論雙向瞬態電壓抑制二極管產品結構設計

昝超鑫

摘要：半導體器件的設計決定著產品生產后的可靠性。在進行產品設計時需要具有一定的前瞻性，并與產品的生產工藝相結合，才能保證生產的產品的高可靠性。雙向瞬態電壓抑制二極管產品在交流電路中，可以吸收正反兩個方向的瞬時大脈沖功率，應用十分方便，被廣泛選用。如何對雙向瞬態電壓抑制二極管進行正確的結構設計，對產品是否具有高可靠性至關重要。

1引言

瞬態電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor Diode，簡稱TVS）在各種電子線路中作保護作用。當電路中突然出現大脈沖功率時，TVS工作阻抗可以降低到允許大電流通過，并把電壓箝位到一定水平，從而避免電子線路中的精密元器件損壞。雙線TVS多應用于交流電路，單向TVS多應用于直流電路。

從特性曲線上看，雙向TVS特性曲線如同兩只單向的TVS背靠背組合，正反兩個方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性。特性曲線圖如圖1所示：

2結構設計

2.1 2顆單向瞬態管芯片背靠背疊加

從特性曲線上分析，雙向TVS可以采用兩顆單向TVS芯片背靠背疊加

進行設計。單向TVS芯片結構如圖2所示，一般采用臺面結構，通過擴散，在芯片上形成PN結，并進行玻璃內鈍化。達到保護芯片PN結的作用。

采用兩顆單向TVS芯片背靠背組合可以構成雙向TVS管結構，如圖3所示：

2.2 采用單顆雙向TVS管芯片

目前市場上常見的雙向TVS芯片采用的也是臺面結構，在生產過程中通過對芯片進行雙面擴散，從而在芯片形成上下兩個PN結，并在芯片周圍進行玻璃內鈍化，達到保護芯片PN結的作用。由于兩個PN結中間都為P層或都為N層，因此形成兩個PN接背對背的結構，從而實現該芯片可以進行正反兩個方向抑制大功率的功效。雙向TVS芯片結構件圖4：

采用雙向TVS芯片結構設計見圖5：

3結構驗證

3.1結構1驗證

筆者按圖3和圖5的設計結構各生產了50只雙向TVS產品，然后對產品性能分別進行測試，篩選，淘汰情況見下表：

結合上述試驗情況，圖3的雙向TVS設計結構產品可靠性較高，圖5的雙向TVS結構設計可靠性較差。不建議采用。

3.2圖5建設及結構分析

根據試驗情況，筆者對圖5的結構進行分析，發現芯片下PN結在受到溫度應力后容易失效，且在篩選中不能完全剔除。所以圖5結構在芯片下PN接觸存在設計不合理的問題。

一般雙向順瞬態管結構通過采用焊料將雙向瞬態管芯片與零件連接起來，并在芯片上使用焊料連接電極片（增加產品瞬態吸收功率）。連接的方式一般是采用燒結的方式。但是容易引起芯片下PN結鈍化層被焊料包裹，從而形成應力，使產品性能不穩定。也是造成圖5結構可靠性差的主要原因。

3.3雙向TVS芯片合理設計

針對上述分析，筆者對圖5結構進行改進，在芯片下方增加凸臺結構，從而避免了焊料對芯片下PN結 的包裹從而解決了該缺陷問題，更改后的結構件圖6：

通過對圖6結構驗證，圖6結構同樣具有較高的可靠性。產品結構設計合理。

結論

通過上述結構設計和結構驗證，兩顆單向TVS芯片和單顆雙向TVS芯片都可以實現雙向TVS功能要求。雙向TVS芯片在設計時要注意芯片下PN結設計，避免存在結構缺陷，導致產品可靠性較差。在產品設計時一定要做好相關驗證工作，并根據自身工藝條件，選擇適合自己的產品結構設計。

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