光耦失效的幾種常見原因及分析

王小龍 馮勇雄

摘 要：本文首先總結了光耦失效的幾種模式，然后基于線性光耦的工作原理、制程，找出光耦失效的原因，并闡述了在光耦生產過程、光耦應用等環節如何進行調查分析，以期為相關學者的研究提供參考。

關鍵詞：光耦;失效;封裝;金線綁定;過電壓擊穿

中圖分類號：TN36 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0063-03

Abstract： Firstly， several modes of photo coupler failure were summarized. Then， based on the working principle and process of linear photo coupler， the causes of photo coupler failure were found out， and how to conduct investigation and analysis in the process of photo coupler production and application of photo coupler were elaborated， in order to provide reference for the research of relevant scholars.

Keywords： photo coupler;failure;packaging;gold wire binding;overvoltage breakdown

1 光電耦合器結構及原理

光電耦合器（Photo coupler）簡稱光耦，其是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發光器（發光二極管LED）與受光器（光敏管、光敏電阻）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現電-光-電轉換。

光耦原理圖和內部結構見圖1。光耦的輸入端為發光二極管（LED），在結構上通常置于光耦內部的上方，LED晶片包裹一層樹脂;下方則為光敏管，其對光線較為敏感，當LED發光照射過來時，該光敏管導通產生一定比例的電流，反之電流無法通過該光敏管[1]。

以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于具有體積小、壽命長、無觸點、抗干擾能力強、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號等優點，在數字電路上得到廣泛應用。

2 問題描述

光耦主要應用在不共地的兩個電路之間，以達到兩個不同電路之間的信號傳輸。以光耦在家電空調上的應用為例，其主要應用在：開關電源電路的反饋電路中，需要1個光耦;變頻空調內機、外機的通信電路中，需要4個光耦;變頻空調驅動板上的MCU芯片與IPM模塊（智能功率模塊）之間的信號傳輸。

某公司家用空調產品在客戶端使用時報故障，更換電路板并返回后仔細對每一個電路板進行維修排查發現是光耦失效引起的故障。對該問題持續跟蹤，發現多年以來光耦失效引起電路板異常的問題一直比較突出。通過統計可知，光耦的單個器件故障率在0.076‰以上，由此引起的整機功能故障不在少數，故需要對光耦進行持續的失效分析和質量改進。

3 光耦失效原因

光耦的失效分析遵循常規的電子器件失效分析的方法和流程，即先進行外觀檢查，然后進行電性能檢測，再進一步做非破壞性分析，若未發現失效原因，則必須對樣品進行破壞性分析。

3.1 金線綁定不良引起光耦PIN1-2引腳開路

使用分辨率足夠的X-ray設備仔細檢查，會在光耦的輸入端LED上發現金線B點位置產生斷裂。造成金線B點斷開的原因是金線綁定所用的劈刀出現磨損和固定框架的壓板出現震動。

若X-ray檢查未發現光耦存在問題，可以使用化學開封方法來確認光耦的LED側是否存在問題。將不良品浸泡在80°的硝/硫酸混合酸中，數分鐘即可將光耦的塑封材料去除。經過清洗后，在顯微鏡下分析光耦內部框架及晶圓，發現焊線金球與芯片電極之間虛焊，焊球整體從芯片電極脫離，金球和電極之間沒有真正融合。造成虛焊的根本原因是芯片電極臟污、油污、氧化或者芯片電極劃傷[2]。光耦金線斷裂和化學開封圖見圖2。

3.2 固晶過程異常引起光耦輸出端PIN3-4短路

對部分光耦不良品進行電性能測試發現，輸出端PIN3-4引腳短路。通過X-ray檢查發現了如圖3（a）所示的箭頭位置的異常點。輸出端PIN3-4引腳短路的原因如下。

