DE19803605A1 - Verfahren zur Herstellung elektrischer Sicherungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung elektrischer Sicherungen, bei dem

• - mindestens ein Schmelzleiter
• - an mindestens einem Anschlußstift
• - in einem isolierenden Körper
• - elektrisch leitend
• - befestigt wird.

Bekannte Verfahren, wie beispielsweise das der Pfostenlötung zur Verbindung eines Schmelzleiters mit Anschlußstiften, wur­ den in der Vergangenheit insbesondere aufgrund ihrer hohen Fehleranfälligkeit weiterentwickelt. Ein sehr zuverlässiges Herstellungsverfahren wird anhand einer elektrischen Kleinst­ sicherung mit einem isolierenden Körper in der DE 34 08 854 offenbart. Danach wird der Schmelzleiter an abgeplatteten und mit einer länglichen Ausnehmung versehenen Endbereichen abge­ längter Anschlußstifte gespannt, wobei in einem nachfolgenden Schritt aus diesen Endabschnitten durch Biegen Ösen um den Schmelzleiter herum zu dessen Fixierung ausgebildet werden. Auf einen unter Zufuhr von Hilfsstoffen, wie beispielsweise Lötzinn und Flußmittel, durchgeführen Lötschritt folgend wird das überstehende Schmelzleiter-Material durch speziell ausge­ bildete Scheren oder Messer abgeschnitten. Dieses Verfahren ermöglicht zwar eine sichere elektrische und mechanische Ver­ bindung zwischen dem Schmelzleiter und den Anschlußbeinen, aber der Fertigungsaufwand ist relativ hoch.

Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren der vorstehend genannten Art vor allem zum Zweck der Reduzierung der Ferti­ gungskosten weiterzuentwickeln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schmelzleiter und einem Anschlußstift durch Lasern hergestellt wird.

In einem Verfahren zur Herstellung elektrischer Sicherungs­ elemente, wie z. B. einer Kleinstsicherung der eingangs genann­ ten Art, wird an in entsprechend abgelängten und positionier­ ten Anschlußstiften ein Schmelzleiter durch gezielte Zufuhr thermischer Energie unter Nutzung eines Lasers mit vorbestimm­ ten Bereichen eines Anschlußstiftes elektrisch leitend verbun­ den bzw. daran dauerhaft befestigt. Der thermische Energie­ inhalt eines :Laserstrahls ist auch bei kurzen Pulsen aus mo­ dernen Lasern so hoch, daß er zu einer starken Erwärmung in dem nahezu punktförmigen Bereich seines Auftreffens führt. So wird ohne Einsatz von Lötzinn eine elektrisch und mechanisch dauerhafte Verbindung hergestellt, die sich gegenüber Löt­ verbindungen besonders durch ihre Temperaturstabilität aus­ zeichnet.

