Le sovracorrenti sono generalmente causate da sovraccarichi o cortocircuiti, mentre le sovratensioni sono generalmente causate da rapide variazioni di tensione transitorie, come quelle generate dai fulmini o dalla commutazione di carichi induttivi.
Se sufficientemente intense, le sovratensioni transitorie rapide possono danneggiare altri componenti o il loro materiale isolante, il che a sua volta può generare sovracorrenti in altre parti del circuito.
Le sovracorrenti possono avere una serie di effetti indesiderati, come il surriscaldamento dei conduttori elettrici nelle linee elettriche, nei cavi, nei fili e nelle unità elettroniche. Il surriscaldamento dei conduttori elettrici può a sua volta danneggiare i materiali isolanti circostanti, il che, a seconda del materiale utilizzato, può provocare fumo e incendi.
Paradossalmente, il fatto che sovratensioni e sovracorrenti tendano ad aumentare la temperatura dei conduttori elettrici è il fenomeno che rende possibili i fusibili. Quando la fusione e la vaporizzazione del materiale conduttore in un fusibile sono controllate e prevedibili con precisione, la sua autodistruzione diventa un metodo affidabile per prevenire le conseguenze delle sovracorrenti e quindi degli incendi. Le attuali tecnologie dei fusibili consentono un'ampia varietà di applicazioni, dai sistemi di distribuzione elettrica ad alta tensione ai sistemi elettronici industriali, commerciali e domestici. La tendenza alla miniaturizzazione e la crescente domanda di dispositivi elettronici mobili sono i principali fattori trainanti della tecnologia dei fusibili a chip. I fusibili a chip attualmente sul mercato sono adatti per applicazioni a livello di scheda, per correnti nominali fino a circa 8 ampere.
In questo articolo, confronteremo i vantaggi e le prestazioni di diverse tecnologie di fusibili a chip, inclusa la tecnologia a resistori a film sottile. Dimostreremo inoltre che parametri tecnici cruciali, come la stabilità a lungo termine, la capacità di carico impulsivo e la ripetibilità, sono altrettanto importanti quanto i parametri ufficialmente riconosciuti, quali la corrente nominale, la tensione nominale e le certificazioni degli enti di sicurezza.
Principi di progettazione dei fusibili a chip
Prima di analizzare le proprietà elettriche dei diversi tipi di fusibili a chip disponibili sul mercato, è importante comprendere i principi di progettazione su cui si basa ciascuna tecnologia.
I fusibili standard utilizzano un filo metallico inserito in un tubo troncato di ceramica o vetro riempito d'aria o sabbia. I fusibili a chip, invece, si basano su principi completamente diversi. La maggior parte dei fusibili a chip assomiglia ai componenti standard e sono realizzati con un substrato ceramico monostrato o multistrato. Alcuni modelli più vecchi utilizzano substrati in fibra di vetro e resina epossidica, simili a quelli impiegati nei circuiti stampati.
Per l'elemento fusibile, montato sopra il substrato monostrato o all'interno del substrato multistrato, si utilizza un materiale altamente conduttivo, come rame, oro o leghe come rame-stagno o argento-palladio. Questi materiali compositi possono aumentare la resistenza del fusibile alle correnti di spunto, ma sono anche in genere meno stabili nella loro risposta allo stress termico, aumentando la possibilità di un'apertura errata dopo diversi cicli di spunto.
A seconda del tipo di substrato, l'elemento fusibile può essere un deposito a strato spesso fissato al laser o uno strato metallico trattato chimicamente con le caratteristiche desiderate. Si può utilizzare anche un filo d'oro saldato. La forma e lo spessore vengono scelti in modo che l'elemento si fonda entro un tempo specifico in condizioni di sovraccarico quando la corrente elettrica raggiunge un certo livello.
Per svolgere la sua funzione di strato funzionale del componente a chip, l'elemento fusibile deve anche essere protetto dalle condizioni ambientali. Nel caso di un fusibile a chip monostrato, l'elemento è solitamente rivestito con lacca o resina epossidica. Gli elementi fusibili dei fusibili a chip multistrato sono in genere protetti dagli strati del substrato. Poiché i fusibili a chip possono essere dimensionati per correnti fino a 7 o 8 ampere, i dispositivi a montaggio superficiale (SMD) richiedono contatti con bassa resistenza ohmica.
Funzionalità dei fusibili a chip:
I fusibili a chip svolgono due funzioni nei prodotti elettronici: proteggere gli utenti finali da danni e prevenire danni ai circuiti elettronici. Queste funzioni sono vantaggiose sia per il proprietario che per il distributore di un determinato dispositivo. Nell'ultimo decennio, si è registrata una crescita esponenziale della domanda di dispositivi elettronici per l'informatica, i sistemi mobili e le applicazioni di consumo. Parallelamente a questa rapida crescita della domanda, è aumentato anche il rischio di condizioni impreviste nei dispositivi elettronici. Queste condizioni impreviste sono causate principalmente da altri dispositivi elettronici, creando vari rischi, tra cui i sovraccarichi elettrici, che richiedono misure preventive contro le sovracorrenti, come l'uso di dispositivi di protezione da sovraccarico come i fusibili a chip.
