CN112331644A - 一种抗辐照的高速光电耦合器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电耦合器件邻域，具体涉及一种抗辐照的高速光电耦合器，该器件包括：底座、光敏集成板、盖板以及封装外壳；所述底座的内部设置有凹槽，该凹槽用于放置光敏集成板和盖板；所述光敏集成板包括底板、多角金属导片、下金属导片、光敏集成数字电路输出芯片以及两个支撑座；所述盖板包括固定板、短金属导片、长金属导片以及发光LED光源芯片；采用封装外壳将底座、光敏集成板、盖板进行气密性封装；本发明的的输出级采用光敏集成数字电路输出芯片，集成度高，电路形式和结构简单，通过调节电路输出形式，可以实现集电极开路输出和图腾柱输出，提高传输效率。

Description

一种抗辐照的高速光电耦合器及其制作方法
技术领域
本发明属于光电耦合器件邻域，具体涉及一种抗辐照的高速光电耦合器及其制作方法。
背景技术
在数据传输通信领域中，高速光电耦合器主要用于实现***间的数字信号隔离传输，提高***间信号传输的抗干扰性，是数字信号隔离***中的常用器件，随着军用航天航空技术的发展，航天宇航装备***对高速光电耦合器要求具有抗辐照、高可靠的特点。但现有技术中，传统高速光电耦合器由于其内部光源芯片和光接收处理芯片不具备抗辐照性能及可靠性较差，不能作为宇航器件使用，无法满足宇航装备***数字信号隔离传输的要求。
本发明通过对光电耦合器内部电路设计、芯片抗辐照加固设计及可靠性设计来解决该项技术问题，以满足光电耦合器在航天宇航环境中装备***间高速数字信号的隔离传输要求。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明设计了一种抗辐照的高速光电耦合器，该器件包括：器件包括：底座1、光敏集成板2、盖板3以及封装外壳4；
所述底座1的内部设置有凹槽11，该凹槽用于放置光敏集成板2和盖板3；
所述光敏集成板2包括：底板21、多角金属导片22、下金属导片23、光敏集成数字电路输出芯片24以及两个支撑座25；两个支撑座分别设置在底板21的两端，所述多角金属导片22设置在底板21的上部平面的上部，且把上部的支撑座覆盖；下金属导片23设置在底板21的上部平面的下部，且把下部的支撑座覆盖；所述光敏集成数字电路输出芯片24设置在下金属导片23上，且将光敏集成数字电路输出芯片24的引脚通过金丝与多角金属导片22导通；
所述盖板3包括固定板31、短金属导片32、长金属导片33以及发光LED光源芯片34；所述短金属导片32设置在固定板31上部平面的上部；所述长金属导片33设置在在固定板31上部平面的下部；所述发光LED光源芯片34设置在长金属导片33上；在光发光LED光源芯片34的引脚上引出一条金丝与短金属导片32导通；
将盖板3上设置有金属导片的一面放置在光敏集成板2上，且盖板上的短金属导片32与光敏集成板2的多角金属导片22接触导通，盖板上的长金属导片33与光敏集成板2的下金属导片23导通；
采用封装外壳4将底座1、光敏集成板2、盖板3进行气密性封装。
优选的，底座1的凹槽11的大小与光敏集成板2和盖板3的大小相同。
优选的，光敏集成数字电路输出芯片24包括光敏探测器、数字处理电路以及硅基单片；所述光敏探测器和所述数字处理电路在所述硅基单片上集成。
进一步的，数字处理电路包括集电极开路输出电路和图腾柱输出电路；集电极开路输出电路的光敏输入级采用肖特基嵌位电路，中间级采用跨导放大电路结构，输出级采用肖特基三极管实现电平转换和传输速率；图腾柱输出电路采用有源泄放网络和肖特基抗饱和结构提高响应速度和电流输出能力。
优选的，LED光源芯片(3)为AlGaAs/GaAs/AlGaAs正面发光的双异质结发光二极管，将GaAs作为有源区，不同组份AlGaAs作为限制层；在衬底上生长分布布拉格反射层DBR；采用叉形电极结构为光源提供均匀分布电流。
