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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein elektrisches Sicherungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein Sicherungselement gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus der
EP
0 715 328 B1 bekannt.
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Sicherungselemente werden zum Schutz
elektrischer und elektronischer Schaltungen vor Überströmen in großer Anzahl verwendet. Diese
sind dabei an die in einer Anwendung auftretenden Strombereiche
mit den jeweils erforderlichen Abschaltcharakteristika anzupassen.
Die allgemein erkennbare und immer weiter fortschreitende Tendenz
der Verkleinerung von Schaltungskomponenten bei gleichbleibender
oder sogar erhöhter
Leistungsfähigkeit
führt im
Bereich der elektrischen Sicherungselemente zu erheblichen Problemen.
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Bei einem kleinen Sicherungselement,
wie beispielsweise einer Sicherung für SMD-Montage, ist der Abstand
zwischen einem einen Schmelzleiter und ein Widerstandsheizelement
aufweisenden Kernbereich und den Kontaktbereichen nahe der Kanten
des Bauelements sehr klein. Die von den Widerstandselementen abgeleitete
Wärme kann
zu hohen Temperaturen in den Kontaktbereichen und zu einem Auslöten des
befestigten SMD-Bauelements führen.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Auslöten dieser Elemente zu vermeiden.
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Die
EP 0 515 037 A1 beschreibt eine auf dem Substrat
einer Hybridschaltung angeordnete Sicherung, wobei die Sicherung
auf einer thermisch isolierenden Schicht angeordnet ist, und beschreibt
ein Einstellen der Betriebsparameter der Sicherung durch Variieren
beispielsweise des Grades der thermischen Isolierung um den Schmelzleiterzug
herum.
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Ein Beispiel des Stands der Technik
bezüglich
eines SMD-Sicherungselementes
ist die GB-A-2 284 951. Dieses Dokument beschreibt ein SMD-Sicherungselement
mit einer Schmelzleiterschicht auf einem flächigen Substratmaterial. Das
Substratmaterial weist eine Schicht eines thermisch isolierenden
Materials auf, welches auf der Oberseite aufgebracht ist, um den Wärmeübergang
von dem Sicherungselement zu dem Substrat zu beschränken.
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Die AT-A-383 697 beschreibt ein Sicherungselement,
bei dem die Schmelzverbindung thermisch derart mit einem elektrischen
Widerstand gekoppelt ist, daß die
Schmelzverbindung durch einen von dem Widerstand hervorgerufenen
Wärmeimpuls
aufgeschmolzen werden kann. Bei einem Ausführungsbeispiel bilden das Sicherungselement
und der widerstand eine Reihenschaltung. Sie sind auf entgegengesetzten
Seiten eines eine gute thermische Kopplung zur Verfügung stellende
Substratmaterials (Al2O3)
angeordnet. Der Aufbau ist einer trägen Sicherungscharakteristik
eines Sicherungselementes angepaßt.
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In der Vergangenheit sind zahlreiche
Versuche bekannt geworden, die Außenabmessungen elektrischer
Sicherungselemente unter Beibehaltung ihrer spezifischen Abschaltcharakteristika
wesentlich zu verkleinern. Diese Versuche scheiterten jedoch, da
entweder die innere Erwärmung
des Schmelzelementes zu groß wurde
und/oder die gewünschte
Abschaltcharakteristik nicht erreicht werden konnte, oder sich das
Sicherungselement an seinen Kontaktstellen aufgrund der erhöhten Eigenerwärmung auslötete.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
die oben genannten Probleme zu überwinden.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Sicherungselement gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Durch eine Verwendung eines Substrates
aus einer Glaskeramik mit einer schlechten Wärmeleitung und einer thermischen
Impedanz, die etwa der thermischen Impedanz einer Al2O3-Keramik entspricht, kann die Brennzone
(hot spot) der Sicherung vorteilhafterweise auf den Kernbereich
des Substrates beschränkt
werden, da die Wärmeableitung
sehr gering ist. Damit ist die Wärmeabfuhr
durch Übertragung über die
Außenkontakte
wesentlich geringer. Folglich ist ein eigenständiges Auslöten oder eine unzulässige Erwärmung eines erfindungsgemäßen Sicherungselementes
nicht mehr möglich.
