Diodos TVS más pequeños y de mayor rendimiento para una mayor protección

Las descargas electrostáticas (ESD) o las subidas de tensión pueden dañar o averiar los productos electrónicos durante su fabricación o uso final. Se calcula que las descargas electrostáticas causan entre un dígito y un tercio de todos los fallos de componentes, agravados por el aumento de la densidad de los circuitos y las mayores exigencias de rendimiento.

Los eventos de voltaje transitorio, como las descargas electrostáticas, son peligros que pueden impactar en equipos que van desde dispositivos de consumo hasta costosos equipos industriales. La creciente dependencia de microprocesadores susceptibles a este tipo de eventos y utilizados en una amplia gama de productos, hace que sea esencial seleccionar una solución contra ESD adecuada para garantizar la satisfacción del cliente y el éxito comercial.

Cuando los electrones se redistribuyen en la superficie de un material, pueden crear un desequilibrio de carga. Cuando el campo eléctrico resultante es lo suficientemente fuerte, las cargas estáticas buscan el equilibrio y producen una descarga electrostática. Esto puede ser desastroso para la electrónica basada en microelectrónica, ya que puede provocar fallos, retrasos en los productos, pérdidas de ingresos y, a veces, daños a la reputación o a la marca.

Incluso en un entorno limpio de fabricación de CI, los componentes pueden quedar expuestos a una descarga electrostática durante el procesamiento, el ensamblaje, las pruebas y el embalaje. El Modelo del Cuerpo Humano (HBM) es la norma de ensayo más utilizada para garantizar que los CI puedan resistir el impacto de un cuerpo humano cargado -un generador típico de descargas electrostáticas- al tocar un CI y crear una carga estática.

IEC 61000-4-2 es una norma internacional de pruebas de ESD que utiliza un modelo de cuerpo humano en una referencia de hardware a nivel de sistema más sustancial para garantizar que un dispositivo pueda sobrevivir a eventos transitorios, incluida la protección contra rayos, cuando está en manos de usuarios finales del mundo real.

Supresión de voltaje transiente

A medida que se reducen las geometrías de los circuitos integrados, los parámetros tradicionales de descarga electrostática resultan insuficientes para hacer frente a los riesgos a nivel de sistema. Para proteger los circuitos de alimentación y de datos de alta velocidad, los diseñadores deben aprovechar los avances en la tecnología de supresión de voltaje transitorio (TVS) más allá de la HBM y la protección ESD en el dispositivo.

TVS es cada vez más esencial en la protección contra ESD en líneas de datos de uso común para dispositivos con HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antenas y otras interfaces estándar. Se necesitan medidas de protección sólidas para evitar daños por descargas electrostáticas en productos acabados, desde dispositivos de vestir y teclados hasta teléfonos inteligentes y cámaras IoT.

Un diodo TVS puede colocarse en una línea de alimentación o de datos para proteger frente a eventos transitorios redirigiendo las sobretensiones fuera del circuito que protege. Durante un evento transitorio, la tensión en la línea protegida aumentará rápidamente y puede alcanzar decenas de miles de voltios. En condiciones normales de funcionamiento, el diodo TVS parece abierto, pero puede detener un pico de ESD a nivel del sistema en menos de un nanosegundo, desviando corrientes elevadas.

Algunas de las características clave a la hora de seleccionar una solución TVS son:

• Capacitancia (C): capacidad inherente de almacenar una carga eléctrica.
• Tensión de separación inversa (V_RWM): tensión máxima que puede funcionar un circuito sin que se active el diodo TVS.
• Tensión de sujeción (V_C): nivel de tensión al que el TVS comienza a desviar el exceso de corriente del circuito protegido (inferior al V_RWM).
• Voltaje disruptivo inverso (V_BR): voltaje al que el TVS entra en modo de baja impedancia.
• Corriente de impulso pico (I_PP): la corriente máxima que puede soportar el TVS antes de dañarse.
• Potencia pulsatoria pico (P_PP): la potencia instantánea disipada por el TVS durante un evento.