优选的，在放置盖板2时，将AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片与光敏集成数字电路输出芯片4的光敏面耦合对准。
优选的，封装外壳4为无引线贴片式可密封陶瓷金属化壳体。
一种抗辐照的高速光电耦合器的制作方法，所述方法包括：
步骤1：采用金属陶瓷工艺设计高速光电耦合器的底座1；
步骤2：采用金属陶瓷工艺设计光敏集成板2的底板21，采用焊接的方式将两个支撑座固定在底板21的上部和下部；将多角金属导片22和下金属导片23分别固定在底板21上部和下部中，且将支撑座覆盖；采用共晶焊工艺将光敏集成数字电路输出芯片24安装在下金属导片23上，采用金丝将光敏集成数字电路输出芯片24与多角金属导片22连接，实现电学导通；
步骤3：采用共晶焊工艺光敏集成板2固定在底座1的凹槽中；
步骤4：采用金属陶瓷工艺设计陶瓷盖板的固定板31，在固定板的侧面设置一个半圆形缺口；采用焊接方式将短金属导片32和长金属导片33固定在固定板31的上部和下部；将AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片34固定在长金属导片33上，采用金丝将发光LED光源芯片34与短金属导片32连接，实现电学导通；
步骤5：采用烧结工艺将陶瓷盖板固定在底座1的凹槽中，在安装陶瓷盖板时将AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片34与光敏集成数字电路输出芯片24的光敏探测部分进行耦合对准；
步骤6：采用封装外壳对底座1、光敏集成板2以及陶瓷盖板3进行气密性封装；所述封装方式为平行缝焊方式。
本发明的有益技术效果是：本发明的高速光电耦合器的输出级采用光敏集成数字电路输出芯片，集成度高，电路形式和结构简单，通过调节电路输出形式，可以实现集电极开路输出和图腾柱输出，传输速率可以达到50MB/s，另外对光源芯片和光敏集成输出电路输出芯片进行抗辐照加固设计，可以满足电离总剂量100krad(si)、中子位移损伤2×1011中子/cm2的辐照要求，满足宇航装备数据隔离通信要求。
附图说明
图1本发明的内部结构示意图；
图2本发明的外形结构示意图；
其中，1、底座，11、凹槽；2、光敏集成板，21、底板，22、多角金属导片，23、下金属导片，24、光敏集成数字电路输出芯片，25、支撑座；3、盖板，31、固定板，32、短金属导片，33、长金属导片，34、发光LED光源芯片；4、封装外壳。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的原理包括光源芯片在发光驱动控制电路作用下，表现为发出红外光，光敏集成数字电路输出芯片上的光敏探测器接收红外光转换为光电流，光电流进入输出单片集成芯片，通过芯片内部放大、整形滤波和处理，将光电流放大整形输出正比与输入信号的电信号，实现数字信号的光电隔离传输，器件输出包含集电极开路输出和图腾柱输出两种形式。
一种抗辐照的高速光电耦合器，如图1所示，该器件包括：底座1、光敏集成板2、盖板3以及封装外壳4；采用封装外壳4对底座1、光敏集成板2、盖板3进行气密性封装。
实施例1
一种抗辐照的高速光电耦合器的底座1，所述底座1为长方体结构，长方体结构内部设置有凹槽11，所述凹槽用于放置光敏集成板2和盖板3。
优选的，所述底座1上设置有至少1个凹槽；根据凹槽的个数可以设置光敏集成板2和盖板3的数量。优选的，所述凹槽的数量为2个。
优选的，所述凹槽为长方体凹槽。
优选的，底座1的凹槽11的大小与光敏集成板2和盖板3的大小相同。
实施例2
一种抗辐照的高速光电耦合器的光敏集成板2，光敏集成板2包括底板21、多角金属导片22、下金属导片23、光敏集成数字电路输出芯片24以及两个支撑座25；两个支撑座分别设置在底板21的两端，所述多角金属导片22设置在底板21的上部平面的上部，且把上部的支撑座覆盖；下金属导片23设置在底板21的上部平面的下部，且把下部的支撑座覆盖；所述光敏集成数字电路输出芯片24设置在下金属导片23上，且将光敏集成数字电路输出芯片24的引脚通过金丝与多角金属导片22导通。