La caratteristica di fusibile mostrata in Figura 1 è la proprietà più importante di un fusibile a chip, in quanto definisce i tempi di fusione per diversi livelli di sovracorrente elettrica. Una volta che la corrente raggiunge un livello predeterminato, la potenza elettrica dissipata all'interno dell'elemento fusibile è sufficiente a fondere e vaporizzare detto elemento in un periodo di tempo fisso, chiamato tempo di pre-arco.
Principali parametri prestazionali
La caratteristica del fusibile mostrata in Figura 1 comprende due regioni principali. La prima regione, a sinistra della curva blu, comprende l'area ombreggiata in verde, che rappresenta il normale funzionamento "trasparente" e le sovracorrenti di breve durata fino al doppio della corrente nominale del fusibile. Questa regione definisce la capacità di trasporto degli impulsi del fusibile a chip e dipende dalle proprietà dell'elemento fusibile: ad esempio, un'elevata capacità di trasporto degli impulsi può essere ottenuta aumentando la sua area della sezione trasversale.
La linea blu definisce i tempi di fusione per sovracorrente e cortocircuito superiori alla corrente nominale del fusibile (IR), che è di 5 A per il fusibile mostrato. L'energia necessaria per fondere il fusibile è regolata dalla formula I²T; pertanto, all'aumentare del valore della sovracorrente, il tempo di apertura del fusibile diminuisce. In genere, si prevede che il fusibile impieghi da 1,0 a 3,0 secondi per aprirsi quando esposto al doppio della sua corrente nominale. Se esposto a 10 volte la sua corrente nominale, dovrebbe aprirsi in meno di 0,1 ms. Inoltre, per evitare che il fusibile si apra quando esposto a una normale corrente di spunto, il valore massimo di I²T dell'impulso di spunto dovrebbe essere inferiore a circa il 50% del valore massimo di I²T del fusibile.
Il tempo di fusione del fusibile è correlato alla resistenza termica tra l'elemento fusibile e l'ambiente, che dipende dalle caratteristiche dell'elemento fusibile, del substrato, della tenuta e dei terminali e del progetto del circuito stampato. Pertanto, il tempo di intervento – e di conseguenza l'efficacia della protezione offerta – dipenderà sia dalla tecnologia di produzione che dalla progettazione del prodotto. Se la resistenza termica tra l'elemento fusibile e l'ambiente è troppo bassa, non ci sarà energia sufficiente per fondere l'elemento fusibile, impedendogli di interrompere correnti di sovraccarico pari al doppio della corrente nominale in meno di 120 secondi. Le figure 2 e 3 illustrano questo caso per i fusibili a chip multistrato e i fusibili a film spesso realizzati con taglio laser.
Stabilità e ripetibilità
In pratica, tuttavia, l'accuratezza, la ripetibilità e la stabilità della caratteristica del fusibile dipenderanno in larga misura dalla progettazione dell'elemento fusibile e dalla tecnologia di produzione impiegata. Comprendere l'influenza di questi due fattori è essenziale quando si sceglie il fusibile a chip ottimale per una data applicazione.
La stabilità della caratteristica del fusibile è strettamente correlata alla progettazione del componente, mentre la sua ripetibilità dipenderà in larga misura dalla stabilità e dall'accuratezza della tecnologia di produzione del fusibile a chip.
Stabilità.
Innanzitutto, è necessario comprendere il significato del termine stabilità in relazione alla caratteristica fusibile. La resistenza elettrica di un fusibile a chip è il parametro che ne determina le proprietà fusibile. Poiché l'energia applicata in condizioni di sovraccarico è proporzionale al valore della resistenza, il fusibile si fonderà più velocemente quanto maggiore è la resistenza. Viceversa, se la resistenza si riduce, la fusione sarà più lenta.
L'esperienza con i resistori a film spesso ha dimostrato che le sollecitazioni termiche, come sovraccarichi di breve durata, calore di saldatura e forze impulsive, tendono a produrre uno spostamento positivo della resistenza elettrica. Pertanto, quando questi fenomeni si verificano in un fusibile a chip, la sua caratteristica cambierà, con conseguente riduzione dei tempi di fusione. Sebbene gli elementi fusibili composti da una miscela di materiali diversi, come le leghe rame-stagno, siano progettati per raggiungere elevati valori di I²T, sono particolarmente sensibili a una riduzione del tempo di apertura dopo successive sollecitazioni termiche. Questo perché la sollecitazione provoca la migrazione nei materiali costituenti, come mostrato nella Figura 4, che illustra il processo di migrazione continua Cu-Sn dopo un carico impulsivo. A seconda dell'entità e della durata del carico elettrico, le caratteristiche di fusibile di questo tipo di fusibile si modificano, riducendo i tempi di fusione. Tali variazioni delle caratteristiche di fusibile possono essere prevenute applicando tecniche che preservano la stabilità del valore di resistenza dei fusibili a chip.
