利用麥特卡爾夫效應(yīng)改善電熔絲性能的阻擋層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體上涉及電路保護(hù)器件領(lǐng)域，并且更具體而言涉及利用麥特卡爾夫(METCALF)效應(yīng)的電路保護(hù)器件。
【背景技術(shù)】
[0002]麥特卡爾夫效應(yīng)，有時(shí)被稱為M-效應(yīng)，是用于降低熔斷體能力(例如，溫度熔點(diǎn)，電流承載能力，或者相似的)的技術(shù)。麥特卡爾夫效應(yīng)基于擴(kuò)散原理進(jìn)行工作，在電流過載的期間，低熔點(diǎn)的金屬熔化并且擴(kuò)散到由高熔點(diǎn)金屬構(gòu)成的熔斷體中，由此降低熔斷體的電流承載能力。例如，低熔點(diǎn)金屬(如，錫)可以位于由高熔點(diǎn)金屬(如，銅)制成的熔斷體上。當(dāng)電流過載時(shí)，錫將熔化并且快速擴(kuò)散到銅熔斷體中，由此將銅熔斷體的熔化溫度和電流承載能力降低為低于純銅的熔化溫度和電流承載能力。
[0003]麥特卡爾夫效應(yīng)通常用于制造具有其熔斷時(shí)間-電流特性不能由單種材料構(gòu)成的熔斷體實(shí)現(xiàn)得到的熔斷體。正如所理解的，低熔點(diǎn)金屬到高熔點(diǎn)金屬的擴(kuò)散取決于溫度和時(shí)間。甚至在低于低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)溫度時(shí)，也將發(fā)生低熔點(diǎn)金屬到高熔點(diǎn)金屬的固態(tài)擴(kuò)散。固態(tài)擴(kuò)散取決于金屬的種類、它們的顆粒結(jié)構(gòu)、溫度和時(shí)間。因此，這種熔絲必須典型地工作在具有相對(duì)低的外界溫度以及相對(duì)小的電流的環(huán)境中，以確保固態(tài)擴(kuò)散不對(duì)熔絲的工作壽命產(chǎn)生不利影響。換一種說法，高的外界工作溫度可以引發(fā)低熔點(diǎn)金屬過早地?cái)U(kuò)散到高熔點(diǎn)金屬中，并從而改變?nèi)劢z的預(yù)期時(shí)間和/或電流保護(hù)特性。而且，低熔點(diǎn)金屬過早地?cái)U(kuò)散到高熔點(diǎn)金屬可以引發(fā)不期望的熔絲故障。
[0004]對(duì)于延時(shí)型熔絲而言該問題尤其突出。在電流過載時(shí)，低熔點(diǎn)金屬首先擴(kuò)散到高熔點(diǎn)金屬中，引發(fā)熔絲“燒斷(blow) ”。沒有低熔點(diǎn)金屬，熔絲不會(huì)燒斷直到熔斷體達(dá)到它的熔化溫度(例如，銅為1085°C )。在短路大電流故障中熔絲燒斷發(fā)生的十分迅速，但是在過載小電流故障中，達(dá)到熔點(diǎn)溫度所需的時(shí)間可能過長，從而對(duì)相關(guān)的電路或設(shè)備造成損害。然而，(例如，由于高外界工作溫度和/或延長的工作時(shí)間)，如果低熔點(diǎn)金屬已經(jīng)擴(kuò)散到高熔點(diǎn)金屬中，則熔絲可能在比預(yù)定電流小的電流下燒斷。因此，需要一種利用麥特卡爾夫效應(yīng)的熔絲，其能夠工作在更高的溫度和/或電流下，而仍然保持期望的時(shí)間-電流特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本公開，提供了利用麥特卡爾夫效應(yīng)的熔絲。具體而言，提供了由不同于熔絲元件或擴(kuò)散層材料的第三導(dǎo)電材料構(gòu)成的阻擋層。在正常工作期間，阻擋層減緩和/或阻止擴(kuò)散材料過早地?cái)U(kuò)散到熔絲元件中。因此，熔絲可以在具有較高的外界溫度和/或較大的電流的環(huán)境中工作，和/或以比其它可能情況更長的時(shí)間周期工作。