Der Verbindungsbereich zwischen Anschlußstift und Schmelzlei­ ter wird durch die Prozeßführung sehr genau bestimmt, so daß es im Vergleich zu Verfahren nach dem Stand der Technik sehr geringe Variationen der Länge des Schmelzleiters zwischen zwei Verbindungsstellen in einem Sicherungselement gibt. Damit wird eine insgesamt sehr geringe Streuung der Sicherungswiderstände innerhalb des Herstellungsprozesses erreicht. Zudem werden mindestens die Prozeßschritte Einrollen und Löten mit den darin enthaltenen Werkzeugen, Hilfsstoffen sowie maschinellen Vorrichtungen eingespart, was neben der deutlichen Steigerung der Fertigungsgenauigkeit eine Erhöhung des Rationalisierungs­ grades und der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens gegenüber bekannten Sicherungsherstellverfahren be­ wirkt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Laserstrahl daher in dem beabsichtigten Verbindungsbereich auch vorteil­ haft auf den hinter dem Anschlußstift angeordneten Schmelzlei­ ter gerichtet werden. Durch den Berührungskontakt zwischen Schmelzleiter und Anschlußstift wird in ausreichendem Maße thermische Energie auch auf den Schmelzleiter übertragen. So ergibt sich durch mindestens oberflächliches Anschmelzen des Schmelzleiters eine dauerhafte mechanische und elektrisch leitende Verbindung über den gesamten Kontaktbereich, der insbesondere durch eine Stanzung an dem Anschlußstift genau definiert wird. Andere Einsatzmöglichkeiten werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird auch das Trennen des an der Verbindungsstelle einseitig überstehenden Schmelzleiters durch einen Laser durchgeführt. Lasertrennen ist auch bei extrem kurzer thermischer Einwir­ kungszeit bei Mehrkomponentenschmelzleitern einsetzbar, bei denen beispielsweise der Schmelzleiter in Form eines oder mehrerer metallischer Drähte um einen Seidenfaden oder einen Keramikkörper oder ähnliches herumgewickelt ist. Durch die starke Konzentration der Energie auf einen Durchtrennungs­ bereich kann das Abtrennen sehr schnell durchgeführt werden, wodurch auch die starke Erwärmung lokal eng im Schmelzleiter begrenzt bleibt. Dadurch kann insbesondere bei der Herstellung von Sicherungselementen mit träger Schaltcharakteristik eine vorzeitige Alterung des Schmelzleiters im Bereich seines Hot­ spots, dem gezielten Durchtrennungsbereich beim Abschalten des Sicherungselementes, vermieden werden.

Je nach Durchmesser und Materialbeschaffenheit eines einge­ setzten Schmelzleiters sowie des für das Herstellungsverfahren zur Verfügung stehenden Lasers wird das Trennen mit einem einzigen Laserpuls oder aber einer schnellen Abfolge mehrerer, in einer Linie über den Durchtrennungsbereich am Schmelzleiter geführter Laserpulse durchgeführt. Zum Trennen können zusätz­ liche Laser eingesetzt werden, wodurch nach dem Verbinden das Einstellen neuer Laserstrahl-Positionen eingespart werden kann. Durch den Einsatz handelsüblicher Laser mit moderner Kalibrierungs- und Umlenkoptik sind beide Arten der Trennung bei der Einrichtung einer Fertigungsstraße sowie im Dauer­ betrieb fast gleich wirtschaftlich.

Vorteilhafterweise wird das Verbinden des Schmelzleiters mit einem Anschlußstift sowie das Trennen des überstehenden Schmelzleiters in einem Schritt durchgeführt. Dazu wird vor­ zugsweise der Laserpuls seitlich leicht gegenüber dem An­ schlußstift versetzt gegen den Anschlußstift und mindestens teilweise auch direkt gegen den Schmelzleiter gerichtet, so daß zeitlich genau aufeinanderfolgend erst ein Verbinden und dann ein Abtrennen des Schmelzleiters durchgeführt wird. In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder An­ spruch 4 werden die übrigbleibenden Abschnitte des befestigten Schmelzleiters durch Druckluft von der Verbindungsstelle di­ rekt nach dem Einsatz des Laserpulses abgeblasen. Unter Ver­ wirklichung von Anspruch 5 ergibt sich somit ein gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich der Sauberkeit der Trennstelle überlegenes Herstellungsverfahren. Zudem arbeitet ein Laser­ trennverfahren vergleichsweise wartungsfrei, da an dem Trenn­ werkzeug im Gegensatz zu mechanischen Vorrichtungen kein Ver­ schleiß auftreten kann. Das kontaktfrei durchgeführte Trennen ermöglicht auch das problemlose Verarbeiten extrem dünner Schmelzleiters, da Vibrationen oder übermäßige mechanische Beanspruchung des Schmelzleiters oder der Verbindungsstelle prinzipbedingt nicht auftreten können.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird vorteilhafter Weise im Vielfachnutzen durchgeführt, wobei insbesondere Be­ stückungskassetten zur Aufnahme der Anschlußstifte verwendet werden. Diese Kassetten können einzeln oder zur weiteren Pro­ duktivitätserhöhung in kettenförmiger Aneinanderreihung einge­ setzt werden.

