tvs二极管怎么判断好坏 TVS二极管失效分析

科技绿洲 2024-10-06 1350

描述

TVS（Transient Voltage Suppressor）二极管，即瞬态抑制二极管，是一种用于保护电子设备免受瞬态过电压（如雷击、静电放电等）损害的重要元件。判断TVS二极管的好坏，通常需要从外观检查、电气特性测试以及实际应用表现等多个方面进行综合评估。以下是对如何判断TVS二极管好坏的介绍：

一、外观检查

包装与引脚 ：
- 检查TVS二极管的包装是否完好，焊盘和引脚是否无损、无遗漏或变形。
- 注意引脚是否有弯曲、断裂或氧化现象，这些都可能影响TVS二极管的性能。
外壳与标记 ：
- TVS二极管的外壳通常由塑料或金属制成，应检查外壳是否有裂纹、刮擦或其他物理损伤。
- 检查外壳上印刷的型号、品牌标志等是否清晰可辨，无模糊或印刷深浅不一的情况。
封装气密性 ：
- 使用放大镜仔细检查封装是否具备良好的气密性，观察封装内部是否有气泡、残留物或其他外来物质。这些现象可能表明封装存在缺陷或生产过程中的问题。

二、电气特性测试

阻抗测量 ：
- 使用万用表或示波器等工具测量TVS二极管的阻抗。通过正向、反向电压斩波来测量其Zener电阻，并与规格书上的数值进行比较。如果阻抗值偏离正常范围，可能表明TVS二极管已损坏或性能下降。
电压测量 ：
- 施加不同的电压到TVS二极管上，观察其响应情况。逐步增加电压并监测电流和电压之间的关系。如果在达到规定电压时，电流急剧增加或电压无法继续增加，这可能表明TVS二极管已损坏或失去保护功能。
耐压能力测试 ：
- TVS二极管的一个重要功能是保护其他电子元件免受瞬态过电压的影响。因此，测试其耐压能力至关重要。通过施加超过其额定工作电压的瞬态高压来测量TVS二极管的响应。如果TVS二极管能快速响应、分流并保持过电压在安全范围内，说明其具备很好的瞬态抑制能力。
线性特性测试 ：
- 将TVS二极管接在一定电压下，并逐渐增加电流，观察其线性特性。如果响应满足数据手册上的参数和曲线，说明其线性特性良好。线性特性好的TVS二极管在保护电路时能够提供更稳定的性能。

三、实际应用表现

功能验证 ：
- 将TVS二极管安装在设计的电路中进行功能验证。模拟实际工作中可能遇到的电压冲击，观察TVS二极管是否能有效抑制高电压并保护关键元件。这是评估TVS二极管性能最直接的方法之一。
长期可靠性测试 ：
- 长时间运行电路以检查TVS二极管是否存在过热或性能下降的问题。长期可靠性测试能够反映TVS二极管在实际工作环境中的稳定性和耐久性。

四、其他注意事项

参考规格书 ：
- 在判断TVS二极管好坏时，应参考相应的规格书或数据手册。不同型号和品牌的TVS二极管其特性和参数可能会有所不同。因此，了解并遵循规格书上的要求对于准确判断TVS二极管的好坏至关重要。
专业测试设备 ：
- 尽可能使用专业的测试设备来进行电气特性测试。专业的测试设备能够提供更准确、更可靠的测试结果有助于更准确地判断TVS二极管的好坏。
定期维护检查 ：
- 在TVS二极管的使用过程中应定期进行性能检查和更换。特别是在恶劣的工作环境下更应加强维护和检查以确保电路的长期安全和稳定。

五、TVS二极管失效分析

1 过电应力

当瞬态脉冲能量超过 TVS 所能承受能量时会引起 TVS 器件过电应力损伤，特别是当瞬态脉冲能量达到 TVS 所能承受能量的数倍时会直接导致 TVS 器件过电应力烧毁，失效模式表现为短路。过电应力短路失效的 TVS 芯片在扫描电镜下观察，可发现 pn 结表面边缘的熔融区域或体内硅片的上表面和下表面的黑斑。

