DE2903587C2 - Process for the production of opto-electronic coupling components - Google Patents
Process for the production of opto-electronic coupling componentsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von opto-elektronischen Koppelbauelementen bestehend aus einer Leuchtdiode und einem Fototransistor, deren den Aufbau des betreffenden Halbleiterbauelements aufweisende Halbleiterscheibchen so einander gegenüberliegend angeordnet sind, daß das von der Leuchtdiode ausgesendete Licht auf den Fototransistor direkt auffällt.The invention relates to a method for producing opto-electronic coupling components from a light-emitting diode and a phototransistor, which form the structure of the semiconductor component concerned having semiconductor wafers are arranged opposite one another that the of the Light emitted by the light emitting diode falls directly onto the phototransistor.
Opto-elektronische Koppelbauelemente, kurz Opto-Koppler genannt, haben in der Digital-Elektronik ein weites Anwendungsgebiet gefunden. Sie vereinigen in vorteilhafter Weise eine definierte Kopplungs-, also Übertragungseigenschaft mit der in den betreffenden Anwendungsfällen gewünschten, und oft auch erforderliehen galvanischen Trennung der Stromkreise. Diese galvanische Trennung kann mit normalen Transistoren nicht in vollkommener Weise erreicht werden, weil zwischen dem Steuerstromkreis und dem Schaltstromkreis eine elektrische Verbindung besteht.Opto-electronic coupling components, or opto-couplers for short called, have found a wide field of application in digital electronics. They unite in advantageously a defined coupling, ie transmission property with that in the relevant Use cases desired, and often required galvanic isolation of the circuits. This galvanic separation can be achieved with normal transistors cannot be achieved in a perfect way because between the control circuit and the switching circuit there is an electrical connection.
J5 Bei Opto-Kopplern dagegen läßt sich durch Verwendung des Übertragungsmediums Licht eine vollkommene Trennung erreichen und dabei auch ein hoher Isolationswiderstand und eine große Spannungsfestigkeit erzielen. Wegen dieser guten Trenneigenschaften wird der Opto-Koppler auch mit dem Begriff Opto-Isolator bezeichnet.J5 In the case of opto-couplers, however, it is possible to use Achieve a complete separation of the transmission medium light and at the same time a high one Achieve insulation resistance and a high dielectric strength. Because of these good release properties the opto-coupler is also referred to as opto-isolator designated.
Im wesentlichen besteht ein opto-elektronisches Koppelbauelement aus auf winzigen Halbleiterscheibchen angeordneten Sende- und Empfangseinrichtungen.Essentially, an opto-electronic coupling component consists of tiny semiconductor wafers arranged transmitting and receiving devices.
Diese Halbleiterscheibchen werden als Leuchtdiode und als Fototransistor zunächst getrennt hergestellt Damit nun aus diesen beiden Teilen ein Opto-Koppler entstehen kann, muß die Anordnung so getroffen werden, daß das von der Leuchtdiode ausgesendete Licht auf die dafür empfindliche Stelle des Fototransistors auftreffen kann. Im allgemeinen werden deshalb Leuchtdiode und Transistor direkt einander gegenüber angeordnet, so daß eine »Sichtverbindung« besteht Es werden hierbei gewisse Anforderungen an die Genauigkeit der Anordnung bezüglich der Ausrichtung der optischen Achsen und des Abstandes beider Teile voneinander gestellt, da insbesondere der Abstand einen direkten Einfluß auf die Übertragungseigenschaften (Wirkungsgrad) des gesamten Opto- Kopplers hatThese semiconductor wafers are initially produced separately as a light-emitting diode and a phototransistor Now an opto-coupler can arise from these two parts, the arrangement must be made in this way be that the light emitted by the light emitting diode on the sensitive point of the phototransistor can hit. In general, therefore, the light-emitting diode and transistor are directly opposite one another arranged so that there is a "line of sight" There are certain requirements for accuracy the arrangement with respect to the alignment of the optical axes and the distance between the two parts from each other, since the distance in particular has a direct influence on the transmission properties (Efficiency) of the entire opto-coupler
Um diese genannten Forderungen zu erfüllen, ist es bekannt, die beiden Halbleiterscheibchen auf relativ
starke Metallstreifen aufzupressen, die gleichzeitig als AnschluBpins dienen. Diese Metallstreifen lassen sich so
formen, daß eine definierte optimale Ausrichtung der Halbleiterscheibchen und ein definierter Abstand
erreichbar ist, wenn diese Metallstreifen in einem Opto-Koppler-Gehäuse zusammenmontiert werden.