Consideraciones sobre el embalaje de los TVS

La colocación de los diodos TVS influye en su rendimiento y la proximidad al punto de entrada de ESD proporciona una mejor protección. El embalaje de los semiconductores también desempeña un papel clave en la protección de los delicados componentes electrónicos de los sistemas modernos frente a las amenazas de ESD.

Al seleccionar los diodos TVS para sus productos, los diseñadores deben centrarse en el nivel específico de protección contra sobretensiones deseado, el número de líneas que deben protegerse y un tamaño de encapsulado que se adapte al espacio disponible en la placa.

Los paquetes de CI con conductores son una opción común para los diodos TVS debido a su facilidad de montaje en placas de circuito impreso (PCB), lo que los hace rentables, y proporcionan una buena disipación del calor. Sin embargo, debido a su tamaño, pueden ocupar un espacio considerable en la placa de circuito impreso y a menudo tienen efectos parásitos que repercuten negativamente en el rendimiento.

Afortunadamente, los encapsulados DFN (encapsulados dobles planos) ofrecen unas dimensiones compactas y una versatilidad que pueden ser más adecuadas para la protección electrostática. Los encapsulados DFN no tienen terminales alargados y sus puntos de contacto están situados debajo del componente en lugar de a lo largo de su perímetro, lo que permite ahorrar espacio en comparación con los encapsulados de dispositivos de montaje superficial monolítico (SMD) con terminales.

Los encapsulados DFN proporcionan una excelente disipación del calor al incorporar una almohadilla térmica descubierta en la parte inferior que puede adherirse perfectamente a la placa de circuito impreso para funcionar como disipador integrado. También presentan menos elementos parásitos que un encapsulado de montaje superficial monolítico con terminal, lo que ayuda a mantener la integridad de la señal en aplicaciones de alta velocidad.

Sin embargo, los encapsulados DFN ofrecen una visibilidad limitada de las juntas estañosoldadas en las placas de circuito impreso, lo que dificulta la confirmación de una unión adecuada durante el proceso de montaje posterior al encapsulado.

Superar el reto DFN

Semtech resolvió el reto de los DFN con diodos TVS en módulos DFN con encapsulado de micropastilla volante y flancos mojables lateralmente (figura 1).

Figura 1: Imagen representativa del encapsulado DFN de Semtech con flancos mojables lateralmente utilizado para los diodos TVS. (Fuente de la imagen: Semtech)

En el envasado de micropastillas volantes se utilizan puntos de soldadura en lugar de uniones por cable para realizar las conexiones con el sustrato. Los flancos humectables lateralmente garantizan que la soldadura se extienda desde la parte inferior del envase, fluya por el lateral de la pared y forme una conexión de soldadura visible.

Con esta técnica, los sistemas de inspección visual automatizada (AVI) pueden validar la correcta unión de las placas de circuito impreso examinando visualmente los puntos de soldadura que se forman entre la cara vertical del flanco y la almohadilla de soldadura, lo que garantiza la fiabilidad de las conexiones.

El uso de flancos mojables lateralmente aumenta la fiabilidad, mejora el rendimiento y ofrece resistencia a las vibraciones y sacudidas que, de otro modo, podrían provocar la separación. El estañado cubre los terminales de cobre, protegiéndolos de la oxidación con el paso del tiempo.

Utilizando un envase de micropastilla volante y flancos mojables lateralmente, Semtech presentó una gama de diodos TVS de una sola línea envasados en formato DFN de tamaño 0402 (1.0 mm x 0.6 mm x 0.55 mm), adaptados a aplicaciones industriales no automovilísticas.

Los componentes 0402 DFN TVS están diseñados para proteger contra descargas electrostáticas en antenas de RF y FM, controladores de pantalla táctil, líneas de 12 V_CC, teclas laterales y teclados, puertos de audio, dispositivos IoT, instrumentación portátil, líneas de entrada y salida de uso general (GPIO) y equipos industriales.

Los dispositivos Semtech proporcionan protección contra ESD para:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• Conectores USB Type-C® en líneas de señal de alta velocidad
• Canal de configuración (CC) y líneas de uso de banda lateral (SBU) utilizadas para negociar la alimentación, los datos y los modos alternativos conectados mediante un cable USB Type-C.
• Líneas VBus
• Líneas de datos D+/D- que transportan las señales diferenciales para USB y otros protocolos heredados.

