw. 82 bedeckt sind. Die Elektroden 66 und 68 der Lumineszenzdiode 40 sind an der entgegengesetzten, zur !..'chtabstrahloberfläche S1 parallelen Oberfläche mit den zugehörigen Anschlußleiterbahnen 70 und 72 durch Lotschichten 74 bzw. 76 fest verbunden.
Beim Betrieb der in den Fig.3 und 4 gezeigten Anordnung strahlt das Halbleiterplättchen 60 Licht im Ansprechen auf die Auslösung seines Lichtabstrahl-PN-Überganges durch die Elektroden 66 und 68 aus, und das abgestrahlte Licht durcheilt eine Minimalentfernung zum Bestrahler der Verarmungsschicht des Durchlaßspannungsblockier-PN-Übergangsteils des gegenüber der l.ichtabstrahloberfläche Si des Diodenplättchens 60 angeordneten Photothyristors 50a. DerOptokopplungswirkungsgrad wird in diesem Fall hauptsächlich durch den Abstand zwischen dem Lichterzeugungs-PN-Übergang und dem Lichtempfangs-PN-Übergang und der Montagegenauigkeit der Diode 40 und der Unterlage 50 bestimmt. Der Öptokopplungswirkungsgrad bei der in F i g. 3 und 4 gezeigten Anordnung ist hoch, da der obige Abstand bedeutend kleiner gemacht werden kann, und es läßt sich eine Montagetoleranz in der Größenordnung von 100 μιτι erreichen. Daher wird der Photothyristor 50a wirksam ausgelöst, um durch den optischen Ausgang der Lumineszenzdiode 40 angeschaltet zu wet '.en.
Es soll nun ein beispielsweises Verfahren zur Herstellung der in F i g. 3 und 4 dargestellten Anordnung kurz beschrieben werden.
Die Schritte der Herstellung der Lumineszenzdiode 40 umfassen die Herstellung einer Lumineszenzdiodenplatte aus Si dotiertem GaAs nach einem Flüssigphasenwachstumsverfahren und das Schleifen der P-Schicht und der N-Schicht der Diodenplatte auf Dicken von 80 μπι bzw. 120 μπι. Dann werden ohmschen Kontakt liefernde Schichten von Au-Zn und Au und eine Legierungsschicht aus Au-Ge auf der P-Schicht der Diodenplatte durch Vakuumverdampfung abgeschieden, und in gleicher Weise werden ohmschen Kontakt liefernde Schichten aus Au-Ge-Ni und Au und eine Legierungsschicht aus Au-Ge auf der N-Schicht der Diodenplatte durch Vakuumverdampfung abgeschieden. Anschließend wird ein Paar von Elektroden ergebenden Platten aus Kupfer von etwa 500 μιτι Dicke auf die auf der P-Schicht und den N-Schicht der Diodenplatte vorgesehenen Vakuumaufdampfschichten aufgelegt und einer Legierungsbehandlung bei einer Temperatur von etwa 39O0C in einer N2-Inertgasatmosphäre unterworfen, um die Kupferelektroden fest mit den gegenüberliegenden Hauptoberflächen der GaAs-Diodenplatte zu verbinden. Die Diodenplatte wird anschließend in Plättchen zerteilt, deren jedes eine Oberfläche von etwa 400 μιτι · 400 μτη aufweist, und die Teilungsoberflächen der Plättchen werden dann einem Schleifvorgang unterworfen. Dann wendet man auf jedes Plättchen mit den geschliffenen Oberflächen eine Ätzbehandlung zu deren Reinigung an, wodurch man eine in F i g. 4 vergrößert dargestellte Lumineszenzdiode 40 erhält Von den geschliffenen Oberflächen Si und Ä wird die Lichtabstrahloberfläche Si vorzugsweise besonders fein poliert
Die so hergestellte Lumineszenzdiode 40 wird auf einer unteren Keramikunterlage 42 angeordnet, wobei man dazwischen Lotschichten 74 und 76 Pb-Sn-LoI einfügt, wie F i g. 4 zeigt. Diese untere Keramikunteria ge 42 wurde bereits mit gedruckten Anschlußleiterbalinen 70 und 72 versehen, und deren Oberfläche wurde bereits mit Glasschichten 78, 80 und 82 gemäß Fig.4 abgedeckt. Nach Anordnung der Lumineszenzdiode 40 auf der unteren Keramikunterlage 42 wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 320°C in einer Nrlnertgasatmosphäre durchgeführt, ίο um die blockartigen Kupferelektroden 66 und 68 mit den Anschlußleiterbahnen 70 und 72 über die Lotschichten 74 bzw. 76 an der der Lichtabstrahloberfläche S\ gegenüberliegenden Oberfläche S2 fest zu verbinden.