Die Flexibilität des vorstehend beschriebenen Verfahrens er­ laubt auch, daß ein rationelles und sicheres Verbinden des Schmelzleiters mit einem Anschlußstift durch Lasern nicht nur im unmittelbaren Endbereich des Anschlußstiftes durchgeführt wird. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können die stiftförmigen Anschlüsse zwar zur Materialeinsparung in ihrer Länge prinzipiell reduziert werden, wie ein Vergleich der nachfolgenden Ausführungsbeispiele mit den Abbildungen aus der DE 34 08 854 deutlich zeigt. Bei Bedarf können die Anschluß­ stifte jedoch auch jenseits einer Verbindungsstelle unver­ ändert weiterlaufen.

Endprodukt eines der vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren ist eine elektrische Sicherung aus einem isolieren­ den Körper und zwei mindestens teilweise stiftförmigen An­ schlüssen, die innerhalb des Körpers elektrisch leitend mit mindestens einem Schmelzleiter durch Laserschweißung verbunden sind, wobei der Schmelzleiter vorzugsweise durch Lasern abge­ längt ist. Eine derartige elektrische Sicherung wird als Gerä­ tesicherung in sehr hohen Stückzahlen eingesetzt, so daß die Verwirklichung der genannten Merkmale und die Nutzung der damit verbundenen Einsparungspotentiale von großer wirtschaft­ licher Bedeutung sind.

Nach dem Stand der Technik haben sich elektrische Verbindungen dünner Schmelzleiter an stiftförmigen Anschlüssen als beson­ ders schwierig dargestellt, so daß im Rahmen dieser Erfindung auch vorrangig auf derartige Verbindungen Bezug genommen wur­ de. Darin ist jedoch keine Beschrankung der Erfindung nur auf diesen Bereich zu sehen, da eine Übertragung der Erfindung auf andere technische Anwendungsfälle mit ähnlichen Randbedingun­ gen nahe liegt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a eine Draufsicht auf einen Standard-Sockel einer Siche­ rung mit zwei Anschlußstiften und dem skizzierten Verlauf eines Schmelzleiters;

Fig. 1b eine Seitenansicht von Fig. 1a;

Fig. 1c eine Skizze analog zu Fig. 1a unter Darstellung eini­ ger Fertigungsschritte,

Fig. 2a und 2b zu Fig. 1a und 1b analoge Abbildungen unter Anpassung auf ein variiertes Verfahren und

Fig. 2c eine skizzierte Darstellung einiger Fertigungsschrit­ te.

In Fig. 1a ist ein Sockel 1 einer elektrischen Sicherung mit zwei Anschlußstiften 2 in einer Draufsicht dargestellt, wie er beispielsweise bei der Gerätesicherung TE5® als Teil eines isolierenden Körpers eingesetzt wird. Durch gestrichelte Li­ nien ist in Fig. 1a auch ein Verlauf eines Schmelzleiters 3 eingezeichnet, der auf jeweils in einem Endbereich 4 abgeplat­ tete Flächen 5 der Anschlußstifte 2 gelegt wird. Die Fläche 5 weist dabei eine beim Trennen der Anschlußstifte 2 durch Stan­ zen definierte feste Breite b auf.