[0006]在一些實(shí)施例中，提供了一種熔絲。該熔絲可以包括:由第一導(dǎo)電材料構(gòu)成的熔絲元件；位于所述熔絲元件表面的阻擋層，所述阻擋層由不同于第一導(dǎo)電材料的第二導(dǎo)電材料構(gòu)成；以及位于所述阻擋層表面的擴(kuò)散層，所述擴(kuò)散層由不同于第二導(dǎo)電材料和第一導(dǎo)電材料的第三導(dǎo)電材料構(gòu)成。
[0007]在一些實(shí)施例中，提供了一種延時(shí)熔絲。該延時(shí)熔絲可以包括:由第一導(dǎo)電材料構(gòu)成的熔絲元件；位于所述熔絲元件表面的阻擋層，所述阻擋層包括被間隙分隔開的第一部分和第二部分，所述阻擋層由不同于第一導(dǎo)電材料的第二導(dǎo)電材料構(gòu)成；以及位于所述熔絲元件表面的間隙中的擴(kuò)散層，所述擴(kuò)散層由不同于第二導(dǎo)電材料和第一導(dǎo)電材料的第三導(dǎo)電材料構(gòu)成。
[0008]在一些實(shí)施例中，提供了一種構(gòu)成熔絲的方法。該方法可以包括在襯底上構(gòu)成熔絲元件，所述熔絲元件由第一導(dǎo)電材料構(gòu)成，在熔絲元件的表面構(gòu)成第一阻擋層部分和第二阻擋層部分，所述第一阻擋層部分和第二阻擋層部分被間隙分隔開并且由不同于第一導(dǎo)電材料的第二導(dǎo)電材料構(gòu)成，以及在熔絲元件的表面上的間隙中構(gòu)成擴(kuò)散層，所述擴(kuò)散層由不同于第二導(dǎo)電材料和第一導(dǎo)電材料的第三導(dǎo)電材料構(gòu)成。
【附圖說明】
[0009]通過舉例，結(jié)合附圖，現(xiàn)在將對(duì)本公開設(shè)備的具體實(shí)施例進(jìn)行描述，其中:
[0010]圖1A-1D是熔絲的框圖；
[0011]圖2A-2D是熔絲的框圖；
[0012]圖3A-3D是熔絲的框圖；
[0013]圖4是示例熔絲的框圖的頂視圖；
[0014]圖5是示例熔絲的框圖的頂視圖；以及
[0015]圖6是根據(jù)本公開的至少一些實(shí)施例布置的通過麥特卡爾夫效應(yīng)構(gòu)成的金屬間層的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]圖1A是基于麥特卡爾夫效應(yīng)工作的熔絲100的框圖的側(cè)示圖。如上介紹，在第一導(dǎo)電材料熔化并且擴(kuò)散到第二導(dǎo)電材料中的地方發(fā)生麥特卡爾夫效應(yīng)，由此降低了第二導(dǎo)電材料的能力(例如，溫度熔點(diǎn)、電流承載能力等)?；邴溙乜柗蛐?yīng)，通過斷開熔斷體(例如，下面描述的熔絲元件110)，熔絲100可以用于保護(hù)電路。更具體地，熔絲元件可以用于將被保護(hù)的電路連接到電流源。在電流過載時(shí)，擴(kuò)散層(例如，下面描述的擴(kuò)散層130)將熔化并且擴(kuò)散到熔絲元件中，由此降低了熔絲元件的能力，從而，由于電流過載情況超過了剛被降低的熔絲元件的能力，熔絲元件將斷開。因此，在被保護(hù)的電路和電流源之間形成了開路。
[0017]阻擋層(例如，下面描述的阻擋層120)用于減緩和/或阻止擴(kuò)散層過早地?cái)U(kuò)散到熔絲元件中，這將導(dǎo)致熔絲過早地失效或過早切斷。因而，比起其它的可能情況，熔絲100可以在較高外界溫度和/或較大電流水平的環(huán)境中工作。更具體地，熔絲100可以在(例如，高外界溫度，和/或較大電流，和/或較長的時(shí)間周期)的環(huán)境中工作而不會(huì)過早地引發(fā)擴(kuò)散層熔化并且擴(kuò)散到熔絲元件中。在一些實(shí)施例中，高外界溫度可對(duì)應(yīng)于高于60攝氏度的溫度。
[0018]正如描述，熔絲100包括熔絲元件110，阻擋層120，以及擴(kuò)散層130。阻擋層120位于熔絲元件I1的表面(指示為表面112)，以及擴(kuò)散層130位于阻擋層120的表面(指不為表面122)。在一些實(shí)施例中，擴(kuò)散層130可以在阻擋層120的一部分上形成(例如,如圖1A所示)。在一些實(shí)施例中，擴(kuò)散層130可以在整個(gè)阻擋層120上形成(未示出)。例如，擴(kuò)散層130可以在阻擋層120的邊沿形成。
