Mindre og mere effektive TVS-dioder giver bedre beskyttelse

Elektrostatiske udladninger (Electrostatic Discharge/ESD) eller strømstød kan beskadige eller ødelægge elektroniske produkter under fremstilling eller slutbrug. ESD anslås at være årsag til alt fra et enkelt ciffer til en tredjedel af alle komponentfejl, hvilket forværres af øget kredsløbstæthed og højere krav til ydeevne.

Transiente spændingshændelser, såsom ESD, er farer, der kan påvirke udstyr lige fra forbrugerenheder til dyrt industrielt udstyr. Den voksende afhængighed af mikroprocessorer, der er følsomme over for sådanne hændelser, og som bruges i et bredt spektrum af produkter, gør det vigtigt at vælge en egnet ESD-løsning for at sikre kundetilfredshed og kommerciel succes.

Når elektroner omfordeles på en materialeoverflade, kan de skabe en ubalance i ladningen. Når det resulterende elektriske felt er stærkt nok, søger de statiske ladninger ligevægt og producerer en elektrostatisk udladning. Det kan være katastrofalt for mikroelektronisk baseret elektronik og føre til fejl, produktforsinkelser, indtægtstab og nogle gange skade på omdømme eller brand.

Selv i et rent IC-produktionsmiljø kan komponenter blive udsat for ESD under behandling, samling, testning og emballering. Menneskekropsmodellen (Human Body Model/HBM) er den mest udbredte teststandard til at sikre, at IC'er kan modstå påvirkningen fra en opladet menneskekrop - en typisk ESD-generator - der rører ved en IC og skaber en statisk opladning.

IEC 61000-4-2 er en international ESD-teststandard, der bruger en menneskekropsmodel på en mere omfattende hardwarebenchmark på systemniveau for at sikre, at en enhed kan overleve transiente hændelser, herunder lynbeskyttelse, når den er i hænderne på slutbrugere i den virkelige verden.

Transientspændingsundertrykkelse

I takt med at integrerede kredsløbsgeometrier bliver stadig mindre, er traditionelle ESD-parametre utilstrækkelige til at håndtere risici på systemniveau. For at beskytte strøm- og højhastighedsdatakredsløb skal designerne udnytte fremskridtene inden for transientspændingsundertrykkelses- (transient voltage suppression/TVS) teknologi ud over HBM og ESD-beskyttelse på enheden.

TVS er i stigende grad afgørende for at beskytte mod ESD på almindeligt anvendte datalinjer til enheder med HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antenner og andre standardgrænseflader. Robuste beskyttelsesforanstaltninger er nødvendige for at undgå ESD-skader i færdige produkter lige fra kropsbåren elektronik (wearables) og tastaturer til smartphones og IoT-kameraer.

En TVS-diode kan placeres på en strøm- eller datalinje for at beskytte mod transiente hændelser ved at omdirigere overspændinger væk fra det kredsløb, den beskytter. Under en transient hændelse vil spændingen på den beskyttede linje hurtigt stige og kan nå op på titusinder af volt. Under normale driftsforhold ser TVS-dioden åben ud, men den kan stoppe en ESD-spids på systemniveau på mindre end et nanosekund og aflede høje strømme.

Nogle af de vigtigste egenskaber ved valg af en TVS-løsning er:

• Kapacitans (C) - den iboende evne til at lagre en elektrisk ladning
• Omvendt overslagsspænding (V_RWM) - den maksimale spænding, som et kredsløb kan arbejde med uden at aktivere TVS-dioden.
• Klemspænding (V_C) - det spændingsniveau, hvor TVS'en begynder at aflede overskydende strøm fra det beskyttede kredsløb (lavere end V_RWM).
• Omvendt nedbrydningsspænding (V_BR) - den spænding, hvor TVS'en går ind i en lavimpedanstilstand
• Spids pulsstrøm (Peak pulse current/ I_PP) - den maksimale strøm, TVS'en kan håndtere, før den bliver beskadiget
• Spids pulseffekt (Peak pulse power/P_PP) - den øjeblikkelige effekt, der afgives af TVS'en under en hændelse

Overvejelser om TVS-emballage

Placeringen af TVS-dioder påvirker deres ydeevne, og tæt på ESD-indgangspunktet giver bedre beskyttelse. Halvlederemballage spiller også en vigtig rolle i beskyttelsen af følsom elektronik i moderne systemer mod ESD-trusler.

