專利名稱：光耦合器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請主要涉及光耦合器件以及用于制造和使用此類器件的方法。更具體地，本申請描述了如下光耦合器件，其中，在光耦合器件的襯底中嵌入有光發(fā)射元件或構(gòu)件以及光接收元件或構(gòu)件。
背景技術(shù)：
光耦合器件(或者說光耦合器)包含至少一個光發(fā)射器件(或者說元件)，該光發(fā)射器件通過光傳輸介質(zhì)光耦合至光接收器件(或者說元件)。這種配置結(jié)構(gòu)允許信息從包含光發(fā)射器件的一個電路傳送至包含光接收器件的另一電路。在所述兩個電路之間保持高度電絕緣。因為信息光學(xué)地穿過絕緣帶，遷移是一種途徑。例如，光接收器件不能改變包含光發(fā)射器件的電路的操作。這一特點是受人歡迎的，因為例如發(fā)射器可以被使用微處理器或邏輯門的低壓電路所驅(qū)動，而輸出光接收器件可以是高壓DC或AC負(fù)載電路的一部分。 光隔離還防止了由于相對沖突的輸出電路所引起的對輸入電路的損害。圖1示出傳統(tǒng)的光耦合器封裝體10的側(cè)視圖。所示的光耦合器10包括襯底M 以及在襯底M上的焊錫球18。包含光發(fā)射表面16(a)的LED (發(fā)光二極管)器件16以及光電晶體管器件12 (包含光接收表面12(a))處于襯底M上并且被光傳輸介質(zhì)22覆蓋。因為光電晶體管12接收由LED所發(fā)出的光非常有限因而效率低下，所以由光電晶體光(二極管)器件12所產(chǎn)生的輸出電流很低(例如，大約數(shù)毫微安培(nA)，與噪音同一量級)。這就要求光耦合器封裝體具有非常好的電學(xué)性能。然而，由于傳統(tǒng)光耦合器封裝器及其接合線的布局，傳統(tǒng)設(shè)計中的噪音可以引發(fā)與輸出電流相等甚至大于輸出電流的噪音電平。另外，由于接合線和預(yù)模制結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)光耦合器封裝體的尺寸往往難以減小。這就會限制其應(yīng)用到要求超薄超小尺寸的電子產(chǎn)品的新生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本申請描述了光耦合器件以及用于制造和使用此類器件的方法。光耦合器件包含光發(fā)射元件(發(fā)光二極管[LED])和光接收元件(光電晶體管[PT])器件，光發(fā)射元件和光接收元件被嵌入在襯底內(nèi)而非附接到預(yù)模制襯底的表面。此類配置結(jié)構(gòu)消除了在將LED和 PT附接在襯底上時經(jīng)常使用的接合線，改進了電學(xué)性能，并允許使最終的光耦合器封裝體被造得更小更薄。


參照附圖可以使下文描述得到更好的理解，所述附圖如下圖1示出傳統(tǒng)的光耦合器件；圖2示出光耦合器封裝體的一些實施例的剖視圖；圖3示出光耦合器封裝體的一些實施例的剖視圖；圖4示出光耦合器封裝體的一些實施例；
圖5示出光耦合器封裝體的一些實施例的俯視圖；圖6示出光耦合器封裝體的一些實施例的仰視圖；圖7示出用于制造光耦合器封裝體的方法的一些實施例，其中光發(fā)射晶片和光接收晶片均沉積在支座上；圖8示出用于制造帶有預(yù)浸材料的光耦合器封裝體的方法的一些實施例；圖9示出用于制造帶有樹脂材料和導(dǎo)體層的光耦合器封裝體的方法的一些實施例；圖10示出用于制造光耦合器封裝體的方法的一些實施例，其中形成通孔穿過樹脂材料和導(dǎo)體層而至晶片表面；圖11示出用于制造帶有電鍍層的光耦合器封裝體的方法的一些實施例；圖12示出用于制造光耦合器封裝體的方法的一些實施例，其中電鍍層被圖案化和蝕刻；圖13示出用于制造光耦合器封裝體的方法的一些實施例，其中支座已經(jīng)被移除；圖14示出用于制造光耦合器封裝體的方法的一些實施例，其中在晶片的上側(cè)附近執(zhí)行蝕刻；圖15示出用于制造光耦合器封裝體的方法的一些實施例，其中形成被圖案化的電鍍層；圖16示出用于制造帶有圓頂結(jié)構(gòu)的光耦合器封裝體的方法的一些實施例。附示出光耦合器件以及用于制造此類器件的方法的具體方面。附圖與下文描述一起證明和闡釋了所述方法的原理以及通過這些方法所制成的結(jié)構(gòu)。在附圖中，為清晰起見，各層厚度以及各區(qū)域被放大。還可以理解的是，當(dāng)層、元件或襯底被稱為在另一層、元件、襯底“上”時，它可以直接位于其他層、元件或襯底上，或者也可以存在中間層。在不同的附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件，因此對其將不再重復(fù)贅述。
