TVS二极管失效分析

TVS二极管失效分析

摘要：常用电路保护器件的主要失效模式为短路，瞬变电压抑制器(TvS)亦不例外。TvS 一旦发生短路失效，释放出的高能量常常会将保护的电子设备损坏．这是 TvS 生产厂家和使用方都想极力减少或避免的情况。通过对 TVS 筛选和使用短路失效样品进行解剖观察获得其失效部位的微观形貌特征．结合器件结构、材料、制造工艺、工作原理、筛选或使用时所受的应力等。采用理论分析和试验证明等方法分析导致7rvS 器件短路失效的原因。分析结果表明引发 TvS 短路失效的内在质量因素包括粘结界面空洞、台面缺陷、表面强耗尽层或强积累层、芯片裂纹和杂质扩散不均匀等。使用因素包括过电应力、高温和长时间使用耗损等。

1 引言

瞬变电压抑制器（ TVS：Transient Voltage Suppressor）是为了解决电子设备电压瞬变和浪涌防护问题而设计出的一种高性能的电子电路保护器件，瞬变电压抑制二极管，主要用于对电路进行瞬态保护。当TVS 管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度把两端间的阻抗变为低阻抗，吸收一个大电流，从而把它两端间的电压钳制在一个预订的数值上，保护后面的电路原件不因瞬态高电压冲击而损坏。国内外在电子产品和国内高可靠设备中的应用都十分普遍。随着TVS 使用范围和使用数量的增加，TVS 自身的可靠性备受关注，因为 TVS 可靠性不仅是 TVS 本身的问题，还关系到被保护电子电路的使用可靠性。研究 TVS 的可靠性须对 TVS 的失效模式和失效机理有深入的了解。文献表明 TVS 的失效模式有短路、开路和电特性退化。其中，短路失效最为常见，且对电路的影响最为严重。目前，国内对国产TVS 短路失效机理的研究缺乏深度，不够系统，因此，对国产 TVS 短路失效机理进行深入、系统的研究十分必要。

2 TVS 短路失效样品和失效分析程序

在国内主要TVS 生产厂商的支持下，搜集了有关国产 TVS 筛选和使用中短路失效的样品和筛选应力条件或使用条件等失效数据，对这些样品进行电参数测试、开帽、去保护胶、管芯与电极分离、去焊料和显微观察等步骤，找出失效部位，分析引发TVS 短路失效的内在质量因素或使用因素，以及失效的发生过程。其中内在质量因素即与器件设计、材料、工艺、组装、封装相关的引起器件失效的因素；使用因素即除内在质量因素以外的引起器件失效的因素，通常与过电引力、静电放电、过载、错误使用等相关。

3 引发 TVS 短路失效的内在质量因素和失效机理

TVS 器件主要由芯片、电极系统和管壳3 部分构成。其中芯片是核心，通常在单晶硅片上采用扩散工艺形成。将扩散好的芯片经过腐蚀成台面状、芯片镀镍、烧焊、涂保护胶、封帽、点焊上引线、外引线镀锡等工序便完成TVS 器件的制造。如果 TVS 制造工艺过程中控制不良，则可能造成 TVS 器件的固有缺陷，使TVS 成品率和可靠性降低，在筛选或使用中容易失效。TVS 筛选短路失效样品分析和统计表明，TVS 引发筛选短路的内在质量因素有很多，各因素的比例如图 1 所示。这些因素也是使用中引发 TVS 短路失效的主要内在质量因素。

图 1-引发 TVS 筛选短路失效的内在质量因素分布

3.1 芯片粘结界面空洞