본고에서는 ESD 보호 요구사항과 시스템 디자인, 두께가 얇은 전자기기에 이용하기 위한 소형화된 TVS 다이오드 솔루션에 대해 살펴본다.

글 | 황 쳉유(Huang Chengyu)
RF 및 보호 장치 애플리케이션 매니저
인피니언 테크놀로지스 대만

오늘날에는 기능성 높은 고속 IC(integrated circuit)를 제한적인 공간 안에 집어넣어야 한다. IC 프로세스 기술은 나노미터 수준에 이르고 있다. 트랜지스터 크기는 계속해서 축소되고, 도핑 수준은 높아짐에 따라 게이트 산화막도 더욱더 얇아지고 있다. pn 접합부는 계속해서 좁아지고 회로 면적은 줄어들고 있다. 이와 같은 IC 프로세스의 진화로 게이트 산화막 및 pn 접합부 항복 전압이 낮아짐으로써, ESD(electrostatic discharge)에 대한 민감성이 높아져 결함이나 순간적인 오작동, IC 손상(그림 1)을 일으킬 수 있다.



어떤 결함은 발생 즉시 잡아내지 못할 수도 있고, 어떤 결함은 제품이 보증 기간 중일 때 발견될 수도 있다. 출하 단계에서 확인할 수 있는 결함들은 공장에서 쉽게 찾아낼 수 있어 이러한 제품은 고객에게 전달되지 않도록 할 수 있다. 전자 장치가 ESD로 인해서 순간적인 오작동이나 손상을 일으키는 사례는 매우 흔하게 발생하고 있지만, 검출/추적하기가 쉽지 않다. 순간적인 오작동을 일으키는 제품은 계속해서 재부팅하거나 리셋해야 하므로 최종 사용자 만족도에 영향을 미칠 수 있다. 잠재적 결함은 신뢰할 수 없는 동작을 발생시키거나 전기적 성능에 간섭을 일으키거나, 제품 자체를 손상시킬 수 있다. 따라서 사용자 불만이 높아질 수 있으며, 해당 회사의 모든 제품에 대해 인식이 나빠질 수 있다. 그뿐만 아니라 ESD 손상으로 제품 리콜이나 RMA는 제품의 원래 가격에 더해져 제조업체나 사용자에게 추가적인 비용을 초래할 수 있다.

IEC 61000-4-2 ESD 테스트
IEC 61000-4-2 ESD 테스트는 대다수 업체가 이용하는 표준적인 테스트로 전자 제품을 ESD 간섭 수준에 따라 4개 클래스로 구분한다. 클래스 A는 ESD 테스트 중이거나 테스트 후에 전체적인 기능성에 영향을 미치지 않고 정상적으로 동작하는 것이다. 클래스 B는 ESD 테스트 시에 비정상적으로 동작하나 ESD 간섭이 제거된 후에는 자동으로 다시 정상적으로 동작하는 것이다. 클래스 C는 ESD 테스트 시에 비정상적으로 동작하고 정상적인 기능을 재개하기 위해 리셋이나 재부팅이 있어야 하는 것이다. 클래스 D는 ESD 테스트 시에 비정상적으로 동작하고 리셋이나 재부팅 후에도 기능을 회복하지 못하는 것이다. 각기 다른 제품에 따라 다른 테스트 기준을 충족해야 한다. 현재로서 대다수 전자 업체는 클래스 A 또는 클래스 B를 충족해야 하며, 클래스 C나 클래스 D 제품은 불합격된다.