具體實施例方式下文描述提供具體細(xì)節(jié)以便獲得透徹理解。然而，普通技術(shù)人員將理解的是，可以在不采用這些具體細(xì)節(jié)的情況下實施和應(yīng)用所述光耦合器件以及制造及使用此類器件的相關(guān)方法。事實上，光耦合器件以及相關(guān)方法可以通過改造所描述的器件和方法而投入實踐，并且可以與在工業(yè)中傳統(tǒng)應(yīng)用的任何其他裝置和技術(shù)結(jié)合使用。例如，盡管說明書描述針對的是光耦合器件，但是它也可以被改造用于其它電子器件，例如模擬IC晶片或MOSFET 器件。而且，盡管下文描述所關(guān)注的光耦合器帶有標(biāo)準(zhǔn)微型耦合器球柵陣列(BGA)封裝體或具有BGA型印跡封裝的充分模制封裝體，它也可以被改造用作標(biāo)準(zhǔn)表面安裝類型網(wǎng)格柵陣列(LGA)器件(不具有焊錫球)。圖2-16中示出光耦合器封裝體(其中封裝形成光耦合器)以及用于制造此類器件的方法的一些實施例。在一些實施例中，光耦合器件100包含嵌入于襯底120中的光接收元件(例如光探測器或光電晶體管(或者說PT) 105)和光發(fā)射元件(例如LED 110)。如圖2和4所示，光耦合器件100還包含位于襯底120的上表面上的焊錫球120。襯底120部分地封閉上金屬跡線結(jié)構(gòu)125和下金屬跡線結(jié)構(gòu)135 (如圖6所示)。金屬跡線厚度的范圍可從大約10微米(μπι)到大約50微米。襯底可包含第一部分151和第二部分152，這兩部分可由樹脂材料和/或預(yù)浸材料形成。焊錫球140附接到光耦合器件100的周邊區(qū)域(例如邊角區(qū)域)。在一些實施例中，焊錫球140可具有量級為大約0.5毫米(mm)或更小的半徑。在其他實施例中，焊錫球可具有大約0. 20毫米的半徑。焊錫球140可用作針對光發(fā)射元件(PT 105)和光接收元件 (LED 110)的輸入/輸出端子。盡管所述和所示的許多實施例使用焊錫球，但是可以理解的是，焊錫球可以被替換成其他合適的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)體柱(例如，諸如電鍍銅柱的電鍍柱)。如圖3所示，上金屬跡線結(jié)構(gòu)125包含多個暴露區(qū)域，這些暴露區(qū)域通過襯底120 的上表面得以暴露。金屬跡線結(jié)構(gòu)125包含一個端部131，該端部131被暴露出且能夠電連接到焊錫球140。金屬跡線125的另一端部132可連接到PT 105或LED 110。如圖6所示，下金屬跡線結(jié)構(gòu)135也包含多個暴露區(qū)域，這些暴露區(qū)域通過襯底的下表面得以暴露。金屬跡線結(jié)構(gòu)135包含一個端部(端子)141，該端部141被暴露出且可適于經(jīng)由通孔和另一側(cè)的焊錫球電連接到外部器件，例如印刷電路板(PCB)。金屬跡線結(jié)構(gòu) 135的另一端部142可連接到PT 105的連接器106或LED 110的連接器107。采用這種上下金屬跡線結(jié)構(gòu)的配置，在光耦合器件100中就不需要采用絲焊(wire bond)。光耦合器件100包含光發(fā)射元件(LED 110)，該光發(fā)射元件被夾在兩個金屬跡線結(jié)構(gòu)之間并連接到這兩個金屬跡線結(jié)構(gòu)。光發(fā)射元件可以是本領(lǐng)域公知的任何光發(fā)射器件。在一些實施例中，LED 100可具有立方體結(jié)構(gòu)，尺寸為大約0. 23毫米X大約0. 23毫米X大約0. 218毫米。另外，光耦合器件100包含光接收元件(PT 105)，該光接收元件也被夾在兩個金屬跡線結(jié)構(gòu)之間并連接到這兩個金屬跡線結(jié)構(gòu)。光接收元件可以是本領(lǐng)域公知的任何光探測器件。在一些實施例中，PT 105可具有立方體結(jié)構(gòu)，尺寸為大約0. 58毫米X大約0. 58 毫米X大約0. 175毫米。光耦合器件100還包含圓頂結(jié)構(gòu)(或者說圓頂)190。