貼片式保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)設(shè)計(jì)

　　在電子產(chǎn)品中，貼片式保險(xiǎn)絲有兩個(gè)主要功能，保護(hù)用戶免受人身傷害和避免電路受損。意外情況大多是由其他電子設(shè)備引起的，造成電過載等危害，需要用貼片式保險(xiǎn)絲等過流保護(hù)器件來(lái)進(jìn)行保護(hù)。

　　貼片式保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)原理

　　標(biāo)準(zhǔn)的熔斷保險(xiǎn)絲是密封在陶瓷或玻璃管內(nèi)的金屬線，管內(nèi)填充了空氣或沙粒。而貼片式保險(xiǎn)絲采用了完全不同的技術(shù)原理，大多數(shù)貼片式保險(xiǎn)絲看起來(lái)像標(biāo)準(zhǔn)的貼片式器件，使用單層或多層陶瓷襯底。以前的一些設(shè)計(jì)采用類似于印刷電路板的環(huán)氧玻璃纖維襯底。

　　在單層襯底頂部或多層襯底中間的基本熔體是一種高導(dǎo)電率的材料，例如銅、金或銅錫、銀鈀合金。這些復(fù)合材料能提高保險(xiǎn)絲耐受涌入電流的能力，但也會(huì)因受熱應(yīng)力的影響而降低穩(wěn)定性，導(dǎo)致在多個(gè)涌流周期后出現(xiàn)不正確斷開的概率增加。

　　根據(jù)襯底類型的不同，熔體可采用激光微調(diào)的厚膜沉積物或化學(xué)刻蝕的金屬層，達(dá)到所期望的性能參數(shù)，還可使用粘合金線。由于外形和厚度已經(jīng)確定，因此在遭受過壓且電流達(dá)到一定等級(jí)時(shí)，熔體會(huì)在確定的時(shí)間內(nèi)熔斷。

　　要讓貼片式器件完成這個(gè)功能層的作用，必須對(duì)熔體進(jìn)行保護(hù)，使其免受環(huán)境條件的影響。在單層貼片式保險(xiǎn)絲中，熔體的表面通常都包覆著一層漆或環(huán)氧樹脂。多層貼片式保險(xiǎn)絲熔體的襯底層本身就有保護(hù)作用。由于貼片式保險(xiǎn)絲的額定電流可達(dá)到7A~8A，因此它們需要低阻值的SMD觸點(diǎn)。

　　熔斷特性(見圖1)是貼片式保險(xiǎn)絲最重要的特性，該特性定義了在一定過流等級(jí)下的熔融時(shí)間。如果電流達(dá)到預(yù)設(shè)等級(jí)，在被稱為pre-arc時(shí)間的周期內(nèi)，熔體里散發(fā)的電功率足以將熔體熔融和蒸發(fā)掉。

　　圖1 熔斷特性

　　關(guān)鍵性能參數(shù)

　　圖1所示的熔融特性有兩個(gè)主要區(qū)域。在箭頭所指曲線左邊的第一個(gè)區(qū)域，包括在陰影區(qū)的正?！八矔r(shí)”操作區(qū)域，以及在短時(shí)過流達(dá)到保險(xiǎn)絲額定電流兩倍時(shí)的情況。這個(gè)區(qū)域定義了貼片式保險(xiǎn)絲承受脈沖負(fù)載的能力，該能力取決于熔體的特性，如增大熔體的交叉區(qū)域就可實(shí)現(xiàn)高脈沖負(fù)載。

　　箭頭所指曲線定義了超過保險(xiǎn)絲額定電流的過載和短路電流的熔融時(shí)間，圖中保險(xiǎn)絲的額定電流(IR)是5A。熔斷保險(xiǎn)絲所需的能量可表示為I2T。所以當(dāng)過流增加時(shí)，保險(xiǎn)絲的斷開時(shí)間會(huì)變短。一般，在過流達(dá)到兩倍額定電流的情況下，保險(xiǎn)絲應(yīng)當(dāng)在1s~3s內(nèi)斷開;在過流達(dá)到10倍額定電流時(shí)，保險(xiǎn)絲應(yīng)當(dāng)在不到0.1ms的時(shí)間內(nèi)斷開。反過來(lái)看，要防止保險(xiǎn)絲在遇到正常涌流的時(shí)候斷開，涌入脈沖的最大I2T應(yīng)當(dāng)小于保險(xiǎn)絲的最大額定I2T的50%。

　　保險(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間與熔體和環(huán)境之間的熱阻有關(guān)，這取決于熔體、襯底、密封和端子的參數(shù)，也和印刷電路板的布局有關(guān)。因此斷開時(shí)間，還有保護(hù)的有效性，既取決于制造技術(shù)，也和產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)。如果熔體和環(huán)境之間的熱阻過低，可能會(huì)沒有足夠的能量熔化熔體。這樣在過載電流等于兩倍額定電流時(shí)，保險(xiǎn)絲在120s內(nèi)無(wú)法切斷過載電流。

　　穩(wěn)定性和可重復(fù)性

　　實(shí)際上，精度、可重復(fù)性和穩(wěn)定性這些熔斷特性主要取決于熔體的設(shè)計(jì)和所采用的制造技術(shù)。了解這兩個(gè)因素的影響，就抓住了給指定應(yīng)用挑選最佳貼片式保險(xiǎn)絲的核心。

