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數(shù)字隔離器結構分析技術研究
發(fā)布時間：
2020/06/28
徐昕 1 ，陳品君 1 ，鄺栗山 2 ，劉路揚 2
(1. 北京賽迪君信電子產(chǎn)品檢測實驗室有限公司，北京，100089 ; 2. 航天科工防御技術研究試驗中心，北京，100089)
摘要：國產(chǎn)化替代的元器件，由于設計、結構、材料和工藝無法保證與進口元器件完全一致，這些方面的差異會直接影響元器件的固有可靠性，而通過結構分析技術，則可以在元器件設計環(huán)節(jié)準確的識別出這些潛在問題和缺陷。本文以進口ADUM1400 和國產(chǎn) GL1400P 數(shù)字隔離器為對象進行了結構分析，發(fā)現(xiàn)了相關影響可靠性的因素。
關鍵詞：數(shù)字隔離器; 結構分析; 耦合線圈
0 引言
由于我國元器件技術水平的相對落后，長時間以來，國內(nèi)元器件技術路線基本上是以美國、日本等國家為目標進行跟隨式、仿制化方向發(fā)展。受中興事件影響，進口元器件尤其是高質(zhì)量等級器件購買越來越困難，在工程單位應用需求的倒逼下，實現(xiàn)核心、高端和關鍵元器件國產(chǎn)化的緊迫性和重要性達到空前的高度。
在元器件國產(chǎn)化過程中，由于設計、結構、材料和工藝無法實現(xiàn)與進口元器件完全一致，對于這些因素帶來的可靠性問題必須給予高度重視。元器件結構分析技術就是針對元器件內(nèi)部設計、結構、材料與工藝進行分析評價，發(fā)現(xiàn)其不適應于應用環(huán)境的因素并提出改進建議[1-4] 。通過結構分析可以在設計環(huán)節(jié)，分析評價元器件的工藝適應性和結構可靠性，以低成本、及時準確的發(fā)現(xiàn)問題和缺陷，避免引入量產(chǎn)階段，有利于降低元器件的成本，提高其固有可靠性。
1 方案制定
開展結構分析之前，需要了解元器件的實際使用環(huán)境和應力，根據(jù)具體的應力條件設計結構分析試驗方案，從而有針對性的考核該器件是否能滿足應用要求。本文選用的進口ADUM1400 和國產(chǎn) GL1400P 數(shù)字隔離器，其實際應用環(huán)境和應力為 ：(1)電應力 ：3.3V，工作頻率 10M，環(huán)境溫度為 -40℃ -60℃ ;(2)溫度條件 ：實際工作溫度范圍 -40℃ -60℃ ;(3)力學條件 ：能承受 GJB548B-2005 方法 2026.1 試驗條件 I (G)，三個方向每個方向 5min 的隨即振動。因此，結構分析時須從溫度、振動和電應力等方面，重點分析選用的隔離器是否能滿足要求。
1.1 結構單元分解
按照進口 ADUM1400 和國產(chǎn) GL1400P 數(shù)字隔離器的物理和功能單元進行分解，獲得其結構要素，并作為后續(xù)制定結構分析試驗項目和試驗流程的參考依據(jù)。通過分解后，獲得數(shù)字隔離器的典型結構單元分解圖，如圖 1 所示。
1.2 結構要素識別
數(shù)字隔離器中不同的結構會出現(xiàn)不同的失效機理，通過對數(shù)字隔離器常見的失效模式和失效機理進行調(diào)研分析，并找出其對應的結構單元，根據(jù)結構單元制定相應的試驗項目，如表1 所示。
圖1 數(shù)字隔離器典型結構單元分解圖
1.3 結構分析流程
為了提高試驗效率，并在有限樣品的情況下獲得盡可能全面的信息，需要對不同要素對應的試驗進行合并和優(yōu)化。結構分析試驗實施時，一般按照先整體后局部、先宏觀后微觀、先非破壞性后破壞性等原則進行。具體的分析程序如表 2所示。
表1 結構要素組成和識別方法
表2 數(shù)字隔離器結構分析程序
2 試驗及結果
2.1 封裝管殼
2 只隔離器均為典型的塑封 SOP16 封裝結構，外形結構尺寸一致。器件表面信息通過印刷方式標識，對 2 只隔離器進行耐溶劑試驗，利用光學顯微鏡對試驗后的器件表面形貌進行觀察，可見進口隔離器表面標識局部變模糊，國產(chǎn)隔離器表面標識印刷質(zhì)量良好，未見標識脫落現(xiàn)象，如圖 2 所示。
