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DE4222278C1 - Verfahren zur Herstellung elektrischer Dickschichtsicherungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung elektrischer Dickschichtsicherungen

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DE4222278C1
DE4222278C1 DE4222278A DE4222278A DE4222278C1 DE 4222278 C1 DE4222278 C1 DE 4222278C1 DE 4222278 A DE4222278 A DE 4222278A DE 4222278 A DE4222278 A DE 4222278A DE 4222278 C1 DE4222278 C1 DE 4222278C1
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DE
Germany
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web
resistance
electrodes
thick
layer
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DE4222278A
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English (en)
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Egon Dr Thiel
Theo Dr Grieb
Konrad Walch
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Vishay Electronic GmbH
Original Assignee
ROEDERSTEIN KONDENSATOREN
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Publication date
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Dickschichtsicherungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Dickschichtsicherungen unterscheiden sich von den herkömmlichen Drahtsicherungen in erster Linie dadurch, daß der drahtförmige Schmelzleiter durch einen Dickschichtschmelzleiter ersetzt ist. Die Funktionsweise einer solchen Sicherung besteht auch weiterhin darin, bei einem Kurzschluß oder bei definierten Überstrombelastungen für eine galvanische Trennung zu sorgen.
Problematisch bei der Herstellung solcher Dickschichtsicherungen ist zunächst die Einhaltung der hinsichtlich der Sicherungscharakteristika vorgegebenen Toleranzen, wobei erschwerend hinzukommt, daß das tatsächliche Sicherungsverhalten nur dann unnmittelbar an einer jeweiligen Dickschichtsicherung überprüfbar ist, wenn deren Zerstörung in Kauf genommen wird. Zudem sind die jeweils erzielten Sicherungscharakteristika in hohem Maße insbesondere von der Schichtdickenstreuung sowie der hinsichtlich der Breite des Dickschichtschmelzleiters auftretenden Streuungen abhängig. Die Einhaltung reproduzierbarer Sicherungscharakteristika ist demnach insbesondere dann nicht mehr ohne weiteres möglich, wenn kleinere Sicherungsstrukturen realisiert werden sollen.
Ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Dickschichtsicherungen der eingangs genannten Art ist aus dem DE 89 08 139 U1 bekannt. Darin wird ein Sicherungselement als Bauelement in Dickschichttechnik mit bevorzugt im Siebdruckverfahren auf einen Träger (Substrat) aufgedruckten Leiterbahnstrukturen beschrieben, bei dem als Sicherungselement ein auf den Träger aufgedruckter Widerstand aus in Glasfritte gebundenen Metalloxyden dient. Dieser Widerstand befindet sich in elektrischem Kontakt mit zumindest zwei Leiterbahnen, wobei der Widerstand sich mit den Leiterbahnen überlappt.
Auf diese Weise wird ein Sicherungselement für geringe Ströme geschaffen, das eine kurze Reaktionszeit besitzt und die Umgebung wärmemäßig nicht wesentlich beeinflußt, da bei diesen Widerständen schon bei relativen geringen Temperaturerhöhungen die Metalloxyde an den Übergängen an ihren Korngrenzen zerstört werden, so daß der Leitungsmechanismus unterbrochen wird.
Weiterhin ist es aus dieser Druckschrift bekannt, zur Erhöhung des Widerstandswertes beispielsweise durch Laserbearbeitung eine geometrische Verengung des Widerstandes vorzunehmen.
Schließlich ist es allgemein bekannt, daß die Sicherungscharakteristik von der Bretie der Verengung (Steg) abhängig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß vorgebbare Sicherungscharakteristika auf einfache sowie beliebig reproduzierbare Weise innerhalb eines möglichst engen Toleranzbereiches realisierbar sind.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.
Nachdem die Stegbreite durch Lasern eingestellt wird, sind die jeweiligen Sicherungscharakteristika auch für relativ kleine Stegbreiten sehr exakt reproduzierbar. Durch das Lasern ist in jedem Falle eine präzise Strukturierung oder Formgebung des zwischen den beiden Elektroden liegenden Abschnitten der Widerstandsschicht möglich. Aufgrund der zwischen dem Substrat und der Widerstandsschicht zweckmäßigerweise vorgesehenen dielektrischen Zwischenschicht oder -schichten wird die störende Wärmeableitung zum Substrat hin wesentlich herabgesetzt, wobei infolge der nunmehr gegebenen flächenhaften Ableitung der Abwärme aus dem Sicherungssteg für die Sicherungscharakteristika, wie insbesondere das Strom/Zeit-Verhalten, in erster Linie die Stegbreite maßgeblich ist. Aufgrund der in überlappender Weise auf das dielektrische Podest aufgebrachten Widerstandsschicht sind die jeweiligen Dickenschwankungen zumindest im interessierenden Bereich zwischen den beiden Elektroden auf ein Minimum herabgesetzt. Dadurch, daß die Elektroden vorzugsweise auf die Widerstandsschicht aufgebracht sind, haben diese Elektroden keinerlei Einfluß auf die Herstellung dieser Schicht, wodurch die Erzielung eines möglichst gleichmäßigen Flächenwiderstandes zusätzlich erleichtert wird.
