光電耦合器腐蝕失效分析與預(yù)防

劉大喜 周 峰

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，株洲 湖南 412001）

0 引言

光電耦合器又稱(chēng)光耦,是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電—光—電轉(zhuǎn)換器件。它具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，自上世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)廣泛使用于各種電路中[1]。光耦通常由組裝在同一殼體內(nèi)的發(fā)光器和受光器組成，彼此間用透明絕緣體隔離，常見(jiàn)的發(fā)光器為紅外線(xiàn)發(fā)光二極管（LED），受光器為光敏三極管。光要的關(guān)鍵性能參數(shù)包括：電流傳輸比CTR、絕緣電壓VISO，為了使其達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，通常會(huì)在輸入、輸出之間涂覆導(dǎo)光膠、反射膠、硅樹(shù)脂等材料。典型光耦封裝結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1 典型光耦封裝結(jié)構(gòu)

光耦獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和封裝材料決定了其存在與一般IC器件不同的失效模式。本文重點(diǎn)對(duì)電路板組件加工過(guò)程不合理導(dǎo)致的光耦內(nèi)部腐蝕失效進(jìn)行了歸納總結(jié)。

1 助焊劑選用不當(dāng)導(dǎo)致的氯腐蝕

某新產(chǎn)品在廠(chǎng)內(nèi)測(cè)試階段即出現(xiàn)了多起功能故障，經(jīng)排查確認(rèn)是PCBA上的光耦內(nèi)部LED芯片并未處在正常的正向?qū)顟B(tài)，導(dǎo)致輸出恒高失效，X光檢測(cè)發(fā)現(xiàn)失效光耦內(nèi)部鍵合線(xiàn)斷裂（見(jiàn)圖2）。

圖2 光耦內(nèi)部Pin1鍵合線(xiàn)斷裂

對(duì)失效光耦進(jìn)行機(jī)械開(kāi)封，發(fā)現(xiàn)LED芯片鍵合金絲有變色現(xiàn)象，LED芯片鋁金屬層有腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖3）。

圖3 光耦內(nèi)部芯片腐蝕變色

EDX分析確認(rèn)LED表面存在Cl元素。說(shuō)明該器件存在嚴(yán)重的Cl元素腐蝕現(xiàn)象。

對(duì)比分析失效和未失效光耦，在失效光耦引腳靠器件塑封的根部位置發(fā)現(xiàn)Cl元素同時(shí)發(fā)現(xiàn)有較大比例的Pb，說(shuō)明該引腳焊接時(shí)焊錫已上爬到引腳根部（焊料為SnPb），見(jiàn)圖4。未失效光耦爬錫高度較低，在其引腳靠器件塑封的根部未測(cè)試到 Cl 元素。

圖4 失效光耦引腳根部

查詢(xún)生產(chǎn)記錄，失效光耦均在回流焊接后被修復(fù)過(guò)焊點(diǎn)，為達(dá)到較好的焊點(diǎn)外觀(guān)，員工采用了含氯化物的ORL1型的水洗助焊劑。為確認(rèn)此工藝過(guò)程是否會(huì)導(dǎo)致光耦腐蝕失效，開(kāi)展焊接模擬試驗(yàn)，并進(jìn)行高溫高濕試驗(yàn)（85 ℃、 85%濕度，200 h），最后進(jìn)行功能測(cè)試及內(nèi)部物理分析，試驗(yàn)矩陣及結(jié)果見(jiàn)表1。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，光耦并是非密封器件，含氯化物的助焊劑能夠滲透至器件內(nèi)部并腐蝕鍵合區(qū)的鋁金屬層，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)開(kāi)路。因此，電路板組件加工過(guò)程中應(yīng)慎重使用含氯化物的助焊劑、焊錫絲、錫膏等材料,避免器件被氯化物腐蝕。

2 點(diǎn)膠工藝不合理導(dǎo)致的硫腐蝕

某批次產(chǎn)品裝上機(jī)車(chē)在某大型煉鋼廠(chǎng)露天停放了一年后出現(xiàn)故障，經(jīng)分析定位是光耦輸出恒高導(dǎo)致失效。對(duì)失效光耦進(jìn)行機(jī)械開(kāi)封，發(fā)現(xiàn)LED芯片表面腐蝕變色，腐蝕區(qū)域存在硫元素，在光耦的外部引腳上也發(fā)現(xiàn)了硫元素（見(jiàn)圖5）。