Solche Anordnungen sind beschrieben im »Opto-In order to meet these requirements, it is known to press the two semiconductor wafers onto relatively strong metal strips, which simultaneously serve as connection pins. These metal strips can be shaped in such a way that a defined, optimal alignment of the semiconductor wafers and a defined distance can be achieved when these metal strips are assembled together in an opto-coupler housing.
Such arrangements are described in the »Opto-
Kochbuch« der Firma Texas Instruments von 1975 in den Kapiteln 24 (von Seite 451 bis 462) und 26 (von Seite 475 bis 489). Auf der Seite 453 ist dort im Bild 24.2 eine .!er vorstehenden Abhandlung entsprechende Darstellung abgebildetCookbook «by the company Texas Instruments from 1975 in chapters 24 (from page 451 to 462) and 26 (from page 475 to 489). On page 453 there is one in Figure 24.2 .! representation corresponding to the preceding discussion pictured
Eine ausführlichere, perspektivische Darstellung eines derartigen Opto-Kopplers findet sich auf der Seite 23 des »Optoelectronics Manual« der Firma General Electric von 1976, wo in der Section II B von Seite 21 bis Seite 36 auch eine genaue Beschreibung von Opto-Kopplern der eingangs geschilderten Art abgedruckt ti.A more detailed, perspective illustration of such an opto-coupler can be found on the page 23 of the "Optoelectronics Manual" from General Electric from 1976, where in Section II B from page 21 to A detailed description of opto-couplers of the type described above is also printed on page 36.
Bei derart ausgeführten Opto-Kopplern dient der das Leuchtdioden- bzw. Fototransistor-Halbleiterscheibchen tragende Metallstreifen gleichzeitig als Stromzuführung und Anschlußstift Infolgedessen kommt er beim Einlöten des Opto-Koppler-Bauelementes direkt mit der Hitze des Lötbades in Berührung. Diese Hitze wird wegen des großen Querschnittes sehr gut direkt zu den Halbleiterscheibchen geleitet, die dadurch beschädigt werden können. Dies kann sich auf den späteren Betrieb der gesamten Schaltungsanordnung negativ auswirken.This is used for opto-couplers designed in this way Metal strips carrying light-emitting diodes or phototransistor wafers at the same time as power supply and pin As a result, it comes directly when the opto-coupler component is soldered in in contact with the heat of the solder bath. This heat is very good because of the large cross-section the semiconductor wafers, which can be damaged as a result. This can affect the later Operation of the entire circuit arrangement negatively impact.
Außerdem sind bei solchen Opto-Kopplern mindestens drei verschiedenartig geformte Metallstreifen als Anschlußstifte erforderlich. Die auf diese Art hergestellten Opto-Koppler sind auch nicht geeignet zur Verarbeitung in Hybridschaltungen, die in Dickfilmoder Dünnfilmtechnologie hergestellt werden.In addition, at least three differently shaped metal strips are used in such opto-couplers Connection pins required. The opto-couplers produced in this way are also not suitable for Processing in hybrid circuits manufactured using thick film or thin film technology.
Aus der schweizerischen Patentschrift 4 62 338 ist eine andere Bauform einer als Koppelbauelement verwendbaren opto-elektronischen Anordnung bekannt, bei der entweder eine Linse oder eine Leuchtdiode im Gehäusedeckel angebracht ist, so daß das Licht auf einen darunter befindlichen Fototransistor fallen kann. Auch bei dieser Anordnung sind sehr hohe Forderungen an die Genauigkeit zu stellen, weil davon, wie bereits erwähnt, der Wirkungsgrad und die Funktionssicherheit des Bauelementes abhängt. Die Anschlußbedingungen dieser Ausführungsform lassen eine universelle Anwendung nicht zu, und die Art dieser Anordnung ist fertigungstechnisch nicht optimal, so daß ein preiswertes Bauelement kaum erreichbar ist.From the Swiss patent specification 4 62 338 another design is one as a coupling component usable opto-electronic arrangement known in which either a lens or a Light-emitting diode is mounted in the housing cover, so that the light on a phototransistor located below can fall. With this arrangement, too, very high demands are placed on the accuracy, because As already mentioned, the efficiency and functional reliability of the component depends. the Connection conditions of this embodiment do not allow universal application, and the nature of this The arrangement is not optimal in terms of production technology, so that an inexpensive component can hardly be achieved.
