DE19704097A1

DE19704097A1 - Elektrisches Sicherungselement

Info

Publication number: DE19704097A1
Application number: DE19704097A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rupalla; Bernd Dr Froechte; Ingeborg Cieplik
Original assignee: Wickmann Werke GmbH
Current assignee: Wickmann Werke GmbH
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 1998-08-06
Also published as: EP0958586B1; JP2001509945A; CN1246958A; DE69818011D1; WO1998034261A1; DE69818011T2; EP0958586A1; US6269745B1; ATE249681T1; CN1113374C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Siche rungselement, das aus mindestens einem Schmelzleiter und einem Träger besteht.

Sicherungselemente werden zum Schutz elektrischer und elektro nischer Schaltungen vor überströmen in großer Zahl eingesetzt. Sie sind dabei an die in einer Anwendung auftretenden Strom bereiche mit den jeweils erforderlichen Abschaltcharakteristi ken anzupassen. Die generell erkennbare und immer weiter fort schreitende Tendenz der Verkleinerung von Schaltungskomponen ten bei gleichbleibender oder sogar erhöhter Leistungsfähig keit führt im Bereich der elektrischen Sicherungselemente zu erheblichen Problemen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Si cherungselement für alle bekannten Abschaltcharakteristiken in einer wirtschaftlichen Produktionstechnik für den Mittel- und Schwachstrombereich zu schaffen. Ferner soll das Sicherungs element durch eine kleine äußere Geometrie an moderne Methoden der Bestückung anpaßbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Träger aus einem schlecht wärmeleitendem Material besteht, insbesondere aus einer Glaskeramik.

In der Vergangenheit sind zahlreiche Versuche bekannt gewor den, die Außenabmessungen elektrischer Sicherungselemente unter Beibehaltung ihres Einsatz-Strombereiches, ihres Schalt vermögens und ihrer speziellen Abschaltcharakteristik wesent lich zu verkleinern. Im Ergebnis scheiterten diese Ansätze jedoch daran, daß entweder die innere Erwärmung des Siche rungselementes zu hoch wurde und/oder die angestrebte Ab schaltcharakteristik nicht erreicht werden konnte, oder sich das Sicherungselement aufgrund überhöhter Eigenerwärmung an seinen Kontaktstellen auslötete.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Trägers aus einem schlecht wärmeleitenden Material überwindet die vorliegende Erfindung ein verbreitetes Vorurteil gegenüber der Verwendung derartiger Materialien im Sicherungsbau. Durch den Einsatz eines derartigen Trägermaterials kann vorteilhafterweise die heiße Zone (hot spot) des Sicherungselementes auf den Kern bereich des Trägers bzw. des Gehäuses beschränkt werden, da die Wärmeableitung sehr gering ist. So fällt der Wärmeabtrans port durch Leitung über die äußeren Kontakte wesentlich gerin ger aus. Folglich ist ein eigenständiges Auslöten oder eine unzulässige Erwärmung eines erfindungsgemäßen Sicherungsele mentes nicht mehr möglich. Ferner kann durch die Konzentration des "hot spot" auf einen bestimmten Bereich die gesamte Lei stungsaufnahme eines erfindungsgemäßen Sicherungselementes gesenkt werden. So ergibt sich durch eine minimale Leistungs aufnahme auch eine geringere Rückwirkung auf die umgebende elektrische Schaltung.

Als Materialien mit schlechter Wärmeleitung kommen u. a. Kera miken, Glas-Keramiken oder Glas in Betracht. Bevorzugt werden jedoch Glas-Keramiken.

Für eine wirtschaftliche Massenfertigung erfindungsgemäßer Sicherungselemente mit ihren kleinen Geometriegrößen ist eine flächenförmige Ausbildung des Trägers, vorzugsweise in Form eines flächigen Substrates vorteilhaft. So können erfindungs gemäße Sicherungselemente kostensparend im Vielfachnutzen beispielsweise in der Größe üblicher SMD-Bauteile auf einem ebenen Substrat gefertigt werden.

