光耦(光电耦合器)的制造工艺是一个融合半导体技术､微电子封装和材料科学的精密过程,其核心在于实现输入电信号→光信号→输出电信号的转换,同时确保输入与输出端之间严格的电气隔离｡以下是其典型的制造工艺流程,逻辑清晰阐述如下:
一､ 核心芯片制备阶段
- 发光器件芯片(通常为红外LED)制造:
材料选择: 常用III-V族半导体材料,如砷化镓､铝镓砷,因其在近红外波段(典型波长850nm或940nm)具有高效发光特性｡
外延生长: 在单晶衬底上,使用MOCVD或MBE等工艺,精确生长出构成PN结的多层外延结构(N型层､有源层､P型层)｡
光刻与蚀刻: 通过光刻技术在晶圆表面定义出LED器件的具体形状(通常为圆形或方形),然后进行干法或湿法蚀刻,形成台面结构｡
电极制备:
N型电极: 通常在衬底背面制作全接触的金属电极(如AuGeNi/Au)｡
P型电极: 在台面顶部制作环形或指状电极(如Ti/Pt/Au),以允许中心区域的光线有效射出｡
钝化与保护: 在芯片表面沉积钝化层(如SiO₂或SiNx),保护台面侧壁免受环境影响,并减少漏电｡
减薄与切割: 将晶圆背面减薄到合适厚度(利于散热和光传输),然后用划片机切割成单个LED芯片｡
- 受光器件芯片制造(常见类型:光敏三极管､光敏IC､光敏达林顿､光敏可控硅):
光敏三极管为例:
材料与结构: 通常基于硅材料｡在N型衬底上外延生长N-外延层,通过离子注入或扩散形成P型基区和N+型发射区,构成NPN结构｡集电极通常由衬底和底部电极构成｡
光敏区: 顶部需要一个大面积的光窗区域(通常无金属覆盖,或使用透明电极如ITO),确保光线能有效照射到基区｡
钝化与抗反射膜: 在光窗区域沉积高质量的钝化层(SiNx)和抗反射涂层(如SiO₂/SiNx叠层),最大化光线进入和光电转换效率｡
电极制备: 制作发射极(E)和基极(B)的金属电极(通常为Al或Al合金)｡集电极(C)电极在芯片背面｡
光刻与蚀刻: 类似LED工艺,定义器件区域和电极｡
光敏IC: 工艺更复杂,在硅片上集成光电二极管(通常是PIN结构)和信号处理电路(如放大器､施密特触发器､逻辑门等),需要标准CMOS或BiCMOS工艺线完成｡
切割: 晶圆最终被切割成单个受光器件芯片｡
二､ 封装与隔离结构构建阶段(核心工艺)
- 引线框架准备:
使用冲压或蚀刻工艺制作特定的引线框架,通常包含两对或多对相互分离的引脚(输入侧和输出侧),框架设计需确保内部导电部分之间有足够的爬电距离和电气间隙｡
可能进行电镀(如镀银､镀锡)以提高焊接性能和导电性｡
- 芯片贴装:
将制备好的LED芯片和受光器件芯片分别精确地贴装(Die Bonding)到引线框架指定的､相互隔离的焊盘(Paddle)上｡
使用导电胶(受光器件芯片下方,需接地或连接集电极)或绝缘胶(LED芯片下方)进行粘接｡高导热要求的应用会使用焊料(如AuSn共晶焊)｡
- 引线键合:
使用细金线或铜线(Wire Bonding),在芯片电极(LED的P/N极,受光器件的E/B/C极或IC焊盘)与引线框架对应的引脚之间建立电气连接｡
此过程需高精度,避免金线短路或过长影响性能｡
- 透明绝缘介质填充与成型(隔离层形成 - 最关键步骤):
目的: 在LED芯片和受光器件芯片之间填充一层高透光率､高绝缘强度的材料,实现光信号的有效传输和输入/输出端之间的电气隔离｡
材料: 常用硅凝胶(Silicone Gel)､透明环氧树脂(Epoxy)或聚酰亚胺(PI)｡要求:
极低的光吸收率(特别是在LED发光波长处)｡
极高的体积电阻率和介电强度(通常>20kV/mm)｡
良好的热稳定性､机械稳定性和长期可靠性｡
与芯片､框架､金线等材料兼容｡
工艺:
在键合好的半成品周围制作临时围坝或使用精密点胶设备｡
将液态的透明绝缘材料精确注入/点涂在LED和受光器件芯片之间的空隙中,完全覆盖芯片和键合线(但通常不覆盖芯片顶部发光/受光面)｡
严格控制填充量､避免气泡产生｡
在特定温度下进行固化(Curing),使材料从液态转变为稳定的固态/凝胶态,形成光传输通道和高压隔离屏障｡这层介质的厚度(通常在0.2mm - 1mm)和均匀性直接影响隔离耐压(如AC 3750Vrms, AC 5000Vrms)和电流传输比｡
- 外部封装成型:
将完成透明介质填充的组件放入模具中｡
使用不透明的黑色环氧树脂(或其他模塑料)进行转移成型(Transfer Molding)｡
塑封体完全包裹内部结构(透明介质､芯片､键合线､部分引线框架),提供机械保护､环境保护(防潮､防尘)､增强绝缘性(增加外部爬电距离),并阻止外部杂散光干扰｡
塑封后固化｡
- 后固化与分离:
对塑封体进行后固化,以消除应力并确保材料性能稳定｡
切除引线框架上的连接筋(Dejunk),将连在一起的多个器件单元切割分离成单个光耦器件(Singulation)｡
三､ 测试与筛选阶段
- 电性能测试:
输入侧测试: LED正向电压､反向击穿电压､漏电流｡
输出侧测试: 光敏器件暗电流､光电流/饱和压降(三极管)､输出逻辑电平(光耦IC)｡
关键参数测试: 电流传输比､隔离电阻､输入输出间电容｡
时间参数测试: 响应时间(上升/下降时间)､传输延迟｡
- 高压隔离测试:
在输入引脚组和输出引脚组之间施加高电压(如AC 3750Vrms 或 DC 5000V,持续1秒),严格检测绝缘介质的耐压能力和是否有漏电超标｡这是保证安全隔离的关键测试｡
- 老化筛选与最终测试:
可能进行高温老化(Burn-in)以筛选早期失效品｡
进行最终全面的电性能复测和外观检查｡
激光打标,标注型号､批号等信息｡
总结关键点
双芯片结构: 核心是独立的发光芯片(LED)和受光芯片(光敏器件)｡
精密光学对准: 制造中需确保LED发光面与受光器件光敏区在空间上良好对准,以优化光耦合效率(CTR)｡
透明绝缘介质层: 这是实现电气隔离和光传输的核心｡其材料选择､填充工艺､厚度控制和固化质量直接决定了器件的隔离耐压､长期可靠性和CTR稳定性｡
双重绝缘: 内部透明介质层提供功能绝缘(Functional Insulation),外部黑色塑封体提供基础绝缘/加强绝缘(Basic/Reinforced Insulation)并增加爬电距离｡
高可靠性要求: 工艺需严格控制洁净度､材料纯度､工艺参数(温度､时间､压力),以确保器件能在严苛环境下长期稳定工作
整个制造工艺体现了如何在微小空间内,通过精密的材料工程和制造技术,巧妙地利用光作为媒介,实现强电与弱电之间安全､可靠､高速的电气隔离与信号传输｡