Eine einen Photothyristor 50a tragende Unterlage 50 aus Silizium wird dann mit der Oberseite nach unten gekehrt auf einer oberen Keramikunterlage 44 mittels der gesteuerten Zusammenfall(»collaps«)verbindungstechnik entsprechend F i g. 3 befestigt. Ein lichtdurchlässiges, wärmhärtendes elektrisches Isolierharzmaterial, wie z. B. ein Silikonharz oder Epoxyharz, wird dann in den Hohlraum zwischen den Unterlagen 50 und 44 gefüllt und ausgehärtet, um eine lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Harzschicht 52 entsprechend F i g. 3 zu schaffen und so den gewünschten Optokoppleraufbau zu erhalten.
Es ist aufgrund der obigen Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung klar, daß die elektrische Verbindung auf der Oberfläche der Lumineszenzdiode des horizontal strahlenden Typs, die parallel zur die elektrische Verbindungsschicht tragenden Oberfläche des Lichtempfängers ist, vorgenommen werden kann. Daher lassen sich der Bauelementbefestigungsvorgang und der Vorgang der elektrischen Verbindung gleichzeitig durchführen, wodurch eine sehr hohe Massenproduktionsgeschwindigkeit gesichert wird. Weiter ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die gegenüberliegenden Oberflächen des Lumineszenzdioden-Halbleiterplättchen 60 durch die blockartigen Kupferelektroden 66 und 68 geschützt sind, eine verringerte Möglichkeit von mechanischen Schäden am Plättchen 60 während der Stadien des Transports, der Montage und der Befestigung der Lumineszenzdiode 40, wodurch diese Vorgänge erleichtert werden und die Ausbeute erheblich gesteigert wird.
Der Optokoppler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nicht nur mit hohem Öptokopplungswirkungsgrad, wie oben beschrieben, arbeiten, sondern er weist auch eine ausgezeichnete Wärmeabstrahlkapazität auf, da die mit den gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterplättchens der Lumineszenzdiode verbundenen blockartigen Kupferelektroden aich als Wärmeabführorgane wirken. Das hervorragende Maß der Wärmeabstrahleignung der Lumineszenzdiode bringt die Vorteile, daß sich die Steuerleistung für die Lumineszenzdiode steigern läßt daß die brauchbare Lebensdauer der Lumineszenzdiode erhöht werden kann und daß sich auch die gewünschte Verläßlichkeit sichern läßt Es wurde praktisch bestätigt daß Sättigung mit einem Strom von 80 mA bei der Lumineszenzdiode auftrat in der die Erfindung nicht angewandt wurde, während Sättigung bis zu einem Stromwert von 130 mA bei der Lumineszenzdiode gemäß der Erfindung nicht auftrat und die Anwendung der Erfindung konnte so das Niveau der Steuerleistung erheblich steigern.
F i g. 5 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines anderen Ausführungsbeispiels des Optokopplers gemäß der Erfindung.
