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Die
Erfindung betrifft: a) den Aufbau einer Sicherung für eine elektronische
Schaltung, umfassend ein elektrisches Isolatorsubstrat, zwei Elektroden
und eine Verbindung zwischen den Elektroden, und b) ein Verfahren
zur Herstellung der Sicherung.
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Chipsicherungen
für Oberflächenmontage
auf Leiterplatten (PCBs) sind dem Fachmann bekannt und in ihren
verschiedenen Ausführungsformen
vertraut. Eine Chipsicherung besteht im Allgemeinen aus einem elektrischen
Isolatorsubstrat, das seinerseits elektrisch und mechanisch über seine
leitenden Elektroden, zwischen denen über eine Verbindung ein elektrischer
Strom fließt,
an eine Leiterplatte angeschlossen ist. Sobald die Stromstärke einen
für die
Sicherung spezifischen Wert übersteigt,
bewirkt die in der Verbindung dissipierte Joule'sche Wärme, dass die Sicherung schmilzt
und der elektrische Strom unterbrochen wird. So lassen sich Beschädigungen
elektrischer oder elektronischer Komponenten durch Überstrom
vermeiden. Die durchgebrannte Sicherung auf einer Leiterplatte kann
durch eine neue ersetzt werden.
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Die
Leistungen verschiedener Sicherungen mit gleichem Nennstrom und
gleicher Zeit-Strom-Kennlinie können
nach dem jeweiligen Kaltwiderstand klassifiziert werden. Der Kaltwiderstand
ist der Innenwiderstand einer Sicherung, der bei einer Belastung
von nicht mehr als zehn Prozent der Nennstrombelastung bestimmt
wird. Der Kaltwiderstand steht mit Sicherungsparametern wie dem
maximalen Spannungsabfall bei Nennstrombelastung und der Dauerverlustleistung
bei Nennstrombelastung in Korrelation. Desto geringer der Kaltwiderstand
ist, desto geringer sind sowohl der Spannungsabfall über als
auch die Verlustleistung in der Sicherung. Es ist daher nutzbringend,
den Kaltwiderstand einer Sicherung zu verringern.
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Der
Kaltwiderstand einer Sicherung hängt
von der zum Aktivieren der Sicherung benötigten elektrischen Leistung
ab. Der Kaltwiderstand lässt
sich durch Steigern des thermischen Widerstands zwischen dem Sicherungseinsatz
bzw. der Sicherungsverbindung und der Umgebung verringern. Der Hauptanteil
des Wärmeflusses
von der Verbindung in die Umgebung verläuft nacheinander durch das
Chipsubstrat und die Leiterplatte. Desto kleiner die Abmessungen
der Verbindungen sind, und desto geringer die thermische Leitfähigkeit des
Substratmaterials ist, desto höher
ist der thermische Widerstand zwischen der Verbindung und der Leiterplatte.
Ein höherer
thermischer Widerstand bedeutet, dass weniger Wärmeleistung aus der Verbindung
in die Leiterplatte entweicht und deswegen weniger elektrische Leistung
benötigt
wird, um die Verbindung bis zum Durchschmelzen aufzuheizen.
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Zum
Beispiel beschreiben die US-Patentschriften 5,367,280 und 5,453,726
Sicherungen, bei denen die Verbindung zwischen den Elektroden auf
seinem zentralen Abschnitt verschmälert ist, um den elektrischen Widerstand
der Verbindung in der zum Durchbrennen bestimmten schmalen Zone
(der wärmeerzeugenden Zone)
zu konzentrieren. Die Verminderung der wärmeerzeugenden Zone steigert
den thermischen Widerstand zwischen dieser Zone und der Leiterplatte.
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Für die Aktivierung
von Schwachstromsicherungen ist ein vergleichsweise hochohmiger
Widerstand der Verbindung notwendig. Dieser lässt sich nur dann erreichen,
wenn das Einsatzmaterial bzw. Verbindungsmaterial einen hohen spezifischen
Widerstand aufweist. Andererseits bietet ein Material mit hohem
spezifischem Widerstand die Gelegenheit, fast den gesamten Widerstand
(und damit fast die gesamte Wärmedissipation)
auf einer vergleichsweise kleinen Fläche zu konzentrieren, wo das
Material aufgebracht ist, so dass ein höherer thermischer Widerstand
zwischen der wärmeerzeugenden
Zone und der Leiterplatte erreicht werden kann.
