DE10297759T5

DE10297759T5 - Schmelzwiderstand und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10297759T5
Application number: DE10297759T
Authority: DE
Inventors: Young Sun Kim; Doo Won Kang; Gyu Jin Ahn; Jin Seok Noh
Original assignee: Smart Electronics Inc
Current assignee: Smart Electronics Inc
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: WO2004006273A1; JP2005532689A; US20050248433A1; EP1563517A1; US7221253B2; AU2002318492A1; DE10297759B4

Abstract

Schmelzwiderstand mit:
einem Widerstandskörper;
einer Schmelzelement-Schicht, welche den Widerstandskörper umgibt und schmelzbar ist, wenn ein Strom über einen vorbestimmten Stromwert an den Widerstandskörper angelegt wird;
Kappen, welche die Enden der Schmelzelement-Schicht umgeben;
Zuleitungsdrähte, welche an den Kappen angebracht sind; und
einer isolierenden Schicht zum Isolieren der Schmelzelement-Schicht und der Kappen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schmelzwiderstand und ein Verfahren zu dessen Herstellung und insbesondere auf einen Schmelzwiderstand, der kostengünstig ist und hervorragende elektrische Charakteristika aufweist und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
STAND DER TECHNIK
Im Allgemeinen werden Schmelzwiderstände zum Schutz von Schaltungselementen von elektronischen Vorrichtungen genutzt. Ein Schmelzwiderstand funktioniert bei normalen Lasten wie ein herkömmlicher Widerstand, aber durch seine Schmelzcharakteristika als Schutzschalter in einer abnormalen Überlast-Situation.
Herkömmliche Schmelzwiderstände werden hergestellt durch Überziehen eines Widerstandskörpers mit einem dünnen Film, welcher aus einer Mischung gemacht ist, die aus Kohlenstoff, Zinn-Nickel und/oder Nickel-Chrom besteht, durch elektroloses oder chemisches Beschichten und durch Ausführen einer spiralen Nutung auf der Oberfläche des überzogenen Widerstandskörpers (im Folgenden wird das spirale Nuten-Schneiden als "Trimmen" bezeichnet). Während eine kostengünstige Herstellung von her kömmlichen Schmelzwiderständen möglich ist, ist das Herstellen eines Schmelzwiderstandes mit einem Widerstand geringer als 0,1 Ω, schwierig, aufgrund der Grenzen des Herstellungsprozesses. Weiterhin ist das Herstellen eines Schmelzwiderstandes mit einem Widerstand unter 0,22 Ω sehr schwierig, da die Trimmung ein Ansteigen des Widerstandes des Schmelzwiderstandes hervorruft.
Übersteigt ein Strom, der durch die Schaltung einer elektronischen Vorrichtung fließt, einen vorbestimmten Bereich, so erzeugt ein herkömmlicher Schmelzwiderstand übermäßig Wärme bzw. Hitze. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde vorgeschlagen, den Nennstrom eines Schmelzwiderstandes zu erhöhen, oder eine Mikrosicherung an Stelle des Schmelzwiderstandes zu verwenden. Jedoch resultiert aus dem Erhöhen des Nennstromes eine Erhöhung der Größe des Schmelzwiderstandes. Das Verwenden einer Mikrosicherung ist nicht kosteneffizient, da eine Massenproduktion von Mikrosicherungen aufgrund der strukturellen Eigenschaften von Kleinstsicherungen begrenzt ist und die benötigten Rohmaterialien teuer sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Deswegen ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schmelzwiderstand und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, wobei der Schmelzwiderstand kostengünstig ist und außerordentliche Widerstands- und Schmelzcharakteristika aufweist, ohne dass die Größe des Schmelzwiderstandes vergrößert wird, wenn dessen Nennstrom bzw. Leistung erhöht wird.
In Bezug auf ein Ziel der Erfindung wird ein Schmelzwiderstand bereitgestellt mit einem Widerstandskörper; einer Schicht aus einem schmelzbaren Element, welche den Widerstandskörper um gibt und welche schmelzbar ist, wenn ein Strom über einen vorbestimmten Stromwert an den Widerstandskörper angelegt wird; Kappen, welche die Enden der Schicht aus dem schmelzbaren Element umgeben; Zuleitungsdrähten, welche mit den Kappen verbunden sind; und einer isolierenden Schicht zum Isolieren der Schicht mit dem schmelzbaren Element und der Kappen.