Gemäß F i g. 5 sind gedruckte Anschlußleiterbahnen
92 und 94 zum elektrischen Anschluß an eine Lumineszenzdiode auf der Unterseite einer Keramikunterlage 44 mit einer zentralen Ausnehmung vorgesehen, und die Oberflächenteile der Keramikunterlage 44 ohne die Anschlußleiterbahnen sowie die Oberflächenteile mit den Anschlußleiterbahnen sind mit Glasschichten 96 und 98 abgedeckt. (Nicht dargestellte) gleichartige gedruckte Anschlußleiterbahnen zum elektrischen An- »chluß an einen Lichtempfänger sind auch auf der Unterseite der Keramikunterlage 44 vorgesehen. Eine einen Lichtempfänger tragende Unterlage 50 aus Silizium weist einen in einer deren Hauptoberflächen ausgebildeten Photothyristor 50a auf. Diese Unterlage SO ist mit der Keramikunterlage 44 durch Lotschichten 116 und 118 in solcher gegenseitiger Zuordnung verbunden, daß die genannte Hauptoberfläche gegenüber der zentralen Ausnehmung der Keramikunterlage 44 angeordnet ist. Eine lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht, wie z.B. eine SiO2-Schicht 106, bedeck; die Oberseite der Siiiziü~,üP,:cr!agc 50, und ί:τ! Vakuum aufgedampfte Anschlußleiterbahnen 108 und UO aus beispielsweise Au sind auf dieser Isolierschicht 106 abgeschieden, um von der Montagestelle der Lumineszenzdiode 40 zu den Lotschichten 116 und 118 lu reichen. Der Photothyristor 50a weist eine Anodenschicht 102 und eine Kathodenschicht 104 auf. die sich ebenfalls auf der Isolierschicht 106 von (nicht gezeigten) Stellen erstrecken. Die Anschlußleiterbahnen 108 und 110, die sich auf der die Oberseite der Siliziumunterlage 50 bedeckenden Isolierschicht 106 erstrecken, sind elektrisch mit den gedruckten An-Schlußleiterbahnen 92 und 94 auf der Keramikunterlage 44 durch die Lotschichten 116 und 118 zwecks elektrischer Verbindung mit anderen auf der Keramikunterlage 44 vorgesehenen Anschlußleiterbahnen oder Schaltungsteilen verbunden. Die Oberflächenteile der Isolierschicht 106 ohne die darauf gebildeten Anschlußleiterbahnen und die Oberflächenteile der Anschlußleiterbahnen 108 und 110 sind mit elektrisch isolierenden Schichten 112 und 114 aus einem Materal, wie z. B. SiO3. abgedeckt. Diese Isolierschichten 112 und 114 können durch Abscheiden aus einer Dampfphase erzeugt werden. Öffnungen sind in diesen Isolierschichten 112 und 114 gebildet, um einen Teil der Anschlußleiterbahnen 108 und 110 freizulegen, und Eutektikumlegierungsschichten 120 und 122 sind in diesen Öffnungen zur Befestigung einer Lumineszenzdiode 40 an der Siliziumunterlage 50 angeordnet.
Die Lumineszenzdiode 40 weist ein Halbleiterplättchen 60 aus GaAs und ein Paar von blockartigen Elektroden 66 und 68 aus Silizium mit niedrigem Widerstand (d. h. hoher Verunreinigungskonzentration) auf, die mit den gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterplättchens 60 durch eutektische Legierungsschichten aus Au-Si fest verbunden sind. Das Verfahren zur Herstellung dieser Lumineszenzdiode 40 ist ähnlich dem im Zusammenhang mit F i g. 4 beschriebenen. Beispielsweise umfassen die Schritte der Herstellung der Lumineszenzdiode die Abscheidung von ohmschen Kontakt ergebenden und legierenden Schichten aus Au auf den gegenüberliegenden Oberflächen einer Diodenplatte, das Auflegen von Elektroden bildenden Siliziumplatten auf die auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Diodenplatte abgeschiedenen, ohmschen Kontakt ergebenden und legierenden Schichten, die Anwendung einer Legierungsbehandlung der eutektischen Legierung von Au-Si bei einer Temperatur von ete'a 3800C in einer Inertgasatmosphäre und dann die Aufteilung des
Plattenlaminats in einzelne Plättchen. In der so erhaltenen Lumineszenzdiode 40 sind die blockartigen Elektroden 66 und 68 mit den Anschlußleiterbahnen 108 und 110 durch die ternär-eutektischen Legierungsschichten 120 und 122 aus Au-Ge-Si mechanisch und elektrisch fest verbunden. Eine solche elektrische Verbindung kann vorgesehen werden, indem man vorab eine Schicht aus Au-Ge auf den mit den blockartigen Siliziumelektroden 66 und 68 elektrisch zu verbindenden Teilen der Anschlußleiterbahnen 108 und 110 abscheidet und eine Erhitzung zum Schmelzen der Schicht aus Au-Ge zwecks Verbindung der blockartigen Siliziumelektroden 66 und 68 mit den Anschlußleiterbahnen 108 bzw. 110 vornimmt. Die ternäre Eutektikumslegierung aus Au-Ge-Si wird vorzugsweise zur festen Verbindung der Lumineszenzdiode 40 mit der den Lichtempfänger 50a tragenden Siliziumunterlage 5Ί verwendet, da die blockartigen Siliziumelektroden 66 und 68 mit dem Halbleiterplättchen 80 durch die binäre eutektische Au-Si-Legierung verbynrlpn sind. Daher kann die Verwendung der ternären eutektischen Au-Ge-Si-Legierung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem der binären eutektischen Au-Si-Legierung eine unerwünschte Trennung der die Lumineszenzdiode 40 bildenden Teile verhindern.
