塑封光电耦合器失效及其应用问题探究
时间：2023-06-15 08:10:39 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
阮若琳，王跃峰，王英飞，李亚娟
（中航光电科技股份有限公司，河南 洛阳 471000）
光电耦合器以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有着良好的隔离作用，在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大[1-2]。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出之间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
光耦的内部结构示意图如图1所示[3]。其输入部分的发光LED芯片由一层导光胶（树脂封装）包裹，在结构上通常置于光耦内部的上方，下方输出端的光敏三极管等光敏接收芯片将接收到的光强转化为光电流后，由输出引线传至PCB上。
图1 光耦内部结构示意图
某产品选用AVAGO公司的某塑封SO-8封装的光耦作为电气信号的隔离传输，其内部功能示意图如图2所示。
图2 光耦内部功能示意图
该光耦在该型产品上共使用了200余只，涉及4个批次，失效光耦比例接近8%，且失效光耦集中在其中的2个批次上，已交付2～3年。失效批次的产品安装在某地面厂房实验室内，厂房前后通风，厂房内温度为正常天气温度。经实际测量，失效光耦的所在环境的温升并不明显。
产品故障时，失效光耦的失效现象涉及两种情况：
1）完全失效，输出端开路；
2）不完全失效，即输入端输入的电信号的强度发生变化时，输出端的信号的转换速率较正常工作时大幅降低，且有时需要重新上电才能触发其正常工作。
2.1 声学扫描检查
声学扫描检查发现，所有光耦全部出现分层情况，涉及基板与塑封材料界面分层和引线框架与塑封材料界面分层两种情况，典型图片如图3所示。
图3 印制板上的失效光耦引线框架与模塑化合物界面C-SAM结果（红色表示分层）
2.2 X-ray检查
X-ray检查发现多个引脚的内键合点在键合界面位置脱开，且集中在输出端引脚，典型图片如图4、图5所示。
图4 内键合点脱开的X-ray侧视图（0°）
图5 内键合点脱开的X-ray侧视图（90°）
2.3 开封后内部检查及能谱分析
开封后去除软胶后进行内部检查，可清晰看到内键合点脱开的典型形貌，如图6所示。
图6 内键合点脱开的开封后典型形貌
对脱开处的键合点的介质层进行能谱分析，发现部分PAD区域及键合金球底部可见Au和Al比例不同的Au—Al金属间化合物（IMC）。检测到的元素包括C、O、Al、Si、Au，均为光耦本体已有的元素。某样品Pin5内键合点PAD的形貌及其SEM形貌如图7所示。图7中1位置及2位置的能谱分析如图8所示。
图7 某样品Pin5内键合点PAD的形貌及其SEM形貌
图8 图7中1位置及2位置的能谱分析
2.4 分析结论
经过对失效器件的全面分析，所有失效光耦的失效模式一致，全部有着不同程度的分层，分层后的水汽进入会加剧内部键合点的氧化物IMC的形成，分层的应力导致软胶拉脱输出端芯片的内键合点。
3.1 塑封光耦内部分层机理分析
塑封器件在使用中导致的分层失效，有外部因素和内部因素两种。主要的外部失效因素[4]为受热应力失效、受潮失效、受腐蚀失效；
主要的内部因素为芯片内部工艺缺陷和电路工作原理缺陷。
3.1.1 受热应力失效
印制板及内部控制器内相邻的印制板的单独功耗均不超过5 W，用户处使用环境温度通风良好，使用年限不超过3年，且经使用现场的实际测量，使用环境的温升并不明显，系统内的其他塑封器件并无失效分层的现象。因此，可排除使用环境外部环境的热应力影响导致失效的可能性。
3.1.2 受潮失效
塑料封装和内部的各种有机胶均为高分子材料，具有亲水、多孔性，易吸收周围环境中的水汽，使得在焊接时高温造成内部的水气压力增大、水汽急崩膨胀，导致“爆米花效应”，如塑封壳体破裂、外键合点被拉断等[5]。
