保护器件过电应力失效机理和失效现象浅析

半导体元器件在整机应用端的失效主要为各种过应力导致的失效，器件的过应力主要包括工作环境的缓变或者突变引起的过应力，当半导体元器件的工作环境发生变化并产生超出器件最大可承受的应力时，元器件发生失效。应力的种类繁多，如表1，其中过电应力导致的失效相对其它应力更为常见。

表1 应力类型、试验方法和失效模式

过电应力失效分为芯片级和系统级；

在运输、装配和测试中，ESD能量通过端口金属引脚或通过空气耦合进入集成电路芯片内部，损伤端口处ESD保护单元或内部逻辑电路，造成局部短路、开路或者触发电路发生闩锁，导致集成电路逻辑功能失效；

在整机系统中，设计师虽然进行了巧妙的布线，并且加入了大量的瞬态抑制二极管（TVS）用于提高系统级抗过电应力能力，但由于整机系统工作环境复杂，仍会出现一定概率的失效，以损伤端口处TVS和端口内芯片最为常见。

本文通过模拟过电应力（静电、浪涌、直流）来分析半导体器件在各种极端电应力环境下失效的现象和机理，及如何利用好TVS降低过电应力危害。

一、模拟静电失效现象

产品WE05MUC广泛应用于高速数据端口静电和低压浪涌防护，具有IEC 61000-4-2 (ESD) ±25kV (contact)的静电防护能力，当经受超出其能力的IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (contact)静电能量冲击时，会出现失效。

模拟静电导致失效的芯片局部图如图1和图2。可见样品间失效现象略有差异，但多条导电通路都出现了烧毁痕迹，说明结构设计合理ESD能量分布较均匀。

图1 模拟静电导致失效的芯片局部图A

图2 模拟静电导致失效的芯片局部图B

静电失效的主要特点：

1.静电损伤分为损伤失效和潜在失效两种类型，损伤失效是指元器件在ESD事件后出现损伤，完全或部分丧失功能；而潜在失效指静电能量处于临界，静电放电后，仅造成轻微损伤，器件电参数略有变化，但仍然合格；

2.不同元器件静电损伤形貌差异较大，或能看到明显烧伤痕迹，或仅有轻微损伤痕迹，需要高倍显微镜来观察，有时需要去掉金属层才能观察到损坏点。

整机电路中静电损坏分为两种失效模式：

1.保护器件TVS损坏，需要选择折中考量其他参数，选择等级更强的保护器件；

2.后端电路损坏，主要与TVS静电钳位电压Vc较高有关，需要折中考量其他参数，选择静电钳位电压更低的TVS器件。

二、模拟浪涌失效现象

DFN1610封装外形的产品WS1029HP，适用于工作电压10V高压快充Vbat端口，具有浪涌IEC 61000-4-5 (Lightning) 8/20μs IPP 160A的通流能力，当其经受超出其能力的170A及以上浪涌冲击后，会出现失效。

模拟浪涌导致失效的芯片局部图如图3和图4。

图3 模拟浪涌导致失效的芯片局部图A

图4 模拟浪涌导致失效的芯片局部图B

浪涌失效的主要特点：

1.失效点大概率发生在器件边缘的PN结位置或者焊线附近，因为边缘PN结，特别是拐角的位置一般是整个器件比较薄弱的位置；另外由于浪涌为微秒级脉冲，过高的能量难以在短时间内传至整个芯片，因此损伤会有一定机率发生在焊线位置附近；

2.芯片损坏面积相对较小，可以直接观测到烧伤点；

3.一般情况下焊线仍然正常，不会出现熔断焊线的情况；但如果遭受的浪涌能量过大，仍有一定机率会将焊线损伤熔断。

整机电路中浪涌损坏分为两种失效模式：

1.保护器件TVS损坏，需要折中考量其他参数，选择更大通流能力的TVS器件；

2.后端电路损坏，主要与TVS的浪涌钳位电压Vc太高有关，需要折中考量其他参数，选择Vc更低的TVS器件。

三、模拟直流过电压失效现象

DFN1610封装外形的产品WS1029QP，适用于工作电压15V高压快充Vbus端口，具有浪涌IEC 61000-4-5 (Lightning) 8/20μs IPP 120A的通流能力，其击穿电压为17V，当对其直接施加20V直流电压，且同时不进行任何限流的情况下，器件失效。

模拟直流过电压导致失效的芯片局部图如图5和图6。

图5 模拟直流过电压导致失效的芯片局部图A

图6 模拟直流过电压导致失效的芯片局部图B

直流过电压失效的主要特点：

1.失效点通常下发生在芯片中心区域，直流过电压损坏时由于能量很大且持续时间较长，极高的能量有足够的时间传至芯片中心，随着热量的积聚和温度的升高，芯片被损坏产生熔融通道；

2.芯片损坏面积比较大，通常是大面积烧伤，甚至会将正面金属碳化；

3.焊线常常会出现熔断的情况，焊线比较细，阻抗大，发热严重，长时间发热会熔断焊线，甚至会将塑封体烧毁。

整机电路中直流过电压损坏也分为两种失效模式：

1. 偶发的超出设计者预期的电压波动，由于波动持续时间达到微秒或毫秒，导致TVS损坏。首先TVS短路失效，系统功能失常，电源电位被拉低；若未及时干预，TVS可能转变为开路，高压作用于后端电路，有损坏的后端电路可能；

2. 器件选型不当，击穿电压下限低于工作电压波动上限，没有足够裕量，也会发生损坏TVS的情况；

综上，在整机电路设计过程中，设计者应充分评估过电应力出现的各种可能，确定过电应力设计目标，综合考虑所用器件的性能指标和抗过电应力的能力，选用合适的器件，完成相关测试评估，提升整机可靠性。

文章转载自：维安电子

审核编辑：汤梓红