-
Die Erfindung betrifft ein Bauelement
mit einem internen Leiterzug, der so ausgebildet ist, daß er an
einer vorgegebenen Stelle unter Bildung eines Lichtbogens durchtrennt
wird, sofern vorgegebene Strom/Spannungsbedingungen an Anschlüssen des Bauelements
auftreten.
-
Ein Bauelement der eingangs genannten
Art ist beispielsweise ein Schmelzsicherungsbauelement in der Ausführung als
Chipsicherung. wenn der Stromfluß durch die Chipsicherung für eine vorgegebene
Dauer einen Maximalwert überschreitet,
kann es zu einem Abschalten der Sicherung, d.h. zu einem Durchtrennen
eines Schmelzleiters kommen. Beginnend an der Trennstelle bildet
sich in dem Sicherungsbauelement ein Lichtbogen aus, der einen fortgesetzten
Stromfluß zwischen
den Anschlüssen
der Chipsicherung trotz des durchtrennten Schmelzleiters ermöglicht.
Der Lichtbogen und der dadurch fortgesetzte Stromfluß sind unerwünscht. Insbesondere kann
es im Kurzschlußfall
bei sehr hohen, über
den Lichtbogen transportierten Strömen zu unerwünschten
Zerstörungen
des Sicherungsbauelements und der umgebenden Schaltung kommen. Deshalb
ist zumindest eine Begrenzung des im Kurzschlußfall beim Abschalten über den
Lichtbogen fließenden
Stromes erwünscht.
Eine solche Strombegrenzung könnte beispielsweise
durch einen in Reihe zu dem Sicherungsbauelement geschalteten Widerstand
realisiert werden. Ein solcher Vorwiderstand wäre aber im normalen Betriebsfall
bei intakter Sicherung störend, weil
ein möglichst
geringer Widerstand des Sicherungsbauelement erwünscht ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Bauelement zu schaffen, mit dem ein Sicherungsbauelement herstellbar
ist, bei dem ein verringerter Stromfluß im Falle des Abschaltens möglich ist,
ohne die Betriebsparameter im normalen Betrieb (vor dem Abschalten)
negativ zu beeinflussen.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Bauelement der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in dem Bauelement ein Schaltungselement
so angeordnet ist, daß ein
an der vorgegebenen Stelle erzeugter Lichtbogen derart auf das Schaltungselement
einwirken kann, daß das
Schaltungselement dabei seine elektrischen Eigenschaften ändert.
-
Kerngedanke der Erfindung ist es,
die beim Abschalten durch den Lichtbogen freiwerdende Energie derart
zu nutzen, daß damit
die elektrischen Eigenschaften eines Schaltungselements eines Bauelements
in einer gewünschten
Weise geändert
werden, also das Bauelement umkonfiguriert wird. Im einfachsten
Fall kann das Bauelement ein Zweipol mit zwei Anschlüssen sein,
wobei die durch den Lichtbogen bewirkte Änderung der elektrischen Eigenschaften
des Schaltungselements zu einem geänderten Zweipolverhalten des
Bauelements führt. Bei
einer (nachfolgend nicht näher
erörterten)
alternativen Ausführungsform
könnten
der durch den Lichtbogen durchtrennte interne Leiterzug und das Schaltungselement,
dessen elektrische Eigenschaften geändert werden, mit separaten
Anschlüssen
des Bauelements verbunden sein.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Bauelement ein Schichtbauelement, bei dem der Leiterzug
und das Schaltungselement aus strukturierten Schichten auf einem
Substrat gebildet sind. Beispielsweise handelt es sich um Dickschicht-Leitschichten
und -Widerstandsschichten.
