半导体放电管2SA的培训内容

2SA器件相关知识培训内容一、2SA器件相关术语及基本特性；二、器件制造工艺介绍；三、产品品质控制方法；四、器件常规检测方法及参考标准；五、使用的标准与国际标准符合性介绍；六、器件寿命分析；七、器件保存和使用的注意事项。一、2SA器件相关术语及基本特性1、 产品名称：过电压保护用半导体管。简称：半导体放电管，也有称固体放电管。 2、 2SA110-J型号说明：“2”器件的电极数目“SA”过电压保护用半导体管（Semiconductor arrester for the over-voltage protection of telecommunications installations）“110”产品系列号“J”表示夹持安装3、 过电压保护用半导体管的定义：当在两个电极上施加的电压超过额定值时迅速变成低阻（导通）状态，电压撤消后又恢复成高阻状态且正反特性一致的器件。相关语术：最高限制电压在规定上升速率的电压冲击下半导体管上允许出现的最高电压。不动作电压半导体放电管保持高阻状态时所能承受的最高电压。标称冲击电流半导体放电管正常工作所允许通过的额定脉冲电流（峰值）。标称工频电流半导体放电管正常工作时所允许通过的频率为50HZ的额定交流电流（有效值）4、 SA110-J型放电管的结构如图1所示：图11上、下两个电极；2封装材料（环氧树脂）；3半导体芯片放电管的电性能是由半导体芯片生成的。半导体放电管芯片的结构如图2所示： 图2 图3根据芯片结构图可以画出等效电路图3图2中P1和P11、P2和P22实际上是同一工艺步骤形成的相同区域，为了清楚分析而特定划分开的。当外加电压施于A1、A2两电极之间，设若A1为正电压，A2为负电压时，PN结J1为正向偏置，呈低阻抗，而PN结J2为反向偏置，呈高阻抗。此时所有的晶体管Q1Q4皆被截止。放电管呈开路状态。但是当外加电压不断增高，达到和超过PN结J2的击穿电压VBR时，J2立即发生雪崩击穿，有电流通过P2和P22区域并在其上产生电压降。当P22与N2间结上的电压差接近0.6V时，Q2晶体管的发射极N2有电子注入基区P22，晶体管Q2开始动作并有放大作用。电流经过反复放大，于是Q1、Q2迅速进入深饱和区，使A1与A2之间导通，其间的残压可达到3.5V以下，外加的高电压迅即释放。从而起到过电压保护作用，随着外加高电压泄放完毕，晶体管重又自动恢复到截止状态。由于放电管芯片结构上上下完全对称，因此，反过来A1端为负、A2端为正，动作过程与上述完全类似。半导体放电管伏安特性曲线如图4所示：图4VBR标称导通电压、 VBO最高限制电压VT导通后残压 IH维持电流（续流） 二、 2SA器件制造工艺介绍：2SA器件制造可分为两大部分：前工序芯片制造和后工序芯片封装。前工序大致有以下主要工艺：1、 硅片材料制备：采用一定电阻率的单晶棒，切割成300400um厚圆片，经研磨抛光，使硅片表面光亮如镜。2、 外延：就是在一定条件下，在一块制备好的硅片衬底上，沿其原来的结晶轴方向，生产一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层。3、 氧化：在硅表面氧化生产一层SiO2膜，作为扩散时的掩蔽膜。4、 扩散：在衬底硅片上设定的区域掺入一定的浓度和深度的杂质。5、 光刻：是一种图形复印和腐蚀相结合的精密加工技术。目的就是按照设计要求，在SiO2膜上刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形，一般经过涂胶、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶与步骤。6、 表面钝比：就在芯片表面覆盖一层保护膜，避免周围环境气氛和其它因素对器件的影响，对器件的性能稳定起很大作用。7、 电极制备。后工序大致有以下主要工艺：1、 装配：把半导体芯片、电极、焊片在石墨模中组装成一体。2、 烧结：把装配好的器件通过烧结炉把芯片与电极焊接成一体。3、 封装：通过环氧树脂把芯片裹封起来，然后高温固化成形，对芯片电性能起到保护作用。同时增强产品的机械强度。4、 高温老化：通过常时间高温储存，使少量有缺陷的芯片加速早期失效，使产品性能趋向稳定。5、 第一次测试分选：按照企业内控标准，对每批次所有产品各项电性能进行全面测试，来判别每个产品是否合格，然后剔出不合格产品。6、 常温储存：目的也是使产品性能趋于稳定，早期失效产品显露出来。7、 第二次复测：分选出早期失效产品。8、 包装：对检验合格的产品，按照一定数量进行包装，以便储存，搬运和计数。