דיודות TVS קטנות יותר, עם ביצועים גבוהים יותר, ‏מספקות הגנה גדולה יותר

פריקה אלקטרוסטטית (ESD) או נחשולי מתח עלולים לגרום נזק או להכשיל מוצרים אלקטרוניים במהלך ייצור או שימוש סופי. לפי הערכה, פריקה אלקטרוסטטית (ESD) גורמת ממספר חד ספרתי עד שליש מכל הכשלים של רכיבים, מוחמר על ידי צפיפות מעגלים מוגברת ודרישות ביצועים גבוהות יותר.

אירועי מתח טרנזיינטי, כמו ESD, הם גורמי סיכון היכולים להשפיע על ציוד, מהתקני צרכנים עד ציוד תעשייתי יקר. ההסתמכות ההולכת וגדלה על מיקרו-מעבדים הרגישים לאירועים כאלה ומשמשים על פני ספקטרום רחב של מוצרים, גורמת לכך שחיוני לבחור בפתרון ESD מתאים כדי להבטיח שביעות רצון לקוחות והצלחה מסחרית.

כשאלקטרונים מפוזרים מחדש על משטח של חומר, הם יכולים ליצור חוסר איזון מטען. כשהשדה החשמלי הנוצר ממנו חזק מספיק, המטענים הסטטיים שואפים לשיווי-משקל ומייצרים‏ פריקה אלקטרוסטטית. זה יכול להיות הרה אסון עבור אלקטרוניקה מבוססת על מיקרואלקטרוניקה, מוביל לכשלים, עיכובי מוצר, אובדני הכנסה, ולפעמים נזק למוניטין או למותג.

אפילו בסביבת ייצור IC‏ נקייה, רכיבים עלולים להחשף ל-ESD במהלך עיבוד, הרכבה, בדיקה ואריזה. מודל גוף האדם (HBM) הוא תקן הבדיקה הנפוץ ביותר כדי להבטיח שמעגלי IC יכולים לעמוד בהשפעה של גוף אדם טעון—מחולל אופייני של ESD—‏נגיעה ב-IC ויצירת מטען סטטי.

IEC61000-4-2‏ הוא תקן בדיקת ESD בינלאומי המשתמש בדגם גוף אדם‏ במדד חומרה משמעותי יותר ברמת המערכת כדי להבטיח שהתקן יכול לשרוד אירועי טרנזיינט, כולל הגנה מפני ברקים, כשנמצא בידיהם של משתמשי קצה בעולם-האמיתי.

דיכוי מתח טרנזיינטי

ככל שגיאומטריות המעגלים המשולבים ממשיכות להתכווץ, פרמטרי ESD מסורתיים אינם מספיקים כדי לטפל בסיכונים ברמת המערכת. כדי להגן על מעגלי הספק ומעגלי נתונים מהירות-גבוהה,‏ מתכננים חייבים לנצל חידושים בטכנולוגיית דיכוי מתח טרנזיינטי (TVS) מעבר ל-HBM‏ והגנת ESD על-ההתקן.

TVS הוא‏ יותר ויותר חיוני בהגנה מפני ESD על קווי נתונים נפוצים עבור התקנים עם HDMI‏, Thunderbolt‏, USB 2‏, 3 USB‏, USB-C‏, אנטנות וממשקים סטנדרטיים נוספים. אמצעי הגנה איתנים נחוצים כדי למנוע נזק ESD במוצרים מוגמרים, החל מהתקנים לבישים ומקלדות עד טלפונים חכמים‏ ומצלמות IoT.

ניתן למקם דיודת TVS על קו כוח או נתונים כדי להגן מפני ארועי טרנזיינט על-ידי ניתוב מחדש של נחשולי מתח הרחק מהמעגל שהוא מגן עליו. במהלך ארוע‏ טרנזיינט, המתח על הקוו המוגן יעלה במהירות ויכול לזנק לעשרות אלפי וולט. תחת תנאי עבודה רגילים דיודת ה-TVS מופיעה כנתק, אבל היא יכולה לעצור שיא ESD ברמת המערכת בפחות מננו-שנייה, תוך הסטת זרם גבוה.

חלק ממאפייני המפתח בבחירת פתרון TVS הם:

• קיבוליות (C) - היכולת האינהרנטית לאחסן מטען‏ חשמלי
• מתח קיטעון אחורי (V_RWM)— המתח המקסימלי שמעגל יכול לעבוד בו מבלי להפעיל את דיודת ה-TVS
• מתח הידוק (V_C)—רמת המתח בה ה-TVS מתחילה להסיט זרם עודף מהמעגל המוגן (נמוך מ-V_RWM)
• מתח פריצה אחורי (V_BR)—המתח בו ה-TVS נכנסת למצב אימפדנס נמוך
• זרם פולס שיא (I_PP)—הזרם המקסימלי בו ה-TVS יכולה לטפל לפני שהיא ניזוקה
• הספק פולס שיא (P_PP)—ההספק הרגעי המפוזר על ידי ה-TVS במהלך ארוע

שיקולי אריזת TVS

המיקום של דיודות TVS משפיע על הביצועים שלהן, וקרבה לנקודת הכניסה של ESD מספקת הגנה טובה יותר. אריזת מוליכים-למחצה גם כן משחקת‏ תפקיד חשוב בהגנת אלקטרוניקה עדינה במערכות מודרניות מפני איומי ESD.

