DE69201161T2 - Optoelektronischer Koppler. - Google Patents

Optoelektronischer Koppler.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Koppler mit einem optischen Sender und einem optischen Empfänger, die an einzelne Anschlußleiter befestigt sind und die über Kontaktdrähte mit einem oder mehreren weiteren Anschlußleitern verbunden sind, wobei der Sender, der Empfänger, die Kontaktdrähte und Teile der Anschlußleiter in eine primäre, transparente Umhüllungsmasse eingebettet sind und wobei die primäre Umhüllungsmasse in eine sekundäre, nicht-transparente Umhüllungsmasse eingebettet ist. Optoelektronische Koppler werden u.a. in Sicherheitssystemen verwendet, mit denen beispielsweise Computer- und Telekomanlagen gegen elektrische Spannungen daran angeschlossener Peripherieapparatur geschüzt werden. Diese Koppler werden auch in Audio- und Video-Apparatur verwendet.
  • Ein derartiger optoelektronischer Koppelr ist an sich bekannt aus der europäischen Patentschrift EP 192.643. Der darin beschriebene Koppler weist als optischen Sender eine LED (light-emitting diode) und als optischen Empfänger eine lichtempfindliche Diode auf, die über eine primäre, transparente Umhüllungsmasse optisch miteinander gekoppelt sind. Mit dem Ausdruck "transparente Umhüllungsmasse" wird gemeint, daß das Material dieser Umhüllungsmasseoptisch transparent ist für die otpischen Signale, die beim Betreiben des Kopplers vom Sender ausgesendet und vom Empfänger empfangen werden. Die Wellenlängen dieser Signale können in dem Spektrum liegen, für das das menschliche Auge empfindlich ist, sowie in dem UV- und IR-Spektrum.
  • Die primäre, transparente Umhüllung des Kopplers ist in eine sekundäre nicht transparente Umhüllung eingebattet. Die letztgenannte Umhüllung verleiht dem Koppler die gewünschte Festigkeit und schützt die primäre Umhüllungsmasse von optischen Signalen von draußen. Beim bekannten Koppler ist die Oberfläche der primäre Umhüllungsmasse derart behandelt worden, daß die primäre und die sekundäre Umhüllungsmasse aneinander haftend miteinander verbunden sind. Die Haftförderung wird dadurch erreicht, daß die primäre Umhüllungsmasse mit UV-Licht, chemischen Reagentien, Korona- oder Plasmaentladungen bearbeitet werden. Durch dise Maßnahme wird vermieden, daß Feuchtigkeit zwischen die sich berührenden Oberflächen der beiden Umhüllungsmassen eindringen kann. Diese eindringende Feuchtigkeit zwischen den Anschlußleitern Kurzschluß verursachen. Diese tritt auf bei elektrischen Spannungen in der Größenordnung von 5 - 10 kV oder mehr. In dem Fall wird zwischen dem (den) Anschlußleiter(n), mit dem (denen) der Sende und der Empfänger verbunden ist, eine elektrische Leitungsstrecke gebildet. Diese Leitungsstrecke wird durch den zwischen den Umhüllungsmassen vorhandenen Feuchtigkeitsfilm gebildet.
  • Der bekannte optoelektronische Koppler weist Nachteile auf. So hat es sich herausgestellt, daß bei der Herstellung der obengenannten Koppler die Ausschußquote unerwünscht hoch ist. Es stellte sich heraus, daß eine wesentliche Anzahl Koppler, in denen die bekannte haftfördernde Maßnahme durchgeführt worden war, überhaupt nicht funktionierte.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den obengenannten Nachteil aufzuheben oder stark zu verringern. Die Erfindung hat insbesondere zur Aufgabe, einen optoelektronischen Kopller mit einer hohen Durchschlagspannung zu schaffen, der sich mit einer geringen Ausschußquote herstellen läßt.
  • Diese Aufgabe wird erreicht mit einem optoelektronischen Koppler der eingangs beschriebenen Art erfüllt, der nach der Erfindung das Kennzeichen aufweist, daß die Kontaktfläche zwischen der primären Umhüllungsmasse und der sekundären Umhüllungsmasse mindestens eine Zone aufweist, in der die primäre und die sekundäre Umhüllungsmasse aneinander haftend verbunden sind, und daß die Berührungsfläche zugleich mindestens eine Zone aufweist, in der die primäre und die sekundäre Umhüllungsmasse nicht-aneinanderhaftend verbunden sind.
