利用贴片式保险丝实现过流保护

贴片式保险丝的功能

在电子产品中，贴片式保险丝有两个主要功能，保护用户免受人身伤害和避免电路受损。这些功能对于设备用户和提供商来说，都是有好处的。在过去十年中，信息技术、移动和消费类应用的电子产品市场迅猛增长。伴随需求的快速增长，电子设备碰到意外情况的风险也在增加。这些意外情况大多是由其他电子设备引起的，造成电过载等危害，需要用贴片式保险丝等过流保护器件来进行保护。

贴片式保险丝的设计原理

标准的熔断保险丝是密封在陶瓷或玻璃管内的金属线，管内填充了空气或沙粒。而贴片式保险丝采用了完全不同的技术原理，大多数贴片式保险丝看起来像标准的贴片式器件，使用单层或多层陶瓷衬底。以前的一些设计采用类似于印刷电路板的环氧玻璃纤维衬底。

在单层衬底顶部或多层衬底中间的基本熔体是一种高导电率的材料，例如铜、金或铜锡、银钯合金。这些复合材料能提高保险丝耐受涌入电流的能力，但也会因受热应力的影响而降低稳定性，导致在多个涌流周期后出现不正确断开的概率增加。

根据衬底类型的不同，熔体可采用激光微调的厚膜沉积物或化学刻蚀的金属层，达到所期望的性能参数，还可使用粘合金线。由于外形和厚度已经确定，因此在遭受过压且电流达到一定等级时，熔体会在确定的时间内熔断。

要让贴片式器件完成这个功能层的作用，必须对熔体进行保护，使其免受环境条件的影响。在单层贴片式保险丝中，熔体的表面通常都包覆着一层漆或环氧树脂。多层贴片式保险丝熔体的衬底层本身就有保护作用。由于贴片式保险丝的额定电流可达到7A~8A，因此它们需要低阻值的SMD触点。

熔断特性(见图1)是贴片式保险丝最重要的特性，该特性定义了在一定过流等级下的熔融时间。如果电流达到预设等级，在被称为pre-arc时间的周期内，熔体里散发的电功率足以将熔体熔融和蒸发掉。


图1 熔断特性

关键性能参数

图1所示的熔融特性有两个主要区域。在箭头所指曲线左边的第一个区域，包括在阴影区的正常“瞬时”操作区域，以及在短时过流达到保险丝额定电流两倍时的情况。这个区域定义了贴片式保险丝承受脉冲负载的能力，该能力取决于熔体的特性，如增大熔体的交叉区域就可实现高脉冲负载。

箭头所指曲线定义了超过保险丝额定电流的过载和短路电流的熔融时间，图中保险丝的额定电流(IR)是5A。熔断保险丝所需的能量可表示为I2T。所以当过流增加时，保险丝的断开时间会变短。一般，在过流达到两倍额定电流的情况下，保险丝应当在1s~3s内断开；在过流达到10倍额定电流时，保险丝应当在不到0.1ms的时间内断开。反过来看，要防止保险丝在遇到正常涌流的时候断开，涌入脉冲的最大I2T应当小于保险丝的最大额定I2T的50%。

保险丝的熔断时间与熔体和环境之间的热阻有关，这取决于熔体、衬底、密封和端子的参数，也和印刷电路板的布局有关。因此断开时间，还有保护的有效性，既取决于制造技术，也和产品设计有关。如果熔体和环境之间的热阻过低，可能会没有足够的能量熔化熔体。这样在过载电流等于两倍额定电流时，保险丝在120s内无法切断过载电流。

稳定性和可重复性

实际上，精度、可重复性和稳定性这些熔断特性主要取决于熔体的设计和所采用的制造技术。了解这两个因素的影响，就抓住了给指定应用挑选最佳贴片式保险丝的核心。

熔断特性的稳定性与元器件的设计密切相关，而其可重复性主要依赖于稳定性和贴片式保险丝制造技术的精密度。

稳定性

稳定性如何反应熔断参数呢？贴片式保险丝的电阻是决定熔断特性的参数。由于在过载条件下施加的能量与电阻值成正比，保险丝的电阻越大，就熔断得越快；相反，减小电阻值将会延长熔断时间。

