Des diodes TVS plus petites et plus performantes pour une meilleure protection

Les décharges électrostatiques (DES) ou les surcharges peuvent endommager les produits électroniques ou entraîner leur défaillance pendant la fabrication ou l'utilisation finale. On estime que les décharges électrostatiques sont à l'origine de jusqu'à un tiers de toutes les défaillances de composants, phénomène amplifié par une densité de circuits accrue et par des exigences de performances plus élevées.

Les événements de tension transitoire, tels que les DES, sont des dangers qui peuvent avoir un impact sur les équipements, qu'il s'agisse d'appareils grand public ou d'équipements industriels coûteux. Le recours croissant à des microprocesseurs sensibles à de tels événements et utilisés dans un large éventail de produits rend essentiel le choix d'une solution DES appropriée pour garantir la satisfaction du client et le succès commercial.

Lorsque les électrons sont redistribués sur la surface d'un matériau, ils peuvent créer un déséquilibre de charge. Lorsque le champ électrique résultant est suffisamment puissant, les charges statiques recherchent l'équilibre et produisent une décharge électrostatique. Pour l'électronique basée sur la microélectronique, cela peut avoir des conséquences catastrophiques et entraîner des défaillances, des retards de production, des pertes de revenus et parfois une atteinte à la réputation ou à la marque.

Même dans un environnement de fabrication de circuits intégrés propre, les composants peuvent être exposés aux décharges électrostatiques pendant le traitement, l'assemblage, les tests et le conditionnement. Le modèle du corps humain (HBM) est la norme de test la plus largement utilisée pour garantir que les circuits intégrés peuvent résister à l'impact d'un corps humain chargé — un générateur typique de DES — touchant un circuit intégré et créant une charge statique.

La norme CEI 61000-4-2 est une norme de test DES internationale utilisant un modèle du corps humain avec une référence matérielle plus importante au niveau du système pour garantir qu'un dispositif peut survivre à des événements transitoires, y compris la protection contre la foudre, lorsqu'il est entre les mains d'utilisateurs finaux réels.

Suppression de tensions transitoires

Alors que la géométrie des circuits intégrés continue de se réduire, les paramètres DES traditionnels sont insuffisants pour faire face aux risques au niveau du système. Pour protéger les circuits d'alimentation et de données haute vitesse, les concepteurs doivent exploiter les avancées des technologies de suppression des tensions transitoires (TVS) au-delà de la protection DES intégrée au dispositif et HBM.

La suppression des tensions transitoires est de plus en plus importante pour la protection contre les DES sur les lignes de données fréquemment utilisées pour les dispositifs avec HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antennes et autres interfaces standard. Des mesures de protection robustes sont nécessaires pour éviter les dommages DES dans les produits finis, s'étendant des dispositifs corporels et claviers aux smartphones et caméras IoT.

Une diode TVS peut être placée sur une ligne d'alimentation ou de données pour offrir une protection contre les événements transitoires en redirigeant les surcharges loin du circuit qu'elle protège. Lors d'un événement transitoire, la tension sur la ligne protégée augmente rapidement et peut atteindre des dizaines de milliers de volts. En conditions de fonctionnement normales, la diode TVS semble ouverte, mais elle peut arrêter un pic DES au niveau du système en moins d'une nanoseconde, détournant ainsi des courants élevés.

Voici quelques-unes des principales caractéristiques à prendre en compte lors de la sélection d'une solution TVS :

• Capacité (C) — La capacité inhérente à stocker une charge électrique
• Tension de sécurité inverse (V_RWM) — La tension maximum à laquelle un circuit peut fonctionner sans activer la diode TVS
• Tension de blocage (V_C) — Le niveau de tension auquel la TVS commence à dévier le courant excédentaire du circuit protégé (inférieur à V_RWM)
• Tension de claquage inverse (V_BR) — La tension à laquelle la TVS entre en mode basse impédance
• Courant d'impulsion de crête (I_PP) — Le courant maximum que la TVS peut supporter avant d'être endommagée
• Puissance d'impulsion de crête (P_PP) — La puissance instantanée dissipée par la TVS lors d'un événement

Considérations relatives au conditionnement TVS

Le placement des diodes TVS a un impact sur leurs performances, et la proximité du point d'entrée DES offre une meilleure protection. Le conditionnement des semi-conducteurs joue également un rôle clé dans la protection des composants électroniques délicats dans les systèmes modernes contre les menaces DES.

