快恢复二极管的失效分析

快恢复二极管的失效分析

快恢复二极管损坏包括、过热失效、过电流失效、过电压失效以及动态雪崩引起的失效。

    1. 过热失效

    过热失效是指快恢复二极管工作时产生的功耗引起结温升高，超过器件所允许的最高结温Tjm，导致器件发生热击穿。过热失效与器件的工作温度有关。通常用一个本征温度Tint来预测温度升高时器件内部的失效机理。Tint是指当热产生导致温度升高时的载流子浓度ni( T)等于衬底掺杂浓度ND时的温度。当温度高于Tint时，载流子浓度随温度按指数增长，热产生成为主导因素。Tint与本底掺杂浓度有关，

    一般高压器件(ND约为1013cm-3)的Tint要比低压器件(ND约为1014cm-3)低得多。由于受材料、工艺等因素的影响，器件Tjm通常远小于Tint。

    由于实际器件并非工作在热平衡状态下，所以还需考虑器件工作模式与温度的关系。如导通状态由浪涌电流产生的功耗，截止状态由漏电流引起的功耗，反向恢复期间由高反向电压产生的功耗，这些功耗均会导致器件的工作温度升高，并引起温度与电流之间出现正反馈，器件最终发生热击穿。所以，热击穿发生的条件是，热产生的功率密度大于由器件封装系统所决定的耗散功率密度。为了避免器件热失效，通常将其工作温度限制在Tjm以下。

    过热失效通常表现为器件出现局部熔化。如果局部温度过高，发生在点状区域内，还会导致管芯产生裂纹。如果快恢复二极管的工作频率很高，在断态和通态之间高频转换，会产生很大的功耗，此时器件的过热失效形貌可能会不同。随着温度的升高，首先是阻断能力丧失，几乎所有的平面终端器件都会在边缘处发生击穿。因此，损坏点通常位于器件的边缘处，或至少是边缘的一小部分。

    2. 过电流失效

    过电流失效是指快恢复二极管导通期间，浪涌电流通过时产生很高的通态功耗而导致的失效。在浪涌电流期间，由大电流和高压降产生很高的损耗，导致温度上升。最高温度会出现在压焊点处，使周围表面的金属化电极熔化。如图1所示，失效位置通常在有源区内，表现为键合线引脚附近的金属化层被熔化。

    3. 过电压失效

    过电压失效主要是由快恢复二极管工作时所承受的电压超过额定电压所致的。过电压引起的损坏通常出现在结边缘终端区。对于1.7kV二极管而言，过电压引起的损坏点位于有源区与终端区第一个场限环之间，如图2a所示。这是由于该处的高电场强度所致。从失效形貌来看，损坏点较小，说明失效点并没有通过大电流，可能是由于器件使用中两端所加电压超过额定电压所致，也可能是器件制造过程中引入的缺陷所致。如图2b所示，对3.3kV二极管，过电压导致大部分有源区和部分结终端区被烧毁，说明失效后有大电流流过，因此，可认为破坏点首先出现在终端区，然后延伸至有源区的縫合线。

    4. 动态雪崩导致的失效

    快恢复二极管反向恢复期间发生动态雪崩后引起电流集中，会导致快恢复二极管局部失效。图3给出了快恢复二极管因动态雪崩引起的失效波形与图例，由图3a可见，当快恢复二极管流过360A的IRM(对应的电流密度约为400A/cm2)后，在200ns内反向电压已升到2kV，此后不久便失效了。如图3b所示，动态雪崩引起的失效发生在有源区，有一个小的熔化通道，并伴随有裂纹，裂纹呈60°角分布，这与点状应力作用于<111>晶向的硅片所致的破坏一致。说明在很小的区域内存在电流集中，并且电流密度和温度极高。

    此外，由于材料或工艺均匀性等问题(如存在缺陷、扩散均匀性、寿命控制和电极接触等)，在很小面积内通过很大的电流时，也会引起失效。比如掺金二极管在高反向尖峰电压下会直接失效，就是因为金扩散引起非均匀的寿命分布而导致器件内部很小的面积内发生了雪崩击穿。