一种单向负阻TVS产品设计

1 引言

手机及其附属产品因其用量大而备受关注，用户对手机 CPU 处理速度、大容量电池、轻薄小型化等方面的要求，先进的半导体芯片工艺、高端的制造工艺和高效的组装技术等都在手机产品的驱动下快速发展。随着芯片工艺技术、高速快充技术、轻薄小型化要求的提高，EOS 方面可靠性面临着重大的挑战，增强电路系统中 EOS 保护变得至关重要。

电池容量设计的越来越大，各种快充方案都在不断提高充电效率，在充电电路中，充电电流、充电电压越来越高，为保护正向浪涌和负向浪涌，要求使用瞬态抑制二极管 TVS（Transient Voltage Suppressor）的正负向浪涌的钳位电压均低于被保护器件的浪涌极限耐压，因此大部分电源和充电端口的保护都趋向于选择单向 TVS[1-6]。较高的规格参数要求，促使双面扩散工艺制作的单向负阻 TVS 器件成为最有效的解决方案。在保护充电 IC 芯片时，单向负阻 TVS 配合 OVP 器件能够达到正向浪涌钳位电压和负向浪涌钳位电压超低的效果，对后端各类 IC 芯片提供很好的保护作用。

2 单向保护器件

VBUS 端口一般的工作电压为 12～26 V，要求对其保护的 TVS 击穿电压较高，芯片设计实现时需要选用外延层浓度较低的材料，由于空间电荷区的关系，击穿方向器件的动态电阻较大，因此器件的钳位电压偏高，容易损坏后端 IC 芯片。正向导通方向，其钳位电压符合要求。单向保护器件结构示意图、封装黏片示意图和电路示意图如图 1、图 2、图 3 所示。

目标产品的封装形式为 DFN2020，通常采用点胶的上芯工艺，N 衬底 TVS 芯片点胶上芯后封装示意图中，TVS 芯片的N衬底通过导电胶与载体黏合在一起，为了避免产品因为溢胶和上芯偏移而导致的不良情况，要求芯片边缘距离载体边缘大于 100 μm，常规点胶工艺溢胶控制在芯片厚度的 70% 以下。N 衬底 TVS 芯片的 PN 结是由 N 外延层与 P 扩散区组成，位于器件顶部，不会出现短路问题。

3 双向保护器件

使用双向扩散的薄衬底片结合 SOD123、SMA 等封装的产品已经在 Power TVS、TSS、可控硅等产品中广泛使用，不同于单面进行工艺加工的外延片工艺流程，薄衬底片结合涂源扩散工艺可以实现正反两面深度达 20～50μm 的 PN 结。通过控制推结温度和时间，获得合适的结深、浓度搭配，使得正面到背面的击穿电压及骤回维持电压达到理想值。作为 TVS 应用时，NPN 结构击穿不同于 PN 结击穿，其负阻特性和极低的动态电阻，可以使得 NPN 结构 TVS 钳位电压远低于 PN 结 TVS 钳位电压，达到目标要求的范围内。图 4 为双向 TVS 电路图。

在消费电子应用及封装小型化时，图 5 结构遇到了第一个问题，其隔离使用的磷硅玻璃（PSG）含有有害物质铅（Pb）。如图 6，使用氧化层隔离代替槽隔离为优选方案，通过在背面设计氧化层图形，实现 N+ 电极的引出与 P+ 保护环的隔离。

遇到的第二个问题是短路问题，NPN 结构 TVS 芯片的一个 PN 结是由衬底与底部N扩散区组成，位于芯片的底部，虽然在芯片状态使用 PSG 或氧化层实现了隔离，但是在封装时却出现短路问题。芯片背面目标引出的电极是背面 N+，但是由于在黏片时，柔性的导电胶在芯片放置时压力的作用下会出现溢胶，在芯片侧面爬升，未被保护的芯片侧面通过导电胶和芯片背面电极短路，电路功能异常。

图 7 为槽隔离的双向 TVS 器件封装黏片，图 8 为氧化层隔离的双向 TVS 器件封装黏片。

首先期望通过改善导电胶涂镀方式，改善短路问题。使用刷胶方式，导电胶到达芯片边缘即停止，导电胶不向芯片侧面爬升。但无论是磷硅玻璃隔离还是氧化层隔离均会出现划片道崩边或划片道硅层裸漏的问题，使得虽然经过很好控制的导电胶仍会与硅层连接，出现微短路。如图 9 为氧化层隔离的双向 TVS 器件封装（刷胶方式）黏片示意图，微短路部分如图 9 中的圆圈位置。

