國產(chǎn)全固態(tài)厚膜熔斷器高溫壽命研究

雷巧林，王騰研，賈曉，朱恒靜，彭昌文，謝強(qiáng)，楊艦

（1.中國振華集團(tuán)云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018；2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

熔斷器是一種串聯(lián)在被保護(hù)電路中的過電流保護(hù)器件，當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過規(guī)定值并經(jīng)過一定時(shí)間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體使電路斷開，從而起到保護(hù)作用[1-6]。熔斷器作為一種可靠性器件，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各種航天器件中，在安全領(lǐng)域中占有極其重要的地位[7-9]。

全固態(tài)厚膜熔斷器在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和生產(chǎn)工藝控制方面的要求都遠(yuǎn)高于管狀及其他類型熔斷器。之前由于國內(nèi)熔斷器生產(chǎn)廠技術(shù)研發(fā)能力薄弱、生產(chǎn)工藝控制精度差，無法做到高可靠性的質(zhì)量水平，因此全固態(tài)厚膜熔斷器一直被美國和歐洲等市場所壟斷。隨著中國對高可靠元器件的大力扶持和推進(jìn)，國內(nèi)熔斷器制造廠商也大大提升了對全固態(tài)熔斷器的技術(shù)研發(fā)能力，目前已基本實(shí)現(xiàn)國外固態(tài)厚膜熔斷器的替代。

熔斷器在經(jīng)受一定電應(yīng)力特別是長期工作后會(huì)產(chǎn)生壽命疲勞，從而熔斷器的工作壽命是電路設(shè)計(jì)師正確而恰當(dāng)也選用熔斷器的關(guān)鍵因素之一。針對管狀熔斷器，文獻(xiàn)[10-11]中，作者根據(jù)老化機(jī)理建立的基于金屬電遷移理論的熔斷器壽命預(yù)測模型，開發(fā)了一套熔斷器壽命評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠采集準(zhǔn)確的、全面的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與處理，能得到組熔斷器的預(yù)測壽命。

隨著熔斷器材料、結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的不斷更新，以及國產(chǎn)全固態(tài)厚膜熔斷器在航天型號(hào)工程中的逐步使用，開展國產(chǎn)全固態(tài)厚膜熔斷器壽命可靠性研究，得出熔斷器在不同環(huán)境溫度、不同工作電流下的可靠性結(jié)論，為航天型號(hào)工程選用熔斷器提供指導(dǎo)顯得尤為重要。

1 全固態(tài)厚膜熔斷器典型結(jié)構(gòu)

全固態(tài)厚膜熔斷器主要結(jié)構(gòu)由陶瓷基底、熔斷體、內(nèi)層電極、滅弧層和陶瓷外殼組成。其中，熔斷體對其熔斷特性起關(guān)鍵作用，其余結(jié)構(gòu)均圍繞熔斷體進(jìn)行設(shè)計(jì)。熔斷體的工作原理主要為過載大電流通過時(shí)瞬間產(chǎn)生熱量，使熔體材料達(dá)到熔點(diǎn)并氣化，通過抑弧材料吸收或冷卻作用，使熔體材料分散進(jìn)而分?jǐn)嚯娏?。本文選取研究的熔斷器主要采用金作為熔體材料，在陶瓷基片上通過厚膜印刷工藝依次制備熔體層、內(nèi)電極層和滅弧層的內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，內(nèi)芯裝入陶瓷外殼后兩端焊接銅帽形成外電極，最后在外電極上電鍍鎳層與錫鉛層。該熔斷器具有額定電流大、額定分?jǐn)嗄芰Ω?、滅弧性能好和熔斷后絕緣電阻值高等特點(diǎn)。產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 全固態(tài)厚膜熔斷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 高溫壽命老化機(jī)理

熔斷器在使用過程中，由于自身流過的電流及外界環(huán)境的影響，熔斷器中實(shí)現(xiàn)電連接的部位不可避免地會(huì)發(fā)生老化降級(jí)，從而影響熔斷器的保護(hù)特性，進(jìn)而影響其使用壽命[12]。

對于本文研究的全固態(tài)厚膜熔斷器（MF-XX型）而言，其老化機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面。

a）熔體金屬電遷移

熔體金屬在通電狀態(tài)下存在金屬電遷移現(xiàn)象，且在高溫下會(huì)加速熔體電遷移的進(jìn)程。MF-XX 型熔斷器熔斷材料為貴金屬金，金的穩(wěn)定性好，相對于采用銀和銀合金等材料作為熔體材料的傳統(tǒng)管狀熔斷器而言，MF-XX 型熔斷器熔體電遷移現(xiàn)象極不明顯，因此其長期工作后穩(wěn)定性更好且可靠性更高。

b）焊劑治金效應(yīng)

高溫條件下，熔斷器內(nèi)部焊錫揮發(fā)至內(nèi)部電極上，從而發(fā)生治金效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致熔斷器的冷態(tài)電阻增加。

c）化學(xué)腐蝕

熔斷器內(nèi)部殘留的助焊劑會(huì)在高溫條件下?lián)]發(fā)至內(nèi)部電極表上，造成內(nèi)部電極化學(xué)腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致熔斷器冷態(tài)電阻增加。

3 高溫壽命試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品選擇國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的典型全固態(tài)厚膜熔斷器（MF-XX 型）。其固有的冷態(tài)電阻與熔斷特性參數(shù)如表1 所示。

表1 MF-XX 型全固態(tài)厚膜熔斷器熔斷特性參數(shù)

