DE19738575A1

DE19738575A1 - Elektrisches Sicherungselement

Info

Publication number: DE19738575A1
Application number: DE19738575A
Authority: DE
Inventors: Manfred Rupalla; Andre Dipl Ing Joellenbeck; Andreas Dipl Ing Baus
Original assignee: Wickmann Werke GmbH
Current assignee: Wickmann Werke GmbH
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1999-06-10
Also published as: JP4340997B2; DE69814880T2; WO1999012178A1; EP1010190A1; EP1010190B1; US6384708B1; JP2001515260A; DE69814880D1; ATE241211T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Siche rungselement, das

- ein Substrat mit zwei an gegenüberliegenden Endseiten angeordneten Kontakten,
- mit den Kontakten verbundene Anschlußflächen und
- einen elektrisch mit den Kontakten über die Anschluß flächen
- leitend verbundenen Schmelzleiter umfaßt.

Sicherungselemente der vorgenannten Art werden heute bevorzugt als SMD-Bauteile unter Verwendung von Schmelzleitern in Form von leitenden Schichten bzw. Drahtstücken hergestellt. Wegen der geringen Abmessungen wird durch den Einsatz spezieller Materialien und/oder durch einen komplexen inneren Aufbau versucht, den Spannungseinsatzbereich derartiger Bauelemente zu erweitern.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sicherungselemente der vorstehend genannten Art bei geringen Produktionskosten für einen Einsatz in höheren Spannungsbereichen bei verbesser tem Ausschaltvermögen weiterzubilden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

- die Anschlußflächen und der Schmelzleiter
- durch einen Isolator voneinander getrennt angeordnet und
- über Durchführungen elektrisch miteinander verbunden sind.

In bekannten SMD-Sicherungselementen geht der Schmelzleiter als eigentliches funktionales Element einer Sicherung direkt in die anderen elektrisch leitenden Sicherungsbestandteilen, insbesondere in die Anschlußflächen über. Gewöhnlich werden dazu alle Bestandteile an der Oberfläche eines Substrates angeordnet. Im Abschaltmoment schmilzt der Schmelzleiter im Bereich des heißesten Bereichs, dem "Hot-Spot", durch. Der Stromfluß wird jedoch nicht augenblicklich unterbrochen, son dern durch einen Schaltlichtbogen aufrechterhalten. Nach dem Stand der Technik wird versucht, diesen Abschaltlichtbogen durch besondere Materialauswahl und/oder konstruktive Maß nahmen möglichst schnell zu löschen sowie das anschließende Zünden eines sekundären Lichtbogens zu unterdrücken. Während der Abschaltlichtbogen bzw. primäre Lichtbogen bei jedem Ab schaltvorgang entsteht und aus dem schmelzenden Material des Schmelzleiters selber genährt wird, wird im Fall einer Rück zündung, also bei Entstehen eines sekundären Lichtbogens, auch das an den Schmelzleiter angrenzende Metall - meist in Form von Leitbahnen - mit in den Lichtbogenprozeß einbezogen. Somit breitet sich der sekundäre Lichtbogen über den Bereich des eigentlichen Schmelzleiters hinaus weiter aus und kann auch die Außenanschlüsse des SMD-Sicherungselementes erreichen. Dabei kann die Sicherung keine Schutzfunktion mehr entfalten und beschädigt sogar umliegende Bauteile noch zusätzlich durch den Lichtbogen.

Den beschriebenen Effekt unterdrückt ein erfindungsgemäßes Sicherungselement im Gegensatz zu Sicherungen nach dem Stand der Technik bei sonst gleicher Schaltungsgeometrie dadurch, daß der Schmelzleiter von allen übrigen Sicherungsteilen durch einen Isolator getrennt angeordnet wird. Durchführungen sorgen für die elektrisch leitende Verbindung des Schmelzleiters durch den Isolator hindurch zu den Außenkontakten hin. Beim Abschalten brennt der Lichtbogen nach dem Verzehren bzw. Ver dampfen des leitfähigen Schmelzleitermaterials bis zu den Durchführungen in dem Isolator. Von diesem Moment an steht kein weiteres zu verdampfendes Material mehr zur Verfügung, da das in dem Isolator liegende Material der Durchführungen von dem Lichtbogen nicht geschmolzen und verdampft werden kann. Auch ein eventuell gezündeter sekundärer Lichtbogen muß dem zufolge schnell erlöschen, da er nicht weiter aufrechterhalten werden kann. Das Sicherungselement schaltet somit sicher und, aufgrund der Minimierung des für den Lichtbogen zur Verfügung stehenden leitfähigen Materials, schnell nach dem Ansprechen ab. Dementsprechend kann eine erfindungsgemäße Sicherung ge genüber bekannten Sicherungen bei gleicher Dimensionierung und Baugröße ein erheblich größeres Abschaltvermögen aufweisen, da es den Lichtbogen stets auf dem Bereich des Schmelzleiters begrenzt hält, so daß der Lichtbogen nach dem Verzehren bzw. Verdampfen der geringen Menge des leitfähigen Schmelzleiterma terials zwischen den Durchführungen auf dem Isolator keine weitere "Nahrung" mehr finden kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Anschlußflä chen und der Schmelzleiter derart durch den Isolator vonein ander getrennt angeordnet, daß sie in verschiedenen Ebenen verlaufen. Ein übergreifen eines Lichtbogens wird somit be sonders wirkungsvoll unterbunden.