-
Das durch den Lichtbogen umkonfigurierte Schaltungselement
kann beispielsweise ein beliebiger Zweipol sein. Bei einer Ausführungsform ändert dieser
Zweipol beim Einwirken des Lichtbogens seinen elektrischen Widerstand;
vorzugsweise wird der Widerstand erhöht. Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform,
ist das Schaltungselement ein zweiter Leiterzug, der beim Einwirken
des Lichtbogens durchtrennt wird. Bei dieser Ausführungsform wird
sozusagen zunächst
der in terne Leiterzug unter Bildung des Lichtbogens durchtrennt
und dann infolge dieses Lichtbogens der zweite Leiterzug ebenfalls durchtrennt.
Um eine energetisch günstige
Einwirkung des Lichtbogens auf den zweiten Leiterzug zu ermöglichen,
kreuzt der zweite Leiterzug vorzugsweise den internen Leiterzug
an der vorgegebenen Stelle, an der der interne Leiterzug unter Bildung
des Lichtbogens durchtrennt wird.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform
des Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bauelement parallel
zu dem zweiten Leiterzug, auf den der Lichtbogen einwirken kann,
ein Widerstandselement geschaltet ist. Die so gebildete Parallelschaltung
hat vor der Einwirkung des Lichtbogens einen sehr geringen Widerstand
und nach der Einwirkung des Lichtbogens den Widerstand des Widerstandselements
allein. Vorzugsweise ist diese Parallelschaltung aus Schaltungselement
und Widerstandselement in Reihe zu dem internen Leiterzug, der unter
Bildung des Lichtbogens durchtrennt wird, geschaltet. Diese Reihenschaltung
hat vor Ausbildung eines Lichtbogens einen sehr geringen Widerstand,
nämlich
den der Reihenschaltung des internen Leiterzugs und des zweiten
Leiterzugs. Unter vorgegebenen Strom/Spannungsbedingungen an den
Anschlüssen
des Bauelements, beispielsweise dann, wenn ein hoher Strom fließt, wird
der interne Leiterzug unter Bildung des Lichtbogens durchtrennt.
Dabei wird der zweite Leiterzug ebenfalls durchtrennt. Infolgedessen
wird das Widerstandselement in Reihe zu dem noch bestehenden Lichtbogen
des internen Leiterzugs geschaltet. Das Widerstandselement begrenzt
dann den Stromfluß durch
den Lichtbogen.
-
Die letztgenannte Ausführungsform
wird vorzugsweise als Sicherungsbauelement verwendet, wobei der
interne Leiterzug unter Bildung eines Lichtbogens durchtrennt wird,
sofern ein Strom durch den Leiterzug einen Höchstwert für eine zugehörige Höchstdauer überschreitet.
Eine "Abschaltung" (Durchtrennung)
kann bei unterschiedlichen Strömen erfolgen,
wobei bei höheren
Stromwerten eine geringere Stromflußdauer bis zum Abschalten erforderlich ist.
Ein solches Sicherungsbauelement hat den Vorzug, daß im Fall
des Abschaltens mit einem dabei entstehenden Lichtbogen ein widerstand
in den Strompfad geschaltet wird. Der Widerstand (d.h. das Widerstandselement)
muß dabei
unter Berücksichtigung
der Verlustleistung so ausgelegt sein, daß der Kurzschlußstrom auf
einen Bruchteil begrenzt wird, der eine wesentlich geringere Beanspruchung
des Bauelements und der umgebenden Schaltung bewirkt.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist
das zum zweiten Leiterzug parallel geschaltete Widerstandselement
einen Widerstand zwischen 5Ω und
20Ω auf.
Die Dimensionierung des Widerstandselements, sowohl hinsichtlich
des ohmschen Widerstands als auch seiner maximalen Verlustleistung, hängt vom
Einsatzfall des Sicherungsbauelements, insbesondere vom Abschaltstrom
und der maximal anliegenden Spannung ab.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
des Sicherungsbauelements sind der interne und der zweite Leiterzug
und das Widerstandselement aus strukturierten Schichten auf einem
Substrat gebildet, wobei der interne Leiterzug über einem Abschnitt des zweiten
Leiterzugs angeordnet und von diesem durch eine elektrisch isolierende
Schicht getrennt ist. Beispielsweise kreuzt der interne Leiterzug
den mit einer Isolatorschicht überdeckten
zweiten Leiterzug.
