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        光電耦合器腐蝕失效分析與預(yù)防

        2020-06-29 01:44:10劉大喜
        印制電路信息 2020年5期
        關(guān)鍵詞:助焊劑涂敷氯化物

        劉大喜 周 峰

        (株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司,株洲 湖南 412001)

        0 引言

        光電耦合器又稱光耦,是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電—光—電轉(zhuǎn)換器件。它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn),自上世紀(jì)70年代問世以來廣泛使用于各種電路中[1]。光耦通常由組裝在同一殼體內(nèi)的發(fā)光器和受光器組成,彼此間用透明絕緣體隔離,常見的發(fā)光器為紅外線發(fā)光二極管(LED),受光器為光敏三極管。光要的關(guān)鍵性能參數(shù)包括:電流傳輸比CTR、絕緣電壓VISO,為了使其達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),通常會(huì)在輸入、輸出之間涂覆導(dǎo)光膠、反射膠、硅樹脂等材料。典型光耦封裝結(jié)構(gòu)(見圖1)。

        圖1 典型光耦封裝結(jié)構(gòu)

        光耦獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和封裝材料決定了其存在與一般IC器件不同的失效模式。本文重點(diǎn)對電路板組件加工過程不合理導(dǎo)致的光耦內(nèi)部腐蝕失效進(jìn)行了歸納總結(jié)。

        1 助焊劑選用不當(dāng)導(dǎo)致的氯腐蝕

        某新產(chǎn)品在廠內(nèi)測試階段即出現(xiàn)了多起功能故障,經(jīng)排查確認(rèn)是PCBA上的光耦內(nèi)部LED芯片并未處在正常的正向?qū)顟B(tài),導(dǎo)致輸出恒高失效,X光檢測發(fā)現(xiàn)失效光耦內(nèi)部鍵合線斷裂(見圖2)。

        圖2 光耦內(nèi)部Pin1鍵合線斷裂

        對失效光耦進(jìn)行機(jī)械開封,發(fā)現(xiàn)LED芯片鍵合金絲有變色現(xiàn)象,LED芯片鋁金屬層有腐蝕開裂現(xiàn)象(見圖3)。

        圖3 光耦內(nèi)部芯片腐蝕變色

        EDX分析確認(rèn)LED表面存在Cl元素。說明該器件存在嚴(yán)重的Cl元素腐蝕現(xiàn)象。

        對比分析失效和未失效光耦,在失效光耦引腳靠器件塑封的根部位置發(fā)現(xiàn)Cl元素同時(shí)發(fā)現(xiàn)有較大比例的Pb,說明該引腳焊接時(shí)焊錫已上爬到引腳根部(焊料為SnPb),見圖4。未失效光耦爬錫高度較低,在其引腳靠器件塑封的根部未測試到 Cl 元素。

        圖4 失效光耦引腳根部

        查詢生產(chǎn)記錄,失效光耦均在回流焊接后被修復(fù)過焊點(diǎn),為達(dá)到較好的焊點(diǎn)外觀,員工采用了含氯化物的ORL1型的水洗助焊劑。為確認(rèn)此工藝過程是否會(huì)導(dǎo)致光耦腐蝕失效,開展焊接模擬試驗(yàn),并進(jìn)行高溫高濕試驗(yàn)(85 ℃、 85%濕度,200 h),最后進(jìn)行功能測試及內(nèi)部物理分析,試驗(yàn)矩陣及結(jié)果見表1。以上試驗(yàn)結(jié)果表明,光耦并是非密封器件,含氯化物的助焊劑能夠滲透至器件內(nèi)部并腐蝕鍵合區(qū)的鋁金屬層,導(dǎo)致鍵合點(diǎn)開路。因此,電路板組件加工過程中應(yīng)慎重使用含氯化物的助焊劑、焊錫絲、錫膏等材料,避免器件被氯化物腐蝕。

        2 點(diǎn)膠工藝不合理導(dǎo)致的硫腐蝕

        某批次產(chǎn)品裝上機(jī)車在某大型煉鋼廠露天停放了一年后出現(xiàn)故障,經(jīng)分析定位是光耦輸出恒高導(dǎo)致失效。對失效光耦進(jìn)行機(jī)械開封,發(fā)現(xiàn)LED芯片表面腐蝕變色,腐蝕區(qū)域存在硫元素,在光耦的外部引腳上也發(fā)現(xiàn)了硫元素(見圖5)。

