手持式電子產品PCB的設計趨勢 --- 小，還要更小
因應物聯網為日常生活所帶來的便捷，為使電子產品的使用及攜帶上更為便利，各產品設計工程師亦持續挑戰於更小的PCB空間與更高的電子電路集成度之下完成更完備的產品功能。舉凡日常生活常見的手機、智能穿戴裝置、無線耳機、電子菸，甚至是未來備受矚目的AR眼鏡，皆以使用0201小封裝的元件作為進行電子線路設計的主流，甚至是更高集成度的System-in-Package (SiP)應用亦已屬常見。
Battery Power Rail的ESD/Surge防護需求
每當使用者將電子產品Power on時，Power Rail上時常會出現Power Spike。抑或如使用者拆裝電池時，皆會致使電子產品的Battery Power Rail暴露在遭外在靜電干擾甚至破壞的風險之中，因此各產品研發工程師在設計自家產品時，皆會針對此種突波(ESD、Surge Spike)做妥防護設計以提升產品可靠度。並且於產品工程階段時進行IEC61000-4-2靜電防護驗證以及IEC61000-4-5過度電性應力測試，以嚴苛的突波模擬條件來確保產品本身能適應使用者所身處的各種環境。
圖一：Power Switch-on時遭遇Surge Spike案例
針對不同國家的氣候環境，電子業界面臨的挑戰
為使電子產品銷售到不同的國家皆能適應當地氣候條件，各品牌廠皆會以較嚴苛的測試條件來模擬使用者身處環境所可能遭遇的突波類型。常見的如手機產品於設計時多會考量要銷售至氣候較乾燥或是電力電源較為不穩定的環境，因此在設計驗證階段時多會針對Battery Power Rail及USB Charger VBUS 進行較為嚴苛的IEC61000-4-5過度電性應力測試，以預防產品在環境較嚴苛的區域引起較高的不良返修。為通過High Level IEC61000-4-5過度電性應力測試，產品設計工程師常會挑選TVS置於Battery Power Rail及USB Charger VBUS處，使得ESD及Surge Spike由外部進來的當下即被TVS所擋下。然而，因應手持式電子產品受侷限的PCB面積，市面上小封裝TVS元件因受Die Size的侷限而往往無法承受高浪湧電流。這也使產品設計工程師必須考慮挑選更大封裝的TVS元件以通過嚴苛的過度電性應力測試，意即必須在產品PCB面積大小及ESD/Surge高耐受度之間做取捨。如何能同時符合佔用少PCB面積及高ESD/Surge耐受度，時常成為工程師於產品設計階段的難題。
ESD/Surge Protection Device for Battery Power Rail --- Design Scenario
理想的TVS for Battery Power Rail不僅要具備高浪湧耐受電流，為達到更低功耗(Power Consumption)以提供電子產品更高的電池續航力，Leakage Current (逆向漏電流)亦是重要的指標參數。而除了TVS自身的耐受度以及漏電流之外，對於TVS而言最重要的參數仍屬於箝制電壓(Clamping Voltage)。為了確保TVS發揮良好的保護能力，於選擇TVS時仍應最先注重箝制電壓要夠低，如此一來即可避免受保護的主晶片於靜電衝擊的當下仍遭損毀，而TVS卻未受損的狀況，也失去了添加ESD防護元件的目的。
許多工程師在挑選Battery Power Rail的TVS元件時，為預防各電池電壓不穩定所帶來TVS誤導通的風險，會選擇更高VRWM 的TVS以預留電壓餘裕。但是更高VRWM的方案即代表更高VBD (崩潰電壓)及Vclamp(箝制電壓)的表現，在規格設計上如何同時具備操作電壓餘裕及良好的TVS箝制電壓，亦常常使工程師陷入兩難。
最後則是TVS的方向性，因Battery Power Rail上為直流電壓，理想上會選擇單向TVS即能帶來更快的負向導通速度及更好的負向箝制電壓。然而，早期電子產品於產線大量生產時偶然會遭遇0201小封裝元件SMT上件相反的困擾而迫使工程師於設計階段時妥協採用雙向TVS以避免該風險。也因為此發展趨勢，目前市面上0201小封裝TVS元件仍以雙向元件主導市場。惟近年在小封裝元件漸成市場主流，以及如0201小封裝Schottky Diode需求的迫使之下，SMT量產技術日漸成熟，在PCB板上的方向性記號以及IC捲帶與IC單體Marking標示的多重輔助之下，漸漸已克服小封裝元件於SMT方向性的困擾。許多工程師在選擇TVS for Battery Power Rail時，即便是0201小封裝，仍堅持採用單向元件以提供最佳的保護效果。