Las soluciones de protección contra ESD monocanal, de línea de datos y VBUS de Semtech con embalaje de flanco mojable lateralmente están disponibles en los dispositivos de protección contra ESD RClamp y μClamp . Proporcionan protección a nivel de placa con baja tensión de funcionamiento y de sujeción, tiempo de respuesta rápido y sin degradación del dispositivo.

Los productos RClamp (RailClamp) incluyen:

• RCLAMP01811PW.C: Proporciona a los diseñadores la flexibilidad necesaria para proteger líneas individuales en aplicaciones con limitaciones de espacio, como smartphones, portátiles y accesorios. Puede soportar una tensión de ±30 kV (Contacto) y ±30 kV (Aire) según IEC 61000-4-2, con un voltaje bajo de 1.2 pF (máx.). Protege una sola línea con una tensión de trabajo de 1.8 V y una corriente de fuga inversa baja de 100 nA (máx.) a V_R = 1.8 V.
• RCLAMP04041PW.C: Para proteger líneas individuales en aplicaciones en las que las matrices no son prácticas, como aplicaciones portátiles con USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL y dispositivos de vestir. Con una tensión de trabajo de 4.0 V y una baja capacitancia de 0.65 pF (máx.), proporciona protección Descarga electrostática para líneas de alta velocidad según IEC 61000-4-2 de ±30 kV (contacto y aire) e IEC 61000-4-5 (Rayo) de 20 A (t_p = 8/20 µs).
• RCLAMP2261PW.C: Un TVS de línea única de 22 V de tensión de trabajo con una corriente de sobretensión de 18 A (t_p = 8/20 μs) según IEC 61000-4-5 y una tensión de resistencia de ±25 kV (Contacto) y ±30 kV (Aire) según IEC 61000-4-2. Aplicaciones típicas incluyen USB Type-C, líneas de comunicación de campo cercan (NFC), antenas de RF y FM y dispositivos IoT.

La línea de productos μClamp (MicroClamp) ultrapequeña incluye:

• UCLAMP5031PW.C: Un TVS de línea única y 5 V de tensión de trabajo con una tensión soportada de ±30 kV (contacto) y ±30 kV (aire) según IEC 61000-4-2. Los diseñadores pueden utilizarlo para equipos industriales, instrumentación portátil, ordenadores portátiles, teléfonos, teclados y puertos de audio.
• UCLAMP1291PW.C: TVS de línea única de 12 V de tensión de trabajo con baja resistencia dinámica típica, baja tensión de apriete Descarga electrostática de pico y alta tensión de resistencia ESD de ±30 kV (contacto y aire) según la norma IEC 61000-4-2. Aplicaciones adecuadas incluyen teléfonos móviles y accesorios, ordenadores portátiles e instrumentación portátil.
• UCLAMP2011PW.C: Un TVS de 20 V de una sola línea con alta capacidad de sobretensión de rayo de 3 A (_tp=8/20 μs) según IEC 61000-4-5. Aplicaciones típicas son los periféricos, los dispositivos portátiles y la instrumentación.
• UCLAMP2411PW.C: Un TVS de 24 V y una sola línea adecuado para una amplia línea de aplicaciones, como líneas de alimentación de 24 V_CC, líneas de datos de CI controladores de Chip-on-Glass, periféricos y dispositivos portátiles. Características TI: corriente de sobretensión de 3 A (t_p = 8/20 μs) según IEC 61000-4-5.

Conclusión:

El aumento de la densidad de los circuitos y de las prestaciones de los productos electrónicos exige nuevos enfoques de protección contra las descargas electrostáticas y otras sobretensiones. El nuevo envase de Semtech da como resultado diodos de supresión de voltaje transiente más pequeños que proporcionan a los diseñadores de productos una mayor flexibilidad, una alta capacidad de corriente de sobretensión y voltajes de sujeción bajos, lo que los hace ideales para salvaguardar la electrónica sensible.