一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路的制作方法

一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路的制作方法
【专利摘要】一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路，其中电容器包括第一个和第二个电极，形成于用在传统集成电路封装上的部分引线框架结构。这些电极是用绝缘模型材料封装的，在电极之间提供绝缘结点。也提供了一个低功率电容耦合的数字隔离器电路。这个电路采用了一对本发明的引线框架电容器，并包括差分驱动器和接收电路。该接收器包括一个可以滤除噪音和障碍的可选滤波器。
【专利说明】一种弓I线框架电容器和电容耦合隔离器电路
【技术领域】:
[0001]本发明涉及电容和电容耦合的隔离器电路，在集成电路封装中用来提供地面参考电位隔离。
【背景技术】:
[0002]隔离器通常用来将信号耦合在具有不同地面参考电位的电路之间。在某些情况下，各自的地面在高达几千伏的电位下可以有不同。一般来说，有三个在具有不同地面参考电位的电路之间提供隔离的方法:光电子耦合隔离、变压器耦合隔离、电容耦合隔离。光电子耦合和变压器耦合隔离的技术缺陷在于耦合的装置都相对庞大并且不能很好的在集成电路中使用。电容另一方面可以做的更小也可以集成在一个半导体模具上。
[0003]然而，过去尝试在单个半导体模具上提供一个电容耦合的隔离电路遇到了难题，如可靠性的约束，来自静电放电的损害和过电压崩溃。特别是，它已经被发现很难提供以二氧化硅为基底的电容器能够承受高压差值，这个问题经常在隔离电路中遇到。
[0004]另一个解决方案在先前被描述，在一个配置在被塑料密封的集成电路封装的陶瓷基片上形成隔离电容器，该电容器在两个半导体模具之间包含隔离电路的输入和输出级。然而，这样一个混合结构要求隔离电容器除了塑料包在单独的衬底上被提前制造。
[0005]鉴于上述，应该提供一个可以承受高压差值的电容，这样可以实现在没有额外的衬底的情况下在集成电路封装中作为一个隔离电容。
[0006]还需要提供一个可以在单个集成的封装里得到制造的隔离电容。

【发明内容】
:
[0007]本发明的目的是提供一个可以承受高压差值的电容，这样可以实现在没有额外的衬底的情况下在集成电路封装中作为一个隔离电容。
[0008]本发明的另一个目的是提供一个可以在单个集成的封装里得到制造的隔离电容。
[0009]本发明的技术解决方案:
[0010]依照本发明的这些目的和其他目的，应该提供一个电容，该电容包括形成于适应用在传统集成电路中的引线框架结构的一部分的电极，它采用传统集成电路封装材料作为电容的结点材料。
[0011]还提供了一个隔离电路，其中一对上述引线框架的电容器都是用来在两个有各自参考地的电路之间提供隔离。该隔离电路在单个集成电路封装中被提供，利用传统集成电路的组装和包装技术可以被制造。
[0012]该隔离电路包括一个低功率数字隔离电路，拥有一个在传统集成电路设计中耦合在差分接收器是发射机。该数字隔离器电路中的可选噪声滤波器可以用来防止在输出端出现故障。另外，外部振荡器可以用于将数据输出和外部时钟设置成同步。
[0013]对比专利文献:CN202087927U片式钽电容组装机201120157070.X【专利附图】

【附图说明】:
[0014]本发明的上述目的和其他目的将在下面的描述和图中表现得更加明显，在这些图中:
[0015]图1是一个提供简化的表明电容是结合本发明的准则制作的示意图；
[0016]图2A是一张不完整的透视图，该图展现了用于结合本发明的准则形成的引线框架电容器；
[0017]图2B是图2A引线框架的剖视图；
[0018]图3是图2A-B附上半导体和电线的透视图；
[0019]图4A是图3在进行绝缘材料封装的引线框架的不完整透视图；
[0020]图4B是图4A的剖视图；
[0021]图5是隔离电路依照本发明的准则结合一对引线框架电容的原理框图；
[0022]图6是根据本发明的准则建造的低功率数字隔离器电路的详细方块图；
[0023]图7展现了上述图6数字隔离电路的各种信号波形；
[0024]图8是图6低功率数字隔离电路的引线框架的平面图。
【具体实施方式】:
[0025]图1是一个提供简化的表明电容是结合本发明的准则制作的示意图。电容10包括被嵌入的但又被绝缘介质16分开的电极12和14。电极12和14都是形成于用在传统集成电路配置中的引线框架结构的一部分。介电材料16是由用于在传统集成电路塑料封装中进行封装的模型材料制作的。在一个典型的隔离器电路应用中，电极12和14将通过传统的引线结合法被电气连接到工作在不同地面参考电位的差分集成电路上。