Når designere vælger TVS-dioder til deres produkter, skal de fokusere på det specifikke overspændingsbeskyttelsesniveau, der ønskes, antallet af linjer, der skal beskyttes, og en pakkestørrelse, der passer til den tilgængelige plads på kortet.

IC-pakker med ledning er en almindelig mulighed for TVS-dioder, fordi de er nemme at montere på printkort, hvilket gør dem omkostningseffektive, og de giver god varmeafledning. På grund af deres størrelse kan de dog optage meget plads på printkortet og har ofte parasitiske effekter, der påvirker ydeevnen negativt.

Heldigvis giver dobbelte-flade pakker uden ledninger (Dual Flat No-Lead/DFN) kompakte dimensioner og alsidighed, som kan være mere velegnede til ESD-beskyttelse. DFN-pakker har ikke forlængede ledninger, og deres kontaktpunkter er placeret under komponenten i stedet for langs dens omkreds, hvilket giver pladsbesparelser sammenlignet med emballage til overflademonterede enheder (surface mounted device/SMD) med ledninger.

DFN-pakker giver fremragende varmeafledning ved at integrere en eksponeret termisk metalpude på undersiden, der problemfrit kan forbindes med printkortet for at fungere som en integreret køleplade. De udviser også lavere parasitiske elementer sammenlignet med en SMD-pakke med ledninger, hvilket hjælper med at opretholde signalintegriteten i højhastighedsapplikationer.

DFN-pakker giver dog begrænset synlighed af lodningerne på printkort, hvilket gør det udfordrende at bekræfte korrekt klæbning under processen efter pakke-montering.

Overvindelse af DFN-udfordringen

Semtech løste DFN-udfordringen med TVS-dioder i DFN-moduler med flip-chip-emballage og flanker, der kan loddes fra siden (side-wettable flanks - WF) (figur 1).

Figur 1: Repræsentativt billede af Semtechs DFN-emballage med flanker, der kan loddes fra siden og bruges til TVS-dioder. (Billedkilde: Semtech)

Flip-chip-emballagen bruger loddeknopper i stedet for trådforbindelser til at lave forbindelser til underlaget. Flanker, der kan loddes fra siden, sikrer, at loddetinnet spreder sig fra bunden af pakken, flyder op ad siden af væggen og danner en synlig loddeforbindelse.

Med denne teknik kan automatiserede visuelle inspektionssystemer (AVI) validere korrekt klæbning på printkortet ved visuelt at undersøge de loddeknopper, der dannes mellem den lodrette side af flanken og loddepladen, hvilket sikrer pålidelige forbindelser.

Brugen af flanker, der kan loddes fra siden, øger pålideligheden, forbedrer udbyttet og giver modstandsdygtighed over for vibrationer og rystelser, der ellers kunne skabe adskillelse. Tinbelægning dækker kobberterminalerne og beskytter kobberet mod oxidering over tid.

Ved hjælp af flip-chip-emballage og flanker, der kan loddes fra siden, introducerede Semtech en række enkeltlinje-TVS-dioder, emballeret i 0402-størrelse (1,0 mm x 0,6 mm x 0,55 mm) DFN-format, der er skræddersyet til industrielle applikationer uden for bilindustrien.

0402-DFN-TVS-komponenterne er beregnet til at beskytte mod ESD i RF- og FM-antenner, touchscreen-controllere, 12 V_DC-linjer, sidetaster og tastaturer, lydporte, IoT-enheder, bærbar instrumentering, ind-/udgangslinjer til generelle formål (general-purpose input-output/GPIO) og industrielt udstyr.

