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品過程中，靜電放電 (ESD) 或電涌可能會導致電子產品損壞或發生故障。據估計，在所有元器件故障中，ESD 導致的故障占比介于個位數到三分之一之間，而電路密度的增加和更高的性能要求又加劇了這一問題。

從消費電子設備到昂貴的工業設備，都可能受到危險瞬態電壓事件（如 ESD）的影響。由于越來越多的產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成功，就必須選擇合適的 ESD 解決方案。

當電子在材料表面重新分布時，會產生電荷不平衡現象。當產生的電場足夠強時，靜電荷就會尋求平衡并產生靜電放電。這對可能會對基于微電子的電子產品造成災難性影響，進而導致故障、產品延期、收入損失，有時甚至會損害聲譽或品牌形象。

即使在潔凈的集成電路制造環境中，元器件也可能在加工、裝配、測試和包裝過程中受到 ESD 的影響。人體模型 (HBM) 是應用最廣泛的測試標準，用于確保集成電路能夠承受帶電人體（典型 ESD 產生者）接觸集成電路時產生的靜電電荷的影響。

IEC 61000-4-2 是一項國際 ESD 測試標準，其采用人體模型，以更高的系統級硬件基準，確保設備能夠在最終用戶的實際使用中承受瞬態事件的影響（包括雷擊保護）。

瞬態電壓抑制

隨著集成電路幾何尺寸的不斷縮小，傳統的 ESD 參數已不足以應對系統級風險。為了保護電源和高速數據電路，設計人員必須利用瞬態電壓抑制 (TVS) 技術的進步，在 HBM 和設備內置 ESD 保護措施之外，提供額外的保護。

對于帶 HDMI、Thunderbolt、USB 2、USB 3、USB-C、天線以及其他標準接口的設備而言，TVS 在保護常用數據線免受 ESD 影響方面日益重要。從可穿戴設備和鍵盤到智能手機和物聯網攝像頭，要使這些成品免遭 ESD 損壞，需要采取強有力的保護措施。

TVS 二極管可安裝在電源線或數據線上，通過將浪涌從其保護的電路中引開，防止瞬態事件的發生。在瞬態事件中，受保護線路上的電壓會迅速升高，最高可達數萬伏。在正常工作條件下，TVS 二極管呈斷開狀態，但它能在不到一納秒的時間內抑制系統級 ESD 峰值，分流大電流。

選擇 TVS 解決方案時應考慮的一些關鍵特征包括：

• 電容 (C) - 儲存電荷的固有能力
• 反向斷態電壓 (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 開始從受保護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 進入低阻抗模式時的電壓
• 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 ) - 事件發生時 TVS 耗散的瞬時功率

TVS 封裝考量因素

TVS 二極管的位置會影響其性能，靠近 ESD 進入點的位置可提供更好的保護。在保護現代系統中的精密電子元件免受 ESD 威脅方面，半導體封裝也發揮著重要作用。

設計人員在為產品選擇 TVS 二極管時，應重點考慮所需的特定浪涌保護級別、需要保護的線路數量，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 二極管的常見選擇，因為這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，由于其尺寸較大，可能會占據大量的印刷電路板空間，而且往往會產生寄生效應，對性能產生不利影響。

幸運的是，DFN（雙通道扁平無引線）封裝尺寸小、功能多，可能更適合 ESD 保護。DFN 封裝沒有延長引線，其觸點位于元器件下方，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，可節省空間。

DFN 封裝在底部集成了一個可與印刷電路板無縫結合的裸露式導熱墊，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用中保持信號完整性。

