1 引言

手機(jī)及其附屬產(chǎn)品因其用量大而備受關(guān)注，用戶對(duì)手機(jī) CPU 處理速度、大容量電池、輕薄小型化等方面的要求，先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片工藝、高端的制造工藝和高效的組裝技術(shù)等都在手機(jī)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)下快速發(fā)展。隨著芯片工藝技術(shù)、高速快充技術(shù)、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(qiáng)電路系統(tǒng)中 EOS 保護(hù)變得至關(guān)重要。

電池容量設(shè)計(jì)的越來(lái)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(lái)越高，為保護(hù)正向浪涌和負(fù)向浪涌，要求使用瞬態(tài)抑制二極管 TVS（Transient Voltage Suppressor）的正負(fù)向浪涌的鉗位電壓均低于被保護(hù)器件的浪涌極限耐壓，因此大部分電源和充電端口的保護(hù)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(kuò)散工藝制作的單向負(fù)阻 TVS 器件成為最有效的解決方案。在保護(hù)充電 IC 芯片時(shí)，單向負(fù)阻 TVS 配合 OVP 器件能夠達(dá)到正向浪涌鉗位電壓和負(fù)向浪涌鉗位電壓超低的效果，對(duì)后端各類 IC 芯片提供很好的保護(hù)作用。

2 單向保護(hù)器件

VBUS 端口一般的工作電壓為 12～26 V，要求對(duì)其保護(hù)的 TVS 擊穿電壓較高，芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)需要選用外延層濃度較低的材料，由于空間電荷區(qū)的關(guān)系，擊穿方向器件的動(dòng)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?qū)ǚ较颍溷Q位電壓符合要求。單向保護(hù)器件結(jié)構(gòu)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(biāo)產(chǎn)品的封裝形式為 DFN2020，通常采用點(diǎn)膠的上芯工藝，N 襯底 TVS 芯片點(diǎn)膠上芯后封裝示意圖中，TVS 芯片的N襯底通過(guò)導(dǎo)電膠與載體黏合在一起，為了避免產(chǎn)品因?yàn)橐缒z和上芯偏移而導(dǎo)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(diǎn)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(jié)是由 N 外延層與 P 擴(kuò)散區(qū)組成，位于器件頂部，不會(huì)出現(xiàn)短路問(wèn)題。

3 雙向保護(hù)器件

使用雙向擴(kuò)散的薄襯底片結(jié)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(jìn)行工藝加工的外延片工藝流程，薄襯底片結(jié)合涂源擴(kuò)散工藝可以實(shí)現(xiàn)正反兩面深度達(dá) 20～50μm 的 PN 結(jié)。通過(guò)控制推結(jié)溫度和時(shí)間，獲得合適的結(jié)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(dá)到理想值。作為 TVS 應(yīng)用時(shí)，NPN 結(jié)構(gòu)擊穿不同于 PN 結(jié)擊穿，其負(fù)阻特性和極低的動(dòng)態(tài)電阻，可以使得 NPN 結(jié)構(gòu) TVS 鉗位電壓遠(yuǎn)低于 PN 結(jié) TVS 鉗位電壓，達(dá)到目標(biāo)要求的范圍內(nèi)。圖 4 為雙向 TVS 電路圖。

在消費(fèi)電子應(yīng)用及封裝小型化時(shí)，圖 5 結(jié)構(gòu)遇到了第一個(gè)問(wèn)題，其隔離使用的磷硅玻璃（PSG）含有有害物質(zhì)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(guò)在背面設(shè)計(jì)氧化層圖形，實(shí)現(xiàn) N+ 電極的引出與 P+ 保護(hù)環(huán)的隔離。

遇到的第二個(gè)問(wèn)題是短路問(wèn)題，NPN 結(jié)構(gòu) TVS 芯片的一個(gè) PN 結(jié)是由襯底與底部N擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了隔離，但是在封裝時(shí)卻出現(xiàn)短路問(wèn)題。芯片背面目標(biāo)引出的電極是背面 N+，但是由于在黏片時(shí)，柔性的導(dǎo)電膠在芯片放置時(shí)壓力的作用下會(huì)出現(xiàn)溢膠，在芯片側(cè)面爬升，未被保護(hù)的芯片側(cè)面通過(guò)導(dǎo)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(guò)改善導(dǎo)電膠涂鍍方式，改善短路問(wèn)題。使用刷膠方式，導(dǎo)電膠到達(dá)芯片邊緣即停止，導(dǎo)電膠不向芯片側(cè)面爬升。但無(wú)論是磷硅玻璃隔離還是氧化層隔離均會(huì)出現(xiàn)劃片道崩邊或劃片道硅層裸漏的問(wèn)題，使得雖然經(jīng)過(guò)很好控制的導(dǎo)電膠仍會(huì)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(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，意外的短路現(xiàn)象可以獲得單向負(fù)阻特性的 TVS，該結(jié)構(gòu)在具有雙向 TVS 二極管低鉗位電壓和低擊穿電壓優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又具有單向 TVS 二極管負(fù)向浪涌鉗位電壓低的優(yōu)點(diǎn)。因此，考慮使用穩(wěn)定的金屬接觸代替意外的導(dǎo)電膠與裸硅短路形成單向負(fù)阻特性的 TVS。

