Diodele TVS mai mici și mai performante oferă o protecție mai mare

Descărcarea electrostatică (ESD) sau supratensiunile pot deteriora sau defecta produsele electronice în timpul fabricării sau al utilizării finale. Se estimează că ESD provoacă defecțiuni ale câtorva componente până la o treime din toate componentele, fiind agravate de creșterea densității circuitelor și de cerințele de performanță mai ridicate.

Evenimentele de tensiune tranzitorie, cum ar fi ESD, reprezintă pericole care pot afecta echipamentele, de la dispozitive de consum la echipamente industriale costisitoare. Utilizarea tot mai frecvență a microprocesoarelor sensibile la astfel de evenimente și utilizate într-un spectru larg de produse face esențială selectarea unei soluții ESD adecvate pentru a asigura satisfacția clienților și succesul comercial.

Atunci când electronii sunt redistribuiți pe suprafața unui material, pot crea un dezechilibru de sarcină. Când câmpul electric rezultat este suficient de puternic, sarcinile statice caută echilibrul și produc o descărcare electrostatică. Acest lucru poate fi dezastruos pentru electronicele bazate pe microelectronică, ducând la defectări, întârzieri ale produselor, pierderi de venituri și, uneori, la afectarea reputației sau a mărcii.

Chiar și într-un mediu curat de fabricație a circuitelor integrate, componentele pot fi expuse la ESD în timpul procesării, asamblării, testării și ambalării. Modelul corpului uman (HBM) este cel mai utilizat standard de testare pentru a verifica dacă circuitele integrate pot rezista la impactul unui corp uman încărcat – un generator tipic de ESD – care atinge un circuit integrat și creează o sarcină statică.

IEC 61000-4-2 este un standard internațional de testare ESD care utilizează un model de corp uman la un punct de referință hardware mai substanțial la nivel de sistem pentru a verifica dacă un dispozitiv poate supraviețui evenimentelor tranzitorii, inclusiv protecția împotriva fulgerelor, atunci când se află în mâinile utilizatorilor finali din lumea reală.

Suprimarea tensiunii tranzitorii

Pe măsură ce geometria circuitelor integrate continuă să se micșoreze, parametrii ESD tradiționali sunt insuficienți pentru a aborda riscurile la nivel de sistem. Pentru a proteja circuitele de putere și circuitele de date de mare viteză, proiectanții trebuie să exploateze progresele tehnologiei de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS) dincolo de HBM și de protecția ESD pe dispozitiv.

TVS este din ce tot mai esențial în protecția împotriva ESD pe liniile de date utilizate în mod obișnuit pentru dispozitive cu HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antene și alte interfețe standard. Sunt necesare măsuri de protecție robuste pentru a evita deteriorarea ESD în produsele finite, de la articole de îmbrăcăminte și tastaturi la smartphone-uri și camere IoT.

O diodă TVS poate fi plasată pe o linie de alimentare sau de date pentru a proteja împotriva evenimentelor tranzitorii prin redirecționarea supratensiunilor departe de circuitul pe care îl protejează. În timpul unui eveniment tranzitoriu, tensiunea de pe linia protejată va crește rapid și poate atinge zeci de mii de volți. În condiții normale de funcționare, dioda TVS pare deschisă, dar poate opri un vârf ESD la nivel de sistem în mai puțin de o nanosecundă, deviind curenții mari.

Unele dintre caracteristicile cheie în selectarea unei soluții TVS sunt:

• Capacitatea (C) – capacitatea inerentă de a stoca o sarcină electrică
• Tensiunea de străpungere inversă (V_RWM) - tensiunea maximă pe care un circuit poate funcționa fără a activa dioda TVS
• Tensiunea de fixare (V_C) – nivelul de tensiune la care TVS începe să devieze excesul de curent din circuitul protejat (mai mică decât V_RWM)
• Tensiunea de străpungere inversă (V_BR) – tensiunea la care TVS intră într-un mod de joasă impedanță
• Curentul de vârf al impulsurilor (I_PP) – curentul maxim pe care îl poate suporta TVS înainte de a se deteriora
• Puterea de vârf a impulsurilor (P_PP) – puterea instantanee disipată de TVS în timpul unui eveniment

Considerații privind capsularea TVS

Amplasarea diodelor TVS are un impact asupra performanței acestora, iar apropierea de punctul de intrare ESD asigură o protecție mai bună. În plus, capsularea semiconductorilor joacă un rol esențial în protejarea componentelor electronice delicate din sistemele moderne împotriva amenințărilor ESD

La selectarea diodelor TVS pentru produsele lor, proiectanții trebuie să se concentreze asupra nivelului specific dorit de protecție împotriva supratensiunilor, asupra numărului de linii care trebuie protejate și asupra dimensiunii capsulei care să se potrivească cu spațiul disponibil pe placă.