In einem erfindungsgemäßen Sicherungselement kann der Schmelz leiter als einzige Wärmequelle fungieren. Es wird jedoch zur Einstellung verschiedener Nennströme und Schaltcharakteristi ken ein indirektes Beheizen des Schmelzleiters bevorzugt.

Hierzu dient mindestens ein zusätzliches Heizelement. Bei einigen Ausführungsformen werden beispielsweise bevorzugt zwei Heizelemente eingesetzt, wie anhand von Abbildungen einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend gezeigt wird. Es sind auch Fälle mit mehr als zwei Heizelementen denkbar. Wenn im folgenden von einem Heizelement gesprochen wird, so sollen diese Möglichkeiten mit einbezogen sein.

In Weiterbildungen der Erfindung ist das Heizelement zusammen mit dem Schmelzleiter gemeinsam auf dem Substrat angeordnet. Dabei wird der Grad der thermischen Kopplung zwischen Heizel ement und Schmelzleiter jeweils durch den Abstand zueinander beeinflußt. Die hierdurch erreichbaren Effekte der Verschie bung der Kennlinie des Schmelzelementes werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Für die elektrische Verschaltung zur Versorgung des Heizel ementes und des Schmelzleiters sind prinzipiell mehrere Mög lichkeiten denkbar, z. B. eine Parallelschaltung. Bevorzugt wird das Heizelement mit dem Schmelzleiter auf dem Substrat jedoch elektrisch in Serie geschaltet. Damit sind an einem erfindungsgemäßen Sicherungselement bei den teilweise sehr kleinen äußeren Abmessungen nur zwei äußere Kontakte erforder lich.

In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung wird das Heizelement selbst auch als Schmelzleiter ausgelegt. Damit ergibt sich ein erfindungsgemäßes Sicherungselement als Schal tung aus zwei Sicherungselementen, denen in der Auslegung durch Materialauswahl und Geometrie primär die Aufgaben als Heizelement und als Schmelzleiter zugewiesen werden. Diese Bauweise eröffnet vorteilhafterweise die Möglichkeit, das Heizelement für einen anderen, vorzugsweise wesentlich höheren Nennstrom I_N als den Schmelzleiter auszulegen.

Durch eine erfindungsgemäße Auslegung der Charakteristiken von Schmelzleiter und Heizelement schneiden sich diese Kurven in einem Kommutierungspunkt. Ab dieser Stelle spricht die Schmelzleitercharakteristik des Heizelementes schneller an als der eigentliche Schmelzleiter, wie noch anhand eines Diagram mes gezeigt wird. Daraus ergibt sich für die nachfolgende elektrische Schaltung ein zusätzlicher Schutz im Fall extrem hoher Kurzschlußströme.

In einer Weiterbildung wird der sich zwischen dem Heizelement und dem Schmelzleiter ergebende Abstand variabel gehalten, um den Grad der thermischen Kopplung und damit die Schmelzleiter- Auslösecharakteristik und den Nennstrom bei sonst gleichen Materialien und gleichbleibender Geometrie der Schaltung ein zustellen. Bei einer festen Schaltungsgeometrie ist so durch einfache Verschiebung der einzelnen Produktionsmasken relativ zueinander in vorbestimmter Weise und festgelegter Größe eine Einstellung der Charakteristik möglich.

Der Abstand zwischen dem Heizelement und dem Schmelzleiter nimmt dann einen minimalen Wert an, wenn das Heizelement und der Schmelzleiter übereinander liegend angeordnet sind. Dieser minimale Wert wird in diesem Fall durch die Schichtdicke einer elektrischen Isolation bestimmt, die aus einem Dielektrikum wie Glas, aber auch einer Keramik oder einer aushärtbare Paste bestehen kann. Der gute thermische Kontakt kann über die ge samte Schmelzleiter-Grundfläche erfolgen. In jedem Fall wird der Schmelzleiter über dem Heizelement angeordnet, so daß ausreichend Raum zur Aufnahme der im Fall des Abschaltens des Schmelzleiters frei werdenden Gase und Partikel sowie zum Druckausgleich zur Verfügung steht.