US 5,367,280 und
JP 615 0802 beschreiben die Verwendung
eines Materials mit hohem spezifischem elektrischem Widerstand in
einer Verbindung. In den erwähnten
Aufbauten gibt es drei Abschnitte mit jeweils unterschiedlichen
spezifischen Materialwiderständen:
a) die Elektroden, die aus einem Material mit niedrigem spezifischem
Widerstand bestehen, b) die Verbindung, die aus einem Material mit
hohem spezifischem Widerstand besteht, c) die Überlappungen zwischen der Verbindung
und den Elektroden, die infolge des Ineinanderdiffundierens der
beiden Materialien im Überlappungsbereich
einen mittleren spezifischen Widerstand aufweisen. Die Überlappungen
mit ihrem vergleichsweise hohen spezifischen Widerstand dissipieren
unnötig
Energie.
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Außerdem ist
das Steigern des thermischen Widerstandes zwischen der Verbindung
und der Leiterplatte durch Verwendung von Substratmaterialien mit
niedriger thermischer Leitfähigkeit
bekannt. Die erste Möglichkeit
besteht darin, das gesamte Sicherungssubstrat aus einem Material
mit niedriger thermischer Leitfähigkeit
herzustellen. Beispiele für
eine solches Material sind Calciumborosilikat, Zirkoniumdioxid oder
Aluminiumoxid, dotiert mit bis zu 30 % Glas o. Ä., wie in US-Patenschrift 5,453,726
beschrieben. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, ein Standard-Aluminiumoxidsubstrat mit hoher thermischer
Leitfähigkeit
zu verwenden, das gleichmäßig von
einer dicken Glasschicht mit niedriger thermischer Leitfähigkeit überzogen
ist, wie in
JP 2001 273 847 offenbart.
Eine dritte Möglichkeit
besteht darin, ein Standard-Aluminiumoxidsubstrat zu verwenden und
eine „Glasinsel" mit niedriger thermischer
Leitfähigkeit
unter einer Verbindung siebzudrucken, wie in US-Patentschrift 5,376,280
offenbart.
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Wir
betrachten hier als nachteilig, dass die ersten beiden Varianten
auf der Verwendung von Substraten beruhen, die in der Elektronik-
bzw. Halbleiterbranche unüblich
und daher teuer im Einkauf sind. Unter gewissen Umständen können diese
Substrate zudem Kompatibilitätsprobleme
mit Standard-Metallisierungsmaterialien,
wie etwa Dickschichtlacken, die zur Verwendung auf Aluminiumoxidsubstraten
entwickelt wurden, aufweisen. Die dritte Variante ist ineffektiv,
weil die siebgedruckte Glasschicht vergleichsweise dünn ist und
nur einen nicht signifikanten Anstieg des thermischen Widerstands
bewirkt.
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Somit
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine generische Sicherung
bereitzustellen, die einen gesteigerten thermischen Widerstand zwischen
der Verbindung und der Leiterplatte oder dem Isolatorsubstrat aufweist.
Außerdem
soll ein Verfahren zur Herstellung der Sicherung bereitgestellt
werden.
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Diese
Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5 und 7 erfüllt.
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Zwei
Grundgedanken der Erfindung verwirklichen unabhängig voneinander dasselbe Ziel:
die Steigerung des thermischen Widerstands zwischen der Sicherungsverbindung
und der Leiterplatte. Es sind dies:
- 1. Ausbilden
von Vertiefungen in dem elektrischen Isolatorsubstrat, auf dem die
Elektroden und der Verbindung zwischen den Elektroden angebracht
sind.
- 2. Einsatz von Störstellendotierung,
um den elektrischen Widerstand in einer möglichst kleinen Zone der Sicherungsverbindung
zu erhöhen.
