Les normes de sécurité internationales pour les produits électroniques imposent une protection secondaire contre les surintensités. Cela concerne autant les produits basse tension alimentés par une batterie que ceux raccordés au secteur, comme les alimentations et les chargeurs de batterie. Les sous-ensembles d'affichage et de stockage embarqués, tels que les écrans TFT-LCD ou les disques durs 2,5", doivent également être protégés contre les surintensités qui risqueraient de les endommager.

Cette protection est notamment cruciale dans un pack batterie, où toute surintensité résultant d'un défaut peut être préjudiciable à l'équipement et dangereuse pour l'utilisateur. S'ils sont chargés au-delà de la tension maximale recommandée par le fabricant, les accumulateurs au lithium-ion ou au lithium polymère sont en effet sujets à l'emballement thermique. Ils sont aussi susceptibles de prendre feu, voire d'exploser.

En outre, les batteries que l'on trouve dans un grand nombre de produits grand public sont vulnérables aux courts-circuits. Ces derniers se traduisent par une surchauffe. Dans un tel scénario, des courants jusqu'à 50 A exposent les utilisateurs à des risques de brûlure ou d'explosion.

Un circuit électronique de contrôle de charge assure la protection primaire contre la surcharge. Malgré cela, une protection secondaire est aussi requise dans l'hypothèse où la protection primaire serait prise en défaut, ou dans le cas d'un court-circuit.

Cette protection secondaire peut prendre la forme d'un fusible réarmable, comme une résistance PPTC (polymère à coefficient de température positif). Quand l'alimentation disparaît et que les conditions sont redevenues normales, le composant reprend automatiquement son état initial.

Cette particularité des résistances PPTC sert principalement à protéger les circuits électroniques contre les mauvaises manipulations des utilisateurs. En particulier, elles sont couramment utilisées pour la protection des ports USB. Toutefois, le déclenchement de la protection secondaire suite à un court-circuit est symptomatique d'un défaut majeur de l'électronique. Ce dernier doit être identifié et corrigé avant toute nouvelle utilisation de l'équipement. Cette tâche n'est parfois pas réalisable dans beaucoup de produits grand public. Ajoutons également qu'un composant réarmable a tendance à être un peu plus volumineux que son alter ego à usage unique. Pour ces diverses raisons, un fusible à déclenchement unique ou « jetable » est encore souvent le choix préférentiel pour la protection secondaire des produits grand public alimentés sur batterie. La figure 1 montre un circuit de contrôle de charge typique, avec la protection au secondaire par fusible, d'un pack batterie destiné à un téléphone cellulaire 3G.

Les fusibles conventionnels en boîtier CMS standard constituent une solution compacte. Leurs avantages résident dans leur robustesse, leur pouvoir de coupure élevé, un courant nominal jusqu'à 15 A. Leur mise en action peut par ailleurs être rapide ou retardée. De tels fusibles s'adressent à un large éventail d'applications, y compris la protection contre les surintensités dans les lignes d'alimentation. Cependant, des limitations techniques les empêchent de descendre sous le format 2410. Or, les concepteurs faisant face à des contraintes d'encombrement très strictes exigent des fusibles bien moins encombrants.

Sous forme de pavés (chips), les fusibles fabriqués selon des technologies film ou de métallisation sont caractérisés par des empreintes réduites sur la carte. Ces composants sont aujourd'hui très répandus dans les tailles de boîtiers 1206 (3,2 x 1,6 mm), 0603 (1,6 x 0,8 mm) et même 0402 (1 x 0,5 mm). Toutefois, la stabilité à long terme de leurs caractéristiques est fortement dépendante de la nature du matériau ohmique utilisé, ainsi que de la précision du processus de fabrication. Les concepteurs veulent être assurés que le fusible remplira son office de coupe-circuit dans le délai prévu. Et ce quel que soit l'instant, en début ou en fin de vie d'un produit, où se produira une surintensité.

Les CEI 60127-4 et UL 248-14 (Underwriters Laboratory) sont les deux principales normes internationales s'appliquant aux coupe-circuits miniatures. Cela inclut les fusibles et les chips pour le montage en surface. Le feuillet 2 de la CEI 60127-4 définit les composants CMS dont la tension nominale est de 12,5 V, 25 V, 32 V, 50 V, 63 V, 125 V ou 250 V, en fonction de la distance minimale entre les contacts. Selon leur temps d'ouverture, la norme classe les fusibles en quatre grandes catégories. Ainsi, les fusibles sont dits ultrarapides (type FF), rapides (type F), retardés (type T) ou très retardés (type TT). Les durées de préarc, à dix fois la valeur du courant nominal, sont les suivantes :

les fusibles de type FF doivent couper en moins de 0,001 s,

les fusibles de type F doivent couper en 0,001 à 0,01 s,

les fusibles de type T doivent couper en 0,01 à 0,1 s,

les fusibles de type TT doivent couper en 0,1 à 1 s.

Aux niveaux de courants inférieurs, les temps de réaction spécifiés dans la CEI 60127-4 sont plus longs. Par exemple, à 1,25 fois le courant nominal, le fusible ne doit pas s'ouvrir dans un délai d'une heure après 100 cycles d'exposition au courant maximal. A deux fois le courant nominal, le temps de réaction ne doit pas excéder deux minutes.

En ce qui concerne la norme UL 248-14, les tests sur les fusibles et les microfusibles (au format pavé) sont effectués à 100 % et à 200 % de la valeur du courant nominal. A 100 %, le fusible doit afficher un comportement stable (sans s'ouvrir) dans le cas d'une élévation de la température n'excédant pas 75 K.

