TVS管失效原因分析

郭遠(yuǎn)東，李雪玲

（賽寶質(zhì)量安全檢測中心，廣州 510610）

前言

TVS管是一種常見的浪涌抑制元件，它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小，及鉗位電壓容易控制等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。TVS管進(jìn)行浪涌抑制的原理是：當(dāng)它受到反向高能量沖擊時(shí)，它能以極快的速度（可達(dá)10-12s級），將其兩極間的阻抗由高變低，使兩極間的電壓鉗位于可接受的范圍，從而有效的保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。目前TVS管已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。

但是在實(shí)際應(yīng)用中，許多企業(yè)反映：產(chǎn)品中使用的TVS管未能起到應(yīng)有的保護(hù)作用，并且在使用中TVS管比較容易損壞。為了正確的定位故障，排查原因，從而進(jìn)行故障分析，我們進(jìn)行了大量的調(diào)查。本文選取了一些有代表性的案例，試圖揭示TVS管失效的根本原因。

1 案例1：選型缺陷導(dǎo)致TVS失效

1.1 案例背景

某汽車儀表電子組件的外觀圖，如圖1所示。

該電子組件通過汽車蓄電池供電。當(dāng)一些特殊的操作發(fā)生時(shí)，例如當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有意斷開與蓄電池的連接，或者由于汽車內(nèi)的電纜腐蝕、接觸不良等原因，都會導(dǎo)致蓄電池的供電回路中出現(xiàn)拋負(fù)載現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會對汽車內(nèi)部的各種電子產(chǎn)品，帶來大能量的浪涌沖擊。圖1中的電子組件正是被這種沖擊電流打壞的。

圖1 某汽車儀表電子組件

案例中的汽車儀表廠家反映，TVS管損壞的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，并且導(dǎo)致使用中的大批量產(chǎn)品出現(xiàn)故障。由于研發(fā)人員一直找不到故障的根本原因，所以企業(yè)目前對于這種故障是疲于應(yīng)付：只能不停更換損壞的TVS管。如果不安裝TVS管，浪涌電流將會直接侵入產(chǎn)品內(nèi)部，造成更大的損失。圖2圓圈中顯示的，是損壞的TVS管。

將該TVS管放大觀察，可見明顯的燒毀痕跡與裂紋。如圖3、圖4所示。

1.2 故障原因分析

該汽車儀表電子組件電源部分的原理圖，如圖5。

在圖5中，用箭頭標(biāo)明浪涌電流的行進(jìn)方向。位號為TVS1的TVS管，與被保護(hù)的電路是并聯(lián)關(guān)系。結(jié)合TVS管的參數(shù)選擇和浪涌防護(hù)電路的設(shè)計(jì)原理，該案例的故障原因分析如下：

1)通常情況下，TVS管所能承受的最大沖擊電流不超過100A。所以在大的浪涌沖擊電流的場合，單純使用TVS管進(jìn)行防護(hù)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這在很多情況下是TVS損壞的根本原因。

在理論上，一個(gè)完整的浪涌防護(hù)方案，應(yīng)該采用三級防護(hù)。TVS管的特點(diǎn)，決定了它適用于第二級或第三級防護(hù)。在TVS管前級，通常會使用氣體放電管、壓敏電阻等防護(hù)器件。該案例在浪涌防護(hù)電路的設(shè)計(jì)上顯得不夠合理，這是導(dǎo)致故障產(chǎn)生的主要原因之一。

