开发网站公司如何运营,乌海网站开发,工作室怎么注册,国内大型免费网站建设摘要#xff1a;常用电路保护器件的主要失效模式为短路#xff0c;瞬变电压抑制器(TvS)亦不例外。TvS 一旦发生短路失效#xff0c;释放出的高能量常常会将保护的电子设备损坏#xff0e;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…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。 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。
芯片粘结界面空洞 2 Q: z8 A- q- c 引发 TVS 短路的最典型的原因是管芯与内引线组件、底座铜片烧结不良在烧结界面出现大面积空洞。 空洞可能是由于焊料不均匀或粘结界面各层材料玷污、氧化使焊料沾润不良造成烧焊时焊料与芯片或金属电极没有良好的熔合焊接引起的。空洞面积较大时电流在烧结点附近汇聚管芯散热困难造成热电应力集中产生局部热点严重时引起热奔使器件烧毁。对这些烧毁的器件进行解剖分析可以看到有芯片局部较深的熔融空洞面积较小时可加速焊料热疲劳使焊料层会产生疲劳龟裂引起器件热阻增大最终
导致器件过热烧毁。
台面缺陷# a/ : UM R) P6 g#2 R( M4 w7 Y3 D7 ] TVS 台面缺陷造成的失效常常是批次性的。TVS 制造工艺过程中造成芯片台面损
伤的原因主要有两个
1芯片在酸蚀成型时由于氢氟酸、硝酸混合液配方过浓或温度过高而反应剧烈
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烧焊过后进行碱腐蚀清洗时腐蚀液浓度过大、温度过高而造成碱腐蚀清洗过重。在显微镜下观察碱腐蚀清洗过重的台面可以看到台面有类似被冲刷的痕迹如图3 所示这是因为硅片在1 0 0晶向被碱腐蚀清洗试剂腐蚀的速率最快。)
碱腐蚀清洗过重的台面 1 [; h5 [) V9H2 z, o0 u4 y6 O% F( p# }1 Y7 F: F* 台面缺陷或损伤的 TVS 器件经过温度循环和箝位冲击等筛选试验后进行电参数测试时通常表现为短路或击穿特性异常从而被剔除。但轻微台面损伤的TVS 器件在筛选后电参数测试时不易被发现可能被列为良品出厂。这些 TVS 器件在使用过程中经受长时间热、电、机械等应力的作用后台面缺陷加剧在缺陷处形成载流子产生复合中心使表面反向漏电流大大增加。大的表面反向漏电流使pn 结边缘温度升高产生热电综合效应最终导致 pn 结边缘半导体材料温度过高烧毁。8 A k! ?; |- K2 e4 x _ 表面强积累层或强反型层 v8 F: D: k6 B0 b A 即便TVS 器件芯片台面完好TVS 短路失效也容易发生在表面。这是由于晶体结构的周期性在表面上中断加上半导体表面往往存在许多磨片、抛光、喷砂、切片等引起的晶格缺陷吸附腐蚀时残留的化学品、气体或其它污染物会使半导体表面带电。表面电荷被保护胶钝化并吸附或排斥半导体体内的自由载流子在pn 结边缘形成表面积累层、耗尽层或反型层等表面空间电荷层。在外加电压的作用下强积累层或强反型层使pn 结边缘电场强度大于体内如图 4 所示。因此pn 结边缘部分在比额定击穿电压低的电压下便达到临界电场而发生载流子倍增效应造成pn 结边缘电流集中功率密度过大温度过高而烧毁。 芯片裂纹: C. c# I1 N0k7 U8 r [ s% u# M o/ ?4 Q 芯片裂纹是引起 TVS 短路失效的又一重要内在质量因素。它可能是由磨片、抛光、喷砂、切片等残留应力以及烧结后残留变形等因素引起也可能是由于温度变化时保护胶和电极系统对芯片热不匹配应力而引起。细微裂纹在高低温循环脉冲冲击或机械振动作用下会增大。如果裂纹在pn 结处则引起 TVS 器件反向漏电流增大如果裂纹在 pn 结附近将会导致裂纹处载流子复合裂纹附近载流子数目减少pn 结特性变坏。这两种情况都能使 TVS 器件反向功率负荷能力下降。R: c$ N Q H- C- w) w
