科技不斷進步，電子產品與人的關係越來越密切，並持續滲透我們的生活，現在智慧型手機每天約一半時間與使用者同在，未來穿戴式裝置將24小時貼身在一起，每一個電子產品都有賴電力運行，因此會有過電流、過電壓、靜電、過溫、電磁干擾等用電風險，也讓不起眼的保護元件不僅不可或缺，重要性更加水漲船高。
保護元件具有偵測周遭環境之變動，並產生即時適當保護反應的功能，透過這些元件的使用，可保護電子產品，降低故障維修的機率。過去幾年，由於使用不當或產品本身設計問題，輕則出現產品短路、故障，重則釀成電子產品起火、消費者觸電等意外時有所聞，為避免類似情況，智慧型手機與穿戴式裝置搭載許多保護元件，未來隨著電子產品設計越趨複雜、電池容量大增、資料傳輸介面速率提升等，保護元件協助改善產品安全，強化使用者體驗，更是電子產品在功能與規格持續進化之外的最佳配角。
過電流保護
說到保護元件最直覺的聯結就是保險絲，尤其與使用者密切接觸、使用頻率高的消費性電子產品，因電路問題導致產品失效，將直接影響消費者使用體驗，知名品牌基於愛惜羽毛的原則，對於電路保護問題多半相當重視。近年最知名的電子產品設計瑕疵，莫過於三星手機自燃事件，事後我們雖了解大部分問題起因於電池，但對於三星品牌價值與銷售利潤的損失則難以數計。
一般而言，最常見的保護元件以功能可區分為過電流保護及過電壓保護。雖然性質不同，但它們的功用都是保護電子產品的零件。其中過電流的熱敏電阻(Thermistor)就是利用保險絲的原理，但差別在於，保險絲在電流過大而熔斷後，需要更換新的保險絲；多次型的熱敏電阻因電流異常而斷電後，若電流及溫度再次回復正常，即會自動恢復通電功能，不必更換零件。熱敏電阻還可分為正溫度係數(Positive Temperature Coefficient, PTC)熱敏電阻及負溫度係數(Negative Temperature Coefficient, NTC)熱敏電阻兩種。
已經有超過70年電路保護技術經驗的柏恩(Bourns)，該公司技術支援經理金韋琦(圖1)表示，可攜式產品要求輕薄短小產品空間有限，大部分空間要讓給螢幕、電池、主動元件等，身為被動元件的保護元件，被要求要不斷微縮產品尺寸，但在技術上必須承受相同的電流。PTC熱敏電阻的特性是當電流或環境溫度升高時，其電阻值會上升，以限制異常電流通過，就物理特性而言，面積越大越能偵測電流變化，所以廠商多從材料配方與製程改善，期能達成產業需求。
PTC熱敏電阻依其所使用原料可分為陶瓷正溫度係數(Ceramic PTC, CPTC)熱敏電阻及高分子正溫度係數(Polymeric PTC, PPTC)熱敏電阻兩類。CPTC熱敏電阻是由鈦酸鋇、二氧化鈦等材料添加少量稀土元素經高溫燒結製成，這種元件於某段廣泛溫度範圍會維持穩定的低電阻值，直至溫度高於材料的居裏溫度(Curie Temperature)時，其阻值會大幅增加。PPTC熱敏電阻主要是由聚乙稀(Polyethylene)及具導電性的碳黑微粒所製成。當有過大電流流過該元件時，它會因發熱而膨脹；其膨脹將使碳微粒分散開，令其阻抗增加。
然而因應技術的發展與應用需求，過電流保護產品也出現了許多不同的型態，金韋琦說明，以該公司為例，過電流保護元件就有：一次斷保險絲、可回復式保險絲、可控溫PTC、TBU高速保護器、TCS高速瞬態電流抑制器、氣體放電管、電信保險絲、薄膜晶片保險絲等。面對客戶對於產品與技術的要求，除了材料配方之外，有時架構也需要跟著更新，例如元件由點焊改成貼片，便可以有效縮小體積。
過電壓保護
而在過電壓保護部分，當電子產品的電子迴路出現異常過高電壓或者是靜電時，壓敏電阻(Varistor)會將過高的電壓降低至安全標準值，以防止主要的元件及IC損壞。安森美半導體(ON Semiconductor)保護與信號部門產品行銷經理黃新言(圖2)指出，靜電放電(Electro Static Discharge, ESD)現象，指靜電的正電荷或是負電荷逐漸累積時，會與周圍環境產生電位差，經由放電路徑而產生在不同電位之間移轉現象，ESD保護元件在手機應用非常普遍，一支手機常使用超過30顆ESD保護元件。
壓敏電阻主要由氧化鋅、氧化鉍等金屬氧化物燒結而成的非線性元件。其特性是當電路超過一定電壓時，其阻值將瞬間極小化。當突波來臨時，將使突波電流從元件本身通過並接地，避免其他元件受突波侵害，並有效減少雜訊干擾，使電子產品能正常運作。保護電子產品或元件免於受開關或雷擊誘發所產生之突波的影響，具有體積小，反應速度快的優點。
