一种隔离芯片封装结构及数字隔离器的制作方法

1.本发明涉及芯片封装领域，具体涉及一种隔离芯片封装结构及数字隔离器。


背景技术：

2.在电机驱动器、工业变频器、不间断电源、感应加热、igbt/功率mos驱动应用中，需要使用隔离方式，将人工操作与高压电路分离，并能通过人工操作来控制高压环境的电路状态。现有技术中传统隔离系统一般采用变压器来进行隔离，常见变压器的使用主要包括三种方式：1.光隔离器，芯片内部封装led和光电二极管，其封装工艺较复杂，而且光电二极管不容易集成到cmos工艺当中，产品功能简单；2.电容隔离器，采用高压电容作为信号隔离器，存在加工工艺复杂，周期长，成本高，介质耐压不稳定等问题；3.磁耦合隔离器，与电容隔离器类似，以金属薄膜组层的线圈来传递信号，存在的问题也与电容隔离器一样，隔离介质加工工艺复杂，生产周期长，成本高，介质耐压不够稳定。
3.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是现有技术中常见的隔离芯片封装结构存在介质加工工艺复杂，介质耐压不稳定，导致隔离器性能差的问题，目的在于提供一种隔离芯片封装结构及数字隔离器，以解决上述问题。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种隔离芯片封装结构，包括封装框架，封装框架设置有：
7.相互分离的框架基岛，框架基岛包括第一基岛与第二基岛，其中，第一基岛上设置有原边控制芯片，第二基岛上设置有副边控制芯片，第一基岛与第二基岛之间形成有净空区；
8.隔离器件，隔离器件由柔性电路板构成，柔性电路设置有多个接口；
9.其中，隔离器件固定于净空区，原边控制芯片与隔离器件的接口形成电路连接，副边控制芯片与隔离器件的接口形成电路连接。
10.在本技术的一种可选的实施例中，柔性电路板包括隔离层，隔离层的上、下表面均设置有安装槽，其中，位于上表面的安装槽内设置第一金属层，位于下表面的安装槽设置有第二金属层。
11.在本技术的一种可选的实施例中，第一金属层包括相互分离的两个金属片结构，金属片结构之间的最小间隔距为500um。
12.在本技术的一种可选的实施例中，隔离层为聚酰亚胺基板，厚度为70um-80um。
13.在本技术的一种可选的实施例中，第一金属层与第二金属层的材质均为电解铜，第一金属层与第二金属层最薄处的厚度大于等于12um。
14.在本技术的一种可选的实施例中，第一基岛与第二基岛相互靠近的部分形成净空
区的连接部，隔离器件与连接部的连接方式为焊接或daf膜粘接。
15.在本技术的一种可选的实施例中，daf膜的表面设置有用于放置隔离器件的凹槽，凹槽内设置有用于粘接隔离器件的胶面。
16.在本技术的一种可选的实施例中，通过柔性电路板刻蚀有隔离电容器或隔离变压器。
17.在本技术的一种可选的实施例中，隔离电容器为双层隔离电容器或单层隔离电容器任意一种。
18.第二方面，本发明提供了一种数字隔离器，该数字隔离器包括如上的一种隔离芯片封装结构。
19.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
20.1.本发明提供的隔离芯片封装结构，通过在第一基岛上设置原边控制芯片、所述第二基岛上设置副边控制芯片，使用由柔性电路板(简称fpc)材料构成的隔离器件，并将原边控制芯片、有隔离器件、高压应用芯片封装在一起，从而实现片内集成隔离的特性，降低了原边控制芯片工艺制作难度，不需要在控制芯片上生长隔离器件。使得原边控制芯片能更好的完成输入控制处理，降低了工艺要求。
21.2.本发明提供的数字隔离器，内部采用本发明提供的隔离芯片封装结构，通过fpc材料制成的隔离器件作为信号传递的媒介，有效的提高了信号传递的速度、一致性，并进一步降低了隔离应用的成本。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
23.图1为现有技术中的传统隔离系统示意图；