Die Widerstandsschicht und/oder die dielektrische Schicht oder die bzw. dielektrischen Schichten (Zwischenschichten) werden vorzugsweise im Siebdruckverfahren aufgebracht, wobei beim Aufbringen der Widerstandsschicht das Sieb auf dem dielektrischen Podest aufliegt, so daß sich praktisch dieselben Kräfteverhältnisse wie beim Drucken großer Flächen in deren Innenbereich einstellen. Nachdem die Elektrodenenachträglich auf die Widerstandsschicht aufgebracht werden, sind durch diese bedingte Störungen des Rakel-Druckes in jedem Falle ausgeschlossen.
Zur Herstellung des Steges sind im einfachsten Fall zwei auf einer gemeinsamen Geraden liegende Laserschnitte durchzuführen. Um jedoch in Richtung des Elektrodenabstandes ein Mindestmaß an Ausprägung des Steges zu erhalten, was durch einen einfachen Laserschnitt nicht in jedem Falle gegeben ist, wird der betreffende Laser vorzugsweise über eine entsprechende Strecke hinweg auch in Längsrichtung des Steges verfahren und anschließend unter Bildung enes U-förmigen Schnittes zweckmäßigerweise parallel zum ersten Schritt zurückgeführt. Ein solcher U-förmiger Laserschnitt kann wiederum auf beiden Stegseiten erfolgen, wobei die Steglänge von der in Stegrichtung erfolgten Verschiebung des Lasers sowie von der Laserspurbreite abhängt.
Bei einer besonders einfach durchzuführenden Variante des Verfahrens wird die durch Lasern der Widerstandsschicht erhaltene Stegbreite unmittelbar auf einen im voraus bestimmten Breitenwert eingestellt. Demnach ist eine absolute Strahlpositionierung vorgesehen, was beispielsweise durch einen geschlossenen Regelkreis realisierbar ist, dem der betreffende Sollwert für die Stegbreite vorgegeben wird. Hierbei wird der Flächenwiderstand der Widerstandsschicht im Stegbereich als konstant vorausgesetzt. Diese Variante ist insbesondere für größere Stegbreiten geeignet, die beispielsweise oberhalb 80 µm liegen.
Insbesondere für mittlere Stegbreiten, wie beispielsweise solche bis etwa 40 µm, erfolgt die Einstellung der durch Lasern der Widerstandsschicht erhaltenen Stegbreite zweckmäßigerweise über einen Widerstandsabgleich der Dickschichtsicherung. Es können somit beispielsweise Abgleichlaser mit direkten Regelungen für konstante Widerstände verwendet werden. Der Zielwert für den Widerstand kann entweder im voraus berechnet oder auch durch Versuche ermittelt werden.
Insbesondere für kleinere Stegbreiten wird die einzustellende Stegbreite und/oder der sich für diese ergebende Zielwiderstand einer jeweiligen Dickschichtsicherung vorzugsweise in Abhängigkeit vom für den Widerstandsschichtbereich zwischen den Elektroden gemessenen Flächenwiderstand bestimmt. Dieser kann während der Herstellung des Sicherungssteges beispielsweise dadurch ermittelt werden, daß die sich für unterschiedliche anfängliche Stegbreiten ergebenden Widerstände der jeweiligen Dickschichtsicherung gemessen werden und der Flächenwiderstand des zwischen den Elektroden verbleibenden Widerstandsschichtbereiches in Abhängigkeit von den anfänglichen unterschiedlichen Stegbreiten und den zugeordneten Widerstandsmeßwerten bestimmt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigt
Fig. 1 eine schematische Teilschnittdarstellung des Grundaufbaus einer Dickschichtsicherung,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Dickschichtsicherung, wobei der zwischen den beiden Elektroden vorzusehende Sicherungssteg noch nicht realisiert ist,
Fig. 3 eine schematische Draufsicht eines durch seitliche Laserschnitte erhaltenen Sicherungssteges der Widerstandsschicht,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Stegbereiches,
Fig. 5 ein Strom/Zeit-Diagramm zur Darstellung der betreffenden Sicherungscharakteristika in Abhängigkeit von der Stegbreite,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die unsymmetrische Minimalanordnung zur Ermittlung des Flächenwiderstandes mit eingezeichnetem Laser-Verfahrweg,
Fig. 7 eine rein schematische Darstellung der Schnittlinien bzw. Laser-Verfahrwege, wie sie sich für eine RF-Bestimmung gemäß Fig. 6 sowie die darauffolgende Herstellung des Sicherungssteges gemäß Fig. 3 ergeben, wobei abweichend von der Ausführungsform gemäß Fig. 6 jedoch eine symmetrische Ausführung der Schnitte gewählt wurde, und
Fig. 8 eine Draufsicht der Dickschichtsicherung entsprechend den Fig. 2 und 7, wobei durch eine entsprechende Laserstrukturierung bereits ein Sicherungssteg realisiert ist, dessen Stegbreite in Abhängigkeit von dem zuvor ermittelten Flächenwiderstand eingestellt wurde.
Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten grundsätzlichen Aufbau einer Dickschichtssicherung 10 kann auf einem Substrat 12 podestartig zweckmäßigerweise eine dieelektrische Schicht Podest 22 aufgebracht sein. Im vorliegenden Fall ist eine weitere darunterliegende dielektrische Schicht 20 vorgesehen.
Über dem dielektrischen Podest 22 ist eine dieses großflächig überlappende Widerstandsschicht 24 angeordnet. Auf diese Widerstandsschicht 24 sind zwei einen Abstand de voneinander aufweisende Elektroden 14, 16 aufgebracht. Beide Elektroden 14, 16 sowie der benachbarte Bereich B der Widerstandsschicht 24 (vgl. z. B. Fig. 2 und 8) einschließlich des zwischen diesen Elektroden 14, 16 liegenden Widerstandsbereiches 24 liegen oberhalb des dielektrischen Podestes 22.
Beim fertiggestellten Dickschichtwiderstand 10 ist zwischen den beiden Elektroden 14, 16, und damit in einem Bereich oberhalb des dielektrischen Podestes 22 ein den Dickschichtschmelzleiter bildender Sicherungssteg 26 der Widerstandsschicht 24 belassen (vgl. z. B. Fig. 3, 4, 7 und 8).
Der zwischen den beiden Elektroden 14, 16 liegende Sicherungssteg (Steg) 26 kann eine Länge (Steglänge) 1 aufweisen, die zumindest im wesentlichen dem Abstand d der beiden Elektroden 14, 16 entspricht (vgl. z. B. Fig. 3, 4). Diese Steglänge l kann jedoch auch geringer als dieser Elektrodenabstand d sein, wie dies beispielsweise beim in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Zur Herstellung einer solchen elektrischen Dickschichtsicherung 10 wird zunächst die dielektrische Schicht 20, und anschließend nach Art eines Podestes die dielektrische Schicht 22 aufgebracht. Grundsätzlich genügt jedoch auch eine einzige derartige Schicht 22, wobei bei größeren Auslöseströmen auf eine solche Schicht 22 sogar völlig verzichtet werden kann.
Anschließend wird durch Aufdrucken einer leitfähigen Paste die das dielektrische Podest 22 großflächig überlappende Widerstandsschicht 24 erzeugt.
Auf diese Widerstandsschicht 24 werden dann die beiden Leitungen oder Elektroden 14, 16 aufgebracht, wobei zwischen diesen beiden Elektroden 14, 16 oberhalb des dielektrischen Podestes 22 der Abstand de belassen wird.
Die beiden dielektrischen Schichten 20, 22 sowie die diese großflächig überlappende Widerstandsschicht 24 werden jeweils im Siebdruckverfahren hergestellt.
Die quer zum Abstand de der Elektroden 14, 16 gemessene Stegbreite (Breite) bSt (vgl. Fig. 3, 4, 7 und 8) des zwischen den Elektroden 14, 16 belassenen, den Dickschichtschmelzleiter bildenden Steges 26 der Widerstandsschicht 24 wird durch Lasern eingestellt. Hierbei wird die Widerstandsschicht 24 durch entsprechende Laserschnitte oder -cuts, die in den Fig. 3, 6 und 7 durch strichlinierte Pfade dargestellt sind, auf eine noch zu beschreibende Weise strukturiert.
Bei der Durchführung dieser Laserschnitte kann die Stegbreite bSt beispielsweise unmittelbar auf einen im voraus bestimmten Bretienwert eingestellt werden (vgl. z. B. Fig. 3, 4).
