더 작은 크기의 고성능 TVS 다이오드로 더 우수한 보호 기능 제공

제조 과정이나 최종 사용 중 발생하는 정전기 방전(ESD) 또는 전력 서지는 전자 제품에 손상이나 고장을 일으킬 수 있습니다. 전체 부품 고장의 약 10% ~ 33%가 ESD로 인해 발생한다고 추정되며, 회로 밀도 증가와 높은 성능 요구 사항으로 인해 이러한 문제는 더욱 악화되고 있습니다.

ESD와 같은 과도 전압 이벤트는 소비자 장치부터 고가의 산업용 장비까지 다양한 장비에 영향을 미칠 위험이 있습니다. 이러한 이벤트에 민감하고 광범위한 제품에 사용되는 마이크로 프로세서에 대한 의존도가 높아짐에 따라, 고객 만족과 상업적 성공을 보장하기 위해서는 적절한 ESD 솔루션을 선택해야 합니다.

전자가 소재 표면에 재분배되면 전하 불균형이 발생할 수 있습니다. 결과로 생성되는 전기장이 충분히 강하면 정전하가 평형을 이루는 과정에서 정전기 방전을 일으킵니다. 이 현상은 마이크로일렉트로닉스 기반 전자 제품에 치명적인 영향을 줄 수 있으며 고장, 제품 지연, 매출 손실, 평판 또는 브랜드 손상으로 이어질 수 있습니다.

청결한 IC 제조 환경에서도 부품은 처리, 조립, 테스트, 패키징 과정에서 ESD에 노출될 수 있습니다. 인체 모델(HBM)은 가장 널리 사용되는 테스트 표준으로, IC와 접촉하여 정전하를 발생시키는 대전된 인체(대표적인 ESD 발생 원인)의 영향을 IC가 견딜 수 있는지 확인합니다.

IEC 61000-4-2는 더 실질적인 시스템 수준 하드웨어 벤치마크에서 인체 모델을 사용하는 국제 ESD 테스트 표준으로, 최종 사용자가 실제로 장치를 사용할 때 장치가 낙뢰 보호를 포함한 일시적인 이벤트에 견딜 수 있는지 확인합니다.

과도 전압 억제

집적 회로의 형상이 계속 축소됨에 따라 기존 ESD 파라미터로는 시스템 수준의 위험을 충분히 해결할 수 없습니다. 전력 및 고속 데이터 회로를 보호하려면 설계자는 HBM 및 장치 실장 ESD 보호를 능가하는 과도 전압 억제(TVS) 기술의 발전을 활용해야 합니다.

HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, 안테나 및 기타 표준 인터페이스가 있는 장치에서 일반적으로 사용되는 데이터 회선을 ESD로부터 보호하는 데 있어 TVS의 중요성은 점점 커지고 있습니다. 웨어러블, 키보드, 스마트폰, IoT 카메라 등 다양한 완제품에서 ESD 손상을 방지하려면 강력한 보호 조치가 필요합니다.

TVS 다이오드를 전력 또는 데이터 회선에 배치하면 서지를 보호 대상 회로에서 멀리 리디렉션하여 과도 이벤트로부터 보호할 수 있습니다. 과도 이벤트가 발생하는 동안 보호 회선의 전압은 빠르게 상승하며 수만 볼트까지 치솟을 수 있습니다. 정상적인 작동 조건에서 TVS 다이오드는 개방된 상태로 보이지만, 1나노초보다 짧은 시간에 시스템 수준 ESD 피크를 차단하여 높은 전류를 전환할 수 있습니다.

TVS 솔루션 선택 시 고려할 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 정전 용량(C) - 전하를 저장하는 고유한 능력
• 역방향 스탠드오프 전압(V_RWM) - TVS 다이오드를 활성화하지 않고 회로가 작동할 수 있는 최대 전압
• 클램핑 전압(V_C) - TVS가 보호 회로에서 초과 전류를 전환하기 시작하는 전압 레벨(V_RWM 미만)
• 역방향 항복 전압(V_BR) - TVS가 저임피던스 모드로 전환되는 전압
• 피크 펄스 전류(I_PP) - TVS가 손상되기 전에 처리할 수 있는 최대 전류
• 피크 펄스 전력(P_PP) - 이벤트 중에 TVS가 소비하는 순간 전력

TVS 패키징 고려 사항

TVS 다이오드의 배치는 성능에 영향을 미치며, ESD 진입점에 가까울수록 더 나은 보호 성능을 제공합니다. 또한 반도체 패키징은 최신 시스템의 섬세한 전자 장치를 ESD 위협으로부터 보호하는 데 중요한 역할을 합니다.