Die Eigenschaften des Schmelzleiters können erfindungsgemäß direkt durch die Wärmekopplung mit dem Heizelement wesentlich beeinflußt werden. Die Wärmekopplung wird in einfacher Weise dadurch intensiviert, daß der eigentliche Schmelzleiter auf einer dünnen Schicht aufgetragen wird, die vorzugsweise aus Silber besteht und eine gut leitende Haftung auf der Substrat oberfläche bewirkt. Die Charakteristik ist dadurch auch noch genauer reproduzierbar.

Bei einem als Mehrschichtanordnung ausgebildeten Schmelzleiter ist, beispielsweise bei einer Materialkombination einer Silberschicht und einer überdeckenden Zinnschicht, durch Dif funsionsprozesse eine zusätzliche Beeinflussung der Abschalt charakteristik erreichbar. Auch andere Materialkombinationen mit gegenseitiger Löslichkeit sind möglich.

Weiter kann der Schmelzleiter eine Verengung bzw. Verjüngung im seinem mittleren Bereich aufweisen. Diese Querschnittsmin derung erhöht den eigenen Widerstand. Zudem wird das Schmelz leitermaterial an dieser ausgezeichneten Stelle geschwächt und es muß so entsprechend weniger Material beim Auslösen aufge schmolzen werden. Vorteilhafterweise befindet sich die Ver engung im "hot spot" des Sicherungselementes.

Alternativ kann der Schmelzleiter aber auch ein Draht sein, der beispielsweise wie vorstehend beschrieben eine Silber- Zinn-Schichtung an seiner Oberfläche und/oder selber eine Verengung aufweist. Zur Verbesserung der thermische Kopplung kann der Draht auf dem Substrat angedrückt oder angeschmolzen werden.

Einen weiteren Vorteil bringt eine Abdeckung vorzugsweise jedes Schmelzleiters durch eine niedrig schmelzende Substanz mit sich. Die Abdeckung unterbindet im Fall des Auslösens der Sicherung den Kontakt der Umgebung mit erschmolzenen Teilen. Sie kann in Form eines zweischichtigen Aufbaus realisiert werden, wobei beispielsweise ein Tropfen Heißkleber als Kern seinerseits durch eine thermisch stabile Substanz, wie bei spielsweise eine aushärtende Vergußmasse oder ein Harz, außen abgedeckt und verschlossen wird. Bei Betriebstemperatur schmilzt der Kern bereits und gibt einen Hohlraum zur Aufnahme von Gasen etc. frei, der durch die Außenhülle stabilisiert wird.

Vorteilhafterweise kann ein erfindungsgemäßes elektrisches Sicherungselement in seiner äußeren Form und Abmessung leicht den Erfordernissen moderner Bestückungsmethoden angepaßt wer den. Bevorzugt wird eine Quaderform. Die Kontaktierung nach außen erfolgt in Anpassung an übliche SMD-Lötverfahren durch an zwei gegenüberliegenden Stirnkanten angeordnete Außenkon takte. Sie werden dann vorzugsweise in einem galvanischen Prozeß angebracht, wenn Schmelzelemente mit Diffusionsprozes sen in dem Sicherungselement enthalten sind.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen zeigen:

Fig. 1a eine Prinzipdarstellung einer erste Ausführungsform eines Sicherungselementes in einer Draufsicht;

Fig. 1b eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform des Sicherungselementes von Fig. 1a;

Fig. 1c eine Darstellung einer weiteren alternativen Ausfüh rungsform des Sicherungselementes von Fig. 1a;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Sicherungselements mit über dem Heizelement angeordne tem Schmelzleiter;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Sicherungselementes in einer Explosionsdarstellung und

Fig. 4 ein skizziertes Kennlinienfeld mit den prinzipiell erreichbaren Schaltcharakteristiken der Sicherungs elemente von Fig. 1c und Fig. 2.

