维安SCR结构TVS出道！用于高速信号端口ESD防护最优方案

       集微网消息，随着电子设备智能化的发展，人们对智能设备的依赖越来越高。然而，日常生活中无处不在的静电给电子设备带来多样化的考验，如何进行有效的ESD防护已成为电子设备制造商面对的重要课题。

      常见的ESD事件包括秋冬季节去触摸门把手时，伴随着静电响声，指尖的那一下刺痛；北方冬季脱掉外衣时噼里啪啦的静电响声；远处拖拽来的长网线插向路由器时的那一道短暂的弧光等。

      在经历ESD袭击后，人会有痛感，但不会形成“缺陷”，这归功于人体对地的电阻足够大，静电电压无法形成大电流造成损伤。而静电进入电子设备后所经过的路径并不都能提供足够大的电阻来防止损伤，元器件内部薄弱的栅氧化层或反向偏置的PN结会成为静电泄放路径，静电电压将这些部位击穿，并形成大电流烧毁所经过的薄弱点，从而将元器件损坏，造成电子设备整体功能失效。设备中的USB2.0、HDMI1.4、USB3.x、HDMI2.0等高速数据端口，对ESD事件尤为敏感，是ESD防护设计的难点，也对端口处使用的TVS器件设计提出了极高的要求。

      首先，为了提升用户感受，端口传输速率不断提升，以正在广泛应用的USB3.1高速数据端口为例，USB3.1 Gen1在SuperSpeed工作模式传输速率达5 Gbps，而USB3.1 Gen2传输速率则高达10Gbps。超高的数据传输速率要求端口负载非常小，端口处使用的TVS要有超低电容值。

      其次，小型化需求及芯片设计技术、制造工艺技术、IP设计技术的提升，使得芯片集成度不断提高，越来越多的设计将CPU、通讯协议芯片、Phy芯片通过SoC设计技术集成到一颗芯片中；所使用的工艺制程节点也越来越小，如早期USB3.0协议芯片和Phy芯片工艺制程节点为65nm，现已降至28nm工艺制程，部分SoC产品已用到了10nm~14nm工艺制程。即面对ESD冲击需要TVS保护的Phy芯片使用了与CPU相同的工艺制程，增加了ESD防护设计难度。工艺制程的缩小对应制造工艺中的栅氧化层越来越薄、反向偏置的PN结面积越来越小，ESD耐受能力变弱，要求TVS需要提供足够低的钳位电压来保护SoC芯片。

      再次，越来越多的同一应用会出现多个SoC芯片供应商的方案，芯片间在设计技术和工艺技术方面会存在一定差异，导致芯片端口的ESD耐受能力不同。为保障不同整机方案都能具有满足应用的ESD指标，就需要TVS器件能够覆盖对最弱耐受能力SoC芯片的ESD防护，因此，TVS需要提供足够低的钳位电压。

应用于高速信号端口ESD防护最优方案

      SCR结构TVS是保障通流能力、降低电容和降低钳位电压的最优方案。

图1 SCR结构TVS剖面结构示意图

      如图1，SCR结构由P型掺杂、Nwell、Psub&Pwell、N型掺杂构成PNPN四层结构，包含两个寄生三极管：由P型掺杂、Nwell、Psub&Pwell构成的PNP三极管和由Nwell、Psub&Pwell、N型掺杂构成NPN三极管。SCR结构阳极（Anode）端口接被保护的信号端口，阴极（Cathode）通过连接降容管接低电位，当阳极有ESD高电压到达时，Nwell与Pwell构成的J2结被击穿，流经R1上电流增加到使P+与Nwell结正偏或流经R2上电流增加到使得Pwell与N+结正偏，且ESD事件持续时间内可以为SCR结构提供充足的电流，SCR结构进入闩锁状态。

      SCR结构进入闩锁状态后，PNP 三极管和NPN三极管先后进入放大状态， Nwell与Psub&Pwell构成J2结的击穿不再起主要作用，整个SCR结构的电压出现衰退，器件进入“负阻”状态，提供钳位电压可低至1V，该负阻特性也被称为“骤回”。