In Bezug auf ein anderes Ziel der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schmelzwiderstandes bereitgestellt, welches die Schritte aufweist: Vorbereiten eines Widerstandskörpers; Bilden einer Schmelzelement-Schicht, welche den Widerstandeskörper umgibt und schmelzbar ist, wenn ein Strom über einen vorbestimmten Stromwert auf den Widerstandskörper angelegt wird; Ausbilden von Kappen, welche die Enden der Schmelzelement-Schicht umgeben; Ausbilden von Zuleitungsdrähten, welche mit den Kappen verbunden sind; und Ausbilden einer isolierenden Schmelzelement-Schicht zum Isolieren der Schmelzelement-Schicht und der Kappen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A bis 1F sind perspektivische Ansichten jedes Schrittes der Herstellung eines Schmelzwiderstandes nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist ein Graph zur Darstellung einer gemessenen Temperatur eines herkömmlichen Schmelzwiderstandes und eines Schmelzwiderstandes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 ist ein Graph zur Darstellung der Strom-Zeit-Charakteristika eines herkömmlichen Schmelzwi derstandes und eines Schmelzwiderstandes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
METHODEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Eine detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1A gezeigt, ist eine leitende Schicht 2 aus einem leitenden Material auf einen Widerstandskörper 1 aufgebracht, welcher die Form eines Stabes aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Widerstandskörper 1 aus einem Material wie hochreiner Keramik gemacht. Das leitende Material der leitenden Schicht 2 weist Nickel-Chrom auf und ist auf den Widerstandskörper 1 durch Beschichtung aufgebracht, z.B. eine elektrolose oder chemische Beschichtung, die in der Herstellung von herkömmlichen Schmelzwiderständen benutzt wird.
Eine Schmelzelement-Schicht 3, welche Schmelzcharakteristika aufweist, ist auf die leitende Schicht 2 aufgebracht (1B). Die Schmelzelement-Schicht 3 schmilzt aufgrund der Wärme, welche erzeugt wird, wenn ein übermäßiger Strom durch den Widerstandskörper 1 fließt. Der Temperaturkoeffizient ist ein kritischer Faktor beim Festlegen der Schmelzcharakteristika. Ist ein Temperaturkoeffizient groß, vergrößert sich der Widerstand der Schmelzelement-Schicht 3 durch die erzeugte Wärme bzw. Hitze, wenn ein Strom, der durch den Widerstandskörper 1 fließt, erhöht wird. Als ein Ergebnis davon erhöht sich die Temperatur der Schmelzelement-Schicht 3 bis zu dem Schmelzpunkt, so dass die Schmelzelement-Schicht 3 schmilzt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Material, welches Kupfer aufweist, als Schmelzelement-Schicht 3 verwendet. Kupfer ist eine hervorragende elektrische Schmelzsicherung aufgrund seines hohen Temperaturkoeffizienten, geringen spezifischen elektrischen Widerstandes und niedrigen Schmelzpunktes. Jedoch kann die Schmelzelement-Schicht 3 aus jeglichem Material hergestellt sein, welches einen Temperaturkoeffizienten von über 2000 ppm/°C und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 × 10^–8 bis 50 × 10^–8Ω·m (Ohmmeter) aufweist.
Die Schmelzelement-Schicht 3 kann durch Beschichtung mittels Elektrolyse auf die leitende Schicht 2 aufgebracht werden. An Stelle einer Beschichtung mit Elektrolyse kann die Schmelzelement-Schicht 3 direkt auf den Widerstandskörper durch Bedampfen aufgebracht werden. Wird die Schmelzelement-Schicht 3 nicht durch Beschichtung mittels Elektrolyse aufgetragen, kann die leitende Schicht 2 weggelassen werden.
