光耦失效的几种常见原因及分析

王小龙 冯勇雄

摘 要：本文首先總结了光耦失效的几种模式，然后基于线性光耦的工作原理、制程，找出光耦失效的原因，并阐述了在光耦生产过程、光耦应用等环节如何进行调查分析，以期为相关学者的研究提供参考。

关键词：光耦;失效;封装;金线绑定;过电压击穿

中图分类号：TN36 文献标识码：A 文章编号：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 光电耦合器结构及原理

光电耦合器（Photo coupler）简称光耦，其是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（发光二极管LED）与受光器（光敏管、光敏电阻）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现电-光-电转换。

光耦原理图和内部结构见图1。光耦的输入端为发光二极管（LED），在结构上通常置于光耦内部的上方，LED晶片包裹一层树脂;下方则为光敏管，其对光线较为敏感，当LED发光照射过来时，该光敏管导通产生一定比例的电流，反之电流无法通过该光敏管[1]。

以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输信号等优点，在数字电路上得到广泛应用。

2 问题描述

光耦主要应用在不共地的两个电路之间，以达到两个不同电路之间的信号传输。以光耦在家电空调上的应用为例，其主要应用在：开关电源电路的反馈电路中，需要1个光耦;变频空调内机、外机的通信电路中，需要4个光耦;变频空调驱动板上的MCU芯片与IPM模块（智能功率模块）之间的信号传输。

某公司家用空调产品在客户端使用时报故障，更换电路板并返回后仔细对每一个电路板进行维修排查发现是光耦失效引起的故障。对该问题持续跟踪，发现多年以来光耦失效引起电路板异常的问题一直比较突出。通过统计可知，光耦的单个器件故障率在0.076‰以上，由此引起的整机功能故障不在少数，故需要对光耦进行持续的失效分析和质量改进。

3 光耦失效原因

光耦的失效分析遵循常规的电子器件失效分析的方法和流程，即先进行外观检查，然后进行电性能检测，再进一步做非破坏性分析，若未发现失效原因，则必须对样品进行破坏性分析。

3.1 金线绑定不良引起光耦PIN1-2引脚开路

使用分辨率足够的X-ray设备仔细检查，会在光耦的输入端LED上发现金线B点位置产生断裂。造成金线B点断开的原因是金线绑定所用的劈刀出现磨损和固定框架的压板出现震动。

若X-ray检查未发现光耦存在问题，可以使用化学开封方法来确认光耦的LED侧是否存在问题。将不良品浸泡在80°的硝/硫酸混合酸中，数分钟即可将光耦的塑封材料去除。经过清洗后，在显微镜下分析光耦内部框架及晶圆，发现焊线金球与芯片电极之间虚焊，焊球整体从芯片电极脱离，金球和电极之间没有真正融合。造成虚焊的根本原因是芯片电极脏污、油污、氧化或者芯片电极划伤[2]。光耦金线断裂和化学开封图见图2。

3.2 固晶过程异常引起光耦输出端PIN3-4短路

对部分光耦不良品进行电性能测试发现，输出端PIN3-4引脚短路。通过X-ray检查发现了如图3（a）所示的箭头位置的异常点。输出端PIN3-4引脚短路的原因如下。

光耦输出端晶片上黑色阴影高度过高，从底下框架一直延伸到晶片顶部。经分析确定黑色阴影为固定晶片用的银胶，而银胶太多，从框架上延伸到晶片顶部直接造成晶圆顶部与底层框架导通，在没有光照的情况下，晶片的上下层就已经导通了，表现出短路故障。

导致PIN3-4引脚短路的另一个原因是光耦输出端的金线出现坍塌。通过X-ray检查可以明显发现金线的弧度异常。造成金线坍塌的原因是光耦输出端在完成金线绑定工序后，周转过程中不慎被其他异物压倒，或者封装注塑工序中光耦的上层框架出现晃动压倒了金线。金线坍塌如图3（b）所示。

3.3 光耦生产过程漏工序导致其参数电流传输比CTR偏小

对光耦不良品的电性能参数进行分析，发现输入、输出端单独的性能参数完全符合要求。只是传递参数电流传输比CTR偏小，正常要求该参数CTR>100%，而不良品只有60%左右。在X-ray仪器下仔细对OK/NG样品进行对比，反复调节设备的亮度、对比度参数，发现两种样品之间存在差异，OK样品的LED附近颜色较亮，而NG样品的LED附近则没有这种情况。结合光耦封装结构，可判断LED周边较亮的颜色是透明保护树脂，而NG品的X-ray检查结果显示其在缺少保护树脂的情况下直接塑封[3]。CTR合格与不合格的光耦内部结构X-ray对比结果如图4所示。

刚开始使用光耦时，LED亮度还没有衰减，故电流传输比符合要求，没有树脂做保护的LED的亮度衰减得很快，传递到光耦输出端的光强不足，无法输出足够的电流导致光耦电流传输比偏小。光耦LED侧是否做了透明树脂保护，在X-ray检查中仔细观察其亮度是可以被发现的。

3.4 过电压击穿造成光耦PIN1-2引脚短路

对光耦进行电性能检查发现，光耦输出端PIN1-2引脚短路。采用机械方法解剖光耦，将发光二极管的晶圆取出，在显微镜下观察可以发现，晶圆存在破裂现象，且围绕晶圆焊盘生出很多须状物质，如图5所示。该不良经确认为光耦的LED曾出现反向过电压击穿，击穿能量较大时会导致晶圆出现破损裂纹。

进一步对电路进行分析发现，出现这种损伤的光耦都集中在变频空调内机板上，且集中在靠近零线N位置的光耦上。分析电路認为是强电零火线出现了浪涌电压将光耦的LED击穿。为了解决该问题，在零线N与电阻R2之间增加一个二极管，利用二极管的正向导通特性保护TLP785光耦输入端的LED。经设计改进后，未再有此类不良反馈。

3.5 过电流使光耦PIN1-2引脚开路/短路

过电流导致光耦LED输入端烧损的情况也会发生，但数量不会很多，一般都是在使用过程中操作不慎引起的大电流烧毁，如测试过程不小心加了较高的直流电压，或者忘记接限流电阻。短时间的大电流烧损会引起光耦输入端LED短路，若持续时间较长，会导致金线熔断而表现为开路。

通过机械方法对光耦进行解剖，将LED晶片取出来并在显微镜下观察，会明显发现该晶片有烧毁烧黑现象，如图6（a）所示;而正常的光耦LED表面的金球和金线仍然是黄色的，如图6（b）所示。

4 结语

本文总结了家用空调控制板上使用的光耦出现的几种常见失效现象，并分析失效的原因，希望能够给从事电子元器件质量管理、失效分析、可靠性研究的行业人员提供一些经验。

参考文献：

[1]田浦延，布良基，陈蒲生，等.光电耦合器的结构设计及封装特点[J].半导体技术，2002（11）：55-57.

[2]肖诗满.光电耦合器封装及相关失效机理[J].半导体技术，2011（4）：328-331.

[3]王卫东.影响光电耦合器可靠性的工艺因素及其对策[J].液晶与显示，2003（6）：464-467.