本次試驗(yàn)抽取5、15 A 兩種電流規(guī)格樣品進(jìn)行試驗(yàn)，樣品必須通過測試流程，各項(xiàng)參數(shù)符合規(guī)范要求。為了與高溫壽命后的熔斷時(shí)間進(jìn)行對比，先對每個(gè)電流規(guī)格熔斷器各抽取12 只樣品進(jìn)行過載熔斷特性測試，過載熔斷測試結(jié)果如表2 所示。

表2 熔斷特性測試數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

高溫壽命試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置主要有兩種方式：一種為在一定環(huán)境溫度下，選取不同工作電流作為變化因子；另一種為在一定工作電流下，選取不同環(huán)境溫度作為變化因子。

詳細(xì)試驗(yàn)條件如表3 所示，其中A 組與B 組試驗(yàn)主要在環(huán)境溫度同為125 ℃下，分別施加64%In與80%In電流工作4 000 h 后對熔斷器的電性能進(jìn)行研究。C 組試驗(yàn)的目的：一方面是為了滿足用戶要求，研究在環(huán)境溫度為85 ℃下給熔斷器施加100%In后對熔斷器的電性能；另一方面，是為了研究環(huán)境溫度與工作電流哪個(gè)變化因子對熔斷器的壽命影響更大。

表3 高溫壽命試驗(yàn)條件

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表3 中的試驗(yàn)條件，對不同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表4～5 所示。

表5 MF-XX 型全固態(tài)厚膜熔斷器過載熔斷和絕緣電阻測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表4 中數(shù)據(jù)，繪制5A 和15A 規(guī)格熔斷器A 組、B 組和C 組4000h 高溫壽命后冷態(tài)電阻最大變化率曲線分別如圖2～3 所示，5A 和15A 規(guī)格熔斷器400%In 熔斷時(shí)間壽命前后的變化曲線別如圖4～5 所示。

圖2 5 A 產(chǎn)品壽命時(shí)間與與冷態(tài)電阻最大變化率曲線

圖3 15 A 產(chǎn)品高溫壽命時(shí)間與與冷態(tài)電阻最大變化率曲線

圖4 5 A 產(chǎn)品壽命時(shí)間與與400%In 熔斷時(shí)間變化曲線

從表4 和圖4 可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

a）5 A 與15 A 規(guī)格的熔斷器A 組、B 組和C組4 000 h 高溫壽命后冷態(tài)電阻最大變化率均≤±2%，滿足標(biāo)準(zhǔn)≤±10%的要求，說明MF-XX型熔斷器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電連接的通路性能穩(wěn)定可靠，主要與該類熔斷器熔體材料為穩(wěn)定性優(yōu)異的金有關(guān)。

b）5 A 與15 A 規(guī)格熔斷器3 組壽命試驗(yàn)中冷態(tài)電阻最大變化率基本呈現(xiàn)減少的趨勢，一方面是由于該類熔斷器4 000 h 高溫壽命尚處于 “磨合”階段，該階段主要對實(shí)現(xiàn)電連接的通路在電流作用下融合的更好，從而呈現(xiàn)冷態(tài)電阻變小的趨勢，隨著工作時(shí)間的增加，后續(xù)冷態(tài)電阻將逐漸呈現(xiàn)增加的趨勢（從圖3 中15 A-B 組曲線在4 000 h 冷態(tài)電阻呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折的趨勢可知）；另一方面也說明該類熔斷器工作壽命長，根據(jù)前期類似熔斷器的長期高溫加速壽命可知，其高溫加速壽命至少10 000 h后仍能正常工作，從而滿足宇航元器件長壽命要求。

c）從A 組與B 組冷態(tài)電阻變化情況可知，在相同溫度下，壽命工作時(shí)工作電流越大，產(chǎn)品表面的溫度越高，從而冷態(tài)電阻變化率呈現(xiàn)增加的趨勢；從B 組與C 組冷態(tài)電阻變化情況可知，在125 ℃下施加80%In與85 ℃下施加100%In兩者冷態(tài)電阻的變化趨勢基本接近，主要是因?yàn)閮煞N情況下熔斷器表面的溫度接近，因而高溫壽命后其冷態(tài)電阻基本呈現(xiàn)相同的變化趨勢。進(jìn)而說明環(huán)境溫度與工作電流兩個(gè)因子對熔斷器的壽命影響最終體現(xiàn)在產(chǎn)品表面溫度上，產(chǎn)品表面溫度越高，則長期工作后冷態(tài)電阻變化越大。

從表4 和圖5 可知：5 A 與15 A 規(guī)格熔斷器3組高溫壽命試驗(yàn)后400%In熔斷時(shí)間變化較小，主要是由于其冷態(tài)電阻變化小，在一定熔斷電流下，熔斷時(shí)間與冷態(tài)電阻基本呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系，從而400%In熔斷時(shí)間變化較小。

圖5 15 A 產(chǎn)品高溫壽命時(shí)間與與400%In 熔斷時(shí)間曲線

4 結(jié)束語

本文對全固態(tài)厚膜熔斷器高溫壽命老化機(jī)理進(jìn)行了闡述、分析和驗(yàn)證，開展了熔斷器的高溫壽命研究，設(shè)置了不同環(huán)境溫度與工作電流下的壽命試驗(yàn)，對全固態(tài)厚膜熔斷器的高溫壽命進(jìn)行了評估分析，可為后續(xù)航天型號(hào)工程選用該型熔斷器起到指導(dǎo)作用。

另外，試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同溫度下，工作電流越大，壽命試驗(yàn)后冷態(tài)電阻變化率呈現(xiàn)增加的趨勢；環(huán)境溫度與工作電流兩個(gè)因子對熔斷器的壽命影響最終體現(xiàn)在產(chǎn)品表面溫度上，產(chǎn)品表面溫度越高，則冷態(tài)電阻變化越大。