tvs二極管怎么判斷好壞 TVS二極管失效分析

TVS（Transient Voltage Suppressor）二極管，即瞬態(tài)抑制二極管，是一種用于保護(hù)電子設(shè)備免受瞬態(tài)過電壓（如雷擊、靜電放電等）損害的重要元件。判斷TVS二極管的好壞，通常需要從外觀檢查、電氣特性測(cè)試以及實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)等多個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估。以下是對(duì)如何判斷TVS二極管好壞的介紹：

一、外觀檢查

1. 包裝與引腳 ：
   • 檢查TVS二極管的包裝是否完好，焊盤和引腳是否無損、無遺漏或變形。
   • 注意引腳是否有彎曲、斷裂或氧化現(xiàn)象，這些都可能影響TVS二極管的性能。
2. 外殼與標(biāo)記 ：
   • TVS二極管的外殼通常由塑料或金屬制成，應(yīng)檢查外殼是否有裂紋、刮擦或其他物理損傷。
   • 檢查外殼上印刷的型號(hào)、品牌標(biāo)志等是否清晰可辨，無模糊或印刷深淺不一的情況。
3. 封裝氣密性 ：
   • 使用放大鏡仔細(xì)檢查封裝是否具備良好的氣密性，觀察封裝內(nèi)部是否有氣泡、殘留物或其他外來物質(zhì)。這些現(xiàn)象可能表明封裝存在缺陷或生產(chǎn)過程中的問題。

二、電氣特性測(cè)試

1. 阻抗測(cè)量 ：
   • 使用萬用表或示波器等工具測(cè)量TVS二極管的阻抗。通過正向、反向電壓斬波來測(cè)量其Zener電阻，并與規(guī)格書上的數(shù)值進(jìn)行比較。如果阻抗值偏離正常范圍，可能表明TVS二極管已損壞或性能下降。
2. 電壓測(cè)量 ：
   • 施加不同的電壓到TVS二極管上，觀察其響應(yīng)情況。逐步增加電壓并監(jiān)測(cè)電流和電壓之間的關(guān)系。如果在達(dá)到規(guī)定電壓時(shí)，電流急劇增加或電壓無法繼續(xù)增加，這可能表明TVS二極管已損壞或失去保護(hù)功能。
3. 耐壓能力測(cè)試 ：
   • TVS二極管的一個(gè)重要功能是保護(hù)其他電子元件免受瞬態(tài)過電壓的影響。因此，測(cè)試其耐壓能力至關(guān)重要。通過施加超過其額定工作電壓的瞬態(tài)高壓來測(cè)量TVS二極管的響應(yīng)。如果TVS二極管能快速響應(yīng)、分流并保持過電壓在安全范圍內(nèi)，說明其具備很好的瞬態(tài)抑制能力。
4. 線性特性測(cè)試 ：
   • 將TVS二極管接在一定電壓下，并逐漸增加電流，觀察其線性特性。如果響應(yīng)滿足數(shù)據(jù)手冊(cè)上的參數(shù)和曲線，說明其線性特性良好。線性特性好的TVS二極管在保護(hù)電路時(shí)能夠提供更穩(wěn)定的性能。

三、實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)

1. 功能驗(yàn)證 ：
   • 將TVS二極管安裝在設(shè)計(jì)的電路中進(jìn)行功能驗(yàn)證。模擬實(shí)際工作中可能遇到的電壓沖擊，觀察TVS二極管是否能有效抑制高電壓并保護(hù)關(guān)鍵元件。這是評(píng)估TVS二極管性能最直接的方法之一。
2. 長期可靠性測(cè)試 ：
   • 長時(shí)間運(yùn)行電路以檢查TVS二極管是否存在過熱或性能下降的問題。長期可靠性測(cè)試能夠反映TVS二極管在實(shí)際工作環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐久性。

四、其他注意事項(xiàng)

1. 參考規(guī)格書 ：
   • 在判斷TVS二極管好壞時(shí)，應(yīng)參考相應(yīng)的規(guī)格書或數(shù)據(jù)手冊(cè)。不同型號(hào)和品牌的TVS二極管其特性和參數(shù)可能會(huì)有所不同。因此，了解并遵循規(guī)格書上的要求對(duì)于準(zhǔn)確判斷TVS二極管的好壞至關(guān)重要。
2. 專業(yè)測(cè)試設(shè)備 ：
   • 盡可能使用專業(yè)的測(cè)試設(shè)備來進(jìn)行電氣特性測(cè)試。專業(yè)的測(cè)試設(shè)備能夠提供更準(zhǔn)確、更可靠的測(cè)試結(jié)果有助于更準(zhǔn)確地判斷TVS二極管的好壞。
3. 定期維護(hù)檢查 ：
   • 在TVS二極管的使用過程中應(yīng)定期進(jìn)行性能檢查和更換。特別是在惡劣的工作環(huán)境下更應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)和檢查以確保電路的長期安全和穩(wěn)定。

五、TVS二極管失效分析

1 過電應(yīng)力

當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量超過 TVS 所能承受能量時(shí)會(huì)引起 TVS 器件過電應(yīng)力損傷，特別是當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量達(dá)到 TVS 所能承受能量的數(shù)倍時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致 TVS 器件過電應(yīng)力燒毀，失效模式表現(xiàn)為短路。過電應(yīng)力短路失效的 TVS 芯片在掃描電鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn) pn 結(jié)表面邊緣的熔融區(qū)域或體內(nèi)硅片的上表面和下表面的黑斑。