优选的，所述多角金属导片22设置有多个金属导片角，光敏集成数字电路输出芯片24的引脚通过金线与多个金属导片角连接，形成电学导通。将多角金属导片22设计为该样式，可以有效保证电气连接的可靠性。
一种光敏集成数字电路输出芯片24包括光敏探测器、数字处理电路以及硅基单片；所述光敏探测器和所述数字处理电路在所述硅基单片上集成。
优选的，所述光敏集成数字电路输出芯片24采用双极工艺制作。
优选的，数字输出电路包含集电极开路输出和图腾柱输出两种电路形式，集电极开路输出结构光敏输入级采用肖特基嵌位电路，中间级采用跨导放大电路结构，输出级采用肖特基三极管实现电平转换和传输速率。图腾柱输出电路采用有源泄放网络和肖特基抗饱和结构提高响应速度和电流输出能力，为了保证光敏集成数字电路输出芯片抗辐照性能，采用低温等离子增强化学气相淀积工艺技术形成的多层介质膜，实现光敏部分的辐照要求。在制作双极结型晶体管时，增加隔离层，提高了光敏单片集成电路的抗辐照性能，实现了信号处理部分的辐照要求。
本发明输出级采用光敏集成数字电路输出芯片，解决了分立元器件体积大，可靠性差的特点，输出集成电路可根据电路应用环境调整传输速率和输出形式，不需要外加放大整形滤波电路，另外本发明对光源芯片和光敏集成数字电路输出芯片进行了抗辐照加固设计，可以满足电离总剂量100krad(si)、中子位移损伤2×1011中子/cm2的辐照要求，抗干扰能力及环境适应性较强，使得高速光电耦合器数据隔离通信技术得以在宇航抗辐照高可靠环境下进行应用。
优选的，所述支撑座25为长方柱体结构，该支撑座25的长与凹槽11的宽度相同，高度比凹槽的深度低。
实施例3
一种抗辐照的高速光电耦合器的盖板3，所述盖板3包括：固定板31、短金属导片32、长金属导片33以及发光LED光源芯片34；所述短金属导片32设置在固定板31上部平面的上部；所述长金属导片33设置在在固定板31上部平面的下部；所述发光LED光源芯片34设置在长金属导片33上；在光发光LED光源芯片34的引脚上引出一条金丝与短金属导片32导通。
优选的，所述盖板的固定板31的侧面设置有一个半圆形缺口，通过该缺口可以更容易取下放置在凹槽11上的固定底板31。
优选的，所述盖板为陶瓷盖板。
优选的，所述发光LED光源芯片34为AlGaAs/GaAs/AlGaAs正面发光的双异质结发光二极管。
光源芯片结构为；
衬底为GaAs n型Si掺杂，n＝3×1018cm-3；
第1层GaAs缓冲层，n型Si掺杂，n＝6×1018cm-3，0.5μm；
第2层31对Ga0.9Al0.1As、AlAs材料DBR结构：Ga0.9Al0.1As生长厚度h＝61.8nm。AlAs生长厚度h＝75nm。n型Si掺杂，n＝2×1018cm-3；
第3层Al0.2Ga0.8As下限制层,n型Si掺杂，n＝2×1018cm-3，0.5μm；
第4层有源层GaAs，P型Zn轻掺杂n＝2×1017cm-3，2.2μm；
第5层Al0.2Ga0.8As限制层，P型Zn掺杂，n＝5×1018cm-3，0.7μm；
第6层7对Ga0.9Al0.1As、AlAs材料DBR结构：Ga0.9Al0.1As生长厚度h＝61.8nm。AlAs生长厚度h＝75nm。n型Si掺杂，n＝5×1018cm-3；
第7层Al0.1Ga0.9As～Al0.5Ga0.5As缓变层，P型Zn掺杂，n＝5×1018cm-3，0.15μm；
第8层Al0.5Ga0.5As电流扩展层,P型Zn掺杂，n＝5×1018cm-3，6μm；
第9层重掺P型GaAs顶层，Zn掺杂，n＝2×1019cm-3，0.1μm。
