- 電路保護元件的發(fā)展趨勢
- 元件設(shè)計技術(shù)的挑戰(zhàn)
- 引線式元件向表面安裝設(shè)計的轉(zhuǎn)變
- 電路保護元件創(chuàng)建多片陣列
- 多層可變電阻與多層電容器集成
技術(shù)趨勢和設(shè)計挑戰(zhàn)
為了看清電路保護元件的市場前景，我們必須了解使用這些電子元件的終端市場的未來趨勢。這些趨勢是密度板應(yīng)用的增長；USB 2.0和IEEE1394即插即用協(xié)議的接受度增加；終端使用功能的集中和互通；對ESD的日益關(guān)注。
綜觀整個電子元件市場，我們看到日益增長的需求是在更小的占位面積上提供最新的產(chǎn)品功能。例如，移動電話和PDA，迫切需要把更多的用戶功能放進一個更小的 裝置之內(nèi)，結(jié)果導(dǎo)致了更高密度的印制電路板（PCB）。為了符合尺寸的限制并在更小的占位面積中提供ESD（靜電放電保護）保護，過電壓元件制造商已開發(fā)出0402尺寸的可變電阻和二極管產(chǎn)品。如果發(fā)生ESD事件，又沒有停止就會造成破壞，輕者是軟故障（數(shù)據(jù)丟失），重者會對芯片造成永久的破壞。
由于處理高電壓的ESD事件（高達(dá)15 000V）的需要，許多元件制造商發(fā)現(xiàn)他們在“擴展”當(dāng)前技術(shù)時遇到了限制，不能進一步將其產(chǎn)品的尺寸變小。元件制造商所面對的挑戰(zhàn)是如何開發(fā)在更小的封裝中提供同樣性能的不同方案。類似于過電壓保護所帶來的板密度的挑戰(zhàn)，過電流應(yīng)用器件要求制造商“縮小 ”他們目前產(chǎn)品。通常，過電流產(chǎn)品必須滿足與以前產(chǎn)品相同的流量；這就要求增加器件的能量密度。
未來幾年，數(shù)據(jù)協(xié)議將驅(qū)動今天使用的電子電路保護產(chǎn)品在速度方面顯著地增加。這種進化將戲劇性地改變板級ESD保護的市場。此外，近年來電子產(chǎn)品向高速數(shù)化的發(fā)展，半導(dǎo)體器件和IC的工作電壓越來越低，大大增加了遭受過電壓和ESD危害的幾率。面對這樣的狀況，出現(xiàn)了多種過電壓保護元件，如TVS二極管、 陶瓷壓敏電阻器、瞬態(tài)電壓抑制器、ESD抑制器等。還有一些IC廠商將ESD保護功能設(shè)計在芯片內(nèi)部，制造出了自身能防護ESD的IC。
ESD 保護通常取決于可變電阻和二極管技術(shù)的進展。這兩種技術(shù)可提供極好的ESD保護，并且可與中低速率的數(shù)據(jù)傳輸線兼容。例如，在12Mb運行的USB 1.1數(shù)據(jù)加速協(xié)議；器件利用能保護微處理器芯片的協(xié)議，采用二極管和可變電阻產(chǎn)品使之免受ESD的破壞。然而，由于這些器件的電容太高，在USB 2.0、IEEE 1394或Infiniband設(shè)備的信號線上不能使用，當(dāng)數(shù)據(jù)速率增加時，為了保持信號線上的信號完整性，對低電容ESD器件（低于1pF）的需求也在 增加。新的聚合物ESD抑制技術(shù)可以提供更低的電容（低于1pF）、更低的泄漏電流（這在低功耗便攜式設(shè)備中尤為重要）、快速響應(yīng)時間（＜1ns）和低鉗 位電壓（100V），而且具有耐受多重ESD脈沖的能力，可以生產(chǎn)出許多不同結(jié)構(gòu)的器件。
可復(fù)位聚合物（PTC）技術(shù)已經(jīng)作為保護即插即用應(yīng)用的首選方案。它是在有機高分子聚合物中加入導(dǎo)電顆粒構(gòu)成的，其特點是具有自恢復(fù)性，即過電流之后又恢復(fù)到常態(tài)，不必更換，也不必一定將它安置在電子產(chǎn)品中手可觸及的部位，因而給用戶帶來許多便利。
