楊秀斌

摘 要：瞬變電壓抑制二極管壽命試驗(yàn)后關(guān)鍵電參數(shù)漂移，指器件在經(jīng)過(guò)高溫反偏和反向浪涌電流后擊穿電壓VBR與漏電流IR的變化率與變化量。電參數(shù)的漂移，反映了器件的穩(wěn)定性，也是器件可靠性的表現(xiàn)之一。

關(guān)鍵詞：瞬態(tài)管 三溫測(cè)試

一 引言

瞬變電壓抑制二極管三溫測(cè)試時(shí)關(guān)鍵電參數(shù)有擊穿電壓VBR和漏電流IR兩個(gè)量。關(guān)鍵電參數(shù)漂移直接反映器件電參數(shù)的溫度穩(wěn)定性，其值越小時(shí)器件溫度穩(wěn)定性也越好，使用環(huán)境也更廣。

二 擊穿電壓VBR自身溫度漂移

二極管PN結(jié)本生具有一定的溫度系數(shù)，正向壓降VF為負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿電壓VBR具有正溫度系數(shù)，擊穿電壓的漂移系數(shù)約為1.7mV/℃。溫度越高時(shí)，擊穿電壓VBR越大，這是硅材料PN結(jié)的物理特性之一，對(duì)單個(gè)硅PN結(jié)而言，該漂移無(wú)法消除。

瞬變電壓抑制二極管實(shí)際器件和理想PN之間存在一定的差異，主要表現(xiàn)在實(shí)際器件存在很多寄生效應(yīng)上，如：歐姆結(jié)電阻、體電阻、電容效應(yīng)、臺(tái)面漏電流、封裝材料絕緣電阻等。當(dāng)電阻與二極管串聯(lián)，流過(guò)一定電流時(shí)，兩端的壓降也越大。因此，減少上述串聯(lián)電阻可以降低擊穿電壓VBR的溫度漂移。

圖中，D為理想PN結(jié)，R1為銅引線電阻，R2為金屬半導(dǎo)體接觸電阻，R3為硅片P結(jié)與N結(jié)體電阻之和，R4為焊料電阻，R5為PN結(jié)臺(tái)面保護(hù)材料的絕緣電阻，R6為污染粒子形成的導(dǎo)電通道等效電阻之和，R7為電極絕緣材料玻璃絕緣子的絕緣電阻，要減少二極管D的擊穿電壓溫度偏移，要求與二極管D串聯(lián)的電阻越小越好，與之并聯(lián)的電阻越大越好。

①引線電阻R1

銅引線電阻，金屬材料電阻率極小，串聯(lián)總電阻值小于0.1歐，溫度變化時(shí)，其電阻變化小，可以忽略。

②金屬半導(dǎo)體接觸電阻R2與體電阻R3

金屬半導(dǎo)體接觸電阻指歐姆結(jié)電阻，主要是N結(jié)和P結(jié)中重參雜部分（用N+和P+表示），R2為金屬電極與硅片接觸部分的串聯(lián)電阻之和。硅片體電阻指芯片中N區(qū)和P區(qū)（用N和P表示）的串聯(lián)電阻之和。

芯片體電阻R3是指芯片中的N區(qū)和P區(qū)電阻之和，該區(qū)域越短，電阻越小，主要由芯片厚度決定。同樣，N+區(qū)域和P+區(qū)域增大時(shí)，可以縮短N(yùn)區(qū)和P區(qū)，但由于N+區(qū)域和P+區(qū)域也存在一定電阻，因此改善不大，當(dāng)減小硅片厚度時(shí)，硅片容易碎裂，因此體電阻不能減小。

③焊料電阻R4

芯片與金屬電極在燒焊時(shí)通過(guò)鉛錫銀焊片相連，由于粘接面積均大于90%以上，其接觸電阻極小，可以忽略。

④PN結(jié)臺(tái)面保護(hù)材料電阻R5、電極絕緣電阻R7

PN結(jié)臺(tái)面保護(hù)材料指PN結(jié)耗盡區(qū)裸露部分的保護(hù)材料，保護(hù)材料有硅橡膠、玻璃、氧化層等，它們均屬于絕緣材料，電阻值極大，可以忽略其溫度變化時(shí)帶來(lái)的阻值變化。

⑤PN結(jié)耗盡區(qū)中污染粒子形成的導(dǎo)電通道電阻值之和R6

該電阻并聯(lián)在二極管D的兩端，由可移動(dòng)污染粒子總數(shù)和PN結(jié)環(huán)境溫度共同決定。可移動(dòng)污染粒子總數(shù)，是一個(gè)變量，它們沾污在PN結(jié)耗盡區(qū)裸露部分，由空氣、芯片裝載體、清洗液中的污染粒子引入。當(dāng)PN結(jié)污染粒子未清洗干凈、PN結(jié)保護(hù)材料性能不穩(wěn)定、PN結(jié)保護(hù)材料老化時(shí)，PN結(jié)兩端的可移動(dòng)導(dǎo)電粒子數(shù)均會(huì)上升，上述現(xiàn)象越嚴(yán)重，增加的粒子數(shù)越多，并聯(lián)電阻也減少，對(duì)外表現(xiàn)為擊穿電壓VBR溫度漂移也越大。

