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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein elektrisches Sicherungselement, mit
- – einem
Substrat, das zwei an gegenüberliegenden
Endseiten angeordnete Kontakte aufweist,
- – Anschlußflächen, die
mit den Kontakten verbunden sind und in einer Ebene verlaufen, und
- – einem
Schmelzleiter, der elektrisch leitend verbunden ist,
- – mit
den Kontakten über
die Anschlußflächen.
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Sicherungselemente der vorgenannten
Art werden heute bevorzugt als Surface-Mounted Devices (SMD-Bauelemente)
unter Verwendung von Schmelzleitern in Form von leitenden Schichten
bzw. Drahtstücken
hergestellt. Aufgrund der geringen Abmessungen wird durch den Einsatz
spezieller Materialien und/oder durch einen komplexen inneren Aufbau
versucht, den Spannungseinsatzbereich derartiger Bauelemente zu
erweitern.
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Ein Beispiel für eine Sicherung des SMD-Typs
der oben genannten Art ist in der WO-A-96/08832 offenbart (nächstkommender
Stand der Technik). Diese Subminiatur-Schaltungs-Schutzeinrichtung besteht aus mehreren
Schichten eines keramischen Materials, wobei auf jeder Schicht mit einem
Sicherungselement verbundene Anschlußflächen angeordnet sind. Die Anschlußflächen verschiedener
Schichten sind in paralleler oder serieller Weise über Durchkontaktierungen
verbunden, die sich von einer Schicht zu einer anderen durch das
keramische Material hindurch erstrecken.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sicherungselemente
der vorgenannten Art bei geringen Produktionskosten für einen
Einsatz in höheren Spannungsbereichen
bei verbessertem Ausschaltvermögen
zu entwickeln.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
- – die
Anschlußflächen und
der Schmelzleiter
- – durch
einen Isolator voneinander getrennt angeordnet und
- – über Durchführungen
elektrisch miteinander verbunden sind,
- – wobei
die Anschlußflächen und
der Schmelzleiter in verschiedenen Ebenen verlaufen.
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Bei bekannten SMD-Sicherungselementen geht
der Schmelzleiter als eigentliches funktionales Element einer Sicherung
direkt in die anderen elektrisch leitenden Sicherungskomponenten,
insbesondere in die Anschlußflächen über. Gewöhnlich werden
dazu alle Komponenten an der Oberfläche eines Substrates angeordnet.
Im Abschaltmoment schmilzt der Schmelzleiter in dem heißesten Bereich
durch, dem sogenannten "Hot
Spot". Der Stromfluß wird jedoch
nicht sofort unterbrochen, sondern durch einen Lichtbogen aufrechterhalten.
Nach dem Stand der Technik wird versucht, diesen Abschaltlichtbogen durch
besondere Materialwahl und/oder konstruktive Maßnahmen möglichst rasch zu löschen, sowie
das anschließende
Zünden
eines sekundären
Lichtbogens zu unterdrücken.
Während
der Abschaltlichtbogen oder primäre
Lichtbogen bei jedem Abschaltvorgang entsteht und aus dem schmelzenden
Material des Schmelzleiters selbst genährt wird, wird im Falle einer
Rückzündung, also
beim Entstehen eines sekundären
Lichtbogens, auch das an den Schmelzleiter angrenzende Metall – meist
in Form von Leiterbahnen – mit
in den Lichtbogenprozeß einbezogen. Auf
diese Weise breitet sich der sekundäre Lichtbogen über den
Bereich des eigentlichen Schmelzleiters hinaus weiter aus und kann
auch die Außenanschlüsse des
SMD-Sicherungselementes
erreichen. Dabei kann die Sicherung keine Schutzfunktion mehr entfalten
und beschädigt
sogar durch den Lichtbogen umliegende Bauteile noch zusätzlich.
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Einen anderen Aufbau beschreibt die AU-B-40791/78.
