作者： AEM Components技術(shù)銷售經(jīng)理 MIKE ROACH

電子產(chǎn)品的汽車應(yīng)用要經(jīng)受最惡劣的環(huán)境——廣泛的溫度變化、沖擊和振動，以及暴露于潮濕、水和鹽中。傳統(tǒng)上，刀片式汽車保險絲位于儀表板下方的保險絲盒中，可提供必要的故障保護。但隨著汽車變得“智能”和“互聯(lián)”，越來越多的嵌入式和分布式電子設(shè)備需要安裝在 PC 板上的電路保護。隨著電動 (EV) 和混合動力電動 (HEV) 車輛的迅速出現(xiàn)——大多數(shù)都配備高能鋰電池系統(tǒng)——對可靠的電路保護裝置的需求至關(guān)重要，以防止發(fā)生災(zāi)難性故障。這些應(yīng)用都將重點放在改進表面貼裝熔斷器技術(shù)上。

本文介紹了一次性表面貼裝保險絲的常見類型，并比較了每種類型的替代保險絲結(jié)構(gòu)。它展示了模擬真實應(yīng)用場景的比較測試結(jié)果，以展示最新一代表面貼裝保險絲提供的顯著更好的性能。

對表面貼裝保險絲的需求從歷史上看，通常是行業(yè)對技術(shù)進步的需求最終推動了廣泛應(yīng)用的采用。例如，首先由電視行業(yè)開發(fā)的更亮、更高效、更輕的顯示器現(xiàn)在已成為消費、商業(yè)、工業(yè)、軍事和航空航天應(yīng)用中不可或缺的一部分。同樣，汽車行業(yè)的需求似乎正在推動電路保護技術(shù)的進步。

可復(fù)位器件是過流條件是暫時故障條件結(jié)果的理想選擇。但在許多應(yīng)用中，特別是在故障電流可能導(dǎo)致其他電路或系統(tǒng)嚴重損壞的應(yīng)用中，古老的保險絲仍然是保護的最佳選擇。雖然傳統(tǒng)的夾裝式玻璃管保險絲在許多應(yīng)用中都有發(fā)現(xiàn)，刀片式保險絲在汽車應(yīng)用中無處不在，但向更小、分布式和嵌入式電子功能的發(fā)展提高了對高性能、節(jié)省空間的需求表面貼裝保險絲。與片式電感器和多層陶瓷電容器 (MLCC) 類似，表面貼裝保險絲采用各種 EIA 標(biāo)準(zhǔn)尺寸進行封裝，具體尺寸取決于技術(shù)用途和額定值。

雖然存在其他保險絲，但本文重點介紹常見的表面貼裝保險絲類型：固體或芯片保險絲和空氣中線保險絲。

實體（芯片）保險絲實體或芯片保險絲用于非常廣泛的空間受限應(yīng)用，包括便攜式電子設(shè)備、娛樂系統(tǒng)、磁盤驅(qū)動器等。額定電流的范圍通常從低至 125 mA 到幾安培。設(shè)備提供慢速和快速兩種配置。

固體保險絲最常見的兩種結(jié)構(gòu)是多層陶瓷型和印刷電路型。陶瓷保險絲具有共燒單片結(jié)構(gòu)，其中嵌入了多達四層可熔材料。在印刷電路結(jié)構(gòu)中，器件主要由環(huán)氧樹脂基板和玻璃纖維（FR4）結(jié)構(gòu)組成。熔斷器元件粘合在印刷電路板的表面并涂有保護性聚合物。

雖然印刷電路樣式是最常見的，但陶瓷類型具有幾個明顯的優(yōu)勢。由于其單片結(jié)構(gòu)，它能夠在更小的封裝中提供更高的額定電流，具有更寬的工作溫度，并在極端條件下具有穩(wěn)定的工作特性。此外，該結(jié)構(gòu)不易受到機械損壞。

陶瓷熔斷器技術(shù)的一個新進步是 SolidMatrix 陶瓷熔斷器。這種實心陶瓷保險絲的專利多層結(jié)構(gòu)可在寬溫度范圍（–55°C 至 150°C）內(nèi)提供出色的機械和熱穩(wěn)定性。