目前ESD保護元件，也走向小型化發展，黃新言說，目前尺寸0.6mm×1mm的產品，主要應用在汽車可承受較大的突波電流變化；0.3mm×0.6mm的產品應用在手機為主，也是目前的主流，出貨量最大；該公司已經發展出新一代的產品尺寸僅0.24mm×0.44mm，是目前業界面積最小的產品，初期會應用在高速介面的靜電防護，未來手機應用也將逐漸轉換到此一規格。
除了最普遍的過電流與過電壓保護元件之外，過溫與浪湧(Surge)保護元件也是常見的產品，金韋琦進一步說明，柏恩的過溫保護元件有一個小型斷路器(Mini Breakers)與Polymeric Temperature Cutoff(PTCO)過溫保護元件。浪湧保護元件包括交流電路、直流電路與同軸線路保護元件。最近兩年5G、物聯網、汽車電子等議題持續發酵，電子產品的應用領域與類型不斷擴展，也將帶動保護元件的應用與整體成長。
5G商轉開創保護元件新藍海
5G是2019年科技產業的一大熱點，利特(Littlefuse)資深技術行銷工程師游恭豪(圖3)指出，4G建設到2020年將達到高峰，2019年5G建設逐步上路，5G基地台與4G最主要的差異，在於4G訊號是區域型的涵蓋，而5G因為採用短波長的高頻毫米波，又要求達成10倍的傳輸速率，只能透過點狀的訊號涵蓋，對準終端進行傳輸，因此5G基地台要採用可相位調變的主動式天線系統(Active Antenna System, AAS)。
對於裝置在室外的5G基地台，游恭豪認為，雷擊防護是最主要的保護重點，而在其他射頻與天線模組尚有多項保護需求(圖4)，包括主動天線、射頻前端(Remote Radio Unit, RRU)、基頻、電源供應器與浪湧保護裝置，使用壓敏電阻於浪湧保護、保險絲於過電流保護、保護晶閘管(SIDACtor)、暫態電壓抑制器、放電管等，不同防雷元件對應不同天線頻段、有線網路與電源供應器。2019年5G基地台開始商轉，初期也會採用較多保護元件以確保基地台的穩定與安全。
資料來源：Littlefuse
而在終端裝置部分，游恭豪指出，儘管2019年5G終端還在推廣階段，不過大電池電量、快速充電、無線充電等應用，將持續帶動保護元件的需求，Notebook、智慧手機與穿戴式裝置都是常見的終端產品，基本上只要有元件之間的連線或對外傳輸介面，就會需要保護元件。
以功能與架構都相對複雜的Notebook為例(圖5)，電源接孔有過電流與靜電防護，電源控制模組有熱敏電阻與功率電感，電池旁邊有小型斷路器防止電池過熱，儲存裝置旁同樣有過電流與靜電防護，顯示面板上須搭載靜電防護，通訊模組須搭載靜電防護元件與保護晶閘管，高速傳輸介面要配備靜電防護、防電磁干擾濾波器，低速資料輸入介面，同樣也需要防電磁干擾濾波器與壓敏電阻。
資料來源：Littlefuse
大功率電源/高速訊號電路保護需求高
2018年智慧型手機整體出貨量較2017年衰退約4%，宣告該產品正式進入成熟期，不僅產品出貨量成長率低，平均單價也將逐年下滑，萬元以下手機預期將成市場主力，游恭豪表示，這會明顯影響手機廠對保護元件的採用，目的是為了降低成本，主要做法有兩個，一是將保護電路整合到主動元件中，二是減少元件使用的數量，保護元件就像買保險一樣，屬於一種有備無患的概念，這些不正常的過電壓、過電流、浪湧並不一定會出現，而且有時短路重開機就會恢復，只要不是重大的起火、觸電問題，消費者對於偶發的短路問題並非完全不能接受。
新興產品與功能廠商較難掌握其電氣特性，所以搭載保護元件的意願也較高，等到產品已經穩定，保護元件的表現空間就會明顯受限。Notebook與Smartphone都屬於穩定的產品，未來除了5G的機種之外，穿戴式裝置也是保護元件廠商相對有機會的市場；另外，近年汽車電子化潮流一波波，車輛安全性更是消費者高度重視的，因此車用保護元件也是未來幾年深具成長潛力的保護元件應用市場。
綜觀整個產業的發展趨勢，金韋琦強調，大功率、高速傳輸是電流與訊號傳輸發展的方向，也是最需要保護元件協助的部分，在Notebook搭載多個全功能的Type-C連接埠、5G手機、智慧手表、車用電子等應用，相信對於保護元件都有高度需求。另外，在技術部分，許多保護元件都是採用特殊材料、製程，廠商會持續開發新的材料與不同化合物添加比例，創造保護元件更好的電流、電壓、溫度感測表現，並開發寄生電容越小的元件，持續微縮產品尺寸。