בבחירת דיודות TVS עבור המוצרים שלהם, על המתכננים להתמקד ברמת ההגנה מפני נחשול הספציפית הרצויה, מספר הקווים עליהם יש להגן וגודל המארז המתאים למקום הקיים בלוח.

מארזי IC עם רגליים מוליכות הם אופציה נפוצה לדיודות TVS בשל קלות ההרכבה שלהם על לוחות מעגל מודפס (PCBs), מה שהופך אותם למשתלמים, והם מספקים פיזור חום טוב. עם זאת, בשל גודלם הם יכולים לתפוס מקום משמעותי על לוח ה-PCB ולעתים קרובות יש להם השפעות טפיליות המשפיעות לרעה על הביצועים.

למרבה המזל, מארזי DFN (כפול, שטוח, ללא-רגליים-מוליכות) מספקים מידות קומפקטיות ורב-תכליתיות המתאימות יותר עבור הגנת ESD. למארזי DFN אין רגליים מוליכות מוארכות, ונקודות המגע שלהם ממוקמות מתחת לרכיב ולא לאורך היקפו, מספקים חיסכון במקום בהשוואה למארז עם רגליים מוליכות להרכבה-משטחית (SMD).

מארזי DFN מספקים פיזור חום יוצא מן הכלל על ידי שילוב פד תרמי חשוף בתחתית, שיכול להתחבר באופן חלק עם ה-PCB כדי לתפקד כגוף קירור משולב. הם גם מציגים אלמנטים פרזיטיים נמוכים יותר בהשוואה למארז SMD בעל רגליים מוליכות,‏ מסייעים בשמירה על שלמות אות (Signal Integrity) ביישומי מהירות-גבוהה.

אם כי, מארזי DFN מספקים נראות מוגבלת של נקודות ההלחמה על לוחות PCB, מה שהופך למאתגר וידוא הדבקה טובה במהלך תהליך ההרכבה לאחר אריזה.

התגברות על אתגר ה-DFN

Semtech‏ פתרה את אתגר ה-DFN עם דיודות TVS במודולים DFN עם מארז Flip-Chip ו-Side-Wettable Flanks (איור 1‏).

איור 1: תמונה מייצגת של מארז DFN של Semtech עם Side-Wettable Flanks המשמשים בדיודות TVS. (מקור תמונה: Semtech)

מארז Flip-Chip משתמש בבליטות הלחמה במקום קשרי תיל כדי ליצור חיבורים למצע. Side-Wettable Flanks מבטיחים שהלחם (Solder) מתפזר מתחתית‏ המארז, זורם למעלה בצד הדופן, ויוצר חיבור הלחמה נראה.

באמצעות טכניקה זו, מערכות בדיקה ויזואליות אוטומטיות (AVI) יכולות לאמת התקשרות טובה ל-PCB על ידי בחינה חזותית של בליטות ההלחמה הנוצרות בין הצד האנכי של הדופן ופד ההלחמה, ובכך מבטיחות חיבורים אמינים.

שימוש ב-Side-Wettable Flanks מגביר אמינות, משפר תפוקה, ומספק עמידות בפני רעידות ותנודות, שאחרת היו עלולות ליצור הפרדה. ציפוי בדיל מכסה את הדקי הנחושת, מגן על הנחושת מפני חמצון לאורך זמן.

תוך שימוש במארז Flip-Chip ו-Side-Wettable Flanks, חברת Semtech‏ השיקה‏ סדרה של דיודות TVS שורה-יחידה ארוזה בפורמט DFN, גודל 0402 (1.0 מ"מ x‏ 0.6 מ"מ x‏ ‏0.55‏ מ"מ), תפורה-במיוחד עבור יישומים תעשייתיים שאינם כלי רכב.

רכיבי ה-0402 DFN TVS מיועדים להגן מפני ESD באנטנות RF ו-FM, בקרי מסך-מגע, קווי ‎12 V_DC, מקשי צד ולוחות מקשים, יציאות אודיו, התקני IoT‏, מכשור נישא, קווי כניסה-יציאה למטרה-כללית (GPIO‏) וציוד תעשייתי.