In Fig. 1a ist eine erste Ausführungsform eines Sicherungs elementes 1 in ihrem prinzipiellen Aufbau in einer Draufsicht dargestellt. Auf einem schlecht wärmeleitenden Substrat 2 ist ein Schmelzleiter 3 in einer S-förmigen Serienschaltung zu sammen mit zwei Heizelementen 4 angeordnet. Die einzelnen Elemente werden durch Leitbahnen 5 elektrisch miteinander verbunden. So ergibt sich hier insgesamt eine Serienschaltung aus drei Elementen, die jeweils als Schmelzleiter mit bestimm ten Eigenschaften ausgelegt werden können. Die beiden Heizel emente 4 sind hier symmetrisch zum Schmelzleiter 3 in einem Abstand d angeordnet, der in beiden Fällen gleich groß ist. So erwärmen sie den Schmelzleiter 3 durch Wärmeleitung über das Substrat 2 gleichmäßig in einem symmetrisch geformten "hot spot".

Für schlecht wärmeleitende Substrate 2 wird u. a. eine Glas-Keramik verwandt. Messungen haben folgende, überraschende Werte für die Wärmeleitfähigkeit einer derartigen Materials im Ver gleich mit der sonst im Sicherungsbau bevorzugten Al₂O₃-Keramik ergeben:

Aus den Werten dieser Tabelle ist ersichtlich, daß eine Al₂O₃-Keramik die Wärme je Watt Heizleistung zwischen den Enden eines Substrates ca. um den Faktor 7 besser abführt als die hier gemessene Glas-Keramik. Diese Werte betreffen die Betrachtung des Falls einer stationären Wärmeabfuhr, der bei Al₂O₃-Keramik-Substraten zu dem unerwünschten Auslöten der Außen kontakte führt.

Beschränkt man aber nun die Untersuchung auf das dynamische Wärmeleitverhalten und betrachtet man entsprechend einen sehr kleinen Raum, auch als Segment bezeichnet, so stellt man zwi schen Al₂O₃-Keramik und der Glas-Keramik nur einen verhältnis mäßig unbedeutenden Unterschied in der Wärmeabfuhr von ca. 10% fest. Die Wärmekopplung zwischen Schmelzleiter und Heizelement ist also bei der Verwendung eines Glas-Keramik-Substrates näherungsweise so gut wie bei einem Al₂O₃-Keramik-Substrat. Bedeutende Unterschiede treten demnach nur bei der Betrachtung der Wärmeleitung zu den Enden bei gängigen Substratgrößen auf, wo eine Al₂O₃-Keramik aufgrund ihrer wesentlich besseren Wärme leitung eine unerwünschten Erhitzung der Außenkontakte be wirkt.

Der Grad der Wärmekopplung zwischen dem Heizelement und dem Schmelzleiter ist durch den Abstand d in einem weiten Bereich einstellbar. Der Einfluß der Wärmekopplung auf die Schalt charakteristik des Sicherungselementes wird noch später anhand eines Kennlinienfeldes dargestellt und beschrieben.

An zwei gegenüberliegenden Stirnkanten 7 des Substrates 2 angrenzend werden leitende Flächen 8 angeordnet. Die Stirnkan ten 7 werden zum Abschluß des Fertigungsverfahrens metalli siert, so daß sie Außenkontakte 9 bilden, die mit den Flächen 8 elektrisch verbunden sind. Aufgrund der Verwendung des schlecht wärmeleitenden Substrates 2 ist die Erwärmung der Außenkontakte 9 gering. Damit sinkt auch die als Heizleistung benötigte Verlustleistung des Sicherungselementes, so daß der Einfluß dieses Sicherungselementes 1 auf die übrige elektri sche Schaltung gering ist.

