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(cè)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(guó)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(huì)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(shí)別出這些潛在問題和缺陷。本文以進(jìn)口ADUM1400 和國(guó)產(chǎn) GL1400P 數(shù)字隔離器為對(duì)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(guó)元器件技術(shù)水平的相對(duì)落后，長(zhǎng)時(shí)間以來，國(guó)內(nèi)元器件技術(shù)路線基本上是以美國(guó)、日本等國(guó)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(jí)器件購(gòu)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(guó)產(chǎn)化的緊迫性和重要性達(dá)到空前的高度。
在元器件國(guó)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(duì)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(duì)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(píng)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(píng)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(duì)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(guó)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(gè)方向每個(gè)方向 5min 的隨即振動(dòng)。因此，結(jié)構(gòu)分析時(shí)須從溫度、振動(dòng)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(guó)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(shí)別
數(shù)字隔離器中不同的結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同的失效機(jī)理，通過對(duì)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(duì)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(duì)不同要素對(duì)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(shí)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(shí)，對(duì) 2 只隔離器進(jìn)行耐溶劑試驗(yàn)，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)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(shí)局部變模糊，國(guó)產(chǎn)隔離器表面標(biāo)識(shí)印刷質(zhì)量良好，未見標(biāo)識(shí)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(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(duì)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(guó)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(duì) 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(guó)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(hào)原理，對(duì)于進(jìn)口隔離器，內(nèi)部共有輸入、耦合和輸出三個(gè)芯片，如圖 7 所示。耦合芯片上包含初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，其中初級(jí)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(jí)線圈采用粘接工藝，且無玻璃鈍化層保護(hù)。次級(jí)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(guó)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(guó)產(chǎn)隔離器內(nèi)部只有兩個(gè)芯片，如圖8 所示。其初級(jí)和次級(jí)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(guó)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(jí)線圈通過有機(jī)膠粘接在次級(jí)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(jí)線圈發(fā)生疲勞斷裂甚至錯(cuò)位脫落，改變耦合線圈的耦合特性。因此對(duì)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(píng)估，保證其使用可靠性。
在西方長(zhǎng)期技術(shù)封鎖禁運(yùn)以及中美貿(mào)易戰(zhàn)的影響，我國(guó)正在大力推進(jìn)元器件國(guó)產(chǎn)化自主可控。對(duì)于國(guó)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(guó)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(zhǎng)期以往才能開辟符合我國(guó)現(xiàn)實(shí)實(shí)際的技術(shù)發(fā)展路線。
圖8 國(guó)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(píng)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(hào)二維碼