浅谈二极管过电应力失效及解决办法.pdfVIP

浅谈二极管的过电应力失效及解决办法 朱伟英，王玉俊 摘要：分析二极管常见的过电应力失效模式及其产生原因，强调在设计初合理选择器件和搭配电路结构，以 降低二极管在客户端使用的失效率，提高整机产品的可靠性。 关键词：过电应力(EOS) 动态特性静态损耗瞬态损耗 0引言 二极管在使用过程中经常会出现过电应力(EOS)失效，如在有感性负载的供电电源或电子设 备处于开关瞬间、交流电源的电压不稳定或接地不良以及发生雷击的情况下，半导体器件会受到一 种随机的短时间高电压或强电流的冲击。这种瞬时功率远远超过器件的额定功率，引起器件芯片发 生过电应力(EOS)损伤。轻度的过电应力会引起二极管PN结芯片保护层漏电，重度的过电应力会引 起芯片的热击穿失效。以下就二极管的动态特性和工作原理、功率计算、EOS失效失效模式及解决 方法予以简单论述。 1二极管的电流／电压~t的动态特性及工作原理 在实际的二极管使用电路(以整流电路为例)从开态至关态的整个工作过程中，二极管的电流／电压 ～t的特性如图一和图二所示。在二极管开态工作的过程中，由于PN结自建电场的存在，在外加电场的作用下， 二极管开通初期会重建平衡的PN结内电场因此开通初期会出现较高正向峰值电压VFR髓后电压下降直至 稳态工作。而电压从开始直至达到稳态正向压降的1．1倍(也有将此值定为2V)的时间称为二极管正向开 通时间tFR。 VFR 图二电压(VFIVR)q 图一电流(IFIIR)q 在二极管关态工作的过程中，当极管由正偏压转换为负偏压时，由于正偏时在P区内有大量少数 载流子的存贮，故在实现关断前需要将这些少数载流子抽出或是中和掉，这是需要一定的时间的， 即反向阻断能力的恢复需要经过一段过程，这个过程就是反向恢复过程。其所需要的时间为反向恢复 时间。在反向恢复的初期正负偏压转换开始的瞬间，二极管反向电流IRP很大，并形成一定的电压过冲 VRP，随着贮存电荷的消失，二极管的反向电流逐步恢复至正常的反向漏电流IR。 2二极管的功率计算 从上述二极管的电流和电压动态特性可以看出，二极管在电路中工作的功率损耗也分为四部分， 如图三所示。 412 Prr tF trr 图三二极管功率损耗 P 2PFR+PF+P，，+PR P胩一一二极管开通过程中的损耗 P，一…二极管导通时的损耗 P。，一一二极管反向恢复过程中的损耗 P。一一二极管承受反向电压时的损耗。 Ehv，决定反向电压确定后，PR由I。决定，与电路的工作方式关系不 P，和P。为静态损耗工作电流确定后PF 大。因而，很容易估算。 P，。和P。，为开关损耗，在一定的工作频率下，PFREhv，。和tFR决定，P，。由I肿和t，。决定曲于是开关损耗， 它们与电路的工作频率有直接关系。在高频电路中，二极管的开关损耗会远大于静态损耗。 3过电应力(EOS)失效模式及解决方法 二极管在设计时均会设定使用时所能承受的最大电应力，包括最高工作结温，最大额定功率， 最大工作电压、电流、峰值电压、浪涌电流等。如果使用时所加的电应力超过了二极管规定的最大应 力，即使瞬间超过，也会造成元器件的损伤，其造成的损伤主要表现为元器件性能劣化或失去功能。 过电应力通常分为过压应力和过流应力，也是最常见的两类过电应力失效模式。另外开关功率损耗 过大引起芯片工作结温超高造成热电应力失效，也是一种较常见的过电应力失效模式。以下就这三 类常见的应力失效模式损伤机理、典型案例及解决方法进行简述。 3．1过压应力失效模式(即过压击穿) 过压击穿主要是指二极管在反向工作过程中，二极管两端所施加的反向电压超出了二极管的承受 极限，造成二极管芯片边缘电场击穿，甚至形成局部热点发生熔融的短路或开路的失效模式。如下图 四为典型过压击穿失效芯片图片。黑圈标示出的部分为边缘的熔融击穿点。 图四过压击穿图片