Die Einstellung der durch Lasern der Widerstandsschicht 24 erhaltenen Stegbreite bSt kann jedoch auch über einen Widerstandsabgleich der Dicksichtsicherung 10 erfolgen.
Schließlich kann die einzustellende Stegbreite bSt und/oder der sich für diese ergebende Zielwiderstand RZ einer jeweiligen Dickschichtsicherung 10 auch in Abhängigkeit von dem für den Widerstandsschichtbereich zwischen den Elektroden 14, 16 gemessenen Flächenwiderstand RF bestimmt werden (vgl. z. B. Fig. 6 bis 8).
Gemäß den Fig. 6 bis 8 ist hierbei beispielsweise vorgesehen, zur Ermittlung des Flächenwiderstandes RF die sich für unterschiedliche anfängliche Stegbreiten bSt ergebenden Widerstände der Dickschichtsicherung 10 zu messen und den Flächenwiderstand RF des zwischen den Elektroden 14, 16 verbleibenden Widerstandsschichtbereiches 24 in Abhängigkeit von den anfänglichen unterschiedlichen Stegbreiten bSt oder den entsprechenden Laserverfahrwegen sowie den zugeordneten Widerstandsmeßwerten zu bestimmen. Beim in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzen ferner die zur Bestimmung des Flächenwiderstands RF anfänglich erzeugten Stege eine größere Länge als der endgültige, den Dickschichtschmelzleiter 26 bildende Steg.
Die miteinander ausgerichteten Elektroden 14, 16 besitzen dieselbe definierte Geometrie, d. h. insbesondere dieselbe Breite und einen konstanten Abstand de bewirkende, parallel zueinander verlaufende Längskanten. Durch die dargestellte Form der Elektroden 14, 16 ist insbesondere auch sichergestellt, daß zum Zeitpunkt der Vornahme einer Laserstrukturierung innerhalb des Flächenbereichs, in dem der Sicherungssteg 26 realisiert werden soll, eine möglichst homogene elektrische Feldstärke erzeugt werden kann.
Die eingangs genannten Verfahrensschritte der Einstellung einer konstanten Stegbreite bSt durch eine absolute Positionierung des Laserstrahles, einer Einstellung eines konstanten Stegwiderstandes sowie einer Einstellung einer individuellen Stegbreite bSt, die in Abhängigkeit vom lokalen Flächenwiderstand RF im Bereich des herzustellenden Sicherungssteges 26 berechnet wird, können auch miteinander kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, durch eine Absolutpositionierung des Laserstrahles die Startwerte für die beiden anderen Verfahrensschritte einzustellen.
Um während der Laserstrukturierung ein tropfenartiges Aufschmelzen der Pasten im Stegbereich zu vermeiden, werden die Laserschnitte zweckmäßigerweise in Teilschnitte aufgeteilt, zwischen denen jeweils eine bestimmte Zeit lang abgewartet und der Laser abgeschaltet wird.
Bei den gezeigten Dickschichtsicherungen 10 ist die Auslösezeit nicht von der Steglänge l abhängig. Maßgeblich für die interessierenden Sicherungscharakteristika ist in erster Linie das Strom/Zeit-Verhalten, welches vorrangig durch die Stegbreite bSt bestimmt ist.
Dies ergibt sich beispielsweise aus der folgenden Energiebilanz
QE=QN+QA,
wobei QE die in die Sicherung eingespeiste elektrische Energie beschreibt, die sich in die Nutzenergie QN, die zum Aufheizen des Sicherungssteges 26 bis auf die Schmelztemperatur TS sowie das anschließende Aufschmelzen erforderlich ist, sowie die Abwärme (abfließende Wärmeenergie) QA aufteilt, die während dieser Zeit zu dem aus Keramik bestehenden Substrat 12 hin abfließt.
Unterhalb einer kritischen Auslösestromstärke I₀ kann sich ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten elektrischen Energie QE und der abfließenden Wärmeenergie QA einstellen. Erst bei Stromwerten I<I₀ wird die Schmelztemperatur TS des Sicherungssteges 26 erreicht, bei der dieser aufschmelzen kann, wodurch die galvanische Trennung eintritt.
Die Auslösezeit t ergibt sich aus folgender Beziehung:
bSt=Stegbreite
d=Dicke der Widerstandsschicht
A=Materialkonstante
ρR=spezifischer Widerstand (Pastenwiderstand)
I=Strom
B=Materialkonstante
Für die einzustellende Stegbreite bSt ergibt sich somit die folgende Beziehung:
Im allgemeinen wird für die Dickschichtsicherung 10 eine möglichst niederohmige Anordnung bevorzugt. Die für entsprechend kleine Auslöseströme I₀ erforderlichen kleinen Strukturen können durch entsprechende Laserschnitte relativ präzise hergestellt werden.
