Перегрузки по току обычно вызваны перегрузками или короткими замыканиями, тогда как перенапряжения обычно вызваны быстрыми переходными процессами, такими как удар молнии или переключение индуктивных нагрузок.
При достаточно высокой мощности быстрые переходные напряжения могут повредить другие компоненты или их изоляционный материал, что, в свою очередь, может вызвать перегрузки по току в других частях цепи.
Перегрузки по току могут иметь ряд нежелательных последствий, таких как перегрев электрических проводников в линиях электропередачи, кабелях, проводах и электронных устройствах. Перегрев электрических проводников, в свою очередь, может повредить окружающие изоляционные материалы, что, в зависимости от используемого материала, может привести к задымлению и возгоранию.
Парадоксально, но именно тот факт, что перенапряжения и перегрузки по току, как правило, повышают температуру электрических проводников, делает возможным создание предохранителей. Когда плавление и испарение материала электрического проводника в предохранителе тщательно контролируются и предсказуемы, его саморазрушение становится надежным методом предотвращения последствий перегрузок по току и, следовательно, пожаров. Современные технологии предохранителей позволяют использовать их в самых разных областях, от высоковольтных систем распределения электроэнергии до промышленных, коммерческих и бытовых электронных систем. Тенденция к миниатюризации и растущий спрос на мобильные электронные устройства являются основными движущими силами развития технологии микросхемных предохранителей. Микросхемные предохранители, представленные в настоящее время на рынке, подходят для применения на уровне печатных плат, при номинальных токах до примерно 8 ампер.
В этой статье мы сравним преимущества и характеристики различных технологий чип-предохранителей, включая технологию тонкопленочных резисторов. Мы также покажем, что такие важные технические параметры, как долговременная стабильность, импульсная нагрузочная способность и повторяемость, столь же важны, как и официально признанные параметры, такие как номинальный ток, номинальное напряжение и сертификаты агентств по безопасности.
Принципы проектирования чип-предохранителей
Прежде чем анализировать электрические свойства различных типов чип-предохранителей, представленных на рынке, важно сначала понять принципы проектирования, на которых основана каждая технология.
В стандартных предохранителях используется металлическая проволока, вставленная в усеченную керамическую или стеклянную трубку, заполненную воздухом или песком. Чип-предохранители, напротив, основаны на совершенно других принципах. Большинство чип-предохранителей напоминают стандартные чип-компоненты и изготавливаются с использованием одно- или многослойной керамической подложки. В некоторых более старых конструкциях используются эпоксидные стекловолоконные подложки, аналогичные тем, которые используются в печатных платах.
Для плавкого элемента, устанавливаемого на однослойную подложку или внутри многослойной подложки, используется высокопроводящий материал, такой как медь, золото или сплавы, например, медь-олово или серебро-палладий. Эти композитные материалы могут повысить сопротивление предохранителя пусковым токам, но они также, как правило, менее стабильны в своей реакции на термические нагрузки, что увеличивает вероятность неправильного срабатывания после нескольких циклов пускового тока.
В зависимости от типа подложки, плавкий элемент может представлять собой толстослойное покрытие, нанесенное лазером, или химически обработанный металлический слой с требуемыми характеристиками. Также может использоваться припаянная золотая проволока. Форма и толщина выбираются таким образом, чтобы элемент плавился в течение определенного времени в условиях перегрузки, когда электрический ток достигает определенного уровня.
Для выполнения своей функции в качестве функционального слоя чип-компонента плавкий элемент также должен быть защищен от воздействия окружающей среды. В случае однослойного чип-предохранителя элемент обычно покрывается лаком или эпоксидной смолой. Плавкие элементы многослойных чип-предохранителей обычно защищены слоями подложки. Поскольку микросхемные предохранители могут быть рассчитаны на ток до 7 или 8 ампер, для компонентов поверхностного монтажа (SMD) требуются контакты с низким омическим сопротивлением.
