Nagyobb védelem kisebb méretű, nagyobb teljesítményű elnyomódiódákkal

Az elektrosztatikus kisülések (ESD, electrostatic discharge) és a feszültség- és áramlökések károsíthatják vagy megrongálhatják az elektronikus termékeket úgy a gyártás, mint a használat során. A becslések szerint az elektrosztatikus kisülések okolhatóak összes alkatrész-meghibásodás tíznél kisebb százalékától akár az egyharmadáig, amit még tovább súlyosbít a megnövekedett áramköri alkatrészsűrűség és a nagyobb teljesítményigény.

A feszültséglökések, amilyen például az elektrosztatikus kisülés is, olyan veszélyeket jelentenek, amelyek a fogyasztói eszközöktől kezdve a drága ipari berendezésekig mindenféle készülékre hatással lehetnek. Az ilyen jelenségekre érzékeny és ma már nagyon sokféle termékben egyre elterjedtebben használt mikroprocesszorok miatt a vevői elégedettség és a kereskedelmi siker biztosítása érdekében elengedhetetlen az elektrosztatikus kisülések elleni megfelelő védelem kiválasztása.

Amikor az elektronok újra eloszlanak egy anyag felületén, egyenlőtlen töltéseloszlás jöhet létre. Ha a keletkező villamos erőtér elég erős, a statikus töltések keresik az egyensúlyi állapotot, és elektrosztatikus kisülést hoznak létre. Ez a mikroelektronikán alapuló elektronika számára katasztrofális következményekkel járhat, meghibásodáshoz, termékkésésekhez, bevételkieséshez és néha a jó hírnév csorbulásához vagy a márkanév gyengüléséhez vezethet.

Az alkatrészek még a tiszta IC-gyártási környezetben is ki lehetnek téve elektrosztatikus kisülésnek a feldolgozás, összeszerelés, tesztelés és csomagolás során. Az emberitest-modell (HBM, Human Body Model) a legszélesebb körben használt vizsgálati szabvány annak biztosítására, hogy az IC-k ellenálljanak annak a hatásnak, ha egy feltöltött emberi test – az elektrosztatikus kisülések egyik jellegzetes forrása– megérint egy IC-t, és statikus töltést hoz létre.

Az IEC 61000-4-2 egy nemzetközi elektrosztatikuskisülés-vizsgálati szabvány, amely emberitest-modellt használ egy jelentősebb rendszerszintű hardvervizsgálat keretében, így bizonyosodva meg arról, hogy az eszköz képes túlélni a feszültség- és áramlökéseket, beleértve a villámcsapást is, amikor a valós végfelhasználók kezébe kerül.

A feszültséglökések elfojtása

Mivel az integrált áramkörök mérete egyre csökken, az elektrosztatikus kisülésre vonatkozó hagyományos paraméterek nem elegendőek a rendszerszintű kockázatok kezelésére. A nagy teljesítményű és nagy sebességű adatáramkörök védelme érdekében a tervezőknek az emberitest-modellen és az eszközön belüli elektrosztatikuskisülés-védelmen túl ki kell használniuk a feszültséglökés-elnyomó (TVS, transient voltage suppression) technika fejlődését is.

A feszültséglökés-elnyomás egyre fontosabb az elektrosztatikus kisülések elleni védelemben a HDMI-, a Thunderbolt, az USB 2, az USB 3 és az USB-C, az antenna- és más szabványos csatlakozókkal felszerelt eszközök általánosan használt adatvezetékein. Az elektrosztatikus kisülések okozta károsodások elkerülése érdekében hatékony védelmi intézkedésekre van szükség a késztermékekben, a viselhető termékektől és billentyűzetektől kezdve az okostelefonokon át a dolgok internetére (IoT, Internet of Things) kapcsolódó kamerákig.