Anhand der Seitenansicht der vervollständigten Anordnung von Fig. 1a wird in Fig. 1b der Zustand vor dem Herstellen eines Verbindungsbereiches 6 zwischen einer abgeplatteten Fläche 5 eines Anschlußstiftes 2 und dem Schmelzleiter 3 dargestellt. Der Doppelpfeil zeigt dabei die Richtung an, aus der in diesem Verfahren ein Laserstrahl auf die beschriebene Anordnung ge­ richtet wird. Der Laserstrahl wird dementsprechend auf den hinter dem Anschlußstift 2, bzw. der abgeplatteten Fläche 5 des Anschlußstiftes 2 angeordneten Schmelzleiter 3 gerichtet. Die hohe thermische Energie des Laserstrahls erhitzt somit die Fläche 5 sehr stark. Durch den Berührungskontakt heizt sich auch der Schmelzleiter 3 in einem linienförmigen Bereich so­ weit auf, daß dann Anschlußstift 2 und Schmelzleiter 3 hier miteinander verschmelzen. Durch eine entsprechende Prozeßfüh­ rung kann also eine Verschmelzung bzw. eine dauerhafte, elek­ trisch leitende Verbindung zwischen Anschlußstift 2 und Schmelzleiter 3 erreicht werden, die in ihrer Abmessung genau der Breite b der Fläche 5 entspricht. Da der elektrische Wi­ derstand des Schmelzleiters 3 wesentlich höher als der der Anschlußstifte 2 ist und zudem ein Abstand d der Anschlußstifte 2 voneinander beispielsweise hier durch den Sockel 1 immer konstant gehalten wird ergeben sich stets konstante freie Längen Δx. Also haben alle nach diesem Verfahren hergestellten Sicherungen einen der Länge Δx entsprechenden elektrischen Widerstand R. Die Variationen der Sicherungswiderstandswerte R, als ein Qualitätsmerkmal einer Sicherungsgruppe, sind daher innerhalb des Herstellungsprozesses minimal.

Aus Gründen der Arbeitssicherheit ist es vorteilhaft, den Laserstrahl stets nach unten bzw. nach oben, also in der Rich­ tung der z-Achse zu richten. So wird der direkte Laserstrahl immer in einer Absorbereinheit aufgefangen. Zudem kann der Schmelzleiter 3 als gespannter Ein- oder Mehrkomponentendraht gleichzeitig sehr einfach auf eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Sockel 1 bzw. Anschlußstifte 2 gelegt und damit bereits ausreichend positioniert werden.

In Fig. 1c sind zwei der Position des Doppelpfeils von Fig. 1b entsprechende Verbindungsstellen 6 mit dem hinter den Flächen 5 verlaufenden Schmelzleiter 3 dargestellt. Nach dem kurzen Laser-Schritt muß der zwischen den Anschlußstiften 5 liegende Schmelzleiter von überschüssigem Material 7 an den entspre­ chenden Seiten der Verbindungsstellen 6 abgetrennt werden. Bei einer stets anzustrebenden Massenfertigung liegen die fertig verbundenen Schmelzleiter sonst weiter in einer langen Reihe aneinanderhängend. Sie können in dieser Form nicht weiterver­ arbeitet werden, insbesondere kann der jede einzelne Sicherung umgebende isolierende Körper nicht geschlossen werden, was hier im Fall der Gerätesicherung TE5® durch Aufsetzen einer verrastenden Kappe geschehen würde. Zur Vereinzelung der Si­ cherungen sind daher Trennstellen 7, 8 nahe der Flächen 5 vorgesehen. An der Trennstelle 7 wird der Schmelzleiter 3 durch einen Laserpuls, an der Trennstelle 8 durch mehrere, linear geführte Laserpulse kontaktlos zertrennt. Die Auswahl der Art der Lasertrennung verfolgt in Abhängigkeit seiner Materialzusammensetzung des Schmelzleiters 3 und seines Durch­ messers. Das beim Trennen anfallende überschüssige Material 9 wird durch Preßluft abgeblasen, so daß die Trennstellen 7, 8 stets sauber sind und der nachfolgende Fertigungsprozeß oder die Qualität der Sicherungen nicht durch Verunreinigungen beeinträchtigt werden.

Die in den Fig. 2a und 2b dargestellte Anordnung aus Sockel 1 mit endseitig abgeplatteten Anschlußstiften 2 sowie einem horizontal verlaufenden Schmelzleiter 3 stimmen prinzipiell mit denen der Fig. 1a und 1b überein. Der Unterschied zwischen diesen Ausführungsformen liegt soweit nur darin, daß der Laser in dem Bereich der späteren Verbindungsstelle 6 direkt auf den Schmelzleiter 3 gerichtet wird, wie in Fig. 2b schematisch unter Verwendung des Doppelpfeils dargestellt ist.

