최근의 반도체 TVS 소자가 과거의 기술에 비해 동작속도, 크기, 이동성, 잡음필터에 대한 성능상의 장점을 많이 제공하게 되었다. 따라서 반도체 IPD 기술로 TVS 소자와 수동소자를 실리콘 기판에 집적한 ESD/EMI 칩이 휴대전화, 고속 데이터선, USB, IEEE1394, HDMI에 흔하게 채용되고 있다. IT 전자제품에서는 데이터의 전송속도가 400Mbps 이상으로 높아지면서 정전용량이 수 pF 정도로 아주 낮은 저전압 TVS 칩의 기술개발이 중요해졌으며, 자동차와 신재생에너지 산업분야에 대한 전장화의 증가로 고전압-고전력 TVS의 필요성도 커지고 있다. 마찬가지로 LED를 이용하는 센서와 통신에 있어서 고속 동작, 신뢰성, 잔상 및 잡음 제거를 위하여 ESD/EMI용 소자와 회로에 대한 기술개발이 더욱 요구된다.
글: 심규환 / 전북대학교 반도체과학기술학과 교수, ㈜시지트로닉스 대표
khshim@jbnu.ac.kr / www.jbnu.ac.kr
서론
반도체 TVS(Transient Voltage Suppression) 소자는 전기전자 제품에 매우 다양한 형태로 사용된다. 유비쿼터스 멀티미디어 시대를 향하여 IT기술의 진화가 거듭되면서 ESD/EMI 대응을 위한 TVS 소자 및 칩의 성능과 신뢰성에 대한 변화가 요구된다(1-3). 특히 HBM(Human Body Model), MM(Machine Model), IED-6100-4-2의 ESD 뿐만 아니고 EFT(Electrical Fast Transient: IEC61000-4-4)와 낙뢰 Surge(IEC61000-4-5)에 대응하여 나노 반도체 소자, 회로 및 부품을 안전하게 보호할 수 있어야 한다.
휴대전화기, 디지털카메라, MP3 플레이어, PDA와 같은 휴대형 제품은 수시로 정전기나 전자기파와 같은 외부의 환경에 노출되어 사용된다. 신호선에서 데이터 전송속도는 점점 빨라지고, 작은 공간으로 인하여 고주파 클록 회로와 가까이 설치되어야 하는 요구도 수용해야 한다. 따라서 ESD/EOS 및 EMI/RFI에 대한 방지대책은 더욱 중요해졌고, TVS 소자를 이용한 ESD 및 잡음방지에 대한 집적화 기술개발이 활발하다. 마찬가지로 스마트폰의 확산과 터치센서 스크린, 태양전지, 자동차 및 의료기기의 전장화에 고전력이나 고신뢰성에 대한 요구는 당연하다 볼 수 있다.
오랜 동안 차폐 케이블, crowbar, 필터, 클램핑 소자 등이 TVS 소자로서 EMI 문제를 해결하는데 사용되어 왔으며, 현재 [그림 1]과 같이 신기술인 애벌랜시 다이오드 TVS 소자를 집적한 칩에 대한 채용이 증가하고 있다. 반도체 IC 기술의 진보에 의하여 TVS 다이오드를 수동소자와 집적한 IC 칩은 ESD/EOS 및 EMI/RFI의 솔루션에 있어서 성능, 신뢰성, 가격, 설치공간에 대한 장점을 제공하게 되었다.
향후 반도체 집적기술을 기반으로 하여 고속동작, 소형화, 신뢰성에 대한 대표적인 장점을 지닌 반도체 TVS의 활용도는 더욱 증가할 것으로 예상된다. 따라서 이 글에서는 과전압 방지, ESD 보호, 고주파의 잡음필터의 용도로 HDMI, IEEE1394 I/F, 터치패널, 통신기기, 모듈 회로 등에 널리 활용되는 반도체 TVS 관련 기술동향을 살펴보았다.
