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深圳京柏微科技有限公司
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常見的ESD事件包括秋冬季節(jié)去觸摸門把手時(shí)，伴隨著靜電響聲，指尖的那一下刺痛；北方冬季脫掉外衣時(shí)噼里啪啦的靜電響聲；遠(yuǎn)處拖拽來的長(zhǎng)網(wǎng)線插向路由器時(shí)的那一道短暫的弧光等。
在經(jīng)歷ESD襲擊后，人會(huì)有痛感，但不會(huì)形成“缺陷”，這歸功于人體對(duì)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(jìn)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(huì)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(diǎn)，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(duì)ESD事件尤為敏感，是ESD防護(hù)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也對(duì)端口處使用的TVS器件設(shè)計(jì)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(dá)5 Gbps，而USB3.1 Gen2傳輸速率則高達(dá)10Gbps。超高的數(shù)據(jù)傳輸速率要求端口負(fù)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(jì)技術(shù)、制造工藝技術(shù)、IP設(shè)計(jì)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(jì)將CPU、通訊協(xié)議芯片、Phy芯片通過SoC設(shè)計(jì)技術(shù)集成到一顆芯片中；所使用的工藝制程節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(duì)ESD沖擊需要TVS保護(hù)的Phy芯片使用了與CPU相同的工藝制程，增加了ESD防護(hù)設(shè)計(jì)難度。工藝制程的縮小對(duì)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(hù)SoC芯片。
再次，越來越多的同一應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)多個(gè)SoC芯片供應(yīng)商的方案，芯片間在設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝技術(shù)方面會(huì)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(jī)方案都能具有滿足應(yīng)用的ESD指標(biāo)，就需要TVS器件能夠覆蓋對(duì)最弱耐受能力SoC芯片的ESD防護(hù)，因此，TVS需要提供足夠低的鉗位電壓。
應(yīng)用于高速信號(hào)端口ESD防護(hù)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(gè)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(hù)的信號(hào)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(dá)時(shí)，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(shí)間內(nèi)可以為SCR結(jié)構(gòu)提供充足的電流，SCR結(jié)構(gòu)進(jìn)入閂鎖狀態(tài)。
SCR結(jié)構(gòu)進(jìn)入閂鎖狀態(tài)后，PNP 三極管和NPN三極管先后進(jìn)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(gè)SCR結(jié)構(gòu)的電壓出現(xiàn)衰退，器件進(jìn)入“負(fù)阻”狀態(tài)，提供鉗位電壓可低至1V，該負(fù)阻特性也被稱為“驟回”。
圖2 器件進(jìn)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(cè)試得到SCR結(jié)構(gòu)TVS進(jìn)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(cè)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(hào)端口被保護(hù)的SoC芯片要求TVS在ESD事件時(shí)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(shí)，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(qiáng)大的泄放能力保證為后級(jí)被保護(hù)SoC芯片提供有效的鉗位電壓，整機(jī)測(cè)試時(shí)達(dá)到較高的ESD防護(hù)等級(jí)。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(gè)條件中任一個(gè)：
（1）信號(hào)端口為閂鎖結(jié)構(gòu)提供的電壓小于維持電壓；
（2）信號(hào)端口為閂鎖結(jié)構(gòu)提供的電流小于維持電流。
