高列華

摘要：二極管耗散功率過(guò)大是導(dǎo)致產(chǎn)品失效的常見(jiàn)原因，文中針對(duì)二極管的耗散功率過(guò)大導(dǎo)致產(chǎn)品燒毀失效的現(xiàn)象進(jìn)行分析，并結(jié)合用戶電路進(jìn)行分析和模擬實(shí)驗(yàn)最終確定引起產(chǎn)品耗散功率過(guò)大的原因，對(duì)分析此類二極管的失效有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：耗散功率;燒毀失效;正向大電流;反向大電壓

中圖分類號(hào)：TN301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-6487（2019）01-0099-03

0引言

二極管是我廠生產(chǎn)量很大的產(chǎn)品，隨著國(guó)產(chǎn)化替代工作的進(jìn)行，近年來(lái)我廠”二極管供貨量不斷增加，用戶對(duì)我廠“二極管的質(zhì)量可靠性也有了更加嚴(yán)格的要求，我廠二極管在用戶使用過(guò)程中失效的狀況頻發(fā)，但是造成二極管相同的失效模式的原因卻有所不同，只有準(zhǔn)確找出二極管失效的原因，才能制定行之有效的措施避免失效再次發(fā)生，這需要我們對(duì)二極管進(jìn)行深入的失效分析工作。經(jīng)過(guò)對(duì)二極管失效情況進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)二極管同一種失效模式，失效原因機(jī)理不同，二極管失效有著不同的表現(xiàn)。

1理論介紹

二極管工作時(shí)由于電流的熱效應(yīng)會(huì)消耗一定的功率，這就是二極管的耗散功率。耗散功率大小根據(jù)歐姆定律P=I*U進(jìn)行確定，I為通過(guò)二極管的電流，U為二極管流過(guò)電流I時(shí)的電壓，二二極管過(guò)功率導(dǎo)致失效即耗散功率過(guò)大超過(guò)二極管承受能力，導(dǎo)致芯片產(chǎn)生的熱量不能夠及時(shí)散發(fā)出去，與外界無(wú)法達(dá)到熱平衡，芯片溫度不斷升高最終二極管燒毀失效”。造成二極管過(guò)功率燒毀失效分為正向過(guò)功率燒毀和反向過(guò)功率燒毀兩種失效原因，根據(jù)耗散功率定義P=I*U，正向功率即正向電壓與正向電流的乘積，由于正向電壓較小，所以在較大的電流下會(huì)導(dǎo)致二極管耗散功率過(guò)大燒毀2];反向功率是反向電壓與電流的乘積，根據(jù)二極管的特性，二極管在達(dá)到反向工作電壓之前處于截止?fàn)顟B(tài)，在截止?fàn)顟B(tài)的電流稱為漏電流，漏電流值極小，一般在uA級(jí)別，即使反向電壓值比較大二極管也不會(huì)有太大的功耗，但是當(dāng)二極管出現(xiàn)異常，截止?fàn)顟B(tài)漏電流較大也會(huì)導(dǎo)致二極管功耗較大;當(dāng)反向電壓值超過(guò)擊穿電壓時(shí)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，反向電流大幅度增加，一般情況下二極管反向擊穿電壓較高，所以反向擊穿狀態(tài)下即使較小的電流也會(huì)導(dǎo)致二極管耗散功率過(guò)大燒毀，反向擊穿后過(guò)功率燒毀是二極管常見(jiàn)的失效原因[3]。

二極管過(guò)功率燒毀的失效模式主要分為以下三種短路失效：主要為器件失去二極管特性，表現(xiàn)為導(dǎo)通或電阻特性。

電參數(shù)漂移：主要表現(xiàn)為漏電超差和電壓跌落。開(kāi)路失效：主要表現(xiàn)為二極管斷裂導(dǎo)致的開(kāi)路。從失效模式上來(lái)看，正向過(guò)功率燒毀主要失效模式主要為短路和開(kāi)路，一般不會(huì)有漏電超差和電壓跌落的表現(xiàn)，反向過(guò)功率燒毀則三種失效模式均有可能。

下面列舉具體失效分析案例，二極管失效時(shí)的表現(xiàn)，來(lái)分析總結(jié)正向過(guò)功率燒毀和反向過(guò)功率燒毀的主要區(qū)別。