Ripetibilità:
Durante la fase di integrazione, gli ingegneri elettronici riscontrano variazioni significative nelle caratteristiche dei fusibili. In generale, i fusibili a chip sono resistori di basso valore, con resistenze che vanno nell'ordine dei milliohm. Come spiegato in precedenza, la caratteristica del fusibile è proporzionale al valore della resistenza: maggiore è la variazione della resistenza, maggiore è la variazione della caratteristica del fusibile. A causa di questa variazione, un fusibile a chip può aprirsi in presenza di normali correnti di spunto o, al contrario, non aprirsi in condizioni di sovraccarico quando necessario. Questo sarebbe, ovviamente, lo scenario peggiore possibile, che gli ingegneri devono evitare. La Figura 5 illustra la distribuzione tipica delle caratteristiche dei fusibili per i fusibili stampati a film spesso.
Superare le sfide di stabilità e ripetibilità:
la tecnologia a film sottile è in grado di soddisfare tutti i requisiti di stabilità avanzata e ripetibilità precisa delle caratteristiche del fusibile. Dalla fine degli anni '60, la tecnologia di sputtering è stata utilizzata nella produzione di film sottili per realizzare resistori a film sottile altamente stabili e precisi. Di conseguenza, oggi abbiamo miliardi di questi dispositivi installati in tutti i settori dell'elettronica, anche nelle condizioni ambientali più avverse. Le
attuali tecniche di sputtering offrono vantaggi significativi, come il controllo preciso dello spessore del deposito e il raggiungimento di una struttura cristallina omogenea nello strato metallico risultante. Quando la tecnologia a film sottile viene utilizzata nella produzione di fusibili a chip, queste caratteristiche influenzano direttamente la stabilità e la ripetibilità dei parametri di fusione.
Tuttavia, è anche necessario controllare con precisione la geometria dell'elemento fusibile per controllare la corrente nominale dei fusibili a chip. La strutturazione dell'elemento fusibile mediante un processo fotolitografico offre il vantaggio di produrre contorni geometrici precisi e di dissolvere il materiale conduttivo inutilizzato tra le terminazioni. Grazie alla fotolitografia, la lunghezza e la larghezza dell'elemento fusibile possono essere controllate con la stessa precisione e cura dello spessore dello strato di film sottile spruzzato. La Figura 6 mostra come il processo fotolitografico utilizzato per la produzione della serie MFU di fusibili a chip a film sottile di Vishay crei un elemento fusibile con un contorno chiaro e definito.
La combinazione della tecnologia di spruzzatura di film sottili con la fotolitografia consente ai produttori di componenti di ottenere tolleranze molto strette nelle geometrie degli elementi fusibili, garantendo al contempo una struttura cristallina omogenea degli stessi. Ciò offre il duplice vantaggio di minimizzare le deviazioni del valore di resistenza indotte dalle sollecitazioni e di aumentare la ripetibilità della produzione. La Figura 7 illustra la stretta correlazione tra i tempi di fusione minimi e massimi ottenuti nella produzione dei fusibili a chip della serie MFU utilizzando questa combinazione di tecniche.
Finitura:
Un ulteriore vantaggio derivante dall'utilizzo di processi produttivi identici a quelli impiegati nella fabbricazione di resistori a film sottile è che le fasi di finitura, che includono sigillatura, marcatura e rivestimento delle terminazioni a bassa resistenza, sono seguite da un'ispezione ottica automatizzata e dalla misurazione della resistenza di ogni fusibile a chip prodotto. Solo i fusibili a chip che soddisfano gli elevati requisiti di qualità di Vishay e le rigorose tolleranze di resistenza per i resistori a film sottile vengono confezionati. Se necessario, il processo di confezionamento verifica che i fusibili a chip a film sottile funzionino come previsto nell'applicazione a cui sono destinati, proteggendo sia l'utente finale che il distributore di apparecchiature dalle conseguenze di pericolosi sovraccarichi.
Abstract
La tecnologia a film sottile è una tecnologia collaudata per componenti passivi di fascia alta, utilizzata e perfezionata nel corso di diversi decenni. I suoi vantaggi in termini di precisione, ripetibilità e stabilità sono apprezzati nella produzione di massa di miliardi di resistori a film sottile ogni anno. I fusibili a chip realizzati con tecnologia a film sottile offrono ora proprietà altrettanto prevedibili in termini di stabilità e ripetibilità della caratteristica di fusibile. Grazie all'integrazione di questa tecnologia collaudata in dispositivi di sicurezza all'avanguardia per la protezione da sovracorrente, i progettisti di componenti di elettronica di potenza raggiungono livelli di sicurezza e prestazioni superiori nella progettazione di nuovi prodotti.
Autori: Ove Hach, Vishay BCcomponents Beyschlag GmbH
