光電耦合器(OCEP)早期故障的可靠性研究及應用

光耦俗稱(chēng)光電耦合器，是以光為媒介傳輸電信號的一種電- 光- 電轉換器件，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，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(kāi)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(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)有共地；光電耦合器的回應速度極快，其回應延遲時(shí)間只有10 μs 左右（或者更?。?，適于對回應速度要求很高的場(chǎng)合；無(wú)觸點(diǎn)、壽命長(cháng)、體積小、耐沖擊；容易和邏輯電路配合。本文從器件結構、核心關(guān)鍵參數方面進(jìn)行分析，其整改方案思路可以為半導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(hù)使用時(shí)，光耦常見(jiàn)的反饋異?？蓪е码娍毓δ墚惓?，用戶(hù)反饋主板不工作，核實(shí)故障原因為光耦失效所致，該問(wèn)題主要集中在3 個(gè)月內，屬于早期故障，該問(wèn)題已經(jīng)嚴重影響售后質(zhì)量。

2   失效機理研究

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

3   失效原因及失效機理分析

3.1 金線(xiàn)綁定異常

X 光發(fā)現光耦內部金線(xiàn)綁定異常，出現金線(xiàn)坍塌，如圖1、圖2 所示，輸出端金線(xiàn)綁定為SQ-LOOP 結構。

1）輸出側導線(xiàn)變形、無(wú)刮傷，為粘結導線(xiàn)受應力所致。由于導線(xiàn)無(wú)刮傷，分析為軟材質(zhì)導致，施加在線(xiàn)框的應力沒(méi)有設置在正確位置，如圖3 所示。

圖3 開(kāi)封觀(guān)察內部形貌

晶片、導線(xiàn)與焊接點(diǎn)無(wú)損傷，如圖4、圖5 所示。

圖4 晶片形貌

圖5 導線(xiàn)與焊接點(diǎn)形貌

2）輸出側導線(xiàn)變形、刮傷，分析為人員手動(dòng)拔線(xiàn)時(shí)鑷子誤觸到相鄰產(chǎn)品所致，如圖6、圖7 所示。

圖6 晶片側面形貌

圖7 晶片俯視形貌

放大焊接點(diǎn)觀(guān)察存在刮傷現象，從導線(xiàn)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致，如圖8、圖9 所示。

圖8 放大焊接點(diǎn)形貌

圖9 導線(xiàn)劃痕形貌

3.2 內部殘留金屬異物

X 光發(fā)現光耦內部有金屬異物，異物為線(xiàn)狀，且密封在內模樹(shù)脂內從封裝樹(shù)脂上部到輸入側的引線(xiàn)框內，如圖10 所示。

圖10 光耦內部金屬異物

進(jìn)行金相研磨，輸入側附近確認為金屬異物，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成分測試結果

3.3 漏打膠

光耦性能測試發(fā)現，電流傳輸比嚴重偏小，經(jīng)X-射線(xiàn)檢查發(fā)現光耦LED（發(fā)光二極管）側漏點(diǎn)保護樹(shù)脂，器件存在漏點(diǎn)保護樹(shù)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

當晶片通電發(fā)熱時(shí)，白膠對支架及晶片會(huì )有熱漲冷縮的熱效應，如圖15（藍色箭頭代表熱應力方向）所示。因晶片材質(zhì)為GaAs（砷化鎵），該效應會(huì )對晶片產(chǎn)生錯位的物理現象，并產(chǎn)生弗侖克爾缺陷（Frenkel Defect）和肖特基缺陷（Schottky Defect），導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力錯位。

圖15 熱脹冷縮的熱效應

圖16 正常排列   圖17 異常排列

硅膠主要功能是保護輸入端晶片，避免晶片受熱后因熱脹冷縮膠體應力使輸入端晶片受損，導致能量減弱，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(gè)廠(chǎng)家A、B、C 都在使用，只有A 廠(chǎng)家反饋輸出端失效，失效現象集中。通過(guò)輸出端存在的失效現象，使用放大鏡、X- 射線(xiàn)設備、半導體測試儀、晶體管圖示儀、掃描電子顯微鏡等設備對器件進(jìn)行分析判斷。