Capsulele CI cu conductoare sunt o opțiune comună pentru diodele TVS datorită ușurinței de montare pe plăcile de circuite imprimate (PCB), ceea ce le face rentabile, și asigură o bună disipare a căldurii. Totuși, din cauza dimensiunii lor, acestea pot ocupa un spațiu substanțial pe PCB și au adesea efecte parazite care au un impact negativ asupra performanței.

Din fericire, capsulele DFN (Dual Flat No-Lead) oferă dimensiuni compacte și versatilitate care pot fi mai potrivite pentru protecția ESD. Capsulele DFN nu au conductoare extinse, iar punctele lor de contact sunt situate sub componentă și nu de-a lungul perimetrului acesteia, ceea ce permite economisirea spațiului în comparație cu capsularea dispozitivelor de montare pe suprafață (SMD) cu conductoare.

Capsulele DFN oferă o disipare remarcabilă a căldurii prin încorporarea unei plăcuțe termice expuse pe partea inferioară, care se poate lipi fără probleme de PCB pentru a funcționa ca un radiator integrat. De asemenea, acestea prezintă elemente parazite mai mici în comparație cu o capsulă SMD cu conductoare, ajutând la menținerea integrității semnalului în aplicațiile de mare viteză.

Cu toate acestea, capsulele DFN oferă o vizibilitate limitată a îmbinărilor de lipit pe PCB-uri, ceea ce face dificilă confirmarea unei lipiri corecte în timpul procesului de asamblare post-capsulare.

Depășirea provocării DFN

Semtech a rezolvat provocarea DFN cu diode TVS în module DFN cu capsule flip-chip și flancuri umectabile pe laterală (Figura 1).

Figura 1: Imagine reprezentativă a capsulei DFN de la Semtech cu flancuri care pot fi umezite pe laterală, utilizat pentru diodele TVS. (Sursa imaginii: Semtech)

Capsula flip-chip utilizează proeminențele de cositor în locul legăturilor de sârmă pentru a realiza conexiuni cu substratul. Flancurile umectabile pe laterală garantează că lipirea se răspândește de la partea inferioară a capsulei, curge pe partea laterală a peretelui și formează o conexiune de lipire vizibilă.

Cu ajutorul acestei tehnici, sistemele de inspecție vizuală automatizată (AVI) pot valida lipirea corectă pe PCB prin examinarea vizuală a proeminențelor de cositor formate între partea verticală a flancului și placa de lipire, asigurând conexiuni fiabile.

Utilizarea flancurilor umectabile pe laterală sporește fiabilitatea, îmbunătățește randamentul și oferă rezistență la vibrații și scuturări care, în caz contrar, ar putea crea separare. Placarea cu staniu acoperă terminalele de cupru, protejând cuprul de oxidare în timp.

Utilizând capsularea flip-chip și flancurile umectabile pe laterală, Semtech a introdus o gamă de diode TVS cu o singură linie, capsulate în format DFN 0402 (1,0 mm x 0,6 mm x 0,55 mm), adaptate pentru aplicații industriale altele decât cele din industria auto.

Componentele TVS 0402 DFN sunt destinate protejării împotriva ESD în antenele RF și FM, controlerele cu ecran tactil, liniile de 12 V_c.c., tastele laterale și tastaturile, porturile audio, dispozitivele IoT, instrumentele portabile, liniile de intrare-ieșire cu scop general (GPIO) și echipamentele industriale.

