高可靠熔斷器溫度應力極限評估試驗方法

董宇亮，彭云霄，匡 婷，龔 建，謝 強

(1.電子科技大學物理電子學院，四川 成都610054;2.蘇州晶訊科技股份有限公司，江蘇蘇州215163;3.中國振華集團云科電子有限公司，貴州貴陽550018)

0 引言

隨著航天科技工業的快速發展，航天電子設備越來越復雜，對配套的宇航元器件的可靠性提出了更高的要求。宇航元器件極限評估技術[1]是一種元器件可靠性評估的新方法，目的在于探求元器件的極限能力能否滿足宇航特定的應用環境要求。極限評估采用高加速應力[2－3]和持續應力的方法，在規定時間的應力條件下，評測元器件滿足規定要求的臨界應力值，以此來分析元器件可靠性與規范之間要求的裕度和余量，以及在設計、材料或工藝方面的潛在缺陷，評估元器件在熱、力、電等應力作用下可承受的應力極限值和失效模式，評價元器件極限能力[1]。極限評估對高可靠要求的元器件質量保證尤為重要。國軍標GJB548-2005中條目5006[4]規定了微電子器件的極限測試方法，內容來自美軍標MIL883E，但測試項目和試驗方法不夠全面。目前，元器件極限評估的標準規范體系還處于早期研究階段，一些極限評估試驗方法相繼被提出[5－7]。

熔斷器是一種常用且重要的電子元件，其主要作用是為設備提供保護和隔離。宇航用熔斷器的可靠性對航天工程至關重要，因為熔斷器失效將導致被保護單元失效，甚至導致整機系統失效，造成巨大損失。歐洲空間元器件協調委員會(ESCC)制定的熔斷器規范[8－9]和美國的儀器型熔斷器規范[10－11]，規定了熔斷器生產、保證等過程中進行的檢測和評估試驗方法，但沒有形成獨立系統的熔斷器極限評估試驗標準體系，對鑒定試驗后的產品，使用方是否需要和如何進行極限評估試驗未做規定。

現有的熔斷器可靠性物理模型和方法大多側重于壽命評估[12－13]，而缺少極限評估試驗方法。目前國內使用的GJB5850-2006《小型熔斷器通用規范》[14]也是如此，其中的過載熔斷試驗只規定了電源的開路電壓不小于受試熔斷器的規定額定電壓值，缺少統一的比較基準。涉及溫度應力的試驗方法只有溫度沖擊試驗，該試驗目的是確定元件暴露于高低溫極值下，以及抵御高低溫極值交替沖擊的能力，但規定的方法是只施加額定電流，難以反映環境溫度對熔斷器極限能力的影響。文獻[7]研究了高可靠熔斷器在步進電應力下的極限評估試驗方法，對現有規范是一個補充。在中國熔斷器標準規范體系的研究中，還有必要增加環境溫度對熔斷器熔斷性能影響的試驗，以更加全面地評估熔斷器的可靠性，包括在不同環境溫度下的熔斷器的極限能力。

基于以上背景需求和極限評估技術，提出一種高可靠性熔斷器極限使用溫度試驗方法。方法在不同的環境溫度下對熔斷器施加最小熔斷電流而非額定電流，考察熔斷時間與環境溫度的關系，以此來評估熔斷器的的極限能力。此外，試驗樣品選用國產高可靠熔斷器，有助于推動宇航元器件的國產化研究。

1 熔斷器特性和機理

1.1 熔斷器的功能和特性

熔斷器是一種串聯在被保護電路中的過電流保護器件，當被保護電路的電流超過規定值并經過一定時間后，由熔體自身產生的熱量熔斷熔體使電路斷開，從而起到保護作用[7]。根據IEC標準熔斷器的定義，其功能主要表現在4個方面:導電性、分斷性能、環境影響、長期工作的性能(老化性能)。