1）C-E 反向電壓為9 V 時(shí)電流發(fā)生跳變，C-E 雙向漏電；

圖20 特性曲線(xiàn)圖

2）X 光核實(shí)內部結構、金線(xiàn)綁定等均無(wú)明顯異常。

3）開(kāi)封檢查

采用機械辦法開(kāi)封，發(fā)現輸出端芯片在邊角位置有變色，如圖23、圖24 所示。

圖23 開(kāi)封后外觀(guān)

圖24 輸出端外觀(guān)

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，白色金屬光澤多余物呈枝晶狀，見(jiàn)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)遷移導致漏電失效。

4   失效復現

4.1 金線(xiàn)綁定

1）輸出側導線(xiàn)變形、無(wú)刮傷。在耦合和成型過(guò)程中，振動(dòng)施加到耦合框架上，封裝樹(shù)脂與金屬絲接觸引起金屬絲變形，故障模擬復現，具體表現：Encap 樹(shù)脂接觸電線(xiàn)，斥力與坐標系平行；承托罩的力無(wú)法完成，有一根線(xiàn)材彎曲到框架上；只在線(xiàn)材PTR 附近發(fā)生彎曲，如圖31 所示。

圖33 模擬振動(dòng)故障

2）輸出側導線(xiàn)變形、刮傷。模擬在拔出導線(xiàn)時(shí)鑷子誤與相鄰產(chǎn)品上導線(xiàn)接觸，鑷子接觸相鄰產(chǎn)品上的導線(xiàn)，再現相同的導線(xiàn)變形模式，如圖32、圖33 所示。

圖32 模擬拔導線(xiàn)故障

圖33 拔導線(xiàn)后變形形貌

復現故障形狀如圖34、圖35 所示。

圖34 復現故障放大形貌

圖35 復現故障放大形貌

4.2 金屬異物

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

圖36 支架放置正確

圖37 支架放置錯位

密封在內模樹(shù)脂中的金屬碎片是由于內模模具的框架錯位而產(chǎn)生的，該錯位導致框架邊緣被模具面板壓住。隨后，在接下來(lái)的內模過(guò)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，導致金屬碎片被密封在樹(shù)脂內。

4.3 漏打膠

人工從大針筒加入小點(diǎn)膠針筒加膠時(shí)，方法不夠優(yōu)化，未沿針筒壁加膠，導致硅膠有機會(huì )產(chǎn)生氣泡，點(diǎn)膠空點(diǎn)，出現未點(diǎn)膠現象。

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)行調機生產(chǎn)。

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

圖40 對著(zhù)小針筒直接注入

圖41 針筒內有氣泡

點(diǎn)膠CCD 后不良品未落實(shí)重新作業(yè)流程，導致未點(diǎn)膠制品返工后未經(jīng)CCD 復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，根據制造流程，初步判定晶片表面異常元素來(lái)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。

設備生產(chǎn)時(shí)氣流不穩定，取晶失敗時(shí)機臺不停機，造成吸嘴粘膠，導致出現晶片沾膠現象。當吸嘴吸附晶片失誤時(shí)（吸嘴上無(wú)晶片），設備漏固晶檢驗通知功能未有效識別，導致吸嘴處無(wú)芯片時(shí)設備繼續做固晶動(dòng)作，此時(shí)另外一個(gè)點(diǎn)膠針頭已經(jīng)在支架上點(diǎn)膠，導致固晶的吸嘴下沉沾膠，在吸取下一顆芯片時(shí)銀漿留在芯片表面。吸嘴吸附晶片失誤說(shuō)明：現有機臺漏固晶檢驗通知功能為流量式，設備漏固晶檢驗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，因氣流不穩定可能會(huì )造成晶片吸附失誤，出現未檢出現象。

5   可靠性整改方案

5.1 金線(xiàn)綁定

在耦合和成型過(guò)程中，振動(dòng)可以施加到耦合框架上，通過(guò)封裝樹(shù)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(xiàn)圈固定邊框，以避免在鋼絲變形時(shí)發(fā)生短路，輸出端導線(xiàn)成型為SQ-LOOP 結構，避免光耦綁定不良導致三極管端（3、4 腳）呈短路狀態(tài)。

