【導(dǎo)讀】臺灣晶炎認為，隨著今天IC制造工藝下探28納米節(jié)點，ESD保護二極管開始遇到三個致命的發(fā)展瓶頸：升級換代時間長、反應(yīng)時間太長和鉗位電壓做不低，未來TVS取代ESD保護二極管將變成主流發(fā)展趨勢。
雖然才進入中國大陸市場不久，但脫胎于工研院的臺灣晶炎科技有限公司已經(jīng)認為自己是ESD保護元件的領(lǐng)導(dǎo)廠商，并開始挑戰(zhàn)現(xiàn)有的ESD保護二極管市場供應(yīng)格局。
晶炎科技設(shè)計研發(fā)部副總經(jīng)理姜信欽博士對筆者說：“今天的ESD保護二極管未來都將從市場上消失，因為很難滿足CMOS工藝不斷縮減所帶來的ESD保護挑戰(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保護市場的終極選擇。”
晶炎科技設(shè)計研發(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?？?，晶炎TVS現(xiàn)在已可做到納秒級的反應(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升級換代后的ESD保護要求，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大的產(chǎn)品開發(fā)實力。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保護解決方案AZ1045。
隨著芯片大廠英特爾2012年推出Ivy Bridge新平臺，芯片組支持USB 3.0，確認USB 3.0成為主流規(guī)格，預(yù)計在新的操作系統(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)傳輸速度達到5Gbps，比USB 2.0快上十倍。為實現(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ESD的耐受能力快速下降。
另一個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)，然而這個熱插拔(Hot Plug)動作卻也經(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。因為在熱插拔中，由于接口端的訊號線已經(jīng)帶電，本身就像是個帶電的大電容會在接觸系統(tǒng)時作放電動作。這種現(xiàn)象等同于靜電放電效應(yīng)會對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重破壞，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保護組件于USB3.0接口來防止ESD事件對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_是絕對需要的。
對于USB3.0的高速接口而言，在選擇ESD保護元件時必須考慮到以下三個關(guān)鍵因素：
第一，ESD保護組件若要能對系統(tǒng)提供有效保護，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保護組件對于系統(tǒng)電路保護效能最重要的參數(shù)。
第二，為確保USB 3.0高速訊號傳輸時不會受到影響以及訊號的完整性，所以選擇ESD保護組件時，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USB 3.0接口，使用單顆多通道的ESD保護元件為目前最經(jīng)濟有效的選擇。
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)有機會通過Class-A的IEC 61000-4-2系統(tǒng)級ESD保護測試。
此外，AZ1065系列產(chǎn)品提供了六個極低電容的接腳，可同時保護USB 3.0接口的兩組差分對(TX和RX)與USB 2.0的差分對(D+和D-)，以及電源端VBUS的保護，具有縮小PCB面積與降低布局復(fù)雜度等優(yōu)點，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型式的接腳，提供PCB布局時可利用穿透式(Feed through)的設(shè)計。
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)時間已達到納秒級，這是ESD保護二極管難以達到的性能指標，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保護市場的強者。他說：“晶炎用半導(dǎo)體制造工藝發(fā)展系列TVS產(chǎn)品的獨特做法不僅使得我們可以更低的成本比競爭對手更快地推出性能更強的產(chǎn)品，更關(guān)鍵的是，我們鍛煉出了一支獨具一格的集多學(xué)科能力于一身的TVS研發(fā)團隊，這不是競爭對手輕易就能建起來的。”
