【導讀】常用電路保護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將保護的電子設(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 TVS 篩選和使用短路失效樣品進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、篩選或使用時所受的應(yīng)力等。采用理論分析和試驗證明等方法分析導致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、臺面缺陷、表面強耗盡層或強積累層、芯片裂紋和雜質(zhì)擴散不均勻等。使用因素包括過電應(yīng)力、高溫和長時間使用耗損等。
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問題而設(shè)計出的一種高性能的電子電路保護器件，瞬變電壓抑制二極管，主要用于對電路進行瞬態(tài)保護。當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)榈妥杩梗找粋€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 可靠性不僅是 TVS 本身的問題，還關(guān)系到被保護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理有深入的了解。文獻表明 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，且對電路的影響最為嚴重。目前，國內(nèi)對國產(chǎn)TVS 短路失效機理的研究缺乏深度，不夠系統(tǒng)，因此，對國產(chǎn) TVS 短路失效機理進行深入、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)，對這些樣品進行電參數(shù)測試、開帽、去保護膠、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、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散工藝形成。將擴散好的芯片經(jīng)過腐蝕成臺面狀、芯片鍍鎳、燒焊、涂保護膠、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。
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。
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，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)點附近匯聚，管芯散熱困難，造成熱電應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部熱點，嚴重時引起熱奔，使器件燒毀。對這些燒毀的器件進行解剖分析，可以看到有芯片局部較深的熔融；空洞面積較小時，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，最終導致器件過熱燒毀。
3.2 臺面缺陷
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：
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；
燒焊過后進行堿腐蝕清洗時，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最快。)
3-堿腐蝕清洗過重的臺面
臺面缺陷或損傷的 TVS 器件經(jīng)過溫度循環(huán)和箝位沖擊等篩選試驗后，進行電參數(shù)測試時通常表現(xiàn)為短路或擊穿特性異常，從而被剔除。但輕微臺面損傷的TVS 器件在篩選后電參數(shù)測試時不易被發(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)受長時間熱、電、機械等應(yīng)力的作用后，臺面缺陷加劇，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)，最終導致 pn 結(jié)邊緣半導體材料溫度過高燒毀。
3.3 表面強積累層或強反型層
即便TVS 器件芯片臺面完好，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，吸附腐蝕時殘留的化學品、氣體或其它污染物，會使半導體表面帶電。表面電荷被保護膠鈍化，并吸附或排斥半導體體內(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，強積累層或強反型層使pn 結(jié)邊緣電場強度大于體內(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到臨界電場而發(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。
圖 4-外加反向電壓作用下表面積累層對體內(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保護膠和電極系統(tǒng)對芯片熱不匹配應(yīng)力而引起。細微裂紋在高低溫循環(huán)，脈沖沖擊或機械振動作用下會增大。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，將會導致裂紋處載流子復(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 器件反向功率負荷能力下降。
3.5 雜質(zhì)擴散不均勻
TVS的芯片通常是在一定電阻率的P 型或N 型硅片上先進行磷擴散后進行硼擴散形成的。如果擴散工藝過程中出現(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、層錯、微缺陷）或pn 結(jié)表面不平整等情況，將會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理
4.1 過電應(yīng)力
當瞬態(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，特別是當瞬態(tài)脈沖能量達到 TVS 所能承受能量的數(shù)倍時會直接導致 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（μs 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 μs 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，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，導致邊緣熱擊穿而燒毀。而持續(xù)時間較長（μs 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)，成為導體，形成導電通路，使芯片短路。如果脈沖持續(xù)時間達到ms 級，例如，雷電產(chǎn)生的脈沖，還會使鉛錫焊料達到 700 ℃以上而發(fā)生熔融。
圖 5-TVS 芯片表面?zhèn)鳠崧窂?/div>
4.2 高溫
當 TVS 器件工作溫度超過其最大允許工作溫度時，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。
4.3 長時間工作耗損
對篩選合格的 TVS 器件進行浪涌壽命試驗，發(fā)現(xiàn) TVS 器件經(jīng)過成千上萬次標準指數(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。對失效樣品進行解剖后，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)最邊緣處最為嚴重。失效機理可能結(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 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摻雜過程進行更好的控制，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 TVS 進行降額使用，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)生短路失效時對被保護電子設(shè)備的影響降到最低，通?？稍?TVS 前串接一條與之匹配的保險絲。
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