降低壽命后關鍵電參數（VBR和IR）漂移

楊秀斌

摘 要：瞬變電壓抑制二極管壽命試驗后關鍵電參數漂移，指器件在經過高溫反偏和反向浪涌電流后擊穿電壓VBR與漏電流IR的變化率與變化量。電參數的漂移，反映了器件的穩定性，也是器件可靠性的表現之一。

關鍵詞：瞬態管 三溫測試

一 引言

瞬變電壓抑制二極管三溫測試時關鍵電參數有擊穿電壓VBR和漏電流IR兩個量。關鍵電參數漂移直接反映器件電參數的溫度穩定性，其值越小時器件溫度穩定性也越好，使用環境也更廣。

二 擊穿電壓VBR自身溫度漂移

二極管PN結本生具有一定的溫度系數，正向壓降VF為負溫度系數，反向擊穿電壓VBR具有正溫度系數，擊穿電壓的漂移系數約為1.7mV/℃。溫度越高時，擊穿電壓VBR越大，這是硅材料PN結的物理特性之一，對單個硅PN結而言，該漂移無法消除。

瞬變電壓抑制二極管實際器件和理想PN之間存在一定的差異，主要表現在實際器件存在很多寄生效應上，如：歐姆結電阻、體電阻、電容效應、臺面漏電流、封裝材料絕緣電阻等。當電阻與二極管串聯，流過一定電流時，兩端的壓降也越大。因此，減少上述串聯電阻可以降低擊穿電壓VBR的溫度漂移。

圖中，D為理想PN結，R1為銅引線電阻，R2為金屬半導體接觸電阻，R3為硅片P結與N結體電阻之和，R4為焊料電阻，R5為PN結臺面保護材料的絕緣電阻，R6為污染粒子形成的導電通道等效電阻之和，R7為電極絕緣材料玻璃絕緣子的絕緣電阻，要減少二極管D的擊穿電壓溫度偏移，要求與二極管D串聯的電阻越小越好，與之并聯的電阻越大越好。

①引線電阻R1

銅引線電阻，金屬材料電阻率極小，串聯總電阻值小于0.1歐，溫度變化時，其電阻變化小，可以忽略。

②金屬半導體接觸電阻R2與體電阻R3

金屬半導體接觸電阻指歐姆結電阻，主要是N結和P結中重參雜部分（用N+和P+表示），R2為金屬電極與硅片接觸部分的串聯電阻之和。硅片體電阻指芯片中N區和P區（用N和P表示）的串聯電阻之和。

芯片體電阻R3是指芯片中的N區和P區電阻之和，該區域越短，電阻越小，主要由芯片厚度決定。同樣，N+區域和P+區域增大時，可以縮短N區和P區，但由于N+區域和P+區域也存在一定電阻，因此改善不大，當減小硅片厚度時，硅片容易碎裂，因此體電阻不能減小。

③焊料電阻R4

芯片與金屬電極在燒焊時通過鉛錫銀焊片相連，由于粘接面積均大于90%以上，其接觸電阻極小，可以忽略。

④PN結臺面保護材料電阻R5、電極絕緣電阻R7

PN結臺面保護材料指PN結耗盡區裸露部分的保護材料，保護材料有硅橡膠、玻璃、氧化層等，它們均屬于絕緣材料，電阻值極大，可以忽略其溫度變化時帶來的阻值變化。

⑤PN結耗盡區中污染粒子形成的導電通道電阻值之和R6

該電阻并聯在二極管D的兩端，由可移動污染粒子總數和PN結環境溫度共同決定。可移動污染粒子總數，是一個變量，它們沾污在PN結耗盡區裸露部分，由空氣、芯片裝載體、清洗液中的污染粒子引入。當PN結污染粒子未清洗干凈、PN結保護材料性能不穩定、PN結保護材料老化時，PN結兩端的可移動導電粒子數均會上升，上述現象越嚴重，增加的粒子數越多，并聯電阻也減少，對外表現為擊穿電壓VBR溫度漂移也越大。

由上述分析可知，要減小瞬態管反向擊穿電壓的漂移，需要降低芯片的歐姆結電阻和增加PN結保護材料的穩定性。

三 漏電IR溫度漂移的影響因素

根據半導體理論，PN結反向漏電流應維持在一個固定值上，實際器件由于其他半導體效應的影響會偏離理論值，表現為實際值大于理論值，這些效應包括表面效應、勢壘區中的產生和復合、大注入條件、串聯電阻，試驗表明，這些效應在實際器件中對漏電流漂移的影響較小。瞬態管漏電流是PN結自身漏電流與PN結表面漏電流之和。

① PN結漏電流

PN結漏電流是PN結特性之一，是由載流子濃度差引起的擴散運動和外加電場作用引起的漂移運動共同作用的結果。隨溫度的升高，該漏電流隨之增大，但反偏電壓、環境溫度一定時，PN結漏電流應維持在一定范圍，有小范圍波動，且該參數作為PN結基本特性之一，無法消除。

② PN結表面漏電流

表面漏電流指PN結耗盡區表面由可移動導電粒子形成的電流。該電流大小取決于污染粒子總數、反偏電壓大小、環境溫度。常溫時，大部分污染粒子被束縛在體內無法移動。隨著溫度升高時，污染粒子的能量也開始增加，粒子自身振動變得更劇烈，表現得更活躍。同時，高溫條件下，PN結鈍化保護材料的穩定性開始下降，此消彼長，最終表現是，同一反偏電壓下，高溫漏電IR2遠大于常溫漏電IR1。

從上述分析可知，要減小漏電流的溫度漂移，首先要減少PN結被可移動導電粒子污染的可能，要求芯片生產在無塵環境下進行，且減少PN結表面暴露在空氣中的時間。其次，要求PN結鈍化保護材料具有較高的溫度穩定性和粒子束縛能力。

四 降低三溫漂移的措施

擴散工藝、PN結保護工藝均會導致瞬態管在三溫測試時電參數發生較大漂移。改善或改變兩個工序，采用更新更可靠的技術制作芯片，可以降低三溫測試時關鍵電參數的漂移。

① 紙源擴散代替涂源擴散

紙源擴散，采用紙狀擴散源來進行擴散。紙源是將擴散源制作成固態紙狀源，擴散時放置于硅片上直接進行擴散，紙源擴散最大優勢是可以保證擴散源濃度一致性好，在同一擴散條件下，可以得到較為一致的結深和較小的歐姆接觸電阻，紙源擴散后的硅片見下圖，A區與B區結深及歐姆結電阻基本一致。

紙源擴散的另一個優勢是可以同時進行磷擴散和硼擴散，將原來的二次擴散合并為一次擴散，操作簡單，減少硅片反復處于高溫狀態后帶來的晶格缺陷，提高產品可靠性。

②玻璃內鈍化保護代替涂膠保護

玻璃內鈍化工藝，是半導體分立器件PN結保護主要工藝之一。其工藝流程為：在擴散完成的硅片上刻蝕玻璃粉涂覆槽，將配制好的玻璃漿涂覆在槽內，再通過一定溫度成型。用玻璃內鈍化來保護PN結表面。玻璃粉主要組成成分是硅的化合物，可以很容易與硅材料匹配，同時玻璃粉為非晶結構，在成型時對PN結表面的污染粒子具有極強的吸附能力，成型后的玻璃結構也更穩定，不容易出現老化。

五 結論

在瞬態電壓抑制二極管制作過程中，采用紙狀源進行磷硼擴散，同時采用玻璃內鈍化工藝，將有助于降低瞬態管三溫漂移，提高器件溫度穩定性和可靠性。