半導(dǎo)體封裝工藝對光耦元器件影響研究

陳力

（福建福順半導(dǎo)體制造有限公司，福建 福州 350026）

0 引言

光電耦合器件不同于一般的半導(dǎo)體IC封裝以電信號為傳導(dǎo)媒介進(jìn)行信號傳輸，而是主要以光為傳導(dǎo)媒介來傳輸信號。一般常規(guī)結(jié)構(gòu)為發(fā)光端子（紅外線發(fā)光二極管）與接收端子（光敏半導(dǎo)體管）合封封裝在一個塑封體內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光線，接收端子接受到紅外光線之后產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實現(xiàn)了光電信號之間轉(zhuǎn)換[1]。

1 光電耦合器件工藝原理簡述

光電耦合器件基本原理是發(fā)光二極管與光敏半導(dǎo)體管合封在一個塑封體內(nèi)，兩者之間填充可透光材料實現(xiàn)光信號傳遞信息，從而實現(xiàn)電路信號的電到光再到電的整個光電耦合電路傳輸。常見的封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)為垂直對照式、斜對照式、水平反光式等，輸入端管腳接內(nèi)部發(fā)光二極管，輸出端管腳接內(nèi)部光敏半導(dǎo)體管。目的是為了電氣輸入與電氣輸出處于絕緣隔離的狀態(tài)，尤其當(dāng)輸入端遭遇高電壓強(qiáng)電流時，不會直接導(dǎo)通至輸出端對后端線路電器或接觸的人員產(chǎn)生影響，具有較高的安全性能、抗干擾能力、穩(wěn)定性。并且基于光電信號的高速傳輸特性，在對信號傳輸速度要求比較高的電路設(shè)計中也是比較常用的。

光電耦合器件的主要封裝材料分為：紅外線發(fā)光二極管、光敏半導(dǎo)體管、焊線、硅膠、導(dǎo)電銀膠、塑封白膠、塑封黑膠、引線框架等[2]。一般封裝工藝流程為：發(fā)光管Die Bond固晶à光敏半導(dǎo)體管Die Bond固晶àDie Bond烘烤à發(fā)光管Wire Bond焊線à光敏半導(dǎo)體管Wire bond焊線à發(fā)光管點膠à發(fā)光管點膠烘烤à塑封白膠à切中筋à塑封黑膠à后固化à電鍍錫層à切斷成型à高壓測試激光打印à包裝。

2 光電耦合器件封裝工藝影響因素

以光耦晶體管為例，為適用于不同的PCB線路電性設(shè)計需求，以光耦晶體管CTR（Current Transfer Ratio電流轉(zhuǎn)化系數(shù)）為主要的特性指標(biāo)，不同CTR區(qū)間進(jìn)行區(qū)分電性檔位。CTR =Ic/IF （IF :Forward Current，IC:Collector Current）。

首先對光耦電性特性CTR影響最關(guān)鍵為光敏半導(dǎo)體管的HFE（電流放大系數(shù)）。HFE主要由半導(dǎo)體管制造工藝所決定，比如摻雜的雜質(zhì)劑量、結(jié)深、工藝溫度、基區(qū)到發(fā)射區(qū)的間距等決定。HFE=Ic/Ib，所以當(dāng)IF、Ib為固定測試值時，CTR主要隨著光敏半導(dǎo)體管HFE的變化而線性變化。綜合公式：CTR= HFE*Ib/IF 。

其次,Ib為光敏半導(dǎo)體管在接收到發(fā)光二極管產(chǎn)生的紅外光后，利用半導(dǎo)體光的光電效應(yīng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。所以Ib與光敏半導(dǎo)體管接收到的紅外光強(qiáng)度及接收區(qū)設(shè)計有關(guān)。而二極管發(fā)射光能量、光耦對照位置設(shè)計及間距距離設(shè)計、對照材料透光率又對光敏半導(dǎo)體管接收到的紅外光強(qiáng)度產(chǎn)生影響。一般封裝設(shè)計上，芯片垂直對照是光浪費最小的方案，對照間距越小對光傳輸損失也是越小，但是必須在大于國際安規(guī)絕緣間距的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，否則無法通過光耦高壓測試項的相關(guān)要求。

封裝材料方面對光耦晶體管CTR有產(chǎn)生影響的為硅膠與白膠。硅膠主要起到保護(hù)發(fā)光二極管及透光的作用。塑封白膠主要也是起到光傳輸與絕緣性[3]。

2.1 光敏半導(dǎo)體的HFE 與CTR 的影響試驗

同發(fā)光二極管條件下，試驗不同的HFE光敏半導(dǎo)體對光耦CTR影響關(guān)系。HFE越高，CTR比值也顯著越高。所以提高CTR檔位的主要方向為提高光敏半導(dǎo)體的HFE。如圖1。

圖1 光敏半導(dǎo)體HFE 與CTR 關(guān)系圖

2.2 封裝水平對照位置偏差與CTR的影響試驗

發(fā)光二極管、光敏半導(dǎo)體管的水平位置偏差，直接導(dǎo)致光敏半導(dǎo)體管表面接收區(qū)接收到的紅外光變少，從而影響感應(yīng)電流最終CTR下降。如圖2。

圖2 封裝水平對照位置偏差與CTR 關(guān)系

2.3 發(fā)光二極管的硅膠高度 與CTR 的影響試驗

點膠高度的變化對CTR影響程度比較有限[4]。一般批量生產(chǎn)過程點膠高度會在250～500um之間，過高的硅膠反而會致使硅膠在重力作用下下榻至框架基島背面，導(dǎo)致正面少膠膠高降低。試驗過程發(fā)現(xiàn)不同膠高CTR僅偏差在2%～3%左右。

2.4 白膠的透光率與CTR 的影響試驗

如下為不同型號的白膠透光率對光耦晶體管CTR產(chǎn)生的影響試驗。每種不同型號的塑封白膠有不同的透光率，該透光率為塑封白膠的材料配方所決定[5]。不同廠商的不同白膠型號有不同的透光率值。透光性越高，光傳導(dǎo)效果越好，CTR檔位相對越高。如圖3。

圖3 白膠透光率與CTR 關(guān)系圖

3 結(jié)語

綜合以上，對光耦晶體管CTR起主要影響為光敏半導(dǎo)體的HFE、發(fā)光管的發(fā)光能量、封裝對照位置設(shè)計、封裝間距設(shè)計，白膠透光率、硅膠高度等。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及塑封白膠等材料型號定型的前提下，挑選測試不同HFE的光敏半導(dǎo)體就可以生產(chǎn)出來需求的CTR檔位區(qū)間的光耦晶體管。