Die einfachst mögliche Sicherungsstruktur würde aus zwei auf einer Geraden aufeinander zulaufenden Laserschnitten bestehen. Um eventuelle Streuungen der Auslösezeit t aufgrund undefinierter Stegbreiten bSt auszuschließen, ist zweckmäßigerweise jedoch ein Mindestmaß an Ausprägung des Steges 26 in Richtung des Abstandes de der Elektroden 14, 16 vorgesehen, was gemäß Fig. 3 beispielsweise dadurch erreicht wird, daß in Y-Richtung bzw. in Richtung des Abstandes de der Elektroden 14, 16 der Laser vorzugsweise um die zweifache Laserspurbreite verschoben wird. Der Sicherungssteg 26 wird demnach durch auf den beiden Seiten vorgenommene U-förmige Laserschnitte erzeugt, wobei die Steglänge 1 durch die Y-Verschiebung sowie die Laserspurbreite bestimmt ist. Durch die Stegverlängerung ist unter anderem auch eine zuverlässige galvanische Trennung nach dem Aufschmelzen sichergestellt.
Entsprechend der oben angegebenen Beziehung ist die Auslösezeit t von der Schichtdicke d und dem spezifischen Pastenwiderstand ρR des Sicherungssteges 26 abhängig. Diese Werte müssen demnach entweder als konstant vorausgesetzt oder individuell für jeden einzelnen Steg 26 ermittelt werden.
Im Falle einer individuellen Bestimmung der genannten Größen für jeden einzelnen Steg 26 können diese beispielsweise indirekt über eine Meßgröße erhalten werden, die sowohl Informationen über die Schichtdicke d als auch solche über den spezifischen Widerstand ρR umfaßt. Hierbei kommt insbesondere der Flächenwiderstand RF in Frage, der durch die folgende Beziehung definiert ist:
wobei l und b₁ jeweils konstant sind.
Während die Auslösezeit t sowohl von der Materialkonstanten A als auch der Konstanten B abhängig ist, ist der Auslösestrom I₀ lediglich von einer dieser beiden Konstanten, und zwar von der Konstanten B abhängig. Dies ergibt sich aus der folgenden Beziehung.
Aufgrund dieser beziehung ist es möglich, den Auslösestrom I₀ unabhängig von jeweiligen Schwankungen des spezifischen Pastenwiderstandes ρR und der Schichtdicke d konstant zu halten.
Die jeweiligen Sicherungscharakteristika und hierbei insbesondere das jeweilige Strom/Zeit-Verhalten der Dickschichtsicherung 10 sind nun auf verschiedene Weise einstellbar. So können beispielsweise eine konstante Stegbreite bSt, ein konstanter Stegwiderstand oder ein konstanter Auslösestrom I₀ eingestellt werden.
In Fig. 3 sind gestrichelt beispielsweise die Fahrwege eines Lasers dargestellt, die sich bei einer absoluten Strahlpositionierung zur Einstellung einer konstanten Stegbreite bSt ergeben. Diese wird durch zwei seitliche, U- förmige Laserschnitte erzielt, wobei der Laser wiederum auch in Y-Richtung verschoben wird, um das für eine definierte Stegbreite bSt erforderliche Mindestmaß an Stegausprägung zu erhalten.
Bevor die konstante Stegbreite bSt durch eine entsprechende absolute Strahlpositionierung eingestellt wird, wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Stegbreite bSt im voraus einmalig bestimmt. Dies kann beispielsweise durch Versuche geschehen oder durch eine Berechnung ausgehend von einem gewünschten Auslösestrom I₀, einem als konstant vorausgesetzten Flächenwiderstand RF sowie der ebenfalls als bekannt vorausgesetzten Konstanten B. Aufgrund der Erzeugung einer das dielektrische Podest 22 überlappenden Widerstandschicht 24 kann zumindest im interessierenden Stegbereich der Pasten-Flächenwiderstand RF problemlos auf einem nahezu konstanten Wert gehalten werden.
Bei dieser Einstellung einer konstanten Stegbreite bSt durch eine absolute Strahlpositionierung wird ferner vorausgesetzt, daß die Schichtdicke d (vgl. z. B. Fig. 4) weder innerhalb des Substratnutzens noch innerhalb einer Druckcharge variiert. Zwischen verschiedenen Druckchargen sollten möglichst auch keine Schwankungen des Pasten-Flächenwiderstandes RF sowie des Druckverhaltens auftreten.