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Die
Vertiefungen sind seitlich und unter der Verbindung zwischen den
Elektroden angeordnet. Durch diese Vertiefungen wird erreicht, dass
das elektrische Isolatorsubstrat eine Trennwand zwischen den Vertiefungen
und unter der Verbindung ausbildet. Diese Trennwand sieht wie ein
Sockel unter der Verbindung aus. Dem Fachmann ist somit offenkundig,
dass der größte Anteil
des Wärmeflusses
von der durch den elektrischen Strom aufgeheizten Verbindung in
die Umgebung nur über
diesen Sockel entweichen kann. Da der Querschnitt dieses Sockels
sehr klein ist, zeigt der Sockel einen beträchtlichen Widerstand gegen
Wärmefluss. (Verglichen
mit der thermischen Leittähigkeit
der Verbindung über
den Sockel zum übrigen
Substrat und weiter zur Leiterplatte ist die Wärmeabgabe der Verbindung durch
thermische Abstrahlung sowie konvektiv über die Luft vernachlässigbar.)
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Im
Rahmen des Umfangs der Erfindung können die Vertiefungen seitlich
und unterhalb des mittleren Abschnitts der Verbindung vom Fachmann
in einer beliebigen Art und Weise konstruiert werden.
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Störstellendotierung
der Verbindung bietet die Möglichkeit,
in der Verbindung die kleinstmögliche
Zone mit im Vergleich zum Rest der Verbindung erhöhtem Widerstand
auszubilden. Fast die gesamte in der Sicherung in Form von Wärme dissipierte
elektrische Energie wird in dieser Zone dissipiert. Desto geringer
die Abmessungen der Zone mit hohem Widerstand sind, desto höher ist
der thermische Widerstand zwischen dieser Zone und der Leiterplatte.
In Sicherungen nach Stand der Technik bildete man die Zone mit hohem
Widerstand durch andere Verfahren (z.B. Siebdruck) aus, was zu Überlappungen
zwischen Abschnitten der Verbindung mit niedrigem und Abschnitten
mit hohem spezifischem Widerstand führte. Die Überlappungen, die einen mittleren
spezifischen Widerstand aufweisen, dissipieren unnötig einen
Teil der Energie, was zu einer Verringerung der Leistung der Sicherung
führt.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zum Aktivieren (Durchschmelzen)
der Sicherung infolge des gesteigerten thermischen Widerstands zwischen
der Verbindung und der Leiterplatte weniger Energie verbraucht wird.
Dies bedeutet, dass der elektrische Widerstand der Sicherung und
der Spannungsabfall über
der Sicherung und somit die Verlustleistung der Sicherung reduziert
werden. Insbesondere kann man eine derartige Sicherung unter Verwendung
von per se bekanntem Standard-Aluminiumoxidsubstrat realisieren.
Daher besteht keine Notwendigkeit zur Verwendung der zuvor beschriebenen
speziellen Materialien, die in der Elektronikbranche nicht gängig sind.
In diesem Falle können
die Sicherungen unter Verwendung herkömmlicher Dickschicht-, Dünnschicht-
oder Metallschichttechnologie hergestellt werden.
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Dem
Fachmann ist offenkundig, dass die Sicherung gemäß der Erfindung zur Absicherung
beliebiger elektrischer oder elektronischer Schaltungen und Ausrüstung und
insbesondere für
oberflächenmontierbare elektrische
Schaltun gen auf einer Leiterplatte benutzt werden kann. Dazu zählen u.a.
BLDC-Motorantriebe, Festplattenlaufwerke,
wiederaufladbare Batterien, Wartungsschaltungen, LCD-Bildschirme
u.Ä.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung werden jeweils in den abhängigen Ansprüchen kennzeichnend
beschrieben.
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Um
den thermischen Widerstand zwischen der Verbindung und dem Isolatorsubstrat
weiter zu steigern, können
zudem die Vertiefungen, quer zu der Stromausbreitungsrichtung durch
der Verbindung gesehen, in den Sockel hinein bis unter die Verbindung
erweitert werden, um die Dicke des Sockels (der Trennwand) weiter
zu verringern.
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Des
Weiteren wird vorgeschlagen, die Vertiefungen mit einem Verstärkungsmaterial
auszufüllen,
um den Sockel und der darauf angeordneten elektrisch leitenden Verbindung
vor mechanischen Beschädigungen zu
schützen.