本发明的发光LED光源芯片34采用AlGaAs/GaAs、AlGaAs/AlGaAs材料系进行了光源的结构设计，用GaAs作为有源区材料，不同组份AlGaAs为限制层，发射850nm～880nm波段的红光，为了突破衬底光吸收、金属电极阻挡等因素导致的光逸出率低的难点，提高LED的输出功率，生长DBR(分布布拉格反射层)可以隔离衬底吸收，反射器由高低折射率材料交替组成，采用带有两个DBR(分布布拉格反射层)反射器的RCLED(谐振增强发光二极管)外延结构。采用叉形电极结构为光源提供均匀分布电流，保证光从有源区逸出不受到电极阻挡，另外为了保证光源芯片抗辐照性能，进行了钝化层结构优化设计。
AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片在电信号作用下，将电信号转换为红外光信号，光信号通过光敏集成数字电路输出芯片将光信号转换为电流信号，电流信号进入输出处理集成电路内部，滤波整形放大后输出电信号，实现输入电信号的电-光-电传输，器件输出包含集电极开路输出和图腾柱输出两种形式，传输速率可以达到50MB/s,另外对光源芯片和光敏集成输出电路输出芯片进行抗辐照加固设计，可以满足电离总剂量100krad(si)、中子位移损伤2×1011中子/cm2的辐照要求，满足宇航装备数据隔离通信要求。
实施例4
一种抗辐照的高速光电耦合器的封装外壳4，如图2所示，该封装外壳为无引线贴片式陶瓷金属化外壳。所述无引线贴片式陶瓷金属化外壳为长方体结构，外部设置有无引线贴片。
实施例5
一种抗辐照的高速光电耦合器的制作方法，所述方法包括：
步骤1：采用金属陶瓷工艺设计高速光电耦合器的底座1；
步骤2：采用金属陶瓷工艺设计光敏集成板2的底板21，采用焊接的方式将两个支撑座固定在底板21的上部和下部；将多角金属导片22和下金属导片23分别固定在底板21上部和下部中，且将支撑座覆盖；采用共晶焊工艺将光敏集成数字电路输出芯片24安装在下金属导片23上，采用金丝将光敏集成数字电路输出芯片24与多角金属导片22连接，实现电学导通；
步骤3：采用共晶焊工艺光敏集成板2固定在底座1的凹槽中；
步骤4：采用金属陶瓷工艺设计陶瓷盖板的固定板31，在固定板的侧面设置一个半圆形缺口；采用焊接方式将短金属导片32和长金属导片33固定在固定板31的上部和下部；将AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片34固定在长金属导片33上，采用金丝将发光LED光源芯片34与短金属导片32连接，实现电学导通；
步骤5：采用烧结工艺将陶瓷盖板固定在底座1的凹槽中，在安装陶瓷盖板时将AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片34与光敏集成数字电路输出芯片24的光敏探测部分进行耦合对准；
步骤6：采用封装外壳对底座1、光敏集成板2以及陶瓷盖板3进行气密性封装；所述封装方式为平行缝焊方式。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“底部”、“一端”、“上”、“一侧”、“内”、“前部”、“后部”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种抗辐照的高速光电耦合器，其特征在于，器件包括：底座(1)、光敏集成板(2)、盖板(3)以及封装外壳(4)；
所述底座(1)的内部设置有凹槽(11)，该凹槽用于放置光敏集成板(2)和盖板(3)；
所述光敏集成板(2)包括：底板(21)、多角金属导片(22)、下金属导片(23)、光敏集成数字电路输出芯片(24)以及两个支撑座(25)；两个支撑座分别设置在底板(21)的两端，所述多角金属导片(22)设置在底板(21)的上部平面的上部，把上部的支撑座覆盖；下金属导片(23)设置在底板(21)的上部平面的下部，把下部的支撑座覆盖；所述光敏集成数字电路输出芯片(24)设置在下金属导片(23)上，将光敏集成数字电路输出芯片(24)的引脚通过金丝与多角金属导片(22)导通；
