以尺寸更小、效能更高的暫態電壓抑制二極體提供更好的保護

在製造電子產品或其最終使用過程中，靜電放電 (ESD) 或電力突波可能會導致電子產品損壞或功能失效。據估計，在所有元件故障中，由靜電放電引起的故障佔比介於個位數到所有元件的三分之一，而電路密度的增加和效能要求的提升則造成此狀況加劇。

從消費性元件到昂貴的工業設備，都可能受到暫態電壓事件 (如靜電放電) 的影響。微處理器用於各式產品且用途越來越廣泛使用，由於其易受此類事件影響，因此必須選擇適當的靜電放電解決方案，以確保客戶滿意並推動商業成功。

電子在材料表面上重新分佈時，會導致電荷不平衡的現象。若形成的電場夠強大，則靜電電荷會尋求平衡並產生靜電放電。這可能會對微機電式電子產品造成嚴重損害，進而導致產品故障、交付延遲、收益損失，有時甚至會對品牌聲譽或形象造成損害。

即使在潔淨的 IC 製造環境中，元件也可能會在加工、組裝、測試和包裝的過程中暴露於靜電放電。人體放電模式 (HBM) 是應用最廣泛的測試標準，可確保 IC 能夠承受由帶電人體 (通常是靜電放電的來源) 接觸 IC 時產生的靜電影響。

IEC 61000 4-2 是一個國際靜電放電測試標準，其採用人體放電模式，以更高的系統層級硬體基準，確保元件能夠在最終用戶的實際使用中承受暫態事件的影響 (包括雷擊保護)。

暫態電壓抑制

由於積體電路不斷小型化，傳統的靜電放電參數已不足以應付系統層級的風險。為了保護電源和高速資料電路，設計人員必須藉助暫態電壓抑制 (TVS) 技術的進步，在人體放電模式和裝置內建的靜電放電保護措施之外，提供額外的保護。

對於配有 HDMI、Thunderbolt、USB 2、USB 3、USB-C、天線和其他標準介面的裝置而言，暫態電壓抑制技術對於保護其常用數據線免受靜電放電損害的重要性日益凸顯。從穿戴式裝置和鍵盤到智慧型手機和 IoT 攝影機，都需要實施可靠的保護措施，才能避免受到靜電放電損害。

可以在電源線或數據線上安裝暫態電壓抑制二極體，透過將突波轉移到受保護電路之外，防止暫態事件發生造成的影響。發生暫態事件時，受保護線路的電壓會快速上升，有時甚至可能達到數萬伏。在正常工作條件下，暫態電壓抑制二極體呈現斷開狀態，但一旦檢測到系統層級的靜電放電峰值，其能夠在不到一奈秒的時間內導通，對高電流進行分流。

在選擇暫態電壓抑制解決方案時，應注意以下關鍵特性：

• 電容 (C) - 儲存電荷的固有能力
• 逆向標準工作電壓 (V_RWM) - 電路在不激發暫態電壓抑制二極體的情況下能夠承受的最大電壓
• 箝位電壓 (V_C) - 暫態電壓抑制二極體開始從受保護電路分流多餘電流時的電壓位準 (低於 V_RWM)
• 逆向崩潰電壓 (V_BR) - 暫態電壓抑制二極體進入低阻抗模式時的電壓
• 峰值脈衝電流 (I_PP) - 暫態電壓抑制二極體在受損前可以處理的最大電流
• 峰值脈衝功率 (P_PP) - 暫態電壓抑制二極體在事件期間耗散的瞬時功率

暫態電壓抑制二極體封裝考量因素

暫態電壓抑制二極體的位置會影響其效能，靠近靜電放電入口點將可提供更佳保護。此外，半導體封裝針對保護現代系統的精密電子產品免受靜電放電威脅，也發揮關鍵作用。

設計人員為其產品挑選暫態電壓抑制二極體時，應著重於所需的突波保護級別、要保護的線路數量，以及適合電路板可用空間的封裝尺寸。

引線型 IC 封裝是暫態電壓抑制二極體的常見封裝方式，其易於安裝於印刷電路板 (PCB) 上，具有出色的成本效益和散熱效能。但這種封裝尺寸較大，可能會在印刷電路板上佔據較多的空間，而且通常會產生寄生效應，對效能造成不利影響。

雙扁平無引線 (DFN) 封裝是一種更緊湊的封裝方式，且具有多功能，可能更適合用於靜電放電保護。雙扁平無引線封裝沒有延伸的引線，其觸點位於元件下方而不是沿其周邊，因此相較於引線型表面黏著元件 (SMD) 封裝，更能節省空間。

雙扁平無引線封裝在底部裝有可與印刷電路板無縫接合的裸露導熱墊片，該墊片作為整合式散熱片，能夠提供出色的散熱效果。相較於引線型表面黏著元件封裝，這類封裝還具有較低的寄生效應，有助於在高速應用中保持訊號的完整性。

但由於雙扁平無引線封裝在印刷電路板上的焊點不易目視，這使得在封裝後的組裝過程中，難以確認焊點是否焊接正確。

克服雙扁平無引線封裝帶來的挑戰

Semtech 透過將暫態電壓抑制二極體封裝於採用覆晶封裝及可潤濕側翼技術的雙扁平無引線封裝模組來克服雙扁平無引線封裝帶來的挑戰 (圖 1)。

圖 1：Semtech 的雙扁平無引線封裝示意圖，採用可潤濕側翼技術封裝暫態電壓抑制二極體。(圖片來源：Semtech)