Zu diesem Zweck kann der Fachmann in Abhängigkeit der Materialien von
Isolatorsubstrat und Verbindung geeignete Materialien mit besonders
niedriger thermischer Leitfähigkeit
auswählen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, die Verbindung mit dem Verstärkungsmaterial
zu überdecken,
um so sowohl mechanische Beschädigungen
der Verbindung als auch eine teilweise Wiedererlangung seiner elektrischen
Leitfähigkeit nach
der Aktivierung der Sicherung zu vermeiden.
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Außerdem kann
eine zusätzliche
Schutzbeschichtung bereitgestellt werden, die die Verbindung und das
Verstärkungsmaterial
vollständig überdeckt
und die Elektroden teilweise überdecken
kann. Diese Beschichtung schützt
die Sicherung gegen widrige Umgebungen und verhindert die Emission
von Verbrennungsprodukten bei der Aktivierung der Sicherung. Geeignete
Materialien zum Schutz gegen die Umgebung sind dem Fachmann bekannt.
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Es
wird vorgeschlagen, in einer ersten Ausführungsform einen zentralen
Abschnitt der Verbindung zwischen den zwei Elektroden zu verschmälern. Das
bedeutet, dass die Querschnittsfläche der Verbindung auf diesem
zentralen Abschnitt verringert wird, um den elektrischen Widerstand
des zentralen Abschnitts zu steigern. Dem Fachmann ist es möglich, einen
solchen Aufbau auszubilden. Die Verbindung kann aus dem gleichen
Material gebildet werden wie die Elektroden und wird vorzugsweise
einteilig mit den Elektroden hergestellt. Andernfalls kann er (d.
h. die gesamte Verbindung oder nur der zentrale Abschnitt) aus einem
Material mit einem spezifischen Widerstand ausgebildet werden, der
höher ist
als derjenige der Elektroden, um bei Sicherungen mit niedrigem Nennstrom
eine zum Aktivieren (Durchschmelzen) ausreichende Wärmedissipation bereitzustellen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann die Verbindung auf einem zentralen Abschnitt, der so kurz wie
möglich
gehalten wird, störstellendotiert
werden, um zusätzlich
einen höheren
thermischen Widerstand zwischen dem Wärme dissipierenden Abschnitt
der Verbindung und der Leiterplatte zu erzielen.
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Zur
Herstellung der Sicherung wird vorgeschlagen, die Anschlusselektroden
und die Verbindung dazwischen auf der Oberseite eines elektrischen
Isolatorsubstrats anzubringen, dessen Material vom Fachmann ausgewählt werden
kann. In diesem Fall können
die Anschlusselektroden und der Verbindung gleichzeitig und einteilig
als eine einzelne Struktur ausgebildet werden, oder sie können nacheinander
ausgebildet werden, insbesondere, falls sie aus unterschiedlichen
Materialien mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen hergestellt
werden. Im letztgenannten Fall kann die Verbindung verschmälert und/oder
auf seinem zentralen Abschnitt störstellendotiert aufgebaut werden.
Zu diesem Zweck können
verschiedene Verfahren benutzt werden, wie etwa Dickschichttechnologie
(z. B. Siebdruck mit leitenden Lacken), Dünnschichttechnologie (z. B.
Lithographie kombiniert mit Metallschichtsputtern) oder Metallschichttechnologie
(z. B. Ätzen
von metallkaschierten Substraten).
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Insbesondere
können
abhängig
von dem gewählten
Verfahren nach jeweils einem oder mehreren Prozessschritten Wärmebehandlungen
ausgeführt
werden, um die Diffusion zwischen unterschiedlichen Materialien
zu verbessern, insbesondere bei einer störstellendotierten Verbindung.
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Anschließend werden
zwei Vertiefungen aufgebaut bzw. seitlich und unter der Verbindung
eingeschnitten. Zu diesem Zweck kann z. B. ein dem Fachmann bekanntes
Laserverfahren benutzt werden. Insbesondere ist es möglich, die
Vertiefungen bis unter der Verbindung zu erweitern, um die Breite
des Sockels (der Trennwand) zu verringern.
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Die
Vertiefungen können
mit einem Verstärkungsmaterial
ausgefüllt
werden, welches die Verbindung von der Oberseite her überlappen
kann. Zu diesem Zweck kann ein dem Fachmann bekanntes Siebdruck- oder
Dispensing-Verfahren
benutzt werden. Hierfür
geeignete Materialien (z. B. Glas) müssen eine niedrige thermische
Leitfähigkeit
und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen. Falls das
Verstärkungsmaterial
die Verbindung überlappt,
kann es den Lichtbogen bei der Aktivierung der Sicherung unterdrücken und anschließend verhindern,
dass die durchgebrannte Verbindung wieder elektrisch leitend wird.