隨著USB和IEEE 1394應(yīng)用產(chǎn)品的增長，電路保護工業(yè)已對采用可復(fù)位PTC產(chǎn)品，并在1206封裝中實現(xiàn)與前一代器件相同的電流處能力做出了反應(yīng)。這種尺寸的減小要求在 器件的功率密度上增加300%。業(yè)界將連續(xù)不斷地應(yīng)對挑戰(zhàn)，改變其設(shè)計，并開發(fā)瞄準(zhǔn)需求潮流、不犧牲安全性和可靠性的用戶需要的聚合物技術(shù)過電流保護產(chǎn) 品。雖然這種過電流保護元件還有一些不足之處，但它的自恢復(fù)性優(yōu)點是很吸引人的，各生產(chǎn)廠家都在研究改進，主要方向是提高耐電壓/電流、降低電阻、提高強 度和穩(wěn)定性。
在電子元件市場最困難的變化之一是電子器件的會聚性和連通性，它提出了許多問題。例如，商業(yè)和消費電子市場需要具有數(shù)字照相機和因特網(wǎng)功能移動電話，或者他們還需要具有PDA功能的移動電話，那么，未來個人計算機將扮演什么角色？它是否可以與所有其他設(shè)備“同步”起來？市場上所有設(shè)備都具有“搖籃”能力，是否就意味著數(shù)字照相機、PDA和移動電話就都能與個人計算機同步？答案仍然不清楚。因此，電子元件制造商需要繼續(xù)努力，因為他們會影響各種各樣的產(chǎn)品開發(fā)和商業(yè)策略。
當(dāng)電子器件進化到更高的數(shù)據(jù)速度協(xié)議、更高的板密度、更多的器件連通性和更高的即插即用能力時，對ESD保護的全面需求將極大地增加。ESD協(xié)會認(rèn)為，所有電子器件的現(xiàn)場故障中有大約30%是ESD造成的。電子工程師已很清楚地理解了這個事實，而與這些故障有關(guān)的可靠性問題變得日益明顯，對ESD保護的需求將極大地增加。
ESD 的“免疫”不僅是一個國際標(biāo)準(zhǔn)，它也是終端產(chǎn)品制造商關(guān)注的可靠性的一個重要保證。ESD保護通常通過三種技術(shù)實現(xiàn)：多層可變電阻、二極管陣列和聚合物抑制器。市場需要更多的產(chǎn)品對付廣泛的ESD問題，同時需要專家設(shè)計和試驗?zāi)芰Γ员ＷC正確的ESD保護。[page]
結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化
---電路保護元件的變化還表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)方面，其中一個顯著的變化是從傳統(tǒng)的引線式元件向表面安裝設(shè)計的轉(zhuǎn)變，尤其是向多層技術(shù)的演變。
從引線式到表面安裝
許多被動型元件，包括電容器、電阻器和電感器，多年以前已轉(zhuǎn)向表面安裝設(shè)計。然而，在電子電路保護器件方面，大多數(shù)產(chǎn)品仍然是引線式；不過，為了適應(yīng)SMT的需求，采用表面安裝設(shè)計的電子電路保護元件肯定將呈現(xiàn)出快速增長的局面。
可變電阻首先代表了這種轉(zhuǎn)變，金屬氧化物可變電阻首當(dāng)其沖，而在上個世紀(jì)90年代初元件制造商實現(xiàn)了其堆疊或多層設(shè)計，增加了基于氧化鋅產(chǎn)品的浪涌處理能力。那時，從事元件超薄多層化技術(shù)應(yīng)用的公司（主要是MLCC）開始將這一技術(shù)應(yīng)用于氧化鋅，生產(chǎn)非常小的、表面安裝的多層設(shè)計，以保護敏感的電子設(shè)備， 使之免受ESD的影響。1999和2000年，多層可變電阻在蜂窩電話和汽車電子組件的應(yīng)用出現(xiàn)了迅速的增長。