圖二：單向TVS的優勢 --- Optimized Negative Clamping Voltage
茲整理ESD/Surge Protection Device for Battery Power Rail設計重點如下：
| Characteristic |
Description |
| VRWM |
A little higher than voltage of power rail for safety margin |
| Directivity | Uni-directional for optimized negative clamping voltage |
| Leakage Current | Low leakage current for low power consumption |
| ESD Clamping Voltage | Low clamping voltage for efficient protection |
| Surge Ipp (8/20µs) | High Surge robustness for low field return rate |
| ESD IEC61000-4-2 | High ESD robustness for most of strict test criteria |
| Package Size | Small package for compact device |
Amazing Optimized ESD Protection Solution for Battery Power Rail --- AZ5A16-01M
綜合上述，晶焱科技為Battery Power Rail應用設計開發合適的TVS Solution --- AZ5A16-01M，規格簡介如下：
‧Package: MCSP0603P2Y (0201)
‧Directivity: Uni-Directional
‧Reverse Stand-off Voltage: 6V
‧ESD Clamping Voltage at 8kV: 9V
‧System Level ESD Robustness (IEC61000-4-2): 30kV
‧Surge Ipp (8/20µs): 20A
‧Reverse Leakage Current: < 100nA
AZ5A16-01M不僅可提供4.5V、5V等Battery Power Rail良好的電壓餘裕，同時更具備低逆向漏電特性以提供產品具備更佳的電池續航力。而在享有此兩點優勢的同時，雖然具備較高的VRWM特性，卻仍未在箝制電壓特性上有所犧牲。AZ5A16-01M與目前市面上0201單向5V – 6V TVS產品相比仍具備最低的箝制電壓以提供最佳的保護效果，其單向特性更確保擁有優化的負向保護效果。
圖三：AZ5A16-01M TLP Diagram --- ESD Clamping Voltage
圖四：AZ5A16-01M Surge Clamping Voltage
為提供小型手持式裝置更彈性的PCB空間規劃，AZ5A16-01M採用MCSP0603P2Y小封裝設計，並且為確保產品Battery Power Rail能通過高規格IEC61000-4-5過度電性應力測試，AZ5A16-01M更具備業界最高等級Surge Robustness高達20A (8/20µs)。此規格能幫助工程師於設計時同時滿足小封裝及高Surge耐受能力，以擺脫小PCB空間及高Surge耐受之間的Trade-off煩惱。
圖五：AZ5A16-01M Package & Pin Configuration
最後，AZ5A16-01M採用MCSP特殊封裝設計，雖與傳統CSP封裝同屬Wafer-level Package，MCSP封裝則更具備六面Coating層保護以提供更強的封裝結構以及SMT上板推力能力，使AZ5A16-01M能在具備小封裝優勢的同時仍能滿足品牌廠嚴格的SMT Push Strength Test測試規格。
圖六：MCSP封裝結構
藉由AZ5A16-01M針對Battery Power Rail所需之各項規格量身訂作的特殊設計，能提供市場上愈來越多的IoT穿戴式裝置更強的系統級ESD耐受能力以及避免遭受EOS破壞而導致的不良返修，並同時能兼顧良好的電池續航力與Compact Device之PCB設計需求，藉此解決產品設計工程師們於設計階段時可能遇到的兩難處境，加快產品導入市場的時程。