光電耦合芯片的開路失效分析

張浩敏 ， 張旭武 ， 舒嘉宇 ， 劉清超

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，浙江 寧波 315040；3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

光電耦合芯片也被稱為光電隔離芯片，或簡稱為光耦芯片。它以光為媒介來傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，因此，在各種電路中都得到了廣泛的應用。光電耦合芯片一般由3個部分組成：光的發(fā)射部分、光的接收部分和信號放大部分。輸入的電信號會驅(qū)動GaAsP發(fā)光二極管 (LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被集成的高增益光探測器接收而產(chǎn)生光電流，經(jīng)過進一步地放大后再輸出。光電耦合芯片的輸入端與輸出端實現(xiàn)了完全的電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。但是，光電耦合芯片由于集成度越來越高，在大量使用的過程中所發(fā)生的失效現(xiàn)象也呈現(xiàn)出多樣、復雜的特點，甚至存在諸多不穩(wěn)定的失效現(xiàn)象[1-5]。本論文以惠普公司的光電耦合器芯片的失效作為典型案例，采用多種失效分析技術(shù)對其進行分析與研究，最終確認器件的失效是由于鋁焊盤和局部電路的腐蝕造成的。

1 案例分析

1.1 樣品概況

案例分析所使用的樣品為惠普公司生產(chǎn)的光電耦合芯片，型號為HCNW2611-000E。該芯片的通道原理圖與管腳排列圖如圖1所示。共收到失效樣品2只，編號為F1#、F2#；未使用過的同型號良品2只，編號為G1#、G2#。

器件失效現(xiàn)象為：用戶描述已安裝光電耦合芯片的驅(qū)動板裝在機柜中不帶電放置3個月后再上電，發(fā)現(xiàn)光電耦合芯片的二次側(cè)輸出端口管腳6(Vo)失效，輸出端口為常高，光電耦合芯片的一次側(cè)管腳 2(ANODE)與管腳3(CATHODE)正常，壓降為1.6 V；二次側(cè)供電也正常，二次側(cè)各個引腳無短路現(xiàn)象。

圖1 光電耦合芯片HCNW2611-000E的原理圖

1.2 外觀檢查

對樣品進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)失效樣品的表面和引腳處有殘留的膠體，引腳有少量的殘余焊錫料存在，無明顯的異物，未見其他明顯的異常情況，而良品的表面和引腳處幾乎看不到殘留的膠體或焊錫料存在，也未見異物。失效樣品F1#、F2#與良品G1#的典型外觀照片如圖2所示。

圖2 失效樣品F1#、F2#及良品G1#的外觀形貌圖

1.3 電參數(shù)測試

對樣品進行V-I曲線的測試，測試結(jié)果如圖3所示。對比圖3中良品G1#和失效樣品的測試結(jié)果可以看出，失效樣品F1#的管腳5(GND)、管腳6(Vo)和F2#樣品的管腳6(VO)、管腳7(VE)都呈開路狀態(tài)。

圖3 良品G1#和失效樣品F1#、F2#的V-I曲線測試結(jié)果

1.4 X射線檢查

對失效樣品F1#和F2#進行X射線檢查，主要觀察引腳和鍵合線的結(jié)合情況，X射線的檢查結(jié)果如圖4所示。從圖4中的各個形貌圖可以看出，鍵合處不存在明顯的異常情況。

圖4 失效樣品F1#、F2#的X射線檢測圖

1.5 開封后的形貌觀察、掃描電鏡及能譜分析

對F1#樣品進行機械開封后在光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：樣品內(nèi)部三極管連接端的管腳5、管腳6和管腳7焊盤存在明顯的腐蝕變色的形貌，其中管腳5、管腳6的焊盤處金屬與內(nèi)部電路已經(jīng)完全斷開；對腐蝕位置進行掃描電鏡 (SEM)及能譜 (EDS)分析，得到的結(jié)果如圖6所示。從圖6中管腳5和管腳7邊緣處的能譜分析可以發(fā)現(xiàn)：Na、O元素的含量比較高?；逦恢?(二次側(cè))發(fā)現(xiàn)明顯的異物，其形貌與殘留的成份分析顯示與導光膠不同，其中Na、O元素的含量較高；二極管芯片表面未見異常的形貌及腐蝕性元素。

