光耦失效的幾種常見原因及分析

王小龍 馮勇雄

摘 要：本文首先總結(jié)了光耦失效的幾種模式，然后基于線性光耦的工作原理、制程，找出光耦失效的原因，并闡述了在光耦生產(chǎn)過程、光耦應(yīng)用等環(huán)節(jié)如何進(jìn)行調(diào)查分析，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：光耦;失效;封裝;金線綁定;過電壓擊穿

中圖分類號(hào)：TN36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）07-0063-03

Abstract： Firstly， several modes of photo coupler failure were summarized. Then， based on the working principle and process of linear photo coupler， the causes of photo coupler failure were found out， and how to conduct investigation and analysis in the process of photo coupler production and application of photo coupler were elaborated， in order to provide reference for the research of relevant scholars.

Keywords： photo coupler;failure;packaging;gold wire binding;overvoltage breakdown

1 光電耦合器結(jié)構(gòu)及原理

光電耦合器（Photo coupler）簡稱光耦，其是以光為媒介來傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏管、光敏電阻）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)電-光-電轉(zhuǎn)換。

光耦原理圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。光耦的輸入端為發(fā)光二極管（LED），在結(jié)構(gòu)上通常置于光耦內(nèi)部的上方，LED晶片包裹一層樹脂;下方則為光敏管，其對(duì)光線較為敏感，當(dāng)LED發(fā)光照射過來時(shí)，該光敏管導(dǎo)通產(chǎn)生一定比例的電流，反之電流無法通過該光敏管[1]。

以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上得到廣泛應(yīng)用。

2 問題描述

光耦主要應(yīng)用在不共地的兩個(gè)電路之間，以達(dá)到兩個(gè)不同電路之間的信號(hào)傳輸。以光耦在家電空調(diào)上的應(yīng)用為例，其主要應(yīng)用在：開關(guān)電源電路的反饋電路中，需要1個(gè)光耦;變頻空調(diào)內(nèi)機(jī)、外機(jī)的通信電路中，需要4個(gè)光耦;變頻空調(diào)驅(qū)動(dòng)板上的MCU芯片與IPM模塊（智能功率模塊）之間的信號(hào)傳輸。

某公司家用空調(diào)產(chǎn)品在客戶端使用時(shí)報(bào)故障，更換電路板并返回后仔細(xì)對(duì)每一個(gè)電路板進(jìn)行維修排查發(fā)現(xiàn)是光耦失效引起的故障。對(duì)該問題持續(xù)跟蹤，發(fā)現(xiàn)多年以來光耦失效引起電路板異常的問題一直比較突出。通過統(tǒng)計(jì)可知，光耦的單個(gè)器件故障率在0.076‰以上，由此引起的整機(jī)功能故障不在少數(shù)，故需要對(duì)光耦進(jìn)行持續(xù)的失效分析和質(zhì)量改進(jìn)。

3 光耦失效原因

光耦的失效分析遵循常規(guī)的電子器件失效分析的方法和流程，即先進(jìn)行外觀檢查，然后進(jìn)行電性能檢測，再進(jìn)一步做非破壞性分析，若未發(fā)現(xiàn)失效原因，則必須對(duì)樣品進(jìn)行破壞性分析。

3.1 金線綁定不良引起光耦PIN1-2引腳開路

使用分辨率足夠的X-ray設(shè)備仔細(xì)檢查，會(huì)在光耦的輸入端LED上發(fā)現(xiàn)金線B點(diǎn)位置產(chǎn)生斷裂。造成金線B點(diǎn)斷開的原因是金線綁定所用的劈刀出現(xiàn)磨損和固定框架的壓板出現(xiàn)震動(dòng)。

若X-ray檢查未發(fā)現(xiàn)光耦存在問題，可以使用化學(xué)開封方法來確認(rèn)光耦的LED側(cè)是否存在問題。將不良品浸泡在80°的硝/硫酸混合酸中，數(shù)分鐘即可將光耦的塑封材料去除。經(jīng)過清洗后，在顯微鏡下分析光耦內(nèi)部框架及晶圓，發(fā)現(xiàn)焊線金球與芯片電極之間虛焊，焊球整體從芯片電極脫離，金球和電極之間沒有真正融合。造成虛焊的根本原因是芯片電極臟污、油污、氧化或者芯片電極劃傷[2]。光耦金線斷裂和化學(xué)開封圖見圖2。

3.2 固晶過程異常引起光耦輸出端PIN3-4短路

對(duì)部分光耦不良品進(jìn)行電性能測試發(fā)現(xiàn)，輸出端PIN3-4引腳短路。通過X-ray檢查發(fā)現(xiàn)了如圖3（a）所示的箭頭位置的異常點(diǎn)。輸出端PIN3-4引腳短路的原因如下。

光耦輸出端晶片上黑色陰影高度過高，從底下框架一直延伸到晶片頂部。經(jīng)分析確定黑色陰影為固定晶片用的銀膠，而銀膠太多，從框架上延伸到晶片頂部直接造成晶圓頂部與底層框架導(dǎo)通，在沒有光照的情況下，晶片的上下層就已經(jīng)導(dǎo)通了，表現(xiàn)出短路故障。