杂质扩散不均匀 TVS的芯片通常是在一定电阻率的P 型或N 型硅片上先进行磷扩散后进行硼扩散形成的。如果扩散工艺过程中出现硅片电阻率轴向或径向不均匀杂质浓度不均匀体内缺陷位错、层错、微缺陷或pn 结表面不平整等情况将会造成硅片掺杂不均匀使硅片各处击穿电压不同从而使器件击穿时管芯电流分布不均匀多次浪涌冲击后局部烧毁。 A/h o 引发 TVS 短路失效的使用因素和失效机理 8 g* D- v y( F, n. M* b# H! G
过电应力( G t$R ]. b k 当瞬态脉冲能量超过 TVS 所能承受能量时会引起 TVS 器件过电应力损伤特别是当瞬态脉冲能量达到 TVS 所能承受能量的数倍时会直接导致 TVS 器件过电应力烧毁失效模式表现为短路。过电应力短路失效的 TVS 芯片在扫描电镜下观察可发现 pn 结表面边缘的熔融区域或体内硅片的上表面和下表面的黑斑。
* Z3j H9 |) P6 p) I i: g 试验表明发生在结表面边缘过电应力短路失效通常是由持续时间极短ns 级的高能量瞬态脉冲所致例如EMP、ESD 产生的脉冲体内过电应力失效通常是由持续时间稍长μs 级以上高能量脉冲所致例如电快速瞬变雷电产生的脉冲。如果高能量瞬态脉冲持续时间介于 ns 级和 μs 级之间则短路可能发生在结边缘表面也可能发生在体内。这一结果可通过热传导速率、硅和电极金属的熔融温度得到解释。如图5 所示pn 结边缘到热沉的传热路径比体内长传热较体内慢因此结边缘温度比体内高。持续时间极短ns 级的高能量瞬态脉冲使边缘温度急剧升高导致边缘热击穿而烧毁。而持续时间较长μs 以上脉冲使边缘热量有足够的时间传至芯片中心周围。随着芯片温度的升高芯片中心周围产生熔融通道。当熔融从芯片的一表面延伸到另一表面时硅片温度超过1400 ℃处于熔融和非晶状态成为导体形成导电通路使芯片短路。如果脉冲持续时间达到ms 级例如雷电产生的脉冲还会使铅锡焊料达到 700 ℃以上而发生熔融。 高温 当 TVS 器件工作温度超过其最大允许工作温度时易发生短路失效且通常发生在 pn 结表面。这是因为在高温条件工作下表面可动离子的数量大大增加表面电流也随之增大表面功率密度和温度比体内高使 pn 结边缘结温超过 200℃边缘局部区域晶格遭受致命性的损坏。TVS 在高温反偏筛选中短路失效情况统计表明高击穿电压150 V 以上TVS 器件更容易发生短路失效。这是因为在相同额定功率的 TVS 系列中在承受相同功率时高击穿电压 TVS 芯片温升更高。: d \4 n( C%X% W. Y ]9 ^
长时间工作耗损 P) i* a( T l u 对筛选合格的 TVS 器件进行浪涌寿命试验发现 TVS 器件经过成千上万次标准指数脉冲所能承受的浪涌脉冲次数与质量等级相关冲击后失效失效模式通常为短路。对失效样品进行解剖后在扫描电镜下观察芯片发现结边缘发生熔融现象和结边缘焊料结构发生了变化且结最边缘处最为严重。失效机理可能结边缘焊料形成金属化合物而脆化使管芯与底座热沉逐渐分离结边缘的散热能力降低长时间工作结温持续增大导致过热烧毁。 内在质量因素引起 TVS 短路失效的机理主要是 TVS 制造工艺过程造成的芯片缺陷或损伤使 TVS 在承受脉冲冲击时芯片局部电流集中导致芯片局部过热而烧毁。引发 TVS 短路的使用因素主要有过电应力、高温和长时间使用耗损。在 TVS 实际使用中TVS 短路失效可能是各种因素综合作用的结果。 要减少 TVS短路失效首先应加强 TVS 制造工艺过程的控制尤其是对烧焊、台面成型、碱腐蚀清洗、掺杂等工艺过程的控制以减少或消除TVS 的固有缺陷。例如国际上采用先进的烧焊工艺已能将空洞面积控制在 10 %以下采用离子注入掺杂能对掺杂过程进行更好的控制这些都大大提高了 TVS 的可靠性。其次做到 TVS 的正确选型与安装最好对 TVS 进行降额使用这样可使 TVS 承受的功率较小使用可靠性大大增加。此外为使 TVS 发生短路失效时对被保护电子设备的影响降到最低通常可在 TVS 前串接一条与之匹配的保险丝。