24.图2为现有技术中常见隔离芯片示意图；
25.图3为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构整体示意图；
26.图4为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的fpc隔离示意图；
27.图5为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的芯片1、芯片2、fpc隔离器件放入芯片框架示意图；
28.图6为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的fpc隔离器件电路图；
29.图7为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的fpc隔离变压器示意图；
30.图8为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的fpc隔离变压器放入芯片封装剖面示意图；
31.图9为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的制作fpc隔离电容示意图；
32.图10为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的fpc隔离电容放入芯片封装剖面示意图；
33.图11为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的fpc隔离电容对示意图；
34.图12为本发明具体实施例中提供的隔离芯片封装结构的双层/单层fpc隔离电容
放入芯片封装剖面示意图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，接或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.实施例：在电机驱动器、工业变频器、不间断电源、感应加热、igbt/功率mos驱动应用中，需要使用隔离的方式将人工操作与高压电路分离，并能通过人工操作来控制高压环境的电路状态，如图1所示，在传统pcb板上隔离系统中，人工操作端与高压控制端之间一般通过设置变压器进行分离，在现有的隔离芯片中，如图2所示，一般有三种常见方式：1.光隔离器。芯片内部封装led和光电二极管，采用光作为信号的传输介质，用以实现信号的电气隔离传输，其封装工艺较复杂，而且光电二极管不容易集成到cmos工艺当中，产品功能简单；2.电容隔离器。在cmos电路生产过程中，采用高压电容作为信号隔离器，在不同电压规之间传递信号，以实现信号的隔离。该高压电容在晶圆生产的后段生产，采用sio2作为介质层，金属膜作为电容的上下极板。介质层的厚度在13μm以上，如果要实现5000v以上的隔离电压，介质层厚度则在20um以上，其加工工艺复杂，周期长，成本高，介质耐压不稳定；3.磁耦合隔离技术，该技术基于无铁芯变压器实现。该变压器生产技术与电容隔离器类似，也是在cmos工艺的后段，以sio2或者pi膜作为隔离介质层，以金属薄膜组层的线圈来传递信号。存在的问题与电容隔离器一样，隔离介质加工工艺复杂，生产周期长，成本高，介质耐压不够稳定；可以看出，目前市面上三种类型的隔离芯片都存在加工工艺复杂，介质耐压不稳定的缺点
40.由鉴于此，本发明提供了一种隔离芯片封装结构，包括封装框架，封装框架设置有：
41.相互分离的框架基岛，所述框架基岛包括第一基岛与第二基岛，其中，所述第一基岛上设置有原边控制芯片，所述第二基岛上设置有副边控制芯片，第一基岛与第二基岛之间形成有净空区；
42.隔离器件，所述隔离器件由柔性电路板构成，所述柔性电路设置有多个接口；
43.其中，所述隔离器件固定于所述净空区，所述原边控制芯片与所述隔离器件的接
口形成电路连接，所述副边控制芯片与所述隔离器件的接口形成电路连接。
