光耦(光電耦合器)的制造工藝是一個融合半導(dǎo)體技術(shù)?微電子封裝和材料科學(xué)的精密過程,其核心在于實現(xiàn)輸入電信號→光信號→輸出電信號的轉(zhuǎn)換,同時確保輸入與輸出端之間嚴(yán)格的電氣隔離?以下是其典型的制造工藝流程,邏輯清晰闡述如下:
一? 核心芯片制備階段
- 發(fā)光器件芯片(通常為紅外LED)制造:
材料選擇: 常用III-V族半導(dǎo)體材料,如砷化鎵?鋁鎵砷,因其在近紅外波段(典型波長850nm或940nm)具有高效發(fā)光特性?
外延生長: 在單晶襯底上,使用MOCVD或MBE等工藝,精確生長出構(gòu)成PN結(jié)的多層外延結(jié)構(gòu)(N型層?有源層?P型層)?
光刻與蝕刻: 通過光刻技術(shù)在晶圓表面定義出LED器件的具體形狀(通常為圓形或方形),然后進行干法或濕法蝕刻,形成臺面結(jié)構(gòu)?
電極制備:
N型電極: 通常在襯底背面制作全接觸的金屬電極(如AuGeNi/Au)?
P型電極: 在臺面頂部制作環(huán)形或指狀電極(如Ti/Pt/Au),以允許中心區(qū)域的光線有效射出?
鈍化與保護: 在芯片表面沉積鈍化層(如SiO?或SiNx),保護臺面?zhèn)缺诿馐墉h(huán)境影響,并減少漏電?
減薄與切割: 將晶圓背面減薄到合適厚度(利于散熱和光傳輸),然后用劃片機切割成單個LED芯片?
- 受光器件芯片制造(常見類型:光敏三極管?光敏IC?光敏達林頓?光敏可控硅):
光敏三極管為例:
材料與結(jié)構(gòu): 通?；诠璨牧?在N型襯底上外延生長N-外延層,通過離子注入或擴散形成P型基區(qū)和N+型發(fā)射區(qū),構(gòu)成NPN結(jié)構(gòu)?集電極通常由襯底和底部電極構(gòu)成?
光敏區(qū): 頂部需要一個大面積的光窗區(qū)域(通常無金屬覆蓋,或使用透明電極如ITO),確保光線能有效照射到基區(qū)?
鈍化與抗反射膜: 在光窗區(qū)域沉積高質(zhì)量的鈍化層(SiNx)和抗反射涂層(如SiO?/SiNx疊層),最大化光線進入和光電轉(zhuǎn)換效率?
電極制備: 制作發(fā)射極(E)和基極(B)的金屬電極(通常為Al或Al合金)?集電極(C)電極在芯片背面?
光刻與蝕刻: 類似LED工藝,定義器件區(qū)域和電極?
光敏IC: 工藝更復(fù)雜,在硅片上集成光電二極管(通常是PIN結(jié)構(gòu))和信號處理電路(如放大器?施密特觸發(fā)器?邏輯門等),需要標(biāo)準(zhǔn)CMOS或BiCMOS工藝線完成?
切割: 晶圓最終被切割成單個受光器件芯片?
二? 封裝與隔離結(jié)構(gòu)構(gòu)建階段(核心工藝)
- 引線框架準(zhǔn)備:
使用沖壓或蝕刻工藝制作特定的引線框架,通常包含兩對或多對相互分離的引腳(輸入側(cè)和輸出側(cè)),框架設(shè)計需確保內(nèi)部導(dǎo)電部分之間有足夠的爬電距離和電氣間隙?
可能進行電鍍(如鍍銀?鍍錫)以提高焊接性能和導(dǎo)電性?
- 芯片貼裝:
將制備好的LED芯片和受光器件芯片分別精確地貼裝(Die Bonding)到引線框架指定的?相互隔離的焊盤(Paddle)上?
使用導(dǎo)電膠(受光器件芯片下方,需接地或連接集電極)或絕緣膠(LED芯片下方)進行粘接?高導(dǎo)熱要求的應(yīng)用會使用焊料(如AuSn共晶焊)?
- 引線鍵合:
使用細金線或銅線(Wire Bonding),在芯片電極(LED的P/N極,受光器件的E/B/C極或IC焊盤)與引線框架對應(yīng)的引腳之間建立電氣連接?
此過程需高精度,避免金線短路或過長影響性能?
- 透明絕緣介質(zhì)填充與成型(隔離層形成 - 最關(guān)鍵步驟):
目的: 在LED芯片和受光器件芯片之間填充一層高透光率?高絕緣強度的材料,實現(xiàn)光信號的有效傳輸和輸入/輸出端之間的電氣隔離?