厚膜电阻的使用经验表明，短时过载、焊接热等热应力和脉冲应力会使阻值发生漂移。这些在贴片式保险丝里发生的现象将会改变保险丝的特性，进而缩短熔断时间。虽然熔体使用了几种不同的材料，例如铜锡合金，可以达到高水平的I2T，但在持续的热应力之后，熔体对断开时间的缩短是非常敏感的。这是由于应力会导致熔体组成材料的迁移，如图2所示，该图显示了在施加脉冲负载应力之后，铜锡合金正在发生迁移的情况。


图2 在脉冲应力后采用的锡点技术

根据功率负载的量级和持续时间不同，此类保险丝会改变熔断特性，加速熔断时间。采用一些保持贴片式保险丝阻值稳定的技术，可以防止熔断特性的类似漂移。

可重复性

在设计阶段，电子工程师会碰到熔断特性大幅变化的情况。一般来说，贴片式保险丝是低阻值的电阻，其阻值只有几欧姆。如上所述，熔融特性与电阻值有关。如果电阻值的变化范围很大，熔融特性也就相应地有很大变化。由于这种可能发生的变化，贴片式保险丝在碰到正常的涌流时就断开，或是相反，在过载情况下，应该断开时却不断开，这种最糟糕的情形是工程师必须避免的。图3所示为印刷厚膜保险丝的熔断特性典型分布。


图3 厚膜贴片式保险丝(印刷工艺)熔断特性

解决熔断特性的稳定性和精度问题

薄膜技术可满足所有稳定性和精度要求，缩窄了熔断参数的分布。从20世纪60年代末起，薄膜溅射技术就被用来制造高度稳定和精确的薄膜电阻，并且已经有数十亿个器件被用于恶劣环境条件下的各种电子设备当中。

电流溅射技术的优点是可严格控制沉积层的厚度，在生成的金属层里形成同质的晶体结构。在使用薄膜技术制造贴片式保险丝时，这些特点会直接影响稳定性，缩窄熔断参数的分布区间。

然而，还必须严格控制熔体的几何形状，才能控制贴片式保险丝的额定电流。使用照相印刷工艺的熔体从结构上保证了能够产生精确的几何轮廓，把端子间未用的导电材料溶解掉。通过照相印刷工艺，可控制熔体的长度和宽度，达到与溅射薄膜层厚度相同的准确度和精度。

图4所示为如何用照相印刷工艺来制造Vishay MFU系列薄膜贴片式保险丝，保险丝熔断体具有干净整齐的外形。


图4 照相印刷工艺制造MFU系列薄膜贴片式保险丝的过程

MFU熔体的形状

组合使用薄膜溅射技术和印刷照相技术，元器件制造商能够严格控制熔体几何形状的公差，同时保证熔体的同质晶体结构。这有两个好处，一是最小化由应力引起的电阻值背离，二是提高制造的可重复性。如图5所示，组合使用这两种技术生产的MFU系列贴片式保险丝的最小和最大熔断时间是紧密相关的。


图5 MFU熔断特性(最小值和最大值)

结语

薄膜技术是用于高级无源器件的一种成型技术，这种技术在过去几十年中已经被反复验证和改进。该技术的优势是其精确性、可重复性和稳定性，每年采用这种技术生产的薄膜电阻达数十亿个。采用薄膜技术生产的贴片式保险丝具有可预知的稳定性和狭窄的熔断参数分布。把这种业已经过实践检验的技术用于下一代的过流保护安全器件，功率电子设备设计师就能在设计的产品中实现高水平的安全防护和性能。

作者：Vishay公司高级产品市场经理 Ove Hach    来源:电子设计应用2009年第11期