1 引言

 

瞬變電壓抑製器（ TVS：Transient Voltage Suppressor）是shi為wei了le解jie決jue電dian子zi設she備bei電dian壓ya瞬shun變bian和he浪lang湧yong防fang護hu問wen題ti而er設she計ji出chu的de一yi種zhong高gao性xing能neng的de電dian子zi電dian路lu保bao護hu器qi件jian，瞬shun變bian電dian壓ya抑yi製zhi二er極ji管guan，主zhu要yao用yong於yu對dui電dian路lu進jin行xing瞬shun態tai保bao護hu。當dangTVS 管(guan)兩(liang)端(duan)經(jing)受(shou)瞬(shun)間(jian)的(de)高(gao)能(neng)量(liang)衝(chong)擊(ji)時(shi)，它(ta)能(neng)以(yi)極(ji)高(gao)的(de)速(su)度(du)把(ba)兩(liang)端(duan)間(jian)的(de)阻(zu)抗(kang)變(bian)為(wei)低(di)阻(zu)抗(kang)
，吸(xi)收(shou)一(yi)個(ge)大(da)電(dian)流(liu)，從(cong)而(er)把(ba)它(ta)兩(liang)端(duan)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)鉗(qian)製(zhi)在(zai)一(yi)個(ge)預(yu)訂(ding)的(de)數(shu)值(zhi)上(shang)，保(bao)護(hu)後(hou)麵(mian)的(de)電(dian)路(lu)原(yuan)件(jian)不(bu)因(yin)瞬(shun)態(tai)高(gao)電(dian)壓(ya)衝(chong)擊(ji)而(er)損(sun)壞(huai)。國(guo)內(nei)外(wai)在(zai)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)和(he)國(guo)內(nei)高(gao)可(ke)靠(kao)設(she)備(bei)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)都(dou)十(shi)分(fen)普(pu)遍(bian)。隨(sui)著(zhe)TVS 使用範圍和使用數量的增加
，TVS 自身的可靠性備受關注，因為 TVS 可靠性不僅是 TVS 本身的問題
，還關係到被保護電子電路的使用可靠性。研究 TVS 的可靠性須對 TVS 的失效模式和失效機理有深入的了解。文獻表明 TVS 的失效模式有短路、開路和電特性退化。其中，短路失效最為常見
，且對電路的影響最為嚴重。目前，國內對國產TVS 短路失效機理的研究缺乏深度，不夠係統，因此
，對國產 TVS 短路失效機理進行深入
、係統的研究十分必要。

 

2  TVS 短路失效樣品和失效分析程序

      

在國內主要TVS 生產廠商的支持下，搜集了有關國產 TVS 篩選和使用中短路失效的樣品和篩選應力條件或使用條件等失效數據，對這些樣品進行電參數測試、開帽
、去保護膠、管芯與電極分離、去焊料和顯微觀察等步驟，找出失效部位，分析引發TVS 短路失效的內在質量因素或使用因素
，以及失效的發生過程。其中內在質量因素即與器件設計、材料

、工藝、組裝、封裝相關的引起器件失效的因素
；使用因素即除內在質量因素以外的引起器件失效的因素

，通常與過電引力、靜電放電、過載

、錯誤使用等相關。

 

3  引發 TVS 短路失效的內在質量因素和失效機理

 

TVS 器件主要由芯片、電極係統和管殼3 部分構成。其中芯片是核心，通常在單晶矽片上采用擴散工藝形成。將擴散好的芯片經過腐蝕成台麵狀、芯片鍍鎳、燒焊
、塗保護膠、封帽、點焊上引線
、外引線鍍錫等工序便完成TVS 器件的製造。如果 TVS 製造工藝過程中控製不良，則可能造成 TVS 器件的固有缺陷，使TVS 成品率和可靠性降低，在篩選或使用中容易失效。TVS 篩選短路失效樣品分析和統計表明，TVS 引發篩選短路的內在質量因素有很多，各因素的比例如圖 1 所示。這些因素也是使用中引發 TVS 短路失效的主要內在質量因素。

 

圖 1-引發 TVS 篩選短路失效的內在質量因素分布

 

