DE3033323C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Schutzvorrichtung ist aus der DE-AS 14 13 956 bekannt. Dort besteht die Kapsel aus einem Kunst­ stoffboden und einer Metallhaube. Die Leitungen sind durch den Kunststoffboden hindurchgeführt und die innen­ liegenden Leitungsenden zusammen mit dem Schmelzdraht in Epoxidharz eingebettet. Die Herstellung einer solchen Schutzvorrichtung ist aufwendig, und beim Durchschmelzen des Schmelzdrahtes besteht die Gefahr, daß sich kein hinreichend großer Abstand zwischen den Drahtenden an der Schmelzstelle ergibt, weil das verhältnismäßig harte Epoxidharz ein Wegschmelzen des Schmelzdrahtes über eine längere Strecke zu seinen Enden hin verhindert. Wenn der Draht nicht in Kunstharz eingebettet wäre, sondern freiläge, würden sich an der Trennstelle auf­ grund der Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls kleine Kugeln bilden, die solange anwachsen, bis prak­ tisch der gesamte Draht zwischen den Leitungen aufge­ braucht ist. Wenn der Draht jedoch fest in Kunstharz einge­ gossen ist, schmilzt der Draht zwar durch, doch verhin­ dert das den Draht umgebende harte Epoxidharz eine durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls bedingte Abrundung der Drahtenden an der Trennstelle. Inzwischen verringert sich die Temperatur der Drahtenden an der Trennstelle, so daß das Metall des Drahtes nicht weiter schmelzen kann. Nach der Abkühlung erscheinen die Drahtenden an der Trennstelle daher zerfasert. Der verbleibende geringe Abstand zwischen den Drahtenden an der Trennstelle hat nur eine verhältnismäßig geringe Durchschlagfestigkeit, so daß es bei höheren Betriebs­ spannungen der durch die Schutzvorrichtung zu schützen­ den Halbleitervorrichtung zu einem Durchschlag an der Trennstelle kommen kann, der zu einer Zerstörung der Halbleitervorrichtung führt.

Eine Schmelzsicherung ist aus der US 28 30 156 bekannt. Dort ist der Schmelzdraht lediglich mit einem schmelzbaren Kunstharz überzogen, das beim Erwärmen des Schmelzdrahtes in der Umgebung der Schmelz­ stelle des Schmelzdrahtes wegschmilzt, so daß ein Hohl­ raum entsteht und die durch das Wegschmelzen des Schmelz­ drahtes bewirkte Stromkreisunterbrechung aufrechterhält. Die Einbettung des Schmelzdrahtes in Kunstharz hat den weiteren Zweck, den Schmelzdraht abzustützen und vor hohen Stoß- und Vibrationsbelastungen zu schützen. Er muß daher ebenfalls verhältnismäßig hart sein. Beim Wegschmelzen des Kunstharzes entzieht dieses dem Schmelz­ draht Wärme, so daß die Schmelzwärme des Schmelzdrahtes rasch aufgebraucht ist und der Schmelzdraht nicht so weit wegschmilzt, daß kein hinreichend hoher Spalt ent­ steht, wie er zur Erzielung einer bei hohen Spannungen ausreichenden Durchschlagfestigkeit erforderlich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die einen Schutz einer eine höhere Betriebsspannung aufweisenden Halbleitervorrichtung mit einfachen Mitteln gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Bei dieser Lösung wird erreicht, daß beim Durchschmelzen des Schmelzdrahtes ein hinreichend breiter Spalt an der Trennstelle entsteht, da das den Draht überziehende flexible Kunstharz einer Abrundung der Drahtenden an der Schmelzstelle unter Fortpflanzung dieser Abrundung zu den Anschlußenden hin keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt. Vielmehr schmilzt praktisch der gesamte Metalldraht zwischen den Leitungen weg. Der auf diese Weise zwischen den Drahtenden an der Trennstelle gebilde­ te breite Spalt stellt eine hohe Durchschlagspannung sicher, so daß auch bei höheren Betriebsspannungen der zu schützenden Halbleitervorrichtung ein Durchschlag zwischen den Drahtenden und damit ein erneutes Schließen des Stromkreises verhindert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrie­ ben. Es zeigt

Fig. 1 die Anwendung einer Schutzvorrichtung zum Schutz einer Halbleitervorrichtung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Schutzvor­ richtung,

Fig. 3 den Verlauf von Kennlinien, die den Zusammenhang zwischen dem Durchmesser der Metalldrähte und der Stromstärke darstellen, bei der die Metalldrähte durchschmelzen,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine abgewandelte Schutzvor­ richtung mit zwei Metalldrähten,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Abwandlung der Schutzvorrichtung, bei der die Leitungen in der gleichen Richtung aus einer Kapsel herausragen,

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine dritte Abwandlung der Schutzvorrichtung, bei der mehrere Schmelzdrähte in einer einzigen Kapsel angeordnet sind, und

Fig. 7 einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Schutz­ vorrichtung, bei der der Metalldraht mit einem flexiblen Harz überzogen ist.

In Fig. 1 ist eine Halbleitervorrichtung (Vorrichtung) 11 dargestellt, die Transistoren, integrierte Schaltungen usw. aufweisen kann, wobei diese Halbleitervorrichtung 11 ein Bauele­ ment oder eine Schaltung in der Endstufe eines Netzwerks sein kann, z. B. einer elektro­ nischen Tonwiedergabeanlage. Über den Ausgang der Vorrichtung 11 wird dann eine Last 12 bzw. ein Verbraucher, z. B. der Laut­ sprecher der Tonwiedergabeanlage, gespeist.

