光電耦合器失效模式與機理分析

范士海

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

引言

光電耦合器，簡稱光耦（Optical Coupler）是一種將輸入的電信號轉變為光信號，之后又將光信號轉變為電信號的器件，其輸入端是一個發光二極管（Light-emitting diode，LED），它將輸入的電信號變為光信號，經過透明的光導介質后，被光電探測器接受，再轉換為電信號，并將轉換后的電信號放大，完成電-光-電的轉換。經過這一轉換過程，輸入、輸出信號實現了單向傳輸與隔離，即輸出端信號對輸入端信號沒有任何干擾。光耦具有工作穩定，傳輸效率高，壽命長等優點。光耦內部輸入端芯片與輸出端芯片相對位置一般有兩種方式，平面結構和上下堆疊結構。由于光耦器件本身的結構特點及應用特性，容易發生一些典型的失效模式，下面結合具體的案例進行詳細介紹。

1 光耦自身缺陷導致失效

1.1 鍵合點開路失效

光耦輸入級芯片與輸出級芯片之間的有機膠（光導介質）的熱膨脹系數CTE，與芯片及封裝框架的CTE存在較大差異。當器件經歷較大溫度變化時，膠與芯片之間在水平方向上就會產生相對位移，從而產生剪切力。此剪切力作用在芯片鍵合點上，會導致鍵合點拉脫，或將芯片上鍵合點附件的導帶拉斷，下面介紹的案例就屬于此類情況。

案例1

某整機單位在進行試驗時，發現一只某型光電耦合器失效（無輸出）。

在體視鏡下對失效器件進行外觀檢查，未見明顯異常。用模擬電路綜合測試系統對失效器件進行常溫電性能測試，結果為功能失效。用QT2晶體管圖示儀對失效器件管腳間V-I特性進行測試，結果為：失效器件輸入二極管未見明顯異常；但失效器件電源端口（管腳8）對地端口（管腳5）呈開路特性，屬異常。對失效器件進行X射線檢查，未見明顯異常。

用塑封開帽機將器件啟封，在顯微鏡下觀察輸出級一側內部結構及芯片，發現器件與Vcc端口 (管腳8)相連的內鍵合絲在芯片鍵合點處脫開。器件內部輸出級芯片表面未見明顯擊穿燒毀及其它異常現象（如圖1～3所示）。

圖1 器件內部輸出級一側形貌

圖2 分離的內鍵合點形貌

圖3 輸出級芯片表面整體形貌

顯然器件失效是由于Vcc端口（Pin8）內鍵合點脫開，造成Vcc端口開路造成的。

案例2

某整機單位在進行試驗時，發現一只某型號光耦失效，故障現象為：改變器件第四路輸入（Pin7、8）狀態，輸出端無變化（注：該型號器件具有四路獨立光耦）。

對失效光耦進行外觀檢查，未見明顯異常。對失效光耦進行常溫電性能測試，結果第一至三路光耦合格，第四路光耦功能失效。用QT2晶體管圖示儀測試各路光耦兩輸入端口間和兩輸出端口間的I-V特性，明顯的異常現象為：第四路光耦兩輸入端口（Pin7、8）間呈開路特性，其它路兩輸入端口間呈二極管特性。

對失效光耦進行X射線檢查，發現第四路光耦輸入級芯片鍵合點與芯片脫開（如圖4箭頭所示），其它未見明顯異常。

圖4 X射線檢查形貌

圖5 第四路光耦輸入級內鍵合點脫開形貌

采用化學方法啟封器件，暴露出內部鍵合及芯片，置于顯微鏡下觀察，發現第四路光耦輸入級內鍵合點從芯片上脫開（如圖5所示）。根據以上的測試與觀察，分析得出：光耦失效是由于輸入級芯片鍵合點脫開，導致輸入級二極管開路所致。

以上兩個案例為芯片鍵合點脫開情況，下面的案例為鍵合點邊緣金屬化條斷開的情況。

案例3

某整機所在進行試驗時，發現一只某型快速光電耦合器失效（輸出異常）。

在體視鏡下對失效器件進行外觀檢查，未見明顯異常。用模擬電路綜合測試系統對失效器件進行常溫電性能測試，結果為功能失效。用QT2晶體管圖示儀對失效器件管腳間I-V特性進行測試，并與委托方提供的參考件進行比對，結果為：失效器件輸入二極管未見明顯異常；但失效器件電源端口（管腳8）對地端口（管腳5）呈開路特性，而合格參考件呈二極管特性。

對失效器件進行X射線檢查，未見明顯異常。用塑封開帽機將器件啟封，在顯微鏡下觀察輸出級一側內部結構及芯片，器件內部鍵合及芯片表面未見明顯擊穿燒毀及其它異常現象。對輸出級一側內部鍵合絲進行非破壞的鍵合拉力試驗，三根鍵合絲全部合格。

