貼片保險(xiǎn)絲是一般電子產(chǎn)品中常被使用來(lái)做為電路上過(guò)電流或短路保護(hù)的元器件。保險(xiǎn)絲會(huì)根據(jù)其熔斷時(shí)間及耐脈沖能力（與I2t特性相關(guān)）來(lái)區(qū)分不同的熔斷特性。因此各家保險(xiǎn)絲制造商會(huì)選擇不同的金屬材料特性當(dāng)做熔絲，結(jié)合適當(dāng)?shù)幕w材料及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)制造出適合的熔斷特性保險(xiǎn)絲。

　　以目前市場(chǎng)上的低電壓規(guī)格（≤63Vdc）的貼片保險(xiǎn)絲，依據(jù)其熔絲的結(jié)構(gòu)，基本上可以區(qū)分為單層金屬及雙層金屬共熔結(jié)構(gòu)。AEM科技所獨(dú)創(chuàng)的SolidMatrix^®積層獨(dú)石封裝技術(shù)所生產(chǎn)的保險(xiǎn)絲，其熔絲設(shè)計(jì)就是采用單層Ag合金結(jié)構(gòu)（照片1、2）。然而市場(chǎng)上大多數(shù)販?zhǔn)鄣谋ｋU(xiǎn)絲，采用的是Al2O3陶瓷或PCB基板覆蓋聚合物保護(hù)層技術(shù)，其熔絲設(shè)計(jì)多是采用雙金屬共熔結(jié)構(gòu)。而Sn/Ag或是Sn/Cu雙金屬共熔結(jié)構(gòu)為多被采用的設(shè)計(jì)，其中”S”品牌的保險(xiǎn)絲即是采用雙金屬Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)（照片3、4）。

照片1、2  AEM科技SolidMatrix^®積層獨(dú)石封裝技術(shù)所生產(chǎn)的保險(xiǎn)絲，其熔絲設(shè)計(jì)是采用單層Ag合金結(jié)構(gòu)

照片3、4  “S”品牌保險(xiǎn)絲采用Al2O3陶瓷基板覆蓋聚合物保護(hù)層技術(shù)，其熔絲設(shè)計(jì)是采用雙金屬Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)。

　　在Sn-Ag二元相圖上[1]（圖1），僅存在兩種Sn-Ag中間金屬化合物（IMC），一是Ag4Sn （ζ相），另一個(gè)是Ag3Sn（ε相）。 在過(guò)去一些學(xué)者如Sen等[2]發(fā)現(xiàn)在氣相沉積Sn/Ag偶在室溫條件下形成Ag3Sn IMC； 另外Arai等[3]發(fā)現(xiàn)在電鍍共沉積Sn-Ag合金中也只形成Ag3Sn金屬化合物。

　　在以雙金屬層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲，即是利用Ag3Sn IMC的形成與增長(zhǎng)及較低熔點(diǎn)特性（480˚C），一是在較低電流負(fù)載下保險(xiǎn)絲可以快速熔斷；另一是可以吸收電流脈沖時(shí)所產(chǎn)生的能量。但是同樣的，Ag3Sn金屬相的阻抗遠(yuǎn)大于Sn和Ag金屬，因此Ag3Sn金屬相的過(guò)度增長(zhǎng)，也可能對(duì)保險(xiǎn)絲的熔斷特性有不利的影響。

圖1  Sn-Ag二元相圖[1]

　　一、測(cè)試方式

　　測(cè)試樣品的熱處理方式是采用SMT產(chǎn)線(xiàn)的回流焊錫爐，一方面實(shí)際模擬SMT產(chǎn)線(xiàn)的焊錫爐加熱作業(yè)對(duì)保險(xiǎn)絲特性的影響；另一方面也利用回流焊錫爐內(nèi)較高的作業(yè)溫度，來(lái)加速仿真保險(xiǎn)絲在高溫工作下的特性變化。

　　1.樣品規(guī)格：0603尺寸，3A。

　　2.回流焊錫爐內(nèi)溫度條件（圖2），溫245±5˚C/20±5秒，作業(yè)時(shí)間240±10秒。

　　3.樣品熱處理方式：

　　過(guò)錫爐：仿真SMT產(chǎn)線(xiàn)實(shí)際作業(yè)，并以此數(shù)據(jù)當(dāng)做初始參考值。

　　過(guò)三次錫爐：業(yè)界對(duì)元器件可以承受焊錫爐作業(yè)的要求。

　　過(guò)六、十次錫爐：用來(lái)加速模擬保險(xiǎn)絲在高溫工作下的情形。

圖2  SnAgCu系列無(wú)鉛焊錫爐溫度曲線(xiàn)

　　二、測(cè)試結(jié)果與討論

　　1. 保險(xiǎn)絲冷阻抗（DCR）特性變化（圖3）：

　　單層Ag合金結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲即使經(jīng)過(guò)多次高溫?zé)崽幚?，其冷阻抗變化很小。但是雙層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲，其冷阻抗有明顯變高的趨勢(shì)（約升高10~20%），且變異也較大。

圖3  經(jīng)過(guò)多次回流焊錫爐熱處理后，保險(xiǎn)絲冷阻抗（DCR）特性的變化趨勢(shì)

