作者：飞兆半导体公司 R. Joshi，Chung-Lin Wu，M. Narayanan，K.Ramdass

引言

光耦合器 (也称作光隔离器) 是半导体器件，容许电信号在电路或系统之间传送，并保证电路或系统之间被电气隔离。典型的双列直插式 (DIP)光耦合器包含三个基本单元：一个红外(IR)发光二极管 (LED)、一个输出光电检测器，以及对于相互连接至关重要耦合介质。
    当正向电流 (If) 通过LED时，电子被转换成光子。辐射能量通过光耦合介质发射并到达检测器的表面，在此处光子又被转换成电子。光电检测器 (在很多情况下称为光电晶体管) 的设计具有较大的基极区域，因此具有较大的基极-集电极结区域，及较小的发射极区域。如果基极和发射极接地，而正电压接在光电晶体管集电极的两端，则该器件可作为光电二极管运作。这样电流从集电极流向基极，在负载电阻 (RL) 上产生电压降。结电容 (Ccb) 会产生与输出电压上升时间相对的输出电路时间常数 (RL*Ccb) 。输出电流在这种配置下会很小，因此这种连接通常不使用。
    耦合介质可优化从LED发射至光电检测器的光线传送。耦合介质必须对发射波长呈光学透明并且具有高折射指数。有时在透明的耦合介质上制作反射涂层，用以优化耦合效率。耦合介质和反射涂层必须仔细选择，以限制在连接线和以GaAs或AlGaAs为基础LED上产生的热机械应力。
    最常见的电路应用是让基极连接开路。这样，总体集电极电流较光产生的电流大很多，并且比之前配置的电流高出数百倍。但也带来了减慢工作速度的问题。这种连接的输出时间常数为 (RL*Ccb)。光电晶体管的输出电流与砷化镓二极管的输入电流之比被称为电流传输比 (CTR)。
    光耦合器的一种普通应用是开关电源。在保持信号完整和安全性的情况下，提供从次级低压边到初级高压边的隔离反馈，以便进行控制。除提供高度电气隔离外，光耦合管亦可提高差模与共模信号之比。 

DIP封装 (见图1) 广泛应用于集成电路封装，以及普通光耦合器封装。光耦合器DIP封装一般有4、6、8或16引脚等不同型号。
    P-DIP光耦合器封装可进行一些改进。例如，光耦合器封装需要昂贵和耗时的过铸模工艺。在过铸模工艺中，铸模混合充胶剂将光耦合器封装的其他部分封装起来。除了过铸模工艺本身以外，还要使用铸模材料清除工艺 (如树脂切除和残胶切除工艺) 来除去多余的铸模混合物，因而增加了光耦合器封装的制造时间和制造成本。此外，还需要投入大量资金来制造不同外形因数 (如4、6、8脚封装)的铸模。因此，如能取消过铸模工艺，就可降低生产光耦合器封装的相关时间和成本。此外，DIP光耦合器封装不利于PCB表面贴装，引脚必须进行整形，以便适应常有微小裂纹危险出现的表面贴装回流焊，并影响元件的可靠性。此外，这种DIP封装的高度会给用户带来问题，比如所使用的其他器件为低高度的表面贴装元件如TSSOP或TQFP。
    Microcoupler (见图1) 便通过其设计特性来解决这些问题。低侧高微型表面安装元件的高度描述最高为1.2mm，占位面积较现今的PDIP型小。Microcoupler不需要灌封 (铸模混合物)，而且它的制造工具与封装大小无关。它的设计还有利于改进器件在加速测试中 (如热循环试验) 的可靠性能。并可利用无铅焊球建造完全的无铅封装。

工艺详解
    从图2可以比较普通铸模DIP型光耦合器和Microcoupler封装光耦合器的典型工艺流程。
    Microcoupler由带有线路的基底和连接砷化镓LED及光电检测器芯片的裸片附着踏板所构成。LED粘结在外部以使其偏压，而光电检测器与输出连接。LED与光电检测器利用光学涂层耦合，能在介质之间进行高速传送。此外，光学涂层上覆盖一种反射涂层，将传送到光敏芯片的辐射提升到最高。焊球形成2级互连(封装至印刷线路板)。图3所示为Microcoupler的近视图。

    使用业内普通的基底和工艺可以制造侧高很低的表面贴装光耦合器封装。而且，这种独特的封装设计可以省去一系列投资密集的工艺步骤如铸模、残胶去除修整和整形。使用传统的钻石划片机可进行Microcoupler的分割。

特性描述

由PT504发射器和OI1523检测器制造的Microcoupler器件与采用集成相同发射器和检测器的4脚DIP封装进行比较。绝缘测试测量了1mA输入电流和5V偏压下的CTR、80V Vce下的 Iceo，以及为时1s的绝缘电压。图4比较了研究结果。

两种封装从25℃到125℃范围的CTR衰变测量结果也进行比较。图5显示Microcoupler的高温衰变(在1mA、5V情况下) 仅为30% 左右，而4脚DIP封装则为60%。图6所示为低输入电流下Microcoupler的CTR性能随温度变化的情况。

封装可靠性

图7所示为Microcoupler封装的初步可靠性测试结果。

FEA分析显示最大应力为131 MPa，远远低于芯片的临界应力 (约700 MPa)。焊球和反射涂层的应力较低。结果显示正如实验验证，这种封装在 260℃ 回流焊下是稳定坚固的（见图8、9）。

结论

1. 针对表面贴装Microcoupler封装的独特结构做出描述。
    2. 这封装的结构及其装配流程有利于低侧高表面贴装元件，具有较现今封装选择简化的装配工艺流程。
    3. FEA分析显示该封装在严格的260℃ (无铅) 回流焊条件下所受的应力很小或没有，并经独立进行的实验验证。
    4. 使用无铅焊球可制造完全无铅的光耦合器封装。
    5. 关键参数如电流传递比 (CTR) 的初步特性结果显示，这封装尺寸并不存在衰变问题。
    6. 这些独特/新颖的材料和设计的早期可靠性测试结果令人鼓舞，表明这是稳定的封装和优良的装配工艺。