存在不穩(wěn)定失效現(xiàn)象光耦的失效分析研究

孟猛，張延偉，王旭

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100029）

1 引言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電器件已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，光電耦合器就是其中之一。由于其體積小、無(wú)接觸和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可用于電器隔離、開(kāi)關(guān)電路和高壓隔離等多種電路中。光電耦合器的大量使用，以及半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，集成度越來(lái)越高，在使用中發(fā)生失效的現(xiàn)象也呈現(xiàn)多樣、復(fù)雜的特點(diǎn)，甚至存在諸多不穩(wěn)定的失效現(xiàn)象[1-3]。本文結(jié)合某用戶使用的、AGILEN T公司生產(chǎn)的光電耦合器4N 55/883B發(fā)生1例失效的典型案例，對(duì)存在不穩(wěn)定的、分析過(guò)程中故障現(xiàn)象消失的光電耦合器的失效分析技術(shù)和方法進(jìn)行討論，最終確認(rèn)器件的失效原因是外部過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致器件燒毀失效。

2 失效現(xiàn)象

2.1 光電耦合器原理及現(xiàn)場(chǎng)失效現(xiàn)象

4N 55/883B為獨(dú)立的2個(gè)通道光電耦合器，圖1給出了其中之一通道原理圖和外部管腳排列圖。

圖1 4N55/883B原理圖

器件現(xiàn)場(chǎng)失效現(xiàn)象為：用戶描述在對(duì)該光耦加電測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)器件失效，具體表現(xiàn)為Pin9輸出電平恒為高，斷電后用萬(wàn)用表測(cè)試，發(fā)現(xiàn)器件Pin12與Pin10之間成不穩(wěn)定的低阻特性，開(kāi)始為193.0 Ω，后變?yōu)?13.9 Ω，最后約為1.1 M Ω左右。器件失效的測(cè)試結(jié)果與器件Pin9輸出電平恒為高的結(jié)果是一致的，原因是Pin12-Pin10（B-E）之間成低阻特性，該特性導(dǎo)致輸出三極管基極無(wú)法控制集電極輸出，因此，Pin9無(wú)低電平輸出，恒為高電平。

2.2 失效分析單位的故障復(fù)現(xiàn)及不穩(wěn)定現(xiàn)象

失效器件至失效分析單位后，首次測(cè)試結(jié)果如下：

a） 用圖示儀T ek370測(cè)試

Pin16-Pin13特性正常，相對(duì)應(yīng)功能相同的另外一通道Pin12-Pin10之間成阻性，阻值約為5 kΩ，見(jiàn)圖2。其它管腳間的特性未見(jiàn)異常。

b） 用萬(wàn)用表測(cè)試

Pin16-Pin13之間的阻值為4.82 M Ω，Pin12-Pin10之間的阻值為4.76 M Ω，器件故障現(xiàn)象消失。

c）重復(fù)用圖示儀T ek370測(cè)試

Pin16-Pin13與Pin12-Pin10之間的特性曲線相同，器件故障現(xiàn)象消失，見(jiàn)圖3。

d） 室溫放置48 h后測(cè)試

Pin12-Pin10之間的特性未見(jiàn)明顯變化。

e）用專用測(cè)試設(shè)備對(duì)全部器件參數(shù)進(jìn)行測(cè)試

全部合格，且2個(gè)通道間沒(méi)有明顯的異常，測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)表1。

圖3 器件故障現(xiàn)象消失后Pin12-Pin10之間正向、反向特性曲線恢復(fù)正常

表1 器件電參數(shù)測(cè)試結(jié)果

3 針對(duì)4N55/883B的失效分析

3.1 故障復(fù)現(xiàn)檢查和試驗(yàn)

從失效光電耦合器4N 55/883B的失效現(xiàn)象分析結(jié)果來(lái)看，器件的失效與其內(nèi)部的發(fā)光二極管以及它和光敏三極管的耦合部分的關(guān)系很小，失效的部位很可能是其輸出部分。器件的失效現(xiàn)象在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)即不穩(wěn)定，在失效分析單位的首次測(cè)試后，失效現(xiàn)象即消失。為了能夠順利進(jìn)行失效分析，需要進(jìn)行一系列的針對(duì)性的檢查和試驗(yàn)，這些檢查和試驗(yàn)針對(duì)一些可動(dòng)金屬多余物、低溫結(jié)露和芯片離子沾污等可能造成不穩(wěn)定故障現(xiàn)象的原因，進(jìn)行逐一分析、排除。主要包括：1）X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)檢查，器件內(nèi)部未見(jiàn)異常；2）進(jìn)行+125℃、+5℃、0℃、-5℃、-10℃、-55℃測(cè)試，進(jìn)行-10～+5℃溫度變化的監(jiān)測(cè)，器件故障現(xiàn)象未能恢復(fù)；3）高溫反偏試驗(yàn)、老煉試驗(yàn)，試驗(yàn)前后測(cè)試器件，故障現(xiàn)象未能恢復(fù)；4） PIN D、密封性試驗(yàn)均合格。