4 單向負(fù)阻TVS器件

綜合考慮客戶端應(yīng)用，并分析了單向 TVS 的優(yōu)缺點(diǎn)和雙向 TVS 保護(hù)器件封裝小型化過(guò)程中，隔離方案與封裝膠水搭配出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了帶負(fù)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(guò)金屬層將背面電極 N+ 與保護(hù)環(huán) P+ 短路，形成單向負(fù)阻 TVS 器件，電路圖如圖 11。

二極管 Z1 和 Z2 為負(fù)阻特性的 NPN 結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)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(shí)，由于 NPN 穿通后的負(fù)阻效應(yīng)，可以極大地降低鉗位電壓，對(duì)于消費(fèi)電子設(shè)備充電電路中的充電 IC 和電池端口 IC 具有優(yōu)秀的保護(hù)功能；背面 P+、P 型硅襯底、背面 N 型擴(kuò)散區(qū)域構(gòu)成二極管 D1，負(fù)責(zé)負(fù)向浪涌電流，即正向?qū)ǚ较虻碾姾尚狗拧?/p>

協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)正背面 N+ 與 P+ 的面積使得正負(fù)向浪涌能力均衡。其中值得注意的需要精細(xì)設(shè)計(jì) N+ 與 P+ 的間距，間距過(guò)小會(huì)干擾穿通擊穿與雪崩擊穿的開(kāi)啟關(guān)系，間距過(guò)大會(huì)損失浪涌能力。

單向負(fù)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(diǎn)，又具有單向 TVS 二極管負(fù)向浪涌鉗位電壓超低的優(yōu)點(diǎn)，在保護(hù)后端 IC 芯片時(shí)，正向浪涌鉗位電壓和負(fù)向浪涌鉗位電壓均比較低，對(duì)后端芯片能夠起到更好的保護(hù)作用。

5 導(dǎo)電膠電阻率和熱阻分析對(duì)比

因?yàn)楫a(chǎn)品的功能為浪涌防護(hù)，浪涌電流峰值為 200 A，計(jì)算可知，導(dǎo)電路徑上每增加 1 MΩ 的電阻會(huì)導(dǎo)致 0.2 V 的鉗位電壓的升高，即導(dǎo)電膠電阻率會(huì)影響到產(chǎn)品的鉗位電壓。另外，因?yàn)閷?dǎo)電膠上存在電阻，也會(huì)因浪涌電流的通過(guò)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(dǎo)電膠的熱阻。如果熱量不能及時(shí)傳遞，熱量產(chǎn)生的局部高溫會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電膠中材質(zhì)氣化，最終導(dǎo)致封裝體炸裂。

使用導(dǎo)電膠或者刷膠黏片的示意圖如圖 12、圖 13。對(duì)兩種上芯工藝的四種膠水進(jìn)行了參數(shù)對(duì)比和浪涌測(cè)試對(duì)比，結(jié)果列于表 2。

使用刷膠膠水 8008MD 的產(chǎn)品浪涌測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)， 50% 的測(cè)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?yàn)橐韵聝煞矫妫海?）膠水的發(fā)熱主要來(lái)自它自身的電阻發(fā)熱；（2）介質(zhì)不能夠及時(shí)散熱。

發(fā)熱能力公式如式（1）。

（1）

熱導(dǎo)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(guò)膠水的電流。當(dāng)產(chǎn)品封裝完成時(shí)，成品的 L、I 和 S 是固定不變的，此時(shí) E1 與 ρ 成正比，ρ 越大發(fā)熱量越大，8008MD 的 ρ 值遠(yuǎn)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(shí)間，K 為熱導(dǎo)率，L 為散熱長(zhǎng)度，S 為散熱面積，△T 為溫度差。熱導(dǎo)率 K 主要反應(yīng)介質(zhì)散熱能力，其定義是指當(dāng)溫度垂直向下梯度為 1 ℃/m 時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位水平截面積所傳遞的熱量。散熱公式可以得到，當(dāng)產(chǎn)品封裝完成時(shí)，成品的浪涌沖擊時(shí)間 t 和 S、L、△T 是固定的，此時(shí) 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?yàn)橐缒z和上芯偏移而導(dǎo)致的不良情況，點(diǎn)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(wèn)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(diǎn)膠膠水能力相當(dāng)?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(jié)語(yǔ)

分析了單向 TVS 的優(yōu)缺點(diǎn)和雙向 TVS 保護(hù)器件封裝小型化過(guò)程中，隔離方案與封裝膠水搭配出現(xiàn)的問(wèn)題，綜合考慮客戶端應(yīng)用，提出了帶負(fù)阻特性的單向 TVS 器件。對(duì)比分析幾種膠水對(duì)產(chǎn)品的影響，并最終選擇配合刷膠膠水應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中。