Das Sicherungselement 1 von Fig. 1a ist in seinen wesentlichen Teilen durch ein Siebdruckverfahren realisiert worden. Im Fall sehr kleiner Strukturgrößen bietet sich statt dessen ein foto lithografisches Verfahren an. Im vorliegenden Fall wird der Schmelzleiter 3 als Dickschicht hergestellt, die in ihrem mittleren Bereich eine Verjüngung 6 aufweist. Die Verjüngung 6 ist eine weitere Maßnahme zur Beeinflussung der Abschaltcha rakteristik. Sie kann je nach angestrebter Charakteristik auch fortgelassen werden. Als weitere Möglichkeit der Herstellung kann der Schmelzleiter 3 auch in Form eines Drahtstücks in dem Fertigungsprozeß eingesetzt werden. In vorliegenden Fall wird der Schmelzleiter 3 als dünne Silberschicht auf den Substrat 2 aufgetragen, auf die anschließend eine Zinnschicht als eigentlicher, niederohmiger Leiter aufgetragen wird.

Der mittlere Bereich des Sicherungselementes 1, in dem sich die Heizelemente 4 und insbesondere der Schmelzleiter 3 befin den, wird mit einer Abdeckung 10 versehen. Die Abdeckung 10 ist als gestrichelte Linie in Fig. 1a angedeutet und schützt den empfindliche Teil der Schaltung auf dem Substrat 2 vor äußeren Einflüssen. Ferner werden beim Abschalten des Siche rungselementes 1 aus tretende Gase oder Metallpartikel von der umgebenden elektrischen Schaltung ferngehalten.

Fig. 1b stellt eine alternative Form des Sicherungselementes 1 von Fig. 1a dar, die nur ein Heizelement 4 und einen Schmelz leiter 3 ohne Verengung 6 enthält. Die in Form von Pfeilen eingetragene Wärmekopplung ist aufgrund des wesentlich ver größerten Abstandes d zwischen Heizelement 4 und Schmelzleiter 3 geringer als in der Anordnung aus Fig. 1a. Primär soll an hand der Prinzipdarstellung von Fig. 1b die Gestaltungsfrei heit mit einigen Möglichkeiten der Anordnung demonstriert werden, wobei die aus Leitflächen 8, Außenkontakten 9 und Leitbahnen 5 bestehende grundlegende Geometrie der Schaltung nicht verändert wurde.

Fig. 1c stellt eine weiterentwickelte Form der Sicherungs elemente 1 von Fig. 1a und 1b dar, bei der das Heizelement 4 und der Schmelzleiter 3 zur Steigerung der Wärmekopplung unter Verminderung des Abstandes d wieder näher zusammengerückt sind. Durch die unterschiedliche Art der Darstellung soll in Fig. 1c darauf hingewiesen werden, daß auch die elektrisch gut leitenden Bereiche des Flächen 8 und Leitbahnen 5 in zwei oder noch mehreren Maskenschritten hergestellt werden können. Eine Einstellung der Wärmekopplung durch Variation des Abstandes d ist aber bei der Verwendung von zwei Masken zum Aufbauen der Leitbahnen 5 und 5a sinnvoll, da so durch ein Verschieben der Masken relativ zueinander der Abstand d leicht verändert wer den kann, ohne daß die Herstellung einer neuen Maske erforder lich ist.

