超酷！印刷出來的“橡皮泥保險絲”、“便利貼保險絲“！——高集成度、低成本、高性能電子器件的福音

還記得在學校宿舍偷偷涮肉，保險絲斷掉全樓拉黑的日子吧？對保險絲大家應該都不陌生了。作為電力、電子器件中的基本保護元件，電流熔斷器（保險絲）對電力電子產品幾乎是不可或缺的，2015年它的全球市場規模達到358.5億美元，預計2022年將突破535.6億美元，并以5.92%的復合年利率增長。看來保險絲真是小身材大本領，還很值錢哦！

傳統的保險絲主要結構為熔斷單元——例如合金絲封裝在玻璃盒中的合金絲，通過合金絲在電流過載時的熔斷來切斷電流（見圖1）。自一個多世紀之前被發明以來，保險絲無論是在結構還是制備技術方面均未獲得明顯的改進；傳統技術面臨著諸如制造工藝復雜、成本高、封裝尺寸大、熔斷電流大、響應速度慢等一系列問題，因此，難以滿足未來高集成度、低成本、高性能電子器件的需求。未來亟需開發尺寸更小、熔斷電流更低的電流熔斷器技術。

近期，清華大學深圳研究生院楊誠老師團隊取得了突破性的進展，操控生長出直徑只有普通頭發絲三十分之一那么微小、像雪花一樣美麗的分形銀枝晶（見圖2）。利用銀枝晶的低溫熔斷效應，開發出新型的電流熔斷元件技術，具有1）靈敏度高、2）可印刷制造、3）像橡皮泥一樣外形可拉伸變幻、4）像便利貼一樣容易更換等酷炫特點。成果于2017年7月19日在線發表在國際著名雜志ACS Nano上。

圖1. 傳統保險絲元件外觀。

圖2. 楊誠老師團隊前期開發合成出的雪花狀三維分形銀枝晶材料SEM照片。

前期，清華大學深圳研究生院楊誠老師課題組開發出了一類獨特的三維輻射狀分形枝晶銀粉材料，利用其纖細的邊緣結構，成功實現其在超高精度激光銀漿布線技術方面的應用（Fractal Dendrite-based Electrically Conductive Composites for Laser-scribed Flexible Circuits，Nature Communications, 2015, 6, 8150）。由于該銀粉結構具有獨特的輻射狀層次結構，因此在不同的溫度區間，可分別實現三級結構、二級結構甚至一級結構的融縮塌陷，從而可以有效地在特定溫度范圍快速切斷整個導電網絡（見圖3）。利用該材料的這一特性，楊誠老師進一步提出并開發出了可印刷熔斷單元，可通過常規印刷或點膠的手段，在金屬電極之間進行印制，獲得高性能的電流熔斷器。用這么微小美麗的金屬雪花來做保險絲，難為想得出來吼吼！！

圖3. (a)雪花狀的分形銀枝晶受熱融縮坍塌全過程示意圖。(b) 雪花狀的分形銀枝晶室溫下的SEM照片。(c) 雪花狀的分形銀枝晶加熱到150^oC后的發生燒結連接后的局部形貌。(d) 雪花狀的分形銀枝晶加熱到300^oC后發生結構坍縮的局部形貌。

新型電流熔斷器相比目前市場上的產品，表現出一系列的優異性能：

1) 靈敏度高。尺寸規格小，熔斷電流可調范圍大，相應速度快，可靠性高等（見圖4）。例如具有較低的熔斷電流（僅為Littelfuse 467系列最低值的40%）、較快的響應速度（1.5倍額定電流下，響應時間僅為Littelfuse 2920L030的3.35%），以及工作穩定性測試過程中更低的表面溫升（比FGMB低16.89 ^oC）和電壓降（僅為FGMB的24.26%）等方面都有顯著優勢。

2）可印刷，成本低。由于銀漿具有可印刷性，因此可實現大面積印制生產，相比于傳統電流熔斷器采用引線鍵合方式制備熔斷體，具有明顯的成本優勢。

3）應用場合廣泛。通過調節導電漿料組成，印刷熔斷體的尺寸、印刷工藝等參數，能夠精準地調節電流熔斷器的熔斷電流、響應速度、器件結構等，以實現不同場合的應用。

4）由于熔斷單元為可方便印刷和加工的三維分形枝晶銀粉-樹脂復合體，因此，除了實現印刷熔斷器的功能外，研究人員還開發出了墊片式熔斷器和“橡皮泥”式熔斷器（見圖5），同樣具有高靈敏度和廉價易得的技術特征。其中，墊片式熔斷器可直接封裝在18650電池底部，可實現對單個鋰離子電池或電池組中單節電池的二次過流保護功能，為提高鋰離子電池的安全性能提供了一種可行的方案。 而“橡皮泥”式熔斷器，未來可應用于可拉伸電子器件的，具有塑性較好、可返工且具有自愈合功能的特點，安裝和更換像“便利貼”一樣極為簡便。

未來，基于枝晶狀銀粉精確可控的“低溫熔斷”特性，不但可實現印刷熔斷器的功能外，還有望在超細布線、溫度開關等方面獲得廣泛應用，具有廣闊的應用前景。

圖4. （a）在新型的保險絲兩端逐步增大電壓，電流隨之平緩上升，上升至1.4V時發生明顯下降，說明保險絲已斷開，同時可觀察到在不同電壓下銀粉的SEM形貌變化；（b）在同樣的串聯電路條件下，對四種額定電流規格均為600mA保險絲進行熔斷測試；與商業保險絲（2930L030與FGMB）相比，兩種新型熔斷體的熔斷響應時間更短、熔斷電流精確；（c）在負載不同程度的過載電流條件下，新型熔斷體的熔斷時間均比商業保險絲短。

圖5. （a）新材料可輕松實現貼片式熔斷器的制作；（b）相比于傳統的玻璃管式電流熔斷器，新材料有利于開發新穎的熔斷器品種，例如墊片式的結構；（c）微型熔斷器可直接通過印刷的方式大面積生產，從而降低成本；(d) 新型墊片式熔斷器可應用在單個電芯的電流過載保護；（e）“橡皮泥”式熔斷器可應用在柔性線路板中應用并非常易于更換。

文獻鏈接：Low-Temperature Fusible Silver Micro/Nano-Dendrites-Based Electrically Conductive Composites for Next-Generation Printed Fuse-Links?（ACS Nano, 2017, DOI:?10.1021/acsnano.7b00935）

本文由材料牛整理編輯。

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