劉曉婷，曹玉卓

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110000；2.石家莊工商職業(yè)學(xué)院，石家莊050000）

1 引 言

光電耦合器簡(jiǎn)稱光耦，是一種把發(fā)光器件和光敏器件封裝在同一殼體內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器件，其內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)理為：電信號(hào)→光信號(hào)→電信號(hào)。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電器件已廣泛應(yīng)用于軍用、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域[1-4]。光耦作為光電器件的典型代表，以其體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)等特點(diǎn)，現(xiàn)多用于電氣隔離、開關(guān)電路和高壓隔離等諸多電路中[5-6]。由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，光耦的體積越來(lái)越小，集成度越來(lái)越高，使用環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，因此在使用中發(fā)生失效的現(xiàn)象也呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn)[7-8]。針對(duì)某用戶使用的由Renesas 公司生產(chǎn)的某型光耦器件發(fā)生的一例失效案例，結(jié)合該器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)光耦失效分析的流程和方法展開探討，最終確認(rèn)此次失效發(fā)生的真正原因。

2 結(jié)構(gòu)特性及失效現(xiàn)象

案例中的光耦器件結(jié)構(gòu)及電路原理如圖1、圖2所示。通常將發(fā)光器件一側(cè)稱為輸入端，光敏接收器件一側(cè)稱為輸出端。當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)電流而發(fā)光，光敏元件受到光照后產(chǎn)生電流，CE 導(dǎo)通；當(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，CE 不通。對(duì)于輸出端，當(dāng)輸入為低電平“0”時(shí)，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時(shí)，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“0”。在它的線性工作范圍內(nèi)，這種耦合具有線性變化關(guān)系。由于輸入端和輸出端之間是用光來(lái)耦合，因而輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)反饋，這就很好地實(shí)現(xiàn)了電學(xué)隔離。

圖1 光耦器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 光耦器件電路原理圖

該器件的失效表現(xiàn)為光耦器件所在的電源模塊工作輸出異常，斷電后進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電源模塊輸出時(shí)斷時(shí)續(xù)，參數(shù)發(fā)生漂移。

3 失效分析流程和方法

在確認(rèn)光耦器失效后，使用一系列失效分析技術(shù)方法進(jìn)行試驗(yàn)，以求結(jié)合理論分析最終確認(rèn)該失效樣品的失效機(jī)理及明確失效原因。試驗(yàn)方法從無(wú)損檢查到破壞性分析的順序進(jìn)行逐一排查。失效分析流程圖如圖3 所示。

圖3 失效分析流程圖

本次失效分析選取一只性能異常的失效光耦器件，簡(jiǎn)稱失效件；另取一只性能正常并可作對(duì)比用的光耦，簡(jiǎn)稱對(duì)比件。失效件與對(duì)比件為同一型號(hào)、同一批次、同一使用環(huán)境的光耦器，封裝形式均為塑封。對(duì)比件、失效件均來(lái)自同一塊失效電源模塊。兩只光耦器在電源模塊內(nèi)部的位置如圖4 所示。

圖4 器件選取部位及電源模塊內(nèi)部形貌圖

3.1 外觀檢查

外觀檢查是為了排除失效件為假冒件的可能性，包括有無(wú)二次涂覆、二次打標(biāo)等現(xiàn)象。同時(shí)也要確認(rèn)失效件塑封表面和引腳是否存在機(jī)械損傷，引腳有無(wú)銹蝕痕跡等現(xiàn)象。兩只器件的外觀如圖5?？梢酝ㄟ^(guò)觀看確認(rèn)失效件為拆機(jī)件，引腳有焊錫殘留，其他未見異常。

圖5 失效-對(duì)比器件外觀形貌

3.2 X 射線檢查

對(duì)失效件進(jìn)行X 射線檢查可了解失效件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、芯片所在位置、鍵合絲連接狀況，以及鍵合絲、基板和塑封料的微缺陷等。

X 射線檢查俯視形貌如圖6 所示。由圖中可見，光耦器的內(nèi)部有兩塊芯片，分別與一根鍵合絲相連，鍵合絲的另一端與基板相連接。從鍵合絲的顏色深度可以判斷該光耦器所用鍵合絲為金絲。通過(guò)對(duì)比件和失效件之間的比較可知，失效件內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見異常。

圖6 X 光檢查形貌圖（俯視圖）

對(duì)比件X 光檢查形貌及異常處放大形貌如圖7、圖8 所示。失效件X 光檢查形貌及異常處放大形貌如圖9、圖10 所示。從X 射線檢查側(cè)視圖中可見，對(duì)比件、失效件均在同一部位存在異常，即輸入二極管上的鍵合絲在靠近外鍵合點(diǎn)頸縮處呈現(xiàn)斷開狀態(tài)。這種斷開的狀態(tài)并不明顯，且對(duì)比件與失效件在此處的斷開均存在虛接的可能性，須進(jìn)一步開封鏡檢查明。且從X 射線檢查的側(cè)視圖中可以觀察到輸入二極管芯片以及鍵合絲之上均有膠覆蓋。