[0026]图2-4从各个方面说明体现了电容器10。图2A是一张不完整的透视图，该图展现了依照本发明原则由引线框架结构30提供一个电容。如图2A所示，引线框架结构30包括电容电极12和14以及芯片焊接板32和42。电极14包括电极条14A和14B，这两个电极条平行放置在单独的电极条12的两侧。连接电极12、14和焊盘时，30A起到临时支撑作用。引线框架结构30、电极12和14以及焊盘32和34还可以用传统的制造工艺制作(如冲压或腐蚀)。
[0027]一旦封装在塑料封装材料中，电极12和14将形成一个共面和交叉电容，其中边缘电场在电极条12和14A及14B之间提供电容。决定电容器10的电容的一个因素是两个极板之间的距离。这个距离如图2B所示，图2B显示了引线框架结构的剖视图，电极条14A和14B是由电极12通过距离“ES”分开的。这个距离“ES”和其他物理量与电容10的大小形状有关，当改变30来得到不同的电容值并满足特定的尺寸限制传统集成电路封装时这些变量很容易得到控制。
[0028]图3是图2A-B附上半导体和电线的透视图。如图3所示，半导体芯片34和44分别连到焊盘32和42上。按照传统的集成电路封装技术，一个环氧可以用来在芯片和焊盘之间提供导电附件。半导体芯片34和44包括各自的焊盘36和46。用焊线38分别将半导体芯片34、44和电极12、14焊接起来。因此，在封装和消除支撑30A后，半导体芯片34和44将通过电极12、14电容耦合在一起。在下面将会讨论，如图3所示电极边缘长度是“FL”(见标在虚线上的“FL”)，这样有助于确定引线框架电容器的电容值。[0029]图4A是图3在进行绝缘材料40封装的引线框架的不完整透视图(通过喷射造型法)。图4B是图3引线框架的剖视图。按照本发明，如图4A和4B，电极12和14完全由绝缘材料40封装。
[0030]如图4A在封装之后，弓I线框架支撑30A被虚线30B隔除。
[0031]因此，图2-4说明了本发明引线框架电容器的结构，其中电极是共面交叉的。在这个结构中，由电极形成的电容器通常被称为“边缘电容器”，由边缘电场提供电容。很显然，电容10的电容值由两极板之间的距离“ES”、极板长度“FL”和电介质的介电常数决定。
[0032]极板的长度“FL”和极板间的距离“ES” 一样很容易控制来获取不同的电容值。众所周知，比如增加“FL”和介电常数都可以增加电容值，而增加极板间的距离会使电容值减小。
[0033]在图2-4中所说使用电极形状，在一个传统18条引线塑料的双列直插式包(一个包约23_长6_宽)中可以很容易做到引线框架电容值的范围至少从大约0.1法拉到0.2法拉。当然，电容极板的形状而不是如图2-4所示的那些按照本发明可以形成。
[0034]本发明引线框架电容的击穿电压是由极板之间的距离“ES”和介电常数决定的。比如增加极板之间的距离，击穿电压会增加(尽管电容值会减少)。此外，随着击穿强度的增加，击穿电压也会随之增加。
[0035]用传统的材料，本发明可以用来实现隔离电压超过1000伏。例如，一个用于封装的传统塑料材料是酚醛环氧树脂。酚醛清漆是一种热塑性水溶性酚醛树脂。对于极板间距大约是0.5mm的电容(用上述材料制作的)，击穿电压超过100伏。
[0036]引线框架结构30是由传统引线框架材料制成的。如，一种铁镍合金大约
0.245mm厚已经成功得到使用，尽管其他材料可以使用。同样，尽管本发明的电极材料可以是一种用在集成电路封装上的传统造型材料(酚醛环氧树脂充当介质的介电常数大约是
4)，其他材料也可以用。最好是这样的材料才有高的击穿电压、高介电常数和低损耗。
[0037]图2-4说明为了制造本发明的引线框架电容器，可以按照下面的步骤。电容极板是第一个用弓I线框架材料制成的。接下来用弓I线接连法制作在极板和集成电路之间的电器连接。最后，极板之间用绝缘介质封装。
[0038]本发明引线框架电容的一个特性是上述每一个步骤是在传统集成电路制造期间执行的。因此，本发明引线框架电容在没有附加的配置和封装可以用小额成本制成一个集成电路。
[0039]图5是隔离电路依照本发明的准则结合一对引线框架电容的原理框图。隔离电路50包括电路62 (有62A、62B和63C三个端口)，电路64 (有64A、64B和64C三个端口)。电路50也包括被绝缘材料封装的引线框架电容器52和54。端口 62A和64A通过电容52耦合在一起，而端口 62B和64B是提供电容54耦合在一起的。端口 62C和64C分别连在参考电位为GNDl和GND2的地面上。
[0040]电路62和64有各种类型。如，电路62可以使一个驱动电路用来产生电信号。电路64可以是接收电路，用来接收这样的信号。本发明这个部分的特性是驱动器62的GNDl可以和接收电路64的GND2不同。因此，这样的电路可以在各自的电路中提供隔离。
