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。
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。
在Sn-Ag二元相图上（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
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），*高温245±5˚C/20±5秒，作业时间240±10秒。
3.样品热处理方式：
过一次锡炉：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*高温至少可达245˚C，此温度*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。
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