3.2 解剖分析

能夠進(jìn)行的無(wú)損檢查和故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)沒(méi)有復(fù)現(xiàn)器件的故障現(xiàn)象，為了查找器件失效的真正原因，進(jìn)行解剖檢查、分析。

a）開(kāi)帽內(nèi)部檢查

開(kāi)帽后，用體式顯微鏡檢查，器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外鍵合區(qū)未見(jiàn)異常。由于該光耦器件采用立體結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部有封裝膠，無(wú)法直接對(duì)芯片進(jìn)行詳細(xì)的檢查。取下蓋在芯片上的發(fā)光二極管，用化學(xué)法去除內(nèi)部封裝膠。用體式顯微鏡和金相顯微鏡檢查芯片表面，發(fā)現(xiàn)與Pin12直接相連的金屬化鋁條局部存在異常，見(jiàn)圖4。但普通光學(xué)檢查不能進(jìn)一步確認(rèn)該異常與器件故障現(xiàn)象的關(guān)系。

b） SEM檢查和EDS分析

對(duì)器件芯片表面異常處進(jìn)行SEM檢查和EDS分析，SEM形帽見(jiàn)圖5。SEM檢查表明，異常處分為明顯的中間、邊緣兩部分。能譜分析結(jié)果為（詳見(jiàn)圖6）：異常處的邊緣部分與無(wú)異常的芯片金屬化部分成分相同，主要為Al（芯片金屬化層為Al）、O、Si（芯片表面鈍化層為 SiO2）； 異常處的中間位置主要為O、Al，沒(méi)有Si元素，即該處為裸露的Al（部分被氧化），沒(méi)有SiO2鈍化層覆蓋。

c） FIB剖面分析

對(duì)器件內(nèi)部異常處利用FIB制作剖面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該處鋁條呈現(xiàn)熔融跡象，鋁條上方的鈍化層有受熱鼓起形成的空洞，分析認(rèn)為是外部異常電應(yīng)力燒毀所致，見(jiàn)圖7。

4 4N55/883B的失效原因分析

4.1 故障現(xiàn)象內(nèi)部原因分析

對(duì)于導(dǎo)致器件Pin12-Pin10成短路特性，但是故障現(xiàn)象不穩(wěn)定，并分析過(guò)程中消失的原因，認(rèn)為可以分為以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

a）器件外部沾污導(dǎo)致的故障現(xiàn)象

外觀檢查器件Pin12、Pin10附近，未見(jiàn)異常，且該兩管腿不直接相鄰，Pin12-Pin10故障現(xiàn)象存在時(shí)，Pin12-Pin11特性曲線正常，因此該原因可排除。

b）器件內(nèi)部（芯片外部）多余物導(dǎo)致的故障現(xiàn)象

開(kāi)帽內(nèi)部檢查，內(nèi)引線的外鍵合區(qū)、引線之間等敏感部位沒(méi)有可導(dǎo)致短路的多余物，因此該原因可排除。

c）芯片鈍化層N a離子等沾污導(dǎo)致的故障現(xiàn)象

芯片表面鈍化層可動(dòng)電荷N a+沾污可引起敏感部位短路，并且現(xiàn)象不穩(wěn)定。對(duì)器件pin12-Pin10施加反向4.8 V電壓，在125℃時(shí)進(jìn)行24 h高溫反偏試驗(yàn)，未能復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，表明該原因?qū)е率КF(xiàn)象的可能性很小。

d） 芯片內(nèi)部P-N結(jié)異常導(dǎo)致的故障現(xiàn)象

芯片內(nèi)部P-N結(jié)由于內(nèi)部缺陷或外部異常電應(yīng)力導(dǎo)致異常，可引起短路，但是該現(xiàn)象常溫下一般不會(huì)恢復(fù)；并且，對(duì)器件進(jìn)行48 h老化，器件故障現(xiàn)象仍未復(fù)現(xiàn)，因此該原因可排除。

e） 與Pin12相連的鋁條異常處導(dǎo)致的故障現(xiàn)象

內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)，與Pin12直接相連的金屬化鋁條局部存在異常。排除以上原因，該處異常導(dǎo)致器件故障現(xiàn)象的可能性很大。SEM和EDS分析表明，該異常分中間、邊緣兩部分，邊緣部分的主要成分為Al、O、Si，中間部分主要為Al、O，即中間部分為裸露的Al（部分被氧化），沒(méi)有SiO2鈍化層覆蓋。用FIB對(duì)該異常進(jìn)行剖面分析，發(fā)現(xiàn)該處鋁條呈現(xiàn)熔融跡象，鋁條上方的鈍化層有受熱鼓起形成的空洞。

