電路保護器件中的利基市場
這篇文章對浪涌電阻排(surge resistor networks，也稱為“line feed resistors”或“LFR”)的市場、技術趨勢、終端用戶和主要制造商進行了評論。LFR是50億美元的全球電路保護元件市場的組成部分，其中不包括模塊和黑匣子市場，但包括過電壓和過電流保護元件的銷售額，過電壓保護元件是本文的內容重點。過電壓保護元件包括多種器件，如硅雪崩二極管、齊納二極管、晶閘管、金屬氧化物變阻器、氣體放電管、浪涌電阻排和緩沖器類型的電容器等。
這些器件保護電子電路不受瞬變現象的影響。負載切換，以及多觸點、雙絞線和同軸電纜上面的瞬間阻抗均可導致瞬變現象。電阻網絡包括傳統的厚膜釕氧化鋁(ruthenium on alumina)單阻值阻排；傳統的厚膜電阻/電容器網絡(RC)；多片狀電阻陣列，浪涌電阻排和集成無源器件(IPD)。本文的重點是浪涌電阻排(LFR)，這類元件一直被用于保護中心電話局中的話音與數據網絡的次級用戶線接口。
市場最新狀況
LFR主要用于電信基礎設施市場，因此，該市場需求的下滑嚴重打擊了LFR產業。這種需求下降始于2000年10月，一直持續到2004年，在此期間需求是逐月下滑。2005年朗訊科技、北電網絡、阿爾卡特、富士通、愛立信和諾基亞等主要電信基礎設施設備供應商所反映的情況差不多，都稱仍在受電信基礎設施設備銷售過多的影響。另一方面，思科在數據通訊網絡方面的業務繼續上升，顯示Web領域增長，以及市場對于無線，而不是固定線路安裝的興趣較大。
晶閘管和氣體放電管從電信領域獲得的收入與LFR相同，從這點來說它們是LFR的姐妹元件，它們從2001年開始也經歷了同樣的下滑局面。但是，晶閘管和氣體放電管在線電壓保護領域較為普遍，而LFR需求主要來自電信領域。因此，LFR在經濟蕭條期間受到了沉重打擊。還有一個因素加劇了LFR市場的下滑，即LFR尺寸較大(是為了符合Telcordia [BellCore 1089]規格)，其電阻層需要含有大量的鈀才能正常工作。這使得LFR非常昂貴，成為經濟低迷時期主要電信基礎設施廠商替換的頭號目標。
在2001年以后，朗訊科技在全面削減成本之后，它的設計工程師明顯在尋找能夠符合BellCore 1089規格的替代品。緊接著發生了兩件事。最大的LFR供應商MMC尋求被收購，后來被迫進行重組。2004年，MMC的資產最終被賣給了Bourns公司，而第二大LFR供應商C-Mac公司被旭電所收購。不過旭電也開始為其LTCC業務及LFR業務尋找買家，因為這些業務不符合旭電的EMS模式。
在2004年第四季度，以及2005年第三季度，我們聽說電信基礎設施領域對于LFR的需求增長，這實際上是非常積極的跡象。坦率地說，我們發現電信應用過電壓及過電流的600V認證產品銷售額比去年同期增長了40%。這些都是Telcordia規格對于上升時間和響應要求最為嚴格的元件，因此看來基礎設施技術在繼續發展，而且所需的元件最大程度地滿足了要求。另外值得指出的是，需求集中在600Vdc產品，進一步顯示需求限于北美自由貿易協定(NAFTA)地區，因為歐洲使用額定電壓為250V的元件。
浪涌電阻排的構成
浪涌電阻排主要由鈀+銀構成的厚膜電阻元件組成，而不是96%氧化鋁基板電阻排中常規厚膜所使用的釕和ruthenate pyrochlore基板。因為必須使用鈀以達到Telcordia規格對于抗雷擊和TCR(電阻溫度系數)的嚴格要求。基板主要是氧化鋁，封裝采用單列直插形式，具有2到10個電阻，每個電阻具有不同的阻值。浪涌電阻排廣泛用作電池驅動的集成電路和聯機卡中的周邊電路的次級保護器件。聯機卡用于數字話音和數據交換機之中。每個大型全球聯機卡供應商不是從商業市場采購這些器件，就是自己生產，因為它們的成本很高(平均單價為1美元)。
由于厚膜電阻網絡采用單列直插封裝設計，更適合取放設備，能夠提高終端用戶的成本效益，因此被普遍用于數字話音與數據交換機之中。目前有向表面貼裝方向發展的趨勢，之所以采用這種設計，是因為在遭到過電壓破壞時易于拆卸和更換。LFR的結構多種多樣，我注意到市場上最受歡迎的是八電阻配置LFR，它含有兩個隔離的325.6歐姆厚膜電阻，兩個3870歐姆厚膜電阻，兩個10萬歐姆電阻和兩個20萬歐姆電阻。這種流行的LFR配置還包含兩個溫度驅動的熱熔絲。其封裝是98%氧化鋁基底，采用12針引線框。這種器件還含有兩個額外的電路，以連接到電池供電的集成電路。這種設計還有許多變種，包含許多額外的功能和特點。
浪涌電阻排的“技術經濟學”