本案例中的失效点为引线的内键合点，外键合点形貌完好。而潮气一般从外部进入，受潮失效一般为外键合点被拉断或外键合点先拉断，可排除受潮至直接失效的可能。
3.1.3 受腐蚀失效
卤化物（即含氯的离子）等玷污物会对内部的芯片腐蚀致其失效[6]，而经过对键合点的能谱检查，没有检测到氯离子等杂质，因此可排除被玷污致腐蚀失效这一可能。
3.1.4 内部工艺缺陷
光耦内部为了增加光的传输效率，增大CTR，往往在发光二极管和光敏三极管之间涂覆反射胶和导光胶。如果点胶工艺不佳，如胶量过少、固化温度不合适等，会使得有机胶存在微小裂纹或脱层，长期使用时缺陷会被加速放大。另外，若有机胶与芯片、键合丝的热膨胀系数不匹配[1]，则有机胶与芯片或键合丝之间的剪切力可能会导致有机胶脱层，或将金丝从键合点拉脱。
根据失效分析的情况，失效品的有机胶形貌完好，可排除有机胶自身的原始缺陷致失效的可能；
但不能排除热膨胀系数不匹配致使存在加速失效的可能。
3.1.5 Au—Al键合失效
根据对键合点脱开处的能谱分析，键合处采用的金丝与芯片铝膜键合所形成的Au—Al系统退化开裂机理，是经典的IMC、Kirkendall空洞生成机理和界面开裂模式[6-8]。由于金的延展性很好，金丝常用于集成电路中与芯片铝膜键合，金在高温条件下极易形成金丝球，其良好的抗氧化特性使其在高温条件下不易被氧化，因此常用热压焊来焊接金线与芯片上的铝膜，这样就在两者间产生了Au/Al界面，在键合初期就形成了少量IMC。随着使用时间的增加和温度的升高，IMC生成的同时将伴随Kirkendall空洞的出现，随着固相反应的加剧，这种空洞会不断聚集，从而连接在一起形成裂纹，导致键合点开路[7]。相关研究表明，Au—Pd合金丝和Au—Al合金丝都可以减缓IMC（Au—Al金属间化合物）的生长速率，平衡了两者的扩散速率，减少了Kirkendall空洞的产生[8]。并且，工作环境温度过高、芯片散热不佳、工作电流过大或键合工艺中键合温度过高都会导致Au—Al键合系统失效，产生由Kirkendall空洞和IMC引起的接触电阻增大、时通时断甚至开路的失效模式[9]。
3.1.6 电路工作原理缺陷
光耦键合点失效主要集中在输出端PIN5（GND）、PIN6（Vo）、PIN8（VCC），并非随机出现。除了输出端开路的情况，输入电压的增高后再下降，对应的输出电平的变化不正确，说明存在CTR（电流传输比）不稳定的情况。CTR不稳定说明电路工作状态不稳定，电路工作原理存在缺陷。
3.1.7 初步综合判断
因此，可以基本排除外部受热应力失效、受潮失效、受腐蚀失效和内部工艺缺陷等原因。需进一步排查其电路设计及工作的实际状态，结合Au—Al键合系统由Kirkendall空洞和IMC至失效的失效模式，探寻光耦失效的原因。
3.2 电路设计及工作状态机理分析
3.2.1 选 型
本设计中选用的光耦为一个IPM（智能功率模块）型光耦，为单通道塑封SO-8封装的低速光耦，采用GaAsP二极管作为发光部分，接收部分采用门电路驱动，具有高增益放大的作用，隔离有效电压为3 750 V。
3.2.2 电路工作参数计算
该光耦的应用电路如图9所示，输入基本电平为5 V，输出端供电VCC也为5 V，二者隔离。
图9 光耦应用电路
根据光耦资料，输入电流IF数值和导通管压降VF呈极坐标线性关系，如图10所示。
图10 光耦输入电压电流曲线
输入5 V时，输入电流IF在1～2 mA范围内，取VF=1.45 V，可近似计算为：
根据光耦资料，此时IF值大于输入电流阈值1.5 mA，光耦输出端导通，导通电压典型值VO=0.6 V，电路中VCC=5 V，RL=4.7 kΩ，若此时光耦导通，输出端静态电流IO（单位为mA）为：
根据数据手册光耦典型传输曲线，当IF大于5 mA时，输出端工作于稳定耦合阶段，即输出三极管工作于饱和区。
光耦典型传输特性如图11所示。
图11 光耦典型传输特性
因此，此时的IF刚刚超过输入电流阈值，输出三极管工作于放大区，三极管虽然导通，但是工作状态较为不稳定。
3.2.3 输出端设计缺陷
实际产品中，电路设计采用3只光耦并联的形式，使用时3只光耦会随机进入工作状态，形成隔离的“逻辑与”电路。3只光耦输出端短接在一起，共用同一只4.7 kΩ上拉电阻，且无其他防护设计。链路框图如图12所示。
