佳邦科技推出全方位ESD/EMI保護元件 針對USB3.0/HDMI與網通/RF應用
- 劉一婷
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面對USB3.0高速傳輸時代來臨，系統業者逐漸思考系統的EMC/EMI防制等課題，各家保護元件大廠也積極發展適合下一代晶片的ESD防護/EMI干擾防護措施解決方案。台灣被動元件大廠佳邦科技(INPAQ，http://www.inpaq.com.tw)，繼RF GPS ATENNA天線/模組在市場大獲成功之後(約佔全球70% share)，相繼開發Wi-Fi/BT/3G/4G/DTV等解決方案。同時，在ESD/EMI防護元件方面，更是不遺餘力推出各項相關產品於USB2.0/HDMI/Display ports/USB3.0高速I/O與網通/RF等全方位應用。
在高速傳輸的EMI解決方案方面，佳邦科技對高速傳輸I/O系統HDMI/USB3.0分別提出超小型TCF系列單顆(SINGLE) 0504(1.2x1.0mm2)與陣列(ARRAY)0804(2.0x1.0mm2)小尺寸的專利薄膜共模濾波器(Thin-film Common Mode Filter)，TCF0504H系列其共模阻抗65/90歐姆值HDMI高頻特性截止頻率fc(cut-off frequency)可達6GHz以上，適合高速傳輸，已大量投產與接單；USB3.0方面，TCF0504U系列65/90ohm(fc~8GHz)等也相對於晶片端與系統端、客戶端認證中；此外，MCM2012&3216-B/D系列基層CMF產品已成功切入與量產至NB/主機版客戶，取代USB2.0市場由繞線(wire-wound)CMF長期寡占的市場地位；MCM系列之專利積層厚膜(Multi-Layer thick film)製程採取低溫共燒LTCC陶瓷與Ferrite軟磁材質在小單體基層器件上，這對台灣積層/薄膜EMI產品長期被日/韓系壟斷局面來說，是一大突破。此外，在乙太網路(LAN Ethernet)方面，已導入主機板RJ45磁性變壓器接頭(含USB2.0)製造大廠，包含SINGLE與ARRAY型MCM2012/3216-G系列共模濾波器，用以突破傳統T-core (Toriodal/Ring)手動人工繞線的生產窘境，更協助客戶提升品質管控與生產效能，在網通/通訊方面，特別是對防制ISN band (150K~30MHz)傳導雜訊(conducting noise)方面，有不錯的改善效果。 對於NB/網通客戶網路接口埠應用面，ESD/SURGE元件也進一步合作開發與導入當中。
在高速傳輸的ESD解決方案上，佳邦已開發/量產陶瓷抑制ESD元件(Ceramic ESD suppressor)，功能接近半導體製程的暫態電壓抑制器/二極體(Transient Voltage Suppressor Diode；TVSD)；其中EGA/TVU & MSEA兩系列，其Cp(寄生電容)均小於0.2pF，遠優於TVS，讓高速訊號傳輸失真降至最小。不管是單顆EGA用在高速控制I/O或者是TVU ARRAY用在HDMI差分對高速I/O都呈現不錯的ESD與SI(signal integrity)特性；特別是EGA產品更廣泛運用在手機天線RF前端模組(RF-front-end Module；RF FEM)做ESD防制設計，獲得國際模組大廠與IC方案公司相繼採用；此外，MSEA系列以專利Laser-gapping(雷切-氣隙)技術，以空氣放電(Air Dis-Charging)方式來抑制ESD/SURGE突波，Cp更可低到0.1pF以下，是目前最低容的ESD保護元件，主要鎖定在TV/Monitor DSUB & USB2.0 I/O等應用，預估將成為TVSD替代方案。另一方面，陶瓷ESD元件有項特色是漏電流(leakage current)極低，對手持產品設計來說相對省電，整體系統可靠度相對較高，壽命也較長。