标明产品型号、生产批号、数量、出厂日期。三、 器件品质控制方法：品质控制主要对环境、原材料、检测设备、生产工艺的控制，还包括质量管理。 影响半导体器件成品率的质量的重要原因之一是来自环境各种形式的污染，生产中主要的污染来源有：（1）环境中的灰尘及有害气体。（2）工作人员携带的灰尘、毛发、皮屑、手汗、烟雾等。（3）化学试剂中的微粒和金属离子。（4）去离子水未达到规范要求。（5）气体中含水量或含氧量不合要求。（6）与芯片直接接触的工装、设备、器皿所引入的金属杂质、碱金属杂质、有机物等。规定半导体工业的净化要求与宇航、精密仪器、医药等方面标准统一，净化标准定为三级：级环境。要求大于0.5um微粒超过3.5个/升，大于5.0um微粒数等于零。级环境.要求大于或0.5um的微粒不超过350个/升，大于5um的微粒不超过2.3个/升。级环境要求大于0.5um的微粒不超过3500个/升，大于5um微粒不超过25个/升。前工序芯片的生产主要在、级环境中，后工序封装测试可在级环境中进行。为了控制微粒污染并保证一定的温度、湿度，是通过普通空调房（级），净化室（级），超净化工作台（级），等逐级实现所要求的净化条件。原材料的缺陷也是影响产品的合格率的重要原因之一，相对于后工序封装来说，主要有半导体芯片、电极、封装环氧树脂和生产用气体。芯片是最主要的原材料，不能把不合格的芯片通过封装制成合格的器件。我们只有扩大对芯片的抽样检测来提高对芯片的检测水平（由于芯片特殊性，不能对所有芯片进行全检），保证质量不合格的批次不流到生产中，对合格的芯片在投入生产之前采用密封恒温干燥箱进行储存。电极的质量对放电管器件质量影响也较大，电极的外形尺寸直接影响到用户的安装，内部尺寸影响到产品的合格率，电极的镀层会影响外观还会影响芯片的焊接。完好的生产设备和精确的测试仪器是生产合格产品的前提，所有测试仪器都在规定的时期内进行计量认证合格才能使用，所有测试和试验仪器都有两台以上来自不同的生产厂家，最大限度克服由于测试仪器在生产中出现的损坏和某些不可见的误差，造成对产品合格判别准确性的影响。工艺控制是指在关键性环节进行测量和目检，并对检测的内容进行统计分析，来修正工艺。只有良好的工艺控制才能得到高成品率和高可靠性的产品，任何成熟的工艺都是相对于该器件当时发展水平，我们在保证现有的稳定和可靠的条件下，不断地改进工装和自动化程度，来提高产品的稳定可靠性和生产效率。 质量管理是产品品质的保证，我们公司根据国际标准ISO9001：2000的规定要求建立了本公司的质量管理体系，并已通过ISO9001的认证。该体系确定质量方针：粒粒精品、精益求精、信誉至上、服务周到；体系确定的质量目标：产品交验合格率100%、交货延迟率为0、成品合格率94%。围绕质量方针和质量目标的实施和落实，建立了一系列控制程序。通过一年多的运行，质量目标都已达到。四、 器件检测方法及参考标准产品制成后第一次检测：最高限制电压、不动作电压、绝缘电阻三项电参数实行电脑全自动测试分选，器件耐工频电流试验、冲击电流试验、电流变化试验、冲击恢复试验以及失效模式失验和极间电容测试是采用抽样试验测试。产品出库前第二检测（复测）：对产品不动作电压、绝缘电阻两项参数进行电脑全自动分选。检测标准是参考中华人民共和国通信行业标准YD/T940-1999通信设备过电压保护用半导体，制定了本公司的企业标准。其中电参数指标严于部标。五、半导体管和国际标准的符合性介绍我公司生产的半导体管符合YD/T 9401999通信设备过电压保护用半导体管标准。YD/T 9401999通信设备过电压保护用半导体管标准是根据国际电信联盟电信标准化部ITU-T建议K.28电信设备保护用半导体保安单元的特性（1993年版）制定的，采用程度为非等效采用。YD/T 9401999标准与ITU-T建议K.28的差异项 目K.28技术要求K.28试验方法YD/T 9401999标准最高限制电压400V电压上升率：100V/s100kV/s、100V/s、1KV/s试验电流：10A100A电压上升率：100V/s、1KV/s试验电流：1A10A不动作电压265V判别电流20mA100V/s100V/ms265V改为190V，电压上升率：100Kv/s，判别电流1mA绝缘电阻50V：1108100V：50106200V：165103略耐电流试验前：100V：1109耐电流试验后：100V：1108极间电容200PF1MHz、1V1MHz、0.5V冲击恢复时间30ms略完全采用电流变化率不失效2530A/s不需调整（电压400V）浪涌寿命工频1s1A1000V、4862Hz400Vrms,50Hz10A30s0.5A冲击10A10/1000s或10/700s10/1000s,100A,300次100A失效模式短路或低阻8/20s、10kA采 用 1、最高限制电压建议K.28在最高限制电压技术指标中给出了电压上升速率为100V/s至100KV/s、100V/s和1KV/s的三种测试条件，其要求均为不大于400V。