Функциональность чип-предохранителей:
Чип-предохранители выполняют две функции в электронных изделиях: защищают конечных пользователей от вреда и предотвращают повреждение электронных схем. Эти функции приносят пользу как владельцу, так и дистрибьютору данного оборудования. За последнее десятилетие наблюдается экспоненциальный рост спроса на электронные устройства для информационных технологий, мобильных систем и потребительских приложений. Наряду с этим быстрым ростом спроса, возрос и риск возникновения непредвиденных ситуаций в электронных устройствах. Эти непредвиденные ситуации в основном вызваны другими электронными устройствами, создавая различные риски, включая электрические перегрузки, которые требуют превентивных мер против перегрузок по току, таких как использование устройств защиты от перегрузки, таких как чип-предохранители. Наиболее
важным свойством чип-предохранителя является характеристика плавкости, показанная на рисунке 1, поскольку она определяет время плавления при различных уровнях электрических перегрузок по току. Как только ток достигает заданного уровня, электрическая мощность, рассеиваемая внутри плавкого элемента, достаточна для того, чтобы расплавить и испарить этот элемент за фиксированный период времени, называемый временем до возникновения дуги.
Основные рабочие параметры.
Характеристика предохранителя, показанная на рисунке 1, охватывает две основные области. Первая область, слева от синей кривой, включает заштрихованную зеленым цветом область, которая представляет собой нормальную «прозрачную» работу и кратковременные перегрузки по току до двукратного номинального тока предохранителя. Эта область определяет импульсную несущую способность чип-предохранителя и зависит от свойств элемента предохранителя: например, высокая импульсная несущая способность может быть достигнута за счет увеличения его площади поперечного сечения.
Синяя линия определяет время срабатывания предохранителя при перегрузках и токах короткого замыкания, превышающих номинальный ток предохранителя (IR), который для показанного предохранителя составляет 5 А. Энергия, необходимая для расплавления предохранителя, определяется формулой I²T; следовательно, с увеличением значения перегрузки время срабатывания предохранителя уменьшается. Как правило, ожидается, что предохранитель сработает за 1,0–3,0 секунды при воздействии тока, вдвое превышающего его номинальный. При воздействии тока, в 10 раз превышающего номинальный, он должен сработать менее чем за 0,1 мс. Кроме того, чтобы предотвратить срабатывание предохранителя при воздействии нормального пускового тока, максимальное значение I²T пускового импульса должно быть менее примерно 50% от максимального значения I²T предохранителя.
Время срабатывания предохранителя связано с тепловым сопротивлением между плавким элементом и окружающей средой, которое зависит от характеристик плавкого элемента, подложки, герметизации и выводов, а также конструкции печатной платы. Таким образом, время срабатывания — и, следовательно, эффективность обеспечиваемой защиты — будет зависеть как от технологии изготовления, так и от конструкции изделия. Если тепловое сопротивление между плавким элементом и окружающей средой слишком низкое, энергии будет недостаточно для расплавления плавкого элемента, что помешает ему отключать токи перегрузки, эквивалентные удвоенному номинальному току, менее чем за 120 секунд. На рисунках 2 и 3 этот случай иллюстрируется для многослойных чип-предохранителей и лазерно-установленных толстопленочных предохранителей.
Стабильность и воспроизводимость.
Однако на практике точность, воспроизводимость и стабильность характеристик предохранителя в значительной степени зависят от конструкции элемента предохранителя и используемой технологии изготовления. Понимание влияния этих двух факторов имеет важное значение при выборе оптимального чип-предохранителя для конкретного применения.
Стабильность характеристик предохранителя тесно связана с конструкцией компонента, в то время как его воспроизводимость в значительной степени зависит от стабильности и точности технологии изготовления чип-предохранителя.
Стабильность.
Прежде всего, необходимо понять значение термина «стабильность» в отношении характеристик плавкости. Электрическое сопротивление чип-предохранителя — это параметр, определяющий его плавкие свойства. Поскольку энергия, приложенная в условиях перегрузки, пропорциональна значению сопротивления, предохранитель будет плавиться быстрее при более высоком сопротивлении. И наоборот, если сопротивление уменьшается, плавление будет происходить медленнее.
Опыт работы с толстопленочными резисторами показал, что термические напряжения, такие как кратковременные перегрузки, нагрев при пайке и импульсные воздействия, как правило, вызывают положительный сдвиг электрического сопротивления. Следовательно, когда эти явления происходят в чип-предохранителе, его характеристики изменяются, что приводит к сокращению времени плавления. Хотя плавкие элементы, состоящие из смеси различных материалов, таких как медно-оловянные сплавы, разработаны для достижения высоких значений I²T, они особенно чувствительны к сокращению времени срабатывания после последовательных термических напряжений. Это связано с тем, что напряжение вызывает миграцию в составляющих материалах, как показано на рисунке 4, который иллюстрирует непрерывный процесс миграции Cu-Sn после импульсной нагрузки. В зависимости от величины и продолжительности электрической нагрузки, плавкие свойства предохранителей этого типа изменяются, сокращая время плавления. Эти изменения плавких свойств можно предотвратить, применяя методы, обеспечивающие стабильность значения сопротивления чип-предохранителей.
