TVS管單向漏電原因分析

李紅高，卜潔

蘇州華碧微科檢測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇蘇州，215127

0 引言

TVS管（瞬態(tài)電壓抑制器）是一種用于電壓瞬變和浪涌防護(hù)的半導(dǎo)體器件，它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、箝位電壓較易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)[1]，在通信設(shè)備、交/直流電源、家用電器、儀器儀表、電機(jī)電磁波干擾抑制等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際使用中，器件廠商會(huì)遇到因TVS管起不到應(yīng)有的保護(hù)作用而退貨的情形。由于TVS芯片數(shù)量多且芯片小，難以做到百分百入庫(kù)檢驗(yàn)，封裝后的產(chǎn)品采取的也是抽樣檢查，有時(shí)也難以發(fā)現(xiàn)不良品存在。為辨別器件失效責(zé)任方，快速解決質(zhì)量糾紛，本文對(duì)一例TVS管漏電失效進(jìn)行了原因分析。

1 器件結(jié)構(gòu)

本文所涉TVS芯片有兩種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)蜗蚝碗p向結(jié)構(gòu)，器件使用擴(kuò)散方法使N型硅片形成N+-N-P+型單向結(jié)構(gòu)或P+-N-P+型雙向結(jié)構(gòu)。單向芯片和雙向芯片結(jié)構(gòu)如圖1—圖3所示。將芯片與引線組裝燒結(jié)起來(lái)，形成粒子對(duì)粒子模塑封裝，使其成型為塑封軸向二極管，并達(dá)到二次保護(hù)目的。

圖1 單向芯片

圖2 雙向芯片

圖3 器件結(jié)構(gòu)

器件芯片表面受外界影響的保護(hù)方法較多，例如在封裝過(guò)程中酸洗后進(jìn)行側(cè)面填膠的保護(hù)膠工藝，在芯片制造過(guò)程中選擇性地在某些區(qū)域燒熔玻璃的玻璃鈍化工藝，或者利用氧化硅或氮化硅做鈍化保護(hù)的硅化合物鈍化等。本文TVS管采用電泳法玻璃鈍化技術(shù)[2]，該技術(shù)具有玻璃保護(hù)層致密均勻、邊角部位保護(hù)效果好、可靠性高的特點(diǎn)。玻璃鈍化工藝是目前功率器件和表面封裝器件普遍采用的一種終端保護(hù)工藝，采用玻璃鈍化工藝的硅芯片，通常用來(lái)解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是鈍化玻璃可以很好地固定住鈉離子等沾污離子，減少鈉離子的移動(dòng)；二是在芯片PN結(jié)表面覆蓋一層玻璃鈍化膜，形成鈉離子等沾污離子的阻擋層，避免外界鈉離子等沾污離子進(jìn)入芯片PN結(jié)表面處。采用玻璃鈍化工藝，優(yōu)點(diǎn)是便于封裝，但是加工過(guò)程中晶片彎曲易碎及切割存在隱患[3]。

2 分析過(guò)程

2.1 電測(cè)

TVS二極管在產(chǎn)品交付后，反饋器件未起到保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)器件有提早擊穿和漏電現(xiàn)象，對(duì)于雙向保護(hù)器件，普遍有一個(gè)方向出現(xiàn)明顯的漏電流增加。對(duì)三種不同型號(hào)60顆器件進(jìn)行伏安特性測(cè)試，有55顆存在漏電流均大于規(guī)格書要求或者提前擊穿失效現(xiàn)象（如表1以及圖4-圖5）。為了驗(yàn)證未封裝芯片在放置一段時(shí)間后，是否出現(xiàn)漏電流增加的現(xiàn)象，對(duì)自出廠后在庫(kù)房放置數(shù)年的未封裝芯片抽樣復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)5種型號(hào)中有2種型號(hào)并未發(fā)現(xiàn)漏電不良現(xiàn)象，有3種型號(hào)的芯片出現(xiàn)了漏電不良現(xiàn)象（表2及圖6），但并沒有發(fā)現(xiàn)隨著放置時(shí)間加長(zhǎng)，不良率大幅上升的現(xiàn)象。