3.1 芯片粘結界麵空洞

 

引發 TVS 短路的最典型的原因是管芯與內引線組件
、底座銅片燒結不良，在燒結界麵出現大麵積空洞，如圖2 所示。

 

 

空洞可能是由於焊料不均勻或粘結界麵各層材料玷汙
、氧yang化hua使shi焊han料liao沾zhan潤run不bu良liang，造zao成cheng燒shao焊han時shi焊han料liao與yu芯xin片pian或huo金jin屬shu電dian極ji沒mei有you良liang好hao的de熔rong合he焊han接jie引yin起qi的de。空kong洞dong麵mian積ji較jiao大da時shi，電dian流liu在zai燒shao結jie點dian附fu近jin彙hui聚ju，管guan芯xin散san熱re困kun難nan
，造zao成cheng熱re電dian應ying力li集ji中zhong，產chan生sheng局ju部bu熱re點dian
，嚴yan重zhong時shi引yin起qi熱re奔ben
，使shi器qi件jian燒shao毀hui。對dui這zhe些xie燒shao毀hui的de器qi件jian進jin行xing解jie剖pou分fen析xi，可ke以yi看kan到dao有you芯xin片pian局ju部bu較jiao深shen的de熔rong融rong
；空洞麵積較小時，可加速焊料熱疲勞，使焊料層會產生疲勞龜裂，引起器件熱阻增大
，最終導致器件過熱燒毀。

 

3.2 台麵缺陷

      

TVS 台麵缺陷造成的失效常常是批次性的。TVS 製造工藝過程中造成芯片台麵損傷的原因主要有兩個：

 

1）芯片在酸蝕成型時，由於氫氟酸、硝酸混合液配方過濃或溫度過高而反應劇烈
；

 

燒焊過後進行堿腐蝕清洗時，腐蝕液濃度過大、溫度過高而造成堿腐蝕清洗過重。在顯微鏡下觀察堿腐蝕清洗過重的台麵，可以看到台麵有類似被衝刷的痕跡，如圖3 所示，這是因為矽片在（1， 0， 0）晶向被堿腐蝕清洗試劑腐蝕的速率最快。) 

 

 

3-堿腐蝕清洗過重的台麵

      

台麵缺陷或損傷的 TVS 器件經過溫度循環和箝位衝擊等篩選試驗後，進行電參數測試時通常表現為短路或擊穿特性異常
，從而被剔除。但輕微台麵損傷的TVS 器件在篩選後電參數測試時不易被發現
，可能被列為良品出廠。這些 TVS 器件在使用過程中經受長時間熱、電、機械等應力的作用後，台麵缺陷加劇

，在缺陷處形成載流子產生複合中心，使表麵反向漏電流大大增加。大的表麵反向漏電流使pn 結邊緣溫度升高，產生熱電綜合效應，最終導致 pn 結邊緣半導體材料溫度過高燒毀。

 

3.3 表麵強積累層或強反型層

 

即便TVS 器件芯片台麵完好

，TVS 短路失效也容易發生在表麵。這是由於晶體結構的周期性在表麵上中斷，加上半導體表麵往往存在許多磨片

、拋光、噴砂、切片等引起的晶格缺陷，吸附腐蝕時殘留的化學品、氣體或其它汙染物
，會使半導體表麵帶電。表麵電荷被保護膠鈍化
，並吸附或排斥半導體體內的自由載流子

，在pn 結邊緣形成表麵積累層、耗盡層或反型層等表麵空間電荷層。在外加電壓的作用下，強積累層或強反型層使pn 結邊緣電場強度大於體內，如圖 4 所示。因此

，pn 結邊緣部分在比額定擊穿電壓低的電壓下便達到臨界電場而發生載流子倍增效應，造成pn 結邊緣電流集中，功率密度過大

，溫度過高而燒毀。

 

圖 4-外加反向電壓作用下表麵積累層對體內耗盡區的作用

 

3.4 芯片裂紋

 

