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TVS二極管失效分析

發(fā)布時(shí)間:2019-08-02 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】常用電路保護(hù)器件的主要失效模式為短路,瞬變電壓抑制器(TVS)亦不例外。TVS 一旦發(fā)生短路失效,釋放出的高能量常常會(huì)將保護(hù)的電子設(shè)備損壞。這是 TVS 生產(chǎn)廠家和使用方都想極力減少或避免的情況。通過對(duì) TVS 篩選和使用短路失效樣品進(jìn)行解剖觀察獲得其失效部位的微觀形貌特征。

結(jié)合器件結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、工作原理、篩選或使用時(shí)所受的應(yīng)力等。采用理論分析和試驗(yàn)證明等方法分析導(dǎo)致7rvS 器件短路失效的原因。分析結(jié)果表明引發(fā) TvS 短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素包括粘結(jié)界面空洞、臺(tái)面缺陷、表面強(qiáng)耗盡層或強(qiáng)積累層、芯片裂紋和雜質(zhì)擴(kuò)散不均勻等。使用因素包括過電應(yīng)力、高溫和長(zhǎng)時(shí)間使用耗損等。
 
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(jì)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(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)。當(dāng)TVS 管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí),它能以極高的速度把兩端間的阻抗變?yōu)榈妥杩梗找粋€(gè)大電流,從而把它兩端間的電壓鉗制在一個(gè)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(guó)內(nèi)外在電子產(chǎn)品和國(guó)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?yàn)?TVS 可靠性不僅是 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(duì) TVS 的失效模式和失效機(jī)理有深入的了解。文獻(xiàn)表明 TVS 的失效模式有短路、開路和電特性退化。其中,短路失效最為常見,且對(duì)電路的影響最為嚴(yán)重。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)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(duì)國(guó)產(chǎn) TVS 短路失效機(jī)理進(jìn)行深入、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(guó)內(nèi)主要TVS 生產(chǎn)廠商的支持下,搜集了有關(guān)國(guó)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(duì)這些樣品進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試、開帽、去保護(hù)膠、管芯與電極分離、去焊料和顯微觀察等步驟,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(jì)、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(cuò)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。其中芯片是核心,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(tái)面狀、芯片鍍鎳、燒焊、涂保護(hù)膠、封帽、點(diǎn)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(jì)表明,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。
 
TVS二極管失效分析
圖 1-引發(fā) TVS 篩選短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素分布
 
3.1 芯片粘結(jié)界面空洞
 
引發(fā) TVS 短路的最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。
 
TVS二極管失效分析
 
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(rùn)不良,造成燒焊時(shí)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(shí),電流在燒結(jié)點(diǎn)附近匯聚,管芯散熱困難,造成熱電應(yīng)力集中,產(chǎn)生局部熱點(diǎn),嚴(yán)重時(shí)引起熱奔,使器件燒毀。對(duì)這些燒毀的器件進(jìn)行解剖分析,可以看到有芯片局部較深的熔融;空洞面積較小時(shí),可加速焊料熱疲勞,使焊料層會(huì)產(chǎn)生疲勞龜裂,引起器件熱阻增大,最終導(dǎo)致器件過熱燒毀。
 
3.2 臺(tái)面缺陷
      
TVS 臺(tái)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(tái)面損傷的原因主要有兩個(gè):
 
1)芯片在酸蝕成型時(shí),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;
 
燒焊過后進(jìn)行堿腐蝕清洗時(shí),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(tái)面,可以看到臺(tái)面有類似被沖刷的痕跡,如圖3 所示,這是因?yàn)楣杵冢?, 0, 0)晶向被堿腐蝕清洗試劑腐蝕的速率最快。) 
 
TVS二極管失效分析
 
3-堿腐蝕清洗過重的臺(tái)面
      
臺(tái)面缺陷或損傷的 TVS 器件經(jīng)過溫度循環(huán)和箝位沖擊等篩選試驗(yàn)后,進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試時(shí)通常表現(xiàn)為短路或擊穿特性異常,從而被剔除。但輕微臺(tái)面損傷的TVS 器件在篩選后電參數(shù)測(cè)試時(shí)不易被發(fā)現(xiàn),可能被列為良品出廠。這些 TVS 器件在使用過程中經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間熱、電、機(jī)械等應(yīng)力的作用后,臺(tái)面缺陷加劇,在缺陷處形成載流子產(chǎn)生復(fù)合中心,使表面反向漏電流大大增加。大的表面反向漏電流使pn 結(jié)邊緣溫度升高,產(chǎn)生熱電綜合效應(yīng),最終導(dǎo)致 pn 結(jié)邊緣半導(dǎo)體材料溫度過高燒毀。
 
3.3 表面強(qiáng)積累層或強(qiáng)反型層
 
即便TVS 器件芯片臺(tái)面完好,TVS 短路失效也容易發(fā)生在表面。這是由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性在表面上中斷,加上半導(dǎo)體表面往往存在許多磨片、拋光、噴砂、切片等引起的晶格缺陷,吸附腐蝕時(shí)殘留的化學(xué)品、氣體或其它污染物,會(huì)使半導(dǎo)體表面帶電。表面電荷被保護(hù)膠鈍化,并吸附或排斥半導(dǎo)體體內(nèi)的自由載流子,在pn 結(jié)邊緣形成表面積累層、耗盡層或反型層等表面空間電荷層。在外加電壓的作用下,強(qiáng)積累層或強(qiáng)反型層使pn 結(jié)邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度大于體內(nèi),如圖 4 所示。因此,pn 結(jié)邊緣部分在比額定擊穿電壓低的電壓下便達(dá)到臨界電場(chǎng)而發(fā)生載流子倍增效應(yīng),造成pn 結(jié)邊緣電流集中,功率密度過大,溫度過高而燒毀。
 