根据我国通信路经常受到电力线路干扰的情况，YD/T 9401999标准将电压上升速率为100KV/s的最高限制电压要求由400V调整为260V。另外经过试验验证并考虑到可操作性因素，选取100KV/s和1KV/us两种电压上升速率，选取上述两种电压上升速率是分别考虑了器件的防工频过电压和防雷电过电压的能力，其中工频电压的上升速率是由以下的计算得出的：假设样品的最高限制电压标称值VBO=230V，工频电压220Vrms，频率50Hz，其峰值VP=220V，则有：VBO=Vpsint电压上升速率=Vbo/t=87.0 (kV/s)考虑到工频电压的波动，应选取100KV/s的上升速率作为测试条件。在试验方法上，为了保证试验时样品能够达到完全击穿，建议K.28规定的试验电流为10A至100A。经过试验研究，发现1A的试验电流已经足以使现有的元器件完全击穿。因为本项试验并非考核样品的耐电流能力，为了确保试验进行时样品不受到意外损坏，将试验电流减小。2、不动作电压建议K.28中规定的不动作电压要求为265V，它是根据交换设备的振铃电压、直流馈电电压和工频感应电压之和设定的。由于工频感应电压并非正常工作电压，而是一种过电压干扰，对于能够自恢复的过电压保护元器件而言，是允许动作并应当起保护作用的，YD/T 9401999标准不考虑工频感应电压并将不动作电压要求作了相应的调整。通过试验验证，在样品未动作时，其电流均小于1mA，而建议K.28规定判别样品动作与否的电流为20mA，此电流值仍将可能对被保护设备造成影响，故将检验不动作电压的电流值作相应调整。另外，建议K.28中规定试验使用的斜角波为100V/s至100KV/s，YD/T 9401999标准确定为100KV/s，理由上节。3、绝缘电阻建议K.28中提供了50V、100V和200V三种测试电压及相应的绝缘电阻要求，并注明200V的测试电压是为特殊用途的线路考虑的。经验证该项目的指标要求偏低，几种常见的样品绝缘电阻均达到1109以上。根据我国对第一级保护相关标准的要求，YD/T 9401999标准选取了100V测试电压等级，并将原要求作相应提高。由于需要进行一些破坏性试验（如耐电流能力试验、环境试验等），可考虑增加复测绝缘电阻的要求。4、极间电容 建议K.28规定极间电容技术要求为不大于200PF，根据搜集到的技术资料和样品的水平，该项要求是合理的。在试验方法中，该建议规定极间电容的测试电压不大于1V，经试验验证，在不大于1V的电压范围内选取不同测试电压测得的极间电容值相差较大，故YD/T 9401999标准对此作出明确规定。5、冲击恢复时间建议K.28对冲击恢复时间所规定的技术要求和试验方法均符合现有产品的技术水平和实际应用的要求。6、电流变化率本项试验是为了考核样品经受高速电流浪涌冲击的能力，现有产品基本上都能够达到建议K.28的要求。7、浪涌寿命浪涌寿命试验是考核产品保护效果的重要环节，建议K.28的规定能够满足现阶段通信防护的要求。但其中10A冲击电流试验和1A工频电流试验均属小能量多次冲击，尤其是前者冲击次数高达1500次或2500次。经试验验证，小能量的多次冲击未对半导体放电管的性能产生明显的影响，为了缩短试周期，YD/T 9401999标准作了适当调整。8、失效模式考核过电压保护元器件的方法是用大的浪涌电流对样品进行冲击，建议K.28提供的试验方法是可行的。9、 另外，建议K.28对环境试验项目、重复试验的间隔以及检验规则等都无明确规定，为了便于标准的实施，YD/T 9401999标准作了补充。六、器件寿命分析器件寿命是指器件的平均寿命，是工作寿命的平均值。或称失效的平均工作时间，用它来衡量器件的可靠性。器件的可靠性，是指器件在规定的时间内，规定条件下，能正常工作的概率，这一概率与器件所处的环境工作条件及时间等因素有关。环境包括：温度、湿度、机械作用等。工作条件即工作负荷。在良好的环境中，工作条件较轻或不工作（如贮存状态）器件容易保持原来的性能。在恶劣的环境中，工作负荷较重时性能较易于变化。器件失去正常工作的性能称为失效。器件失效前的工作时间称为寿命，单个器件的寿命是一个随机变量。由大量的试验和数据统计，发现一般半导体元器件的失效率和时间关系