CN112397495B - 一种高灵敏小型化光电耦合器及其高灵敏处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高灵敏小型化光电耦合器及其高灵敏处理方法，一种高绝缘小型化光电耦合器其红外发光二极管芯片由两部分组成，一部分是P型半导体即P极，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体即N极；所述P极电极尺寸为Φ105um，电极尺寸为8654.6um，其灵敏度提升方法为在封装加工过程中引入粗化工艺，再进行封装加工，使本发明在同等CTR值要求、同等成本、同样发射芯片及接收芯片尺寸的前提下，光功率大幅度提升，可以使用更低的HFE光敏三极管芯片，有效提高光电耦合器的反应灵敏度。
Description
【技术领域】
本发明涉及光电耦合器技术领域，具体涉及一种高灵敏小型化光电耦合器及其高灵敏处理方法。
【背景技术】
光电耦合器作为一种电光电转换隔离的安全器件，有着广泛的市场应用领域、环境，随着市场应用环境变化，轻便、小型化的盛行，终端产品对于器件的尺寸有了更多的要求和限制，故而小型化光电耦合器的应用范围越来越多，在市场需要更高CTR值产品，降低对光敏三极管接收芯片HFE的参数提升要求，需要降低芯片基本电性能参数因HFE过度提升造成的减弱可能性机提高光电耦合器产品的可靠性；
为了达成这样的效果，一般传统红外发光二极管芯片粗化工艺采用侧表面和下表面同时粗化工艺，于切割后，把芯片倒成背面朝上，用75％高浓度硝酸+75％高浓度硫酸的混合溶液，采用低温药水，温度控制在10±1℃，浸泡10-12秒，在表面形成粗糙度为Ra1.5-2.0um的表面颗粒状态，提升侧面和底部的发光面积，综合提升光功率4-5％，芯片底部粗化会使芯片与银胶的结合更好，芯片侧面粗化对切割产生的碎屑具有一定的清洗作用，使芯片的抗反向电压更强；
传统工艺同时进行侧面及背部粗化处理，因低温药水化学反应效率低，故此使用较高浓度酸液进行腐蚀粗化，批次间粗化颗粒度大小一致性效果差，极易形成表面粗化效果不一致，导致芯片生产使用中出现外观变色不一致现象，不同颗粒粗化程度易致使银胶与芯片的固化结合效果不稳定，同时此工艺不太适用于芯片上表面的粗化加工，容易形成外观不一致不良影响固晶作业的芯片图像识别，降低成品产出比例，而上表面不粗化整体发光功率提升不明显，无法形成良好的性能提升。
【发明内容】
为解决上述问题，提出了体验更好的一种高灵敏小型化光电耦合器及其高灵敏处理方法；
一种高灵敏小型化光电耦合器，所述光电耦合器由8mil红外发光二极管芯片及16mil的光敏三极管芯片组成，所述红外发光二极管芯片由两部分组成，一部分是P型半导体即P极，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体即N极；所述P极电极尺寸为Φ105um，电极尺寸为8654.6um；
所述红外发光二极管芯片为P极、下表面为N极；
所述红外发光二极管芯片上表面即P极为粗糙面；
所述红外发光二极管芯片侧表面为粗糙面；
所述红外发光二极管芯片下表面即N极为粗糙面；
进一步地、所述红外发光二极管芯片侧表面在表面形成粗糙度为Ra1.5-2.0um表面颗粒状态。
进一步地、所述红外发光二极管芯片上表面在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态。
进一步地、所述红外发光二极管芯片下表面在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态。
一种小型化光电耦合器高绝缘方法，所述光电耦合器的红外发光二极管芯片的生产步骤为：清洗、蒸发Au电极底金：电极与芯片结合层、光刻：黄光光刻电极形状、合金：强化底金与芯片结合、蒸发Al电极：底金表面电极层、光刻：黄光光刻电极形状、光刻：黄光光刻电极形状、划片：芯片按设计尺寸切割、腐蚀：表面粗化处理、翻扩：芯片翻转扩片展开和清洗，其特征在于：所述红外发光二极管芯片的生产步骤中的腐蚀为粗化工艺及所述红外发光二极管芯片生产完成后进行封装加工；