熔斷器也是一種特殊的電子元件，熔斷具有一次性、不可逆的特性。熔斷特性主要考慮保護功能，希望熔斷器在該斷的時候(電路出現故障過電流時)能夠及時熔斷;而熔化熱能值主要考慮承載功能，希望熔斷器在不該斷的時候(在額定電流以內和設備能夠承受的電路開關瞬間非故障脈沖電流時)不斷。這兩個方面是存在矛盾和制約的，需要進行綜合平衡，這使得熔斷器的可靠性和極限評估也具有特殊性，與電阻、電容、電感和繼電器等元件的評估方法有顯著不同。

熔斷器在該斷開時不斷開或不該斷開時斷開，都視為熔斷器失效;熔斷器長期工作，其熔體長期處于高溫狀態，熔體會發生老化現象，其保護特性發生變化，這種現象也稱之為失效。

1.2 環境溫度對熔體溫升的影響

熔體是熔斷器內分斷故障電路的動作元件。熔斷器工作時所承載的電流I在熔體上所產生的電熱功耗為I2R(R為熔體電阻)。熔體的構造與其安裝的狀況確定了熱量耗散的速度，熔體的溫升，取決于所處的熱平衡狀態。對其熱平衡方程求解可得到熔體工作溫度的表示式[15]

Ta是環境溫度;I和t是承載電流和時間;C1、m1、β和Ra分別是熔體材料的比熱、質量、電阻溫度系數和熔體在環境溫度Ta下的電阻值;C2、m2是熔斷器的等效比熱和質量;s、a分別為熔斷器的散熱表面積和周圍冷卻介質的散熱系數。

環境溫度和載流值都是熔斷器工作溫升的主要影響因素。

由式(1)可推出達到熔體材料熔點TR時的最小熔斷電流[15]

2 溫度應力極限評估試驗方法

2.1 試驗基本方法

熔斷器的可靠度定義為:在規定條件下，在指定時間(熔斷器通以額定電流，正常導電運行的時間)，指定時間間隔(熔斷時間)或指定時間內完成規定功能的概率[16]。傳統定義中的熔斷時間作為條件變量，但在實際試驗中難以控制，用于熔斷器極限評估很不不便。

環境溫度的變化可以改變熔體達到其材料熔點所需的加熱量，也可以改變臨界電流值從而影響熔斷時間及電流特性，與熔斷器的可靠性有著緊密的聯系。所以，以環境溫度應力為條件變量進行熔斷試驗，考察熔斷時間與環境溫度的關系，對熔斷器的極限評估和可靠性評估是十分必要的。

試驗方法設計對熔斷器樣品平均分組，各組樣品工作在不同環境溫度下。對每組樣品分別施加其最小熔斷電流，直至樣品熔斷，測量熔斷時間和絕緣電阻，通過比較不同環境溫度下的熔斷時間和絕緣電阻來評估熔斷器的可靠性水平。

當線路發生故障時，熔斷器能在一定時間內熔斷，保護電氣設備和線路。基于對設備的保護，熔斷時間不能超出限定范圍的要求。同時，熔斷器的熔斷可靠性與熔斷后的絕緣電阻有關。故選擇熔斷時間的長短和絕緣電阻值來作為判據。

采用對熔斷器施加額定電流的常規試驗方法的重點是檢驗承載性能，評估壽命;而文中提出的試驗方法采用最小熔斷電流，重點是檢驗保護性能，探查熔斷時間隨環境溫度變化的臨界溫度，從而評估熔斷器的極限能力，采用最小熔斷電流也為比較不同環境溫度下的熔斷性能提供了一個統一基準條件。

2.2 試驗參數

宇航熔斷器的工作溫度范圍通常為－50℃～+125℃，故試驗將最高的試驗溫度設定為+125℃。而通常在被施以相同電流的情況下，熔斷器的分斷特性對低溫環境的響應并沒有高溫時敏感，因此方法只選取+25℃～+125℃范圍作為試驗溫度，而且在考察常、高溫變化的同時保持其他參數固定不變，即試驗為單應力的極限評估試驗。

