光电耦合器应用失效研究

冯文昕，孙哲，李道豫，邱志远，黄伟冠

（1.中国南方电网超高压输电公司贵阳局，贵州 贵阳 550003；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）

0 引言

光电耦合器，又被称为光耦（OC ：Optical Coupler），通过发光二极管（LED），将输入端电信号变为一定波长的光，被光电探测器接收并转化为光电流，再经过进一步放大后输出[1]。OC 以光为介质进行信号的传输，实现电-光-电的转化[2]。这种工作方式有着一个显著的优点：输入、输出之间实现了信号的单向传输与隔离，输出端信号对输入信号完全没有干扰，并且工作稳定、传输效率高、使用寿命长[3-4]。OC 已经被广泛地应用于家电、轨道交通和通信等行业。OC 在电路中主要用作隔离器件，例如：空调内外机通信、AC-DC电源隔离反馈、电机驱动等[5]。

本文针对OC 导致的失效事件开展分析，确定了失效是由于OC 生产工艺问题导致，并提出了相应的改进方法。

1 事件背景

本文涉及的OC 用于某家电产品，该产品在用户端发生失效，失效现象为产品外壳发生过热烧毁，如图1-2 所示。产品失效呈现批次性，某批次产品失效率高达50%。经测试（测试结果如表1所示），由于OC 失效，产品内部的电源板输出电压远高于设计值，导致与电源板相连的LED 控制板功率上升而急剧地发热，最终产品失效。

图1 产品烧毁的典型图片

图2 拆开烧毁的整机外壳后组件图片

表1 电源板“13 V”输出电压测量

2 光电耦合器失效分析过程

OC 所在的电源板采用LLC 谐振半桥拓扑结构，如图3-4 所示，使交流输入转换成直流输出。为了保证客户的使用安全，电源电路采用变压器与OC 实现交流输入端与直流输出端的隔离。分析电源电路可知输出电压的稳定主要由芯片（型号TL431）与OC（型号817A）实现，电压稳定工作原理如图5 所示。

图3 电源电路原理图

图4 输出电压调节

图5 电源电路稳定输出电压的反馈工作原理

2.1 光电耦合器参数测试

表征OC 的参数较多，例如：反向电流、反向击穿电压、正向压降、正向电流、反向击穿电压、输出饱和压降、反向截止电流、电流传输比、脉冲上升时间和下降时间等。其中，电流传输比（CTR）是OC 最关键的参数[6]。CTR 指的是输出管的工作电压为规定值时，输出电流和LED 正向电流之比[7]。

使用半导体参数测试仪对失效电源板中的OC进行CTR 参数测试，测试结果如表2 所示。显然所有被测的OC 的CTR 均远低于规格值范围。结合图5 分析，由于OC 的CTR 过低，即使输出电压偏高也无法使OC 的接收三级管的Ice电流增加，无法对电源回路进行调节，最终导致电源板输出电压偏高。

表2 失效样品的电源板上的OC 的CTR 值测量结果

2.2 X 射线透视检查

采用X 射线检测系统对OC 内部进行检查。作为比对将良品和失效品OC 进行X 射线检测，结果如图6-8 所示。发现良品与失效品相比，在LED 上多覆盖有一层弧形物质，如图9 所示。

图6 OPT-F1 #OC 侧面X 光形貌

图7 OPT-F1 #OC-LED 内键合点X 光形貌

图8 良品OC 侧面X 光形貌

图9 对图8 区域进行放大，发现了覆盖在LED 上有一层弧形物质（图中线标识）

2.3 光电耦合器制样镜检与机械开封

为了确认在X 光中观察到的差异，对失效品进行制样镜检，对良品进行机械式开封，得到的结果如图10-13 所示。发现良品OC 如X 光观察结果一样，其LED 上覆盖有一层软胶。而失效品OC缺少与良品对应的软胶，其LED 直接与硬质导光材料接触。

图10 OPT-F1 #OC 切片金相形貌

图11 OPT-F1 #OC 切片局部放大金相形貌

图12 良品OC 机械开封形貌

图13 良品OC 的LED 外观形貌

2.4 电子显微镜观察与能谱分析

对失效品的切片制样进行进一步的观察与能谱分析，结果如图14-21 所示。发现LED 芯片边缘存在多处裂纹，芯片边缘的这些裂纹会严重地影响LED 的发光效率，进而导致接收三极管仅能接收到少量的光线，因此OC 的电流传输比会大幅度地下降。

图14 OPT-F1 #OC 的LED 的SEM 全貌图15 OPT-F1 #OC 的LED 内键合点局部放大SEM 形貌

图16 图14中所示B 区域的放大形貌（LED与硬质导光材料界面）图17 图16中D 处区域放大形貌

图18 图14中所示C 区域的放大形貌（LED与硬质导光材料界面）图19 图18中所示E 区域的放大形貌

图20 图19中箭头指示的区域能谱分析结果（1）

图21 图19中箭头指示的区域能谱分析结果（2）

2.5 综合分析

综上所述，失效的OC 在制造过程中未使用软胶来保护LED，LED 芯片直接与硬质导光材料接触，由于硬质导光材料与LED芯片材料之间的材料不匹配，使用过程中的振动、温度变化等条件都会使两种材料之间产生应力造成LED 芯片开裂，导致OC 的CTR 大幅下降而失效。OC 失效后导致电源板输出电压过高，进而使得LED控制板功率急剧地上升，最终使主板烧毁，存在严重的人身安全隐患。

2.6 改进建议

该问题属于批次性工艺缺陷，因此建议生产厂家在制造过程中增加软胶保护工序，避免LED 芯片直接与硬质导光材料接触。

2.7 光电耦合器来料检验方法优化

由于OC 多在电路中用作隔离器件，所以OC 的质量对电器用户的人身安全有着直接的影响。企业应当对采购的OC 进行严格把关，增强来料质量控制（IQC）。

传统的IQC 方法主要是外观尺寸检查和电参数测试，显然这两种方法无法检出本次失效分析中发现的批次性工艺缺陷。应当在原有方法的基础上增加X 光检查、开封与内部目检，确定元器件内部关键结构的一致性。

3 结束语

通过对失效产品的分析，发现失效OC 未使用软胶对LED 芯片进行保护，属于批次性工艺缺陷，并针对该缺陷提出了相应的改进建议。同时，针对OC 的使用单位，对OC 的IQC 方法提出了改善建议。