Mindre och mer effektiva TVS-dioder ger bättre skydd

Elektrostatiska urladdningar (ESD) eller överspänningar kan skada eller orsaka fel på elektroniska produkter vid tillverkning eller slutanvändning. ESD beräknas orsaka allt från enstaka till en tredjedel av alla komponentfel, vilket förvärras av ökad kretstäthet och högre prestandakrav.

Transientspänningar, som t.ex. ESD, är risker som kan påverka allt från konsumentelektronik till dyrbar industriell utrustning. Det ökande beroendet av mikroprocessorer som är känsliga för sådana händelser och används i många olika produkter gör det viktigt att välja en lämplig ESD-lösning för att säkerställa kundnöjdhet och kommersiell framgång.

När elektroner omfördelas på ytan av ett material kan de skapa en obalans i laddningen. När det elektriska fält som uppstår är tillräckligt starkt, söker de statiska laddningarna jämvikt och orsakar en elektrostatisk urladdning. Detta kan få katastrofala följder för elektronik baserad på mikroelektronik och leda till fel, produktförseningar, intäktsförluster och ibland även skador på rykte och varumärke.

Även i en ren miljö avsedd för tillverkning av integrerade kretsar kan komponenter utsättas för elektrostatiska urladdningar vid bearbetning, montering, testning och packning. HBM (Human Body Model) är den mest använda teststandarden för att säkerställa att integrerade kretsar kan motstå påverkan från en uppladdad människokropp - en typisk generator för elektrostatisk urladdning - som vidrör en integrerad krets och skapar en statisk laddning.

Den internationella ESD-standarden IEC 61000-4-2 använder en modell av en människokropp på en mer omfattande systemnivå för att säkerställa att en enhet kan klara transienta händelser, inklusive blixtskydd, när den är i händerna på verkliga slutanvändare.

Transientspänningsdämpning

I takt med att storleken för integrerade kretsar fortsätter att krympa är traditionella ESD-parametrar otillräckliga för att hantera risker på systemnivå. För att skydda strömkretsar och datakretsar med höga hastigheter måste konstruktörer utnyttja de framsteg som gjorts inom teknologin för transientspänningsdämpning, utöver HBM och ESD-skydd för enheten.

Transientspänningsdämpning blir allt viktigare för att skydda mot ESD i vanliga dataledare för enheter med HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antenner och andra standardgränssnitt. Robusta skyddsåtgärder krävs för att undvika skador orsakade av ESD i färdiga produkter, allt från bärbara enheter och tangentbord till smartphones och IoT-kameror.

En TVS-diod kan placeras på en ström- eller dataledare för att skydda mot transienta händelser genom att avleda överspänningen från den krets som den skyddar. Vid en transient händelse stiger spänningen på den skyddade enheten snabbt och kan uppnå tiotusentals volt. Under normala driftsförhållanden verkar TVS-dioden vara öppen, men den kan stoppa en ESD-topp på systemnivå på mindre än en nanosekund och avleda höga strömmar.

Några av de viktigaste egenskaperna vid val av en TVS-lösning är:

• Kapacitans (C) – den inneboende förmågan att lagra en elektrisk laddning
• Omvänd brytspänning (V_RWM) - den maximala spänning som en krets kan arbeta med utan att TVS-dioden aktiveras
• Låsspänning (V_C) – den spänningsnivå vid vilken TVS-dioden börjar avleda överström från den skyddade kretsen (lägre än V_RWM)
• Omvänd genombrottsspänning (V_BR) - den spänning vid vilken TVS-dioden går in i ett läge med låg impedans
• I_PP (Peak Pulse Current) – den maximala ström som TVS-dioden kan hantera innan den skadas
• P_PP (Peak Pulse Power) – den momentana effekt som TVS-dioden avleder vid en händelse

Överväganden om TVS-kapslingar

Placeringen av TVS-dioder påverkar deras prestanda och närhet till ingångspunkten för elektrostatiska urladdningar ger ett bättre skydd. Halvledarkapslingar spelar också en viktig roll när det gäller att skydda känslig elektronik i moderna system mot hotet från ESD.

När konstruktörer väljer TVS-dioder för sina produkter bör de fokusera på den specifika nivå av transientskydd som önskas, antalet ledare som måste skyddas och en kapslingsstorlek som passar det tillgängliga utrymmet på kretskortet.

Kapslingar för anslutningar med integrerade kretsar är ett vanligt alternativ för TVS-dioder eftersom de är lätta att montera på kretskort, vilket gör dem kostnadseffektiva, samt att de har god värmeavledning. På grund av sin storlek kan de dock ta upp mycket plats på kretskortet och har ofta parasitär påverkan på prestandan.

DFN-kapslingar (Dual Flat No-Lead) är små och har en mångsidighet som kan vara mer lämplig för ESD-skydd. DFN-kapslingar har inga utstickande ben och kontaktpunkterna är placerade under komponenten i stället för längs dess ytterkant vilket, jämfört med ytmonterade kapslingar med ben, sparar utrymme.

DFN-kapslingar har enastående värmeavledning genom att de har en exponerad termisk dyna på undersidan som enkelt kan anslutas till kretskortet för att fungera som en integrerad kylfläns. De har också lägre parasitära egenskaper jämfört med en ytmonterad kapsling med ben vilket bidrar till att bibehålla signalintegriteten i tillämpningar med höga hastigheter.

DFN-kapslingar medför dock begränsad synlighet för kretskortets lödfogar, något som gör det svårt att bekräfta korrekt sammanfogning i monteringsprocessen efter paketeringen.

Övervinna utmaningarna med DFN

Semtech löste utmaningarna med DFN med hjälp av TVS-dioder i DFN-moduler med flip chip-kapsling och vätbara sidor (figur 1).