Fig. 2 stellt eine Draufsicht auf eine alternative Ausfüh rungsform eines Sicherungselementes 1 dar, wobei hier der Schmelzleiter 3 über dem Heizelement 4 auf dem Substrat 2 angeordnet ist. Zwischen dem Schmelzleiter 3 und dem Heizele ment 4 ist eine elektrische Isolierung 11 angeordnet, die hier beispielsweise durch eine dünne Glasschicht gebildet wird. Die Wärmekopplung in der dargestellten Ausführungsform erfolgt über die gesamte Fläche des Schmelzleiters 3 und nimmt daher und aufgrund des minimalen Abstandes d_min einen Maximalwert an.

Je nach Auswahl der Materialien kann die Schaltung von Fig. 2 auch in zwei Prozeßschritten, die jeweils durch einen Sinter vorgang abgeschlossen werden, hergestellt werden. In einem ersten Schritt werden in einer Maske die leitenden Flächen 8, die Leitbahnen 5, das Heizelement 4 und über dem Heizelement die Isolierung 11 aufgetragen. In einem darauffolgenden Ferti gungsschritt wird die zweite Ebene aufgebracht, die im wesent lichen den Schmelzleiter 3 und zwei Leitbahnen 5 enthält, die eine leitende Fläche 8 mit dem Schmelzleiter elektrisch ver binden und über eine Kontaktierung 12 eine leitende Verbindung zur unteren Schaltungsebene herstellen.

Abschließend kann die Schaltung mindestens im Bereich des Schmelzleiters 3 durch eine aushärtende Vergußmasse abgedeckt werden. Diese Abdeckung wird in zwei Schritten aufgebracht, wobei erst eine niedrig schmelzende Substanz aufgebracht wird. Hier handelt es sich beispielsweise um einen Schmelzkleber, der nur den Schmelzleiter abdeckt. Er wird durch eine ther misch stabile Substanz überdeckt. Im Betrieb des Sicherungs elementes schafft der aufschmelzende Klebertropfen direkt über dem Schmelzleiter im "hot spot" einen stabilen Freiraum zur Aufnahme von Plasma beim Auslösen des Sicherungselementes 1.

Der direkte Vergleich der Fig. 1c und 2 zeigt, daß hier prinzipiell die gleichen Masken zur Herstellung von Siche rungselementen mit stark unterschiedlichen Schaltcharakteri stiken und/oder Nennströmen I_N genutzt werden. Durch das Ein bringen der Isolation ist im Fertigungsablauf nach Fig. 2 nur ein Maskenschritt mehr erforderlich. Die Maske der oberen Leitbahn 5a bedarf einer kleinen Änderung. Im wesentlichen stimmen diese Strukturen jedoch miteinander überein. Damit ist zur Herstellung einer großen Bandbreite von SMD-bestückbaren Sicherungselementen nur ein Maskensatz erforderlich und auch ein einheitliches, angepaßtes Sortiment von Pasten o.a. in wirtschaftlichen Massenprozessen einsetzbar.

Fig. 3 zeigt in einer Explosionsdarstellung perspektivisch einen Entwurf für ein Sicherungselement 1 mit allen vorstehend aufgeführten Einzelelementen. Die durchgezogenen Linien und Pfeile stellen dabei leitende Verbindungen dar. Die Linie 13 zeigt den Verlauf der Auflagefläche der Isolation 11. Hierbei können die in Ebenen dargestellten Elemente als Schichten jeweils durch eine Prozeßmaske herstellt werden. Die Anordnung der Elemente zueinander und die Ausformung der Leitbahnen 5 eröffnet hier die Möglichkeit, daß der Schmelzleiter 3 und das Heizelement 4 relativ zueinander durch Verschieben der Prozeß masken in ihrem Abstand d variiert werden können. Die Ab standsvariation ist in dieser Darstellungsform nicht einge zeichnet. Durch die in Fig. 3 dargestellte Anordnung sind aber entsprechend als Grenzfälle entweder Sicherungselemente nach Fig. 2, oder Sicherungselemente nach Fig. 1c realisierbar. Dabei enthält das Sicherungselement 1 nach Fig. 2 nur ein Heizelement 4, so daß hier die Wärmekopplung zwar durch Varia tion des Abstandes d einstellbar ist, der "hot spot" ist je doch im Bereich des Schmelzleiters 3 nicht vollsymmetrisch ausgeprägt. Bei entsprechender Auslegung der Schaltung kann dieser Einfluß jedoch gering gehalten werden. Sobald der Ab stand zwischen der Verjüngung 6 des Schmelzleiters 3 und dem Heizelement 4 so groß ist, daß sich keine Überlappung zwischen Schmelzleiter 3 und Heizelement 4 und eine ausreichende Iso lation zwischen den Leitern ergibt, kann die Isolierung 11 entfallen und so ein Prozeßteilschritt ausgelassen werden.

