二極管過功率失效模式的討論

高列華

摘要：二極管耗散功率過大是導致產品失效的常見原因，文中針對二極管的耗散功率過大導致產品燒毀失效的現(xiàn)象進行分析，并結合用戶電路進行分析和模擬實驗最終確定引起產品耗散功率過大的原因，對分析此類二極管的失效有借鑒意義。

關鍵詞：耗散功率;燒毀失效;正向大電流;反向大電壓

中圖分類號：TN301

文獻標識碼：A文章編號：2095-6487（2019）01-0099-03

0引言

二極管是我廠生產量很大的產品，隨著國產化替代工作的進行，近年來我廠”二極管供貨量不斷增加，用戶對我廠“二極管的質量可靠性也有了更加嚴格的要求，我廠二極管在用戶使用過程中失效的狀況頻發(fā)，但是造成二極管相同的失效模式的原因卻有所不同，只有準確找出二極管失效的原因，才能制定行之有效的措施避免失效再次發(fā)生，這需要我們對二極管進行深入的失效分析工作。經過對二極管失效情況進行總結發(fā)現(xiàn)二極管同一種失效模式，失效原因機理不同，二極管失效有著不同的表現(xiàn)。

1理論介紹

二極管工作時由于電流的熱效應會消耗一定的功率，這就是二極管的耗散功率。耗散功率大小根據(jù)歐姆定律P=I*U進行確定，I為通過二極管的電流，U為二極管流過電流I時的電壓，二二極管過功率導致失效即耗散功率過大超過二極管承受能力，導致芯片產生的熱量不能夠及時散發(fā)出去，與外界無法達到熱平衡，芯片溫度不斷升高最終二極管燒毀失效”。造成二極管過功率燒毀失效分為正向過功率燒毀和反向過功率燒毀兩種失效原因，根據(jù)耗散功率定義P=I*U，正向功率即正向電壓與正向電流的乘積，由于正向電壓較小，所以在較大的電流下會導致二極管耗散功率過大燒毀2];反向功率是反向電壓與電流的乘積，根據(jù)二極管的特性，二極管在達到反向工作電壓之前處于截止狀態(tài)，在截止狀態(tài)的電流稱為漏電流，漏電流值極小，一般在uA級別，即使反向電壓值比較大二極管也不會有太大的功耗，但是當二極管出現(xiàn)異常，截止狀態(tài)漏電流較大也會導致二極管功耗較大;當反向電壓值超過擊穿電壓時二極管處于導通狀態(tài)，反向電流大幅度增加，一般情況下二極管反向擊穿電壓較高，所以反向擊穿狀態(tài)下即使較小的電流也會導致二極管耗散功率過大燒毀，反向擊穿后過功率燒毀是二極管常見的失效原因[3]。

二極管過功率燒毀的失效模式主要分為以下三種短路失效：主要為器件失去二極管特性，表現(xiàn)為導通或電阻特性。

電參數(shù)漂移：主要表現(xiàn)為漏電超差和電壓跌落。開路失效：主要表現(xiàn)為二極管斷裂導致的開路。從失效模式上來看，正向過功率燒毀主要失效模式主要為短路和開路，一般不會有漏電超差和電壓跌落的表現(xiàn)，反向過功率燒毀則三種失效模式均有可能。

下面列舉具體失效分析案例，二極管失效時的表現(xiàn)，來分析總結正向過功率燒毀和反向過功率燒毀的主要區(qū)別。

2案例

2.1案例一

某廠反映我廠生產的BZ03H在使用過程中出現(xiàn)“二極管呈現(xiàn)阻性，直通短路”。為此要求我廠進行失效分析。

2.1.1機理分析

（1）外觀檢查

通過體視顯微鏡觀察，產品外觀良好，無玻璃破裂、發(fā)黃等異?，F(xiàn)象，唯一存在的問題是產品未按照我廠產品手冊中規(guī)定的尺寸進行成形，我廠要求彎曲部位必須離管體3min以上，對方僅為0.8min左右。

（2）X光透視

將失效樣品采用X光透視進行檢查，通過檢查未見產品存在異常缺陷。

（3）特性曲線測試

對失效樣品采用QT2晶體管特性圖示儀進行特性

曲線測試，失效樣品正反向均為導通狀態(tài)。

（4）電參數(shù)測試

采用我廠351TT/P測試系統(tǒng)進行測試，測試結果與特性曲線測試結果一致，失效樣品正反向均為導通狀態(tài)，測試結果如下：

（5）開封檢查

對解剖后的產品進行曲線掃描，樣品曲線仍為導通狀態(tài)。用混合酸繼續(xù)對芯片臺面清洗40秒左右，對芯片臺面進行腐蝕，用離子水沖洗干凈，酒精脫水擦干后用QT2晶體管圖示儀測試失效產品反向電壓曲線，曲線特性沒有變化。

（6）分析小結

通過以上分析，認為該只失效樣品出現(xiàn)短路是由于在使用過程中可能承受了正向大電流的沖擊，使得產品燒毀，從而出現(xiàn)短路失效的情況。

2.1.2驗證試驗

為驗證該結論是否正確，特抽取生產線流水的BZ03H產品3只，進行故障復現(xiàn)。

試驗前測試電參數(shù)合格，曲線正常。試驗條件采用帶自保護功能的穩(wěn)壓電源，電流保護從1安培開始，對產品進行模擬試驗。

通過測試，該產品在1安培～7安培時產品無異常，當設置到8安培時，產品出現(xiàn)穿通現(xiàn)象，通過曲線測試，3只模擬失效樣品的特性曲線與在貴單位失效的產品特性曲線一致。

