光電耦合器(OCEP)早期故障的可靠性研究及應(yīng)用

光耦俗稱光電耦合器，是以光為媒介傳輸電信號的一種電- 光- 電轉(zhuǎn)換器件，由發(fā)光源和受光器兩部分組成，將兩部分組裝在同一密閉殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。光耦的性能主要包括電氣特性（輸入、輸出）、連接電氣特性、隔離電氣特性、開關(guān)特性等。

由于其性能特性，光耦的優(yōu)點(diǎn)很明顯：光電耦合器輸入和輸出之間絕緣，絕緣電阻一般都大于50 GΩ，可起到很好的安全保障作用；光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為100 kΩ~1 MΩ；光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時間只有10 μs 左右（或者更小），適于對回應(yīng)速度要求很高的場合；無觸點(diǎn)、壽命長、體積小、耐沖擊；容易和邏輯電路配合。本文從器件結(jié)構(gòu)、核心關(guān)鍵參數(shù)方面進(jìn)行分析，其整改方案思路可以為半導(dǎo)體器件失效分析整改提供借鑒和參考。

1   事件背景

在家電制造及用戶使用時，光耦常見的反饋異?？蓪?dǎo)致電控功能異常，用戶反饋主板不工作，核實(shí)故障原因?yàn)楣怦钍拢搯栴}主要集中在3 個月內(nèi)，屬于早期故障，該問題已經(jīng)嚴(yán)重影響售后質(zhì)量。

2   失效機(jī)理研究

光耦失效大部分集中在早期，主要表現(xiàn)為金線綁定異常、內(nèi)部殘留金屬異物、漏打膠、晶片污染等方面。涉及以上失效現(xiàn)象的器件將導(dǎo)致光耦輸入端、輸出端、電流傳輸比等關(guān)鍵性能參數(shù)異常，器件無法正常工作，最終導(dǎo)致整個電控功能可靠性下降，是家電制造業(yè)面臨的主要問題。

3   失效原因及失效機(jī)理分析

3.1 金線綁定異常

X 光發(fā)現(xiàn)光耦內(nèi)部金線綁定異常，出現(xiàn)金線坍塌，如圖1、圖2 所示，輸出端金線綁定為SQ-LOOP 結(jié)構(gòu)。

1）輸出側(cè)導(dǎo)線變形、無刮傷，為粘結(jié)導(dǎo)線受應(yīng)力所致。由于導(dǎo)線無刮傷，分析為軟材質(zhì)導(dǎo)致，施加在線框的應(yīng)力沒有設(shè)置在正確位置，如圖3 所示。

圖3 開封觀察內(nèi)部形貌

晶片、導(dǎo)線與焊接點(diǎn)無損傷，如圖4、圖5 所示。

圖4 晶片形貌

圖5 導(dǎo)線與焊接點(diǎn)形貌

2）輸出側(cè)導(dǎo)線變形、刮傷，分析為人員手動拔線時鑷子誤觸到相鄰產(chǎn)品所致，如圖6、圖7 所示。

圖6 晶片側(cè)面形貌

圖7 晶片俯視形貌

放大焊接點(diǎn)觀察存在刮傷現(xiàn)象，從導(dǎo)線變形形狀分析是從上面壓下，且有一道劃痕，變形是由頂部施加外力導(dǎo)致，如圖8、圖9 所示。

圖8 放大焊接點(diǎn)形貌

圖9 導(dǎo)線劃痕形貌

3.2 內(nèi)部殘留金屬異物

X 光發(fā)現(xiàn)光耦內(nèi)部有金屬異物，異物為線狀，且密封在內(nèi)模樹脂內(nèi)從封裝樹脂上部到輸入側(cè)的引線框內(nèi)，如圖10 所示。

圖10 光耦內(nèi)部金屬異物

進(jìn)行金相研磨，輸入側(cè)附近確認(rèn)為金屬異物，使用EDX（光譜儀）對其成分進(jìn)行分析，金屬異物主要成分為Cu（銅），與支架成分一致，如圖11、圖12 所示。

圖11 金相研磨后形貌

圖12 EDX成分測試結(jié)果

3.3 漏打膠

光耦性能測試發(fā)現(xiàn)，電流傳輸比嚴(yán)重偏小，經(jīng)X-射線檢查發(fā)現(xiàn)光耦LED（發(fā)光二極管）側(cè)漏點(diǎn)保護(hù)樹脂，器件存在漏點(diǎn)保護(hù)樹脂工序，發(fā)射端漏打透明膠，如圖14 方框處所示。

