CN116130476A - 一种平面光耦隔离封装结构及其封装工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面光耦隔离封装结构及其封装工艺，该封装结构包括光耦合模块、第一基材、用于将光耦合模块封装在一起的第二基材、用于实现芯片的互相连接的金属布线层、及用于隔离光耦合模块与金属布线层的钝化层；光耦合模块包括发射芯片、发射器、接收芯片及光学镜头，钝化层与金属布线层一起对芯片的信号进行连接。本发明与传统光耦器件的构造完全不同，能够实现单通道或多通道光耦隔离，通道之间光学隔离效果好，封装结构体积小，可靠性高，成本低；与传统的光耦封装工艺完全不同，封装工艺简单，效率高，极大地降低成本，并提高隔离的可靠性和隔离性能。

Description

一种平面光耦隔离封装结构及其封装工艺

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种平面光耦隔离封装结构及其封装工艺。

背景技术

传统光耦封装工艺是先在金属框架上固晶，在金属框架上焊金线，在芯片和焊线上方及四周点上硅胶，在硅胶上方放置Kapton Tape，然后翻转固定LED芯片的金属框架，使LED正对下方芯片的PD，最后注塑成型，将输出引脚弯曲成型。

传统封装工艺中在芯片和焊线上方及四周点上硅胶为非标准工艺，上胶效率低；在硅胶上方放置Kapton Tape一般采用手动放置，效率低，Kapton Tape对材料要求比较高，导致成本高；翻转固定LED芯片的金属框架，使LED正对下方芯片的PD，该工艺也为非标准工艺，需要定制化的机器来执行，成本高，或手动翻转，效率低且良率低。传统封装工艺得到的光耦器件构造只能实现单通道光学耦合，无法满足多通道的市场需求。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种平面光耦隔离封装结构及其封装工艺，从而实现单通道或多通道光耦隔离，通道之间光学隔离效果好，封装结构体积小，可靠性高，封装工艺简单，成本低，效率高。

本发明所采用的技术方案如下：

一种平面光耦隔离封装结构，包括：

光耦合模块，包括发射芯片、把发射芯片的电流转化成光学信号的发射器、接收发射器发出光学信号的接收芯片、以及实现从发射器发出的光线反射到接收芯片形成光学通道的光学镜头；

第一基材，将发射芯片、发射器、接收芯片封装在一起，且位置相对固定；

第二基材，将光耦合模块封装在一起；

金属布线层，实现芯片信号的互相连接；

钝化层，用于隔离光耦合模块与金属布线层。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述光耦合模块还包括镀在光学镜头外侧的反光层、或设置在光学镜头外侧且在第二基材内侧的增强光学镜头，增强光学镜头的外边界布设有反光材料涂层，更好地反射发射器发出的光线。