Dort wird eine Sicherung für
den Haushalt offenbart, bei der auf gegenüberliegenden Seiten eines Isolators
Anschlußbereiche
angeordnet sind. Es sind ebenfalls zwei Schmelzverbindungen auf
gegenüberliegenden
Seiten des Isolators angeordnet, die elektrisch mit den Anschlußbereichen
und miteinander über
Durchführungen
verbunden sind. Bei dieser Anordnung wird ein Abstand zwischen den Anschlußbereichen
und den Schmelzverbindungen eingehalten. Jedoch wird der Lichtbogenüberschlag in
diese Anordnung nicht effektiv verhindert.
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Den beschriebenen Effekt unterdrückt ein
erfindungsgemäßes Sicherungselement
im Gegensatz zu Sicherungen nach dem Stand der Technik bei sonst
gleicher Schaltungsgeometrie dadurch, daß der Schmelzleiter von allen übrigen Sicherungsteilen durch
einen Isolator getrennt angeordnet wird. Durchführungen sorgen für die elektrisch
leitende Verbindung des Schmelzleiters durch den Isolator hindurch
zu den Außenkontakten.
Beim Abschalten brennt der Lichtbogen nach dem Verzehren bzw. Verdampfen
des leitfähigen
Schmelzleitermaterials bis zu den Durchführungen in dem Isolator. Von
diesem Moment an steht kein weiteres zu verdampfendes Material mehr
zur Verfügung,
da das in dem Isolator liegende Material der Durchführungen
von dem Lichtbogen nicht geschmolzen und verdampft werden kann.
Auch ein eventuell gezündeter
Sekundärlichtbogen
muß demzufolge
schnell erlöschen,
da er nicht weiter aufrechterhalten werden kann. Das Sicherungselement
schaltet auf diese Weise sicher und, aufgrund der Minimierung des
für den
Lichtbogen zur Verfügung
stehenden leitfähigen
Materials, schnell nach dem Auslösen.
Dementsprechend kann eine erfindungsgemäße Sicherung gegenüber bekannten Sicherungen
bei gleicher Dimensionierung und Baugröße ein erheblich größeres Abschaltvermögen aufweisen,
da es den Lichtbogen stets auf den Bereich des Schmelzleiters begrenzt
hält, so
daß der Lichtbogen
nach dem Verzehren bzw. Verdampfen der geringen Menge des leitfähigen Schmelzleitermaterials
zwischen den Durchführungen
auf dem Isolator keine weitere "Nahrung" mehr findet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
werden die Anschlußflächen und
der Schmelzleiter derart durch den Iso lator voneinander getrennt
angeordnet, daß sie
in verschiedenen Ebenen verlaufen. Ein Übergreifen eines Lichtbogens
wird auf diese Weise besonders wirkungsvoll unterbunden.
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Vorteilhafterweise ist der Isolator
durch eine oder mehrere Schichten dielektrischer Pasten gebildet.
Der Isolator kann auf diese Weise als isolierende Schicht auf dem
Substrat angeordnet werden, vorzugsweise durch ein Siebdruckverfahren.
Viele preiswerte Prozesse mit hinreichender Genauigkeit, die insbesondere
zum cofiring geeignet sind, sind auf dem Gebiet der Dickfilm- und
Dünnfilmschaltungen bekannt.
In sehr kostengünstigen
Abläufen
können dementsprechend
Isolatoren in einer Mehrzahl von Wiederholungen als dielektrische
Schichten hergestellt werden, die auch eine Oberflächenqualität aufweisen,
welche die Verwendung bekannter Abläufe zur Anwendung oder Anbringung
und Kontaktierung eines Schmelzleiters auf dem jeweiligen Isolator
mit großer
Verläßlichkeit
ermöglicht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Isolator durch das Substrat selbst gebildet, so daß kein zusätzliches
Material zur Trennung von Anschlußflächen und Schmelzleiter zu verwenden
ist. Durch dieses Merkmal kann auch mindestens ein Prozeßschritt
gegenüber üblichen
Herstellungsverfahren eingespart werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung stellen die beiden Ebenen, auf denen Schmelzleiter
einerseits und Anschlußflächen andererseits
räumlich
getrennt voneinander angeordnet und über Durchführungen verbunden sind, die
Oberseite und die Unterseite des Substrates dar.
