突波不是 ESD：通過 8kV 測試的埠，最後死在一條長線上

被保護的是什麼

設備上的一個對外介面。一個連接器，後面緊接著一顆低電容 ESD 陣列，再進到介面 IC。這個擺法是對的，選的元件也是對的。佈線沒有問題，電路圖拿去審查也挑不出東西。

這塊板子依 IEC 61000-4-2 做認證，也就是大家講「ESD 測試」時所指的那份標準，而且通過了。

報告很乾淨，退貨不是

每一支外露的腳都做過接觸放電，做到規定的等級。沒有失效，沒有劣化，全程判定 A。就報告來看，這個埠是有保護的。

然後產品開始退回來，介面腳短路。等到有人不再按日期、改成按安裝現場去分類退貨，規律就很明顯，而且跟人完全無關：出問題的都是拉了長線的現場。

這一件事就足以定案。通過的那個測試，和造成失效的那個事件，根本不是同一件事。這篇後面要講的，就是為什麼同一顆元件可以在前者表現很好，在後者卻不夠用。

兩種事件，同一個連接器

人體放電和沿著纜線進來的突波，都打在同一支腳上，也都由同一顆元件擋，所以常常被當成同一個題目在討論。它們不是同一個題目。真正決定矽會不會壞的那個變數不一樣，那個變數是電流持續多久。

• ESD，IEC 61000-4-2。帶電的人或物體碰到連接器。8kV 接觸放電時，產生器是 150pF 充到 8kV，打出 30A 的尖峰電流，整個事件在大約 200ns 內結束。產品一生大概只會遇到幾次。
• 突波，IEC 61000-4-5。線路上的切換動作，或是這條線路別處的雷擊，把能量感應到纜線上。用 8/20 微秒波形，長度是數十微秒，而且隔壁廠每啟動一次馬達就可能來一次。

長線既是天線也是導體。第二種事件之所以存在就是因為它，這也是為什麼同一款產品在短線的場合從來沒出現這個失效。

一個是波形，一個是負載線

這個差別不是畫法問題，它告訴你每一種事件對元件做了什麼。

ESD 要畫的是電流對時間，因為它是一個有形狀的暫態。晶粒還來不及熱起來事件就結束了，所以重點是元件導通得多快，以及導通過程中電壓衝到多高。

突波要畫的是電壓對電流，因為它久到足以進入一個穩定的工作點。元件會停在那條線上的某一點，持續數十微秒。它有負載線，就像電阻有負載線一樣，而且停在那裡的整段時間晶粒都在發熱。

這兩張都是 PZ0303P-F10 實際量測後刊在規格書上的，不是模擬。它們在規格書裡是 Fig 4 和 Fig 5，之所以是兩種不同型式的圖，就是因為它們是兩種不同的事件。

各自搬了多少電荷

ESD 這一邊根本不需要建模。8kV 接觸放電來自一顆充到 8kV 的 150pF 電容，電荷等於電容乘電壓，所以這個事件搬了 1.2 微庫倫。整場放電就是這麼多。

6A 的突波在 8/20 微秒波形下搬了大約 111 微庫倫，差不多是 90 倍。尖峰電流小了 5 倍，電荷卻大了 90 倍，純粹是因為事件比較寬。

這個陷阱一句話就能講完：大家引用的是尖峰電流，真正造成傷害的是持續時間。只看尖峰電流去選料，會覺得這顆對突波規格過剩得離譜，然後它撐不過去。

同一顆矽，兩個差很多的規格

打開 PZ0303P-F10 的極限值表格，兩個數字都在，同一頁，兩列：

• 依 IEC 61000-4-2，±16kV 接觸放電，±21kV 空氣放電
• 依 IEC 61000-4-5，8/20 微秒下 6.0A 尖峰脈衝電流

兩個都是真的，而且彼此並不衝突。它們是同一顆晶粒面對兩種要求完全不同的事件所量到的結果。只把第一個數字帶走的人，聽到的是事實，卻得出了錯的結論。

這裡直說：6A 是一個普通的突波規格，我們還是把它印出來。一顆元件如果在某一種事件表現很好、在另一種只是普通，就應該在自己的封面上講清楚，否則就會變成這篇在講的那種失效。

為什麼決定生死的是熱

把兩種事件拿到元件上比較，箝位電壓幾乎沒動。規格書兩個都有給：16A TLP 脈衝下是 6.1V，5A 突波下是 6.2V。電流差 3 倍，電壓差 0.1V。

也就是說，元件在兩種情況下電氣上做的事幾乎一樣，可是其中一種它輕鬆撐過，另一種卻已經頂在額定極限。所以區分這兩者的不可能是箝位電壓，因為箝位電壓正是那個沒有變的東西。

真正差了兩個數量級的是晶粒必須扛這個電流多久。功率是電壓乘電流，能量是功率乘時間。在箝位電壓差不多、電流只有五分之一、電荷卻是 90 倍的情況下，突波灌進同一塊矽的能量高得多，而且慢到熱沒有地方可以去，只能留在接面上。

ESD 真的造成損傷時，通常是介電層的問題。突波的損傷則是熱。這也是為什麼這兩個規格跟著不同的東西走：ESD 的數字跟元件怎麼導通有關，突波的數字跟晶粒面積、以及封裝把熱帶出去的能力有關。

三個等級，分界是能量

一旦接受持續時間才是變數，選料就不再是憑感覺，而是一個有答案的問題。

1. 只有 ESD，而且是高速線。埠在機殼內，線很短，訊號不能被電容拖累。這時電容是主要限制，該用超低電容陣列。PZ0303P-F10，0.45pF，4 通道。
2. ESD 加上輕度突波。對外但不長的線，暴露程度有限。用 SMF 或 SMA 封裝的 TVS，在我們的產品線裡是 10/1000 微秒下 200W 到 600W。
3. 真正的突波能量。對外長線、工業環境，或是車用的負載突降。用 SMB 或 SMC 封裝的 TVS，600W 到 5000W；若事件是負載突降，用 DO-218，6600W 到 8000W。

注意這三級是照能量承受力分的，而電容的走向剛好相反。能扛最多能量的元件接面面積最大，電容也最大。這才是真正的取捨，也是為什麼一顆元件不可能同時站在這張清單的兩端。

兩種事件都會發生，就兩顆都放

這個結論大家通常會抗拒，因為它在 BOM 上多一行。TVS 不會讓 ESD 陣列變得多餘，ESD 陣列也不會讓 TVS 變得多餘。

TVS 是有晶粒面積去吸收突波的那一顆，但它太慢、電容太大，不能單獨拿來保護高速線。ESD 陣列導通快，對訊號的負擔只有零點幾 pF，但它沒有足夠的矽可以在突波裡撐二十微秒。一個埠如果兩種事件都真的會遇到，就把 TVS 放在連接器端去吃能量，把低電容陣列放在 IC 旁邊，接住漏過來的部分。

只放一顆就當這個埠有保護了，正是一份乾淨的認證報告變成現場退貨的過程。

選料前先確認什麼

三個問題，沒有一個是在問保護元件本身。

1. 線有多長，會不會離開機殼？機內一條排線，和現場拉三十公尺，即使電路圖一模一樣，也不是同一個埠。
2. 線的另一端接什麼，還有什麼跟它走同一條路徑？電感性負載、馬達驅動、以及長距離的平行走線，都是把突波能量帶到訊號線上的來源。
3. 這條線跑多快？這決定了電容預算，而電容預算決定了低電容那顆能承擔多少工作。

這三個問題答完，等級自己就出來了。跳過它們，選料就會變成看哪個數字印得最大。