半導(dǎo)體元器件在整機(jī)應(yīng)用端的失效主要為各種過(guò)應(yīng)力導(dǎo)致的失效，器件的過(guò)應(yīng)力主要包括工作環(huán)境的緩變或者突變引起的過(guò)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(lèi)繁多，如表1，其中過(guò)電應(yīng)力導(dǎo)致的失效相對(duì)其它應(yīng)力更為常見(jiàn)。
表1 應(yīng)力類(lèi)型、試驗(yàn)方法和失效模式
過(guò)電應(yīng)力失效分為芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí)；
在運(yùn)輸、裝配和測(cè)試中，ESD能量通過(guò)端口金屬引腳或通過(guò)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(kāi)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(xiàn)，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(jí)抗過(guò)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(huì)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(jiàn)。
本文通過(guò)模擬過(guò)電應(yīng)力（靜電、浪涌、直流）來(lái)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(guò)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(huì)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(jiàn)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(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理ESD能量分布較均勻。
圖1 模擬靜電導(dǎo)致失效的芯片局部圖A
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(lèi)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(lái)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(jí)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(huì)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。
圖3 模擬浪涌導(dǎo)致失效的芯片局部圖A
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(xiàn)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(jí)脈沖，過(guò)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(huì)有一定機(jī)率發(fā)生在焊線(xiàn)位置附近；
2.芯片損壞面積相對(duì)較小，可以直接觀測(cè)到燒傷點(diǎn)；
3.一般情況下焊線(xiàn)仍然正常，不會(huì)出現(xiàn)熔斷焊線(xiàn)的情況；但如果遭受的浪涌能量過(guò)大，仍有一定機(jī)率會(huì)將焊線(xiàn)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(guò)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(duì)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(guò)電壓導(dǎo)致失效的芯片局部圖如圖5和圖6。
圖5 模擬直流過(guò)電壓導(dǎo)致失效的芯片局部圖A
圖6 模擬直流過(guò)電壓導(dǎo)致失效的芯片局部圖B
直流過(guò)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(guò)電壓損壞時(shí)由于能量很大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，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?/div>
3.焊線(xiàn)常常會(huì)出現(xiàn)熔斷的情況，焊線(xiàn)比較細(xì)，阻抗大，發(fā)熱嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱會(huì)熔斷焊線(xiàn)，甚至?xí)⑺芊怏w燒毀。
整機(jī)電路中直流過(guò)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(dòng)，由于波動(dòng)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_(kāi)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(dòng)上限，沒(méi)有足夠裕量，也會(huì)發(fā)生損壞TVS的情況；
綜上，在整機(jī)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分評(píng)估過(guò)電應(yīng)力出現(xiàn)的各種可能，確定過(guò)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(guò)電應(yīng)力的能力，選用合適的器件，完成相關(guān)測(cè)試評(píng)估，提升整機(jī)可靠性。
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