2.3 試驗樣品

試驗樣品選取兩種國產典型型號高可靠熔斷器，一種是插件式SF12L-125，一種是表貼式M1206F-S。同時，為了使試驗樣品具有代表性，每個型號系列按規格選取最大額定電流值和最小額定電流值的樣品，選取的插件式樣品中SF12L-125-1.0為額定電流最小的，SF12L-125-5.0為該型號最大額定電流的樣品;選取的表貼式樣品中M1206F-S-125-1.0為額定電流最小的，M1206F-S-125-1.0為該型號最大額定電流的樣品。試驗樣品型號規格和編號如表1所示。

表1 試驗樣品型號規格和編號

試驗樣品的照片如圖1所示。

圖1 試驗樣品照片

2.4 試驗程序

具體試驗步驟如下:

(1)分別按照ESCC No.4008 規范[6－7]和 MIL-PRF-23419G 規范[8－9]中的要求，對所有試驗樣品進行100%的外觀和機械檢查，電壓降和阻值測試。要求試驗樣品表面標志清晰，本體無損傷、開裂、松動等現象，其材料、設計、結構、外形尺寸、標志和加工質量符合相應的要求，并照相記錄典型外觀形貌，電壓降及阻值應符合相關詳細規范的規定[6－7]。

(2)從試驗樣品中抽取16只，并按規格型號平均分為4組，每個分組取4只樣品，如表1所示。

(3)將4組待測樣品分別置于+25℃、+55℃、+85℃、+125℃的環境溫度中，每個測試溫度下，試驗樣品應至少保持30分鐘的溫度穩定時間。待穩定后，對每個待測樣品施加其最小熔斷電流(選定在+25℃時所測的熔斷時間小于且最接近于5s的熔斷電流值)，直至樣品熔斷。

(4)記錄樣品熔斷時間，同時對樣品進行外觀和機械檢查，測量其在額定電壓下的絕緣電阻值。

3 試驗結果及分析

通過極限使用溫度的試驗方法得到試驗結果數據，如表2所示。

表2 試驗結果

將所測熔斷時間結果繪制成擬合曲線，如圖2所示。可以看出，這4種型號規格的熔斷器的熔斷時間均隨著環境溫度的升高而減小，符合理論趨勢。這4種型號規格的熔斷器的熔斷時間雖有差別，但在環境溫度不低于25℃時，熔斷時間都小于2s，熔斷后的絕緣電阻值都大于10MΩ，具有優良的絕緣電阻值性能，均可達到良好的可靠度。

通過試驗，容易找出熔斷器的臨界溫度，即熔斷器分斷特性隨溫度的變化率發生明顯變化時所對應的溫度值，也就是變化率的拐點。臨界溫度對于找出熔斷器的敏感工作狀態、有的放矢地保障熔斷器的可靠性有著重要作用。從圖2可以看出，這4種型號規格的熔斷器的臨界溫度約為55℃。環境溫度低于55℃時，熔斷時間隨環境溫度的變化率較為顯著;環境溫度高于55℃時，熔斷時間隨環境溫度的變化率明顯減小。

對不同種類和型號的熔斷器采用試驗方法，可以比較在溫度應力的影響下，哪種熔斷器熔斷時間更短，絕緣電阻值更高，具有更高的可靠性，可以更準確全面地考察熔斷器的分斷性能和可靠性。

圖2 熔斷時間隨環境溫度變化曲線1

4 結束語

針對熔斷器現有規范的不完備之處，基于極限評估技術，提出一種熔斷器溫度應力極限評估的試驗方法。首先分析熔斷器熔斷機理與溫度應力的關系，進而提出本次溫度應力極限評估試驗的方法、程序和要求。選用兩種國產典型型號高可靠熔斷器，進行溫度應力極限評估驗證試驗，結果顯示該試驗方法是合理的可行的。通過文中提出的試驗方法，可以幫助生產方檢測熔斷器產品和使用方選購可靠性更高的熔斷器產品，為建立熔斷器極限評估試驗規范和分類元器件極限評估標準體系提供基礎和依據。

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