高可靠熔斷器溫度應(yīng)力極限評估試驗方法

董宇亮，彭云霄，匡 婷，龔 建，謝 強

(1.電子科技大學物理電子學院，四川 成都610054;2.蘇州晶訊科技股份有限公司，江蘇蘇州215163;3.中國振華集團云科電子有限公司，貴州貴陽550018)

0 引言

隨著航天科技工業(yè)的快速發(fā)展，航天電子設(shè)備越來越復(fù)雜，對配套的宇航元器件的可靠性提出了更高的要求。宇航元器件極限評估技術(shù)[1]是一種元器件可靠性評估的新方法，目的在于探求元器件的極限能力能否滿足宇航特定的應(yīng)用環(huán)境要求。極限評估采用高加速應(yīng)力[2－3]和持續(xù)應(yīng)力的方法，在規(guī)定時間的應(yīng)力條件下，評測元器件滿足規(guī)定要求的臨界應(yīng)力值，以此來分析元器件可靠性與規(guī)范之間要求的裕度和余量，以及在設(shè)計、材料或工藝方面的潛在缺陷，評估元器件在熱、力、電等應(yīng)力作用下可承受的應(yīng)力極限值和失效模式，評價元器件極限能力[1]。極限評估對高可靠要求的元器件質(zhì)量保證尤為重要。國軍標GJB548-2005中條目5006[4]規(guī)定了微電子器件的極限測試方法，內(nèi)容來自美軍標MIL883E，但測試項目和試驗方法不夠全面。目前，元器件極限評估的標準規(guī)范體系還處于早期研究階段，一些極限評估試驗方法相繼被提出[5－7]。

熔斷器是一種常用且重要的電子元件，其主要作用是為設(shè)備提供保護和隔離。宇航用熔斷器的可靠性對航天工程至關(guān)重要，因為熔斷器失效將導(dǎo)致被保護單元失效，甚至導(dǎo)致整機系統(tǒng)失效，造成巨大損失。歐洲空間元器件協(xié)調(diào)委員會(ESCC)制定的熔斷器規(guī)范[8－9]和美國的儀器型熔斷器規(guī)范[10－11]，規(guī)定了熔斷器生產(chǎn)、保證等過程中進行的檢測和評估試驗方法，但沒有形成獨立系統(tǒng)的熔斷器極限評估試驗標準體系，對鑒定試驗后的產(chǎn)品，使用方是否需要和如何進行極限評估試驗未做規(guī)定。

現(xiàn)有的熔斷器可靠性物理模型和方法大多側(cè)重于壽命評估[12－13]，而缺少極限評估試驗方法。目前國內(nèi)使用的GJB5850-2006《小型熔斷器通用規(guī)范》[14]也是如此，其中的過載熔斷試驗只規(guī)定了電源的開路電壓不小于受試熔斷器的規(guī)定額定電壓值，缺少統(tǒng)一的比較基準。涉及溫度應(yīng)力的試驗方法只有溫度沖擊試驗，該試驗?zāi)康氖谴_定元件暴露于高低溫極值下，以及抵御高低溫極值交替沖擊的能力，但規(guī)定的方法是只施加額定電流，難以反映環(huán)境溫度對熔斷器極限能力的影響。文獻[7]研究了高可靠熔斷器在步進電應(yīng)力下的極限評估試驗方法，對現(xiàn)有規(guī)范是一個補充。在中國熔斷器標準規(guī)范體系的研究中，還有必要增加環(huán)境溫度對熔斷器熔斷性能影響的試驗，以更加全面地評估熔斷器的可靠性，包括在不同環(huán)境溫度下的熔斷器的極限能力。

基于以上背景需求和極限評估技術(shù)，提出一種高可靠性熔斷器極限使用溫度試驗方法。方法在不同的環(huán)境溫度下對熔斷器施加最小熔斷電流而非額定電流，考察熔斷時間與環(huán)境溫度的關(guān)系，以此來評估熔斷器的的極限能力。此外，試驗樣品選用國產(chǎn)高可靠熔斷器，有助于推動宇航元器件的國產(chǎn)化研究。

1 熔斷器特性和機理

1.1 熔斷器的功能和特性

熔斷器是一種串聯(lián)在被保護電路中的過電流保護器件，當被保護電路的電流超過規(guī)定值并經(jīng)過一定時間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體使電路斷開，從而起到保護作用[7]。根據(jù)IEC標準熔斷器的定義，其功能主要表現(xiàn)在4個方面:導(dǎo)電性、分斷性能、環(huán)境影響、長期工作的性能(老化性能)。

