WAYON維安SCR結(jié)構(gòu)TVS驚艷出道!應(yīng)用于高速信號端口ESD防護最優(yōu)方案來了由代理KOYUELEC光與電子為您提供技術(shù)選型和方案應(yīng)用!

維安SCR結(jié)構(gòu)TVS驚艷出道!應(yīng)用于高速信號端口ESD防護最優(yōu)方案來了

隨著電子設(shè)備智能化的發(fā)展，人們對智能設(shè)備的依賴越來越高。然而，日常生活中無處不在的靜電給電子設(shè)備帶來多樣化的考驗，如何進行有效的ESD防護已成為電子設(shè)備制造商面對的重要課題。常見的ESD事件包括秋冬季節(jié)去觸摸門把手時，伴隨著靜電響聲，指尖的那一下刺痛;北方冬季脫掉外衣時噼里啪啦的靜電響聲;遠處拖拽來的長網(wǎng)線插向路由器時的那一道短暫的弧光等。

在經(jīng)歷ESD襲擊后，人會有痛感，但不會形成“缺陷”，這歸功于人體對地的電阻足夠大，靜電電壓無法形成大電流造成損傷。而靜電進入電子設(shè)備后所經(jīng)過的路徑并不都能提供足夠大的電阻來防止損傷，元器件內(nèi)部薄弱的柵氧化層或反向偏置的PN結(jié)會成為靜電泄放路徑，靜電電壓將這些部位擊穿，并形成大電流燒毀所經(jīng)過的薄弱點，從而將元器件損壞，造成電子設(shè)備整體功能失效。設(shè)備中的USB2.0、HDMI1.4、USB3.x、HDMI2.0等高速數(shù)據(jù)端口，對ESD事件尤為敏感，是ESD防護設(shè)計的難點，也對端口處使用的TVS器件設(shè)計提出了極高的要求。

首先，為了提升用戶感受，端口傳輸速率不斷提升，以正在廣泛應(yīng)用的USB3.1高速數(shù)據(jù)端口為例，USB3.1 Gen1在SuperSpeed工作模式傳輸速率達5 Gbps，而USB3.1 Gen2傳輸速率則高達10Gbps。超高的數(shù)據(jù)傳輸速率要求端口負載非常小，端口處使用的TVS要有超低電容值。其次，小型化需求及芯片設(shè)計技術(shù)、制造工藝技術(shù)、IP設(shè)計技術(shù)的提升，使得芯片集成度不斷提高，越來越多的設(shè)計將CPU、通訊協(xié)議芯片、Phy芯片通過SoC設(shè)計技術(shù)集成到一顆芯片中;所使用的工藝制程節(jié)點也越來越小，如早期USB3.0協(xié)議芯片和Phy芯片工藝制程節(jié)點為65nm，現(xiàn)已降至28nm工藝制程，部分SoC產(chǎn)品已用到了10nm~14nm工藝制程。即面對ESD沖擊需要TVS保護的Phy芯片使用了與CPU相同的工藝制程，增加了ESD防護設(shè)計難度。工藝制程的縮小對應(yīng)制造工藝中的柵氧化層越來越薄、反向偏置的PN結(jié)面積越來越小，ESD耐受能力變?nèi)?，要求TVS需要提供足夠低的鉗位電壓來保護SoC芯片。再次，越來越多的同一應(yīng)用會出現(xiàn)多個SoC芯片供應(yīng)商的方案，芯片間在設(shè)計技術(shù)和工藝技術(shù)方面會存在一定差異，導(dǎo)致芯片端口的ESD耐受能力不同。為保障不同整機方案都能具有滿足應(yīng)用的ESD指標，就需要TVS器件能夠覆蓋對最弱耐受能力SoC芯片的ESD防護，因此，TVS需要提供足夠低的鉗位電壓。

應(yīng)用于高速信號端口ESD防護最優(yōu)方案

SCR結(jié)構(gòu)TVS是保障通流能力、降低電容和降低鉗位電壓的最優(yōu)方案。

圖1 SCR結(jié)構(gòu)TVS剖面結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1，SCR結(jié)構(gòu)由P型摻雜、Nwell、Psub&Pwell、N型摻雜構(gòu)成PNPN四層結(jié)構(gòu)，包含兩個寄生三極管：由P型摻雜、Nwell、Psub&Pwell構(gòu)成的PNP三極管和由Nwell、Psub&Pwell、N型摻雜構(gòu)成NPN三極管。SCR結(jié)構(gòu)陽極(Anode)端口接被保護的信號端口，陰極(Cathode)通過連接降容管接低電位，當(dāng)陽極有ESD高電壓到達時，Nwell與Pwell構(gòu)成的J2結(jié)被擊穿，流經(jīng)R1上電流增加到使P+與Nwell結(jié)正偏或流經(jīng)R2上電流增加到使得Pwell與N+結(jié)正偏，且ESD事件持續(xù)時間內(nèi)可以為SCR結(jié)構(gòu)提供充足的電流，SCR結(jié)構(gòu)進入閂鎖狀態(tài)。