Besonders vorteilhafterweise wird der Isolator durch das Sub strat selber gebildet, so daß kein zusätzliches Material zur Trennung von Anschlußflächen und Schmelzleiter eingesetzt werden muß. Durch dieses Merkmal kann auch mindestens ein Prozeßschritt gegenüber üblichen Herstellverfahren eingespart werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellen die beiden Ebenen, auf denen Schmelzleiter einerseits und Anschlußflächen andererseits räumlich voneinander getrennt angeordnet und über Durchführungen verbunden sind, die Ober seite und die Unterseite des Substrats dar.

Die vorstehend beschriebene kurze Brenndauer und die starke räumliche Begrenzung des Lichtbogens macht ferner eine Verwen dung üblicher Schmelzleiterabdeckungen im "Hot-Spot" möglich, vorzugsweise eine Glasabdeckung. Das wirkt sich in der Massen fertigung zusätzlich senkend auf den Stückpreis erfindungs gemäßer Sicherungselemente aus.

Vorteilhafterweise ist ein erfindungsgemäßes Sicherungselement nicht auf die Verwendung eines bestimmten Substratmaterials festgelegt. So kann als Substratmaterial beispielsweise ein Verbundkunststoff, wie beispielsweise FR4, oder andere übliche Platinenmaterialien Einsatz finden. Bevorzugt wird jedoch ein Keramikmaterial und insbesondere eine Glaskeramik als Substrat in einer erfindungsgemäßen Sicherung eingesetzt.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden die Durchführungen als Durchkontaktierungen ausgebildet und beste hen gemäß Anspruch 10 aus einem leitfähigen Sintermaterial, das vorzugsweise in Löcher eines hochtemperaturfesten Sub strats, wie beispielsweise einer Keramik, gefüllt und in einem thermischen Prozeß anschließend verfestigt wird.

Keramikhersteller bieten jedoch auch konfektionierte und fer tiggesinterte Substratmaterialien an, die durch Bohren und an das Verfüllen der Bohrungen mit sinterbarem Material anschlie ßendes Erhitzen mit Durchkontaktierungen versehen werden kön nen. An das Aufbringen der Anschlußflächen und eventueller Zuleitungen zu den Durchkontaktierungen hin einerseits und eines Schmelzleiters andererseits z. B. in einem Dickschicht verfahren kann eine Vereinzelung durch Sägen erfolgen. Bevor zugt wird jedoch ein Brechen der Keramik in Einzelelemente, das bevorzugterweise durch definierte Schwächung des Materials durch Ritzen bzw. Lasern unterstützt wird.

In einer bevorzugten Vorrichtung wird das Lochen durch Stanzen einer grünen Keramikschicht durchgeführt, wobei nach dem Fül len der sinterbaren Masse die Materialien auch gemeinsam in einem einzigen thermischen Schritt bzw. Sinterprozeß ausgehär tet werden können.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung wird eine ebene grüne Glaskeramik im Vielfachnutzen ge locht und mit einer sinterbaren Masse gefüllt. Je nach Materi alauswahl können Anschlußflächen an der einen Oberfläche und Schmelzleiter zwischen den späteren Durchkontaktierungen auf der anderen Oberfläche vor dem Sinterschritt beispielsweise in einem Dickschichtverfahren aufgetragen werden. Anschließend kann, ebenfalls vor dem Sinterschritt, eine Vereinzelung der Sicherungselemente durch Schneiden der grünen Glaskeramik schicht erfolgen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung stellen die beiden Ebenen, auf denen Schmelzleiter bzw. Anschlußflächen und Zuleitungen angeordnet sind, Ober- und/oder Unterseiten von zwei Isolatorschichten oder Substratschichten dar. Nach dem Verbinden der beiden Schichten liegen die Anschlußflächen und Zuleitungen dann beispielsweise zwischen den zwei Sub stratschichten und sind so von der Umgebung abgeschlossen nur über die Außenkontakte elektrisch zugänglich.

