作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-05-22

在制造或最終使用電子產(chǎn)品過(guò)程中，靜電放電 (ESD) 或電涌可能會(huì)導(dǎo)致電子產(chǎn)品損壞或發(fā)生故障。據(jù)估計(jì)，在所有元器件故障中，ESD 導(dǎo)致的故障占比介于個(gè)位數(shù)到三分之一之間，而電路密度的增加和更高的性能要求又加劇了這一問(wèn)題。

從消費(fèi)電子設(shè)備到昂貴的工業(yè)設(shè)備，都可能受到危險(xiǎn)瞬態(tài)電壓事件（如 ESD）的影響。由于越來(lái)越多的產(chǎn)品依賴于易受此類事件影響的微處理器，因此為了確保客戶滿意并取得商業(yè)成功，就必須選擇合適的 ESD 解決方案。

當(dāng)電子在材料表面重新分布時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷不平衡現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生的電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，靜電荷就會(huì)尋求平衡并產(chǎn)生靜電放電。這對(duì)可能會(huì)對(duì)基于微電子的電子產(chǎn)品造成災(zāi)難性影響，進(jìn)而導(dǎo)致故障、產(chǎn)品延期、收入損失，有時(shí)甚至?xí)p害聲譽(yù)或品牌形象。

即使在潔凈的集成電路制造環(huán)境中，元器件也可能在加工、裝配、測(cè)試和包裝過(guò)程中受到 ESD 的影響。人體模型 (HBM) 是應(yīng)用最廣泛的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，用于確保集成電路能夠承受帶電人體（典型 ESD 產(chǎn)生者）接觸集成電路時(shí)產(chǎn)生的靜電電荷的影響。

IEC 61000-4-2 是一項(xiàng)國(guó)際 ESD 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其采用人體模型，以更高的系統(tǒng)級(jí)硬件基準(zhǔn)，確保設(shè)備能夠在最終用戶的實(shí)際使用中承受瞬態(tài)事件的影響（包括雷擊保護(hù)）。

瞬態(tài)電壓抑制

隨著集成電路幾何尺寸的不斷縮小，傳統(tǒng)的 ESD 參數(shù)已不足以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。為了保護(hù)電源和高速數(shù)據(jù)電路，設(shè)計(jì)人員必須利用瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 技術(shù)的進(jìn)步，在 HBM 和設(shè)備內(nèi)置 ESD 保護(hù)措施之外，提供額外的保護(hù)。

對(duì)于帶 HDMI、Thunderbolt、USB 2、USB 3、USB-C、天線以及其他標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備而言，TVS 在保護(hù)常用數(shù)據(jù)線免受 ESD 影響方面日益重要。從可穿戴設(shè)備和鍵盤到智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)攝像頭，要使這些成品免遭 ESD 損壞，需要采取強(qiáng)有力的保護(hù)措施。

TVS 二極管可安裝在電源線或數(shù)據(jù)線上，通過(guò)將浪涌從其保護(hù)的電路中引開(kāi)，防止瞬態(tài)事件的發(fā)生。在瞬態(tài)事件中，受保護(hù)線路上的電壓會(huì)迅速升高，最高可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏。在正常工作條件下，TVS 二極管呈斷開(kāi)狀態(tài)，但它能在不到一納秒的時(shí)間內(nèi)抑制系統(tǒng)級(jí) ESD 峰值，分流大電流。

選擇 TVS 解決方案時(shí)應(yīng)考慮的一些關(guān)鍵特征包括：

• 電容 (C) - 儲(chǔ)存電荷的固有能力
• 反向斷態(tài)電壓 (V RWM ) - 電路在不激活 TVS 二極管的情況下的最大工作電壓
• 鉗位電壓 (V C ) - TVS 開(kāi)始從受保護(hù)電路中分流多余電流的電壓水平（低于 V RWM ）
• 反向擊穿電壓 (VBR) - TVS 進(jìn)入低阻抗模式時(shí)的電壓
• 峰值脈沖電流 (I PP ) - TVS 在損壞前可承受的最大電流
• 峰值脈沖功率 (P PP ) - 事件發(fā)生時(shí) TVS 耗散的瞬時(shí)功率

