關(guān)于我們
數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究
發(fā)布時(shí)間：
2020/06/28
徐昕 1 ，陳品君 1 ，鄺栗山 2 ，劉路揚(yáng) 2
(1. 北京賽迪君信電子產(chǎn)品檢測實(shí)驗(yàn)室有限公司，北京，100089 ; 2. 航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京，100089)
摘要：國產(chǎn)化替代的元器件，由于設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料和工藝無法保證與進(jìn)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(jié)構(gòu)分析技術(shù)，則可以在元器件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)準(zhǔn)確的識別出這些潛在問題和缺陷。本文以進(jìn)口ADUM1400 和國產(chǎn) GL1400P 數(shù)字隔離器為對象進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)了相關(guān)影響可靠性的因素。
關(guān)鍵詞：數(shù)字隔離器; 結(jié)構(gòu)分析; 耦合線圈
0 引言
由于我國元器件技術(shù)水平的相對落后，長時(shí)間以來，國內(nèi)元器件技術(shù)路線基本上是以美國、日本等國家為目標(biāo)進(jìn)行跟隨式、仿制化方向發(fā)展。受中興事件影響，進(jìn)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(yīng)用需求的倒逼下，實(shí)現(xiàn)核心、高端和關(guān)鍵元器件國產(chǎn)化的緊迫性和重要性達(dá)到空前的高度。
在元器件國產(chǎn)化過程中，由于設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料和工藝無法實(shí)現(xiàn)與進(jìn)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(jié)構(gòu)分析技術(shù)就是針對元器件內(nèi)部設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料與工藝進(jìn)行分析評價(jià)，發(fā)現(xiàn)其不適應(yīng)于應(yīng)用環(huán)境的因素并提出改進(jìn)建議[1-4] 。通過結(jié)構(gòu)分析可以在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，分析評價(jià)元器件的工藝適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)可靠性，以低成本、及時(shí)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)分析之前，需要了解元器件的實(shí)際使用環(huán)境和應(yīng)力，根據(jù)具體的應(yīng)力條件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)方案，從而有針對性的考核該器件是否能滿足應(yīng)用要求。本文選用的進(jìn)口ADUM1400 和國產(chǎn) GL1400P 數(shù)字隔離器，其實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)力為 ：(1)電應(yīng)力 ：3.3V，工作頻率 10M，環(huán)境溫度為 -40℃ -60℃ ;(2)溫度條件 ：實(shí)際工作溫度范圍 -40℃ -60℃ ;(3)力學(xué)條件 ：能承受 GJB548B-2005 方法 2026.1 試驗(yàn)條件 I (G)，三個方向每個方向 5min 的隨即振動。因此，結(jié)構(gòu)分析時(shí)須從溫度、振動和電應(yīng)力等方面，重點(diǎn)分析選用的隔離器是否能滿足要求。
1.1 結(jié)構(gòu)單元分解
按照進(jìn)口 ADUM1400 和國產(chǎn) GL1400P 數(shù)字隔離器的物理和功能單元進(jìn)行分解，獲得其結(jié)構(gòu)要素，并作為后續(xù)制定結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)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(jié)構(gòu)單元分解圖，如圖 1 所示。
1.2 結(jié)構(gòu)要素識別
數(shù)字隔離器中不同的結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同的失效機(jī)理，通過對數(shù)字隔離器常見的失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行調(diào)研分析，并找出其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)結(jié)構(gòu)單元制定相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目，如表1 所示。
圖1 數(shù)字隔離器典型結(jié)構(gòu)單元分解圖
1.3 結(jié)構(gòu)分析流程
為了提高試驗(yàn)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(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行合并和優(yōu)化。結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)實(shí)施時(shí)，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(jìn)行。具體的分析程序如表 2所示。
表1 結(jié)構(gòu)要素組成和識別方法
表2 數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)分析程序
2 試驗(yàn)及結(jié)果
2.1 封裝管殼
2 只隔離器均為典型的塑封 SOP16 封裝結(jié)構(gòu)，外形結(jié)構(gòu)尺寸一致。器件表面信息通過印刷方式標(biāo)識，對 2 只隔離器進(jìn)行耐溶劑試驗(yàn)，利用光學(xué)顯微鏡對試驗(yàn)后的器件表面形貌進(jìn)行觀察，可見進(jìn)口隔離器表面標(biāo)識局部變模糊，國產(chǎn)隔離器表面標(biāo)識印刷質(zhì)量良好，未見標(biāo)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、偏離或塌絲等異常現(xiàn)象，如圖3 所示。
圖2 隔離器外觀結(jié)構(gòu)形貌
圖3 隔離器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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(jìn)行制樣鏡檢，可見鍵合絲與芯片和引線框架鍵合界面結(jié)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(diǎn)剖面形貌
進(jìn)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(jìn)行破壞性鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果均合格，斷裂位置均位于鍵合點(diǎn)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(jìn)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(shè)計(jì)了凹槽結(jié)構(gòu)，保證塑封料和金屬框架之間的結(jié)合性，圖 5- 圖 6 所示。
2.4 芯片結(jié)構(gòu)
隔離器內(nèi)部采用電磁感應(yīng)線圈耦合信號原理，對于進(jìn)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(jī)膠體上，有機(jī)膠體與次級線圈采用粘接工藝，且無玻璃鈍化層保護(hù)。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(hù)，可靠性較高。
圖5 進(jìn)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(jìn)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(jié)果及討論
綜合結(jié)構(gòu)分析結(jié)果認(rèn)為，進(jìn)口和國產(chǎn)隔離器外部均采用典型的塑封 SOP 16 封裝結(jié)構(gòu)尺寸，整體結(jié)構(gòu)和工藝良好，未見明顯缺陷。進(jìn)口隔離內(nèi)部初級線圈通過有機(jī)膠粘接在次級線圈上，由于有機(jī)膠體膨脹系數(shù)較金屬線圈大，在溫度應(yīng)力作用下，有機(jī)膠體可能發(fā)生形變，導(dǎo)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(lǐng)域應(yīng)用存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)，若確需使用應(yīng)進(jìn)行充分的驗(yàn)證和評估，保證其使用可靠性。
在西方長期技術(shù)封鎖禁運(yùn)以及中美貿(mào)易戰(zhàn)的影響，我國正在大力推進(jìn)元器件國產(chǎn)化自主可控。對于國外的產(chǎn)品和技術(shù)，我們不能原本照搬，拿來就用，而是要基于我國實(shí)際需求和技術(shù)水平，充分進(jìn)行引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，長期以往才能開辟符合我國現(xiàn)實(shí)實(shí)際的技術(shù)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(xiàn)
[1]ICE-Corp. Actel A1440 FPGA Construction Analysis Re-port[R].SCA9504-403, 1995.
[2] 張延偉 , 江理東 , 陳志強(qiáng) . 一種新的元器件可靠性評估方法 -- 結(jié)構(gòu)分析 (CA)[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn) ,2003(5) : 1-3.
[3] 張磊 , 夏泓 , 龔欣 . 宇航元器件結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究 [J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn) , 2012, 30(1) : 53-57.
[4] 龔欣 . 航天用 DC/DC 電源模塊結(jié)構(gòu)分析研究 [J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn) , 2010, 28(5) : 23-28.
關(guān)鍵詞:
相關(guān)資訊
手機(jī)二維碼
公眾號二維碼