TVS管单向漏电原因分析

李红高，卜洁

苏州华碧微科检测技术有限公司，江苏苏州，215127

0 引言

TVS管（瞬态电压抑制器）是一种用于电压瞬变和浪涌防护的半导体器件，它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、箝位电压较易控制、体积小等优点[1]，在通信设备、交/直流电源、家用电器、仪器仪表、电机电磁波干扰抑制等领域有广泛的应用。在实际使用中，器件厂商会遇到因TVS管起不到应有的保护作用而退货的情形。由于TVS芯片数量多且芯片小，难以做到百分百入库检验，封装后的产品采取的也是抽样检查，有时也难以发现不良品存在。为辨别器件失效责任方，快速解决质量纠纷，本文对一例TVS管漏电失效进行了原因分析。

1 器件结构

本文所涉TVS芯片有两种结构：单向和双向结构，器件使用扩散方法使N型硅片形成N+-N-P+型单向结构或P+-N-P+型双向结构。单向芯片和双向芯片结构如图1—图3所示。将芯片与引线组装烧结起来，形成粒子对粒子模塑封装，使其成型为塑封轴向二极管，并达到二次保护目的。

图1 单向芯片

图2 双向芯片

图3 器件结构

器件芯片表面受外界影响的保护方法较多，例如在封装过程中酸洗后进行侧面填胶的保护胶工艺，在芯片制造过程中选择性地在某些区域烧熔玻璃的玻璃钝化工艺，或者利用氧化硅或氮化硅做钝化保护的硅化合物钝化等。本文TVS管采用电泳法玻璃钝化技术[2]，该技术具有玻璃保护层致密均匀、边角部位保护效果好、可靠性高的特点。玻璃钝化工艺是目前功率器件和表面封装器件普遍采用的一种终端保护工艺，采用玻璃钝化工艺的硅芯片，通常用来解决以下两个方面的问题：一是钝化玻璃可以很好地固定住钠离子等沾污离子，减少钠离子的移动；二是在芯片PN结表面覆盖一层玻璃钝化膜，形成钠离子等沾污离子的阻挡层，避免外界钠离子等沾污离子进入芯片PN结表面处。采用玻璃钝化工艺，优点是便于封装，但是加工过程中晶片弯曲易碎及切割存在隐患[3]。

2 分析过程

2.1 电测

TVS二极管在产品交付后，反馈器件未起到保护作用，发现器件有提早击穿和漏电现象，对于双向保护器件，普遍有一个方向出现明显的漏电流增加。对三种不同型号60颗器件进行伏安特性测试，有55颗存在漏电流均大于规格书要求或者提前击穿失效现象（如表1以及图4-图5）。为了验证未封装芯片在放置一段时间后，是否出现漏电流增加的现象，对自出厂后在库房放置数年的未封装芯片抽样复测，发现5种型号中有2种型号并未发现漏电不良现象，有3种型号的芯片出现了漏电不良现象（表2及图6），但并没有发现随着放置时间加长，不良率大幅上升的现象。

表1 器件测试结果

图4 单向器件漏电失效

图5 双向器件单向漏电

图6 击穿芯片

图7 良品芯片

电测结果显示，当施加正向电压的时候，不良器件提前已触发开启，随两端电压逐步增大，电流值急剧增大出现软击穿现象，表明由P+和N-型构成的PN结已失效，正向导通路径存在漏电现象。

2.2 分析过程

模拟封装过程中加热工序，依据《真空焊接炉温度曲线记录表》中的炉温曲线，对经过电性检测后不漏电的良品芯片模拟封装过程中加热工序，加热后再进行电性能检测，结果未发现芯片出现漏电现象。失效器件外观检查未发现外壳破裂损伤等现象，挑选6颗失效器件开封进行内部观察，发现有1颗样品存在掉角现象（图8）。对开封后的芯片进行电性能检测，芯片漏电现象依然存在（图9）。挑选10颗芯片样品（未封装）进行外观检查，发现部分芯片边缘存在崩裂现象（图10）。

图8 芯片掉角

图9 开封后电测

图10 芯片存在崩边现象

为定位TVS芯片内部的失效位置，将器件去封装后，利用红外微光显微镜（EMMI[4]）及砷化镓铟微光显微镜初步确定芯片的失效位置，加28V反向电压发现存在10μA漏电流，芯片沟槽边缘存在异常亮点，该区域存在漏电现象（图11）。

图11 EMMI 定位照片

2.3 原因分析

芯片样品（未封装）出现了漏电不良现象，但并没有发现随着放置时间加长，不良率大幅上升的现象。对没有漏电的芯片样品进行模拟高温加热试验后，未发现漏电现象增加，也没有随封装工艺出现额外不良的情况。根据半导体芯片制造工艺特点，出厂前的早期失效为器件漏电失效的主要原因[5]。TVS芯片PN结的漏电流应包括体内漏电流和表面漏电流两个部分，通常PN结出现异常导致体内漏电流的产生，而表面漏电流产生的原因通常为材料表面发生缺陷、沾污等情形。本文器件多表现为单向击穿，且芯片存在掉角、边缘崩裂等物理损伤现象，应为晶圆划片产生的机械应力导致玻璃的破损，表面漏电流增大；另外，机械应力导致芯片PN结区域形成隐裂或者裂纹，器件在工作过程中因偏压造成电场集中，漏电流逐渐增大甚至击穿[6]。

3 结语

对器件和同批次芯片进行电性能测试、内部检查以及失效定位分析，另外，还对芯片高温测试，综合分析芯片生产过程遭遇的机械应力损伤玻璃钝化层或者PN结为导致器件漏电失效的主要原因，本文还可以深入分析，对芯片进行剖面结构检查，排除工艺过程形成的内部缺陷，并通过研磨或者化学去层方法表征芯片表面缺陷，从而精准分析漏电的根本原因。