用芯片保險(xiǎn)絲提升過流保護(hù)能力

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

過去10年，市場(chǎng)對(duì)服務(wù)于信息技術(shù)、移動(dòng)和消費(fèi)應(yīng)用電子設(shè)備的需求在急劇上升。伴隨這一迅速增長(zhǎng)的需求是電子設(shè)備發(fā)生意外情況的風(fēng)險(xiǎn)也加大，需借助類似芯片保險(xiǎn)絲等過流保護(hù)器件規(guī)避電氣過載等風(fēng)險(xiǎn)。

芯片保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)原則

在分析市場(chǎng)上各種芯片保險(xiǎn)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(jì)原則。

標(biāo)準(zhǔn)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(xiǎn)絲則基于完全不同的原則。大多數(shù)芯片保險(xiǎn)絲看似標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(xiǎn)絲承受浪涌電流的能力。但它們對(duì)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(gè)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(xué)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(dá)到一定水平，則熔斷元件在過載條件下經(jīng)歷一定時(shí)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(duì)單層芯片保險(xiǎn)絲來說，熔斷元件上通常涂覆漆環(huán)氧樹脂。多層片式保險(xiǎn)絲的熔斷元件則由于各基板層而自然獲得了保護(hù)。由于芯片保險(xiǎn)絲可工作在高達(dá)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(xiǎn)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(shí)間。若電流達(dá)到一定預(yù)設(shè)值，則在稱為弧前(pre-arc)時(shí)間的一個(gè)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(gè)主要區(qū)域。到藍(lán)曲線左邊的部分是第一個(gè)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(dá)保險(xiǎn)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(xiǎn)絲的脈動(dòng)負(fù)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(dòng)負(fù)載能力。

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

典型情況下，當(dāng)流經(jīng)保險(xiǎn)絲的電流是其額定電流的兩倍時(shí)，期望保險(xiǎn)絲能在1～3秒內(nèi)熔斷。當(dāng)流經(jīng)電流是額定電流的10倍時(shí)，熔斷時(shí)間應(yīng)小于0.1毫秒。但從相反角度看，為防范保險(xiǎn)絲在流過正常浪涌電流時(shí)熔斷，浪涌脈動(dòng)電流的最大I2T應(yīng)大約在保險(xiǎn)絲最高額定I2T的一半以內(nèi)。保險(xiǎn)絲的熔斷時(shí)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(shí)間以及所提供的保護(hù)效能，取決于生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

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(xiǎn)絲不能在120秒內(nèi)切斷相當(dāng)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(xiǎn)絲以及激光調(diào)割厚膜芯片保險(xiǎn)絲的這種情況。

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

熔斷特性的穩(wěn)定與熔斷元件的設(shè)計(jì)緊密關(guān)聯(lián)。另一方面，重復(fù)性則主要取決于芯片保險(xiǎn)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(xiǎn)絲的電阻是決定其熔斷特性的參數(shù)。因?yàn)樵谶^載條件下施加的能量正比于電阻值，所以阻抗越大，保險(xiǎn)絲熔斷的越快;相反，減少阻抗將延長(zhǎng)熔斷所需時(shí)間。

根據(jù)厚膜電阻使用經(jīng)驗(yàn)，諸如短時(shí)過載、焊接熱和脈動(dòng)沖擊等熱應(yīng)力往往會(huì)使阻值變大。在芯片保險(xiǎn)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(shí)間。

為實(shí)現(xiàn)高 I2T值，要在熔斷元件內(nèi)摻揉進(jìn)銅-錫合金等不同材料。但因熱應(yīng)力會(huì)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(duì)更短的熔斷時(shí)間特別敏感。

圖4說明了銅-錫合金在歷經(jīng)脈動(dòng)負(fù)載沖擊后發(fā)生的性能漂移過程。基于功率負(fù)載的幅值和持續(xù)時(shí)間，這些種類的保險(xiǎn)絲將改變其特性從而使熔斷時(shí)間變短。保持芯片保險(xiǎn)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(jì)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(xiǎn)絲是阻值低的電阻、可具有低至毫歐(mΩ)級(jí)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(xiǎn)絲可能在正常浪涌電流條件下熔斷?；蚍催^來說，它也可能在過載條件下需要熔斷時(shí)而沒能熔斷。當(dāng)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(xiǎn)絲熔斷特性的典型擴(kuò)散。

解決熔斷特性的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性問題

薄膜技術(shù)可滿足熔斷特性對(duì)優(yōu)異的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及縮窄擴(kuò)散范圍的所有要求。自20世紀(jì)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(duì)沉積厚度的嚴(yán)格控制，以及在產(chǎn)生的金屬層實(shí)現(xiàn)的均勻結(jié)晶結(jié)構(gòu)等。當(dāng)使用薄膜技術(shù)制造芯片保險(xiǎn)絲時(shí)，這些屬性對(duì)穩(wěn)定性和縮窄熔斷參數(shù)擴(kuò)散直接產(chǎn)生正面影響。

但嚴(yán)格控制熔斷元件的幾何形狀還需控制芯片保險(xiǎn)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(zhǔn)確度和精度對(duì)熔斷元件的長(zhǎng)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(xiǎn)絲，制成的熔斷元件具有整潔和清晰的形狀。

MFU保險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)熔斷元件幾何形狀的嚴(yán)緊公差。與此同時(shí)，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(xiǎn)絲的最短和最長(zhǎng)熔斷時(shí)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(wú)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(shì)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(xiǎn)絲在熔斷特性的穩(wěn)定性和縮窄擴(kuò)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(hù)安全器件的制造，則功率電子設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)可得到更高水平的安全和性能。

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