不過，DFN 封裝在印刷電路板上的焊點可見度有限，這使得在封裝后的裝配過程中難以確認焊接是否正確。

克 DFN 挑戰

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

圖 1：Semtech DFN 封裝的典型圖片，采用側面可濕性側翼來安裝 TVS 二極管。（圖片來源：Semtech）

倒裝片封裝利用焊料凸塊而不是焊線鍵合來實現與基板的連接。側面可濕性側翼可確保焊料從封裝底部擴散，沿壁側向上流動，形成可見的焊料連接。

借助這項技術，自動化視覺檢測 (AVI) 系統就能通過目視檢查側翼垂直面與焊盤之間形成的焊料凸點，驗證印刷電路板是否正確接合，從而確保連接可靠。

采用側面可濕性側翼不僅可增強可靠性、提高產出率，而且還可抵御可能會造成分離的振動和晃動。銅端子上覆有鍍錫層，防止銅隨著時間的推移而氧化。

Semtech 采用倒裝片封裝和側面可濕性側翼技術，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應用而打造。

0402 DFN TVS 元器件旨在為射頻和調頻天線、觸摸屏控制器、12 VDC 線路、側鍵和鍵盤、音頻接口、物聯網設備、便攜式儀器儀表、通用輸入輸出 (GPIO) 線路和工業設備等提供 ESD 保護。

Semtech 設備可為以下產品提供 ESD 保護：

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• 高速信號線上的 USB Type-C? 連接器
• 配置通道 (CC) 和邊帶使用 (SBU) 線路（用于通過 USB Type-C 電纜連接來協商功率、數據和備用模式）
• VBus 線路
• D+/D- 數據線（用于傳輸 USB 和其他遺留協議的差分信號）

Semtech 的單通道、數據線和 VBUS ESD 保護解決方案，采用側面可濕性側翼封裝，提供 [RClamp 和 μClamp ESD 保護器件]。這些解決方案提供電路板級保護，具有較低的工作電壓和箝位電壓，較快的響應時間，并且不會造成器件性能下降。

RClamp (RailClamp) 產品包括：

• [RCLAMP01811PW.C]：適用于智能手機、筆記本電腦和配件等空間受限的應用，為設計人員保護單條線路提供了靈活性。該產品能承受 ±30 kV 接觸放電電壓和 ±30 kV 空氣放電電壓，符合 IEC 61000-4-2 標準，并且具有 1.2 pF（最大值）的低電容。其能保護單條線路，工作電壓為 1.8 V，VR = 1.8 V 時反向漏電流較小，僅為 100 nA（最大值）。
• [RCLAMP04041PW.C]：用于在無法實現陣列的應用中保護單條線路，例如采用 USB 2.0、MIPI/MDDI、MHL 和可穿戴設備的便攜式應用。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 標準的 ±30 kV 接觸和空氣放電 ESD 保護和符合 IEC 61000-4-5（雷擊）標準的 20 A (tp = 8/20 μs) ESD 保護。
• [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 標準，耐受 ±25 kV 接觸放電和 ±30 kV 空氣放電電壓，符合 IEC 61000-4-2 標準。典型應用包括 USB Type-C、近場通信 (NFC) 線路、射頻和調頻天線以及物聯網設備。

超小型 μClamp (MicroClamp) 產品系列包括：

• [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 標準。設計人員可將其用于工業設備、便攜式儀器儀表、筆記本電腦、手機、鍵盤以及音頻接口。
• [UCLAMP1291PW.C]：工作電壓為 12 V 的單路 TVS，具有低典型動態電阻、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 標準。適用的應用包括蜂窩手機和配件、筆記本電腦和手持設備，以及便攜式儀器儀表。
• [UCLAMP2011PW.C]：單路 20 V TVS，抗雷電浪涌能力高，達 3 A (t p =8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 標準。典型應用包括外設、便攜式設備和儀器儀表。
• [UCLAMP2411PW.C]：24 V 單路 TVS，適用于各種應用，包括 24 VDC 電源軌、玻璃基板片式驅動器 IC 數據線、外設以及便攜式設備。其浪涌電流為 3 A (tp = 8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 標準。

結語

電子產品的電路密度和性能要求越來越高，因此必須采用新方法來防止靜電放電和其他電壓浪涌。Semtech 的新型封裝使得瞬態電壓抑制二極管的體積更小，為產品設計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，是保護敏感電子元件的理想之選。

審核編輯 黃宇