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Die vorstehend beschriebene kurze
Brenndauer und die starke räumliche
Begrenzung des Lichtbogens macht ferner eine Verwendung üblicher Schmelzleiterabdeckungen
im "Hot-Spot" gegen die Außenseite
möglich,
vorzugsweise eine Glasabdeckung. Bei der Massenproduktion wirkt
sich dies zusätzlich
durch ein Absenken des Stückpreises
erfindungsgemäßer Sicherungselemente
aus.
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Ein erfindungsgemäßes Sicherungselement ist vorteilhafterweise
nicht auf die Verwendung eines bestimmten Substratmaterials festgelegt.
Beispielsweise kann als Substratmaterial ein Verbundkunststoff,
wie beispielsweise FR4, oder ein anderes übliches Platinenmaterial als
Substratmaterial verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch ein
Keramikmaterial und insbesondere eine Glaskeramik als Substrat in
einer erfindungsgemäßen Sicherung
eingesetzt.
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In einer besonders vorteilhaften
Weiterbildung sind die Durchführungen
als Durchkontaktierungen ausgebildet und bestehen gemäß Anspruch 11
aus einem leitfähigen
gesinterten Material, das vorzugsweise in Löcher eines hochschmelzenden Substrates,
wie beispielsweise einer Keramik, gefüllt und in einem anschließenden thermischen
Prozeß verfestigt
ist. Mit diesen vergleichsweise engen Durchführungen kann es bei dem Auftreten
eines Lichtbogens auch ein Phänomen
geben, das als Kanalisierungseffekt bezeichnet wird, mit einer positiven Auswirkung
auf das Erlöschen
des Lichtbogens, da durch diesen Effekt ein durch einen engen Kanal
verlaufender Lichtbogen "sich
selbst ausbläst".
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Keramikhersteller bieten jedoch auch
vorkonfektionierte und fertig gesinterte Substratmaterialien an,
die mit Durchkontaktierungen versehen werden können, indem gebohrt und nach
dem Verfüllen der
Bohrungen mit sinterbarem Material getempert wird. Dem Anbringen
der Anschlußflächen und
von Zuleitungen zu den Durchkontaktierungslöchern einerseits und einem
Schmelzleiter andererseits, z. B. in einem Dickfilmprozeß, kann
eine Vereinzelung durch Sägen
folgen. Bevorzugt wird jedoch ein Brechen der Keramik in Einzelelemente,
das vorzugsweise durch definierte Schwächung des Materials durch Ritzen
bzw. Lasern unterstützt
wird.
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Bei einer bevorzugten Vorrichtung
werden die Löcher
durch Stanzen einer grünen
Keramikschicht erzeugt, wobei nach dem Verfüllen mit der sinterbaren Masse
die Materialien auch zusammen in einem einzelnen thermischen Schritt
oder Sinterprozeß ausgehärtet werden
können.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung wird eine Ebene grüne Glaskeramik
im Vielfachnutzen gelocht und mit einer sinterbaren Masse verfüllt. In
Abhängigkeit
von der Materialwahl können
Anschlußflächen vor
dem Sinterschritt auf der einen Oberfläche angebracht werden und Schmelzleiter
zwischen den später
durchkontaktierten Löchern
können
auf der anderen Oberfläche
angeordnet werden, z. B. in einem Dickfilmprozeß. In gleicher Weise vor dem
Sinterschritt können anschließend die
Sicherungselemente durch Schneiden der grünen Glaskeramikschicht vereinzelt
werden.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung stellen die beiden Ebenen, auf denen Schmelzleiter
bzw. Anschlußflächen und
Zuleitungen angeordnet sind, Ober- und/oder Unterseiten von zwei Isolatorschichten
oder Substratschichten dar. Nach dem Verbinden der beiden Schichten
liegen die Anschlußflächen und
Verbindungen beispielsweise zwischen den zwei Substratschichten
und so von der Umgebung abgeschlossen und nur über externe Kontakte elektrisch
zugänglich.
