原创可靠性第009篇如何评价熔断型保险丝的可靠性

 2024-4-10 23:02  625 5 5 分类: 模拟文集: 2 可靠性设计

熔断型保险丝（Fuse）也叫熔断器、一次性保险丝，是一种历史悠久、成本低、品种多样的元件。我认为它是一种正温度系数热敏电阻器（RTC），只是电阻率随温度升高的斜率比普通RTC要平缓。

熔断器是一种保护性元件，串联在电路中。熔断器的典型工作方式是这样：

1. 养兵千日。在电路正常工作时，熔断器必须允许通过电路的额定电流而不熔断——不该断时不断。

2. 用兵一时。当电路发生过流（Overcurrent）异常，超过熔断器的分断电流（Breaking Capability）时，熔断器必须熔断——该断时要断。

如何定义熔断器的寿命可靠性？关于这个问题，有两种不同观点。

A 把“不该断却断了”定义为失效，把熔断之前的使用时间视为熔断器的可用寿命。这个观点的代表是 IEC。

B 熔断与否由外部电路决定，不视为熔断器“失效”，所以熔断器不适用FIT（Failure in Time，寿命可靠性）。这个观点的代表是 EATON/美国伊顿。

两个观点的共同点是熔断器断了。从失效分析的角度，我试着分析一下导致熔断的原因。

1. 发生过流，超出“实际”分断能力。这个属于应该断开的情况，所以排除。

2. 离子迁移导致的冷态电阻升高。因为自发热，或者受到附近发热物体的影响，熔断器的温度偏高。温度高将促进不同金属之间的离子迁移/化学腐蚀。例如，锡和银、金之间因扩散速度不同发生密度改变，使阳极（锡）产生空洞甚至断裂。这个现象并不是专属于保险丝，在IC内部的铝布线和金键合座之间就会发生，例如柯肯达尔效应（Kirkendall effect）。

3. 重复性脉冲负载导致的冷态电阻升高。因为脉冲负载及其伴随的升温-降温循环，会使熔断体从外部到芯部出现材料老化。这个现象并不是专属于保险丝，在功率器件如IGBT内部的金属键合线上也观察得到。