一種典型瞬態(tài)電壓抑制二極管失效模式分析

馬路遙 王曾 陸浩宇

摘要：瞬態(tài)電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor）簡(jiǎn)稱TVS，是一種反向PN結(jié)形式工作的高效能半導(dǎo)體保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的PN結(jié)受到一個(gè)高能量的瞬態(tài)反向過(guò)壓沖擊時(shí)，它能以10-12秒量極的速度將其兩端電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的瞬態(tài)功率，有效的保護(hù)電子線路中的精密元器件，保證其免受各種瞬態(tài)能量干擾的損壞。由于其具有瞬態(tài)功率大、響應(yīng)速度快、箝位電壓與擊穿電壓可選擇、低漏電、小體積等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于各類電子、通訊設(shè)備中。本文選取一種典型的瞬態(tài)抑制二極管失效樣本，對(duì)其進(jìn)行失效分析并做出總結(jié)。

關(guān)鍵詞：瞬態(tài)電壓抑制二極管;TVS;保護(hù);失效分析

引言

電壓和電流的瞬態(tài)能量干擾幾乎無(wú)處不在，如電源的開(kāi)關(guān)操作、電網(wǎng)傳輸波動(dòng)、雷電干擾及靜電放電等，是造成各類電子設(shè)備損毀的的重要原因之一，常給人們帶來(lái)巨大的損失。于是一種高效能的電路瞬態(tài)能量干擾保護(hù)器件TVS應(yīng)運(yùn)而生。TVS管并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時(shí)，它處于高阻截止?fàn)顟B(tài)，不對(duì)電路造成影響。但當(dāng)其兩端經(jīng)受瞬態(tài)過(guò)壓高能量沖擊，它能以極快的速度降低阻抗的同時(shí)吸收一個(gè)對(duì)地導(dǎo)通大電流，將其兩端電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的安全數(shù)值，從而確保后面電路的各類精密元器件免受瞬態(tài)能量的沖擊導(dǎo)致?lián)p壞。但在實(shí)際應(yīng)用中，往往出現(xiàn)TVS損壞失效導(dǎo)致其失去保護(hù)性能，造成后端電路器件受到到?jīng)_擊而損壞的情況，本文選取一種典型的TVS管失效樣本，通過(guò)對(duì)其工作原理及失效特征的分析論證，向讀者提供一種TVS管失效分析的典型案例幫助。

1、失效樣本分析

本文選取失效樣本為我公司自主研制生產(chǎn)的2只瞬態(tài)電壓抑制二極管產(chǎn)品，2只樣品在用戶處使用過(guò)程發(fā)生了失效狀況。

1.1、外觀檢查

首先對(duì)2只失效樣品（以下簡(jiǎn)稱樣品）進(jìn)行外觀檢查，其中一只樣品外觀有明顯高溫?fù)p傷痕跡，另一只樣品表面無(wú)明顯高溫?fù)p傷痕跡。無(wú)其他異常。

1.2、X光透視

為了在不破壞外封裝的情況下，了解樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌，對(duì)樣品進(jìn)行了X光透視檢查，經(jīng)X光透視檢查：兩只樣品透視形貌并未發(fā)現(xiàn)明顯差異與損傷。

1.3、常溫電性能測(cè)試

用Tek370A型數(shù)字圖示儀對(duì)兩只樣品進(jìn)行常溫特性曲線掃描，兩只樣品正、反向均呈現(xiàn)短路狀態(tài)，初步判斷兩只瞬態(tài)管樣品為短路失效模式。

1.4、解剖分析

為進(jìn)一步找到樣品失效原因，對(duì)樣品進(jìn)行解剖分析，解剖后可觀察到樣品的內(nèi)部芯片形貌圖，兩只樣品解剖后的芯片形貌如圖1所示;

由圖示觀察可知：

1、兩只樣品芯片表面均有高溫熔坑，且均位于芯片拐角端。初步推斷是由于該部位集中過(guò)大電流、即極大能量集中在該部位致使該部位溫度急劇上升，從而導(dǎo)致芯片出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。

2、兩只樣品芯片熔坑與周圍無(wú)明顯梯度熔化現(xiàn)象。推斷是由于熔坑處溫度瞬間極速升高，芯片還沒(méi)來(lái)得及進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)就已經(jīng)熔化損壞。

3、兩只樣品芯片均有開(kāi)裂現(xiàn)象且均以熔坑處延伸。其中左1樣品開(kāi)裂范圍大，左2樣品開(kāi)裂范圍稍小。初步推斷是由于芯片局部溫度瞬間升高后，與其他部位溫差過(guò)大，致使芯片產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致芯片開(kāi)裂。兩只樣品芯片在燒蝕的程度上雖不完全一致，但并不影響兩只樣品芯片的失效模式都為EOS過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致的判斷。