설계자는 제품에 사용할 TVS 다이오드를 선택할 때 원하는 특정 서지 보호 수준, 보호해야 하는 회선 수, 사용 가능한 기판 공간에 적합한 패키지 크기에 초점을 맞춰야 합니다.

리드형 IC 패키지는 인쇄 회로 기판(PCB)에 쉽게 실장할 수 있어서 비용 효율적이고 열 방출이 우수하므로 TVS 다이오드에 일반적으로 사용되는 옵션입니다. 하지만 크기로 인해 PCB에서 많은 공간을 차지할 수 있으며 성능에 부정적인 영향을 미치는 기생 효과가 발생하는 경우가 많습니다.

다행히 DFN(Dual Flat No-Lead) 패키지는 콤팩트한 크기와 다용성이 특징이므로 ESD 보호에 더 적합할 수 있습니다. DFN 패키지에는 연장 리드가 없으며, 접점이 부품의 둘레가 아닌 아래에 위치하므로 리드형 표면 실장 장치(SMD) 패키징에 비해 공간을 절약할 수 있습니다.

DFN 패키지는 PCB와 매끄럽게 결합되어 통합 방열판 역할을 할 수 있는 노출형 열 패드가 밑면에 통합되어 있어 뛰어난 열 방출 성능을 보입니다. 또한 리드형 SMD 패키지에 비해 기생 소자가 적어 고속 응용 분야에서 신호 무결성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

하지만 DFN 패키지에서는 PCB의 납땜 조인트에 대한 가시성이 제한되므로 패키징 후 조립 공정에서 적절히 접합되었는지 확인하는 데 어려움이 있습니다.

DFN 문제 해결

Semtech는 DFN 모듈에서 플립 칩 패키징과 사이드 웨터블 플랭크를 갖춘 TVS 다이오드로 DFN 문제를 해결했습니다(그림 1).

그림 1: TVS 다이오드에 사용되는 사이드 웨터블 플랭크를 갖춘 Semtech의 DFN 패키징을 보여주는 대표 이미지 (이미지 출처: Semtech)

플립 칩 패키징은 전선 본드 대신 납땜 범프를 활용하여 기판에 연결합니다. 사이드 웨터블 플랭크를 사용하면 납땜이 패키지 하단에서 퍼지며 벽 측면을 따라 올라와 가시적인 납땜 연결을 형성합니다.

이 기술을 사용하면 자동화된 육안 검사(AVI) 시스템에서 플랭크의 수직면과 납땜 패드 사이에 형성된 납땜 범프를 육안으로 검사하여 PCB가 적절하게 접합되도록 검증할 수 있으므로 안정적인 연결이 보장됩니다.

사이드 웨터블 플랭크를 사용하면 안정성이 향상되고 수율이 개선되며 분열을 유발할 수 있는 진동 및 흔들림에 대한 내성을 강화할 수 있습니다. 주석 도금은 구리 단자를 덮어 시간에 따른 구리의 산화를 방지합니다.

Semtech에서는 플립 칩 패키징과 사이드 웨터블 플랭크를 활용하여 비자동차 산업 응용 분야에 적합한 0402 크기(1.0mm x 0.6mm x 0.55mm) DFN 형식으로 패키징된 다양한 단일 회선 TVS 다이오드를 출시했습니다.

0402 DFN TVS 부품은 RF 및 FM 안테나, 터치스크린 컨트롤러, 12V_DC 회선, 측면 키 및 키패드, 오디오 포트, IoT 장치, 휴대용 계측 기기, 범용 입출력(GPIO) 회선, 산업용 장비를 ESD로부터 보호하기 위한 것입니다.

Semtech 장치는 다음을 대상으로 ESD 보호 기능을 제공합니다.