44.本发明提出一种新的隔离芯片结构，需要说明的是，本实施例中信号输入与控制端可以采用传统cmos或者bcd工艺生产，本发明的隔离芯片上没有片上集成高压隔离器件，隔离器件由独立的元件构成。该隔离器件以传统fpc(即flexible printed circuit，以下不在赘述)生产，其线路基板材料主要是由聚酰亚胺薄膜组成，本身具有厚度薄(20～100um)，击穿电压高(250v/um左右)的特点，可以承受400℃高温，可封装在芯片内部，回到本实施例中，本实施例用来制作隔离芯片的隔离器件主要包括以fpc线路板制作的电容或者平面变压器，需要说明的是，现有技术中一般使用光耦二极管或直接在芯片上生长sio2/pi来实现高压隔离，光耦二极管存在老化问题，而在芯片上生长sio2/pi会增加芯片制造的成本和难度，而采用fpc制作隔离器件不存在器件老化问题，并且简化了芯片制作难度，成本也大大降低。
45.在本技术的一种可选的实施例中，所述柔性电路板包括隔离层，所述隔离层的上、下表面均设置有安装槽，其中，位于上表面的安装槽内设置所述第一金属层，位于下表面的安装槽设置有第二金属层；
46.请参考图3，图3为本发明提供的利用fpc隔离制作隔离器件芯片的示意图，选择fpc材料作为芯片隔离的方法，fpc主要由基材加保护膜两个材料构成，而基材主要由铜+pi+铜组成，其中pi(聚酰亚胺)是具有耐高温的绝缘树脂材料，本实施例中，通过粘胶将pi和铜粘接在一起，最终制成fpc的基板，如图3显示fpc制作的隔离器件将原边控制端和高压应用端连接起来。
47.在本技术的一种可选的实施例中，第一金属层包括相互分离的两个金属片结构，所述金属片结构之间的最小间隔距为500um，从而能保证这第一基岛与第二基岛上芯片的高压应用环境。
48.在本技术的一种可选的实施例中，所述隔离层为聚酰亚胺基板，厚度为70um-80um；本实施例中，fpc材料作为隔离层，与相关技术中的隔离板相比，采用fpc材料制作的隔离层从结构上更加紧凑，集成化程度高，使用装配更加便捷，可以想到的是，在隔离层上还可以设置散热部，从而提升散热性能，改善散热效果，从而确保使用寿命，此外，fpc隔离层可选用有/无绿油保护膜基板，使用绿油保护膜基板的目的在于防止导体电路的物理性断线；本实施例中，所选用的聚酰亚胺基板厚度为75um。
49.在本技术的一种可选的实施例中，所述第一金属层与第二金属层的材质均为电解铜，所述第一金属层与第二金属层最薄处的厚度大于等于12um，本实施例中，第一金属层与第二金属层均采用12um的电解铜，如图4所示，第一、第二金属层与隔离层形成厚度为12um铜+75umpi+12um铜的fpc基板作为隔离片，从而使芯片从整体上具有工艺简单和更低成本的优势。
50.在本技术的一种可选的实施例中，所述第一基岛与第二基岛相互靠近的部分形成所述净空区的连接部，所述隔离器件与所述连接部的连接方式为焊接或daf膜粘接；
51.请参考图5，图5是芯片1(对应原边控制芯片)、芯片2(对应副边控制芯片)、fpc隔离器件放入芯片框架时的俯视图(左)和剖视图(右)。从俯视图看，fpc隔离器板放在第一基岛与第二基岛中间，即本技术实施例中的净空区，采用本发明的连接方式，可有效缩小该净空区的大小，便可利于电路板或电子产品的小型化，从而可简化工艺复杂度以提升产品合
格率并降低制造成本；由剖面图示意，使用daf膜将fpc隔离板粘接，以此固定fpc隔离板，此外，也可以采用耐高温焊锡将fpc隔离板焊接在框架基岛上，需要注意的是，第一金属层与两个基岛之间的间距》500um，来保证第二金属层及隔离层下表面能足够承受第一、第二基岛的高压环境。
52.在本技术的一种可选的实施例中，所述daf膜的表面设置有用于放置所述隔离器件的凹槽，所述凹槽内设置有用于粘接所述隔离器件的胶面。