用探針臺對管腳8對應的器件內部電連接情況進行測試，確認器件開路點為管腳8內鍵合點（芯片鍵合點）。用掃描電鏡對管腳8內鍵合點進行觀察，未見明顯異常。用機械方法將管腳8內鍵合點撥開，發現焊盤在靠近金屬導帶一側斷開，大部分焊盤連同鍵合點一起脫開（如圖6所示）。對鍵合點脫開面進行能譜（EDX）分析，發現主要成分為C、O、Al、Si、Au等元素。

因此快速光電耦合器失效是由于器件Vcc端口（Pin8）內鍵合點焊盤與導帶間斷開，造成Vcc端口開路造成的。

1.2 芯片脫落失效

光耦輸入級與輸出級之間的有機膠與芯片之間CTE的差異也會導致芯片受到剪切力。另一方面，由于光耦輸入級芯片與輸出級芯片之間的距離，直接影響光耦的兩個重要參數CTR（電流傳輸比）和輸入級與輸出級之間的絕緣電壓VISO。為了保證這兩個參數的一致性，芯片高度必須盡量保持一致，為此芯片粘接的銀漿厚度一般較薄，這樣來保證芯片粘接高度的一致性，受以上兩因素的影響，光耦內部芯片容易出現與基座脫離的故障，下面的案例就屬于此種情況。

案例4

某整機單位在進行試驗時，某功能板工作3～5小時后輸出異常，持續3秒鐘以上，后又能恢復正常，替換某型號光耦后，功能板工作正常。

對失效光耦進行外觀檢查，未見明顯異常。對失效光耦進行三溫電性能測試，結果均為合格。對失效光耦進行X射線檢查，內部鍵合（鍵合點、弓絲弧度等）未見明顯異常，但發現輸出級芯片與基座間粘接漿料偏少（如圖7箭頭所示）。

圖6 管腳8內鍵合點撥開后形貌

依據失效背景及測試結果，初步確定光耦失效應由內部連接失效導致。故將失效光耦制備剖面試樣，從其側面方向進行研磨。仔細觀察剖面，發現輸出級芯片與基座間粘接漿料較少（如圖8（a）箭頭所示），芯片與基座粘接面存在貫穿裂縫（如圖8（b）箭頭所示），芯片邊緣裂縫明顯（較寬）（如圖8（c）箭頭所示）。根據以上的測試與觀察，分析得出：光耦失效是由于輸出級芯片與基座之間粘接不良，出現貫穿裂縫，導致輸出級三極管C極短時間開路所致。

圖7 X射線檢查形貌

1.3 輸入-輸出級間失效

光電耦合器除了輸入、輸出級分別失效外，輸入與輸出級之間傳輸或者絕緣特性也可能失效。下面介紹的案例就屬于這種情況。

案例5

某整機所在本所進行試驗時，發現1只某型號光耦初級與次級間絕緣電阻下降（管腳1與管腳3間電阻為0.9 Ω）。

對失效光耦外觀進行檢查，器件表面有三防漆，其它未見明顯異常。

常溫下，用數字萬用表對器件管腳1與管腳3間電阻進行測試，結果為0.5 Ω；用超聲波清洗的方法去除器件表面的三防漆后，測試管腳1與管腳3間電阻，變為9.2 Ω，說明失效現象不穩定。

對器件進行X射線檢查，未見明顯異常。X射線檢查只看到了光發射芯片鍵合絲（應為金絲），未觀察到光接收芯片的鍵合絲（應為硅鋁絲）（如圖9所示）。從X射線檢查圖可以看出，此光耦為上下堆疊結構。

用顆粒碰撞噪聲檢測儀（PIND）對該只器件進行檢測，未發現存在粒子噪聲或其它異常現象。對該只器件進行氣密性檢測，結果為合格。

圖8 輸出級芯片與基座間裂縫形貌

用機械方法將器件的金屬封蓋去除，觀察器件內部，未見明顯異常。從側面將器件開孔，通過體視顯微鏡觀察器件內部，發現器件內部光發射芯片鍵合絲（與管腳1相連），與光接收芯片鍵合絲（與管腳3相連）存在搭接現象，搭接處位于金絲鍵合折彎及弧形硅鋁絲“頂端”部位（如圖10所示）。顯然這兩根鍵合絲搭接，即造成管腳1與管腳3短路，導致光耦初級與次級間絕緣電阻下降。

