【導(dǎo)讀】臺(tái)灣晶炎認(rèn)為，隨著今天IC制造工藝下探28納米節(jié)點(diǎn)，ESD保護(hù)二極管開始遇到三個(gè)致命的發(fā)展瓶頸：升級(jí)換代時(shí)間長、反應(yīng)時(shí)間太長和鉗位電壓做不低，未來TVS取代ESD保護(hù)二極管將變成主流發(fā)展趨勢。
雖然才進(jìn)入中國大陸市場不久，但脫胎于工研院的臺(tái)灣晶炎科技有限公司已經(jīng)認(rèn)為自己是ESD保護(hù)元件的領(lǐng)導(dǎo)廠商，并開始挑戰(zhàn)現(xiàn)有的ESD保護(hù)二極管市場供應(yīng)格局。
晶炎科技設(shè)計(jì)研發(fā)部副總經(jīng)理姜信欽博士對(duì)筆者說：“今天的ESD保護(hù)二極管未來都將從市場上消失，因?yàn)楹茈y滿足CMOS工藝不斷縮減所帶來的ESD保護(hù)挑戰(zhàn)，取而代之的將是TVS二極管。用半導(dǎo)體工藝制造的TVS將是未來ESD保護(hù)市場的終極選擇。”
晶炎科技設(shè)計(jì)研發(fā)部副總經(jīng)理姜信欽
他解釋道，隨著IC的CMOS制造工藝縮減到今天的40nm和28nm，核心IC的工作電壓也已下降到1-1.8V，傳統(tǒng)的ESD保護(hù)二極管已經(jīng)很難在保持很小寄生電容的情況下做出很低的鉗位電壓，而且ESD保護(hù)二極管的反應(yīng)速度也比較慢，很難滿足抗8KV以上ESD沖擊的要求。采用半導(dǎo)體工藝制造的TVS二極管則不同，不僅可在保持很小寄生電容的情況下做出很低的鉗位電壓，而且瞬態(tài)過壓反應(yīng)速度非常快，晶炎TVS現(xiàn)在已可做到納秒級(jí)的反應(yīng)速度。最重要的是，半導(dǎo)體工藝不僅使得我們的TVS可以很快跟上IC升級(jí)換代后的ESD保護(hù)要求，而且還允許我們以很低的成本推出市場需要的產(chǎn)品。
晶炎的自信來自于它強(qiáng)大的產(chǎn)品開發(fā)實(shí)力。早在2009年，晶炎就成功地開發(fā)出用于超高速USB 3.0和Thunderbolt接口ESD保護(hù)的TVS解決方案AZ1065，并在次年又開發(fā)出高速HDMI 1.4接口的ESD保護(hù)解決方案AZ1045。
隨著芯片大廠英特爾2012年推出Ivy Bridge新平臺(tái)，芯片組支持USB 3.0，確認(rèn)USB 3.0成為主流規(guī)格，預(yù)計(jì)在新的操作系統(tǒng)Win 8發(fā)酵下，將促成USB 3.0快速地普及化。USB 3.0的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到5Gbps，比USB 2.0快上十倍。為實(shí)現(xiàn)如此高速的傳輸速度，USB 3.0控制芯片必須使用最先進(jìn)的半導(dǎo)體制程技術(shù)，所使用的組件閘極氧化層很薄且接面很淺，造成USB 3.0的控制芯片對(duì)ESD的耐受能力快速下降。
另一個(gè)問題在于使用者最普遍的USB應(yīng)用就是隨插即用、隨拔即關(guān)，然而這個(gè)熱插拔(Hot Plug)動(dòng)作卻也經(jīng)常是造成電子系統(tǒng)工作異常，甚至造成USB控制芯片毀壞的元兇。因?yàn)樵跓岵灏沃校捎诮涌诙说挠嵦?hào)線已經(jīng)帶電，本身就像是個(gè)帶電的大電容會(huì)在接觸系統(tǒng)時(shí)作放電動(dòng)作。這種現(xiàn)象等同于靜電放電效應(yīng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，一般稱這種現(xiàn)象為直接放電。目前在系統(tǒng)的靜電放電測試上，越來越多的廠商要求以Direct-Pin Injection方式測試產(chǎn)品，以此來仿真系統(tǒng)在客戶端使用時(shí)遭受到ESD事件的狀況。部份系統(tǒng)廠商甚至規(guī)范其產(chǎn)品的USB3.0連接端口以Direct-Pin Injection方式測試必須通過±8kV的ESD轟擊，并且系統(tǒng)必須在不受任何影響之下通過測試。因此，使用額外的ESD保護(hù)組件于USB3.0接口來防止ESD事件對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_是絕對(duì)需要的。