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Im Falle der Herstellung einer erfindungsgemäßen Sicherung
aus ungebrannter Glaskeramik besteht in entsprechender Weise die
Möglichkeit
einer Verbindung beider Schichten in grünem Zustand durch Zusammenpressen
und Klebeverbinden. Dadurch kann nach dem Brennvorgang vorzugsweise unter
Einsatz von cofiring-fähigen
Druckpasten eine kompakte und stabile Einheit gebildet werden. Die einzelnen
Elemente können
leicht voneinander getrennt werden, indem sie im noch ungebrannten
Zustand direkt nach dem Laminieren geschnitten werden. In diesem
Fall ist eine leitende Schicht jeder Sicherung bereits gegen die
Umgebung isoliert, so daß z.
B. auf eine möglicherweise
erforderliche Bedeckung des Schmelzleiters oder der Anschlußflächen und
Leitungen verzichtet werden kann. Als Abdeckung können zusätzlich weitere
Schichten verwendet werden.
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Die Struktur eines oben beschriebenen
Sicherungselementes kann auch vorteilhafter Weise umgekehrt werden,
wobei dann der Schmelzleiter zwischen dem Substrat und dem Isolator
oder der Abdeckung angeordnet ist, und die Anschlußflächen und
Leitungen frei über
die Oberfläche
laufen, teilweise die Durchführungen
zur verläßlichen
Kontaktierung bedeckend. Bei dieser Struktur ist der Schmelzleiter
in einem Sicherungsgehäuse
eingeschlossen, welches eine vergleichsweise gute Wärmeleitung aufweist.
Diese Eigenschaft kann in vorteilhafter Weise für die hilfreiche Heraufsetzung
des Abschaltvermögens
der Sicherung verwendet werden.
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Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Prinzip
einer räumlichen
Trennung von Schmelzleiter und den breiten Anschlußkontakten
sowie von Leitungen durch eine Isolierschicht, z. B. durch Verwendung
von Durchkontaktierungen realisiert, nicht auf das Gebiet der Miniatursicherungen
oder SMD-Sicherungselemente beschränkt. Es kann mit gleicher Wirkung
für größere Spannungsbereiche
sowohl unter Verwendung von Schichtschmelzleitern als auch Drahtschmelzleitern
in allen anderen Arten von Sicherungen verwendet werden.
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Unter Verwendung einfacher Verfahren
wird durch ein erfindungsgemäßes Sicherungselement eine überraschend
hohe Steigerung des Abschaltvermögens
erreicht. Gleichzeitig wird die Betriebsverläßlichkeit ebenfalls erhöht, wenn
ein Strom unterhalb des Maximalstroms abgeschaltet wird, für den die
Sicherung ausgelegt ist, da eine erfindungsgemäße Struktur die Zeit des Auftretens
eines Lichtbogens stark verkürzt
und dementsprechend die thermische Belastung der gesamten Sicherung.
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Beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung werden untenstehend mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
In den Abbildungen gilt:
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1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines SMD-bestückbaren Sicherungselementes
und
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2 zeigt
eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform.