分析認(rèn)為，外部異常電應(yīng)力導(dǎo)致與Pin12直接相連的金屬化鋁條損傷、熔融，并造成如下失效現(xiàn)象：

a）對(duì)于鋁條上面，由于鈍化層和光電耦合膠（封裝膠）存在，燒毀產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散失，導(dǎo)致鈍化層鼓起產(chǎn)生空洞，熔融的鋁條突破芯片鈍化層（SiO2），在芯片表面形成邊緣為鈍化層堆積、中間沒(méi)有鈍化層覆蓋的Al。

b）對(duì)于鋁條下面，熔融的鋁條使該鋁條部分突破下層氧化層，并與芯片隔離區(qū)虛接，而電路設(shè)計(jì)上，該隔離區(qū)與“地”（Pin10）相連，因此，導(dǎo)致器件Pin12-Pin10之間成不穩(wěn)定的低阻特性。如圖8所示。

圖8 芯片金屬化受外部異常電應(yīng)力損傷后，導(dǎo)致其與隔離區(qū)虛接示意圖

4.2 故障現(xiàn)象外部原因分析

器件鋁條燒毀處直接與Pin12相連，因此外部異常電應(yīng)力從Pin12引入，存在ESD和外部過(guò)電應(yīng)力兩種可能：

a）使用過(guò)程中Pin12懸空，未涂三防漆，靜電放電（ESD） 可能導(dǎo)致與Pin12相連的鋁條局部燒毀。但是ESD的電壓高，能量低，并且器件的使用環(huán)境為靜電受控的環(huán)境，此環(huán)境下一般情況對(duì)器件的損傷不會(huì)導(dǎo)致鋁條大面積燒毀，器件因ESD導(dǎo)致失效的可能性很小。

b）使用過(guò)程中Pin12懸空，未涂三防漆，外部過(guò)電應(yīng)力（EOS） 可能導(dǎo)致與Pin12相連的鋁條局部燒毀。由于Pin12與Pin11（VCC2） 相鄰（圖1），并且它們之間的間距很小，測(cè)試過(guò)程中萬(wàn)用表筆很容易將這兩個(gè)管腿短接，導(dǎo)致Pin12與VCC2誤接，而VCC2可接2～18 V電源，這導(dǎo)致光敏三極管的B-E結(jié)處于瞬間正向?qū)顟B(tài)，與Pin12相連的鋁條通過(guò)大電流，在拐角處鋁條局部熔融，發(fā)生文中的失效現(xiàn)象。

5 結(jié)論

光電耦合器件4N 55/883B的Pin12-Pin10之間呈不穩(wěn)定的阻性，導(dǎo)致器件失效，但該故障現(xiàn)象在失效分析過(guò)程中消失，經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)境試驗(yàn)和加電試驗(yàn)等復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)后，均未復(fù)現(xiàn)。解剖檢查，發(fā)現(xiàn)與Pin12直接相連的金屬化鋁條局部存在異常；SEM、EDX和FIB對(duì)該異常進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該處鋁條中央呈現(xiàn)熔融跡象，鋁條上方的鈍化層有受熱鼓起形成的空洞。結(jié)合器件的使用過(guò)程分析認(rèn)為，外部過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致與Pin12直接相連的金屬化鋁條燒毀，該鋁條下面，熔融的鋁條使該鋁條部分突破下層氧化層，并與芯片隔離區(qū)虛接，而電路設(shè)計(jì)上，該隔離區(qū)與“地”（Pin10）相連，從而導(dǎo)致器件Pin12-Pin10之間成不穩(wěn)定的低阻特性。該失效案例較為特殊，外部過(guò)電應(yīng)力沒(méi)有造成器件永久、恒定失效，原因在于芯片表面鋁條損傷較輕，處于臨界狀態(tài)。損傷后，在外部持續(xù)通電的情況下，短路通道被破壞，而在一般的故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)中，難以恢復(fù)。因此，對(duì)于該類失效分析，每一步的測(cè)試、記錄顯得尤為重要。

6 結(jié)束語(yǔ)

器件的VB、VCC外管腳相鄰且間距較小，VB僅為預(yù)留測(cè)試使用，實(shí)際應(yīng)用時(shí)VB懸空，而VCC接2～18 V以上的電源。因此，用戶在使用過(guò)程中檢測(cè)時(shí)，很容易用萬(wàn)用表表筆等導(dǎo)體將VB、VCC短接，從而引起VCC電源直接加至輸出三極管的B-E結(jié)，導(dǎo)致器件燒毀失效。實(shí)際上，器件Pin1、Pin2、Pin5、Pin6仍沒(méi)有定義（圖1），從結(jié)構(gòu)分析（CA）的角度，完全可改進(jìn)器件管腿排列結(jié)構(gòu)，將VB合理安排，避免類似情況再度發(fā)生。

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