這種從引線式到表面安裝的趨勢影響了其他相關(guān)的陶瓷器件，尤其是陶瓷NTC和PTC熱敏電阻，使之走向了多層設(shè)計。不過，這兩種產(chǎn)品在設(shè)計上仍主要采用引線式，但是它們將很快轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻姘惭b。逐步從引線式設(shè)計向表面安裝設(shè)計迅速轉(zhuǎn)變的其他產(chǎn)品還有電子熔絲，它采用陶瓷矩陣的形式，其內(nèi)部包含一種易熔的金屬元素。基于硅的電路保護器件也開始迅速向表面安裝設(shè)計轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在，齊納二極管、雪崩二極管和晶體閘流管等所有傳統(tǒng)的引線式設(shè)計也開始迅速采用DO-214塑料封裝。SMD熔斷器的發(fā)展將為高檔電腦、電信、數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的關(guān)鍵IC和重要的電路提供過流保護。
更小，更好，更快
此外，引線式和表面安裝電子電路保護器件的另一個趨勢是使其更加小巧有效。例如，在引線式設(shè)計中，制造商在努力嘗試使可變電阻和熱敏電阻占板尺寸更小，而且有更好的鉗位特性。引線式電路保護元件的另一個趨勢是玻璃鈍化技術(shù)，為的是獲得更好的防潮性能。在表面安裝設(shè)計中，制造商將繼續(xù)開發(fā)更小的、符合EIA標(biāo) 準(zhǔn)的高性能器件。最后，占板尺寸將變得更小，同時在傳統(tǒng)的0603、0402和0201封裝中提供更高的鉗位特性和更快的速度。
陣列技術(shù)
最新的趨勢是用類似和不同的電路保護元件創(chuàng)建多片陣列。市場將提供的最初產(chǎn)品陣列包括金屬氧化物和鈦酸鹽陶瓷基產(chǎn)品，因為它們的生產(chǎn)過程很適合多片陣列的制 造工藝要求。多層可變電阻制造商已經(jīng)生產(chǎn)出保護多重線路的Quad和Octel陣列原型，尤其是用于引擎控制的I/O端口部件。可以預(yù)期，多片陣列將用于 當(dāng)前的各種應(yīng)用，最終將影響傳統(tǒng)的熔絲市場，以及PTC和NTC熱敏電阻市場。陣列技術(shù)可以使一塊印制電路板上電路保護元件的密度成倍增加，使元件的布局 更加容易，進而節(jié)省了OEM包括選擇和安裝成本在內(nèi)的使用單獨分立元件的成本。
集成
目前，在汽車電子組件中已經(jīng)開始采用多層可變電阻與多層電容器。其他集成趨勢還包括以雙層或多層片陣列設(shè)計的方式把可變電阻與單獨的熱敏電阻結(jié)合在一起。陣列也可能被定制在一個單獨的封裝中，同時包括多種電路保護特性，提供瞬間的保護層。
集成也對基于硅的電路保護元件產(chǎn)生了影響。利用更加先進的半導(dǎo)體器件上的硅基層實現(xiàn)電路保護的特性是可能的。例如，在一個集成的被動元件（IPD）中創(chuàng)建一 個除了電容和電阻功能以外的電路保護層。這種IPD的趨勢具有重大的意義，因為許多這樣的器件被安裝在計算機和網(wǎng)絡(luò)連接器件的I/O端口上。
需求決定一切
我們看到，電路保護元件的重要性在日益顯現(xiàn)。在各類電子產(chǎn)品中，設(shè)置過電流保護和過電壓保護元件的趨勢日益增強，其主要驅(qū)動來自以下幾個方面：IC的功能和集成度越來越強，其 價值也越來越貴，需要加強保護；半導(dǎo)體元件和IC的工作電壓越來越低，以達(dá)到降低功耗、減少發(fā)熱、延長使用壽命的目的，其抗過電流/過電壓的能力需要滿足 新的保護要求；手機、PDA、筆記本電腦、攝錄機、數(shù)碼相機、光盤機等移動電子產(chǎn)品越來越多，都需要電池組件作為電源，在電池組件和電池充電器中都必須配 置保護元件；高檔汽車中的電子設(shè)備越來越多，而且工作條件比一般的電子產(chǎn)品更為惡劣，在為這些電子設(shè)備配套的電源適配器中，一般都需要同時安裝過電流和過 電壓保護元件；在電力/電子產(chǎn)品方面，都需要防止雷擊及電源線與電話線的交擾，以保證正常通信和用戶人身安全，過電流/過電壓保護元件的需求呈上升趨勢； 在電子產(chǎn)品出現(xiàn)的故障中，有75％是由于過電流/過電壓造成的，計算機電源的故障中更有88.5％是由于過電流/過電壓造成的，因此也必須大量采用電路保 護元件。可以看出，過電壓、過電流、過熱電路保護元件是電子元件領(lǐng)域中的一個新的增長點，有著良好的市場和應(yīng)用前景。