圖13 X光漏打膠異常品

圖14 X光打膠正常品

當(dāng)晶片通電發(fā)熱時，白膠對支架及晶片會有熱漲冷縮的熱效應(yīng)，如圖15（藍(lán)色箭頭代表熱應(yīng)力方向）所示。因晶片材質(zhì)為GaAs（砷化鎵），該效應(yīng)會對晶片產(chǎn)生錯位的物理現(xiàn)象，并產(chǎn)生弗侖克爾缺陷（Frenkel Defect）和肖特基缺陷（Schottky Defect），導(dǎo)致晶片電子空穴分布異常，電流不均，能量值偏低，CTR（電流傳輸化）值下降，需要用矽膠包覆避免膠體應(yīng)力錯位。

圖15 熱脹冷縮的熱效應(yīng)

圖16 正常排列   圖17 異常排列

硅膠主要功能是保護(hù)輸入端晶片，避免晶片受熱后因熱脹冷縮膠體應(yīng)力使輸入端晶片受損，導(dǎo)致能量減弱，CTR 值變小，如圖18、圖19 所示。

3.4 晶片污染

光耦輸出端失效，故障批次不集中，該編碼有3 個廠家A、B、C 都在使用，只有A 廠家反饋輸出端失效，失效現(xiàn)象集中。通過輸出端存在的失效現(xiàn)象，使用放大鏡、X- 射線設(shè)備、半導(dǎo)體測試儀、晶體管圖示儀、掃描電子顯微鏡等設(shè)備對器件進(jìn)行分析判斷。

1）C-E 反向電壓為9 V 時電流發(fā)生跳變，C-E 雙向漏電；

圖20 特性曲線圖

2）X 光核實(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、金線綁定等均無明顯異常。

3）開封檢查

采用機(jī)械辦法開封，發(fā)現(xiàn)輸出端芯片在邊角位置有變色，如圖23、圖24 所示。

圖23 開封后外觀

圖24 輸出端外觀

該位置的表面電極到芯片邊緣鈍化上分布有白色金屬光澤多余物，如圖25、圖26 所示。

圖25 變色位置放大

圖26 輸出端芯片的SEM背散射形貌

該邊角位置電極（鋁金屬）表面的鈍化有破損，如圖27、圖28 所示。

圖27 方框的SEM背散射形貌放大

圖28 方框的SEM背散射形貌放大

掃描電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)，白色金屬光澤多余物呈枝晶狀，見圖29，且多余物位置含有A1、Ag、Na、K等元素，如圖30 所示。

圖29 方框的SEM背散射形貌放大

圖30 多余物位置的ESD成分分析

綜上分析，光耦樣品的芯片表面被含Na、K 元素的物質(zhì)污染，引起芯片粘接材料中Ag 和芯片表面電極中的A1 發(fā)生電化學(xué)遷移導(dǎo)致漏電失效。

4   失效復(fù)現(xiàn)

4.1 金線綁定

1）輸出側(cè)導(dǎo)線變形、無刮傷。在耦合和成型過程中，振動施加到耦合框架上，封裝樹脂與金屬絲接觸引起金屬絲變形，故障模擬復(fù)現(xiàn)，具體表現(xiàn)：Encap 樹脂接觸電線，斥力與坐標(biāo)系平行；承托罩的力無法完成，有一根線材彎曲到框架上；只在線材PTR 附近發(fā)生彎曲，如圖31 所示。

圖33 模擬振動故障

2）輸出側(cè)導(dǎo)線變形、刮傷。模擬在拔出導(dǎo)線時鑷子誤與相鄰產(chǎn)品上導(dǎo)線接觸，鑷子接觸相鄰產(chǎn)品上的導(dǎo)線，再現(xiàn)相同的導(dǎo)線變形模式，如圖32、圖33 所示。

圖32 模擬拔導(dǎo)線故障

圖33 拔導(dǎo)線后變形形貌

復(fù)現(xiàn)故障形狀如圖34、圖35 所示。

圖34 復(fù)現(xiàn)故障放大形貌

圖35 復(fù)現(xiàn)故障放大形貌

4.2 金屬異物

框架放置錯位，設(shè)置到模具上，引線框架的邊緣被切斷，并造成金屬碎片，金屬碎片再現(xiàn)，產(chǎn)生類似于失效的金屬碎片，與故障現(xiàn)象相同，如圖36、圖37 所示。

圖36 支架放置正確

圖37 支架放置錯位

密封在內(nèi)模樹脂中的金屬碎片是由于內(nèi)模模具的框架錯位而產(chǎn)生的，該錯位導(dǎo)致框架邊緣被模具面板壓住。隨后，在接下來的內(nèi)模過程中，掉落在模具上的金屬碎片被密封在包裝中，如圖38、圖39 所示。