Eine Antioxidationsschicht 4 ist zusätzlich auf der Schmelzelement-Schicht 3 aufgebracht, um eine Oxidation der Schmelzelement-Schicht 3 an der Atmosphäre zu verhindern (1C). Zum Beispiel wird die Antioxidationsschicht 4 durch Aufsprühen eines Silberklebers bzw. einer Silberpaste auf die Schmelzelement-Schicht 3 ausgebildet. An Stelle des Aufbringens einer Antioxidationsschicht 4 auf der Schmelzelement-Schicht 3, kann eine Schutzschicht, die beispielsweise aus Silikonfarbe gemacht ist, direkt auf die Schmelzelement-Schicht 3 aufgebracht werden. Jedoch ist das Verwenden einer Antioxidationsschicht 4 vorteilhafter, da die Schmelzelement-Schicht 3 an der Atmosphäre während des Herstellungsprozesses oxidieren kann. Der Widerstand der ersten Struktur 10, welche die drei Schichten 2, 3 und 4 umfasst, ist durch die Art und Dicke der Materialien festgelegt, aus denen jede der drei Schichten 2, 3 und 4 besteht. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Widerstand äußerst gering, ungefähr weniger als 5 mΩ.
Wie in 1D dargestellt, wird eine zweite Struktur 20 durch Ausbilden von Kappen 5 aus einem leitenden Material, wie Eisen, zum Ummanteln beider Enden der ersten Struktur 10, hergestellt. Die Schmelzelement-Schicht 3 ist elektrisch nach außen durch die Kappen 5 über die Antioxidationsschicht 4 verbunden. Der Widerstand der zweiten Struktur 20 wird in einem Bereich von 1 bis 15 mΩ erhalten.
Wie in 1E dargestellt, wird eine dritte Struktur 30 durch Ausbilden von einer spiralen Nut 6, welche die Schichten 2, 3 und 4 durchdringt, hergestellt. Der endgültige Widerstand der dritten Struktur 30 wird üblicherweise in dem Bereich von 20 bis 470 mΩ erhalten. Dieser endgültige Widerstand hängt von dem Widerstand der ersten Struktur 10 und der Anzahl der Trimmungswindungen ab. Insbesondere hängt der endgültige Widerstand nach der Trimmung von der Anzahl der Trimmungswindungen ab. Die Anzahl der Trimmungswindungen ist auf eins bis zwei festgelegt. Da der Widerstand von der Anzahl der Trimmungswindungen abhängt, werden somit Charakteristika in Bezug auf die Nennströme zum Schmelzen und Ähnlichem festgelegt.
Schließlich, wie in 1F dargestellt, wird ein Zuleitungsdraht 7 an einem Ende jeder Kappe 5 durch Schweißen angebracht. Der Zuleitungsdraht 7 verbindet einen Schaltungsträger bzw. ein Schaltungs-Substrat elektrisch mit der Schmelzelement-Schicht 3, wodurch ein resultierender Schmelzwiderstand auf dem Schaltungsträger angebracht werden kann. Der sich ergebende Schmelzwiderstand, d.h. Schmelzwiderstand 40, wird hergestellt durch Ummanteln einer Außenseite der dritten Struktur 30 mit einer isolierenden Farbe, um eine Schutzfilm schicht 8 zu bilden. Hierbei isoliert die Schutzfilmschicht 8 die Schmelzelement-Schicht 3 und die Kappen 5 von der Umgebung und schützt die Komponenten 1 bis 6 des Schmelzwiderstandes 40 vor äußeren Einflüssen. Eine äußere Oberfläche der Schutzfilmschicht 8 ist bevorzugt aus einer nicht brennbaren Farbe ausgebildet, um so einen Nennstrom und ähnliches des Schmelzwiderstandes 40 anzugeben.