Fig. 4 stellt ein skizziertes allgemeines Kennlinienfeld zur Darstellung von Schaltcharakteristiken verschiedener Schmelz sicherungen dar. Die Kurven sind in doppeltlogarithmischem Maßstab aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß im vorliegenden Fall das Heizelement alleine für einen niedrigeren Nennstrom I_N ausgelegt ist als der Schmelzleiter. Der Schmelzleiter ist beispielsweise als Mehrschichtleiter unter Ausnutzung einer Silber-Zinn-Diffusion aufgebaut und besitzt dementsprechend nur eine flinke Schaltcharakteristik, während das Heizelement alleine superflink abschaltet. Durch die Serienschaltung mit Wärmekopplung ist bei dieser Auslegung der Einzelelemente eine Vergrößerung der Trägheit im Gesamtsicherungselement zu erzie len. Im umgekehrten Fall ist ein größeres Ausschaltvermögen zu erzeugen.

Die Charakteristik der einzelnen Elemente unterscheidet sich in jedem Fall deutlich von der der Gesamtschaltung. Sie zeigt hier eine eindeutig träge Charakteristik, die bislang nicht durch Bauelemente kleiner Abmessung realisierbar war. Der Einfluß der Wärmekopplung zwischen Heizelement und Schmelzlei ter ist darin zu sehen, daß die Kurve der Schaltcharakteristik des Schmelzleiters nach links in den Bereich kleinerer Nenn ströme I_N verschoben wird. Die Kurve an sich ändert ihre Ge stalt nur unwesentlich. Durch Variation des Abstandes d ist die Verschiebung der Schmelzleitercharakteristik zu beein flussen. Bei minimalem Abstand d_min nimmt der Nennstrom I_N bei gleichbleibendem Material und gleicher Geometrie des Schmelz leiters einen minimalen Wert an, siehe Kurve B. Durch einen Aufbau gemäß Fig. 3 ist damit der in Fig. 4 eingezeichnete weite Bereich zwischen den Kurven A und B durch Variation des Abstandes d in der Fertigung frei einstellbar. Damit ist bei gleichbleibender Geometrie- und Materialauswahl ein großer Nennstrombereich mit gleicher Abschaltcharakteristik abzudecken.

Im unteren Drittel schneiden sich die verschobenen Kurven mit der Charakteristik des Heizelementes in einem sogenannten Kommutierungspunkt K. Dieser Punkt soll in der Praxis bei einem Strom von etwas mehr als 10 × I_N liegen. Für höhere Ströme bestimmt dann die Kurve des Heizelementes die Abschalt charakteristik des jeweiligen Sicherungselementes, nicht mehr die Charakteristik des indirekt erwärmten Schmelzleiters. So werden bei höheren Kurzschlußströmen schnellere Abschaltzeiten realisiert.

