一种典型瞬态电压抑制二极管失效模式分析

马路遥 王曾 陆浩宇

摘要：瞬态电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor）简称TVS，是一种反向PN结形式工作的高效能半导体保护器件。当TVS二极管的PN结受到一个高能量的瞬态反向过压冲击时，它能以10-12秒量极的速度将其两端电压箝位于一个预定值，吸收高达数千瓦的瞬态功率，有效的保护电子线路中的精密元器件，保证其免受各种瞬态能量干扰的损坏。由于其具有瞬态功率大、响应速度快、箝位电压与击穿电压可选择、低漏电、小体积等优点。广泛应用于各类电子、通讯设备中。本文选取一种典型的瞬态抑制二极管失效样本，对其进行失效分析并做出总结。

关键词：瞬态电压抑制二极管;TVS;保护;失效分析

引言

电压和电流的瞬态能量干扰几乎无处不在，如电源的开关操作、电网传输波动、雷电干扰及静电放电等，是造成各类电子设备损毁的的重要原因之一，常给人们带来巨大的损失。于是一种高效能的电路瞬态能量干扰保护器件TVS应运而生。TVS管并联于电路中，当电路正常工作时，它处于高阻截止状态，不对电路造成影响。但当其两端经受瞬态过压高能量冲击，它能以极快的速度降低阻抗的同时吸收一个对地导通大电流，将其两端电压箝位在一个预定的安全数值，从而确保后面电路的各类精密元器件免受瞬态能量的冲击导致损坏。但在实际应用中，往往出现TVS损坏失效导致其失去保护性能，造成后端电路器件受到到冲击而损坏的情况，本文选取一种典型的TVS管失效样本，通过对其工作原理及失效特征的分析论证，向读者提供一种TVS管失效分析的典型案例帮助。

1、失效样本分析

本文选取失效样本为我公司自主研制生产的2只瞬态电压抑制二极管产品，2只样品在用户处使用过程发生了失效状况。

1.1、外观检查

首先对2只失效样品（以下简称样品）进行外观检查，其中一只样品外观有明显高温损伤痕迹，另一只样品表面无明显高温损伤痕迹。无其他异常。

1.2、X光透视

为了在不破坏外封装的情况下，了解样品内部结构形貌，对样品进行了X光透视检查，经X光透视检查：两只样品透视形貌并未发现明显差异与损伤。

1.3、常温电性能测试

用Tek370A型数字图示仪对两只样品进行常温特性曲线扫描，两只样品正、反向均呈现短路状态，初步判断两只瞬态管样品为短路失效模式。

1.4、解剖分析

为进一步找到样品失效原因，对样品进行解剖分析，解剖后可观察到样品的内部芯片形貌图，两只样品解剖后的芯片形貌如图1所示;

由图示观察可知：

1、两只樣品芯片表面均有高温熔坑，且均位于芯片拐角端。初步推断是由于该部位集中过大电流、即极大能量集中在该部位致使该部位温度急剧上升，从而导致芯片出现熔化现象。

2、两只样品芯片熔坑与周围无明显梯度熔化现象。推断是由于熔坑处温度瞬间极速升高，芯片还没来得及进行稳态热传导就已经熔化损坏。

3、两只样品芯片均有开裂现象且均以熔坑处延伸。其中左1样品开裂范围大，左2样品开裂范围稍小。初步推断是由于芯片局部温度瞬间升高后，与其他部位温差过大，致使芯片产生过大的温度应力，从而导致芯片开裂。两只样品芯片在烧蚀的程度上虽不完全一致，但并不影响两只样品芯片的失效模式都为EOS过电应力导致的判断。

2、失效机理分析

两只瞬态管样品在电路中为并联使用，理论上，瞬态管在正常失效情况下，其中一只瞬态管受损短路时两端电位相等，则另一只瞬态管将处于非工作状态，不会受损。两只分析样品均短路失效，就此次样品失效分析，分析状况如下：

2.1、瞬态管可能因何短路失效？

瞬态管在承受一个高能量瞬时过压脉冲时，其工作阻抗立即降低至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压钳位到预定水平。实际应用中通过的过压脉冲持续时间过长，器件本身脉冲峰值功率则会降低，如果过压脉冲能量超过器件额定值，就很容易造成器件烧毁致短路失效。同时也应考虑到环境温度对器件脉冲峰值功率的影响。

2.2、为何两只瞬态管同时短路失效？

设两只瞬态管击穿电压分别为VBR1和VBR2，则有以下三种状况：

① VBR1 = VBR2

② VBR1 > VBR2

③ VBR1 < VBR2

当VBR1 = VBR2时，过瞬态大电压时，两只瞬态管同时工作，瞬态能量超过瞬态管承受极限且远大于瞬态管承受极限时，两只瞬态管瞬间同时损坏。

当VBR1 > VBR2时，2#瞬态管先进入工作状态，由于瞬态管击穿电压正温系特性，2#瞬态管工作过程中VBR2会增大，当增大到与VBR1相等时，1#瞬态管同时进入工作状态，瞬态能量超过瞬态管承受极限且远大于瞬态管承受极限时，两只瞬态管进入同时工作时间极短。进入同时工作状态后，两只瞬态管瞬间同时损坏。

当VBR1 < VBR2时，1#瞬态管先进入工作状态，由于瞬态管击穿电压正温系特性，1#瞬态管工作过程中VBR1会增大，当增大到与VBR2相等时，2#瞬态管同时进入工作状态，瞬态能量超过瞬态管承受极限且远大于瞬态管承受极限时，两只瞬态管进入同时工作时间极短。进入同时工作状态后，两只瞬态管瞬间同时损坏。

2.3、为何两只瞬态管芯片发生融化炸裂？

针对芯片有局部高温融化痕迹且延伸出现裂纹状况，是由于虽然理论上芯片过电流时每一处电流应均匀相等，但实际上总会出现局部先过电流或集中过电流现象。于是局部会产生极高的温度，产生熔坑的同时由于瞬态高温差引起芯片炸裂。同时印证了之前过电压时能量超过瞬态管承受极限且远大于瞬态管承受极限的假设。

至此可以判断本次失效的两只样品都应该是过能量导致损坏击穿，击穿后极大的能量造成两只样品芯片局部呈现炸裂性破坏，芯片断裂导致PN结性能遭到损坏，表现为正、反向均短路的失效模式。

3、结论

瞬态电压抑制二极管的应用目的就是为了吸收瞬态能量，针对瞬态能量的大小，对应有不同功率的瞬态管产品，也有为了吸收更大瞬态能量将多只瞬态管并联使用的场景。在使用过程中出现的瞬态管失效，一般多为过电应力导致。本文失效产品过电应力量级极大，对产品造成了炸裂性破坏，通过对这一类的失效品分析，将结论反馈于电路设计选型之中，选取更大功率的瞬态管以抑制可能出现的极大瞬态能量，以保证后端电路元器件免受瞬态能量冲击而损坏。

参考文献

[1]胡宗强. 瞬态二极管损坏后短路而引起的设备损坏问题探讨. 机电工程技术. 2015

[2]吴沛东. TVS瞬态电压抑制二极管及其应用. 电子世界. 2018

[3]刘胜利. 瞬态电压抑制二极管的原理、特点及应用. 家电维修技术. 2006