采用堆叠式LED结构的特点优势及在数字逻辑门光学耦合器中的应用

作者：Theng—Hui Kek Leonard Tan

现代光学耦合器的核心是输入端的LED和输出端的光电探测器。 它们被绝缘的光传导介质隔开。光电探测器可以是光电晶体管，可以是带有晶体管的光电二极管，也可以是集成式检测器/逻辑集成电路。大多数光学耦合器都经过UL1577、CSA和IEC/DIN EN/EN 60747-5-2列明的基本安全标准认证。

在某些情况下，人们特别希望提高一个封装中的光学耦合器数量，以优化生产成本，节约电路板空间。例如，在计算机系统中，在一个封装中集成两条以上的光学耦合器通道，可以明显降低并行接口和串行接口的部件数量和电路板空间，如RS232/485/422、SPI （串行外设接口）和集成电路之间（I2C）总线。多通道光学耦合器在工业控制、测试测量、PLC（程控逻辑控制器）医疗系统、Fieldbus接口和数据采集中；在POE （通过以太网供电）和联网电路板等通信应用中；在等离子平板显示器和其它消费家电中都提供了同样的优势。

以前把两个以上的光学耦合器集成到一个DIP/表面封装的浇铸封装中是一个很大的挑战。主要问题来自已有的封装工艺及LED方块的正面发光特点。

部分困难包括：

*制造工艺增加，工艺复杂程度增加；

*光学耦合器通道之间的光泄漏/串扰；

*由于隔离材料放置困难而导致IC芯片数量提高的相关问题；

*由于要求的引线框和封装图形，需要明显大得多的封装。

光学耦合器制造技术

光学耦合器的工作基础是LED发出的光通过透明的绝缘介质到光电探测器，这种介质提供2.5 kV - 6 kV范围的高压绝缘。光耦合程度取决于光导材料。绝缘将通过光导材料本身或通过额外的光传导介电材料实现。在任何情况下，LED的排列、光导材料、介电材料和IC都会直接影响光耦合和高压绝缘的性能。一般来说，光学耦合器封装与传统集成电路封装类似，但它采用独特的工艺步骤和必要的材料，以形成光导，满足高压绝缘要求。下表列明了各种浇铸光学耦合器的制造方法，介绍了独特的材料、工艺和限制。

双浇铸工艺

图1 浇铸光学耦合器封装使用的双浇铸工艺

图2 浇铸光学耦合器封装使用的介电材料放置工艺

在单通道光学耦合器的双浇铸工艺中，LED和IC通过模具连接到两个不同的引线框和焊接线上。然后使用焊接把两个引线框组合在一起。在引线框焊接完毕后，LED直接面向IC，LED位于IC上方。然后，组合好的引线框使用白色光传导化合物进行浇铸，构成光导装置，把光从LED传送到IC光电检测器上。白色化合物还提供了高压绝缘功能。最后，得到的组件使用不透明的化合物浇铸，构成最终的封装轮廓。

介电材料放置工艺

在介电放置工艺中，LED和IC的排列与双浇铸工艺相同。但它不使用白色化合物，而是在LED和IC之间使用硅树脂，形成光导装置。此外，它在LED和IC之间放一个光传导介电装置，形成高压绝缘。最后，器件使用不透明的浇铸化合物浇铸。

图3 浇铸光学耦合器封装使用的平面工艺

平面工艺

在平面工艺中，LED和IC位于与引线框和焊接线相同的平面中。然后使用一层透明的硅树脂，以近似圆屋顶形覆盖LED和IC。硅树脂提供了光导能力。为防止光逸出，在透明硅树脂上使用了另一层白漆。因此，来自LED的光会在圆屋顶内部反射到IC上。最后，器件使用不透明的浇铸化合物封装。

堆叠式LED技术

图4是光学耦合器的横截面图，其中LED直接堆叠在光电探测器IC上。这种堆叠式LED方法的主要实现技术是背面发光LED的开发。

图4 光学耦合器的横截面图，其中LED直接堆叠在光电检测器IC的上面

光电二极管芯片采用两个透明的层：SiO2 钝化/绝缘和光传导聚酰亚胺。LED使用透明的连接层稳固地连接到光电二极管上。IC使用银环氧树脂，通过模具连接到引线框上。介电材料使用光传导环氧树脂连接到IC上。LED模具使用光传导环氧树脂连接到介电材料上。最后，组件使用焊接线和浇铸。它使用标准模具连接工艺，完成所有放置，封装在单次不透明浇铸化合物中完成浇铸。

堆叠式LED的优势

集成度高： 通过采用传统IC组件设备，堆叠式LED技术大大增强了封装功能和灵活性。从本质上看，发射机-检测器芯片组可以插入任何要求的集成式封装中。

减少流程步骤： 该方法减少了流程步骤，因此是一种更加高效的制造方法。

轻薄、小型封装： 总封装高度现在单纯取决于IC、LED、超薄聚酰亚胺和LED焊接线高度的厚度组合。

图5比较了各种制造工艺得到的封装高度。

图5

背面发光LED

图6是传统正面发光LED和透明基底背面发光器件的横截面。表4说明了其属性。

图6 传统吸收基底正面发光LED与透明基底背面发光LED的横截面

对背面发光的LED，其激活层在透明基底上生长，掺杂程度取决于所要求的发射光波长。发光区域在晶片制造工艺中确定，基底在器件上保持不变。

Avago Technologies（安华高科技）已经在一系列新的多通道和双向15 MBd数字逻辑门光学耦合器中采用堆叠式LED结构。该系列分成紧凑的8针 （双通道为4.9 mm x 5.9 mm x 1.7 mm）和16针 （三通道和四通道为9.9 mm x 5.9 mm x 1.7 mm）薄型小型集成电路（SOIC）封装，包括双通道、三通道和四通道三种型号。

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