试验表明，发生在结表面边缘过电应力短路失效通常是由持续时间极短（ns 级）的高能量瞬态脉冲所致，例如：EMP、ESD 产生的脉冲；体内过电应力失效通常是由持续时间稍长（μs 级以上）高能量脉冲所致，例如：电快速瞬变，雷电产生的脉冲。如果高能量瞬态脉冲持续时间介于 ns 级和 μs 级之间，则短路可能发生在结边缘表面，也可能发生在体内。这一结果可通过热传导速率、硅和电极金属的熔融温度得到解释。如图5所示，pn 结边缘到热沉的传热路径比体内长，传热较体内慢，因此结边缘温度比体内高。持续时间极短（ns 级）的高能量瞬态脉冲使边缘温度急剧升高，导致边缘热击穿而烧毁。而持续时间较长（μs 以上）脉冲使边缘热量有足够的时间传至芯片中心周围。随着芯片温度的升高，芯片中心周围产生熔融通道。当熔融从芯片的一表面延伸到另一表面时，硅片温度超过1400 ℃，处于熔融和非晶状态，成为导体，形成导电通路，使芯片短路。如果脉冲持续时间达到ms 级，例如，雷电产生的脉冲，还会使铅锡焊料达到700 ℃以上而发生熔融。
TVS二极管

2 高温

当 TVS 器件工作温度超过其最大允许工作温度时，易发生短路失效且通常发生在pn 结表面。这是因为，在高温条件工作下，表面可动离子的数量大大增加，表面电流也随之增大，表面功率密度和温度比体内高，使 pn 结边缘结温超过 200℃，边缘局部区域晶格遭受致命性的损坏。TVS 在高温反偏筛选中短路失效情况统计表明：高击穿电压（150 V 以上）TVS 器件更容易发生短路失效。这是因为在相同额定功率的 TVS 系列中，在承受相同功率时，高击穿电压 TVS 芯片温升更高。

3 长时间工作耗损

对筛选合格的 TVS 器件进行浪涌寿命试验，发现 TVS 器件经过成千上万次标准指数脉冲（所能承受的浪涌脉冲次数与质量等级相关）冲击后失效，失效模式通常为短路。对失效样品进行解剖后，在扫描电镜下观察芯片，发现结边缘发生熔融现象和结边缘焊料结构发生了变化，且结最边缘处最为严重。失效机理可能结边缘焊料形成金属化合物而脆化，使管芯与底座热沉逐渐分离，结边缘的散热能力降低，长时间工作结温持续增大导致过热烧毁。

内在质量因素引起 TVS 短路失效的机理主要是 TVS 制造工艺过程造成的芯片缺陷或损伤使 TVS 在承受脉冲冲击时芯片局部电流集中，导致芯片局部过热而烧毁。引发 TVS 短路的使用因素主要有过电应力、高温和长时间使用耗损。在 TVS 实际使用中，TVS 短路失效可能是各种因素综合作用的结果。

要减少 TVS短路失效，首先应加强 TVS 制造工艺过程的控制，尤其是对烧焊、台面成型、碱腐蚀清洗、掺杂等工艺过程的控制，以减少或消除TVS 的固有缺陷。例如：国际上采用先进的烧焊工艺已能将空洞面积控制在 10 %以下，采用离子注入掺杂能对掺杂过程进行更好的控制，这些都大大提高了 TVS 的可靠性。其次，做到 TVS 的正确选型与安装，最好对 TVS 进行降额使用，这样可使 TVS 承受的功率较小，使用可靠性大大增加。此外，为使 TVS 发生短路失效时对被保护电子设备的影响降到最低，通常可在 TVS 前串接一条与之匹配的保险丝。

综上所述，判断TVS二极管的好坏需要从外观检查、电气特性测试以及实际应用表现等多个方面进行综合评估。通过综合应用这些方法可以更准确地了解TVS二极管的性能状况从而及时采取相应措施进行修复或更换。

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