圖 1 顯示了 SolidMatrix 陶瓷保險絲和傳統(tǒng)印刷電路型保險絲在過流故障條件下的表現(xiàn)。右側(cè)傳統(tǒng)印刷電路板型保險絲的保險絲元件按預(yù)期打開，但高過電流故障條件導(dǎo)致表面熔化、開裂和機械完整性受損。結(jié)果，電弧和表面損傷在右圖中非常明顯。

如圖 1左側(cè)的圖像所示，SolidMatrix 陶瓷保險絲的表現(xiàn)要好得多。該設(shè)備的專有結(jié)構(gòu)允許將金屬熔斷元件融合到陶瓷中；此外，它們的中心位置確保能量包含在體內(nèi)。因此，機械完整性得以保持，并且設(shè)備的外觀沒有外部變化。

圖 1：SolidMatrix 陶瓷保險絲的單片結(jié)構(gòu)（左）吸收故障電流并且沒有顯示外部損壞——與傳統(tǒng)印刷電路型芯片保險絲的可見損壞（右）相比。

空氣中線式熔斷器空氣中線式熔斷器通常用于需要快速動作和卓越電弧抑制的高工作電流應(yīng)用中。應(yīng)用包括電池充電器、電池組和承受極高故障電流和更高電壓的電路。這種類型的保險絲的常見結(jié)構(gòu)是將易熔線元件安裝在陶瓷管內(nèi)，并通過焊珠連接到端蓋。

傳統(tǒng)的空氣中線保險絲有幾個缺點。端蓋脫落是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中常見的失效模式。由于陶瓷管內(nèi)的線元件放置的可變性，性能也缺乏一致性。此外，在最壞的情況下，高電流應(yīng)力條件下，陶瓷管中的焊料會蒸發(fā)并產(chǎn)生壓力，直至保險絲爆炸。如果發(fā)生這種情況，焊料會重新沉積在跡線上，這可能會導(dǎo)致二次導(dǎo)電路徑，從而產(chǎn)生潛在的嚴重后果。

相比之下，先進的 AirMatrix 空氣中線保險絲的保險絲元件使用專有的密封空氣中線結(jié)構(gòu)，可確保一致的電氣性能。AirMatrix 的熔斷器元件均勻地穿過空腔并從外部粘合到端蓋上。與傳統(tǒng)的方形納米型保險絲不同，采用陶瓷主體和焊接連接設(shè)計，AirMatrix 保險絲采用玻璃纖維強化主體和無焊直接連接結(jié)構(gòu)。

圖 2 ?顯示了兩種傳統(tǒng)的 EV 短路條件下的空氣中線保險絲。250 V/250 A 的樣品 A（左圖）和 450 V/450 A 的樣品 B 顯示出對保險絲的嚴重損壞以及對周圍電路的附帶損壞。在波形中，流經(jīng)保險絲的電流（黃色跡線）分別顯示最終導(dǎo)致印刷電路板損壞的次級電流。

圖 2：兩個傳統(tǒng)的空氣中線保險絲在極端過載條件下造成的損壞——模擬災(zāi)難性的 EV 電池短路。

當(dāng)遭受與方形納米管保險絲相同的 EV 電池短路時，AirMatrix 保險絲的先進結(jié)構(gòu)能夠承受 450-V/450 A 的條件，而不會受到任何外部損壞（見圖?3）。請注意在波形中，通過 AirMatrix 保險絲的電流（黃色跡線）如何下降到零。電壓（綠色跡線）顯示 AirMatrix 保險絲開路，沒有二次導(dǎo)通。

圖 3：AirMatrix 保險絲在承受極端過載條件后未受到損壞——模擬災(zāi)難性的 EV 電池短路。

滿足汽車標(biāo)準(zhǔn)汽車應(yīng)用工程師需要使其設(shè)備符合 AEC-Q200 汽車標(biāo)準(zhǔn)。正如可靠性測試所證明的那樣，SolidMatrix 多層陶瓷芯片保險絲和 AirMatrix 空氣中線保險絲采用的新結(jié)構(gòu)與典型的保險絲方法相比具有顯著優(yōu)勢。這些保險絲在經(jīng)過 TS16949 認證的設(shè)施中制造，專為在高應(yīng)力汽車應(yīng)用中可靠運行而設(shè)計。

審核編輯 黃昊宇