光耦合器的BGA封装

光耦合器的BGA封装

     导言
    
     光耦合器也称为光隔离器，它是许可电信号在电路或系统之间传输的半导体器件，同时确保这些电路或系统彼此之间电绝缘。典型的光耦合器是将两个电子组件——红外发光二极管和输出光电探测器集合到一个双列直插式封装 (DIP) 中。
    
     当正向电流 (If) 流经发光二极管时，电子转换为光子，辐射能量通过光耦介质传输，落在探测器的表面，在这里光子又转换回电子。光电探测器 (在大多数情况下为光电晶体管) 设计为具有较大的基极面积，因此基极-集电极结点的面积较大，而发射极的面积较小。如果基极和发射极接地，在光电晶体管的集电极施加正电压，它可用作光电二极管。这样，电流从集电极流向基极，造成负载电阻 (RL) 两端的电压降，由结点电容 (Ccb) 可得出输出电路时间常数 (RL*Ccb) 和相应的输出电压上升时间，这种配置的输出电流较小，故通常不采用这种连接方式。
    
     最常见的电路应用是将基极连接开路，结果是，总的集电极电流比光产生的电流高出许多，比前一种连接方式的电流高出几百倍，但其缺陷是运作缓慢。这种连接方式的输出时间常数为 (β*RL*Ccb)，光电晶体管的输出电流与砷化镓二极管的输入电流的比率被称作电流传递比 (CTR)。
    
     光耦合器的一项普遍应用是专用调制解调器，允许电脑与电话线连接，且消除电气瞬变引起的风险或损害。光耦合器除提供高度电气绝缘外，还可提高差模信号与共模信号的比率。
    
     DIP广泛用于集成电路的封装，也用于常规的光耦合器。厂家通常制造具有4、6、8或16接脚的各种型式DIP封装光耦合器。
    
     不过，P-DIP光耦合器的封装可以进一步许多改进，例如，光耦合器封装需要昂贵和费时的过成型 (overmolding) 处理，在这个处理过程中，成型化合物灌封光耦合器封装的其它部分。除过成型工艺本身外，还需要采取成型材料清除工艺 (例如除废物和除闪烁工艺) 除掉多余的成型化合物，这就增加了光耦合器封装的时间和费用。
    
     此外，厂家还需要投入较多的资金，用于成型不同“外形尺寸”封装 (如4、6或8接脚封装)的工具，因此，如果能够省去过成型工艺，就可减少制造光耦合器封装的相关时间和成本。此外，DIP光耦合器封装并不能很好地以表面附着方式安装到PCB板上 -- 必须重整引脚以便进行表面安装回流焊，常常存在引起微小裂缝的危险，影响组件的可靠性。更进一步地，对于其它组件使用薄型表面安装的封装形式，如TSSOP或TQFT器件的用户来说，这样重整后的DIP封装的高度仍构成问题。
    
     光耦合器BGA２的设计特性可解决这些问题，它是高度不超过1.20mm、占位面积小于现有的PDIP外形尺寸的低侧高小型表面安装组件。光耦合器BGA封装不需要灌封材料 (成型化合物)，而且它的制造工具与封装的外形尺寸无关。其设计也可改善封装在热循环等加速测试中的可靠性能。采用无铅焊球可构建完全无铅的封装。
    

     结构详情
    
     图3比较常规DIP型光耦合器和BGA封装光耦合器的典型工艺流程。
    
     光耦合器BGA封装包括氧化铝基底，其上形成图案踪迹和区域，用于砷化镓发光二极管(LED) 和光电探测器硅组件的晶片附着，LED的焊接方法使其可以被施加外接偏压，光电探测器连接至输出。采用光涂层结合LED和光电探测器，以进行介质之间的大量传输。而且，采用反射涂层覆盖光涂层，使传送到感光性晶片的辐射达到最大。焊球形成2层互连 (封装至PCB板)，图4所示为光耦合器BGA封装的截面。
    
     采用业界传统的基底厚度和工艺，便可以构造侧高很低的可表面安装式光耦合器封装，而且，利用封装设计的独特性能，可以省去一组投资极高的工艺步骤：成型、除闪烁、修整和重整。采用钻石轮划片的晶片锯切方式可完成光耦合器BGA的单一化。
    
     特性
    
     比较由PT34A3发射器和OI1523探测器构成的BGA器件，与采用一对相同的发射器和探测器的4引脚DIP封装，在5mA输入电流、5V偏压条件下进行绝缘测试测量CTR，在80V Vce的条件下测量Iceo，在电流为20μA并持续1秒的条件下测量绝缘电阻。图5 为比较研究结果。
    
     封装可靠性
    
     图6所示为光耦合器BGA封装应力的初步可靠性结果。
    
     FEA分析表明最大应力为131 MPa，大大低于硅组件的临界应力(~ 700 MPa)，焊球和反射涂层在低应力范围之下，经验性实验证明，在260^oC回流焊循环下封装是坚固的。
    
     结论
    
     1. 阐述了可表面安装的光耦合器封装的独特结构。
    
     2．这种封装的结构及其装配流程，适用于低侧高的可表面安装的组件，可简化与当前封装类型有关的装配工艺。
    
     3．FEA分析显示，在严格的260^oC (无铅) 回流焊条件下，封装能够处于应力极小或无应力的状态，经独立进行的经验性测试验证。
    
     4．采用无铅焊球，可构成完全无铅的光耦合器封装。
    
     5．电流传递比 (CTR) 等关键参数的初步特性结果表明，没有出现与这种封装外形尺寸相关的性能降低。
    
     6．较早的可靠性结果显示，这些独特/创新的材料和设计的结果令人鼓舞，表明坚固的封装和装配工艺的良好可能性。
    
     参考书目：
    
     1. “Applications of Optocouplers”, Application note 2, Vishay., 文件编号 83703。2001年8月17日修订
    
     2. “Optocoupler BGA Package” 专利申请中。