Im Fall der Herstellung einer erfindungsgemäßen Sicherung aus ungebrannter Glaskeramik besteht somit vorteilhaft die Mög lichkeit einer Verbindung beider Schichten im grünen Zustand durch Zusammenpressen und dabei durch Verkleben. Dadurch kann nach dem Brennvorgang vorzugsweise unter Einsatz von Cofiring- fähigen Druckpasten eine kompakte und stabile Einheit gebildet werden. Die Einzelelemente können bereits nach dem Laminieren im noch ungebrannten Zustand leicht durch Schneiden ausein andergetrennt werden. Hier ist dann eine leitende Schicht jeder Sicherung bereits gegenüber der Umwelt isoliert, so daß z. B. eine eventuell notwendige Abdeckung für den Schmelzleiter oder aber der Anschlußflächen und Zuleitungen entfallen kann. Weitere Schichten können zusätzlich als Abdeckung eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Prinzip einer räumlichen Trennung von Schmelzleiter und den breiten An schlußkontakten sowie eventuellen Zuleitungen durch eine Iso lierschicht, beispielsweise unter Verwendung von Durchkontak tierungen realisiert, nicht auf dem Bereich von Kleinstsiche rungen bzw. SMD-Sicherungselementen beschränkt. Es kann bei gleicher Wirkung auch in größeren Spannungsbereichen sowohl unter Verwendung von Schichtschmelzleitern als auch Draht- Schmelzleitern in allen anderen Sicherungsbauformen Anwendung finden.

Durch ein Sicherungselement gemäß vorliegender Erfindung wird unter Anwendung einfacher Techniken eine überraschend hohe Steigerung des Abschaltvermögens erreicht. Zugleich wird die Betriebssicherheit beim Abschalten auch unterhalb eines nach Sicherungsauslegung maximalen Stromes erhöht, da durch einen erfindungsgemäßen Aufbau die Zeit des Auftretens eines Licht bogens stark verkürzt und somit die thermische Belastung der gesamten Sicherung reduziert wird.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Zeichnung zeigt eine persekti vische Darstellung eines SMD-bestückbaren Sicherungselementes 1 mit äußeren Kontakten 2, die in einem "Dip and blot"-Verfah ren an Endflächen bzw. Stirnflächen 3 eines Substrates 4 an gebracht sind. Das Substrat 4 besteht aus einer einschichtigen Glaskeramik, die im ungebrannten Zustand zur Herstellung von Durchkontaktierungen 5a gelocht und mit einer sinterbaren und nach dem Sintern elektrisch leitfähigen Masse gefüllt wird.

An einer Unterseite 6 des Substrats 4 sind Anschlußflächen 7 angeordnet, die mit Zuleitungen 8 verbunden sind. Die An schlußflächen 7 und Zuleitungen 8 sind in einem Dickschicht verfahren auf das fertig gebrannte Substrat 4 aufgedruckt worden. An einer Oberseite 9 ist ein Schmelzleiter 10 ange bracht worden, im vorliegenden Fall ebenfalls in einem Dick schichtverfahren, wobei unter Verwendung einer Resinatpaste sehr dünne Schichtdicken für den Schmelzleiter 10 von ca. 300 µm realisiert werden. Der Schmelzleiter 10 kann für andere Nennstrombereiche als Dickschichtschmelzleiter oder z. B. auch als Drahtschmelzleiter ausgebildet werden. In allen Fällen erstreckt sich der Schmelzleiter 10 von einer Durchkontaktie rung 5a zur anderen, wobei der in dieser Ausführungsform ge wählte Schichtschmelzleiter an einer Stelle, dem Hot spot 11, stark verjüngt ist. Um an dieser Stelle ein definiertes Ab schalten herbeizuführen sind alle übrigen Bereiche des Leiter zuges wesentlich breiter und so mit einem geringeren elektri schen Widerstand ausgelegt.

Der Hot spot 11 ist zur Aufnahme verdampfter Metallpartikel beim Abschalten der Sicherung 1 und zum Schutz des Schmelzlei ters vor Umgebungseinflüssen in bekannter Weise mit einer Abdeckung 12 aus einer Silikonpaste überzogen.