Der Optokoppler nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig.5 weist ähnliche Vorteile und Merkmale wie die des ersten, anhand der Fig.3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispiels auf. Außerdem hat er einen solchen Vorteil, daß der Abstand zwischen der Lumineszenzdiode 40 und der den Lichtempfänger 50a tragenden Unterlage 50 weiter verringert und die Lage der Lumineszenzdiode 40 mit hoher Genauigkeit zwecks Erreichens einer weiteren Verbesserung des Optokopplungswirkungsgrades bestimmt werden können, da sich dieser geringe Abstand ohne Berücksichtigung der Genauigkeit der Zerteilung der Platte zum Erhalten der Lumineszenzdiode bestimmen läßt. Beim ersten und beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Lumineszenzdiode durch Aufteilen eines Plattenlaminats zu Plättchen erhalten. Dieser Aufteilungsvorgr.ng kann im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels mit den Siliziumelektroden leichter als im Fall des ersten Ausführungsbeispiels mit den Kupferelektroden durchgeführt werden.
Fig.6 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teils noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Optokopplers gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig.6 sind drei Photothyristoren 50a, 50a' und 50a" in einer Reihenanordnung in einer der Hauptoberflächen einer Lichtempfänger-Trägerunterlage 50 aus Silizium ausgebildet, und diese Hauptoberfläche der Unterlage 50 ist mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch isolierenden Schicht 106 aus einem Material, wie z. B. SiO2, bedeckt Eine Lumineszenzdiodengruppe ist auf einer Hauptoberfläche einer Keramikunterlage 42' befestigt Gedruckte Anschlußleiterbahnen 70, 70', 70" und 72 sind auf dieser Hauptoberfläche der Keramikunterlage 42' vorgesehen, und die Oberflächenteile dieser Anschlußleiterbahnen sowie die Oberfl=5 chenteile der Keramikunterlage 42' ohne darauf ausgebildete Anschlußleiterbahnen sind mii einer Glasschicht 146 bedeckt Die den Lichtempfänger tragende Siliziumunterlage 50 und die Keramikunterlage 42' sind in einem vorbestimmten, sehr Weinen Abstand einander gegenüber angeordnet, der durch (nicht dargestellte) Befestigungsmittel erreicht wird.
Man erhält die Lumineszenzdiodengruppe durch abwechselndes Schichten dreier Lumineszenzdiuden-Halbleiterplatten aus GaAs mit Polaritäten P-N bzw. N-P zusammen mit Elektroden ergebenden Kupierplatten, Verbinden der Kupferelektroden mit den Halbleiterplatten durch Legierungsbehandlung zum Erhalten eines Plattenlaminats und anschließendes Aufteilen dieser Plattenlaminats zu Plättchen. So ist die Lumineszenzdiodengruppe von einem Reihenaufbau, in dem Halbleiterplättchen 60, 60' und 60" aus GaAs !wischen vier blockartigen Kupferelektroden 66, 66', •6" und 68 entsprechend F i g. 6 eingefügt sind. Diese blockartigen Elektroden 66 bis 68 sind durch Lotschichten 74, 74-, 74" und 76 mit den entsprechenden AnschluDleitei bahnen 70, 70', 70" und 72, wie dargestellt, fest verbunden. Beim Verbinden der blockartigen Elektroden 66 bis 68 mit den entsprechenden Anschlußlp'tprhahnen 70 bis 72 ist es wesentlich, daß der jeweilige Lichterzeugungs-PN-Übergang der Halbleitef,:4ättchen 60, 60' und 60" richtig zu den zugehörigen Photothyristoren 50a, 50a' und 50a" ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung läßt sich erfindungsgemäß leicht erreichen. In Fig.6 sind die Anschlußleiterbahnen 70 und 70" mit der Kathode der Halbleiterplättchen 60,60' und 60" verbunden, während die Anschlußleiterbahnen 70' und 72 mit der Anode dieser Halbleiterplättchen verbunden sind. Mit anderen Worten sind die drei Lumineszenzdioden in der Lumineszenzdiodengruppe zum Arbeiten parallel miteinander angeordnet, obwohl sie aufbaumäßig in einer Reihe angeordnet sind.
