1、光耦合器的關(guān)鍵技術(shù)

  光耦通常采用 4、6、8 或16引腳的各式 DIP 封裝，在DIP封裝工藝流程中，光耦封裝還需要復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的過成型(overmolding)處理，包括目視預(yù)耦合、耦合對(duì)準(zhǔn)、點(diǎn)膠填充透明樹脂、清除多余樹脂等工序，將增加光耦封裝的時(shí)間和費(fèi)用。以多路小型24引腳DIP封裝光耦為例，介紹其工藝流程：陶瓷基片制作→厚膜電路制作→燒結(jié)壓焊→管芯測(cè)試→耦合對(duì)準(zhǔn)→中測(cè)→裝架→封裝→檢漏→老化篩選→成測(cè)→打標(biāo)，制作工藝的關(guān)鍵①選用優(yōu)質(zhì)的高速GaAlAs紅外 LED和硅光敏三極管芯片，保證 PC．T 的一致性，提高光耦的可靠性；②采用 A1203 陶瓷基片，導(dǎo)帶用鈀金絲網(wǎng)印刷，陶瓷金屬化封裝③嚴(yán)格控制燒結(jié)壓焊工藝，操作中選用合適溫度與時(shí)間，盡量保證兩類管芯的極限使用條件④壓焊采用金絲球焊，工藝操作中嚴(yán)格把握各個(gè)步驟的清潔度，以保證引線鍵合質(zhì)量⑤多路獨(dú)立腔體完全分離，互不干擾，使每路傳輸獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)極佳的電隔離；⑥設(shè)計(jì)中管芯合理布局，以適應(yīng)散熱要求，紅外LED的熱沉選用純度為99％的BeO陶瓷載體，熱沉能充分對(duì) LED 工作時(shí)產(chǎn)生的熱量散發(fā)，使 LED 在超溫下也正常工作，并延長(zhǎng)其壽命，降低其反向漏電流。單路 4 引腳塑封光耦的工藝技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，用導(dǎo)電漿料將紅外LED 和光敏三極管管芯粘接在各自對(duì)位的框架上，中 25lLm 金絲壓焊鍵合電極內(nèi)引線，將發(fā)光與光敏受光框架對(duì)齊，使其發(fā)光與受光的光學(xué)中心一致，兩框架間用高耐壓，導(dǎo)光透明的硅樹脂填充，然后用白色環(huán)氧樹脂包封。導(dǎo)光透明硅樹脂的選定對(duì)光耦 CTR 和 Vlso 的影響極大，采用反射涂層覆蓋光涂層的導(dǎo)光透明硅樹脂，使光傳輸?shù)焦饷羝骷妮椛淞窟_(dá)到最大。 光耦的技術(shù)參數(shù)可分為輸人部分、輸出部分、傳輸特性、隔離特性等幾大部分，主要有紅外LED 的正向壓降 VF、正向電流 IF、功率耗散PD、光敏三極管的集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集成極-發(fā)射極飽和壓降 VCE（sat）、功率耗散 PD、整個(gè)器件的 CTR、VISO(有時(shí)也用 RISO、出人間電容 CISO 表示)等。此外，在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，還需考慮上升時(shí)間 tr、下降時(shí)間 tf、延遲時(shí)間 ton、存儲(chǔ)時(shí)間 ts 等參數(shù)。CTR 是光耦的重要參數(shù)，與晶體管的 hFE 有某種相似之處。VISO 是光耦的另一個(gè)重要特性，在輸入和輸出間提供電隔離，有時(shí)也稱其為厚度。光耦的這兩大主要參數(shù) CTR 和 VISO 通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作技術(shù)來體現(xiàn)，盡可能提高 CTR值動(dòng)態(tài)范圍和 VISO。 光耦 CTR 和 VISO 都與紅外 LED 及光敏三極管之間距離相關(guān)，距離增大時(shí)，VISO 提高，CTR 下降；距離縮小時(shí)，CTR 提高，VISO 降低。為解決這一矛盾，除選擇光發(fā)射與光敏三極管管芯的距離和硅樹脂提高耐壓外，還改進(jìn)光耦內(nèi)部的發(fā)光與光敏管芯的相對(duì)位置及光傳輸通道結(jié)構(gòu)，從平面結(jié)構(gòu)發(fā)展到上下堆疊結(jié)構(gòu)，并列共面結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)致框架和封裝形式的變化，確保光信號(hào)的有效傳輸。平面結(jié)構(gòu)是將兩種管芯置于同一個(gè)平面上，其內(nèi)封裝涉及到兩層膠，最內(nèi)層為透明硅樹脂，外層是緊貼內(nèi)層的很薄一層反射膠，內(nèi)外兩層膠均采用點(diǎn)膠形式，確保封裝膠表面的平滑，光信號(hào)通過反射層輸?shù)焦饷羧龢O管光敏面上，傳輸過程中因反射會(huì)產(chǎn)生一定的光損失，CTR 有所下降，但封裝成本降低。另可利用基極引端來改變光耦的 CTR 值。上下堆疊結(jié)構(gòu)將兩種管芯安放在上、下對(duì)位的框架上，紅外 LED 堆疊在光敏三極管管芯上，光信號(hào)直接傳輸?shù)焦饷羧龢O管的光敏面上，不用反射，其內(nèi)封裝只涉及到一層膠，傳輸效率高于平面結(jié)構(gòu)。并列共面結(jié)構(gòu)是將兩種管芯左右并列對(duì)位安放，可提供增強(qiáng)的隔離厚度和較低的封裝電容，同時(shí)不會(huì)影響光傳輸效率，并大幅度降低封裝外殼高度和在印刷電路板上的占位面積，尤其適合微型扁平封裝外殼用，但需重新設(shè)計(jì)引線框架與耦合穹頂，選用較小面積的管芯。 VISO 是由兩種管芯間的絕緣距離及框架結(jié)構(gòu)位置、尺寸確定的，其變化也直影響到 CTR。采用填充高耐壓、導(dǎo)光透明的內(nèi)封裝硅樹脂，在滿足耐壓要求的情況下，變換絕緣距離，可制作不同 CTR 值的系列產(chǎn)品。在要求高耐壓時(shí)，兩種管芯之間的絕緣距離盡可能增大，提高 VISO。內(nèi)封裝硅樹脂的耐壓特性和光譜特性分別對(duì)光耦的絕緣距離、CTR 值的影響極大，一般品種的硅樹脂耐壓為 17kV／mm，通用型光耦要求 VISO 在 2．5kV 左右，發(fā)光與光敏管芯最短距離為0．4mm，對(duì)封裝時(shí)框架間距、管芯、焊料都要求精密控制?？偠赃@，內(nèi)封裝硅樹脂的耐壓特性制約了絕緣距離的最小值，而其光譜特性限制了絕緣距離最大值。此外，硅樹脂本身對(duì)濕度、溫度，隨時(shí)間增加的劣化等環(huán)境的穩(wěn)定性，對(duì)光耦性能也有一定影響，因而有些特殊產(chǎn)品采用空氣封裝，通常空封時(shí)的 VISO≥6kV／mm，但 CTR 值高。光耦的封裝結(jié)構(gòu)有獨(dú)特之處，技術(shù)上延用集成電路封裝，一些特性是在元器件、材料選取時(shí)確定的，在選擇技術(shù)線路時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用綜合考慮、設(shè)計(jì)。

