Kleinere, beter presterende TVS-diodes bieden betere bescherming

Elektrostatische ontlading (ESD) of stroompieken kunnen elektronische producten tijdens productie of eindgebruik beschadigen. Geschat wordt dat tot een derde van alle componentdefecten veroorzaakt wordt door ESD. Deze problemen worden nog versterkt door een hogere circuitdichtheid en strengere prestatievereisten.

Kortstondige of transiënte spanningen, zoals ESD, zijn voorvallen die invloed kunnen hebben op diverse apparatuur, variërend van consumentenapparatuur tot dure industriële toestellen. Vanwege de groeiende afhankelijkheid van microprocessoren die gevoelig zijn voor dergelijke voorvallen en die gebruikt worden in een groot scala aan producten, is het essentieel om een geschikte ESD-oplossing te kiezen en zo de tevredenheid van de klant en commercieel succes te garanderen.

Wanneer elektronen worden herverdeeld op een materiaaloppervlak, kunnen ze een ladingsonevenwicht creëren. Als het resulterende elektrische veld sterk genoeg is, zoeken de statische ladingen naar een evenwicht en produceren ze een elektrostatische ontlading. Dit kan desastreus zijn voor op micro-elektronica gebaseerde elektronica en leidt tot uitval, productvertragingen, inkomstenverlies en soms reputatie- of merkschade.

Zelfs in een schone IC-productieomgeving kunnen componenten worden blootgesteld aan ESD tijdens verwerking, assemblage, testen en verpakken. Het Human Body Model (HBM) is de meest gebruikte teststandaard om te garanderen dat IC’s bestand zijn tegen de impact van een statisch geladen persoon die een IC aanraakt en een ontlading veroorzaakt. Dit is een veelvoorkomende oorzaak van ESD.

IEC 61000-4-2 is een internationale ESD-testnorm die gebruikmaakt van een ‘human body model’ op een meer substantiële hardwarebenchmark op systeemniveau om te garanderen dat een apparaat bestand is tegen transiënte voorvallen bij de eindgebruikers, inclusief bliksembeveiliging.

Onderdrukking van transiënte spanning

Omdat IC’s steeds kleiner worden, zijn traditionele ESD-parameters niet voldoende om risico’s op systeemniveau aan te pakken. Om elektriciteitsleidingen en high-speed datacircuits te beschermen, moeten ontwerpers gebruik maken van de vooruitgang in TVS-technologie (Transient Voltage Suppression) die verder gaat dan HBM en ESD-bescherming op de apparatuur.

TVS wordt steeds belangrijker bij de bescherming tegen ESD op veelgebruikte datalijnen voor apparaten met HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antennes en andere standaard interfaces. Robuuste beschermingsmaatregelen zijn nodig om ESD-schade in eindproducten te voorkomen, variërend van wearables en toetsenborden tot smartphones en IoT-camera’s.

Een TVS-diode kan op een elektriciteitsleiding of datalijn worden geplaatst om deze te beschermen tegen transiënte voorvallen door piekspanningen weg te leiden van het te beveiligen circuit. Tijdens transiënte voorvallen stijgt de spanning op de beveiligde leiding snel tot pieken van wel tienduizenden volts. Onder normale bedrijfsomstandigheden lijkt de TVS-diode open, maar een ESD-piek op systeemniveau kan in minder dan een nanoseconde worden gestopt, waarbij hoge stromen worden omgeleid.

Enkele van de belangrijkste kenmerken bij het kiezen van een TVS-oplossing zijn:

• capaciteit (C) - het inherente vermogen om elektrische lading op te slaan
• omgekeerde standoff-spanning (V_RWM) - de maximale spanning die een circuit kan gebruiken zonder dat de TVS-diode wordt geactiveerd
• klemspanning (V_C) - het spanningsniveau waarbij de TVS overtollige stroom van het beveiligde circuit begint om te leiden (lager dan V_RWM)
• omgekeerde doorslagspanning (V_BR) - de spanning waarbij de TVS een lage impedantiemodus activeert
• piekpulsstroom (I_PP) - de maximale stroom die de TVS aankan voordat er schade optreedt
• piekpulsvermogen (P_PP) - het momentane vermogen dat door de TVS tijdens een voorval wordt gedissipeerd

Overwegingen voor TVS-pakketgrootte

De plaatsing van TVS-diodes beïnvloedt hun prestaties: hoe dichter bij het ESD-ingangspunt, hoe beter de bescherming. De pakketgrootte van halfgeleiders speelt ook een sleutelrol in de bescherming van gevoelige elektronica tegen ESD in moderne systemen.

