引言

从20世纪70年代开始，表面贴装技术SMT（Surface Mount Technology）的出现，彻底改变了传统的通孔插装技术，使电子产品走向微型化和轻量化。随着多层布线基板技术、微电子焊接与互连技术，集成电路及微电子技术、厚/薄膜混合集成电路等技术的发展，形成了高密度、高速度和高可靠性的主体结构微电子产品。这就促使了电路保护元件向片式微型化、高安全可靠性、高精度方向发展。世界上众多的电路保护元件厂家，纷纷研发生产出各种特性的电路保护元件。在过流保护片式SMD熔断器方面，有些产品是在环氧树脂基底或陶瓷基底上制作单层薄膜或厚膜金属熔断单元、以聚合物或玻璃材料包封、端电极以铜/镍/锡/铅（95/5）敷形涂覆。这类熔断器我们暂称其为常规片式熔断器。

由于制造工艺的限制，这类常规片式SMD熔断器在使用中存在一些不足：熔断时灭弧性不好、有闪弧烧穿包封层现象、熔断器老化等。

图1 AEM SolidMatrix 叠层多元陶瓷独石结构SMD熔断器(F0603FA)显微照片(略)

美国的AEM研发推出SolidMatrix叠层多元陶瓷独石结构的SMD熔断器采用该公司紫外固化成型专利技术，经UV固化成型、低温共烧制造出陶瓷叠层元件，相当于几个陶瓷外壳熔断器的并联组合（见图1）。该器件具有体积小、能量密度大、陶瓷独石结构可靠性高、精度高、响应速度快、易与其它元件集成等诸多优点。

制备工艺

成型

叠层结构的各层厚度、熔断丝的形状和粗细精密可控。多层熔断单元的几何尺寸完全一致，而熔断丝的形状和粗细直接决定着产品的熔断性能（如断开时间Clear time）。

采用紫外固化成型技术，有诸多优点：

（1）陶瓷浆料及金属银浆中的可挥发性溶剂很少，对环境几乎没有不良影响；

（2）由于固化过程中没有溶剂的挥发，不会造成气孔、分层等不良现象；

（3）紫外固化的速度很快，成型效率非常高；

（4）固化中收缩率很小。

后道工序

成型后将进行切割、剥片、排胶、烧结、倒角、上银端、烧银、电镀Ni/Sn和电分选等工序。这和叠层电感、电容等电子元件的后道制造工艺完全一致。

陶瓷基体和熔断丝在共烧时具有相同的收缩率。共烧后结构致密，没有任何孔洞出现。

AEM SolidMatrix叠层多元陶瓷独石SMD熔断器的最大优点在于：陶瓷基体中含有具灭弧作用的硼硅酸盐玻璃成分，在熔断器熔断的瞬间可快速地淬灭电弧。其玻璃成分可很快吸收熔化的熔断丝（如银），使得断开时间大大缩短，开路后电阻巨大。

陶瓷体与银端结合牢固，电镀镍和锡后，可焊性优越。

实验和讨论

叠层多元结构

前面已叙述，AEM SolidMatrixSMD熔断器与常规片式熔断器在结构方面具有显著的不同：它是叠层多元陶瓷独石结构。所谓多元就是指它具有分离的多层熔断单元。熔断单元之间为具有很好灭弧作用的陶瓷材料隔开。根据熔断器的额定电流大小来决定熔断单元的设计层数。对于大额定电流产品（如I>4A），熔断单元的层数可设计为三层或四层结构。这样相当于多个陶瓷熔断器的并联。由于精密印刷工艺，各层熔断丝几何尺寸完全一致，这就保证产品的断开时间具有很好的一致性。熔断单元位于陶瓷结构的中部，夹在较厚的陶瓷层中间（见图1）。

表1：SMD熔断器与常规片式熔断器的结构比较(略)

灭弧性

我们知道熔断器中的熔断丝具有一定的电阻，当电流通过时，将产生热量I2Rt。 当通过的电流增加时，产生的热量也随之增加。该热量将被熔断器所吸收从而使温度升高，一部分将散热至周围环境。当电流产生的热量大于熔断器传给周围环境的热量，则熔断器的温度将升高。当熔断丝的温度达到它的熔点时，熔断丝被熔断产生电弧。熔断器必须能立即淬灭电弧使电流断开。对于额定电流较大的熔断器，如果灭弧层太薄，在浪涌电流来到、熔断丝熔断产生电弧的时候，将非常可能烧穿薄薄的包封层，而不能有效地立即淬灭电弧使电流断开。这将使得电路中的敏感元件如集成块被大电流所烧毁。

AEM叠层多元陶瓷独石SMD熔断器，由于它含有多个独立的完全相同的熔断丝单元，工作电流将平均分流至多个单元上，每个熔断单元上分流的电流较小。如额定5A的熔断器为两层熔断单元结构，每层额定只是2.5A，这样熔断丝的尺寸可设计得很纤细。熔断单元之间是数mil厚的具有较多玻璃相的灭弧陶瓷层，上下两侧则是更厚的同样陶瓷层（见图1）。在浪涌电流来到时，分离的两层纤细熔断丝会立即同时熔断，上下灭弧材料会及时有效地灭弧，并将熔化的银及时吸收掉。
从图2可清楚地看出：AEM 1206-5A-32V熔断器在熔断时产生的电弧被完全局限在陶瓷体内部，陶瓷外表几乎没有任何改变。