2案例

2.1案例一

某廠反映我廠生產(chǎn)的BZ03H在使用過(guò)程中出現(xiàn)“二極管呈現(xiàn)阻性，直通短路”。為此要求我廠進(jìn)行失效分析。

2.1.1機(jī)理分析

（1）外觀檢查

通過(guò)體視顯微鏡觀察，產(chǎn)品外觀良好，無(wú)玻璃破裂、發(fā)黃等異常現(xiàn)象，唯一存在的問(wèn)題是產(chǎn)品未按照我廠產(chǎn)品手冊(cè)中規(guī)定的尺寸進(jìn)行成形，我廠要求彎曲部位必須離管體3min以上，對(duì)方僅為0.8min左右。

（2）X光透視

將失效樣品采用X光透視進(jìn)行檢查，通過(guò)檢查未見(jiàn)產(chǎn)品存在異常缺陷。

（3）特性曲線測(cè)試

對(duì)失效樣品采用QT2晶體管特性圖示儀進(jìn)行特性

曲線測(cè)試，失效樣品正反向均為導(dǎo)通狀態(tài)。

（4）電參數(shù)測(cè)試

采用我廠351TT/P測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與特性曲線測(cè)試結(jié)果一致，失效樣品正反向均為導(dǎo)通狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果如下：

（5）開(kāi)封檢查

對(duì)解剖后的產(chǎn)品進(jìn)行曲線掃描，樣品曲線仍為導(dǎo)通狀態(tài)。用混合酸繼續(xù)對(duì)芯片臺(tái)面清洗40秒左右，對(duì)芯片臺(tái)面進(jìn)行腐蝕，用離子水沖洗干凈，酒精脫水擦干后用QT2晶體管圖示儀測(cè)試失效產(chǎn)品反向電壓曲線，曲線特性沒(méi)有變化。

（6）分析小結(jié)

通過(guò)以上分析，認(rèn)為該只失效樣品出現(xiàn)短路是由于在使用過(guò)程中可能承受了正向大電流的沖擊，使得產(chǎn)品燒毀，從而出現(xiàn)短路失效的情況。

2.1.2驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證該結(jié)論是否正確，特抽取生產(chǎn)線流水的BZ03H產(chǎn)品3只，進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。

試驗(yàn)前測(cè)試電參數(shù)合格，曲線正常。試驗(yàn)條件采用帶自保護(hù)功能的穩(wěn)壓電源，電流保護(hù)從1安培開(kāi)始，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

通過(guò)測(cè)試，該產(chǎn)品在1安培～7安培時(shí)產(chǎn)品無(wú)異常，當(dāng)設(shè)置到8安培時(shí)，產(chǎn)品出現(xiàn)穿通現(xiàn)象，通過(guò)曲線測(cè)試，3只模擬失效樣品的特性曲線與在貴單位失效的產(chǎn)品特性曲線一致。

去玻封體分析3只失效樣品，去玻封體方法與失效樣品一致，通過(guò)解剖，為節(jié)省時(shí)間，沒(méi)有按多次進(jìn)行去除，所以取出時(shí)產(chǎn)品3只均出現(xiàn)芯片的一端與鉬柱脫離的情況。通過(guò)顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其中兩只產(chǎn)品芯片存在芯片熔融點(diǎn)，另一只為芯片內(nèi)部存在芯片熔融點(diǎn)。

2.1.3分析結(jié)論

根據(jù)目前的分析試驗(yàn)情況，我廠認(rèn)為造成此次出現(xiàn)產(chǎn)品短路失效的原因是由于使用過(guò)程中出現(xiàn)了正向大電流，使得產(chǎn)品芯片出現(xiàn)熔融擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2案例二

某廠反饋我廠生產(chǎn)的BZG2G產(chǎn)品在入廠復(fù)驗(yàn)后，并隨總裝產(chǎn)品一起經(jīng)歷一30°C低溫貯存1小時(shí)，175°C高溫貯存1小時(shí)后出現(xiàn)失效。

2.2.1機(jī)理分析

（1）外觀檢查

通過(guò)體視顯微鏡觀察：產(chǎn)品外觀良好，無(wú)玻璃破裂等異?，F(xiàn)象。

（2）X光透視

將失效樣品采用X光透視進(jìn)行檢查，通過(guò)檢查未見(jiàn)產(chǎn)品存在異常缺陷。

（3）特性曲線測(cè)試

對(duì)失效樣品采用QT2晶體管特性圖示儀進(jìn)行特性曲線測(cè)試，失效樣品反向?yàn)殡娮杼匦?，但是阻值較小，特性曲線圖中反向曲線斜率較小原因?yàn)殡妷簷n位較小，此外通過(guò)與正常產(chǎn)品正向電壓曲線對(duì)比，失效樣品正向電壓截止?fàn)顟B(tài)時(shí)有輕微上抬現(xiàn)象，其他部分正常。

