Mindre TVS-dioder med høyere ytelse gir større beskyttelse

Elektrostatisk utladning (ESD) eller strømstøt kan skade eller ødelegge elektroniske produkter under produksjon eller sluttbruk. ESD anslås å forårsake alt fra enkeltsifrede til en tredjedel av alle komponentfeil, forverret av økt kretstetthet og høyere ytelseskrav.

Hendelser med transientspenninger, som elektrostatisk utladning (ESD), er farer som kan påvirke utstyr som spenner fra forbrukerenheter til dyrt industrielt utstyr. Den økende avhengigheten av mikroprosessorer som er mottakelige for slike hendelser og som brukes på tvers av et bredt spekter av produkter, gjør det viktig å velge en passende ESD-løsning for å sikre kundetilfredshet og kommersiell suksess.

Når elektroner omfordeles på en materialoverflate, kan de skape en ubalanse i ladningen. Når det resulterende elektriske feltet er sterkt nok, søker de statiske ladningene likevekt og frembringer en elektrostatisk utladning. Dette kan være katastrofalt for mikroelektronisk-basert elektronikk, og føre til feil, produktforsinkelser, inntektstap og noen ganger skade på omdømme eller merkevare.

Selv i et rent IC-produksjonsmiljø kan komponenter utsettes for elektrostatisk utladning (ESD) under prosessering, montering, testing og pakking. HBM (Human Body Model) er den mest brukte teststandarden for å sikre at IC-er tåler påvirkningen fra en ladet menneskekropp – en typisk generator av elektrostatisk utladning (ESD) – som berører en IC og skaper en statisk ladning.

IEC 61000-4-2 er en internasjonal ESD-teststandard som bruker en menneskekroppsmodell med en mer omfattende maskinvarestandard på systemnivå for å sikre at en enhet kan overleve forbigående hendelser, inkludert lynbeskyttelse, når den er i hendene på sluttbrukere i den virkelige verden.

Transientspenningsdemping

Ettersom integrerte kretsgeometrier fortsetter å krympe, er tradisjonelle parametere for elektrostatisk utladning (ESD) utilstrekkelige for å håndtere risikoer på systemnivå. For å beskytte strøm og høyhastighets datakretser, må designere utnytte fremskritt innen transient spenningsundertrykkelse (TVS) teknologi utover HBM og ESD-beskyttelse på enheten.

TVS er stadig viktigere for å beskytte mot elektrostatisk utladning (ESD) på ofte brukte datalinjer for enheter med HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antenner og andre standardgrensesnitt. Robuste beskyttelsestiltak er nødvendig for å unngå ESD-skader i ferdige produkter, alt fra kroppsbårne enheter (wearables) og tastaturer til smarttelefoner og IoT-kameraer.

En TVS-diode kan plasseres på en strøm- eller datalinje for å beskytte mot forbigående hendelser ved å omdirigere overspenninger bort fra kretsen den beskytter. Under en forbigående hendelse vil spenningen på den beskyttede linjen raskt stige og kan stige til titusenvis av volt. Under normale driftsforhold virker TVS-dioden åpen, men den kan stoppe en ESD-topp på systemnivå på mindre enn et nanosekund, og avlede høye strømmer.

Noen av nøkkelegenskapene ved valg av en TVS-løsning er:

• Kapasitans (C) - den iboende evnen til å lagre en elektrisk ladning
• Omvendt avstandsspenning (V_RWM) –den maksimale spenningen som en krets kan betjene uten å aktivere TVS-dioden
• Begresningsspenning (V_C)—spenningsnivået der TVS-en begynner å avlede overflødig strøm fra den beskyttede kretsen (lavere enn V_RWM )
• Reverseringsspenning (V_BR) – spenningen som TVS-en går inn i en lavimpedansmodus
• Toppulsstrøm (I_PP)—den maksimale strømmen TV-ene kan håndtere før de blir skadet
• Pulseffekt med topp (s_PP) – momentaneffekten som forsvinner av TVS under en hendelse

Hensyn som må tas når det gjelder TVS-innkapslinger

Plasseringen av TVS-dioder påvirker ytelsen deres, og nærhet til ESD-inngangspunktet gir bedre beskyttelse. Halvlederemballasje spiller også en nøkkelrolle i å beskytte delikat elektronikk i moderne systemer mot ESD-trusler.

