Kleinere, leistungsstärkere TVS-Dioden bieten größeren Schutz

Elektrostatische Entladungen (ESD) oder Überlastungen können elektronische Produkte während der Herstellung oder bei der Endnutzung beschädigen oder ausfallen lassen. Es wird geschätzt, dass ESD zwischen einer einstelligen Zahl und einem Drittel aller Komponentenausfälle verursacht, was durch die zunehmende Schaltungsdichte und die höheren Leistungsanforderungen noch verstärkt wird.

Transiente Spannungsereignisse, wie ESD, sind Gefahren, die sich auf Geräte auswirken können, die von Verbrauchergeräten bis zu teuren Industrieanlagen reichen. Die wachsende Abhängigkeit von Mikroprozessoren, die für solche Ereignisse anfällig sind und in einem breiten Spektrum von Produkten eingesetzt werden, macht die Auswahl einer geeigneten ESD-Lösung zur Gewährleistung der Kundenzufriedenheit und des wirtschaftlichen Erfolgs unabdingbar.

Wenn Elektronen auf einer Materialoberfläche umverteilt werden, können sie ein Ladungsungleichgewicht erzeugen. Wenn das entstehende elektrische Feld stark genug ist, suchen die statischen Ladungen das Gleichgewicht und erzeugen eine elektrostatische Entladung. Für mikroelektronische Elektronik kann dies katastrophale Folgen haben und zu Ausfällen, Produktlieferverzögerungen, Umsatzeinbußen und manchmal auch zur Schädigung des Rufs oder der Marke führen.

Selbst in einer sauberen IC-Fertigungsumgebung können Komponenten während der Verarbeitung, Montage, Prüfung und Verpackung ESD ausgesetzt sein. Das Menschmodell (Human Body Model, HBM) ist der am weitesten verbreitete Teststandard, um sicherzustellen, dass ICs den Auswirkungen eines aufgeladenen menschlichen Körpers - einem typischen ESD-Erzeuger - widerstehen können, der einen IC berührt und eine statische Aufladung erzeugt.

IEC 61000-4-2 ist eine internationale ESD-Prüfnorm, die ein menschliches Körpermodell bei einem umfangreicheren Hardware-Benchmark auf Systemebene verwendet, um sicherzustellen, dass ein Gerät transiente Ereignisse, einschließlich Blitzschutz, überstehen kann, wenn es in die Hände von realen Endbenutzern gelangt.

Unterdrückung transienter Spannungen

Da die Geometrien integrierter Schaltkreise immer kleiner werden, reichen die herkömmlichen ESD-Parameter nicht aus, um die Risiken auf Systemebene anzugehen. Um Stromversorgungs- und Highspeed-Datenschaltungen zu schützen, müssen die Fortschritte in der Technologie zur Unterdrückung transienter Spannungen (TVS) über das HBM und den ESD-Schutz auf dem Bauteil hinaus genutzt werden.

TVS ist zunehmend wichtig für den Schutz vor ESD auf häufig verwendeten Datenleitungen für Geräte mit Standardschnittstellen wie HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, Antennen und anderen. Um ESD-Schäden in Endprodukten zu vermeiden, sind robuste Schutzmaßnahmen erforderlich, die von Wearables und Tastaturen bis hin zu Smartphones und IoT-Kameras reichen.

Eine TVS-Diode kann auf einer Strom- oder Datenleitung platziert werden, um vor transienten Ereignissen zu schützen, indem sie Überspannungen von der zu schützenden Schaltung ableitet. Bei einem transienten Ereignis steigt die Spannung auf der geschützten Leitung schnell an und kann zehntausende von Volt erreichen. Unter normalen Betriebsbedingungen erscheint die TVS-Diode offen, aber sie kann eine ESD-Spitze auf Systemebene in weniger als einer Nanosekunde abfangen und hohe Ströme umleiten.

Einige der wichtigsten Merkmale bei der Auswahl einer TVS-Lösung sind:

• Kapazität (C) - die inhärente Fähigkeit, eine elektrische Ladung zu speichern
• Sperrspannung (V_RWM) - die maximale Spannung, mit der ein Schaltkreis arbeiten kann, ohne dass die TVS-Diode aktiviert wird
• Klemmspannung (V_C) - der Spannungspegel, bei dem die TVS-Diode beginnt, überschüssigen Strom aus dem geschützten Stromkreis abzuleiten (niedriger als_VRWM)
• Rückwärtsdurchbruchspannung (V_BR) - die Spannung, bei der die TVS-Diode in einen Zustand mit niedriger Impedanz übergeht
• Impulsspitzenstrom (I_PP) - der maximale Strom, den die TVS-Diode verarbeiten kann, bevor sie beschädigt wird
• Impulsspitzenleistung (P_PP) - die momentane Leistung, die von der TVS während eines Ereignisses abgegeben wird

Überlegungen zum TVS-Gehäuse

Die Platzierung der TVS-Dioden hat Auswirkungen auf ihre Performance, und die Nähe zum ESD-Eintrittspunkt bietet einen besseren Schutz. Das Halbleitergehäuse spielt ebenfalls eine Schlüsselrolle beim Schutz empfindlicher Elektronik in modernen Systemen gegen ESD-Bedrohungen.