TVS의 기술적 배경, 종류, 동작원리
기술적 배경
천이형 서지 전압은 전기전자 제품의 신뢰성을 떨어뜨리는 주요 요인이다. 비정상적 동작을 회로 동작 및 전자제품에 발생시키는 서지 전압의 원인으로 근접회로에서의 갑작스런 부하의 변화, 전원의 불안정한 요동, 커플된 전선을 통한 간섭, 스위치 동작, 번개, ESD 등이 있다. 전원공급기와 데이터 전송선은 과도한 천이형 서지전압이 자주 투입되는 지점으로 작용한다. 많은 전자기기에서 전원공급기는 여러 전자 모듈과 접속되어 있기도 하고, 여러 전원공급 라인이 함께 묶여 있다. 따라서 전원공급 라인에 기생하는 정전용량과 인덕턴스 성분에 의해 발생된 서지 전압이 데이터 라인으로 커플링되게 된다.
TVS 소자는 천이하는 전압을 클램핑하고, 전류를 외부로 누출시켜 라인과 라인, 라인과 접지의 사이를 보호하는 역할을 한다. 이때 TVS 소자는 신호에 간섭하여 왜곡을 일으켜서는 안되고, 삽입손실이나 누설전류를 높이지 않아야 한다. 사용처에 따라 전압과 전류, 정전용량에 대한 사양이 다르고, 서지의 종류도 여러 가지이므로 보호용 TVS 소자도 적합한 사양으로 제작되어야 한다.
모바일용 방송통신 융·복합 무선통신 기기에서 차세대 무선 LAN은 100~600Mbps의 전송속도를 제공하며, 무선 VoIP 단말, 모바일 IPTV 셋탑 박스 및 단말, 노트북, PDA 등을 사용해 무선으로 초고속 멀티미디어 서비스를 제공하는데 RF/아날로그/디지털 신호의 간섭을 배제하여 잡음을 최소화하여 화상과 음향의 품질을 높이기 위해 고성능 TVS 칩셋이 핵심부품으로 사용된다.
TVS의 종류
TVS 소자는 [그림 2]와 같이 케이블, 크로우바(Crowbar), 클램핑 소자, 필터소자로 구분될 수 있다. 대부분의 시스템들에는 이러한 TVS 소자들 각각의 장점을 조합하는 회로를 구성하여 이용한다. 그 중에서 클램핑 소자는 일정한 전압을 유지하기 위하여 임피던스를 순간적으로 변화시킨다. 항복전압 아래의 낮은 전압에서 이 소자들은 커패시터와 병렬로 하는 높은 저항으로 단순하게 모델링 된다. 그러나 만일 전압이 항복전압이 상으로 증가하면 소자의 저항은 감소하여 클램핑 전압을 유지하게 된다. 전압 클램핑용 TVS 소자에 금속산화물 바리스터(MOV), 고분자, 제너다이오드, 애벌랜시 TVS 다이오드가 사용된다.
고분자 가변저항은 축전 용량이 매우 낮은 TVS 소자를 만들 수 있어서 고속의 신호선에 유용하다. 단, 고분자 가변저항의 전기적 특성은 싸이리스터와 유사하여 전기적 특성에서 스냅백을 보인다. 트리거 전압을 1 kV로 높일 수 있으나 클램핑 접압은 보통 20~50V 정도로 높다. 그리고 고분자 가변저항의 수명은 유한하여 보통 1,000~5,000회 정도에 한하여 서지를 보호할 수 있다.
MOV는 현재까지 많이 사용되며 가변저항의 기능을 가지며 부품의 기본적인 작동은 클램핑 전압에 도달하게 되면 동작전의 높은 임피던스가 μsec 속도로 낮은 임피던스로 변하여 서지를 약화시킨다. 전류용량도 대단히 크며 클램핑 가변 전압의 범위가 넓고, 부품의 가격 또한 저가로 많이 사용한다. 대체로 응답시간이 수 μsec 정도로 느린 셈이지만, 기본적인 전원과 통신회로의 저가형에 사용된다. MOV는 단일충격에 강하지만, 다중 충격에 약해서 장기적인 신뢰성 확보에 불리하다고 알려 있다.
반도체 ESD 보호용 소자로 Zener, TVS diode, SCR(Thyristor, BJT, MOS)류가 사용되는데, Zener는 저항이 커서 ESD에 취약하고, SCR류는 래치업에 의해 리셋이 어려운 단점이 있다. 싸이리스터는 4개의 p-와 n-층으로 구성된다. 싸이리스터는 스냅백이라는 전류-전압 특성을 지니며, 스냅백이 일어나는 항복 또는 트리거 전압은 높고, 소자가 턴-온이 된 후에 유지하는 클램핑 접압은 상대적으로 낮게 된다. [그림 3]과 같이, Crow-bar 타입의 싸이리스터는 서지가 인가되었을 때, 트리거 전압까지 전압이 증가되었다가 그 이상에서는 스냅백 현상에 의해 전압이 큰 폭으로 감소하여 다시금 클램핑 접압으로 고정된다. 따라서 전력용 스위칭에 유용하지만, 써지의 보호용으로는 잘 이용되지 않는다(4, 5).
