馮文昕，孫哲，李道豫，邱志遠(yuǎn)，黃偉冠

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

光電耦合器，又被稱為光耦（OC ：Optical Coupler），通過(guò)發(fā)光二極管（LED），將輸入端電信號(hào)變?yōu)橐欢úㄩL(zhǎng)的光，被光電探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)化為光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出[1]。OC 以光為介質(zhì)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)化[2]。這種工作方式有著一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：輸入、輸出之間實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的單向傳輸與隔離，輸出端信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)完全沒(méi)有干擾，并且工作穩(wěn)定、傳輸效率高、使用壽命長(zhǎng)[3-4]。OC 已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于家電、軌道交通和通信等行業(yè)。OC 在電路中主要用作隔離器件，例如：空調(diào)內(nèi)外機(jī)通信、AC-DC電源隔離反饋、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等[5]。

本文針對(duì)OC 導(dǎo)致的失效事件開(kāi)展分析，確定了失效是由于OC 生產(chǎn)工藝問(wèn)題導(dǎo)致，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。

1 事件背景

本文涉及的OC 用于某家電產(chǎn)品，該產(chǎn)品在用戶端發(fā)生失效，失效現(xiàn)象為產(chǎn)品外殼發(fā)生過(guò)熱燒毀，如圖1-2 所示。產(chǎn)品失效呈現(xiàn)批次性，某批次產(chǎn)品失效率高達(dá)50%。經(jīng)測(cè)試（測(cè)試結(jié)果如表1所示），由于OC 失效，產(chǎn)品內(nèi)部的電源板輸出電壓遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致與電源板相連的LED 控制板功率上升而急劇地發(fā)熱，最終產(chǎn)品失效。

圖1 產(chǎn)品燒毀的典型圖片

圖2 拆開(kāi)燒毀的整機(jī)外殼后組件圖片

表1 電源板“13 V”輸出電壓測(cè)量

2 光電耦合器失效分析過(guò)程

OC 所在的電源板采用LLC 諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3-4 所示，使交流輸入轉(zhuǎn)換成直流輸出。為了保證客戶的使用安全，電源電路采用變壓器與OC 實(shí)現(xiàn)交流輸入端與直流輸出端的隔離。分析電源電路可知輸出電壓的穩(wěn)定主要由芯片（型號(hào)TL431）與OC（型號(hào)817A）實(shí)現(xiàn)，電壓穩(wěn)定工作原理如圖5 所示。

圖3 電源電路原理圖

圖4 輸出電壓調(diào)節(jié)

圖5 電源電路穩(wěn)定輸出電壓的反饋工作原理

2.1 光電耦合器參數(shù)測(cè)試

表征OC 的參數(shù)較多，例如：反向電流、反向擊穿電壓、正向壓降、正向電流、反向擊穿電壓、輸出飽和壓降、反向截止電流、電流傳輸比、脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間等。其中，電流傳輸比（CTR）是OC 最關(guān)鍵的參數(shù)[6]。CTR 指的是輸出管的工作電壓為規(guī)定值時(shí)，輸出電流和LED 正向電流之比[7]。

使用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀對(duì)失效電源板中的OC進(jìn)行CTR 參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。顯然所有被測(cè)的OC 的CTR 均遠(yuǎn)低于規(guī)格值范圍。結(jié)合圖5 分析，由于OC 的CTR 過(guò)低，即使輸出電壓偏高也無(wú)法使OC 的接收三級(jí)管的Ice電流增加，無(wú)法對(duì)電源回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致電源板輸出電壓偏高。

表2 失效樣品的電源板上的OC 的CTR 值測(cè)量結(jié)果

2.2 X 射線透視檢查

采用X 射線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)OC 內(nèi)部進(jìn)行檢查。作為比對(duì)將良品和失效品OC 進(jìn)行X 射線檢測(cè)，結(jié)果如圖6-8 所示。發(fā)現(xiàn)良品與失效品相比，在LED 上多覆蓋有一層弧形物質(zhì)，如圖9 所示。