53.具体到本实施例，该daf膜可以采用高导热树脂制成，该daf膜还可具备绝缘性，在封装时，可以先将隔离器件放入凹槽内，同时引线可以沿daf膜的表面延伸至边缘，再在凹槽内注入用于粘接隔离器件的胶液或者是用粘胶覆盖在隔离器件相对远离凹槽底部的一面，从而将隔离器件固定在凹槽内，并且引线通过粘胶层粘接，保证封装效果，而在另外一些实施例中，还可以是预先在凹槽的底部和/或侧壁上涂覆粘胶或贴附有胶面，从而可以直接将隔离器件安装在凹槽内。
54.在本技术的一种可选的实施例中，通过所述柔性电路板刻蚀有隔离电容器或隔离变压器；
55.其中，如图6所示，图6为对fpc实现隔离器件的电路示意图，这里隔离器件，使用变压器或电容来传递信号，通过隔离变压器实现基本或加强绝缘电气规格要求(如图6.a所示，图6.a为)，利用双层隔离电容可实现加强绝缘电气规格要求(图6.b)；利用单层隔离电容也可实现基本功能绝缘电气规格要求(图6.c)；对于隔离变压器的制作，将隔离器件的第一金属层与第二金属层的铜刻蚀成变压器原边和次边，利用变压器特性来传递信号，在此基础上利用隔离器件的pi(即隔离层,以下不再赘述)隔离原边与次边电压。请参考图7，图7为fpc隔离变压器示意图的俯视图与剖面图，制作变压器需要将4个接口放到顶层金属(也即第一金属层)，而第二金属层的中间接口引出，因此在第二金属层下增加一层薄pi，以帮助中间接口引出到边缘，这里需要说明的是，图7只是示意一种变压器的制作方式，不限其他变压器的制作；进一步的，如图8所示，将设计的隔离变压器放入芯片封装提内，这里需要注意的是，变压器的下极板(即第一金属层)对左边基岛(在本实施例中，指代第一基岛)的距离》500um；变压器的上极板(即第二金属层)对左边的pad距离》500um。这样保证第一、第二基岛上芯片的高压应用环境。
56.在本技术的一种可选的实施例中，所述隔离电容器为双层隔离电容器或单层隔离电容器任意一种；对于fpc隔离电容的制作，将隔离器件的第一、第二金属层分别刻蚀成电容极板，利用电容的高频特性进行信号传递，利用pi隔离原边、次边电压。从而利用fpc制作成隔离电容，如图9与图11显示制作隔离电容的示意图，其中，图9(a)为fpc隔离电容的俯视图，图9(b)为双层电容的剖面图，图9(c)为图9(a)的放大示意图，图11(a)为fpc隔离电容对的俯视图，图11(b)为fpc隔离电容对的双层电容剖面图，图11(c)为fpc隔离电容对的单层电容剖面图，上述几个图显示了利用fpc制作双层增强隔离电容剖面图和单层隔离电容剖面图，需要注意的是，图9、图11仅仅是示意几种电容的制作方式，不限其他电容的制作；如图10所示，将设计的隔离电容放入芯片封装提内，本领域技术人员需要注意的是，电容的隔离层下表面上的第二金属层对第一基岛、第二基岛的距离》300um；电容上极板(即第一金属层)的左边部分与右边部分的距离》500um。这样保证第一、第二基岛上芯片的高压应用环境；如图12所示，图12(a)为芯片封装结构内部的基岛、芯片以及双层隔离电容的剖面图，图
12(b)为芯片封装结构内部的基岛、芯片以及单层隔离电容的剖面图
57.将设计的双层/单层隔离电容放入芯片封装提内，需要注意电容的下极板对右边基岛的距离》500um；电容上极板对左边的pad距离》500um。这样保证左右基岛上芯片的高压应用环境。
58.此外，在本技术的有一个实施例中，本发明提供了一种数字隔离器，数字隔离器包括如上所述的一种隔离芯片封装结构，具体到本实施例中，本实施例中数字隔离器外部为封装体，封装体内设置封装框架，所述隔离芯片封装结构设置于封装框架上，其中，第一岛和第二基岛，第一基岛和第二基岛的旁侧对应可设有若干相互分离的引脚，可选的是，封装框架还包括与用于与第一、第二基岛相连的支撑脚，本实施例中原边控制芯片的上表面和副边控制芯片的上表面与封装体上表面平齐设置，从而第一芯的下表面和第二芯片的上表面露出至封装体外部。
59.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
60.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。