サージは ESD ではない：8kV に合格したポートが、長いケーブルで壊れた

何を守っていたのか

装置の外部インタフェースです。コネクタがあり、その直後に低容量 ESD アレイ、その先にインタフェース IC。この配置は正しく、選ばれた部品も正しいものです。レイアウトにも回路図にも、レビューで指摘されるような点はありません。

この基板は IEC 61000-4-2、つまり誰もが「ESD 試験」と言うときに指す規格で認証を受け、合格しています。

レポートはきれい、返品はそうではない

露出しているピンすべてに接触放電を規定レベルまで。故障なし、劣化なし、全項目で判定基準 A。書類の上では、このポートは守られています。

そこへインタフェースのピンが短絡した製品が戻り始めます。返品を日付ではなく設置現場で並べ直した瞬間、傾向ははっきりし、しかも人とは何の関係もありませんでした。不具合が出ているのは、ケーブルを長く引いた現場だけです。

この一点で決まりです。合格した試験と、故障を起こした事象は、同じものではありませんでした。この先は、なぜ一つの部品が前者では優秀で後者では容量不足になりうるのか、という話です。

二つの事象、一つのコネクタ

人体からの放電と、ケーブルを伝ってくるサージ。どちらも同じピンに届き、同じ部品が受け止めるので、一つの話題として語られがちです。しかし同じ話題ではありません。シリコンが壊れるかどうかを決める変数が違います。その変数は、電流が どれだけ長く続くか です。

• ESD、IEC 61000-4-2。帯電した人や物がコネクタに触れます。8kV 接触放電では、発生器は 150pF を 8kV に充電したもので、ピーク 30A を流し、事象全体が約 200ns で終わります。製品の一生で数回起きる程度です。
• サージ、IEC 61000-4-5。線路上のスイッチングや、同じ経路のどこかへの落雷が、ケーブルにエネルギーを誘導します。8/20 マイクロ秒波形で、長さは数十マイクロ秒。隣の工場がモータを起動するたびに来ることもあります。

長いケーブルはアンテナであり導体でもあります。二つ目の事象が存在する理由そのものであり、同じ製品でもケーブルが短い現場ではこの故障が一度も出なかった理由でもあります。

一方は波形、もう一方は負荷線

この違いは見せ方の問題ではありません。それぞれの事象が部品に何をしているかを表しています。

ESD では電流を時間に対して描きます。形を持った過渡現象だからです。ダイが温まる前に終わるので、重要なのは素子がどれだけ速くオンするか、その間に電圧がどこまで上がるかです。

サージでは電圧を電流に対して描きます。定常的な動作点に達するだけの長さがあるからです。素子はその線上のどこかに数十マイクロ秒とどまります。抵抗が負荷線を持つのと同じ意味で負荷線を持ち、そこにいる間ずっとダイは発熱し続けます。

どちらも PZ0303P-F10 で実測してデータシートに載せたもので、シミュレーションではありません。データシートでは Fig 4 と Fig 5 にあたります。図の種類が違うのは、事象の種類が違うからです。

それぞれが実際に運ぶ電荷

ESD 側はモデル化すら不要です。8kV 接触放電は 8kV に充電された 150pF から来るもので、電荷は容量かける電圧ですから、この事象が運ぶのは 1.2 マイクロクーロン。放電の全量がこれです。

8/20 マイクロ秒波形の 6A サージが運ぶのは約 111 マイクロクーロン、およそ 90 倍です。ピーク電流は 5 分の 1 なのに電荷は 90 倍。事象の幅が広いというだけの理由です。

落とし穴を一文で言えばこうなります。引用されるのはピーク電流で、損傷を与えるのは継続時間です。ピーク電流だけで選ぶと、サージに対して過剰なほど余裕があるように見えて、そして耐えられません。

同じシリコン、まったく違う二つの定格

PZ0303P-F10 の絶対最大定格の表を開くと、両方の数字が同じページに二行で載っています。

• IEC 61000-4-2 で ±16kV 接触放電、±21kV 気中放電
• IEC 61000-4-5 で 8/20 マイクロ秒における 6.0A ピークパルス電流

