より小型で高性能なTVSダイオードで優れた保護を実現
著者 Pete Bartolik(ピート・バートリック) 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2024-05-22
マルツ掲載日:2024-10-14
静電気放電(ESD)や電力サージは、製造中や最終の用途において電子製品を損傷させたり故障させたりする可能性があります。ESDは部品故障の原因の1桁から3分の1の割合を占めると推定されており、回路密度の増加や性能要件の高まりによってさらに悪化しています。
ESDのような過渡電圧事象は、民生用デバイスから高価な産業用装置まで、さまざまな装置に影響を与える危険性があります。このような事象の影響を受けやすく、広範な製品に使用されるマイクロプロセッサへの依存度が高まっているため、顧客満足度と商業的成功を確保するためには、適切なESDソリューションを選択することが不可欠となっています。
材料表面で電子が再配分されると、電荷の不均衡が生じることがあります。その結果、電界が強くなると静電荷が平衡を求め、静電気放電を発生させます。これは、マイクロエレクトロニクスベースの電子機器にとって、故障、製品の遅延、収益減、時には風評被害やブランド毀損につながる悲惨な事態となりかねません。
クリーンなIC製造環境であっても、部品は加工や組立、試験、パッケージング中にESDにさらされる可能性があります。ヒューマンボディモデル(HBM)は、ESDの典型的な発生源である帯電した人体がICに触れて静電気を発生させた場合の衝撃にICが耐えられることを保証するための、最も広く使用されている試験規格です。
IEC61000-4-2は、より実質的なシステムレベルのハードウェアベンチマークでヒューマンボディモデルを使用する国際的なESD試験規格であり、デバイスが実際のエンドユーザーの手に渡ったときに、避雷などで過渡事象に耐えられることを保証するものです。
過渡電圧抑制
集積回路の微細化が進む中、従来のESDパラメータではシステムレベルのリスクに対処することができません。電源回路や高速データ回路を保護するために、設計者はHBMやオンデバイスESD保護を超える過渡電圧抑制(TVS)技術の進歩を利用する必要があります。
TVSは、HDMI、Thunderbolt、USB 2、USB 3、USB-C、アンテナ、その他の標準インターフェースを備えたデバイスで一般的に使用されるデータラインのESDから保護する上で、ますます不可欠になっています。ウェアラブル機器やキーボードから、スマートフォンやIoTカメラに至るまで、完成品のESDによる損傷を避けるためには、堅牢な保護対策が必要です。
TVSダイオードは、電源ラインやデータラインに配置することができ、保護する回路からサージを遠ざけることで過渡事象から保護します。過渡事象が発生すると、保護ラインの電圧は急速に上昇し、数万ボルトまで急上昇することがあります。通常の動作条件下では、TVSダイオードはオープンに見えますが、システムレベルのESDピークをナノ秒未満で阻止し、大電流を迂回させることができます。
TVSソリューションを選択する際の主な特性は、以下の通りです。
・静電容量(C):電荷を蓄える固有の能力
・逆スタンドオフ電圧(VRWM):TVSダイオードを作動させずに回路が動作できる最大電圧
・クランピング電圧(VC):TVSが保護回路から過電流を迂回させ始める電圧レベル(VRWMより低い)
・逆降伏電圧(VBR):TVSが低インピーダンスモードになる電圧
・ピークパルス電流(IPP):TVSが破損するまでに扱える最大電流
・ピークパルス電力(PPP):イベント中にTVSが消費する瞬時電力
TVSパッケージの考慮事項
TVSダイオードの配置はその性能に影響し、ESDエントリーポイントに近いほど保護性能が高くなります。半導体パッケージングも、ESDの脅威から最新システムの敏感な電子機器を保護する上で重要な役割を果たしています。
製品用にTVSダイオードを選択する際、設計者は望ましいサージ保護レベル、保護が必要なライン数、利用可能な基板スペースに適したパッケージサイズに注目する必要があります。
リード付きICパッケージは、プリント回路基板(PCB)への実装が容易でコスト効率が高く、熱放散に優れているため、TVSダイオードの一般的な選択肢となっています。しかし、サイズが大きいため、PCB上でかなりのスペースを占め、性能に悪影響を与える寄生効果がある可能性が高くなります。
幸いなことに、DFN(デュアルフラットノーリード)パッケージは小型で汎用性があり、ESD保護により適している場合があります。DFNパッケージはリード線が伸びておらず、接点が部品の周囲ではなく下に位置するため、リード付き表面実装デバイス(SMD)パッケージに比べてスペースを節約できます。
DFNパッケージは、下面に露出したサーマルパッドを備え、PCBとシームレスに接合して一体型ヒートシンクとして機能することで、優れた熱放散を実現します。また、リード付きSMDパッケージと比較して寄生素子が少なく、高速アプリケーションで信号の完全性を維持するのに役立ちます。
しかし、DFNパッケージでは、PCB上のはんだ接合部の可視性が限られるため、パッケージ後のアセンブリ工程で適切な接合を確認することが困難です。
DFNの課題を克服
Semtechは、フリップチップパッケージングとサイドウェッタブルフランクを備えたDFNモジュールにTVSダイオードを搭載することで、DFNの課題を解決しました(図1)。
図1:TVSダイオードに使用されるサイドウェッタブルフランクを備えた、SemtechのDFNパッケージの代表的な画像。(画像提供:Semtech)