-
Vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
-
1A eine
schematische Darstellung der wesentlichen Elemente des Layouts eines
erfindungsgemäßen Sicherungsbauelements
in normalen Betrieb;
-
1B ein
Schaltbild des Sicherungsbauelements gemäß 1A;
-
2A eine
schematische Darstellung der wesentlichen Elemente des Layouts des
Sicherungsbauelements gemäß 1A nach der Ausbildung eines
Lichtbogens beim Durchtrennen des Sicherungsbauelements; und
-
2B ein
Prinzipschaltbild des Sicherungsbauelements gemäß 2A nach Ausbildung des Lichtbogens.
-
1A zeigt
eine schematische Draufsicht auf die Oberseite eines Bauelements 1.
Auf der Oberseite eines Substrats 2, beispielsweise eines Al2O3-Substrats oder
eines anderen Keramiksubstrats, sind eine Reihe von Schichten (vorzugsweise
in Dickschichttechnik) aufgebracht. 1A stellt
nur die für
die Erfindung wesentlichen Schichten dar. Neben den dargestellten
Schichten können
eine Reihe weiterer Schichten unter, zwischen oder über den dargestellten
Schichten aufgebracht sein, beispielsweise Isolator-, Abdeck-, Schutzschichten
und Schichten, die die Wärmeableitung
beeinflussen. Auf dem Substrat 2 ist zunächst eine
erste leitfähige Schicht 5 aufgebracht
und strukturiert, die neben den Anschlußflächen 6 und 7 einen
quer zur Längsrichtung
des Substrats 2 verlaufenden Leiterzug 8 umfaßt. Der
Leiterzug 8 ist Teil einer U-förmigen Leiterzugschleife in
der leitfähigen
Schicht 5. Über
der leitfähigen
Schicht 5 ist eine Widerstandsschicht 9 aufgebracht,
die so strukturiert ist, daß ein
etwa rechteckiger Bereich der Widerstandsschicht die Schenkel der
U-förmigen
Leiterzugschleife an deren oberen Enden verbindet. D.h., zwischen
der leitfähigen Schicht 5 und
der Widerstandsschicht 9 ist ein elektrischer Kontakt hergestellt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
könnte
die Widerstandsschicht 9 auch unter der leitfähigen Schicht 5 angeordnet sein.
Durch diese Anordnung der strukturierten Widerstandsschicht 9 und
der strukturierten Leitschicht 5 entsteht eine Parallelschaltung
zwischen einem Widerstand und einer U-förmig ausgebildeten Leiterzugschleife,
wobei ein Anschluß der
Parallelschaltung direkt mit der Kontaktfläche 6 verbunden ist.
-
Über
der leitfähigen
Schicht 5 wird eine (in 1a nicht
dargestellte) elektrisch isolierende Schicht und auf dieser Isolatorschicht
wenigstens eine weitere strukturierte Leitschicht 3 aufgebracht. Die
weitere Leitschicht 3 ist so strukturiert, daß sie einen
Leiterzugstreifen bildet, der an seinem einen Ende die Kontaktfläche 7 überlappt
und an seinem anderen Ende den U-förmigen Leiterzug überlappt. In
beiden Überlappungsbereichen
ist ein Fenster in der zwischen der Leitschicht 5 und der
wenigstens einen weiteren Leitschicht 3 angeordneten Isolatorschicht
ausgebildet, so daß an
diesen Stellen Kontakte zwischen der Leitschicht 5 und
der Leitschicht 3 hergestellt werden können. Der Kontakt der Leitschicht 3 zu
der darunter angeordneten Leitschicht 5 im U-förmigen Leiterzugbereich
befindet sich an demjenigen Ende der U-förmigen Leiterzugschleife, das
den nicht mit der Kontaktfläche 6 verbundenen Knoten
der Parallelschaltung von Widerstandsschicht 9 und U-förmiger Leiterzugschleife
bildet. Darüber
hinaus kreuzt ein Abschnitt 4 der wenigstens einen weiteren
Leitschicht 3 den Leiterzug 8. Der den Leiterzug 8 kreuzende
Abschnitt 4 der Leitschicht 3 ist durch die Isolatorschicht
von dem Leiterzug 8 getrennt. Darüber hinaus ist der Abschnitt 4 der
wenigstens einen Leitschicht 3 als Schmelzleiterelement ausgebildet,
beispielsweise (wie es in 1A dargestellt
ist) von geringerer Breite als der Rest des in der Leitschicht 3 gebildeten
Leiterzugs. Der das Schmelzleiterelement bildende Abschnitt 4 in
der wenigstens einen Leitschicht 3 kann beispielsweise
einen Silber enthaltenden Dickschichtleiter und zusätzlich eine
darauf aufgebrachte Lotschicht enthalten.
