光耦合器的BGA封裝技術

光耦合器的BGA封裝

光耦合器的一項普遍應用是專用調(diào)制解調(diào)器，允許電腦與電話線連接，且消除電氣瞬變引起的風險或損害。光耦合器除提供高度電氣絕緣外，還可提高差模信號與共模信號的比率。

DIP廣泛用于集成電路的封裝，也用于常規(guī)的光耦合器（如圖1所示）。廠家通常制造具有4、6、8或16接腳的各種型式DIP封裝光耦合器。

圖1 常規(guī)DIP光耦合器封裝

不過，P-DIP光耦合器的封裝可以進一步改進，例如，光耦合器封裝需要昂貴和費時的過成型(overmolding)處理。在這個處理過程中，成型化合物灌封光耦合器封裝的其它部分。除過成型工藝本身外，還需要采取成型材料清除工藝(例如除廢物和除閃爍工藝)除掉多余的成型化合物，這就增加了光耦合器封裝的時間和費用。

此外，廠家還需要投入較多的資金，用于成型不同"外形尺寸"封裝(如4、6或8接腳封裝)的工具，因此，如果能夠省去過成型工藝，就可減少制造光耦合器封裝的相關時間和成本。此外，DIP光耦合器封裝并不能很好地以表面附著方式安裝到PCB板上-必須重整引腳以便進行表面安裝回流焊，這常常存在引起微小裂縫的危險，影響組件的可靠性。更進一步地，對于其它組件使用薄型表面安裝的封裝形式，如TSSOP或TQFT器件的用戶來說，這樣重整后的DIP封裝的高度仍存在問題。

圖1? 采用BGA封裝的單通道光耦合器

光耦合器BGA2的設計特性可解決這些問題，它是高度不超過1.20mm，占位面積小于現(xiàn)有的PDIP外形尺寸的低側(cè)高小型表面安裝組件。光耦合器BGA封裝（如圖2所示）不需要灌封材料(成型化合物)，而且它的制造工具與封裝的外形尺寸無關。其設計也可改善封裝在熱循環(huán)等加速測試中的可靠性能。采用無鉛焊球可構(gòu)建完全無鉛的封裝。??

光耦合器BGA封裝包括氧化鋁基底，其上形成圖案蹤跡和區(qū)域，用于砷化鎵發(fā)光二極管(LED)和光電探測器硅組件的晶片附著，LED的焊接方法使其可以被施加外接偏壓，光電探測器連接至輸出。采用光涂層結(jié)合LED和光電探測器，以進行介質(zhì)之間的大量傳輸。而且，采用反射涂層覆蓋光涂層，使傳送到感光性晶片的輻射達到最大。焊球形成二層互連(封裝至PCB板)，圖3所示為光耦合器BGA封裝的截面。

采用業(yè)界傳統(tǒng)的基底厚度和工藝，便可以構(gòu)造側(cè)高很低的可表面安裝式光耦合器封裝，而且，利用封裝設計的獨特性能，便可以省去一組投資極高的工藝步驟：成型、除閃爍、修整和重整。采用鉆石輪劃片的晶片鋸切方式可完成光耦合器BGA的單一化。

光耦合器的技術參數(shù)

光耦合器的技術參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。

此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。

最重要的參數(shù)是電流放大系數(shù)傳輸比CTR（Curremt-Trrasfer Ratio）。通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。當接收管的電流放大系數(shù)hFE為常數(shù)時，它等于輸出電流IC之比，通常用百分數(shù)來表示。有公式：

CTR=IC/IF×100%

采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～30%（如4N35），而PC817則為80%～160%，達林頓型光耦合器（如4N30）可達100%～500%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴重，因此它不適合傳輸模擬信號。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關系。這是其重要特性。在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數(shù)，選取原則如下：

（1）光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%～200%。這是因為當CTR＜50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF＞5.0mA)，才能正?？刂茊纹_關電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。

（2）推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。

（3）由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25、4N26、4N35)光耦合器，目前在國內(nèi)應用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(高、低電平)，因此不推薦用在開關電源中。

通用型與達林頓型光耦合器區(qū)分：

方法一：

在通用型光耦合器中，接收器是一只硅光電半導體管，因此在B-E之間只有一個硅PN結(jié)。達林頓型不然，它由復合管構(gòu)成，兩個硅PN結(jié)串聯(lián)成復合管的發(fā)射結(jié)。根據(jù)上述差別，很容易將通用型與達林頓型光耦合器區(qū)分開來。具體方法是，將萬用表撥至R×100檔，黑表筆接B極，紅表筆接E極，采用讀取電壓法求出發(fā)射結(jié)正向電壓VBE。若VBE=0.55～0.7V，就是達林頓型光耦合器。

方法二：

通用型與達林頓型光電耦合的主要區(qū)別是接收管的電流放大系數(shù)不同。前者的hFE為幾十倍至幾百倍，后者可達數(shù)千倍，二者相差1～2個數(shù)量級。因此，只要準確測量出hFE值，即可加以區(qū)分。

在測量時應注意事項：

（1）因為達林頓型光耦合器的hFE值很高，所以表針兩次偏轉(zhuǎn)格數(shù)非常接近。準確讀出n1、 n2的格數(shù)是本方法關鍵所在，否則將引起較大的誤差。此外，歐姆零點亦應事先調(diào)準。

（2）若4N30中的發(fā)射管損壞，但接收管未發(fā)現(xiàn)故障，則可代替超β管使用。同理，倘若4N35中的接收管完好無損，也可作普通硅NPN晶體管使用，實現(xiàn)廢物利用。

（3）對于無基極引線的通用型及達林頓型光耦合器，本方法不再適用。建議采用測電流傳輸比CTR的方法加以區(qū)分。