熔斷器也是一種特殊的電子元件，熔斷具有一次性、不可逆的特性。熔斷特性主要考慮保護功能，希望熔斷器在該斷的時候(電路出現(xiàn)故障過電流時)能夠及時熔斷;而熔化熱能值主要考慮承載功能，希望熔斷器在不該斷的時候(在額定電流以內(nèi)和設(shè)備能夠承受的電路開關(guān)瞬間非故障脈沖電流時)不斷。這兩個方面是存在矛盾和制約的，需要進行綜合平衡，這使得熔斷器的可靠性和極限評估也具有特殊性，與電阻、電容、電感和繼電器等元件的評估方法有顯著不同。

熔斷器在該斷開時不斷開或不該斷開時斷開，都視為熔斷器失效;熔斷器長期工作，其熔體長期處于高溫狀態(tài)，熔體會發(fā)生老化現(xiàn)象，其保護特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象也稱之為失效。

1.2 環(huán)境溫度對熔體溫升的影響

熔體是熔斷器內(nèi)分斷故障電路的動作元件。熔斷器工作時所承載的電流I在熔體上所產(chǎn)生的電熱功耗為I2R(R為熔體電阻)。熔體的構(gòu)造與其安裝的狀況確定了熱量耗散的速度，熔體的溫升，取決于所處的熱平衡狀態(tài)。對其熱平衡方程求解可得到熔體工作溫度的表示式[15]

Ta是環(huán)境溫度;I和t是承載電流和時間;C1、m1、β和Ra分別是熔體材料的比熱、質(zhì)量、電阻溫度系數(shù)和熔體在環(huán)境溫度Ta下的電阻值;C2、m2是熔斷器的等效比熱和質(zhì)量;s、a分別為熔斷器的散熱表面積和周圍冷卻介質(zhì)的散熱系數(shù)。

環(huán)境溫度和載流值都是熔斷器工作溫升的主要影響因素。

由式(1)可推出達到熔體材料熔點TR時的最小熔斷電流[15]

2 溫度應(yīng)力極限評估試驗方法

2.1 試驗基本方法

熔斷器的可靠度定義為:在規(guī)定條件下，在指定時間(熔斷器通以額定電流，正常導(dǎo)電運行的時間)，指定時間間隔(熔斷時間)或指定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率[16]。傳統(tǒng)定義中的熔斷時間作為條件變量，但在實際試驗中難以控制，用于熔斷器極限評估很不不便。

環(huán)境溫度的變化可以改變?nèi)垠w達到其材料熔點所需的加熱量，也可以改變臨界電流值從而影響熔斷時間及電流特性，與熔斷器的可靠性有著緊密的聯(lián)系。所以，以環(huán)境溫度應(yīng)力為條件變量進行熔斷試驗，考察熔斷時間與環(huán)境溫度的關(guān)系，對熔斷器的極限評估和可靠性評估是十分必要的。

試驗方法設(shè)計對熔斷器樣品平均分組，各組樣品工作在不同環(huán)境溫度下。對每組樣品分別施加其最小熔斷電流，直至樣品熔斷，測量熔斷時間和絕緣電阻，通過比較不同環(huán)境溫度下的熔斷時間和絕緣電阻來評估熔斷器的可靠性水平。

當線路發(fā)生故障時，熔斷器能在一定時間內(nèi)熔斷，保護電氣設(shè)備和線路?；趯υO(shè)備的保護，熔斷時間不能超出限定范圍的要求。同時，熔斷器的熔斷可靠性與熔斷后的絕緣電阻有關(guān)。故選擇熔斷時間的長短和絕緣電阻值來作為判據(jù)。

采用對熔斷器施加額定電流的常規(guī)試驗方法的重點是檢驗承載性能，評估壽命;而文中提出的試驗方法采用最小熔斷電流，重點是檢驗保護性能，探查熔斷時間隨環(huán)境溫度變化的臨界溫度，從而評估熔斷器的極限能力，采用最小熔斷電流也為比較不同環(huán)境溫度下的熔斷性能提供了一個統(tǒng)一基準條件。

2.2 試驗參數(shù)

宇航熔斷器的工作溫度范圍通常為－50℃～+125℃，故試驗將最高的試驗溫度設(shè)定為+125℃。而通常在被施以相同電流的情況下，熔斷器的分斷特性對低溫環(huán)境的響應(yīng)并沒有高溫時敏感，因此方法只選取+25℃～+125℃范圍作為試驗溫度，而且在考察常、高溫變化的同時保持其他參數(shù)固定不變，即試驗為單應(yīng)力的極限評估試驗。