高速信號(hào)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(hào)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(hào)端口輸出能力的絕對(duì)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(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)傳輸受阻，會(huì)給出重發(fā)數(shù)據(jù)包指令或重啟指令，從而改變信號(hào)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(jī)ESD設(shè)計(jì)的測(cè)試等級(jí)要求越來越高，通常測(cè)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(jìn)一步降低售后返修率，要求整機(jī)各個(gè)端口測(cè)試接觸模式8kV，ESD能量直接進(jìn)入到端口內(nèi)部，TVS器件需要展現(xiàn)強(qiáng)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(duì)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(duì)比測(cè)試，其TLP測(cè)試曲線對(duì)比如圖3，在電容一致的情況下，TLP電流4A、10A、16A時(shí)，SCR結(jié)構(gòu)TVS鉗位電壓遠(yuǎn)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(jī)ESD測(cè)試能夠達(dá)到±4kV（空氣放電），而使用了WAYON SCR結(jié)構(gòu)TVS產(chǎn)品的樣機(jī)可以通過超過±8kV（空氣放電）的ESD測(cè)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)的版圖方案及工藝方案，針對(duì)Cj、IHOLD、VBO等關(guān)鍵參數(shù)提供系列產(chǎn)品供整機(jī)設(shè)計(jì)師選用，亦可針對(duì)特殊需求定制開發(fā)。
系列產(chǎn)品經(jīng)多輪流片驗(yàn)證，參數(shù)穩(wěn)定。
SCR結(jié)構(gòu)工藝平臺(tái)延展性強(qiáng)，通過調(diào)整關(guān)鍵工藝，獲得高開啟電壓的SCR，滿足如近場(chǎng)通信端口（Near Field Communication ，NFC）、射頻信號(hào)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(jìn)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(hù)。
據(jù)悉，WAYON（維安）創(chuàng)建于1996年，專注深耕電路保護(hù)元器件及功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，WAYON始終堅(jiān)持“以客戶為導(dǎo)向，以技術(shù)為本，堅(jiān)持艱苦奮斗”的核心價(jià)值觀，致力于通過技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)市場(chǎng)，成為全球電路保護(hù)元器件及功率半導(dǎo)體的領(lǐng)先品牌。
深圳市京柏微科技有限公司是維安WAYON代理商,代理的產(chǎn)品有維安電源管理 IC,維安MCU，維安LDO,維安PPTC，維安保險(xiǎn)絲，維安PPTC,維安ESD，維安IGBT，維安二三極管，維安TVS，維安MOS，維安充電IC，維安負(fù)載開關(guān)等產(chǎn)品，Wayon電源管理 IC,Wayon MCU，Wayon LDO,Wayon PPTC，Wayon保險(xiǎn)絲，Wayon PPTC，Wayon ESD，Wayon IGBT，Wayon 二三極管，Wayon TVS，Wayon MOS，Wayon充電IC，Wayon負(fù)載開關(guān)等產(chǎn)品。
WAYON維安所作的系列產(chǎn)品有：
1、過電流防護(hù)類產(chǎn)品主要有貼片PTC, 電流值0.2A 0.3A 0.5A 0.75A 1.1A 1.5A 2A 2.6A 3.5A 4A等。
2、靜電防護(hù)類產(chǎn)品主要有DFN封裝ESD,電容值0.3PF/ 1PF/ 3PF /7PF/ 10PF，電壓3.3V/ 5V /7V/ 12V/ 15V /18V /24V/ 36V。產(chǎn)品如WE03DS-B /WE05DLCS-B/WE05DS-BA/WE05DF-BN/WE05DLCF-B/WE05DUCF-B/WE05DRF-B/WE05D5BC-B/WE05D5LC-B/WE05D5UC-B/WE3.3DF-B/WE05D9-B/WE07DF-B/WE12DF-B/WE15DF-B/WE18DF-B/WE24DF-B/WE36D5/WE15DRF-B/WE18DRF-B等
3、USB、RJ45、HDMI端口防護(hù)主要有WE05DUCF-B/ WE05DRF-B/ WE05R/ WS05R/ WS03DLC-B/ WE05-4RVLC/ WS05-4R2P/ WS05-4R3P等。
4、浪涌防護(hù)類器件主要有DFN1610/SOD323/SOD123/DFN2020-3L封裝的器件，WS4.5DP/WS05DPF/WS4.5D3HP/WS4.5D3HP3K-B/WS07D3HP/WS07DP/WS7.0P4S1-B/WS12DP/WS12D3HP/WS12P4S1-B/WS24P4S1-B/WS12P4N3/WS15P4N3/WS26P4N3等。