SCR結(jié)構(gòu)進入閂鎖狀態(tài)后，PNP 三極管和NPN三極管先后進入放大狀態(tài)， Nwell與Psub&Pwell構(gòu)成J2結(jié)的擊穿不再起主要作用，整個SCR結(jié)構(gòu)的電壓出現(xiàn)衰退，器件進入“負阻”狀態(tài)，提供鉗位電壓可低至1V，該負阻特性也被稱為“驟回”。

圖2 器件進入閂鎖狀態(tài)和退出閂鎖狀態(tài)特性曲線

如圖2所示，通過輸入增加電流可以測試得到SCR結(jié)構(gòu)TVS進入閂鎖狀態(tài)的導(dǎo)通電壓(VBO)和導(dǎo)通電流(IBO)，降低電流可以測試得到退出閂鎖狀態(tài)的維持電壓(VHOLD)和維持電流(IHOLD)，TVS整體可提供低至1V~3V的鉗位電壓。

信號端口被保護的SoC芯片要求TVS在ESD事件時提供安全的鉗位電壓，邊界條件為：

(1)TVS鉗位電壓要小于SoC芯片端口耐受極限電壓;

(2)鉗位電壓越低越好。

在閂鎖狀態(tài)時，SCR結(jié)構(gòu)TVS將端口電平鉗位在“VHOLD+Rd*I”電壓，SCR結(jié)構(gòu)強大的泄放能力保證為后級被保護SoC芯片提供有效的鉗位電壓，整機測試時達到較高的ESD防護等級。那么，在ESD事件結(jié)束后，SCR結(jié)構(gòu)TVS是否能夠確保退出閂鎖，恢復(fù)到高阻低漏流狀態(tài)呢?

SCR結(jié)構(gòu)退出閂鎖狀態(tài)的條件，需要滿足以下兩個條件中任一個：

(1)信號端口為閂鎖結(jié)構(gòu)提供的電壓小于維持電壓;

(2)信號端口為閂鎖結(jié)構(gòu)提供的電流小于維持電流。

高速信號端口因有以下兩方面特性，可以確保SCR結(jié)構(gòu)TVS能夠順利退出閂鎖，恢復(fù)到高阻低漏流狀態(tài)。一方面，高速信號端口在電流和電壓方面都“能力有限”，可選取VHOLD和IHOLD都大于信號端口輸出能力的絕對安全的SCR結(jié)構(gòu)TVS，保證閂鎖順利退出;另一方面， ESD事件時，系統(tǒng)檢測到數(shù)據(jù)傳輸受阻，會給出重發(fā)數(shù)據(jù)包指令或重啟指令，從而改變信號端口電平，使得端口提供的電壓無法滿足SCR結(jié)構(gòu)的“閂鎖需求”，退出閂鎖狀態(tài)。

系列產(chǎn)品+定制開發(fā)，賦能客戶

整機ESD設(shè)計的測試等級要求越來越高，通常測試非接觸式的的空氣放電2kV、4kV、6kV，逐漸提升至空氣放電8kV，更有甚者，為了進一步降低售后返修率，要求整機各個端口測試接觸模式8kV，ESD能量直接進入到端口內(nèi)部，TVS器件需要展現(xiàn)強大泄放能力和足夠低鉗位電壓。

圖3 WAYON SCR結(jié)構(gòu)TVS產(chǎn)品與NPN結(jié)構(gòu)TVS產(chǎn)品TLP曲線對比

WAYON SCR結(jié)構(gòu)TVS和有“Shallow Snap-back”特性、具有較低鉗位電壓的NPN結(jié)構(gòu)TVS產(chǎn)品對比測試，其TLP測試曲線對比如圖3，在電容一致的情況下，TLP電流4A、10A、16A時，SCR結(jié)構(gòu)TVS鉗位電壓遠小于NPN結(jié)構(gòu)TVS產(chǎn)品鉗位電壓。

客戶端反饋信息，使用該NPN結(jié)構(gòu)TVS產(chǎn)品的樣機ESD測試能夠達到±4kV(空氣放電)，而使用了WAYON SCR結(jié)構(gòu)TVS產(chǎn)品的樣機可以通過超過±8kV(空氣放電)的ESD測試。

WAYON經(jīng)仿真分析與流片加工的多輪迭代開發(fā)，掌控了SCR結(jié)構(gòu)TVS各個關(guān)鍵參數(shù)的版圖方案及工藝方案，針對Cj、IHOLD、VBO等關(guān)鍵參數(shù)提供系列產(chǎn)品供整機設(shè)計師選用，亦可針對特殊需求定制開發(fā)。

系列產(chǎn)品經(jīng)多輪流片驗證，參數(shù)穩(wěn)定。

注：*標產(chǎn)品正在開發(fā)中

SCR結(jié)構(gòu)工藝平臺延展性強，通過調(diào)整關(guān)鍵工藝，獲得高開啟電壓的SCR，滿足如近場通信端口(Near Field Communication ，NFC)、射頻信號端口(Radio Frequency，RF)等12V/15V/18V/24V工作電壓端口的應(yīng)用需求。

值得注意的是，電源端口可提供SCR結(jié)構(gòu)保持閂鎖狀態(tài)需要的條件，經(jīng)ESD&EOS事件進入閂鎖后，無法退出閂鎖，因此SCR結(jié)構(gòu)TVS不推薦應(yīng)用于電源端口的ESD&EOS防護。

審核編輯：湯梓紅