摘要：常用電路保護器件的主要失效模式為短路，瞬變電壓抑制器（TVS）亦不例外。TVS一旦發生短路失效，所釋放的高能量往往會將受保護的電子設備損壞，此乃TVS生產廠家與使用方均極力希望減少或避免之情況。透過對TVS篩選及使用短路失效樣品進行解剖觀察，獲取其失效部位的微觀形貌特徵，再結合器件結構、材料、製造工藝、工作原理、篩選或使用時所承受的應力等因素，運用理論分析與試驗驗證等方法，剖析導致TVS器件短路失效的原因。分析結果表明，引發TVS短路失效的內在質量因素包括粘結界面空洞、台面缺陷、表面強耗盡層或強積累層、晶片裂紋和雜質擴散不均勻等；使用因素則包括過電應力、高溫和長時間使用耗損等。
1 引言
瞬變電壓抑制器（TVS：Transient Voltage Suppressor）乃為解決電子設備電壓瞬變和浪湧防護問題而設計的一種高性能電子電路保護器件，即瞬變電壓抑制二極管，主要用於對電路進行瞬態保護。當TVS管兩端承受瞬間的高能量衝擊時，它能以極高速度將兩端間的阻抗變為低阻抗，吸收大電流，從而將兩端間的電壓鉗制在一個預定數值上，以保護後續電路元件不因瞬態高電壓衝擊而損壞。
TVS在國內外電子產品及國內高可靠設備中應用極為普遍。隨著TVS使用範圍和數量的增加，其自身可靠性備受關注，因TVS可靠性不僅關乎其本身，更關乎被保護電子電路的使用可靠性。研究TVS可靠性，需對其失效模式和失效機理有深入瞭解。文獻顯示，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且不夠系統，因此，對國產TVS短路失效機理進行深入、系統的研究十分必要。
2 TVS短路失效樣品與失效分析程序
在國內主要TVS生產廠商的支持下，搜集了國產TVS篩選和使用中短路失效的樣品及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與失效機理
TVS器件主要由晶片、電極系統和管殼三部分構成，其中晶片為核心，通常在單晶矽片上採用擴散工藝形成。將擴散好的晶片經腐蝕成台面狀、晶片鍍鎳、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。若TVS製造工藝過程控制不良，可能造成TVS器件的固有缺陷，使TVS成品率和可靠性降低，在篩選或使用中易失效。TVS篩選短路失效樣品分析和統計表明，引發篩選短路的內在質量因素眾多，各因素比例如圖1所示，這些因素亦是使用中引發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品質因素分佈
3.1 晶片粘結界面空洞
引發TVS短路的最典型原因為管芯與內引線組件、底座銅片燒結不良，在燒結界面出現大面積空洞，如圖2所示。空洞可能是由於焊料不均勻或粘結界面各層材料沾污、氧化，使焊料沾潤不良，造成燒焊時焊料與晶片或金屬電極沒有良好熔合焊接所致。空洞面積較大時，電流在燒結點附近匯聚，管芯散熱困難，造成熱電應力集中，產生局部熱點，嚴重時引發熱奔，使器件燒毀。對這些燒毀的器件進行解剖分析，可見晶片局部有較深的熔融；空洞面積較小時，可加速焊料熱疲勞，使焊料層產生疲勞龜裂，引起器件熱阻增大，最終導致器件過熱燒毀。
圖 2-TVS粘結介面空洞
3.2 台面缺陷
TVS台面缺陷造成的失效常為批次性。TVS製造工藝過程中造成晶片台面損傷的原因主要有二：其一，晶片在酸蝕成型時，因氫氟酸、硝酸混合液配方過濃或溫度過高而反應劇烈；其二，燒焊過後進行鹼腐蝕清洗時，腐蝕液濃度過大、溫度過高而造成鹼腐蝕清洗過重。在顯微鏡下觀察鹼腐蝕清洗過重的台面，可見台面有類似被沖刷的痕跡，如圖3所示，此乃因矽片在（1，0，0）晶向被鹼腐蝕清洗試劑腐蝕的速率最快。
圖 3-堿腐蝕清洗過重的臺面
台面缺陷或損傷的TVS器件經溫度循環和箝位衝擊等篩選試驗後，電參數測試通常表現為短路或擊穿特性異常，從而被剔除。但輕微台面損傷的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，台面缺陷加劇，在缺陷處形成載流子產生複合中心，使表面反向漏電流大大增加。大的表面反向漏電流使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 表面強積累層或強反型層
即便TVS器件晶片台面完好，其短路失效亦易發生在表面。此乃由於晶體結構的周期性在表面上中斷，加上半導體表面往往存在許多磨片、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、氣體或其他污染物，會使半導體表面帶電。表面電荷被保護膠鈍化，並吸附或排斥半導體體內的自由載流子，在pn結邊緣形成表面積累層、耗盡層或反型層等表面空間電荷層。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面積累層對體內耗盡區的作用
3.4 晶片裂紋
晶片裂紋是引起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、切片等殘留應力以及燒結後殘留變形等因素引起，也可能是由於溫度變化時保護膠和電極系統對晶片熱不匹配應力而引起。細微裂紋在高低溫循環、脈衝衝擊或機械振動作用下會增大。若裂紋在pn結處，則引起TVS器件反向漏電流增大；若裂紋在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的晶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。若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結表面不平整等情況，將會造成矽片摻雜不均勻，使矽片各處擊穿電壓不同，從而使器件擊穿時管芯電流分布不均勻，多次浪湧衝擊後局部燒毀。
4 引發TVS短路失效的使用因素與失效機理
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晶片在掃描電鏡下觀察，可發現pn結表面邊緣的熔融區域或體內矽片的上表面和下表面的黑斑。
試驗表明，發生在結表面邊緣的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。若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面，也可能發生在體內。此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）脈衝使邊緣熱量有足夠時間傳至晶片中心周圍。隨著晶片溫度的升高，晶片中心周圍產生熔融通道。當熔融從晶片的一表面延伸到另一表面時，矽片溫度超過1400℃，處於熔融和非晶狀態，成為導體，形成導電通路，使晶片短路。若脈衝持續時間達到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 晶片表面傳熱路徑
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結表面。此乃因在高溫條件下工作，表面可動離子的數量大大增加，表面電流亦隨之增大，表面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（150V以上）TVS器件更容易發生短路失效。此乃因在相同額定功率的TVS系列中，在承受相同功率時，高擊穿電壓TVS晶片溫升更高。
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）衝擊後失效，失效模式通常為短路。對失效樣品進行解剖後，在掃描電鏡下觀察晶片，發現結邊緣發生熔融現象和結邊緣焊料結構發生了變化，且結最邊緣處最為嚴重。失效機理可能是結邊緣焊料形成金屬化合物而脆化，使管芯與底座熱沉逐漸分離，結邊緣的散熱能力降低，長時間工作結溫持續增大導致過熱燒毀。
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晶片缺陷或損傷使TVS在承受脈衝衝擊時晶片局部電流集中，導致晶片局部過熱而燒毀。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製造工藝過程的控制，尤其是對燒焊、台面成型、鹼腐蝕清洗、摻雜等工藝過程的控制，以減少或消除TVS的固有缺陷。例如，國際上採用先進的燒焊工藝已能將空洞面積控制在10%以下，採用離子注入摻雜能對摻雜過程進行更好的控制，這些都大大提高了TVS的可靠性。其次，應做到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。