（4）電參數(shù)測(cè)試

采用我廠351TT/P測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與特性曲線測(cè)試結(jié)果一致，失效樣品反向?yàn)殡娮锠顟B(tài)，漏電較大，正向電壓值正常，測(cè)試結(jié)果如下：

（5）開(kāi)封檢查

用混合酸繼續(xù)對(duì)芯片臺(tái)面清洗20秒左右，去除樣品臺(tái)面沾污，用離子水沖洗干凈，酒精脫水擦干后用QT2晶體管圖示儀測(cè)試失效產(chǎn)品反向電壓曲線，曲線呈現(xiàn)硬擊穿，產(chǎn)品恢復(fù)正常。

（6）分析小結(jié)

通過(guò)以上分析，我廠認(rèn)為該只失效樣品出現(xiàn)短路是二極管使用過(guò)程中反向電壓擊穿，形成較大反向電流，導(dǎo)致芯片瞬間燒毀。

3案例分析

當(dāng)二極管處于反向擊穿狀態(tài)時(shí)，二極管正負(fù)極兩端所施加電壓較高，對(duì)于整流二極管在幾百伏以上，二極管擊穿后形成較大電流，而電流不可能均勻的分布在整個(gè)芯片范圍內(nèi)，由于二極管生產(chǎn)過(guò)程中，芯片臺(tái)面上不可避免的會(huì)存在一些可移動(dòng)帶電離子，所以在高壓的作用下芯片臺(tái)面附近的電流相對(duì)芯片其他區(qū)域較密集，電流密集的臺(tái)面附近區(qū)域會(huì)形成局部的高溫“熱斑”，由于電熱的正反饋現(xiàn)象，“熱斑’處溫度的升高導(dǎo)致該處電流更加集中，從而形成熱-電-熱的惡性循環(huán)，在足夠大的電流密度下足以使PN結(jié)附近區(qū)域的空間電荷區(qū)消失，出現(xiàn)結(jié)的電壓降落急劇減少，電流劇增最終導(dǎo)致電流密集的臺(tái)面附近區(qū)域芯片燒毀失效。在此過(guò)程中由于電流主要集中在臺(tái)面附近區(qū)域，芯片內(nèi)部并沒(méi)有承受大電流，芯片內(nèi)部并沒(méi)有受到損壞。由于臺(tái)面腐蝕可以將產(chǎn)品芯片臺(tái)面上的燒毀點(diǎn)腐蝕掉，反向擊穿燒毀使二極管形成導(dǎo)通或電阻特性主要是由于臺(tái)面上燒毀點(diǎn)形成漏電通道導(dǎo)致的，芯片內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)并沒(méi)有損壞，將臺(tái)面上的燒毀點(diǎn)腐蝕掉，芯片特性就會(huì)恢復(fù)正常，但正向過(guò)功率燒毀.與反向擊穿燒毀有所不同，二極管正向?qū)〞r(shí)電壓值較小，臺(tái)面上的可移動(dòng)離子在較低電壓下對(duì)電流值不會(huì)有太大影響，二極管正向過(guò)功率燒毀由于電壓值較低所需要的電流值較大，當(dāng)二極管正向承受較大電流時(shí)，二極管臺(tái)面附近也可能會(huì)形成燒毀點(diǎn)，但是芯片內(nèi)部也會(huì)有較大電流通過(guò)，對(duì)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損壞，雖然臺(tái)面腐蝕將芯片臺(tái)面上的燒毀點(diǎn)腐蝕掉，芯片特性也無(wú)法恢復(fù)正常。

4結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了耗散功率過(guò)大引起的二極管產(chǎn)品失效的現(xiàn)象，并且通過(guò)案例分析總結(jié)對(duì)比正向大電流與反向過(guò)壓導(dǎo)致的過(guò)功率燒毀后產(chǎn)品失效的表現(xiàn)以及區(qū)別，并分析了燒毀后芯片表現(xiàn)不同的原因。二極管耗散功率過(guò)大會(huì)引起產(chǎn)品失效的原因很多，所以只有我們找出真正引起產(chǎn)品失效的原因，對(duì)產(chǎn)品的分析以及對(duì)用戶的指導(dǎo)才有意義，希望該分析的經(jīng)驗(yàn)對(duì)以后的分析工作有一定的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

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[2]孫學(xué)東，恩云飛.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[3]孫承永.電子元器件的失效分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)，1988.