2 外部電應力引起光耦失效

2.1 輸入級過流燒毀

光耦輸入級屬于電流工作型，一般只有一個發光二極管，沒有任何保護電路。當輸入端引入大過載時，很容易造成輸入級過流燒毀。

案例6

某型號光電耦合器是國外某公司生產的產品，用于某型電源上。整機所對該電源加電空載監測1小時，電源其中一路28 V無輸出電壓。經排查確為該電源控制板上的1只光耦輸入引腳1、2開路，導致電源無輸出。

通過體視顯微鏡進行外觀觀察，未見明顯異常。對器件進行電性能測試，測試結果為：不合格。用QT-2晶體管圖示儀測試光耦輸入端，呈開路狀態，無二極管特性，為異常。

對失效器件進行X射線檢查，器件內部輸入端內鍵合絲在內鍵合處斷裂，輸出端芯片框架及鍵合絲未見異常，如圖11所示。

利用化學方法解剖器件，露出內部芯片，利用顯微鏡觀察發現：器件內部輸出端芯片表面未發現存在明顯擊穿、燒毀痕跡；輸入端內鍵合絲在內鍵合處斷裂，芯片表面存在擊穿、燒毀痕跡。內部形貌如圖12所示。

用掃描電鏡及能譜儀對光耦輸入端二極管進行觀察與分析，發現：鍵合絲斷裂處無明顯受力斷裂痕跡，而呈現光滑熔融痕跡；用能譜儀對斷裂處進行成分分析，主要成分為Au、O等元素，斷裂處與周圍成分無明顯差異。結果如圖13～15所示。

用I-V測試儀對二極管芯片進行測試，發現二極管正反向均呈阻性特征，二極管阻性擊穿。

根據以上的檢測與觀察，分析得出：光耦失效是由于輸入端受到過電應力作用，造成輸入級內鍵合絲過流熔斷，二極管擊穿所致。

圖9 失效器件X射線檢查圖像

圖10 兩根鍵合絲搭接處形貌

圖11 失效器件X射線檢查圖

圖12 輸入端開封后形貌

2.2 輸出級芯片失效

與輸入級過電燒毀不同，光耦輸出級失效一般是由于輸出端受到瞬時脈沖干擾，造成輸出級對地或電源短路（或呈阻性），失效機理為輸出級芯片與輸出端相連的晶體管擊穿。一般芯片表面看不到擊穿燒毀形貌，通過芯片剝層才能看到失效點。下面通過具體案例說明。

案例7

圖13 二極管掃描電鏡形貌

圖14 斷裂處形貌

圖15 鍵合絲斷裂形貌

圖16 第一通道輸出芯片表面形貌

某型光耦是國內某廠生產的質量等級為A3的產品。整機單位在本所進行試驗時，發現通信丟失，經排查發現通信接口光耦的第一通道輸出（Pin7）常低。

用體視顯微鏡對失效件進行外觀觀察，未見明顯異常現象。用X射線檢測儀檢查失效件內部狀態，未見明顯異常。

對失效件進行常溫電性能測試，結果為：第一通道功能失效。用晶體管圖示儀對失效件管腳間I-V特性曲線進行測試，第一通道輸出（管腳7）對電源（管腳8）及地（管腳5）均呈短路狀態；與第二通道比較差異明顯。

對失效件進行PIND及密封檢測，結果均為合格。采用機械方法將失效件金屬蓋板開封，暴露出內部結構，發現：內部有兩個陶瓷蓋板，掀開并對陶瓷蓋板背面的發光二極管芯片、鍵合、芯片粘接等進行觀察，未發現明顯異常；內部兩路輸出芯片表面、鍵合、芯片粘接等也未見明顯異常。圖16為第一通道輸出端芯片表面形貌。

進一步對輸出芯片進行剝層，去掉芯片表面鈍化層、第二層金屬、層間介質、第一層金屬、觀察底層芯片，發現管腳7與管腳5內鍵合點之間晶體管局部存在擊穿燒毀點（如圖17所示）。對擊穿點進行掃描電鏡觀察，發現存在擊穿空洞（如圖18所示）。由此推斷：器件失效應與器件受到瞬時窄脈沖過電應力作用，造成內部芯片表層以下電路局部擊穿有關。

圖17 第一通道輸出芯片剝層后形貌

圖18 芯片擊穿點掃描電鏡形貌

3 結束語

由于光電耦合器具備體積小、重量輕、壽命長，輸入與輸出完全隔離，以及輸入與輸出單向線性傳輸的特點，光耦器件被廣泛應用于電器隔離、高壓隔離、開關電路中。由于光耦在電路中處于中樞位置，起著紐帶和橋梁作用，光耦失效將導致整個功能電路模塊的失效，所以研究與探討光耦失效機理，發現光耦本身或應用中的薄弱環節，對提高整機電路的質量與可靠性具有非常重要的意義。