Ontwerpers moeten zich bij het selecteren van TVS-diodes voor hun producten richten op het specifieke overspanningsbeveiligingsniveau dat gewenst is, het aantal lijnen dat beschermd moet worden en een pakketgrootte die past bij de beschikbare printplaatruimte.

IC-pakketten met leads zijn een gebruikelijke optie voor TVS-diodes omdat ze gemakkelijk op printplaten (PCB’s) kunnen worden gemonteerd, waardoor ze kosteneffectief zijn. Bovendien zorgen ze voor een goede warmteafvoer. Door hun grootte nemen ze echter veel ruimte in op de printplaat en hebben ze vaak parasitaire effecten die de prestaties negatief beïnvloeden.

Gelukkig bieden DFN-pakketten (Dual Flat No-Lead) compacte afmetingen en veelzijdigheid die geschikter zijn voor ESD-bescherming. DFN-pakketten hebben geen verlengde leads en hun contactpunten bevinden zich onder de component in plaats van langs de rand, wat ruimte bespaart in vergelijking met SMD-pakketten (surface-mount devices) met leads.

DFN-pakketten bieden een uitstekende warmteafvoer door een blootliggend thermisch pad aan de onderkant dat naadloos aan de printplaat hecht en als een geïntegreerd koellichaam functioneert. Ze vertonen ook minder parasitaire elementen in vergelijking met een SMD-pakket met leads, waardoor de signaalintegriteit in high-speed toepassingen behouden blijft.

DFN-pakketten bieden echter een beperkte zichtbaarheid van de soldeerverbindingen op printplaten, waardoor het een uitdaging is om tijdens het post-package assemblageproces de juiste hechting te bevestigen.

Het DFN-probleem oplossen

Semtech heeft de DFN-uitdaging opgelost met TVS-diodes in DFN-modules met flip-chippakket en ‘side-wettable flank’-technologie (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Representatieve afbeelding van het DFN-pakket van Semtech met ‘side-wettable flank’-technologie gebruikt voor TVS-diodes. (Bron afbeelding: Semtech)

Flip-chippakketten maken gebruik van soldeerbumps in plaats van draadverbindingen voor verbindingen met het substraat. Bij gebruik van side-wettable flank-technologie stroomt het soldeer vanaf de onderkant van het pakket langs de zijkant omhoog waar het een zichtbare soldeerverbinding vormt.

Met deze techniek kunnen geautomatiseerde visuele inspectiesystemen (AVI) een correcte PCB-binding valideren door de soldeerbumps tussen de verticale zijde van de flank en het soldeereilandje visueel te inspecteren, om zo betrouwbare verbindingen te garanderen.

Het gebruik van side-wettable flank-technologie verbetert de betrouwbaarheid, verhoogt de opbrengst en biedt weerstand tegen trillingen en schudden die anders scheiding zouden kunnen veroorzaken. De koperen aansluitingen zijn vertind, zodat het koper na verloop van tijd niet oxideert.

Door gebruik te maken van een flip-chippakket en side-wettable flank-technologie introduceerde Semtech een reeks TVS-diodes in 0402 DFN-formaat (1,0 mm x 0,6 mm x 0,55 mm), speciaal voor niet-automotive industriële toepassingen.

De 0402 DFN TVS-componenten zijn bedoeld om bescherming te bieden tegen ESD in RF- en FM-antennes, touchscreencontrollers, 12 V_DC-lijnen, zijtoetsen en toetsenborden, audiopoorten, IoT-apparaten, draagbare instrumentatie, GPIO-lijnen (general-purpose input-output) en industriële apparatuur.

