具有印刷電路板隔離的光學(xué)隔離器的制造方法
【專利摘要】提供了一種光學(xué)隔離器。所述光學(xué)隔離器包括印刷電路板，該印刷電路板具有第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面。印刷電路板具有僅部分地貫穿印刷電路板的凹槽。第一光電元件具有有效表面，相對(duì)印刷電路板的第一表面進(jìn)行安裝。第二光電元件具有有效表面，相對(duì)第二表面進(jìn)行安裝。第二光電元件配置為與第一光電元件交互。第一和第二光電元件中的至少一個(gè)的有效表面至少部分地置于所述凹槽中。將印刷電路板的一部分夾在第一和第二光電元件之間。
【專利說明】具有印刷電路板隔離的光學(xué)隔離器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有印刷電路板隔離的光學(xué)隔離器。

【背景技術(shù)】
[0002]稱作光隔離器、光耦合器、或光電耦合器的光學(xué)隔離器是使用電磁譜的不同頻率在兩個(gè)隔離電路之間傳送電信號(hào)的電學(xué)布置。電路之間的隔離防止將在一個(gè)電路中引起或另外存在大電壓或電流傳送或耦合到另一電路中。典型的光學(xué)隔離器無法在電路之間傳送可測(cè)量的功率，但可以在隔離電路之間傳遞信號(hào)?？梢哉J(rèn)識(shí)到，光學(xué)隔離器廣泛用于需要隔離的多種電子器件中。
[0003]采用光學(xué)隔離器的特定電子設(shè)備被稱作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(field device) 0工業(yè)過程控制和測(cè)量系統(tǒng)針對(duì)多種目的使用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。通常，這種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)化的外殼(enclosure)，使得可以安裝在較為惡劣環(huán)境的戶外，能夠承受溫度、濕度、振動(dòng)和機(jī)械沖擊的氣候極限?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備典型地在相對(duì)低功率下進(jìn)行操作。例如，一些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備當(dāng)前可用于:從已知的操作在相對(duì)低電壓(12-42VDC)下的4-20mA環(huán)路接收它們的所有操作功率。
[0004]現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作的環(huán)境有時(shí)可以是非常易燃的。一些環(huán)境可以是非常易燃的，μ焦耳范圍內(nèi)消耗能量的火星或甚至電子組件足夠高的表面溫度足以引起局部空氣燃燒并演變?yōu)楸?。將這些區(qū)域稱作Hazardous、Classified或Ex區(qū)域。作為防止不期望燃燒的方法，固有安全規(guī)范發(fā)展為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的受限能量和溫度的措施。符合固有安全要求幫助確保即使在故障條件下，電路或設(shè)備本身無法引燃易燃的環(huán)境。
[0005]能夠用來符合固有安全標(biāo)準(zhǔn)的一種技術(shù)在于具有物理障礙的分隔組件。分隔量依賴于用于形成物理障礙的特定材料。如果障礙根據(jù)固有安全標(biāo)準(zhǔn)分隔，則光學(xué)隔離器可以用于在障礙上發(fā)送數(shù)據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供了一種光學(xué)隔離器。所述光學(xué)隔離器包括印刷電路板，該印刷電路板具有第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面。印刷電路板具有僅部分地貫穿印刷電路板的凹槽。第一光電兀件具有有效表面，并且相對(duì)印刷電路板的第一表面進(jìn)行安裝。第二光電兀件具有有效表面，并且相對(duì)第二表面進(jìn)行安裝。第二光電兀件配置為與第一光電兀件交互。第一和第二光電元件中的至少一個(gè)的有效表面至少部分地位于所述凹槽中。印刷電路板的一部分夾在第一和第二光電元件之間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一對(duì)光耦合器的圖示。
[0008]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于針對(duì)光耦合器在印刷電路板中產(chǎn)生精確間隔的優(yōu)選布置的圖示。
[0009]圖3是指示相鄰光耦合器之間串?dāng)_的電勢(shì)的一對(duì)光耦合器的圖示。

【具體實(shí)施方式】
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例,光電發(fā)射器和光電檢測(cè)器(例如IR光電二極管)在印刷電路板的相對(duì)側(cè)上間隔開。印刷電路板的一部分物理分隔光電發(fā)射器和光電檢測(cè)器。光電發(fā)射器和光電檢測(cè)器使用印刷電路板本身作為固體絕緣進(jìn)行操作以形成光耦合器。如果光電發(fā)射器和光電檢測(cè)器不是緊密耦合的組件，例如，單個(gè)集成電路(IC)封裝，則無需考慮用于組件保護(hù)的60079-11要求。將印刷電路板材料本身用作組件之間所需的必然間隔。因此，消除了保護(hù)組件的需要，從而減少了組件數(shù)量、大空間需求和成本。此外，部分10.11中規(guī)定的許多其它測(cè)試不再可應(yīng)用，所以還顯著地減少了測(cè)試工作。