　　熔斷特性的穩(wěn)定性與元器件的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，而其可重復(fù)性主要依賴于穩(wěn)定性和貼片式保險(xiǎn)絲制造技術(shù)的精密度。

穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性如何反應(yīng)熔斷參數(shù)呢?貼片式保險(xiǎn)絲的電阻是決定熔斷特性的參數(shù)。由于在過載條件下施加的能量與電阻值成正比，保險(xiǎn)絲的電阻越大，就熔斷得越快;相反，減小電阻值將會(huì)延長(zhǎng)熔斷時(shí)間。

　　厚膜電阻的使用經(jīng)驗(yàn)表明，短時(shí)過載、焊接熱等熱應(yīng)力和脈沖應(yīng)力會(huì)使阻值發(fā)生漂移。這些在貼片式保險(xiǎn)絲里發(fā)生的現(xiàn)象將會(huì)改變保險(xiǎn)絲的特性，進(jìn)而縮短熔斷時(shí)間。雖然熔體使用了幾種不同的材料，例如銅錫合金，可以達(dá)到高水平的I2T，但在持續(xù)的熱應(yīng)力之后，熔體對(duì)斷開時(shí)間的縮短是非常敏感的。這是由于應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致熔體組成材料的遷移，如圖2所示，該圖顯示了在施加脈沖負(fù)載應(yīng)力之后，銅錫合金正在發(fā)生遷移的情況。

　　圖2 在脈沖應(yīng)力后采用的錫點(diǎn)技術(shù)

　　根據(jù)功率負(fù)載的量級(jí)和持續(xù)時(shí)間不同，此類保險(xiǎn)絲會(huì)改變?nèi)蹟嗵匦?，加速熔斷時(shí)間。采用一些保持貼片式保險(xiǎn)絲阻值穩(wěn)定的技術(shù)，可以防止熔斷特性的類似漂移。

　　可重復(fù)性

　　在設(shè)計(jì)階段，電子工程師會(huì)碰到熔斷特性大幅變化的情況。一般來(lái)說，貼片式保險(xiǎn)絲是低阻值的電阻，其阻值只有幾歐姆。如上所述，熔融特性與電阻值有關(guān)。如果電阻值的變化范圍很大，熔融特性也就相應(yīng)地有很大變化。由于這種可能發(fā)生的變化，貼片式保險(xiǎn)絲在碰到正常的涌流時(shí)就斷開，或是相反，在過載情況下，應(yīng)該斷開時(shí)卻不斷開，這種最糟糕的情形是工程師必須避免的。圖3所示為印刷厚膜保險(xiǎn)絲的熔斷特性典型分布。

　　圖3 厚膜貼片式保險(xiǎn)絲(印刷工藝)熔斷特性

　　解決熔斷特性的穩(wěn)定性和精度問題

　　薄膜技術(shù)可滿足所有穩(wěn)定性和精度要求，縮窄了熔斷參數(shù)的分布。從20世紀(jì)60年代末起，薄膜濺射技術(shù)就被用來(lái)制造高度穩(wěn)定和精確的薄膜電阻，并且已經(jīng)有數(shù)十億個(gè)器件被用于惡劣環(huán)境條件下的各種電子設(shè)備當(dāng)中。

電流濺射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可嚴(yán)格控制沉積層的厚度，在生成的金屬層里形成同質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。在使用薄膜技術(shù)制造貼片式保險(xiǎn)絲時(shí)，這些特點(diǎn)會(huì)直接影響穩(wěn)定性，縮窄熔斷參數(shù)的分布區(qū)間。

　　然而，還必須嚴(yán)格控制熔體的幾何形狀，才能控制貼片式保險(xiǎn)絲的額定電流。使用照相印刷工藝的熔體從結(jié)構(gòu)上保證了能夠產(chǎn)生精確的幾何輪廓，把端子間未用的導(dǎo)電材料溶解掉。通過照相印刷工藝，可控制熔體的長(zhǎng)度和寬度，達(dá)到與濺射薄膜層厚度相同的準(zhǔn)確度和精度。

　　圖4所示為如何用照相印刷工藝來(lái)制造Vishay MFU系列薄膜貼片式保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)絲熔斷體具有干凈整齊的外形。

　　圖4 照相印刷工藝制造MFU系列薄膜貼片式保險(xiǎn)絲的過程

　　MFU熔體的形狀

　　組合使用薄膜濺射技術(shù)和印刷照相技術(shù)，元器件制造商能夠嚴(yán)格控制熔體幾何形狀的公差，同時(shí)保證熔體的同質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。這有兩個(gè)好處，一是最小化由應(yīng)力引起的電阻值背離，二是提高制造的可重復(fù)性。如圖5所示，組合使用這兩種技術(shù)生產(chǎn)的MFU系列貼片式保險(xiǎn)絲的最小和最大熔斷時(shí)間是緊密相關(guān)的。

　　圖5 MFU熔斷特性(最小值和最大值)

　　結(jié)語(yǔ)

　　薄膜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是其精確性、可重復(fù)性和穩(wěn)定性，每年采用這種技術(shù)生產(chǎn)的薄膜電阻達(dá)數(shù)十億個(gè)。采用薄膜技術(shù)生產(chǎn)的貼片式保險(xiǎn)絲具有可預(yù)知的穩(wěn)定性和狹窄的熔斷參數(shù)分布。把這種業(yè)已經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的技術(shù)用于下一代的過流保護(hù)安全器件，功率電子設(shè)備設(shè)計(jì)師就能在設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)高水平的安全防護(hù)和性能。