圖7 對(duì)比件X 光檢查形貌（側(cè)視圖）

圖8 對(duì)比件X 光檢查異常處放大形貌（側(cè)視圖）

圖9 失效件X 光檢查形貌（側(cè)視圖）

圖10 失效件X 光檢查異常處放大形貌（側(cè)視圖）

3.3 開封鏡檢

開封鏡檢可對(duì)光耦器件內(nèi)部進(jìn)行無(wú)損檢查。在除去塑封料之后，直接觀察到光耦器件內(nèi)部二極管芯片、鍵合絲以及基板形貌。由于器件塑封料的去除需要用到化學(xué)腐蝕物質(zhì)，所以會(huì)將輸入二極管芯片以及鍵合絲表面的膠一并除去，而二極管芯片、鍵合絲以及基板在化學(xué)腐蝕的過(guò)程中基本不會(huì)受損。

為進(jìn)一步確認(rèn)X 射線檢查中的異常位置，將對(duì)比件與失效件進(jìn)行開封鏡檢。對(duì)比件開封后，在顯微鏡下可以觀察到其輸入二極管上的鍵合絲在靠近外鍵合點(diǎn)頸縮處未明顯呈現(xiàn)出斷開狀態(tài)。對(duì)比件開封及斷開處放大形貌如圖11、圖12 所示。失效件開封后，在顯微鏡下可以觀察到輸入二極管上的鍵合絲在靠近外鍵合點(diǎn)頸縮處已斷開，失效件開封及斷開處放大形貌如圖13、圖14 所示。

圖11 對(duì)比件開封形貌

圖12 對(duì)比件鍵合絲放大形貌

圖13 失效件開封形貌

圖14 失效件鍵合絲放大形貌

3.4 非破壞鍵合拉力試驗(yàn)

由于對(duì)比件X 射線檢查中已經(jīng)初步判斷其輸入二極管上的鍵合絲為斷開狀態(tài)，為確認(rèn)其鍵合絲斷開形貌，將開封后的對(duì)比件置于顯微鏡下觀察，見其鍵合絲斷開狀態(tài)并不明顯，可判斷為對(duì)比件鍵合絲的斷開處呈現(xiàn)虛接狀態(tài)。在無(wú)外力的情況下，這種虛接的狀態(tài)很難被改變，進(jìn)而導(dǎo)致在開封后難以觀察到其斷開狀態(tài)。

基于此判斷，隨后應(yīng)對(duì)對(duì)比件輸入二極管上的鍵合絲進(jìn)行非破壞拉力試驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)在不破壞鍵合絲的情況下，判斷鍵合絲與基板以及鍵合絲與芯片之間的連接性是否合格。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示對(duì)比件輸入二極管上鍵合絲的鍵合拉力為“零克力”，說(shuō)明鍵合絲與基板之間已無(wú)連接性，呈現(xiàn)虛接的狀態(tài)。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，鍵合絲也從其虛接處隨著拉力機(jī)的鉤子抬起，對(duì)比件輸入二極管鍵合絲完全脫離形貌如圖15 所示。

圖15 非破壞鍵合拉力試驗(yàn)后對(duì)比件鍵合絲脫離

3.5 掃描電鏡檢查

通過(guò)對(duì)光耦器內(nèi)部鍵合絲斷開處進(jìn)行掃描電鏡檢查，可更清晰觀察斷口形貌，從斷口形貌也可以初步判斷其是否為過(guò)電應(yīng)力或者機(jī)械應(yīng)力所造成。

通過(guò)開封鏡檢已可初步判斷，對(duì)比件、失效件內(nèi)部鍵合絲斷開后仍呈現(xiàn)虛接狀態(tài)，使得器件仍能在某種條件下工作。對(duì)比件與失效件在后續(xù)的持續(xù)工作中鍵合絲斷口處受外界應(yīng)力作用，其形貌必然發(fā)生了變化，故掃描電鏡中所觀察到的斷口形貌已非其原始形貌。在掃描電鏡視野中，對(duì)比件鍵合絲基板一側(cè)斷口形貌如圖16 所示；失效件鍵合絲基板一側(cè)斷口形貌如圖17 所示。

圖16 對(duì)比件掃描電鏡檢查斷口形貌

圖17 失效件掃描電鏡檢查斷口形貌

由電鏡中觀測(cè)到的形貌可見，對(duì)比件鍵合絲基板一側(cè)斷口處呈現(xiàn)凹坑狀，無(wú)過(guò)電應(yīng)力造成的融球等現(xiàn)象；失效件鍵合絲基板一側(cè)斷口處呈凸起狀，亦無(wú)過(guò)電應(yīng)力造成的融球等現(xiàn)象。還須進(jìn)一步在能譜成分分析中獲得更明確的信息。

3.6 能譜成分分析

對(duì)光耦器內(nèi)部鍵合絲斷開處進(jìn)行能譜成分分析，可以檢測(cè)其斷口處是否存在腐蝕成分，從而排除有腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)通過(guò)某種途徑進(jìn)入器件，進(jìn)而對(duì)鍵合絲斷口處造成損傷的可能性。在對(duì)比件輸入二極管上鍵合絲斷口處能譜成分分析結(jié)果如圖18所示；失效件輸入二極管上鍵合絲斷口處能譜成分分析的結(jié)果如圖19 所示。