2、失效機(jī)理分析

兩只瞬態(tài)管樣品在電路中為并聯(lián)使用，理論上，瞬態(tài)管在正常失效情況下，其中一只瞬態(tài)管受損短路時(shí)兩端電位相等，則另一只瞬態(tài)管將處于非工作狀態(tài)，不會(huì)受損。兩只分析樣品均短路失效，就此次樣品失效分析，分析狀況如下：

2.1、瞬態(tài)管可能因何短路失效？

瞬態(tài)管在承受一個(gè)高能量瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降低至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過(guò)，并將電壓鉗位到預(yù)定水平。實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)的過(guò)壓脈沖持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，器件本身脈沖峰值功率則會(huì)降低，如果過(guò)壓脈沖能量超過(guò)器件額定值，就很容易造成器件燒毀致短路失效。同時(shí)也應(yīng)考慮到環(huán)境溫度對(duì)器件脈沖峰值功率的影響。

2.2、為何兩只瞬態(tài)管同時(shí)短路失效？

設(shè)兩只瞬態(tài)管擊穿電壓分別為VBR1和VBR2，則有以下三種狀況：

① VBR1 = VBR2

② VBR1 > VBR2

③ VBR1 < VBR2

當(dāng)VBR1 = VBR2時(shí)，過(guò)瞬態(tài)大電壓時(shí)，兩只瞬態(tài)管同時(shí)工作，瞬態(tài)能量超過(guò)瞬態(tài)管承受極限且遠(yuǎn)大于瞬態(tài)管承受極限時(shí)，兩只瞬態(tài)管瞬間同時(shí)損壞。

當(dāng)VBR1 > VBR2時(shí)，2#瞬態(tài)管先進(jìn)入工作狀態(tài)，由于瞬態(tài)管擊穿電壓正溫系特性，2#瞬態(tài)管工作過(guò)程中VBR2會(huì)增大，當(dāng)增大到與VBR1相等時(shí)，1#瞬態(tài)管同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，瞬態(tài)能量超過(guò)瞬態(tài)管承受極限且遠(yuǎn)大于瞬態(tài)管承受極限時(shí)，兩只瞬態(tài)管進(jìn)入同時(shí)工作時(shí)間極短。進(jìn)入同時(shí)工作狀態(tài)后，兩只瞬態(tài)管瞬間同時(shí)損壞。

當(dāng)VBR1 < VBR2時(shí)，1#瞬態(tài)管先進(jìn)入工作狀態(tài)，由于瞬態(tài)管擊穿電壓正溫系特性，1#瞬態(tài)管工作過(guò)程中VBR1會(huì)增大，當(dāng)增大到與VBR2相等時(shí)，2#瞬態(tài)管同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，瞬態(tài)能量超過(guò)瞬態(tài)管承受極限且遠(yuǎn)大于瞬態(tài)管承受極限時(shí)，兩只瞬態(tài)管進(jìn)入同時(shí)工作時(shí)間極短。進(jìn)入同時(shí)工作狀態(tài)后，兩只瞬態(tài)管瞬間同時(shí)損壞。

2.3、為何兩只瞬態(tài)管芯片發(fā)生融化炸裂？

針對(duì)芯片有局部高溫融化痕跡且延伸出現(xiàn)裂紋狀況，是由于雖然理論上芯片過(guò)電流時(shí)每一處電流應(yīng)均勻相等，但實(shí)際上總會(huì)出現(xiàn)局部先過(guò)電流或集中過(guò)電流現(xiàn)象。于是局部會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，產(chǎn)生熔坑的同時(shí)由于瞬態(tài)高溫差引起芯片炸裂。同時(shí)印證了之前過(guò)電壓時(shí)能量超過(guò)瞬態(tài)管承受極限且遠(yuǎn)大于瞬態(tài)管承受極限的假設(shè)。

至此可以判斷本次失效的兩只樣品都應(yīng)該是過(guò)能量導(dǎo)致?lián)p壞擊穿，擊穿后極大的能量造成兩只樣品芯片局部呈現(xiàn)炸裂性破壞，芯片斷裂導(dǎo)致PN結(jié)性能遭到損壞，表現(xiàn)為正、反向均短路的失效模式。

3、結(jié)論

瞬態(tài)電壓抑制二極管的應(yīng)用目的就是為了吸收瞬態(tài)能量，針對(duì)瞬態(tài)能量的大小，對(duì)應(yīng)有不同功率的瞬態(tài)管產(chǎn)品，也有為了吸收更大瞬態(tài)能量將多只瞬態(tài)管并聯(lián)使用的場(chǎng)景。在使用過(guò)程中出現(xiàn)的瞬態(tài)管失效，一般多為過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致。本文失效產(chǎn)品過(guò)電應(yīng)力量級(jí)極大，對(duì)產(chǎn)品造成了炸裂性破壞，通過(guò)對(duì)這一類的失效品分析，將結(jié)論反饋于電路設(shè)計(jì)選型之中，選取更大功率的瞬態(tài)管以抑制可能出現(xiàn)的極大瞬態(tài)能量，以保證后端電路元器件免受瞬態(tài)能量沖擊而損壞。

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