Außerdem ist es bekannt, Halbleiteranordnungen für den Einsatz in integrierten Schichtschaltungen so vorzubereiten, daß beim Verbinden mit der Schichtschaltung keine Verbindungsdrähte erforderlich werden. Eine solche Anordnung ist in der DE-AS 15 64 444 dargestellt und beschrieben. Es ist dort angegeben, wie das Halbleiterscheibchen eines Transistors in einen treppenartig ausgebildeten, mit pfeilerartigen Erhebungen ausgestatteten Isolierträger befestigt und kontaktiert wird. Hier handelt es sich lediglich darum, durch vorgezogene Arbeitsgänge die eigentliche Bestückung einer Hybridschaltung zu erleichtern. Es sind also zusätzliche Arbeitsgänge notwendig, und es ist nicht erwähnt, daß mit dieser Anordnung auch opto-eiektronische Koppelbauelemente hergestellt werden können, die sowohl einzeln verwendbar als auch in Hybridschaltung einsetzbar sind.It is also known to use semiconductor arrangements in integrated layer circuits prepare so that connecting wires are not required when connecting to the layer circuit. Such an arrangement is shown and described in DE-AS 15 64 444. It is stated there how the semiconductor wafer of a transistor in a stair-like design, with pillar-like elevations equipped insulating carrier is attached and contacted. This is just a matter of getting through earlier work steps to facilitate the actual assembly of a hybrid circuit. So there are additional operations are necessary, and it is not mentioned that with this arrangement also opto-electronic Coupling components can be produced that can be used individually as well as in a hybrid circuit can be used.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das eingangs erwähnte und beispielsweise aus der Druckschrift »Optoelectronics Manual« zu entnehmende Verfahren zum Herstellen von opto-elektronischen Koppelbauelementen so auszubilden, daß diese unter Beibehaltung aller positiven Eigenschaften ein günstiges Wärmeleitverhalten haben und sowohl einzeln verwendbar als auch in Hybridschaltungen universell einsetzbar sind.The object of the invention consists in the aforementioned and, for example, from the publication "Optoelectronics Manual" procedure for the manufacture of optoelectronic devices to be found in To train coupling components so that this while maintaining all positive properties a favorable Have thermal conductivity and can be used individually as well as universally in hybrid circuits can be used.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die im kennzeichnenden Teil des 1. Patentanspruches gemachten Angaben maßgebend.To solve this problem, the statements made in the characterizing part of the first claim are authoritative.
Durch die Verwendung von sehr genau herstellbaren keramischen Trägerplatten wird ein hohes Maß an Genauigkeit beim Anordnen der Leuchtdioden-und Fototransistor-Halbleiterscheibchen erreicht Durch die zwischen den AnschluBstiften und den Ankontaktierpunkten vorhandenen Leiterbahnen entsteht kein unmittelbarer Wärmeübergang. In diese Leiterbahnen lassen sich bei Bedarf Widerstände eindrucken, so daß der Opto-Koppler jedem Verwendungszweck angepaßt werden kann. Außerdem läßt sich eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Anordnung neben der Anwendung als Einzelbauelement auch in jede Hybridschaltung leicht integrieren, indem dann nur ein Profil-Stück mit der Leuchtdiode über dem in der Gesamtschaltung an geeigneter Stelle befindlichen Fototransistor angebracht wird.By using very precisely manufacturable ceramic carrier plates, a high degree of Accuracy in arranging the light-emitting diode and phototransistor semiconductor wafers is achieved by the There is no conductor tracks present between the connection pins and the contact points direct heat transfer. If necessary, resistors can be imprinted into these conductor tracks so that the opto-coupler can be adapted to any application. In addition, one can be sorted according to the Arrangement produced according to the invention in addition to the application as a single component also in Easily integrate any hybrid circuit by then just placing one profile piece with the light emitting diode above the one in the Overall circuit is attached to a suitable location located phototransistor.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to drawings. It shows
Fig. 1 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes opto-elektronisches Koppelbauelement, F i g. 2 den die Leuchtdioden enthaltenden U-Profii-Träger, 1 according to the method according to the invention manufactured opto-electronic coupling component, F i g. 2 the U-Profii carrier containing the light-emitting diodes,
Fig.3 die Trägerleiterplatte mit den Fototransistoren. Fig. 3 the carrier circuit board with the phototransistors.
