半導體元器件過電應力失效圖文淺析-KIA MOS管

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(huán)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(huán)境發(fā)生變化并產(chǎn)生超出器件最大可承受的應力時，元器件發(fā)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(tǒng)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(nèi)部，損傷端口處ESD保護單元或內(nèi)部邏輯電路，造成局部短路、開路或者觸發(fā)電路發(fā)生閂鎖，導致集成電路邏輯功能失效；

在整機系統(tǒng)中，設計師雖然進行了巧妙的布線，并且加入了大量的瞬態(tài)抑制二極管（TVS）用于提高系統(tǒng)級抗過電應力能力，但由于整機系統(tǒng)工作環(huán)境復雜，仍會出現(xiàn)一定概率的失效，以損傷端口處TVS和端口內(nèi)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(huán)境下失效的現(xiàn)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(xiàn)象

產(chǎn)品WE05MUC廣泛應用于高速數(shù)據(jù)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(jīng)受超出其能力的IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (contact)靜電能量沖擊時，會出現(xiàn)失效。

模擬靜電導致失效的芯片局部圖如圖1和圖2。可見樣品間失效現(xiàn)象略有差異，但多條導電通路都出現(xiàn)了燒毀痕跡，說明結(jié)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(xiàn)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(shù)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(shù)，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(shù)，選擇靜電鉗位電壓更低的TVS器件。

二、模擬浪涌失效現(xiàn)象

DFN1610封裝外形的產(chǎn)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(jīng)受超出其能力的170A及以上浪涌沖擊后，會出現(xiàn)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(fā)生在器件邊緣的PN結(jié)位置或者焊線附近，因為邊緣PN結(jié)，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(nèi)傳至整個芯片，因此損傷會有一定機率發(fā)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(xiàn)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(shù)，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(shù)，選擇Vc更低的TVS器件。

三、模擬直流過電壓失效現(xiàn)象

DFN1610封裝外形的產(chǎn)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(fā)生在芯片中心區(qū)域，直流過電壓損壞時由于能量很大且持續(xù)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(chǎn)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(xiàn)熔斷的情況，焊線比較細，阻抗大，發(fā)熱嚴重，長時間發(fā)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(fā)的超出設計者預期的電壓波動，由于波動持續(xù)時間達到微秒或毫秒，導致TVS損壞。首先TVS短路失效，系統(tǒng)功能失常，電源電位被拉低；若未及時干預，TVS可能轉(zhuǎn)變?yōu)殚_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(fā)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(xiàn)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。

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