導(dǎo)致PIN3-4引腳短路的另一個(gè)原因是光耦輸出端的金線出現(xiàn)坍塌。通過X-ray檢查可以明顯發(fā)現(xiàn)金線的弧度異常。造成金線坍塌的原因是光耦輸出端在完成金線綁定工序后，周轉(zhuǎn)過程中不慎被其他異物壓倒，或者封裝注塑工序中光耦的上層框架出現(xiàn)晃動(dòng)壓倒了金線。金線坍塌如圖3（b）所示。

3.3 光耦生產(chǎn)過程漏工序?qū)е缕鋮?shù)電流傳輸比CTR偏小

對(duì)光耦不良品的電性能參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)輸入、輸出端單獨(dú)的性能參數(shù)完全符合要求。只是傳遞參數(shù)電流傳輸比CTR偏小，正常要求該參數(shù)CTR>100%，而不良品只有60%左右。在X-ray儀器下仔細(xì)對(duì)OK/NG樣品進(jìn)行對(duì)比，反復(fù)調(diào)節(jié)設(shè)備的亮度、對(duì)比度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩種樣品之間存在差異，OK樣品的LED附近顏色較亮，而NG樣品的LED附近則沒有這種情況。結(jié)合光耦封裝結(jié)構(gòu)，可判斷LED周邊較亮的顏色是透明保護(hù)樹脂，而NG品的X-ray檢查結(jié)果顯示其在缺少保護(hù)樹脂的情況下直接塑封[3]。CTR合格與不合格的光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)X-ray對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

剛開始使用光耦時(shí)，LED亮度還沒有衰減，故電流傳輸比符合要求，沒有樹脂做保護(hù)的LED的亮度衰減得很快，傳遞到光耦輸出端的光強(qiáng)不足，無法輸出足夠的電流導(dǎo)致光耦電流傳輸比偏小。光耦LED側(cè)是否做了透明樹脂保護(hù)，在X-ray檢查中仔細(xì)觀察其亮度是可以被發(fā)現(xiàn)的。

3.4 過電壓擊穿造成光耦PIN1-2引腳短路

對(duì)光耦進(jìn)行電性能檢查發(fā)現(xiàn)，光耦輸出端PIN1-2引腳短路。采用機(jī)械方法解剖光耦，將發(fā)光二極管的晶圓取出，在顯微鏡下觀察可以發(fā)現(xiàn)，晶圓存在破裂現(xiàn)象，且圍繞晶圓焊盤生出很多須狀物質(zhì)，如圖5所示。該不良經(jīng)確認(rèn)為光耦的LED曾出現(xiàn)反向過電壓擊穿，擊穿能量較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶圓出現(xiàn)破損裂紋。

進(jìn)一步對(duì)電路進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種損傷的光耦都集中在變頻空調(diào)內(nèi)機(jī)板上，且集中在靠近零線N位置的光耦上。分析電路認(rèn)為是強(qiáng)電零火線出現(xiàn)了浪涌電壓將光耦的LED擊穿。為了解決該問題，在零線N與電阻R2之間增加一個(gè)二極管，利用二極管的正向?qū)ㄌ匦员Ｗo(hù)TLP785光耦輸入端的LED。經(jīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，未再有此類不良反饋。

3.5 過電流使光耦PIN1-2引腳開路/短路

過電流導(dǎo)致光耦LED輸入端燒損的情況也會(huì)發(fā)生，但數(shù)量不會(huì)很多，一般都是在使用過程中操作不慎引起的大電流燒毀，如測試過程不小心加了較高的直流電壓，或者忘記接限流電阻。短時(shí)間的大電流燒損會(huì)引起光耦輸入端LED短路，若持續(xù)時(shí)間較長，會(huì)導(dǎo)致金線熔斷而表現(xiàn)為開路。

通過機(jī)械方法對(duì)光耦進(jìn)行解剖，將LED晶片取出來并在顯微鏡下觀察，會(huì)明顯發(fā)現(xiàn)該晶片有燒毀燒黑現(xiàn)象，如圖6（a）所示;而正常的光耦LED表面的金球和金線仍然是黃色的，如圖6（b）所示。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了家用空調(diào)控制板上使用的光耦出現(xiàn)的幾種常見失效現(xiàn)象，并分析失效的原因，希望能夠給從事電子元器件質(zhì)量管理、失效分析、可靠性研究的行業(yè)人員提供一些經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]田浦延，布良基，陳蒲生，等.光電耦合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝特點(diǎn)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2002（11）：55-57.

[2]肖詩滿.光電耦合器封裝及相關(guān)失效機(jī)理[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2011（4）：328-331.

[3]王衛(wèi)東.影響光電耦合器可靠性的工藝因素及其對(duì)策[J].液晶與顯示，2003（6）：464-467.