TVS二極管失效分析
圖 4-外加反向電壓作用下表面積累層對(duì)體內(nèi)耗盡區(qū)的作用
 
3.4 芯片裂紋
 
芯片裂紋是引起 TVS 短路失效的又一重要內(nèi)在質(zhì)量因素。它可能是由磨片、拋光、噴砂、切片等殘留應(yīng)力以及燒結(jié)后殘留變形等因素引起,也可能是由于溫度變化時(shí)保護(hù)膠和電極系統(tǒng)對(duì)芯片熱不匹配應(yīng)力而引起。細(xì)微裂紋在高低溫循環(huán),脈沖沖擊或機(jī)械振動(dòng)作用下會(huì)增大。如果裂紋在pn 結(jié)處,則引起 TVS 器件反向漏電流增大;如果裂紋在 pn 結(jié)附近,將會(huì)導(dǎo)致裂紋處載流子復(fù)合,裂紋附近載流子數(shù)目減少,pn 結(jié)特性變壞。這兩種情況都能使 TVS 器件反向功率負(fù)荷能力下降。
 
3.5 雜質(zhì)擴(kuò)散不均勻
 
TVS的芯片通常是在一定電阻率的P 型或N 型硅片上先進(jìn)行磷擴(kuò)散后進(jìn)行硼擴(kuò)散形成的。如果擴(kuò)散工藝過程中出現(xiàn)硅片電阻率軸向或徑向不均勻,雜質(zhì)濃度不均勻,體內(nèi)缺陷(位錯(cuò)、層錯(cuò)、微缺陷)或pn 結(jié)表面不平整等情況,將會(huì)造成硅片摻雜不均勻,使硅片各處擊穿電壓不同,從而使器件擊穿時(shí)管芯電流分布不均勻,多次浪涌沖擊后局
部燒毀。
 
4 引發(fā) TVS 短路失效的使用因素和失效機(jī)理
 
4.1 過電應(yīng)力
 
當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量超過 TVS 所能承受能量時(shí)會(huì)引起 TVS 器件過電應(yīng)力損傷,特別是當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量達(dá)到 TVS 所能承受能量的數(shù)倍時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致 TVS 器件過電應(yīng)力燒毀,失效模式表現(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。
 
試驗(yàn)表明,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(shí)間極短(ns 級(jí))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(shí)間稍長(zhǎng)(μs 級(jí)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(shí)間介于 ns 級(jí)和 μs 級(jí)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(zhǎng),傳熱較體內(nèi)慢,因此結(jié)邊緣溫度比體內(nèi)高。持續(xù)時(shí)間極短(ns 級(jí))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(shí)間較長(zhǎng)(μs 以上)脈沖使邊緣熱量有足夠的時(shí)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(shí),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(shí)間達(dá)到ms 級(jí),例如,雷電產(chǎn)生的脈沖,還會(huì)使鉛錫焊料達(dá)到 700 ℃以上而發(fā)生熔融。
 
TVS二極管失效分析
圖 5-TVS 芯片表面?zhèn)鳠崧窂?/div>
 
4.2 高溫
 
當(dāng) TVS 器件工作溫度超過其最大允許工作溫度時(shí),易發(fā)生短路失效且通常發(fā)生在 pn 結(jié)表面。這是因?yàn)?,在高溫條件工作下,表面可動(dòng)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(jì)表明: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?yàn)樵谙嗤~定功率的 TVS 系列中,在承受相同功率時(shí),高擊穿電壓 TVS 芯片溫升更高。
 
4.3 長(zhǎng)時(shí)間工作耗損
 
對(duì)篩選合格的 TVS 器件進(jìn)行浪涌壽命試驗(yàn),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(jí)相關(guān))沖擊后失效,失效模式通常為短路。對(duì)失效樣品進(jìn)行解剖后,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)邊緣焊料結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,且結(jié)最邊緣處最為嚴(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(zhǎng)時(shí)間工作結(jié)溫持續(xù)增大導(dǎo)致過熱燒毀。
 
5 結(jié)束語
 
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(shí)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(zhǎng)時(shí)間使用耗損。在 TVS 實(shí)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(duì)燒焊、臺(tái)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(guó)際上采用先進(jìn)的燒焊工藝已能將空洞面積控制在 10 %以下,采用離子注入摻雜能對(duì)摻雜過程進(jìn)行更好的控制,這些都大大提高了 TVS 的可靠性。其次,做到 TVS 的正確選型與安裝,最好對(duì) TVS 進(jìn)行降額使用,這樣可使 TVS 承受的功率較小,使用可靠性大大增加。此外,為使 TVS 發(fā)生短路失效時(shí)對(duì)被保護(hù)電子設(shè)備的影響降到最低,通??稍?TVS 前串接一條與之匹配的保險(xiǎn)絲。
 
 
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