所述钝化层包括自下而上设置在第一基材上方的第一钝化层和第二钝化层、设置在第一基材下方的第四钝化层；

所述金属布线层包括第一金属布线层和第二金属布线层，第一金属布线层设置在第一钝化层与第二钝化层之间。

所述钝化层还包括第三钝化层，第三钝化层设置在第一基材下方，第二金属布线层设置在第三钝化层和第四钝化层之间。

所述第二金属布线层设置在第一基材和第四钝化层之间，第一基材为具有激光活性添加剂的材料，第四钝化层实现对第二金属布线层的隔离保护。

所述第一基材上设置有把顶部芯片信号传输到底部的金属连接通孔，第一金属布线层和第二金属布线层通过金属连接通孔连接，以实现信号传输；

所述第二金属布线层为焊盘结构，避免使用焊线；第二金属布线层还包括用于连接发射芯片的焊垫。

所述第二钝化层位于第一金属布线层处设置有槽口，使得第一金属布线层裸露在外，便于从顶部引出信号。

还包括金属框架，第一金属布线层通过焊线与金属框架的引脚连接，实现信号的引出；

所述第二金属布线层为焊垫，用于连接发射芯片。

一种平面光耦隔离封装结构的封装工艺，用于封装上述平面光耦隔离封装结构，包括以下步骤：

提供发射芯片、发射器、接收芯片；

通过第一基材将发射芯片、发射器、接收芯片封装在一起，且位置固定；

第一基材上形成金属连接通孔；

第一基材上方布设第一钝化层；

在第一钝化层上方布设第一金属布线层，将发射芯片、发射器、接收芯片连接至第一金属布线层；

布设第二金属布线层，第二金属布线层下方布设第四钝化层；

形成光学镜头，覆盖发射芯片与接收芯片的感应区域；

光学镜头外侧镀一层反光层或配置增强光学镜头；

第一金属布线层上方布设第二钝化层，用于隔离第一金属布线层；

第二基材实现最终封装。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第一金属布线层与第二金属布线层通过金属连接通孔连接，实现顶部芯片信号传输到底部；

第二基材将发射芯片、发射器、接收芯片、光学镜头、第一钝化层、第二钝化层整体封装。

所述第二钝化层位于第一金属布线层处设置有槽口，第一金属布线层裸露在外；

提供金属框架，第一金属布线层为焊盘的形状，第一金属布线层通过焊线与金属框架的引脚连接，实现信号的引出；

第二基材将发射芯片、发射器、接收芯片、光学镜头、钝化层及部分金属框架整体封装。

本发明的有益效果如下：

本发明与传统光耦器件的构造完全不同，能够实现单通道或多通道光耦隔离，通道之间光学隔离效果好，封装结构体积小，可靠性高，成本低；与传统的光耦工艺完全不同，封装工艺简单，效率高，极大地降低成本，并提高隔离的可靠性和隔离性能。

本发明还包括如下优点：

(1)不同光学通道之间可以通过光学镜头的结构实现隔离，也可以简单通过基材实现隔离，这是传统的光耦封装非常难以实现的；第一基材将接收芯片、发射器、发射芯片封装起来，以防止水分，灰尘或其他环境因素的侵蚀，同时固定好芯片的相对位置，以方便RDL金属布线层进行连接；第二基材把钝化层、光耦合模块及第一基材全部封装在一起，且为不透明材质，在隔离保护的同时将光学镜头覆盖，起到反光的效果。

(2)通过RDL金属布线层和TMV金属连接通孔，实现信号连接，避免使用焊线，极大地缩小整个封装的体积，整个封装的厚度更薄，有效地降低成本，且由于RDL和TMV能很好地与芯片连接，增加信号的可靠性，也减少由于信号的电感(inductance)带来的噪声。

(3)通过基材实现隔离，基材采用注塑材料，可以实现更远的隔离距离和更高的隔离性能。

(4)多通道传输更容易实现，实现光耦隔离情况下的多通道信号传输，满足多通道系统的需求。

附图说明

图1为第一实施例中平面光耦隔离封装结构的结构示意图。

图2为第一实施例中平面光耦隔离封装结构的剖视图。

图3为第二实施例中平面光耦隔离封装结构的剖视图。

图4为第三实施例中平面光耦隔离封装结构的剖视图。

图5-14为本发明中封装工艺的过程图。其中：

图5为本发明中第一基材将发射芯片、发射器、接收芯片封装后的结构示意图。

图6为一个实施例中第一基材上形成金属连接通孔、布设第一钝化层及第三钝化层后的结构示意图。

图7为一个实施例中第一钝化层上方布设第一金属布线层后的结构示意图。

图8为一个实施例中第三钝化层下方布设第二金属布线层后的结构示意图。

图9为一个实施例中配置光学透镜后的结构示意图。

图10为另一个实施例中中第一基材上形成金属连接通孔后的结构示意图。

图11为另一个实施例中第一基材下方布设第三钝化层、第二金属布线层后的结构示意图。

图12为另一个实施例中配置光学透镜、第一金属布线层上方布设第二钝化层及第二金属布线层下方布设第四钝化层后的结构示意图。

图13为另一个实施例中安装金属框架后的结构示意图。

图14为另一个实施例中封装后的结构示意图。

其中：110、发射芯片；120、发射器；130、接收芯片；140、光学镜头；141、反光层；142、增强光学镜头；210、第一基材；211、金属连接通孔；220、第二基材；310、第一钝化层；320、第二钝化层；321、槽口；330、第三钝化层；340、第四钝化层；410、第一金属布线层；420、第二金属布线层；500、金属框架；510、引脚。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和2所示，本实施例的平面光耦隔离封装结构，包括光耦合模块、第一基材210、将光耦合模块封装在一起的第二基材220、实现芯片的互相连接的金属布线层、用于隔离光耦合模块与金属布线层的钝化层；钝化层与金属布线层一起对芯片的信号进行连接。