애벌랜시 TVS의 동작원리 및 특성
애벌랜시 TVS 다이오드의 동작상의 특징은 제너 다이오드와 비슷하지만 구조나 설계 규정 상의 차이로 TVS 다이오드가 과도 전류 방지와 저전압 응용에 더욱 적합하다. 다만 ESD 완화와 써지 차단 논문 중 상당수가 TVS 다이오드를 제너라고 부르고 있는 데다 이 두 가지가 동일한 구조 기호를 사용할 때가 있어 혼란이 발생하기도 한다.
본래 제너는 일정한 전압을 유지하는 정전압 회로를 구성하는데 사용되며, TVS 다이오드는 정전기나 서지 펄스를 클램핑하기 위해 이용된다. TVS 다이오드는 제너다이오드에 비해 접합면적이 크게 설계되어 피크 에너지를 흡수하는 능력을 높여서 제작된다. 항복전압(VB) 이하에서 TVS 다이오드는 임피던스가 큰 커패시터로 작용하지만, 인가전압이 항복전압보다 높게 증가하면 가변저항으로 작용하여 클램핑전압(VC)를 일정하게 순간적으로 제어한다.
점점 더 낮아지는 클램핑 전압과 나노 초(nano sec) 이하의 고속 스위칭이라는 동작에 대한 요구 때문에 TVS 다이오드가 더욱 필요로 된다. TVS 다이오드는 과도 전류의 에너지 흡수력이 높지만, 디바이스의 오프-모드에서 정전용량이 늘어나게 된다. 디바이스의 전력 등급과 정전용량은 비례하게 되므로, 고속의 시그널 포트용 디바이스의 경우 이점이 적절히 조절되어야 한다.
TVS 다이오드를 기술하는 주요 파라미터로는 항복전압(VBR), 온도계수(dVBR/dT), 최대 동작 전압(VWM), 최대 클램핑 전압(VCM), 최대 피크 펄스 전류(IPPM), 최대 피크 펄스 전압(PPPM) 등 6가지가 있다. 고속의 시그널 라인 보호용 애플리케이션은 접합 정전용량(CJ)에도 민감한데, 제조업체들은 보통 이 접합 정전용량을 가장 최악의 동작 조건인 제로-전압 상태에서 값으로 규정한다.
간단한 보호구조에서 HBM 모델(ZS=1.5kohm)의 VS=8kV 등급을 VBR(MAX)=7V인 TVS와 Zener에 인도하는 경우에 대해 (그림 1)의 수식을 이용해 계산해 보면, ZTVS=1Ω과 ZZnenr=20Ω일 때, 각각 VCL~12V와 120V 정도가 예상된다. 이와 같이 Zener를 사용한 경우 클램핑 전압이 VCL~120V로 높은 전압이 인가된다면 ESD 보호를 위한 충분한 역할을 하지 못하게 된다. 따라서 다이나믹 저항이 1 Ω보다 낮은 TVS가 클램핑 전압을 작게 제어하여 정전기를 효과적으로 보호하는데 가장 중요한 핵심요소이다.
반도체 TVS의 응용
고전력 TVS 소자
고전력 TVS의 PPP는 300W에서 2kW 수준까지, 고전압은 수 십 V에서 200V까지 사용된다. [그림 5]는 항복전압이 ±7V인 양방향 TVS 소자로부터 측정된 TLP 특성이다. 누설전류는 <10pA, 다이나믹 저항(RD)은 0.15~2 Ω, It2=18 A, Vc=14V로서 칩 크기가 아주 작아 200μm x 200μm이므로 극히 우수한 성능으로 판정된다. 따라서 동일한 기술을 적용하면 칩 크기에 따라 2kW급도 가능하다.