芯片裂紋是引起 TVS 短路失效的又一重要內在質量因素。它可能是由磨片
、拋光、噴砂、切(qie)片(pian)等(deng)殘(can)留(liu)應(ying)力(li)以(yi)及(ji)燒(shao)結(jie)後(hou)殘(can)留(liu)變(bian)形(xing)等(deng)因(yin)素(su)引(yin)起(qi)，也(ye)可(ke)能(neng)是(shi)由(you)於(yu)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)時(shi)保(bao)護(hu)膠(jiao)和(he)電(dian)極(ji)係(xi)統(tong)對(dui)芯(xin)片(pian)熱(re)不(bu)匹(pi)配(pei)應(ying)力(li)而(er)引(yin)起(qi)。細(xi)微(wei)裂(lie)紋(wen)在(zai)高(gao)低(di)溫(wen)循(xun)環(huan)，脈(mai)衝(chong)衝(chong)擊(ji)或(huo)機(ji)械(xie)振(zhen)動(dong)作(zuo)用(yong)下(xia)會(hui)增(zeng)大(da)。如(ru)果(guo)裂(lie)紋(wen)在(zai)pn 結處，則引起 TVS 器件反向漏電流增大；如果裂紋在 pn 結附近，將會導致裂紋處載流子複合，裂紋附近載流子數目減少
，pn 結特性變壞。這兩種情況都能使 TVS 器件反向功率負荷能力下降。

 

3.5 雜質擴散不均勻

 

TVS的芯片通常是在一定電阻率的P 型或N 型矽片上先進行磷擴散後進行硼擴散形成的。如果擴散工藝過程中出現矽片電阻率軸向或徑向不均勻，雜質濃度不均勻，體內缺陷（位錯、層錯、微缺陷）或pn 結(jie)表(biao)麵(mian)不(bu)平(ping)整(zheng)等(deng)情(qing)況(kuang)，將(jiang)會(hui)造(zao)成(cheng)矽(gui)片(pian)摻(chan)雜(za)不(bu)均(jun)勻(yun)，使(shi)矽(gui)片(pian)各(ge)處(chu)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)不(bu)同(tong)，從(cong)而(er)使(shi)器(qi)件(jian)擊(ji)穿(chuan)時(shi)管(guan)芯(xin)電(dian)流(liu)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)勻(yun)，多(duo)次(ci)浪(lang)湧(yong)衝(chong)擊(ji)後(hou)局(ju)

部燒毀。

 

4 引發 TVS 短路失效的使用因素和失效機理

 

4.1 過電應力

 

當瞬態脈衝能量超過 TVS 所能承受能量時會引起 TVS 器件過電應力損傷，特別是當瞬態脈衝能量達到 TVS 所能承受能量的數倍時會直接導致 TVS 器件過電應力燒毀
，失效模式表現為短路。過電應力短路失效的 TVS 芯片在掃描電鏡下觀察，可發現 pn 結表麵邊緣的熔融區域或體內矽片的上表麵和下表麵的黑斑。

 

試驗表明，發生在結表麵邊緣過電應力短路失效通常是由持續時間極短（ns 級）的高能量瞬態脈衝所致，例如：EMP、ESD 產生的脈衝；體內過電應力失效通常是由持續時間稍長（μs 級以上）高能量脈衝所致，例如：電快速瞬變，雷電產生的脈衝。如果高能量瞬態脈衝持續時間介於 ns 級和 μs 級之間
，則短路可能發生在結邊緣表麵，也可能發生在體內。這一結果可通過熱傳導速率
、矽和電極金屬的熔融溫度得到解釋。如圖5 所示，pn 結邊緣到熱沉的傳熱路徑比體內長，傳熱較體內慢，因此結邊緣溫度比體內高。持續時間極短（ns 級）的高能量瞬態脈衝使邊緣溫度急劇升高，導致邊緣熱擊穿而燒毀。而持續時間較長（μs 以上）maichongshibianyuanreliangyouzugoudeshijianchuanzhixinpianzhongxinzhouwei。suizhexinpianwendudeshenggao


，xinpianzhongxinzhouweichanshengrongrongtongdao。dangrongrongcongxinpiandeyibiaomianyanshendaolingyibiaomianshi
，guipianwenduchaoguo1400 ℃，處於熔融和非晶狀態，成為導體，形成導電通路
，使芯片短路。如果脈衝持續時間達到ms 級，例如，雷電產生的脈衝
，還會使鉛錫焊料達到 700 ℃以上而發生熔融。

