- 電路保護(hù)元件的發(fā)展趨勢(shì)
- 元件設(shè)計(jì)技術(shù)的挑戰(zhàn)
- 引線式元件向表面安裝設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變
- 電路保護(hù)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(shì)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
為了看清電路保護(hù)元件的市場(chǎng)前景，我們必須了解使用這些電子元件的終端市場(chǎng)的未來趨勢(shì)。這些趨勢(shì)是密度板應(yīng)用的增長(zhǎng)；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(duì)ESD的日益關(guān)注。
綜觀整個(gè)電子元件市場(chǎng)，我們看到日益增長(zhǎng)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(dòng)電話和PDA，迫切需要把更多的用戶功能放進(jìn)一個(gè)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(hù)）保護(hù)，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(huì)造成破壞，輕者是軟故障（數(shù)據(jù)丟失），重者會(huì)對(duì)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?cè)?ldquo;擴(kuò)展”當(dāng)前技術(shù)時(shí)遇到了限制，不能進(jìn)一步將其產(chǎn)品的尺寸變小。元件制造商所面對(duì)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(hù)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(dòng)今天使用的電子電路保護(hù)產(chǎn)品在速度方面顯著地增加。這種進(jìn)化將戲劇性地改變板級(jí)ESD保護(hù)的市場(chǎng)。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(duì)這樣的狀況，出現(xiàn)了多種過電壓保護(hù)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(hù)功能設(shè)計(jì)在芯片內(nèi)部，制造出了自身能防護(hù)ESD的IC。
ESD 保護(hù)通常取決于可變電阻和二極管技術(shù)的進(jìn)展。這兩種技術(shù)可提供極好的ESD保護(hù)，并且可與中低速率的數(shù)據(jù)傳輸線兼容。例如，在12Mb運(yùn)行的USB 1.1數(shù)據(jù)加速協(xié)議；器件利用能保護(hù)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(hào)線上不能使用，當(dāng)數(shù)據(jù)速率增加時(shí)，為了保持信號(hào)線上的信號(hào)完整性，對(duì)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(shí)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(hù)即插即用應(yīng)用的首選方案。它是在有機(jī)高分子聚合物中加入導(dǎo)電顆粒構(gòu)成的，其特點(diǎn)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(zhǎng)，電路保護(hù)工業(yè)已對(duì)采用可復(fù)位PTC產(chǎn)品，并在1206封裝中實(shí)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(duì)挑戰(zhàn)，改變其設(shè)計(jì)，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(hù)產(chǎn) 品。雖然這種過電流保護(hù)元件還有一些不足之處，但它的自恢復(fù)性優(yōu)點(diǎn)是很吸引人的，各生產(chǎn)廠家都在研究改進(jìn)，主要方向是提高耐電壓/電流、降低電阻、提高強(qiáng) 度和穩(wěn)定性。
在電子元件市場(chǎng)最困難的變化之一是電子器件的會(huì)聚性和連通性，它提出了許多問題。例如，商業(yè)和消費(fèi)電子市場(chǎng)需要具有數(shù)字照相機(jī)和因特網(wǎng)功能移動(dòng)電話，或者他們還需要具有PDA功能的移動(dòng)電話，那么，未來個(gè)人計(jì)算機(jī)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(chǎng)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(jī)、PDA和移動(dòng)電話就都能與個(gè)人計(jì)算機(jī)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?yàn)樗麄儠?huì)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(jìn)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(shí)，對(duì)ESD保護(hù)的全面需求將極大地增加。ESD協(xié)會(huì)認(rèn)為，所有電子器件的現(xiàn)場(chǎng)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(gè)事實(shí)，而與這些故障有關(guān)的可靠性問題變得日益明顯，對(duì)ESD保護(hù)的需求將極大地增加。
ESD 的“免疫”不僅是一個(gè)國(guó)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(gè)重要保證。ESD保護(hù)通常通過三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)：多層可變電阻、二極管陣列和聚合物抑制器。市場(chǎng)需要更多的產(chǎn)品對(duì)付廣泛的ESD問題，同時(shí)需要專家設(shè)計(jì)和試驗(yàn)?zāi)芰?，以保證正確的ESD保護(hù)。[page]
結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化
---電路保護(hù)元件的變化還表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)方面，其中一個(gè)顯著的變化是從傳統(tǒng)的引線式元件向表面安裝設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)。然而，在電子電路保護(hù)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(jì)的電子電路保護(hù)元件肯定將呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)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(gè)世紀(jì)90年代初元件制造商實(shí)現(xiàn)了其堆疊或多層設(shè)計(jì)，增加了基于氧化鋅產(chǎn)品的浪涌處理能力。那時(shí)，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(jì)，以保護(hù)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(zhǎng)。
這種從引線式到表面安裝的趨勢(shì)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(jì)。不過，這兩種產(chǎn)品在設(shè)計(jì)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(jì)向表面安裝設(shè)計(jì)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?；诠璧碾娐繁Ｗo(hù)器件也開始迅速向表面安裝設(shè)計(jì)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(jì)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(hù)。
更小，更好，更快
此外，引線式和表面安裝電子電路保護(hù)器件的另一個(gè)趨勢(shì)是使其更加小巧有效。例如，在引線式設(shè)計(jì)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(hù)元件的另一個(gè)趨勢(shì)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(jì)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(shí)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(shì)是用類似和不同的電路保護(hù)元件創(chuàng)建多片陣列。市場(chǎng)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?yàn)樗鼈兊纳a(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(hù)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?？梢灶A(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(chǎng)，以及PTC和NTC熱敏電阻市場(chǎng)。陣列技術(shù)可以使一塊印制電路板上電路保護(hù)元件的密度成倍增加，使元件的布局 更加容易，進(jìn)而節(jié)省了OEM包括選擇和安裝成本在內(nèi)的使用單獨(dú)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(shì)還包括以雙層或多層片陣列設(shè)計(jì)的方式把可變電阻與單獨(dú)的熱敏電阻結(jié)合在一起。陣列也可能被定制在一個(gè)單獨(dú)的封裝中，同時(shí)包括多種電路保護(hù)特性，提供瞬間的保護(hù)層。
集成也對(duì)基于硅的電路保護(hù)元件產(chǎn)生了影響。利用更加先進(jìn)的半導(dǎo)體器件上的硅基層實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)的特性是可能的。例如，在一個(gè)集成的被動(dòng)元件（IPD）中創(chuàng)建一 個(gè)除了電容和電阻功能以外的電路保護(hù)層。這種IPD的趨勢(shì)具有重大的意義，因?yàn)樵S多這樣的器件被安裝在計(jì)算機(jī)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(hù)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(hù)和過電壓保護(hù)元件的趨勢(shì)日益增強(qiáng)，其主要驅(qū)動(dòng)來自以下幾個(gè)方面：IC的功能和集成度越來越強(qiáng)，其 價(jià)值也越來越貴，需要加強(qiáng)保護(hù)；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(zhǎng)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(hù)要求；手機(jī)、PDA、筆記本電腦、攝錄機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、光盤機(jī)等移動(dòng)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(hù)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(shí)安裝過電流和過 電壓保護(hù)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(hù)元件的需求呈上升趨勢(shì)； 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(jì)算機(jī)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(hù)元件?？梢钥闯觯^電壓、過電流、過熱電路保護(hù)元件是電子元件領(lǐng)域中的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，有著良好的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。
