用芯片保險絲提升過流保護能力

在電子產(chǎn)品中，芯片保險絲具有兩種作用：即保護最終用戶免受傷害并保護電路不被損壞。這些功能使設(shè)備用戶和廠家同時受益。

過去10年，市場對服務(wù)于信息技術(shù)、移動和消費應(yīng)用電子設(shè)備的需求在急劇上升。伴隨這一迅速增長的需求是電子設(shè)備發(fā)生意外情況的風險也加大，需借助類似芯片保險絲等過流保護器件規(guī)避電氣過載等風險。

芯片保險絲設(shè)計原則

在分析市場上各種芯片保險絲的電氣特性前，最重要的是首先了解每種技術(shù)背后的基本設(shè)計原則。

標準熔絲可能以置于內(nèi)充空氣或沙子的密封陶瓷或玻璃管內(nèi)的金屬線為基礎(chǔ)，但芯片保險絲則基于完全不同的原則。大多數(shù)芯片保險絲看似標準芯片器件且由單或多層陶瓷基板制成。以前的一些老設(shè)計則以類似印刷線路板(PCB)那樣的環(huán)氧玻璃纖維基板為基礎(chǔ)。

單層基板上或多層基板內(nèi)的熔斷元件是基于如銅、金，或類似銅-錫(Cu-Sn)或銀-鈀合金那樣的高導(dǎo)電材料。這些復(fù)合材料可提升保險絲承受浪涌電流的能力。但它們對熱應(yīng)力的響應(yīng)往往不太穩(wěn)定，這增加了在歷經(jīng)多個浪涌周期后不正確熔斷的可能性。

為取得預(yù)期特性，根據(jù)基底類型，熔斷元件可能是激光調(diào)割的厚膜沉積也可能是化學蝕刻的金屬層。還可能采用熔焊的金線。因其形狀和厚度是確定的，所以若電流達到一定水平，則熔斷元件在過載條件下經(jīng)歷一定時間后就將熔斷。

為了履行其作為芯片組件功能層的職能，熔斷元件必須不受環(huán)境條件的影響。對單層芯片保險絲來說，熔斷元件上通常涂覆漆環(huán)氧樹脂。多層片式保險絲的熔斷元件則由于各基板層而自然獲得了保護。由于芯片保險絲可工作在高達7～8A的額定工作電流下，所以它們要求表貼器件(SMD)連接具有低阻抗特性。

熔斷特性是芯片保險絲最重要的屬性(圖1)。該特性界定了在一定電過流條件下的熔斷時間。若電流達到一定預(yù)設(shè)值，則在稱為弧前(pre-arc)時間的一個已知期限內(nèi)，熔斷元件內(nèi)耗散的電能足以把其熔化并汽化。

關(guān)鍵性能參數(shù)

圖1所示的熔斷特性有兩個主要區(qū)域。到藍曲線左邊的部分是第一個區(qū)域，包括綠色陰影區(qū)內(nèi)的正常“透明”工作區(qū)以及可達保險絲額定電流兩倍的短期過流態(tài)工作區(qū)。該區(qū)決定芯片保險絲的脈動負載能力，該能力取決于熔斷元件的特性。例如，可通過增加熔斷元件的截面積，提升脈動負載能力。

藍線界定的是在過載和超過保險絲額定電流(I2R)的短路電流條件下的熔斷時間，圖例保險絲的I2R等于5A。熔斷保險絲所需的能量由I2T給出,因此若過電流增加，則保險絲的熔斷時間將變短。

典型情況下，當流經(jīng)保險絲的電流是其額定電流的兩倍時，期望保險絲能在1～3秒內(nèi)熔斷。當流經(jīng)電流是額定電流的10倍時，熔斷時間應(yīng)小于0.1毫秒。但從相反角度看，為防范保險絲在流過正常浪涌電流時熔斷，浪涌脈動電流的最大I2T應(yīng)大約在保險絲最高額定I2T的一半以內(nèi)。保險絲的熔斷時間與熔斷元件和環(huán)境間的熱阻抗相關(guān)，它們?nèi)Q于熔斷元件特性、基板、密封、端連接以及PCB布局。因此，熔斷時間以及所提供的保護效能，取決于生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)計。

若熔斷元件和環(huán)境間的熱阻抗過低，將沒有足夠能量融化熔斷元件。這將使保險絲不能在120秒內(nèi)切斷相當于額定電流兩倍的過載電流。圖2和圖3說明了多層片式保險絲以及激光調(diào)割厚膜芯片保險絲的這種情況。

但在實際應(yīng)用中，熔斷元件的設(shè)計和采用的生產(chǎn)技術(shù)對熔斷特性的精度、重復(fù)性和穩(wěn)定性有很強影響。理解這兩個關(guān)鍵因素是為給定應(yīng)用選用最佳芯片保險絲的關(guān)鍵。