所述盖板(3)包括固定板(31)、短金属导片(32)、长金属导片(33)以及发光LED光源芯片(34)；所述短金属导片(32)设置在固定板(31)上部平面的上部；所述长金属导片(33)设置在在固定板(31)上部平面的下部；所述发光LED光源芯片(34)设置在长金属导片(33)上；在光发光LED光源芯片(34)的引脚上引出一条金丝与短金属导片(32)导通；
将盖板(3)上设置有金属导片的一面放置在光敏集成板(2)上，且盖板上的短金属导片(32)与光敏集成板(2)的多角金属导片(22)接触导通，盖板上的长金属导片(33)与光敏集成板(2)的下金属导片(23)导通；
采用封装外壳(4)将底座(1)、光敏集成板(2)、盖板(3)进行气密性封装。
2.根据权利要求1所述的一种抗辐照的高速光电耦合器，其特征在于，底座(1)的凹槽(11)的大小与光敏集成板(2)和盖板(3)的大小相同。
3.根据权利要求1所述的一种抗辐照的高速光电耦合器，其特征在于，所述光敏集成数字电路输出芯片(24)包括光敏探测器、数字处理电路以及硅基单片；所述光敏探测器和所述数字处理电路在所述硅基单片上集成。
4.根据权利要求3所述的一种抗辐照的高速光电耦合器，其特征在于，所述数字处理电路包括集电极开路输出电路和图腾柱输出电路；集电极开路输出电路的光敏输入级采用肖特基嵌位电路，中间级采用跨导放大电路结构，输出级采用肖特基三极管实现电平转换和传输速率；图腾柱输出电路采用有源泄放网络和肖特基抗饱和结构提高响应速度和电流输出能力。
5.根据权利要求1所述的一种抗辐照的高速光电耦合器，其特征在于，所述LED光源芯片(3)为AlGaAs/GaAs/AlGaAs正面发光的双异质结发光二极管，将GaAs作为有源区，不同组份AlGaAs作为限制层；在衬底上生长分布布拉格反射层DBR；采用叉形电极结构为光源提供均匀分布电流。
6.根据权利要求1所述的一种抗辐照的高速光电耦合器，其特征在于，在放置盖板(2)时，将AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片与光敏集成数字电路输出芯片(4)的光敏面耦合对准。
7.根据权利要求1所述的一种抗辐照的高速光电耦合器，其特征在于，所述封装外壳(4)为无引线贴片式可密封陶瓷金属化壳体。
8.一种抗辐照的高速光电耦合器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：采用金属陶瓷工艺设计高速光电耦合器的底座(1)；
步骤2：采用金属陶瓷工艺设计光敏集成板(2)的底板(21)，采用焊接的方式将两个支撑座固定在底板(21)的上部和下部；将多角金属导片(22)和下金属导片(23)分别固定在底板(21)上部和下部中，且将支撑座覆盖；采用共晶焊工艺将光敏集成数字电路输出芯片(24)安装在下金属导片(23)上，采用金丝将光敏集成数字电路输出芯片(24)与多角金属导片(22)连接，实现电学导通；
步骤3：采用共晶焊工艺光敏集成板(2)固定在底座(1)的凹槽中；
步骤4：采用金属陶瓷工艺设计陶瓷盖板的固定板(31)，在固定板的侧面设置一个半圆形缺口；采用焊接方式将短金属导片(32)和长金属导片(33)固定在固定板(31)的上部和下部；将AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片(34)固定在长金属导片(33)上，采用金丝将发光LED光源芯片(34)与短金属导片(32)连接，实现电学导通；
步骤5：采用烧结工艺将陶瓷盖板固定在底座(1)的凹槽中，在安装陶瓷盖板时将AlGaAs双异质结构发光LED光源芯片(34)与光敏集成数字电路输出芯片(24)的光敏探测部分进行耦合对准；
步骤6：采用封装外壳对底座(1)、光敏集成板(2)以及陶瓷盖板(3)进行气密性封装；所述封装方式为平行缝焊方式。
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