2、光耦合器封裝結(jié)構(gòu)
  光耦的封裝結(jié)構(gòu)大體分為內(nèi)封裝與外封裝兩大部分，將光發(fā)射器和光敏器管芯、集成電路芯片、封裝材料以及封裝外殼設(shè)計(jì)、制作技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，不同的結(jié)構(gòu)組合可形成各種各樣的光耦，極大地豐富了光耦的品種，派生出各種型號(hào)產(chǎn)品，有按性能、封裝結(jié)構(gòu)、輸出形式、用途等幾種不同的分類方法。按光耦封裝結(jié)構(gòu)的外殼類型的分類如表 1 所示，其目的是將光耦的內(nèi)部電路與外界相隔離密封，以免受到外界的干擾，同時(shí)可提高光耦的可靠性，并使整個(gè)光耦外形尺寸、性能規(guī)范化，同一型號(hào)的光耦往往采用多種獨(dú)特的封裝形式，滿足應(yīng)用場(chǎng)合的要求。簡(jiǎn)而言之，從內(nèi)部的光電器件管芯、光傳輸結(jié)構(gòu)到外部的封裝結(jié)構(gòu)外殼，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有各自的特點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善光耦的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，可生產(chǎn)出實(shí)際應(yīng)用所需的特性。光耦內(nèi)封裝的作用是形成內(nèi)部的信號(hào)傳輸體系，提高器件的電籽睦，還可從其內(nèi)部光敏探測(cè)器管芯結(jié)構(gòu)來分類，具體情況如表2所示。

其中每一種類型也可細(xì)分，例如，硅光敏三極管輸出型光耦可分為無基極連接，基極與集極并聯(lián)連接，兩只光敏三極管(一只用于伺服反饋機(jī)制上)，二級(jí)光敏三極管組合而成的達(dá)林頓管、電阻達(dá)林頓管、光敏場(chǎng)效應(yīng)管、多路腔體隔離單通道等多種輸出形式。光耦的封裝結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部固定光發(fā)射器與光敏器件的附著框架及距離、位置、合理布局結(jié)構(gòu)，光信號(hào)傳輸?shù)墓馔ǖ篮婉詈像讽斀Y(jié)構(gòu)，不同的光傳輸結(jié)構(gòu)，其內(nèi)封裝的形式也存在差異，多與其他半導(dǎo)體器件有不同的構(gòu)架。光耦的封裝雖獨(dú)特，但應(yīng)用要求光必須高效率地從輸入端耦合到輸出端，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)光耦的綜合性能。