半導體封裝工藝對光耦元器件影響研究

陳力

（福建福順半導體制造有限公司，福建 福州 350026）

0 引言

光電耦合器件不同于一般的半導體IC封裝以電信號為傳導媒介進行信號傳輸，而是主要以光為傳導媒介來傳輸信號。一般常規結構為發光端子（紅外線發光二極管）與接收端子（光敏半導體管）合封封裝在一個塑封體內。當輸入端加電信號時紅外發光二極管發出紅外光線，接收端子接受到紅外光線之后產生感應電流，從而實現了光電信號之間轉換[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光二極管與光敏半導體管合封在一個塑封體內，兩者之間填充可透光材料實現光信號傳遞信息，從而實現電路信號的電到光再到電的整個光電耦合電路傳輸。常見的封裝內部結構為垂直對照式、斜對照式、水平反光式等，輸入端管腳接內部發光二極管，輸出端管腳接內部光敏半導體管。目的是為了電氣輸入與電氣輸出處于絕緣隔離的狀態，尤其當輸入端遭遇高電壓強電流時，不會直接導通至輸出端對后端線路電器或接觸的人員產生影響，具有較高的安全性能、抗干擾能力、穩定性。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：紅外線發光二極管、光敏半導體管、焊線、硅膠、導電銀膠、塑封白膠、塑封黑膠、引線框架等[2]。一般封裝工藝流程為：發光管Die Bond固晶à光敏半導體管Die Bond固晶àDie Bond烘烤à發光管Wire Bond焊線à光敏半導體管Wire bond焊線à發光管點膠à發光管點膠烘烤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線路電性設計需求，以光耦晶體管CTR（Current Transfer Ratio電流轉化系數）為主要的特性指標，不同CTR區間進行區分電性檔位。CTR =Ic/IF （IF :Forward Current，IC:Collector Current）。

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

其次,Ib為光敏半導體管在接收到發光二極管產生的紅外光后，利用半導體光的光電效應，產生感應電流。所以Ib與光敏半導體管接收到的紅外光強度及接收區設計有關。而二極管發射光能量、光耦對照位置設計及間距距離設計、對照材料透光率又對光敏半導體管接收到的紅外光強度產生影響。一般封裝設計上，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絕緣間距的基礎上進行設計，否則無法通過光耦高壓測試項的相關要求。

封裝材料方面對光耦晶體管CTR有產生影響的為硅膠與白膠。硅膠主要起到保護發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 光敏半導體的HFE 與CTR 的影響試驗

同發光二極管條件下，試驗不同的HFE光敏半導體對光耦CTR影響關系。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體的HFE。如圖1。

圖1 光敏半導體HFE 與CTR 關系圖

2.2 封裝水平對照位置偏差與CTR的影響試驗

發光二極管、光敏半導體管的水平位置偏差，直接導致光敏半導體管表面接收區接收到的紅外光變少，從而影響感應電流最終CTR下降。如圖2。

圖2 封裝水平對照位置偏差與CTR 關系

2.3 發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，導致正面少膠膠高降低。試驗過程發現不同膠高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，光傳導效果越好，CTR檔位相對越高。如圖3。

圖3 白膠透光率與CTR 關系圖

3 結語

綜合以上，對光耦晶體管CTR起主要影響為光敏半導體的HFE、發光管的發光能量、封裝對照位置設計、封裝間距設計，白膠透光率、硅膠高度等。在產品結構設計及塑封白膠等材料型號定型的前提下，挑選測試不同HFE的光敏半導體就可以生產出來需求的CTR檔位區間的光耦晶體管。