圖6 OPT-F1 #OC 側(cè)面X 光形貌

圖7 OPT-F1 #OC-LED 內(nèi)鍵合點(diǎn)X 光形貌

圖8 良品OC 側(cè)面X 光形貌

圖9 對(duì)圖8 區(qū)域進(jìn)行放大，發(fā)現(xiàn)了覆蓋在LED 上有一層弧形物質(zhì)（圖中線標(biāo)識(shí)）

2.3 光電耦合器制樣鏡檢與機(jī)械開(kāi)封

為了確認(rèn)在X 光中觀察到的差異，對(duì)失效品進(jìn)行制樣鏡檢，對(duì)良品進(jìn)行機(jī)械式開(kāi)封，得到的結(jié)果如圖10-13 所示。發(fā)現(xiàn)良品OC 如X 光觀察結(jié)果一樣，其LED 上覆蓋有一層軟膠。而失效品OC缺少與良品對(duì)應(yīng)的軟膠，其LED 直接與硬質(zhì)導(dǎo)光材料接觸。

圖10 OPT-F1 #OC 切片金相形貌

圖11 OPT-F1 #OC 切片局部放大金相形貌

圖12 良品OC 機(jī)械開(kāi)封形貌

圖13 良品OC 的LED 外觀形貌

2.4 電子顯微鏡觀察與能譜分析

對(duì)失效品的切片制樣進(jìn)行進(jìn)一步的觀察與能譜分析，結(jié)果如圖14-21 所示。發(fā)現(xiàn)LED 芯片邊緣存在多處裂紋，芯片邊緣的這些裂紋會(huì)嚴(yán)重地影響LED 的發(fā)光效率，進(jìn)而導(dǎo)致接收三極管僅能接收到少量的光線，因此OC 的電流傳輸比會(huì)大幅度地下降。

圖14 OPT-F1 #OC 的LED 的SEM 全貌圖15 OPT-F1 #OC 的LED 內(nèi)鍵合點(diǎn)局部放大SEM 形貌

圖16 圖14中所示B 區(qū)域的放大形貌（LED與硬質(zhì)導(dǎo)光材料界面）圖17 圖16中D 處區(qū)域放大形貌

圖18 圖14中所示C 區(qū)域的放大形貌（LED與硬質(zhì)導(dǎo)光材料界面）圖19 圖18中所示E 區(qū)域的放大形貌

圖20 圖19中箭頭指示的區(qū)域能譜分析結(jié)果（1）

圖21 圖19中箭頭指示的區(qū)域能譜分析結(jié)果（2）

2.5 綜合分析

綜上所述，失效的OC 在制造過(guò)程中未使用軟膠來(lái)保護(hù)LED，LED 芯片直接與硬質(zhì)導(dǎo)光材料接觸，由于硬質(zhì)導(dǎo)光材料與LED芯片材料之間的材料不匹配，使用過(guò)程中的振動(dòng)、溫度變化等條件都會(huì)使兩種材料之間產(chǎn)生應(yīng)力造成LED 芯片開(kāi)裂，導(dǎo)致OC 的CTR 大幅下降而失效。OC 失效后導(dǎo)致電源板輸出電壓過(guò)高，進(jìn)而使得LED控制板功率急劇地上升，最終使主板燒毀，存在嚴(yán)重的人身安全隱患。

2.6 改進(jìn)建議

該問(wèn)題屬于批次性工藝缺陷，因此建議生產(chǎn)廠家在制造過(guò)程中增加軟膠保護(hù)工序，避免LED 芯片直接與硬質(zhì)導(dǎo)光材料接觸。

2.7 光電耦合器來(lái)料檢驗(yàn)方法優(yōu)化

由于OC 多在電路中用作隔離器件，所以O(shè)C 的質(zhì)量對(duì)電器用戶的人身安全有著直接的影響。企業(yè)應(yīng)當(dāng)對(duì)采購(gòu)的OC 進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，增強(qiáng)來(lái)料質(zhì)量控制（IQC）。

傳統(tǒng)的IQC 方法主要是外觀尺寸檢查和電參數(shù)測(cè)試，顯然這兩種方法無(wú)法檢出本次失效分析中發(fā)現(xiàn)的批次性工藝缺陷。應(yīng)當(dāng)在原有方法的基礎(chǔ)上增加X(jué) 光檢查、開(kāi)封與內(nèi)部目檢，確定元器件內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的一致性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)失效產(chǎn)品的分析，發(fā)現(xiàn)失效OC 未使用軟膠對(duì)LED 芯片進(jìn)行保護(hù)，屬于批次性工藝缺陷，并針對(duì)該缺陷提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。同時(shí)，針對(duì)OC 的使用單位，對(duì)OC 的IQC 方法提出了改善建議。