Pienemmät ja suorituskykyisemmät TVS-diodit tarjoavat paremman suojauksen

Staattinen purkaus (ESD) tai virtapiikki voi vaurioittaa tai vioittaa elektroniikkatuotteita valmistuksen ja loppukäytön aikana. ESD-purkauksien arvioidaan olevan syynä muutamasta prosentista kolmannekseen kaikista komponenttivioista. Tilannetta pahentavat tihentyneet virtapiirit ja korkeammat suorituskykyvaatimukset.

Transienttijännitetapahtumat, kuten ESD, voivat vaikuttaa niin kuluttajalaitteisiin kuin kalliisiin teollisuuslaitteisiin. Monenlaisten tuotteiden kasvava riippuvuus tällaisille tapahtumille alttiista mikroprosessoreista tekee sopivan ESD-ratkaisun valinnasta elintärkeää asiakastyytyväisyyden ja kaupallisen menestyksen kannalta.

Kun elektronit jakautuvat materiaalin pinnalle, varaukseen voi syntyä epätasapaino. Kun tuloksena oleva sähkökenttä on riittävän vahva, staattiset varaukset pyrkivät tasapainoon synnyttäen staattisen purkauksen. Tämä voi olla tuhoisaa mikroelektroniikkapohjaiselle elektroniikalle ja johtaa vikaantumiseen, tuotantoviiveisiin ja tulonmenetyksiin. Lisäksi yrityksen maine tai brändi voi vahingoittua.

Komponentit voivat altistua ESD-purkauksille jopa puhtaassa integroitujen piirien valmistusympäristössä prosessoinnin, kokoonpanon, testauksen ja pakkaamisen aikana. Varautunut ihmiskeho on yksi tyypillinen staattisien purkauksien lähde. HBM-malli onkin yleisimmin käytetty testausstandardi, jolla varmistetaan, että integroidut piirit kestävät sen, että varautunut ihmiskeho koskettaa piiriä ja luo staattisen varauksen.

IEC 61000-4-2 on kansainvälinen HBM-mallia käyttävä ja kattava laitteiston ESD-testausstandardi. Sillä varmistetaan, että loppukäytössä oleva laite kykenee selviytymään transienteista, myös salamaniskuista.

Transienttijännitteiden vaimennus

Integroitujen piirien geometrioiden jatkaessa kutistumistaan perinteiset ESD-parametrit eivät riitä ratkaisemaan järjestelmätason riskejä. Tehopiirien ja huippunopeiden tiedonsiirtopiirien suojaamiseksi suunnittelijoiden on hyödynnettävä transienttijännitteiden vaimennusteknologian (TVS) edistysaskeleita HBM-mallin ja laitteen sisäisen ESD-suojauksen lisäksi.

TVS on entistä merkittävämpi ratkaisu suojattaessa yleisesti käytettyjä tiedonsiirtolinjoja staattisilta purkauksilta laitteissa, joissa on HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antenneja ja muita vakioliitäntöjä. Puettavista laitteista ja näppäimistöistä älypuhelimiin ja IoT-kameroihin ulottuvien valmiiden tuotteiden ESD-vaurioiden välttämiseksi tarvitaan robusteja suojausmenetelmiä.

Teho- tai tiedonsiirtolinjaan voidaan sijoittaa TVS-diodi suojaamaan transienteilta ohjaamalla ylijännitteen pois suojatusta piiristä. Transientin tapahtuessa suojatun linjan jännite nousee nopeasti jopa kymmenien tuhansien volttien piikkiin asti. Normaaleissa toimintaolosuhteissa TVS-diodi vaikuttaa avoimelta, mutta se voi pysäyttää järjestelmätason ESD-piikin alle nanosekunnissa ohjaten suuret virrat piiristä pois.

TVS-ratkaisun valinnassa huomioonotettavia keskeisiä ominaisuuksia ovat:

• Kapasitanssi (C) – luontainen kyky varastoida sähkövaraus
• Käänteinen erotusjännite (V_RWM) – maksimijännite, jolla piiri voi toimia aktivoimatta TVS-diodia
• Rajoitusjännite (V_C) – jännitetaso, jolla TVS alkaa ohjata ylivirtaa pois suojatusta piiristä (pienempi kuin V_RWM)
• Estosuuntainen läpilyöntijännite (V_BR) – jännite, jossa TVS siirtyy matalan impedanssin tilaan
• Huippupulssivirta (I_PP) – maksimivirta, jonka TVS kestää vaurioitumatta
• Huippupulssiteho (P_PP) – TVS:n tapahtuman aikana dissipoima hetkellinen teho.

