光电耦合器失效模式与机理分析

范士海

（航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854）

引言

光电耦合器，简称光耦（Optical Coupler）是一种将输入的电信号转变为光信号，之后又将光信号转变为电信号的器件，其输入端是一个发光二极管（Light-emitting diode，LED），它将输入的电信号变为光信号，经过透明的光导介质后，被光电探测器接受，再转换为电信号，并将转换后的电信号放大，完成电-光-电的转换。经过这一转换过程，输入、输出信号实现了单向传输与隔离，即输出端信号对输入端信号没有任何干扰。光耦具有工作稳定，传输效率高，寿命长等优点。光耦内部输入端芯片与输出端芯片相对位置一般有两种方式，平面结构和上下堆叠结构。由于光耦器件本身的结构特点及应用特性，容易发生一些典型的失效模式，下面结合具体的案例进行详细介绍。

1 光耦自身缺陷导致失效

1.1 键合点开路失效

光耦输入级芯片与输出级芯片之间的有机胶（光导介质）的热膨胀系数CTE，与芯片及封装框架的CTE存在较大差异。当器件经历较大温度变化时，胶与芯片之间在水平方向上就会产生相对位移，从而产生剪切力。此剪切力作用在芯片键合点上，会导致键合点拉脱，或将芯片上键合点附件的导带拉断，下面介绍的案例就属于此类情况。

案例1

某整机单位在进行试验时，发现一只某型光电耦合器失效（无输出）。

在体视镜下对失效器件进行外观检查，未见明显异常。用模拟电路综合测试系统对失效器件进行常温电性能测试，结果为功能失效。用QT2晶体管图示仪对失效器件管脚间V-I特性进行测试，结果为：失效器件输入二极管未见明显异常；但失效器件电源端口（管脚8）对地端口（管脚5）呈开路特性，属异常。对失效器件进行X射线检查，未见明显异常。

用塑封开帽机将器件启封，在显微镜下观察输出级一侧内部结构及芯片，发现器件与Vcc端口 (管脚8)相连的内键合丝在芯片键合点处脱开。器件内部输出级芯片表面未见明显击穿烧毁及其它异常现象（如图1～3所示）。

图1 器件内部输出级一侧形貌

图2 分离的内键合点形貌

图3 输出级芯片表面整体形貌

显然器件失效是由于Vcc端口（Pin8）内键合点脱开，造成Vcc端口开路造成的。

案例2

某整机单位在进行试验时，发现一只某型号光耦失效，故障现象为：改变器件第四路输入（Pin7、8）状态，输出端无变化（注：该型号器件具有四路独立光耦）。

对失效光耦进行外观检查，未见明显异常。对失效光耦进行常温电性能测试，结果第一至三路光耦合格，第四路光耦功能失效。用QT2晶体管图示仪测试各路光耦两输入端口间和两输出端口间的I-V特性，明显的异常现象为：第四路光耦两输入端口（Pin7、8）间呈开路特性，其它路两输入端口间呈二极管特性。

对失效光耦进行X射线检查，发现第四路光耦输入级芯片键合点与芯片脱开（如图4箭头所示），其它未见明显异常。

图4 X射线检查形貌

图5 第四路光耦输入级内键合点脱开形貌

采用化学方法启封器件，暴露出内部键合及芯片，置于显微镜下观察，发现第四路光耦输入级内键合点从芯片上脱开（如图5所示）。根据以上的测试与观察，分析得出：光耦失效是由于输入级芯片键合点脱开，导致输入级二极管开路所致。

以上两个案例为芯片键合点脱开情况，下面的案例为键合点边缘金属化条断开的情况。

案例3

某整机所在进行试验时，发现一只某型快速光电耦合器失效（输出异常）。

在体视镜下对失效器件进行外观检查，未见明显异常。用模拟电路综合测试系统对失效器件进行常温电性能测试，结果为功能失效。用QT2晶体管图示仪对失效器件管脚间I-V特性进行测试，并与委托方提供的参考件进行比对，结果为：失效器件输入二极管未见明显异常；但失效器件电源端口（管脚8）对地端口（管脚5）呈开路特性，而合格参考件呈二极管特性。

对失效器件进行X射线检查，未见明显异常。用塑封开帽机将器件启封，在显微镜下观察输出级一侧内部结构及芯片，器件内部键合及芯片表面未见明显击穿烧毁及其它异常现象。对输出级一侧内部键合丝进行非破坏的键合拉力试验，三根键合丝全部合格。