Dispozitivele Semtech oferă protecție ESD pentru:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• Conectori USB Type-C® pe linii de semnal de mare viteză
• Liniile de canal de configurare (CC) și de utilizare a benzii laterale (SBU) utilizate pentru negocierea modurilor de alimentare, de date și alternative conectate prin cablu USB Type-C
• Linii VBus
• Liniile de date D+/D- care transportă semnalele diferențiale pentru USB și alte protocoale tradiționale

Soluțiile de protecție ESD cu un singur canal, linie de date și VBUS de la Semtech, cu capsulare cu flancuri umectabile pe laterală, sunt disponibile în dispozitive de protecție ESD RClamp și μClamp. Acestea oferă protecție la nivel de placă cu tensiune de funcționare și de fixare scăzută, timp de răspuns rapid și fără degradarea dispozitivului.

Produsele RClamp (RailClamp) includ:

• RCLAMP01811PW.C: oferă proiectanților flexibilitatea de a proteja liniile unice în aplicații cu spațiu limitat, cum ar fi smartphone-urile, notebook-urile și accesoriile. Poate rezista la o tensiune de ±30 kV (contact) și ±30 kV (aer) conform IEC 61000-4-2, cu o capacitate redusă de 1,2 pF (max.). Acesta protejează o singură linie cu o tensiune de lucru de 1,8 V și un curent de scurgere inversă redus de 100 nA (max.) la V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: pentru protejarea liniilor unice în aplicații în care nu sunt practice rețelele, cum ar fi aplicațiile portabile cu USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL și dispozitivele purtabile. Cu o tensiune de lucru de 4,0 V și o capacitate redusă de 0,65 pF (max.), asigură protecție ESD pentru liniile de mare viteză conform IEC 61000-4-2 de ±30 kV (contact și aer) și IEC 61000-4-5 (fulgere) de 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: o tensiune de lucru de 22 V, TVS cu o singură linie, cu un curent de supratensiune de 18 A (t_p = 8/20 μs) conform IEC 61000-4-5 și o tensiune de rezistență de ±25 kV (contact) și ±30 kV (aer) conform IEC 61000-4-2. Printre aplicațiile tipice se numără USB Type-C, liniile Near-Field Communication (NFC), antenele RF și FM și dispozitivele IoT.

Linia de produse μClamp (MicroClamp) de dimensiuni foarte mici include:

• UCLAMP5031PW.C: o tensiune de lucru de 5 V, TVS cu o singură linie, cu o tensiune de rezistență de ±30 kV (contact) și ±30 kV (aer) conform IEC 61000-4-2. Proiectanții îl pot utiliza pentru echipamente industriale, instrumente portabile, notebook-uri, telefoane, tastaturi și porturi audio.
• UCLAMP1291PW.C: o tensiune de lucru de 12 V, un TVS cu o singură linie, cu rezistență dinamică tipică scăzută, tensiune de fixare ESD de vârf scăzută și tensiune de rezistență ESD ridicată de ±30 kV (contact și aer) conform IEC 61000-4-2. Printre aplicațiile adecvate se numără telefoanele mobile și accesoriile acestora, notebook-urile și dispozitivele portabile, precum și instrumentele portabile.
• UCLAMP2011PW.C: un TVS cu o singură linie, 20 V, cu o capacitate ridicată de supratensiune în caz de descărcări electrice de 3 A (t_p = 8/20 μs) conform IEC 61000-4-5. Aplicațiile tipice includ periferice, dispozitive portabile și instrumente.
• UCLAMP2411PW.C: un TVS de 24 V, cu o singură linie, potrivit pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv șine de alimentare de 24 V_c.c., linii de date ale circuitelor integrate de driver Chip-on-Glass, periferice și dispozitive portabile. Are de un curent de supratensiune de 3 A (t_p = 8/20 μs) conform IEC 61000-4-5.

Concluzie

Densitatea tot mai mare a circuitelor și performanța crescută a produselor electronice necesită noi abordări pentru protecția împotriva descărcărilor electrostatice și a altor supratensiuni. Noua capuslă realizată de Semtech are ca rezultat diode de suprimare a tensiunii tranzitorii mai mici, care oferă proiectanților de produse o mai mare flexibilitate, o capacitate mare de supratensiune și tensiuni de fixare scăzute, ceea ce le face ideale pentru protejarea componentelor electronice sensibile.