 

圖 5-TVS 芯片表麵傳熱路徑

 

4.2 高溫

 

當 TVS 器件工作溫度超過其最大允許工作溫度時，易發生短路失效且通常發生在 pn 結表麵。這是因為，在高溫條件工作下
，表麵可動離子的數量大大增加，表麵電流也隨之增大，表麵功率密度和溫度比體內高，使 pn 結邊緣結溫超過 200℃，邊緣局部區域晶格遭受致命性的損壞。TVS 在高溫反偏篩選中短路失效情況統計表明：高擊穿電壓（150 V 以上）TVS 器件更容易發生短路失效。這是因為在相同額定功率的 TVS 係列中，在承受相同功率時
，高擊穿電壓 TVS 芯片溫升更高。

 

4.3 長時間工作耗損

 

對篩選合格的 TVS 器件進行浪湧壽命試驗，發現 TVS 器件經過成千上萬次標準指數脈衝（所能承受的浪湧脈衝次數與質量等級相關）衝(chong)擊(ji)後(hou)失(shi)效(xiao)，失(shi)效(xiao)模(mo)式(shi)通(tong)常(chang)為(wei)短(duan)路(lu)。對(dui)失(shi)效(xiao)樣(yang)品(pin)進(jin)行(xing)解(jie)剖(pou)後(hou)，在(zai)掃(sao)描(miao)電(dian)鏡(jing)下(xia)觀(guan)察(cha)芯(xin)片(pian)，發(fa)現(xian)結(jie)邊(bian)緣(yuan)發(fa)生(sheng)熔(rong)融(rong)現(xian)象(xiang)和(he)結(jie)邊(bian)緣(yuan)焊(han)料(liao)結(jie)構(gou)發(fa)生(sheng)了(le)變(bian)化(hua)，且(qie)結(jie)最(zui)邊(bian)緣(yuan)處(chu)最(zui)為(wei)嚴(yan)重(zhong)。失(shi)效(xiao)機(ji)理(li)可(ke)能(neng)結(jie)邊(bian)緣(yuan)焊(han)料(liao)形(xing)成(cheng)金(jin)屬(shu)化(hua)合(he)物(wu)而(er)脆(cui)化(hua)，使(shi)管(guan)芯(xin)與(yu)底(di)座(zuo)熱(re)沉(chen)逐(zhu)漸(jian)分(fen)離(li)，結(jie)邊(bian)緣(yuan)的(de)散(san)熱(re)能(neng)力(li)降(jiang)低(di)，長(chang)時(shi)間(jian)工(gong)作(zuo)結(jie)溫(wen)持(chi)續(xu)增(zeng)大(da)導(dao)致(zhi)過(guo)熱(re)燒(shao)毀(hui)。

 

5 結束語

 

內在質量因素引起 TVS 短路失效的機理主要是 TVS 製造工藝過程造成的芯片缺陷或損傷使 TVS 在承受脈衝衝擊時芯片局部電流集中
，導致芯片局部過熱而燒毀。引發 TVS 短路的使用因素主要有過電應力、高溫和長時間使用耗損。在 TVS 實際使用中，TVS 短路失效可能是各種因素綜合作用的結果。

      

要減少 TVS短路失效，首先應加強 TVS 製造工藝過程的控製，尤其是對燒焊、台麵成型、堿腐蝕清洗
、摻雜等工藝過程的控製，以減少或消除TVS 的固有缺陷。例如：國際上采用先進的燒焊工藝已能將空洞麵積控製在 10 %以下，采用離子注入摻雜能對摻雜過程進行更好的控製

，這些都大大提高了 TVS 的可靠性。其次
，做到 TVS 的正確選型與安裝
，最好對 TVS 進行降額使用，這樣可使 TVS 承受的功率較小，使用可靠性大大增加。此外，為使 TVS 發生短路失效時對被保護電子設備的影響降到最低，通常可在 TVS 前串接一條與之匹配的保險絲。

 

 

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