Повторяемость:
На этапе интеграции инженеры-электронщики сталкиваются со значительными колебаниями характеристик предохранителей. Как правило, чип-предохранители представляют собой резисторы с низким сопротивлением, находящимися в диапазоне миллиом. Как объяснялось выше, характеристика предохранителя пропорциональна значению сопротивления: чем больше изменение сопротивления, тем больше изменение характеристики предохранителя. Из-за этого изменения чип-предохранитель может срабатывать при нормальных пусковых токах или, наоборот, не срабатывать при перегрузке, когда это необходимо. Это, конечно, наихудший возможный сценарий, которого инженеры должны избегать. На рисунке 5 показано типичное распределение характеристик предохранителей для толстопленочных печатных предохранителей.
Преодоление проблем стабильности и воспроизводимости:
Тонкопленочная технология способна удовлетворить все требования к повышенной стабильности и точной воспроизводимости характеристик предохранителя. С конца 1960-х годов технология магнетронного распыления используется в производстве тонких пленок для получения высокостабильных и точных тонкопленочных резисторов. В результате, сегодня в электронике установлено несколько миллиардов таких устройств, работающих в самых неблагоприятных условиях окружающей среды.
Современные методы магнетронного распыления предлагают значительные преимущества, такие как жесткий контроль толщины осажденного слоя и достижение однородной кристаллической структуры в результирующем металлическом слое. При использовании тонкопленочной технологии в производстве чип-предохранителей эти свойства напрямую влияют на стабильность и воспроизводимость параметров плавления.
Однако также необходимо точно контролировать геометрию элемента предохранителя для контроля номинального тока чип-предохранителей. Структурирование элемента предохранителя с помощью фотолитографического процесса дает преимущество в создании точных геометрических контуров и растворении неиспользованного проводящего материала между выводами. С помощью фотолитографии длину и ширину плавкого элемента можно контролировать с той же точностью и аккуратностью, что и толщину напыленного тонкопленочного слоя. На рисунке 6 показано, как фотолитографический процесс, используемый для производства тонкопленочных чип-предохранителей серии MFU компании Vishay, создает плавкий элемент с четкими и чистыми контурами.
Сочетание технологии напыления тонких пленок с фотолитографией позволяет производителям компонентов достигать очень жестких допусков в геометрии плавких элементов, обеспечивая при этом однородную кристаллическую структуру плавких элементов. Это дает двойное преимущество: минимизацию отклонений значений сопротивления, вызванных напряжением, и повышение повторяемости производства. На рисунке 7 показана тесная корреляция между минимальным и максимальным временем плавления, достигаемым при производстве чип-предохранителей серии MFU при использовании этой комбинации методов.
Финишная обработка:
Еще одно преимущество использования производственных процессов, идентичных тем, которые применяются при изготовлении тонкопленочных резисторов, заключается в том, что после процессов финишной обработки, включающих герметизацию, маркировку и нанесение покрытия на низкоомные выводы, проводится автоматизированный оптический контроль и измерение сопротивления каждого изготовленного чип-предохранителя. В упаковку попадают только чип-предохранители, соответствующие высоким требованиям Vishay к качеству и строгим допускам по сопротивлению для тонкопленочных резисторов. При необходимости процесс упаковки проверяет, что тонкопленочные чип-предохранители работают должным образом в своем предполагаемом применении, защищая как конечного пользователя, так и дистрибьютора оборудования от последствий опасных перегрузок.
Аннотация.
Технология тонких пленок — это проверенная технология для высококачественных пассивных компонентов, которая используется и совершенствуется на протяжении нескольких десятилетий. Ее преимущества с точки зрения точности, повторяемости и стабильности ценятся в массовом производстве миллиардов тонкопленочных резисторов ежегодно. Чиповые предохранители, изготовленные с использованием технологии тонких пленок, теперь обеспечивают аналогичные предсказуемые свойства с точки зрения стабильности и повторяемости характеристик предохранителя. Благодаря внедрению этой проверенной технологии в современные устройства защиты от перегрузки по току, разработчики компонентов силовой электроники достигают более высоких уровней безопасности и производительности при проектировании новых продуктов.
Автор: Ове Хах, Vishay BCcomponents Beyschlag GmbH