자동차 파워 트레인에 있어서 고전력 TVS 소자를 개발하여 ISO-7637-2, JASO A-1 (14 V, 27 V) 표준에 대응하여 Load dump 보호에 응용한다. 솔레노이드가 작동하는 연료주입, 밸브, 모터, 압력 제어단으로부터 주입되는 ESD, Spike 잡음, 써지 전압 등이 방호되어야 한다. 차량환경에서 과도전류에 대한 전력레일 응용(ISO7637-2)과 전위차계(ISO10605)에 대한 고려가 필요하다.
전력레일 보호는 레일-투-레일에 25kV ESD(Vc=30~35V), Ip=12 A, PPP=360W가 요구된다. 전위차계는 LCD 스크린, Knob, 데이터 라인 커넥터를 보호하는 표준으로 IEC61000-4-2와 동일한 150 pF/330 ohm의 ESD에 대한 보호이며 USB2.0에 해당하는 경우 480Mbps 전송라인을 위해 2.5pF의 정전용량과 fc=5GHz인 사양의 LC(Low Capacitance) TVS가 요구된다. 예로써 셈텍의 LC03-6은 LC-TVS인데 IEC61000-4-5(lightning) 표준에서 100A(8/20μs) 피크전류와 2kW의 피크전력에 대한 사양을 제공하여 매우 강력한 ESD 대응력을 보인다.
고 전류단과 저 전류단의 차별화된 ESD/EMI의 정밀보호를 위해서는 이단계 ESD/EMI 회로의 칩 세트가 적합하다. 고 전류단은 하나의 TVS에 의해 보호를 하고, 저 전류단의 민감한 회로에는 인덕터를 사용하는 LC 회로를 통해 클램핑 전압을 철저히 낮게 제어해준다. 이러한 방식은 뒤에서 언급되지만, 정전기에 매우 취약한 GaN-based LED를 더욱 완벽하게 ESD와 과전압으로부터 보호하는데 유용하게 사용될 수 있다. 이 경우 LED 보호용 TVS칩의 가격이 매우 높아지게 되므로 고가의 제품에 한정하여 채용될 수 있다.
ESD/EMI Filter 칩
EMI 필터용 TVS 소자는 여러 형태가 가능한데 그 중에서 가장 인기 있는 형태는 [그림 8]과 같은 LPF(Low Pass Filter)이다. LPF는 신호의 전달율을 줄여서 서지펄스의 크기를 감쇄시킨다. 단순한 필터는 전압을 클램핑하지 않기 때문에 애벌랜시 TVS 소자와 같은 클램핑 소자를 추가하여 보호하려는 회로를 최대 전압을 이하로 확실하게 제어한다. 필터의 장점은 정상적으로 동작하는 순간에도 잡음의 신호를 감소시키는 점이다. 반면에 crowbar나 클램핑 소자는 과도한 천이 동작이 일어나는 동안만 작동한다.
필터 소자로 Feed-through 캐패시터, 필터 컨넥터, 페라이트 구슬, RC(Resistor Capacitor) 필터, LC(Inductor Capacitor) 필터, 공통모드 초크를 들 수 있다. EMI 필터는 여러 형태로 회로에 적용할 수 있는데, 파이형과 티형과 같이 필터네트워크에 입력되거나 출력되는 신호를 모두 감쇄시키는 검이 장점이다. R1과 C1은 필터 네트워크로 입력되는 고주파신호를 감쇠시키고, R1과 C2는 출력하는 신호의 고주파 잡음을 줄여준다(6).
파이형 RC 필터는 -40dB/decade의 큰 감쇠성능으로 800MHz 이상에서 유용하며, 티형 RC 필터가 -20dB/decade의 감쇠를 제공하는데 비해 유리하다. 또한 양방향이 symmetry하여 입출력 RFI에 공히 작용한다. 단, 축전기와 연결전선에 기생하는 인덕턴스에 의해 800MHz 이상의 주파수에서 공진을 발생시킴으로써 감쇄성능이 저하할 수 있다. 직렬로 기생하는 인덕턴스에 의해 Notch같은 현상이 발생하므로, 1~3GHz 대에서 더 낳은 필터의 감쇄성능을 위해서는 기생 인덕턴스가 0.5nH 이하가 되어야 한다.