TVS-diodin kotelointia koskevat näkökohdat

TVS-diodien sijoitus vaikuttaa niiden suorituskykyyn. Niiden sijoittaminen lähelle staattisen purkauksen sisääntulokohtaa parantaa niiden tarjoamaa suojausta. Myös puolijohdekoteloinnilla on keskeinen rooli nykyaikaisissa järjestelmissä herkän elektroniikan suojaamisessa staattisilta purkauksilta.

TVS-diodeja tuotteilleen valitessaan suunnittelijoiden tulisi keskittyä haluttuun ylijännitesuojaustasoon, suojattavien linjojen määrään ja kotelokokoon, joka sopii kortilla käytettävissä olevaan tilaan.

Jalalliset IC-kotelot ovat yleinen TVS-diodivaihtoehto, koska ne on helppo asentaa piirilevyille, mikä tekee niistä kustannustehokkaita. Lisäksi niillä on hyvät lämmön hajauttamisominaisuudet. Kokonsa vuoksi ne voivat kuitenkin viedä piirilevyltä huomattavan määrän tilaa, ja niillä on usein suorituskykyyn haitallisesti vaikuttavia loisvaikutuksia.

Onneksi DFN (Dual Flat No-Lead) -kotelot tarjoavat kompaktit mitat ja monipuolisuuden, jotka saattavat sopia paremmin ESD-suojaukseen. DFN-koteloissa ei ole kotelon ulkopuolelle ulottuvia jalkoja, vaan niiden kontaktipisteet sijaitsevat komponentin alla, ei sen sivuilla. Tämä säästää tilaa verrattuna jalallisiin pintakiinnityskoteloihin (SMD).

DFN-kotelot tarjoavat erinomaiset lämmön haihtumisominaisuudet, sillä niiden pohjassa on lämmönsiirtoalue, joka voidaan yhdistää saumattomasti piirilevyyn, joka voi näin ollen toimia integroituna jäähdytyselementtinä. Niissä on myös matalammat loisvaikutukset verrattuna jalalliseen SMD-koteloon, mikä auttaa säilyttämään signaalin eheyden huippunopeissa sovelluksissa.

DFN-kotelot kuitenkin heikentävät piirilevyn juottoliitosten näkyvyyttä, minkä vuoksi on haastavaa vahvistaa liitoksen toimivuus kokoonpanoprosessin jälkeen.

DFN-haasteen voittaminen

Semtech ratkaisi DFN-haasteen sijoittamalla TVS-diodit DFN-moduuleihin, joissa on flip-chip-malliset kotelot ja sivulta tarkastettavat reunat (kuva 1).

Kuva 1: Esimerkkikuva TVS-diodeissa käytettävästä Semtechin DFN-kotelosta sivulta tarkastettavilla reunoilla. (Kuvan lähde: Semtech)

Flip-chip-kotelossa perusmateriaali liitetään johtimen sijasta juotospisteillä. Sivulta tarkastettavien reunojen ansiosta juotos leviää kotelon pohjasta, virtaa reunaa pitkin ylöspäin ja muodostaa näkyvän juotosliitännän.

Tätä tekniikkaa käytettäessä automaattiset optiset tarkastusjärjestelmät (AVI) voivat varmistaa kunnollisen piirilevyliitoksen tutkimalla optisesti pystysuoran reunan ja juotosalueen väliin muodostuneet juotokset ja näin varmistaa luotettavat liitännät.

Sivulta tarkastettavat reunat parantavat luotettavuutta ja lisäävät saantoa. Ne myös kestävät tärinää ja ravistelua, jotka voisivat muutoin irrottaa liitännän. Kupariliittimet on tinapinnoitettu, mikä suojaa kuparia hapettumiselta pitkällä aikavälillä.

Semtech esitteli flip-chip-koteloa ja sivulta tarkastettavia reunoja käyttävän sarjan yksilinjaisia TVS-diodeja, jotka käyttävät 0402-kokoista koteloa (1,0 mm x 0,6 mm x 0,55 mm) DFN-muodossa, joka on räätälöity muihin kuin autoteollisuussovelluksiin.

0402-koon DFN TVS -komponentit on tarkoitettu ESD-suojaukseen RF- ja FM-antenneissa, kosketusnäyttöjen ohjaimissa, 12 V_DC-linjoissa, sivunäppäimissä ja näppäimistöissä, audioliitännöissä, IoT-laitteissa, kannettavassa instrumentaatiossa, GPIO-linjoissa (general-purpose input-output) ja teollisuuslaitteissa.

Semtech-laitteet tarjoavat ESD-suojauksen seuraaviin käyttökohteisiin:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• USB Type-C® -liittimet huippunopeissa signalointilinjoissa
• Konfigurointikanava- (CC) ja sivukaistakäyttölinjat (SBU), joita käytetään USB Type-C -liitännässä kytkettyjen virta-, tiedonsiirto- ja vaihtoehtoisten tilojen neuvotteluun
• VBus-linjat
• D+/D- -tiedonsiirtolinjat, joissa kulkee USB:n ja muiden vanhojen protokollien differentiaalisignaaleja.