5、固體放電管主要有半導(dǎo)體器件SMA封裝WES806S2MC//WES806S2/WES506S2/WES306S2UC，SMB封裝WES806S/WES806***/WES806SUC/WES1006S/WES1006***/WES1006SUC。氣體放電管主要有1206封裝的GDTN2RS3-90 、GDTN2RS3-400，1812封裝的GDTN2RS5-90 、GDTN2RS5-400等。
6、OVP保護(hù)IC主要有 WP3881 /WP3881L /WP3882等。
7、ESD&CM filter 主要有 WECM5411P/ WECM5412P/ WECM5413P等。
8.、功率TVS管主要有SMA SMB ***封裝系列產(chǎn)品及DO-218AB封裝 SM8S33A/ SM8S22A等。
上海長(zhǎng)園維安 TVS/ESD產(chǎn)品 快速選型推薦表
型號(hào) 封裝 電容值 交期 典型應(yīng)用
0402尺寸
WE05DF-BN FBP0402 10pPF;單路雙向ESD 2周手機(jī)/ GPS/POS機(jī)/PC防靜電/側(cè)邊按鍵
WE05DLF FBP0402 1PF;單路單向低容ESD 2周手機(jī)、GPS、MID/車載收音機(jī)天線/USB2.0
WE05DLCF-B FBP0402 0.5PF;單路雙向超低容ESD 手機(jī)、GPS、MID/車載收音機(jī)天線/USB2.0、3.0
WE05DUCF(-B) FBP0402 0.5PF;單路,單雙向超低容ESD 2周手機(jī)、GPS、車載天線/USB2.0、3.0
WE05DRF-B 402 0.25PF 2周手機(jī)、GPS、車載天線/USB2.0、3.0
0603尺寸
WE05D5BC-B SOD523 10PF/單路雙向ESD 2周GPS/POS機(jī)/PC,MID車載設(shè)備防靜電/側(cè)邊按鍵
WE05D5MC SOD523 1.0PF/單路單向低容ESD 2周GPS/POS機(jī),DVR/MID/USB2.0
WE05D5UC SOD523 0.5PF/單路單向超低容ESD 2周HDMI,DVI,USB2.0、3.0防靜電
WE05M5LC SOT523 0.6PF(線與線間容值)/雙路單向ESD 2周DVR/MID/ USB2.0、3.0/
WEP060RF0603 SMD 0.15PF 2周GPS/POS機(jī),DVR/MID/USB2.0、3.0
0805尺寸
WE05D3LC-B SOD323 1.5PF/單路雙向ESD 2周GPS/POS機(jī)/PC,MID車載設(shè)備防靜電,USB2.0
WE05M3LC SOT323 0.6PF(線與線間容值)/雙路單向ESD 2周GPS/POS機(jī),DVR/MID/USB2.0
多路TVS陣列
WS05-4R2P DSON-10 0.3PF(線與線間容值)/4路雙向ESD 2.5周HDMI,DVI（機(jī)頂盒/CVT）
WS05-4R4M MSOP-10L 0.3PF(線與線間容值)/4路單向ESD 2.5周HDMI,DVI（機(jī)頂盒/CVT）
WEF04-1002F2 DFN-8L 20PF/4路單向ESD 2.5周手機(jī)、GPS/MID視頻/音頻ESD/EMI
WEF08-1002F2 DFN-16L 20PF/8路單向ESD 2.5周手機(jī)、GPS/MID視頻/音頻ESD/EMI
WE05-4RVLC SOT23-6L 0.7PF(線與線間容值)/4路單向ESD 2.5周
網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)/EPON/GPON/路由器 無線AP,保護(hù)2個(gè)USB2.0
WE05MLC SOT23 0.6PF(線與線間容值)/2路單向ESD 2.5周DVR/MID/ USB2.0
WS12M2T SOT23 100PF/2路單向ESD 2.5周RS485/ 232/
Part Number VRWM(V) VBR(V) Cj(pF) IO-GND Ipp(A) Vc@Ipp RDYN(ohm) RDYN(ohm) Ppp(W) Package
Max Min Typ 8/20us 8/20us Typ contact
WS15D 15 16.7 70 12 40 0.24 30 500 SOD323
WS12DLV 12 13.3 140 15 25 0.2 30 380 SOD323
WS15D-B 15 16.7 25 10 33 0.35 30 350 SOD323
WS12D-B 12 13.3 25 12 35 0.42 30 500 SOD323
WS08D-B 8 8.8 65 16 24 0.4 25 300 SOD323
WS05D-B 5 6 30 22 20 0.2 30 450 SOD323
WS03D-B 3.3 4 37 30 15 0.3 30 450 SOD323
WS24DLC-B 24 26.7 1 9 54 0.6 30 500 SOD323
WS15DLC-B 15 16.7 1 10 40 0.6 30 400 SOD323
WS12DLC-B 12 13.3 1 11 28.6 0.6 30 350 SOD323
WS08DLC-B 8 8.5 1 20 26.8 0.4 30 500 SOD323
WS05DLC-B 5 6 1 17 18.3 0.4 30 350 SOD323
WS03DLCX-B 3 4 1.5 13 25 0.7 30 260 SOD323
WS03DLC-B 3.3 4 1 20 19 0.3 30 350 SOD323
WE36D5 36 40 25 6 100 / 8 600 SOD523
