國產全固態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，楊艦

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

0 引言

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[1-6]。熔斷器作為一種可靠性器件，廣泛應用于國內外各種航天器件中，在安全領域中占有極其重要的地位[7-9]。

全固態厚膜熔斷器在產品結構設計、材料選用和生產工藝控制方面的要求都遠高于管狀及其他類型熔斷器。之前由于國內熔斷器生產廠技術研發能力薄弱、生產工藝控制精度差，無法做到高可靠性的質量水平，因此全固態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，國內熔斷器制造廠商也大大提升了對全固態熔斷器的技術研發能力，目前已基本實現國外固態厚膜熔斷器的替代。

熔斷器在經受一定電應力特別是長期工作后會產生壽命疲勞，從而熔斷器的工作壽命是電路設計師正確而恰當也選用熔斷器的關鍵因素之一。針對管狀熔斷器，文獻[10-11]中，作者根據老化機理建立的基于金屬電遷移理論的熔斷器壽命預測模型，開發了一套熔斷器壽命評估系統，該系統能夠采集準確的、全面的壽命試驗數據，經過數據分析與處理，能得到組熔斷器的預測壽命。

隨著熔斷器材料、結構和工藝技術的不斷更新，以及國產全固態厚膜熔斷器在航天型號工程中的逐步使用，開展國產全固態厚膜熔斷器壽命可靠性研究，得出熔斷器在不同環境溫度、不同工作電流下的可靠性結論，為航天型號工程選用熔斷器提供指導顯得尤為重要。

1 全固態厚膜熔斷器典型結構

全固態厚膜熔斷器主要結構由陶瓷基底、熔斷體、內層電極、滅弧層和陶瓷外殼組成。其中，熔斷體對其熔斷特性起關鍵作用，其余結構均圍繞熔斷體進行設計。熔斷體的工作原理主要為過載大電流通過時瞬間產生熱量，使熔體材料達到熔點并氣化，通過抑弧材料吸收或冷卻作用，使熔體材料分散進而分斷電流。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、內電極層和滅弧層的內芯結構，內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、額定分斷能力高、滅弧性能好和熔斷后絕緣電阻值高等特點。產品內部結構示意圖如圖1所示。

圖1 全固態厚膜熔斷器內部結構示意圖

2 高溫壽命老化機理

熔斷器在使用過程中，由于自身流過的電流及外界環境的影響，熔斷器中實現電連接的部位不可避免地會發生老化降級，從而影響熔斷器的保護特性，進而影響其使用壽命[12]。

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

a）熔體金屬電遷移

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

b）焊劑治金效應

高溫條件下，熔斷器內部焊錫揮發至內部電極上，從而發生治金效應，進而導致熔斷器的冷態電阻增加。

c）化學腐蝕

熔斷器內部殘留的助焊劑會在高溫條件下揮發至內部電極表上，造成內部電極化學腐蝕，進而導致熔斷器冷態電阻增加。

3 高溫壽命試驗

3.1 試驗樣品

試驗樣品選擇國內某廠家生產的典型全固態厚膜熔斷器（MF-XX 型）。其固有的冷態電阻與熔斷特性參數如表1 所示。

表1 MF-XX 型全固態厚膜熔斷器熔斷特性參數

本次試驗抽取5、15 A 兩種電流規格樣品進行試驗，樣品必須通過測試流程，各項參數符合規范要求。為了與高溫壽命后的熔斷時間進行對比，先對每個電流規格熔斷器各抽取12 只樣品進行過載熔斷特性測試，過載熔斷測試結果如表2 所示。

表2 熔斷特性測試數據

3.2 試驗條件設計

高溫壽命試驗參數設置主要有兩種方式：一種為在一定環境溫度下，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，選取不同環境溫度作為變化因子。

詳細試驗條件如表3 所示，其中A 組與B 組試驗主要在環境溫度同為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行研究。C 組試驗的目的：一方面是為了滿足用戶要求，研究在環境溫度為85 ℃下給熔斷器施加100%In后對熔斷器的電性能；另一方面，是為了研究環境溫度與工作電流哪個變化因子對熔斷器的壽命影響更大。

表3 高溫壽命試驗條件

3.3 試驗結果分析

根據表3 中的試驗條件，對不同試驗條件下的試驗數據進行統計，結果如表4～5 所示。

表5 MF-XX 型全固態厚膜熔斷器過載熔斷和絕緣電阻測試數據

根據表4 中數據，繪制5A 和15A 規格熔斷器A 組、B 組和C 組4000h 高溫壽命后冷態電阻最大變化率曲線分別如圖2～3 所示，5A 和15A 規格熔斷器400%In 熔斷時間壽命前后的變化曲線別如圖4～5 所示。

圖2 5 A 產品壽命時間與與冷態電阻最大變化率曲線

圖3 15 A 產品高溫壽命時間與與冷態電阻最大變化率曲線

圖4 5 A 產品壽命時間與與400%In 熔斷時間變化曲線

從表4 和圖4 可以得到以下幾點結論。

a）5 A 與15 A 規格的熔斷器A 組、B 組和C組4 000 h 高溫壽命后冷態電阻最大變化率均≤±2%，滿足標準≤±10%的要求，說明MF-XX型熔斷器內部實現電連接的通路性能穩定可靠，主要與該類熔斷器熔體材料為穩定性優異的金有關。

b）5 A 與15 A 規格熔斷器3 組壽命試驗中冷態電阻最大變化率基本呈現減少的趨勢，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，該階段主要對實現電連接的通路在電流作用下融合的更好，從而呈現冷態電阻變小的趨勢，隨著工作時間的增加，后續冷態電阻將逐漸呈現增加的趨勢（從圖3 中15 A-B 組曲線在4 000 h 冷態電阻呈現轉折的趨勢可知）；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 組冷態電阻變化情況可知，在相同溫度下，壽命工作時工作電流越大，產品表面的溫度越高，從而冷態電阻變化率呈現增加的趨勢；從B 組與C 組冷態電阻變化情況可知，在125 ℃下施加80%In與85 ℃下施加100%In兩者冷態電阻的變化趨勢基本接近，主要是因為兩種情況下熔斷器表面的溫度接近，因而高溫壽命后其冷態電阻基本呈現相同的變化趨勢。進而說明環境溫度與工作電流兩個因子對熔斷器的壽命影響最終體現在產品表面溫度上，產品表面溫度越高，則長期工作后冷態電阻變化越大。

從表4 和圖5 可知：5 A 與15 A 規格熔斷器3組高溫壽命試驗后400%In熔斷時間變化較小，主要是由于其冷態電阻變化小，在一定熔斷電流下，熔斷時間與冷態電阻基本呈現對應關系，從而400%In熔斷時間變化較小。

圖5 15 A 產品高溫壽命時間與與400%In 熔斷時間曲線

4 結束語

本文對全固態厚膜熔斷器高溫壽命老化機理進行了闡述、分析和驗證，開展了熔斷器的高溫壽命研究，設置了不同環境溫度與工作電流下的壽命試驗，對全固態厚膜熔斷器的高溫壽命進行了評估分析，可為后續航天型號工程選用該型熔斷器起到指導作用。

另外，試驗結果表明，在相同溫度下，工作電流越大，壽命試驗后冷態電阻變化率呈現增加的趨勢；環境溫度與工作電流兩個因子對熔斷器的壽命影響最終體現在產品表面溫度上，產品表面溫度越高，則冷態電阻變化越大。