Les surintensités sont généralement causées par des surcharges ou des courts-circuits, tandis que les surtensions sont généralement causées par des tensions transitoires rapides, telles que la foudre ou la commutation de charges inductives.
Si elles sont suffisamment fortes, les surtensions transitoires rapides peuvent endommager d'autres composants ou leur matériau isolant, ce qui peut à son tour créer des surintensités dans d'autres parties du circuit.
Les surintensités peuvent avoir de nombreux effets indésirables, comme la surchauffe des conducteurs électriques dans les lignes électriques, les câbles, les fils et les appareils électroniques. Cette surchauffe peut endommager les matériaux isolants environnants, ce qui, selon le matériau utilisé, peut entraîner un dégagement de fumée et un incendie.
Paradoxalement, l'élévation de température des conducteurs électriques due aux surtensions et aux surintensités est à l'origine du fonctionnement des fusibles. Lorsque la fusion et la vaporisation du conducteur sont maîtrisées et prévisibles, l'autodestruction du fusible constitue une méthode fiable pour prévenir les conséquences des surintensités et, par conséquent, les incendies. Les technologies de fusibles actuelles permettent une grande variété d'applications, des réseaux de distribution électrique haute tension aux systèmes électroniques industriels, commerciaux et domestiques. La miniaturisation et la demande croissante d'appareils électroniques portables sont les principaux moteurs du développement des fusibles à puce. Les fusibles à puce actuellement disponibles sur le marché conviennent aux applications sur carte, pour des courants nominaux allant jusqu'à environ 8 ampères.
Dans cet article, nous comparerons les avantages et les performances de différentes technologies de fusibles à puce, notamment la technologie des résistances en couche mince. Nous démontrerons également que des paramètres techniques essentiels, tels que la stabilité à long terme, la capacité de charge impulsionnelle et la répétabilité, sont tout aussi importants que les paramètres officiellement reconnus comme le courant nominal, la tension nominale et les certifications des organismes de sécurité.
Principes de conception des fusibles à puce
Avant d'analyser les propriétés électriques des différents types de fusibles à puce disponibles sur le marché, il est essentiel de comprendre les principes de conception sur lesquels repose chaque technologie.
Les fusibles classiques utilisent un fil métallique inséré dans un tube tronqué en céramique ou en verre rempli d'air ou de sable. Les fusibles à puce, quant à eux, reposent sur des principes totalement différents. La plupart des fusibles à puce ressemblent à des composants à puce standard et sont constitués d'un substrat en céramique monocouche ou multicouche. Certains modèles plus anciens utilisent des substrats en fibre de verre époxy, similaires à ceux utilisés dans les circuits imprimés.
Pour l'élément fusible, monté sur le substrat monocouche ou intégré au substrat multicouche, on utilise un matériau hautement conducteur, tel que le cuivre, l'or ou des alliages comme le cuivre-étain ou l'argent-palladium. Ces matériaux composites peuvent accroître la résistance du fusible aux courants d'appel, mais ils sont généralement moins stables face aux contraintes thermiques, ce qui augmente le risque d'ouverture intempestive après plusieurs cycles d'appel.
Selon le type de substrat, l'élément fusible peut être un dépôt épais réalisé au laser ou une couche métallique traitée chimiquement présentant les caractéristiques souhaitées. Un fil d'or soudé peut également être utilisé. La forme et l'épaisseur sont choisies de manière à ce que l'élément fonde dans un délai précis en cas de surcharge, lorsque le courant électrique atteint un certain niveau.
Pour remplir sa fonction de couche fonctionnelle du composant, l'élément fusible doit également être protégé des conditions environnementales. Dans le cas d'un fusible monocouche, l'élément est généralement recouvert de laque ou d'époxy. Les éléments fusibles des fusibles multicouches sont généralement protégés par les couches du substrat. Étant donné que les fusibles à puce peuvent être conçus pour des courants allant jusqu'à 7 ou 8 ampères, les dispositifs à montage en surface (SMD) nécessitent des contacts à faible résistance ohmique.
Fonctionnement des fusibles à puce :
Les fusibles à puce remplissent deux fonctions dans les produits électroniques : protéger les utilisateurs finaux et prévenir les dommages aux circuits électroniques. Ces fonctions profitent à la fois au propriétaire et au distributeur d’un équipement donné. Au cours de la dernière décennie, la demande en appareils électroniques pour les technologies de l’information, les systèmes mobiles et les applications grand public a connu une croissance exponentielle. Parallèlement à cette croissance rapide, le risque d’incidents dans les appareils électroniques a également augmenté. Ces incidents sont principalement causés par d’autres appareils électroniques, créant divers risques, notamment des surcharges électriques, qui nécessitent des mesures préventives contre les surintensités, telles que l’utilisation de dispositifs de protection contre les surcharges comme les fusibles à puce.