圖38 框架錯位邊緣被模具壓后

圖39 金屬碎片掉落在模具上

故障是由于幀錯位或金屬碎片不慎掉落在模具上造成的，導(dǎo)致金屬碎片被密封在樹脂內(nèi)。

4.3 漏打膠

人工從大針筒加入小點(diǎn)膠針筒加膠時，方法不夠優(yōu)化，未沿針筒壁加膠，導(dǎo)致硅膠有機(jī)會產(chǎn)生氣泡，點(diǎn)膠空點(diǎn)，出現(xiàn)未點(diǎn)膠現(xiàn)象。

氣壓加膠方式：矽膠攪拌脫泡完成（脫泡20 min）→添加到注射針管（有可能產(chǎn)生氣泡）→添加到點(diǎn)膠針管（容量5 CC）（有可能產(chǎn)生氣泡）→添加完成，進(jìn)行調(diào)機(jī)生產(chǎn)。

從大針筒加入小點(diǎn)膠針筒時，對著小針筒直接注入產(chǎn)生氣泡。

圖40 對著小針筒直接注入

圖41 針筒內(nèi)有氣泡

點(diǎn)膠CCD 后不良品未落實(shí)重新作業(yè)流程，導(dǎo)致未點(diǎn)膠制品返工后未經(jīng)CCD 復(fù)測直接放入下道工序，漏打膠不良制品流出。

圖42 點(diǎn)膠CCD后不良品

4.4 晶片污染

材料核實(shí)含有Na（0.56%）、Ag（5.27%）、Al（4.86%）、K（2.13%）等元素，根據(jù)制造流程，初步判定晶片表面異常元素來源為銀膠。銀膠中的主要成為是Ag（75%~80%）+Si（10%~15%）+ 金屬元素（5%~10%），其金屬元素包含Na 元素，根據(jù)晶片元素以及銀膠成分對比，鎖定晶片表面污染為銀膠殘留。

設(shè)備生產(chǎn)時氣流不穩(wěn)定，取晶失敗時機(jī)臺不停機(jī)，造成吸嘴粘膠，導(dǎo)致出現(xiàn)晶片沾膠現(xiàn)象。當(dāng)吸嘴吸附晶片失誤時（吸嘴上無晶片），設(shè)備漏固晶檢驗(yàn)通知功能未有效識別，導(dǎo)致吸嘴處無芯片時設(shè)備繼續(xù)做固晶動作，此時另外一個點(diǎn)膠針頭已經(jīng)在支架上點(diǎn)膠，導(dǎo)致固晶的吸嘴下沉沾膠，在吸取下一顆芯片時銀漿留在芯片表面。吸嘴吸附晶片失誤說明：現(xiàn)有機(jī)臺漏固晶檢驗(yàn)通知功能為流量式，設(shè)備漏固晶檢驗(yàn)通知吸附失誤檢出值位于吸嘴吸附晶片和未吸附晶片流量值之間，因氣流不穩(wěn)定可能會造成晶片吸附失誤，出現(xiàn)未檢出現(xiàn)象。

5   可靠性整改方案

5.1 金線綁定

在耦合和成型過程中，振動可以施加到耦合框架上，通過封裝樹脂與金屬絲接觸引起金屬絲變形。為了防止這種情況的發(fā)生，采用梯形線圈固定邊框，以避免在鋼絲變形時發(fā)生短路，輸出端導(dǎo)線成型為SQ-LOOP 結(jié)構(gòu)，避免光耦綁定不良導(dǎo)致三極管端（3、4 腳）呈短路狀態(tài)。

圖43 Q-LOOP結(jié)構(gòu)

圖44 SQ-LOOP結(jié)構(gòu)

設(shè)備報(bào)警第2 焊點(diǎn)不黏時，對對應(yīng)支架頭部做點(diǎn)記標(biāo)識，當(dāng)材料焊完線后，立即將挑線材料取出集中處理，避免混入下道工序。

圖45 焊點(diǎn)不黏設(shè)備報(bào)警

圖46 支架頭部標(biāo)識

同時將聯(lián)軸器的驅(qū)動方式改為伺服電機(jī)，以減少設(shè)備振動產(chǎn)生的影響。

5.2 金屬異物

為了防止幀錯位，設(shè)置新的幀載體，增加定位塊來正確設(shè)置幀，現(xiàn)有引腳只有2 個位置/ 幀（黃色箭頭），增加定位塊到16 個位置/ 幀（紅色箭頭），共計(jì)18 個位置/ 幀。

圖47 幀載體定位塊位置圖

同時增加模具清潔（吹氣），確認(rèn)模面是否清潔干凈，每模先用氣槍吹轉(zhuǎn)進(jìn)口，再吹上模，最后吹下模，由身前往模具內(nèi)呈“S”型吹模具，每次吹模不低于5 s，吹完后確認(rèn)模具是否清理干凈，模具內(nèi)是否有金屬異物及其他異物殘留。