图12 失效光耦3只并联示意框图
3个光耦的输出端的3个光敏三极管并联在一起，可抽象为图13所示的等效模型。
图13 光敏三极管等效模型
光敏三极管在接收到发光二极管发出的光时，将光强转化为光电流，三极管导通；
反之不导通。
情况1：3只光耦均处于截止状态
光敏三极管均工作于截止状态时，1B_ZC是高电平，3个三极管的工作状态没有问题。
情况2：从一只光耦工作切换至另一只光耦工作
若三极管IC3工作稳定时，IC4对应的光耦有了输入电压，IC4开始导通，则此时IC3的输出电流IO3就会逐渐减小，IO4则逐渐增大，如图14所示。
图14 IC3关断与IC4导通同时发生的输出电流变化情况
在这个过程中，IO3和IO4的电流之差就会在a点和b点之间形成电流。在此过程中，IO3逐渐减小，IO4逐渐增大。当t＜t0时，IO3＞IO4，此时的灌电流流向IC4的输出引脚b点；
当t＞t0时，IO3＜IO4，灌电流流向IC3的输出引脚a点，这一灌电流变化如图15所示。
图15 IO3和IO4之间的灌电流变化
由于灌电流的存在，并且在实际电路中a、b两点之间存在着一定的导通电阻，因此在芯片引脚到引脚之间会产生功率性的热冲击。
考虑到实际工作时，3只光耦只会有其中一只处于导通状态，且哪一只导通是随机的。当电路工作的导通状态切换时，a、b、c三点间的电压切换必然存在着更复杂和随机的切换情况，因而3个光耦芯片的输出引脚均会经常性地遭受热冲击。
情况三：2只光耦同时处于导通状态
此时的工作状态更加直观。假设IC3和IC4均处于导通状态，IC3的导通电压为0.61 V，IC4为0.59 V，则会有0.02 V的电压差，长时间加在输出引脚上，使得在长时间工作后输出引脚受电流冲击和热冲击至失效。
综上，光耦输出端为光敏三极管，且三极管导通工作在放大区，本身不具备较高的输出阻抗，不能像普通数字电路一样，将输出端直接连接输出，电路设计从机理上缺乏了对输出驱动关系的认知，电路工作状态也存在随机性，无法严格控制3个光耦的开关时序，从而产生引脚间的热冲击，导致光耦失效。该热冲击在频繁使用的过程中可能长期存在输出引脚中，符合加速IMC的生长速率至Au—Al键合点失效的失效模式。
1）悬空引脚
根据芯片手册的推荐设计，7脚的内部20 kΩ上拉电阻如果不用也建议连接至VCC，现处于悬空状态，存在静电损伤的风险。
2）输出引脚防护
光敏三极管的反向击穿电压一般为5 V左右，应考虑后端的输出情况，必要时设计相应的保护措施，避免反向浪涌电压造成光耦击穿。
3.2.4 结温计算
复查光耦的结温计算，根据厂家资料[10]，该光耦的热阻模型符合Model-B单通道塑封SO-8封装的热阻模型，如图16所示。
图16 热阻模型
图中：θ1为LED端到地的热阻；
θ2为LED到探测器（输出端IC）的热阻；
θ3为探测器端到地的热阻。
当该模型安装于8.5 cm×8.1 cm的PCB板时，其温升计算等效于以下数学模型：
式中：ΔTEA为LED端到地的温升（单位为℃）；
ΔTDA为探测器端到地的温升（单位为℃）；
PE为LED端的耗散功率；
PD为探测器端的耗散功率；
A11=θ1‖(θ2+θ3)；
A12=A21=(θ1θ3)(θ1+θ2+θ3)；
A22=（θ1+θ2）‖θ3。
根据官网提供的经验数据，A11=455℃/W，A12=A21=216℃/W，A22=308℃/W。由于输入5 V时的CTR并不稳定，无法按照实际设计值计算耗散功率，此处按最大值计算。
根据芯片资料，环境温度在90℃以下时，输出端耗散功率PO≤100 mW，总耗散功率PT≤145 mW。则PE=PT-PO=45 mW，PD=PO=100 mW，将其代入式（3）、式（4）得：
即当环境温度不超过90℃时，其结温相较环境温度，输入端增加42.075℃，输出端增加40.52℃。
该器件允许的最高结温为125℃，查半导体光电器件降额准则，当环境温度为43℃时，实际最高温升至85℃，据最高结温相差40℃，满足Ⅱ级降额。
3.2.5 可靠性分析