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Anschließend kann
zudem über
das Siebdruckverfahren oder durch Dispensen eine die gesamte Sicherung
abdeckende Schutzschicht aufgebracht werden, die aus einem hierfür geeigneten
Material besteht. Diese Schicht schützt die Sicherung gegen widrige
Umgebungsbedingungen und verhindert insbesondere die Emission von
Verbrennungsprodukten beim Aktivieren der Sicherung.
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Es
versteht sich, dass solche Sicherungen auf einem gemeinsamen Substrat
in Serie gefertigt werden. In einem speziellen Schritt des Herstellungsprozesses
werden sie vereinzelt, und ihre Anschlusselektroden werden (falls
notwendig) beispielsweise mit Nickel und/oder Lot plattiert.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen aus den folgenden Figuren
im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Sicherung nach Stand der Technik,
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2a, 2b Sicherungen
nach Stand der Technik,
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3a, 3b die
vorgeschlagene Sicherung in verschiedenen perspektivischen Ansichten,
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4a bis 4d weitere
Ausführungsformen
der Sicherung.
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Eine
Sicherung 100 nach Stand der Technik, wie in 1 und 2 gezeigt, weist ein elektrisches Isolatorsubstrat 1 auf,
auf welchem Elektroden 2 angeordnet sind. Die Elektroden
sind über
eine Verbindung 3 miteinander verbunden. Ein elektrischer
Strom fließt
durch die Elektroden 2 und die Verbindung 3. Die
Verbindung 3 schmilzt (brennt durch), wenn die Stromstärke einen
festgelegten Wert übersteigt,
und dadurch wird der elektrische Stromfluss unterbrochen.
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In 1 verfügt die Verbindung 3,
in der durch den Pfeil bezeichneten Stromflussrichtung durch die Sicherung 100 gesehen, über einen
verschmälerten
Abschnitt 4.
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In 2 besteht die Verbindung 3 aus
einem Material, das einen höheren
spezifischen Widerstand aufweist als dasjenige der Elektroden 2,
um einen zur Aktivierung der Sicherung bei einem vergleichsweise niedrigen
Nennstrom ausreichenden Leistungsverlust in der Verbindung 3 sicherzustellen.
In diesem Fall kann das Material der Verbindung 3 entweder,
wie in 2a gezeigt, vor dem Material
der Elektroden 2 oder, wie in 2b gezeigt,
danach auf das Isolatorsubstrat 1 aufgebracht werden, wobei
die Verbindung 3 entsprechend entweder über oder unter den Elektroden 2 angeordnet
ist. In beiden Fällen
erhält
man überlappende
Bereiche 10 zwischen der Verbindung 3 und den
Elektroden 2. Der spezifische Widerstand ist aufgrund des
Ineinanderdiffundierens der Materialien von Verbindung und Elektroden
in der Überlappung 10 höher als
in einem nicht überlappten
Bereich der Elektrode 2. Dies bewirkt unnötige Leistungsverlisten
in den Überlappungen
und führt dazu,
dass die Kennlinien der in 2 gezeigten
Sicherungen minderwertiger sind als die Kennlinien einer ohne diese Überlappung
aufgebauten Sicherung.
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Der
grundlegende Aufbau der Sicherung 100 gemäß der Erfindung
ist aus 3a, 3b ersichtlich. Im
Wesentlichen besteht sie aus einem elektrischen Isolatorsubstrat 1,
auf dem Elektroden 2 aufgebraucht sind, die aus einem elektrisch
leitenden Material bestehen. Aus der perspektivischen Ansicht von
oben in 3 geht hervor, dass die Verbindung 3 zwischen
den Elektroden 2 einen verschmälerten Abschnitt 4 aufweist.
In Stromflussrichtung S durch die Sicherung 100 wie von
dem Pfeil gezeigt gesehen, werden Vertiefungen 5 in dem
Isolatorsubstrat seitlich und unterhalb des Abschnitts 4 ausgebildet.