Das die Leuchtdiode Dtragende U-Profilstück UP ist The U-profile piece UP carrying the light-emitting diode D is
so über dem Fototransistor FTangebracht, daß das vonso placed over the phototransistor FT that the
3» der Leuchtdiode ausgesendete Licht direkt vom Fototransistor empfangen werden kann. Die elektrische Verbindung der Leuchtdiodenanschlüsse (Anode A und Kathode ^erfolgt mittels eines Leitklebers LK auf den dafür vorgesehenen Leiterbahnabschnitten LB. Dies ist auch in gleicher Weise die mechanische Verbindung mit der Trägerleiterplatte TLP. 3 »The light emitted by the LED can be received directly by the phototransistor. The electrical connection of the light emitting diode connections (anode A and cathode ^ is made by means of a conductive adhesive LK on the conductor track sections LB provided for this purpose. This is also the mechanical connection to the carrier circuit board TLP in the same way.
Auf der Trägerleiterplatte ist der Fototransistor FT mit einem Leitkleber LK auf dem direkt unterhalb der Leuchtdiode liegenden Platz befestigt. Mit den Leiterbahnen LB sind die Anschlüsse B, C und E an die Anschlußstifte geführt. Die Anschlüsse fund B sind in bekannter Weise über Zuleitungsdrähte BD verbunden. In der F i g. 2 ist dargestellt, wie die Leuchtdioden D reihenweise auf der U-förmig ausgebildeten Mehrfachträgerplatte UP angeordnet sind. Wegen der besseren Übersichtlichkeit ist diese Mehrfachträgerplatte in dieser Zeichnung gegenüber der Fig. 1 um 180° verdreht dargestellt. Die Innenseite ist mit einer Metallschicht M bedeckt, die durch eine Nut N in Längsrichtung elektrisch getrennt ist. Die Leuchtdioden sind mit einem Leitkleber LK auf der Metallschicht befestigt, wodurch gleichzeitig die Verbindung der Kathode K hergestellt ist. Die Anoden A der Leuchtdioden sind einzeln über Zuleitungsdrähte BD mit dem anderen Teil der Metallschicht verbunden. Nach Fertigstellung einer solchermaßen bestückten Mehrfachträgerplatte wird diese an den Sollbruchstellen Sin Einzelstücke zerteilt.The photo transistor FT is attached to the carrier circuit board with a conductive adhesive LK in the space directly below the light-emitting diode. With the conductor tracks LB , the connections B, C and E are led to the connection pins. The connections and B are connected in a known manner via lead wires BD . In FIG. 2 shows how the light-emitting diodes D are arranged in rows on the U-shaped multiple carrier plate UP . For the sake of clarity, this multiple carrier plate is shown rotated by 180 ° in this drawing with respect to FIG. The inside is covered with a metal layer M , which is electrically separated by a groove N in the longitudinal direction. The light-emitting diodes are attached to the metal layer with a conductive adhesive LK , whereby the connection of the cathode K is established at the same time. The anodes A of the light-emitting diodes are individually connected to the other part of the metal layer via lead wires BD. After completion of a multiple carrier plate equipped in this way, it is divided into individual pieces at the predetermined breaking points.
Unabhängig davon werden auf einer Trägerleiterplatte TLP, wie sie in Fig.3 dargestellt ist, die Fototransistoren FTaufgesetzt und die Anschlüsse B, C1 E (Basis, Kollektor, Emitter) ankontaktiert. Die Anschlüsse A und K sind für die Stromzuführung der Leuchtdiode vorgesehen. Je nach Bedarf oder nach den b5 Fertigungsmethoden kann eine Trägerleiterplatte nur einen Fototransistor oder, wie dargestellt, mehrere Fototransistoren enthalten. Es lassen sich auf diese Weise auch mehrere Opto-Koppler-Bauelemente inIndependently of this, the phototransistors FT are placed on a carrier circuit board TLP, as shown in FIG. 3, and the connections B, C 1 E (base, collector, emitter) are contacted. The connections A and K are provided for the power supply of the light emitting diode. Depending on requirements or the b5 production methods, a carrier circuit board can contain only one phototransistor or, as shown, several phototransistors. In this way, several opto-coupler components can also be used in
einem Gehäuse unterbringen. Es ist auch möglich, die fertig bestückte Trägerleiterplatte TLP nach der Bestückung in Einzelstücke auseinander zu teilen.place in a housing. It is also possible to split the fully assembled TLP carrier circuit board into individual pieces after assembly.