Bei der Auswahl von TVS-Dioden für Produkte sollte der gewünschte Überspannungsschutz, die Anzahl der zu schützenden Leitungen und eine Gehäusegröße, die dem verfügbaren Platz auf der Leiterplatte entspricht, beachtet werden.

Bedrahtete IC-Gehäuse sind eine gängige Option für TVS-Dioden, da sie sich leicht auf Leiterplatten montieren lassen, kostengünstig sind und eine gute Wärmeableitung bieten. Aufgrund ihrer Größe können sie jedoch viel Platz auf der Leiterplatte beanspruchen und haben oft parasitäre Effekte, die die Performance beeinträchtigen.

Glücklicherweise bieten DFN-Gehäuse (Dual Flat No-Lead) kompakte Abmessungen und Vielseitigkeit, die für den ESD-Schutz besser geeignet sein können. DFN-Gehäuse haben keine Anschlussdrähte, und ihre Kontaktpunkte befinden sich unter dem Bauteil und nicht entlang seines Umfangs, was im Vergleich zu bedrahteten oberflächenmontierten Bauteilen (SMD) Platzeinsparungen ermöglicht.

DFN-Gehäuse bieten eine hervorragende Wärmeableitung, da sie auf der Unterseite ein freiliegendes Wärmeleitpad aufweisen, das nahtlos mit der Leiterplatte verbunden werden kann und als integrierter Kühlkörper fungiert. Außerdem weisen sie im Vergleich zu bedrahteten SMD-Gehäusen geringere parasitäre Elemente auf, was zur Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei Highspeed-Anwendungen beiträgt.

DFN-Gehäuse bieten jedoch nur eine eingeschränkte Sicht auf die Lötstellen auf den Leiterplatten, was es schwierig macht, die ordnungsgemäße Verbindung während des Montageprozesses nach dem Zusammenbau zu überprüfen.

Bewältigung der DFN-Herausforderung

Semtech hat die DFN-Herausforderung mit TVS-Dioden in DFN-Modulen mit Flip-Chip-Gehäuse und seitlich benetzbaren Flanken gelöst (Abbildung 1).

Abbildung 1: Repräsentatives Bild des DFN-Gehäuses von Semtech mit seitlich benetzbaren Flanken, das für TVS-Dioden verwendet wird. (Bildquelle: Semtech)

Bei Flip-Chip-Gehäusen werden Lötpunkte anstelle von Drahtverbindungen verwendet, um Verbindungen zum Substrat herzustellen. Seitlich benetzbare Flanken sorgen dafür, dass sich das Lot von der Unterseite des Gehäuses ausbreitet, an der Seite der Wand hochfließt und eine sichtbare Lötverbindung bildet.

Mit dieser Technik können automatische visuelle Inspektionssysteme (AVI) die ordnungsgemäße Leiterplattenverbindung durch visuelle Prüfung der Lötstellen, die sich zwischen der vertikalen Seite der Flanke und dem Lötpad bilden, validieren und so zuverlässige Verbindungen sicherstellen.

Die Verwendung von seitlich benetzbaren Flanken erhöht die Zuverlässigkeit, verbessert die Ausbeute und bietet Widerstand gegen Vibrationen und Erschütterungen, die andernfalls zu einer Trennung führen könnten. Die Zinnbeschichtung bedeckt die Kupferanschlüsse und schützt das Kupfer vor Oxidation im Laufe der Zeit.

Unter Verwendung des Flip-Chip-Gehäuses und der seitlich benetzbaren Flanken hat Semtech eine Reihe von Single-Line-TVS-Dioden im DFN-Format 0402 (1,0 mm x 0,6 mm x 0,55 mm) eingeführt, die für industrielle Anwendungen außerhalb des Automobilbereichs geeignet sind.

Die DFN-TVS-Bauteile der Größe 0402 sind für den ESD-Schutz von HF- und FM-Antennen, Touchscreen-Controllern, 12V_DC-Leitungen, Seitentasten und Tastaturen, Audioanschlüssen, IoT-Geräten, tragbaren Messgeräten, GPIO-Leitungen (General Purpose Input-Output) und Industrieanlagen vorgesehen.