휴대전화기의 경우 카메라 모듈, 디스플레이 제어모듈, 스마트 카드/SIM 카드 모듈, USB 데이터포트, 마이크로폰/오디오스피커에 6~12개의 필터가 조립된다. 블루투스, WLAN 802.11b(2.4 GHz)의 경우도 케이블을 통하여 과다한 EMI를 방사하거나 원하지 않는 RF를 받게 되므로 EMI 필터와 잡음성능의 만족시키는 소자가 필요하고, 전자파 방사의 수준을 만족시켜야 한다.
세라믹 부품 또는 필터 어레이 솔루션은 실리콘 기반 제품과는 달리 튜닝 후 오직 하나의 특정 밴드 1GHz 이하, 1.6GHz의 GPS 혹은 1.8GHz에서 시작하는 고주파수 중 - 하나만을 필터링하므로, 모든 다른 밴드를 희생시키고 하나의 싱글 밴드만을 필터링하는 것은 여러 TIS(Total Isotropic Sensitivity) 문제 중 하나만을 해결하므로 핸드셋 수신에 효과적인 솔루션이 되지 못한다.
TVS EMI 필터는 다이오드의 충전용량을 이용한다. 애벌랜시 다이오드 EMI 필터는 개별소자의 수를 감소시켜 PCB 상의 소요 면적을 줄여준다. LC 또는 RC 필터를 사용하는 선택은 L 또는 R에 의해 소모되는 전력의 양에 의한다. 즉, LINE에서 R과 같이 저항성을 가질 때 부하의 측의 전압강하가 있어서 곤란한 경우는 인덕터를 사용하고, 저전압 높은 주파수에서도 유용하다.
IPD 기술로 L, R, C를 TVS와 같이 집적한다. 레지스터에 실리콘 다결정이나 TaN 박막을 사용할 수 있는데, TaN은 면저항 300~500ohm/sqr, TCR=100ppm/C로 다결정 실리콘의 1000ppm/C 수준에 비해 안정하다. 커패시터는 MSM, P-N junction, NON 등의 구조를 사용할 수 있는데, ONO의 20um 되는 트렌치를 이용하면 30nF/mm2의 고밀도 정전용량 소자를 제작할 수 있다. 인덕터는 Al, Cu의 금속배선을 다층으로 활용해 대략 5um 두께로 하여 저항성분을 최소화함으로써 L=0.5~20 nH, Q=10~30@1~2GHz로 이용할 수 있다.
[그림 9]는 Z-R-Z Pi형 필터의 삽입손실에 대한 주파수특성을 보인다. GSM 밴드(800, 900, 1,900MHz)의 휴대전화의 안테나에서 방사되는 RF신호와 고속 CMOS센서와 TFT 모듈, 고속 데이터 신호선들은 EMI/RFI와 ESD 문제를 야기시킨다. 마찬가지로 블루투스, WLAN 802.11b(2.4GHz)의 경우도 케이블을 통하여 과다한 EMI를 방사하거나 원하지 않는 RF를 받아들인다. 따라서 EMI 필터를 입출력 단자의 근처에 설치하여 방사를 최소화 하고, RF 밴드의 잡음과 원하지 않는 하모닉스를 억제하도록 한다.
고성능 EMI/ESD 필터의 주요 특성 (7, 8):
- 낮은 삽입손실(S21<8 dB @ f< 10 MHz)
- GHz 대역에서의 높은 고주파 감쇄 (S21~ -30 dB)
- 높은 차단주파수(F3dB> 100~600 MHz)
- 채널 사이의 작은 간섭 (S41~ -60 dB)
- 정전기 방호에 대한 높은 내전압 (IEC61000-4-2 Level 4, ±8 kV)
- 이동기기에 적합한 소형, 저저항 패키징 (SOT, UDFN)
- 높은 신뢰성(MTTF> 100,000 hr)
상술된 바와 같이 비디오 신호의 무결성이나 베이스 밴드 제어회로에 손상을 줄 수 있는 ESD/EMI를 확실하게 방지해야 하는 점은 중요하다. 디스플레이의 케이블에 사용하는 주요 임피던스는 100 Ω(±10%)이므로 필터의 설계에 주로 100 Ω 임피던스를 적용한다. 그런데, 최근에 카메라나 LCD의 클록 주파수는 8~12 MHz에서 >30 MHz 이상으로 높아지는 추세이다. 따라서 과거에 비하여 낮은 정전용량을 갖는 TVS 소자가 필요로 된다.