ESD 보호 전략
IC 부품의 크기가 소형화됨에 따라 ESD를 방지할 수 있는 능력도 제한되고 있으며, 불과 20 V의 정전기 방전으로도 IC가 손상될 수 있다. 기존의 보호 기법들은 이제 적용할 수 없거나, 심지어는 전자 제품 성능에 간섭을 일으킬 수도 있다. 따라서 제품 설계 엔지니어는 IEC 61000-4-2 ESD 테스트를 충족하기 위해 여러 가지 기법을 적용하고 있다. 예를 들어 비금속성 외부 하우징을 이용하거나, 금속 소재에 대해서 차폐 접지를 활용하거나, PCB 레이아웃을 신중하게 설계하거나, ESD 보호가 뛰어난 전자 부품을 선택할 수 있다. 또 다른 방법은 ESD 방전 경로인 키보드와 키패드, 안테나, I/O 커넥터 등으로 ESD 보호 소자를 이용하는 것이다. ESD 보호 소자로 주로 이용되는 것은 배리스터와 제너 다이오드, MLV, 폴리머, TVS(transient voltage suppressor) 등을 포함한다. 특히 TVS 다이오드는 전적으로 ESD 손상으로부터 IC를 보호하도록 설계됐다. TVS는 다른 보호 소자보다 성능이 더 우수하며(표 1), 그림 2에서는 이의 작동 원리를 보여준다. TVS 다이오드를 보호하고자 하는 IC와 병렬로 연결하면 대부분의 ESD 전류가 이를 통해 접지로 전달된다. 아주 일부의 낮은 잔류 전류만 IC로 유입되므로 ESD로 인한 회로 손상을 방지할 수 있다. 다시 말해 TVS 다이오드가 클램핑 전압이 매우 낮아야 하고(그림 3), 보호하고자 하는 IC보다 동적 저항이 훨씬 낮아야 하며, ESD를 겪게 되었을 때 응답 시간이 매우 신속해야 한다는 뜻이기도 하다.






USB 3.0, HDMI 1.3/1.4, 안테나 애플리케이션 같은 고주파 애플리케이션이나 고속 데이터 전송 애플리케이션의 경우에는 해당 애플리케이션의 주파수 범위에 걸쳐 기생 커패시턴스를 제한해야 한다. 휴대전화와 태블릿 컴퓨터, MP3 플레이어, e-리더, 휴대형 TV, 핸드헬드 콘솔, 디지털카메라, 노트북 컴퓨터, 내비게이션 시스템 같은 휴대 전자기기의 경우는 배터리 시간을 절약하는 것이 무엇보다도 중요한 요구사항이므로 TVS 다이오드의 누설 전류가 1 nA 미만이어야 하고 50 nA를 넘지 말아야 한다. 고밀도 PCB는 보드 면적을 절약하기 위해 소형 TVS 다이오드를 이용하는 것이 유리하며, TVS 다이오드 패키지 높이 역시 기기의 두께를 얇게 하기 위해 설계 시의 중요한 고려사항이다. 현재는 두께가 얇은 전자기기를 제조하기 위해 0.39 mm(0402) 및 0.31 mm(0201) TVS 다이오드가 주로 이용되고 있다. 또한 2013년 안으로 0.15 mm(CSP 패키지 0201 및 01005) TVS 다이오드가 양산 공급에 들어갈 수 있을 것으로 예상된다(그림 4). 적합한 TVS 다이오드를 선택해 전자기기의 ESD 보호를 향상할 수 있을 뿐만 아니라, 설계나 IC 기능성 측면의 요구도 충족할 수 있다.