フリップチップパッケージングでは、基板との接続にワイヤボンドではなく、はんだバンプを使用します。サイドウェッタブルフランクは、はんだがパッケージの底面から広がり、壁の側面を流れ、目に見えるはんだ接続を形成することを保証します。
この技術により、自動外観検査(AVI)システムは、フランクの垂直面とはんだパッドの間に形成されたはんだバンプを外観検査することで、PCBが適切に接合されていることを確認し、信頼性の高い接続を確保することができます。
サイドウェッタブルフランクを使用することで信頼性を高め、歩留まりを改善し、分離を引き起こす可能性のある振動や揺れに対する耐性を提供します。錫メッキは銅端子を覆い、時間の経過による酸化から銅を保護します。
Semtechはフリップチップパッケージングとサイドウェッタブルフランクを活用し、0402サイズ(1.0mm×0.6mm×0.55mm)のDFNフォーマットでパッケージングされた、非車載用産業アプリケーション向けのシングルラインTVSダイオードを発表しました。
0402 DFN TVSコンポーネントは、RFやFMアンテナ、タッチスクリーンコントローラ、12VDCライン、サイドキーとキーパッド、オーディオポート、IoTデバイス、ポータブル計測器、汎用入出力(GPIO)ライン、産業用装置におけるESDからの保護を目的としています。
Semtechのデバイスは、以下に対するESD保護を提供します。
・Thunderbolt 3
・USB 3.0/3.2
・高速信号ラインのUSB Type-Cコネクタ
・USB Type-Cケーブルで接続され、電源、データ、代替モードのネゴシエーションに使用される構成チャンネル(CC)とサイドバンド使用(SBU)ライン
・VBusライン
・USBやその他のレガシープロトコルの差動信号を伝送するD+/D-データライン
SemtechのサイドウェッタブルフランクパッケージによるシングルチャンネルデータラインVBus ESD保護ソリューションは、 RClampとμClamp ESD保護デバイスで利用可能です。このデバイスは、低い動作電圧とクランプ電圧、高速の応答時間、デバイス劣化なしにより、基板レベルの保護を提供します。
RClamp(RailClamp)製品には、以下のものがあります。
・RCLAMP01811PW.C
スマートフォン、ノートパソコン、アクセサリなど、スペースに制約のあるアプリケーションにおいて、単一ラインを保護する柔軟性を提供します。IEC61000-4-2に準拠して±30kV(接触)、±30kV(空気)の電圧に耐え、静電容量は1.2pF(最大)と低くなっています。1.8Vの動作電圧と、VR=1.8Vで100nA(最大)の低い逆リーク電流により、単一ラインを保護します。
・RCLAMP04041PW.C
USB2.0、MIPI/MDDI、MHL、ウェアラブル機器などのポータブルアプリケーションのように、アレイが実用的でないアプリケーションの単一ライン保護用です。4.0Vの動作電圧、0.65pF(最大)の低静電容量により、IEC61000-4-2の±30kV(接触および空気)とIEC61000-4-5(雷)の20A(tp=8/20μs)に準拠した高速ラインのESD保護を提供します。
・RCLAMP2261PW.C
動作電圧22VのシングルラインTVSで、サージ電流はIEC61000-4-5に準拠した18A(tp=8/20μs)、耐電圧はIEC61000-4-2に準拠した±25kV(接触)および±30kV(空気)となっています。代表的なアプリケーションには、USB Type-C、近距離無線通信(NFC)ライン、RFやFMアンテナ、IoTデバイスなどがあります。
超小型μClamp(MicroClamp)製品ラインは以下の通りです。
・UCLAMP5031PW.C
IEC61000-4-2に準拠した±30kV(接触)および±30kV(空気)の耐電圧を備えた動作電圧5VのシングルラインTVSです。設計者は、産業用装置、ポータブル計測器、ノートパソコン、ハンドセット、キーパッド、オーディオポートなどに活用できます。
・UCLAMP1291PW.C
動作電圧12VのシングルラインTVSで、低い標準ダイナミック抵抗、低いピークESDクランプ電圧、IEC61000-4-2に準拠した±30kV(接触および空気)の高いESD耐電圧を特長としています。携帯電話端末やアクセサリ、ノートパソコンやハンドヘルド機器、ポータブル計測器などに適しています。
・UCLAMP2011PW.C
IEC61000-4-5に準拠した3A(tp=8/20μs)の高い雷サージ能力を備えたシングルラインの20V TVSです。代表的なアプリケーションには、周辺機器、ポータブルデバイス、計測器などがあります。
・UCLAMP2411PW.C
24VDC電源レール、Chip-on-GlassドライバICデータライン、周辺機器、ポータブルデバイスなど、幅広いアプリケーションに適した24VのシングルラインTVSです。IEC61000-4-5に準拠した3A(tp=8/20μs)のサージ電流を備えています。
まとめ
電子製品の回路密度と性能を向上させるには、静電気放電やその他の電圧サージから保護するための新しいアプローチが必要です。Semtechの新しいパッケージングによって過渡電圧抑制ダイオードは小型化され、製品設計者に高い柔軟性、高いサージ電流能力、低いクランプ電圧を提供するため、高感度電子機器の保護に最適です。
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