[0011]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一對(duì)光耦合器的圖示。光耦合器100由布置在印刷電路板106的相對(duì)側(cè)的光電發(fā)射器102和光電檢測(cè)器104形成。圖1所不實(shí)施例中，光電發(fā)射器102是具有半球形部分108的紅外光電二極管，該半球形部分108容納在印刷電路板106的孔110中。備選地，該實(shí)施例中，光電檢測(cè)器104是PIN 二極管。應(yīng)將這種布置理解為不出了一對(duì)協(xié)作的光電兀件，其中至少一個(gè)光電兀件(在這種情況下，光電發(fā)射器)具有至少部分置于印刷電路板106凹槽中的有效表面。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，孔或凹槽110止于表面112，優(yōu)選地凹槽110的側(cè)壁與表面112成近似90度。表面112與印刷電路板106的表面114間隔至少0.2mm, 0.2mm是對(duì)固體材料的最低要求以便符合針對(duì)300V的60079-11附錄F。光電檢測(cè)器104安裝在鄰近表面114，使得光電檢測(cè)器104檢測(cè)到從光電發(fā)射器102發(fā)射的并穿過表面112的光線。這樣，發(fā)射器102和檢測(cè)器104協(xié)作以形成光耦合器。可以認(rèn)識(shí)到，光電發(fā)射器102和光電檢測(cè)器104的布置提供單方向的信號(hào)通信(從光電發(fā)射器到光電檢測(cè)器)。因此，為了在印刷電路板106上提供雙向通信，提供第二光率禹合器121,其中該第二光稱合器121實(shí)質(zhì)上是光稱合器100的相反物。具體地，光I禹合器121包括延伸到印刷電路板106內(nèi)的孔或凹槽118中的光發(fā)射器116。凹槽118終止于表面120，其中表面120與印刷電路板106的表面122間隔最小固體絕緣尺寸(0.2mm)。一個(gè)實(shí)施例中，將光電檢測(cè)器124安裝在鄰近表面122，使得光電檢測(cè)器124檢測(cè)到穿過表面120的光。因此,光電發(fā)射器116和光電檢測(cè)器124包括第二光稱合器,第二光稱合器與第一光稱合器100協(xié)作,提供通過印刷電路板106的雙向通信。
[0012]圖1示出了具有六個(gè)不同銅層126、128、130、132、134和136的印刷電路板106，這些銅層由印刷電路板(PCB)材料119分離，根據(jù)60079-11附錄F，該銅層與凹槽110、118保持(held back)或另外間隔最小固體材料間隔。具體地，在圖1所不實(shí)施例中，間隔最小為0.2mm。光電發(fā)射器102伸到凹槽110中，使得光電發(fā)射器102的穹頂108接近表面112。這種接近提高了光耦合器100的信噪比，允許減小總體功率。盡管通常將本發(fā)明實(shí)施例描述為將光電發(fā)射器的一部分置于印刷電路板的凹槽中，然而明確認(rèn)識(shí)到，取而代之可以將光電檢測(cè)器置于凹槽中，或?qū)⒐怆姲l(fā)射器和光電檢測(cè)器都置于凹槽中。然而，在所有這種配置中，將至少一個(gè)有效表面(光電發(fā)射器的穹頂或光電檢測(cè)器的檢測(cè)接口)置于印刷電路板的凹槽內(nèi)。
[0013]當(dāng)正確對(duì)準(zhǔn)時(shí)，光電檢測(cè)器從位于與其直接相對(duì)的光電發(fā)射器接收信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，光電檢測(cè)器具有與光電發(fā)射器穹頂?shù)闹行膶?duì)準(zhǔn)的有效表面(例如，穹頂108)。
[0014]圖2是產(chǎn)生凹槽110、118的優(yōu)選方法的圖示。通常，用鉆頭(drill bit)產(chǎn)生孔，例如，產(chǎn)生錐形端表面154的具有錐形端152的鉆頭150。然而，錐形端表面154實(shí)際上將彎曲或另外折射穿過該界面的電磁譜。因此，擴(kuò)散了電磁信號(hào)156，衰減了光電檢測(cè)器管芯158的電響應(yīng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，采用平底鉆頭160。鉆頭160具有實(shí)質(zhì)上平坦的端部162。這使得孔164具有與孔164的側(cè)壁近似成直角的端部166。平坦表面166確保穿過這部分空氣到達(dá)電路板界面的信號(hào)保持其初始方向，不發(fā)生折射或不另外受影響。這樣，信號(hào)168直接到達(dá)光電檢測(cè)器管芯170，相較于光電檢測(cè)器管芯158具有較大響應(yīng)。在其它示例配置中，鉆頭具有凹形端。
[0015]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例可以采用若干方法來減小由于印刷電路板材料和其他因素引起的信號(hào)衰減。具體地，可以在考慮制造容限的前提下，保留滿足間隔需求的足夠材料同時(shí)，移除印刷電路板材料。此外，可以針對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和光散射方式來選擇光電發(fā)射器和光電檢測(cè)器組件。此外，可以忽略光學(xué)組件的有效表面之間的焊接掩膜(solder mask)。最終，如上參考圖2所述，可以采用用于產(chǎn)生沉孔(counter bore)的平頭鉆頭。這些多種設(shè)計(jì)考慮中的任何一個(gè)或所有進(jìn)行協(xié)作以提供由多個(gè)分立組件形成的光耦合器，該光耦合器在保持小型印刷電路板封裝覆蓋面積(footprint)的同時(shí)完全有效地符合固有安全規(guī)范。