光耦合模块包括发射芯片110、把发射芯片110的电流转化成光学信号的发射器120、接收发射器120发出光学信号的接收芯片130、以及实现从发射器120发出的光线反射到接收芯片130形成光学通道的光学镜头140。

光耦合模块为1组或2组以上，2组以上光耦合模块并排布设，从而实现单通道或多通道光耦隔离，通道之间光学隔离效果好。

发射芯片110上面有驱动电路(driver circuitry)，可以驱动发射器120，控制其进行发光，发射芯片110的电流信号可以有不同的大小强度、开合频率，从而把要传输的信号传给发射器120，转化为不同的光信号。

发射器120是发光二极管(Light Emitting diode)，或者激光发射器(VCSEL，laser diode)，把发射芯片110的电流信号转化成光学信号，并且通过光学镜头140的反射进入到接收芯片130里面，从而实现信号的传输。

接收芯片130为独立的二极管感光器件(discrete photodiode IC)，或是具有感光二极管(photodiode)的集成芯片。它的主要作用是接受发射器120发过来的光学信号，并进行一定的放大，滤波甚至数模转化。

第一基材210将发射芯片110、发射器120、接收芯片130封装在一起，且芯片位置相对固定；以防止水分，灰尘或其他环境因素的侵蚀，以方便RDL金属布线层进行连接。

第二基材220为不透明的，颜色可以是白色或者其他颜色；通过覆盖在光学镜头140上面，可以起到反光的效果。

进一步的，第一基材210和第二基材220为注塑材料，优选为环氧树脂材料，实现更好地保护隔离作用。

进一步的，光学镜头140(Optical lens)是经过特殊光学设计的材料，一般是透明的，经过特殊的形状设计，光线可以从发射器120反射到接收芯片130上面，从而形成良好的光学通道；光学镜头140可以是多种形状，比如球形或者椭圆形。

在一个实施例中，光学镜头140为透明的环氧树脂或是玻璃材料。

钝化层包括自下而上设置在第一基材210上方的第一钝化层310和第二钝化层320、自上而下设置在第一基材210下方的第三钝化层330和第四钝化层340。

金属布线层可以做成任意的形状，从而实现芯片的互相连接，包括设置在第一钝化层310与第二钝化层320之间的第一金属布线层410、设置在第三钝化层330与第四钝化层340之间的第二金属布线层420。

在一个实施例中，钝化层包括自下而上设置在第一基材210上方的第一钝化层310和第二钝化层320、设置在第一基材210下方的第四钝化层340；金属布线层第一金属布线层410和第二金属布线层420，第一金属布线层410设置在第一钝化层310与第二钝化层320之间，第二金属布线层420设置在第一基材210和第四钝化层340之间，第一基材210为具有激光活性添加剂的材料，第四钝化层340实现对第二金属布线层420的隔离保护。

在一个实施例中，第一基材210上设置有用于把顶部芯片信号传输到底部的金属连接通孔211，是一种特别的填满金属连接的通孔，实现第一金属布线层410和第二金属布线层420的连接，进而实现信号传输；金属连接通孔211两端分别穿过第一钝化层310和第三钝化层330，把芯片的信号从顶部转移到底部，通过这种方法，整个封装避免了使用焊线，这样有助于极大的缩小整个封装的体积，并有效地降低成本。而且由于金属布线层和金属连接通孔能很好的与芯片进行连接，增加了信号的可靠性，也减少由于信号的电感(inductance)带来的噪声。

第二金属布线层420为不同形状的焊盘结构，避免使用焊线，降低了封装的复杂性和成本；第二金属布线层420还包括用于连接发射芯片110的焊垫。

光耦合模块还包括镀在光学镜头140外侧的反光层141，更好地反射发射器120发出的光线。

如图3所示，在一个实施例中，光耦合模块设置在光学镜头140外侧且在第二基材220内侧的增强光学镜头142，增强光学镜头142与光学镜头140的折射率不同，增强光学镜头142的外边界布设有反光材料涂层，更好地反射发射器120发出的光线。