De Semtech-componenten bieden ESD-bescherming voor:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• USB Type-C®-connector op high-speed signaallijnen
• lijnen voor CC (configuration channel) en SBU (sideband use) voor stroom, data en alternatieve modi aangesloten via een USB Type-C kabel
• VBus-lijnen
• D+/D- datalijnen die de differentiële signalen dragen voor USB en andere oude protocollen

De enkelkanaals, datalijn en VBUS ESD-beschermingsoplossingen van Semtech met side-wettable flankpakketten zijn beschikbaar in RClamp en μClamp ESD-beschermingscomponenten. Ze bieden bescherming op PCB-niveau met een lage bedrijfs- en klemspanning, een snelle responstijd en geen componentdegradatie.

RClamp (RailClamp) producten omvatten:

• RCLAMP01811PW.C: Biedt ontwerpers de flexibiliteit om afzonderlijke lijnen te beschermen in toepassingen met beperkte ruimte, zoals smartphones, notebooks en accessoires. Is bestand tegen een spanning van ±30 kV (contact) en ±30 kV (lucht) volgens IEC 61000-4-2, met een lage capaciteit van 1,2 pF (max). Biedt bescherming van een enkele lijn met een werkspanning van 1,8 V en een lage omgekeerde lekstroom van 100 nA (max) bij V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: Voor het beschermen van enkele lijnen in toepassingen waar arrays niet praktisch zijn, zoals draagbare toepassingen met USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL en wearables. Dankzij een werkspanning van 4,0 V en een lage capaciteit van 0,65 pF (max) biedt dit product ESD-bescherming voor high-speed lijnen volgens IEC 61000-4-2 van ±30 kV (contact & lucht) en IEC 61000-4-5 (bliksem) van 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: Een enkellijns TVS met een werkspanning van 22 V een piekstroom van 18 A (t_p = 8/20 μs) volgens IEC 61000-4-5 en een weerstandsspanning van ±25 kV (contact) en ±30 kV (lucht) volgens IEC 61000-4-2. Typische toepassingen zijn USB Type-C, Near-Field Communication (NFC)-lijnen, RF- en FM-antennes en IoT-apparaten.

De ultrakleine μClamp (MicroClamp) productlijn omvat:

• UCLAMP5031PW.C: Een enkellijns TVS met een werkspanning van 5 V, een weerstandsspanning van ±30 kV (contact) en ±30 kV (lucht) volgens IEC 61000-4-2. Ontwerpers kunnen deze gebruiken voor industriële apparatuur, draagbare instrumenten, notebooks, handsets, toetsenborden en audiopoorten.
• UCLAMP1291PW.C: Een enkellijns TVS met een werkspanning van 12 V en lage typische dynamische weerstand, lage piek ESD-klemspanning en hoge ESD-bestendigheidsspanning van ±30 kV (contact en lucht) volgens IEC 61000-4-2. Geschikte toepassingen zijn mobiele telefoons en accessoires, notebooks en handhelds, evenals draagbare instrumenten.
• UCLAMP2011PW.C: Een enkellijns TVS van 20 V met een hoog bliksemvermogen van 3 A (t_p = 8/20 μs) volgens IEC 61000-4-5. Typische toepassingen zijn randapparatuur, draagbare apparaten en instrumentatie.
• UCLAMP2411PW.C: Een enkellijns TVS met een werkspanning van 24 V, geschikt voor een grote reeks toepassingen, waaronder 24 V_DC voedingsrails, Chip-on-Glass driver IC-datalijnen, randapparatuur en draagbare apparaten. De piekstroom bedraagt 3 A (t_p = 8/20 μs) volgens IEC 61000-4-5.

Conclusie

De toenemende circuitdichtheid en hogere prestaties voor elektronische producten vereisen een nieuwe benadering voor bescherming tegen elektrostatische ontladingen en andere spanningspieken. Het nieuwe Semtech-pakket resulteert in kleinere diodes voor transiënte spanningsonderdrukking die productontwerpers meer flexibiliteit, een hoge piekstroomcapaciteit en lage klemspanningen bieden, waardoor ze ideaal zijn voor het beveiligen van gevoelige elektronica.