所述粗化工艺包括上表面粗化工艺、侧表面粗化工艺和下表面粗化工艺；
所述上表面粗化工艺为于掩膜除胶后，采用浓度65-70％HNO3溶液，温度控制在24±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态；
所述侧表面粗化工艺为于切割后，采用浓度55-60％ HNO3溶液，温度控制在20±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra1.5-2.0um表面颗粒状态；
所述下表面粗化工艺为于背金电极蒸镀前，采用浓度55-60％HNO3溶液，温度控制在20±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态，同时将背金面由全背金改为网格背金设计；
所述封装加工包括以下步骤：
第一步：固晶，使用高精度固晶作业机台，分别于引线框架发射及接收芯片固定位置点上导电银胶，然后放置芯片；
第二步：高温烘烤固化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤2小时，使导电银胶将芯片粘结固化在引线框架上；
第三步：焊线，使用高精度焊线作业设备，将芯片焊垫及引线框架二焊点，使用高纯度合金线或纯金线利用超声波键合方式连接导通；
第四步：点胶，使用高精度点胶作业设备，利用针筒气压挤出方式，将硅胶点至芯片区域，利用硅胶的流动性及聚变性，将芯片完全包裹保护住；
第五步：高温烘烤固化，采用可程式恒温固化烤箱，170℃烘烤3小时，使硅胶固化，达到良好的形态及应力缓冲效果；
第六步：折弯对射，采用高精度折弯模具将平面状态的发射端和接收端的基岛及二焊点由水平状态折弯形成与支架形成90±10°夹角状态，发射端和接收端形成左右平行对射形态；
第七步：精拍修正，采用高精度模具推动修正，将折弯作业角度进一步修正接近90°，确保发射端与接收端形成更好的左右平行对射形态，提升光转换效率；
第八步：白胶封装，采用高精度封装模压机，将白色环氧树脂胶挤压填充，并高温固化成型，形成将内部产品结构定型，环氧树脂起到透光耐压绝缘性能；
第九步：高温烘烤化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤3小时，使封装的白色环氧树脂彻底固化；
第十步：残胶切除，利用高精度冲切模具，切除不必要的胶体流道及限流框；
第十一步：镀锡作业，对胶体外部露出的金属引脚进行镀锡保护作业，使用硫酸亚锡，高纯度锡金属块，通过电解置换反应，使锡层均匀稳定的结合在金属引脚表面，镀锡层厚度下限控制在100mil以上，镀锡层厚度中间值120mil；
第十二步：高温烘烤化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤8小时，使封装的环氧树脂彻底固化；
第十三步：黑胶封装，采用高精度封装模压机，将黑色环氧树脂胶挤压填充，并高温固化成型，形成将外部结构定型，环氧树脂起到遮光耐压绝缘性能，同时作为产品外观的基本体现；
第十四步：折弯成型，使用高精度折弯成型模具，将产品从引线框架上切除下来，并保持单个状态，再进行金属引脚折弯成型，引脚折弯角度为垂直状态0-13°；
第十五步：性能测试，对单颗产品进行100％测试，耐压测试5000V、1S，电性能测试针对顺向电压、漏电、压降、崩溃电压、反应上升下降时间、电流转换比等参数进行测试。
本发明分别在光电耦合器的红外发光二极管芯片的生产步骤中的腐蚀为粗化工艺及所述红外发光二极管芯片生产完成后进行封装加工，目前光电耦合器常规芯片配比为8mil红外发光二极管芯片及16mil的光敏三极管芯片组成，本发明针对红外发光二极管芯片进行优化，先通过优化P极电极尺寸，由Φ110um，调整至Φ105um，在确保焊线正常作业的的前提下，将电极尺寸由9498.5um2优化至8654.6um2，大幅度提升正表面发光面积，并在进行粗化工艺；
上表面即P极粗化工艺，使上表面实际发光面积提升，综合光功率提升比例为8-10％；
