TVS二極管失效分析

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 TVS二極管失效分析 1 引言 瞬變電壓抑制器（ TVS：Transient Voltage Suppressor）是為了解決電子設(shè)備電壓瞬變和浪涌防護(hù)問題而設(shè)計出的一種高性能的電子電路保護(hù)器件，瞬變電壓抑制二極管，主要用于對電路開展瞬態(tài)保護(hù)。當(dāng)TVS 管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度把兩端間的阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收一個大電流，從而把它兩端間的電壓鉗制在一個預(yù)訂的數(shù)值上，保護(hù)后面的電路原件不因瞬態(tài)高電壓沖擊而損壞。國內(nèi)外在電子產(chǎn)品和國內(nèi)高可靠設(shè)備中的應(yīng)用都十分普遍。隨著TVS 使用范圍和使用數(shù)量的增加，TVS 自身的可靠性備受關(guān)注，因為 TVS 可靠

2、性不僅是 TVS 本身的問題，還關(guān)系到被保護(hù)電子電路的使用可靠性。研究 TVS 的可靠性須對 TVS 的失效模式和失效機(jī)理有深入的了解。文獻(xiàn)說明 TVS 的失效模式有短路、開路和電特性退化。其中，短路失效為常見，且對電路的影響為嚴(yán)重。目前，國內(nèi)對國產(chǎn)TVS 短路失效機(jī)理的研究缺乏深度，不夠系統(tǒng)，因此，對國產(chǎn) TVS 短路失效機(jī)理開展深入、系統(tǒng)的研究十分必要。 2 TVS 短路失效樣品和失效分析程序 在國內(nèi)主要TVS 生產(chǎn)廠商的支持下，搜集了有關(guān)國產(chǎn) TVS 篩選和使用中短路失效的樣品和篩選應(yīng)力條件或使用條件等失效數(shù)據(jù)，對這些樣品開展電參數(shù)測試、開帽、去保護(hù)膠、管芯與電極分離、去焊料和顯微觀察等

3、步驟，找出失效部位，分析引發(fā)TVS 短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素或使用因素，以及失效的發(fā)生過程。其中內(nèi)在質(zhì)量因素即與器件設(shè)計、材料、工藝、組裝、封裝相關(guān)的引起器件失效的因素；使用因素即除內(nèi)在質(zhì)量因素以外的引起器件失效的因素，通常與過電引力、靜電放電、過載、錯誤使用等相關(guān)。 3 引發(fā) TVS 短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素和失效機(jī)理 TVS 器件主要由芯片、電極系統(tǒng)和管殼3 部分構(gòu)成。其中芯片是，通常在單晶硅片上采用擴(kuò)散工藝形成。將擴(kuò)散好的芯片經(jīng)過腐蝕成臺面狀、芯片鍍鎳、燒焊、涂保護(hù)膠、封帽、點焊上引線、外引線鍍錫等工序便完成TVS 器件的制造。如果 TVS 制造工藝過程中控制不良，則可能造成 TVS 器件的

4、固有缺陷，使TVS 成品率和可靠性降低，在篩選或使用中容易失效。TVS 篩選短路失效樣品分析和統(tǒng)計說明，TVS 引發(fā)篩選短路的內(nèi)在質(zhì)量因素有很多，各因素的比例如圖 1 所示。這些因素也是使用中引發(fā) TVS 短路失效的主要內(nèi)在質(zhì)量因素。 圖 1-引發(fā) TVS 篩選短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素分布&X* h% Q5 G $ W V6 Q/ I1 v& F- c1L0 X 3.1 芯片粘結(jié)界面空洞 2 Q: z8 A- q- c 引發(fā) TVS 短路的典型的原因是管芯與內(nèi)引線組件、底座銅片燒結(jié)不良，在燒結(jié)界面出現(xiàn)大面積空洞，如圖2 所示。 空洞可能是由于焊料不均勻或粘結(jié)界面各層材料玷污、氧化使焊料沾潤不良，

5、造成燒焊時焊料與芯片或金屬電極沒有良好的熔合焊接引起的。空洞面積較大時，電流在燒結(jié)點附近會聚，管芯散熱困難，造成熱電應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部熱點，嚴(yán)重時引起熱奔，使器件燒毀。對這些燒毀的器件開展解剖分析，可以看到有芯片局部較深的熔融；空洞面積較小時，可加速焊料熱疲勞，使焊料層會產(chǎn)生疲勞龜裂，引起器件熱阻增大，終 導(dǎo)致器件過熱燒毀。/ m( Z7 C6 7Z& x C# Y 3.2 臺面缺陷# a/ : UM R) P6 g# R- X! o 5 p# y2 R( M4 w7 Y3 D7 TVS 臺面缺陷造成的失效常常是批次性的。TVS 制造工藝過程中造成芯片臺面損 傷的原因主要有兩個：* x% r1

6、 a( K4o / a0 u/ E: A 1）芯片在酸蝕成型時，由于氫氟酸、硝酸混合液配方過濃或溫度過高而反應(yīng)劇烈；, h( X4 T; 3 ( S* : V 燒焊過后開展堿腐蝕清洗時，腐蝕液濃度過大、溫度過高而造成堿腐蝕清洗過重。在顯微鏡下觀察堿腐蝕清洗過重的臺面，可以看到臺面有類似被沖刷的痕跡，如圖3 所示，這是因為硅片在（1， 0， 0）晶向被堿腐蝕清洗試劑腐蝕的速率快。) 3-堿腐蝕清洗過重的臺面 1 . b& k 當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量超過 TVS 所能承受能量時會引起 TVS 器件過電應(yīng)力損傷，特別是當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量到達(dá) TVS 所能承受能量的數(shù)倍時會直接導(dǎo)致 TVS 器件過電應(yīng)力燒毀，失效