A táp- vagy az adatvezetéken elnyomódiódát lehet elhelyezni, hogy védelmet nyújtson a feszültséglökések ellen azáltal, hogy a túlfeszültségeket elvezeti a védett áramkörből. A feszültséglökések során a védett vonalon gyorsan megemelkedik a feszültség, ami ugrásszerűen akár több tízezer voltra is nőhet. Normál üzemi körülmények között az elnyomódióda (TVS-dióda) szakadásként viselkedik, de a rendszerszintű elektrosztatikus kisülések csúcsfeszültségét kevesebb mint egy nanoszekundum alatt képes megállítani, nagy erősségű áramokat terelve el.

Az elnyomódióda kiválasztásának néhány kulcsfontosságú szempontja:

• kapacitás (C) – a villamos töltés tárolására való eredendő képesség
• záróirányú határfeszültség (V_RWM) – az a legnagyobb feszültség, amelyen az áramkör az elnyomódióda működésbe lépése nélkül működhet
• megfogófeszültség (V_C) – az a feszültségszint, amelyen az elnyomódióda elkezdi elvezetni a túláramot a védett áramkörből (alacsonyabb, mint a V_RWM)
• letörési feszültség (V_BR) – az a feszültség, amelynél az elnyomódióda kis impedanciájú üzemmódba lép
• impulzus-csúcsáramerősség (I_PP) – az a legnagyobb áramerősség, amelyet az elnyomódióda még károsodás nélkül tud kezelni
• impulzus-csúcsteljesítmény (P_PP) – az elnyomódióda által az esemény során elvezetett pillanatnyi teljesítmény

Az elnyomódiódák tokozási szempontjai

Az elnyomódiódák elhelyezése befolyásolja a teljesítményüket, és az elektrosztatikus kisülés belépési pontjához minél közelebbi elhelyezés jobb védelmet nyújt. A korszerű rendszerek kényes elektronikájának elektrosztatikus kisülésekkel szembeni védelmében a félvezetők tokozása is kulcsszerepet játszik.

Az elnyomódiódák kiválasztásakor a tervezőknek a kívánt feszültséglökés-védelmi szintre, a védendő vonalak számára, valamint a nyomtatott áramköri lapon való elhelyezés miatt az elnyomódióda tokméretére is oda kell figyelniük.

Az elnyomódiódák esetében gyakori megoldás a lábakkal ellátott IC-tokozás, mivel ezek könnyen felszerelhetők a nyomtatott áramköri (nyák-) lapokra, ami költségtakarékos, és emellett jó hőelvezetést tesz lehetővé. Méretük miatt azonban jelentős helyet foglalhatnak el a nyomtatott áramköri lapon, és gyakran olyan parazitaparaméterekkel járnak, amelyek hátrányosan befolyásolják a teljesítményüket.

Szerencsére a DFN (Dual Flat No-Lead, kétoldalas lapos, láb nélküli) tokozásoknak kicsi a méretük, és meglehetősen sokoldalúak, ezért alkalmasabbak lehetnek az elektrosztatikus kisülés elleni védelemre. A DFN tokozásoknak nincsenek kinyúló lábaik, az érintkezési pontjaik az alkatrész alján, nem pedig a kerülete mentén helyezkednek el. Ez helytakarékosabb, mint a lábbal ellátott felületszerelt eszközök tokozása.

A DFN tokozások nagyon jó hűtést tesznek lehetővé azáltal, hogy az aljukon egy szabadon álló hővezető felület van kialakítva, amely hézagmentesen simul a nyomtatott áramköri laphoz, és így beépített hűtőbordaként szolgál. A lábbal ellátott felületszerelt tokozásokhoz képest kisebbek a parazitaparamétereik is, ami nagy adatátviteli sebességű készülékekben segíti a jelépség megőrzését.

A DFN tokozások esetében azonban korlátozott a nyomtatott áramköri lapokon lévő forrasztások láthatósága, ami megnehezíti a forrasztás megfelelőségének ellenőrzését a tokozás beszerelését követő szerelési lépések során.