[0041]第二个例子，电路62和64每一个可以是收发器电路，可以传输来自电容52和54的电信号也可以接收这样的信号。依照这样的结构，收发器62的GNDl可以和收发器64的GND2不同。
[0042]如图5所示的电路62和64也包括端口 63和65，用来分别耦合该电路到另一个电路上(没有显示)。依照本发明，无论电路62是一个发射器、收发器或其他电路类型，端口 63可以接收输入信号(比如由RS232总线或光控开关提供)随后由电路62编码来提供一个串行比特流穿过电容52和54耦合到电路64上。电路64解码的串行比特流穿过电容52和54在端口 65提供一个输出信号。另一种,端口 63可以由多个端子取代来接收并行输入信号。这些并行信号端子可以用来提供工作功率给电路62。同样，端口 65也可以由多个端子替代来提供并行输出信号。
[0043]图6是根据本发明的准则建造的低功率数字隔离器电路100的详细方块图。图7展示了图6数字隔离电路的各种信号波形。
[0044]根据本发明，隔离电路100可以在单个集成包中利用制造工艺制造。
[0045]隔离电路100包括可以在不需要额外的输入电源的情况下从单个TTL数字输入端得到功率的发射器110。110的参考地是GND1。隔离电路还包括接收器120，可以提供相应的TTL数字输出信号来追踪数字输入信号，但120的参考地是GND2。分离是由一对引线框架电容(105和115)提供的，这两个电容和发射器110及接收器120共享一个引线框架结构。隔离超过1000伏可以得到高比特流和低功耗。隔离电路100的工作方式如下。
[0046]发射器110包括门限振荡器112和驱动器114、116。供应电流是通过数字输入118提供给门限振荡器112和驱动器114、116的。当数字输入(DIN) 118超过预定的电压(3伏)，门限振荡器112打开并提供一个固定频率的方波(4HZ)通过驱动输入114A和116A分别给驱动器114和116。驱动器114和116的输出114B和116B在同样的门限振荡器112的固定频率下是反相的。(如图7所示的波形118U14B和116B，分别展现了图6中端口 118、114B和116的输出波形。)
[0047]如果需要的话，门限振荡器112可以包括施密特触发器(没有显示)来防止振荡器驱动电容105和115，直到DIN上升到足够高的水平来提供一个没有干扰的方波给驱动114和 116。
[0048]驱动器114和116通过引线框架电容105和115耦合来自门限振荡器112的固定频率方波信号，并在比较器130的输入端131和132形成差分信号。(如图7所示的波形131和132，分别展现了图6中比较器输入131和132的输出波形)比较器130是迟滞比较器，来防止改变输入输出状态直到131和132电压上有差分。
[0049]比较器输出端133是高电平，只要驱动器114的输出114B是高电平且DIN是高电平。当DIN是高电平时，比较器输出133跟随驱动器114的输出端114B的电压(在图7中比较144B和133的波形)。
[0050]133用来驱动单稳态电路134的输入端134A。为了回应比较器输出133改变的状态，单稳态输出134B通过TTL缓冲器135变为高电平。(如图7所示的波形133和135A，分别展现了图6中端口 133和135A的输出波形。)单稳态电路134的时间常数被设置成多个振荡器振荡周期。所以，输出信号135A将保持高电平和振荡周期一样长。当数字输入DIN变为低电平，发射器110的门限振荡器112会关闭并且单稳态输出信号135A会被重置为低电平。
[0051]因此，单稳态输出信号135A大体上和DIN的电位是一样的，不管GNDl是否和GND2是一样的。引线框架电容105和115在电路100里提供了一个隔离屏障。
[0052]为了在电路100中避免噪音和小故障，接收器添加了一个可选滤波器136。滤波器136是一个二进制计数器，可以由内部振荡器140和外部振荡器通过外部振荡器输入148耦合到隔离电路100上。时钟探测器电路145把内部振荡器140从滤波器136上去耦并耦合到外部振荡器上(分别通过开关146和147)，比如，在外部振荡器输入148上连续三个脉冲。
[0053]内部振荡器140的频率最好和发射器110的门限振荡器的频率相匹配(尽管不是同步的)。对于数字输出D0UT138A (通过TTL缓冲器138)变为高电平，滤波器136在单稳态电路输出端134B保持高电平的时候必须计到预定的数量。同样，对于数字输出D0UT138A(通过TTL缓冲器138)变为低电平，滤波器136在单稳态电路输出端134B保持低电平的时候必须计到预定的数量。DOUT138A的波形如图7所示，在4个时钟周期后138A如何从高变为低电平(在波形138A中的阴影区域是由于振荡器112没有和滤波器136的震荡输入136A保持同步)。
