光電耦合器酸腐蝕問題分析及對(duì)策

施慶西，王陸賓，王耐東，于海泳

（格力電器（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引 言

光電耦合器（以下簡(jiǎn)稱光耦）是空調(diào)內(nèi)外機(jī)通信電路中關(guān)鍵核心器件，主芯片通過接收光耦傳遞的信號(hào)或向光耦發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外機(jī)數(shù)據(jù)傳輸通信的目的[1]。在通信電路中，通過光耦光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，可提高通信電路的抗干擾性。如果該部件的性能失效，則內(nèi)外機(jī)將無法正常進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而出現(xiàn)通信故障問題。

2019年1-6月份，過程投訴主板通信異?，F(xiàn)象突出，經(jīng)分析確認(rèn)為光耦電性能失效；進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，不良集中在A廠家，不良品失效批次不集中，初步分析該異常為物料本身性能一致性較差或廠家生產(chǎn)過程中工序異常導(dǎo)致，故對(duì)其失效模式進(jìn)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

光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電-光-電轉(zhuǎn)換器件。光電耦合器由發(fā)光源（紅外線發(fā)光二極管）和受光器（光敏半導(dǎo)體管）兩部分組成，如圖1所示。發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)[2]，彼此間用絕緣體隔離，發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。

1.2 失效分析

對(duì)該異常進(jìn)行失效模式和失效機(jī)理的進(jìn)一步分析確認(rèn)。

1.2.1 失效模式

故障件輸入端引腳間阻值開路，對(duì)比測(cè)試正常品為14 kΩ左右，輸入端二極管特性曲線異常，表現(xiàn)為開路。X-ray觀察故障件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)光耦內(nèi)部引線同晶圓的結(jié)合處存在縫隙，即引線邦定開路，如圖2所示。

圖1 光耦內(nèi)部電器連接圖

圖2 焊點(diǎn)開路

根據(jù)X-ray觀察內(nèi)部引線情況可知，無明顯受力拉扯變形異常，可排除廠家生產(chǎn)過程引線受外力拉斷的可能。隨后對(duì)故障件進(jìn)行破壞性分析，去除外封裝，發(fā)現(xiàn)在輸入端的引線鍵合處焊點(diǎn)脫落。對(duì)失效樣品焊點(diǎn)處放大觀察，在引線和晶圓的鍵合處，焊點(diǎn)表面存在較多點(diǎn)蝕痕跡（見圖3），分析此處可能存在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

對(duì)存在點(diǎn)蝕現(xiàn)象的焊點(diǎn)處進(jìn)行成分分析，成分圖譜顯示點(diǎn)蝕處檢測(cè)出氯元素和鋁元素，如圖4所示。對(duì)比正常產(chǎn)品僅有鋁元素，無氯元素存在，說明生產(chǎn)過程中的某一工序，存在氯元素交叉污染。

1.2.2 失效機(jī)理

圖3 點(diǎn)蝕現(xiàn)象

光耦的LED電極使用的是鋁材料，電極在酸洗工序有被腐蝕的隱患，故進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在含有不同濃度H+和Cl-的鹽酸空白溶液中，測(cè)試系列極化曲線，分析得出自腐蝕電位、自腐蝕電流與H+和Cl-的有著重大關(guān)系，H+和Cl-都參與了陽極溶解過程和陰極析氫過程[3]。鋁在鹽酸中腐蝕是一個(gè)多步驟過程。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)論驗(yàn)證，結(jié)合廠家生產(chǎn)工序，在除毛刺工序有使用稀HCl。該酸對(duì)于鋁電極存在腐蝕作用，且在常溫下即可發(fā)生反應(yīng)。光耦的封裝材質(zhì)為樹脂材質(zhì)，引腳材質(zhì)為金屬材質(zhì)，其結(jié)合處存在一定的分子間隙，在浸稀HCl工序，會(huì)導(dǎo)致部分HCl以離子的形式進(jìn)入光耦內(nèi)部，甚至電極附近。在輸入端通電條件下，氯離子（帶負(fù)電）被輸入的正電荷吸引至電極附近聚集，引起與鋁電極的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致引線鍵合處腐蝕開路。這也正是開路問題集中發(fā)生在輸入端的一個(gè)重要原因，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

圖4 成分分析

2 結(jié)論及對(duì)策

根據(jù)分析確定具體失效原因?yàn)橐€鍵合處（焊點(diǎn)）發(fā)生鋁電極的化學(xué)腐蝕，使光耦的輸入端呈現(xiàn)出輸入端開路狀態(tài)，結(jié)合目前行業(yè)現(xiàn)狀及其他類型半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，可以從如下3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

（1）溶液性質(zhì)改善。針對(duì)Al電極腐蝕，將電鍍前處理溶液由稀HCL溶液更改為堿性Na（OH）溶液，可以有效杜絕腐蝕問題發(fā)生。

（2）電鍍前工序時(shí)間控制。在水溶液中，鋁的腐蝕主要是耗氧腐蝕，因此電鍍前處理工序應(yīng)避免各工序停留時(shí)間過長(zhǎng)，一方面防止氧氣進(jìn)入光耦內(nèi)部，另一方面防止酸溶液中離子進(jìn)入光耦內(nèi)部，因此實(shí)施自動(dòng)化代替人工進(jìn)行清洗非常有必要。

（3）檢驗(yàn)方法優(yōu)化。電催化作用下的腐蝕在通電30 s左右既可以完全反應(yīng)完畢，在入廠檢驗(yàn)方面可以通過加電試驗(yàn)進(jìn)行篩選光耦本身質(zhì)量可靠性。

通過對(duì)光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料成分、失效模式及機(jī)理的分析，最終確定導(dǎo)致此次輸入端開路失效的主要原因——酸腐蝕，并確定失效工序，從而提出該異常的徹底性整改對(duì)策，規(guī)避問題擴(kuò)大的風(fēng)險(xiǎn)，提高了光耦質(zhì)量的可靠性。此次研究也為其他半導(dǎo)體器件失效分析及整改提供了借鑒和參考。