La caractéristique de fusion illustrée à la figure 1 est la propriété la plus importante d’un fusible à puce, car elle définit les temps de fusion pour différents niveaux de surintensité. Une fois que le courant atteint un niveau prédéterminé, la puissance électrique dissipée dans l’élément fusible est suffisante pour faire fondre et vaporiser cet élément dans un laps de temps fixe, appelé temps de pré-amorçage.
Principaux paramètres de performance :
La caractéristique du fusible illustrée à la figure 1 comprend deux zones principales. La première, à gauche de la courbe bleue, correspond à la zone verte, qui représente le fonctionnement normal (« transparent ») et les surintensités de courte durée jusqu’à deux fois le courant nominal du fusible. Cette zone définit la capacité de transport d’impulsions du fusible à puce et dépend des propriétés de l’élément fusible : par exemple, une capacité de transport d’impulsions élevée peut être obtenue en augmentant sa section.
La courbe bleue indique les temps de fusion pour les courants de surcharge et de court-circuit supérieurs au courant nominal (IR) du fusible, qui est de 5 A pour le fusible représenté. L'énergie nécessaire à la fusion du fusible est donnée par la formule I²T ; par conséquent, plus la valeur de la surintensité augmente, plus le temps d'ouverture du fusible diminue. En règle générale, le fusible devrait s'ouvrir en 1,0 à 3,0 secondes lorsqu'il est soumis à deux fois son courant nominal. Soumis à dix fois son courant nominal, il devrait s'ouvrir en moins de 0,1 ms. De plus, pour éviter l'ouverture du fusible lors d'un courant d'appel normal, la valeur maximale de I²T de l'impulsion d'appel doit être inférieure à environ 50 % de la valeur maximale de I²T du fusible.
Le temps de fusion du fusible est lié à la résistance thermique entre l'élément fusible et l'environnement, laquelle dépend des caractéristiques de l'élément fusible, du substrat, de l'étanchéité et des terminaisons, ainsi que de la conception du circuit imprimé. Par conséquent, le temps d'ouverture – et de ce fait, l'efficacité de la protection offerte – dépendra à la fois de la technologie de fabrication et de la conception du produit. Si la résistance thermique entre l'élément fusible et l'environnement est trop faible, l'énergie sera insuffisante pour faire fondre l'élément fusible, l'empêchant ainsi d'interrompre les courants de surcharge équivalents à deux fois le courant nominal en moins de 120 secondes. Les figures 2 et 3 illustrent ce cas pour les fusibles multicouches à puce et les fusibles à couche épaisse déposés au laser.
Stabilité et répétabilité
En pratique, la précision, la répétabilité et la stabilité de la caractéristique du fusible dépendent largement de la conception de l'élément fusible et de la technologie de fabrication employée. Il est essentiel de comprendre l'influence de ces deux facteurs pour choisir le fusible à puce optimal pour une application donnée.
La stabilité de la caractéristique du fusible est étroitement liée à la conception du composant, tandis que sa répétabilité dépend largement de la stabilité et de la précision de la technologie de fabrication du fusible à puce.
Stabilité.
Il est essentiel de comprendre la signification du terme « stabilité » en lien avec les caractéristiques de fusion. La résistance électrique d'un fusible à puce est le paramètre qui détermine ses propriétés de fusion. L'énergie appliquée en cas de surcharge étant proportionnelle à la valeur de la résistance, le fusible fondra plus rapidement si la résistance est élevée. Inversement, si la résistance est faible, la fusion sera plus lente.
L'expérience acquise avec les résistances à couche épaisse a montré que les contraintes thermiques, telles que les surcharges de courte durée, la chaleur de soudure et les forces d'impulsion, tendent à induire une augmentation de la résistance électrique. Par conséquent, lorsque ces phénomènes se produisent dans un fusible à puce, ses caractéristiques se modifient, ce qui entraîne une réduction du temps de fusion. Bien que les éléments fusibles composés d'un mélange de différents matériaux, tels que les alliages cuivre-étain, soient conçus pour atteindre des valeurs I²T élevées, ils sont particulièrement sensibles à une réduction du temps d'ouverture après des contraintes thermiques successives. Ceci est dû au fait que la contrainte provoque une migration des matériaux constitutifs, comme illustré par la figure 4, qui représente le processus de migration continue du Cu-Sn après une charge d'impulsion. En fonction de l'intensité et de la durée de la charge électrique, les caractéristiques de fusion de ce type de fusible se modifient, avec des temps de fusion plus courts. Ces variations peuvent être évitées en appliquant des techniques permettant de préserver la stabilité de la valeur de résistance des fusibles à puce.