Der Aufbau des in F i g. 6 dargestellten Optokopplers hat gleichartige Vorteile und Merkmale wie die im Zusammenhang mit F i g. 3 und 4 beschriebenen. Dieser Aufbau ist besonders brauchbar, wenn eine Verbesserung in Integrationsgrad erwünscht ist.
Nachdem bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beispielsweise beschrieben wurden, ist es offenbar, daß die Erfindung auf die bestimmten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt ist und verschiedene Änderungen und Varianten ohne
ίο Verlassen des Bereichs der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise können anstelle von Kupfer und Silizium, die in den Ausführungsbeispielen als Material zur Bildung der blockartigen Elektroden angegeben sind, irgendwelche anderen geeigneten
Materialien verwendet werden, die Metalle, z. B. Al, Ag und Mo, und Halbleiter niedrigen Widerstandes, wie z. B. Ge und GaAs umfassen. Der zur Herstellung der Lumineszenzdiode verwendete Halbleiter und das zur Herstellung der blockartigen Elektroden verwendete Material sind vorzugsweise untereinander gleich, um die Wärmebeanspruchung möglichst gering zu halten, die aufgrund des Unterschiedes zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien der Elektroden und der Lumineszenzdiode auftreten würde. Diase Geringhaltung der Wärmebeanspruchung ist zur Verbesserung der Beständigkeit der Lumineszenzdiode gegenüber Wärme vorteilhaft. Weiter ist es. obwohl eine Lumineszenzdiode aus GaAs und ein Photothyristor zur Lichterzeugung bzw. zum Lichtempfang angegeben wurden, klar, daß auch irgendwelche anderen geeigneten Lichterzeugungsbauelemente und Lichtempfangsbauelemente anstelle der genannten verwendet werden können.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 Patentansprüche:
1. Optokoppler mit einer Lumineszenzdiode, einem Lichtempfänger, einem Träger der beiden und Anschlußleiterbahnen auf dem Träger in Verbindung mit Elektroden der Lumineszenzdiode und des Lichtempfängers, bei dem der Träger ein Paar parallel verlaufender Tragoberflächen und einen zwischen der Lumineszenzdiode und dem Lichtempfänger sich erstreckenden optischen Pfad zum optoelektronischen Koppeln der beiden miteinander aufweist, der pn-Obergang der Lumineszenzdiode eben und senkrecht zur Hauptoberfläche des Lichtempfängers angeordnet ist, die Lumineszenzdiode und der Lichtempfänger mit wenigstens je zwei Elektroden versehen sind und die Elektroden elektrisch und mechanisch durch Lot mit den Leiterbahnen des Trägers verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß sich der optische Pfad zwischen den parallelen Oberflächen fi«s Trägers (42,44) und der Lichtempfänger-Tragunterlage (50) erstreckt und
daß die beiden Elektroden (66,68) der Lumineszenzdiode (40) mit den entgegengesetzten Endflächen des Halbleiterplättchens (60) der Lumineszenzdiode (40) vollflächig verbunden, blockartig mit einer größeren Dicke als der der p-Sct «:ht des Halbleiterplättchens (60) ausgebildet und mit ihren der einen parallelen Oberfläche des Trägers (42) zugewandten, dazu parallelen Flächen elektrisch und mechanisch durch Lot (74,76) mit den Anschlußleiterbahnen (70, 72) des Trägei - verbunden sind, die an bestimmten Stellen der einen paralle'en Ob—fläche des Trägers (42) freiliegen.
2. Optokoppler nach Anspruch ' dadurch gekennzeichnet.
daß der Lichtempfänger eine Halbleiterunterlage (50) mit wenigstens einem darin ausgebildeten Photothyristor (50a) darstellt, der Träger eine auf der Halbleiterunterlage (50) vorgesehene elektrische Isolierschicht (106) und eine keramische Unterlage (44) mit einer mittigen Ausnehmung zur Aufnahme der Lumineszenzdiode (40) aufweist, die elektrisch und mechanisch an einer ihrer parallelen Oberflächen durch Lot (120, 122) mit den an bestimmten Stellen der elektrischen Isolierschicht (106) auf den Lichtempfänger-Tragoberflächen der Halbleiterunterlage (50) freiliegenden Ansrhlußleiterbahnen (108,110) zum Erreichen der optoelektrischer! Kopplung zwischen dem Photothyristor (50) und der Lumineszenzdiode (40) verbunden ist. und
die starren Elektroden (102,104) des Photothyristors (50) elektrisch und mechanisch durch Lot mit an bestimmten Stellen der keramischen Unterlage (44) freiliegenden Anschlußleiterbahnen verbunden sind.