Die Komponenten von Semtech bieten ESD-Schutz für:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• USB-Typ-C®-Steckverbinder auf Highspeed-Signalleitungen
• Konfigurationskanal- (CC) und Seitenband-Nutzleitungen (SBU), die für die Aushandlung von Strom, Daten und alternativen Modi verwendet werden und über ein USB-Typ-C-Kabel verbunden sind
• VBus-Leitungen
• Datenleitungen der Art D+/D-, die die Differenzsignale für USB und andere ältere Protokolle übertragen

Semtechs Einkanal-, Datenleitungs- und VBUS-ESD-Schutzlösungen mit seitenbenetzbarem Flankengehäuse sind unter RClamp- und μClamp-ESD-Schutzkomponenten erhältlich. Sie bieten Schutz auf Leiterplattenebene mit niedriger Betriebs- und Klemmenspannung, schneller Reaktionszeit und ohne Beeinträchtigung des Geräts.

RClamp-Produkte (RailClamp) umfassen:

• RCLAMP01811PW.C: Bietet die Flexibilität, einzelne Leitungen in platzbeschränkten Anwendungen wie Smartphones, Notebooks und Zubehör zu schützen. Die Komponente hält einer Spannung von ±30 kV (Kontakt) und ±30 kV (Luft) gemäß IEC 61000-4-2 stand, bei einer geringen Kapazität von 1,2 pF (max). Sie schützt eine einzelne Leitung mit einer Arbeitsspannung von 1,8 V und einem geringen Rückwärtsableitstrom von 100 nA (max.) bei V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: Zum Schutz einzelner Leitungen in Anwendungen, bei denen Arrays nicht praktikabel sind, wie z. B. bei tragbaren Anwendungen mit USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL und Wearables. Mit einer Betriebsspannung von 4,0 V und einer geringen Kapazität von 0,65 pF (max.) bietet die Komponente ESD-Schutz für Highspeed-Leitungen gemäß IEC 61000-4-2 von ±30 kV (Kontakt und Luft) und IEC 61000-4-5 (Blitzschlag) von 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: Eine für 22 V Betriebsspannung ausgelegte TVS-Diode für einzelne Leitungen und für Stromstöße von 18 A (t_p = 8/20 μs) gemäß IEC 61000-4-5 sowie einer Spannungsfestigkeit von ±25 kV (Kontakt) und ±30 kV (Luft) gemäß IEC 61000-4-2. Zu den typischen Anwendungen gehören USB Typ-C, NFC-Leitungen (Nahfeldkommunikation), HF- und FM-Antennen sowie IoT-Geräte.

Die ultrakleine μClamp-Produktlinie (MicroClamp) umfasst:

• UCLAMP5031PW.C: Eine für 5 V Betriebsspannung ausgelegte TVS-Diode für Einzelleitungen mit einer Spannungsfestigkeit von ±30 kV (Kontakt) und ±30 kV (Luft) gemäß IEC 61000-4-2. Sie kann für industrielle Geräte, tragbare Messgeräte, Notebooks, Handgeräte, Tastaturen und Audioanschlüsse verwendet werden.
• UCLAMP1291PW.C: Eine für 12 V Betriebsspannung ausgelegte TVS-Diode für Einzelleitungen mit niedrigem typischen dynamischen Widerstand, niedriger ESD-Klemmspannung und hoher ESD-Spannungsfestigkeit von ±30 kV (Kontakt und Luft) gemäß IEC 61000-4-2. Zu den geeigneten Anwendungen gehören Mobiltelefone und Zubehör, Notebooks und Handgeräte sowie tragbare Messgeräte.
• UCLAMP2011PW.C: Eine für Einzelleitungen bestimmte 20V-TVS-Diode mit hoher Blitzstoßfestigkeit von 3 A (t_p = 8/20 μs) gemäß IEC 61000-4-5. Typische Anwendungen sind Peripheriegeräte, tragbare Geräte und Instrumentierung.
• UCLAMP2411PW.C: Eine 24V-Einzelleiter-TVS-Diode, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist, darunter 24V_DC-Stromschienen, Chip-on-Glass-Treiber-IC-Datenleitungen, Peripheriegeräte und tragbare Geräte. Sie bietet eine Spitzenstromfestigkeit von 3 A (t_p = 8/20 μs) gemäß IEC 61000-4-5.

Fazit

Die zunehmende Schaltungsdichte und höhere Performance elektronischer Produkte erfordert neue Konzepte zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen und anderen Überspannungen. Neue Technologien von Semtech ermöglicht kleinere Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen, die mehr Flexibilität, eine hohe Stoßstromfähigkeit und niedrige Klemmenspannungen bieten und damit ideal für den Schutz empfindlicher Elektronik sind.