Diodi TVS più piccoli e performanti offrono una maggiore protezione

Le scariche elettrostatiche (ESD) o le sovracorrenti transitorie possono danneggiare o guastare i prodotti elettronici durante la produzione o l'uso finale. Si stima che le ESD causino fino a un terzo di tutti i guasti dei componenti, aggravati dalla maggiore densità dei circuiti e dai requisiti di prestazioni più elevati.

Gli eventi di tensione transitoria, come le ESD, sono un pericolo che può avere ripercussioni su apparecchiature che vanno dai dispositivi consumer alle costose apparecchiature industriali. La crescente dipendenza da microprocessori passibili di tali eventi e utilizzati in molti prodotti, rende essenziale la scelta di una soluzione ESD appropriata per garantire la soddisfazione del cliente e il successo commerciale.

Quando gli elettroni si ridistribuiscono sulla superficie di un materiale, possono creare uno squilibrio di carica. Se il campo elettrico risultante è sufficientemente forte, le cariche statiche cercano l'equilibrio e producono una scarica elettrostatica. Ciò può essere disastroso per l'elettronica basata sulla microelettronica, con conseguenti guasti, ritardi, perdita di fatturato e talvolta danni alla reputazione o al marchio dell'azienda produttrice.

Anche in un ambiente pulito di produzione di circuiti integrati, i componenti possono essere esposti alle ESD durante la lavorazione, l'assemblaggio, il collaudo e l'imballaggio. Il modello del corpo umano (HBM) è lo standard di prova più diffuso per garantire che i CI possano resistere all'impatto di un corpo umano carico, tipico generatore di ESD, che tocca un CI e crea una carica statica.

IEC 61000-4-2 è uno standard internazionale di prove ESD che utilizza il modello del corpo umano a un benchmark hardware più sostanziale a livello di sistema per garantire che un dispositivo possa sopravvivere a eventi transitori, compresa la protezione dai fulmini, quando è nelle mani di utenti finali reali.

Soppressione di tensioni transitorie

Poiché le geometrie dei CI continuano a ridursi, i parametri ESD tradizionali sono insufficienti per affrontare i rischi a livello di sistema. Per proteggere i circuiti di potenza e di dati ad alta velocità, i progettisti devono sfruttare i progressi della tecnologia di soppressione di tensioni transitorie (TVS) al di là dell'HBM e della protezione ESD sul dispositivo.

La TVS è sempre più essenziale per la protezione dalle ESD sulle linee dati comunemente utilizzate nei dispositivi con HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antenne e altre interfacce standard. Sono necessarie misure di protezione robuste per evitare danni da ESD nei prodotti finiti, dai dispositivi indossabili alle tastiere, dagli smartphone alle telecamere IoT.

Un diodo TVS può essere posizionato su una linea di alimentazione o di dati per proteggere da eventi transitori reindirizzando le sovracorrenti transitorie lontano dal circuito che protegge. Durante un evento transitorio, la tensione sulla linea protetta aumenta rapidamente e può raggiungere decine di migliaia di volt. In condizioni operative normali, il diodo TVS sembra aperto, ma può arrestare un picco ESD a livello di sistema in meno di un nanosecondo, deviando le correnti elevate.

Alcune delle caratteristiche principali nella scelta di una soluzione TVS sono:

• Capacità (C) - la capacità intrinseca di immagazzinare una carica elettrica
• Tensione di interdizione inversa (V_RWM): la tensione massima che un circuito può utilizzare senza attivare il diodo TVS
• Tensione di tenuta all'impulso (V_C): il livello di tensione al quale il TVS inizia a deviare la corrente in eccesso dal circuito protetto (inferiore a V_RWM)
• Tensione di rottura in senso inverso (V_BR): la tensione alla quale il TVS entra in modalità a bassa impedenza
• Corrente di picco (I_PP): la corrente massima che il TVS può gestire prima di subire un danno
• Potenza di picco (P_PP): la potenza istantanea dissipata dal TVS durante un evento

Considerazioni sul confezionamento dei TVS

Il posizionamento dei diodi TVS influisce sulle loro prestazioni e la vicinanza al punto di ingresso delle ESD offre una protezione migliore. Anche il confezionamento dei semiconduttori svolge un ruolo fondamentale nella protezione dalle minacce ESD dei delicati componenti elettronici dei sistemi moderni.