由上述分析可知，要減小瞬態(tài)管反向擊穿電壓的漂移，需要降低芯片的歐姆結(jié)電阻和增加PN結(jié)保護(hù)材料的穩(wěn)定性。

三 漏電IR溫度漂移的影響因素

根據(jù)半導(dǎo)體理論，PN結(jié)反向漏電流應(yīng)維持在一個(gè)固定值上，實(shí)際器件由于其他半導(dǎo)體效應(yīng)的影響會(huì)偏離理論值，表現(xiàn)為實(shí)際值大于理論值，這些效應(yīng)包括表面效應(yīng)、勢(shì)壘區(qū)中的產(chǎn)生和復(fù)合、大注入條件、串聯(lián)電阻，試驗(yàn)表明，這些效應(yīng)在實(shí)際器件中對(duì)漏電流漂移的影響較小。瞬態(tài)管漏電流是PN結(jié)自身漏電流與PN結(jié)表面漏電流之和。

① PN結(jié)漏電流

PN結(jié)漏電流是PN結(jié)特性之一，是由載流子濃度差引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和外加電場(chǎng)作用引起的漂移運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果。隨溫度的升高，該漏電流隨之增大，但反偏電壓、環(huán)境溫度一定時(shí)，PN結(jié)漏電流應(yīng)維持在一定范圍，有小范圍波動(dòng)，且該參數(shù)作為PN結(jié)基本特性之一，無(wú)法消除。

② PN結(jié)表面漏電流

表面漏電流指PN結(jié)耗盡區(qū)表面由可移動(dòng)導(dǎo)電粒子形成的電流。該電流大小取決于污染粒子總數(shù)、反偏電壓大小、環(huán)境溫度。常溫時(shí)，大部分污染粒子被束縛在體內(nèi)無(wú)法移動(dòng)。隨著溫度升高時(shí)，污染粒子的能量也開(kāi)始增加，粒子自身振動(dòng)變得更劇烈，表現(xiàn)得更活躍。同時(shí)，高溫條件下，PN結(jié)鈍化保護(hù)材料的穩(wěn)定性開(kāi)始下降，此消彼長(zhǎng)，最終表現(xiàn)是，同一反偏電壓下，高溫漏電IR2遠(yuǎn)大于常溫漏電IR1。

從上述分析可知，要減小漏電流的溫度漂移，首先要減少PN結(jié)被可移動(dòng)導(dǎo)電粒子污染的可能，要求芯片生產(chǎn)在無(wú)塵環(huán)境下進(jìn)行，且減少PN結(jié)表面暴露在空氣中的時(shí)間。其次，要求PN結(jié)鈍化保護(hù)材料具有較高的溫度穩(wěn)定性和粒子束縛能力。

四 降低三溫漂移的措施

擴(kuò)散工藝、PN結(jié)保護(hù)工藝均會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)管在三溫測(cè)試時(shí)電參數(shù)發(fā)生較大漂移。改善或改變兩個(gè)工序，采用更新更可靠的技術(shù)制作芯片，可以降低三溫測(cè)試時(shí)關(guān)鍵電參數(shù)的漂移。

① 紙?jiān)磾U(kuò)散代替涂源擴(kuò)散

紙?jiān)磾U(kuò)散，采用紙狀擴(kuò)散源來(lái)進(jìn)行擴(kuò)散。紙?jiān)词菍U(kuò)散源制作成固態(tài)紙狀源，擴(kuò)散時(shí)放置于硅片上直接進(jìn)行擴(kuò)散，紙?jiān)磾U(kuò)散最大優(yōu)勢(shì)是可以保證擴(kuò)散源濃度一致性好，在同一擴(kuò)散條件下，可以得到較為一致的結(jié)深和較小的歐姆接觸電阻，紙?jiān)磾U(kuò)散后的硅片見(jiàn)下圖，A區(qū)與B區(qū)結(jié)深及歐姆結(jié)電阻基本一致。

紙?jiān)磾U(kuò)散的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以同時(shí)進(jìn)行磷擴(kuò)散和硼擴(kuò)散，將原來(lái)的二次擴(kuò)散合并為一次擴(kuò)散，操作簡(jiǎn)單，減少硅片反復(fù)處于高溫狀態(tài)后帶來(lái)的晶格缺陷，提高產(chǎn)品可靠性。

②玻璃內(nèi)鈍化保護(hù)代替涂膠保護(hù)

玻璃內(nèi)鈍化工藝，是半導(dǎo)體分立器件PN結(jié)保護(hù)主要工藝之一。其工藝流程為：在擴(kuò)散完成的硅片上刻蝕玻璃粉涂覆槽，將配制好的玻璃漿涂覆在槽內(nèi)，再通過(guò)一定溫度成型。用玻璃內(nèi)鈍化來(lái)保護(hù)PN結(jié)表面。玻璃粉主要組成成分是硅的化合物，可以很容易與硅材料匹配，同時(shí)玻璃粉為非晶結(jié)構(gòu)，在成型時(shí)對(duì)PN結(jié)表面的污染粒子具有極強(qiáng)的吸附能力，成型后的玻璃結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)老化。

五 結(jié)論

在瞬態(tài)電壓抑制二極管制作過(guò)程中，采用紙狀源進(jìn)行磷硼擴(kuò)散，同時(shí)采用玻璃內(nèi)鈍化工藝，將有助于降低瞬態(tài)管三溫漂移，提高器件溫度穩(wěn)定性和可靠性。