DigiKey Electronics
Avtor: Rolf Horn
Elektrostatična razelektritev (ESD) ali električni udari lahko poškodujejo ali pokvarijo elektronske izdelke med proizvodnjo ali končno uporabo.
ESD po ocenah povzroči od enomestnih številk do tretjine vseh okvar komponent, kar se še poveča zaradi večje gostote vezij in višjih zahtev glede zmogljivosti.
Prehodni napetostni pojavi, kot je ESD, so tveganja, ki lahko vplivajo tako na potrošniške naprave, kot tudi na drago industrijsko opremo. Zaradi vse večje odvisnosti od mikroprocesorjev, ki so dovzetni za takšne dogodke in jih najdemo v širokem spektru izdelkov, je treba izbrati ustrezno rešitev za ESD, da bi zagotovili zadovoljstvo strank in poslovni uspeh.
Ko se elektroni prerazporedijo na površini nekega materiala, ustvarijo neravnovesje naboja. Ko je posledično električno polje dovolj močno, statična napetost išče ravnovesje in povzroči elektrostatično razelektritev. To je lahko katastrofalno za elektronske naprave, ki temelji na mikroelektroniki, kar lahko pripelje do okvare, zamud izdelka, izgube prihodkov, včasih pa tudi do izgube ugleda blagovne znamke.
Tudi v čistem proizvodnem okolju integriranih vezij so lahko komponente med obdelavo, sestavljanjem, testiranjem in pakiranjem izpostavljene razelektritvam električnega naboja. Model človeškega telesa (HBM) je najbolj razširjen testni standard, ki zagotavlja, da integrirana vezja prenesejo vpliv nabitega človeškega telesa (tipični generator ESD-ja), ko se dotakne integriranega vezja in ustvari razelektritev naboja.
IEC 61000-4-2 je mednarodni standard za preizkušanje ESD-ja z uporabo modela človeškega telesa na pomembnejšem primerjalnem testu strojne opreme na ravni sistema za zagotavljanje, da naprava lahko prestane prehodne pojave, vključno z zaščito proti strelam, ko je v rokah končnega uporabnika.
Dušenje prehodnih pojavov
Zaradi vse manjših geometrij integriranih vezij tradicionalni parametri za ESD ne zadostujejo več za razreševanje tveganj na sistemski ravni. Za zaščito napajalnih in zelo hitrih podatkovnih vezij morajo razvijalci izkoristiti napredek v tehnologiji dušenja prehodnih pojavov (TVS), ki presega HBM in zaščito ESD na napravi.
TVS postaja vedno pomembnejša tehnologija za zaščito proti ESD-ju na pogosto uporabljenih podatkovnih linijah za naprave z vmesniki HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB tipa C, antenami in drugimi standardnimi vmesniki. Potrebni so zanesljivi zaščitni ukrepi, da se izognemo škodi ESD-jev na končnem izdelku, vse od nosljivih izdelkov in tipkovnic do pametnih telefonov in kamer interneta stvari.
TVS diode se lahko namesti na napajalni ali podatkovni vod, s čimer se ustvari zaščita proti prehodnim pojavom tako, da se preusmeri dvig napetosti iz tokokroga v zaščito. Med prehodnim pojavom se napetost na ščitenem vodu hitro dvigne in se lahko vzpne vse do več deset tisoč voltov. V normalnih pogojih delovanja se TVS dioda obnaša kot odprte sponke, vendar lahko v manj kot nanosekundi zaustavi najvišjo vrednost ESD-ja na ravni sistema in preusmeri visoke tokove.
Nekatere ključne lastnosti pri izbiranju rešitev za TVS so:
- kapacitivnost (C) – lastna sposobnost shranjevanja električnega naboja;
- povratna varnostna napetost (VRWM) – največja napetost, s katero lahko vezje deluje, ne da bi se aktivirala dioda TVS;
- zaporna napetost (VC) – stopnja napetosti, ko TVS začne s preusmerjanjem odvečnega toka iz zaščitenega tokokroga (nižji od VRWM);
- povratna prebojna napetost (VBR) – napetost, pri kateri TVS preide v način nizke impedance;
- največji pulzni tok (IPP) – največji tok, ki ga TVS lahko prenese, preden se poškoduje;
- največja pulzna moč (PPP) – trenutna moč, ki jo TVS troši med dogodkom.