Når de velger TVS-dioder for produktene sine, bør designere fokusere på det spesifikke overspenningsvernnivået som ønskes, antall linjer som må beskyttes, og en kapslingsstørrelse som passer den tilgjengelige plassen på kretskortet.

Blyholdige IC-kapslinger er et vanlig alternativ for TVS-dioder på grunn av deres enkle montering på kretskort (PCB), noe som gjør dem kostnadseffektive, sammen med at de gir god varmeavledning. På grunn av størrelsen deres kan de imidlertid oppta betydelig plass på kretskortet (PCB) og har ofte parasittvirkninger som påvirker ytelsen negativt.

Heldigvis gir DFN-kapslinger (Dual Flat No-Lead) kompakte dimensjoner og allsidighet som kan være mer egnet for ESD-beskyttelse. DFN-kapslinger har ikke utstikkende ledere, og kontaktpunktene deres er plassert under komponenten i stedet for langs ytterkanten, noe som gir plassbesparelser sammenlignet med blyholdig overflatemonterte kapslinger (SMD).

DFN-kapslinger gir enestående varmeavledning ved å inkludere en eksponert termisk plate på undersiden som sømløst kan bindes til kretskortet (PCB) for å fungere som en integrert kjøleribbe. De viser også lavere parasittielementer sammenlignet med en blyholdig overflatemontert kapsling (SMD), og bidrar til å opprettholde signalintegriteten i høyhastighetsutrustninger.

DFN-kapslinger har imidlertid begrenset synlighet av loddeforbindelsene på kretskortet (PCB), noe som gjør det utfordrende å bekrefte gode nok faste elektriske forbindelser under den påfølgende monteringsprosessen.

Overvinne utfordringer med DFN

Semtech løste utfordringen med DFN ved hjelp av TVS-dioder i DFN-moduler med flip-chip-kapsling og sideloddbare kanter (Figur 1).

Figur 1: Representativt bilde av Semtechs DFN-kapsling med sideloddbare kanter brukt til TVS-dioder. (Bildekilde: Semtech)

Flip-chip-kapslinger har loddepunkter i stedet for trådforbindelser for å danne forbindelser til substratet. Sideloddbare kanter sørger for at loddetinn sprer seg fra bunnen av kapslingen, flyter opp på siden av veggen og danner en synlig loddeforbindelse.

Med denne teknikken kan automatiserte visuelle inspeksjonssystemer (AVI) validere om det er gode nok faste elektriske forbindelser til kretskort (PCB) ved å visuelt undersøke loddepunktene som dannes mellom den vertikale siden og loddeplaten, og sikre pålitelige tilkoblinger.

Bruk av sideloddbare kanter øker påliteligheten, forbedrer utbyttet og gir motstand mot vibrasjoner og risting som ellers kan skape separasjon. Tinnbelegg dekker kobberterminalene, og beskytter kobberet mot oksidasjon over tid.

Ved å bruke flip-chip-kapsling og sideloddbare kanter, introduserte Semtech en rekke TVS-dioder med én leder i DFN-kapslingen i 0402-størrelse (1 x 0,6 x 0,55 mm), skreddersydd for utrustninger i andre industrier enn kjøretøyindustrien.

0402 DFN TVS-komponentene er ment å beskytte mot elektrostatisk utladning (ESD) i RF- og FM-antenner, berøringsskjermkontrollere, 12 V_DC linjer, sidetaster og tastaturer, lydporter, IoT-enheter, bærbar instrumentering, GPIO-linjer (general-purpose input-output) og industrielt utstyr.

