国产高可靠固态厚膜熔断器脉冲老化寿命研究★

彭昌文，杨舰，孙鹏远，雷巧林，杨成

(中国振华集团云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018)

0 引言

熔断器是一种串联在被保护电路中的过电流保护器件，当被保护电路的电流超过规定值并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量会熔断熔体使电路断开，从而起到保护作用[1-4]。熔断器作为一种可靠性器件，广泛地应用于国内外各种航天器件中，在安全领域中占有极其重要的地位[5-6]。航天工程任务中对于高可靠厚膜熔断器的选用极其重视，因为航天任务是一个高科技、高风险的系统工程，尤其是载人航天工程，其对安全性、可靠性更是提出了零故障、零失效的要求。如果熔断器失效就可能导致整个被保护系统失效，造成巨大的损失。随着航天事业的不断发展，对熔断器的保护性能提出了更高的要求[7-8]。固态厚膜熔断器在产品结构设计、材料选用和生产工艺控制等方面的要求都远高于管状及其他类型的熔断器。之前由于国内熔断器生产厂的技术研发能力薄弱、生产工艺控制精度差等原因，国产熔断器一直无法达到高可靠性的质量水平，因此高可靠固态厚膜熔断器一直被美国等市场所垄断，特别是FM12型宇航级产品更是对中国航天、军事等应用领域采取了禁用政策。随着中国对高端元器件自主可控研发的大力扶持和推进，国内熔断器制造单位大大地提升了高可靠固态熔断器的技术研发能力，目前已基本实现国外固态厚膜熔断器的国产化替代，打破了美国对中国禁运的限制。

目前，国外航天系统广泛地使用符合MILPRF-23419/12要求的FM12型高可靠插件式固态厚膜熔断器和符合 ESCC 4008/001规范要求的MGA-S型表贴式固态熔断器[9-11]。由于熔断器的使用特点，其可靠性不同于继电器、电阻或电容等电子元器件的可靠性[12]。熔断器的熔断特性主要考虑保护功能，希望熔断器在电路出现故障过电流时能够及时可靠地切断电流，这就要求熔断器的动作速度快一点；而熔化热能值方面主要考虑承载功能，希望熔断器在电路开关瞬间出现非故障脉冲电流时能够承受，并在整机使用中也能承受，这就要求熔断器的反应速度适当地慢一点；这两个要求是有冲突或相互制约的，需要进行综合平衡，使得所选择的熔断器既能保证电子产品在正常使用时的顺利开关，又能保证有足够的保护功能，以及时有效地保护电器和人身的安全；真正地做到所选用的熔断器在该断的时候安全地熔断、不该断的时候又不致于误动作[13-14]。

熔断器承载非故障脉冲电流的能力如何，是困扰电路设计师正确而恰当地选用熔断器的关键因素之一。随着熔断器材料、结构和工艺技术的不断更新，以及国产高可靠固态厚膜熔断器在航天型号工程中的逐步使用，开展国产固态厚膜熔断器承载非故障脉冲电流的脉冲老化寿命研究，得出熔断器在不同脉冲电流条件下的极限能力，以便为航天型号工程选用熔断器提供指导就显得尤为重要。

1 固态厚膜熔断器的典型结构

固态厚膜熔断器的主要结构包括熔断体、表电极、引出端、抑弧层和相应的封装外壳。其中，熔断体对其熔断特性起关键作用，其余结构均围绕熔断体进行设计。熔断体的动作原理主要为故障大电流通过时瞬间产生热量，使熔体材料达到熔点并气化，通过抑弧材料吸收或冷却作用，使熔体材料分散进而分断电流。本文选取的熔断器主要采用金作为熔体材料，在陶瓷基片上通过厚膜印刷工艺依次制备金熔体层、银钯电极层和抑弧层，电极层上焊接镀金引线，外用PPS树脂包封，属于典型的固态厚膜熔断器结构。该熔断器具有额定电流大、额定分断能力高、灭弧性能好和熔断后绝缘电阻值高等特点。产品的内部结构示意图如图1所示。

