典型ESD防护器件失效机理
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Research on Failure Mechanisms of the Thenxing，Wu Zhancheng，Zhang Xijun，Liu Jin
（ The Research Institute Electrostatic and Electro Magnetic Protection， Ordnance Engineering College， Hebei Shijiazhuang， 050003 china）
2011 年 12 月
。在电路和芯片中加入 ESD 防护结构是现在
基金项目：国家自然科学基金面上项目 （ 60971042 ）
962 半导体技术第 36 卷第 12 期
王振兴
等： 典型 ESD 防护器件失效机理研究
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 TVS） 是比较常见的外部分立 ESD 防护器件［4 － 5］。 其具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、体积 小等优点，目前得到广泛应用。目前国内外学者对 TVS 器件的研究主要围绕在减小器件的结电容 、 获 ［6 － 8］ ， 而对该类器件的 得较低的箝位电压等方面 9］ 对国产 TVS 器件的损 可靠性研究不多。文献 ［ 伤机理和失效模式进行了研究， 并指出短路、 开 路、反向漏电流大和异常击穿是其主要失效形式 。 本 文 选 择 TVS 类 型 的 双 向 ESD 防 护 器 件 PESD5V0U1BA 作为研究对象，对 TVS 器件在箝位 冲击过程中的箝位电压的变化进行了分析 ， 发现 TVS 器件的失效存在着渐进过程， 而短路失效是 TVS 器件的最主要的失效模式， 分析了器件失效 机理。 两边的 N 区对应三极管的发射极和集电极， 中间 的 p 区对应为三极管的基极，而等效三极管的基极 是开路。 当在器件的两端施加高电压时， 反向的 pn 结发生雪崩击穿， 电流将迅速增大， 将高压箝 位到预定的箝位电压， 而正偏的 pn 结正常导通， 使大电流得到泄放。 本文所采用的研究对象 PESD5V0U1BA 经测试 其一端的击穿电压约为7. 0 V， 而另一端的击穿电 压约为12 V。
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引言
静电放电 （ ESD） 是造成电子设备失效的一个 重要原因， 严重影响电子器件和集成电路的可靠 性。电子设备在生产、封装、传递、试验、运输及 整机 调 试 都 可 能 发 生 静 电 放 电 而 造 成 损 伤、 失 效
［1 ］
普遍采用的静电防护方法，但随着集成电路工艺的 发展，微电子器件向着微型化、集成化与高频高速 ［2 － 3 ］ 。 的方向 发 展， 片 上 ESD 防 护 作 用 面 临 挑 战 由于芯片级的抗 ESD 能力通常较低 （ 2 kV HBM， 200 V MM，1 kV CDM ） ， 并不能满足电子设备要 求通过的 IEC 61000 － 4 － 2 的 4 级测试 （ 8 kV 接 触式放电，15 kV 空气式放电 ） ， 因此在实际的电 子产品中，外部分立 ESD 防护器件必不可少。 瞬态电压抑制器 （ transient voltage suppressor，
（ 军械工程学院 静电与电磁防护研究所，石家庄 050003 ） 摘要： 瞬态电压抑制管 （ TVS） 是电子线路设计中常用的静电放电 （ ESD ） 防护器件， 其可 靠性将直接影响整个电路的安全 。选取常见的 TVS 器件 PESD5V0U1BA 进行研究，通过实验和仿 真分析了 TVS 器件的短路失效机理及其影响。 研究表明， 当 TVS 器件注入高压时， 器件存在缺 陷的 SiO2 层会发生自愈性击穿。当器件的 pn 结发生击穿时，器件将失效。如果两个 pn 结都被击 V 曲线表现为电阻特性。当 TVS 器件出现损伤后，器件仍具有箝位作用，且其表现 穿，器件的 I的箝位电压更低，但由于器件的漏电流发生较大的增长 ，将影响被保护电路的正常工作。 关键词： 瞬态电压抑制管 （ TVS） ； 失效模式； 漏电流； 二次击穿 中图分类号： TM866 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 353X （ 2011） 12 － 0962 － 06
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 DOI： 10. 3969 / j. issn. 1003 － 353x. 2011. 12. 014
封装、 检测与设备 Package， Test and Equipment
典型 ESD 防护器件失效机理研究
王振兴，武占成，张希军，刘进
Abstract： Transient voltage suppression （ TVS） is used commonly in electronic circuit design as the ESD protection device，and its reliability would greatly impact on the safety of the whole circuit． The bidirectional TVS device PESD5V0U1BA is researched，the short － circuit failure mechanism of the device and its effects were researched by experiment and simulation． The results show that while the TVS device is applied high voltage，the SiO2 with defects would occur selfhealing punch － through； when the pn junctions of the device is punchthroughed，the TVS device would failure． After the two pn junctions of the TVS device are both punchthroughed，its IV characteristic would performance as the resistance characteristic． While the TVS device is failure，its clamp function can still be observed，and the clamp voltage is even lower，but the leakage current of the device has increased and it would influence the normal working of the protected circuit． Key words： transient voltage suppression （ TVS ） ； failure model； leakage current； second breakdown EEACC： 2000