WE24D5 24 26.7 45 9 52 0.34 30 500 SOD523
WS12D5 12 13.3 56 12 26 0.3 30 350 SOD523
WE12D5 12 13.3 40 6 31 0.5 30 200 SOD523
WE07D5 7 7.5 63 13 17 0.14 30 220 SOD523
WS05D5 5 6 80 12 17 0.45 30 200 SOD523
WS03D5 3.3 4 110 15 17 0.2 15 250 SOD523
WE05D5BC 5 6 90 14 17 0,36 30 250 SOD523
WE05D5UC 5 6 0.5 5 13.6 0.77 12 100 SOD523
WE03D5-B 3.3 37 15 7 16.8 0.32 30 120 SOD523
WS05D5-B 5 6 30 25 18 0.2 20 400 SOD523
WE05D5BC-B 5 5.6 11 5 15 0.35 30 100 SOD523
WE05D5LV-B 5 5.8 5.5 4 11 0.24 20 50 SOD523
WE05D5LC-B 5 6 2.5 2 13 0.6 20 40 SOD523
WE05D5UC-B 5 6 0.5 / / 0.9 10 50 SOD523
WE05D7LC-B 5 6 2.5 2.5 14 0.58 18 40 SOD723
WE03D9-B 3.3 5 25 11 17 0.2 30 150 SOD923
WE05D9-B 5 6 7 4 13 0.3 30 60 SOD923
WE05MUC 5 6 1 5 12 0.8 30 60 DFN1006-3L
WE05MF-B 5 5.6 7 5 15 0.3 30 90 DFN1006-3L
WE15DF 15 16.7 28 5 40 0.5 15 200 DFN1006-2L
WE12DF 12 13.3 34 7 25 0.5 30 200 DFN1006-2L
WE07DF 7 7.8 63 13 17 0.14 30 220 DFN1006-2L
WE05DF 5 6 92 15 17 0.36 30 300 DFN1006-2L
WE05DUCFC 5 5.6 0,7 3.5 11 0.32 30 50 DFN1006-2L
WE05DUCF 5 6 0.5 4 15 0.7 12 60 DFN1006-2L
WS05DPF-B 5 6 30 20 15 0.2 30 300 DFN1006-2L
WS4.5DPF-B 4.5 4.7 65 30 14 0.16 30 450 DFN1006-2L
WS03DPF-B 3.3 4 37 30 15 2 30 450 DFN1006-2L
WE36DF-B 36 40 10 2 75 / 8 200 DFN1006-2L
WE24DF-B 24 26.7 15 3 55 / 15 200 DFN1006-2L
WE18DF-B 18 19.8 15 4 47 7 20 200 DFN1006-2L
WE15DF-B 15 16.7 15 5 40 0.65 25 200 DFN1006-2L
WE12DF-B 12 13.3 11 5 26 0.56 30 150 DFN1006-2L
WE08DF-B 8 8.5 30 10 20 0.5 30 200 DFN1006-2L
WE05DF-BN 5 6 7 5 15 0.42 30 100 DFN1006-2L
WE3.3DF-B 3.3 3.7 10 7 11 0.28 30 100 DFN1006-2L
WE05DLVF-B 5 5.8 5.5 4 11 0.25 20 50 DFN1006-2L
WE05DLCF-B 5 5.6 2.5 2 13 0.58 18 40 DFN1006-2L
WE18DRF-B 18 19.8 0.5 3 40 0.95 10 150 DFN1006-2L
WE15DRF-B 15 16.7 0.45 3 34 0.95 15 100 DFN1006-2L
WE12DRF-B 12 13.3 0.6 4 35 0.95 10 150 DFN1006-2L
WE08DRF-B 8 8.5 0.5 3 30 0.95 12 90 DFN1006-2L
WE05DRF-B 5 6 0.3 4 20 0.95 12 80 DFN1006-2L
WE03DRF-B 3.3 3.7 0.35 3.5 16 0.5 30 60 DFN1006-2L
WE05DUCF-BF 5 6 0.4 3 12 0.5 30 40 DFN1006-2L
WE05DUCF-B 5 6 0.5 3 20 1 10 60 DFN1006-2L
WS05DTF-B 5 6 0.5 20 8.5 0.1 30 180 DFN1006-2L
WE05DGCF-B 5 6 0.2 2 15 0.98 12 30 DFN1006-2L
WE05DLVZ-B 5 5.8 5.5 4 11 0.25 20 50 CSP0603-2L
WE05DLCZ-B 5 5.5 3 3.5 13.5 0.3 10 50 CSP0603-2L
WE12DS-B 12 13.4 3.5 5.5 26 0.95 30 150 DFN0603-2L
WE05DS-BA 5 6 6 5 15 0.3 30 90 DFN0603-2L
WE03DS-B 3.3 3.7 7.5 7 10 0.3 30 100 DFN0603-2L
WE05DLCS-B 5 5.5 2.5 2 13 0.58 18 40 DFN0603-2L
WS05DTS-B 5 6 0.5 5 6.5 0.2 15 40 DFN0603-2L
WE05DUCS-B 5 5.5 0.5 5 26 1 18 150 DFN0603-2L
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