快恢復(fù)二極管的失效分析

  快恢復(fù)二極管損壞包括過熱失效、過電流失效、過電壓失效，以及動態(tài)雪崩引起的失效。
 
  1. 過熱失效
  過熱失效是指快恢復(fù)二極管工作時產(chǎn)生的功耗引起結(jié)溫升高，超過器件所允許的最高結(jié)溫Tjm，導(dǎo)致器件發(fā)生熱擊穿。過熱失效與器件的工作溫度有關(guān)。通常用一個本征溫度Tint來預(yù)測溫度升高時器件內(nèi)部的失效機理。Tint是指當熱產(chǎn)生導(dǎo)致溫度升高時的載流子濃度ni( T)等于襯底摻雜濃度ND時的溫度。當溫度高于Tint時，載流子濃度隨溫度按指數(shù)增長，熱產(chǎn)生成為主導(dǎo)因素。Tint與本底摻雜濃度有關(guān)，
一般高壓器件(ND約為10¹³cm^-3)的Tint要比低壓器件(ND約為10¹⁴cm^-3)低得多。由于受材料、工藝等因素的影響，器件Tjm通常遠小于Tint。
  由于實際器件并非工作在熱平衡狀態(tài)下，所以還需考慮器件工作模式與溫度的關(guān)系。如導(dǎo)通狀態(tài)由浪涌電流產(chǎn)生的功耗，截止狀態(tài)由漏電流引起的功耗，反向恢復(fù)期間由高反向電壓產(chǎn)生的功耗，這些功耗均會導(dǎo)致器件的工作溫度升高，并引起溫度與電流之間出現(xiàn)正反饋，器件最終發(fā)生熱擊穿。所以，熱擊穿發(fā)生的條件是，熱產(chǎn)生的功率密度大于由器件封裝系統(tǒng)所決定的耗散功率密度。為了避免器件熱失效，通常將其工作溫度限制在Tjm以下。
  過熱失效通常表現(xiàn)為器件出現(xiàn)局部熔化。如果局部溫度過高，發(fā)生在點狀區(qū)域內(nèi)，還會導(dǎo)致管芯產(chǎn)生裂紋。如果快恢復(fù)二極管的工作頻率很高，在斷態(tài)和通態(tài)之間高頻轉(zhuǎn)換，會產(chǎn)生很大的功耗，此時器件的過熱失效形貌可能會不同。隨著溫度的升高，首先是阻斷能力喪失，幾乎所有的平面終端器件都會在邊緣處發(fā)生擊穿。因此，損壞點通常位于器件的邊緣處，或至少是邊緣的一小部分。
 
  2. 過電流失效
  過電流失效是指快恢復(fù)二極管導(dǎo)通期間，浪涌電流通過時產(chǎn)生很高的通態(tài)功耗而導(dǎo)致的失效。在浪涌電流期間，由大電流和高壓降產(chǎn)生很高的損耗，導(dǎo)致溫度上升。最高溫度會出現(xiàn)在壓焊點處，使周圍表面的金屬化電極熔化。如圖1所示，失效位置通常在有源區(qū)內(nèi)，表現(xiàn)為鍵合線引腳附近的金屬化層被熔化。

 
  3. 過電壓失效
  過電壓失效主要是由快恢復(fù)二極管工作時所承受的電壓超過額定電壓所致的。過電壓引起的損壞通常出現(xiàn)在結(jié)邊緣終端區(qū)。對于1.7kV二極管而言，過電壓引起的損壞點位于有源區(qū)與終端區(qū)第一個場限環(huán)之間，如圖2a所示。這是由于該處的高電場強度所致。從失效形貌來看，損壞點較小，說明失效點并沒有通過大電流，可能是由于器件使用中兩端所加電壓超過額定電壓所致，也可能是器件制造過程中引入的缺陷所致。如圖2b所示，對3.3kV二極管，過電壓導(dǎo)致大部分有源區(qū)和部分結(jié)終端區(qū)被燒毀，說明失效后有大電流流過，因此，可認為破壞點首先出現(xiàn)在終端區(qū)，然后延伸至有源區(qū)的縫合線。  
  4. 動態(tài)雪崩導(dǎo)致的失效
  快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)期間發(fā)生動態(tài)雪崩后引起電流集中，會導(dǎo)致快恢復(fù)二極管局部失效。圖3給出了快恢復(fù)二極管因動態(tài)雪崩引起的失效波形與圖例，由圖3a可見，當快恢復(fù)二極管流過360A的IRM(對應(yīng)的電流密度約為400A/cm²)后，在200ns內(nèi)反向電壓已升到2kV，此后不久便失效了。如圖3b所示，動態(tài)雪崩引起的失效發(fā)生在有源區(qū)，有一個小的熔化通道，并伴隨有裂紋，裂紋呈60°角分布，這與點狀應(yīng)力作用于<111>晶向的硅片所致的破壞一致。說明在很小的區(qū)域內(nèi)存在電流集中，并且電流密度和溫度極高。   此外，由于材料或工藝均勻性等問題(如存在缺陷、擴散均勻性、壽命控制和電極接觸等)，在很小面積內(nèi)通過很大的電流時，也會引起失效。比如摻金二極管在高反向尖峰電壓下會直接失效，就是因為金擴散引起非均勻的壽命分布而導(dǎo)致器件內(nèi)部很小的面積內(nèi)發(fā)生了雪崩擊穿。



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