Nella scelta dei diodi TVS per i loro prodotti, i progettisti devono concentrarsi sul livello specifico desiderato di protezione dai picchi transitori, sul numero di linee da proteggere e sulle dimensioni del contenitore in funzione dello spazio disponibile sulla scheda.

I contenitori per CI con conduttori sono un'opzione comune per i diodi TVS grazie alla facilità di montaggio sulle schede a circuiti stampati (PCB), che li rende economici, e alla buona dissipazione del calore. Tuttavia, a causa delle loro dimensioni, possono occupare uno spazio considerevole sulla scheda e spesso presentano effetti parassiti che influiscono negativamente sulle prestazioni.

Fortunatamente, i contenitori DFN (Dual Flat senza conduttori) offrono dimensioni compatte e versatilità e possono essere più adatti alla protezione ESD. I contenitori DFN non hanno conduttori estesi e i loro punti di contatto sono situati sotto il componente anziché lungo il suo perimetro, consentendo di risparmiare spazio rispetto al confezionamento dei dispositivi a montaggio superficiale (SMD) con conduttori.

I contenitori DFN offrono un'eccezionale dissipazione del calore grazie alla presenza di una piazzola termica esposta sul lato inferiore che può aderire perfettamente alla PCB per funzionare come dissipatore integrato. Inoltre, presentano elementi parassiti più bassi rispetto a un contenitore SMD con conduttori, contribuendo a mantenere l'integrità del segnale nelle applicazioni ad alta velocità.

I contenitori DFN, tuttavia, offrono una visibilità limitata dei giunti di saldatura sulle PCB, il che rende difficile confermare il corretto incollaggio al contenitore durante il processo di assemblaggio successivo.

Al di là del DFN

Semtech ha risolto la sfida dei DFN con diodi TVS in moduli DFN con confezionamento flip-chip e fianchi impregnabili lateralmente (Figura 1).

Figura 1: Immagine rappresentativa del confezionamento DFN di Semtech con fianchi impregnabili lateralmente utilizzato per i diodi TVS. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Il confezionamento chip-flip utilizza bump di saldatura al posto delle giunzioni a filo per effettuare le connessioni al substrato. I fianchi impregnabili lateralmente assicurano che la saldatura si diffonda dal fondo del contenitore, risalga lungo il lato della parete e formi una connessione di saldatura visibile.

Con questa tecnica, i sistemi automatici di ispezione visiva (AVI) possono verificare il corretto incollaggio della PCB esaminando visivamente le protuberanze di saldatura formatesi tra il lato verticale del fianco e la piazzola di saldatura, garantendo connessioni affidabili.

L'utilizzo di fianchi impregnabili lateralmente aumenta l'affidabilità, migliora la resa e offre resistenza alle vibrazioni che altrimenti potrebbero causare la separazione. La stagnatura ricopre i terminali in rame, proteggendo il rame dall'ossidazione nel tempo.

Utilizzando il confezionamento flip-chip e i fianchi impregnabili lateralmente, Semtech ha presentato una gamma di diodi TVS a linea singola confezionati nel formato DFN 0402 (1,0 x 0,6 x 0,55 mm), pensati per applicazioni industriali non automotive.

I componenti TVS in DFN 0402 sono destinati a proteggere dalle ESD le antenne RF e FM, i controller touchscreen, le linee a 12 V_c.c., i tasti laterali e i tastierini, le porte audio, i dispositivi IoT, la strumentazione portatile, le linee GPIO (ingresso/uscita per uso generale) e le apparecchiature industriali.

