Diodos TVS menores e de melhor desempenho oferecem maior proteção

Descargas eletrostáticas (ESD) ou picos de energia podem danificar, ou causar falhas em produtos eletrônicos durante a fabricação, ou o uso final. Estima-se que a ESD cause desde um dígito a um terço de todas as falhas de componentes, o que é exacerbado pelo aumento da densidade dos circuitos e pelos requisitos de desempenho mais elevados.

Eventos de tensão transitória, como ESD, são perigos que podem afetar equipamentos que vão desde dispositivos de consumo até equipamentos industriais caros. A crescente dependência de microprocessadores suscetíveis a esses eventos e usados em um amplo espectro de produtos torna essencial a seleção de uma solução ESD adequada para garantir a satisfação do cliente e o sucesso comercial.

Quando os elétrons são redistribuídos na superfície de um material, eles podem criar um desequilíbrio de carga. Quando o campo elétrico resultante é forte o suficiente, as cargas estáticas buscam o equilíbrio e produzem uma descarga eletrostática. Isso pode ser desastroso para produtos eletrônicos baseados em microeletrônica, levando a falhas, atrasos nos produtos, perda de receita e, às vezes, danos à reputação ou à marca.

Mesmo em um ambiente limpo de fabricação de CI, os componentes podem ser expostos a ESD durante o processamento, a montagem, o teste e a embalagem. O Modelo de Corpo Humano (HBM) é o padrão de teste mais amplamente utilizado para garantir que os CIs possam suportar o impacto de um corpo humano carregado — um gerador típico de ESD — tocando um CI e criando uma carga estática.

A IEC 61000-4-2 é uma norma internacional de testes de ESD que utiliza um modelo de corpo humano em uma referência de hardware em nível de sistema mais substancial para garantir que um dispositivo possa sobreviver a eventos transitórios, incluindo proteção contra raios, quando estiver nas mãos de usuários finais na prática.

Supressão de tensão transitória

Como as geometrias dos circuitos integrados continuam a diminuir, os parâmetros tradicionais de ESD são insuficientes para lidar com os riscos em nível de sistema. Para proteger os circuitos de energia e de dados de alta velocidade, os projetistas devem explorar os avanços da tecnologia de supressão de tensão transiente (TVS) além do HBM e da proteção contra ESD no dispositivo.

A TVS é cada vez mais essencial na proteção contra ESD em linhas de dados comumente usadas para dispositivos com HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antenas e outras interfaces padrões. São necessárias medidas de proteção robustas para evitar danos por ESD em produtos acabados, desde vestíveis e teclados até smartphones e câmeras de IoT.

Um diodo TVS pode ser colocado em uma linha de alimentação ou de dados para proteger contra eventos transitórios, redirecionando os surtos para longe do circuito que ele protege. Durante um evento transitório, a tensão na linha protegida aumentará rapidamente e poderá atingir dezenas de milhares de volts. Em condições normais de operação, o diodo TVS parece aberto, mas pode interromper um pico de ESD em nível de sistema em menos de um nanossegundo, desviando altas correntes.

Algumas das principais características na seleção de uma solução de TVS são:

• Capacitância (C) - a capacidade inerente de armazenar uma carga elétrica
• Tensão reversa de trabalho (V_RWM) — a tensão máxima que um circuito pode operar sem ativar o diodo TVS
• Tensão de grampeamento (V_C) — o nível de tensão no qual o TVS começa a desviar o excesso de corrente do circuito protegido (menor que o V_RWM)
• Tensão de ruptura reversa (V_BR) — a tensão na qual o TVS entra em um modo de baixa impedância
• Corrente de pico (_IPP) — a corrente máxima que o TVS pode suportar antes de ser danificado
• Potência de pico (_PPP) — a potência instantânea dissipada pelo TVS durante um evento

Considerações sobre o encapsulamento do TVS

O posicionamento dos diodos TVS afeta seu desempenho, e a proximidade do ponto de entrada de ESD proporciona melhor proteção. O encapsulamento de semicondutores também desempenha um papel fundamental na proteção de produtos eletrônicos delicados em sistemas modernos contra ameaças de ESD.

