二极管过功率失效模式的讨论

高列华

摘要：二极管耗散功率过大是导致产品失效的常见原因，文中针对二极管的耗散功率过大导致产品烧毁失效的现象進行分析，并结合用户电路进行分析和模拟实验最终确定引起产品耗散功率过大的原因，对分析此类二极管的失效有借鉴意义。

关键词：耗散功率;烧毁失效;正向大电流;反向大电压

中图分类号：TN301

文献标识码：A文章编号：2095-6487（2019）01-0099-03

0引言

二极管是我厂生产量很大的产品，随着国产化替代工作的进行，近年来我厂”二极管供货量不断增加，用户对我厂“二极管的质量可靠性也有了更加严格的要求，我厂二极管在用户使用过程中失效的状况频发，但是造成二极管相同的失效模式的原因却有所不同，只有准确找出二极管失效的原因，才能制定行之有效的措施避免失效再次发生，这需要我们对二极管进行深入的失效分析工作。经过对二极管失效情况进行总结发现二极管同一种失效模式，失效原因机理不同，二极管失效有着不同的表现。

1理论介绍

二极管工作时由于电流的热效应会消耗一定的功率，这就是二极管的耗散功率。耗散功率大小根据欧姆定律P=I*U进行确定，I为通过二极管的电流，U为二极管流过电流I时的电压，二二极管过功率导致失效即耗散功率过大超过二极管承受能力，导致芯片产生的热量不能够及时散发出去，与外界无法达到热平衡，芯片温度不断升高最终二极管烧毁失效”。造成二极管过功率烧毁失效分为正向过功率烧毁和反向过功率烧毁两种失效原因，根据耗散功率定义P=I*U，正向功率即正向电压与正向电流的乘积，由于正向电压较小，所以在较大的电流下会导致二极管耗散功率过大烧毁2];反向功率是反向电压与电流的乘积，根据二极管的特性，二极管在达到反向工作电压之前处于截止状态，在截止状态的电流称为漏电流，漏电流值极小，一般在uA级别，即使反向电压值比较大二极管也不会有太大的功耗，但是当二极管出现异常，截止状态漏电流较大也会导致二极管功耗较大;当反向电压值超过击穿电压时二极管处于导通状态，反向电流大幅度增加，一般情况下二极管反向击穿电压较高，所以反向击穿状态下即使较小的电流也会导致二极管耗散功率过大烧毁，反向击穿后过功率烧毁是二极管常见的失效原因[3]。

二极管过功率烧毁的失效模式主要分为以下三种短路失效：主要为器件失去二极管特性，表现为导通或电阻特性。

电参数漂移：主要表现为漏电超差和电压跌落。开路失效：主要表现为二极管断裂导致的开路。从失效模式上来看，正向过功率烧毁主要失效模式主要为短路和开路，一般不会有漏电超差和电压跌落的表现，反向过功率烧毁则三种失效模式均有可能。

下面列举具体失效分析案例，二极管失效时的表现，来分析总结正向过功率烧毁和反向过功率烧毁的主要区别。

2案例

2.1案例一

某厂反映我厂生产的BZ03H在使用过程中出现“二极管呈现阻性，直通短路”。为此要求我厂进行失效分析。

2.1.1机理分析

（1）外观检查

通过体视显微镜观察，产品外观良好，无玻璃破裂、发黄等异常现象，唯一存在的问题是产品未按照我厂产品手册中规定的尺寸进行成形，我厂要求弯曲部位必须离管体3min以上，对方仅为0.8min左右。

（2）X光透视

将失效样品采用X光透视进行检查，通过检查未见产品存在异常缺陷。

（3）特性曲线测试

对失效样品采用QT2晶体管特性图示仪进行特性

曲线测试，失效样品正反向均为导通状态。

（4）电参数测试

采用我厂351TT/P测试系统进行测试，测试结果与特性曲线测试结果一致，失效样品正反向均为导通状态，测试结果如下：

（5）开封检查

对解剖后的产品进行曲线扫描，样品曲线仍为导通状态。用混合酸继续对芯片台面清洗40秒左右，对芯片台面进行腐蚀，用离子水冲洗干净，酒精脱水擦干后用QT2晶体管图示仪测试失效产品反向电压曲线，曲线特性没有变化。