2.3 試驗樣品

試驗樣品選取兩種國產(chǎn)典型型號高可靠熔斷器，一種是插件式SF12L-125，一種是表貼式M1206F-S。同時，為了使試驗樣品具有代表性，每個型號系列按規(guī)格選取最大額定電流值和最小額定電流值的樣品，選取的插件式樣品中SF12L-125-1.0為額定電流最小的，SF12L-125-5.0為該型號最大額定電流的樣品;選取的表貼式樣品中M1206F-S-125-1.0為額定電流最小的，M1206F-S-125-1.0為該型號最大額定電流的樣品。試驗樣品型號規(guī)格和編號如表1所示。

表1 試驗樣品型號規(guī)格和編號

試驗樣品的照片如圖1所示。

圖1 試驗樣品照片

2.4 試驗程序

具體試驗步驟如下:

(1)分別按照ESCC No.4008 規(guī)范[6－7]和 MIL-PRF-23419G 規(guī)范[8－9]中的要求，對所有試驗樣品進行100%的外觀和機械檢查，電壓降和阻值測試。要求試驗樣品表面標志清晰，本體無損傷、開裂、松動等現(xiàn)象，其材料、設(shè)計、結(jié)構(gòu)、外形尺寸、標志和加工質(zhì)量符合相應(yīng)的要求，并照相記錄典型外觀形貌，電壓降及阻值應(yīng)符合相關(guān)詳細規(guī)范的規(guī)定[6－7]。

(2)從試驗樣品中抽取16只，并按規(guī)格型號平均分為4組，每個分組取4只樣品，如表1所示。

(3)將4組待測樣品分別置于+25℃、+55℃、+85℃、+125℃的環(huán)境溫度中，每個測試溫度下，試驗樣品應(yīng)至少保持30分鐘的溫度穩(wěn)定時間。待穩(wěn)定后，對每個待測樣品施加其最小熔斷電流(選定在+25℃時所測的熔斷時間小于且最接近于5s的熔斷電流值)，直至樣品熔斷。

(4)記錄樣品熔斷時間，同時對樣品進行外觀和機械檢查，測量其在額定電壓下的絕緣電阻值。

3 試驗結(jié)果及分析

通過極限使用溫度的試驗方法得到試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 試驗結(jié)果

將所測熔斷時間結(jié)果繪制成擬合曲線，如圖2所示?？梢钥闯?，這4種型號規(guī)格的熔斷器的熔斷時間均隨著環(huán)境溫度的升高而減小，符合理論趨勢。這4種型號規(guī)格的熔斷器的熔斷時間雖有差別，但在環(huán)境溫度不低于25℃時，熔斷時間都小于2s，熔斷后的絕緣電阻值都大于10MΩ，具有優(yōu)良的絕緣電阻值性能，均可達到良好的可靠度。

通過試驗，容易找出熔斷器的臨界溫度，即熔斷器分斷特性隨溫度的變化率發(fā)生明顯變化時所對應(yīng)的溫度值，也就是變化率的拐點。臨界溫度對于找出熔斷器的敏感工作狀態(tài)、有的放矢地保障熔斷器的可靠性有著重要作用。從圖2可以看出，這4種型號規(guī)格的熔斷器的臨界溫度約為55℃。環(huán)境溫度低于55℃時，熔斷時間隨環(huán)境溫度的變化率較為顯著;環(huán)境溫度高于55℃時，熔斷時間隨環(huán)境溫度的變化率明顯減小。

對不同種類和型號的熔斷器采用試驗方法，可以比較在溫度應(yīng)力的影響下，哪種熔斷器熔斷時間更短，絕緣電阻值更高，具有更高的可靠性，可以更準確全面地考察熔斷器的分斷性能和可靠性。

圖2 熔斷時間隨環(huán)境溫度變化曲線1

4 結(jié)束語

針對熔斷器現(xiàn)有規(guī)范的不完備之處，基于極限評估技術(shù)，提出一種熔斷器溫度應(yīng)力極限評估的試驗方法。首先分析熔斷器熔斷機理與溫度應(yīng)力的關(guān)系，進而提出本次溫度應(yīng)力極限評估試驗的方法、程序和要求。選用兩種國產(chǎn)典型型號高可靠熔斷器，進行溫度應(yīng)力極限評估驗證試驗，結(jié)果顯示該試驗方法是合理的可行的。通過文中提出的試驗方法，可以幫助生產(chǎn)方檢測熔斷器產(chǎn)品和使用方選購可靠性更高的熔斷器產(chǎn)品，為建立熔斷器極限評估試驗規(guī)范和分類元器件極限評估標準體系提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

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