论文部分内容阅读
摘 要：瞬变电压抑制二极管寿命试验后关键电参数漂移，指器件在经过高温反偏和反向浪涌电流后击穿电压VBR与漏电流IR的变化率与变化量。电参数的漂移，反映了器件的稳定性，也是器件可靠性的表现之一。
关键词：瞬态管 三温测试
一 引言
瞬变电压抑制二极管三温测试时关键电参数有击穿电压VBR和漏电流IR两个量。关键电参数漂移直接反映器件电参数的温度稳定性，其值越小时器件温度稳定性也越好，使用环境也更广。
二 击穿电压VBR自身温度漂移
二极管PN结本生具有一定的温度系数，正向压降VF为负温度系数，反向击穿电压VBR具有正温度系数，击穿电压的漂移系数约为1.7mV/℃。温度越高时，击穿电压VBR越大，这是硅材料PN结的物理特性之一，对单个硅PN结而言，该漂移无法消除。
瞬变电压抑制二极管实际器件和理想PN之间存在一定的差异，主要表现在实际器件存在很多寄生效应上，如：欧姆结电阻、体电阻、电容效应、台面漏电流、封装材料绝缘电阻等。当电阻与二极管串联，流过一定电流时，两端的压降也越大。因此，减少上述串联电阻可以降低击穿电压VBR的温度漂移。
图中，D为理想PN结，R1为铜引线电阻，R2为金属半导体接触电阻，R3为硅片P结与N结体电阻之和，R4为焊料电阻，R5为PN结台面保护材料的绝缘电阻，R6为污染粒子形成的导电通道等效电阻之和，R7为电极绝缘材料玻璃绝缘子的绝缘电阻，要减少二极管D的击穿电压温度偏移，要求与二极管D串联的电阻越小越好，与之并联的电阻越大越好。
①引线电阻R1
铜引线电阻，金属材料电阻率极小，串联总电阻值小于0.1欧，温度变化时，其电阻变化小，可以忽略。
②金属半导体接触电阻R2与体电阻R3
金属半导体接触电阻指欧姆结电阻，主要是N结和P结中重参杂部分（用N+和P+表示），R2为金属电极与硅片接触部分的串联电阻之和。硅片体电阻指芯片中N区和P区（用N和P表示）的串聯电阻之和。
芯片体电阻R3是指芯片中的N区和P区电阻之和，该区域越短，电阻越小，主要由芯片厚度决定。同样，N+区域和P+区域增大时，可以缩短N区和P区，但由于N+区域和P+区域也存在一定电阻，因此改善不大，当减小硅片厚度时，硅片容易碎裂，因此体电阻不能减小。
③焊料电阻R4
芯片与金属电极在烧焊时通过铅锡银焊片相连，由于粘接面积均大于90%以上，其接触电阻极小，可以忽略。
④PN结台面保护材料电阻R5、电极绝缘电阻R7
PN结台面保护材料指PN结耗尽区裸露部分的保护材料，保护材料有硅橡胶、玻璃、氧化层等，它们均属于绝缘材料，电阻值极大，可以忽略其温度变化时带来的阻值变化。
⑤PN结耗尽区中污染粒子形成的导电通道电阻值之和R6
该电阻并联在二极管D的两端，由可移动污染粒子总数和PN结环境温度共同决定。可移动污染粒子总数，是一个变量，它们沾污在PN结耗尽区裸露部分，由空气、芯片装载体、清洗液中的污染粒子引入。当PN结污染粒子未清洗干净、PN结保护材料性能不稳定、PN结保护材料老化时，PN结两端的可移动导电粒子数均会上升，上述现象越严重，增加的粒子数越多，并联电阻也减少，对外表现为击穿电压VBR温度漂移也越大。
由上述分析可知，要减小瞬态管反向击穿电压的漂移，需要降低芯片的欧姆结电阻和增加PN结保护材料的稳定性。
三 漏电IR温度漂移的影响因素
根据半导体理论，PN结反向漏电流应维持在一个固定值上，实际器件由于其他半导体效应的影响会偏离理论值，表现为实际值大于理论值，这些效应包括表面效应、势垒区中的产生和复合、大注入条件、串联电阻，试验表明，这些效应在实际器件中对漏电流漂移的影响较小。瞬态管漏电流是PN结自身漏电流与PN结表面漏电流之和。
① PN结漏电流
PN结漏电流是PN结特性之一，是由载流子浓度差引起的扩散运动和外加电场作用引起的漂移运动共同作用的结果。随温度的升高，该漏电流随之增大，但反偏电压、环境温度一定时，PN结漏电流应维持在一定范围，有小范围波动，且该参数作为PN结基本特性之一，无法消除。