（6）分析小结

通过以上分析，认为该只失效样品出现短路是由于在使用过程中可能承受了正向大电流的冲击，使得产品烧毁，从而出现短路失效的情况。

2.1.2验证试验

为验证该结论是否正确，特抽取生产线流水的BZ03H产品3只，进行故障复现。

试验前测试电参数合格，曲线正常。试验条件采用带自保护功能的稳压电源，电流保护从1安培开始，对产品进行模拟试验。

通过测试，该产品在1安培～7安培时产品无异常，当设置到8安培时，产品出现穿通现象，通过曲线测试，3只模拟失效样品的特性曲线与在贵单位失效的产品特性曲线一致。

去玻封体分析3只失效样品，去玻封体方法与失效样品一致，通过解剖，为节省时间，没有按多次进行去除，所以取出时产品3只均出现芯片的一端与钼柱脱离的情况。通过显微镜观察，发现其中两只产品芯片存在芯片熔融点，另一只为芯片内部存在芯片熔融点。

2.1.3分析结论

根据目前的分析试验情况，我厂认为造成此次出现产品短路失效的原因是由于使用过程中出现了正向大电流，使得产品芯片出现熔融击穿现象的发生。

2.2案例二

某厂反馈我厂生产的BZG2G产品在入厂复验后，并随总装产品一起经历一30°C低温贮存1小时，175°C高温贮存1小时后出现失效。

2.2.1机理分析

（1）外观检查

通过体视显微镜观察：产品外观良好，无玻璃破裂等异常现象。

（2）X光透视

将失效样品采用X光透视进行检查，通过检查未见产品存在异常缺陷。

（3）特性曲线测试

对失效样品采用QT2晶體管特性图示仪进行特性曲线测试，失效样品反向为电阻特性，但是阻值较小，特性曲线图中反向曲线斜率较小原因为电压档位较小，此外通过与正常产品正向电压曲线对比，失效样品正向电压截止状态时有轻微上抬现象，其他部分正常。

（4）电参数测试

采用我厂351TT/P测试系统进行测试，测试结果与特性曲线测试结果一致，失效样品反向为电阻状态，漏电较大，正向电压值正常，测试结果如下：

（5）开封检查

用混合酸继续对芯片台面清洗20秒左右，去除样品台面沾污，用离子水冲洗干净，酒精脱水擦干后用QT2晶体管图示仪测试失效产品反向电压曲线，曲线呈现硬击穿，产品恢复正常。

（6）分析小结

通过以上分析，我厂认为该只失效样品出现短路是二极管使用过程中反向电压击穿，形成较大反向电流，导致芯片瞬间烧毁。

3案例分析

当二极管处于反向击穿状态时，二极管正负极两端所施加电压较高，对于整流二极管在几百伏以上，二极管击穿后形成较大电流，而电流不可能均匀的分布在整个芯片范围内，由于二极管生产过程中，芯片台面上不可避免的会存在一些可移动带电离子，所以在高压的作用下芯片台面附近的电流相对芯片其他区域较密集，电流密集的台面附近区域会形成局部的高温“热斑”，由于电热的正反馈现象，“热斑’处温度的升高导致该处电流更加集中，从而形成热-电-热的恶性循环，在足够大的电流密度下足以使PN结附近区域的空间电荷区消失，出现结的电压降落急剧减少，电流剧增最终导致电流密集的台面附近区域芯片烧毁失效。在此过程中由于电流主要集中在台面附近区域，芯片内部并没有承受大电流，芯片内部并没有受到损坏。由于台面腐蚀可以将产品芯片台面上的烧毁点腐蚀掉，反向击穿烧毁使二极管形成导通或电阻特性主要是由于台面上烧毁点形成漏电通道导致的，芯片内部功能结构并没有损坏，将台面上的烧毁点腐蚀掉，芯片特性就会恢复正常，但正向过功率烧毁.与反向击穿烧毁有所不同，二极管正向导通时电压值较小，台面上的可移动离子在较低电压下对电流值不会有太大影响，二极管正向过功率烧毁由于电压值较低所需要的电流值较大，当二极管正向承受较大电流时，二极管台面附近也可能会形成烧毁点，但是芯片内部也会有较大电流通过，对芯片内部结构造成损坏，虽然台面腐蚀将芯片台面上的烧毁点腐蚀掉，芯片特性也无法恢复正常。

4结束语

文中介绍了耗散功率过大引起的二极管产品失效的现象，并且通过案例分析总结对比正向大电流与反向过压导致的过功率烧毁后产品失效的表现以及区别，并分析了烧毁后芯片表现不同的原因。二极管耗散功率过大会引起产品失效的原因很多，所以只有我们找出真正引起产品失效的原因，对产品的分析以及对用户的指导才有意义，希望该分析的经验对以后的分析工作有一定的指导。

参考文献

[1]姚立真.可靠性物理[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]孙学东，恩云飞.电子元器件失效分析与典型案例[M].北京：国防工业出版社，2006.

[3]孙承永.电子元器件的失效分析[M].西安：西安电子科技大学，1988.