I dispositivi di Semtech forniscono protezione ESD per:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• Connettori USB Type-C® su linee di segnale ad alta velocità
• Linee di canale di configurazione (CC) e di utilizzo della banda laterale (SBU) utilizzate per la negoziazione di alimentazione, dati e modalità alternative collegate tramite cavo USB Type-C
• Linee VBus
• Linee dati D+/D- che trasportano i segnali differenziali per USB e altri protocolli legacy

Le soluzioni di Semtech per la protezione da ESD a canale singolo, linea dati e VBUS, con confezionamento in fianchi impregnabili, sono disponibili nei dispositivi di protezione ESD RClamp e μClamp. Forniscono una protezione a livello di scheda con basse tensioni di funzionamento e di tenuta all'impulso, tempi di risposta brevi e nessun deterioramento del dispositivo.

I prodotti RClamp (RailClamp) comprendono:

• RCLAMP01811PW.C: offre ai progettisti la flessibilità di proteggere singole linee in applicazioni con vincoli di spazio come smartphone, notebook e accessori. Può resistere a una tensione di ±30 kV (a contatto) e ±30 kV (in aria) secondo la norma IEC 61000-4-2, con una bassa capacità di 1,2 pF (max). Protegge una singola linea con una tensione di lavoro di 1,8 V e una bassa corrente di dispersione inversa di 100 nA (max) a V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: ideale per la protezione di linee singole in applicazioni in cui gli array non sono pratici, come le applicazioni portatili con USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL e i dispositivi indossabili. Con una tensione di lavoro di 4,0 V e una bassa capacità di 0,65 pF (max), fornisce protezione ESD a linee ad alta velocità secondo la norma IEC 61000-4-2 di ±30 kV (a contatto e in aria) e IEC 61000-4-5 (fulmini) di 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: un TVS con tensione di lavoro di 22 V, a linea singola, con una sovracorrente transitoria di 18 A (t_p = 8/20 μs) secondo la norma IEC 61000-4-5 e una tensione di tenuta di ±25 kV (a contatto) e ±30 kV (in aria) secondo la norma IEC 61000-4-2. Le applicazioni tipiche includono USB Type-C, linee NFC (Near Field Communication), antenne RF e FM e dispositivi IoT.

La linea di prodotti μClamp (MicroClamp) ultracompatti comprende:

• UCLAMP5031PW.C: TVS a linea singola con tensione di lavoro di 5 V e tensione di tenuta di ±30 kV (a contatto) e ±30 kV (in aria) secondo IEC 61000-4-2. I progettisti possono utilizzare il dispositivo per apparecchiature industriali, strumentazione portatile, notebook, microtelefoni, tastierini e porte audio.
• UCLAMP1291PW.C: un TVS a linea singola con tensione di lavoro di 12 V, caratterizzato da una bassa resistenza dinamica tipica, una bassa tensione di tenuta all'impulso ESD di picco e un'elevata tensione di tenuta ESD di ±30 kV (a contatto e in aria) secondo la norma IEC 61000-4-2. Le applicazioni adatte comprendono telefoni cellulari e accessori, notebook e palmari e strumentazione portatile.
• UCLAMP2011PW.C: un TVS a linea singola, 20 V, con elevata capacità di protezione dalle sovratensioni causate dai fulmini di 3 A (t_p=8/20 μs) secondo la norma IEC 61000-4-5. Le applicazioni tipiche includono periferiche, dispositivi portatili e strumentazione.
• UCLAMP2411PW.C: un TVS a 24 V, a linea singola, adatto a un'ampia gamma di applicazioni, tra cui i rail di alimentazione a 24 V_c.c., le linee dati dei driver in CI in chip su vetro (COG), le periferiche e i dispositivi portatili. È dotato di una corrente di sovratensione di 3 A (t_p = 8/20 μs) secondo la norma IEC 61000-4-5.

Conclusione

L'aumento della densità dei circuiti e delle prestazioni dei prodotti elettronici richiede nuovi approcci per la protezione dalle scariche elettrostatiche e da altre sovratensioni transitorie. Il nuovo confezionamento di Semtech consente di realizzare diodi di soppressione di tensioni transitorie di dimensioni più compatte, che offrono ai progettisti una maggiore flessibilità, un'elevata capacità di corrente di picco e basse tensioni di tenuta, rendendoli ideali per la protezione di componenti elettronici sensibili.