In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich ein leitender Pfad von einem Kontakt 2 zum anderen, der über zwei Ebenen, nämlich die Oberseite 9 und die Unterseite 6 des Substrates 4, durch das Substrat 4 als Isolator verläuft. Dabei sind der Schmelz leiter 10 und die Zuleitungen 8 mit den Anschlußflächen 7 voneinander getrennt angeordnet, so daß sich beim Abschalten ein Lichtbogen nur im Bereich des Schmelzleiters 10 ausbilden kann und zudem auf diesen Bereich beschränkt bleibt. Die Durchkontaktierungen 5a bestehen aus abbrennfestem Sintermate rial und halten dem Lichtbogen somit stand. Nach dem voll ständigen Verdampfen der sehr geringen Materialmenge des Schmelzleiters 10 muß ein Lichtbogen erlöschen, da somit kein weiteres Material zur Verfügung steht.

Aufgrund der so realisierbaren kurzen Abschaltzeiten, die nur bei Ausnutzung des erhöhten Abschaltvermögens der beschrieben Sicherung 1 eine gewisse Zeit über das Auftreten eines Licht bogens überhaupt zulassen, sind neben Keramiken bzw. bevorzugt Glaskeramiken als Substratmaterialien auch einfache Platinen materialien, wie z. B. FR4, je nach Anforderung an die Genau igkeit der Sicherungscharakteristik und die Höhe des ange strebten Abschaltstromes einsetzbar.

Aus der Platinenherstellung sind sehr rationelle und technisch ausgereifte Standardverfahren zur Fertigung derartiger ein facher Sicherungen z. B. auf Basis von FR4 bekannt. Aber auch unter Verwendung einer Glaskeramik sind rationelle Herstel lungsverfahren im Vielfachnutzen möglich. Dabei wird als Vor teil ausgenutzt, daß Keramiken und speziell Glaskeramiken im ungebrannten Zustand leicht bearbeitet werden können. So wird das anhand der Abbildung beschriebene Sicherungselement aus einer flächigen grünen, also ungebrannten Glaskeramik im Viel fachnutzen hergestellt. Dabei wird die grüne Keramik in einem ersten Schritt gelocht. Hierbei können auch Prägungen zur Vorbereitung der späteren Vereinzelung der Sicherungen durch Brechen eingebracht werden.

In einem weiteren Schritt werden die Löcher mit einer sinter baren Masse gefüllt, die in einem einzigen Sinterschritt ge meinsam mit der großen Substratplatte ausgehärtet werden kann. Die sinterbare Masse ist danach elektrisch leitend. Wie be reits oben beschrieben, werden nun beispielsweise in einem Siebdruckverfahren an der einen Oberfläche Anschlußflächen und Zuleitungen und an der anderen Oberfläche, eventuell in einem anderen Verfahren, Schmelzleiter aufgebracht verfestigt und im Hot spot-Bereich abgedeckt. Es schließt sich der Vereinze lungsschritt an. Danach werden die Kontakte in einem Dip and blot-Verfahren oder in einem galvanischen Verfahren an den Endseiten, also den Stirnkanten 3, angebracht.

Claims

1. Elektrisches Sicherungselement, das

- ein Substrat mit zwei an gegenüberliegenden Endseiten angeordneten Kontakten,
- mit den Kontakten verbundene Anschlußflächen und
- einen elektrisch mit den Kontakten über die Anschluß flächen
- leitend verbundenen Schmelzleiter umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Anschlußflächen (7) und der Schmelzleiter (10)
- durch einen Isolator voneinander getrennt angeordnet und
- über Durchführungen (5) elektrisch miteinander verbun den sind.

2. Elektrisches Sicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußflächen (7) und der Schmelzleiter (10) in verschiedenen Ebenen (6, 9) ver laufen.

3. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Iso lator durch das Substrat (4) gebildet wird.

4. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Schmelzleiter (10) mindestens im Hot spot (11) eine Ab deckung (12) überdeckt, der vorzugsweise aus einer Sili konmasse gebildet wird.

5. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (10) ein Schichtschmelzleiter ist.

6. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (10) ein Drahtschmelzleiter ist.

7. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sub strat (4) aus einem Kunststoff oder Verbundkunststoff wie z. B. FR4 oder anderen Platinenmaterialien besteht.

8. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) aus einer Keramik und insbesondere aus einer Glaskeramik besteht.

9. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungen (5) als Durchkontaktierungen (5a) ausge bildet sind.

10. Elektrisches Sicherungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierungen (5a) aus einem leitfähigen Sinterwerkstoff bestehen.

11. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierungen (5a) über Zuleitungen (8) mit den Anschlußflächen (7) verbunden sind.

12. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß minde stens einer der Sicherungsbestandteile Anschlußfläche (7), Zuleitung (8), Schmelzleiter (10) aus einer Dick schicht oder einer Dünnschicht besteht.

13. Elektrisches Sicherungselement nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebe nen (6, 9) durch Ober- und/oder Unterseiten von zwei Isolatorschichten oder Substratschichten gebildet werden.