Ferner kann die Gesamtleistungsaufnahme eines erfindungsgemäßen Sicherungselementes
durch eine Konzentration des "hot
spots" auf einen
bestimmten Bereich verringert werden. Somit führt eine minimale Leistungs aufnahme
auch zu einem geringeren rückwirkenden
Effekt auf die umgebende elektrische Schaltung. Die vorliegende
Erfindung überwindet
ein weitverbreitetes Vorurteil in Bezug auf die Verwendung von Materialien
mit einer schlechten Wärmeleitung.
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Das Heizelement ist zusammen mit
dem Schmelzleiter gemeinsam auf dem Substrat angeordnet. Der Grad
der thermischen Kopplung zwischen dem Heizelement und dem Schmelzleiter
ist jeweils durch den Abstand voneinander beeinflußt. Die
folglich erzielbaren Effekte des Verschiebens der Kennlinie des
Schmelzelementes werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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Für
die elektrische Verschaltung zur Versorgung des Heizelementes und
des Schmelzleiters sind prinzipiell mehrere Möglichkeiten denkbar, beispielsweise
eine Parallelschaltung.
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Vorzugsweise wird das Heizelement
auf dem Substrat jedoch mit dem Schmelzleiter elektrisch in Serie geschaltet.
Folglich sind bei einem erfindungsgemäßen Sicherungselement bei den
teilweise sehr kleinen äußeren Abmessungen
lediglich zwei Außenkontakte
erforderlich.
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Bei einer wesentlichen Weiterentwicklung
der Erfindung, ist das Heizelement selbst auch als ein Schmelzleiter
ausgelegt. Somit wird ein erfindungsgemäßes Sicherungselement als eine
elektrische Verbindung von zwei Sicherungselementen zur Verfügung gestellt,
denen in ihrer Auslegung durch die Materialwahl und Geometrie primär die Aufgaben
vom Heizelement und Schmelzleiter zugewiesen sind. Diese Bauweise eröffnet vorteilhafterweise
die Möglichkeit,
das Heizelement für
einen unterschiedlichen, vorzugsweise viel höheren Nennstrom IN als
den Schmelzleiter auszulegen. Durch die erfindungsgemäße Auslegung
der Charakteristika des Schmelzleiters und des Heizelementes schneiden
sich diese Kurven in einem Kommutierungspunkt. Ab diesem Punkt spricht
die Schmelzleitercharakteristik des Heizelementes schneller an als
der eigentliche Schmelzleiter, wie es unter Bezugnahme auf ein Diagramm
gezeigt wird. Bei der nachfolgenden elektrischen Schaltung bewirkt
dies einen zusätzlichen
Schutz für
den Fall von extrem hohen Kurzschlußströmen.
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Bei einer Weiterbildung wird der
zwischen dem Heizelement und dem Schmelzleiter erzeugte Abstand variabel
gehalten, um den Grad der thermischen Kopplung und folglich die
Abschaltcharakteristik des Schmelzleiters und den Nennstrom bei
ansonsten Beibehaltung der gleichen Materialien und der gleichen
Geometrie der Schaltung einzustellen. Bei einer festen Schaltungsgeometrie
ist durch einfaches Verschieben der einzelnen Produktionsmasken
relativ zueinander auf vorgegebene weise und um einen festen Betrag
eine Einstellung der Charakteristik möglich.
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Der Abstand zwischen dem Heizelement
und dem Schmelzleiter nimmt einen minimalen Wert an, wenn das Heizelement
und der Schmelzleiter übereinanderliegend
angeordnet sind. Dieser minimale Wert ist in diesem Fall bestimmt
durch die Schichtdicke einer elektrischen Isolierung, welche aus
einem Dielektrikum, wie beispielsweise Glas, aber auch aus einer
Keramik oder einer aushärtbaren
Paste bestehen kann. Der gute thermische Kontakt kann über die
gesamte Grundfläche
des Schmelzleiters erfolgen. Vorzugsweise ist der Schmelzleiter
derart über
dem Heizelement angeordnet, daß ein
zum Aufnehmen der bei dem Vorgang des Auslösens des Schmelzleiters freigesetzten
Gase und Partikel sowie zum Druckausgleich ausreichender Raum zur
Verfügung
steht.
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Die Eigenschaft des Schmelzleiters
können
erfindungsgemäß direkt
durch die thermische Kopplung mit dem Heizelement signifikant beeinflußt werden.
Die thermische Kopplung wird in einer einfachen Weise dadurch verstärkt, daß der eigentliche
Schmelzleiter auf einer dünnen
Schicht aufgetragen wird, welche vorzugsweise aus Silber besteht
und eine Haftverbindung mit guter Leitung auf der Substratfläche bewirkt.
Folglich kann die Charakteristik noch exakter reproduziert werden.
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In dem Fall eines als eine Mehrschichtanordnung
ausgebildeten Schmelzleiters, beispielsweise bei einer Materialkombination
einer Silberschicht und einer überdeckenden
Zinnschicht, kann durch Diffusionsprozesse eine zusätzliche
Beeinflussung der Auslösecharakteristik
erreicht werden. Andere Ma terialkombinationen mit gegenseitiger
Löslichkeit
sind ebenfalls möglich.
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Darüber hinaus kann der Schmelzleiter
eine Verengung oder Verjüngung
in seinem mittleren Bereich aufweisen. Diese Querschnittsverminderung
erhöht
den materialeigenen Widerstand. Zudem wird das Schmelzleitermaterial
an dieser ausgezeichneten Stelle geschwächt und dementsprechend muß weniger
Material beim Auslösen
aufgeschmolzen werden. Die Verengung ist an dem "hot spot" des Sicherungselementes angeordnet.
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Ein weiterer Vorteil wird durch ein
Abdecken vorzugsweise jedes Schmelzleiters mit einer niedrigschmelzenden
Substanz erreicht. Im Fall des Auslösens der Sicherung verhindert
die Abdeckung ein In-Kontakt-Treten geschmolzener Teile mit der
Umgebung. Sie kann in Form einer zweischichtigen Struktur realisiert werden,
wobei ein Tropfen Heißkleber
als Kern beispielsweise außen
abgedeckt wird und durch eine thermisch stabile Substanz, wie beispielsweise
eine aushärtende
Vergußmasse
oder ein Harz, verschlossen wird. Der Kern schmilzt bereits bei
Betriebstemperatur und erzeugt einen durch das äußere Gehäuse stabilisierten Hohlraum
zur Aufnahme von Gasen etc.
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Vorteilhafterweise kann ein erfindungsgemäßes elektrisches
Sicherungselement in seiner äußeren Form
und Abmessungen einfach an die Erfordernisse moderner Bestückungsverfahren
angepaßt
werden. Eine Quaderform ist bevorzugt. Die Außenkontaktierung erfolgt in
Anpassung an übliche
SMD-Lötverfahren durch
an zwei gegenüberliegenden
Stirnkanten angeordnete Außenkontakte.
Sie werden anschließend
vorzugsweise in einem galvanischen Prozeß angebracht, wenn Schmelzelemente
mit Diffusionsprozessen in dem Sicherungselement enthalten sind.
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Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben,
in der:
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1a eine
Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Sicherungselementes
in einer Draufsicht zeigt;
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1b eine
Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der Schmelzsicherung
nach 1a zeigt;
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1c eine
Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels des Sicherungselementes nach 1a zeigt;
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2 eine
Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines Sicherungselementes mit einem über dem Heizelement angeordneten
Schmelzleiter zeigt;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Sicherungselementes in einer Explosionsdarstellung
zeigt; und
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4 ein
skizziertes Kennlinienfeld mit den prinzipiell erreichbaren Schaltcharakteristika
der Sicherungselemente nach den 1c und 2 zeigt.
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In 1a ist
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Sicherungselementes 1 im prinzipiellen Aufbau in einer
Draufsicht gezeigt. Ein Schmelzleiter 3 ist zusammen mit
zwei Heizelementen 4 in einer S-förmigen Serienschaltung auf
einem Substrat 2 mit schlechter Wärmeleitung angeordnet. Die
einzelnen Elemente sind durch Leiterbahnen 5 elektrisch
miteinander verbunden. So ergibt sich hier insgesamt eine Serienschaltung aus
drei Elementen, die jeweils als ein Schmelzleiter mit bestimmten
Eigenschaften ausgelegt sein können. Die
beiden Heizelemente 4 sind hier symmetrisch zum Schmelzleiter 3 in
einem Abstand d abgeordnet, der in beiden Fällen gleich ist. So erwärmen diese
den Schmelzleiter 3 durch Wärmeleitung über das Substrat 2 gleichmäßig in einem
symmetrisch geformten "hot
spot".
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Unter denen für das Substrat 2 mit
schlechter Wärmeleitung
verwendeten Materialien ist eine Glaskeramik. Messungen haben die
folgenden, überraschenden
Werte für
die Wärmeleitfähigkeit
eines derartigen Materials im Vergleich mit der ansonsten im Sicherungsbau
bevorzugten Al2O3-Keramik
ergeben:
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Aus den Werten dieser Tabelle ist
ersichtlich, daß eine
Al2O3-Keramik die
Wärme pro
Watt Heizleistung zwischen den Enden eines Substrats um einen Faktor
von ungefähr
7 besser abführt
als die hier gemessene Glas-Keramik. Diese Werte beziehen sich auf
die Betrachtung des Falles einer stationären Wärmeabfuhr, die in dem Fall
von Al2O3-Keramiksubstraten
zu dem ungewünschten
Auslöten
der Außenkontakte
führt.
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Wenn die Untersuchung jedoch auf
das dynamische Wärmeleitverhalten
beschränkt
ist und wenn entsprechend ein sehr kleiner Raum, der auch als ein
Segment bezeichnet wird, betrachtet wird, wird zwischen der Al2O3-Keramik und der
Glas-Keramik lediglich ein relativ unbedeutender Unterschied in
der Wärmeabfuhr von
ca. 10% festgestellt. Die thermische Kopplung zwischen dem Schmelzleiter
und dem Heizelement ist also bei der Verwendung eines Glas-Keramiksubstrates
näherungsweise
so gut wie in dem Fall eines Al2O3-Keramiksubstrates. Signifikante Unterschiede
treten demnach nur bei der Betrachtung der Wärmeleitung zu den Enden von
gängigen
Substratgrößen auf,
bei denen eine Al2O3-Keramik
eine unerwünschte
Erwärmung
der Außenkontakte
aufgrund ihrer wesentlich besseren Wärmeleitung bewirkt.
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Der Grad der thermischen Kopplung
zwischen dem Heizelement und dem Schmelzleiter kann durch den Abstand
d in einem weiten Bereich eingestellt werden. Der Einfluß der thermischen
Kopplung auf die Schaltcharakteristika des Sicherungselementes wird
später
unter Bezugnahme auf ein Kennlinienfeld gezeigt und beschrieben.
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Benachbart zu zwei gegenüberliegenden
Stirnkanten 7 des Substrates sind leitende Flächen 8 angeordnet.
Zur Beendigung des Herstellungsprozesses werden die Stirnkanten 7 metallisiert,
so daß sie
die Außenkontakte 9 bilden,
die mit den Flä chen 8 elektrisch
gekoppelt sind. Eine Verwendung des Substrates 2 mit schlechter
Wärmeleitung
hat den Effekt, daß eine
geringe Erwärmung
der Außenkontakte 9 stattfindet.
Folglich ergibt sich auch eine Verminderung der als Heizleistung
benötigten
Verlustleistung des Sicherungselementes, so daß dieses Sicherungselement
einen geringen Einfluß auf
die übrige
elektrische Schaltung hat.
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Das Sicherungselement 1 nach 1 wurde in seinen wesentlichen
Teilen durch ein Siebdruckverfahren realisiert. Im Fall sehr kleiner
Strukturgrößen ist
ein fotolithographischer Prozeß geeigneter.
Im vorliegenden Fall wird der Schmelzleiter 3 als eine
Dickschicht hergestellt, die in ihrem mittleren Bereich eine Verjüngung 6 aufweist.
Die Verjüngung 6 ist
eine weitere Maßnahme
zum Beeinflussen der Auslösecharakteristik. Abhängig von
der gewünschten
Charakteristik kann diese auch fortgelassen werden. Als weitere
Möglichkeit zur
Herstellung kann der Schmelzleiter 3 bei dem Herstellungsprozeß auch in
der Form eines Drahtstückes verwendet
werden. Im vorliegenden Fall wird der Schmelzleiter 3 als
eine dünne
Silberschicht auf das Substrat 2 aufgebracht, auf die anschließend eine
Zinnschicht als eigentlicher niederohmiger Leiter aufgetragen wird.
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Der mittlere Bereich des Sicherungselementes 1,
in dem die Heizelemente 4 und insbesondere der Schmelzleiter 3 angeordnet
sind, wird mit einer Abdeckung 10 bereitgestellt. Die Abdeckung 10 ist
in 1a als eine gestrichelte
Linie angedeutet und schützt
den empfindlichen Teil der Schaltung auf dem Substrat 2 vor äußeren Einflüssen. Ferner
werden beim Auslösen
des Sicherungselementes 1 austretende Gase oder Metallpartikel
von der umgebenden elektrischen Schaltung ferngehalten.
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1b zeigt
eine alternative Form des Sicherungselementes 1 nach 1a, die nur ein Heizelement 4 und
einen Schmelzleiter 3 ohne Verengung 6 aufweist.
Die in der Form von Pfeilen eingetragene thermische Kopplung ist
aufgrund des wesentlich vergrößerten Abstandes
zwischen dem Heizelement 4 und dem Schmelzleiter 3 geringer
als bei der Anordnung nach 1a.
Die Prinzipdarstellung nach 1b soll
primär die
Ge staltungsfreiheit mit verschiedenen Möglichkeiten der Anordnung demonstrieren,
obgleich keine Veränderung
an der grundlegenden Geometrie der Schaltung, die aus Leitflächen 8,
Außenkontakten 9 und
Leiterbahnen 5 besteht, vorgenommen worden sind.
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1c zeigt
eine weiterentwickelte Form des Sicherungselementes 1 nach
den 1a und 1b, bei welcher das Heizelement 4 und
der Schmelzleiter 3 unter Verminderung des Abstandes d
zur Steigerung der thermischen Kopplung wieder näher zusammengerückt sind.
Durch die unterschiedliche Art der Darstellung soll in 1c darauf hingewiesen werden,
daß auch
die elektrisch gut leitenden Bereiche der Flächen 8 und der Leiterbahnen 5 in
zwei oder mehr Maskenschritten werden können. Ein Einstellen der thermischen
Kopplung durch Variation des Abstandes d ist jedoch bei Verwendung
von zwei Masken zum Aufbau der Leiterbahnen 5 und 5a ratsam,
da so der Abstand d durch ein Verschieben der Masken zueinander
einfach geändert werden
kann, ohne daß die
Herstellung einer neuen Maske erforderlich ist.
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2 zeigt
eine Draufsicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Sicherungselementes 1, wobei
der Schmelzleiter 3 hier über dem Heizelement 4 auf
dem Substrat 2 angeordnet ist. Zwischen dem Schmelzleiter 3 und
dem Heizelement 4 ist eine elektrische Isolierung 11 angeordnet,
die hier beispielsweise durch eine dünne Glasschicht ausgebildet
ist. Die thermische Kopplung bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
erfolgt über
die gesamte Fläche
des Schmelzleiters 3 und erhöht sich damit und aufgrund
des minimalen Abstandes dmi
n auf
einen Maximalwert.
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In Abhängigkeit von der Auswahl der
Materialien kann die Schaltung nach 2 auch
in zwei Prozeßschritten
hergestellt werden, die jeweils durch einen Sintervorgang abgeschlossen
werden. Bei einem ersten Schritt werden die leitenden Flächen 8,
die Leiterbahnen 5, das Heizelement 4 und die
Isolierung 11 über
dem Heizelement in einer Maske aufgetragen. Bei einem nachfolgenden
Herstellungsschritt wird die zweite Ebene aufgebracht, die im wesentlichen
den Schmelzleiter 3 und zwei Leiterbahnen 5 umfaßt, die
eine leitende Fläche 8 elektrisch
an den Schmelzleiter koppeln und über eine Kontaktanordnung 12 eine
leitende Verbindung mit der unteren Schaltungsebene herstellen.
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Anschließend kann die Schaltung zumindest
in dem Bereich des Schmelzleiters 3 durch eine aushärtende Vergußmasse abgedeckt
werden. Diese Abdeckung wird in zwei Schritten aufgebracht, wobei
zuerst eine niedrig schmelzende Substanz aufgebracht wird. Dabei
handelt es sich beispielsweise um einen Heißkleber, der lediglich den
Schmelzleiter abdeckt. Dieser wird durch eine thermisch stabile
Substanz abgedeckt. Während
des Betriebes des Sicherungselementes erzeugt der schmelzende Tropfen
Kleber direkt über
dem Schmelzleiter im "hot
spot" einen stabilen
Hohlraum zur Aufnahme von während
des Auslösens
des Sicherungselementes 1 gebildeten Plasmas.
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Der direkte Vergleich der 1c und 2 zeigt, daß im Prinzip die gleichen Masken
zur Herstellung von Sicherungselementen mit sehr unterschiedlichen
Schaltcharakteristika und/oder Nennströmen IN verwendet werden.
Ein Einbringen der Isolierung macht bei der Herstellungssequenz
nach 2 lediglich einen
weiteren Maskenschritt notwendig. Die Maske der oberen Leiterbahn 5a benötigt einer
geringfügigen
Modifikation. Im wesentlichen sind diese Strukturen jedoch gleich.
Folglich ist zur Herstellung einer großen Bandbreite von SMD-bestückten Sicherungselementen
nur ein Maskensatz erforderlich und ein einheitliches, angepaßtes Sortiment
von Pasten oder ähnlichem
kann in einem kostengünstigen
Massenprozeß verwendet
werden.
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3 zeigt
in einer Explosionsdarstellung perspektivisch einen Entwurf für ein Sicherungselement 1 mit
sämtlichen
vorstehend aufgeführten
Einzelelementen. Die durchgezogenen Linien und Pfeile stellen in
diesem Falle leitende Verbindungen dar. Die Linie 13 zeigt
den Umriß der
Auflagefläche
für die
Isolierung 11. Die in Ebenen gezeigten Elemente können hier
als Schichten, und zwar jeweils durch eine Prozeßmaske, hergestellt werden.
Die Anordnung der Elemente zueinander und die Ausbildung der Leiterbahnen 5 eröffnet hier
die Möglich keit,
daß der
Schmelzleiter 3 und das Heizelement 4 relativ
zueinander durch Verschieben der Prozeßmaske um den Abstand d zwischen
ihnen variiert werden können.
Die Abstandsvariation ist in dieser Darstellung nicht gezeigt. Jedoch
kann die in 3 gezeigte
Anordnung entsprechend verwendet werden, um als Grenzfälle entweder
Sicherungselemente gemäß 2 oder Sicherungselemente
gemäß 1c zu realisieren. Dabei
enthält
das Sicherungselement 1 nach 2 lediglich
ein Heizelement 4, so daß, obgleich die thermische
Kopplung durch Variation des Abstandes d eingestellt werden kann,
der "hot spot" nicht vollständig symmetrisch
im Bereich des Schmelzleiters 3 ausgebildet ist. Jedoch
kann dieser Einfluß durch
entsprechende Auslegung der Schaltung minimiert werden. Sobald der
Abstand zwischen der Verengung 6 des Schmelzleiters 3 und
dem Heizelement 4 groß genug
ist, daß es
keine Überlappung
zwischen Schmelzleiter 3 und Heizelement 4 gibt
und eine ausreichende Isolierung zwischen den Leitern gibt, kann
die Isolierung 11 entfallen, so daß auf einen Unterschritt bei
dem Prozeß verzichtet
werden kann.
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4 zeigt
ein skizziertes allgemeines Kennlinienfeld zum Darstellen von Schaltcharakteristika
verschiedener Sicherungen. Die Kurven sind an beiden Achsen mit
einer logarithmischen Skala aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß im vorliegenden
Fall das Heizelement alleine für
einen niedrigeren Nennstrom IN als der Schmelzleiter
ausgelegt ist. Der Schmelzleiter ist beispielsweise als Mehrschichtleiter
unter Verwendung einer Silber-Zinn-Diffusion aufgebaut und weist
demgemäß eine schnell
reagierende Schaltcharakteristik auf, während das Heizelement alleine
mit einer sehr schnellen Reaktion auslöst. Mit dieser Auslegung der
einzelnen Elemente ermöglicht
es die Serienschaltung mit thermischer Kopplung, daß eine Vergrößerung der
Trägheit
in dem gesamten Sicherungselement erzielt wird. Im umgekehrten Falle
kann eine größere Auslösekapazität erzeugt
werden.
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Die Charakteristik der einzelnen
Elemente unterscheidet sich in jedem Fall deutlich von der der Gesamtschaltung.
Sie zeigt hier eine deutlich erkennbar träge Charakteristik, wel che bis
jetzt durch Bauelemente mit kleinen Abmessungen nicht realisiert
werden konnte. Der Einfluß der
thermischen Kopplung zwischen dem Heizelement und dem Schmelzleiter
kann in der Verschiebung der Kurve für die Schaltcharakteristik
des Schmelzleiters nach links in den Bereich geringerer Nennströme IN erkannt werden. Die Kurve selber ändert ihre
Gestalt nur unwesentlich. Durch Variation des Abstandes d kann die
Verschiebung der Schmelzleitercharakteristik beeinflußt werden.
Bei einem minimalen Abstand dmin nimmt der Nennstrom IN bei
gleichbleibendem Material und gleichbleibender Geometrie des Schmelzleiters
einen minimalen Wert an, siehe Kurve B. Durch einen Aufbau gemäß 3 kann folglich der in 4 gezeigte weite Bereich
zwischen den Kurven A und B während
der Herstellung durch die Variation des Abstandes d frei eingestellt
werden. Folglich kann bei gleicher Geometrie und Materialwahl ein
breiter Bereich von Nennströmen
mit der gleichen Auslösecharakteristik
abgedeckt werden.
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In dem unteren Drittel schneiden
sich die verschobenen Kurven mit der Charakteristik des Heizelementes
in einem sogenannten Kommutierungspunkt K. Dieser Punkt entspricht
in der Praxis einem Strom von etwas mehr als 10 × IN.
Für höhere Ströme bestimmt
dann die Kurve des Heizelementes und nicht länger die Charakteristik des
indirekt erwärmten
Schmelzleiters die Auslösecharakteristik
des jeweiligen Sicherungselementes. Damit werden bei höheren Kurzschlußströmen schnellere
Auslösezeiten
realisiert.
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In Versuchen wurden Sicherungselemente
mit Substratdimension von 6,5 × 2,5
mm und 4,6 × 3,2
mm hergestellt. Dies sind in der SMD-Technologie übliche Abmessungen.
Bei einem zehnfachen Nennstrom IN wurden
bei Nennströmen
von ungefähr
0,4 A Schaltzeiten von 10–15
ms gemessen. Folglich wurden zum ersten Mal effiziente Sicherungselemente
mit trägen
Auslösecharakteristika
in der Größe von SMD-Bauelementen
realisiert. Bei einem Sicherungselement entsprechend 1c betrug der Heizwiderstand
0,6 Ω.
Der Schmelzleiterwiderstand betrug in diesem Falle 0,03 Ω. Damit
wird für
die Serienschaltung ein Widerstand von ungefähr 0,63 Ω erhalten.
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In dem Falle der Variante gemäß 2 wurden bei einem Nennstrom
IN von ungefähr 0,315 A und einer als das
Dielektrikum verwendeten Glasschicht mit der Dicke dmi
n von ungefähr 20 μm ein Heizwiderstand von 0,1 Ω und ein
Schmelzleiterwiderstand von 0,03 Ω realisiert. Beide Schaltungsvarianten
wurden durch Dickschichttechnik auf einem Glaskeramiksubstrat unter
Verwendung von in der Hybridtechnik üblichen Pastenmaterialien hergestellt.
Bei Herstellungsprozessen der Dickschichttechnik können zur
Zeit im Falle von Schichtdicken zwischen 6 und 20 μm Linienbreiten
von bis zu 0,1 mm zuverlässig
hergestellt werden.
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Anhand dieser tatsächlich realisierten
beispielhaften Ausführungsbeispiele
ist zu erkennen, daß in dem
Falle der Variante gemäß 2 der Heizwiderstand des
Heizelementes 4 aufgrund der deutlich verbesserten thermischen
Wärmekopplung
verhältnismäßig gering
ausfallen kann.