② PN结表面漏电流
表面漏电流指PN结耗尽区表面由可移动导电粒子形成的电流。该电流大小取决于污染粒子总数、反偏电压大小、环境温度。常温时，大部分污染粒子被束缚在体内无法移动。随着温度升高时，污染粒子的能量也开始增加，粒子自身振动变得更剧烈，表现得更活跃。同时，高温条件下，PN结钝化保护材料的稳定性开始下降，此消彼长，最终表现是，同一反偏电压下，高温漏电IR2远大于常温漏电IR1。
从上述分析可知，要减小漏电流的温度漂移，首先要减少PN结被可移动导电粒子污染的可能，要求芯片生产在无尘环境下进行，且减少PN结表面暴露在空气中的时间。其次，要求PN结钝化保护材料具有较高的温度稳定性和粒子束缚能力。
四 降低三温漂移的措施
扩散工艺、PN结保护工艺均会导致瞬态管在三温测试时电参数发生较大漂移。改善或改变两个工序，采用更新更可靠的技术制作芯片，可以降低三温测试时关键电参数的漂移。
① 纸源扩散代替涂源扩散
纸源扩散，采用纸状扩散源来进行扩散。纸源是将扩散源制作成固态纸状源，扩散时放置于硅片上直接进行扩散，纸源扩散最大优势是可以保证扩散源浓度一致性好，在同一扩散条件下，可以得到较为一致的结深和较小的欧姆接触电阻，纸源扩散后的硅片见下图，A区与B区结深及欧姆结电阻基本一致。
纸源扩散的另一个优势是可以同时进行磷扩散和硼扩散，将原来的二次扩散合并为一次扩散，操作简单，减少硅片反复处于高温状态后带来的晶格缺陷，提高产品可靠性。
②玻璃内钝化保护代替涂胶保护
玻璃内钝化工艺，是半导体分立器件PN结保护主要工艺之一。其工艺流程为：在扩散完成的硅片上刻蚀玻璃粉涂覆槽，将配制好的玻璃浆涂覆在槽内，再通过一定温度成型。用玻璃内钝化来保护PN结表面。玻璃粉主要组成成分是硅的化合物，可以很容易与硅材料匹配，同时玻璃粉为非晶结构，在成型时对PN结表面的污染粒子具有极强的吸附能力，成型后的玻璃结构也更稳定，不容易出现老化。
五 结论
在瞬态电压抑制二极管制作过程中，采用纸状源进行磷硼扩散，同时采用玻璃内钝化工艺，将有助于降低瞬态管三温漂移，提高器件温度稳定性和可靠性。
关键词：瞬态管 三温测试
一 引言
瞬变电压抑制二极管三温测试时关键电参数有击穿电压VBR和漏电流IR两个量。关键电参数漂移直接反映器件电参数的温度稳定性，其值越小时器件温度稳定性也越好，使用环境也更广。
二 击穿电压VBR自身温度漂移
二极管PN结本生具有一定的温度系数，正向压降VF为负温度系数，反向击穿电压VBR具有正温度系数，击穿电压的漂移系数约为1.7mV/℃。温度越高时，击穿电压VBR越大，这是硅材料PN结的物理特性之一，对单个硅PN结而言，该漂移无法消除。
瞬变电压抑制二极管实际器件和理想PN之间存在一定的差异，主要表现在实际器件存在很多寄生效应上，如：欧姆结电阻、体电阻、电容效应、台面漏电流、封装材料绝缘电阻等。当电阻与二极管串联，流过一定电流时，两端的压降也越大。因此，减少上述串联电阻可以降低击穿电压VBR的温度漂移。
图中，D为理想PN结，R1为铜引线电阻，R2为金属半导体接触电阻，R3为硅片P结与N结体电阻之和，R4为焊料电阻，R5为PN结台面保护材料的绝缘电阻，R6为污染粒子形成的导电通道等效电阻之和，R7为电极绝缘材料玻璃绝缘子的绝缘电阻，要减少二极管D的击穿电压温度偏移，要求与二极管D串联的电阻越小越好，与之并联的电阻越大越好。
①引线电阻R1
铜引线电阻，金属材料电阻率极小，串联总电阻值小于0.1欧，温度变化时，其电阻变化小，可以忽略。
②金属半导体接触电阻R2与体电阻R3
金属半导体接触电阻指欧姆结电阻，主要是N结和P结中重参杂部分（用N+和P+表示），R2为金属电极与硅片接触部分的串联电阻之和。硅片体电阻指芯片中N区和P区（用N和P表示）的串聯电阻之和。
芯片体电阻R3是指芯片中的N区和P区电阻之和，该区域越短，电阻越小，主要由芯片厚度决定。同样，N+区域和P+区域增大时，可以缩短N区和P区，但由于N+区域和P+区域也存在一定电阻，因此改善不大，当减小硅片厚度时，硅片容易碎裂，因此体电阻不能减小。