在一些實施例中，圓頂190 部分地或完全地由光透明材料制成，使得具有工作波長的光可以部分或全部地通過其間。 圓頂可以由與這些功能相符的任何材料制成，例如硅酮、玻璃、透明環(huán)氧樹脂或這些材料的組合。在一些實施例中，圓頂190所用的材料包括光耦合凝膠。這種材料可形成在LED 110 以及PT 105上。在一些配置結(jié)構(gòu)中，透明材料可以涂布有反光材料(例如銀粉漆)或不透光材料(例如環(huán)氧團(印oxy glob))，使得從光發(fā)射元件發(fā)出的任何光朝向光接收元件反射。采用這種配置，光耦合器件100比起傳統(tǒng)的PT和LED附接在襯底上表面上的光耦合器件，在尺寸上可以更小且在厚度上可以更薄。在一些實施例中，光耦合器件100的尺寸范圍可以設(shè)計為，長度從大約2毫米到大約2. 2毫米，寬度從大約2毫米到大約2. 2 毫米，高度(厚度)從大約0.7毫米到大約0.8毫米。相比于如圖1所示尺寸為大約 3. 3mmX 3. 3mmX 1. 3mm的其他光耦合器，光耦合器件100在尺寸上減小大約55%，而在厚度上減小大約46%?？梢允褂锰峁┥鲜鼋Y(jié)構(gòu)的任意方法來形成光耦合器件100。在一些實施例中，用于制造光耦合器件100的方法始于提供支座210。支座210可以是任意襯底(或處于下方襯底上的薄膜)，此類襯底在制造過程期間為元件提供必要的支撐而又能容易地從元件卸下。在一些實施例中，支座可包含任意塑料膜或帶。當(dāng)一個晶片(或多個晶片)附接到支座210時，上述方法繼續(xù)。所述晶片可以采用本領(lǐng)域公知的任何工藝進行附接，包括任何公知的晶片附接工藝。在一些實施例中，晶片通過使用拾取和放置工藝的設(shè)備附接到支座。晶片包含光發(fā)射元件和光接收元件，無論這些元件是分處不同的晶片中還是共處同一晶片中。如圖7所示，晶片可包括含LED的第一晶片211和含PT的第二晶片212。預(yù)浸層230然后可附接到支座210，如圖8所示。預(yù)浸層230可包括本領(lǐng)域公知的含有未固化樹脂和短纖維的任何預(yù)浸材料，并且厚度為大約0. 2毫米到大約0. 3毫米。在一些實施例中，預(yù)浸材料可包含任何光半透明材料。預(yù)浸層230可形成在支座210上的不設(shè)置晶片211、212的這些位置。接下來，如圖9所示，涂布有樹脂材料240的導(dǎo)體層250然后可設(shè)置在晶片和預(yù)浸材料上。樹脂材料MO (厚度可為大約0.05毫米到大約0. 1毫米)然后可用于在預(yù)浸的固化溫度下填充在支座210上在晶片和預(yù)浸層230之間留下的空閑空間。樹脂材料可以是本領(lǐng)域中的任何環(huán)氧樹脂。導(dǎo)體層250可包含本領(lǐng)域公知的任何傳導(dǎo)材料，包括任何金屬或非金屬傳導(dǎo)材料。涂布有諸如銅的導(dǎo)體層250的樹脂240被稱為涂布銅的樹脂(RCC)箔。 導(dǎo)體層250的厚度可為大約10微米到大約50微米?？梢允褂帽绢I(lǐng)域公知的任何工藝來沉積具有樹脂MO的導(dǎo)體層250，直至達(dá)到希望厚度。然后，可以使用層壓工藝(例如真空層壓工藝)來將各種元件一起暫時密封到如圖9所示的結(jié)構(gòu)中。然后可以去除導(dǎo)體層250和樹脂材料MO的選定部分。在一些實施例中，使用任何公知的激光打孔工藝來去除這些材料，以形成如圖10所示的孔(或通孔)260。這一過程去除了導(dǎo)體層250和樹脂材料240的如下這些部分，在這些部分中，PT和LED的連接器 106、107將形成為與金屬跡線結(jié)構(gòu)135相連的連接部分。接下來，可以執(zhí)行電鍍過程，以制造金屬跡線結(jié)構(gòu)135在光耦合器件100的下部 (或背側(cè))上的部分。電鍍過程基本使用與將用于形成金屬跡線結(jié)構(gòu)135相同的傳導(dǎo)材料。 電鍍過程填充已經(jīng)在激光打孔過程中形成的孔沈0，并且還在導(dǎo)體層250的表面上形成電鍍層270。在一些實施例中，如圖11所示，電鍍層270和導(dǎo)體層250可形成單一的導(dǎo)體層。然后，電鍍層270可被圖案化，以在光耦合器件100的背側(cè)上形成金屬跡線結(jié)構(gòu) 135。可以使用本領(lǐng)域公知的任何工藝對電鍍層270圖案化，包括光刻圖案化和蝕刻工藝。 