你的位置:首頁 > 電路保護(hù) > 正文

保護(hù)器件過電應(yīng)力失效機(jī)理和失效現(xiàn)象淺析

發(fā)布時(shí)間:2021-11-16 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】容易看出改進(jìn)型的電路拓?fù)渑c基本型電路的主要差別在于副邊整流電路,該整流電路被稱為倍流整流器(Current-Doubler Rectifier,CDR),是目前應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。下面首先介紹一下該整流電路。與全波整流相比,倍流整流器的高頻變壓器副邊繞組僅需一個(gè)單一繞組,不用中心抽頭。


半導(dǎo)體元器件在整機(jī)應(yīng)用端的失效主要為各種過應(yīng)力導(dǎo)致的失效,器件的過應(yīng)力主要包括工作環(huán)境的緩變或者突變引起的過應(yīng)力,當(dāng)半導(dǎo)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(yīng)力時(shí),元器件發(fā)生失效。應(yīng)力的種類繁多,如表1,其中過電應(yīng)力導(dǎo)致的失效相對其它應(yīng)力更為常見。


保護(hù)器件過電應(yīng)力失效機(jī)理和失效現(xiàn)象淺析

表1 應(yīng)力類型、試驗(yàn)方法和失效模式


過電應(yīng)力失效分為芯片級和系統(tǒng)級;


在運(yùn)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(jìn)入集成電路芯片內(nèi)部,損傷端口處ESD保護(hù)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(dǎo)致集成電路邏輯功能失效;


在整機(jī)系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)師雖然進(jìn)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(yīng)力能力,但由于整機(jī)系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)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(yīng)力(靜電、浪涌、直流)來分析半導(dǎo)體器件在各種極端電應(yīng)力環(huán)境下失效的現(xiàn)象和機(jī)理,及如何利用好TVS降低過電應(yīng)力危害。


一、模擬靜電失效現(xiàn)象


產(chǎn)品WE05MUC廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)端口靜電和低壓浪涌防護(hù),具有IEC 61000-4-2 (ESD) ±25kV (contact)的靜電防護(hù)能力,當(dāng)經(jīng)受超出其能力的IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (contact)靜電能量沖擊時(shí),會出現(xiàn)失效。


模擬靜電導(dǎo)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(dǎo)電通路都出現(xiàn)了燒毀痕跡,說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理ESD能量分布較均勻。


保護(hù)器件過電應(yīng)力失效機(jī)理和失效現(xiàn)象淺析

圖1 模擬靜電導(dǎo)致失效的芯片局部圖A


保護(hù)器件過電應(yīng)力失效機(jī)理和失效現(xiàn)象淺析

圖2 模擬靜電導(dǎo)致失效的芯片局部圖B


靜電失效的主要特點(diǎn):


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(shí)需要去掉金屬層才能觀察到損壞點(diǎn)。


整機(jī)電路中靜電損壞分為兩種失效模式:


1.保護(hù)器件TVS損壞,需要選擇折中考量其他參數(shù),選擇等級更強(qiáng)的保護(hù)器件;    


2.后端電路損壞,主要與TVS靜電鉗位電壓Vc較高有關(guān),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(dāng)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(dǎo)致失效的芯片局部圖如圖3和圖4。


保護(hù)器件過電應(yīng)力失效機(jī)理和失效現(xiàn)象淺析

圖3 模擬浪涌導(dǎo)致失效的芯片局部圖A


保護(hù)器件過電應(yīng)力失效機(jī)理和失效現(xiàn)象淺析

圖4 模擬浪涌導(dǎo)致失效的芯片局部圖B


浪涌失效的主要特點(diǎn):


1.失效點(diǎn)大概率發(fā)生在器件邊緣的PN結(jié)位置或者焊線附近,因?yàn)檫吘塒N結(jié),特別是拐角的位置一般是整個(gè)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(shí)間內(nèi)傳至整個(gè)芯片,因此損傷會有一定機(jī)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(diǎn);


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(jī)率會將焊線損傷熔斷。


整機(jī)電路中浪涌損壞分為兩種失效模式:


1.保護(hù)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(guān),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(dāng)對其直接施加20V直流電壓,且同時(shí)不進(jìn)行任何限流的情況下,器件失效。


模擬直流過電壓導(dǎo)致失效的芯片局部圖如圖5和圖6。


保護(hù)器件過電應(yīng)力失效機(jī)理和失效現(xiàn)象淺析

圖5 模擬直流過電壓導(dǎo)致失效的芯片局部圖A


保護(hù)器件過電應(yīng)力失效機(jī)理和失效現(xiàn)象淺析

圖6 模擬直流過電壓導(dǎo)致失效的芯片局部圖B


直流過電壓失效的主要特點(diǎn):


1.失效點(diǎn)通常下發(fā)生在芯片中心區(qū)域,直流過電壓損壞時(shí)由于能量很大且持續(xù)時(shí)間較長,極高的能量有足夠的時(shí)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?xí)⒄娼饘偬蓟?/p>


3.焊線常常會出現(xiàn)熔斷的情況,焊線比較細(xì),阻抗大,發(fā)熱嚴(yán)重,長時(shí)間發(fā)熱會熔斷焊線,甚至?xí)⑺芊怏w燒毀。


整機(jī)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(shè)計(jì)者預(yù)期的電壓波動,由于波動持續(xù)時(shí)間達(dá)到微秒或毫秒,導(dǎo)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(shí)干預(yù),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(dāng),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(jī)電路設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)者應(yīng)充分評估過電應(yīng)力出現(xiàn)的各種可能,確定過電應(yīng)力設(shè)計(jì)目標(biāo),綜合考慮所用器件的性能指標(biāo)和抗過電應(yīng)力的能力,選用合適的器件,完成相關(guān)測試評估,提升整機(jī)可靠性。

(來源:維安電子)


免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請電話或者郵箱editor@52solution.com聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。


推薦閱讀:

改進(jìn)型移相全橋ZVS DC-DC變換器的特點(diǎn)應(yīng)用及控制電路設(shè)計(jì)

干貨 | 加速特征相關(guān)(FD)干法刻蝕的工藝發(fā)展

如何最佳計(jì)算數(shù)模轉(zhuǎn)換器的信號鏈誤差預(yù)算

適用于工業(yè)應(yīng)用的 NAND 閃存

運(yùn)算放大器輸出電壓反向問題:正確選型,輕松化解!

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