In Versuchen wurden Sicherungselemente mit Substratabmessungen von 6,5 × 2,5 mm und 4,6 × 3,2 mm aufgebaut. Das sind in der SMD-Technik gängige Abmessungen. Bei zehnfachem Nennstrom I_N wurden Schaltzeiten von 10-15 ms bei Nennströmen von ca. 0,4 A gemessen. Damit wurden erstmals in der Größe von SMD-Bau teilen leistungsfähige Sicherungselemente mit träger Abschalt charakteristik realisiert. Bei einem Sicherungselement ent sprechend Fig. 1c betrug der Heizwiderstand 0,6 Ω. Der Schmelzleiterwiderstand betrug hierbei 0,03 Ω. So ergibt sich für die Serienschaltung insgesamt nur ein Widerstand von ca. 0,63 Ω.

Bei der Variante gemäß Fig. 2 wurde für einen Nennstrom I_N von ca. 0,315 A ein Heizwiderstand von 0,1 Ω und ein Schmelzlei terwiderstand von 0,03 Ω realisiert, wobei als Dielektrikum eine Glasschicht der Dicke dem von ca. 20 µm eingesetzt wurde. Beide Schaltungsvarianten wurden in Dickschichttechnik auf einem Glaskeramiksubstrat unter der Verwendung in der Hybrid technik gängiger Pastenmaterialien erstellt. Derzeit sind in Fertigungsprozessen der Dickschichttechnik Linienbreiten bis 0.1 mm bei Schichtdicken zwischen 6-20 µm zuverlässig her stellbar.

Anhand dieser konkret realisierten Ausführungsbeispiele ist zu erkennen, daß bei der Variante nach Fig. 2 aufgrund der we sentlich verbesserten Wärmekopplung der Heizwiderstand des Heizelementes 4 verhältnismäßig klein ausfallen kann.

Claims

1. Elektrisches Sicherungselement, bestehend aus mindestens einem Schmelzleiter und einem Träger, dadurch gekenn zeichnet, daß der Träger aus einem schlecht wärmeleiten den Material besteht, insbesondere aus einer Glaskeramik.

2. Elektrisches Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger flächenförmig ausgebildet ist, vorzugsweise in Form eines flächigen Substrates (2).

3. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (3) indirekt beheizt wird, vorzugsweise durch mindestens ein zusätzliches Heizelement (4).

4. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Heizelement (4) zusammen mit dem Schmelz leiter (3) gemeinsam auf dem Substrat (2) angeordnet ist.

5. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) mit dem Schmelzleiter (3) in Serie geschaltet ist.

6. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) selbst auch als Schmelzleiter (3) ausgelegt ist.

7. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) für einen anderen, vorzugsweise we sentlich höheren Nennstrom I_N als der Schmelzleiter (3) ausgelegt ist.

8. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand (d) zwischen dem Heizelement (4) und dem Schmelzleiter (3) variierbar ist, um den Grad der ther mischen Kopplung bei sonst gleicher Geometrie der Schal tung einzustellen.

9. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d) zwischen dem Heizelement (4) und dem Schmelzleiter (3) einen minimalen Wert (d_min) annimmt, wenn das Heizelement (4) und der Schmelzleiter (3) über einander liegend angeordnet sind.

10. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekontakt des Schmelzleiters (3) dadurch intensi vierbar ist, daß der Schmelzleiter (3) auf dem Substrat (2) auf einer Silberschicht aufgebaut wird, die vorzugs weise sehr dünn ausgebildet ist.

11. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (3) als Mehrschichtanordnung ausge bildet ist, beispielsweise aus einer Silberschicht und einer überdeckenden Zinnschicht.

12. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (3) eine Verengung (6) aufweist.

13. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (3) ein Draht ist.

14. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdeckung (10) vorzugsweise jedes Schmelzleiters (3) durch eine niedrig schmelzende Substanz erfolgt, wie beispielsweise Heißkleber, die ihrerseits durch eine thermisch stabile Substanz, wie beispielsweise eine aus härtende Vergußmasse oder ein Harz, abgedeckt wird.

15. Elektrisches Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei gegenüberliegenden Stirnkanten (7) Außenkontakte (9) angeordnet werden, vorzugsweise in einem galvanischen Prozeß.