TVS 封裝考量因素

TVS 二極管的位置會(huì)影響其性能，靠近 ESD 進(jìn)入點(diǎn)的位置可提供更好的保護(hù)。在保護(hù)現(xiàn)代系統(tǒng)中的精密電子元件免受 ESD 威脅方面，半導(dǎo)體封裝也發(fā)揮著重要作用。

設(shè)計(jì)人員在為產(chǎn)品選擇 TVS 二極管時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮所需的特定浪涌保護(hù)級(jí)別、需要保護(hù)的線路數(shù)量，以及適合可用電路板空間的封裝尺寸。

引線式集成電路封裝是 TVS 二極管的常見(jiàn)選擇，因?yàn)檫@種封裝易于安裝在印刷電路板 (PCB) 上，因此成本效益較高。除此之外，這種封裝還能提供出色的散熱效果。不過(guò)，由于其尺寸較大，可能會(huì)占據(jù)大量的印刷電路板空間，而且往往會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，對(duì)性能產(chǎn)生不利影響。

幸運(yùn)的是，DFN（雙通道扁平無(wú)引線）封裝尺寸小、功能多，可能更適合 ESD 保護(hù)。DFN 封裝沒(méi)有延長(zhǎng)引線，其觸點(diǎn)位于元器件下方，而不是沿著元器件周邊分布，因此與引線式表面貼裝器件 (SMD) 封裝相比，可節(jié)省空間。

DFN 封裝在底部集成了一個(gè)可與印刷電路板無(wú)縫結(jié)合的裸露式導(dǎo)熱墊，起到集成散熱器的作用，因此這種封裝能夠提供出色的散熱性能。與引線式 SMD 封裝相比，這種封裝還具有更少的寄生元件，因此有助于在高速應(yīng)用中保持信號(hào)完整性。

不過(guò)，DFN 封裝在印刷電路板上的焊點(diǎn)可見(jiàn)度有限，這使得在封裝后的裝配過(guò)程中難以確認(rèn)焊接是否正確。

克 DFN 挑戰(zhàn)

[Semtech](通過(guò)將 TVS 二極管安裝于采用倒裝片封裝和側(cè)面可濕性側(cè)翼的 DFN 模塊克服 DFN 挑戰(zhàn)（圖 1）。

圖 1：Semtech DFN 封裝的典型圖片，采用側(cè)面可濕性側(cè)翼來(lái)安裝 TVS 二極管。（圖片來(lái)源：Semtech）

倒裝片封裝利用焊料凸塊而不是焊線鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)與基板的連接。側(cè)面可濕性側(cè)翼可確保焊料從封裝底部擴(kuò)散，沿壁側(cè)向上流動(dòng)，形成可見(jiàn)的焊料連接。

借助這項(xiàng)技術(shù)，自動(dòng)化視覺(jué)檢測(cè) (AVI) 系統(tǒng)就能通過(guò)目視檢查側(cè)翼垂直面與焊盤之間形成的焊料凸點(diǎn)，驗(yàn)證印刷電路板是否正確接合，從而確保連接可靠。

采用側(cè)面可濕性側(cè)翼不僅可增強(qiáng)可靠性、提高產(chǎn)出率，而且還可抵御可能會(huì)造成分離的振動(dòng)和晃動(dòng)。銅端子上覆有鍍錫層，防止銅隨著時(shí)間的推移而氧化。

Semtech 采用倒裝片封裝和側(cè)面可濕性側(cè)翼技術(shù)，推出了一系列 0402 尺寸 (1.0 mm x 0.6 mm x 0.55 mm) 的 DFN 封裝單路 TVS 二極管，這些二極管專為非汽車工業(yè)應(yīng)用而打造。

0402 DFN TVS 元器件旨在為射頻和調(diào)頻天線、觸摸屏控制器、12 VDC 線路、側(cè)鍵和鍵盤、音頻接口、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、便攜式儀器儀表、通用輸入輸出 (GPIO) 線路和工業(yè)設(shè)備等提供 ESD 保護(hù)。