  • Der Erfindung liegt die erhaltene Erkenntnis zugrunde, daß es nachteilig ist, wenn die primäre und die sekundäre Umhüllungsmasse über die ganze Berührungsfläche aneinanderhaftend verbunden sind. Wenn dies der Fall ist, können bei der Herstellung des Kopplers unzulässig große elastische Spannungen in der primären Umhüllungsmasse entstehen. Diese Spannungen werden gerade dann erzeugt, wenn die sekundäre Umhüllungsmasse angebracht wird. Dies gilt insbesondere, wenn es zwischen den Materialien der Umhüllungsmassen einen großen Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten gibt und die sekundäre Umhüllung bei höheren Temperaturen angebracht wird. Dies ist insbesondere der Fall bei Verwendung einer primären Umhüllungsmasse auf Basis von Silikonkautschuk und einer sekundären Umhüllungsmasse auf Basis von Epoxy. Die genannten Spannungen führen dazu, daß die Kontaktdrahte brechen, daß sie sich von der Diode, dem Transistor oder den Anschlußleitern lösen und/oder daß der Sender oder der Empfänger von dem Anschlußleiter brechen. Dadurch wird ein nichtfunktionierender Koppler erhalten. Es hat sich herausgestellt, daß dieses Problem wesentlich verringert wird, wenn die beiden Umhüllungsmassen nur über einen Teil der Berührungsfläche in Kontakt miteinander sind.
  • Weiterhin hat Anmelderin festgestellt, daß die Zone der Berührungsfläche, wo die primäre und die sekundäre Umhüllungsmasse miteinander in Kontakt sind, vorzugsweise minimal 10% der Gesamtoberfläche der Berührungsfläche umfassen muß. Wenn weniger als 10% der Berührungsfläche zwischen den beiden Umhüllungsmassen in Kontakt miteinander sind, ist die Durchschlaggefahr noch immer unakzeptierbar hoch. Andererseits muß die Zone der Berührungsfläche, wo die beiden Umhüllungsmassen in Kontakt miteinander sind, vorzugsweise maximal 60% der Gesamtoberfläche der Berührungsfläche umfassen. Wenn die Haftzone größer ist, wird eine unakzeptierbar hohe Ausschußquote beim Herstellungsverfahren der Optokoppler erhalten.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß die Berührungsfläche zwei Zonen umfaßt, in denen die primäre und die sekundäre Umhüllung in Kontakt miteinander sind, wobei die eine Zone an die Anschlußleiter grenzt, mit denen der Sender elektrisch verbunden ist, und wobei die andere Zone an die Anschlußleiter grenzt, mit denen der Empfänger elektrisch verbunden ist, und wobei diese Zonen durch eine dritte Zone der Berührungsfläche, in der die primäre Umhüllung und die sekundäre Umhüllung nicht miteinander in Kontakt verbunden sind, voneinander getrennt sind.
  • Bei der letztgenannten Konfiguration des erfindungsgemäßen optoelektronischen Kopplers grenzen die Haftzonen an die Anschlußleiter. Die Gefahr vor Feuchtigkeitseindringung ist insbesondere hoch im Grenzbereich zwischen der sekundären Umhüllung und den Unschlußleitern. Wenn nun dafür gesorgt wird, daß die Haftzonen an die Anschlußleiter grenzen, wird erreicht, daß etwaiges Eindringen von Feuchtigkeit vermieden wird. Es kann also keine Feuchtigkeit in diese Zone der Berührungsfläche zwischen der primären und der sekundären Umhüllungsmasse, wo diese in nicht-haftendem Kontakt miteinander sind, eindringen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Kopplers,
  • Fig. 2 einen schematischen Schnitt in der xy-Ebene durch den optoelektronischen Koppler nach Fig. 1, und
  • Fig. 3 einen schematischen Schnitt in der xz-Ebene durch den optoelektronischen Koppler nach Fig. 1.
  • Es sei bemerkt, daß deutlichkeitshalber nicht alle Teile in der Zeichnung maßgerecht dargestellt sind. Weil die drei Figuren denselben Koppler darstellen, sind entsprechende Teile aus den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen angegeben.
  • Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemaßen optoelektronischen Koppler. Dieser umfaßt eine sekundäre Umhüllungsmasse 1 aus Epoxy. Die Zusammensetzung der Umhüllung ist derart gewählt worden, daß diese für die optische Strahlung, die der optische Sender im Betrieb aussendet, und für die der optische Empfänger empfindlich ist, undurchdringbar ist. Aus zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Umhüllung ragen drei Anschlußleiter 2, 3, 4 bzw. 5, 6, 7 heraus, wobei die letzten drei in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Siehe dazu Fig. 2.