Ao selecionar os diodos TVS para seus produtos, os projetistas devem se concentrar no nível específico desejado de proteção contra surtos, no número de linhas que precisam ser protegidas e no tamanho do invólucro para se adequar ao espaço disponível na placa.

Os invólucros de CI com terminais são uma opção comum para os diodos TVS devido à facilidade de montagem em placas de circuito impresso (PCIs), o que os torna econômicos, e proporcionam boa dissipação de calor. No entanto, devido ao seu tamanho, eles podem ocupar um espaço considerável na PCI e, muitas vezes, têm efeitos parasitas que afetam negativamente o desempenho.

Felizmente, os invólucros DFN (Dual Flat No-Lead) oferecem dimensões compactas e versatilidade que podem ser mais adequadas para a proteção contra ESD. Os invólucros DFN não têm terminais estendidos e seus pontos de contato estão situados embaixo do componente, e não ao longo de seu perímetro, o que proporciona economia de espaço em comparação com o encapsulamento de dispositivos para montagem em superfície (SMD) com terminais.

Os invólucros DFN oferecem excelente dissipação de calor ao incorporar um pad térmico exposto na parte inferior que pode se unir perfeitamente à PCI para funcionar como um dissipador de calor integrado. Eles também apresentam menos elementos parasitas em comparação com um invólucro SMD com terminais, ajudando a manter a integridade do sinal em aplicações de alta velocidade.

No entanto, os invólucros DFN oferecem visibilidade limitada das juntas de solda nas PCIs, o que dificulta confirmar a ligação adequada durante o processo de montagem pós-encapsulamento.

Superando o desafio do DFN

A Semtech resolveu o desafio do DFN com diodos TVS em módulos DFN com encapsulamento flip-chip e flancos umedecíveis nas laterais (Figura 1).

Figura 1: Imagem representativa do encapsulamento DFN da Semtech com flancos umedecíveis nas laterais usada para diodos TVS. (Fonte da imagem: Semtech)

O encapsulamento flip-chip utiliza saliências de solda em vez de fios para fazer conexões com o substrato. Os flancos umedecíveis nas laterais garantem que a solda se espalhe a partir da parte inferior do invólucro, flua pela lateral da parede e forme uma conexão de solda visível.

Com essa técnica, os sistemas de inspeção visual automatizada (AVI) podem validar a ligação adequada da PCI, examinando visualmente as saliências de solda formadas entre o lado vertical do flanco e o pad de solda, garantindo conexões confiáveis.

O uso de flancos umedecíveis nas laterais aumenta a confiabilidade, melhora o rendimento e oferece resistência à vibração e ao tremor que, de outra forma, poderiam criar separação. A metalização de estanho deposita-se sobre os terminais de cobre, protegendo o cobre da oxidação ao longo do tempo.

Utilizando o encapsulamento flip-chip e flancos umedecíveis nas laterais, a Semtech apresentou uma gama de diodos TVS para uma linha, encapsulados no formato DFN 0402 (1,0 mm x 0,6 mm x 0,55 mm), adaptados para aplicações industriais não automotivas.

Os componentes TVS 0402 DFN destinam-se à proteção contra ESD em antenas de RF e FM, controladores de tela sensível ao toque, linhas de 12 V_CC, botões laterais e teclados, portas de áudio, dispositivos IoT, instrumentação portátil, linhas de entrada e saída de uso geral (GPIO) e equipamentos industriais.