どちらも本当で、互いに矛盾しません。同じダイを、要求のまったく違う二つの事象で測った結果です。最初の数字だけを持ち帰った人は、事実を聞いた上で誤った結論に達したことになります。

はっきり書きますが、6A は平凡なサージ定格です。それでも印刷します。ある事象では優秀で別の事象では平凡な部品は、それを自分の表紙で言うべきです。そうしなければ、このノートが描いている故障になります。

なぜ決めているのが熱なのか

二つの事象を素子のところで比べると、クランプ電圧はほとんど動きません。データシートに両方あります。16A の TLP パルスで 6.1V、5A のサージで 6.2V。電流は 3 倍違い、電圧の差は 0.1V です。

つまり素子は電気的にはどちらでもほぼ同じことをしていて、それでも一方は楽に耐え、もう一方は定格の限界に張り付いています。この二つを分けているものがクランプ電圧であるはずがありません。クランプ電圧こそ、変わらなかったものだからです。

二桁変わるのはダイがその電流を担い続ける時間です。電力は電圧かける電流、エネルギーは電力かける時間。クランプ電圧がほぼ同じで、電流が 5 分の 1、電荷が 90 倍という条件では、サージが同じシリコンに注ぎ込むエネルギーははるかに大きく、しかも熱が逃げる先がないほどゆっくり進みます。

ESD が実際に損傷を起こす場合、多くは絶縁膜の問題です。サージの損傷は熱です。だから二つの定格は違うものに従います。ESD の数字は素子がどうオンするかに、サージの数字はダイ面積とパッケージの放熱能力に従います。

三つのクラス、境界はエネルギー

継続時間こそが変数だと認めた時点で、選定は勘の問題ではなく、答えのある問いになります。

1. ESD のみ、高速線。ポートは筐体内、ケーブルは短く、信号は容量負荷に耐えられない。ここでは容量が制約なので、超低容量アレイが正解です。PZ0303P-F10、0.45pF、4 チャネル。
2. ESD と軽度のサージ。外に出るが短く、曝露も限定的。SMF または SMA パッケージの TVS。当社ラインでは 10/1000 マイクロ秒で 200W から 600W です。
3. 本格的なサージエネルギー。外部の長いケーブル、産業環境、あるいは車載のロードダンプ。SMB または SMC パッケージの TVS で 600W から 5000W。ロードダンプなら DO-218 で 6600W から 8000W。

このクラス分けはエネルギー耐量で分かれており、容量は逆方向に動くことに注意してください。最も多くのエネルギーに耐える部品は接合面積が最も大きく、したがって容量も最も大きくなります。これが本当のトレードオフであり、一つの部品がこのリストの両端に立てない理由です。

両方が現実なら、両方載せる

この結論は嫌われます。部品表が一行増えるからです。それでも、ESD アレイは TVS があっても不要になりませんし、TVS は ESD アレイがあっても不要になりません。

TVS はサージを吸収するダイ面積を持つ側ですが、高速線を単独で守るには遅すぎ、容量が大きすぎます。ESD アレイは速くオンし、信号への負荷は 1pF に満たない一方で、サージの中で 20 マイクロ秒耐えるだけのシリコンを持ちません。両方の事象に本当にさらされるポートでは、TVS をコネクタ側に置いてエネルギーを受け、低容量アレイを IC の隣に置いて通り抜けた分を受け止めます。

片方だけ載せて守られたことにするのが、きれいな認証レポートが市場返品に変わる道筋そのものです。

選ぶ前に確認すること

三つの質問。どれも保護素子についての質問ではありません。

1. ケーブルの長さは、そして筐体から出るか。筐体内のフラットケーブルと現場の 30 メートル配線は、回路図が同じでも同じポートではありません。
2. 反対側に何がつながり、同じ経路に何が同居しているか。誘導性負荷、モータドライブ、長い並走配線が、信号ケーブルにサージエネルギーを載せます。
3. その線のデータレートは。これが容量の予算を決め、容量の予算が、低容量部品にどこまで任せられるかを決めます。

この三つに答えればクラスは自動的に決まります。飛ばせば、いちばん大きく印刷された数字で決まってしまいます。