TVS二极管失效分析

刘工在呢

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(TvS)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。
, d/ i' {$ F' y1 j　　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。
. `. W" g6 t0 [　　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。
( x, T! h" ^# h# ~　　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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) _7 k& J! c& M* {- i+ r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
6 |+ @/ d4 f3 z/ H; a% S. N) x7 j　　( ]$ W" V6 Q/ I1 v& F- c1L0 X
" \  [& a3 X7 l' M! ~5 O　　3.1 芯片粘结界面空洞 2 Q: z8 A- q- c
9 d3 }& {* Z- O! o　　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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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 ^7Z& x  C# Y
　　3.2 台面缺陷# a/ `: U"M' R) P6 g# R- X! o

4 l  [1 y1 _8 \' ^7 H  s, ]0 h　　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( K4o' }/ 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
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　　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。)

3-碱腐蚀清洗过重的台面 1 [; h5 [) V9H2 z, o0 `
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- g/ C* z- @4 B  L8 |( @: {　　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 G/ F, v2 W6 w; w, R3 _　　3.3 表面强积累层或强反型层
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; @  E9 O; J1 s3 l　　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。

图 4-外加反向电压作用下表面积累层对体内耗尽区的作用
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　　3.4 芯片裂纹: C. c# I1 N0k7 U8 r; m
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　　芯片裂纹是引起 TVS 短路失效的又一重要内在质量因素。它可能是由磨片、抛光、喷砂、切片等残留应力以及烧结后残留变形等因素引起，也可能是由于温度变化时保护胶和电极系统对芯片热不匹配应力而引起。细微裂纹在高低温循环，脉冲冲击或机械振动作用下会增大。如果裂纹在pn 结处，则引起 TVS 器件反向漏电流增大；如果裂纹在 pn 结附近，将会导致裂纹处载流子复合，裂纹附近载流子数目减少，pn 结特性变坏。这两种情况都能使 TVS 器件反向功率负荷能力下降。.V) R: c$ N' Q& H- C- w) w
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　　3.5 杂质扩散不均匀
7 ?' W7 K0 ^1 s% u5 n& ~( e　　TVS的芯片通常是在一定电阻率的P 型或N 型硅片上先进行磷扩散后进行硼扩散形成的。如果扩散工艺过程中出现硅片电阻率轴向或径向不均匀，杂质浓度不均匀，体内缺陷（位错、层错、微缺陷）或pn 结表面不平整等情况，将会造成硅片掺杂不均匀，使硅片各处击穿电压不同，从而使器件击穿时管芯电流分布不均匀，多次浪涌冲击后局
- O# E+ g+ m6 W) z( g　　部烧毁。% _% V; I; A/h  o
. e4 l% r% Z  {　　4 引发 TVS 短路失效的使用因素和失效机理 8 g* D- v  y( F, n. M* b# H! G
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　　4.1 过电应力( G" t$R" ]. b& k
　　当瞬态脉冲能量超过 TVS 所能承受能量时会引起 TVS 器件过电应力损伤，特别是当瞬态脉冲能量达到 TVS 所能承受能量的数倍时会直接导致 TVS 器件过电应力烧毁，失效模式表现为短路。过电应力短路失效的 TVS 芯片在扫描电镜下观察，可发现 pn 结表面边缘的熔融区域或体内硅片的上表面和下表面的黑斑。, N( Y1 V7 R# y. I
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+ P  y% C: S0 ~　　试验表明，发生在结表面边缘过电应力短路失效通常是由持续时间极短（ns 级）的高能量瞬态脉冲所致，例如：EMP、ESD 产生的脉冲；体内过电应力失效通常是由持续时间稍长（μs 级以上）高能量脉冲所致，例如：电快速瞬变，雷电产生的脉冲。如果高能量瞬态脉冲持续时间介于 ns 级和 μs 级之间，则短路可能发生在结边缘表面，也可能发生在体内。这一结果可通过热传导速率、硅和电极金属的熔融温度得到解释。如图5 所示，pn 结边缘到热沉的传热路径比体内长，传热较体内慢，因此结边缘温度比体内高。持续时间极短（ns 级）的高能量瞬态脉冲使边缘温度急剧升高，导致边缘热击穿而烧毁。而持续时间较长（μs 以上）脉冲使边缘热量有足够的时间传至芯片中心周围。随着芯片温度的升高，芯片中心周围产生熔融通道。当熔融从芯片的一表面延伸到另一表面时，硅片温度超过1400 ℃，处于熔融和非晶状态，成为导体，形成导电通路，使芯片短路。如果脉冲持续时间达到ms 级，例如，雷电产生的脉冲，还会使铅锡焊料达到 700 ℃以上而发生熔融。
　　图 5-TVS 芯片表面传热路径
　　4.2 高温
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　　当 TVS 器件工作温度超过其最大允许工作温度时，易发生短路失效且通常发生在 pn 结表面。这是因为，在高温条件工作下，表面可动离子的数量大大增加，表面电流也随之增大，表面功率密度和温度比体内高，使 pn 结边缘结温超过 200℃，边缘局部区域晶格遭受致命性的损坏。TVS 在高温反偏筛选中短路失效情况统计表明：高击穿电压（150 V 以上）TVS 器件更容易发生短路失效。这是因为在相同额定功率的 TVS 系列中，在承受相同功率时，高击穿电压 TVS 芯片温升更高。: d+ \4 n( C%X% W. Y  ]9 ^
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) W& O0 V7 k) D$ T  w7 X　　4.3 长时间工作耗损
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　　对筛选合格的 TVS 器件进行浪涌寿命试验，发现 TVS 器件经过成千上万次标准指数脉冲（所能承受的浪涌脉冲次数与质量等级相关）冲击后失效，失效模式通常为短路。对失效样品进行解剖后，在扫描电镜下观察芯片，发现结边缘发生熔融现象和结边缘焊料结构发生了变化，且结最边缘处最为严重。失效机理可能结边缘焊料形成金属化合物而脆化，使管芯与底座热沉逐渐分离，结边缘的散热能力降低，长时间工作结温持续增大导致过热烧毁。9Z0 M' F$ Q0 _2 {
" C: K# Y, ?; [+ d. y; o　　5 结束语: v9 P, @* P' G
+ y  W0 Q2 V# }1 x5 I: a　　内在质量因素引起 TVS 短路失效的机理主要是 TVS 制造工艺过程造成的芯片缺陷或损伤使 TVS 在承受脉冲冲击时芯片局部电流集中，导致芯片局部过热而烧毁。引发 TVS 短路的使用因素主要有过电应力、高温和长时间使用耗损。在 TVS 实际使用中，
　　TVS 短路失效可能是各种因素综合作用的结果。
　　要减少 TVS短路失效，首先应加强 TVS 制造工艺过程的控制，尤其是对烧焊、台面成型、碱腐蚀清洗、掺杂等工艺过程的控制，以减少或消除TVS 的固有缺陷。例如：国际上采用先进的烧焊工艺已能将空洞面积控制在 10 %以下，采用离子注入掺杂能对掺杂过程进行更好的控制，这些都大大提高了 TVS 的可靠性。其次，做到 TVS 的正确选型与安装，最好对 TVS 进行降额使用，这样可使 TVS 承受的功率较小，使用可靠性大大增加。此外，为使 TVS 发生短路失效时对被保护电子设备的影响降到最低，通常可在 TVS 前串接一条与之匹配的保险丝。
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Neken

芯片裂纹是引起 TVS 短路失效的重要内在质量因素