去玻封體分析3只失效樣品，去玻封體方法與失效樣品一致，通過解剖，為節(jié)省時間，沒有按多次進行去除，所以取出時產品3只均出現(xiàn)芯片的一端與鉬柱脫離的情況。通過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其中兩只產品芯片存在芯片熔融點，另一只為芯片內部存在芯片熔融點。

2.1.3分析結論

根據(jù)目前的分析試驗情況，我廠認為造成此次出現(xiàn)產品短路失效的原因是由于使用過程中出現(xiàn)了正向大電流，使得產品芯片出現(xiàn)熔融擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2案例二

某廠反饋我廠生產的BZG2G產品在入廠復驗后，并隨總裝產品一起經歷一30°C低溫貯存1小時，175°C高溫貯存1小時后出現(xiàn)失效。

2.2.1機理分析

（1）外觀檢查

通過體視顯微鏡觀察：產品外觀良好，無玻璃破裂等異常現(xiàn)象。

（2）X光透視

將失效樣品采用X光透視進行檢查，通過檢查未見產品存在異常缺陷。

（3）特性曲線測試

對失效樣品采用QT2晶體管特性圖示儀進行特性曲線測試，失效樣品反向為電阻特性，但是阻值較小，特性曲線圖中反向曲線斜率較小原因為電壓檔位較小，此外通過與正常產品正向電壓曲線對比，失效樣品正向電壓截止狀態(tài)時有輕微上抬現(xiàn)象，其他部分正常。

（4）電參數(shù)測試

采用我廠351TT/P測試系統(tǒng)進行測試，測試結果與特性曲線測試結果一致，失效樣品反向為電阻狀態(tài)，漏電較大，正向電壓值正常，測試結果如下：

（5）開封檢查

用混合酸繼續(xù)對芯片臺面清洗20秒左右，去除樣品臺面沾污，用離子水沖洗干凈，酒精脫水擦干后用QT2晶體管圖示儀測試失效產品反向電壓曲線，曲線呈現(xiàn)硬擊穿，產品恢復正常。

（6）分析小結

通過以上分析，我廠認為該只失效樣品出現(xiàn)短路是二極管使用過程中反向電壓擊穿，形成較大反向電流，導致芯片瞬間燒毀。

3案例分析

當二極管處于反向擊穿狀態(tài)時，二極管正負極兩端所施加電壓較高，對于整流二極管在幾百伏以上，二極管擊穿后形成較大電流，而電流不可能均勻的分布在整個芯片范圍內，由于二極管生產過程中，芯片臺面上不可避免的會存在一些可移動帶電離子，所以在高壓的作用下芯片臺面附近的電流相對芯片其他區(qū)域較密集，電流密集的臺面附近區(qū)域會形成局部的高溫“熱斑”，由于電熱的正反饋現(xiàn)象，“熱斑’處溫度的升高導致該處電流更加集中，從而形成熱-電-熱的惡性循環(huán)，在足夠大的電流密度下足以使PN結附近區(qū)域的空間電荷區(qū)消失，出現(xiàn)結的電壓降落急劇減少，電流劇增最終導致電流密集的臺面附近區(qū)域芯片燒毀失效。在此過程中由于電流主要集中在臺面附近區(qū)域，芯片內部并沒有承受大電流，芯片內部并沒有受到損壞。由于臺面腐蝕可以將產品芯片臺面上的燒毀點腐蝕掉，反向擊穿燒毀使二極管形成導通或電阻特性主要是由于臺面上燒毀點形成漏電通道導致的，芯片內部功能結構并沒有損壞，將臺面上的燒毀點腐蝕掉，芯片特性就會恢復正常，但正向過功率燒毀.與反向擊穿燒毀有所不同，二極管正向導通時電壓值較小，臺面上的可移動離子在較低電壓下對電流值不會有太大影響，二極管正向過功率燒毀由于電壓值較低所需要的電流值較大，當二極管正向承受較大電流時，二極管臺面附近也可能會形成燒毀點，但是芯片內部也會有較大電流通過，對芯片內部結構造成損壞，雖然臺面腐蝕將芯片臺面上的燒毀點腐蝕掉，芯片特性也無法恢復正常。

4結束語

文中介紹了耗散功率過大引起的二極管產品失效的現(xiàn)象，并且通過案例分析總結對比正向大電流與反向過壓導致的過功率燒毀后產品失效的表現(xiàn)以及區(qū)別，并分析了燒毀后芯片表現(xiàn)不同的原因。二極管耗散功率過大會引起產品失效的原因很多，所以只有我們找出真正引起產品失效的原因，對產品的分析以及對用戶的指導才有意義，希望該分析的經驗對以后的分析工作有一定的指導。

參考文獻

[1]姚立真.可靠性物理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]孫學東，恩云飛.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[3]孫承永.電子元器件的失效分析[M].西安：西安電子科技大學，1988.