7、模式表現(xiàn)為短路。過電應(yīng)力短路失效的 TVS 芯片在掃描電鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn) pn 結(jié)表面邊緣的熔融區(qū)域或體內(nèi)硅片的上表面和下表面的黑斑。, N( Y1 V7 R# y. I * Z3j H9 |) P6 p) I i: g 試驗說明，發(fā)生在結(jié)表面邊緣過電應(yīng)力短路失效通常是由持續(xù)時間極短（ns 級）的高能量瞬態(tài)脈沖所致，例如：EMP、ESD 產(chǎn)生的脈沖；體內(nèi)過電應(yīng)力失效通常是由持續(xù)時間稍長（s 級以上）高能量脈沖所致，例如：電快速瞬變，雷電產(chǎn)生的脈沖。如果高能量瞬態(tài)脈沖持續(xù)時間介于 ns 級和 s 級之間，則短路可能發(fā)生在結(jié)邊緣表面，也可能發(fā)生在體內(nèi)。這一結(jié)果可通過熱傳導(dǎo)速率、硅和電極金屬的熔融溫

8、度得到解釋。如圖5 所示，pn 結(jié)邊緣到熱沉的傳熱路徑比體內(nèi)長，傳熱較體內(nèi)慢，因此結(jié)邊緣溫度比體內(nèi)高。持續(xù)時間極短（ns 級）的高能量瞬態(tài)脈沖使邊緣溫度急劇升高，導(dǎo)致邊緣熱擊穿而燒毀。而持續(xù)時間較長（s 以上）脈沖使邊緣熱量有足夠的時間傳至芯片中心周圍。隨著芯片溫度的升高，芯片中心周圍產(chǎn)生熔融通道。當(dāng)熔融從芯片的一表面延伸到另一表面時，硅片溫度超過1400 ，處于熔融和非晶狀態(tài)，成為導(dǎo)體，形成導(dǎo)電通路，使芯片短路。如果脈沖持續(xù)時間到達(dá)ms 級，例如，雷電產(chǎn)生的脈沖，還會使鉛錫焊料到達(dá) 700 以上而發(fā)生熔融。 圖 5-TVS 芯片表面?zhèn)鳠崧窂?4.2 高溫 * G2S / a6 T0 0 當(dāng)

9、TVS 器件工作溫度超過其允許工作溫度時，易發(fā)生短路失效且通常發(fā)生在 pn 結(jié)表面。這是因為，在高溫條件工作下，表面可動離子的數(shù)量大大增加，表面電流也隨之增大，表面功率密度和溫度比體內(nèi)高，使 pn 結(jié)邊緣結(jié)溫超過 200，邊緣局部區(qū)域晶格遭受致命性的損壞。TVS 在高溫反偏篩選中短路失效情況統(tǒng)計說明：高擊穿電壓（150 V 以上）TVS 器件更容易發(fā)生短路失效。這是因為在相同額定功率的 TVS 系列中，在承受相同功率時，高擊穿電壓 TVS 芯片溫升更高。: d+ 4 n( C%X% W. Y 9 8 K* , S s( R* 4.3 長時間工作耗損 6 Q! P) i* a( T l u 對篩

10、選合格的 TVS 器件開展浪涌壽命試驗，發(fā)現(xiàn) TVS 器件經(jīng)過成千上萬次標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)脈沖（所能承受的浪涌脈沖次數(shù)與質(zhì)量等級相關(guān)）沖擊后失效，失效模式通常為短路。對失效樣品開展解剖后，在掃描電鏡下觀察芯片，發(fā)現(xiàn)結(jié)邊緣發(fā)生熔融現(xiàn)象和結(jié)邊緣焊料構(gòu)造發(fā)生了變化，且結(jié)邊緣處為嚴(yán)重。失效機(jī)理可能結(jié)邊緣焊料形成金屬化合物而脆化，使管芯與底座熱沉逐漸分離，結(jié)邊緣的散熱能力降低，長時間工作結(jié)溫持續(xù)增大導(dǎo)致過熱燒毀。9Z0 M F$ Q0 _2 5 結(jié)束語: v9 P, * P G 內(nèi)在質(zhì)量因素引起 TVS 短路失效的機(jī)理主要是 TVS 制造工藝過程造成的芯片缺陷或損傷使 TVS 在承受脈沖沖擊時芯片局部電流集中，導(dǎo)致芯片局部過熱而燒毀。引發(fā) TVS 短路的使用因素主要有過電應(yīng)力、高溫和長時間使用耗損。在 TVS 實際使用中， TVS 短路失效可能是各種因素綜合作用的結(jié)果。 要減少 TVS短路失效，首先應(yīng)加強(qiáng) TVS 制造工藝過程的控制，尤其是對燒焊、臺面成型、堿腐蝕清洗、摻雜等工藝過程的控制，以減少或消除TVS 的固有缺陷。例如：國際上采用先進(jìn)的燒焊工藝已能將空