超酷！印刷出来的“橡皮泥保险丝”、“便利贴保险丝“！——高集成度、低成本、高性能电子器件的福音

还记得在学校宿舍偷偷涮肉，保险丝断掉全楼拉黑的日子吧？对保险丝大家应该都不陌生了。作为电力、电子器件中的基本保护元件，电流熔断器（保险丝）对电力电子产品几乎是不可或缺的，2015年它的全球市场规模达到358.5亿美元，预计2022年将突破535.6亿美元，并以5.92%的复合年利率增长。看来保险丝真是小身材大本领，还很值钱哦！

传统的保险丝主要结构为熔断单元——例如合金丝封装在玻璃盒中的合金丝，通过合金丝在电流过载时的熔断来切断电流（见图1）。自一个多世纪之前被发明以来，保险丝无论是在结构还是制备技术方面均未获得明显的改进；传统技术面临着诸如制造工艺复杂、成本高、封装尺寸大、熔断电流大、响应速度慢等一系列问题，因此，难以满足未来高集成度、低成本、高性能电子器件的需求。未来亟需开发尺寸更小、熔断电流更低的电流熔断器技术。

近期，清华大学深圳研究生院杨诚老师团队取得了突破性的进展，操控生长出直径只有普通头发丝三十分之一那么微小、像雪花一样美丽的分形银枝晶（见图2）。利用银枝晶的低温熔断效应，开发出新型的电流熔断元件技术，具有1）灵敏度高、2）可印刷制造、3）像橡皮泥一样外形可拉伸变幻、4）像便利贴一样容易更换等酷炫特点。成果于2017年7月19日在线发表在国际著名杂志ACS Nano上。

图1.传统保险丝元件外观。

图2.杨诚老师团队前期开发合成出的雪花状三维分形银枝晶材料SEM照片。

前期，清华大学深圳研究生院杨诚老师课题组开发出了一类独特的三维辐射状分形枝晶银粉材料，利用其纤细的边缘结构，成功实现其在超高精度激光银浆布线技术方面的应用（Fractal Dendrite-based Electrically Conductive Composites for Laser-scribed Flexible Circuits，Nature Communications,2015, 6, 8150）。由于该银粉结构具有独特的辐射状层次结构，因此在不同的温度区间，可分别实现三级结构、二级结构甚至一级结构的融缩塌陷，从而可以有效地在特定温度范围快速切断整个导电网络（见图3）。利用该材料的这一特性，杨诚老师进一步提出并开发出了可印刷熔断单元，可通过常规印刷或点胶的手段，在金属电极之间进行印制，获得高性能的电流熔断器。用这么微小美丽的金属雪花来做保险丝，难为想得出来吼吼！！

图3.(a)雪花状的分形银枝晶受热融缩坍塌全过程示意图。(b) 雪花状的分形银枝晶室温下的SEM照片。(c) 雪花状的分形银枝晶加热到150^oC后的发生烧结连接后的局部形貌。(d) 雪花状的分形银枝晶加热到300^oC后发生结构坍缩的局部形貌。

新型电流熔断器相比目前市场上的产品，表现出一系列的优异性能：

1) 灵敏度高。尺寸规格小，熔断电流可调范围大，相应速度快，可靠性高等（见图4）。例如具有较低的熔断电流（仅为Littelfuse 467系列最低值的40%）、较快的响应速度（1.5倍额定电流下，响应时间仅为Littelfuse 2920L030的3.35%），以及工作稳定性测试过程中更低的表面温升（比FGMB低16.89^oC）和电压降（仅为FGMB的24.26%）等方面都有显著优势。

2）可印刷，成本低。由于银浆具有可印刷性，因此可实现大面积印制生产，相比于传统电流熔断器采用引线键合方式制备熔断体，具有明显的成本优势。

3）应用场合广泛。通过调节导电浆料组成，印刷熔断体的尺寸、印刷工艺等参数，能够精准地调节电流熔断器的熔断电流、响应速度、器件结构等，以实现不同场合的应用。

4）由于熔断单元为可方便印刷和加工的三维分形枝晶银粉-树脂复合体，因此，除了实现印刷熔断器的功能外，研究人员还开发出了垫片式熔断器和“橡皮泥”式熔断器（见图5），同样具有高灵敏度和廉价易得的技术特征。其中，垫片式熔断器可直接封装在18650电池底部，可实现对单个锂离子电池或电池组中单节电池的二次过流保护功能，为提高锂离子电池的安全性能提供了一种可行的方案。 而“橡皮泥”式熔断器，未来可应用于可拉伸电子器件的，具有塑性较好、可返工且具有自愈合功能的特点，安装和更换像“便利贴”一样极为简便。

未来，基于枝晶状银粉精确可控的“低温熔断”特性，不但可实现印刷熔断器的功能外，还有望在超细布线、温度开关等方面获得广泛应用，具有广阔的应用前景。

图4.（a）在新型的保险丝两端逐步增大电压，电流随之平缓上升，上升至1.4V时发生明显下降，说明保险丝已断开，同时可观察到在不同电压下银粉的SEM形貌变化；（b）在同样的串联电路条件下，对四种额定电流规格均为600mA保险丝进行熔断测试；与商业保险丝（2930L030与FGMB）相比，两种新型熔断体的熔断响应时间更短、熔断电流精确；（c）在负载不同程度的过载电流条件下，新型熔断体的熔断时间均比商业保险丝短。

图5.（a）新材料可轻松实现贴片式熔断器的制作；（b）相比于传统的玻璃管式电流熔断器，新材料有利于开发新颖的熔断器品种，例如垫片式的结构；（c）微型熔断器可直接通过印刷的方式大面积生产，从而降低成本；(d) 新型垫片式熔断器可应用在单个电芯的电流过载保护；（e）“橡皮泥”式熔断器可应用在柔性线路板中应用并非常易于更换。

文献链接：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）

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