Anhand der Darstellung von Fig. 2c wird als weiterer Unter­ schied zu Fig. 1c deutlich, daß nun der Laserstrahl so zur Mitte der Flächen 5 nach außen versetzt eingerichtet wird, daß ein Teil der Laserenergie ausschließlich den Schmelzleiter 3 trifft und aufgrund der Kürze des Laserimpulses auch nicht mehr über die Flächen 5 zu den Anschlußstiften 2 hin abgelei­ tet werden kann. Die Erwärmung wird daher so stark, daß der Schmelzleiter an den Stellen 10 direkt beim Verbinden des Schmelzleiters 3 mit den Anschlußstiften 2 von überschüssigem Material 9 abgetrennt wird. Somit ist hier gegenüber dem vor­ anstehend beschriebenen Verfahren noch ein weiterer Rationali­ sierungsschritt durchgeführt worden.

Bei den Verbindungs- und/oder Trennverfahren ist jedoch gemein­ sam, daß aufgrund der hohen Energiedichte moderner Laser die punktgenau positionierbare Wärmeenergie nur über extrem kurze Zeitintervalle auf eine bestimmte Stelle einwirken muß. Diese Stelle erwärmt sich quasi sofort soweit, daß die Bedingungen für eine optimale, dauerhafte Verbindung mit guten mechani­ schen und elektrischen Eigenschaften gegeben sind. Eine leich­ te Erhöhung der Laserpulsdauer führt zum Verdampfen des Mate­ rials und somit zu einem sauberen Trennen. In dem in Fig. 2c dargestellten Verfahren wird die Tatsache vorteilhaft ausge­ nutzt, daß in sehr kurzen Zeitabschnitten ein effektiver Ab­ transport der hohen Wärmeenergiemengen über weitere Strecken auch in metallischen Medien nicht möglich ist. Jede thermisch bedingte Materialänderung des Schmelzleiters wird so insbeson­ dere in einem "Hots pot" 11 vermieden, in dem sich der Schmelzleiter 3 beim Abschalten auftrennen soll. Bei mangeln­ der Kühlung, wie im Bereich des isoliert liegenden Schmelzlei­ ters 3, wird das Material daher getrennt. Im direkt angrenzen­ den Bereich, dem Kontaktbereich zwischen Schmelzleiter 3 und Anschlußstift 2, entsteht eine dem Elektroschweißen ähnliche Verbindungsstelle 6.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung elektrischer Sicherungen, bei dem

• - mindestens ein Schmelzleiter
• - an mindestens einem Anschlußstift
• - in einem isolierenden Körper
• - elektrisch leitend
• - befestigt wird,
  dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schmelzleiter (3) und dem Anschlußstift (2) durch Lasern hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl vorzugsweise auf den hinter dem An­ schlußstift (2) angeordneten Schmelzleiter (3) gerichtet wird.

3. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablängen bzw. Abtrennen des Schmelzleiters (3) nach dem Verbinden mit mindestens einem Anschlußstift (2) durch Lasern erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden des Schmelzleiters (3) mit mindestens einem Anschlußstift (2) sowie das Trennen bzw. Ablängen des Schmelzleiters (3) durch Lasern in einem Verfahrensschritt erfolgt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennstelle (7, 8, 10) des Schmelzleiters (3) nach dem Abtrennen überschüssigen Materials (9) gereinigt wird, insbesondere durch Abblasen mit Luft.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Herstellungs­ verfahren im Vielfachnutzen insbesondere unter Verwendung von Bestückungskassetten zur Aufnahme der Anschlußstifte (2) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden des Schmelzleiters (3) mit einem Anschlußstift (2) durch Lasern nicht im unmittelbaren Endbereich (4) des An­ schlußstiftes (2) durchgeführt wird.

8. Elektrische Sicherung mit

• - einem isolierenden Körper und
• - zwei mindestens teilweise stiftförmigen Anschlüssen (2)
• - die innerhalb des Körpern elektrisch leitend
• - mit mindestens einem Schmelzleiter (3)
• - durch Laserschweißung verbunden sind, wobei
• - der Schmelzleiter (3) vorzugsweise durch Lasern abge­ längt ist.