作者：安捷伦科技 Theng-Hui Kek Leonard Tan 

Stacking LED die realizes high density Multi-Channel optocoupler

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或逻辑集成电路。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光学耦合器的数量，以优化生产成本和节约电路板空间。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。

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和LED方块的正面发光特点，部分难点如下。
● 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，需要明显增大封装。 

 

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2.5～6kV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额外的光传导介电材料实现。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。下面将介绍各种浇铸光学耦合器的制造方法、使用的材料、工艺和受到的限制。

1 双浇铸工艺

如图1所示，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，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。

2 介电材料放置工艺

如图2所示，在介电材料放置工艺中，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。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封装。
3 平面工艺

如图3所示，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一层白漆，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。
表1比较了以上三种制造工艺应用的材料、工艺和受到的限制。
4 堆叠式LED结构

图4是应用堆叠式LED结构的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结构的主要实现技术是背面发光LED的开发。
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，组件使用焊接线并浇铸。它使用标准模具连接工艺完成所有放置，在单次不透明浇铸化合物中完成浇铸。

应用堆叠式LED结构的优势

应用堆叠式LED结构的优势主要有以下几个方面。
● 集成度高

通过采用传统IC组件设备，堆叠式LED结构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，是一种更加高效的制造方法。
● 轻薄、小型封装

总封装高度单纯取决于IC、LED、超薄聚酰亚胺和LED焊接线高度的厚度组合。
图5比较了上述各种制造工艺的封装高度。

背面发光LED

图6是传统吸收基底正面发光LED和透明基底背面发光LED的横截面。表2将二者进行了比较。

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。

安捷伦已经在一系列新的多通道和双向15MBd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4.9mm×5.9mm×1.7mm）和16针（三通道和四通道为9.9mm×5.9mm×1.7mm）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。