测试时发现，意外的短路现象可以获得单向负阻特性的 TVS，该结构在具有双向 TVS 二极管低钳位电压和低击穿电压优点的同时，又具有单向 TVS 二极管负向浪涌钳位电压低的优点。因此，考虑使用稳定的金属接触代替意外的导电胶与裸硅短路形成单向负阻特性的 TVS。

4 单向负阻TVS器件

综合考虑客户端应用，并分析了单向 TVS 的优缺点和双向 TVS 保护器件封装小型化过程中，隔离方案与封装胶水搭配出现的问题，提出了带负阻特性的单向 TVS 器件。如图 10，取消背面的 PSG 或氧化层隔离，通过金属层将背面电极 N+ 与保护环 P+ 短路，形成单向负阻 TVS 器件，电路图如图 11。

二极管 Z1 和 Z2 为负阻特性的 NPN 结构，负责从 IO1 至 IO2 正向浪涌电流，即反向击穿方向的电荷泄放路径，在反向击穿时，由于 NPN 穿通后的负阻效应，可以极大地降低钳位电压，对于消费电子设备充电电路中的充电 IC 和电池端口 IC 具有优秀的保护功能；背面 P+、P 型硅衬底、背面 N 型扩散区域构成二极管 D1，负责负向浪涌电流，即正向导通方向的电荷泄放。

协调设计正背面 N+ 与 P+ 的面积使得正负向浪涌能力均衡。其中值得注意的需要精细设计 N+ 与 P+ 的间距，间距过小会干扰穿通击穿与雪崩击穿的开启关系，间距过大会损失浪涌能力。

单向负阻 TVS 器件既具有双向 TVS 二极管低钳位电压和低击穿电压的优点，又具有单向 TVS 二极管负向浪涌钳位电压超低的优点，在保护后端 IC 芯片时，正向浪涌钳位电压和负向浪涌钳位电压均比较低，对后端芯片能够起到更好的保护作用。

5 导电胶电阻率和热阻分析对比

因为产品的功能为浪涌防护，浪涌电流峰值为 200 A，计算可知，导电路径上每增加 1 MΩ 的电阻会导致 0.2 V 的钳位电压的升高，即导电胶电阻率会影响到产品的钳位电压。另外，因为导电胶上存在电阻，也会因浪涌电流的通过产生热量，热量是否能够快速传递到框架、塑封体取决于导电胶的热阻。如果热量不能及时传递，热量产生的局部高温会导致导电胶中材质气化，最终导致封装体炸裂。

使用导电胶或者刷胶黏片的示意图如图 12、图 13。对两种上芯工艺的四种胶水进行了参数对比和浪涌测试对比，结果列于表 2。

使用刷胶胶水 8008MD 的产品浪涌测试时发现， 50% 的测试样品塑封体炸裂，炸裂位置为芯片和框架载体之间的胶水的位置，分析其原因为以下两方面：（1）胶水的发热主要来自它自身的电阻发热；（2）介质不能够及时散热。

发热能力公式如式（1）。

（1）

热导率的散热公式如式（2）。

（2）

E1 为电阻产生的热量，ρ 为电阻率，L 为胶水厚度，S 为胶水面积，I 为通过胶水的电流。当产品封装完成时，成品的 L、I 和 S 是固定不变的，此时 E1 与 ρ 成正比，ρ 越大发热量越大，8008MD 的 ρ 值远大于其他胶水的，其产生热量最大。

E2 为胶水散掉的热量，t 为时间，K 为热导率，L 为散热长度，S 为散热面积，△T 为温度差。热导率 K 主要反应介质散热能力，其定义是指当温度垂直向下梯度为 1 ℃/m 时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。散热公式可以得到，当产品封装完成时，成品的浪涌冲击时间 t 和 S、L、△T 是固定的，此时 E2 与 K 成正比，K 越大散热量越大，成品散热能力越好。

如前文所述，为了避免产品因为溢胶和上芯偏移而导致的不良情况，点胶工艺中，要求芯片边缘距离载体边缘大于 100 μum；刷胶工艺中，不存在溢胶问题，芯片可以和载体尺寸相等，因此刷胶胶水 8008HT 发热量和产品散热与点胶胶水能力相当的情况下，可以允许更大的芯片尺寸。

一方面，8008HT 可使得芯片尺寸增大；另一方面，8008HT2V 胶水电阻率略小，两者比较， 8008HT 增大了芯片尺寸的产品可以获得更优的浪涌能力。

6 结语

分析了单向 TVS 的优缺点和双向 TVS 保护器件封装小型化过程中，隔离方案与封装胶水搭配出现的问题，综合考虑客户端应用，提出了带负阻特性的单向 TVS 器件。对比分析几种胶水对产品的影响，并最终选择配合刷胶胶水应用于产品设计实现中。