图2 器件进入闩锁状态和退出闩锁状态特性曲线

      如图2所示，通过输入增加电流可以测试得到SCR结构TVS进入闩锁状态的导通电压（VBO）和导通电流（IBO），降低电流可以测试得到退出闩锁状态的维持电压（VHOLD）和维持电流（IHOLD），TVS整体可提供低至1V~3V的钳位电压。

      信号端口被保护的SoC芯片要求TVS在ESD事件时提供安全的钳位电压，边界条件为：

      （1）TVS钳位电压要小于SoC芯片端口耐受极限电压；

      （2）钳位电压越低越好。

      在闩锁状态时，SCR结构TVS将端口电平钳位在“VHOLD+Rd*I”电压，SCR结构强大的泄放能力保证为后级被保护SoC芯片提供有效的钳位电压，整机测试时达到较高的ESD防护等级。那么，在ESD事件结束后，SCR结构TVS是否能够确保退出闩锁，恢复到高阻低漏流状态呢？ 

      SCR结构退出闩锁状态的条件，需要满足以下两个条件中任一个：

      （1）信号端口为闩锁结构提供的电压小于维持电压；

      （2）信号端口为闩锁结构提供的电流小于维持电流。

      高速信号端口因有以下两方面特性，可以确保SCR结构TVS能够顺利退出闩锁，恢复到高阻低漏流状态。一方面，高速信号端口在电流和电压方面都“能力有限”，可选取VHOLD和IHOLD都大于信号端口输出能力的绝对安全的SCR结构TVS，保证闩锁顺利退出；另一方面， ESD事件时，系统检测到数据传输受阻，会给出重发数据包指令或重启指令，从而改变信号端口电平，使得端口提供的电压无法满足SCR结构的“闩锁需求”，退出闩锁状态。

系列产品+定制开发，赋能客户

      整机ESD设计的测试等级要求越来越高，通常测试非接触式的的空气放电2kV、4kV、6kV，逐渐提升至空气放电8kV，更有甚者，为了进一步降低售后返修率，要求整机各个端口测试接触模式8kV，ESD能量直接进入到端口内部，TVS器件需要展现强大泄放能力和足够低钳位电压。

图3 WAYON SCR结构TVS产品与NPN结构TVS产品TLP曲线对比

      WAYON SCR结构TVS和有“Shallow Snap-back”特性、具有较低钳位电压的NPN结构TVS产品对比测试，其TLP测试曲线对比如图3，在电容一致的情况下，TLP电流4A、10A、16A时，SCR结构TVS钳位电压远小于NPN结构TVS产品钳位电压。

      客户端反馈信息，使用该NPN结构TVS产品的样机ESD测试能够达到±4kV（空气放电），而使用了WAYON SCR结构TVS产品的样机可以通过超过±8kV（空气放电）的ESD测试。

      WAYON经仿真分析与流片加工的多轮迭代开发，掌控了SCR结构TVS各个关键参数的版图方案及工艺方案，针对Cj、IHOLD、VBO等关键参数提供系列产品供整机设计师选用，亦可针对特殊需求定制开发。

      系列产品经多轮流片验证，参数稳定。

注：*标产品正在开发中

      SCR结构工艺平台延展性强，通过调整关键工艺，获得高开启电压的SCR，满足如近场通信端口（Near Field Communication ，NFC）、射频信号端口（Radio Frequency，RF）等12V/15V/18V/24V工作电压端口的应用需求。

      值得注意的是，电源端口可提供SCR结构保持闩锁状态需要的条件，经ESD&EOS事件进入闩锁后，无法退出闩锁，因此SCR结构TVS不推荐应用于电源端口的ESD&EOS防护。

      据悉，WAYON（维安）创建于1996年，专注深耕电路保护元器件及功率半导体领域，WAYON始终坚持“以客户为导向，以技术为本，坚持艰苦奋斗”的核心价值观，致力于通过技术创新引领市场，成为全球电路保护元器件及功率半导体的领先品牌。