예로써 Pi형 필터에서 C1=C2=27pF의 경우 fc=59MHz이지만, C1=C2=8.5 pF로 감소시키면 fc=190MHz로 높일 수 있다. 대부분 데이터 라인에 양의 신호만 있어서 단방향 TVS 제너다이오드를 사용하지만, 오디오용 회로에는 접지에 대해 양음(+5~-5V) 전압이 신호에 공존하므로 양방향의 TVS를 사용해야 한다.
[그림 10]은 도핑농도를 급격하게 제어할 수 있는 에피성장 기술과 저온공정 기술을 적용하여 제작하는 고성능의 TVS를 적용한 필터 칩이다(6). 즉, 다이나믹 저항이 0.15~2 Ω, VBR= ±7V인 양방향 TVS를 적용하였다. Pi형 T-R-T 필터에서 R=100 Ω, C=4~17 pF로 하여 fc=15-~600MHz로 조절할 수 있다.
ULC-TVS 칩 어레이
IT 세트에서 데이터 전송을 위한 신호선은 전송속도가 증가함에 따라 ESD 보호에 있어서 특별한 주의를 요하는데, 정전용량을 최소화하여 신호의 무결성을 보호하는 TVS array를 적용한다. 최근에는 정전용량을 극히 낮은(ULC: Utra Low Capacitance) 0.3pF 수준으로 기술이 발전하고 있는데, 이를 위해서는 항복전압이 100V 이상이 되는 PIN 스티어링 다이오드를 하나의 칩에 집적하는 방식을 선호한다. 소자들을 작은 면적에 집적하면서 PIN 스티어링 다이오드의 누설전류와 항복전압을 유지하고, 동시에 TVS 소자의 ESD 성능을 유지하는 기술이 핵심이다.
TVS 다이오드들은 [그림 11]과 같이 어레이로 구성하여 고속의 데이터를 전송하는 CAN (Controller Area Network)를 보호하는데 이용될 수 있다. 그림 (a)의 경우 동일한 네 개의 TVS를 가지고 양방향 어레이를 구성하였다. 클램핑 전압은 순방향으로 걸린 다이오드의 턴-온 전압에 역방향으로 걸린 다이오드의 항복전압을 더한 값으로 결정된다. 양방향 TVS는 길이가 큰 케이블을 사용하는 응용에 유효하고, 또한 발신과 수신을 위한 모듈이 다른 경우에 발생하는 옵세트 전압의 문제를 해결하는 차동증폭기에 적절하다.
보통의 PIN 다이오드와 TVS 다이오드를 함께 조합한 형태의 어레이도 역시 데이터 라인을 보호하는데 흔하게 이용된다. 신호선에서 서지가 VDD 이상이나 접지전압 이하로 되는 경우 크램핑 접압에 걸리게 된다. 그림 (b)에서 조종(steering) 다이오드인 D1, D2, D3, D4의 다이오드는 정전용량을 낮게 설계하여 빠른 turn-on이 되도록 하고, Z1은 서지 동안에 전력을 대부분 소진시키도록 동작한다.
LED용 TVS 서브마운트
과거에 LED 소자는 정전용량이 크고, 루미네슨스의 시간상수가 길기 때문에 통상적으로 광통신에 부적합하여 사용되지 않았고, 대신 고성능 레이저 다이오드가 활용되었다. 그러나 최근 GaN-based LED가 디스플레이는 물론 각종 조명에 이용되면서 점차 일상생활에 응용할 수 있는 LED 센서와 통신에 대한 기술개발이 활발해지고 있다. 데이터 전송의 속도가 느리긴 하지만, 다양한 빛 상태에 노출되는 환경에서 LED를 이용해 수 Kbps에서 Mbps까지 무선 광통신을 하는 기술개발은 매우 매력적이라 할 수 있다.
TVS는 Blue, Green, White 빛을 내는 GaN LED의 ESD 방호에 활용. 특히, 20 kV 이상인 고내전압 특성이 요구되는 옥외용 조명기기의 정전기 방호소자로서 유용하여, 주로 조명용 고효율 LED에 사용한다. [그림 12]의 크리(Cree)는 XLamp LED에, CMD는 LuxGuard에, Limileds는 Luzeon에 하나 같이 양방향 TVS 서브마운트를 적용하고 있다.