[0016]可以認(rèn)識(shí)到，如果沒有仔細(xì)抑制不想要的或寄生的信號(hào)，則使用分立組件形成鄰近光耦合器以便穿過印刷電路板提供隔離的雙向通信將在所述光耦合器之間產(chǎn)生串?dāng)_。存在可能出現(xiàn)串?dāng)_的兩個(gè)主要方式。圖3示出了這兩個(gè)主要串?dāng)_通道。如虛線180所示第一串?dāng)_通道沿電路板表面。在這種情況下，來自光電發(fā)射器102的紅外輻射能夠沿著電路板表面122直接到達(dá)光電檢測(cè)器124?？梢酝ㄟ^增加光電發(fā)射器102和光電檢測(cè)器124之間的間隔來減小這種第一形式的串?dāng)_。然而，由于增加這些組件之間的間隔并非令人期待，這是因?yàn)闀?huì)消耗寶貴的印刷電路板空間。更受歡迎的解決方案是在光電檢測(cè)器124上添加不透明的覆層，使得光電檢測(cè)器124不能接收串?dāng)_照射180。這種不透明的覆層的優(yōu)選形式是在光電檢測(cè)器124周圍和/或光電檢測(cè)器124上提供不透明的灌封(potting)。不透明的灌封具有消除光電檢測(cè)器124上的環(huán)境光的作用的有利方面。示例材料包括環(huán)氧樹脂或硅樹脂RTV。
[0017]附圖標(biāo)記182示出了圖3所示的串?dāng)_的第二通道。具體地，通過在印刷電路板106材料內(nèi)穿過的紅外照射產(chǎn)生這種串?dāng)_通道?？梢酝ㄟ^將銅層126、128、130、132、134、136更接近地放置在一起以便當(dāng)光線穿過電路板時(shí)令光更快速地漫射，來減少這種串?dāng)_。此外，將銅層更接近地放置在光電發(fā)射器凹槽減少了遠(yuǎn)離光電檢測(cè)器散射的信號(hào)量。這樣減少了穿透銅層的開口的尺寸，由此阻擋了串?dāng)_通道182。此外，可以對(duì)凹槽的內(nèi)壁進(jìn)行處理，以輔助從光電發(fā)射器到光電檢測(cè)器的信號(hào)傳輸，和/或減少串?dāng)_。例如，可以在發(fā)射器的穹頂周圍插入套筒(sleeve)或可以對(duì)凹槽本身鍍膜或另外用材料進(jìn)行處理，以便輔助信號(hào)傳輸。
[0018]本發(fā)明的實(shí)施例總體上提供了一種超緊湊光耦合器布置，可以容易地滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和其他電子器件的固有安全規(guī)范。相信根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光耦合器可以提供125kHz的信號(hào)耦合，有可能高達(dá)250kHz。
[0019]本發(fā)明的實(shí)施例可以用于期望光耦合器的任何電子設(shè)備。然而，本發(fā)明實(shí)施例特別有用于必須符合固有安全規(guī)范(例如，如上所述)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
[0020]盡管參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，然而本【技術(shù)領(lǐng)域】工作人員將認(rèn)識(shí)到可以在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的多種改變。以上討論涉及光學(xué)組件之間0.2mm的固體分隔。盡管這種配置明確涉及在固有安全區(qū)域與非固有安全區(qū)域之間提供隔離，然而本發(fā)明不限于這種配置。相同的隔離距離可以用于固有安全部分之間的相互隔離。類似地，根據(jù)隔離需求和設(shè)計(jì)限制，分隔量可以大于或小于0.2_。該發(fā)明可應(yīng)用于任何頻率的電磁輻射，包括可見光、紅外和紫外輻射。半透明的填充介質(zhì)可以應(yīng)用于光電發(fā)射器和印刷電路板之間以便減少由于不同介質(zhì)層之間的折射和反射而引起的衰減。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)隔離器，包括: 印刷電路板，具有第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面，所述印刷電路板具有僅部分地貫穿印刷電路板的凹槽； 第一光電兀件，具有有效表面，所述第一光電兀件相對(duì)印刷電路板的第一表面安裝； 第二光電兀件，具有有效表面，所述第二光電兀件相對(duì)第二表面安裝，并配置為與第一光電元件交互；以及 其中第一和第二光電元件中的至少一個(gè)的有效表面至少部分地置于所述凹槽中，并且印刷電路板的一部分夾在所述第一光電元件和所述第二光電元件之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)隔離器，其中所述凹槽為圓形，并具有端面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)隔離器，其中所述端面與所述凹槽的側(cè)壁成實(shí)質(zhì)上直角。