A DFN jelentette nehézségek leküzdése

A Semtech az elnyomódiódák DFN tokozása jelentette nehézségeket a hordozóanyagra helyezett félvezetőszeletes (flip-chip) tokozással és oldalról forrasztható érintkezőkkel oldotta meg (1. ábra).

1. ábra: A kialakítás jellemzőit szemléltető kép a Semtech elnyomódiódákhoz használt, oldalról forrasztható érintkezőkkel ellátott DFN tokozásáról (kép: Semtech)

A hordozóanyagra helyezett félvezetőszeletes tokozásban a hordozóanyaghoz való csatlakozáshoz a vezetékes kötések helyett forraszgömböket használnak. Az oldalról forrasztható érintkezők biztosítják, hogy a forraszanyag a tokozás aljáról terjedjen tovább, felfelé folyjon a fal oldalán, és látható forrasztási kapcsolatot képezzen.

Ezzel a technikával az automatizált képi ellenőrző rendszerek (AVI, automated visual inspection) az érintkező függőleges oldala és a forrasztószem között kialakult forraszgömbök képi úton történő vizsgálatával igazolni tudják, hogy megfelelő és ennélfogva megbízható kapcsolat jött létre a nyomtatott áramköri lapra forrasztás során.

Az oldalról forrasztható érintkezők használata növeli a megbízhatóságot, javítja a forraszthatóságot, és ellenáll a rezgésnek és rázkódásnak, amely egyébként a forrasztás elválását okozhatná. A rézcsatlakozók ónnal vannak bevonva, ami megvédi a rezet az idő múlásával bekövetkező oxidációtól.

A Semtech bemutatott egy DFN 0402-es méretű (1,0 mm × 0,6 mm × 0,55 mm), egy vonalat védő elnyomódiódák alkotta termékcsaládot, amely hordozóanyagra helyezett félvezetőszeletes tokozást és oldalról forrasztható érintkezőket használ, és amelyet a gépjárműiparon kívüli ipari felhasználási területekre szántak.

A 0402 DFN méretű elnyomódiódák célja a rádiófrekvenciás és frekvenciamodulált (FM) antennák, az érintőképernyős vezérlőegységek, a 12 V egyenfeszültségű (V_DC) vonalak, az oldalsó gombok és a billentyűzetek, a hangcsatlakozók, a dolgok internetére kapcsolódó eszközök, a hordozható műszerek, az általános célú be- és kimeneti (GPIO) vonalak és az ipari berendezések elektrosztatikus kisülések elleni védelme.

A Semtech-eszközök a következők számára nyújtanak elektrosztatikus kisülés elleni védelmet:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• USB-C® csatlakozók nagy sebességű jelvezetékeken
• az áramellátás, az adatok és a váltakozó üzemmódok egyeztetésére használt, USB-C kábellel csatlakoztatott beállítócsatornák (CC, configuration channel) és oldalsáv-használati (SBU, sideband use) vonalak
• VBus vonalak
• az USB és más hagyományos protokollok különbségi jeleit továbbító D+/D– adatvonalak

A Semtech egy vonalat védő, az adatvonalak és a VBus védelmére szolgáló, oldalról forrasztható érintkezős tokozású, elektrosztatikus kisülés ellen védő eszközei az RClamp és μClamp termékcsalád-márkanevet kapták. Kis üzemi és megfogófeszültséggel, rövid válaszidővel és az eszköz károsodását teljesen elkerülve nyújtanak nyomtatottáramkörilap-szintű védelmet.

