单层结构（Ag合金熔丝）与双层结构（Sn/Ag熔丝）保险丝熔断特性比对

　　贴片保险丝是一般电子产品中常被使用来做为电路上过电流或短路保护的元器件。保险丝会根据其熔断时间及耐脉冲能力（与I2t特性相关）来区分不同的熔断特性。因此各家保险丝制造商会选择不同的金属材料特性当做熔丝，结合适当的基体材料及设计结构来制造出适合的熔断特性保险丝。

　　以目前市场上的低电压规格（≤63Vdc）的贴片保险丝，依据其熔丝的结构，基本上可以区分为单层金属及双层金属共熔结构。AEM科技所独创的SolidMatrix^®积层独石封装技术所生产的保险丝，其熔丝设计就是采用单层Ag合金结构（照片1、2）。然而市场上大多数贩售的保险丝，采用的是Al2O3陶瓷或PCB基板覆盖聚合物保护层技术，其熔丝设计多是采用双金属共熔结构。而Sn/Ag或是Sn/Cu双金属共熔结构为多被采用的设计，其中”S”品牌的保险丝即是采用双金属Sn/Ag共熔结构（照片3、4）。

照片1、2  AEM科技SolidMatrix^®积层独石封装技术所生产的保险丝，其熔丝设计是采用单层Ag合金结构

照片3、4  “S”品牌保险丝采用Al2O3陶瓷基板覆盖聚合物保护层技术，其熔丝设计是采用双金属Sn/Ag共熔结构。

　　在Sn-Ag二元相图上[1]（图1），仅存在两种Sn-Ag中间金属化合物（IMC），一是Ag4Sn （ζ相），另一个是Ag3Sn（ε相）。 在过去一些学者如Sen等[2]发现在气相沉积Sn/Ag偶在室温条件下形成Ag3Sn IMC； 另外Arai等[3]发现在电镀共沉积Sn-Ag合金中也只形成Ag3Sn金属化合物。

　　在以双金属层Sn/Ag共熔结构的保险丝，即是利用Ag3Sn IMC的形成与增长及较低熔点特性（480˚C），一是在较低电流负载下保险丝可以快速熔断；另一是可以吸收电流脉冲时所产生的能量。但是同样的，Ag3Sn金属相的阻抗远大于Sn和Ag金属，因此Ag3Sn金属相的过度增长，也可能对保险丝的熔断特性有不利的影响。

图1  Sn-Ag二元相图[1]

　　一、测试方式

　　测试样品的热处理方式是采用SMT产线的回流焊锡炉，一方面实际模拟SMT产线的焊锡炉加热作业对保险丝特性的影响；另一方面也利用回流焊锡炉内较高的作业温度，来加速仿真保险丝在高温工作下的特性变化。

　　1.样品规格：0603尺寸，3A。

　　2.回流焊锡炉内温度条件（图2），温245±5˚C/20±5秒，作业时间240±10秒。

　　3.样品热处理方式：

　　过锡炉：仿真SMT产线实际作业，并以此数据当做初始参考值。

　　过三次锡炉：业界对元器件可以承受焊锡炉作业的要求。

　　过六、十次锡炉：用来加速模拟保险丝在高温工作下的情形。

图2  SnAgCu系列无铅焊锡炉温度曲线

　　二、测试结果与讨论

　　1. 保险丝冷阻抗（DCR）特性变化（图3）：

　　单层Ag合金结构的保险丝即使经过多次高温热处理，其冷阻抗变化很小。但是双层Sn/Ag共熔结构的保险丝，其冷阻抗有明显变高的趋势（约升高10~20%），且变异也较大。

图3  经过多次回流焊锡炉热处理后，保险丝冷阻抗（DCR）特性的变化趋势

　　2. 保险丝熔断时间（Clear-time）特性变化（图4）：

　　单层Ag合金结构的保险丝即使经过多次高温热处理，仍可以维持较稳定的熔断时间。但是双层Sn/Ag共熔结构的保险丝，其熔断时间有明显变快的趋势。

图4  经过多次回流焊锡炉热处理后，保险丝熔断时间（Clear-time）特性的变化趋势

　　3. 保险丝在常温下（25˚C）承受脉冲能力变化（图5）：

　　单层Ag合金结构的保险丝即使经过多次高温热处理，仍可以维持一定的耐脉冲能力，承受脉冲次数都可达十万次以上。但是双层Sn/Ag共熔结构的保险丝，其承受脉冲能力有明显下降的趋势，在经过10次回流焊锡炉热处理后，承受脉冲次数就会下降到十万次以下。

图5  经过多次回流焊锡炉热处理后，保险丝在常温下（25˚C）承受脉冲能力的变化趋势

　　4. 保险丝在常温下（60˚C）承受脉冲能力变化（图6）：

　　单层Ag合金结构的保险丝即使经过多次高温热处理，仍可以维持一定的耐脉冲能力，承受脉冲次数都可达十万次以上。但是双层Sn/Ag共熔结构的保险丝，其承受脉冲能力的下降趋势明显比在常温下变化更大，甚至在经过10次回流焊锡炉热处理后，承受脉冲次数会大幅下降到一万次以下。

图6  经过多次回流焊锡炉热处理后，保险丝在常温下（60˚C）承受脉冲能力的变化趋势

　　从上述测试结果显示双金属层Sn/Ag共熔结构保险丝，在经过无铅焊锡炉焊接热作用后，由于焊接炉温至少可达245˚C，此温度超过Sn金属的熔点232˚C，因此熔融状态的Sn金属会快速渗透进固态的Ag金属，产生Ag3Sn中间相金属层。Ag3Sn金属层即使在温度冷却回到常温状态，后续会因储存/工作环境温度及电路电荷作用影响，厚度仍会持续增厚，进而不断改变熔丝的材料特性，直到Ag金属层完全被耗尽（图7）。

图7  单金属层Ag合金结构与双金属层Sn/Ag共熔结构，在SMT焊接前后及长时间使用后的材料与结构变化示意图。

　　根据汤文明等[4]的研究结果，Sn-Ag固相接口反应速率（即Ag3Sn层生长速率）与热处理温度的关系，当热处理温度越高，Ag3Sn层生长速率就越快，从实验导出的关系式来计算，当双金属层Sn/Ag共熔结构的保险丝在70˚C温度长时间工作下，Ag3Sn层生长速率会是在常温状态下（25˚C）的7倍；一旦工作温度到达80˚C，Ag3Sn层生长速率会甚至是在常温状态下（25˚C）的10倍之多。

　　三、结论

　　根据上述测试结果，在几种贴装作业及实际电路使用情形下，双金属层Sn/Ag共熔结构保险丝的信赖性会有大幅降低的风险。

　　1.SMT产线焊接温度太高。

　　2.SMT产线经过多次焊接热处理作业。

　　3.保险丝长时间处在高温的工作环境。

　　至于单层Ag合金结构，不管是在高温焊接或是长时间工作环境的作用下，其材料组成及特性仍可以维持稳定状态。

　　参考数据

　　[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] 汤文明， HE An-qiang, LIU Qi, IVEY G D. 电沉积 Ag/Sn 偶界面反应及其动力学。 中国有色金属学报， 2009, Vol. 19, No. 5.