③焊料电阻R4
芯片与金属电极在烧焊时通过铅锡银焊片相连，由于粘接面积均大于90%以上，其接触电阻极小，可以忽略。
④PN结台面保护材料电阻R5、电极绝缘电阻R7
PN结台面保护材料指PN结耗尽区裸露部分的保护材料，保护材料有硅橡胶、玻璃、氧化层等，它们均属于绝缘材料，电阻值极大，可以忽略其温度变化时带来的阻值变化。
⑤PN结耗尽区中污染粒子形成的导电通道电阻值之和R6
该电阻并联在二极管D的两端，由可移动污染粒子总数和PN结环境温度共同决定。可移动污染粒子总数，是一个变量，它们沾污在PN结耗尽区裸露部分，由空气、芯片装载体、清洗液中的污染粒子引入。当PN结污染粒子未清洗干净、PN结保护材料性能不稳定、PN结保护材料老化时，PN结两端的可移动导电粒子数均会上升，上述现象越严重，增加的粒子数越多，并联电阻也减少，对外表现为击穿电压VBR温度漂移也越大。
由上述分析可知，要减小瞬态管反向击穿电压的漂移，需要降低芯片的欧姆结电阻和增加PN结保护材料的稳定性。
三 漏电IR温度漂移的影响因素
根据半导体理论，PN结反向漏电流应维持在一个固定值上，实际器件由于其他半导体效应的影响会偏离理论值，表现为实际值大于理论值，这些效应包括表面效应、势垒区中的产生和复合、大注入条件、串联电阻，试验表明，这些效应在实际器件中对漏电流漂移的影响较小。瞬态管漏电流是PN结自身漏电流与PN结表面漏电流之和。
① PN结漏电流
PN结漏电流是PN结特性之一，是由载流子浓度差引起的扩散运动和外加电场作用引起的漂移运动共同作用的结果。随温度的升高，该漏电流随之增大，但反偏电压、环境温度一定时，PN结漏电流应维持在一定范围，有小范围波动，且该参数作为PN结基本特性之一，无法消除。
② PN结表面漏电流
表面漏电流指PN结耗尽区表面由可移动导电粒子形成的电流。该电流大小取决于污染粒子总数、反偏电压大小、环境温度。常温时，大部分污染粒子被束缚在体内无法移动。随着温度升高时，污染粒子的能量也开始增加，粒子自身振动变得更剧烈，表现得更活跃。同时，高温条件下，PN结钝化保护材料的稳定性开始下降，此消彼长，最终表现是，同一反偏电压下，高温漏电IR2远大于常温漏电IR1。
从上述分析可知，要减小漏电流的温度漂移，首先要减少PN结被可移动导电粒子污染的可能，要求芯片生产在无尘环境下进行，且减少PN结表面暴露在空气中的时间。其次，要求PN结钝化保护材料具有较高的温度稳定性和粒子束缚能力。
四 降低三温漂移的措施
扩散工艺、PN结保护工艺均会导致瞬态管在三温测试时电参数发生较大漂移。改善或改变两个工序，采用更新更可靠的技术制作芯片，可以降低三温测试时关键电参数的漂移。
① 纸源扩散代替涂源扩散
纸源扩散，采用纸状扩散源来进行扩散。纸源是将扩散源制作成固态纸状源，扩散时放置于硅片上直接进行扩散，纸源扩散最大优势是可以保证扩散源浓度一致性好，在同一扩散条件下，可以得到较为一致的结深和较小的欧姆接触电阻，纸源扩散后的硅片见下图，A区与B区结深及欧姆结电阻基本一致。
纸源扩散的另一个优势是可以同时进行磷扩散和硼扩散，将原来的二次扩散合并为一次扩散，操作简单，减少硅片反复处于高温状态后带来的晶格缺陷，提高产品可靠性。
②玻璃内钝化保护代替涂胶保护
玻璃内钝化工艺，是半导体分立器件PN结保护主要工艺之一。其工艺流程为：在扩散完成的硅片上刻蚀玻璃粉涂覆槽，将配制好的玻璃浆涂覆在槽内，再通过一定温度成型。用玻璃内钝化来保护PN结表面。玻璃粉主要组成成分是硅的化合物，可以很容易与硅材料匹配，同时玻璃粉为非晶结构，在成型时对PN结表面的污染粒子具有极强的吸附能力，成型后的玻璃结构也更稳定，不容易出现老化。
五 结论
在瞬态电压抑制二极管制作过程中，采用纸状源进行磷硼扩散，同时采用玻璃内钝化工艺，将有助于降低瞬态管三温漂移，提高器件温度稳定性和可靠性。