图1 固态厚膜熔断器内部结构示意图

2 脉冲老化机理

在电子线路中往往存在非故障性脉冲浪涌电流，这种脉冲浪涌电流对熔断器的正常使用具有一定的影响。脉冲浪涌电流主要存在于电源开断的瞬间，评估其大小的主要参数为脉冲峰值电流与冲击时间 (由浪涌产生至电流恢复到目标电流值的时间)，持续时间一般为几十微秒至几百毫秒不等。采用脉冲方波来模拟浪涌电流对熔断器的影响是模拟分析的主要手段，方型脉冲电流波示意图如图2所示。

对固态厚膜熔断器施加特定的脉冲电流时，其主要反应有以下3种情况。

a)当脉冲电流峰值较低时 (一般低于熔断器额定电流值的150%)，基本上就不会导致熔断体内部温度的急剧升高，其对熔断体的损伤可以忽略不计。

图2 方型脉冲电流波示意图

b)当脉冲电流峰值升到某个值时，脉冲能量会造成熔断器熔断体的局部熔化或部分成分迁移，脉冲结束后又会重新凝固或停止迁移并发生微变，从而造成熔断器冷态阻值变化，下个脉冲到来后又会使熔断器的冷态阻值在之前的基础上渐进变化。当脉冲次数足够时就会导致熔断器冷态阻值急剧上升，熔断特性变异，电流承载能力降低而熔断。

c)当脉冲电流峰值较大时，脉冲能量会造成熔断器熔断体直接熔化，即产生熔断动作。此时，脉冲电流和持续时间与熔断器的固有熔断特性参数十分接近。

可以看出，第二种情况处于熔断器正常熔断功能的边界区域，研究熔断器在第二种情况下的熔断特性对于实际应用具有重要的指导意义。本文采取的脉冲老化试验，就是根据熔断器的固有熔断特性参数和实际使用条件，通过设置不同的脉冲参数模拟实际应用环境下熔断器对电路中存在的浪涌电流的抗老化能力。

3 脉冲老化寿命试验

3.1 试验样品

试验样品选择国内某厂家生产的航天器用典型高可靠固态厚膜熔断器 (JF-XX型)。其固有的熔断特性参数如表1所示。

本次试验抽取7.5、10、15 A 3种电流规格的样品进行试验，样品必须通过测试流程，各项参数必须符合规范要求。为了选取合适的脉冲峰值电流和脉冲冲击时间，先各抽取10只每种电流规格的熔断器样品进行过载熔断特性测试，结果如表2所示。

表1 JF-XX型固态厚膜熔断器熔断特性参数

表2 熔断特性测试数据

3.2 试验条件的设计

脉冲老化寿命试验参数的设置主要有两种方式：一种为在一定脉冲冲击时间下，选取低于熔断器熔断电流但高于其额定电流的不同脉冲峰值电流参数作为变化因子；另一种为在一定脉冲峰值电流下，选取低于其熔断时间的不同脉冲冲击时间作为变化因子。而脉冲周期的长短主要取决于单次脉冲后，剩余周期时间是否满足熔断体温度恢复至室温的要求。

基于表2中过载测试结果和实际的应用情况进行脉冲试验设计，脉冲试验条件如表3所示。表3将试验分为两个阶段：第一阶段，试验分析脉冲次数与冷态电阻、脉冲次数与熔断时间之间的变化趋势；第二阶段，试验要得到在不同脉冲电流冲击下样品的承受能力。试验条件1#为第一阶段，第一阶段分别抽取每种电流规格20只样品进行试验，设置最大脉冲次数为10 000次，每1 000次脉冲冲击为一个步进，每个步进后测试冷态阻值，计算阻值变化率，并抽取1只样品测量400%In下的熔断时间。试验条件2#～7#为第二阶段，第二阶段每个试验条件下分别抽取每种电流规格10只样品进行试验，设置最大脉冲次数为20 000次，每2 000次脉冲冲击为一个步进，每个步进试验前后均测试样品的冷态电阻值，试验过程中记录样品因承受脉冲冲击而熔断失效时的脉冲次数。当有一只样品发生熔断失效时，即可停止试验，发生失效时的脉冲次数即为该试验条件下熔断器的抗脉冲能力。若试验样品经受完20 000次脉冲冲击后仍未发生熔断，则终止试验并记录其冷态电阻值。