성능이 뛰어나면서 공간을 절약하는 패키지를 채택한 소형화된 TVS 다이오드
클램핑 전압이 매우 낮고 동적 저항이 극히 낮은 TVS 다이오드를 이용해 터치스크린 회로에서 ESD 간섭을 방지할 수 있다. 터치스크린 회로는 데이터 속도가 느려 TVS 다이오드의 기생 커패시턴스는 그렇게 중요한 요소가 아니다. 이러한 제품으로 인피니언의 ESD3V3S1B TVS 다이오드는 단일 회로로 ±3.3 V 동작 전압에 적용할 수 있는 양방향 보호 디바이스이다. ESD3V3S1B TVS 다이오드는 IEC 61000-4-2 표준의 ±8,000 V 접촉 방전 규격에 따라 클램핑 전압이 불과 +7.7 V 및 -6.9 V로 매우 낮으며, 동적 저항이 극히 낮다(불과 0.13 W). 이 디바이스 제품의 뛰어난 ±30,000 V(IEC 61000-4-2 접촉 방전) ESD 허용오차는 IEC 61000-4-2 산업 표준(±8,000V)을 훨씬 뛰어넘는 것이다. 극한적인 순간적 테스트 조건(90 A 트랜스미션 펄스로서 48,000 V에 해당, IEC 61000-4-2)으로 이 TVS 다이오드는 ESD 레벨에 상관없이 성능과 보호 능력을 일정하게 유지한다. 이 다이오드는 0.62 mm ×0.32 mm×0.31 mm(TSSLP2-1, EIA0201과 거의 같은 크기) 및 1.0 mm × 0.6 mm  × 0.39 mm(TSLP-2, EIA0402와 거의 같은 크기)의 2개 소형 패키지로 제공된다. 높이가 낮은 패키지 제품(0.31 mm)은 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, e-리더, 얇은 두께가 요구되는 기타 전자기기에 이용하기에 적합하다. 안테나 시스템을 ESD 손상으로부터 보호하기 위해서는 임피던스 불일치와 삽입 손실을 방지하기 위해서 최소한의 기생 커패시턴스를 발생하도록 TVS 다이오드를 대칭 양방향 구성으로 적절하게 셋업해야 한다.
최근 인피니언이 출시한 ESD101x 및 ESD103x 다이오드는 대칭 양방향 구성으로 제공해 0.1 pF 기생 커패시턴스로 ESD 위험성을 흡수해 신호 무결성을 유지한다. ESD101x와 ESD103x는 TX 및 RX 시스템으로 높은 선형성을 달성하고, 전자기 관련 규정(ETSI EN 300 328 등)에 적합하도록 최소한의 고조파를 발생시키며, 혼변조 왜곡을 최소화해 대역 내 잡음 및 다른 RF 사용자에 대한 간섭을 방지하도록 한다. 또한 이들 TVS 다이오드 제품은 정상적인 동작 전압일 때 공칭 누설 전류가 0.1 nA 미만으로 전력 소모가 매우 낮아 휴대기기의 배터리 사용 시간을 연장할 수 있도록 한다. 안테나는 통상적으로 휴대전화의 외면에 접촉 가능한 표면에 설계되어 정전기가 쉽게 모듈 내로 방전될 수 있으며, 그럼으로써 내부 장치들을 손상시킬 수 있다. ESD101x와 ESD103x를 안테나와 프론트 엔드 사이의 RF 신호 경로 상에 설계해 넣어 회로를 보호하도록 할 수 있고, 고주파 애플리케이션에서 신호 무결성과 선형성을 유지하도록 할 수 있다. 이와 동시에 이들 TVS 다이오드는 IEC 61000-4-2 테스트 규격에 따라 다중의 ESD 방전을 견딜 수 있다. 다중의 ESD 방전 시에 보호 성능이 영향을 받지 않으며, 1 ns 응답 시간으로 다중의 ESD 방전에 대해서 회로를 보호한다. ESD101x 및 ESD103x는 표준적인 소형 TSSLP-2-3 패키지(0.6 mm × 0.3 mm × 0.31 mm)로써, 두께가 얇은 소형 전자기기에 이용하기에 적합하다. 이들 두 제품은 무연 및 무할로겐 제품으로 RoHS 규정을 충족하며 친환경성이 뛰어나다.
전자기기에서 헤드폰 잭, 버튼, 키보드, 핫키 등과 같은 외부적 커넥터는 주변 환경으로부터 ESD 전류가 직접 유입될 수 있는 지점들이다. 외부 인터페이스로 직접 TVS 다이오드를 연결해 ESD 이벤트 시에 위험한 수준의 순간적인 ESD 에너지를 민감한 회로로부터 우회하도록 저-저항 경로를 제공할 수 있다. 적합한 TVS 다이오드를 이용해 단일 회로의 동작 전압을 ±5.3 V로 제한하는 양방향 보호가 가능하다. 인피니언의 ESD5V3L1B TVS 다이오드는 극히 낮은 클램핑 전압, 0.22 W 동적 저항, ±5.3 V 동작 전압으로 제한하는 전압 제한 양방향 보호를 특징으로 한다. 또한 ESD5V3L1B는 IEC 61000-4-2 산업 표준(±8,000 V)을 훨씬 뛰어넘는 ±20,000 V(IEC 61000-4-2 접촉 방전)의 뛰어난 최소 ESD 허용오차를 제공한다. 이 제품은 0.62 mm × 0.32 mm × 0.31 mm(TSSLP-2-1, EIA0201과 거의 같은 크기) 및 1.0 mm × 0.6 mm  × 0.39 mm(TSLP-2, EIA0402와 거의 같은 크기)의 2개 소형 패키지로 제공되며 RoHS 규정을 완벽하게 준수하고 무할로겐이다.

요약
이 글은 ESD 보호 요구사항과 시스템 디자인, 두께가 얇은 전자기기에 이용하기 위한 소형화된 TVS 다이오드 솔루션에 대해 살펴봤다. 최근에 출시된 소형 TVS 다이오드 제품들은 뛰어난 ESD 보호를 달성해 나노미터 기술을 이용하고 있는 오늘날 시장의 요구를 충족할 수 있다.  ES