論雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

昝超鑫

摘要：半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)決定著產(chǎn)品生產(chǎn)后的可靠性。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要具有一定的前瞻性，并與產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝相結(jié)合，才能保證生產(chǎn)的產(chǎn)品的高可靠性。雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管產(chǎn)品在交流電路中，可以吸收正反兩個(gè)方向的瞬時(shí)大脈沖功率，應(yīng)用十分方便，被廣泛選用。如何對(duì)雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品是否具有高可靠性至關(guān)重要。

1引言

瞬態(tài)電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor Diode，簡(jiǎn)稱TVS）在各種電子線路中作保護(hù)作用。當(dāng)電路中突然出現(xiàn)大脈沖功率時(shí)，TVS工作阻抗可以降低到允許大電流通過(guò)，并把電壓箝位到一定水平，從而避免電子線路中的精密元器件損壞。雙線TVS多應(yīng)用于交流電路，單向TVS多應(yīng)用于直流電路。

從特性曲線上看，雙向TVS特性曲線如同兩只單向的TVS背靠背組合，正反兩個(gè)方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性。特性曲線圖如圖1所示：

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 2顆單向瞬態(tài)管芯片背靠背疊加

從特性曲線上分析，雙向TVS可以采用兩顆單向TVS芯片背靠背疊加

進(jìn)行設(shè)計(jì)。單向TVS芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)，通過(guò)擴(kuò)散，在芯片上形成PN結(jié)，并進(jìn)行玻璃內(nèi)鈍化。達(dá)到保護(hù)芯片PN結(jié)的作用。

采用兩顆單向TVS芯片背靠背組合可以構(gòu)成雙向TVS管結(jié)構(gòu)，如圖3所示：

2.2 采用單顆雙向TVS管芯片

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的雙向TVS芯片采用的也是臺(tái)面結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)芯片進(jìn)行雙面擴(kuò)散，從而在芯片形成上下兩個(gè)PN結(jié)，并在芯片周圍進(jìn)行玻璃內(nèi)鈍化，達(dá)到保護(hù)芯片PN結(jié)的作用。由于兩個(gè)PN結(jié)中間都為P層或都為N層，因此形成兩個(gè)PN接背對(duì)背的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)該芯片可以進(jìn)行正反兩個(gè)方向抑制大功率的功效。雙向TVS芯片結(jié)構(gòu)件圖4：

采用雙向TVS芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5：

3結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

3.1結(jié)構(gòu)1驗(yàn)證

筆者按圖3和圖5的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)各生產(chǎn)了50只雙向TVS產(chǎn)品，然后對(duì)產(chǎn)品性能分別進(jìn)行測(cè)試，篩選，淘汰情況見(jiàn)下表：

結(jié)合上述試驗(yàn)情況，圖3的雙向TVS設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可靠性較高，圖5的雙向TVS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性較差。不建議采用。

3.2圖5建設(shè)及結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)試驗(yàn)情況，筆者對(duì)圖5的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)芯片下PN結(jié)在受到溫度應(yīng)力后容易失效，且在篩選中不能完全剔除。所以圖5結(jié)構(gòu)在芯片下PN接觸存在設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題。

一般雙向順?biāo)矐B(tài)管結(jié)構(gòu)通過(guò)采用焊料將雙向瞬態(tài)管芯片與零件連接起來(lái)，并在芯片上使用焊料連接電極片（增加產(chǎn)品瞬態(tài)吸收功率）。連接的方式一般是采用燒結(jié)的方式。但是容易引起芯片下PN結(jié)鈍化層被焊料包裹，從而形成應(yīng)力，使產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。也是造成圖5結(jié)構(gòu)可靠性差的主要原因。

3.3雙向TVS芯片合理設(shè)計(jì)

針對(duì)上述分析，筆者對(duì)圖5結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在芯片下方增加凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，從而避免了焊料對(duì)芯片下PN結(jié) 的包裹從而解決了該缺陷問(wèn)題，更改后的結(jié)構(gòu)件圖6：

通過(guò)對(duì)圖6結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，圖6結(jié)構(gòu)同樣具有較高的可靠性。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

結(jié)論

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，兩顆單向TVS芯片和單顆雙向TVS芯片都可以實(shí)現(xiàn)雙向TVS功能要求。雙向TVS芯片在設(shè)計(jì)時(shí)要注意芯片下PN結(jié)設(shè)計(jì)，避免存在結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性較差。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)一定要做好相關(guān)驗(yàn)證工作，并根據(jù)自身工藝條件，選擇適合自己的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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