התקני ה-Semtech‏ מספקים הגנת ESD עבור:

• Thunderbolt 3‏
• USB 3.0/3.2
• מחברי ®USB Type-C על קווי אותות מהירות-גבוהה
• קווי Configuration Channel‏ (CC) ו-Sideband Use‏ (SBU) משמשים עבור משא ומתן על אספקת-כוח, נתונים ואופני פעולה חלופיים, מחוברים על ידי כבל USB Type-C‏
• קווי VBus
• קווי נתונים -D+/D הנושאים את האותות הדיפרנציאליים עבור USB‏ ופרוטוקולים נוספים מדורות קודמים

פתרונות הגנת ESD ערוץ-יחיד, data-line ו-VBUS של Semtech עם מארז Side-Wettable Flank זמינים בהתקני הגנת ESD ‏RClamp ו-μClamp. הם מספקים הגנה ברמת-לוח עם מתח עבודה והידוק נמוך, זמן תגובה מהיר, וללא ירידה בביצועי ההתקן (degradation).

מוצרי RClamp ‏(Railclamp) כוללים:

• RCLAMP01811PW.C: מספקת למתכננים את הגמישות להגן על‏ קווים בודדים ביישומים מוגבלי-מקום כמו טלפונים חכמים, מחשבים אישיים ואביזרים. היא יכולה לעמוד במתח של 30‎ kV± (מגע) ו-‎±30 kV (אוויר) לפי IEC 61000-4-2, עם קיבוליות נמוכה של 1.2‎ pF (מקסימום). היא מגינה על קו‏ יחיד עם‏ מתח עבודה של ‎1.8 V וזרם זליגה אחורני נמוך של‏ 100‎ nA ‏‏(מקסימום‏) ב-V_R = 1.8 V‏.
• RCLAMP04041PW.C: עבור הגנת קווים יחידים ביישומים בהם מערכים אינם פרקטיים, כמו יישומים נישאים עם USB 2.0‏, ‏MDD/MIPI‏, MHL‏ והתקנים לבישים. עם‏ מתח עבודה של‏ ‎4.0 V‏ וקיבוליות נמוכה של‏ ‎0.65 pF (מקסימום‏), היא מספקת הגנת ESD עבור קווי מהירות-גבוהה לפי IEC61000-4-2‏ של‏ ‎±30 kV (מגע ואוויר) ו-IEC 61000-4-5 (ברק) של‏ A‏ 20‏ (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: מתח עבודה של 22‎ V,‏ TVS קו-יחיד עם זרם נחשול של ‎18 A‏ (t_p = 8/20 μs) לפי IEC 61000-4-5 ומתח עמידות של ‎±25 kV (מגע) ו-‎±30 kV (אוויר) לפי IEC 61000-4-2. יישומים אופייניים כוללים USB Type-C‏, קווי תקשורת שדה-קרוב (NFC), אנטנות RF ו-FM והתקני IoT‏.

קו המוצרים האולטרה-קטנים μClamp ‏(MicroClamp‏) כולל:

• UCLAMP5031PW.C: מתח עבודה של ‎5 V, ‏TVS קו-יחיד עם מתח עמידות של kV‏ 30‏± (מגעים) ו-kV‏ 30‏± (אוויר) לפי IEC61000-4-2.‏ מתכננים יכולים להשתמש בה עבור ציוד תעשייתי, מכשור נישא, מחשבים אישיים, מכשירי טלפון נישאים, לוחות מקשים ויציאות אודיו.
• UCLAMP1291PW.C: מתח עבודה של ‎12 V, ‏TVS קו-יחיד המתאפיינת בהתנגדות דינמית אופיינית, מתח הידוק ESD שיא נמוך ועם מתח עמידות ESD גבוה של kV‏ 30‏± (מגעים ואוויר) לפי IEC61000-4-2.‏ יישומים מתאימים כוללים מכשירי טלפון סלולריים ואביזרים, מחשבים אישיים ונישאים-ביד ומכשור נייד.
• UCLAMP2011PW.C:‏ ‏‎ 20 V TVSקו-יחיד עם יכולת נחשול ברק גבוהה של‏ 3‎ A‏ (t_p=8/20 μs) לפי IEC 61000-4-5. יישומים אופייניים כוללים רכיבים היקפיים, התקנים נישאים ומכשור.
• UCLAMP2411PW.C:‏ TVS ‏V‏ 24‏ קו-יחיד המתאימה עבור מגוון רחב של יישומים כולל פסי מתח ‎24 V_DC, קווי נתונים של IC דוחף שבב-על-זכוכית, רכיבים היקפיים והתקנים נישאים. היא מתאפיינת בזרם נחשול של ‎3 A‏ (t_p = 8/20 μs) לפי IEC 61000-4-5.

סיכום

הגדלת צפיפות מעגלים וביצועים טובים יותר של מוצרים אלקטרוניים דורשים גישות חדשות להגנה מפני פריקות אלקטרוסטטיות ונחשולי מתח אחרים. אריזה חדשה של Semtech יוצרת דיודות דיכוי מתח טרנזיינטי קטנות יותר המספקות למתכנני מוצרים גמישות גדולה יותר, יכולת זרם נחשול גבוהה יותר ומתחי הידוק נמוכים, מה שהופך אותן לאידיאליות להגנה על אלקטרוניקה רגישה.