Répétabilité :
Lors de la phase d’intégration, les ingénieurs en électronique constatent des variations importantes dans les caractéristiques des fusibles. De manière générale, les fusibles à puce sont des résistances de faible valeur, de l’ordre du milliohm. Comme expliqué précédemment, la caractéristique du fusible est proportionnelle à la valeur de la résistance : plus la variation de résistance est importante, plus la caractéristique du fusible varie. En raison de cette variation, un fusible à puce peut s’ouvrir sous l’effet d’un courant d’appel normal, ou inversement, ne pas s’ouvrir en cas de surcharge. Il s’agit bien sûr du pire scénario possible, que les ingénieurs doivent absolument éviter. La figure 5 illustre la distribution typique des caractéristiques des fusibles imprimés à couche épaisse.
Surmonter les défis de la stabilité et de la répétabilité :
La technologie des couches minces répond à toutes les exigences de stabilité et de répétabilité des caractéristiques des fusibles. Depuis la fin des années 1960, la pulvérisation cathodique est utilisée pour la fabrication de couches minces afin de produire des résistances de haute stabilité et précision. De ce fait, plusieurs milliards de ces dispositifs sont aujourd’hui installés dans tous les domaines de l’électronique, même dans les conditions environnementales les plus extrêmes.
Les techniques de pulvérisation cathodique actuelles offrent des avantages considérables, tels qu’un contrôle précis de l’épaisseur du dépôt et l’obtention d’une structure cristalline homogène dans la couche métallique résultante. Lorsque la technologie des couches minces est utilisée pour la fabrication de fusibles à puce, ces atouts influencent directement la stabilité et la répétabilité des paramètres de fusion.
Toutefois, il est également nécessaire de contrôler précisément la géométrie de l’élément fusible afin de maîtriser le courant nominal des fusibles à puce. La structuration de l’élément fusible par photolithographie permet d’obtenir des contours géométriques précis et de dissoudre le matériau conducteur inutilisé entre les terminaisons. Grâce à la photolithographie, la longueur et la largeur de l'élément fusible sont contrôlées avec la même précision que l'épaisseur de la couche mince déposée. La figure 6 illustre comment le procédé photolithographique utilisé pour fabriquer les fusibles à couche mince de la série MFU de Vishay permet d'obtenir un élément fusible aux contours nets et précis.
L'association de la technologie de dépôt par pulvérisation de couches minces et de la photolithographie permet aux fabricants de composants d'atteindre des tolérances géométriques très serrées pour les éléments fusibles, tout en garantissant une structure cristalline homogène. Ceci présente le double avantage de minimiser les écarts de résistance dus aux contraintes et d'améliorer la reproductibilité de la fabrication. La figure 7 illustre la forte corrélation entre les temps de fusion minimum et maximum obtenus lors de la fabrication des fusibles à couche mince de la série MFU grâce à cette combinaison de techniques.
Finition :
L’utilisation de procédés de production identiques à ceux employés pour la fabrication des résistances à couche mince présente un autre avantage : les opérations de finition, incluant le scellage, le marquage et le revêtement des terminaisons à faible résistance, sont suivies d’une inspection optique automatisée et d’une mesure de résistance de chaque fusible à puce fabriqué. Seuls les fusibles à puce répondant aux exigences de qualité élevées et aux tolérances de résistance strictes de Vishay pour les résistances à couche mince sont conditionnés. Le processus de conditionnement vérifie, le cas échéant, le bon fonctionnement des fusibles à puce à couche mince dans leur application prévue, protégeant ainsi l’utilisateur final et le distributeur d’équipements contre les conséquences des surcharges dangereuses.
minces
est une technologie éprouvée pour les composants passifs haut de gamme, utilisée et perfectionnée depuis plusieurs décennies. Ses avantages en termes de précision, de répétabilité et de stabilité sont particulièrement appréciés pour la production en série de milliards de résistances à couches minces chaque année. Les fusibles à puce fabriqués à l'aide de cette technologie offrent désormais des propriétés tout aussi prévisibles en termes de stabilité et de répétabilité de leur caractéristique de fusible. Grâce à l'intégration de cette technologie éprouvée dans des dispositifs de sécurité de pointe pour la protection contre les surintensités, les concepteurs de composants électroniques de puissance atteignent des niveaux de sécurité et de performance supérieurs lors de la conception de nouveaux produits.
Auteur : Ove Hach, Vishay BCcomponents Beyschlag GmbH