熔斷特性的穩(wěn)定與熔斷元件的設(shè)計緊密關(guān)聯(lián)。另一方面，重復(fù)性則主要取決于芯片保險絲生產(chǎn)技術(shù)的穩(wěn)定性和精度。

穩(wěn)定性

就熔斷特性來說，“穩(wěn)定”指的是什么?芯片保險絲的電阻是決定其熔斷特性的參數(shù)。因為在過載條件下施加的能量正比于電阻值，所以阻抗越大，保險絲熔斷的越快;相反，減少阻抗將延長熔斷所需時間。

根據(jù)厚膜電阻使用經(jīng)驗，諸如短時過載、焊接熱和脈動沖擊等熱應(yīng)力往往會使阻值變大。在芯片保險絲內(nèi)發(fā)生這些現(xiàn)象將改變其特性，從而縮短熔斷所需時間。

為實現(xiàn)高 I2T值，要在熔斷元件內(nèi)摻揉進銅-錫合金等不同材料。但因熱應(yīng)力會使合成材料特性發(fā)生漂移，所以在經(jīng)歷連續(xù)熱應(yīng)力后，它們對更短的熔斷時間特別敏感。

圖4說明了銅-錫合金在歷經(jīng)脈動負載沖擊后發(fā)生的性能漂移過程。基于功率負載的幅值和持續(xù)時間，這些種類的保險絲將改變其特性從而使熔斷時間變短。保持芯片保險絲阻值穩(wěn)定的技術(shù)將防止熔斷特性發(fā)生這種漂移。

重復(fù)性

在設(shè)計過程中，電子工程師面臨高度變異的熔斷特性。通常，芯片保險絲是阻值低的電阻、可具有低至毫歐(mΩ)級阻值水平。如上所述，熔斷特性與阻值相關(guān)。若阻值變化很大，則相應(yīng)地熔斷特性也將在很寬范圍內(nèi)漂移。

源于這種阻值變化，芯片保險絲可能在正常浪涌電流條件下熔斷。或反過來說，它也可能在過載條件下需要熔斷時而沒能熔斷。當然，這是工程師必須避免的最壞情況。圖5顯示了印刷厚膜保險絲熔斷特性的典型擴散。

解決熔斷特性的穩(wěn)定性和準確性問題

薄膜技術(shù)可滿足熔斷特性對優(yōu)異的穩(wěn)定性、準確性以及縮窄擴散范圍的所有要求。自20世紀60年代末以來，薄膜濺射技術(shù)就已被用于生產(chǎn)高穩(wěn)定高精確的薄膜電阻。目前在各電子領(lǐng)域，幾十億此類器件正被用在惡劣環(huán)境中。

目前的濺射技術(shù)得益于一些關(guān)鍵好處：如對沉積厚度的嚴格控制，以及在產(chǎn)生的金屬層實現(xiàn)的均勻結(jié)晶結(jié)構(gòu)等。當使用薄膜技術(shù)制造芯片保險絲時，這些屬性對穩(wěn)定性和縮窄熔斷參數(shù)擴散直接產(chǎn)生正面影響。

但嚴格控制熔斷元件的幾何形狀還需控制芯片保險絲的額定電流。用光刻工藝構(gòu)建熔斷元件提供了制造精確幾何輪廓并溶解端子間未使用導(dǎo)電材料的能力。

采用光刻技術(shù)，可以與控制濺射薄膜層厚度相同的準確度和精度對熔斷元件的長度和寬度施加控制。圖6顯示了如何采用光刻工藝制造Vishay的MFU系列薄膜芯片保險絲，制成的熔斷元件具有整潔和清晰的形狀。

MFU保險絲元件的形狀

通過薄膜濺射技術(shù)和光刻技術(shù)的結(jié)合，器件制造商可實現(xiàn)熔斷元件幾何形狀的嚴緊公差。與此同時，他們可確保熔斷元件具有均勻的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

這帶來了把應(yīng)變引入的阻值偏差最小化以及提升生產(chǎn)重復(fù)性兩方面的好處。圖7說明了采用這種組合技術(shù)制成的MFU系列芯片保險絲的最短和最長熔斷時間間的緊密關(guān)聯(lián)。

本文小結(jié)

薄膜技術(shù)是制造高端無源器件的一種成熟技術(shù)，在過去幾十年它已被證明并一直得到完善。其在精度、重復(fù)性和穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢在每年數(shù)十億薄膜電阻的大規(guī)模生產(chǎn)中得到推崇。

薄膜技術(shù)制造的芯片保險絲在熔斷特性的穩(wěn)定性和縮窄擴散方面具有類似的可預(yù)見屬性。將這一成熟技術(shù)用在下一代過流保護安全器件的制造，則功率電子設(shè)計人員在設(shè)計新產(chǎn)品時可得到更高水平的安全和性能。

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