表1 高溫高濕試驗(yàn)因素水平表

圖5 LED芯片硫腐蝕

電路板組件加工時(shí)先對(duì)單板上的高大器件點(diǎn)RTV硅膠輔助固定，失效光耦與需要點(diǎn)膠的器件相鄰，硅膠會(huì)覆蓋一部分光耦本體。硅膠表干后再整板噴涂聚氨酯樹(shù)脂三防漆。覆蓋光耦表面的硅膠是2 mm～3 mm厚的彈性體，涂敷在硅膠表面的聚氨酯樹(shù)脂三防漆是一層厚度為0.03～0.13 mm的脆性薄膜，生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中輕微觸碰膠體都會(huì)導(dǎo)致其表面的三防漆膜破裂。另外，該型硅膠熱膨脹系數(shù)為0.088%/℃（880 ppm/℃），三防漆熱膨脹系數(shù)為0.02%/℃（200 ppm/℃），兩者存在較大差異。隨著環(huán)境溫度變化，硅膠體積膨脹和收縮均可能導(dǎo)致其表面的三防漆膜破裂。硅膠本身不含硫，但具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積達(dá)500～600 m2/g，對(duì)空氣中的極性分子硫化物有較強(qiáng)的吸附作用[2]。光耦為非氣密性器件，三防漆涂敷不完整或漆膜開(kāi)裂后，光耦表面及內(nèi)部的硅膠吸附大氣中的 H2S、SO2和潮氣形成亞硫酸或者硫酸，到一定濃度后與LED芯片表面的鋁金屬發(fā)生氧化反應(yīng)，形成鋁的硫酸鹽，導(dǎo)致光耦失效。

為明確硅膠對(duì)光耦硫化的影響，設(shè)計(jì)表2對(duì)比試驗(yàn)，產(chǎn)品加工完成后懸掛于蒸餾粉試驗(yàn)裝置中（裝置內(nèi)加有一定量的飽和硝酸鉀溶液及足量硫粉），然后將裝置放置于105 ℃的高溫箱中進(jìn)行濕硫磺蒸汽試驗(yàn)（溫度平衡后試驗(yàn)裝置內(nèi)部濕度在95%以上），每間隔48 h對(duì)樣品進(jìn)行功能測(cè)試，各時(shí)間點(diǎn)失效數(shù)量見(jiàn)表3。

表2 硫化試驗(yàn)因素水平表

表3 硫化試驗(yàn)失效數(shù)量表

試驗(yàn)進(jìn)行至192 h，組1、組4光耦均全部失效，組2、組3光耦未出現(xiàn)失效。對(duì)光耦機(jī)械開(kāi)蓋分析，組1、組4光耦LED芯片電極脫落，EDX檢測(cè)表明脫落區(qū)域存在硫元素，與使用現(xiàn)場(chǎng)失效模式一致，典型圖片見(jiàn)圖6。組2、組3光耦LED芯片正常，EDX檢測(cè)其表面未發(fā)現(xiàn)硫元素。

圖6 LED芯片電極硫腐蝕脫落

以上試驗(yàn)表明，光耦易被硫化物腐蝕，如需在高硫化物含量環(huán)境中使用，應(yīng)在器件表面涂敷三防漆保護(hù)，將三防漆涂敷于硅膠表面不能起到良好的防護(hù)作用，因此調(diào)整電路板組件的加工流程，先對(duì)產(chǎn)品噴涂三防漆，待其表干后再點(diǎn)硅膠加固。

3 結(jié)論

光耦為非氣密性結(jié)構(gòu)，電路板組件加工過(guò)程中使用的含氯化物的助焊劑能夠滲透至器件內(nèi)部腐蝕LED芯片的鋁金屬層導(dǎo)致斷裂開(kāi)路，因此應(yīng)慎重使用含氯化物的焊接、清洗、膠粘等材料。對(duì)于在高鹽霧、高含硫氣體、粉塵等惡劣環(huán)境下使用的光耦應(yīng)直接在器件表面涂敷三防漆且保證覆蓋完整，避免因點(diǎn)膠遮蔽器件導(dǎo)致漏涂敷或三防漆膜破裂而引發(fā)腐蝕失效。