圖12中示出結(jié)果形成的圖案層觀0(其形成金屬跡線結(jié)構(gòu)135的一部分)。然后所述結(jié)構(gòu)被翻轉(zhuǎn)，支座210然后從背側(cè)去除?？梢允褂帽绢I(lǐng)域公知的任何移除工藝來去除支座210，包括僅僅通過任意剝離工藝來去除。隨著支座210被去除，包含LED 的晶片211和包含PT的晶片212的上表面得以暴露，如圖13所示?？蛇x地，然后可以執(zhí)行蝕刻過程，以去除預(yù)浸材料和樹脂材料的如下部分，該部分與包含LED 110的晶片211和包含PT 105的晶片212的頂側(cè)相鄰。在這一去除過程中可使用任意公知的蝕刻工藝。圖14中示出結(jié)果形成的結(jié)構(gòu)，其中LED和PT的頂側(cè)和上側(cè)被暴露出來，并因此可以發(fā)射和接收光。然后，導(dǎo)體層290可以被沉積和圖案化，以在光耦合器封裝體100的上側(cè)上形成上金屬跡線結(jié)構(gòu)125?？梢允褂萌我夤に噥硇纬蓪?dǎo)體層四0，例如金屬沉積工藝。然后可以使用本領(lǐng)域公知的任何工藝來對導(dǎo)體層進行圖案化，包括光刻圖案化和蝕刻工藝。圖15中示出結(jié)果形成的圖案層(其形成金屬跡線結(jié)構(gòu)125的一部分)。然后，可以使用任意公知工藝來形成圓頂結(jié)構(gòu)190。在一些實施例中，通過使用本領(lǐng)域公知的任意工藝將凝膠層310沉積在光耦合器件的內(nèi)部分上，來形成圓頂190。然后， 可在凝膠層310的頂部上形成環(huán)氧樹脂層320。在圖16中以側(cè)視圖的方式示出結(jié)果形成的結(jié)構(gòu)。在此之后，焊錫球在襯底的襯墊上被隆起(bumped)，如本領(lǐng)域所公知。結(jié)果形成的器件然后可通過任意公知的工藝(例如通過鋸切單一化工藝)被單一化(singulate)以形成 BGA光耦合器件。在其他實施例中，不使用焊錫球，器件被單一化以形成LGA光耦合器件。在一些實施例中，一種用于制造光耦合器件的方法包括設(shè)置光發(fā)射元件；設(shè)置光接收元件；設(shè)置襯底，該襯底對光發(fā)射元件和光接收元件除去其上表面和一部分側(cè)表面之外均進行封閉；設(shè)置位于襯底的上表面上的焊錫球；設(shè)置位于襯底的下表面上的端子； 設(shè)置將光發(fā)射元件和光接收元件與焊錫球相連的上金屬跡線結(jié)構(gòu)；以及設(shè)置將光發(fā)射元件和光接收元件與端子相連的下金屬跡線結(jié)構(gòu)。除了之前所提的任何改造之外，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離本說明書的主旨和范圍的情況下還可以設(shè)計多種其他變體和替換構(gòu)造，所附權(quán)利要求書意在涵蓋此類改造和結(jié)構(gòu)。因此，盡管上文已經(jīng)結(jié)合當(dāng)前被認(rèn)為最為實用以及優(yōu)選方面的內(nèi)容而詳細(xì)且具體地描述了相關(guān)信息，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以明了的是，在不偏離在此闡述的概念和主旨的情況下，可以采用多種改造，包括但不限于形式、功能、操作方式和應(yīng)用。另外，如在此所用， 示例僅僅意味著示例性，而并不意在以任何方式進行限制。
權(quán)利要求
1.一種光耦合器封裝體，包括 光發(fā)射元件；光接收元件；襯底，該襯底對所述光發(fā)射元件和光接收元件除了它們的上表面和一部分的側(cè)表面之外均進行封閉；位于襯底的上表面上的焊錫球； 位于襯底的下表面上的端子；將所述光發(fā)射元件和光接收元件與焊錫球相連的上金屬跡線結(jié)構(gòu)；以及將所述光發(fā)射元件和光接收元件與端子相連的下金屬跡線結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光耦合器封裝體，其特征在于，所述光發(fā)射元件包括發(fā)光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光耦合器封裝體，其特征在于，所述光接收元件包括光電晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光耦合器封裝體，其特征在于，所述襯底包括樹脂材