Ohišja TVS tehnologije
Postavitev diod vpliva na njihovo delovanje, pri čemer bližina vstopne točke ESD zagotavlja boljšo zaščito. Ohišje polprevodnika ima ključno vlogo tudi pri zaščiti občutljive elektronike v sodobnih sistemih pred nevarnostmi ESD.
Razvijalci bi se pri izbiri diod TVS za svoje izdelke morali osredotočiti na želeno stopnjo prenapetostne zaščite, število linij, ki jih je treba zaščititi, in velikost ohišja, ki ustreza razpoložljivemu prostoru na plošči.
Za TVS diode se pogosto uporabljajo THT ohišja, saj jih je mogoče enostavno namestiti na plošče s tiskanim vezjem (TIV), zaradi česar so stroškovno učinkoviti, poleg tega pa dobro odvajajo toploto. Po drugi strani pa lahko zaradi svoje velikosti zasedejo več prostora na TIV-u ter imajo parazitski učinek, kar negativno vpliva na delovanje.
Na srečo DFN (Dual Flat No-Lead) ohišja zagotavljajo kompaktne dimenzije in vsestranskost, ki so lahko primernejši za zaščito pred ESD udarci. DFN ohišja nimajo dolgih priključkov, njihove priključne točke se nahajajo pod komponento in ne vzdolž nje, s čimer se v primerjavi s SMD (surface-mount device) ohišji prihrani prostor.
DFN ohišja zagotavljajo izjemno odvajanje toplote, saj imajo na spodnji strani izpostavljeno toplotno točko, ki se lahko brezhibno poveže s tiskanim vezjem in deluje kot integriran toplotni odvodnik. Prav tako imajo manj parazitnih elementov v primerjavi s SMD ohišjem, kar pripomore k ohranjanju celovitosti signala v hitrih aplikacijah.
Vendar pa DFN ohišja omogočajo omejeno vidljivost spajkanih spojev na tiskanih vezjih, zaradi česar je med postopkom montaže preveriti pravilno spajanje.
Premostitev izzivov DFN ohišij
Podjetje Semtech je rešilo izziv spajkanja TVS diod v DFN ohišjih z flip-chip ohišjem in stransko omočljivimi robovi (slika 1).
Flip-chip ohišje za povezavo s podlago namesto žičnih povezav uporabljajo spajkane kroglice. Stransko močljivi robovi zagotavljajo, da se spajka razširi z dna ohišja, poteka po strani stene in tvori vidno spajkano povezavo.
S to tehniko lahko sistemi za avtomatiziran vizualni pregled (AVI) z vizualnim pregledom spajkanih kroglic med navpično stranjo stranice in spajkano ploščico potrdijo pravilno spajkanje tiskanega vezja, kar zagotavlja zanesljive povezave.
Uporaba stransko močljivih robov izboljša zanesljivost, donos in zagotavlja odpornost na vibracije in tresenje, kar bi sicer lahko pripeljalo do odstopanja. Bakrene spoji so prevlečeni s kositrno prevleko, ki varuje baker pred oksidacijo v daljšem časovnem obdobju.
Podjetje Semtech je z uporabo flip-chip ohišja s stransko močljivimi robovi predstavilo vrsto enojnih TVS diod, pakiranih v DFN ohišju velikosti 0402 (1,0 mm x 0,6 mm x 0,55 mm), ki so prilagojene za industrijske aplikacije, ki niso namenjene avtomobilski industriji.
Komponente 0402 DFN TVS so namenjene zaščiti pred ESD-ji v RF antenah, krmilnikih zaslona na dotik, 12 VDC linijah, stranskih tipkah in tipkovnicah, zvočnih priključkih, napravah interneta stvari, prenosnih instrumentih, vhodno-izhodnih linijah za splošne namene (GPIO) in industrijski opremi.
Semtechove naprave nudijo zaščito pred ESD-ji za:
- Thunderbolt 3;
- USB 3.0/3.2;
- priključke USB tipa C na zelo hitrih signalnih linijah;
- konfiguracijski kanal (CC) in linije za uporabo stranskega pasu (SBU), ki se uporabljajo za močnostni prenos, podatkih in nadomestnih načinih, povezani s kablom USB tipa C;
- linije VBus;
- podatkovne linije D+/D-, ki prenašajo diferencialne signale za USB in druge starejše protokole.