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Die Darstellung aus 1 zeigt ein SMD-bestückbares Sicherungselement 1 mit
externen Kontakten 2, die in einem "dip and blot"-Verfahren an Endflächen 3 eines Substrates 4 angebracht
sind. Das Substrat 4 besteht aus einer einschichtigen Glaskeramik,
die im ungebrannten Zustand zur Herstellung von Durchkontaktierungen 5a gelocht
und mit einer sinterbaren und nach dem Sintern elektrisch leitfähigen Massen
verfüllt
ist.
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Auf der Unterseite 6 des
Substrates 4 sind Anschlußflächen 7 angeordnet,
die mit Zuleitungen 8 verbunden sind. Die Anschlußflächen 7 und
Zuleitungen 8 sind in einem Dickschichtverfahren auf das
fertiggebrannte Substrat 4 aufgedruckt worden. Ein Schmelzleiter 10 ist
an einer Oberseite 9 angebracht, in dem vorliegenden Fall
in gleicher Weise in einem Dickschichtverfahren, wobei sehr geringe
Schichtdicken für
den Schmelzleiter 10 von etwa 300 μm durch Verwendung einer Resinatpaste
erzielt werden. Für andere
nominelle Stromstärkenbereiche
kann der Schmelzleiter 10 als Dickfilmschmelzleiter oder
z. B. auch als Drahtschmelzleiter ausgebildet sein. In allen Fällen erstreckt
sich der Schmelzleiter 10 von einer Durchkontaktierung 5a zu
der anderen, wobei der Schmelzleiter des Schichttyps in dieser Ausführungsform
an einer Stelle stark verjüngt
ist, dem Hot-Spot 11. Um an dieser Stelle ein definiertes
Abschalten herbeizuführen,
sind alle anderen Bereiche des Leiterpfades wesentlich breiter ausgebildet
und weisen dementsprechend einen geringeren elektrischen Widerstand
auf.
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Der Hot-Spot 11 ist zur
Aufnahme verdampfter Metallpartikel während des Abschaltens der Sicherung 1 und
zum Schutz des Schmelzleiters vor Umgebungseinflüssen in bekannter Weise mit
einer Abdeckung 12 aus einer Silikonpaste überzogen.
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Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird
ein leitender Pfad von einem Kontakt 2 zu dem anderen erhalten,
wobei der Pfad über
zwei Ebenen verläuft,
nämlich
die Oberseite 9 und die Unterseite 6 des Substrates 4 und
durch das Substrat 4 als Isolator. In diesem Fall sind
der Schmelzleiter 10 und die Zuleitungen 8 von
den Anschlußbereichen 7 getrennt angeordnet,
was dazu führt,
daß sich
bei dem Abschaltvorgang nur ein Lichtbogen in dem Bereich des Schmelzleiters 10 ausbilden
kann und ferner auf diesen Bereich beschränkt bleibt. Die Durchkontaktierungen 5a bestehen
aus abbrennfestem Sintermaterial und halten dem Lichtbogen daher
stand. Nach dem vollständigen
Verdampfen der sehr geringen Materialmenge des Schmelzleiters 10 muß ein Lichtbogen
erlöschen,
da dementsprechend kein weiteres Material verfügbar ist.
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Aufgrund der so realisierten kurzen
Abschaltzeiten, die nur bei Ausnutzung des verbesserten Abschaltvermögens der
beschriebenen Sicherung 1 eine gewisse Zeit über das
Auftreten eines Lichtbogens überhaupt
zulassen, sind neben Keramiken bzw. bevorzugt Glaskeramiken als
Substratmaterialien auch einfache Platinenmaterialien, wie z. B.
FR4, je nach Anforderung an die Genauigkeit der Sicherungscharakteristik
und die Höhe
des angestrebten Abschaltstromes, einsetzbar.
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Sehr effizient und technisch ausgereifte Standardverfahren
zur Fertigung solch einfacher Sicherungen, z. B. auf Basis von FR4,
sind aus der Platinenherstellung bekannt. Jedoch sind auch effiziente Herstellungsverfahren
im Vielfachnutzen unter Verwendung einer Glaskeramik möglich. In
diesem Fall wird vorteilhaft ausgenutzt, daß Keramiken und insbesondere
Glaskeramiken in dem ungebrannten Zustand einfach verarbeitet werden
können.
