材料熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的光耦失效案例分析

李浦銘 石謹(jǐn)寧 溫育明 王春修

【關(guān)鍵詞】熱膨脹系數(shù);導(dǎo)電銀膠;光耦;失效分析

光耦是常見的使用導(dǎo)電銀膠材料的電子元器件。導(dǎo)電銀膠的基體樹脂是一種膠黏劑，可以在適宜的固化溫度下進(jìn)行粘接，遠(yuǎn)低于普通鉛錫焊接200℃以上的焊接溫度，這就避免了焊接高溫可能導(dǎo)致的材料變形、熱損傷和內(nèi)應(yīng)力的形成。由于電子元件的小型化、微型化及印刷電路板的高密度化和高度集成化的迅速發(fā)展，鉛錫焊接0.65mm的最小節(jié)距遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了導(dǎo)電連接的實(shí)際需求，而導(dǎo)電銀膠可以制成漿料，實(shí)現(xiàn)很高的線分辨率。且導(dǎo)電銀膠工藝簡(jiǎn)單，易于操作，可提高生產(chǎn)效率，避免鉛錫焊料中重金屬鉛引起的環(huán)境污染。所以導(dǎo)電銀膠是替代鉛錫焊接，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接的理想選擇。在光耦的失效案例中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電銀膠在與載板結(jié)合時(shí)，各材料之間的熱膨脹系數(shù)匹配對(duì)光耦的電性能有較大影響。

（一）案例背景

失效樣品為臺(tái)式電腦的開關(guān)電源產(chǎn)品，在客戶端生產(chǎn)組裝后進(jìn)行整機(jī)老化測(cè)試一段時(shí)間后。整機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)掉電重啟現(xiàn)象。經(jīng)過初步分析定位，失效器件為控制線路上光耦I(lǐng)C3，局部原理圖見圖1所示。在高溫環(huán)境下，光耦I(lǐng)C3A Pin和K Pin發(fā)生開路，線性穩(wěn)壓線路Q500截止，VCC電壓跌落至10V以下（正常電壓為12V），導(dǎo)致初級(jí)側(cè)MCU無法工作，最終使得電源異常進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

（二）電氣參數(shù)測(cè)量

將異常和良好的樣品編號(hào)為NG#1、NG#2、OK#1，在不同溫度條件下分別測(cè)量其參數(shù)。常溫下所有樣品均表現(xiàn)為性能良好，在高溫條件下，樣品NG#1和樣品NG#2在電性能方面均表現(xiàn)出開路失效：在125℃條件下，不良樣品NG#1光耦輸入端I-V曲線表現(xiàn)出開路狀態(tài);在135℃條件下，不良樣品NG#2光耦輸入端I-V曲線表現(xiàn)出開路狀態(tài)。良好的樣品OK#1電氣參數(shù)未表現(xiàn)出異常。表明不良現(xiàn)象在高溫條件下表現(xiàn)為開路失效。

（一）外觀檢查

光耦的封裝材料為環(huán)氧樹脂，封裝表面所標(biāo)注的產(chǎn)品和引腳起始位信息清晰可見，觀察塑封外殼未發(fā)現(xiàn)污染、腐蝕或機(jī)械損傷痕跡。銅鍍鎳引腳分別從封裝外殼引出，觀察引腳未發(fā)現(xiàn)污染、腐蝕或機(jī)械損傷痕跡。表明光耦未存在明顯的外觀污染或機(jī)械損傷。

（二）X-ray檢查

×射線能夠穿透非金屬材料，廣泛應(yīng)用于觀察元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。X-ray觀察樣品能夠看到光耦在結(jié)構(gòu)上主要由三部分組成，第一部分為載板，載板作為承接LED芯片以及光敏三極管芯片作用，延伸至塑封外殼外部起電氣連接作用。第二部分為輸入端LED芯片，LED芯片一端通過鍵合絲與載板焊接相連，另外一端通過導(dǎo)電銀膠與載板相連。第三部分為輸出端光敏三極管芯片，光敏三極管芯片同樣通過鍵合絲與載板焊接相連，另外一端通過導(dǎo)電銀膠與載板相連。

通過X-ray對(duì)失效樣品NG#1與良品OK#1對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)失效樣品內(nèi)部存在明顯缺陷。

（三）切片分析

對(duì)NG#1、OK#1進(jìn)行切片研磨，發(fā)現(xiàn)NG#1的LED芯片底部粘接銀膠與載板存在縫隙，而樣品OK#1則未發(fā)現(xiàn)存在縫隙。