5.3 漏打膠

人工加膠從大針筒對著小針筒直接注入時，硅膠注入會產(chǎn)生氣泡，而在將大針筒注入針筒時沿邊注入，矽膠慢慢流入，可有效減少氣泡產(chǎn)生。

圖48 沿邊注入針筒

氣壓式點(diǎn)膠使用5 CC 針管點(diǎn)膠，硅膠添加時可能會產(chǎn)生氣泡，針管容量小，脫泡矽膠會溢出，無法脫泡。灌膠頭使用30 CC 針管點(diǎn)膠，添加硅膠后脫泡，使針管內(nèi)無氣泡產(chǎn)生，點(diǎn)膠硅膠方式可以由氣壓式點(diǎn)膠改為機(jī)械式點(diǎn)膠。點(diǎn)膠機(jī)通過氣壓表頭的氣壓大小來控制膠量，改為由伺服電機(jī)通過絲桿控制擠膠桿下降距離來控制膠量。

機(jī)械式加膠方式：硅膠攪拌脫泡完成（脫泡20 min）→添加到點(diǎn)膠針管（容量30 CC）→點(diǎn)膠針管脫泡（脫泡20 min）→安裝到設(shè)備，進(jìn)行調(diào)機(jī)生產(chǎn)。

5.4 晶片污染

固晶機(jī)漏固晶檢驗(yàn)通知功能由流量式改為光學(xué)式，通過透光率變化來判斷機(jī)臺吸晶不良及漏固晶異常，避免發(fā)生吸晶不良不報(bào)警。吸嘴無晶片時，激光發(fā)射端信號被接收端接收，放大器呈現(xiàn)ON 狀態(tài)，機(jī)臺報(bào)警停機(jī)；吸嘴有晶片時，激光發(fā)射端信號被晶片阻擋，接收端無法接收信號，放大器呈現(xiàn)OFF 狀態(tài)，機(jī)臺判定吸嘴有晶片完成固晶動作。

圖49 機(jī)臺漏固晶檢驗(yàn)通知光學(xué)式

圖50 漏固檢發(fā)射端、接收端機(jī)放大器位置

針對晶片異物材料對測試設(shè)備參數(shù)加嚴(yán)測試，當(dāng)Iceo 條件加壓至0.8~0.9 倍Vceo 電壓測試篩選，模擬晶片有銀膠時，Iceo 測試條件由原來的Vce=20 V、Max：0.1 μA 調(diào)整為Vce=70 V、Max：0.135 μA，測試值如表1 所示。

6   整改可靠性驗(yàn)證

1）通過X-ray 能夠有效篩選金線綁定、金屬異物、漏打膠等內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常現(xiàn)象。

2）制造過程中存在的異常品，如很多與成型失效有關(guān)的邊框不對中造成的產(chǎn)品都要進(jìn)行100% 外觀檢查和X 光檢查。

3）對CCD 設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，制定標(biāo)準(zhǔn)樣品及有缺陷的封樣件，其中包括漏點(diǎn)膠、膠少、膠偏、膠多的樣品，通過制定的標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)CCD 設(shè)備檢驗(yàn)的可靠性。

4）設(shè)備優(yōu)化方面的改進(jìn)，如減小振動產(chǎn)生、支架與設(shè)備模具間有效定位、機(jī)械式點(diǎn)膠控制方案、光學(xué)式檢驗(yàn)機(jī)臺固晶等，提高制程工序可靠性。

設(shè)備參數(shù)加嚴(yán)格測試條件，模擬晶片有銀膠異物時，通過漏電流測試篩選產(chǎn)品可靠性。

7   總結(jié)及意義

通過對光耦早期失效的研究及分析，收集光耦失效機(jī)理、失效因素、結(jié)構(gòu)可靠性、工藝等核實(shí)參數(shù)，對產(chǎn)品單體結(jié)構(gòu)可靠性對比論證。從器件工藝流程優(yōu)化整改，提升工藝流程可靠性，從而提升器件產(chǎn)品可靠性，完善對制造流程的全流程監(jiān)控，提升自動化制造、檢測能力，不斷優(yōu)化改進(jìn)制程，為半導(dǎo)體器件制造流程可靠性提供借鑒。

經(jīng)過此次整改，光耦在引入開發(fā)時需對其廠家生產(chǎn)全流程評審，進(jìn)行充分評估，并對跟蹤生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)收集整理，以提高產(chǎn)品的可靠性。

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):55-57,66.

[2] 王小龍,馮勇雄.光耦失效的幾種常見原因及分析[J].河南科技,2019(7):63-65.

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

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）