-
1B zeigt
ein Schaltbild der in 1A schematisch
dargestellten Anordnung. Die Kontaktflächen 6 und 7 entsprechen
den Anschlüssen 16 bzw. 17.
Die U-förmige
Leiterzugschleife in der Leitschicht 5 entspricht der Kurzschlußverbindung 18. Das
in der Widerstandsschicht 9 ausgebildete Widerstandselement
entspricht dem Widerstand R 19.
-
Das in der wenigstens einen zweiten
Leitschicht 3 im Abschnitt 4 ausgebildete Schmelzleiterelement
entspricht dem Schmelzleiterelement 14 in 1B.
-
Im normalen Betrieb, bei dem die
das Bauelement 1 durchfließenden Ströme ausreichend gering sind,
so daß das
Schmelzleiterelement 14 intakt bleibt, fließt der Strom
im wesentlichen über
die Kurzschlußverbindung 18 und
das Schmelzleiterelement 14 zwischen den Anschlüssen 16 und 17.
Das Bauelement 1 hat einen geringen ohmschen Widerstand.
-
Wenn der Stromfluß durch das Bauelement 1 eine
bestimmte Stromstärke
für eine
vorgegebene Zeitdauer überschreitet,
wird das Schmelzleiterelement 14, d.h. der Abschnitt 4 in
der Leitschicht 3, durchtrennt. Der Vorgang des Durchtrennens
(Abschaltens) hängt
vom Aufbau des Schmelzleiterelements ab. Wenn beispielsweise eine
Silberpartikel enthaltende Leitschicht 3 an einer vorgegebenen Stelle
von einer Lotschicht (die Zinn und Blei enthält) überdeckt ist und wenn das Fließen des
Stromes ein Aufheizen des Bauelements bewirkt, so wird die Leitschicht
aufgrund eines komplexen Vorgangs durchtrennt, der mit dem Schmelzen
des Lotmetalls, dem Eindiffundieren des Metalls in die Silberschicht,
der Erhöhung
des spezifischen Widerstands der Leitschicht, der lokalen Aufheizung
und dem Verdampfen des Leitschicht einhergeht. In anderen Fällen, bei denen
das Schmelzleiterelement lediglich eine Leitschicht enthält, wird
der Vorgang des Durchtrennens vorrangig vom Verdampfen des Leitschichtmaterials infolge
lokaler Erhitzung bestimmt. In jedem Fall kommt es zu einer lokalen
Durchtrennung der Leitschicht 3 im Abschnitt 4,
wobei sich an der Trennstelle ein Lichtbogen ausbildet, mit dessen
Hilfe ein fortgesetzter Stromfluß bei durchtrennter Leitbahn
ermöglicht
wird. Der Lichtbogen bewirkt ein weiteres Verdampfen der an den
beiden Enden des Lichtbogens befindlichen Leitschichtbereiche der
Schicht 3, wobei sich die verbleibenden Enden der Leitschicht, zwischen denen
der Lichtbogen ausgebildet ist, weiter voneinander entfernen, wobei
sich der Lichtbogen verlängert.