侧表面粗化工艺，使侧表面实际发光面积提升，综合光功率提升比例为3-5％，且侧表面粗化后能有效提升与底部导电银胶的结合，有效提升芯片推力与固化结合强度；
下表面即N极粗化工艺，提升光漫反射，杜绝全背金光反射回芯片内部吸收的问题，综合光功率提升比例为2-3％，且下表面粗化后能有效提升与底部导电银胶的结合，有效提升芯片推力与固化结合强度；
通过以上三种粗化工艺可综合提供红外发光二极管芯片光功率13-18％左右，同时本工艺采用的20-24℃高温药水浸泡粗化工艺能有效提升粗化制程效率及粗化颗粒度批次一致性，对产品外观良率能起到一定的提升；
本发明在市场需要更高CTR值产品的情况下，通过改进有效提升同尺寸红外发光二极管芯片的光功率，降低对光敏三极管接收芯片HFE的参数提升要求，降低芯片基本电性能参数因HFE过度提升造成的减弱可能性，提高光电耦合器产品的可靠性，同时在无需使用更大尺寸红外二极管芯片的情况下，有效提升光电耦合器的CTR值，降低制造成本，提升市场竞争力；
本发明在同等CTR值要求，同样发射芯片尺寸的前提下，光功率大幅度提升，可以使用更低的HFE光敏三极管芯片，有效提高光电耦合器的反应灵敏度。
【附图说明】
图1为本发明的封装加工流程图；
图2为本发明的粗化工艺流程图；
图3为本发明的下表面粗化状态图；
图4为本发明的侧表面粗化状态图；
图5为本发明的上表面粗化状态图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
一种高灵敏小型化光电耦合器，所述光电耦合器由8mil红外发光二极管芯片及16mil的光敏三极管芯片组成，所述红外发光二极管芯片由两部分组成，一部分是P型半导体即P极，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体即N极；所述P极电极尺寸为Φ105um，电极尺寸为8654.6um；
所述红外发光二极管芯片为P极、下表面为N极；
所述红外发光二极管芯片上表面即P极为粗糙面，所述红外发光二极管芯片上表面在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态，所述红外发光二极管芯片侧表面为粗糙面，所述红外发光二极管芯片下表面在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态，所述红外发光二极管芯片下表面即N极为粗糙面所述红外发光二极管芯片侧表面在表面形成粗糙度为Ra1.5-2.0um表面颗粒状态；
一种小型化光电耦合器高绝缘方法，所述光电耦合器的红外发光二极管芯片的生产步骤为：清洗、蒸发Au电极底金：电极与芯片结合层、光刻：黄光光刻电极形状、合金：强化底金与芯片结合、蒸发Al电极：底金表面电极层、光刻：黄光光刻电极形状、光刻：黄光光刻电极形状、划片：芯片按设计尺寸切割、腐蚀：表面粗化处理、翻扩：芯片翻转扩片展开和清洗，其特征在于：所述红外发光二极管芯片的生产步骤中的腐蚀为粗化工艺及所述红外发光二极管芯片生产完成后进行封装加工；
所述粗化工艺包括上表面粗化工艺、侧表面粗化工艺和下表面粗化工艺；
所述上表面粗化工艺为于掩膜除胶后，采用浓度65-70％HNO3溶液，温度控制在24±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态；
所述侧表面粗化工艺为于切割后，采用浓度55-60％ HNO3溶液，温度控制在20±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra1.5-2.0um表面颗粒状态；
所述下表面粗化工艺为于背金电极蒸镀前，采用浓度55-60％HNO3溶液，温度控制在20±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态，同时将背金面由全背金改为网格背金设计；
所述封装加工包括以下步骤：
第一步：固晶，使用高精度固晶作业机台，分别于引线框架发射及接收芯片固定位置点上导电银胶，然后放置芯片；