양방향 TVS sub-mount는 직접 부착해야 하는 수직형 LED 모듈에 매우 유용하며, 단일방향 소자에 비해 양측 방향에서 진입한 ESD에 대해 빠르게 동작하여 클램핑하는 기능을 갖는다. 고휘도 LED에서 열방출이 심하므로 열전도도가 높고 열응력에 대한 매칭이 되어야 신뢰성을 높일 수 있다.
[그림 13]과 같이 최근에 UHB(Ultra High Brightness)인 수직형 LED를 조명용에 사용하려는 시도가 커지면서 10W를 넘어서 100W급으로 발전하는 과정에서 양방향 TVS 서브마운트와 조립되는 여러 방식의 패키징에 대한 시도가 활발하다. OnChip에서는 더욱 완벽한 ESD 보호를 위하여 인덕터를 사용하여 Pi형 LC 필터와 동일한 구조의 TLT 타입의 서브마운트를 제시하기도 한다. 이 경우 클램핑 전압을 TVS의 항복전압과 별 차이가 없는 수준으로 조절하여 과전압이 LED에 인가되지 않도록 철저히 방어할 수 있다.
CMD(California Micro Devices)는 초고휘도 발광 다이오드(UHB LED)인 LuxGuard를 발표하였다. 실리콘 서브마운트를 사용해 리드프레임과 LED 사이의 열팽창에 의한 응력을 완화하여 15kV HBM에 대한 ESD 보호성능을 제공하는 제품이었다. LED를 ESD로부터 보호하는데 TVS는 매우 유용하다.
고출력 LED는 전류-전압이 높은 동작조건에서 작동하므로 ESD에 더욱 취약하여 추가적인 ESD 보호가 필요하다. ESD 등급은 다이의 크기에 의해 결정되는데 보통 8~15kV HBM으로 이용된다. CMD는 TVS를 이용하여 단방향과 양방향이 가능하고, 여러 등급의 항복전압으로 조절할 수 있고, 다이의 크기와 금속접합의 종류를 다양하게 조절할 수 있었다. 그리고 LED 디스플레이의 응용에 있어서 양방향 TVS는 누설전류를 줄여서 매트릭스 형태의 구조에서 이미지의 잔상현상을 감소시키는데 중요한 역할을 한다.
ESD 테스트는 그림 14(a)와 같이 ± 방향의 고전압 펄스를 5회 인가한 후에 소자의 전기적 동작특성을 측정하여 평가한다. TVS 보호를 받지 않는 LED 소자는 ESD 전압이 1~2kV 사이에서 역방향 누설전류의 증가가 10배 정도 일어난다. 반면에 TVS 보호를 한 LED 소자는 8kV의 ESD에 의해서도 미소한 변화만을 보인다. 이렇게 TVS 보호가 없이는 ESD 전압이 ~2kV 이하에서 역방향 누설전류가 급격히 증가하는 현상으로부터 정전기에 의한 degradation이 심각함을 보인다.
그림 14(b)는 ESD에 의해 LED의 광방출 효율이 저하되는 정도를 보여준다. TVS 보호가 없는 LED는 2kV 부터 광루미네슨스의 감소가 이미 시작되었으며, 8kV에 의해서는 발광효율이 50%대로 떨어졌다. 반면에 TVS 보호가 되는 LED의 경우는 8kV에 의해서도 극히 미소하게 변화하여 정전기로부터 매우 안정하게 보호되었음을 나타냈다.
위에서 GaN-based LED는 2kV의 정도의 낮은 ESD 전압부터 광-기적 특성이 심하게 저하되어 누설전류가 증가하고 발광효율이 격감하였다. 즉, 품질이 좋은 GaN-based LED에 대한 테스트였음에도 불구하고, ESD에 취약한 심각성을 보였다. 따라서 다이내믹 저항이 1 Ω 이하의 고성능 TVS를 채용하여 클램핑 전압을 아주 낮게 제어하는 것이 LED의 신뢰성 확보에 필수이고, 중요하다는 점을 심각하게 인식해야 한다.