In Fig. 5 ist das typische Strom/Zeit-Verhalten der Dickschichtsicherung 10 in Abhängigkeit von der jeweiligen Stegbreite bSt dargestellt, wobei die Auslöseströme I₀ jeweils durch die vertikalen Abschnitte der verschiedenen Kurven definiert sind.
Dargestellt ist die Schmelzdauer oder Auslösezeit t als Funktion des Überstromes. Hierbei verläuft die jeweilige Charakteristik in einem ersten Bereich bei kleinen Fehlerströmen und großer Schmelzdauer fast senkrecht zur Stromachse. In diesem Bereich führen bereits kleinste Stromänderungen zu einer relativen großen Variation der Schmelzdauer. In einem zweiten Bereich sind die jeweiligen Kurven stark gekrümmt. Anschließend gehen diese Kurven in einem dritten Bereich in eine Horizontale über. Der Grund dafür besteht unter anderem darin, daß in diesem dritten Bereich die Wärmeableitung an die Umgebung vernachlässigt werden kann.
Anhand von Fig. 6 ist erkennbar, wie der Laser verfahren werden muß, um für eine jeweilige Dickschichtsicherung 10 den individuellen Flächenwiderstand RF des Stegbereiches zu bestimmen.
Hierbei wird der Laser zunächst soweit verfahren, daß sich eine anfängliche Stegbreite b ergibt. Für diese anfängliche Stegbreite b wird der Gesamtwiderstand R₁ der Gesamtanordnung gemessen. Anschließend wird ein weiterer Laserschnitt durchgeführt, wonach die Stegbreite b₁ erhalten wird, für die ebenfalls wiederum der Gesamtwiderstand R₂ der Anordnung gemessen wird. Die Spurbreite des Lasers ist BSp.
Nach der ersten Widerstandsmessung wird der Laser um die Strecke B₂ in X-Richtung verschoben. Der jeweils von Mitte zu Mitte gemessene Abstand der beidseitigen, in Längsrichtung des Steges 26 vorgesehenen Laser-Verfahrwege beträgt anfänglich B und anschließend B₁, wobei
B=B₁+B₂
gilt.
Entsprechend läßt sich die anfängliche Stegbreite b wie folgt darstellen:
b=b₁+b₂
Der anfänglich erhaltene Steg 26 mit der Breite b weist einen Stegwiderstand auf, der durch zwei zueinander parallel geschaltete Widerstände RX1 und RX2 dargestellt werden kann. Für den sich nach der Laserverschiebung B₂ ergebenden Steg 26 mit der Breite b₁ ergibt sich ein Stegwiderstand RX1, was bedeutet, daß durch diesen Hilfsschnitt der parallele Hilfswiderstand RX2 entfernt wurde. Die Steglänge 1 wird hierbei konstant gehalten. Mit L ist die Verfahrstrecke des Lasers in Längsrichtung des Steges 26 bezeichnet.
Die gemessenen Gesamtwiderstände R₁, R₂ sind nun nicht nur durch die jeweiligen Stegwiderstände RX1, RX2, sondern zusätzlich auch noch durch dazu in Serie liegende Widerstände bestimmt, die beispielsweise die Leiterwiderstände sowie die Übergangswiderstände im Bereich der Leiteranbindungen umfassen. Der jeweils in Serie zu den Stegwiderständen RX1, RX2 liegende serielle Widerstand RS läßt sich für RX1=t RX2 durch die folgenden Beziehungen eliminieren:
RX1=(1+1/t) · (R₂-R₁)
RS=R₂-RX1 (V)
Der gesuchte Flächenwiderstand RF für den relevanten Stegbereich der Widerstandsschicht 24 ergibt sich demnach aus den folgenden Beziehungen:
In Abhängigkeit von den beiden gemessenen Gesamtwiderständen, den Breiten b₁, b₂ der beiden zunächst zueinander parallel liegenden Stege 26 und der Summenbreite b läßt sich der Stegwiderstand RX1 für den nach der Laserverschiebung B₂ erhaltenen Steg 26 der Breite b₁ wie folgt darstellen:
Übertragen auf die Steuergrößen für die Laser-Verfahrwege bedeutet dies:
b=B-BSp, l=L+BSp
b₁=B₁-BSp, b₂=B₂ (IX)
woraus folgt:
Demnach kann der Flächenwiderstand RF für den interessierenden Stegbereich im Verlauf der ohnehin vorzunehmenden Laserstrukturierung bestimmt werden, indem bei zwei unterschiedlichen Stegbreiten die Gesamtwiderstände gemessen werden und aus den erhaltenen Widerstandswerten sowie der betreffenden Laser-Verfahrwege der Wert des Flächenwiderstandes RF berechnet wird.
