光耦合器采用表面貼裝滿足未來分布式電源需求

 光耦合器是電源和轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)隔離反饋通路的首選器件。但電源結(jié)構(gòu)不斷向前發(fā)展，希望實現(xiàn)更低的成本、更小的尺寸和更高的工作效率。傳統(tǒng)的光耦合器現(xiàn)已進(jìn)展至接近極限，特別是在高溫工作和熱循環(huán)可靠性方面，因此需要新的解決方案。

       無論電源轉(zhuǎn)換和分配技術(shù)變化多快，變壓器在短期內(nèi)是不會有太大改變，因為它們需要從次邊到初邊的隔離反饋來實現(xiàn)閉環(huán)控制。傳統(tǒng)采用雙列直插式封裝 (DIP) 的光耦合器已存在超過 30 年。與此同時，表面貼裝技術(shù)的出現(xiàn)及對微型化的需求也在驅(qū)動著光耦合器封裝形式的發(fā)展，從 DIP 到小外形封裝 (SOP)及微型扁平封裝 (MFP)。

       在新一代最終產(chǎn)品中，工作于3.3V、典型效率為80％的轉(zhuǎn)換器所需的散熱器或外部冷卻裝置所占用的空間將逐漸從設(shè)計中消去。設(shè)計者不得不將更高的輸出功率硬擠進(jìn)低側(cè)高的薄型轉(zhuǎn)換器中。減少散熱的新設(shè)計方法促使模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，毋須散熱裝置，且轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%及以上。然而，它的功率密度卻很高，盡管效率只有少許提高，但器件工作溫度持續(xù)上升。基于這些原因，雖然光耦合器仍然是想獲得主要安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可的最終產(chǎn)品的關(guān)鍵器件，但這在模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器中已成為不容忽視的問題。其它實際問題如成本和尺寸等，也是推動傳統(tǒng)光耦合器必須改進(jìn)的原因。

       傳統(tǒng)器件的局限

       高工作溫度是傳統(tǒng)光耦合器的大敵。隨著溫度上升，電流轉(zhuǎn)換比 (CTR) (即光敏晶體管的輸出電流與LED輸入電流的比率) 會快速下降，在溫度高于85 °C時導(dǎo)致極低的輸出電流。LED的效率對器件的整體熱性能也有很大影響。

       傳統(tǒng)光耦合器的封裝由一個被外部鑄模所密封的圓頂構(gòu)成，也容易受高溫影響而損壞。內(nèi)部光導(dǎo)管材料 (gel/rtv) 與外部鑄?；衔锏臒崤蛎浵禂?shù) (CTE) 若不匹配，封裝就可能出現(xiàn)破裂、芯片翹起、線綁定斷裂或翹起，甚至內(nèi)部材料溢出。此外，DIP光耦合器封裝不能良好地貼裝在PCB上。表面貼裝回流需要形成引線才能實現(xiàn)，這樣會導(dǎo)致微破裂的風(fēng)險，影響器件的可靠性。

       封裝技術(shù)的局限還會帶來其它缺陷。例如過鑄模工藝十分昂貴和費時，而且還需要鑄模材料去除工藝，例如去閃爍 (deflashing)，這些都會增加生產(chǎn)光耦合器封裝的時間和成本。此外，形成不同尺寸如4、6或8引腳封裝的模具所需的工具也要很大的投資。再者，若一項設(shè)計的其它器件都采用扁平的表面貼裝器件如TSSOP或TQFP，DIP封裝的高度也會造成問題。

       減載或創(chuàng)新？

       面對高溫下熱性能下降的一個方法是將轉(zhuǎn)換器限定在一個較窄的溫度范圍內(nèi)。這種方法的缺點是轉(zhuǎn)換器不能在期望的溫度范圍內(nèi)輸出全功率。另外，最近的一些設(shè)計則利用脈沖變壓器或磁耦合器來代替光耦合器。

       但是，現(xiàn)代的LED和光敏晶體管技術(shù)，加上新的表面貼裝BGA封裝，可讓光耦合器承受較高的工作溫度，獲得良好的熱循環(huán)可靠性，并減少器件尺寸和封裝成本。圖1所示為采用BGA封裝的表面貼裝光耦合器，其最大高度為1.20mm，面積小于現(xiàn)時的PDIP封裝。

圖1  采用BGA封裝的單通道光耦合器

       該封裝方式省去了過鑄模工藝，但仍然可提供能承受高溫的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，并且可去除需要投入大量資金的工藝，如去閃爍和引線形成等。

       高功率LED和優(yōu)化的光敏晶體管也對該器件增強(qiáng)的熱性能做出了不小貢獻(xiàn)。LED在低電流時仍可有效工作，再加上晶體管的高增益，使到該器件能在室溫下獲得很高的典型CTR。這種稱為Microcoupler(tm)的新型器件的工作溫度比現(xiàn)代DC-DC轉(zhuǎn)換器其它板上器件所能承受的溫度更高。

         Microcoupler器件包含一個基底，其上帶有模型跡線，以及用于鋁砷化稼發(fā)光二極管 (LED) 和硅光敏檢測器晶圓附著的襯墊。LED被綁定在外以便對其施加偏置電壓，光敏檢測器則與輸出相連。具有高傳輸性能的光學(xué)涂層可用來耦合LED和光敏檢測器，然后，光學(xué)涂層再被反光層覆蓋，使到光敏沖模的紅外傳輸達(dá)到最大。無鉛 (Pb-free) 焊接球形成從封裝到印刷線路板的第二級互連。因此，Microcoupler可同時將傳統(tǒng)的PDIP封裝轉(zhuǎn)移至低側(cè)高的SMT無鉛技術(shù)，適合現(xiàn)在和未來的所有設(shè)計應(yīng)用。

       性能：CTR對比溫度

       圖2比較了傳統(tǒng)4引腳DIP和單信道Microcoupler封裝的CTR，顯示新封裝具有良好的熱性能：Microcoupler的熱性能隨溫度上升而下降 (1mA, 5V) 的幅度只有30％，而傳統(tǒng)器件卻高達(dá)60％。

圖2  4引腳DIP和Microcoupler隨溫度而下降的歸一化CTR

  性能：封裝可靠性

       初步的壓力可靠性和FEA分析表明，在260 °C回流后，Microcoupler最大壓力小于硅臨界壓力的五分之一。試驗測試結(jié)果也證明焊球和反射層的壓力比較小，這將增強(qiáng)較傳統(tǒng)光耦合器可承受更高溫下的可靠性和壽命。

       結(jié)語

       本文談?wù)摿瞬捎帽砻髻N裝BGA封裝的光耦合器的獨特結(jié)構(gòu)。這種封裝結(jié)構(gòu)及其裝配流程比現(xiàn)有的封裝簡單，特別適于低側(cè)高表面貼裝器件。采用無鉛焊球也實現(xiàn)了完全無鉛的封裝。