通過掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)樣品OK#1載板上鍍層薄且均勻。而樣品NG#1載板上鍍層較厚且表面高低起伏不平。

（四）開封分析

對(duì)樣品NG#1機(jī)械開封取出LED芯片部分，然后采用化學(xué)開封方法去除LED芯片包封的透明樹脂。化學(xué)開封后，樣品NG#1 LED芯片的晶圓與載板自行分開，晶圓底部導(dǎo)電銀膠有部分缺失，載板上有少量物質(zhì)殘留。

說明樣品NG#1導(dǎo)電銀膠的結(jié)合力較差，因此導(dǎo)致LED芯片晶圓與載板比較容易脫落。

（五）EDS成分分析

對(duì)樣品NG#1的晶圓底部與載板并進(jìn)行EDS成分分析。在LED晶圓底部焊盤位置附近，主要為Ni、Au元素，晶圓底部其他區(qū)域EDS成分分析未發(fā)現(xiàn)異常元素。

（六）分析小結(jié)

通過對(duì)樣品NG#1與樣品OK#1分析對(duì)比，樣品NG#1芯片底部與載板間存在縫隙，開封分析和EDS成分分析發(fā)現(xiàn)樣品NG#1 LED芯片晶圓與載板脫落，晶圓底部導(dǎo)電銀膠有部分缺失，載板上有少量物質(zhì)殘留，說明樣品NG#1導(dǎo)電銀膠的結(jié)合力較差，高溫下內(nèi)部形成分層而導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)光異常。

為分析導(dǎo)電銀膠結(jié)合力較差的原因，分別將原材料銀膠制樣固化（150℃/2h）和原材料透明樹脂制樣固化（150℃/1h）后進(jìn)行差示掃描量熱法測(cè)試玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg點(diǎn)和熱機(jī)械分析測(cè)試熱膨脹系數(shù)。

從原材料導(dǎo)電銀膠DSC曲線可以看出，導(dǎo)電銀膠第一次溫升Tg點(diǎn)和第二次溫升Tg點(diǎn)分別是41.8℃和45.300。從原材料導(dǎo)電銀膠和透明樹脂的TMA曲線圖可以看出，原材料導(dǎo)電銀膠在20℃-150℃的熱膨脹系數(shù)為357.6618×10-6/℃，而原材料透明樹脂旨在20℃-150℃的熱膨脹系數(shù)為31 8.2266×10-6/℃，兩者熱膨脹系數(shù)存在約為10%的差異。

根據(jù)熱膨脹差異分析，在高溫環(huán)境下，光耦內(nèi)部的導(dǎo)電銀膠與樹脂材料間熱膨脹系數(shù)存在較大差異，材料之間產(chǎn)生的膨脹形成內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致LED芯片晶圓與載板間出現(xiàn)了分層。

針對(duì)材料熱膨脹系數(shù)差異所導(dǎo)致光耦失效的分析方法，一般從無損檢查到破壞性分析的順序進(jìn)行逐一分析排查。首先，進(jìn)行外觀檢查，為了確保異常樣品NG#1未受到污染、腐蝕或機(jī)械損傷等物理破壞。其次，進(jìn)行X-ray檢查，進(jìn)一步觀察異常樣品NG#1內(nèi)部載板、LED芯片、光敏三極管芯片等結(jié)構(gòu)件所在位置以及鍵合絲連接狀況是否存在工藝缺陷。然后，在進(jìn)行切片后，通過掃描電鏡觀察內(nèi)部形貌，確認(rèn)異常樣品NG#1與良好樣品OK#1在工藝結(jié)構(gòu)上的差異。最后，通過對(duì)光耦進(jìn)行開封和EDS成分分析，樣品NG#1 LED芯片晶圓與載板脫落，晶圓底部導(dǎo)電銀膠有部分缺失，載板上有少量物質(zhì)殘留，進(jìn)一步說明了樣品NG#1導(dǎo)電銀膠的結(jié)合力較差。失效分析流程圖如圖9所示。

分析發(fā)現(xiàn)光耦中發(fā)光二極管芯片與載板之間出現(xiàn)的縫隙，與導(dǎo)電銀膠和載板間的結(jié)合力相關(guān)。這種失效與光耦內(nèi)部的導(dǎo)電銀膠與透明樹脂因熱膨脹系數(shù)差異有關(guān)，具有恢復(fù)性。失效與溫度變化強(qiáng)相關(guān)，表現(xiàn)為高溫環(huán)境下容易發(fā)生，在溫度降低時(shí)消失，甚至極端情況下失效無法恢復(fù)。