如图5-9所示，本实施例的平面光耦隔离封装结构的封装工艺，用于封装上述平面光耦隔离封装结构，包括以下步骤：

提供发射芯片110、发射器120、接收芯片130。

如图5所示，通过第一基材210将发射芯片110、发射器120、接收芯片130封装在一起，且位置固定。

如图6所示，第一基材210上形成金属连接通孔211；第一基材210上、下方分别布设第一钝化层310和第三钝化层330。

如图7所示，在第一钝化层310上方布设第一金属布线层410，将发射芯片110、发射器120、接收芯片130连接至第一金属布线层410。

如图8所示，第三钝化层330下方布设第二金属布线层420，第一金属布线层410与第二金属布线层420通过金属连接通孔211连接，实现顶部芯片信号传输到底部；第二金属布线层420下方布设第四钝化层340。

如图9所示，第一钝化层310上方形成光学镜头140，覆盖发射芯片110与接收芯片130的感应区域；光学镜头140外侧镀一层反光层141或配置增强光学镜头142；第一金属布线层410上方布设第二钝化层320，用于隔离第一金属布线层410。

在一个实施例中，第一金属布线层410上方布设第二钝化层320，用于隔离第一金属布线层410；第二钝化层320上方形成光学镜头140，覆盖发射芯片110与接收芯片130的感应区域。

第二基材220实现最终封装，将发射芯片110、发射器120、接收芯片130、光学镜头140、第一钝化层310、第二钝化层320整体封装，封装后的整体结构，如图1所示。

如图4所示，在一个实施例中，第二钝化层320位于第一金属布线层410处设置有槽口321，第一金属布线层410裸露在外，通过焊线实现芯片信号的引出。

还包括金属框架500，第一金属布线层410通过焊线与金属框架500的引脚510连接，实现信号的引出。

第二金属布线层420为焊垫，用于连接发射芯片110。

如图10-14所示，本实施例的平面光耦隔离封装结构的封装工艺，用于封装上述平面光耦隔离封装结构，包括以下步骤：

提供发射芯片110、发射器120、接收芯片130。

通过第一基材210将发射芯片110、发射器120、接收芯片130封装在一起，且位置固定。

如图10所示，第一基材210上形成金属连接通孔211。

第一基材210上、下方分别布设第一钝化层310和第三钝化层330；在第一钝化层310上方布设第一金属布线层410，将发射芯片110、发射器120、接收芯片130连接至第一金属布线层410。

如图11所示，第三钝化层330下方布设第二金属布线层420，第二金属布线层420为焊垫，连接发射芯片110，第二金属布线层420下方布设第四钝化层340。

如图12所示，第一钝化层310上方形成光学镜头140，覆盖发射芯片110与接收芯片130的感应区域；光学镜头140外侧镀一层反光层141或配置增强光学镜头142；第二钝化层320位于第一金属布线层410处开设槽口321，第一金属布线层410裸露在外。

如图13所示，提供金属框架500，第一金属布线层410为焊盘的形状，第一金属布线层410通过焊线与金属框架500的引脚510连接，实现信号的引出。

第二基材220将发射芯片110、发射器120、接收芯片130、光学镜头140、第一钝化层310、第二钝化层320、第三钝化层330、第四钝化层340及部分金属框架500整体封装，露出引脚，封装后的整体结构，如图13所示。

上述光耦隔离结构在光耦隔离的同时，也可以增加电容隔离和电感隔离结构，实现电容隔离和电感隔离，集成度更高，将三者之中的任意组合或者全部封装在一起，有效地隔绝各种干扰，适用于更加复杂的系统，例如，自供电系统、多通道系统、双向系统。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种平面光耦隔离封装结构，其特征在于，包括：

光耦合模块，包括发射芯片(110)、把发射芯片(110)的电流转化成光学信号的发射器(120)、接收发射器(120)发出光学信号的接收芯片(130)、以及实现从发射器(120)发出的光线反射到接收芯片(130)形成光学通道的光学镜头(140)；