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光耦合器封裝體，其特征在于，所述襯底包括預(yù)浸材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光耦合器封裝體，其特征在于，所述光發(fā)射元件和光接收元件被包含在分立的晶片中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光耦合器封裝體，其特征在于，進一步包括部分透明或完全透明的透明材料，該透明材料覆蓋所述光發(fā)射元件和光接收元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光耦合器封裝體，其特征在于，進一步包括覆蓋所述透明材料的反光材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光耦合器封裝體，其特征在于，所述封裝體，其尺寸小于大約 2. 2毫米X大約2. 2毫米，厚度小于大約0. 8毫米。
10.一種包含光耦合器封裝體的電子器件，所述封裝體包括 光發(fā)射元件；光接收元件；襯底，該襯底對所述光發(fā)射元件和光接收元件除了它們的上表面和一部分的側(cè)表面之外均進行封閉；位于襯底的上表面上的焊錫球； 位于襯底的下表面上的端子；將所述光發(fā)射元件和光接收元件與焊錫球相連的上金屬跡線結(jié)構(gòu)；以及將所述光發(fā)射元件和光接收元件與端子相連的下金屬跡線結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述光發(fā)射元件包括發(fā)光二極管。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述光接收元件包括光電晶體管。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述襯底包括樹脂材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于，所述襯底包括預(yù)浸材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述光發(fā)射元件和光接收元件被包含在分立的晶片中。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，進一步包括部分透明或完全透明的透明材料，該透明材料覆蓋所述光發(fā)射元件和光接收元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于，進一步包括覆蓋所述透明材料的反光材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于，所述封裝體，其尺寸小于大約2.2毫米X大約2. 2毫米，厚度小于大約0. 8毫米。
19.一種光耦合器件，包括 包含在第一晶片中的發(fā)光二極管； 包含在第二晶片中的光電晶體管；包含樹脂材料的襯底，該襯底對所述發(fā)光二極管和光電晶體管除了它們的上表面和一部分的側(cè)表面之外均進行封閉； 位于襯底的上表面上的焊錫球； 位于襯底的下表面上的端子；將所述發(fā)光二極管和光電晶體管與焊錫球相連的上金屬跡線結(jié)構(gòu)；以及將所述發(fā)光二極管和光電晶體管與端子相連的下金屬跡線結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的器件，其特征在于，所述器件，其尺寸小于大約2.2毫米X 大約2. 2毫米，厚度小于大約0. 8毫米。
全文摘要
描述了光耦合器件以及用于制造和使用此類器件的方法。光耦合器件包含光發(fā)射元件(發(fā)光二極管[LED])和光接收元件(光電晶體管[PT])，這兩種元件嵌入在襯底內(nèi)而非附接到預(yù)模制襯底的表面。這種配置消除了在LED和PT附接在襯底上時經(jīng)常使用的接合線，改進了電學(xué)性能，并使最終的光耦合器封裝體能夠被造得更小更薄。還描述了其他實施例。
文檔編號H01L25/16GK102157511SQ201010556830
公開日2011年8月17日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者劉勇 申請人:仙童半導(dǎo)體公司