Az RClamp (RailClamp) termékcsalád tagjai:

• RCLAMP01811PW.C: Biztosítja a tervezők számára az egyes vonalak egyenkénti védelméhez szükséges rugalmasságot a helyszűkében lévő készülékekben, például okostelefonokban, hordozható számítógépekben és ezek tartozékaiban. Az IEC 61000-4-2 szabványnak megfelelően ±30 kV (érintkezéses) és ±30 kV (levegőn keresztüli) feszültséget visel el, és kicsi, (legfeljebb) 1,2 pF a kapacitása. Egyetlen vonalat véd, 1,8 V az üzemi feszültsége és kicsi, (legfeljebb) 100 nA a visszárama (V_R = 1,8 V feszültség esetén).
• RCLAMP04041PW.C: Egyetlen vonal védelmére szolgál olyan felhasználási területeken, ahol a tömbök nem praktikusak, például az USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL esetén és hordozható készülékekben. 4,0 V az üzemi feszültsége és kicsi, (legfeljebb) 0,65 pF a kapacitása, és nagy sebességű vonalak elektrosztatikus kisülések elleni védelmére alkalmas az IEC 61000-4-2 szabvány szerint ±30 kV (érintkezéses és levegő keresztüli) feszültségig és az IEC 61000-4-5 szabvány szerint (villámlás esetén) 20 A áramerősségig (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: 22 V üzemi feszültségű, egy vonalat védő elnyomódióda, amely az IEC 61000-4-5 szabvány szerint 18 A áramlökés (t_p = 8/20 μs) és az IEC 61000-4-2 szabvány szerint ±25 kV (érintkezéses) és ±30 kV (levegőn keresztüli) feszültség elviselésére képes. A jellegzetes felhasználási területei többek közt az USB-C, az NFC- (Near-Field Communication, közeli rádiókommunikációs) vonalak, a rádiófrekvenciás és frekvenciamodulált (FM) antennák, valamint a dolgok internetére kapcsolódó eszközök.

A rendkívül kis méretű μClamp (MicroClamp) termékcsalád tagjai:

• UCLAMP5031PW.C: 5 V üzemi feszültségű, egy vonalat védő elnyomódióda, amely az IEC 61000-4-2 szabvány szerint ±30 kV (érintkezéses) és ±30 kV (levegőn keresztüli) feszültség elviselésére képes. A tervezők ipari berendezésekhez, hordozható műszerekhez, hordozható számítógépekhez, kézibeszélőkhöz, billentyűzetekhez és hangcsatlakozókhoz használhatják.
• UCLAMP1291PW.C: 12 V üzemi feszültségű, egy vonalat védő elnyomódióda, amelynek kicsi a jellegzetes dinamikus ellenállása és az elektrosztatikus kisüléssel szembeni csúcs-megfogófeszültsége, és az IEC 61000-4-2 szabvány szerint ±30 kV-os (érintkezéses és levegőn keresztüli) feszültségű elektrosztatikus kisülések elviselésére képes. A megfelelő felhasználási területek többek közt a mobiltelefonok és tartozékaik, a hordozható és a kézi számítógépek, valamint a hordozható műszerek.
• UCLAMP2011PW.C: Egy vonalat védő, 20 V üzemi feszültségű elnyomódióda, amely az IEC 61000-4-5 szabvány szerint 3 A (t_p = 8/20 μs) villámcsapás miatti áramlökés elviselésére képes. A jellegzetes felhasználási területei egyebek mellett a perifériák, a hordozható eszközök és a műszerek.
• UCLAMP2411PW.C: 24 V üzemi feszültségű, egy vonalat védő elnyomódióda, amely sokféle felhasználási területre alkalmas, beleértve a 24 V egyenfeszültségű tápsíneket, a közvetlenül a kijelzőüvegen elhelyezett (chip-on-glass) LCD-meghajtó IC-k adatvonalait, a perifériákat és a hordozható eszközöket. Az IEC 61000-4-5 szabvány szerint 3 A áramlökést képes elviselni (t_p = 8/20 μs).

Összegzés

Az elektronikai eszközök egyre nagyobb áramköri alkatrészsűrűsége és nagyobb teljesítménye új technikákat igényel az elektrosztatikus kisülések és más feszültséglökések elleni védelemhez. A Semtech új tokozása kisebb elnyomódiódákat eredményez, amelyek nagyobb rugalmasságot, nagy áramlökéstűrő képességet és kis megfogófeszültséget tesznek lehetővé, így ideálisak a kényes elektronika védelmére.