TVS二极管失效分析

摘要：常用电路保护器件的主要失效模式为短路，瞬变电压抑制器(’IvS)亦不例外。TvS 一旦发生短路失效，释放出的高能量常常会将保护的电子设备损坏．这是TvS生产厂家和使用方都想极力减少或避免的情况。通过对TVS筛选和使用短路失效样品进行解剖观察获得其失效部位的微观形貌特征．结合器件结构、材料、制造工艺、工作原理、筛选或使用时所受的应力等。采用理论分析和试验证明等方法分析导致7rvS器件短路失效的原因。分析结果表明引发TvS短路失效的内在质量因素包括粘结界面空洞、台面缺陷、表面强耗尽层或强积累层、芯片裂纹和杂质扩散不均匀等。使用因素包括过电应力、高温和长时间使用耗损等。

1 引言

瞬变电压抑制器（TVS：Transient Voltage Suppressor）是为了解决电子设备电压瞬变和浪涌防护问题而设计出的一种高性能的电子电路保护器件，瞬变电压抑制二极管，主要用于对电路进行瞬态保护。当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度把两端间的阻抗变为低阻抗，吸收一个大电流，从而把它两端间的电压钳制在一个预订的数值上，保护后面的电路原件不因瞬态高电压冲击而损坏。国内外在电子产品和国内高可靠设备中的应用都十分普遍。随着TVS 使用范围和使用数量的增加，TVS 自身的可靠性备受关注，因为TVS 可靠性不仅是TVS 本身的问题，还关系到被保护电子电路的使用可靠性。研究TVS 的可靠性须对TVS的失效模式和失效机理有深入的了解。文献表明TVS 的失效模式有短路、开路和电特性退化。其中，短路失效最为常见，且对电路的影响最为严重。目前，国内对国产TVS 短路失效机理的研究缺乏深度，不够系统，因此，对国产TVS 短路失效机理进行深入、系统的研究十分必要。

2 TVS 短路失效样品和失效分析程序

在国内主要TVS 生产厂商的支持下，搜集了有关国产TVS 筛选和使用中短路失效的样品和筛选应力条件或使用条件等失效数据，对这些样品进行电参数测试、开帽、去保护胶、管芯与电极分离、去焊料和显微观察等步骤，找出失效部位，分析引发TVS 短路失效的内在质量因素或使用因素，以及失效的发生过程。其中内在质量因素即与器件设计、材料、工艺、组装、封装相关的引起器件失效的因素；使用因素即除内在质量因素以外的引起器件失效的因素，通常与过电引力、静电放电、过载、错误使用等相关。

3 引发TVS 短路失效的内在质量因素和失效机理

TVS 器件主要由芯片、电极系统和管壳3 部分构成。其中芯片是核心，通常在单晶硅片上采用扩散工艺形成。将扩散好的芯片经过腐蚀成台面状、芯片镀镍、烧焊、涂保护胶、封帽、点焊上引线、外引线镀锡等工序便完成TVS 器件的制造。如果TVS 制造工艺过程中控制不良，则可能造成TVS 器件的固有缺陷，使TVS 成品率和可靠性降低，在筛选或使用中容易失效。TVS 筛选短路失效样品分析和统计表明，TVS 引发筛选短路的内在质量因素有很多，各因素的比例如图 1 所示。这些因素也是使用中引发TVS 短路失效的主要内在质量因素。

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图1-引发TVS筛选短路失效的内在质量因素分布& X* h% Q5 G [% o5 e5 I' {" N7 ^1 a

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3.1 芯片粘结界面空洞2 Q: z8 A- q- c

引发TVS 短路的最典型的原因是管芯与内引线组件、底座铜片烧结不良，在烧结界面出现大面积空洞，如图2 所示。

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图2-TVS粘结界面空洞

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空洞可能是由于焊料不均匀或粘结界面各层材料玷污、氧化使焊料沾润不良，造成烧焊时焊料与芯片或金属电极没有良好的熔合焊接引起的。空洞面积较大时，电流在烧结点附近汇聚，管芯散热困难，造成热电应力集中，产生局部热点，严重时引起热奔，使器件烧毁。对这些烧毁的器件进行解剖分析，可以看到有芯片局部较深的熔融；空洞面积较小时，可加速焊料热疲劳，使焊料层会产生疲劳龟裂，引起器件热阻增大，最终导致器件过热烧毁。/ m( Z7 C6 ^7 Z& x C# Y

3.2 台面缺陷# a/ `: U" M' R) P6 g# R- X! o

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TVS 台面缺陷造成的失效常常是批次性的。TVS 制造工艺过程中造成芯片台面损伤的原因主要有两个：* x% r1 a( K4 o' }/ a0 u/ E: A

1）芯片在酸蚀成型时，由于氢氟酸、硝酸混合液配方过浓或温度过高而反应剧烈；, h( X4 T; }3 @( S* \: V

2）烧焊过后进行碱腐蚀清洗时，腐蚀液浓度过大、温度过高而造成碱腐蚀清洗过重。在显微镜下观察碱腐蚀清洗过重的台面，可以看到台面有类似被冲刷的痕迹，如图3 所示，这是因为硅片在（1，0，0）晶向被碱腐蚀清洗试剂腐蚀的速率最快。) O- w6 V2 b. W2 u2 P$ _% I/ n6 L

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图3-碱腐蚀清洗过重的台面1 [; h5 [) V9 H2 z, o0 `

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台面缺陷或损伤的TVS 器件经过温度循环和箝位冲击等筛选试验后，进行电参数测试时通常表现为短路或击穿特性异常，从而被剔除。但轻微台面损伤的TVS 器件在筛选后电参数测试时不易被发现，可能被列为良品出厂。这些TVS 器件在使用过程中经受长时间热、电、机械等应力的作用后，台面缺陷加剧，在缺陷处形成载流子产生-复合中心，使表面反向漏电流大大增加。大的表面反向漏电流使pn 结边缘温度升高，产生热电综合效应，最终导致pn 结边缘半导体材料温度过高烧毁。8 A+ k! ?; |- K2 e4 x _

3.3 表面强积累层或强反型层

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即便TVS 器件芯片台面完好，TVS 短路失效也容易发生在表面。这是由于晶体结构的周期性在表面上中断，加上半导体表面往往存在许多磨片、抛光、喷砂、切片等引起的晶格缺陷，吸附腐蚀时残留的化学品、气体或其它污染物，会使半导体表面带电。表面电荷被保护胶钝化，并吸附或排斥半导体体内的自由载流子，在pn 结边缘形成表面积累层、耗尽层或反型层等表面空间电荷层。在外加电压的作用下，强积累层或强反型层使pn 结边缘电场强度大于体内，如图4 所示。因此，pn 结边缘部分在比额定击穿电压低的电压下便达到临界电场而发生载流子倍增效应，造成pn 结边缘电流集中，功率密度过大，温度过高而烧毁。