一種單向負阻TVS產(chǎn)品設計

1 引言

手機及其附屬產(chǎn)品因其用量大而備受關注，用戶對手機 CPU 處理速度、大容量電池、輕薄小型化等方面的要求，先進的半導體芯片工藝、高端的制造工藝和高效的組裝技術等都在手機產(chǎn)品的驅動下快速發(fā)展。隨著芯片工藝技術、高速快充技術、輕薄小型化要求的提高，EOS 方面可靠性面臨著重大的挑戰(zhàn)，增強電路系統(tǒng)中 EOS 保護變得至關重要。

電池容量設計的越來越大，各種快充方案都在不斷提高充電效率，在充電電路中，充電電流、充電電壓越來越高，為保護正向浪涌和負向浪涌，要求使用瞬態(tài)抑制二極管 TVS（Transient Voltage Suppressor）的正負向浪涌的鉗位電壓均低于被保護器件的浪涌極限耐壓，因此大部分電源和充電端口的保護都趨向于選擇單向 TVS[1-6]。較高的規(guī)格參數(shù)要求，促使雙面擴散工藝制作的單向負阻 TVS 器件成為最有效的解決方案。在保護充電 IC 芯片時，單向負阻 TVS 配合 OVP 器件能夠達到正向浪涌鉗位電壓和負向浪涌鉗位電壓超低的效果，對后端各類 IC 芯片提供很好的保護作用。

2 單向保護器件

VBUS 端口一般的工作電壓為 12～26 V，要求對其保護的 TVS 擊穿電壓較高，芯片設計實現(xiàn)時需要選用外延層濃度較低的材料，由于空間電荷區(qū)的關系，擊穿方向器件的動態(tài)電阻較大，因此器件的鉗位電壓偏高，容易損壞后端 IC 芯片。正向導通方向，其鉗位電壓符合要求。單向保護器件結構示意圖、封裝黏片示意圖和電路示意圖如圖 1、圖 2、圖 3 所示。

目標產(chǎn)品的封裝形式為 DFN2020，通常采用點膠的上芯工藝，N 襯底 TVS 芯片點膠上芯后封裝示意圖中，TVS 芯片的N襯底通過導電膠與載體黏合在一起，為了避免產(chǎn)品因為溢膠和上芯偏移而導致的不良情況，要求芯片邊緣距離載體邊緣大于 100 μm，常規(guī)點膠工藝溢膠控制在芯片厚度的 70% 以下。N 襯底 TVS 芯片的 PN 結是由 N 外延層與 P 擴散區(qū)組成，位于器件頂部，不會出現(xiàn)短路問題。

3 雙向保護器件

使用雙向擴散的薄襯底片結合 SOD123、SMA 等封裝的產(chǎn)品已經(jīng)在 Power TVS、TSS、可控硅等產(chǎn)品中廣泛使用，不同于單面進行工藝加工的外延片工藝流程，薄襯底片結合涂源擴散工藝可以實現(xiàn)正反兩面深度達 20～50μm 的 PN 結。通過控制推結溫度和時間，獲得合適的結深、濃度搭配，使得正面到背面的擊穿電壓及驟回維持電壓達到理想值。作為 TVS 應用時，NPN 結構擊穿不同于 PN 結擊穿，其負阻特性和極低的動態(tài)電阻，可以使得 NPN 結構 TVS 鉗位電壓遠低于 PN 結 TVS 鉗位電壓，達到目標要求的范圍內。圖 4 為雙向 TVS 電路圖。

在消費電子應用及封裝小型化時，圖 5 結構遇到了第一個問題，其隔離使用的磷硅玻璃（PSG）含有有害物質鉛（Pb）。如圖 6，使用氧化層隔離代替槽隔離為優(yōu)選方案，通過在背面設計氧化層圖形，實現(xiàn) N+ 電極的引出與 P+ 保護環(huán)的隔離。

遇到的第二個問題是短路問題，NPN 結構 TVS 芯片的一個 PN 結是由襯底與底部N擴散區(qū)組成，位于芯片的底部，雖然在芯片狀態(tài)使用 PSG 或氧化層實現(xiàn)了隔離，但是在封裝時卻出現(xiàn)短路問題。芯片背面目標引出的電極是背面 N+，但是由于在黏片時，柔性的導電膠在芯片放置時壓力的作用下會出現(xiàn)溢膠，在芯片側面爬升，未被保護的芯片側面通過導電膠和芯片背面電極短路，電路功能異常。

圖 7 為槽隔離的雙向 TVS 器件封裝黏片，圖 8 為氧化層隔離的雙向 TVS 器件封裝黏片。

首先期望通過改善導電膠涂鍍方式，改善短路問題。使用刷膠方式，導電膠到達芯片邊緣即停止，導電膠不向芯片側面爬升。但無論是磷硅玻璃隔離還是氧化層隔離均會出現(xiàn)劃片道崩邊或劃片道硅層裸漏的問題，使得雖然經(jīng)過很好控制的導電膠仍會與硅層連接，出現(xiàn)微短路。如圖 9 為氧化層隔離的雙向 TVS 器件封裝（刷膠方式）黏片示意圖，微短路部分如圖 9 中的圓圈位置。