Mit Bezugnahme auf 2 wird durch Messung der Temperatur ein herkömmlicher Schmelzwiderstand, hergestellt von Smart Electronics Inc., Korea (Modell Nr. FNS 2W, Nennleistung von 2 Watt (W), Widerstand von 0,47 Ω, 12 mm Länge ohne Zuleitungsdrähte), und ein Schmelzwiderstand nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, hergestellt von Smart Electronics Inc., Korea (Modell Nr. SPF 1W, Nennleistung von 1W, Widerstand von 0,02 Ω und 6,5 mm Länge ohne Zuleitungsdrähte) verglichen. Die Temperatur wird durch Verbinden eines Temperatursensors mit den Zuleitungsdrähten und Ermitteln der Temperatur jedes Schmelzwiderstandes alle fünf Minuten gemessen, wobei ein Strom von 2,5 A an sie angelegt ist. Zur Temperaturmessung wird ein Temperatursensor von Yokogawa Electric Corporation, Japan (Modell Nr. μ1800) angewendet.
Wie in 2 dargestellt, steigt die am herkömmlichen Schmelzwiderstand erzeugte Wärme von 27,5°C auf 105,8°C nach fünf Minuten an, um nach einer Stunde 112,2°C zu erreichen, während die Temperatur eines Schmelzwiderstandes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung von 27,5°C auf nur 34,8°C nach fünf Minuten steigt, um nach einer Stunde nur 36,1°C zu erreichen.
Im Allgemeinen fällt die Temperatur des Schmelzwiderstandes, wenn sein Nennstrom ansteigt. Jedoch sind nach einem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung die Temperatur und ihre Bandbreite des Schmelzwiderstandes merklich geringer als jene eines herkömmlichen Schmelzwiderstandes, ungeachtet davon, dass er eine Nennleistung bzw. einen Nennstrom hat, die/der geringer ist, als die/der des herkömmlichen Schmelzwiderstandes. Mit den oben genannten vorteilhaften Eigenschaften wird der Schmelzwiderstand nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung direkt auf einen Schaltungsträger aufgebracht, um die Größe einer elektronischen Vorrichtung zu reduzieren.
Üblicherweise geht man bei einem herkömmlichen Schmelzwiderstand bei Erhöhung des Nennstromes von einer wesentlichen Erhöhung der Temperatur aus.
In 3 stellen die gepunktete Linie und die durchgezogene Linie Strom-Zeit-Charakteristika dar, in Bezug auf den Widerstand des herkömmlichen Schmelzwiderstandes und des Schmelzwiderstandes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schmelzwiderstände zur Messung der Strom-Zeit-Charakteristika sind identisch mit denen, die zur Messung der Temperatur verwendet wurden, wie weiter oben mit Bezug auf 2 beschrieben.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie weiter oben beschrieben, ermöglicht die Erfindung einen Schmelzwiderstand mit einem sehr geringen Widerstand, z.B. von 20 bis 470 mΩ, durch Aufbringen einer Schmelzelement-Schicht, welche aus einem Material wie Kupfer gemacht ist, das einen Temperaturkoeffizienten von 2000 ppm/°C und einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, auf einen Widerstandskörper. Ein Schmelzwiderstand nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher einen geringen Widerstand hat, überhitzt nicht während einer Überlastung.
Daher kann ein Schmelzwiderstand nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dazu verwendet werden, um einen übermäßigen Strom, in einer Schaltung zur Verhinderung von übermäßigem Strom, zu blockieren, welcher durch ein momentanes kurzes Phänomen einer Diode, eines Kondensators und/oder eines Transistors ausgelöst wird. Weiter kann ein solcher Schmelzwiderstand durch einen oder einen herkömmlichen widerstand ersetzen oder ersetzt werden, der einen Widerstand von 0,1 bis 2 Ω hat, abhängig von dem minimalen Strom auf jeder Leitung einer elektronischen Schaltung. Außerdem kann das Verfahren zur Herstellung des Schmelzwiderstandes nach der Erfindung angewendet werden, ohne zusätzliche Investitionen in Ausrüstung zur Herstellung des Schmelzwiderstandes, da es an herkömmliche Herstellungsverfahren angepasst ist. Demnach weist das Herstellungsverfahren nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine hohe Produktivität auf.