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)隔離器，其中所述端面是平的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)隔離器，其中所述第一光電元件是光電發(fā)射器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)隔離器，其中所述光電發(fā)射器是發(fā)光二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)隔離器，其中所述發(fā)光二極管是IR發(fā)光二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)隔離器，其中所述光電發(fā)射器至少部分地置于所述凹槽中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)隔離器，其中所述光電發(fā)射器具有置于所述凹槽中的穹頂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)隔離器，其中所述第二光電元件是光電檢測(cè)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)隔離器，其中所述光電檢測(cè)器是PIN二極管。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)隔離器，其中所述光電檢測(cè)器由不透明覆層覆蓋。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)隔離器，其中夾在所述第一光電元件和第二光電元件之間的印刷電路板部分是針對(duì)光耦合器的固有安全規(guī)范的最小間隔。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)隔離器，其中所述最小間隔是至少0.2mm。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)隔離器，其中所述印刷電路板具有多個(gè)含銅層，其中所有這種含銅層中的銅與所述凹槽相距至少最小間隔距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)隔離器，其中所述光學(xué)隔離器嵌入在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。
17.—種電路布置,包括: 印刷電路板，具有第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面，所述印刷電路板具有:第一凹槽，僅部分地貫穿印刷電路板；以及第二凹槽，與第一凹槽隔開，也部分地貫穿印刷電路板； 第一光電發(fā)射器，安裝在接近第一凹槽的第一表面上，并具有至少部分地置于第一凹槽中的有效表面； 第一光電檢測(cè)器，安裝在接近第一凹槽的第二表面上，通過夾在所述第一光電檢測(cè)器與所述第一光電發(fā)射器之間的印刷電路板部分將所述第一光電檢測(cè)器與所述第一光電發(fā)射器隔開； 第二光電檢測(cè)器，安裝在接近第二凹槽的第一表面上，以及； 第二光電發(fā)射器，安裝在接近第二凹槽的第二表面上，具有至少部分地置于第二凹槽中的有效表面，通過夾在所述第二光電檢測(cè)器與所述第二光電發(fā)射器之間的印刷電路板部分將所述第二光電檢測(cè)器與所述第二光電發(fā)射器隔開。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路布置，包括:在第一光電發(fā)射器和印刷電路板之間的半透明填充介質(zhì)，以減少衰減。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路布置，包括:印刷電路板中接近第一凹槽和第二凹槽、針對(duì)脫離預(yù)期傳輸路徑的信號(hào)的特定電磁譜的層，以提供該信號(hào)的衰減。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路布置，包括:第一凹槽中對(duì)特定電磁譜不透明的中空柱狀結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路布置，其中所述印刷電路板包括多個(gè)電路層，其中多個(gè)電路層單獨(dú)彼此隔離。
22.—種隔離電學(xué)組件的方法，包括: 將第一電學(xué)組件放置在印刷電路板的第一側(cè)上； 將第二電學(xué)組件放置在印刷電路板的第二側(cè)上； 在所述印刷電路板的第一側(cè)中形成凹槽，其中所述凹槽朝向印刷電路板的第二側(cè)部分貫穿印刷電路板； 安裝第一光電元件，所述第一光電元件在凹槽中具有有效表面并與第一電路耦接；以及 在印刷電路板的第二側(cè)上安裝具有有效表面的第二光電元件，所述第二光電元件配置為與所述第一光電元件交互，第二光電元件與第二電路電連接。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第一光電元件包括二極管。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中形成凹槽包括:部分地對(duì)所述印刷電路板鉆孔。
【文檔編號(hào)】G02B6/26GK104519654SQ201410164007
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】科爾克·阿蘭·亨特, 賈里德·詹姆斯·德雷爾, 喬丹·丹尼斯·盧赫特, 塞繆爾·伊?！っ沸两? 申請(qǐng)人:羅斯蒙特公司