[0054]如果需要的话，一个外部振荡器耦合到外部震荡输入148可以用于和外部时钟同步输出。
[0055]因此，滤波器136使得隔离电路的噪音和故障变少。作为可以减少噪音和故障的例子，假设数字输入DIN时低电平，门限振荡器112是关闭的，在地GND1110A上和关于接收器120地GND2的DIN上会有一个快速增长的常规模式信号。任何在引线框架电容105和115里不匹配的将在比较器130的输入端131和132上把一般的信号转换成差分故障。
[0056]比较器130的输出端133将相应的触发并且单稳态电路134的输出端134B会变为高电平。然而，滤波器136将只会在单稳态电路134重置之前计第一个时钟周期里的数(因为在GNDl和DIN上快速增长的信号被假设成在比较器130上产生一个相应的差分故障)，所以数据输出138A将会保持低电平。只要一般信号的周期比单稳态的时间常数大，滤波器136就能正常工作。
[0057]如图6所示的数字隔离电路的另外一个功能是用传统的制造工艺可以制造它。引线框架电容器提供电路隔离，在没有过高的增加生产成本的情况下可以并入集成电路。图8是图6低功率数字隔离电路的引线框架的平面图。
[0058]引线框架150的大小和传统18根引线DIP封装(大约23mm长6mm宽)的大小是对应的，除了它只有10根(没边5根)引线外，来给引线框架电容提供空间。
[0059]如图8所示，发射器110是在报道帖芯片上制作的。同样，接收器120是在报道帖芯片152上制作的。引线框架150还包括相互交错的手指156AU56B和157，用来形成引线框架电容105，相互交错的手指166A、166B和167是用来形成电容115的。引线框架150还包括在整个隔离电路用绝缘材料密封之后可以移除的区域165以便170彼此电隔离。150还包括锁孔160以便允许绝缘材料在用户处理期间能牢牢握住170。
[0060]最好是，引线框架手指156A、156B、157、166A、166B和167每个之间的距离“EW”大约是0.5mm。对于图8中所示的引线框架结构，电容105和115的电容值大约都是Ipf，该电容使用介电常数大约为4的材料充当介质。
[0061]因此，该电路最好用低成本的电容器结合传统集成电路封装。使用传统绝缘材料，电路从输入到输出给TTL数字信号产生高达100伏的隔离电压。输入电路低至60到600微安，可以分别用来处理高达20到200kps的信号。
[0062]尽管本发明已通过具体的例子体现，但是上述例子只是为了说明本发明而不应限制本发明。应当指出，只要没有脱离本发明的实质并且符合权利要求中的定义，在上述例子上做适当修改仍属本发明的范畴。
【权利要求】
1.一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路，其特征是:一个隔离器包括:连接在第一个地的第一个电路；连接在第二个地的第二个电路；一个或多个电容器耦合在第一个电路和第二个电路之间来提供带耦合的隔离器于其间，这些电容器拥有的电极形成于引线框架结构。
2.根据权利要求1所述的一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路，其特征是:其中一个或多个引线框架电容器包括:被一个区域分开的第一个和第二个电容器，上述第一个和第二个包括引线框架材料的一部分；上述区域是绝缘材料。
3.根据权利要求2所述的一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路，其特征是--第一个和第二个电极基本上是共面的；第一个和第二个电极是交叉的；第一个电极包括第一个和第二个手指，上述第二个电极包括的第三个手指在第一个和第二个手指之间；一个和第二个电极形成于引线框架材料的一个单层。
4.根据权利要求3所述的一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路，其特征是:在集成电路封装中的第一个和第二个电路安置在引线框架上。
5.根据权利要求3所述的一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路，其特征是:驱动电路时差分电路包括一个可以产生信号的振荡器，其中接收电路也是差分电路；接收器包括一个比较器，用来驱动单稳态电路从而产生一个连续信号；其中驱动电路包括多个输入端来接收平行输入信号，该输入端常用来给驱动电路提供工作功率；其中接收电路包括多个输出端来提供平行输出信号。
6.根据权利要求5所述的一种引线框架电容器和电容耦合隔离器电路，其特征是:第一个和第二个电路都包括收发器电路。
【文档编号】H01L23/64GK103617992SQ201310615922
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司