表3 脉冲试验条件

3.3 试验结果分析

根据表3的试验条件，对不同试验条件下的试验数据进行统计，所得到的结果如表4所示。

表4 JF-XX型固态厚膜熔断器脉冲老化寿命试验数据

对以上试验数据进行分析后得出了以下几个主要结论。

a)3种规格的熔断器在脉冲峰值电流为200%In、脉冲冲击时间为200 ms的条件下，经受10 000次脉冲冲击后的电阻值变化率均小于±0.5%，冷态电阻、熔断时间随脉冲次数变化曲线如图3-4所示。

图3 脉冲次数与平均阻值变化率曲线

图4 脉冲次数与熔断时间变化曲线

从变化曲线图中可以看出，熔断器在经历初始10 000次脉冲冲击的过程中，冷态电阻值随着脉冲次数的增加呈随机变化，并无明显的变化趋势。表明熔断器在此种试验条件下具有良好的抗浪涌冲击的能力。

b)7.5、10、15 A固态厚膜熔断器可以耐受200%In/500 ms脉冲条件下的20 000次脉冲冲击，在此过程中，其冷态电阻的平均变化率分别为±0.37%、±0.34%、±0.45%，冷态电阻值仅有微小的变化，表明在该脉冲条件下，多次脉冲冲击不会对熔断体造成累积性的损伤。在脉冲冲击时间不变的情况下将脉冲峰值电流增加到220%In后，7.5、10、15 A样品发生熔断失效时的最小脉冲次数分别为8 740、4 136、8 640次，从而得到了样品在该脉冲条件下的抗脉冲承受能力。其冷态电阻随着脉冲次数增加的变化率如图5所示，由图5可知，随着脉冲次数的增加冷态阻值不断地升高，说明电脉冲产生的较大冲击能量对熔断体造成了累积性不可逆损伤，导致熔断特性变异。

图5 脉冲次数与冷态阻值变化曲线

c)7.5、10、15 A固态厚膜熔断器可以耐受250%In/200 ms脉冲条件下的20 000次脉冲冲击，在此过程中其冷态电阻的平均变化率分别为±0.83%、±0.96%、±0.81%，冷态电阻值仅有微小的变化，表明在该脉冲条件下，多次脉冲冲击不会对熔断体造成累积性的损伤。在脉冲峰值电流不变的情况下将脉冲冲击时间增加到500 ms后，7.5、10、15 A样品发生熔断失效时的最小脉冲次数分别为1 140次、2 520次、643次，从而得到了样品在该脉冲条件下的抗脉冲承受能力。

d)7.5、10、15 A固态厚膜熔断器可以耐受400%In/500 μs脉冲条件下的20 000次脉冲冲击，在此过程中冷态电阻值平均变化率分别为±2.02%、±0.65%、±0.90%，冷态电阻值发生了变化，但还不够促使熔断器发生熔断。在脉冲峰值电流不变的情况下将脉冲冲击时间增加到1 ms后，7.5、10、15 A样品发生熔断失效时的最小脉冲次数分别为890次、2 074次、1 290次，从而得到了样品在该脉冲条件下的抗脉冲承受能力。

分析认为施加在熔断器上的脉冲峰值电流越大或者脉冲冲击时间越长，熔断器发热就会越大，熔断体的温升就越高，当熔断体温度达到一定值后就会对熔断体自身造成损伤，这种损伤又会增大熔断体的阻值，阻值增大反过来又会使熔断器发热量增大，最终导致熔断器熔断失效。

4 结束语

本文对高可靠固态厚膜熔断器脉冲老化的机理进行了阐述、分析和验证，开展了熔断器的脉冲老化寿命研究，基于熔断器过载熔断试验数据，设置了不同脉冲电流和不同脉冲冲击时间的试验条件，对高可靠固态厚膜熔断器的耐脉冲能力进行了评估分析，得到了其耐脉冲冲击次数的极限能力指标，为后续航天型号工程选用该型熔断器起到了指导作用。

另外，试验结果表明，电脉冲产生的较小冲击能量不会对熔断体造成累积性损伤，影响其熔断特性；而电脉冲产生的较大冲击能量会对熔断体造成累积性不可逆损伤，使熔断器的冷态阻值升高，导致熔断特性变异，降低其电流承载能力。