Die Vertiefungen bilden einen Sockel 6 (Trennwand) direkt
unterhalb des Abschnitts 4.
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Wie
aus der Längsschnittansicht
A-A unten links in 3a ersichtlich, können die
Verbindung 3 mit seinem mittleren Abschnitt 4 sowie
ein Teil der Elektroden 2 von einem Verstärkungsmaterial 7 und
einer Schutzbeschichtung 8 überdeckt sein.
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Aus
der Querschnittansicht B-B unten links in 3a ist
ersichtlich, dass das Verstärkungsmaterial 7 den
Abschnitt 4 überlappt
und zusätzlich
mit einer Schutzschicht 8 bedeckt ist. Ein Strom S fließt hier
senkrecht zur Zeichnungsebene.
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Aus 3b sind
die Abmessungen h × 2a × 2b des
Sockels 6 ersichtlich.
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4a bis 4c zeigen
Draufsichten auf verschiedene Realisierungen der vorgeschlagenen
Sicherungen 100, wobei jeweils der Abschnitt 4 störstellendotiert
ist. In der in 4d gezeigten Realisierung liegt keine
Dotierung vor. Um die Zeichnungen zu vereinfachen, ist das Isolatorsubstrat 1 nicht
gezeigt. Die Vertiefungen 5 können entweder mit ungefähr gleicher
Länge und
Breite, wie in
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4a gezeigt,
oder als Vertiefungen nach Art einer Einkerbung mit wesentlich größerer Länge als Breite,
wie in 4b bis 4d gezeigt,
konstruiert werden.
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In 4d wird
die Verengung 4 von zwei Vertiefungen 5 gebildet,
die im Wesentlichen quer zu der Richtung der Verbindung verlaufen.
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Die
Störstellendotierung
eines gewünschten
Teils der Sicherung 100, insbesondere des Abschnitts 4, kann
vom Fachmann in einer an sich bekannten Art und Weise realisiert
werden.
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Im
Folgenden wird gezeigt, dass die Verringerung der Abmessungen der
wärmeerzeugenden
Zone in der Sicherung 100 zu einer Steigerung des thermischen
Widerstands des Substrats der Sicherung führt.
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Wenn
die Außenabmessungen
der wärmeerzeugenden
Zone wesentlich kleiner als die Abmessungen des Substrats sind,
kann die maximale Temperatur in der Zone mittels des bekannten Ausdrucks
für die
maximale Temperatur in einem Rechteck mit den Abmessungen 2a × 2b, das
auf der Oberfläche
eines Halbkörpers mit
dem spezifischen thermischen Widerstand K bei konstanter Nennleistung
W je Einheitsfläche
stationär Wärme erzeugt,
ermittelt werden (siehe H. S. Carslaw und J. C. Jaeger, Conduction
of heat in solids, Oxford at the Clarendon Press, 1959, Seite 265): Tmax = 2W/πK[a·sinh–1(b/a)
+ b·sinh–1 (a/b)]
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Der
thermische Widerstand eines Halbkörpers, mit dem der thermische
Widerstand Rt (sub ) des Substrats der Sicherung angenähert wird,
ist durch das Verhältnis
von maximaler Temperatur zu erzeugter Leistung gegeben: Rt sub = Tmax/2a2bW
= 1/2πK[1/b·sinh–1(b/a)
+ 1/a·sinh–1(a/b))
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Durch
Ableiten der obigen Gleichung lässt
sich beweisen, dass der thermische Widerstand des Substrats umso
höher ist,
je kleiner die Abmessungen a und/oder b sind: ∂Rt sub/∂a = –1/2πKa2·sinh–1(a/b) < 0 ∂Rt sub/∂b = –1/2πKb2·sinh–1(a/b) < 0
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Dies
bietet die Rechtfertigung zum Verringern der Abmessungen der wärmeerzeugenden
Zone in der Sicherung 100.