覆晶封裝使用錫焊凸塊而不是銲線來連接基板。可潤濕側翼可確保焊料從封裝底部擴散，並沿著壁面向上流動，形成可見的焊接連接。

藉助這項技術，自動化目測檢查 (AVI) 系統能夠對側翼垂直側和焊墊之間形成的錫焊凸塊進行目測檢查，藉以驗證印刷電路板是否恰當焊接，進而確保連接的可靠性。

採用可潤濕側翼設計不僅能提高可靠性和良率，還能提供抗振和抗搖動能力，避免造成分離。銅端子由鍍錫層覆蓋，保護其不隨時間而氧化。

Semtech 採用覆晶封裝和可潤濕側翼技術，推出一系列 0402 尺寸 (1.0 mm x 0.6 mm x 0.55 mm) 的雙扁平無引線封裝單線暫態電壓抑制二極體，這些二極體是專為非汽車工業領域的應用而量身打造。

0402 雙扁平無引線封裝暫態電壓抑制元件旨在為 RF 和 FM 天線、觸控螢幕控制器、12 V_DC 線路、側鍵和鍵盤、音訊埠、IoT 元件、可攜式儀器、通用輸入輸出 (GPIO) 線路和工業設備等提供靜電放電保護。

Semtech 元件可為以下產品提供靜電放電保護：

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• USB Type-C® 連接器 (用於高速訊號線路)
• 配置通道 (CC) 和邊帶使用 (SBU) 線路 (用於透過 USB Type-C 纜線連線來協商電源、數據以及其他備用模式)
• VBus 線路
• D+/D- 數據線 (用於傳輸 USB 和其他傳統協定的差動訊號)

Semtech 提供的單通道、數據線和 VBUS 靜電放電保護解決方案採用可潤濕側翼封裝，適用於 RClamp 和 μClamp 靜電放電保護元件。這類解決方案可提供電路板級別的保護，具有較低的工作電壓和箝位電壓以及快速的回應時間，且不會導致元件退化。

RClamp (RailClamp) 產品包括：

• RCLAMP01811PW.C：適用於智慧型手機、筆記型電腦和配件等空間受限的應用，為設計人員提供保護單線路的靈活性。該元件符合 IEC 61000-4-2 標準，能夠耐受 ±30 kV 接觸放電和 ±30 kV 空氣放電，並具有 1.2 pF (最大值) 的低電容。該元件可在 V_R = 1.8 V 時，保護工作電壓為 1.8 V，逆向漏電流低至 100 nA (最大) 的單一線路。
• RCLAMP04041PW.C：適用於在無法使用陣列的應用中保護單一線路，例如 USB 2.0、MIPI/MDDI、MHL 和穿戴式裝置等可攜式應用。其工作電壓為 4.0 V，電容低至 0.65 pF (最大)，可為高速線路提供靜電放電保護功能。該元件符合 IEC 61000 4-2 標準，能夠耐受 ±30 kV 接觸和空氣放電，同時還符合 IEC 61000 4-5 (雷擊) 標準，能夠耐受 20 A (t_p = 8/20 µs) 的電流。
• RCLAMP2261PW.C：這款單線暫態電壓抑制的工作電壓為 22 V，其符合 IEC 61000-4-5 標準，能夠耐受 18 A (t_p = 8/20 μs) 的突波電流；同時符合 IEC 61000-4-2 標準，能夠耐受 ±25 kV 接觸放電和 ±30 kV 空氣放電。其典型應用包括 USB Type-C、近場通訊 (NFC) 線路、RF 和 FM 天線，以及 IoT 元件。

超小型 μClamp (MicroClamp) 產品系列包括：

• UCLAMP5031PW.C：這款單線暫態電壓抑制二極體的工作電壓為 5 V，其符合 IEC 61000-4-2 標準，能夠耐受 ±30 kV 接觸放電和 ±30 kV 空氣放電。設計人員可以將其用於工業設備、可攜式儀器、筆記型電腦、手持裝置、鍵盤和音訊埠。
• UCLAMP1291PW.C：這款單線暫態電壓抑制二極體的工作電壓為 12 V，具有低典型動態電阻和低峰值靜電放電箝位電壓以及高靜電放電耐受電壓，其符合 IEC 61000-4-2 標準，能夠耐受 ±30 kV 接觸和空氣放電。適用於蜂巢式手持裝置和配件、筆記型電腦和手持裝置，以及可攜式儀器等應用。
• UCLAMP2011PW.C：這款單線 20 V 暫態電壓抑制二極體符合 IEC 61000-4-5 標準，能夠耐受高達 3 A (t_p =8/20 μs) 的雷擊突波電流。其典型應用包括周邊裝置、可攜式裝置和儀器。
• UCLAMP2411PW.C：這款單線 24 V TVS，適用於多種應用，包括 24 V_DC 電軌、玻璃覆晶驅動器 IC 數據線、周邊裝置和可攜式裝置。其符合 IEC 61000-4-5 標準，能夠耐受高達 3 A (t_p = 8/20 μs) 的突波電流。

結論

隨著電子產品中電路密度的提升和效能的增強，我們需要採用新的措施來防止靜電放電和其他電壓突波造成的影響。Semtech 採用全新封裝技術，能有效縮小暫態電壓抑制二極體的尺寸，為產品設計人員提供更大的靈活性。同時，這些二極體具有更高的突波電流處理能力和更低的箝位電壓，是保護敏感性電子產品的理想選擇。