  • Fig. 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Koppler nach Fig. 1 in der xy-Ebene des in Fig. 1 dargestellten Achsensystems. An die Anschlußleiter 3 bzw. 6 sind mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebers ein optisch empfindlicher Empfänger 8 in Form einer Diode oder eines Transistors bzw. ein optischer Sender in Form einer LED befestigt und damit elektrisch verbunden. Als Empfänger wird beispielsweise ein Silizium-npn-Phototransistor verwendet. Als Sender wird beispielsweise eine IR- sendende GaAs-Diode verwendet. Der optische Empfänger 8 ist über Goldkontaktdrähte 10 bzw. 11 mit den Anschlußleitern 2 bzw. 4 elektrisch verbunden. Der optische Sender 9 ist mit einem Goldkontaktdraht 12 mit dem Anschlußleiter 7 elektrisch verbunden.
  • Der Empfänger 8, der Sender 9, die Kontaktdrähte 10-12 und ein Teil der Anschlußleiter 2-7 sind in eine transparente, primäre Umhüllungsmasse eingebettet, die in dem vorliegenden Fall aus Siliconkautschuk betsteht. Diese umfaßt eine zentral liegende Masse aus klarem Siliconkautschuk 13, deren begrenzung durch die Zeile 14 angegeben ist. Über diese zentral liegende Umhüllungsmasse 13 sind der Empfänger 8 und der Sender 9 beim Betreiben des Kopplers miteinander in optischem Kontakt. Über diese zentral liegende Masse ist eine Schicht aus weißem Siliconkautschuk 15 vorgesehen, deren Begrenzung durch die Linie 16 angegeben ist. Für diese Schict kann der gleich Siliconkautschuk verwendet werden wie für die zentrale Masse, die weiterhin mit beispielsweise Titandioxid vermischt wird. Der weiße Siliconkautschuk wirkt als Reflexionsschicht für die in der zentralen Masse aus transparentem Siliconkautschuk erzeugten optischen Signale. Das Vorhandensein einer derartigen Reflexionsschicht steigert die optische Empfindlichkeit des Kopplers.
  • Die primäre Umhüllungsmasse 13, 15 ist in eine sekundäre Umhüllungsmasse 1 aus einer thermohärtenden Epoxyverbindung eingebettet. Diese ist dadurch geschwärzt, daß das Epoxy mit einem schwarzen Füllmittel, wie beispielsweise Ruß, vermischt wird. Dadurch ist die primäre Umhüllungsmasse für optische Signale von draußen unerreichbar gemacht worden. Die sekundäre Umhüllungsmasse verleiht dem Koppler weiterhin die erforderliche Festigkeit.
  • Fig. 3 zeigt einen schematischen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Koppler nach Fig. 1 in der yz-Ebene des in Fig. 1 angegebenen Achsensystems. Daraus ist ersichtlich, wie die zentral liegende Umhullungsmasse 13 aus transparentem Siliconkautschuk durch eine Schicht 15 aus weißem Siliconkautschuk umgeben wird und daß der Sender 9 und der Empfänger 10 in den transparenten Siliconkautschuk aufgenommen sind.
  • Die Linie 16 in den Fig. 2 und 3 bildet zugleich einen Teil der Berührungsfläche zwischen der primären und der sekundären Umhüllung. Die Zonen der Berührungsfläche, wo die primäre Umhüllungsmasse und die sekundäre Umhüllungsmasse miteinander in Kontakt sind, werden mit dem dicken gezogenen Teil der Linie 16 angegeben. Diese Zonen grenzen an die Anschlußleiter, mit denen der Sender bzw. der Empfänger elektrisch verbunden sind. Diese zwei Zonen werden durch eine Zone, wo die primäre und die sekundäre Umhüllungsmasse in nicht haftendem Kontakt miteiander sind, voneinnder getrennt. Diese Zone wird in den Fig. 2 und 3 durch den gestrichelten Teil der Linie 16 schematisch angegeben.
  • Der erfindungsgemäße optoelektronische Koppler wird wie folgt hergestellt. An zwei einzelne Anschlußleiter eines Rahmens werden mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebers ein optischer Sende (beispielsweise eine LED) und ein optischer Empfänger (beispielsweise eine lichtempfindliche Diode oder ein Phototransistor) befestigt. Der Sender und der Empfänger werden mit Hilfe von Kontaktdrähten aus beispielsweise Gold mit weiteren Anschlußleitern des Rahmens elektrisch leitend verbunden. Auf dem rahmen wird ein Tropfen transparenter Umhüllungsmasse angebracht, wodurch der Sender, der Empfänger, die Kontaktdrähte und Teile der Anschlußleiter eingebettet werden. Die Umhüllungsmasse besteht vorzugsweise aus Siliconkautschuk. Über diesen Tropen transparenter Umhüllungsmasse wird vorzugsweise eine weiße Reflexionsschicht angebracht aus beispielsweise mit Titandioxid vermisctem Siliconkautschuk. Wenn die transparente Umhullungsmasse und die Refexionsschicht beide auf Basis von Siliconkautschuk sind, wird ein einwandfreier Kontakt erzielt.