So wird das auf Grundlage der Abbildung beschriebene Sicherungselement
im Vielfachnutzen aus einer flächigen
grünen,
also ungebrannten Glaskeramik hergestellt. Dabei wird die grüne Keramik
in einem ersten Schritt gelocht. Hierbei können Prägungen eingebracht werden,
um die spätere
Vereinzelung der Sicherung durch Brechen vorzubereiten.
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In einem weiteren Schritt werden
die Löcher mit
einer sinterbaren Masse gefüllt,
die in einem einzigen Sinterschritt gemeinsam mit der großen Substratplatte
ausgehärtet
werden kann. Danach ist die sinterbare Masse elektrisch leitend.
Wie oben bereits beschrieben, werden nun beispielsweise in einem Siebdruckverfahren
an der einen Oberfläche
Anschlußflächen und
Zuleitungen angebracht und möglicherweise
mit einem anderen Verfahren Schmelzleiter an der anderen Oberfläche, die
danach ausgehärtet
und im Hot-Spot-Bereich abgedeckt werden. Es schließt sich
der Vereinzelungsschritt an. Danach werden die Kontakte in einem
Dip-oder-Blot-Verfahren
oder in einem galvanischen Verfahren an den Stirnseiten, d. h. den
Stirnkanten 3 angebracht.
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In 2 ist
eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform eines elektrischen
Sicherungselementes 1 skizziert. In Analogie mit der Ausführungsform
aus 1 wurde das Substrat 4 auf
den Stirnseiten 3 mit externen Kontakten 2 versehen,
die in einer elektrisch leitenden Weise mit der Oberseite 9 des
Substrates 4 und zu den Anschlußbereichen 7 und/oder
Zuleitungen 8 verbunden sind. Jedoch besteht ein Unterschied
zu der Ausführungsform
aus 1 darin, daß in einem
Zentralbereich 13 eine Isolierschicht 14 in einem
Siebdruckverfahren angebracht ist, die auch die Anschlußbereiche 7 und Zuleitungen 8 teilweise
bedeckt. Über
den Zuleitungen 8 weist die Isolierschicht 14 Löcher 15 auf,
die nachfolgend mit einer Silberpaste verfüllt werden. Auf diese Weise
werden verhältnismäßig günstige Durchführungen 5 durch
einen einfachen Siebdruckverfahrensschritt hergestellt, die jedoch
dennoch die wichtigsten Anforderungen einer erfindungsgemäßen Sicherung
erfüllen
können.
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Danach wird der tatsächliche
Schmelzleiter 10 mit einer Verschlankung auf der Oberfläche 16 der Isolierschicht 14 angebracht,
in gleicher Weise in einem Siebdruckverfahren, in diesem Falle ebenfalls
in Form einer Silberpaste. Die verwendeten Silberpasten sind zum
Cofiring geeignet, was dazu führt,
daß nur
kurze Trockenintervalle zwischen den einzelnen Herstellungsschritten
oder Druckschritten eingelegt werden müssen. Die Anordnung wird in
einem herkömmlichen
Sinterschritt ausgehärtet,
was zu elektrisch verläßlichen
Verbindungen von externen Kontakten 5 über die Kontaktbereiche 7,
die Zuleitungen 8, die Durchführung 5 in den Löchern 15 der
Isolierschicht 14 zu dem Schmelzleiter 10 führt.
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Eine äußere Bedeckung 17 wird
als Paste über
den gesamten Mittelbereich nach dem Sinterschritt gedruckt und bildet
nach dem Abbinden der Paste einen verläßlichen Schutz der Anordnung
gegen Umgebungseinflüsse
und Beschädigungen durch äußere mechanische
Einwirkungen.