Lors de la sélection de diodes TVS pour leurs produits, les concepteurs doivent se concentrer sur le niveau de protection contre les surcharges spécifique souhaité, le nombre de lignes à protéger et une taille de boîtier adaptée à l'espace disponible sur la carte.

Les boîtiers de circuits intégrés avec sorties sont une option courante pour les diodes TVS en raison de leur facilité de montage sur les circuits imprimés, ce qui les rend rentables, et ils offrent une bonne dissipation thermique. Cependant, en raison de leur taille, ils peuvent occuper un espace important sur le circuit imprimé et souvent présenter des effets parasites nuisant aux performances.

Heureusement, les boîtiers DFN (Dual Flat No-Lead) offrent des dimensions compactes et une polyvalence pouvant mieux convenir à la protection DES. Les boîtiers DFN n'ont pas de sorties étendues et leurs points de contact sont situés sous le composant plutôt que sur son périmètre, ce qui permet un gain de place par rapport aux boîtiers de dispositifs à montage en surface (CMS) avec sorties.

Les boîtiers DFN offrent une dissipation thermique exceptionnelle grâce à une pastille thermique exposée sur la face inférieure qui peut être reliée de manière transparente au circuit imprimé pour fonctionner comme un dissipateur thermique intégré. Ils présentent également moins d'éléments parasites qu'un boîtier CMS avec sorties, contribuant ainsi à maintenir l'intégrité des signaux dans les applications haute vitesse.

Cependant, les boîtiers DFN fournissent une visibilité limitée des joints de soudure sur les circuits imprimés, ce qui rend difficile la confirmation d'une liaison correcte pendant le processus d'assemblage post-boîtier.

Surmonter le défi DFN

Semtech a résolu le défi DFN avec des diodes TVS dans des modules DFN avec un boîtier à puce retournée (flip-chip) et des flancs mouillables latéraux (Figure 1).

Figure 1 : Image représentative du boîtier DFN de Semtech avec flancs mouillables latéraux, utilisé pour les diodes TVS. (Source de l'image : Semtech)

Le boîtier flip-chip utilise des perles de soudure au lieu de fils pour établir des connexions avec le substrat. Les flancs mouillables latéraux garantissent que la soudure se propage à partir du bas du boîtier, remonte le long de la paroi et forme une connexion de soudure visible.

Grâce à cette technique, les systèmes d'inspection visuelle automatisée (AVI) peuvent valider la soudure de circuit imprimé correcte en examinant visuellement les perles de soudure formées entre le côté vertical du flanc et la pastille de soudure, garantissant ainsi des connexions fiables.

L'utilisation de flancs mouillables latéraux améliore la fiabilité, augmente le rendement et offre une résistance aux vibrations et aux secousses qui pourraient autrement créer une séparation. Un placage en étain recouvre les bornes en cuivre, protégeant ainsi le cuivre de l'oxydation au fil du temps.

En utilisant un boîtier flip-chip et des flancs mouillables latéraux, Semtech a introduit une gamme de diodes TVS à une seule ligne conditionnées au format DFN 0402 (1,0 mm x 0,6 mm x 0,55 mm), convenant aux applications industrielles non automobiles.

Les composants TVS DFN 0402 sont destinés à offrir une protection contre les DES dans les antennes RF et FM, les contrôleurs à écran tactile, les lignes 12 V_CC, les touches latérales et les claviers, les ports audio, les dispositifs IoT, les instruments portables, les lignes entrée-sortie à usage général (GPIO) et les équipements industriels.