第一基材(210)，将发射芯片(110)、发射器(120)、接收芯片(130)封装在一起，且位置相对固定；

第二基材(220)，将光耦合模块封装在一起；

金属布线层，实现信号的互相连接；

钝化层，用于隔离光耦合模块与金属布线层。

2.如权利要求1所述的平面光耦隔离封装结构，其特征在于，所述光耦合模块还包括镀在光学镜头(140)外侧的反光层(141)、或设置在光学镜头(140)外侧且在第二基材(220)内侧的增强光学镜头(142)，增强光学镜头(142)的外边界布设有反光材料涂层，更好地反射发射器(120)发出的光线。

3.如权利要求1所述的平面光耦隔离封装结构，其特征在于，所述钝化层包括自下而上设置在第一基材(210)上方的第一钝化层(310)和第二钝化层(320)、设置在第一基材(210)下方的第四钝化层(340)；

所述金属布线层包括第一金属布线层(410)和第二金属布线层(420)，第一金属布线层(410)设置在第一钝化层(310)与第二钝化层(320)之间。

4.如权利要求3所述的平面光耦隔离封装结构，其特征在于，所述钝化层还包括第三钝化层(330)，第三钝化层(330)设置在第一基材(210)下方，第二金属布线层(420)设置在第三钝化层(330)和第四钝化层(340)之间。

5.如权利要求3所述的平面光耦隔离封装结构，其特征在于，所述第二金属布线层(420)设置在第一基材(210)和第四钝化层(340)之间，第一基材(210)为具有激光活性添加剂的材料，第四钝化层(340)实现对第二金属布线层(420)的隔离保护。

6.如权利要求3所述的平面光耦隔离封装结构，其特征在于，所述第一基材(210)上设置有把顶部芯片信号传输到底部的金属连接通孔(211)，第一金属布线层(410)和第二金属布线层(420)通过金属连接通孔(211)连接，以实现信号传输；

所述第二金属布线层(420)为焊盘结构，避免使用焊线；第二金属布线层(420)还包括用于连接发射芯片(110)的焊垫。

7.如权利要求3所述的平面光耦隔离封装结构，其特征在于，所述第二钝化层(320)位于第一金属布线层(410)处设置有槽口(321)，第一金属布线层(410)裸露在外，以使得芯片信号从顶部引出。

8.如权利要求7所述的平面光耦隔离封装结构，其特征在于，还包括金属框架(500)，第一金属布线层(410)通过焊线与金属框架(500)的引脚(510)连接，实现信号的引出；

所述第二金属布线层(420)为焊垫，用于连接发射芯片(110)。

9.一种平面光耦隔离封装结构的封装工艺，其特征在于，用于封装权利要求1-8任一项所述的平面光耦隔离封装结构，包括以下步骤：

提供发射芯片(110)、发射器(120)、接收芯片(130)；

通过第一基材(210)将发射芯片(110)、发射器(120)、接收芯片(130)封装在一起，且位置固定；

第一基材(210)上形成金属连接通孔(211)；

第一基材(210)上方布设第一钝化层(310)；

在第一钝化层(310)上方布设第一金属布线层(410)，将发射芯片(110)、发射器(120)、接收芯片(130)连接至第一金属布线层(410)；

形成光学镜头(140)，覆盖发射芯片(110)与接收芯片(130)的感应区域；

布设第二金属布线层(420)，第二金属布线层(420)下方布设第四钝化层(340)；

光学镜头(140)外侧镀一层反光层(141)或配置增强光学镜头(142)；

第一金属布线层(410)上方布设第二钝化层(320)，用于隔离第一金属布线层(410)；

第二基材(220)实现最终封装。

10.如权利要求9所述的平面光耦隔离封装结构的封装工艺，其特征在于，所述第二钝化层(320)位于第一金属布线层(410)处设置有槽口(321)，使得第一金属布线层(410)裸露在外；

提供金属框架(500)，第一金属布线层(410)为焊盘的形状，第一金属布线层(410)通过焊线与金属框架(500)的引脚(510)连接，实现信号的引出；

第二基材(220)将发射芯片(110)、发射器(120)、接收芯片(130)、光学镜头(140)、钝化层及部分金属框架(500)整体封装。

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