　　2. 保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間（Clear-time）特性變化（圖4）：

　　單層Ag合金結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲即使經(jīng)過(guò)多次高溫?zé)崽幚?，仍可以維持較穩(wěn)定的熔斷時(shí)間。但是雙層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲，其熔斷時(shí)間有明顯變快的趨勢(shì)。

圖4  經(jīng)過(guò)多次回流焊錫爐熱處理后，保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間（Clear-time）特性的變化趨勢(shì)

　　3. 保險(xiǎn)絲在常溫下（25˚C）承受脈沖能力變化（圖5）：

　　單層Ag合金結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲即使經(jīng)過(guò)多次高溫?zé)崽幚恚钥梢跃S持一定的耐脈沖能力，承受脈沖次數(shù)都可達(dá)十萬(wàn)次以上。但是雙層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲，其承受脈沖能力有明顯下降的趨勢(shì)，在經(jīng)過(guò)10次回流焊錫爐熱處理后，承受脈沖次數(shù)就會(huì)下降到十萬(wàn)次以下。

圖5  經(jīng)過(guò)多次回流焊錫爐熱處理后，保險(xiǎn)絲在常溫下（25˚C）承受脈沖能力的變化趨勢(shì)

　　4. 保險(xiǎn)絲在常溫下（60˚C）承受脈沖能力變化（圖6）：

　　單層Ag合金結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲即使經(jīng)過(guò)多次高溫?zé)崽幚?，仍可以維持一定的耐脈沖能力，承受脈沖次數(shù)都可達(dá)十萬(wàn)次以上。但是雙層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲，其承受脈沖能力的下降趨勢(shì)明顯比在常溫下變化更大，甚至在經(jīng)過(guò)10次回流焊錫爐熱處理后，承受脈沖次數(shù)會(huì)大幅下降到一萬(wàn)次以下。

圖6  經(jīng)過(guò)多次回流焊錫爐熱處理后，保險(xiǎn)絲在常溫下（60˚C）承受脈沖能力的變化趨勢(shì)

　　從上述測(cè)試結(jié)果顯示雙金屬層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)絲，在經(jīng)過(guò)無(wú)鉛焊錫爐焊接熱作用后，由于焊接爐溫至少可達(dá)245˚C，此溫度超過(guò)Sn金屬的熔點(diǎn)232˚C，因此熔融狀態(tài)的Sn金屬會(huì)快速滲透進(jìn)固態(tài)的Ag金屬，產(chǎn)生Ag3Sn中間相金屬層。Ag3Sn金屬層即使在溫度冷卻回到常溫狀態(tài)，后續(xù)會(huì)因儲(chǔ)存/工作環(huán)境溫度及電路電荷作用影響，厚度仍會(huì)持續(xù)增厚，進(jìn)而不斷改變?nèi)劢z的材料特性，直到Ag金屬層完全被耗盡（圖7）。

圖7  單金屬層Ag合金結(jié)構(gòu)與雙金屬層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)，在SMT焊接前后及長(zhǎng)時(shí)間使用后的材料與結(jié)構(gòu)變化示意圖。

　　根據(jù)湯文明等[4]的研究結(jié)果，Sn-Ag固相接口反應(yīng)速率（即Ag3Sn層生長(zhǎng)速率）與熱處理溫度的關(guān)系，當(dāng)熱處理溫度越高，Ag3Sn層生長(zhǎng)速率就越快，從實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出的關(guān)系式來(lái)計(jì)算，當(dāng)雙金屬層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲在70˚C溫度長(zhǎng)時(shí)間工作下，Ag3Sn層生長(zhǎng)速率會(huì)是在常溫狀態(tài)下（25˚C）的7倍；一旦工作溫度到達(dá)80˚C，Ag3Sn層生長(zhǎng)速率會(huì)甚至是在常溫狀態(tài)下（25˚C）的10倍之多。

　　三、結(jié)論

　　根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，在幾種貼裝作業(yè)及實(shí)際電路使用情形下，雙金屬層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)絲的信賴(lài)性會(huì)有大幅降低的風(fēng)險(xiǎn)。

　　1.SMT產(chǎn)線(xiàn)焊接溫度太高。

　　2.SMT產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)過(guò)多次焊接熱處理作業(yè)。

　　3.保險(xiǎn)絲長(zhǎng)時(shí)間處在高溫的工作環(huán)境。

　　至于單層Ag合金結(jié)構(gòu)，不管是在高溫焊接或是長(zhǎng)時(shí)間工作環(huán)境的作用下，其材料組成及特性仍可以維持穩(wěn)定狀態(tài)。

　　參考數(shù)據(jù)

　　[1] GALE W F, TOTEMEIER T C. Smithells metal reference book [M]. 8th ed. MA, USA: Elseiver Butterworth-Heinemann, 2004: 11-25.

　　[2] SEN S K, GHORAI A, BANDYOPADHYAY A K. Interfacial reactions in bimetallic Ag-Sn couples. Thin Solid Films, 1987, 155: 243-253.

　　[3] ARAI S, AKATSUKA H, KANEKO N. Sn-Ag solder bump formation for flip-chip bonding by electroplating. J Electrochem Soc, 2003, 150: C730-C734.

　　[4] 湯文明， HE An-qiang, LIU Qi, IVEY G D. 電沉積 Ag/Sn 偶界面反應(yīng)及其動(dòng)力學(xué)。 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2009, Vol. 19, No. 5.