Les dispositifs de Semtech offrent une protection DES pour :

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• Connecteurs USB Type-C® sur lignes de signaux haut débit
• Lignes de canal de configuration (CC) et d'utilisation de bande latérale (SBU) utilisées pour négocier l'alimentation, les données et les modes alternatifs connectés par un câble USB Type-C
• Lignes VBus
• Lignes de données D+/D- qui transmettent les signaux différentiels pour USB et autres protocoles existants

Les solutions de protection DES VBUS et de ligne de données à un canal de Semtech avec boîtier à flancs mouillables latéraux sont disponibles dans des dispositifs de protection DES RClamp et μClamp. Ils offrent une protection au niveau de la carte avec une faible tension de fonctionnement et de blocage, un temps de réponse rapide, et sans dégradation du dispositif.

Les produits RClamp (RailClamp) incluent les suivants :

• RCLAMP01811PW.C : Offre aux concepteurs la flexibilité nécessaire pour protéger des lignes uniques dans les applications à espace restreint telles que les smartphones, les ordinateurs portables et les accessoires. Il peut supporter une tension de ±30 kV (contact) et ±30 kV (air) conformément à la norme CEI 61000-4-2, avec une faible capacité de 1,2 pF (max.). Il protège une seule ligne avec une tension de fonctionnement de 1,8 V et un faible courant de fuite inverse de 100 nA (max.) à V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C : Pour la protection des lignes simples dans les applications où les matrices ne sont pas pratiques, telles que les applications portables avec USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL et les dispositifs corporels. Avec une tension de fonctionnement de 4,0 V et une faible capacité de 0,65 pF (max.), il offre une protection DES pour les lignes haute vitesse selon CEI 61000-4-2 de ±30 kV (contact et air) et selon CEI 61000-4-5 (foudre) de 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C : TVS à une seule ligne avec tension de fonctionnement de 22 V et courant de pointe de 18 A (t_p = 8/20 μs) selon CEI 61000-4-5 et tension de tenue TVS à une seule ligne avec tension de ±25 kV (contact) et ±30 kV (air) selon CEI 61000-4-2. Les applications typiques incluent USB Type-C, les lignes de communication en champ proche (NFC), les antennes RF et FM et les dispositifs IoT.

La gamme de produits μClamp (MicroClamp) ultracompacts inclut :

• UCLAMP5031PW.C : TVS à une seule ligne avec tension de fonctionnement de 5 V, tension de tenue de ±30 kV (contact) et ±30 kV (air) selon la norme CEI 61000-4-2. Les concepteurs peuvent l'utiliser pour les équipements industriels, les instruments portables, les ordinateurs portables, les combinés, les claviers et les ports audio.
• UCLAMP1291PW.C : TVS à une seule ligne avec tension de fonctionnement de 12 V, et présentant une faible résistance dynamique typique, une faible tension de blocage DES de crête et une tension de tenue DES élevée de ± 30 kV (contact et air) selon la norme CEI 61000-4-2. Les applications adaptées incluent les combinés et accessoires cellulaires, les ordinateurs portables et les instruments portables.
• UCLAMP2011PW.C : TVS à une seule ligne de 20 V avec haute tenue aux surtensions dues à la foudre de 3 A (t_p = 8/20 μs) selon CEI 61000-4-5. Les applications typiques incluent les périphériques, les appareils portables et l'instrumentation.
• UCLAMP2411PW.C : TVS à une seule ligne de 24 V adaptée à une large gamme d'applications, y compris les rails d'alimentation 24 V_CC, les lignes de données de circuits d'attaque Chip-on-Glass, les périphériques et les appareils portables. Il se caractérise par un courant de pointe de 3 A (t_p = 8/20 μs) selon CEI 61000-4-5.

Conclusion

L'augmentation de la densité des circuits et l'amélioration des performances des produits électroniques nécessitent de nouvelles approches en matière de protection contre les décharges électrostatiques et autres surtensions. Le nouveau boîtier de Semtech permet de fournir des diodes de suppression des tensions transitoires plus petites qui offrent aux concepteurs de produits une plus grande flexibilité, une tenue en courant de pointe supérieure et de faibles tensions de blocage, ce qui les rend idéales pour la protection des composants électroniques sensibles.