Semtechove enojne, podatkovne in VBUS ESD-zaščitne rešitve s stransko močljivim ohišjem so na voljo vzaščitnih napravah RClamp in μClamp ESD. Zagotavljajo zaščito na ravni plošče z nizko delovno in zaporno napetostjo, hitrim odzivnim časom in brez degradacije naprave.
Izdelki RClamp (RailClamp) vsebujejo:
- RCLAMP01811PW.C: razvijalcem omogoča prilagodljivost pri zaščiti posameznih linij v aplikacijah z omejenim prostorom, kot so pametni telefoni, prenosni računalniki in dodatna oprema. Vzdrži lahko napetost ±30 kV (kontakt) in ±30 kV (Air) na IEC 61000-4-2 z nizko kapacitivnostjo 1,2 pF (največ). Zaščiti posamezno linijo z 1,8-voltno delovno napetostjo in nizkim povratnim slepim tokom 100 nA (največ) pri VR = 1,8 V.
- RCLAMP04041PW.C: za zaščito posameznih linij v aplikacijah, kjer uporaba večjega števila komponent ni praktična, kot so prenosne aplikacije z USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL in nosljive naprave. Z delovno napetostjo 4,0 V in nizko kapacitivnostjo 0,65 pF (največ) zagotavlja zaščito pred ESD-ji za hitre linije po IEC 61000-4-2 +/-30 kV (kontakt in brezžično) in IEC 61000-4-5 (strela) 20 A (tp = 8/20 µs).
- RCLAMP2261PW.C: 22-voltna delovna napetost, enosmerni TVS z udarnim tokom 18 A (tp = 8/20 μs) po IEC 61000-4-5 in odpornostjo +/-25 kV (stik) in +/-30 kV (zrak) po IEC 61000-4-2. Tipične aplikacije vključujejo USB tipa C, linije za komunikacijo v bližnjem polju (NFC), RF antene ter naprave za internet stvari.
Linija ultra majhnih izdelkov μClamp (MicroClamp) vključuje:
- UCLAMP5031PW.C: 5-voltna delovna napetost, enosmerni TVS z odpornostjo +/-30 kV (stik) in +/-30 kV (zrak) po IEC 61000-4-2. Razvijalci ga lahko uporabljajo za industrijsko opremo, prenosne instrumente, prenosne računalnike, slušalke, tipkovnice in zvočne priključke.
- UCLAMP1291PW.C: 12-voltna delovna napetost, enosmerni TVS z nizko tipično dinamično upornostjo, nizko najvišjo zaporno napetostjo ESD-ja in visoko odpornostjo na ESD +/-30 kV (kontakt in brezžično) po IEC 61000-4-2. Primerne aplikacije vključujejo mobilne telefone in dodatno opremo, prenosne računalnike in ročne naprave ter prenosne instrumente.
- UCLAMP2011PW.C: Enojni 20-voltni TVS z visoko zmogljivostjo prenapetostne zaščite strele 3 A (tp = 8/20 μs) po IEC 61000-4-5. Tipične aplikacije vključujejo periferne naprave, prenosne naprave in instrumente.
- UCLAMP2411PW.C: 24-voltni enosmerni TVS, primeren za široko paleto aplikacij, vključno s 24-voltnimi enosmernimi napajalnimi vodili, podatkovnimi linijami Chip-on-Glass, perifernimi napravami in prenosnimi napravami. Ima prenapetostni tok 3 A (tp = 8/20 μs) po IEC 61000-4-5.
Zaključek
Vse večja gostota vezij in večja zmogljivost elektronskih izdelkov zahtevata nove pristope za zaščito pred elektrostatičnimi razelektritvami in drugimi prenapetostnimi dogodki. Semtechova nova ohišja omogočajo izdelavo manjših diod za dušenje prehodnih pojavov, ki razvijalcem izdelkov zagotavljajo večjo prilagodljivost, visoko zmogljivost prenapetostnega toka in nizke zaporne napetosti, zaradi česar so idealna za varovanje občutljive elektronike.