Figur 1: Representativ bild på en DFN-kapsling med vätbara sidor från Semtech som används för TVS-dioder. (Bildkälla: Semtech)

Flip chip-kapslingar använder lödpunkter istället för trådanslutningar för att skapa anslutningar till substratet. Vätbara sidor säkerställer att lödtennet sprids från botten av kapslingen, flyter upp längs väggens sida och bildar en synlig lödanslutning.

Med den här tekniken kan system med automatiserad visuell inspektion (AVI) validera korrekt sammanfogning med kretskortet genom att visuellt undersöka de lödpunkter som bildas mellan den vertikala sidan och lödplattan, vilket säkerställer tillförlitliga anslutningar.

Genom att använda vätbara sidor ökar tillförlitligheten, utbytet och motståndskraften mot vibrationer och skakningar som annars kan leda till separation. Tennplätering täcker kopparanslutningarna och skyddar kopparn från att oxidera över tid.

Med hjälp av flip chip-kapsling och vätbara sidor introducerade Semtech ett sortiment av TVS-dioder för en ledare i DFN-kapslingen 0402 (1 x 0,6 x 0,55 mm), särskilt anpassad för industriella tillämpningar utanför fordonsindustrin.

TVS-komponenterna i DFN-kapsling 0402 är avsedda att skydda mot ESD i RF- och FM-antenner, styrning av pekskärmar, matningar för 12 V_DC, sidoknappar och knappsatser, ljudportar, IoT-enheter, bärbar instrumentering, ledare för GPIO (general-purpose input-output) och industriell utrustning.

Enheter från Semtech skyddar mot ESD för:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/ 3.2
• Kontaktdon för USB Type-C® för signalledare med höga hastigheter
• Ledare för konfigurationskanal (CC) och SBU (sideband use) som används för att förhandla om ström, data och alternativa lägen anslutna med USB Type-C kabel
• Ledare för VBus
• Dataledarna D+/D- som överför differentiella signaler för USB och andra äldre protokoll

Lösningar för ESD-skydd från Semtech för en kanal, dataledare och VBUS med vätbara sidor finns i ESD-skyddsenheterna RClamp och μClamp. De skyddar på kretskortsnivå och har låg drift- och låsspänning, snabb svarstid och ingen försämring av enheten.

Produkterna RClamp (RailClamp) omfattar:

• RCLAMP01811PW.C: Ger konstruktörer flexibilitet att skydda enskilda ledare i tillämpningar med begränsat utrymme, som t.ex. smartphones, bärbara datorer och tillbehör. Den uppfyller standarden IEC 61000-4-2 med en spänningen ±30 kV (kontakt) och ±30 kV (luft) och har en låg kapacitans på 1,2 pF (max). Den skyddar enskilda ledare, har en driftspänning på 1,8 V och en låg omvänd läckström på 100 nA (max) vid V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: För skydd av enskilda ledare i tillämpningar där matriser inte är praktiska, t.ex. bärbara tillämpningar med USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL. Med en driftspänning på 4 V och en låg kapacitans på 0,65 pF (max) uppfyller den ESD-skydd för höghastighetsledare enligt standarden IEC 61000-4-2 för ±30 kV (kontakt och luft) och standarden IEC 61000-4-5 (blixtnedslag) för 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: En TVS för enskilda ledare med en driftspänning på 22 V och en transientström på 18 A (t_p = 8/20 μs) enligt standarden IEC 61000-4-5 samt en genombrottsspänning på ±25 kV (kontakt) och ±30 kV (luft) som uppfyller standarden IEC 61000-4-2. Typiska tillämpningar är USB Type-C, ledare för NFC (Near-Field Communication), RF- och FM-antenner samt IoT-enheter.

Den extremt lilla produktserien μClamp (MicroClamp) omfattar:

• UCLAMP5031PW.C: En TVS för enskilda ledare med en driftspänning på 5 V och en genombrottsspänning på ±30 kV (kontakt) och ±30 kV (luft) som uppfyller standarden IEC 61000-4-2. Konstruktörer kan använda den för industriell utrustning, bärbar instrumentering, bärbara datorer, handenheter, knappsatser och ljudportar.
• UCLAMP1291PW.C: En TVS för enskilda ledare med driftspänningar på 12 V med typiskt låg dynamisk resistans, låsning vid ESD med låga spänningstoppar och hög genombrottsspänning för ESD på ±30 kV (kontakt och luft) som uppfyller standarden IEC 61000-4-2. Lämpliga tillämpningar är mobiltelefoner och tillbehör, bärbara datorer och handdatorer samt bärbar instrumentering.
• UCLAMP2011PW.C: En TVS för enskilda ledare på 20 V, med hög kapacitet för transienter orsakade av blixtnedslag på 3 A (t_p=8/20 μs) som uppfyller standarden IEC 61000-4-5. Typiska tillämpningar är kringutrustning, bärbara enheter och instrumentering.
• UCLAMP2411PW.C: En TVS för enskilda ledare för 24 V som passar för många olika tillämpningar, inklusive strömmatningar på 24 V_DC, dataledare för Chip on Glass-drivkretsar, kringutrustning och bärbara enheter. Transientströmmen är på 3 A (t_p = 8/20 μs) enligt standarden IEC 61000-4-5.

Sammanfattning

Ökad kretstäthet och högre prestanda för elektroniska produkter kräver nya metoder för att skydda mot elektrostatiska urladdningar och andra överspänningar. Semtechs nya kapsling resulterar i mindre TVS-dioder som ger produktutvecklare större flexibilitet, kapacitet för höga transientströmmar och låga låsspänningar, vilket gör dem perfekta för att skydda känslig elektronik.