Semtech 設(shè)備可為以下產(chǎn)品提供 ESD 保護(hù)：

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• 高速信號(hào)線上的 USB Type-C? 連接器
• 配置通道 (CC) 和邊帶使用 (SBU) 線路（用于通過(guò) USB Type-C 電纜連接來(lái)協(xié)商功率、數(shù)據(jù)和備用模式）
• VBus 線路
• D+/D- 數(shù)據(jù)線（用于傳輸 USB 和其他遺留協(xié)議的差分信號(hào)）

Semtech 的單通道、數(shù)據(jù)線和 VBUS ESD 保護(hù)解決方案，采用側(cè)面可濕性側(cè)翼封裝，提供 [RClamp 和 μClamp ESD 保護(hù)器件]。這些解決方案提供電路板級(jí)保護(hù)，具有較低的工作電壓和箝位電壓，較快的響應(yīng)時(shí)間，并且不會(huì)造成器件性能下降。

RClamp (RailClamp) 產(chǎn)品包括：

• [RCLAMP01811PW.C]：適用于智能手機(jī)、筆記本電腦和配件等空間受限的應(yīng)用，為設(shè)計(jì)人員保護(hù)單條線路提供了靈活性。該產(chǎn)品能承受 ±30 kV 接觸放電電壓和 ±30 kV 空氣放電電壓，符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)，并且具有 1.2 pF（最大值）的低電容。其能保護(hù)單條線路，工作電壓為 1.8 V，VR = 1.8 V 時(shí)反向漏電流較小，僅為 100 nA（最大值）。
• [RCLAMP04041PW.C]：用于在無(wú)法實(shí)現(xiàn)陣列的應(yīng)用中保護(hù)單條線路，例如采用 USB 2.0、MIPI/MDDI、MHL 和可穿戴設(shè)備的便攜式應(yīng)用。工作電壓為 4.0 V，電容值低至 0.65 pF（最大值），可為高速線路提供符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)的 ±30 kV 接觸和空氣放電 ESD 保護(hù)和符合 IEC 61000-4-5（雷擊）標(biāo)準(zhǔn)的 20 A (tp = 8/20 μs) ESD 保護(hù)。
• [RCLAMP2261PW.C]：工作電壓為 22 V 的單路 TVS，浪涌電流為 18 A (tp = 8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)，耐受 ±25 kV 接觸放電和 ±30 kV 空氣放電電壓，符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)。典型應(yīng)用包括 USB Type-C、近場(chǎng)通信 (NFC) 線路、射頻和調(diào)頻天線以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

超小型 μClamp (MicroClamp) 產(chǎn)品系列包括：

• [UCLAMP5031PW.C]：工作電壓為 5 V 的單路 TVS，耐受 ±30 kV 接觸放電電壓和 ±30 kV 空氣放電電壓，符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員可將其用于工業(yè)設(shè)備、便攜式儀器儀表、筆記本電腦、手機(jī)、鍵盤以及音頻接口。
• [UCLAMP1291PW.C]：工作電壓為 12 V 的單路 TVS，具有低典型動(dòng)態(tài)電阻、低峰值 ESD 箝位電壓，以及 ±30 kV 接觸和空氣放電高 ESD 耐受電壓，符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)。適用的應(yīng)用包括蜂窩手機(jī)和配件、筆記本電腦和手持設(shè)備，以及便攜式儀器儀表。
• [UCLAMP2011PW.C]：?jiǎn)温?20 V TVS，抗雷電浪涌能力高，達(dá) 3 A (t p =8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)。典型應(yīng)用包括外設(shè)、便攜式設(shè)備和儀器儀表。
• [UCLAMP2411PW.C]：24 V 單路 TVS，適用于各種應(yīng)用，包括 24 VDC 電源軌、玻璃基板片式驅(qū)動(dòng)器 IC 數(shù)據(jù)線、外設(shè)以及便攜式設(shè)備。其浪涌電流為 3 A (tp = 8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

電子產(chǎn)品的電路密度和性能要求越來(lái)越高，因此必須采用新方法來(lái)防止靜電放電和其他電壓浪涌。Semtech 的新型封裝使得瞬態(tài)電壓抑制二極管的體積更小，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了更大的靈活性、更高的浪涌電流能力和更低的箝位電壓，是保護(hù)敏感電子元件的理想之選。

審核編輯 黃宇