Der insbesondere auf diese Weise ermittelte Flächenwiderstand RF kann nun zur Berechnung der einzustellenden Stegbreite bSt und/oder auch zur Berechnung eines sich für diese Stegbreite bst ergebenden Zielwiderstandes RZ einer jeweiligen Dickschichtsicherung 10 herangezogen werden.
Auch für die Einstellung eines konstanten Stegwiderstandes kommt es wiederum darauf an, einen geometrisch möglichst klar definierten Sicherungssteg 26 zu realisieren. Vorzugsweise werden hierzu wiederum Laserschnitte durchgeführt, wie dies beispielsweise im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist. Hierbei ist die Steglänge l eine vorgegebene Größe.
Bei einem solchen Abgleich auf einen konstanten Widerstand R wird der Quotient →R/bStd konstant gehalten, was insbesondere bei einer konstanten Größe →R ein konstantes Produkt bStd bedeutet. Sowohl die Strom/Zeit-Charakteristik t=F (I) als auch der Auslösestrom I₀ bleiben somit abhängig von Schwankungen der Schichtdicke d und des spezifischen Pastenwiderstandes ρR. Eine Streuung dieser Größen kann jedoch durch das beschriebene Herstellungsverfahren zumindest innerhalb enger Grenzen gehalten werden.
Anstatt den Zielwiderstand RZ im voraus zu berechnen, kann dieser auch durch Versuche ermittelt werden.
Beim in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt ein Abgleich auf einen konstanten Auslösestrom I₀, wobei auf die Beziehung
zugegriffen wird und im Verlauf der durchgeführten Laserstrukturierung auf die zuvor beschriebene Weise der Flächenwiderstand RF bestimmt wird, um aus diesem wiederum einen Zielwiderstand (Ziehwert) RZ für den endgültigen Abgleich zu berechnen.
Demnach wird zunächst ein der jeweiligen Dickschichtsicherung 10 zugeordneter individueller Flächenwiderstand RF bestimmt, woraus nach Vorgabe eines konstanten Auslösestromes I₀ eine individuelle Stegbreite bSt berechnet wird. Anschließend wird der Wert für die individuelle Stegbreite bSt in den individuellen Zielwert RZ für den durch Lasern zu bewirkenden Widerstandsabgleich umgesetzt.
Um den Zielwert RZ exakt ermitteln zu können, müssen wiederum die parasitären seriellen Zuleitungs- und Kontaktübergangswiderstände genau bekannt sein. Um diese Zuleitungs- und Kontaktübergangswiderstände entsprechend berücksichtigen zu können, werden zwei zusätzliche Laserschnitte durchgeführt, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 6 bereits beschrieben worden ist. Aus den für die beiden unterschiedlichen Stegbreiten bSt gemessenen Gesamtwiderständen R₁, R₂ kann dann sowohl der durch die Zuleitungs- und Kontaktübergangswiderstände bestimmte serielle Widerstand RS als auch der Flächenwiderstand RF=ρR/d individuell für jeden Steg 26 bestimmt werden.
Die Steglänge l ist zweckmäßigerweise durch das Layout der Leiterbahnanbindung vorgegeben.
Zunächst wird auf beiden Seiten des herzustellenden Steges 26 ein erster Laserschnitt S1 ausgeführt, der zu einer anfänglichen Stegbreite entsprechend der Breite der Elektroden 14, 16 führt. Für diese anfängliche Stegbreite ergibt sich ein von Mitte zu Mitte gemessener Abstand B der jeweiligen Laserfahrwege S1. Für den auf diese Weise erhaltenen anfänglichen Steg 26 wird der Gesamtwiderstand R₁ gemessen.
Anschließend wird von einer oder von beiden Seiten des Steges 26 aus ein zweiter Laserschnitt S2 ausgeführt, der zu einer Verschmälerung des Steges 26 um B₂ führt und ebenso wie der erste Schnitt S1 einen U-förmigen Verlauf aufweist. Für beide Schnitte S1 und S2 ergibt sich jeweils eine Steglänge l, die annähernd gleich dem Abstand de zwischen den beiden Elektroden 14, 16 ist. Für den jetzt erhaltenen Steg 26, für den sich ein von Mitte zu Mitte gemessener Abstand B₁ der beiden Laserfahrwege S2 ergibt, wird wiederum der Gesamtwiderstand R₂ der Anordnung gemessen.
