数字隔离器结构分析技术研究

徐昕 ¹ ，陈品君 ¹ ，邝栗山 ² ，刘路扬 ²

(1. 北京赛迪君信电子产品检测实验室有限公司，北京，100089 ; 2. 航天科工防御技术研究试验中心，北京，100089)

摘要：国产化替代的元器件，由于设计、结构、材料和工艺无法保证与进口元器件完全一致，这些方面的差异会直接影响元器件的固有可靠性，而通过结构分析技术，则可以在元器件设计环节准确的识别出这些潜在问题和缺陷。本文以进口ADUM1400 和国产 GL1400P 数字隔离器为对象进行了结构分析，发现了相关影响可靠性的因素。

关键词：数字隔离器; 结构分析; 耦合线圈

0 引言

　　由于我国元器件技术水平的相对落后，长时间以来，国内元器件技术路线基本上是以美国、日本等国家为目标进行跟随式、仿制化方向发展。受中兴事件影响，进口元器件尤其是高质量等级器件购买越来越困难，在工程单位应用需求的倒逼下，实现核心、高端和关键元器件国产化的紧迫性和重要性达到空前的高度。

　　在元器件国产化过程中，由于设计、结构、材料和工艺无法实现与进口元器件完全一致，对于这些因素带来的可靠性问题必须给予高度重视。元器件结构分析技术就是针对元器件内部设计、结构、材料与工艺进行分析评价，发现其不适应于应用环境的因素并提出改进建议[1-4] 。通过结构分析可以在设计环节，分析评价元器件的工艺适应性和结构可靠性，以低成本、及时准确的发现问题和缺陷，避免引入量产阶段，有利于降低元器件的成本，提高其固有可靠性。

1 方案制定

　　开展结构分析之前，需要了解元器件的实际使用环境和应力，根据具体的应力条件设计结构分析试验方案，从而有针对性的考核该器件是否能满足应用要求。本文选用的进口ADUM1400 和国产 GL1400P 数字隔离器，其实际应用环境和应力为 ：(1)电应力 ：3.3V，工作频率 10M，环境温度为 -40℃ -60℃ ;(2)温度条件 ：实际工作温度范围 -40℃ -60℃ ;(3)力学条件 ：能承受 GJB548B-2005 方法 2026.1 试验条件 I (G)，三个方向每个方向 5min 的随即振动。因此，结构分析时须从温度、振动和电应力等方面，重点分析选用的隔离器是否能满足要求。

1.1 结构单元分解

　　按照进口 ADUM1400 和国产 GL1400P 数字隔离器的物理和功能单元进行分解，获得其结构要素，并作为后续制定结构分析试验项目和试验流程的参考依据。通过分解后，获得数字隔离器的典型结构单元分解图，如图 1 所示。

1.2 结构要素识别

　　数字隔离器中不同的结构会出现不同的失效机理，通过对数字隔离器常见的失效模式和失效机理进行调研分析，并找出其对应的结构单元，根据结构单元制定相应的试验项目，如表1 所示。

图1 数字隔离器典型结构单元分解图

1.3 结构分析流程

　　为了提高试验效率，并在有限样品的情况下获得尽可能全面的信息，需要对不同要素对应的试验进行合并和优化。结构分析试验实施时，一般按照先整体后局部、先宏观后微观、先非破坏性后破坏性等原则进行。具体的分析程序如表 2所示。

表1 结构要素组成和识别方法

表2 数字隔离器结构分析程序

2 试验及结果

2.1 封装管壳

　　2 只隔离器均为典型的塑封 SOP16 封装结构，外形结构尺寸一致。器件表面信息通过印刷方式标识，对 2 只隔离器进行耐溶剂试验，利用光学显微镜对试验后的器件表面形貌进行观察，可见进口隔离器表面标识局部变模糊，国产隔离器表面标识印刷质量良好，未见标识脱落现象，如图 2 所示。

