快恢復二極管的失效分析

  快恢復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二極管工作時產生的功耗引起結溫升高，超過器件所允許的最高結溫Tjm，導致器件發(fā)生熱擊穿。過熱失效與器件的工作溫度有關。通常用一個本征溫度Tint來預測溫度升高時器件內部的失效機理。Tint是指當熱產生導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增長，熱產生成為主導因素。Tint與本底摻雜濃度有關，
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系。如導通狀態(tài)由浪涌電流產生的功耗，截止狀態(tài)由漏電流引起的功耗，反向恢復期間由高反向電壓產生的功耗，這些功耗均會導致器件的工作溫度升高，并引起溫度與電流之間出現正反饋，器件最終發(fā)生熱擊穿。所以，熱擊穿發(fā)生的條件是，熱產生的功率密度大于由器件封裝系統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。
  過熱失效通常表現為器件出現局部熔化。如果局部溫度過高，發(fā)生在點狀區(qū)域內，還會導致管芯產生裂紋。如果快恢復二極管的工作頻率很高，在斷態(tài)和通態(tài)之間高頻轉換，會產生很大的功耗，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二極管導通期間，浪涌電流通過時產生很高的通態(tài)功耗而導致的失效。在浪涌電流期間，由大電流和高壓降產生很高的損耗，導致溫度上升。最高溫度會出現在壓焊點處，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，表現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在結邊緣終端區(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，過電壓導致大部分有源區(qū)和部分結終端區(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)雪崩導致的失效
  快恢復二極管反向恢復期間發(fā)生動態(tài)雪崩后引起電流集中，會導致快恢復二極管局部失效。圖3給出了快恢復二極管因動態(tài)雪崩引起的失效波形與圖例，由圖3a可見，當快恢復二極管流過360A的IRM(對應的電流密度約為400A/cm²)后，在200ns內反向電壓已升到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致器件內部很小的面積內發(fā)生了雪崩擊穿。



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