- 貼片式保險絲的功能
- 貼片式保險絲的設(shè)計原理
- 貼片式保險絲熔斷特性
- 解決熔斷特性的穩(wěn)定性和精度問題
貼片式保險絲的功能
在電子產(chǎn)品中，貼片式保險絲有兩個主要功能，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，需要用貼片式保險絲等過流保護(hù)器件來進(jìn)行保護(hù)。
貼片式保險絲的設(shè)計原理
標(biāo)準(zhǔn)的熔斷保險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。而貼片式保險絲采用了完全不同的技術(shù)原理，大多數(shù)貼片式保險絲看起來像標(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)合材料能提高保險絲耐受涌入電流的能力，但也會因受熱應(yīng)力的影響而降低穩(wěn)定性，導(dǎo)致在多個涌流周期后出現(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)到一定等級時，熔體會在確定的時間內(nèi)熔斷。
要讓貼片式器件完成這個功能層的作用，必須對熔體進(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。多層貼片式保險絲熔體的襯底層本身就有保護(hù)作用。由于貼片式保險絲的額定電流可達(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)是貼片式保險絲最重要的特性，該特性定義了在一定過流等級下的熔融時間。如果電流達(dá)到預(yù)設(shè)等級，在被稱為pre-arc時間的周期內(nèi)，熔體里散發(fā)的電功率足以將熔體熔融和蒸發(fā)掉。
貼片式保險絲熔斷特性
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主要區(qū)域。在箭頭所指曲線左邊的第一個區(qū)域，包括在陰影區(qū)的正常“瞬時”操作區(qū)域，以及在短時過流達(dá)到保險絲額定電流兩倍時的情況。這個區(qū)域定義了貼片式保險絲承受脈沖負(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絲額定電流的過載和短路電流的熔融時間，圖中保險絲的額定電流(IR)是5A。熔斷保險絲所需的能量可表示為I2T。所以當(dāng)過流增加時，保險絲的斷開時間會變短。一般，在過流達(dá)到兩倍額定電流的情況下，保險絲應(yīng)當(dāng)在1s~3s內(nèi)斷開;在過流達(dá)到10倍額定電流時，保險絲應(yīng)當(dāng)在不到0.1ms的時間內(nèi)斷開。反過來看，要防止保險絲在遇到正常涌流的時候斷開，涌入脈沖的最大I2T應(yīng)當(dāng)小于保險絲的最大額定I2T的50%。
保險絲的熔斷時間與熔體和環(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)計有關(guān)。如果熔體和環(huán)境之間的熱阻過低，可能會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，保險絲在120s內(nèi)無法切斷過載電流。
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)計和所采用的制造技術(shù)。了解這兩個因素的影響，就抓住了給指定應(yīng)用挑選最佳貼片式保險絲的核心。
熔斷特性的穩(wěn)定性與元器件的設(shè)計密切相關(guān)，而其可重復(fù)性主要依賴于穩(wěn)定性和貼片式保險絲制造技術(shù)的精密度。
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穩(wěn)定性
穩(wěn)定性如何反應(yīng)熔斷參數(shù)呢?貼片式保險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，保險絲的電阻越大，就熔斷得越快;相反，減小電阻值將會延長熔斷時間。
厚膜電阻的使用經(jīng)驗表明，短時過載、焊接熱等熱應(yīng)力和脈沖應(yīng)力會使阻值發(fā)生漂移。這些在貼片式保險絲里發(fā)生的現(xiàn)象將會改變保險絲的特性，進(jìn)而縮短熔斷時間。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，熔體對斷開時間的縮短是非常敏感的。這是由于應(yīng)力會導(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)載的量級和持續(xù)時間不同，此類保險絲會改變?nèi)蹟嗵匦裕铀偃蹟鄷r間。采用一些保持貼片式保險絲阻值穩(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)計階段，電子工程師會碰到熔斷特性大幅變化的情況。一般來說，貼片式保險絲是低阻值的電阻，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，貼片式保險絲在碰到正常的涌流時就斷開，或是相反，在過載情況下，應(yīng)該斷開時卻不斷開，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絲的熔斷特性典型分布。
圖3 厚膜貼片式保險絲(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)制造貼片式保險絲時，這些特點(diǎn)會直接影響穩(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。
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圖4所示為如何用照相印刷工藝來制造Vishay MFU系列薄膜貼片式保險絲，保險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，同時保證熔體的同質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。這有兩個好處，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系列貼片式保險絲的最小和最大熔斷時間是緊密相關(guān)的。
MFU熔斷特性
圖5 MFU熔斷特性(最小值和最大值)
結(jié)語
薄膜技術(shù)的優(yōu)勢是其精確性、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。采用薄膜技術(shù)生產(chǎn)的貼片式保險絲具有可預(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)計師就能在設(shè)計的產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)高水平的安全防護(hù)和性能。