根据Broadcom公司的可靠性手册[11]，Broadcom公司的塑封光耦根据IPC J-STD-020D的等级认定，该器件湿敏等级为MSL 1，其推荐的焊接温度为回流焊最高260℃。工作寿命试验的可靠性说明如下：工作温度125℃，4 570只被测件累计4 230 000 h工作时间，无失效。
4.1 取消电路中的并联结构
避免3只光耦输出端并联的形式，可改进为以下2种方案。
方案1：输入端信号分别上拉，输入光耦的信号先经过数字逻辑处理三取一后，将该信号经光耦隔离后进入光模块。
方案2：采用原3个光耦的方案不变，在3个光耦的输出端经数字逻辑三取一，此时3个光耦的所在电路完全独立，3个光耦对应三个输出端上拉电阻。
4.2 优化电路设计
优化设计时，选用合适的输入及输出电阻，使光耦工作于电流传输比CTR稳定的工作条件下，并对空置引脚进行处理。优化后的设计框图如图17所示。
图17 优化后设计框图
4.3 光耦选用要点
光电耦合器的选用要点及注意事项如下：
1）首先根据所需的光电传输速率、延时时间、隔离特性、传输路数和驱动能力等确认所需光耦的基本类型和基本选型要求，在此基础上CTR和隔离电压较高者性能较优。
2）外围电路设计时，确保光耦的主要参数工作于推荐的工作条件，并按推荐条件的最大值进行降额，降额要求按半导体光电器件的降额设计要求执行。
3）关注CTR的设计[12]和温度对CTR的影响。电流传输比CTR是光耦的电路设计中最重要的参数，IF、环境温度、使用寿命都会影响其稳定性，应用时CTR应至少降额到0.75；
此外，正向电流IF应工作于CTR稳定的区域，在此区域内IF越小，老化越慢。
低速光耦注意使用温度：在高温125℃和低温-55℃环境下与常温25℃相比CTR会下降10%～40%（具体视不同的产品不同）。因此，在电路设计时应考虑高低温，留足够的设计余量；
光电三极管输出型光电耦合器输出漏电流在高温125℃时会达到30 μA以上。高速光电耦合器电流传输比参数随输入电流的变化而变化，且随温度的变化而变化，高低温下变化率最大为30%左右；
而部分系列需要在一定的开启电流条件下方可正常工作。因此，在电路设计时，应参考推荐工作条件，输入端设计电流应不低于最小推荐工作电流，以保证可靠工作。
4）关注温度对光耦的影响。正向电流IF及耗散功率均受温度影响较大，需根据其温度曲线进行设计。注意结温的计算及散热设计，不要将光耦靠近热源。
5）多只光耦并联使用时，不建议将输入端或输出端直接短接。光电三极管输出型光电耦合器输出光电三极管EC结击穿电压仅为5 V左右，后端应设计保护措施，避免产生浪涌电压。
6）高速光耦负载电阻不宜太大，传输延迟时间随负载电阻的增加而增加。
7）高速光电耦合器输出电源和地引出端应接0.01～0.1 μF去耦电容。
8）高速光电耦合器一般为静电敏感器件，使用中应采取必要的静电防护措施。
9）关注失效机理，塑封光耦需关注其湿敏等级及焊接工艺要求，避免分层失效；
严格执行三防涂覆，降低后期使用过程中受潮的风险。
导致塑封器件分层的原因有受潮、水汽、温度等，器件本身的封装树脂的应力、吸湿性和黏接性也可能导致其分层，并且用户处使用环境的潮气可能会加速其失效。在储存和焊接过程中需注意采用合适的排潮方式和焊接温度，以保证其在组装过程的可靠性，并采取一定的检验措施，加强出厂前的检验。
内部键合点的开裂一般来源于温度、湿度和污染等[13]。光耦的内部结构复杂，导光胶、涂覆膜等增加了受力情况的复杂性。因此，致使失效的根本原因可能来自于多方的交互作用，在已轻微受潮后分层的情况下，键合点更容易受到外界腐蚀玷污，此时的热量会使温度应力加速其反应，致使引线键合强度变弱直至失效。对于使用者，更应加强各个额定应力设计值的降额以增强设计的可靠性。
本文结合某塑封光耦在使用过程中失效的案例，对失效分析的内容进行解读，结合Au—Al键合点处IMC的生成和Kirkendall空洞的出现，致使键合点开裂的失效现象，并对其所在的电路设计、结温计算及应用等进行分析探究，得出了电路设计的优化方案及光耦的选用要求。可对提升电路设计的可靠性、避免元器件失效提供帮助，为电路设计的从业者提供借鉴，并对指导光耦的选型及其应用电路的设计起指导作用。
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