Lors de cette procédure, aucun temps maximal n'est précisé par la norme. En fonction du type de fusible, la plupart des fabricants spécifient un temps d'ouverture d'au moins quatre heures seulement. Le fusible doit s'ouvrir à 200 % du courant nominal dans un délai de deux minutes, pour des intensités jusqu'à 30 A.

Les normes UL et CEI incluent également des tests d'endurance pour la conformité des fusibles. En particulier, la CEI 60127-4 impose 100 cycles d'exposition au courant nominal, à une température ambiante de 23°C, puis à 1,25 fois le courant nominal pendant une durée d'une heure. A l'issue de ce cycle, le fusible ne doit montrer aucun signe évident de dommage. Par ailleurs, toute augmentation éventuelle de la chute de tension restera inférieure à 10 % de la valeur mesurée avant le test.

La dissipation pendant l'exposition à 1,25 fois le courant nominal est également sujette à des limites données. Ainsi, la température de la liaison fusible ne doit pas s'élever de façon excessive. En l'occurrence pas au-delà de 85 K aux bornes du fusible.

Les fusibles assurant la protection secondaire se comportent pratiquement comme des éléments transparents pendant toute leur vie. Ils se contenteront de conduire le courant normalement et de réagir en cas de surintensité. Les tests de résistance imposés par les normes CEI et UL assurent, dans une certaine mesure, que leur fonctionnement sera celui espéré. Cependant, aucune publication normative n'impose de contrainte de stabilité dans le temps. Pourtant, il semble légitime que les concepteurs aient l'assurance que le fusible remplira sa mission de coupe-circuit durant toute son existence, dans les conditions décrites dans sa feuille de spécifications.

Les fusibles pavés sont typiquement fabriqués sur des substrats en époxy de type FR4. Les propriétés de ces derniers sont bien connues, grâce à l'expérience acquise dans le domaine des circuits imprimés.

En particulier, ils sont sensibles à l'humidité et présentent un risque de carbonisation à température élevée. De ce fait, les fusibles actuels privilégient plutôt l'usage d'un matériau céramique. L'élément conducteur peut être déposé par métallisation ou pulvérisation d'une couche chargée d'argent ou à base d'un alliage de cuivre. Les éléments à couches épaisses, déposés par simple sérigraphie puis ajustés au laser, ne permettent pas d'obtenir un contrôle précis des dimensions du fusible. Du fait des très petites coupes au laser ne dépassant pas 20 µm, les fusibles présentent un risque de court-circuit après une première ouverture.

Par ailleurs, la structure cristalline homogène de la couche métallique a une influence importante sur la stabilité à long terme du chip. Des facteurs tels que la dissipation thermique, les températures externes élevées et les cyclages thermiques sont susceptibles de provoquer des changements de cette structure. A terme, il y a un risque que le fusible ne soit plus un coupe-circuit, dans les conditions de courant et de temps d'exposition pour lesquelles il a été spécifié. Pour améliorer le contrôle de la structure cristalline de l'élément fusible, mais aussi de ses caractéristiques ohmiques afin de réduire le plus possible sa résistance, Vishay Beyschlag a opté pour un procédé de pulvérisation jusqu'ici réservé à la fabrication des pavés résistifs à couches minces de précision, destinés à un usage professionnel.

Cette similarité entre les procédés de fabrication des résistances et des fusibles est avantageuse. En effet, ces deux familles de composants partagent ainsi les mêmes infrastructures de production, facilitant de la sorte la fabrication de fusibles aux formats 1206, 0805, 0603 et 0402.

Vishay a recours à ces technologies de fabrication et de conditionnement pour sa série de fusibles MFU. Les dimensions et l'épaisseur obtenues sont réduites, tandis que les spécifications CEI relatives aux fusibles ultra-rapides sont satisfaites.

Les membres de la série MFU (figure 2) sont disponibles en boîtier CMS standard 0402, pour un courant nominal s'échelonnant entre 0,5 et 20 A et une tension de 32 V, en boîtiers 0603 et 0805 (0,5 à 5 A, 32 V), ainsi qu'en boîtiers 1206 (0,5 à 6,3 A, 63 V). Comme ils répondent également aux exigences des normes UL, le concepteur n'a besoin de spécifier qu'une seule référence, quelle que soit la région géographique à laquelle la protection secondaire est destinée. Ce qui réduit par là même les coûts d'achat, de logistique, de production et d'approvisionnement des pièces de rechange.

De surcroît, ces fusibles étant fabriqués selon les mêmes procédés et avec les mêmes équipements que les résistances à couche mince de précision, ils satisfont eux aussi aux normes CEI 60068 sur les essais d'environnement. Il s'agit notamment, de la CEI 60068-2-78 (Cab) sur l'aptitude des composants évoluant dans des conditions de forte humidité (taux d'humidité relative de 93 %), à une température constante de 40°C et sur une période prescrite de 56 jours.

Quant à la CEI 60068-2-14 (Na) et à la CEI 60068-2-6 (Fc), elles sont relatives aux essais de variations rapides de température et de résistance aux vibrations pendant une durée de 6 h. A l'issue de chacun de ces tests, la variation de la résistance doit être dans les limites de 10 % de la valeur nominale à froid du fusible. Ce qui donne une assurance supplémentaire de stabilité opérationnelle, à un prix économique.