Semtechin yksikanavaiset tiedonsiirtolinjojen ja VBUS-väylän ESD-suojausratkaisut, joissa on sivulta tarkastettava kotelointi, ovat saatavana RClamp- ja μClamp ESD -suojauslaitteina. Ne tarjoavat piirilevytason suojauksen alhaisella toiminta- ja rajoitusjännitteellä sekä nopealla vasteajalla heikentämättä laitteen toimintaa.

RClamp (RailClamp) -tuotteita ovat:

• RCLAMP01811PW.C: tarjoaa suunnittelijoille joustavuutta yksittäisten linjojen suojaamiseen tilaltaan rajallisissa käyttökohteissa, kuten älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa ja lisävarusteissa. Se kestää ±30 kV:n (kosketus) ja ±30 kV:n (ilma) jännitteen IEC 61000-4-2 -standardin mukaisesti, ja sen kapasitanssi on matala, vain 1,2 pF (maks.). Se suojaa yhden linjan käyttöjännitteellä 1,8 V ja alhaisella 100 nA:n (maks.) käänteisvuotovirralla, kun jännite on V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: yksittäisten linjojen suojaamiseen käyttökohteissa, joissa ryhmien suojaus ei ole käytännöllisiä. Esimerkkejä tästä ovat protokollia USB 2.0, MIPI/MDDI tai MHL käyttävät kannettavat sovellukset sekä puettavat laitteet. Sen käyttöjännite on 4,0 V ja kapasitanssi alhainen 0,65 pF (maks.), ja se tarjoaa seuraavan ESD-suojauksen suurnopeuslinjoille: ±30 kV standardin IEC 61000-4-2 mukaisesti (kosketus ja ilma) sekä 20 A standardin IEC 61000-4-5 mukaisesti (salama)(t_p = 8/20 μs).
• RCLAMP2261PW.C: yhden linjan TVS käyttöjännitteellä 22 V, virtapiikki 18 A (t_p = 8/20 μs) standardin IEC 61000-4-5 mukaisesti, kestojännite ±25 kV (kosketus) ja ±30 kV (ilma) standardin IEC 61000-4-2 mukaisesti. Tyypillisiä sovelluksia ovat USB Type-C, NFC-linjat, RF- ja FM-antennit sekä IoT-laitteet.

Erittäin pieni μClamp (MicroClamp) -tuotelinja sisältää:

• UCLAMP5031PW.C: yksilinjainen TVS käyttöjännitteellä 5 V, kestojännite ±30 kV (kosketus) ja ±30 kV (ilma) standardin IEC 61000-4-2 mukaisesti. Suunnittelijat voivat käyttää sitä teollisuuslaitteissa, kannettavissa instrumenteissa, kannettavissa tietokoneissa, käsipuhelimissa, näppäimistöissä ja audioliitännöissä.
• UCLAMP1291PW.C: yksilinjainen TVS käyttöjännitteellä 12 V, alhainen tyypillinen dynaaminen resistanssi, alhainen ESD-piikkirajoitusjännite ja korkea ESD-kestojännite, ±30 kV (kosketus ja ilma) standardin IEC 61000-4-2 mukaisesti. Sopivia käyttökohteita ovat mm. matkapuhelimet ja niiden lisävarusteet, kannettavat tietokoneet ja kämmenlaitteet sekä kannettavat instrumentit.
• UCLAMP2011PW.C: yksilinjainen 20 V:n TVS, jossa on korkea salamaniskukapasiteetti, 3 A (t_p= 8/20 μs), standardin IEC 61000-4-5 mukaisesti. Tyypillisiä sovelluksia ovat oheislaitteet, kannettavat laitteet ja instrumentointi.
• UCLAMP2411PW.C: yksilinjainen 24 V:n TVS, joka sopii monenlaisiin sovelluksiin, kuten 24 V_DC:n virtakiskoihin, integroitujen piirien chip-on-glass-ohjaimen tiedonsiirtolinjoihin, oheislaitteisiin ja kannettaviin laitteisiin. Sen virtapiikkiluokitus on 3 A (t_p = 8/20 μs) standardin IEC 61000-4-5 mukaisesti.

Yhteenveto

Elektroniikkatuotteissa piirien tiheyden kasvu ja korkeampi suorituskyky edellyttävät uudenlaista suojautumista staattisilta purkauksilta ja muilta jännepiikeiltä. Semtechin uudet kotelot mahdollistavat pienikokoisemmat transienttijännitteiden vaimennusdiodit, jotka tarjoavat tuotesuunnittelijoille enemmän joustavuutta, korkean virtapiikkiluokituksen ja alhaiset rajoitusjännitteet, mikä tekee niistä ihanteellisia herkän elektroniikan suojaamiseen.