        表1 高溫高濕試驗(yàn)因素水平表

        圖5 LED芯片硫腐蝕

        電路板組件加工時(shí)先對單板上的高大器件點(diǎn)RTV硅膠輔助固定,失效光耦與需要點(diǎn)膠的器件相鄰,硅膠會(huì)覆蓋一部分光耦本體。硅膠表干后再整板噴涂聚氨酯樹脂三防漆。覆蓋光耦表面的硅膠是2 mm~3 mm厚的彈性體,涂敷在硅膠表面的聚氨酯樹脂三防漆是一層厚度為0.03~0.13 mm的脆性薄膜,生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)過程中輕微觸碰膠體都會(huì)導(dǎo)致其表面的三防漆膜破裂。另外,該型硅膠熱膨脹系數(shù)為0.088%/℃(880 ppm/℃),三防漆熱膨脹系數(shù)為0.02%/℃(200 ppm/℃),兩者存在較大差異。隨著環(huán)境溫度變化,硅膠體積膨脹和收縮均可能導(dǎo)致其表面的三防漆膜破裂。硅膠本身不含硫,但具有多孔結(jié)構(gòu),比表面積達(dá)500~600 m2/g,對空氣中的極性分子硫化物有較強(qiáng)的吸附作用[2]。光耦為非氣密性器件,三防漆涂敷不完整或漆膜開裂后,光耦表面及內(nèi)部的硅膠吸附大氣中的 H2S、SO2和潮氣形成亞硫酸或者硫酸,到一定濃度后與LED芯片表面的鋁金屬發(fā)生氧化反應(yīng),形成鋁的硫酸鹽,導(dǎo)致光耦失效。

        為明確硅膠對光耦硫化的影響,設(shè)計(jì)表2對比試驗(yàn),產(chǎn)品加工完成后懸掛于蒸餾粉試驗(yàn)裝置中(裝置內(nèi)加有一定量的飽和硝酸鉀溶液及足量硫粉),然后將裝置放置于105 ℃的高溫箱中進(jìn)行濕硫磺蒸汽試驗(yàn)(溫度平衡后試驗(yàn)裝置內(nèi)部濕度在95%以上),每間隔48 h對樣品進(jìn)行功能測試,各時(shí)間點(diǎn)失效數(shù)量見表3。

        表2 硫化試驗(yàn)因素水平表

        表3 硫化試驗(yàn)失效數(shù)量表

        試驗(yàn)進(jìn)行至192 h,組1、組4光耦均全部失效,組2、組3光耦未出現(xiàn)失效。對光耦機(jī)械開蓋分析,組1、組4光耦LED芯片電極脫落,EDX檢測表明脫落區(qū)域存在硫元素,與使用現(xiàn)場失效模式一致,典型圖片見圖6。組2、組3光耦LED芯片正常,EDX檢測其表面未發(fā)現(xiàn)硫元素。

        圖6 LED芯片電極硫腐蝕脫落

        以上試驗(yàn)表明,光耦易被硫化物腐蝕,如需在高硫化物含量環(huán)境中使用,應(yīng)在器件表面涂敷三防漆保護(hù),將三防漆涂敷于硅膠表面不能起到良好的防護(hù)作用,因此調(diào)整電路板組件的加工流程,先對產(chǎn)品噴涂三防漆,待其表干后再點(diǎn)硅膠加固。

        3 結(jié)論

        光耦為非氣密性結(jié)構(gòu),電路板組件加工過程中使用的含氯化物的助焊劑能夠滲透至器件內(nèi)部腐蝕LED芯片的鋁金屬層導(dǎo)致斷裂開路,因此應(yīng)慎重使用含氯化物的焊接、清洗、膠粘等材料。對于在高鹽霧、高含硫氣體、粉塵等惡劣環(huán)境下使用的光耦應(yīng)直接在器件表面涂敷三防漆且保證覆蓋完整,避免因點(diǎn)膠遮蔽器件導(dǎo)致漏涂敷或三防漆膜破裂而引發(fā)腐蝕失效。

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