專利名稱：光耦合器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)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(qǐng)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(shuō)光耦合器)包含至少一個(gè)光發(fā)射器件(或者說(shuō)元件)，該光發(fā)射器件通過(guò)光傳輸介質(zhì)光耦合至光接收器件(或者說(shuō)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(gè)電路傳送至包含光接收器件的另一電路。在所述兩個(gè)電路之間保持高度電絕緣。因?yàn)樾畔⒐鈱W(xué)地穿過(guò)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(diǎn)是受人歡迎的，因?yàn)槔绨l(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(dòng)，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(duì)沖突的輸出電路所引起的對(duì)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?yàn)楣怆娋w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(jí))。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(jì)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(huì)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(qǐng)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(shí)經(jīng)常使用的接合線，改進(jìn)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(shí)施例的剖視圖；圖3示出光耦合器封裝體的一些實(shí)施例的剖視圖；圖4示出光耦合器封裝體的一些實(shí)施例；
圖5示出光耦合器封裝體的一些實(shí)施例的俯視圖；圖6示出光耦合器封裝體的一些實(shí)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(shí)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(shí)施例；圖9示出用于制造帶有樹(shù)脂材料和導(dǎo)體層的光耦合器封裝體的方法的一些實(shí)施例；圖10示出用于制造光耦合器封裝體的方法的一些實(shí)施例，其中形成通孔穿過(guò)樹(shù)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(shí)施例；圖12示出用于制造光耦合器封裝體的方法的一些實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(guò)這些方法所制成的結(jié)構(gòu)。在附圖中，為清晰起見(jiàn)，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(shí)，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(duì)其將不再重復(fù)贅述。
具體實(shí)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(shí)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(shí)上，光耦合器件以及相關(guān)方法可以通過(guò)改造所描述的器件和方法而投入實(shí)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(shuō)明書(shū)描述針對(duì)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(shí)施例。在一些實(shí)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(cè)器或光電晶體管(或者說(shuō)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(shù)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(shí)施例中，焊錫球140可具有量級(jí)為大約0.5毫米(mm)或更小的半徑。在其他實(shí)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(duì)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(shí)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(gè)暴露區(qū)域，這些暴露區(qū)域通過(guò)襯底120 的上表面得以暴露。金屬跡線結(jié)構(gòu)125包含一個(gè)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(gè)暴露區(qū)域，這些暴露區(qū)域通過(guò)襯底的下表面得以暴露。金屬跡線結(jié)構(gòu)135包含一個(gè)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(gè)金屬跡線結(jié)構(gòu)之間并連接到這兩個(gè)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(shí)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(gè)金屬跡線結(jié)構(gòu)之間并連接到這兩個(gè)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(cè)器件。在一些實(shí)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(shuō)圓頂)190。在一些實(shí)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(zhǎng)的光可以部分或全部地通過(guò)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(shù)脂或這些材料的組合。在一些實(shí)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(tuán)(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(shí)施例中，光耦合器件100的尺寸范圍可以設(shè)計(jì)為，長(zhǎng)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%。可以使用提供上述結(jié)構(gòu)的任意方法來(lái)形成光耦合器件100。在一些實(shí)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(guò)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(shí)施例中，支座可包含任意塑料膜或帶。當(dāng)一個(gè)晶片(或多個(gè)晶片)附接到支座210時(shí)，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(jìn)行附接，包括任何公知的晶片附接工藝。在一些實(shí)施例中，晶片通過(guò)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(wú)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(shù)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(shí)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(lái)，如圖9所示，涂布有樹(shù)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(shù)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(shù)脂材料可以是本領(lǐng)域中的任何環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂240被稱為涂布銅的樹(shù)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(lái)沉積具有樹(shù)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(lái)將各種元件一起暫時(shí)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(shù)脂材料MO的選定部分。在一些實(shí)施例中，使用任何公知的激光打孔工藝來(lái)去除這些材料，以形成如圖10所示的孔(或通孔)260。這一過(guò)程去除了導(dǎo)體層250和樹(shù)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(lái)，可以執(zhí)行電鍍過(guò)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(guò)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(guò)程填充已經(jīng)在激光打孔過(guò)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(shí)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?？梢允褂帽绢I(lǐng)域公知的任何工藝對(duì)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(lái)去除支座210，包括僅僅通過(guò)任意剝離工藝來(lái)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(guò)程，以去除預(yù)浸材料和樹(shù)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(guò)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(lái)，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?lái)形成導(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(lái)對(duì)導(dǎo)體層進(jìn)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(lái)形成圓頂結(jié)構(gòu)190。在一些實(shí)施例中，通過(guò)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(lái)形成圓頂190。然后， 可在凝膠層310的頂部上形成環(huán)氧樹(shù)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(guò)任意公知的工藝(例如通過(guò)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(shí)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(shí)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(duì)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(jìn)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(shuō)明書(shū)的主旨和范圍的情況下還可以設(shè)計(jì)多種其他變體和替換構(gòu)造，所附權(quán)利要求書(shū)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(shí)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(jìn)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(duì)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(jìn)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(shù)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(jìn)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(jìn)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(duì)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(jìn)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(shù)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(jìn)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(jìn)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(shù)脂材料的襯底，該襯底對(duì)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(jìn)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(shí)經(jīng)常使用的接合線，改進(jìn)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(shí)施例。
文檔編號(hào)H01L25/16GK102157511SQ201010556830
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:仙童半導(dǎo)體公司