保護器件過電應力失效機理和失效現象淺析

半導體元器件在整機應用端的失效主要為各種過應力導致的失效，器件的過應力主要包括工作環境的緩變或者突變引起的過應力，當半導體元器件的工作環境發生變化并產生超出器件最大可承受的應力時，元器件發生失效。應力的種類繁多，如表1，其中過電應力導致的失效相對其它應力更為常見。

表1 應力類型、試驗方法和失效模式

過電應力失效分為芯片級和系統級；

在運輸、裝配和測試中，ESD能量通過端口金屬引腳或通過空氣耦合進入集成電路芯片內部，損傷端口處ESD保護單元或內部邏輯電路，造成局部短路、開路或者觸發電路發生閂鎖，導致集成電路邏輯功能失效；

在整機系統中，設計師雖然進行了巧妙的布線，并且加入了大量的瞬態抑制二極管（TVS）用于提高系統級抗過電應力能力，但由于整機系統工作環境復雜，仍會出現一定概率的失效，以損傷端口處TVS和端口內芯片最為常見。

本文通過模擬過電應力（靜電、浪涌、直流）來分析半導體器件在各種極端電應力環境下失效的現象和機理，及如何利用好TVS降低過電應力危害。

一、模擬靜電失效現象

產品WE05MUC廣泛應用于高速數據端口靜電和低壓浪涌防護，具有IEC 61000-4-2 (ESD) ±25kV (contact)的靜電防護能力，當經受超出其能力的IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (contact)靜電能量沖擊時，會出現失效。

模擬靜電導致失效的芯片局部圖如圖1和圖2?？梢姌悠烽g失效現象略有差異，但多條導電通路都出現了燒毀痕跡，說明結構設計合理ESD能量分布較均勻。

圖1 模擬靜電導致失效的芯片局部圖A

圖2 模擬靜電導致失效的芯片局部圖B

靜電失效的主要特點：

1.靜電損傷分為損傷失效和潛在失效兩種類型，損傷失效是指元器件在ESD事件后出現損傷，完全或部分喪失功能；而潛在失效指靜電能量處于臨界，靜電放電后，僅造成輕微損傷，器件電參數略有變化，但仍然合格；

2.不同元器件靜電損傷形貌差異較大，或能看到明顯燒傷痕跡，或僅有輕微損傷痕跡，需要高倍顯微鏡來觀察，有時需要去掉金屬層才能觀察到損壞點。

整機電路中靜電損壞分為兩種失效模式：

1.保護器件TVS損壞，需要選擇折中考量其他參數，選擇等級更強的保護器件；

2.后端電路損壞，主要與TVS靜電鉗位電壓Vc較高有關，需要折中考量其他參數，選擇靜電鉗位電壓更低的TVS器件。

二、模擬浪涌失效現象

DFN1610封裝外形的產品WS1029HP，適用于工作電壓10V高壓快充Vbat端口，具有浪涌IEC 61000-4-5 (Lightning) 8/20μs IPP 160A的通流能力，當其經受超出其能力的170A及以上浪涌沖擊后，會出現失效。

模擬浪涌導致失效的芯片局部圖如圖3和圖4。

圖3 模擬浪涌導致失效的芯片局部圖A

圖4 模擬浪涌導致失效的芯片局部圖B

浪涌失效的主要特點：

1.失效點大概率發生在器件邊緣的PN結位置或者焊線附近，因為邊緣PN結，特別是拐角的位置一般是整個器件比較薄弱的位置；另外由于浪涌為微秒級脈沖，過高的能量難以在短時間內傳至整個芯片，因此損傷會有一定機率發生在焊線位置附近；

2.芯片損壞面積相對較小，可以直接觀測到燒傷點；

3.一般情況下焊線仍然正常，不會出現熔斷焊線的情況；但如果遭受的浪涌能量過大，仍有一定機率會將焊線損傷熔斷。

整機電路中浪涌損壞分為兩種失效模式：

1.保護器件TVS損壞，需要折中考量其他參數，選擇更大通流能力的TVS器件；

2.后端電路損壞，主要與TVS的浪涌鉗位電壓Vc太高有關，需要折中考量其他參數，選擇Vc更低的TVS器件。

三、模擬直流過電壓失效現象

DFN1610封裝外形的產品WS1029QP，適用于工作電壓15V高壓快充Vbus端口，具有浪涌IEC 61000-4-5 (Lightning) 8/20μs IPP 120A的通流能力，其擊穿電壓為17V，當對其直接施加20V直流電壓，且同時不進行任何限流的情況下，器件失效。

模擬直流過電壓導致失效的芯片局部圖如圖5和圖6。

圖5 模擬直流過電壓導致失效的芯片局部圖A

圖6 模擬直流過電壓導致失效的芯片局部圖B

直流過電壓失效的主要特點：

1.失效點通常下發生在芯片中心區域，直流過電壓損壞時由于能量很大且持續時間較長，極高的能量有足夠的時間傳至芯片中心，隨著熱量的積聚和溫度的升高，芯片被損壞產生熔融通道；

2.芯片損壞面積比較大，通常是大面積燒傷，甚至會將正面金屬碳化；

3.焊線常常會出現熔斷的情況，焊線比較細，阻抗大，發熱嚴重，長時間發熱會熔斷焊線，甚至會將塑封體燒毀。

整機電路中直流過電壓損壞也分為兩種失效模式：

1. 偶發的超出設計者預期的電壓波動，由于波動持續時間達到微秒或毫秒，導致TVS損壞。首先TVS短路失效，系統功能失常，電源電位被拉低；若未及時干預，TVS可能轉變為開路，高壓作用于后端電路，有損壞的后端電路可能；

2. 器件選型不當，擊穿電壓下限低于工作電壓波動上限，沒有足夠裕量，也會發生損壞TVS的情況；

綜上，在整機電路設計過程中，設計者應充分評估過電應力出現的各種可能，確定過電應力設計目標，綜合考慮所用器件的性能指標和抗過電應力的能力，選用合適的器件，完成相關測試評估，提升整機可靠性。

文章轉載自：維安電子

審核編輯：湯梓紅