3. Optokoppler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger eine Halbleiterunterlage (50) mit wenigstens einem darin ausgebildeten Photothyristor (5Oe^ darstellt und der Träger eine durch Übereinanderschichten und gegenseitiges Befestigen einer ersten keramischen Unterlage (44) mit wenigstens einer mittigen Ausnehmung zur Aufnahme der Lumineszenzdiode (40) und einer zweiten keramischen Unterlage (42) mit an bestimmten Stellen ihrer Oberfläche freiliegenden Anschlußleiterbahnen (70, 72) erhaltene Keramikbasis aufweist, wobei die Lumineszenzdiode (40) auf der
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35 Keramikbasis (42, 44) montiert ist und die Halbleiterunterlage (50) an der Keramikbasis (42,44) zum Empfang des von der Lumineszenzdiode (40) abgestrahlten Lichts befestigt ist
4. Optokoppler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung mit einem lichtdurchlässigen, elektrisch isolierenden Harz (52) gefüllt ist
5. Optokoppler nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die blockartigen Elektroden (6«>, 68) aus einem halbleitenden Material bestehen, das dem Material des Halbleiterplättchens (60) gleichartig ist.
6. Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die blockartigen Elektroden (66, 68) aus einem leitenden Ma aerial bestehen.
7. Optokoppler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtdurchlässige Isolierharz (52) ein Epoxyharz ist
8. Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Halbleiterbauelemente (40, 50) elektrisch und mechanisch mit den Anschlußleiterbahnen (70, 72) auf den parallelen Oberflächen des Trägers (42, 44) mit einer Montagetoleranz von weniger als 100 μιτι verbunden sind.
9. Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Lumineszenzdiode eine Baueinheit mit einer Mehrzahl von Lumineszenzdiodenplättchen (60, 60', 60") des horizontal stranlenden Typs darstellt die abwechselnd mit blockartigen Elektroden (66, 66', 66", 68) in einem P-N/N-P/P-N-Polaritätsmuster geschichtet sind, und daß der Lichtempfänger eine Haibleiterunterlage (50) mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten, den Plättchen (60, 60', 60") entsprechenden Photothyristoren (50, 50a'.50a'Vaufweist.
40
45
50
55 Die Erfindung bezieht sich auf einen Optokoppler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art, wie er aus der J P-OS 42-17 862. Fig. 4 bekannt ist.
Ein Optokoppler hat allgemein einen derartigen Aufbau, daß eine mit einem Eingangsanschluß verbundene Lumineszenzdiode gegerüber einem mit einem Ausgangsanschluß verbundenen Lichtempfänger oder lichtempfindlichen Bauelement angeordnet ist. Im Optokoppler wird ein dem Eingansanschluß zugeführtes elektrisches Signal einmal durch die Lumineszenzdiode in Licht umgewandelt, um zum Lichtempfänger übertragen zu werden, wo das Licht wieder in das ursprüngliche elektrische Signal umgewandelt wird, um am Ausgangsanschluß aufzutreten. Daher ist der Optokoppler insofern vorteilhaft, als sich der Eingang und der Ausgang elektrisch voneinander isolieren lassen. Der Optokoppler mit diesem Vorteil wird weithin als Signalübertragungsmittel zwischen zwei gekoppelten Schaltkreisen verwendet bei denen eine Notwendigkeit zur Verhinderung gegenseitiger elektrischer Störung besteht.
Es ist ganz natürlich, daß eines der wichtigsten Erfordernisse für einen solchen Optokoppler ein befriedigender Wirkungsgrad der Optokopplung ist. und zur Erreichung eines möglichst hohen Optokopplungswirkungsgrades ist es wesentlich, den optischen Aufbau des Optokopplungsmittels zwischen der Lumineszenzdiode und dem Lichtempfänger zu verbessern.
Obwohl einige bisher bereits zwecks Verbesserung des optischen Aufbaus des Optokopplers zwischen der
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