測試時發(fā)現(xiàn)，意外的短路現(xiàn)象可以獲得單向負阻特性的 TVS，該結構在具有雙向 TVS 二極管低鉗位電壓和低擊穿電壓優(yōu)點的同時，又具有單向 TVS 二極管負向浪涌鉗位電壓低的優(yōu)點。因此，考慮使用穩(wěn)定的金屬接觸代替意外的導電膠與裸硅短路形成單向負阻特性的 TVS。

4 單向負阻TVS器件

綜合考慮客戶端應用，并分析了單向 TVS 的優(yōu)缺點和雙向 TVS 保護器件封裝小型化過程中，隔離方案與封裝膠水搭配出現(xiàn)的問題，提出了帶負阻特性的單向 TVS 器件。如圖 10，取消背面的 PSG 或氧化層隔離，通過金屬層將背面電極 N+ 與保護環(huán) P+ 短路，形成單向負阻 TVS 器件，電路圖如圖 11。

二極管 Z1 和 Z2 為負阻特性的 NPN 結構，負責從 IO1 至 IO2 正向浪涌電流，即反向擊穿方向的電荷泄放路徑，在反向擊穿時，由于 NPN 穿通后的負阻效應，可以極大地降低鉗位電壓，對于消費電子設備充電電路中的充電 IC 和電池端口 IC 具有優(yōu)秀的保護功能；背面 P+、P 型硅襯底、背面 N 型擴散區(qū)域構成二極管 D1，負責負向浪涌電流，即正向導通方向的電荷泄放。

協(xié)調設計正背面 N+ 與 P+ 的面積使得正負向浪涌能力均衡。其中值得注意的需要精細設計 N+ 與 P+ 的間距，間距過小會干擾穿通擊穿與雪崩擊穿的開啟關系，間距過大會損失浪涌能力。

單向負阻 TVS 器件既具有雙向 TVS 二極管低鉗位電壓和低擊穿電壓的優(yōu)點，又具有單向 TVS 二極管負向浪涌鉗位電壓超低的優(yōu)點，在保護后端 IC 芯片時，正向浪涌鉗位電壓和負向浪涌鉗位電壓均比較低，對后端芯片能夠起到更好的保護作用。

5 導電膠電阻率和熱阻分析對比

因為產(chǎn)品的功能為浪涌防護，浪涌電流峰值為 200 A，計算可知，導電路徑上每增加 1 MΩ 的電阻會導致 0.2 V 的鉗位電壓的升高，即導電膠電阻率會影響到產(chǎn)品的鉗位電壓。另外，因為導電膠上存在電阻，也會因浪涌電流的通過產(chǎn)生熱量，熱量是否能夠快速傳遞到框架、塑封體取決于導電膠的熱阻。如果熱量不能及時傳遞，熱量產(chǎn)生的局部高溫會導致導電膠中材質氣化，最終導致封裝體炸裂。

使用導電膠或者刷膠黏片的示意圖如圖 12、圖 13。對兩種上芯工藝的四種膠水進行了參數(shù)對比和浪涌測試對比，結果列于表 2。

使用刷膠膠水 8008MD 的產(chǎn)品浪涌測試時發(fā)現(xiàn)， 50% 的測試樣品塑封體炸裂，炸裂位置為芯片和框架載體之間的膠水的位置，分析其原因為以下兩方面：（1）膠水的發(fā)熱主要來自它自身的電阻發(fā)熱；（2）介質不能夠及時散熱。

發(fā)熱能力公式如式（1）。

（1）

熱導率的散熱公式如式（2）。

（2）

E1 為電阻產(chǎn)生的熱量，ρ 為電阻率，L 為膠水厚度，S 為膠水面積，I 為通過膠水的電流。當產(chǎn)品封裝完成時，成品的 L、I 和 S 是固定不變的，此時 E1 與 ρ 成正比，ρ 越大發(fā)熱量越大，8008MD 的 ρ 值遠大于其他膠水的，其產(chǎn)生熱量最大。

E2 為膠水散掉的熱量，t 為時間，K 為熱導率，L 為散熱長度，S 為散熱面積，△T 為溫度差。熱導率 K 主要反應介質散熱能力，其定義是指當溫度垂直向下梯度為 1 ℃/m 時，單位時間內通過單位水平截面積所傳遞的熱量。散熱公式可以得到，當產(chǎn)品封裝完成時，成品的浪涌沖擊時間 t 和 S、L、△T 是固定的，此時 E2 與 K 成正比，K 越大散熱量越大，成品散熱能力越好。

如前文所述，為了避免產(chǎn)品因為溢膠和上芯偏移而導致的不良情況，點膠工藝中，要求芯片邊緣距離載體邊緣大于 100 μum；刷膠工藝中，不存在溢膠問題，芯片可以和載體尺寸相等，因此刷膠膠水 8008HT 發(fā)熱量和產(chǎn)品散熱與點膠膠水能力相當?shù)那闆r下，可以允許更大的芯片尺寸。

一方面，8008HT 可使得芯片尺寸增大；另一方面，8008HT2V 膠水電阻率略小，兩者比較， 8008HT 增大了芯片尺寸的產(chǎn)品可以獲得更優(yōu)的浪涌能力。

6 結語

分析了單向 TVS 的優(yōu)缺點和雙向 TVS 保護器件封裝小型化過程中，隔離方案與封裝膠水搭配出現(xiàn)的問題，綜合考慮客戶端應用，提出了帶負阻特性的單向 TVS 器件。對比分析幾種膠水對產(chǎn)品的影響，并最終選擇配合刷膠膠水應用于產(chǎn)品設計實現(xiàn)中。