光电耦合器酸腐蚀问题分析及对策

施庆西，王陆宾，王耐东，于海泳

（格力电器（郑州）有限公司，河南 郑州 450001）

0 引 言

光电耦合器（以下简称光耦）是空调内外机通信电路中关键核心器件，主芯片通过接收光耦传递的信号或向光耦发出信号，实现内外机数据传输通信的目的[1]。在通信电路中，通过光耦光电信号的转换，可提高通信电路的抗干扰性。如果该部件的性能失效，则内外机将无法正常进行数据传输而出现通信故障问题。

2019年1-6月份，过程投诉主板通信异常现象突出，经分析确认为光耦电性能失效；进行数据统计分析发现，不良集中在A厂家，不良品失效批次不集中，初步分析该异常为物料本身性能一致性较差或厂家生产过程中工序异常导致，故对其失效模式进行分析研究。

1 光耦工作原理及失效分析

1.1 光耦工作原理

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电-光-电转换器件。光电耦合器由发光源（红外线发光二极管）和受光器（光敏半导体管）两部分组成，如图1所示。发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内[2]，彼此间用绝缘体隔离，发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。

1.2 失效分析

对该异常进行失效模式和失效机理的进一步分析确认。

1.2.1 失效模式

故障件输入端引脚间阻值开路，对比测试正常品为14 kΩ左右，输入端二极管特性曲线异常，表现为开路。X-ray观察故障件内部结构，发现光耦内部引线同晶圆的结合处存在缝隙，即引线邦定开路，如图2所示。

图1 光耦内部电器连接图

图2 焊点开路

根据X-ray观察内部引线情况可知，无明显受力拉扯变形异常，可排除厂家生产过程引线受外力拉断的可能。随后对故障件进行破坏性分析，去除外封装，发现在输入端的引线键合处焊点脱落。对失效样品焊点处放大观察，在引线和晶圆的键合处，焊点表面存在较多点蚀痕迹（见图3），分析此处可能存在化学反应发生。

对存在点蚀现象的焊点处进行成分分析，成分图谱显示点蚀处检测出氯元素和铝元素，如图4所示。对比正常产品仅有铝元素，无氯元素存在，说明生产过程中的某一工序，存在氯元素交叉污染。

1.2.2 失效机理

图3 点蚀现象

光耦的LED电极使用的是铝材料，电极在酸洗工序有被腐蚀的隐患，故进行试验验证。在含有不同浓度H+和Cl-的盐酸空白溶液中，测试系列极化曲线，分析得出自腐蚀电位、自腐蚀电流与H+和Cl-的有着重大关系，H+和Cl-都参与了阳极溶解过程和阴极析氢过程[3]。铝在盐酸中腐蚀是一个多步骤过程。

通过实验结论验证，结合厂家生产工序，在除毛刺工序有使用稀HCl。该酸对于铝电极存在腐蚀作用，且在常温下即可发生反应。光耦的封装材质为树脂材质，引脚材质为金属材质，其结合处存在一定的分子间隙，在浸稀HCl工序，会导致部分HCl以离子的形式进入光耦内部，甚至电极附近。在输入端通电条件下，氯离子（带负电）被输入的正电荷吸引至电极附近聚集，引起与铝电极的化学反应，导致引线键合处腐蚀开路。这也正是开路问题集中发生在输入端的一个重要原因，其化学反应方程式为：

图4 成分分析

2 结论及对策

根据分析确定具体失效原因为引线键合处（焊点）发生铝电极的化学腐蚀，使光耦的输入端呈现出输入端开路状态，结合目前行业现状及其他类型半导体生产工艺，可以从如下3个方面进行优化。

（1）溶液性质改善。针对Al电极腐蚀，将电镀前处理溶液由稀HCL溶液更改为碱性Na（OH）溶液，可以有效杜绝腐蚀问题发生。

（2）电镀前工序时间控制。在水溶液中，铝的腐蚀主要是耗氧腐蚀，因此电镀前处理工序应避免各工序停留时间过长，一方面防止氧气进入光耦内部，另一方面防止酸溶液中离子进入光耦内部，因此实施自动化代替人工进行清洗非常有必要。

（3）检验方法优化。电催化作用下的腐蚀在通电30 s左右既可以完全反应完毕，在入厂检验方面可以通过加电试验进行筛选光耦本身质量可靠性。

通过对光耦内部结构、材料成分、失效模式及机理的分析，最终确定导致此次输入端开路失效的主要原因——酸腐蚀，并确定失效工序，从而提出该异常的彻底性整改对策，规避问题扩大的风险，提高了光耦质量的可靠性。此次研究也为其他半导体器件失效分析及整改提供了借鉴和参考。