2.2 键合互联

　　2 只隔离器内部均采用金丝键合方式，将芯片与外引线互联。X 射线检查可见 2 只隔离器内部键合丝键合良好，未见搭接、偏离或塌丝等异常现象，如图3 所示。

图2 隔离器外观结构形貌

图3 隔离器内部结构 X 射线形貌

　　2 只隔离器内部芯片处采用球形键合，框架处采用楔形键合。对隔离器进行制样镜检，可见键合丝与芯片和引线框架键合界面结合牢固，未见裂纹、空洞等缺陷，如图4 所示。

图4 隔离器球形和楔形键合点剖面形貌

　　进口隔离器内部键合丝为 32μm 的金丝，数量为 26 根 ;国产隔离器内部键合丝为 25μm 的金丝，数量为 31 根 ;依据GJB548B-2005 方法 2011.1 对 2 只隔离器内部键合丝进行破坏性键合强度试验，结果均合格，断裂位置均位于键合点颈缩处。

2.3 芯片粘接

　　通过制样镜检分别检查 2 只隔离器的芯片粘接质量，进口和国产隔离器芯片粘接良好，未见明显空洞裂纹缺陷，引线框架上设计了凹槽结构，保证塑封料和金属框架之间的结合性，图 5- 图 6 所示。

2.4 芯片结构

　　隔离器内部采用电磁感应线圈耦合信号原理，对于进口隔离器，内部共有输入、耦合和输出三个芯片，如图 7 所示。耦合芯片上包含初级线圈和次级线圈，其中初级线圈采用金带绕组，并承载在有机胶体上，有机胶体与次级线圈采用粘接工艺，且无玻璃钝化层保护。次级线圈采用硅基芯片金属化铝刻蚀而成，且有玻璃钝化层保护，可靠性较高。

图5 进口隔离器芯片粘接界面形貌

图6 国产隔离器芯片粘接界面形貌

图7 进口隔离器内部芯片表面形貌

　　国产隔离器内部只有两个芯片，如图8 所示。其初级和次级耦合线圈均通过硅基芯片金属化铝刻蚀集成在输入和输出芯片上，可靠性较高。

3 结果及讨论

　　综合结构分析结果认为，进口和国产隔离器外部均采用典型的塑封 SOP 16 封装结构尺寸，整体结构和工艺良好，未见明显缺陷。进口隔离内部初级线圈通过有机胶粘接在次级线圈上，由于有机胶体膨胀系数较金属线圈大，在温度应力作用下，有机胶体可能发生形变，导致初级线圈发生疲劳断裂甚至错位脱落，改变耦合线圈的耦合特性。因此对于 ADUM1400类型隔离器在高可靠领域应用存在较大的失效风险，若确需使用应进行充分的验证和评估，保证其使用可靠性。

　　在西方长期技术封锁禁运以及中美贸易战的影响，我国正在大力推进元器件国产化自主可控。对于国外的产品和技术，我们不能原本照搬，拿来就用，而是要基于我国实际需求和技术水平，充分进行引进、消化、吸收和再创新，长期以往才能开辟符合我国现实实际的技术发展路线。

图8 国产隔离器内部芯片表面形貌

参考文献
[1]ICE-Corp. Actel A1440 FPGA Construction Analysis Re-port[R].SCA9504-403, 1995.
[2] 张延伟 , 江理东 , 陈志强 . 一种新的元器件可靠性评估方法 -- 结构分析 (CA)[J]. 电子产品可靠性与环境试验 ,2003(5) : 1-3.
[3] 张磊 , 夏泓 , 龚欣 . 宇航元器件结构分析技术研究 [J]. 电子产品可靠性与环境试验 , 2012, 30(1) : 53-57.
[4] 龚欣 . 航天用 DC/DC 电源模块结构分析研究 [J]. 电子产品可靠性与环境试验 , 2010, 28(5) : 23-28.