光電耦合器酸腐蝕問題分析及對策

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（以下簡稱光耦）是空調內外機通信電路中關鍵核心器件，主芯片通過接收光耦傳遞的信號或向光耦發出信號，實現內外機數據傳輸通信的目的[1]。在通信電路中，通過光耦光電信號的轉換，可提高通信電路的抗干擾性。如果該部件的性能失效，則內外機將無法正常進行數據傳輸而出現通信故障問題。

2019年1-6月份，過程投訴主板通信異常現象突出，經分析確認為光耦電性能失效；進行數據統計分析發現，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過程中工序異常導致，故對其失效模式進行分析研究。

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的一種電-光-電轉換器件。光電耦合器由發光源（紅外線發光二極管）和受光器（光敏半導體管）兩部分組成，如圖1所示。發光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內[2]，彼此間用絕緣體隔離，發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

對該異常進行失效模式和失效機理的進一步分析確認。

1.2.1 失效模式

故障件輸入端引腳間阻值開路，對比測試正常品為14 kΩ左右，輸入端二極管特性曲線異常，表現為開路。X-ray觀察故障件內部結構，發現光耦內部引線同晶圓的結合處存在縫隙，即引線邦定開路，如圖2所示。

圖1 光耦內部電器連接圖

圖2 焊點開路

根據X-ray觀察內部引線情況可知，無明顯受力拉扯變形異常，可排除廠家生產過程引線受外力拉斷的可能。隨后對故障件進行破壞性分析，去除外封裝，發現在輸入端的引線鍵合處焊點脫落。對失效樣品焊點處放大觀察，在引線和晶圓的鍵合處，焊點表面存在較多點蝕痕跡（見圖3），分析此處可能存在化學反應發生。

對存在點蝕現象的焊點處進行成分分析，成分圖譜顯示點蝕處檢測出氯元素和鋁元素，如圖4所示。對比正常產品僅有鋁元素，無氯元素存在，說明生產過程中的某一工序，存在氯元素交叉污染。

1.2.2 失效機理

圖3 點蝕現象

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，故進行試驗驗證。在含有不同濃度H+和Cl-的鹽酸空白溶液中，測試系列極化曲線，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多步驟過程。

通過實驗結論驗證，結合廠家生產工序，在除毛刺工序有使用稀HCl。該酸對于鋁電極存在腐蝕作用，且在常溫下即可發生反應。光耦的封裝材質為樹脂材質，引腳材質為金屬材質，其結合處存在一定的分子間隙，在浸稀HCl工序，會導致部分HCl以離子的形式進入光耦內部，甚至電極附近。在輸入端通電條件下，氯離子（帶負電）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反應，導致引線鍵合處腐蝕開路。這也正是開路問題集中發生在輸入端的一個重要原因，其化學反應方程式為：

圖4 成分分析

2 結論及對策

根據分析確定具體失效原因為引線鍵合處（焊點）發生鋁電極的化學腐蝕，使光耦的輸入端呈現出輸入端開路狀態，結合目前行業現狀及其他類型半導體生產工藝，可以從如下3個方面進行優化。

（1）溶液性質改善。針對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生。

（2）電鍍前工序時間控制。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避免各工序停留時間過長，一方面防止氧氣進入光耦內部，另一方面防止酸溶液中離子進入光耦內部，因此實施自動化代替人工進行清洗非常有必要。

（3）檢驗方法優化。電催化作用下的腐蝕在通電30 s左右既可以完全反應完畢，在入廠檢驗方面可以通過加電試驗進行篩選光耦本身質量可靠性。

通過對光耦內部結構、材料成分、失效模式及機理的分析，最終確定導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策，規避問題擴大的風險，提高了光耦質量的可靠性。此次研究也為其他半導體器件失效分析及整改提供了借鑒和參考。