电路保护元件设计和结构发展趋势
中心议题：
- 电路保护元件的发展趋势
- 元件设计技术的挑战
- 引线式元件向表面安装设计的转变
- 电路保护元件创建多片阵列
- 多层可变电阻与多层电容器集成
随着电子技术的发展和电子产品的更新换代，电力电子产品对可靠性和安全性的要求日益提高，多样化和复杂化导致应用的电路保护元件已发展成为一个品类繁多的新兴电子元件领域。而且，2000年全球电路保护元件销售额已达到44亿美元。需求推动着电路保护元件的结构和技术正在经历一个全球范围的迅速变革。
技术趋势和设计挑战
为了看清电路保护元件的市场前景，我们必须了解使用这些电子元件的终端市场的未来趋势。这些趋势是密度板应用的增长；USB 2.0和IEEE1394即插即用协议的接受度增加；终端使用功能的集中和互通；对ESD的日益关注。
综观整个电子元件市场，我们看到日益增长的需求是在更小的占位面积上提供最新的产品功能。例如，移动电话和PDA，迫切需要把更多的用户功能放进一个更小的 装置之内，结果导致了更高密度的印制电路板（PCB）。为了符合尺寸的限制并在更小的占位面积中提供ESD（静电放电保护）保护，过电压元件制造商已开发出0402尺寸的可变电阻和二极管产品。如果发生ESD事件，又没有停止就会造成破坏，轻者是软故障（数据丢失），重者会对芯片造成永久的破坏。
由于处理高电压的ESD事件（高达15 000V）的需要，许多元件制造商发现他们在“扩展”当前技术时遇到了限制，不能进一步将其产品的尺寸变小。元件制造商所面对的挑战是如何开发在更小的封装中提供同样性能的不同方案。类似于过电压保护所带来的板密度的挑战，过电流应用器件要求制造商“缩小 ”他们目前产品。通常，过电流产品必须满足与以前产品相同的流量；这就要求增加器件的能量密度。
未来几年，数据协议将驱动今天使用的电子电路保护产品在速度方面显著地增加。这种进化将戏剧性地改变板级ESD保护的市场。此外，近年来电子产品向高速数化的发展，半导体器件和IC的工作电压越来越低，大大增加了遭受过电压和ESD危害的几率。面对这样的状况，出现了多种过电压保护元件，如TVS二极管、 陶瓷压敏电阻器、瞬态电压抑制器、ESD抑制器等。还有一些IC厂商将ESD保护功能设计在芯片内部，制造出了自身能防护ESD的IC。
ESD 保护通常取决于可变电阻和二极管技术的进展。这两种技术可提供极好的ESD保护，并且可与中低速率的数据传输线兼容。例如，在12Mb运行的USB 1.1数据加速协议；器件利用能保护微处理器芯片的协议，采用二极管和可变电阻产品使之免受ESD的破坏。然而，由于这些器件的电容太高，在USB 2.0、IEEE 1394或Infiniband设备的信号线上不能使用，当数据速率增加时，为了保持信号线上的信号完整性，对低电容ESD器件（低于1pF）的需求也在 增加。新的聚合物ESD抑制技术可以提供更低的电容（低于1pF）、更低的泄漏电流（这在低功耗便携式设备中尤为重要）、快速响应时间（＜1ns）和低钳 位电压（100V），而且具有耐受多重ESD脉冲的能力，可以生产出许多不同结构的器件。
可复位聚合物（PTC）技术已经作为保护即插即用应用的首选方案。它是在有机高分子聚合物中加入导电颗粒构成的，其特点是具有自恢复性，即过电流之后又恢复到常态，不必更换，也不必一定将它安置在电子产品中手可触及的部位，因而给用户带来许多便利。
随着USB和IEEE 1394应用产品的增长，电路保护工业已对采用可复位PTC产品，并在1206封装中实现与前一代器件相同的电流处能力做出了反应。这种尺寸的减小要求在 器件的功率密度上增加300%。业界将连续不断地应对挑战，改变其设计，并开发瞄准需求潮流、不牺牲安全性和可靠性的用户需要的聚合物技术过电流保护产 品。虽然这种过电流保护元件还有一些不足之处，但它的自恢复性优点是很吸引人的，各生产厂家都在研究改进，主要方向是提高耐电压/电流、降低电阻、提高强 度和稳定性。
在电子元件市场最困难的变化之一是电子器件的会聚性和连通性，它提出了许多问题。例如，商业和消费电子市场需要具有数字照相机和因特网功能移动电话，或者他们还需要具有PDA功能的移动电话，那么，未来个人计算机将扮演什么角色？它是否可以与所有其他设备“同步”起来？市场上所有设备都具有“摇篮”能力，是否就意味着数字照相机、PDA和移动电话就都能与个人计算机同步？答案仍然不清楚。因此，电子元件制造商需要继续努力，因为他们会影响各种各样的产品开发和商业策略。
当电子器件进化到更高的数据速度协议、更高的板密度、更多的器件连通性和更高的即插即用能力时，对ESD保护的全面需求将极大地增加。ESD协会认为，所有电子器件的现场故障中有大约30%是ESD造成的。电子工程师已很清楚地理解了这个事实，而与这些故障有关的可靠性问题变得日益明显，对ESD保护的需求将极大地增加。