試驗(yàn)表明，發(fā)生在結(jié)表面邊緣過電應(yīng)力短路失效通常是由持續(xù)時(shí)間極短（ns 級(jí)）的高能量瞬態(tài)脈沖所致，例如：EMP、ESD 產(chǎn)生的脈沖；體內(nèi)過電應(yīng)力失效通常是由持續(xù)時(shí)間稍長（μs 級(jí)以上）高能量脈沖所致，例如：電快速瞬變，雷電產(chǎn)生的脈沖。如果高能量瞬態(tài)脈沖持續(xù)時(shí)間介于 ns 級(jí)和 μs 級(jí)之間，則短路可能發(fā)生在結(jié)邊緣表面，也可能發(fā)生在體內(nèi)。這一結(jié)果可通過熱傳導(dǎo)速率、硅和電極金屬的熔融溫度得到解釋。如圖5所示，pn 結(jié)邊緣到熱沉的傳熱路徑比體內(nèi)長，傳熱較體內(nèi)慢，因此結(jié)邊緣溫度比體內(nèi)高。持續(xù)時(shí)間極短（ns 級(jí)）的高能量瞬態(tài)脈沖使邊緣溫度急劇升高，導(dǎo)致邊緣熱擊穿而燒毀。而持續(xù)時(shí)間較長（μs 以上）脈沖使邊緣熱量有足夠的時(shí)間傳至芯片中心周圍。隨著芯片溫度的升高，芯片中心周圍產(chǎn)生熔融通道。當(dāng)熔融從芯片的一表面延伸到另一表面時(shí)，硅片溫度超過1400 ℃，處于熔融和非晶狀態(tài)，成為導(dǎo)體，形成導(dǎo)電通路，使芯片短路。如果脈沖持續(xù)時(shí)間達(dá)到ms 級(jí)，例如，雷電產(chǎn)生的脈沖，還會(huì)使鉛錫焊料達(dá)到700 ℃以上而發(fā)生熔融。

2 高溫

當(dāng) TVS 器件工作溫度超過其最大允許工作溫度時(shí)，易發(fā)生短路失效且通常發(fā)生在pn 結(jié)表面。這是因?yàn)?，在高溫條件工作下，表面可動(dòng)離子的數(shù)量大大增加，表面電流也隨之增大，表面功率密度和溫度比體內(nèi)高，使 pn 結(jié)邊緣結(jié)溫超過 200℃，邊緣局部區(qū)域晶格遭受致命性的損壞。TVS 在高溫反偏篩選中短路失效情況統(tǒng)計(jì)表明：高擊穿電壓（150 V 以上）TVS 器件更容易發(fā)生短路失效。這是因?yàn)樵谙嗤~定功率的 TVS 系列中，在承受相同功率時(shí)，高擊穿電壓 TVS 芯片溫升更高。

3 長時(shí)間工作耗損

對(duì)篩選合格的 TVS 器件進(jìn)行浪涌壽命試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) TVS 器件經(jīng)過成千上萬次標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)脈沖（所能承受的浪涌脈沖次數(shù)與質(zhì)量等級(jí)相關(guān)）沖擊后失效，失效模式通常為短路。對(duì)失效樣品進(jìn)行解剖后，在掃描電鏡下觀察芯片，發(fā)現(xiàn)結(jié)邊緣發(fā)生熔融現(xiàn)象和結(jié)邊緣焊料結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，且結(jié)最邊緣處最為嚴(yán)重。失效機(jī)理可能結(jié)邊緣焊料形成金屬化合物而脆化，使管芯與底座熱沉逐漸分離，結(jié)邊緣的散熱能力降低，長時(shí)間工作結(jié)溫持續(xù)增大導(dǎo)致過熱燒毀。

內(nèi)在質(zhì)量因素引起 TVS 短路失效的機(jī)理主要是 TVS 制造工藝過程造成的芯片缺陷或損傷使 TVS 在承受脈沖沖擊時(shí)芯片局部電流集中，導(dǎo)致芯片局部過熱而燒毀。引發(fā) TVS 短路的使用因素主要有過電應(yīng)力、高溫和長時(shí)間使用耗損。在 TVS 實(shí)際使用中，TVS 短路失效可能是各種因素綜合作用的結(jié)果。

要減少 TVS短路失效，首先應(yīng)加強(qiáng) TVS 制造工藝過程的控制，尤其是對(duì)燒焊、臺(tái)面成型、堿腐蝕清洗、摻雜等工藝過程的控制，以減少或消除TVS 的固有缺陷。例如：國際上采用先進(jìn)的燒焊工藝已能將空洞面積控制在 10 %以下，采用離子注入摻雜能對(duì)摻雜過程進(jìn)行更好的控制，這些都大大提高了 TVS 的可靠性。其次，做到 TVS 的正確選型與安裝，最好對(duì) TVS 進(jìn)行降額使用，這樣可使 TVS 承受的功率較小，使用可靠性大大增加。此外，為使 TVS 發(fā)生短路失效時(shí)對(duì)被保護(hù)電子設(shè)備的影響降到最低，通常可在 TVS 前串接一條與之匹配的保險(xiǎn)絲。

綜上所述，判斷TVS二極管的好壞需要從外觀檢查、電氣特性測(cè)試以及實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)等多個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估。通過綜合應(yīng)用這些方法可以更準(zhǔn)確地了解TVS二極管的性能狀況從而及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行修復(fù)或更換。