用探针台对管脚8对应的器件内部电连接情况进行测试，确认器件开路点为管脚8内键合点（芯片键合点）。用扫描电镜对管脚8内键合点进行观察，未见明显异常。用机械方法将管脚8内键合点拨开，发现焊盘在靠近金属导带一侧断开，大部分焊盘连同键合点一起脱开（如图6所示）。对键合点脱开面进行能谱（EDX）分析，发现主要成分为C、O、Al、Si、Au等元素。

因此快速光电耦合器失效是由于器件Vcc端口（Pin8）内键合点焊盘与导带间断开，造成Vcc端口开路造成的。

1.2 芯片脱落失效

光耦输入级与输出级之间的有机胶与芯片之间CTE的差异也会导致芯片受到剪切力。另一方面，由于光耦输入级芯片与输出级芯片之间的距离，直接影响光耦的两个重要参数CTR（电流传输比）和输入级与输出级之间的绝缘电压VISO。为了保证这两个参数的一致性，芯片高度必须尽量保持一致，为此芯片粘接的银浆厚度一般较薄，这样来保证芯片粘接高度的一致性，受以上两因素的影响，光耦内部芯片容易出现与基座脱离的故障，下面的案例就属于此种情况。

案例4

某整机单位在进行试验时，某功能板工作3～5小时后输出异常，持续3秒钟以上，后又能恢复正常，替换某型号光耦后，功能板工作正常。

对失效光耦进行外观检查，未见明显异常。对失效光耦进行三温电性能测试，结果均为合格。对失效光耦进行X射线检查，内部键合（键合点、弓丝弧度等）未见明显异常，但发现输出级芯片与基座间粘接浆料偏少（如图7箭头所示）。

图6 管脚8内键合点拨开后形貌

依据失效背景及测试结果，初步确定光耦失效应由内部连接失效导致。故将失效光耦制备剖面试样，从其侧面方向进行研磨。仔细观察剖面，发现输出级芯片与基座间粘接浆料较少（如图8（a）箭头所示），芯片与基座粘接面存在贯穿裂缝（如图8（b）箭头所示），芯片边缘裂缝明显（较宽）（如图8（c）箭头所示）。根据以上的测试与观察，分析得出：光耦失效是由于输出级芯片与基座之间粘接不良，出现贯穿裂缝，导致输出级三极管C极短时间开路所致。

图7 X射线检查形貌

1.3 输入-输出级间失效

光电耦合器除了输入、输出级分别失效外，输入与输出级之间传输或者绝缘特性也可能失效。下面介绍的案例就属于这种情况。

案例5

某整机所在本所进行试验时，发现1只某型号光耦初级与次级间绝缘电阻下降（管脚1与管脚3间电阻为0.9 Ω）。

对失效光耦外观进行检查，器件表面有三防漆，其它未见明显异常。

常温下，用数字万用表对器件管脚1与管脚3间电阻进行测试，结果为0.5 Ω；用超声波清洗的方法去除器件表面的三防漆后，测试管脚1与管脚3间电阻，变为9.2 Ω，说明失效现象不稳定。

对器件进行X射线检查，未见明显异常。X射线检查只看到了光发射芯片键合丝（应为金丝），未观察到光接收芯片的键合丝（应为硅铝丝）（如图9所示）。从X射线检查图可以看出，此光耦为上下堆叠结构。

用颗粒碰撞噪声检测仪（PIND）对该只器件进行检测，未发现存在粒子噪声或其它异常现象。对该只器件进行气密性检测，结果为合格。

图8 输出级芯片与基座间裂缝形貌

用机械方法将器件的金属封盖去除，观察器件内部，未见明显异常。从侧面将器件开孔，通过体视显微镜观察器件内部，发现器件内部光发射芯片键合丝（与管脚1相连），与光接收芯片键合丝（与管脚3相连）存在搭接现象，搭接处位于金丝键合折弯及弧形硅铝丝“顶端”部位（如图10所示）。显然这两根键合丝搭接，即造成管脚1与管脚3短路，导致光耦初级与次级间绝缘电阻下降。

