在某些应用中，提高一个封装内的光耦合器数量，有助于降低制造成本及节省印刷电路板的空间。以计算机系统为例，在一个封装内整合2个以上的光耦合器信道，可大幅减少并行接口与串行接口(如RS232/485/422、SPI(串行周边接口)和I2C总线)的零件使用数量及电路板空间。多信道光耦合器为工业、电子量测及医疗系统的PLC(可编程逻辑控制器)、Fieldbus接口和数据采集，以太网供电(POE)和网络电路板等通信应用，以及等离子显示面板和其它消费类设备提供了相同的优点。

    以往试图将多个光耦合器整合到单颗DIP/表面贴装而进行的工程，已被证实是一大挑战。主要的问题来自于各种封装工艺的结合及LED裸片(Dice)的向前发射特性。其中的一些困难包括：

制造步骤变得更多且更复杂；
在光耦合器的信道间会出现轻微的泄漏/串音；
因为绝缘材料的配置困难导致需要增加IC芯片的数量；
基于引线框和封装几何学而需要非常大的封装。
光耦合器制造技术
光耦合器的工运作必须依赖LED发射器传到光侦测器的光线，当中会通过一个透明的媒介，它可提供2.5 kV到6 kV的高电压绝缘。光线耦合的程度取决于光导的结构和透明度。光导材料本身或额外的光传导介电材料，可提供绝缘效果。LED的排列、光导材料、介电材料和IC，会直接影响光耦合与高电压绝缘的性能。一般而言，光耦合器的封装与传统IC的封装很类似，差别在于必须透过特殊的工艺步骤和材料来形成光导，及达到高电压绝缘需求。下列表格分别介绍各种不同的成型光耦合器制造技术，并说明特殊的材料、工艺与限制。

    在单信道光耦合器的双模子工艺(double mold process)中，LED和IC裸片会被附着在两个不同的引线框并进行引线接合，然后再利用焊接将两个引线框结合在一起。当引线框焊接在一起之后，LED会正对着IC，并且位在IC上方。接着使用白色的光传导化合物来铸造结合的引线框以构成光导，如此就可将光线从LED传到IC光侦测器。此白色化合物也能提供高电压绝缘。最后，使用不透明的化合物来铸造组件，以完成最后的封装轮廓。

    在介电配置工艺中，LED与IC的排列跟在双模子工艺中一样，但这次会在LED与IC之间使用硅树脂来构成光导，而非使用白色化合物。此外，还会在LED与IC之间加入一个光传导介电，以形成高电压绝缘。最后，再以不透明的成型化合物来铸造组件。

    在平面工艺中，LED和IC必须位在同一个引线框的相同平面，并进行引线接合，然后加上一层透明的硅树脂，以近似圆顶的形状覆盖在LED和IC上面。这层硅树脂可提供光导。为防止光线漏出，必须在透明硅树脂上再涂一层白色颜料，这样LED发出的光将会反射到圆顶内的IC。最后再使用不透明的成型化合物来填充组件。

堆栈LED技术

图4显示一个光耦合器的横切面，其中LED直接堆放在光电探测器IC上。这种堆栈LED方法的关键，在于向后发射的LED。

    光电二极管芯片包含了两个透明层：SiO2钝化/绝缘层和光传导聚醯亚氨层。LED利用一个透明连接层，牢牢附着在光电二极管上。IC裸片必须使用环氧化银来附着在引线框上，介电材料须以光传导环氧化物附着在IC上，而LED裸片则得用光传导环氧化物附着在介电材料上。最后再对组件进行引线接合与铸造。标准的裸片附着工艺可用来完成所有的配置，封装则以一层不透明的成型化合物来铸模。

堆栈LED的优点

高整合度：堆栈LED技术使用传统的IC组装设备，大幅提升封装的能力和弹性。基本上，在任何的整合封装内都可插入发射器-侦测器芯片组。

减少制程步骤：这种方法所需的工艺步骤较少，因此是比较有效的制造方法。

小巧超薄的封装：封装的总高度完全取决于IC、LED、超薄的聚醯亚氨、及LED引线接合高度的整个组合的厚度。

图5比较了不同工艺的封装高度。

向后发射LED

图6显示传统的向前发射LED与透明基板向后发射LED的横切面。表4描述了它们的特性。

    对于向后发射的LED来说，必须将作用层置于透明基板上，让组合物渐渐变成所需的波长。发光区是在晶圆工艺中定义的，装置上的基板则会保持完整不变。

    安捷伦在新系列的多信道和双向15 MBd数字逻辑闸光耦合器中加入了堆栈LED结构。这个系列包含了二、三和四信道产品，主要采用小巧的8接脚(二信道为4.9mm×5.9mm×1.7mm)和16接脚三和四信道为9.9mm×5.9mm×1.7mm)SOIC封装。


图1：封装成型光耦合器的双模子工艺。


表1：双模子工艺。


图2：封装成型光耦合器的介电配置工艺。


表2：介电配置工艺。


图3：封装成型光耦合器的平面工艺。


表3：平面工艺。


图4：光耦合器的横切面，其中LED直接堆放在光电探测器IC上。


图5：双模子、介电配置、平面与堆栈LED工艺的封装高度。


图6：传统吸收基板向前发射LED与透明基板向后发射LED的横切面比较。(点击放大该图)


表4：传统LED与向后发射LED的差异。

作者：Theng-Hui Kek，Leonard Tan
隔离产品部门
半导体产品事业群
安捷伦科技股份有限公司