ESD 的“免疫”不仅是一个国际标准，它也是终端产品制造商关注的可靠性的一个重要保证。ESD保护通常通过三种技术实现：多层可变电阻、二极管阵列和聚合物抑制器。市场需要更多的产品对付广泛的ESD问题，同时需要专家设计和试验能力，以保证正确的ESD保护。
结构上发生变化
---电路保护元件的变化还表现在结构方面，其中一个显著的变化是从传统的引线式元件向表面安装设计的转变，尤其是向多层技术的演变。
从引线式到表面安装
许多被动型元件，包括电容器、电阻器和电感器，多年以前已转向表面安装设计。然而，在电子电路保护器件方面，大多数产品仍然是引线式；不过，为了适应SMT的需求，采用表面安装设计的电子电路保护元件肯定将呈现出快速增长的局面。
可变电阻首先代表了这种转变，金属氧化物可变电阻首当其冲，而在上个世纪90年代初元件制造商实现了其堆叠或多层设计，增加了基于氧化锌产品的浪涌处理能力。那时，从事元件超薄多层化技术应用的公司（主要是MLCC）开始将这一技术应用于氧化锌，生产非常小的、表面安装的多层设计，以保护敏感的电子设备， 使之免受ESD的影响。1999和2000年，多层可变电阻在蜂窝电话和汽车电子组件的应用出现了迅速的增长。
这种从引线式到表面安装的趋势影响了其他相关的陶瓷器件，尤其是陶瓷NTC和PTC热敏电阻，使之走向了多层设计。不过，这两种产品在设计上仍主要采用引线式，但是它们将很快转变为表面安装。逐步从引线式设计向表面安装设计迅速转变的其他产品还有电子熔丝，它采用陶瓷矩阵的形式，其内部包含一种易熔的金属元素。基于硅的电路保护器件也开始迅速向表面安装设计转变。现在，齐纳二极管、雪崩二极管和晶体闸流管等所有传统的引线式设计也开始迅速采用DO-214塑料封装。SMD熔断器的发展将为高档电脑、电信、数据传送系统的关键IC和重要的电路提供过流保护。
更小，更好，更快
此外，引线式和表面安装电子电路保护器件的另一个趋势是使其更加小巧有效。例如，在引线式设计中，制造商在努力尝试使可变电阻和热敏电阻占板尺寸更小，而且有更好的钳位特性。引线式电路保护元件的另一个趋势是玻璃钝化技术，为的是获得更好的防潮性能。在表面安装设计中，制造商将继续开发更小的、符合EIA标 准的高性能器件。最后，占板尺寸将变得更小，同时在传统的0603、0402和0201封装中提供更高的钳位特性和更快的速度。
阵列技术
最新的趋势是用类似和不同的电路保护元件创建多片阵列。市场将提供的最初产品阵列包括金属氧化物和钛酸盐陶瓷基产品，因为它们的生产过程很适合多片阵列的制 造工艺要求。多层可变电阻制造商已经生产出保护多重线路的Quad和Octel阵列原型，尤其是用于引擎控制的I/O端口部件。可以预期，多片阵列将用于 当前的各种应用，最终将影响传统的熔丝市场，以及PTC和NTC热敏电阻市场。阵列技术可以使一块印制电路板上电路保护元件的密度成倍增加，使元件的布局 更加容易，进而节省了OEM包括选择和安装成本在内的使用单独分立元件的成本。
集成
目前，在汽车电子组件中已经开始采用多层可变电阻与多层电容器。其他集成趋势还包括以双层或多层片阵列设计的方式把可变电阻与单独的热敏电阻结合在一起。阵列也可能被定制在一个单独的封装中，同时包括多种电路保护特性，提供瞬间的保护层。
集成也对基于硅的电路保护元件产生了影响。利用更加先进的半导体器件上的硅基层实现电路保护的特性是可能的。例如，在一个集成的被动元件（IPD）中创建一 个除了电容和电阻功能以外的电路保护层。这种IPD的趋势具有重大的意义，因为许多这样的器件被安装在计算机和网络连接器件的I/O端口上。
需求决定一切
我们看到，电路保护元件的重要性在日益显现。在各类电子产品中，设置过电流保护和过电压保护元件的趋势日益增强，其主要驱动来自以下几个方面：IC的功能和集成度越来越强，其 价值也越来越贵，需要加强保护；半导体元件和IC的工作电压越来越低，以达到降低功耗、减少发热、延长使用寿命的目的，其抗过电流/过电压的能力需要满足 新的保护要求；手机、PDA、笔记本电脑、摄录机、数码相机、光盘机等移动电子产品越来越多，都需要电池组件作为电源，在电池组件和电池充电器中都必须配 置保护元件；高档汽车中的电子设备越来越多，而且工作条件比一般的电子产品更为恶劣，在为这些电子设备配套的电源适配器中，一般都需要同时安装过电流和过 电压保护元件；在电力/电子产品方面，都需要防止雷击及电源线与电话线的交扰，以保证正常通信和用户人身安全，过电流/过电压保护元件的需求呈上升趋势； 在电子产品出现的故障中，有75％是由于过电流/过电压造成的，计算机电源的故障中更有88.5％是由于过电流/过电压造成的，因此也必须大量采用电路保 护元件。可以看出，过电压、过电流、过热电路保护元件是电子元件领域中的一个新的增长点，有着良好的市场和应用前景。