2)該TVS管的型號為CD214B-24V。查閱該型號TVS的資料，發(fā)現(xiàn)其動作電壓為24VDC，可承受的最大脈沖功率為600W。我們對該汽車儀表電子組件所承受的浪涌沖擊能量進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)拋負(fù)載現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，浪涌沖擊的最大功率可達(dá)1000W以上。此外，在一般情況下，TVS的最大峰值脈沖功率是以10/1000μs的非重復(fù)脈沖給出的。但在實(shí)際中，產(chǎn)品遭受的沖擊脈沖往往不是標(biāo)準(zhǔn)形式的波形，并且脈沖也會重復(fù)出現(xiàn)。另外，考慮到TVS管是半導(dǎo)體器件，當(dāng)外界環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，不可避免的會對TVS管的性能參數(shù)產(chǎn)生影響。所以，要求設(shè)計(jì)人員在器件選型時(shí)，適當(dāng)擴(kuò)大所選擇的最大脈沖功率值。顯然，該案例中的TVS管，在參數(shù)選擇上存在問題。

2 案例2：前級壓敏電阻選型不當(dāng)，導(dǎo)致TVS管失效

2.1 案例背景

圖2 損壞的TVS管

圖3 TVS正面

圖4 TVS側(cè)面

圖5 汽車儀表電子組件的電源部分原理圖

圖6 TVS管外觀圖

某單板電路中，TVS管（圖6）和壓敏電阻RV1一同使用，作為-48V電源輸入端的過壓保護(hù)器件。單板電路為后級BTS電路提供±12V直流輸出。從工程返修數(shù)據(jù)來看，多次發(fā)生TVS管和保險(xiǎn)管同時(shí)失效的情況。

2.2 故障原因分析

單板-48V電源輸入端過壓保護(hù)電路，如圖7所示。

圖7中的箭頭標(biāo)明了浪涌電流的流向。圓圈標(biāo)記的為損壞的TVS管，位號為VD1，型號為1.5KE68A。

從圖7中可以看出，該電路采用二級防護(hù)，巧妙的利用L1做電路延時(shí)，達(dá)到防護(hù)器件分級啟動的目的。當(dāng)浪涌來臨時(shí)，電感L1會使浪涌波頭產(chǎn)生延遲。利用這個(gè)延遲，可以保證TVS先啟動，把電壓精確鉗位到合理范圍，而不至于損壞后續(xù)電路。因?yàn)閴好綦娮璧捻憫?yīng)時(shí)間較TVS長，它這時(shí)才啟動，將大能量脈沖泄放到地。在正常情況下，這樣一個(gè)兩級相互配合的電路，能夠起到很好的保護(hù)效果。

根據(jù)該案例中器件的失效分析結(jié)論： TVS管是由于瞬間高電壓脈沖，造成芯片拐角處發(fā)生過壓擊穿，并且局部承受巨大的浪涌能量而過功率燒毀，導(dǎo)致器件失效。另外，從使用方的工程返修數(shù)據(jù)來看，多次發(fā)生TVS管和保險(xiǎn)管同時(shí)失效的情況，保險(xiǎn)管為熔斷失效模式，TVS為短路失效模式，而壓敏電阻則未見失效。在正常情況下，當(dāng)如圖7所示的兩級保護(hù)電路正常啟動時(shí)，要求壓敏電阻的壓敏電壓和TVS管的鉗位電壓保持一致。如果壓敏電阻的壓敏電壓高于TVS管的鉗位電壓，那么壓敏電阻將不會可靠啟動，第一級保護(hù)電路形同虛設(shè)。

由此可見，該單板在壓敏電阻的選型上存在缺陷，表現(xiàn)為當(dāng)TVS啟動后將電壓鉗位，壓敏電阻無法可靠啟動，導(dǎo)致TVS管出現(xiàn)過流過功率燒毀引起短路失效。在多種元器件構(gòu)成的浪涌保護(hù)電路中，應(yīng)該考慮不同器件的特點(diǎn)，以及器件參數(shù)對電路的影響。在此案例中，設(shè)計(jì)者想到了采用多級浪涌保護(hù)電路，意圖提高電路的抗浪涌能力。但是由于在壓敏電阻的選型上存在缺陷，使得壓敏電阻沒有起到相應(yīng)的保護(hù)作用，導(dǎo)致電路中的TVS管失效。

