用芯片保险丝提升过流保护能力

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。

芯片保险丝设计原则

在分析市场上各种芯片保险丝的电气特性前，最重要的是首先了解每种技术背后的基本设计原则。

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印刷线路板(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。因其形状和厚度是确定的，所以若电流达到一定水平，则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。

关键性能参数

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。

熔断特性的稳定与熔断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。

稳定性

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。

重复性

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