中心議題：
- 單層合金Ag結(jié)構(gòu)與雙層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)絲熔斷特性測試
解決方案：
- 保險(xiǎn)絲冷阻抗（DCR）特性變化
- 保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間（Clear-time）特性變化
- 保險(xiǎn)絲在常溫下（25?C）承受脈沖能力變化
- 保險(xiǎn)絲在常溫下（60?C）承受脈沖能力變化
貼片保險(xiǎn)絲是一般電子產(chǎn)品中最常被使用來做為電路上過電流或短路保護(hù)的元器件。保險(xiǎn)絲會根據(jù)其熔斷時(shí)間及耐脈沖能力（與I2t特性相關(guān)）來區(qū)分不同的熔斷特性。因此各家保險(xiǎn)絲制造商會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)來制造出適合的熔斷特性保險(xiǎn)絲。
目前市場上的低電壓規(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)。
在Sn-Ag二元相圖上（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金屬相的過度增長，也可能對保險(xiǎn)絲的熔斷特性有不利的影響。
圖1 Sn-Ag二元相圖
一、測試方式
測試樣品的熱處理方式是采用SMT產(chǎn)線的回流焊錫爐，一方面實(shí)際模擬SMT產(chǎn)線的焊錫爐加熱作業(yè)對保險(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），最高溫245±5?C/20±5秒，作業(yè)時(shí)間240±10秒。
3.樣品熱處理方式：
- 過一次錫爐：仿真SMT產(chǎn)線實(shí)際作業(yè)，并以此數(shù)據(jù)當(dāng)做初始參考值。
- 過三次錫爐：業(yè)界對元器件可以承受焊錫爐作業(yè)的要求。
- 過六、十次錫爐：用來加速模擬保險(xiǎn)絲在高溫工作下的情形。
圖2 SnAgCu系列無鉛焊錫爐溫度曲線
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二、測試結(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（約升高10~20%），且變異也較大。
圖3 經(jīng)過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
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。
圖4 經(jīng)過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
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，在經(jīng)過10次回流焊錫爐熱處理后，承受脈沖次數(shù)就會下降到十萬次以下。
圖5 經(jīng)過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
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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明顯比在常溫下變化更大，甚至在經(jīng)過10次回流焊錫爐熱處理后，承受脈沖次數(shù)會大幅下降到一萬次以下。
圖6 經(jīng)過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
從上述測試結(jié)果顯示雙金屬層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)絲，在經(jīng)過無鉛焊錫爐焊接熱作用后，由于焊接爐最高溫至少可達(dá)245?C，此溫度超過Sn金屬的熔點(diǎn)232?C，因此熔融狀態(tài)的Sn金屬會快速滲透進(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)會因儲存/工作環(huán)境溫度及電路電荷作用影響，厚度仍會持續(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焊接前后及長時(shí)間使用后的材料與結(jié)構(gòu)變化示意圖。
根據(jù)研究結(jié)果，Sn-Ag固相接口反應(yīng)速率（即Ag3Sn層生長速率）與熱處理溫度的關(guān)系，當(dāng)熱處理溫度越高，Ag3Sn層生長速率就越快，從實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出的關(guān)系式來計(jì)算，當(dāng)雙金屬層Sn/Ag共熔結(jié)構(gòu)的保險(xiǎn)絲在70?C溫度長時(shí)間工作下，Ag3Sn層生長速率會是在常溫狀態(tài)下（25?C）的7倍；一旦工作溫度到達(dá)80?C，Ag3Sn層生長速率會甚至是在常溫狀態(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)絲的信賴性會有大幅降低的風(fēng)險(xiǎn)。
1.SMT產(chǎn)線焊接溫度太高。
2.SMT產(chǎn)線經(jīng)過多次焊接熱處理作業(yè)。
3.保險(xiǎn)絲長時(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)。
