论双向瞬态电压抑制二极管产品结构设计

昝超鑫

摘要：半导体器件的设计决定着产品生产后的可靠性。在进行产品设计时需要具有一定的前瞻性，并与产品的生产工艺相结合，才能保证生产的产品的高可靠性。双向瞬态电压抑制二极管产品在交流电路中，可以吸收正反两个方向的瞬时大脉冲功率，应用十分方便，被广泛选用。如何对双向瞬态电压抑制二极管进行正确的结构设计，对产品是否具有高可靠性至关重要。

1引言

瞬態电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor Diode，简称TVS）在各种电子线路中作保护作用。当电路中突然出现大脉冲功率时，TVS工作阻抗可以降低到允许大电流通过，并把电压箝位到一定水平，从而避免电子线路中的精密元器件损坏。双线TVS多应用于交流电路，单向TVS多应用于直流电路。

从特性曲线上看，双向TVS特性曲线如同两只单向的TVS背靠背组合，正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性。特性曲线图如图1所示：

2结构设计

2.1 2颗单向瞬态管芯片背靠背叠加

从特性曲线上分析，双向TVS可以采用两颗单向TVS芯片背靠背叠加

进行设计。单向TVS芯片结构如图2所示，一般采用台面结构，通过扩散，在芯片上形成PN结，并进行玻璃内钝化。达到保护芯片PN结的作用。

采用两颗单向TVS芯片背靠背组合可以构成双向TVS管结构，如图3所示：

2.2 采用单颗双向TVS管芯片

目前市场上常见的双向TVS芯片采用的也是台面结构，在生产过程中通过对芯片进行双面扩散，从而在芯片形成上下两个PN结，并在芯片周围进行玻璃内钝化，达到保护芯片PN结的作用。由于两个PN结中间都为P层或都为N层，因此形成两个PN接背对背的结构，从而实现该芯片可以进行正反两个方向抑制大功率的功效。双向TVS芯片结构件图4：

采用双向TVS芯片结构设计见图5：

3结构验证

3.1结构1验证

笔者按图3和图5的设计结构各生产了50只双向TVS产品，然后对产品性能分别进行测试，筛选，淘汰情况见下表：

结合上述试验情况，图3的双向TVS设计结构产品可靠性较高，图5的双向TVS结构设计可靠性较差。不建议采用。

3.2图5建设及结构分析

根据试验情况，笔者对图5的结构进行分析，发现芯片下PN结在受到温度应力后容易失效，且在筛选中不能完全剔除。所以图5结构在芯片下PN接触存在设计不合理的问题。

一般双向顺瞬态管结构通过采用焊料将双向瞬态管芯片与零件连接起来，并在芯片上使用焊料连接电极片（增加产品瞬态吸收功率）。连接的方式一般是采用烧结的方式。但是容易引起芯片下PN结钝化层被焊料包裹，从而形成应力，使产品性能不稳定。也是造成图5结构可靠性差的主要原因。

3.3双向TVS芯片合理设计

针对上述分析，笔者对图5结构进行改进，在芯片下方增加凸台结构，从而避免了焊料对芯片下PN结 的包裹从而解决了该缺陷问题，更改后的结构件图6：

通过对图6结构验证，图6结构同样具有较高的可靠性。产品结构设计合理。

结论

通过上述结构设计和结构验证，两颗单向TVS芯片和单颗双向TVS芯片都可以实现双向TVS功能要求。双向TVS芯片在设计时要注意芯片下PN结设计，避免存在结构缺陷，导致产品可靠性较差。在产品设计时一定要做好相关验证工作，并根据自身工艺条件，选择适合自己的产品结构设计。

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