第二步：高温烘烤固化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤2小时，使导电银胶将芯片粘结固化在引线框架上；
第三步：焊线，使用高精度焊线作业设备，将芯片焊垫及引线框架二焊点，使用高纯度合金线或纯金线利用超声波键合方式连接导通；
第四步：点胶，使用高精度点胶作业设备，利用针筒气压挤出方式，将硅胶点至芯片区域，利用硅胶的流动性及聚变性，将芯片完全包裹保护住；
第五步：高温烘烤固化，采用可程式恒温固化烤箱，170℃烘烤3小时，使硅胶固化，达到良好的形态及应力缓冲效果；
第六步：折弯对射，采用高精度折弯模具将平面状态的发射端和接收端的基岛及二焊点由水平状态折弯形成与支架形成90±10°夹角状态，发射端和接收端形成左右平行对射形态；
第七步：精拍修正，采用高精度模具推动修正，将折弯作业角度进一步修正接近90°，确保发射端与接收端形成更好的左右平行对射形态，提升光转换效率；
第八步：白胶封装，采用高精度封装模压机，将白色环氧树脂胶挤压填充，并高温固化成型，形成将内部产品结构定型，环氧树脂起到透光耐压绝缘性能；
第九步：高温烘烤化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤3小时，使封装的白色环氧树脂彻底固化；
第十步：残胶切除，利用高精度冲切模具，切除不必要的胶体流道及限流框；
第十一步：镀锡作业，对胶体外部露出的金属引脚进行镀锡保护作业，使用硫酸亚锡，高纯度锡金属块，通过电解置换反应，使锡层均匀稳定的结合在金属引脚表面，镀锡层厚度下限控制在100mil以上，镀锡层厚度中间值120mil；
第十二步：高温烘烤化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤8小时，使封装的环氧树脂彻底固化；
第十三步：黑胶封装，采用高精度封装模压机，将黑色环氧树脂胶挤压填充，并高温固化成型，形成将外部结构定型，环氧树脂起到遮光耐压绝缘性能，同时作为产品外观的基本体现；
第十四步：折弯成型，使用高精度折弯成型模具，将产品从引线框架上切除下来，并保持单个状态，再进行金属引脚折弯成型，引脚折弯角度为垂直状态0-13°；
第十五步：性能测试，对单颗产品进行100％测试，耐压测试5000V、1S，电性能测试针对顺向电压、漏电、压降、崩溃电压、反应上升下降时间、电流转换比等参数进行测试。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高灵敏小型化光电耦合器，所述光电耦合器由8mil红外发光二极管芯片及16mil的光敏三极管芯片组成，其特征在于：所述红外发光二极管芯片由两部分组成，一部分是P型半导体即P极，内部空穴占主导地位，另一端是N型半导体即N极；所述 P极电极尺寸为Φ105um，电极尺寸为8654.6um；
所述红外发光二极管芯片为P极、下表面为N极；
所述红外发光二极管芯片上表面即P极为粗糙面，即表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态；
所述红外发光二极管芯片侧表面为粗糙面，即表面形成粗糙度为Ra1.5-2.0um表面颗粒状态；
所述红外发光二极管芯片下表面即N极为粗糙面，即在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态，且背金面为网格背金设计；
所述光电耦合器的发射端和接收端为左右平行对射形态。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏小型化光电耦合器，其特征在于：所述红外发光二极管芯片上表面在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏小型化光电耦合器，其特征在于：所述红外发光二极管芯片下表面在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏小型化光电耦合器，其特征在于：所述红外发光二极管芯片侧表面在表面形成粗糙度为Ra1.5-2.0um表面颗粒状态。