Während die Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, dass viele Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert, abzuweichen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Schmelzwiderstand und ein Verfahren zu dessen Herstellung werden bereitgestellt. Der Schmelzwiderstand hat einen sehr geringen Widerstand von 20 bis 470 mΩ durch das Aufbringen von dünnen Filmen als ein schmelzbares Element, welches aus einem Material mit geringem spezifischem elektrischem Widerstand gemacht ist, so wie Kupfer, mit einem Temperaturkoeffizienten von über 2000 ppm/°C. Der Schmelzwiderstand weist einen Widerstandskörper, eine Schmelzelement-Schicht, die gebildet ist, um den Widerstandskörper zu umschließen; Kappen, die ausgebildet sind, um die Enden der Schmelzelement-Schicht zu umschließen, Zuleitungsdrähte, die an den Kappen angebracht sind und eine isolierende Schicht, um die Schmelzelement-Schicht und die Kappen von der Umgebung zu isolieren, auf. Der so hergestellte Schmelzwiderstand erlaubt alle Verwendungsfunktionen ohne die Erzeugung von übermäßiger Wärme.

Claims

Schmelzwiderstand mit: einem Widerstandskörper; einer Schmelzelement-Schicht, welche den Widerstandskörper umgibt und schmelzbar ist, wenn ein Strom über einen vorbestimmten Stromwert an den Widerstandskörper angelegt wird; Kappen, welche die Enden der Schmelzelement-Schicht umgeben; Zuleitungsdrähte, welche an den Kappen angebracht sind; und einer isolierenden Schicht zum Isolieren der Schmelzelement-Schicht und der Kappen.
Schmelzwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzelement-Schicht mindestens Kupfer aufweist.
Schmelzwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzelement-Schicht ein Material aufweist, welches einen Temperaturkoeffizienten von über 2000 ppm/°C und einen spezifischen Widerstand von 1 × 10^–8 bis 50 × 10^–8 Ω·m (Ohm-Meter) aufweist.
Schmelzwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Antioxidationsschicht aufweist, welche die Schmelzelement-Schicht umgibt.
Schmelzwiderstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antioxidationsschicht zumindest eine Silberpaste aufweist.
Schmelzwiderstand nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine leitende Schicht aufweist, welche zwischen dem Widerstandskörper und der Schmelzelement-Schicht ausgebildet ist und aus einem leitenden Material hergestellt ist.
Schmelzwiderstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht des Weiteren zumindest Nickel und/oder Chrom aufweist.
Schmelzwiderstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Nut aufweist, welche durch die Schmelzelement-Schicht, die Antioxidationsschicht und die leitende Schicht hindurch ausgebildet ist und um den Widerstandskörper zu erreichen.
Schmelzwiderstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut in Form einer Spirale entlang des Umfangs des Schmelzwiderstandes ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Schmelzwiderstandes mit den Schritten: Herstellen eines Widerstandskörpers; Ausbilden einer Schmelzelement-Schicht, welche den Widerstandskörper umgibt und schmelzbar ist, wenn ein Strom über einen vorbestimmten Stromwert an den Widerstandskörper angelegt wird; Ausbilden von Kappen, welche Enden der Schmelzelement-Schicht umgeben; Ausbilden von Zuleitungsdrähten, welche an den Kappen angebracht sind; und Ausbilden einer isolierenden Schicht zum Isolieren der Schmelzelement-Schicht und der Kappen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzelement-Schicht zumindest Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzelement-Schicht des Weiteren ein Material aufweist, welches einen Temperaturkoeffizienten von über 2000 ppm/°C und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 × 10^–8 bis 50 × 10^–9 Ω·m (Ohm-Meter) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Schritt zum Ausbilden einer Antioxidationsschicht vorgesehen wird, welche die Schmelzelement-Schicht umgibt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antioxidationsschicht zumindest eine Silberpaste aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass des Weiteren ein Schritt zum Ausbilden einer leitenden Schicht vorgesehen wird, welche zwischen dem Widerstandskörper und der Schmelzelement-Schicht ausgebildet wird, und aus einem leitenden Material hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Schicht weiterhin zumindest Nickel und/oder Chrom aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Schritt zum Ausbilden einer Nut vorgesehen wird, welche durch die Schmelzelement-Schicht, die Antioxidationsschicht und die leitende Schicht, ausgebildet wird, um den Widerstandskörper zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut in Form einer Spirale entlang eines Umfangs des Schmelzwiderstandes ausgebildet wird.