Ausgehend von den beiden gemessenen Gesamtwiderstandswerten kann dann anhand der Beziehung V der durch die Zuleitungs- und Kontaktübergangswiderstände bestimmte serielle Widerstand RS ermittelt werden. Ferner kann aus der Beziehung X der individuelle Flächenwiderstand RF bestimmt werden. Anschließend wird anhand der Beziehung XI die individuelle Stegbreite bSt bestimmt, aus der über die folgende Beziehung der betreffende Zielwiderstand RZ berechnet werden kann:
RZ=RS+RW+RSt (XII)
mit
und
mit K: Geometriefaktor (Stromdichteverteilung).
Anschließend wird beispielsweise auf der linken Seite des herzustellenden Steges 26 ein weiterer Laserschnitt S3.1 hergestellt, der bereits die endgültige Steglänge lSt festlegt, die kleiner als die Länge l gleich dem Abstand de zwischen den beiden Elektroden 14, 16 sein kann. Mit diesem auf der linken Seite durchgeführten Laserschnitt S3.1 kann vorzugsweise eine im voraus bestimmte Stegbreite eingestellt werden.
Anschließend wird auf der rechten Stegseite ein weiterer Laserschnitt S3.2 unter Einhaltung derselben Steglänge lSt hergestellt, der anhand eines Abgleiches mit dem Zielwiderstand RZ durchgeführt wird.
Bei der zur Herstellung der Widerstandsschicht 24 verwendeten leitfähigen Paste kann es sich um eine Widerstandspaste oder auch um eine Leiterbahnpaste handeln.
Bei sämtlichen Ausführungsvarianten kann die Dickschichtsicherung 10 anschließend mit einer Abdeckung versehen werden.
Es wird somit ein in Dickschicht-Technologie herstellbares Sicherungselement mit irreversibler Sicherungsfunktion geschaffen, welches ohne Einbußen hinsichtlich der jeweiligen Sicherungscharakteristika in Miniaturform preiswert herstellbar, in Dickschicht-Hybride integrierbar sowie als Chip-Bauelement realisierbar ist. Der jeweilige Auslösestrom ist mit einem Höchstmaß an Genauigkeit einstellbar. Durch den speziellen Grundaufbau werden insbesondere Schichtdickenstreuungen auf ein Minimum herabgesetzt. Aufgrund der durchgeführten Laserstrukturierung sind selbst äußerst schmale Stege mit einem Höchstmaß an Genauigkeit herstellbar, so daß bei gleichmäßiger Schichtdicke insbesondere auch kleinere Widerstandswerte der Sicherungen realisierbar sind.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung elektrischer Dickschichtsicherungen
  • - mit jeweils einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Dickschichtschmelzleiter,
  • - der zusammen mit den Elektroden auf einem Substrat aufgebracht ist,
  • - wobei auf dem Substrat durch Aufdrucken einer leitfähigen Paste eine Widerstandsschicht erzeugt wird,
  • - die beiden Elektroden mit Abstand zueinander aufgebracht werden,
  • - zwischen den Elektroden ein Steg mit einem Breitenwert belassen wird,
  • - wobei die Sicherungscharakteristik abhängig von dem Breitenwert ist, und
  • - der quer zum Abstand der Elektroden gemessene Breitenwert des den Dickschichtschmelzleiter bildenden Steges der Widerstandsschicht durch Lasern eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der für die jeweilige Sicherungscharakteristik nötige Breitenwert durch einen Widerstandsabgleich der Dickschichtsicherung bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für die jeweilige Sicherungscharakteristik nötige Breitenwert oder ein sich für den nötigen Breitenwert ergebender Zielwiderstand der Dickschichtsicherung in Abhängigkeit von einem für einen Widerstandsschichtbereich zwischen den Elektroden berechneten Flächenwiderstand bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nötige Stegbreite durch mehrere Bearbeitungsschritte erreicht wird und dazu die sich für die unterschiedlichen anfänglichen Stegbreiten ergebenden Widerstände jeweils gemessen werden und daraus der Flächenwiderstand des zwischen den Elektroden verbleibenden Widerstandsschichtbereiches bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden auf die Widerstandsschicht aufgebracht werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß auf das Substrat zunächst nach Art eines Podestes die dielektrische Schicht aufgebracht wird, und
  • - daß anschließend die das dielektrische Podest überlappende Widerstandsschicht erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht im Siebdruckverfahren aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht oder die dielektrischen Schichten im Siebdruckverfahren aufgebracht werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steglänge im wesentlichen gleich dem Elektrodenabstand gewählt wird.
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