맺음말
반도체 집적기술에 의한 TVS 칩은 고속동작, 소형화, 신뢰성에 있어서 세라믹이나 고분자 제품과 차별화 되며, ESD/EMI 보호를 위하여 IT 전자기기에 널리 활용된다. 데이터 전송속도가 400 Mbps 급을 초과하는 무선전송 및 멀티미디어 기술이 확산되어 크기가 작으면서 빠르게 동작하는 반도체 TVS칩이 필요로 된다. 더불어서 PPP를 높인 고전압-전력형 TVS는 물론 IPD 기술로 집적한 칩에 대해 주목해야 한다. 그리고 최근 센서 네트워크와 같은 기술의 발전에 따라 TVS 소자를 센서용은 물론 조명과 통신용 고휘도 LED에 적합한 구조로 사용된다. 향후 자동차, 태양전지, 바이오-의료 분야에 전장화가 가속되어 ESD/EMI 보호를 위한 반도체 TVS 칩도 성능과 신뢰성에 대한 고급화가 진행될 것으로 예견된다.
참고문헌
(1) J. Lepkowski, "An Introduction to Transient Voltage Suppression Devices" "AND8229/D, ON Semiconductor Application Note, July 2005, pp.1-8.
(2) S.S. Choi, D.H. Cho, K.H. Shim, "Development of Transient Voltage Suppressor Device with Abrupt Junctions Embedded by Epitaxial Growth Technology," Electronic Materials Letters, Vol. 5, No.2, 2009, pp.59-62.
(3) 심규환, "LED의 정전기 보호용 제너다이오드 기술", 월간 전자부품, July, 통권 57호, 2009, pp.38-48.
(4) http://www.sigetronics.com, www.calmicro.com, www.nxp.com, www.onsemi.com
(5) S.H. Voldman, ESD Failure Mechanisms and Models," Wiley, 2009.
(6) 최상식, 조덕호, 심규환, "TVS를 이용한 ESD 보호 및 잡음필터 기술동향," 정보통신산업진흥원, 주간기술동향 1416호, 포커스, Sept. 2009, pp. 1-18.
(7) R. Hurley, "Design Considerations for ESD/EMI Filters: I" AND8200/D, ON Semiconductor Application Note, June 2005, pp.1-18.
(8) U. Sharma, H. Gee, P. Holland, R. Liu, "Intrgration of Precision Passive Components on Silicon for Performance Improvements and Miniaturization", IEEE 2nd Electronics System Integration Technology Conference, Greenwich, UK, 2008, pp.485-490.
(9) 최상식, 조덕호, 심규환, LED 반도체 조명학회지(to be published)
그림 1 ESD/EOS/EMI TVS 칩셋의 핵심기술과 응용분야(지식경제부, 2010부품소재 기획보고서)
그림 2 TVS 소자의 종류[1]
그림 3 Crow-bar 소자의 ESD 보호에 대한 TLP 측정과 snap-back I-V 특성
그림 4 TVS Zener 소자의 전형적인 I-V 특성: 일방구조와 양방구조
VBR: breakdown voltage at IT IT: test current
VST(=VRWM): stand-off voltage - usually 80% of VBR
VRWM: reverse working maximum voltage(max. off-state voltage)
IR: maximum reverse leakage current VC: maximum clamping voltage
PPPM: peak pulse power IPPM: max. IPP at max. Vc
ZZK: Zener impedance at IZK IZK: Reverse current
IPP: maximum peak pulse current - maximum permissible surge current to be
protected by the device(i.e., 100 A)
그림 5 양방향 TVS 소자의 I-V 특성과 TLP 특성(Sigetronics)
그림 6 자동차 파워 트레인 보호를 위한 TVS 소자의 응용(Vishay)
그림 7 고전류단과 저전류단의 ESD/EMI를 보호하는 이단계 ESD/EMI 필터회로 (Vishay)
그림 8 애벌랜시 TVS 다이오드를 이용한 필터회로 [1]
그림 9 온웨이퍼 측정된 ESD/EMI 필터의 주파수 특성(시지트로닉스)
그림 10 패키징된 ESD/EMI필터 종류와 (b) SOT523 패키징된 ESD/EMI 필터의 주파수 특성(6)
그림 11 CAN 데이터 라인 보호를 위한 구조 [1]
그림 12 LED의 정전기 보호를 위한 TVS의 적용사례와 ESD 펄스의 형태(Osram, Sigetronics, Cree)
그림 13 양방향 TVS 서브마운트에 수직형 LED를 조립한 구조 (CMD)
그림 14 GaN LED의 ESD 보호에 대한 TVS 의 효과를 보여주는 (a) 역누설전류의 변화와 (b) LED 발광전력의 변화 (9)
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