  • Die Oberfläche der primären Umhullungsmasse wird derart bearbeitet, daß nach dem Anbringen der sekundären Umhüllungsmasse eine gute Haftung entsteht. Dazu wird ein Teil der Oberfläche mit beispielsweise UV-Ozon, chemischen Reagentien, Flammen-, Plasma- oder Corona-Entladungen behandelt. Von diesen Verfahren empfiehlt sich die Behandlung mit Corona-Entladungen. Mit dem letztgenannten Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, ein einwandfrei definierter Teil der Oberfläche der primären Umhüllungsmasse zu bearbeiten. Die anderen Verfahren eigen sich besser dazu, die ganze Oberfläche zu behandeln.
  • Mit der Corona-Behandlung werden vorzugsweise zwei Zonen der Oberfläche der primären Umhüllungsmasse behandelt, wobei die eine Zone an die Anschlußleiter grenzt, mit denen der Sender elektrisch verbunden ist und wobei die andere Zone an die Anschlußleiter grenzt, mit denen der Empfänger elektrisch leitend verbunden ist. Diese zwei Zonen sind dann durch eine dritte Zonen, die nicht mit Corona-Entladungen behandelt worden ist, voneiannder getrennt.
  • Nachdem die Haftförderungsbehandlung der Oberfläche der primären Umhüllungsmasse durchgeführt worden ist, wird die sekundäre Umhüllungsmasse angebracht. Diese besteht vorzugsweise aus einer thermohärtenden Epoxyverbindung, die bei erhöhter Temperatur von beispielsweise 175ºC angebracht wird. Dadurch, daß bestimmte Zonen der Oberfläche der primären Umhüllungsmasse eine Haftförderungsbehandlung erfahren haben, wird an dieser Stelle eine einwandfreie Haftung zwischen der primären und der sekundären Umhüllungsmasse erhalten.
  • Wenn die Ortliche Haftförderungsbehandlung in der Nähe der Anschlußleiter durchgeführt wird, und diese auch teilweise mitbehandelt werden, stellt es sich heraus, daß dann ein zusätzlich vorteilhafter Effekt auftritt. In dem Fall stellt es sich heraus, daß das Eindringen von Feuchtigkeit an- der Grenzfläche zwischen der sekundären Umhüllungsmasse und den Anschlußleitern dadurch erschwert wird.

Claims (3)

1. Optoelektronischer Koppler mit einem optischen Sender (9) und einem optischen Empfänger (8), die an einzelne Anschlußleiter (6; 3) befestigt sind und die über Kontaktdrähte (12; 10, 11) mit einem oder mehreren weiteren Anschlußleitern (7; 2, 4) verbunden sind, wobei der Sender, der Empfänger, die Kontaktdrähte und Teile der Anschlußleiter (6, 7; 2, 3, 4) in eine primäre, transparente Umhüllungsmasse (13, 15) eingebettet sind und wobei die primäre Umhüllungsmasse in eine sekundäre, nichttransparente Umhüllungsmasse (1) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (16) zwischen der primären Umhüllungsmasse und der sekundären Umhüllungsmasse mindestens eine Zone aufweist, in der die primäre und die sekundäre Umhüllungsmasse miteinander in Kontakt sind, und daß die Berührungsfläche zugleich mindestens eine Zone aufweist, in der die primäre und die sekundäre Umhüllungsmasse nicht-aneinanderhaftend miteinander in Kontakt sind.
2. Optoelektronischer Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone(n), in der (denen) die primäre und die sekundäre Umhüllung in aneinanderhaftendem Kontakt miteinander sind, minimal 10% und maximal 60% der Gesamtoberfläche der Berührungsfläche (l6) umfaßt (umfassen).
3. Optoelektronischer Koppler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche (16) zwei Zonen umfaßt, in denen die primäre (13, 15) und die sekundäre Umhüllung (1) in Kontakt miteinander sind, wobei eine dieser Zonen an den Anschlußleiter (6) grenzt, mit dem der Sender (9) elektrisch verbunden ist, und wobei die andere Zone an die Anschlußleiter (7) grenzt, mit denen der Empfänger e(8) lektrisch verbunden ist, und wobei diese Zonen durch eine dritte Zone der Berührungsfläche, in der die primäre Umhüllung und die sekundäre Umhüllung nicht miteinander in Kontakt verbunden sind, voneinander getrennt sind.
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