另外，對于直流輸入端口的防護(hù)電路設(shè)計(jì)，需要選擇雙極性的TVS管，這樣才能夠有效的抑制正、負(fù)脈沖的沖擊。但是在圖7的電路圖中，設(shè)計(jì)者使用的是單極性的TVS管，這顯然是不合適的。

3 案例3：由于芯片內(nèi)部存在機(jī)械損傷導(dǎo)致TVS失效

3.1 案例背景

在該案例中，TVS管使用在AC-DC電源上。電源模塊在高壓變頻器現(xiàn)場運(yùn)行期間發(fā)生故障。失效現(xiàn)象為TVS管的引腳處出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，TVS管表現(xiàn)為短路模式失效。經(jīng)過分析，TVS管的失效是由于內(nèi)部芯片側(cè)面存在破損，導(dǎo)致芯片局部漏電增大，而過熱燒毀所致。TVS管型號為1.5KE200A ，TVS管外觀圖片如圖8和圖9所示。

圖7 單板-48V電源口過壓保護(hù)電路

圖8 樣品外觀典型形貌1

圖9 樣品外觀典型形貌2

圖10 內(nèi)部芯片擊穿點(diǎn)SEM形貌

3.2 案例的故障原因分析

在該案例中，TVS管芯片側(cè)面和臺面結(jié)均存在破損，破損呈明顯地機(jī)械損傷特征，同時(shí)燒毀點(diǎn)都位于破損處（圖10）。由于該案例中的TVS管為軸向塑料封裝，安裝形式為插裝形式，因此，導(dǎo)致芯片破損的原因主要有兩個(gè)：

1)芯片在封裝過程中受到機(jī)械損傷。這對于使用方來說無法避免，只能通過加強(qiáng)來料檢驗(yàn)進(jìn)行器件篩選，防止存在缺陷的TVS管進(jìn)入生產(chǎn)組裝流程；或者在事后進(jìn)行可靠性試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)將故障提前暴露，將存在缺陷的TVS管剔除；

2)TVS管在成型或者進(jìn)行整機(jī)組裝時(shí)，受到了超過其所能承受的機(jī)械應(yīng)力或者熱應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)部芯片受到機(jī)械損傷。為避免由該原因?qū)е碌膿p傷，可以改變成型工藝、安裝方式，或者TVS管的安裝位置。

由此案例可以看出，在整機(jī)組裝過程中，TVS管所受的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，對器件本身的可靠性存在較大的影響。對于軸向安裝的TVS管來說，彎曲成型和插裝過程受到的機(jī)械應(yīng)力，是導(dǎo)致TVS管受到損傷的主要原因。而對于表面貼裝的TVS管來說，雖然不存在成型的機(jī)械應(yīng)力，但是由于其結(jié)構(gòu)原因，應(yīng)該考慮焊接過程中的熱應(yīng)力可能產(chǎn)生的影響。此外，由于PCB板存在變形，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該留下足夠的余量。

4 小結(jié)

總結(jié)上述的三個(gè)典型案例，導(dǎo)致TVS管失效主要有以下幾個(gè)原因：

1)最大脈沖功率的裕量不夠，導(dǎo)致的TVS管過功率燒毀。

2)在多級浪涌保護(hù)電路中，其他的浪涌抑制器件存在選型缺陷，使得TVS承受了大能量的浪涌沖擊，導(dǎo)致過壓或者過功率燒毀。

3)TVS管在安裝過程中受到損傷，或者TVS管的制造工藝導(dǎo)致其存在缺陷，造成TVS管的可靠性降低，使用時(shí)容易損壞失效。

[1] GB/T 17626.5-2008,浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)[S].

[2] 鄭軍奇．電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)EMC風(fēng)險(xiǎn)評估[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 周志敏，周紀(jì)海等.電子電氣系統(tǒng)防雷接地實(shí)用設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4] 周志敏.浪涌電壓抑制器及應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用：2001.11.