EOS(Electronic Over Stress)問題爭議，一直困擾著ESD元件廠商與系統客戶，或許系統設計者已考慮到所有ESD/EMI/EOS之安全設計防護範圍，但難免還是遇到未知的EOS問題，導致燒燬系統甚至莫名損壞TVSD本身。通常供應商也只能無奈向客戶表示是未知EOS打壞系統與IC，這難免造成客戶的困擾。仔細探究其中原因，可能是「TVSD漏電流過高+EOS」；因TVSD屬半導體製程設計，往往需要VDD偏壓以作動TVS中diode到較低Cj接面電容(junction capacitance)，使IC訊號於高速傳輸時不會失真(low distortion)；一旦通電，就有漏電，且TVSD本體若漏電流太大(或因缺陷或提早老化)，往往是TVSD本身與系統的殺手；若不斷DC偏壓與持續I/O訊號調變下，元件呈現長期洩漏與阻尼訊號失真；加上持續性的漏電產生的功耗，在熱與電流的雙重burn-in(燒機)現象，逐漸減少TVSD壽命，提早老化。 簡單來說，ESD器件屬分流接地應用，無ESD做動時與MLCC電容一樣，對高速I/O來說，視同RF元件，建議採低容Cp為佳(EGA/TVU/MSEA系列)；對電源端，採MLV(Multilayer Varistor)產品(MLVS/MLVG系列)做ESD防制；取適當Cp值於VDD/控制訊號端做EMI/ESD同時防護(VPORT系列)，不管何種ESD器件其實都同樣對漏電流規格的要求很嚴謹。
此外，加上來自系統外界不穩定電源網路的持續偶發性EOS電壓衝擊：Vcc開關雜訊與地電位彈跳，往往其overshoot電壓會進一步破壞半導體介面導致漏電流更高，最後擊穿半導體PN junction氧化層(oxide)介面導致短路；若是VDD電源(+5V)因TVS突然短路後直接下地，立即產生SURGE大電流(EOS)，在無保險絲或限流電阻保護下，不免直接燒燬週邊二極體或主IC，導致客訴退換貨發生。當然，若是半導體ESD元件本身因設計或生產製程疏於管控，即元件本身有缺陷(漏電流易過高)，一旦落於系統端使用，雖是保護器件，但對主板IC與被動器件整體可靠度而言，更是不定時炸彈，反而是客戶端系統可靠度失效之肇因。TVSD漏電流與EOS是長期潛在的隱憂，何時發生很難說，這凸顯ESD製造商的產品設計/可靠度驗證/製程品管與出貨檢驗等方面的重要性。
整體來說，佳邦科技於ESD與EMI在設計端建議客戶的特性選別條件不外乎以下重點：
◎ESD元件特性要求
●低漏電(a.耗電 b.訊號品質 c.可靠度/壽命)
●低觸發電壓(Vt，Trigger voltage)，by ATLP test。
●低箝制電壓(Vc，Clamping voltage)，by ATLP test。
●暫態耐電壓衝擊。
●低電容(Cp)：適合高訊號完整性傳輸(signal integrity)。
◎EMI元件特性要求
●低差模插入損失 (insertion loss，IL, Sdd21@VNA，dB)。
●高差模Sdd21截止頻率，fc (Hz)，>1.5GHz(USB2.0)，6GHz(HDMI1.4)，8GHz(USB3.0)。
●寬共模抑制帶(attenuation band，Scc21@VNA，dB)。
●多組共模阻抗選擇(ZCM@100MHz，65/90/120/180/220 ohm)。
●系統阻抗匹配(Zc，characteristic impedance，ohm)，USB2.0/3.0L：90±15 ohm，IEEE1394/HDMI/LAN：100±15 ohm。
●SINGLE & ARRAY封裝供選擇。
以上重點參數，都是佳邦開發EMI/ESD產品的嚴選重要指標與品管重點，也漸漸導入RF觀念於ESD/EMI元件高頻特性開發與製程管控。
佳邦科技表示，未來薄膜/厚膜複合設計ESD/EMI SMD器件是開發趨勢，公司也大量投入製程設備與設計能量，同時與台灣IC設計公司/Wafer廠合作開發超小型單顆/ARRAY封裝技術，希望提升傳統保護元件的性價比，提供客戶專業與多樣化的ESD/EMI/RF解決方案，更期望其技術團隊能與客戶共同開發新產品，與客戶創造雙贏！