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Der
effizienteste Weg zum Verringern der wärmeerzeugenden Zone in Längsrichtung
entlang der Verbindung 3 ist die Störstellendotierung. Sie verhindert
die Ausbildung von Überlappungen 10 mit
einem mittleren spezifischen Widerstand zwischen Strukturen mit
hohem und Strukturen mit niedrigem spezifischem Widerstand. Daher
kann die Abmessung der Struktur mit hohem spezifischem Widerstand
in Längsrichtung
entlang der Verbindung 3 bis auf die Auflösungsgrenze
der Strukturierung verringert werden. Im Falle einer Ausführung nach
Stand der Technik, in welcher Strukturen mit hohem spezifischem
Widerstand solche mit niedrigem spezifischem Widerstand überlappen,
muss die absolute Justiergenauigkeit zu der Auflösungsgrenze der jeweiligen
Technologie addiert werden, um die minimale Abmessung der wärmeerzeugenden
Zone festzulegen.
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Die
wärmeerzeugende
Zone kann in Querrichtung verringert werden, indem in die Verbindung 3 eingeschnitten
wird. Dieser Vorgang des Einschneidens kann mit dem zuvor beschriebenen
Prozess der Sockelausbildung kombiniert werden, wenn gleichzeitig
sowohl in die Verbindung als auch in das Substrat eingeschnitten
werden soll.
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Ein
weiterer Weg zum Steigern des thermischen Widerstandes des Substrats
der Sicherung 100 umfasst das Einschneiden in die Oberfläche des
Substrats der Sicherung von beiden Seiten der Verbindung 3 und das
dadurch bedingte Ausbilden eines Sockels 6 unter dem mittleren
Abschnitt 4 der Verbindung 3, wie in 3a und 3b gezeigt.
Der Sockel ist ein Parallelepiped mit den Abmessungen 2a × 2b × h. Falls
b/a » 1
gilt, kann die Wärmeübertragung
durch den Sockel 6 in Längsrichtung
S entlang der Verbindung 3 vernachlässigt werden. Es kann davon
ausgegangen werden, dass der gesamte Wärmefluss durch den Sockel 6 senkrecht
zur Substratoberfläche
verläuft.
Daher kann der thermische Widerstand Rt (ped) des Sockels 6 wie folgt berechnet
werden: Rt (ped) =
h/2a2bK = h/4abK
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Der
Sockel 6 überträgt Wärme in Reihe
zum Rest des Substrats 1 und kann wesentlich zum thermischen
Gesamtwiderstand beitragen. Zunächst
wird das Verhältnis
(Rt (sub) + Rt (ped))/Rt (sub) betrachtet.
Dies ist das Verhältnis
von zwei thermischen Widerständen:
erstens von dem thermischen Widerstand Rt (sub) + Rt (ped) des Substrats 1 mit Vertiefungen
und zweitens von dem thermischen Widerstand Rt (sub) eines Substrats 1 ohne Vertiefungen
(mit glatter Oberfläche). (Rt (sub) +
Rt (ped))/Rt (sub) =
1 +
(h/4abK)/{1/2πK[1/b·sinh–1(b/a)
+ 1/a·sinh–1(a/b)]}
=
1 + 0.5π[(b/a)/(h/a)·sinh–1(b/a)
+ (b/a)/(h/a)·sinh–1(a/b)]–1
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Tabellieren
des Verhältnisses
(R
t (sub) + R
t (ped))/R
t (sub) führt zu folgendem
Ergebnis:
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Aus
der obigen Tabelle folgt, dass der Sockel 6 für eine signifikante
Steigerung des thermischen Widerstands des Substrats 1 der
Sicherung 100 bis zu einem Vielfachen des ursprünglichen
Werts sorgt.
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Selbstverständlich ist
das Sockeldesign nicht auf den Fall eines gleichförmigen Substrats 1 beschränkt. Wenn
das Substrat 1 teilweise oder vollständig mit einem weiteren Material
mit einer thermischen Leitfähigkeit,
die niedriger als die des Grundmaterials ist, beschichtet ist, steigert
der unter dem mittleren Abschnitt 4 der Verbindung 3 aufgebaute
Sockel 6 ebenso den thermischen Widerstand dieses Substrats.
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- 100
- Sicherung
- 1
- Isolatorsubstrat
- 2
- Elektrode
- 3
- Verbindung
- 4
- Mittlerer
Abschnitt/Verengung
- 5
- Vertiefung
- 6
- Sockel
- 7
- Verstärkungsmaterial
- 8
- Schutzbeschichtung
- 10
- Überlappung
- S
- Stromflussrichtung
- a,
b, h
- Abmessungen
des Sockels 6