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• 고속 신호 회선의 USB Type-C® 커넥터
• USB Type-C 케이블로 연결된 전력, 데이터 및 대체 모드를 협상하는 데 사용되는 구성 채널(CC) 및 측파대용(SBU) 회선
• VBus 회선
• USB 및 기타 레거시 프로토콜을 위한 차동 신호를 전달하는 D+/D- 데이터 회선

사이드 웨터블 플랭크 패키징을 갖춘 Semtech의 단일 채널, 데이터 회선 및 VBUS ESD 보호 솔루션은 RClamp 및 μClamp ESD 보호 장치에서 사용할 수 있습니다. 이 솔루션은 낮은 작동 및 클램핑 전압, 빠른 응답 시간, 장치 성능 저하 없는 기판 수준 보호 기능을 제공합니다.

RClamp(RailClamp) 제품은 다음과 같습니다.

• RCLAMP01811PW.C: 설계자에게 스마트폰, 노트북, 부속품 등 공간 제약이 있는 응용 분야에서 단일 회선을 보호할 수 있는 유연성을 제공합니다. IEC 61000-4-2에 따라 ±30kV(접촉) 및 ±30kV(무선)의 전압을 견딜 수 있으며 1.2pF(최대)의 낮은 정전 용량을 제공합니다. 1.8V의 작동 전압 및 100nA(최대)(V_R = 1.8V 기준)의 낮은 역방향 누설 전류로 단일 회선을 보호합니다.
• RCLAMP04041PW.C: USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL 및 웨어러블을 사용하는 휴대용 응용 제품과 같이 어레이가 실용적이지 않은 응용 분야에서 단일 회선을 보호하는 데 사용됩니다. 4.0V 작동 전압 및 0.65pF(최대)의 낮은 정전 용량으로 고속 회선에 대해 ±30kV(접촉 및 무선)의 IEC 61000-4-2 및 20A(t_p = 8/20µs)의 IEC 61000-4-5(낙뢰)에 따른 ESD 보호 기능을 제공합니다.
• RCLAMP2261PW.C: 22V 작동 전압에서 IEC 61000-4-5에 따른 서지 전류가 18A(t_p = 8/20μs)이고 IEC 61000-4-2에 따른 내전압이 ±25kV(접촉) 및 ±30kV(무선)인 단일 회선 TVS입니다. 일반적인 응용 분야로는 USB Type-C, 근거리 무선 통신(NFC) 회선, RF 및 FM 안테나, IoT 장치 등이 있습니다.

초소형 μClamp(MicroClamp) 제품 라인은 다음과 같습니다.

• UCLAMP5031PW.C: 작동 전압은 5V이며, IEC 61000-4-2에 따른 내전압이 ±30kV(접촉) 및 ±30kV(무선)인 단일 회선 TVS입니다. 설계자는 산업용 장비, 휴대용 계측 기기, 노트북, 핸드셋, 키패드 및 오디오 포트에 이 제품 라인을 활용할 수 있습니다.
• UCLAMP1291PW.C: 작동 전압은 12V이며, IEC 61000-4-2에 따라 낮은 일반 동적 저항, 낮은 피크 ESD 클램핑 전압, ±30kV(접촉 및 무선)의 높은 ESD 내전압을 제공하는 단일 회선 TVS입니다. 적합한 응용 분야로는 휴대폰 핸드셋 및 부속품, 노트북 및 핸드헬드, 휴대용 계측 기기 등이 있습니다.
• UCLAMP2011PW.C: IEC 61000-4-5에 따라 3A(t_p=8/20μs)의 높은 낙뢰 서지 기능을 갖춘 단일 회선 20V TVS입니다. 일반적인 응용 분야로는 주변 장치, 휴대용 장치 및 계측이 있습니다.
• UCLAMP2411PW.C: 24V_DC 전력 레일, 칩 온 글라스 구동기 IC 데이터 회선, 주변 장치, 휴대용 장치를 비롯하여 광범위한 응용 분야에 적합한 24V, 단일 회선 TVS입니다. IEC 61000-4-5에 따라 3A(t_p = 8/20μs)의 서지 전류를 제공합니다.

결론

전자 제품의 회로 밀도와 성능을 높이려면 정전기 방전 및 기타 전압 서지로부터 보호할 수 있는 새로운 접근 방식이 필요합니다. Semtech의 새로운 패키징은 더 작은 과도 전압 억제 다이오드로 제품 설계자에게 더 높은 유연성, 높은 서지 전류 용량 및 낮은 클램핑 전압을 제공하므로 민감한 전자 제품을 보호하는 데 적합합니다.