材料: 常用硅凝膠(Silicone Gel)?透明環(huán)氧樹脂(Epoxy)或聚酰亞胺(PI)?要求:
極低的光吸收率(特別是在LED發(fā)光波長處)?
極高的體積電阻率和介電強度(通常>20kV/mm)?
良好的熱穩(wěn)定性?機械穩(wěn)定性和長期可靠性?
與芯片?框架?金線等材料兼容?
工藝:
在鍵合好的半成品周圍制作臨時圍壩或使用精密點膠設(shè)備?
將液態(tài)的透明絕緣材料精確注入/點涂在LED和受光器件芯片之間的空隙中,完全覆蓋芯片和鍵合線(但通常不覆蓋芯片頂部發(fā)光/受光面)?
嚴(yán)格控制填充量?避免氣泡產(chǎn)生?
在特定溫度下進行固化(Curing),使材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的固態(tài)/凝膠態(tài),形成光傳輸通道和高壓隔離屏障?這層介質(zhì)的厚度(通常在0.2mm - 1mm)和均勻性直接影響隔離耐壓(如AC 3750Vrms, AC 5000Vrms)和電流傳輸比?
- 外部封裝成型:
將完成透明介質(zhì)填充的組件放入模具中?
使用不透明的黑色環(huán)氧樹脂(或其他模塑料)進行轉(zhuǎn)移成型(Transfer Molding)?
塑封體完全包裹內(nèi)部結(jié)構(gòu)(透明介質(zhì)?芯片?鍵合線?部分引線框架),提供機械保護?環(huán)境保護(防潮?防塵)?增強絕緣性(增加外部爬電距離),并阻止外部雜散光干擾?
塑封后固化?
- 后固化與分離:
對塑封體進行后固化,以消除應(yīng)力并確保材料性能穩(wěn)定?
切除引線框架上的連接筋(Dejunk),將連在一起的多個器件單元切割分離成單個光耦器件(Singulation)?
三? 測試與篩選階段
- 電性能測試:
輸入側(cè)測試: LED正向電壓?反向擊穿電壓?漏電流?
輸出側(cè)測試: 光敏器件暗電流?光電流/飽和壓降(三極管)?輸出邏輯電平(光耦I(lǐng)C)?
關(guān)鍵參數(shù)測試: 電流傳輸比?隔離電阻?輸入輸出間電容?
時間參數(shù)測試: 響應(yīng)時間(上升/下降時間)?傳輸延遲?
- 高壓隔離測試:
在輸入引腳組和輸出引腳組之間施加高電壓(如AC 3750Vrms 或 DC 5000V,持續(xù)1秒),嚴(yán)格檢測絕緣介質(zhì)的耐壓能力和是否有漏電超標(biāo)?這是保證安全隔離的關(guān)鍵測試?
- 老化篩選與最終測試:
可能進行高溫老化(Burn-in)以篩選早期失效品?
進行最終全面的電性能復(fù)測和外觀檢查?
激光打標(biāo),標(biāo)注型號?批號等信息?
總結(jié)關(guān)鍵點
雙芯片結(jié)構(gòu): 核心是獨立的發(fā)光芯片(LED)和受光芯片(光敏器件)?
精密光學(xué)對準(zhǔn): 制造中需確保LED發(fā)光面與受光器件光敏區(qū)在空間上良好對準(zhǔn),以優(yōu)化光耦合效率(CTR)?
透明絕緣介質(zhì)層: 這是實現(xiàn)電氣隔離和光傳輸?shù)暮诵?其材料選擇?填充工藝?厚度控制和固化質(zhì)量直接決定了器件的隔離耐壓?長期可靠性和CTR穩(wěn)定性?
雙重絕緣: 內(nèi)部透明介質(zhì)層提供功能絕緣(Functional Insulation),外部黑色塑封體提供基礎(chǔ)絕緣/加強絕緣(Basic/Reinforced Insulation)并增加爬電距離?
高可靠性要求: 工藝需嚴(yán)格控制潔凈度?材料純度?工藝參數(shù)(溫度?時間?壓力),以確保器件能在嚴(yán)苛環(huán)境下長期穩(wěn)定工作
整個制造工藝體現(xiàn)了如何在微小空間內(nèi),通過精密的材料工程和制造技術(shù),巧妙地利用光作為媒介,實現(xiàn)強電與弱電之間安全?可靠?高速的電氣隔離與信號傳輸?