圖18 對(duì)比件斷口處能譜成分分析

圖19 失效件斷口處能譜成分分析

從能譜分析的結(jié)果中可見，無(wú)論對(duì)比件還是失效件，皆未發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素的存在。

4 綜合分析及糾正措施

綜合上述各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果展開分析：

①X 射線檢查可確定對(duì)比件及失效件輸入二極管上的鍵合絲在靠近外鍵合點(diǎn)頸縮處均已斷開。

②開封后觀察可見失效件鍵合絲已斷開，但對(duì)比件鍵合絲斷開形貌并不明顯，對(duì)其進(jìn)行非破壞鍵合拉力試驗(yàn)后，可知其鍵合絲確已斷開，說(shuō)明對(duì)比件鍵合絲斷開處呈現(xiàn)虛接狀態(tài)，此種虛接狀態(tài)必然會(huì)導(dǎo)致光耦的失效。某些情況下，光耦器件內(nèi)部鍵合絲的這種虛接在良好的外部環(huán)境下暫時(shí)不會(huì)顯現(xiàn)出性能異常，如對(duì)比件，但卻存在著失效的隱患；有些器件在某些特殊的外部環(huán)境催生下（如高溫、低溫、工作一段時(shí)間等）則會(huì)引發(fā)性能異常，如失效件。

③對(duì)對(duì)比件、失效件鍵合絲斷口處進(jìn)行掃描電鏡檢查及能譜成分分析。分析結(jié)果未見腐蝕元素，且從鍵合絲斷口處的形貌可以判斷，鍵合絲在發(fā)生斷裂的過(guò)程中未受到過(guò)電應(yīng)力損傷。

對(duì)于此次失效的光耦器件，以上試驗(yàn)結(jié)果可確定其失效位置，并基本排除其受到腐蝕以及過(guò)電應(yīng)力損傷的可能性。據(jù)對(duì)比件性能正常未失效也可以判斷光耦器芯片未受到損傷，進(jìn)而排除光耦器受到靜電損傷或人為使用失誤造成其失效的可能性。對(duì)光耦器進(jìn)行外檢可知其未受到機(jī)械損傷，可以排除運(yùn)輸及使用的過(guò)程中外力對(duì)光耦器造成損傷致使其失效的可能性。分析至此，可初步判斷造成此光耦器件鍵合絲斷開的可能原因?yàn)榄h(huán)境應(yīng)力以及內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的共同作用。

光耦器件在生產(chǎn)制造時(shí)存在鍵合處封裝工藝缺陷（如鍵合絲受損、鍵合拉力不夠等），有機(jī)膠與芯片、鍵合絲的熱匹配不好等情況。這種封裝工藝缺陷有時(shí)會(huì)導(dǎo)致光耦器在未經(jīng)使用時(shí)就已經(jīng)可以發(fā)現(xiàn)其輸入二極管鍵合絲頸縮處斷開。而光耦器內(nèi)部有機(jī)膠的熱膨脹系數(shù)很難調(diào)整到與芯片、鍵合絲完美匹配，當(dāng)器件遭受劇烈的溫度變化時(shí)，在芯片和有機(jī)膠之間就會(huì)存在水平方向上的剪切力。這種剪切力有可能導(dǎo)致鍵合絲被拉斷，也有可能導(dǎo)致有機(jī)膠從芯片上脫起, 同時(shí)將鍵合絲從鍵合點(diǎn)上拉脫。

在本次的失效光耦器中，對(duì)比件與失效件均屬內(nèi)部材料之間的熱匹配不良，在受到外界溫度變化影響后，使得輸入二極管的芯片和有機(jī)膠在水平方向上產(chǎn)生了剪切力，受此剪切力持續(xù)作用后，最為薄弱的頸縮處成為最先屈服的位置，其受到損傷后致使鍵合絲呈現(xiàn)虛接狀態(tài)，并最終導(dǎo)致光耦失效。這就是此次器件失效的真正原因。

此次所分析的光耦器件失效形式與封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料相關(guān)，往往會(huì)呈現(xiàn)批次性傾向，只能通過(guò)改善封裝結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)各材料之間的熱膨脹系數(shù)的匹配性來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。由于同一失效模塊上的對(duì)比件也存在相同故障問(wèn)題，應(yīng)建議對(duì)光耦器件合格品抽樣進(jìn)行DPA 檢查以判斷是否存在批次問(wèn)題。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

從一次有代表性的實(shí)際器件失效案例出發(fā)，逐步分析、詳細(xì)討論光耦器失效分析的完整流程和方法，推斷光耦器件失效機(jī)理，最終定位真正造成器件失效的原因所在。該分析流程及方法對(duì)廠家制造工藝的改進(jìn)和預(yù)防措施的制定以及用戶的問(wèn)題分析有著一定的指導(dǎo)意義，也有助于光耦器件質(zhì)量與可靠性水平的進(jìn)一步提高。