Os dispositivos da Semtech fornecem proteção contra ESD para:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• Conectores USB Type-C® em linhas de sinal de alta velocidade
• Canal de configuração (CC) e linhas de uso de banda lateral (SBU) usadas para negociar energia, dados e modos alternativos conectados pelo cabo USB Type-C
• Linhas VBus
• Linhas de dados D+/D- que portam os sinais diferenciais para USB e outros protocolos antigos

As soluções de proteção contra ESD de um canal, linha de dados e VBUS da Semtech com encapsulamento de flanco umedecível nas laterais estão disponíveis em dispositivos de proteção contra ESD RClamp e μClamp. Oferecem proteção em nível de placa com baixa tensão operacional e de grampeamento, tempo de resposta rápido e nenhuma degradação do dispositivo.

Os produtos RClamp (RailClamp) incluem:

• RCLAMP01811PW.C: oferece aos projetistas a flexibilidade de proteger linhas únicas em aplicações com restrições de espaço, como smartphones, notebooks e acessórios. Pode suportar uma tensão de ±30 kV (contato) e ±30 kV (ar) de acordo com a norma IEC 61000-4-2, com uma baixa capacitância de 1,2 pF (máx.). Protege uma única linha com uma tensão de trabalho de 1,8 V e uma baixa corrente de fuga reversa de 100 nA (máx.) em V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: para proteção de linhas únicas em aplicações em que as matrizes não são práticas, como aplicações portáteis com USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL e vestíveis. Com uma tensão de trabalho de 4,0 V e uma baixa capacitância de 0,65 pF (máx.), ele oferece proteção contra ESD para linhas de alta velocidade de acordo com a norma IEC 61000-4-2 de ±30 kV (contato e ar) e IEC 61000-4-5 (raios) de 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: um TVS com tensão de trabalho de 22 V para uma linha com uma corrente de surto de 18 A (t_p = 8/20 μs) de acordo com a norma IEC 61000-4-5 e uma tensão suportável de ±25 kV (contato) e ±30 kV (ar) de acordo com a norma IEC 61000-4-2. As aplicações típicas incluem USB Type-C, linhas de comunicação de campo próximo (NFC), antenas de RF e FM e dispositivos de IoT.

A linha de produtos ultrapequenos μClamp (MicroClamp) inclui:

• UCLAMP5031PW.C: um TVS com tensão de trabalho de 5 V para uma linha com tensão suportável de ±30 kV (contato) e ±30 kV (ar) de acordo com a norma IEC 61000-4-2. Os projetistas podem utilizá-lo para equipamentos industriais, instrumentação portátil, notebooks, monofones, teclados e portas de áudio.
• UCLAMP1291PW.C: um TVS com tensão de trabalho de 12 V para uma linha com baixa resistência dinâmica típica, baixa tensão de grampeamento ESD de pico e alta tensão suportável de ESD de ±30 kV (contato e ar) de acordo com a norma IEC 61000-4-2. As aplicações adequadas incluem aparelhos celulares e acessórios, notebooks e dispositivos portáteis e instrumentação portátil.
• UCLAMP2011PW.C: um TVS de 20 V para uma linha com alta capacidade de surto de raios de 3 A (t_p=8/20 μs) de acordo com a norma IEC 61000-4-5. As aplicações típicas incluem periféricos, dispositivos portáteis e instrumentação.
• UCLAMP2411PW.C: um TVS de 24 V para uma linha, adequado para uma ampla gama de aplicações, incluindo trilhas de alimentação de 24 V_CC, linhas de dados de CI acionador de chip sobre vidro, periféricos e dispositivos portáteis. Apresenta corrente de surto de 3 A (t_p = 8/20 μs) de acordo com a norma IEC 61000-4-5.

Conclusão

O aumento da densidade dos circuitos e o melhor desempenho dos produtos eletrônicos exigem novas abordagens para proteção contra descargas eletrostáticas e outros surtos de tensão. O novo encapsulamento da Semtech resulta em diodos de supressão de tensão transiente menores que oferecem aos projetistas de produtos maior flexibilidade, alta capacidade de corrente de surto e baixas tensões de grampeamento, tornando-os ideais para proteger eletrônicos sensíveis.