對(duì)于USB3.0的高速接口而言，在選擇ESD保護(hù)元件時(shí)必須考慮到以下三個(gè)關(guān)鍵因素：
第一，ESD保護(hù)組件若要能對(duì)系統(tǒng)提供有效保護(hù)，除了本身要能承受夠高的ESD轟擊外，還需要考慮鉗位電壓是否足夠低，使得ESD的能量能被鉗制在更低的電壓以防止系統(tǒng)內(nèi)部電路受到損毀。因此鉗制電壓是判斷ESD保護(hù)組件對(duì)于系統(tǒng)電路保護(hù)效能最重要的參數(shù)。
第二，為確保USB 3.0高速訊號(hào)傳輸時(shí)不會(huì)受到影響以及訊號(hào)的完整性，所以選擇ESD保護(hù)組件時(shí)，必須選擇其寄生電容越低越好，建議選擇寄生電容必須低于0.3pF。
第三，在電子產(chǎn)品朝向輕薄短小的發(fā)展趨勢下，產(chǎn)品使用的印刷電路板面積已變得寸土寸金。針對(duì)USB 3.0接口，使用單顆多通道的ESD保護(hù)元件為目前最經(jīng)濟(jì)有效的選擇。
為避免TVS的寄生電容影響USB 3.0接口4.8Gbps和Thunderbolt接口10Gbps差分信號(hào)的高速傳輸，AZ1065的寄生電容低于0.3pF。在這一極低的電容特性下，AZ1065任一接腳在室溫時(shí)仍皆可承受IEC 61000-4-2接觸模式10kV ESD的轟擊。最重要是，以相同寄生電容來比較，AZ1065擁有目前市場上最低的ESD箝制電壓（在IEC 61000-4-2接觸模式6kV的ESD沖擊下，鉗位電壓僅有13.4V），可有效防止數(shù)據(jù)傳輸時(shí)被ESD事件所干擾，并使得具有USB 3.0接口的電子系統(tǒng)有機(jī)會(huì)通過Class-A的IEC 61000-4-2系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)測試。
此外，AZ1065系列產(chǎn)品提供了六個(gè)極低電容的接腳，可同時(shí)保護(hù)USB 3.0接口的兩組差分對(duì)(TX和RX)與USB 2.0的差分對(duì)(D+和D-)，以及電源端VBUS的保護(hù)，具有縮小PCB面積與降低布局復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，可節(jié)省系統(tǒng)成本。更特別的是其DFN-10的封裝并且采用交錯(cuò)型式的接腳，提供PCB布局時(shí)可利用穿透式(Feed through)的設(shè)計(jì)。
姜信欽博士表示：“AZ1065的寄生電容只有0.27pF，鉗位電壓只有13.4V，反應(yīng)時(shí)間已達(dá)到納秒級(jí)，這是ESD保護(hù)二極管難以達(dá)到的性能指標(biāo)，AZ1065系列產(chǎn)品可說是目前USB 3.0接口的最佳ESD解決方案。”
姜信欽博士滿心相信晶炎未來將成為ESD保護(hù)市場的強(qiáng)者。他說：“晶炎用半導(dǎo)體制造工藝發(fā)展系列TVS產(chǎn)品的獨(dú)特做法不僅使得我們可以更低的成本比競爭對(duì)手更快地推出性能更強(qiáng)的產(chǎn)品，更關(guān)鍵的是，我們鍛煉出了一支獨(dú)具一格的集多學(xué)科能力于一身的TVS研發(fā)團(tuán)隊(duì)，這不是競爭對(duì)手輕易就能建起來的。”