5.一种高灵敏小型化光电耦合器，其高灵敏处理方法主要为对红外发光二极管芯片的生产进行优化，所述光电耦合器的红外发光二极管芯片的生产步骤为：清洗、蒸发Au电极底金：电极与芯片结合层、光刻：黄光光刻电极形状、合金：强化底金与芯片结合、蒸发Al电极：底金表面电极层、光刻：黄光光刻电极形状、划片：芯片按设计尺寸切割、腐蚀：表面粗化处理、翻扩：芯片翻转扩片展开和清洗，其特征在于：所述红外发光二极管芯片的生产步骤中的腐蚀为粗化工艺及所述红外发光二极管芯片生产完成后进行封装加工；
所述粗化工艺包括上表面粗化工艺、侧表面粗化工艺和下表面粗化工艺；
所述上表面粗化工艺为于掩膜除胶后，采用浓度65-70%HNO3溶液，温度控制在24±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态；
所述侧表面粗化工艺为于切割后，采用浓度55-60% HNO3溶液，温度控制在20±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra1.5-2.0um表面颗粒状态；
所述下表面粗化工艺为于背金电极蒸镀前，采用浓度55-60%HNO3溶液，温度控制在20±1℃恒温状态，浸泡8-10S，在表面形成粗糙度为Ra2.0-2.5um表面颗粒状态，同时将背金面由全背金改为网格背金设计；
所述封装加工包括以下步骤：
第一步：固晶，使用高精度固晶作业机台，分别于引线框架发射及接收芯片固定位置点上导电银胶，然后放置芯片；
第二步：高温烘烤固化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤2小时，使导电银胶将芯片粘结固化在引线框架上；
第三步：焊线，使用高精度焊线作业设备，将芯片焊垫及引线框架二焊点，使用高纯度合金线或纯金线利用超声波键合方式连接导通；
第四步：点胶，使用高精度点胶作业设备，利用针筒气压挤出方式，将硅胶点至芯片区域，利用硅胶的流动性及聚变性，将芯片完全包裹保护住；
第五步：高温烘烤固化，采用可程式恒温固化烤箱，170℃烘烤3小时，使硅胶固化，达到良好的形态及应力缓冲效果；
第六步：折弯对射，采用高精度折弯模具将平面状态的发射端和接收端的基岛及二焊点由水平状态折弯形成与支架形成90±10°夹角状态，发射端和接收端形成左右平行对射形态；
第七步：精拍修正，采用高精度模具推动修正，将折弯作业角度修正，确保发射端与接收端形成更好的左右平行对射形态，提升光转换效率；
第八步：白胶封装，采用高精度封装模压机，将白色环氧树脂胶挤压填充，并高温固化成型，形成将内部产品结构定型，环氧树脂起到透光耐压绝缘性能；
第九步：高温烘烤化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤3小时，使封装的白色环氧树脂彻底固化；
第十步：残胶切除，利用高精度冲切模具，切除胶体流道及限流框；
第十一步：镀锡作业，对胶体外部露出的金属引脚进行镀锡保护作业，使用硫酸亚锡，高纯度锡金属块，通过电解置换反应，使锡层均匀稳定的结合在金属引脚表面，镀锡层厚度下限控制在100mil以上，镀锡层厚度中间值120mil；
第十二步：高温烘烤化，采用恒温固化烤箱，170℃烘烤8小时，使封装的环氧树脂彻底固化；
第十三步：黑胶封装，采用高精度封装模压机，将黑色环氧树脂胶挤压填充，并高温固化成型，形成将外部结构定型，环氧树脂起到遮光耐压绝缘性能；
第十四步：折弯成型，使用高精度折弯成型模具，将产品从引线框架上切除下来，并保持单个状态，再进行金属引脚折弯成型，引脚折弯角度为垂直状态0-13°；
第十五步：性能测试，对单颗产品进行100%测试，耐压测试5000V、1S，电性能测试针对顺向电压、漏电、压降、崩溃电压、反应上升下降时间、电流转换比参数进行测试。
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