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TVS管短路失效的内在及外在原因分析!

作者:立深鑫电子        发布时间:07-08        点击:
摘要 : 通过对失效TVS管进行剖析和观察,了解其损坏部位的外貌特征 ,再结合器件材料、结构、制造工艺、工作原理、工作中承受的应力等。采用实验+理论等方法分析TVS管短路失效的原因。
通过对失效TVS管进行剖析和观察,了解其损坏部位的外貌特征 ,再结合器件材料、结构、制造工艺、工作原理、工作中承受的应力等。采用实验+理论等方法分析TVS管短路失效的原因。
TVS管

经分析得出,致使TVS管失效的主要原因分为内在因素和外在因素,具体内容如下:

1、致使TVS 管短路失效的内在原因分析
 
TVS 管主要由芯片、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。如果TVS 管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管成品率和可靠性降低,在筛选或使用中容易失效。引发 TVS 筛选短路失效的内在质量因素分布如下:

①台面缺陷

台面缺陷造成的TVS管失效往往都是批次性的。在制造过程中造成台面缺陷的原因有两个:

第一个原因是芯片在酸蚀成型时,由于氢氟酸、硝酸混合液配方过浓或温度过高而反应剧烈;


TVS管

第二个原因就是碱腐蚀清洗过重的台面,台面缺陷或损伤的 TVS 管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管在工作过程中经受电、热等应力后台面缺陷加剧,最终导致 pn 结边缘半导体材料温度过高烧毁。

②芯片粘结界面空洞

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,这是导致TVS管短路失效的典型原因。


TVS管

 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。

③芯片裂纹

芯片裂纹可能是由磨片、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,这也是引起TVS管短路失效的又一重要内在因素。

④表面强积累层或强反型层

即便是完好的TVS管台面,表面短路失效也是在所难免。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,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。


TVS管

⑤杂质扩散不均匀

TVS管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扩散不均匀或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。
 
2、致使TVS 管短路失效的外在原因分析

①高温

当TVS管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。
 
②过电应力


TVS管

当瞬态脉冲能量超过 TVS管所能承受能量时会引起 TVS管器件过电应力损伤,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。

③长时间耗损

TVS管经过成千上万次标准指数脉冲冲击后失效,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。
 
想要让TVS管尽可能的减少短路,我们就要从使用方面着手,内在因素需要生产厂家去改进制造工艺才行。作为使用者要做的就是正确选型与安装TVS管,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。