Semtech-enhederne giver ESD-beskyttelse til:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• USB Type-C®-konnektorer på højhastigheds-signallinjer
• Konfigurationskanal (CC) og linjer til brug af sidebåndet (sideband use/SBU) bruges til forhandling af strøm, data og alternative tilstande, der er forbundet med USB Type-C-kabel
• VBus-linjer
• D+/D- datalinjer, der bærer de differentielle signaler til USB og andre ældre protokoller

Semtechs ESD-beskyttelsesløsninger til enkeltkanaler, datalinjer og VBUS med emballage, hvis flanker kan loddes fra siden, fås i RClamp- og μClamp-ESD-beskyttelsesenheder. De giver beskyttelse på kortniveau med lav drifts- og klemspænding, hurtig responstid og ingen nedbrydning af enheden.

RClamp (Skinneklem/RailClamp) produkter inkluderer:

• RCLAMP01811PW.C: giver designere fleksibilitet til at beskytte enkelte linjer i anvendelser med begrænset plads, f.eks. smartphones, notebooks og tilbehør. Den kan modstå en spænding på ±30 kV (kontakt) og ±30 kV (luft) i henhold til IEC 61000-4-2 med en lav kapacitans på 1,2 pF (maks.). Den beskytter en enkelt linje med en driftsspænding på 1,8 V og en lav omvendt lækstrøm på 100 nA (maks.) ved V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: til beskyttelse af enkeltlinjer i anvendelser, hvor arrays ikke er praktiske, f.eks. bærbare applikationer med USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL og kropsbåren elektronik (wearables). Med en driftsspænding på 4,0 V og en lav kapacitans på 0,65 pF (maks.) giver den ESD-beskyttelse til højhastighedslinjer i henhold til IEC 61000-4-2 på ±30 kV (kontakt og luft) og IEC 61000-4-5 (lyn) på 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: en 22 V arbejdsspænding, enkeltlinje TVS med en overspændingsstrøm på 18 A (t_p = 8/20 μs) i henhold til IEC 61000-4-5 og en holdespænding på ±25 kV (kontakt) og ±30 kV (luft) i henhold til IEC 61000-4-2. Typiske anvendelser inkluderer USB Type-C, nærfelt-kommunikations- (Near-Field Communication/NFC) linjer, RF- og FM-antenner og IoT-enheder.

Den ultralille μClamp (MicroClamp) produktlinje inkluderer:

• UCLAMP5031PW.C: en 5 V arbejdsspænding, enkeltlinje-TVS med en modstandsspænding på ±30 kV (kontakt) og ±30 kV (luft) i henhold til IEC 61000-4-2. Designere kan bruge den til industrielt udstyr, bærbare instrumenter, notebooks, håndsæt, tastaturer og lydporte.
• UCLAMP1291PW.C: en 12 V arbejdsspænding, enkeltlinje-TVS med lav typisk dynamisk modstand, lav spids-ESD-klemspænding og høj ESD-tålespænding på ±30 kV (kontakt og luft) i henhold til IEC 61000-4-2. Egnede anvendelser inkluderer mobiltelefoner og tilbehør, notebooks og håndholdte computere samt bærbare instrumenter.
• UCLAMP2011PW.C: en enkeltlinje, 20 V-TVS med høj lynoverspændingskapacitet på 3 A (t_p=8/20 μs) i henhold til IEC 61000-4-5. Typiske anvendelser inkluderer periferiudstyr, bærbare enheder og instrumentering.
• UCLAMP2411PW.C: En 24 V enkeltlinje-TVS, der er velegnet til en bred vifte af applikationer, herunder 24 V_DC strømskinner, Chip-on-Glass driver IC-datalinjer, perifere enheder og bærbare enheder. Den har en overspændingsstrøm på 3 A (t_p = 8/20 μs) i henhold til IEC 61000-4-5.

Konklusion

Øget kredsløbstæthed og højere ydeevne i elektroniske produkter kræver nye metoder til at beskytte mod elektrostatiske udladninger og andre overspændinger. Semtechs nye indpakning resulterer i mindre dioder til undertrykkelse af transientspænding, der giver produktdesignere større fleksibilitet, høj overspændingsstrømskapacitet og lave klemspændinger, hvilket gør dem ideelle til at beskytte følsom elektronik.