[0019]熔絲元件110可以由具有第一熔點(diǎn)的導(dǎo)電材料構(gòu)成。在一些實(shí)施例中，熔絲元件110由包括銅、銀、鋁和/或其它具有期望的熔絲元件特性的導(dǎo)電材料的導(dǎo)電材料構(gòu)成。擴(kuò)散層130可以由具有第二熔點(diǎn)的導(dǎo)電材料構(gòu)成。在一些實(shí)施例中，擴(kuò)散層130由包括錫、鉛、鋅、和/或其它具有期望的擴(kuò)散特性的導(dǎo)電材料的導(dǎo)電材料構(gòu)成。更具體地，擴(kuò)散層130可以由這樣一種金屬構(gòu)成，當(dāng)該金屬擴(kuò)散到熔絲元件110中時(shí)其產(chǎn)生降低熔絲元件110能力的期望的金屬間層。
[0020]需要注意的是，在一些實(shí)施例中，第一熔點(diǎn)比第二熔點(diǎn)具有更高的溫度值。換一種說法，與構(gòu)成熔絲元件I1的導(dǎo)電材料相比，構(gòu)成擴(kuò)散層130的導(dǎo)電材料將在更低的溫度熔化。
[0021]位于熔絲元件110和擴(kuò)散層130之間的阻擋層120可以由具有第三熔點(diǎn)的導(dǎo)電材料構(gòu)成。在一些實(shí)施例中，阻擋層120可以由包括鎳、和/或其它具有期望的擴(kuò)散阻擋或擴(kuò)散減緩特性的導(dǎo)電材料的導(dǎo)電材料構(gòu)成。在一些實(shí)施例中，第三熔點(diǎn)可具有比第一熔點(diǎn)和第二熔點(diǎn)更高的溫度值。換一種說法，構(gòu)成阻擋層120的導(dǎo)電材料將在比構(gòu)成擴(kuò)散層的導(dǎo)電材料的熔化溫度更高的溫度熔化，以及在比構(gòu)成熔絲元件的導(dǎo)電材料的熔化溫度更高的溫度熔化。相應(yīng)地，當(dāng)熔絲100在外界溫度和/或工作電流升高的環(huán)境中工作時(shí)，擴(kuò)散層130不會(huì)過早地(例如，先于電流過載情況等)擴(kuò)散到熔絲元件110中。
[0022]在一些實(shí)施例中，可以選擇阻擋層120的厚度(指示為厚度152)，以取得期望的阻抗和/或電流保護(hù)。換一種說法，可以選擇阻擋層120的厚度152，以在正常工作情況期間取得熔絲元件110的期望的阻抗。而且，可以選擇厚度152，以使得熔絲在高的外界溫度的環(huán)境中正常工作時(shí)，將擴(kuò)散層130到熔絲元件110的擴(kuò)散減緩期望的時(shí)間量。而且，可以選擇厚度152，以使得熔絲元件具有期望的電流承載能力或安培等級(jí)(如，0.125安培、0.25安培、0.5安培、I安培、5安培、10安培、20安培等)。在一些實(shí)施例中，厚度152可以介于5微英寸到500微英寸之間。
[0023]圖1B是根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的熔絲101的側(cè)視圖。熔絲101包括上述熔絲元件110、阻擋層120和擴(kuò)散層130，還包括襯底140。正如描述，熔絲101包括安裝或構(gòu)成在襯底140的表面(指示為表面142)上的熔絲元件110。阻擋層120位于熔絲元件110的表面，以及擴(kuò)散層130位于阻擋層120的表面。在一些實(shí)施例中，襯底140可以是任何類型的合適的非導(dǎo)電的襯底材料，諸如，F(xiàn)R4材料。襯底140可以在制造、運(yùn)輸、安裝和/或使用期間用于支承熔絲元件110。
[0024]圖1C是根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的熔絲102的側(cè)視圖。熔絲102包括熔絲元件110、阻擋層120、擴(kuò)散層130以及襯底140。熔絲102進(jìn)一步包括熔絲端子162和164，熔絲端子162和164位于襯底140的側(cè)表面(分別指示為表面144和146)和襯底140的底部表面(指示為表面148)。在一些實(shí)施例中，熔絲元件110可