Semtech-enhetene gir ESD-beskyttelse for:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• USB Type-C®-kontakter på høyhastighetssignallinjer
• Konfigurasjonskanal (CC) og SBU (sideband use) linjer som brukes til å forhandle strøm, data og alternative moduser koblet til med USB Type-C-kabel
• VBus-linjer
• Datalederene D+/D- som overfører differensialsignalene for USB og andre eldre protokoller

Semtechs enkanals-, datalinje- og VBUS ESD-beskyttelsesløsninger med kapslinger med sideloddbar kant er tilgjengelig i RClamp og μClamp ESD-beskyttelsesenheter. De gir beskyttelse på kortnivå med lav drifts- og begresningsspenning, rask responstid og ingen enhetsdegradering.

RClamp (RailClamp) produkter innbefatter:

• RCLAMP01811PW.C : Gir designere fleksibilitet til å beskytte individuelle ledere i utrustninger med begrenset plass som smarttelefoner, bærbare datamaskiner og tilbehør. Den tåler en spenning på ±30 kV (kontakt) og ±30 kV (luft) i henhold til IEC 61000-4-2, med en lav kapasitans på 1,2 pF (maks.). Den beskytter en individuell leder med en arbeidsspenning på 1,8 V og en lav omvendt lekkasjestrøm på 100 nA (maks) ved V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C : For å beskytte individuelle ledere i utrustninger der matriser ikke er praktiske, for eksempel bærbare utrustninger med USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL og kroppsbårne enheter (wearables). Med en arbeidsspenning på 4,0 V og en lav kapasitans på 0,65 pF (maks) gir den ESD-beskyttelse for høyhastighetslinjer i henhold til IEC 61000-4-2 på ±30 kV (kontakt og luft) og IEC 61000-4-5 (Lyn) på 20 A (t_s = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C : 22 V arbeidsspenning, enlinjet TVS med en støtstrøm på 18 A (t_p = 8/20 μs) i henhold til IEC 61000-4-5 og en holdespenning på ±25 kV (kontakt) og ±30 kV (luft) i henhold til IEC 61000-4-2. Typiske utrustninger innbefatter USB Type-C, Near-Field Communication (NFC)-linjer, RF- og FM-antenner og IoT-enheter.

Den ultralille μClamp (MicroClamp) produktlinjen inkluderer:

• UCLAMP5031PW.C : 5 V arbeidsspenning, enlinjet TVS med holdespenning på ±30 kV (kontakt) og ±30 kV (luft) i henhold til IEC 61000-4-2. Designere kan bruke den til industrielt utstyr, bærbar instrumentering, bærbare datamaskiner, telefoner, tastaturer og lydporter.
• UCLAMP1291PW.C : En 12 V arbeidsspenning, enkeltlinjet TVS med lav typisk dynamisk motstand, lav topp ESD-begresningsspenning og høy ESD-holdespenning på ±30 kV (kontakt og luft) i henhold til IEC 61000-4-2. Egnede utrustninger innbefatter mobiltelefoner og tilbehør, bærbare datamaskiner og håndholdte enheter og bærbar instrumentering.
• UCLAMP2011PW.C : En enkeltlinjet, 20 V TVS med høy lynoverspenningskapasitet på 3 A (t_s=8/20 μs) i henhold til IEC 61000-4-5. Typiske utrustninger innbefatter periferiutstyr, bærbare enheter og instrumentering.
• UCLAMP2411PW.C : Et 24 V, enkeltlinjet TVS egnet for et bredt spekter av bruksområder, inkludert 24 V_DC strømskinner, Chip-on-Glass driver IC-datalinjer, periferiutstyr og bærbare enheter. Den har støtstrøm på 3 A (t_p = 8/20 μs) i henhold til IEC 61000-4-5.

Konklusjon

Økende kretstetthet og høyere ytelse for elektroniske produkter krever nye tilnærminger for å beskytte mot elektrostatiske utladninger og andre spenningsstøt. Ny innkapsling fra Semtech resulterer i mindre transientspenningsdempingsdioder som gir produktdesignere større fleksibilitet, høy støtstrømkapasitet og lave begresningsspenninger, noe som gjør dem ideelle for å beskytte sensitiv elektronikk.