光耦輸出端晶片上黑色陰影高度過高，從底下框架一直延伸到晶片頂部。經分析確定黑色陰影為固定晶片用的銀膠，而銀膠太多，從框架上延伸到晶片頂部直接造成晶圓頂部與底層框架導通，在沒有光照的情況下，晶片的上下層就已經導通了，表現出短路故障。

導致PIN3-4引腳短路的另一個原因是光耦輸出端的金線出現坍塌。通過X-ray檢查可以明顯發現金線的弧度異常。造成金線坍塌的原因是光耦輸出端在完成金線綁定工序后，周轉過程中不慎被其他異物壓倒，或者封裝注塑工序中光耦的上層框架出現晃動壓倒了金線。金線坍塌如圖3（b）所示。

3.3 光耦生產過程漏工序導致其參數電流傳輸比CTR偏小

對光耦不良品的電性能參數進行分析，發現輸入、輸出端單獨的性能參數完全符合要求。只是傳遞參數電流傳輸比CTR偏小，正常要求該參數CTR>100%，而不良品只有60%左右。在X-ray儀器下仔細對OK/NG樣品進行對比，反復調節設備的亮度、對比度參數，發現兩種樣品之間存在差異，OK樣品的LED附近顏色較亮，而NG樣品的LED附近則沒有這種情況。結合光耦封裝結構，可判斷LED周邊較亮的顏色是透明保護樹脂，而NG品的X-ray檢查結果顯示其在缺少保護樹脂的情況下直接塑封[3]。CTR合格與不合格的光耦內部結構X-ray對比結果如圖4所示。

剛開始使用光耦時，LED亮度還沒有衰減，故電流傳輸比符合要求，沒有樹脂做保護的LED的亮度衰減得很快，傳遞到光耦輸出端的光強不足，無法輸出足夠的電流導致光耦電流傳輸比偏小。光耦LED側是否做了透明樹脂保護，在X-ray檢查中仔細觀察其亮度是可以被發現的。

3.4 過電壓擊穿造成光耦PIN1-2引腳短路

對光耦進行電性能檢查發現，光耦輸出端PIN1-2引腳短路。采用機械方法解剖光耦，將發光二極管的晶圓取出，在顯微鏡下觀察可以發現，晶圓存在破裂現象，且圍繞晶圓焊盤生出很多須狀物質，如圖5所示。該不良經確認為光耦的LED曾出現反向過電壓擊穿，擊穿能量較大時會導致晶圓出現破損裂紋。

進一步對電路進行分析發現，出現這種損傷的光耦都集中在變頻空調內機板上，且集中在靠近零線N位置的光耦上。分析電路認為是強電零火線出現了浪涌電壓將光耦的LED擊穿。為了解決該問題，在零線N與電阻R2之間增加一個二極管，利用二極管的正向導通特性保護TLP785光耦輸入端的LED。經設計改進后，未再有此類不良反饋。

3.5 過電流使光耦PIN1-2引腳開路/短路

過電流導致光耦LED輸入端燒損的情況也會發生，但數量不會很多，一般都是在使用過程中操作不慎引起的大電流燒毀，如測試過程不小心加了較高的直流電壓，或者忘記接限流電阻。短時間的大電流燒損會引起光耦輸入端LED短路，若持續時間較長，會導致金線熔斷而表現為開路。

通過機械方法對光耦進行解剖，將LED晶片取出來并在顯微鏡下觀察，會明顯發現該晶片有燒毀燒黑現象，如圖6（a）所示;而正常的光耦LED表面的金球和金線仍然是黃色的，如圖6（b）所示。

4 結語

本文總結了家用空調控制板上使用的光耦出現的幾種常見失效現象，并分析失效的原因，希望能夠給從事電子元器件質量管理、失效分析、可靠性研究的行業人員提供一些經驗。

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[J].半導體技術，2002（11）：55-57.

[2]肖詩滿.光電耦合器封裝及相關失效機理[J].半導體技術，2011（4）：328-331.

[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.