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发布日期[2017-11-23]


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    新一代过流保护器件制造工艺——薄膜技术

      发布时间:2019-05-19 00:54

      在电子产品中,芯片保险丝具有两种作用:即保护最终用户免受伤害并保护电路不被损坏。这些功能使设备用户和厂家同时受益。

      过去10年,市场对服务于信息技术、移动和消费应用电子设备的需求在急剧上升。伴随这一迅速增长的需求是电子设备发生意外情况的风险也加大,需借助类似芯片保险丝等过流保护器件规避电气过载等风险。

      标准熔丝可能以置于内充空气或沙子的密封陶瓷或玻璃管内的金属线为基础,但芯片保险丝则基于完全不同的原则。大多数芯片保险丝看似标准芯片器件且由单或多层陶瓷基板制成。以前的一些老设计则以类似PCB)那样的环氧玻璃纤维基板为基础。

      单层基板上或多层基板内的熔断元件是基于如铜、金,或类似铜-锡(Cu-Sn)或银-钯合金那样的高导电材料。这些复合材料可提升保险丝承受浪涌电流的能力。但它们对热应力的响应往往不太稳定,这增加了在历经多个浪涌周期后不正确熔断的可能性。

      为取得预期特性,根据基底类型,熔断元件可能是激光调割的厚膜沉积也可能是化学蚀刻的金属层。还可能采用熔焊的金线。因形状和厚度是确定的,所以若电流达到一定水平,熔断元件在过载条件下经历一定时间后就将熔断。

      为了履行其作为芯片组件功能层的职能,熔断元件必须不受环境条件的影响。对单层芯片保险丝来说,熔断元件上通常涂覆漆环氧树脂。多层片式保险丝的熔断元件则由于各基板层而自然获得了保护。由于芯片保险丝可工作在高达7~8A的额定工作电流下,所以它们要求表贴器件(SMD)连接具有低阻抗特性。

      熔断特性是芯片保险丝最重要的属性(图1)。该特性界定了在一定电过流条件下的熔断时间。若电流达到一定预设值,则在称为弧前(pre-arc)时间的一个已知期限内,熔断元件内耗散的电能足以把其熔化并汽化。

      图1所示的熔断特性有两个主要区域。到蓝曲线左边的部分是第一个区域,包括绿色阴影区内的正常“透明”工作区以及可达保险丝额定电流两倍的短期过流态工作区。该区决定芯片保险丝的脉动负载能力,该能力取决于熔断元件的特性。例如,可通过增加熔断元件的截面积,提升脉动负载能力。

      蓝线界定的是在过载和超过保险丝额定电流(I2R)的短路电流条件下的熔断时间,图例保险丝的I2R等于5A。熔断保险丝所需的能量由I2T给出,因此若过电流增加,则保险丝的熔断时间将变短。

      典型情况下,当流经保险丝的电流是其额定电流的两倍时,期望保险丝能在1~3秒内熔断。当流经电流是额定电流的10倍时,熔断时间应小于0.1毫秒。但从相反角度看,为防范保险丝在流过正常浪涌电流时熔断,浪涌脉动电流的最大I2T应大约在保险丝最高额定I2T的一半以内。保险丝的熔断时间与熔断元件和环境间的热阻抗相关,它们取决于熔断元件特性、基板、密封、端连接以及PCB布局。因此,熔断时间以及所提供的保护效能,取决于生产技术和产品设计。

      若熔断元件和环境间的热阻抗过低,将没有足够能量融化熔断元件。这将使保险丝不能在120秒内切断相当于额定电流两倍的过载电流。图2和图3说明了多层片式保险丝以及激光调割厚膜芯片保险丝的这种情况。

      但在实际应用中,熔断元件的设计和采用的生产技术对熔断特性的精度、重复性和稳定性有很强影响。理解这两个关键因素是为给定应用选用最佳芯片保险丝的关键。

      熔断特性的稳定与元件的设计紧密关联。另一方面,重复性则主要取决于芯片保险丝生产技术的稳定性和精度。

      就熔断特性来说,“稳定”指的是什么?芯片保险丝的电阻是决定其熔断特性的参数。因为在过载条件下施加的能量正比于电阻值,所以阻抗越大,保险丝熔断的越快;相反,减少阻抗将延长熔断所需时间。

      根据厚膜电阻使用经验,诸如短时过载、焊接热和脉动冲击等热应力往往会使阻值变大。在芯片保险丝内发生这些现象将改变其特性,从而缩短熔断所需时间。

      为实现高I2T值,要在熔断元件内掺揉进铜-锡合金等不同材料。但因热应力会使合成材料特性发生漂移,所以在经历连续热应力后,它们对更短的熔断时间特别敏感。

      图4说明了铜-锡合金在历经脉动负载冲击后发生的性能漂移过程。基于功率负载的幅值和持续时间,这些种类的保险丝将改变其特性从而使熔断时间变短。保持芯片保险丝阻值稳定的技术将防止熔断特性发生这种漂移。

      在设计过程中,电子工程师面临高度变异的熔断特性。通常,芯片保险丝是阻值低的电阻、可具有低至毫欧(mΩ)级阻值水平。如上所述,熔断特性与阻值相关。若阻值变化很大,则相应地熔断特性也将在很宽范围内漂移。

      源于这种阻值变化,芯片保险丝可能在正常浪涌电流条件下熔断。或反过来说,它也可能在过载条件下需要熔断时而没能熔断。当然,这是工程师必须避免的最坏情况。图5显示了印刷厚膜保险丝熔断特性的典型扩散。

      薄膜技术可满足熔断特性对优异的稳定性、准确性以及缩窄扩散范围的所有要求。自20世纪60年代末以来,薄膜溅射技术就已被用于生产高稳定高精确的薄膜电阻。目前在各电子领域,几十亿此类器件正被用在恶劣环境中。

      目前的溅射技术得益于一些关键好处:如对沉积厚度的严格控制,以及在产生的金属层实现的均匀结晶结构等。当使用薄膜技术制造芯片保险丝时,这些属性对稳定性和缩窄熔断参数扩散直接产生正面影响。

      但严格控制熔断元件的几何形状还需控制芯片保险丝的额定电流。用光刻工艺构建熔断元件提供了制造精确几何轮廓并溶解端子间未使用导电材料的能力。

      采用光刻技术,可以与控制溅射薄膜层厚度相同的准确度和精度对熔断元件的长度和宽度施加控制。图6显示了如何采用光刻工艺制造Vishay的MFU系列薄膜芯片保险丝,制成的熔断元件具有整洁和清晰的形状。

      通过薄膜溅射技术和光刻技术的结合,器件制造商可实现熔断元件几何形状的严紧公差。与此同时,他们可确保熔断元件具有均匀的结晶结构。

      这带来了把应变引入的阻值偏差最小化以及提升生产重复性两方面的好处。图7说明了采用这种组合技术制成的MFU系列芯片保险丝的最短和最长熔断时间间的紧密关联。

      薄膜技术是制造高端无源器件的一种成熟技术,在过去几十年它已被证明并一直得到完善。其在精度、重复性和稳定性方面的优势在每年数十亿薄膜电阻的大规模生产中得到推崇。

      薄膜技术制造的芯片保险丝在熔断特性的稳定性和缩窄扩散方面具有类似的可预见属性。将这一成熟技术用在下一代过流保护安全器件的制造,则功率电子设计人员在设计新产品时可得到更高水平的安全和性能。

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