表1 器件測(cè)試結(jié)果

圖4 單向器件漏電失效

圖5 雙向器件單向漏電

圖6 擊穿芯片

圖7 良品芯片

電測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)施加正向電壓的時(shí)候，不良器件提前已觸發(fā)開啟，隨兩端電壓逐步增大，電流值急劇增大出現(xiàn)軟擊穿現(xiàn)象，表明由P+和N-型構(gòu)成的PN結(jié)已失效，正向?qū)窂酱嬖诼╇姮F(xiàn)象。

2.2 分析過(guò)程

模擬封裝過(guò)程中加熱工序，依據(jù)《真空焊接爐溫度曲線記錄表》中的爐溫曲線，對(duì)經(jīng)過(guò)電性檢測(cè)后不漏電的良品芯片模擬封裝過(guò)程中加熱工序，加熱后再進(jìn)行電性能檢測(cè)，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)芯片出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。失效器件外觀檢查未發(fā)現(xiàn)外殼破裂損傷等現(xiàn)象，挑選6顆失效器件開封進(jìn)行內(nèi)部觀察，發(fā)現(xiàn)有1顆樣品存在掉角現(xiàn)象（圖8）。對(duì)開封后的芯片進(jìn)行電性能檢測(cè)，芯片漏電現(xiàn)象依然存在（圖9）。挑選10顆芯片樣品（未封裝）進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)部分芯片邊緣存在崩裂現(xiàn)象（圖10）。

圖8 芯片掉角

圖9 開封后電測(cè)

圖10 芯片存在崩邊現(xiàn)象

為定位TVS芯片內(nèi)部的失效位置，將器件去封裝后，利用紅外微光顯微鏡（EMMI[4]）及砷化鎵銦微光顯微鏡初步確定芯片的失效位置，加28V反向電壓發(fā)現(xiàn)存在10μA漏電流，芯片溝槽邊緣存在異常亮點(diǎn)，該區(qū)域存在漏電現(xiàn)象（圖11）。

圖11 EMMI 定位照片

2.3 原因分析

芯片樣品（未封裝）出現(xiàn)了漏電不良現(xiàn)象，但并沒有發(fā)現(xiàn)隨著放置時(shí)間加長(zhǎng)，不良率大幅上升的現(xiàn)象。對(duì)沒有漏電的芯片樣品進(jìn)行模擬高溫加熱試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象增加，也沒有隨封裝工藝出現(xiàn)額外不良的情況。根據(jù)半導(dǎo)體芯片制造工藝特點(diǎn)，出廠前的早期失效為器件漏電失效的主要原因[5]。TVS芯片PN結(jié)的漏電流應(yīng)包括體內(nèi)漏電流和表面漏電流兩個(gè)部分，通常PN結(jié)出現(xiàn)異常導(dǎo)致體內(nèi)漏電流的產(chǎn)生，而表面漏電流產(chǎn)生的原因通常為材料表面發(fā)生缺陷、沾污等情形。本文器件多表現(xiàn)為單向擊穿，且芯片存在掉角、邊緣崩裂等物理?yè)p傷現(xiàn)象，應(yīng)為晶圓劃片產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致玻璃的破損，表面漏電流增大；另外，機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致芯片PN結(jié)區(qū)域形成隱裂或者裂紋，器件在工作過(guò)程中因偏壓造成電場(chǎng)集中，漏電流逐漸增大甚至擊穿[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)器件和同批次芯片進(jìn)行電性能測(cè)試、內(nèi)部檢查以及失效定位分析，另外，還對(duì)芯片高溫測(cè)試，綜合分析芯片生產(chǎn)過(guò)程遭遇的機(jī)械應(yīng)力損傷玻璃鈍化層或者PN結(jié)為導(dǎo)致器件漏電失效的主要原因，本文還可以深入分析，對(duì)芯片進(jìn)行剖面結(jié)構(gòu)檢查，排除工藝過(guò)程形成的內(nèi)部缺陷，并通過(guò)研磨或者化學(xué)去層方法表征芯片表面缺陷，從而精準(zhǔn)分析漏電的根本原因。