2 外部电应力引起光耦失效

2.1 输入级过流烧毁

光耦输入级属于电流工作型，一般只有一个发光二极管，没有任何保护电路。当输入端引入大过载时，很容易造成输入级过流烧毁。

案例6

某型号光电耦合器是国外某公司生产的产品，用于某型电源上。整机所对该电源加电空载监测1小时，电源其中一路28 V无输出电压。经排查确为该电源控制板上的1只光耦输入引脚1、2开路，导致电源无输出。

通过体视显微镜进行外观观察，未见明显异常。对器件进行电性能测试，测试结果为：不合格。用QT-2晶体管图示仪测试光耦输入端，呈开路状态，无二极管特性，为异常。

对失效器件进行X射线检查，器件内部输入端内键合丝在内键合处断裂，输出端芯片框架及键合丝未见异常，如图11所示。

利用化学方法解剖器件，露出内部芯片，利用显微镜观察发现：器件内部输出端芯片表面未发现存在明显击穿、烧毁痕迹；输入端内键合丝在内键合处断裂，芯片表面存在击穿、烧毁痕迹。内部形貌如图12所示。

用扫描电镜及能谱仪对光耦输入端二极管进行观察与分析，发现：键合丝断裂处无明显受力断裂痕迹，而呈现光滑熔融痕迹；用能谱仪对断裂处进行成分分析，主要成分为Au、O等元素，断裂处与周围成分无明显差异。结果如图13～15所示。

用I-V测试仪对二极管芯片进行测试，发现二极管正反向均呈阻性特征，二极管阻性击穿。

根据以上的检测与观察，分析得出：光耦失效是由于输入端受到过电应力作用，造成输入级内键合丝过流熔断，二极管击穿所致。

图9 失效器件X射线检查图像

图10 两根键合丝搭接处形貌

图11 失效器件X射线检查图

图12 输入端开封后形貌

2.2 输出级芯片失效

与输入级过电烧毁不同，光耦输出级失效一般是由于输出端受到瞬时脉冲干扰，造成输出级对地或电源短路（或呈阻性），失效机理为输出级芯片与输出端相连的晶体管击穿。一般芯片表面看不到击穿烧毁形貌，通过芯片剥层才能看到失效点。下面通过具体案例说明。

案例7

图13 二极管扫描电镜形貌

图14 断裂处形貌

图15 键合丝断裂形貌

图16 第一通道输出芯片表面形貌

某型光耦是国内某厂生产的质量等级为A3的产品。整机单位在本所进行试验时，发现通信丢失，经排查发现通信接口光耦的第一通道输出（Pin7）常低。

用体视显微镜对失效件进行外观观察，未见明显异常现象。用X射线检测仪检查失效件内部状态，未见明显异常。

对失效件进行常温电性能测试，结果为：第一通道功能失效。用晶体管图示仪对失效件管脚间I-V特性曲线进行测试，第一通道输出（管脚7）对电源（管脚8）及地（管脚5）均呈短路状态；与第二通道比较差异明显。

对失效件进行PIND及密封检测，结果均为合格。采用机械方法将失效件金属盖板开封，暴露出内部结构，发现：内部有两个陶瓷盖板，掀开并对陶瓷盖板背面的发光二极管芯片、键合、芯片粘接等进行观察，未发现明显异常；内部两路输出芯片表面、键合、芯片粘接等也未见明显异常。图16为第一通道输出端芯片表面形貌。

进一步对输出芯片进行剥层，去掉芯片表面钝化层、第二层金属、层间介质、第一层金属、观察底层芯片，发现管脚7与管脚5内键合点之间晶体管局部存在击穿烧毁点（如图17所示）。对击穿点进行扫描电镜观察，发现存在击穿空洞（如图18所示）。由此推断：器件失效应与器件受到瞬时窄脉冲过电应力作用，造成内部芯片表层以下电路局部击穿有关。

图17 第一通道输出芯片剥层后形貌

图18 芯片击穿点扫描电镜形貌

3 结束语

由于光电耦合器具备体积小、重量轻、寿命长，输入与输出完全隔离，以及输入与输出单向线性传输的特点，光耦器件被广泛应用于电器隔离、高压隔离、开关电路中。由于光耦在电路中处于中枢位置，起着纽带和桥梁作用，光耦失效将导致整个功能电路模块的失效，所以研究与探讨光耦失效机理，发现光耦本身或应用中的薄弱环节，对提高整机电路的质量与可靠性具有非常重要的意义。