2.2 鍵合互聯(lián)
2 只隔離器內(nèi)部均采用金絲鍵合方式，將芯片與外引線互聯(lián)。X 射線檢查可見 2 只隔離器內(nèi)部鍵合絲鍵合良好，未見搭接、偏離或塌絲等異?，F(xiàn)象，如圖3 所示。
圖2 隔離器外觀結構形貌
圖3 隔離器內(nèi)部結構 X 射線形貌
2 只隔離器內(nèi)部芯片處采用球形鍵合，框架處采用楔形鍵合。對隔離器進行制樣鏡檢，可見鍵合絲與芯片和引線框架鍵合界面結合牢固，未見裂紋、空洞等缺陷，如圖4 所示。
圖4 隔離器球形和楔形鍵合點剖面形貌
進口隔離器內(nèi)部鍵合絲為 32μm 的金絲，數(shù)量為 26 根 ;國產(chǎn)隔離器內(nèi)部鍵合絲為 25μm 的金絲，數(shù)量為 31 根 ;依據(jù)GJB548B-2005 方法 2011.1 對 2 只隔離器內(nèi)部鍵合絲進行破壞性鍵合強度試驗，結果均合格，斷裂位置均位于鍵合點頸縮處。
2.3 芯片粘接
通過制樣鏡檢分別檢查 2 只隔離器的芯片粘接質(zhì)量，進口和國產(chǎn)隔離器芯片粘接良好，未見明顯空洞裂紋缺陷，引線框架上設計了凹槽結構，保證塑封料和金屬框架之間的結合性，圖 5- 圖 6 所示。
2.4 芯片結構
隔離器內(nèi)部采用電磁感應線圈耦合信號原理，對于進口隔離器，內(nèi)部共有輸入、耦合和輸出三個芯片，如圖 7 所示。耦合芯片上包含初級線圈和次級線圈，其中初級線圈采用金帶繞組，并承載在有機膠體上，有機膠體與次級線圈采用粘接工藝，且無玻璃鈍化層保護。次級線圈采用硅基芯片金屬化鋁刻蝕而成，且有玻璃鈍化層保護，可靠性較高。
圖5 進口隔離器芯片粘接界面形貌
圖6 國產(chǎn)隔離器芯片粘接界面形貌
圖7 進口隔離器內(nèi)部芯片表面形貌
國產(chǎn)隔離器內(nèi)部只有兩個芯片，如圖8 所示。其初級和次級耦合線圈均通過硅基芯片金屬化鋁刻蝕集成在輸入和輸出芯片上，可靠性較高。
3 結果及討論
綜合結構分析結果認為，進口和國產(chǎn)隔離器外部均采用典型的塑封 SOP 16 封裝結構尺寸，整體結構和工藝良好，未見明顯缺陷。進口隔離內(nèi)部初級線圈通過有機膠粘接在次級線圈上，由于有機膠體膨脹系數(shù)較金屬線圈大，在溫度應力作用下，有機膠體可能發(fā)生形變，導致初級線圈發(fā)生疲勞斷裂甚至錯位脫落，改變耦合線圈的耦合特性。因此對于 ADUM1400類型隔離器在高可靠領域應用存在較大的失效風險，若確需使用應進行充分的驗證和評估，保證其使用可靠性。
在西方長期技術封鎖禁運以及中美貿(mào)易戰(zhàn)的影響，我國正在大力推進元器件國產(chǎn)化自主可控。對于國外的產(chǎn)品和技術，我們不能原本照搬，拿來就用，而是要基于我國實際需求和技術水平，充分進行引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，長期以往才能開辟符合我國現(xiàn)實實際的技術發(fā)展路線。
圖8 國產(chǎn)隔離器內(nèi)部芯片表面形貌
參考文獻
[1]ICE-Corp. Actel A1440 FPGA Construction Analysis Re-port[R].SCA9504-403, 1995.
[2] 張延偉 , 江理東 , 陳志強 . 一種新的元器件可靠性評估方法 -- 結構分析 (CA)[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗 ,2003(5) : 1-3.
[3] 張磊 , 夏泓 , 龔欣 . 宇航元器件結構分析技術研究 [J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗 , 2012, 30(1) : 53-57.
[4] 龔欣 . 航天用 DC/DC 電源模塊結構分析研究 [J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗 , 2010, 28(5) : 23-28.
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