-
In den 2A und 2B ist schematisch das in 1A gezeigte Sicherungsbauelement 1 bzw.
die in 1B dargestellte
Schaltung für
den Fall dargestellt, daß sich
ein Lichtbogen 10 im Bereich des durchtrennten Abschnitts 4 der
Leitschicht ausgebildet hat. Während
der Lichtbogen 10 das Material des Abschnitts 4 verdampft,
führt die
Energie des Lichtbogens gleichzeitig zu einem Verdampfen des Materials
der darunterliegenden Isolatorschicht und eines Teils des unter
der Isolatorschicht liegenden Materials der Leitschicht 5 im
Leiterzug 8. Durch Einwirken des Lichtbogens 10 wird
der Leiterzug 8 schließlich durchtrennt.
Die Dicke der Isolatorschicht zwischen Leitschicht 3 und
Leitschicht 5 im Bereich des Leiterzugs 8 muß dabei
so gewählt
werden, daß sie
einerseits eine ausreichende elektrische Isolation zur Verfügung stellt,
andererseits möglichst
dünn ist,
um ein Einwirken eines möglichst
hohen Anteils der Lichtbogenenergie auf die Leitschicht 5 des
Leiterzugs 8 zu ermöglichen.
Außerdem
muß die
Kombination aus Leitschicht 5 (im Leiterzugbereich 8)
und Isolatorschicht so ausgebildet sein, daß ein Zünden eines Lichtbogens zwischen
dem mit dem Anschluß 6 verbundenen
Abschnitt des unterbrochenen Leiterzugs 8 und dem mit dem
Anschluß 7 verbundenen
Abschnitt der Leitschicht 3 vermieden wird. Dies kann durch
eine geeignete Layoutgestaltung und Isolatorschichtdicke erreicht
werden.
-
2B zeigt
das Schaltbild, das sich ergibt, wenn der Lichtbogen 10 gezündet ist
und der Leiterzug 8 bereits durchtrennt ist. Die zum Widerstand 19 parallel
geschaltete Kurzschlußverbindung 18 ist durchtrennt,
so daß zwischen
den Anschlüssen 16 und 17 der
Widerstand R19 in Reihe zu dem Lichtbogen 10 geschaltet
ist. Der Widerstand R begrenzt somit den über dem Lichtbogen 10 fließenden Strom. Die
Dimensionierung des Widerstands 19, sowohl hinsichtlich
des sich ergebenden ohmschen Widerstands R als auch hinsichtlich
der Stromaufnahmefähigkeit
(maximale Verlustleistung) hängt
von mehreren Faktoren ab, die von der zwischen den Kontakten 16 und 17 maximal
anliegenden Spannung und dem gewünschten
Maximalstrom (Kurzschlußstrom)
abhängen.
Bei einer Ausführungsform
könnte
R einen Widerstand zwischen 5 Ω und
20 Ω, beispielsweise 10 Ω, haben.
-
Im Rahmen des Erfindungsgedankens
sind zahlreiche alternative Ausführungsformen
denkbar.
-
Bei der Verwendung des Bauelements
als Sicherungsbauelement könnte
(bei an sich gleichem Schaltbild) das in 1A dargestellte Layout erheblich abgewandelt
werden. Auch die Reihenfolge der Schichtaufbringung könnte geändert sein.
Beispielsweise könnte
der Leiterzug 8 parallel zu dem Abschnitt 4 des
Leiterzugs 3 angeordnet sein oder bei einem U-förmigen Verlauf des Leiterzugs 8 den
Abschnitt 4 zweimal kreuzen. Bei einer alternativen Ausführungsform
könnte
die Energie des Lichtbogens auch genutzt werden, um eine auf dem
Substrat 2 aufgebrachte Schicht zu modifizieren, ohne sie
zu verdampfen. Beispielsweise könnte
die Einwirkung des Lichtbogens eine Erhöhung des Schichtwiderstands
bewirken, beispielsweise durch Legierungseffekte.