額定功率各不相同，但在我們對于所研究的每種LFR產品進行的分析中，75℃和25℃產品受到注意。LFR中的每個單獨的電阻都需要處理不同的額定功率，可能是0.25W或0.5W，也可能高達2.0W。當然，這方面也有多種變化，但我們注意到，這些要求對于市場中銷售的多數產品來說非常典型。但是，有些利用LFR產品的變種來滿足不同的要求，這被視為專門設計。
最流行的浪涌電阻排的典型最大耐壓是100、1,000和1,500V，對雷涌防護的要求是1,000Vpk或2,500Vpk。一般認為廠商難以達到這些Telcordia要求，因此這限制了競爭者的數量，并提高了該產業的價值。為了滿足這些最大電壓和快速上升時間的要求，對于TCR也有嚴格的要求，如網絡中的任何電阻需要達到±100ppm/oC，工作在-40℃和+85℃的溫度范圍內。但在有些較大的設計中，TCR沒有這么重要，規格也沒有這么苛刻。我們注意到，當用于PABX設備之中和用于電源保護時，對于LFR的要求明顯不太嚴格，因為有過多的電路保護層冗余。
對于TCR控制已經確定利用鍍金屬法來實現，大約是40%的銀(在39~44%之間就足夠了)，利用56~60%的鈀可以嚴格控制每平方英寸的電阻，所采用的鈀可以提供每平方英寸0.2~1.0歐姆的電阻。對于大于1.0歐姆/平方英寸的應用，必須采用比較傳統的金屬鍍層(即氧化釕)，對于小于0.2歐姆/平方英寸的應用，浪涌電阻排將需要在鍍層金屬中裝填玻璃，或者提高銀的含量，但是，這將在一定程度上犧牲低TCR的特點。
在浪涌電阻排中采用如此高的鈀裝填，以及較大的物理尺寸，使鈀成為這種設計的一個問題，因為鈀的價格向來波動劇烈。為了增強浪涌電阻排的性能，在電阻體上面加一層耐火玻璃。這種封裝確保產品在經過多次過電壓沖擊后仍能保持性能。這層釉還是良好的散熱器，幫助散發脈沖能量。它還能防止在強烈的脈沖作用下銀與鈀之間發生氧化。浪涌電阻排結構中的基板材料通常是96%氧化鋁合成物。
面向電信的浪涌應用的電阻網絡，都內置熱熔絲或者聚合物PTC熱敏電阻，以便終端用戶能夠根據額外電流產生的熱量斷定網絡什么時候經受住了一次電涌(基本與氣體管的方式一樣)。首選的熱熔絲主要是Raychem Polyswitch(大約85%的浪涌電阻排采用Raychem Polyswitch，這是一種聚合體熱敏電阻)，但Bourns、Polytronics和Fuzetech等設計的其它產品也得到采用。其它產品也可單獨購買，與浪涌電阻排配合使用，采用Tepro設計或IRC圓柱設計。一般而言，熱熔絲必須在177oC激活，變化范圍為±4oC。
浪涌電阻排還與氣體放電管及晶閘管半導體技術有密切關系。氣體管被普遍用于電信線卡的初級保護，應用場合包括電信的服務入口、為住宅和企業提供有線電視的臺級連接。中心局級晶閘管和氣體管技術已被垂直整合成手持插入式模塊，被模壓在塑料之中以便于取放操作。氣體管在全球各地的站級應用中很流行。晶閘管模塊則在美國、以色列和日本較受歡迎。
替代性技術和方案
我們注意到兩種替代性方案，第一種是利用日本Shoei Electronic Materials生產的電阻膏，它引入了一種基于非貴金屬的電阻系統，據稱可以滿足嚴格的Telcordia規格。該系統基于銅，因此除了原料成本(在這種情況下，銅的價格比鈀便宜得多)以外，它的價格應該取決于與粉末沉積和制造膏相關的成本。其它替代性方案還包括英國TT Group的子公司IRC Corporation所擁有的一種面向LFR應用的鎳鉻電阻，以及美國Tepro為T1線卡產品生產的繞線電阻。兩種設計都是圓柱形的，都很堅固，能夠達到Telcordia的要求。繼電信產業在2001年下滑之后，電信基礎設施設備制造商要求聚合體PTC熔絲廠商提出一種替代性解決方案，不需要利用LFR實現過電壓保護。
面向次級線卡的合理的解決方案是在一個單一的模塊或設計中提供過電壓和過電流保護，而且模塊的價格應該低于單獨的分立元件。同時采用LTCC和FR4模塊化的設計將采納此類技術。FR4便于引入晶閘管技術，從而可節省大筆成本。但是，聚合體PTC和LFR功能必須是單獨的元件。而且LFR的物理尺寸也首先限制了使用FR4模塊化的好處。與之相對的是采用LTCC的方案更有意義，因為有可以共燒的相似的金屬和陶瓷。
因此，將來可能利用LTCC模塊技術實現模塊化電路設計解決方案，以滿足Telcordia/BellCore(1089)要求，而且其價格將低于所有分別購買的單獨元件。這對于LTCC設計人員來說是很有吸引力的價格點，因為他們相信能夠利用多個分層設計來實現這種設計。過去的一年，對于用于用戶線接口卡上的所有電路保護元件的需求似乎都在增長，其中包括LFR、PPTC熱敏電阻和晶閘管，以及相關的氣體放電管。雖然增長是很好的跡象，但遠低于2000年的銷售額規模，而且五年來銷售額沒有太大的起色，增幅小得令人吃驚。