光电耦合器常见的可靠性问题
光电耦合器,又称为光耦(Optical Coupler,OC),是一种把红外光发射器件和红外光接收器件以及信号处理电路等封装在一起的器件。光耦自1966年问世以来,由于其体积小、寿命长、抗干扰能力强、单项传输信号等优点,已发展成用途最广、种类最多的光电器件之一。
1、光耦的结构与主要参数
光耦的主要结构如图1所示。其中,LED多为GaAs红外LED,光电探测器可能为光敏三极管、光敏场效应管等。通过向输入端加电信号,发光二极管将电信号转化为一定波长的光,由接收端的光电探测器接收,并经过转化及放大之后输出。光耦以光作为传输媒介,依靠电 - 光 - 电的转化过程,实现了信号的单向传输与隔离,因此也称为电隔离。
光耦的性能参数可分为输入部分、输出部分、传输特性及隔离特性四个部分。其中,CTR和ViO为光耦的重要参数,可以通过对光耦的输入输出结构设计体现。一般来说,光耦内部的LED与三极管芯片之间位置结构有上下堆叠和平面结构两种,在输入输出之间会涂覆反射胶及有机胶。
2、光耦的特点与应用
光耦的特点由其特殊的结构所决定,主要包括:①输入与输出端之间绝缘,绝缘电阻一般高至10 ^ 10欧姆,耐压一般超过1kV;②由于光传输的单向性,信号从光源单向传输到光接收器时便会出现反馈现象,输出信号也不会影响输入端;③由于发光器件是阻抗电流驱动型器件,而噪音是一种高内阻微电流电压信号,因此光耦的共模抑制比很大。④光耦的响应速度快,时间常数通常在微秒甚至毫微秒。⑤光耦的体积小,寿命长,耐冲击,容易和逻辑电路配合。基于以上特点,光耦的用途也十分广泛。
3、光耦的常见可靠性问题
①光耦的输入端导致失效
光耦的输入端多为砷化镓LED,因此光耦的输入端失效模式及原因与常规LED失效模式及原因相似。LED的主要失效模式包括漏电、短路以及开路。其中,造成漏电或失效的主要原因包括:静电击穿、过电应力,以及芯片表面存在导电物质等;引起开路的常见失效原因包括键合不良、EOS导致键合丝烧断、芯片银浆粘接不良等。
②光耦的输出芯片导致失效
光耦的输出芯片常见失效模式包括开路或阻值增大,以及阻值减小。导致阻值增大的可能原因包括:EOS烧毁导致键合丝或金属化烧断,键合不良,芯片表面离子玷污或有机胶中含氯离子导致键合点或铝布线腐蚀脱开;导致阻值减小的可能原因包括:EOS烧毁,芯片粘接银浆污染芯片表面等。
③输入端与输出端之间传输导致失效
输出端与输出端传输失效现象包括:CTR降低、输入端无信号时异常导通、不导通、输出电压漂移。其中,常见失效机理包括:输出端芯片ESD损伤、输出端芯片EOS烧毁、键合不良,输入端二极管发光效率降低,反射胶和导电胶开裂分层等。鉴于光耦的工作原理、参数、封装结构与通常的半导体器件存在差别,一方面,使用不当会导致LED、输出芯片常见的失效原因ESD、EOS、键合失效之外,还具有与普通半导体器件不一样的失效模式与机理。光耦内部由于发光二极管与接收芯片之间存在导光胶,当导光胶开裂、分层时,将会导致光路传输不畅,使光耦的CTR偏离正常值,可能出现不稳定失效;当导光胶存在腐蚀性离子时,腐蚀性离子如氯离子可能导致器件表面产生腐蚀,导致器件内部产生开路、或发生漏电情况。
小结光耦的电 - 光 - 电特殊结构使其具有传统电子元器件不具备优点的同时,也产生了新的可靠性问题。一方面,发光二极管以及接收端的光敏三极管、芯片属于半导体器件,会受到EOS、ESD的损伤,键合不良、芯片崩损等均可能导致光耦失效;另一方面,光耦中导电胶结构带来了开裂、分层、腐蚀等问题,容易导致光耦产生不稳定失效。如何提高光耦的可靠性,将成为光耦推广应用的新课题。