圖6 F1#樣品的SEM&EDS分析結(jié)果

對F2#樣品進行機械開封后，在光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，樣品內(nèi)部管腳6、管腳7鋁焊盤及其附近的電路已經(jīng)嚴重的腐蝕并斷開；對腐蝕位置進行SEM&EDS分析，結(jié)果如圖8所示，從圖8中可以看出，受到腐蝕的位置處Na、O元素的含量較高。基板位置(二次側(cè))發(fā)現(xiàn)明顯的異物，其中Na、O元素的含量較高；二極管芯片表面未發(fā)現(xiàn)異常元素。

圖7 F2#樣品開封后整體及管腳放大后的形貌圖

圖8 F2#樣品的SEM&EDS分析圖

對G2#樣品進行機械開封后，發(fā)現(xiàn)芯片表面的局部殘留導光膠，未見有明顯的污染等異常形貌，SEM&EDS分析檢測也未發(fā)現(xiàn)有明顯的異常元素，如圖9所示。

圖9 G2#樣品開封后的外觀及SEM&EDS分析結(jié)果圖

2 結(jié)果與討論

光電耦合芯片樣品的主要失效模式為開路。電參數(shù)測試結(jié)果表明，失效樣品F1#樣品的管腳5、管腳6以及F2#樣品的管腳6、管腳7都存在明顯的開路。經(jīng)過X射線檢查，失效樣品引線處未見明顯的斷裂、鍵合點未見拉脫，這說明鋁線斷裂或鍵合點脫落并非芯片開路失效的原因。對失效樣品進行機械開封后發(fā)現(xiàn)開路管腳所對應的焊盤及其附近的電路存在明顯的腐蝕形貌，對腐蝕位置進行EDS分析，發(fā)現(xiàn)Na和O元素的含量較高。失效樣品二次側(cè)芯片所在基板位置發(fā)現(xiàn)明顯的異物，其Na和O元素含量也較高。對G2#樣品進行機械開封后，未發(fā)現(xiàn)異常元素。從相關檢測進行分析可以知道，失效的光電耦合芯片內(nèi)部三極管處的鋁焊盤和局部電路有明顯的被腐蝕的形貌，而在樣品的失效位置檢測出含量明顯偏高的Na和O元素，這說明有外部的物質(zhì)進入到封裝內(nèi)部，對芯片表面的金屬進行腐蝕，最終導致金屬連接線斷開，從而使樣品呈現(xiàn)開路失效。

為了降低光電耦合芯片發(fā)生此種開路失效現(xiàn)象的可能性，保證光電耦合芯片封裝的可靠性，首先，在芯片封裝過程中就需要優(yōu)化器件封裝工藝，檢測器件封裝的氣密性[6-7]，需要對器件內(nèi)部水汽含量進行有效的控制，防止水汽存在或被引入器件的內(nèi)部；其次，需要改善光電耦合芯片的工作和存儲環(huán)境，不能讓器件長期暴露在潮濕或惡劣的環(huán)境中，濕氣和鹽霧的侵蝕很容易導致芯片表面金屬連接線的腐蝕和斷裂。

3 結(jié)束語

針對光電耦合芯片的開路失效問題，選取了一個典型的案例進行分析，詳細地介紹了光電耦合芯片的分析過程和手段，包括所采用的形貌觀察、電參數(shù)測試、X射線檢測、SEM&EDS等分析手段，并與良品進行了對比。通過分析得知，導致開路的主要原因為鋁焊盤和局部電路的腐蝕。同時總結(jié)和分析了導致開路失效的主要原因。

為了降低器件開路失效發(fā)生的概率，可采取的對策主要有以下兩條：

a)改善器件封裝工藝，檢測器件封裝過程中的氣密性，嚴格地控制器件內(nèi)部的水汽含量，防止在封裝時把水汽引入器件的內(nèi)部；

b)改善光電耦合芯片的工作和存儲環(huán)境，不能讓器件長期暴露在潮濕或惡劣的環(huán)境中，因為環(huán)境中的濕氣和鹽霧很容易進入封裝內(nèi)部，對芯片表面的金屬進行腐蝕。