Nachdem aus den als Rohteil hergestellten U-Profilleisten für die weitere Verarbeitung zu Mehrfachträgerplatten optimale Längen abgeschnitten sind, wird zunächst durch einen Fräsvorgang mit einer Nut die Metallschicht aufgetrennt Sodann wird die Mehrfachträgerplatte mit Leuchtdioden bestückt und diese werden ankontaktiert Danach werden durch Auseinanderbrechen Einzelstücke gewonnen.After from the U-profile strips manufactured as a raw part Optimal lengths are cut off for further processing into multiple carrier plates First the metal layer is separated by a milling process with a groove. Then the multiple carrier plate is cut equipped with light emitting diodes and these are contacted afterwards by breaking apart Won unique pieces.
Schließlich werden diese Einzelstücke wie Bauelemente über jeweils einen Fototransistor gesetzt und durch Kleben oder Löten elektrisch und mechanisch mit der Trägerleiterplatte TLP verbunden. Der durch das Profil sich bildende Hohlraum //wird anschließend mit einem Tropfen lichtdurchlässigen Kunststoffs ausgefüllt, der infolge Kapillarwirkung haften bleibt und aushärtet Finally, these individual pieces, like components, are each placed over a phototransistor and connected electrically and mechanically to the carrier circuit board TLP by gluing or soldering. The cavity formed by the profile // is then filled with a drop of translucent plastic that adheres and hardens due to capillary action
Ein in dieser Art hergestelltes opto-elektronisches Koppelbauelement kann nun als Einzelstück, in
Mehrfach-Ausführung oder im Rahmen einer größeren Hybridschaltung vergossen werden. Dabei verhindert
der lichtdurchlässige Kunststoff ein Eindringen von Vergußmasse in die Lichtübertragungsstrecke. Andererseits
ist durch die lichtundurchlässige Vergußmasse gewährleistet, daß bei Mehrfach-Anordnungen jedes
einzelne Element von den anderen isoliert ist und somit kein Überkoppeln von Licht stattfinden kann.
Vor dem Vergießen der gesamten Anordnung sind noch in bekannter Weise die Anschlußstifte anzubringen.
Hierbei ist es nicht erforderlich, wegen der opto-elektronischen Koppelbauelemente die Anschlußstifte
unterschiedlich zu gestalten. Sie können vielmehr, in weil sie völlig gleich ankontaktiert werden, alle die
gleiche Form haben.An opto-electronic coupling component produced in this way can now be cast as a single piece, in multiple designs or as part of a larger hybrid circuit. The translucent plastic prevents potting compound from penetrating into the light transmission path. On the other hand, the opaque potting compound ensures that in the case of multiple arrangements, each individual element is isolated from the others and thus no over-coupling of light can take place.
Before the entire arrangement is potted, the connection pins are to be attached in a known manner. It is not necessary here to design the connection pins differently because of the opto-electronic coupling components. Rather, because they are contacted in exactly the same way, they can all have the same shape.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte optoelektronische Koppelbauelemente in jeder Art von π Schaltungsanordnung einsetzbar sind. Als Einzel- oder Mehrfachbauelemente sind sie beispielsweise in dual-inline Ausführung ebenso hersteilbar wie in einreihiger Ausführung für Hochkant-Bestückung. Bei der Einbeziehung von Opto-Kopplern in größere Hybridschaltungen wird die für den Fototransistor benötigte Leiterbahn-Konfiguration zusammen mit dem Layout der übrigen Schaltung gedruckt, und es ist keine separate Trägerleiterplatte erforderlich. Es erfolgt dann eine Bestückung mit der Leuchtdiode wie mit einem Bauelement.In summary, it can be said that optoelectronic produced by the method according to the invention Coupling components can be used in any type of π circuit arrangement. As a single or Multiple components can be produced, for example, in a dual-inline design as well as in a single-row version Version for upright assembly. When including opto-couplers in larger hybrid circuits the trace configuration required for the phototransistor together with the layout printed with the rest of the circuit, and no separate carrier board is required. It then happens equipping with the light-emitting diode as with a component.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OAP | Request for examination filed | ||
| OD | Request for examination | ||
| 8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: SONST, PETER, 6000 FRANKFURT, DE WILCZEK, PETER, 6234 HATTERSHEIM, DE |
|
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |