DE10004453A1 - Elektronische Sicherung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, die im Normalbetrieb eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht und die bei Überschreiten des Solllastbereichs zum schnellen Schalten einen Energiestau erzeugt. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass der elektrische Leiter so auf einem keramischen Trägermaterial aufgebracht ist, dass sich bei schneller Erwärmung die Verbindung zwischen Leiter und Trägermaterial löst. Dass in einem Mehrschrittprozeß mehrere Elemente auf einem Substrat aufgebracht werden, wobei die Verbindung zwischen Trägermaterial und elektrischen Leiter durch galvanisches Auftragen des Leiters erzeugt wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung mit einem metallischen elektrischen Leiter, der auf einem Substrat aufgebracht ist, und ein Verfahren zur Herstellung der Sicherung.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung mit einem metallischen elek­ trischen Leiter, der auf einem Substrat aufgebracht ist, und ein Verfahren zur Herstellung der Sicherung.

Zur Absicherung von elektrischen Verbrauchern und zum Schutz der Stromver­ sorgungseinrichtung müssen bei höheren Strömen (< 10 A) ausschließlich aale Sicherungsbauelemente eingesetzt werden, die große Abmessungen besitzen und nicht in SMD-Technologien verarbeitbar sind. Mit den in der SMD-Tech­ nologie existierenden Sicherungen sind aufgrund der physikalischen Eigenschaf­ ten der verwendeten Leitbahnmaterialien die hohen Ströme nicht beherrschbar.

Zur Erfüllung der im Bereich der Elektronikindustrie bestehenden Forderungen nach Automatisierung von Fertigungsprozessen und nach niedrigen Kosten wird eine weitestgehende Einführung der SMD-Technologie immer notwendi­ ger.

Mit den zur Erzielung einer hohen Leitfähigkeit am besten geeigneten reinen Materialien kann die erforderliche Haftfestigkeit nicht erreicht werden.

Damit die Verlustenergie des elektrischen Leiters möglichst gut abgeführt werden kann, werden Mittel vorgesehen, die eine gute Wärmeabfuhr ermögli­ chen. Das führt dazu, dass im Nennbereich des Stromes nur eine geringfügige Erwärmung der Leitbahn des Bauelementes auftritt. Die mit diesen Maßnahmen erreichte ideale Wärmebrücke wirkt sich jedoch bei einem Bauelement, das als Sicherung verwendet werden soll, sehr nachteilig auf das Schaltverhalten aus. In diesem Fall muss zur Unterbrechung des Stromflusses der Überstrom sehr groß sein und das Bauelement schaltet sehr langsam. Mit den bekannten Anord­ nungen sind deshalb befriedigende Sicherungsparameter nicht erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, die im Normalbetrieb eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht und die bei Überschreiten des Solllastbereichs zum schnellen Schalten einen Energiestau erzeugt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ermöglicht die Schaffung einer Anordnung mit einer Material­ paarung, die es gestattet, sowohl beste Materialeigenschaften des elektrischen Leiters zu nutzen als auch ein optimales Schaltverhalten des Elementes bewirkt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsgestaltung des elektrischen Leiters,

Fig. 3 und 4 einen Schnitt durch eine Anordnung mit einem Leitermaterial und

Fig. 5 und 6 einen Schnitt durch eine Anordnung mit zwei Leitermaterialien.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Die die mechanische Verbindung zwischen keramischen Trägermaterial und metallischen Leiter weist eine Gestalt auf, bei der im Falle eines bestimmten Überstromes eine definierte Übertempe­ ratur entsteht, so dass eine schnelle Erwärmung der als Heizleiter fungierenden elektrischen Leitbahn erfolgt, was aufgrund der unterschiedlichen Längenaus­ dehnungen beider Materialien das Ablösen des metallischen Leiters von der keramischen Trägersubstanz bewirkt. Das Ablösen führt wiederum zu einem Wärmestau, der die Erwärmung beschleunigt, so dass ein lawinenartiges Aufschaukeln des Prozesses eintritt, was die Zerstörung des Leiters zur Folge hat.

Die Grenzschichtgestaltung ist erfindungsgemäß so gelöst, dass beim Über­ schreiten einer bestimmten Zug- und Schubkraft ein definiertes Abheben des metallischen Leiters erfolgt. Die Grenzfläche wird durch eine definierte Oberflä­ chenrauhigkeit und definierte Ätzprozesse so gestaltet, dass eine Druckknopf­ funktion an der Oberfläche realisiert wird. In mikroskopischer Vergrößerung der Oberfläche ist eine formschlüssige Verankerung der beiden Schichten erkennbar.

Bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur überschreiten die infolge der unterschiedlichen Ausdehnung von Leiter und Untergrund auftretenden mecha­ nischen Spannungen die Haftkräfte, so dass sich durch das Abheben der Leit­ bahn der Luftspalt auf einige 100 µm vergrößert und die Wärmeabfuhr verhindert wird. Somit wird in kürzester Zeit die Schmelztemperatur des Leitermaterials überschritten und es kommt zur Unterbrechung des Stromflus­ ses und zum Schalten des Sicherungsbauelements.

Die Haftfestigkeit zwischen elektrischen Leiter und Trägermaterial kann auch mit Hilfe eines Haftvermittlers als Zwischenschicht eingestellt werden, die infolge der Erwärmung Ihre Haftkräfte ändert. Die Haftfestigkeit von metalli­ schen Schichten auf keramischen Trägermaterialien wird sehr stark durch die Oberflächenbeschaffenheit des oxidischen Materials und die Grenzflächenge­ staltung bestimmt. Bevorzugt können Haftvermittler eingesetzt werden, die durch Interdiffusion eine stabile Verbindung gewährleisten.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann die Form des elektrischen Leiters so gestal­ tet werden, dass eine Einschnürung angebracht ist, die eine hohe Schubspan­ nung erzeugt, da in diesem Bereich Stromerhöhungen auftreten.

Die Fig. 3 und 4 erläutern den Ablösevorgang. Bei der Erwärmung durch hohe Ströme hebt sich der eine Engstelle bildende eingeschnürte Bereich ab und es entsteht ein Luftspalt, der in der oben beschriebenen Weise das Schalten des Bauelementes bewirkt.

In den Fig. 5 und 6 ist ein Beispiel für die Ausführung eines Leiters aus zwei verschiedenen Metallen dargestellt. Dadurch kann der Abhebevorgang durch den auftretenden Bimetalleffekt weiter verstärkt werden.

Die Herstellung dieser Bauteile erfolgt in einem Mehrschrittprozeß mehrerer Elemente auf einem Substrat und ist in der Massenanfertigung kostengünstig realisierbar. Als eine vorteilhafte Prozeßfolgen kann folgender Ablauf dienen:

• - Maskenprozeß zur Herstellung der Schmelzleitergeometrie im Hochvakuum- Aufdampfverfahren,
• - Mikrogalvanik zum Einstellen der Schichtdicke auf das erforderliche Endmaß im Scheibenprozeß

und Kontaktgestaltung mittels Standardverfahren.

Claims (7)

1. Elektronische Sicherung mit einem metallischen elektrischen Leiter, der auf einem Substrat aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter so auf einem keramischen Trägermaterial aufgebracht ist, dass sich bei schneller Erwärmung die Verbindung zwischen Leiter und Trägermaterial löst.

2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Leiter und Trägermaterial durch einen Formschluß zwischen dem galvanisch aufgebrachten Leiter und im Trägermaterial bestehenden Poren gesi­ chert ist.

3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Leiter und Trägermaterial durch einen als Zwischen­ schicht ausgebildeten Haftvermittler gesichert ist.

4. Sicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter im mittleren Bereich eine Einschnürung aufweist.

5. Sicherung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter aus zwei übereinander liegenden metallischen Schichten unterschiedlicher Wärmeausdehnung bestehen.

6. Verfahren zur Herstellung der Sicherung nach mindestens einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Mehrschrittprozeß mehre­ rer Elemente auf einem Substrat aufgebracht werden, wobei die Verbindung zwischen Trägermaterial und elektrischen Leiter durch galvanisches Auftragen des Leiters erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in einem Maskenprozeß im Hochvakuum-Aufdampfverfahren die Geometrie des elektrischen Leiters erzeugt wird, anschließend durch einen mikrogalvanischen Prozeß die Schichtdicke des elektrischen Leiters im Scheibenprozeß auf das erforderliche Maß gebracht wird und danach die Kontaktgestaltung mittels Standardverfahren erfolgt.