脉冲实验

(1) AEM SolidMatrix SMD熔断器多样品过流脉冲实验：
取AEM F1206FA额定电流为1.0A的熔断器样品16颗，实验条件如下。　

图2 AEM 1206-5A-32V熔断后的显微照片(略)

脉冲波形为方形波，持续时间为256 s（大约是断开时间的1/2）；

峰值电流为4.26A(平均约为4A，400%)；

脉冲周期为1s；

25,000次脉冲；

测试温度：25℃到28℃。

脉冲前、后，以0.1A直流电流来测试样品的端电压，然后折算成DCR。

表2：F1206FA熔断器在400%过流脉冲前后DCR的变化(略)

从表2可以看出：样品100%通过25,000次400%过流脉冲测试，脉冲后DCR变化在 0.34至0.41%范围。这是一个很小的范围，说明AEM SolidMatrix SMD熔断器非常稳定。

(2) AEM SolidMatrix SMD熔断器承受10万次脉冲实验：

样品：AEM F0603FA额定1A熔断器5颗样品。

脉冲条件：1A电流持续7s，然后无电流3s。

10万次100%脉冲之后，AEM熔断器的直流电阻基本没有改变。

表3：F0603FA额定1A熔断器的脉冲实验结果(略)

老化性

熔断器在工作电路中，在脉冲电流的作用下，熔断丝和熔断丝周围的材料都将达到相当高的温度。这温度不足以使熔断丝熔断，但它完全可以促使熔断丝的组成金属原子向周围材料中进行原子热扩散。随着时间的推移，越来越多的金属原子热扩散至周围介质材料，使直流电阻DCR有较大的变化，这就是熔断器的老化现象。熔断器出现老化后，在较低电流的作用下便可能熔断，这将影响电路的正常工作。熔断丝周围介质材料的软化点较低时（如常规片式熔断器为 500℃左右），则在一定温度下熔断丝的组成金属原子向周围介质材料进行原子热扩散的趋势较大，即熔断器老化较快。而AEM叠层多元陶瓷独石SMD熔断器的熔断丝周围为软化点很高（900℃左右）的陶瓷材料，所以该类熔断器的老化要远远低于常规片式熔断器。前面脉冲实验的大量结果直接地表明AEM熔断器具有优异的耐老化性能。

断开时间

图3是AEM 1206-5A产品在400%过流时熔断特性。

图3 (略)

图4 是慢断熔断器的产品对短路电流截流时的熔断波形。

图4 AEM1206-3A慢断熔断器(略)

图5是AEM的SolidMatrix 0603熔断器的平均断开时间--电流曲线和I2t-电流曲线。

图5 SolidMatrix0603熔断器的平均断开时间--电流曲线和I2t-时间曲线(略)

无铅元件

AEM SolidMatrix熔断器陶瓷浆料、内电极银浆和端电极银浆中都没有铅的成分，端电极电镀也是无铅电镀，所以这是真正的无铅元件，而常规的片式熔断器的表面包封玻璃、银端涂层、甚至熔断薄/厚膜中含有铅的成分。

表5：AEM的SolidMatrix0603熔断器的断开特性(略)

表6：AEM的SolidMatrix0603(快断)熔断器目录(略)

高额定电流

AEM SolidMatrix由于是叠层多元陶瓷独石结构，多层熔断单元的并联分流作用，所以它可制成高额定电流的熔断器。AEM F0402FA、F0603FA和F1206FA产品的最大额定电流分别是：4A、6A和8A。而其它厂家的同规格产品（常规片式熔断器）的最大额定电流一般是：3A、5A和7A。所以AEM产品在高额定电流方面具有突出的优势。

高稳定性

AEM SolidMatrix熔断器的高稳定性还表现在：

（1）使用温度范围较宽；

（2）陶瓷结构坚固；

（3）不受有机溶剂的影响。

由于它的构成材料只有陶瓷和金属，AEM SolidMatrix熔断器中没有任何环氧树脂或其它聚合物材料，所以它的使用温度范围较宽： 55℃—+125℃；而同规格产品的使用温度一般不能高于90℃。AEM SolidMatrix熔断器的另一优点是陶瓷结构坚固，可耐很大的机械冲击和振动。在此方面，其它常规片式熔断器由于受组成材料和设计结构的限制，表现较为脆弱。AEM熔断器由于是叠层多元陶瓷独石结构，具有更大的额定电流，具有不受任何清洗线路板用的有机溶剂的影响。银端在陶瓷上的附着性很好。由于采用了加强内电极（叠加印刷加强电极），内电极与端电极的接触性很好。

（美国AEM公司供稿）