圖43 Q-LOOP結構

圖44 SQ-LOOP結構

設備報警第2 焊點(diǎn)不黏時(shí)，對對應支架頭部做點(diǎn)記標識，當材料焊完線(xiàn)后，立即將挑線(xiàn)材料取出集中處理，避免混入下道工序。

圖45 焊點(diǎn)不黏設備報警

圖46 支架頭部標識

同時(shí)將聯(lián)軸器的驅動(dòng)方式改為伺服電機，以減少設備振動(dòng)產(chǎn)生的影響。

5.2 金屬異物

為了防止幀錯位，設置新的幀載體，增加定位塊來(lái)正確設置幀，現有引腳只有2 個(gè)位置/ 幀（黃色箭頭），增加定位塊到16 個(gè)位置/ 幀（紅色箭頭），共計18 個(gè)位置/ 幀。

圖47 幀載體定位塊位置圖

同時(shí)增加模具清潔（吹氣），確認模面是否清潔干凈，每模先用氣槍吹轉進(jìn)口，再吹上模，最后吹下模，由身前往模具內呈“S”型吹模具，每次吹模不低于5 s，吹完后確認模具是否清理干凈，模具內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(zhù)小針筒直接注入時(shí)，硅膠注入會(huì )產(chǎn)生氣泡，而在將大針筒注入針筒時(shí)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(shí)可能會(huì )產(chǎn)生氣泡，針管容量小，脫泡矽膠會(huì )溢出，無(wú)法脫泡。灌膠頭使用30 CC 針管點(diǎn)膠，添加硅膠后脫泡，使針管內無(wú)氣泡產(chǎn)生，點(diǎn)膠硅膠方式可以由氣壓式點(diǎn)膠改為機械式點(diǎn)膠。點(diǎn)膠機通過(guò)氣壓表頭的氣壓大小來(lái)控制膠量，改為由伺服電機通過(guò)絲桿控制擠膠桿下降距離來(lái)控制膠量。

機械式加膠方式：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）→安裝到設備，進(jìn)行調機生產(chǎn)。

5.4 晶片污染

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

圖49 機臺漏固晶檢驗通知光學(xué)式

圖50 漏固檢發(fā)射端、接收端機放大器位置

針對晶片異物材料對測試設備參數加嚴測試，當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(shí)，Iceo 測試條件由原來(lái)的Vce=20 V、Max：0.1 μA 調整為Vce=70 V、Max：0.135 μA，測試值如表1 所示。

6   整改可靠性驗證

1）通過(guò)X-ray 能夠有效篩選金線(xiàn)綁定、金屬異物、漏打膠等內部結構異?，F象。

2）制造過(guò)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(guān)檢查和X 光檢查。

3）對CCD 設備進(jìn)行校準，制定標準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(guò)制定的標準樣品校準CCD 設備檢驗的可靠性。

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

設備參數加嚴格測試條件，模擬晶片有銀膠異物時(shí)，通過(guò)漏電流測試篩選產(chǎn)品可靠性。

7   總結及意義

通過(guò)對光耦早期失效的研究及分析，收集光耦失效機理、失效因素、結構可靠性、工藝等核實(shí)參數，對產(chǎn)品單體結構可靠性對比論證。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控，提升自動(dòng)化制造、檢測能力，不斷優(yōu)化改進(jìn)制程，為半導體器件制造流程可靠性提供借鑒。

經(jīng)過(guò)此次整改，光耦在引入開(kāi)發(fā)時(shí)需對其廠(chǎng)家生產(chǎn)全流程評審，進(jìn)行充分評估，并對跟蹤生產(chǎn)過(guò)程數據收集整理，以提高產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻：

[1] 田浦延,布良基,陳蒲生,等.光電耦合器的結構設計及封裝特點(diǎn)[J].半導體技術(shù),2002(11):55-57,66.

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

[3] 王衛東.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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）