Zwischen dem Ausgang der Halbleitervorrichtung 11 und der Last 12 liegt eine Schutzvorrichtung 13.

Nach Fig. 2 weist die Schutzvorrichtung 13 zwei Leitungen 14 und 15, einen dünnen Metalldraht (metallischer Draht; Draht) 16, der die beiden Leitungen 14 und 15 verbindet, und eine Kapsel 17 auf, die den Draht 16 und die angeschlossenen Endteile der Leitungen 14 und 15 einschließt.

Der Draht 16 ist aus einem Metall hergestellt, das einen sehr kleinen spezifischen Widerstand aufweist. So kann der Draht 16 aus Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium oder ein mit Gold plattierter Draht aus Silber verwendet werden.

Der dünne Metalldraht 16 kann in herkömmlicher Weise, wie dies von Halbleiterbauelementen her bekannt ist, mit den Leitungen 14 und 15 verbunden sein.

Die Kapsel 17 besteht aus einem nicht brennbaren Kunstharz, z. B. Silikonharz, wobei der Draht 16 und die angeschlossenen Endteile der Leitungen 14 und 15 dicht in dem Kunstharz eingegossen sind. Die Unbrennbarkeit des Kunstharzes ist erforderlich, weil der Metalldraht 16 beim Schmelzen heiß wird, so daß er die Kapsel 17 verbrennen oder zerstören könnte.

Die freien anderen Enden 14 a und 15 a der Leitungen 14 und 15 ragen aus der Kapsel 17 heraus und bilden Anschlüsse für eine gedruckte Schaltung oder dergleichen.

Der ohmsche Widerstand des Metalldrahtes 16 ist so klein gewählt, daß, wenn der von der Halbleitervorrichtung 11 zur Last 12 fließende Strom so weit angestiegen ist, daß er nur noch etwas kleiner als derjenige Strom ist, bei dem die Halbleitervorrich­ tung 11 zerstört würde, der Draht 16 sofort durchschmilzt, z. B. inner­ halb von 0,5 Sekunden. Der Widerstand des Drahtes 16 hängt vom spezifischen Widerstand des Metalls, aus dem der Draht 16 herge­ stellt ist, und der Länge sowie dem Durchmesser des Drahtes 16 ab.

Fig. 3 stellt graphisch den Zusammenhang zwischen der zum Durch­ schmelzen des Drahtes 16 erforderlichen Stromstärke und dem Durch­ messer des Drahtes 16 dar. Die Kurven ergaben sich durch Messungen der Stromstärke, bei der der Draht 16 innerhalb von 0,5 Sekunden durchschmolz, und des Durchmessers des durchgeschmolzenen Drahtes 16, wobei der Abstand l zwischen den Leitungen 14 und 15 2,5 mm betrug. Die Umgebungstemperatur betrug 25°C. Die Kurve A gilt für Golddrähte und die Kurve B für Silberdrähte.

Wie die Kurve A zeigt, schmilzt ein Golddraht mit einem Durch­ messer von 40 Mikrometer innerhalb von 0,5 Sekunden bei einer Stromstärke von 4 Ampere durch. Wenn bei einer Halbleitervor­ richtung 11, die durch einen etwas größeren Strom als 4 Ampere zerstört wird, ein Golddraht mit einem Durchmesser von 40 Mikro­ meter die Leitungen 14 und 15, die einen Abstand l von 2,5 mm aufweisen, verbindet, schmilzt der Draht 16 bei einer Stromstärke von 4 Ampere innerhalb von 0,5 Sekunden durch, so daß der Strom­ kreis zwischen der Last 12 und der Halbleitervorrichtung 11 zum Schutz der Halbleitervorrichtung 11 vor Zerstörung unterbrochen wird.

Wenn ein Draht 16 aus einem einzigen Metall, z. B. Gold, und nicht aus einer Legierung und mit einem Durchmesser von 25 Mikrometer verwendet wird, beträgt die Stromstärke, bei der der Draht 16 durchschmilzt, 2 Ampere, wie sich aus Fig. 3 ergibt. Golddrähte mit diesen Abmessungen haben einen mittleren Widerstand von 0,12 Ohm bei einer Schwankungsbreite (Standardabweichung) von 4 Milliohm. Bei Silberdrähten mit dem gleichen Durchmesser beträgt der mittlere Widerstand 0,08 Ohm bei einer Schwankungs­ breite von 3 Milliohm.

Im Vergleich zu Schmelzsicherungen aus Legierungen mit niedri­ gerem Schmelzpunkt haben Drähte 16 aus Gold oder Silber geringere Widerstände mit geringerer Widerstandsschwankungsbreite, so daß die Schmelzpunkte dieser Drähte 16 stabil und die Verluste dieser Drähte 16 gering sind.

Um eine hohe Unterbrechungsstromstärke zu erzielen, können zwei Metalldrähte 16 a und 16 b zwischen die Leitungen 14 und 15 parallel geschaltet werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Es können aber auch noch mehr derartige Drähte 16 vorgesehen sein.

In den Fig. 2 und 4 ragen die freien Enden 14 a und 15 a der Leitungen 14 und 15 aus der Kapsel 17 auf sich gegenüberliegenden Seiten der Kapsel 17 heraus. Statt dessen können die freien Enden 14 a und 15 a der Leitungen 14 und 15 auch so angeordnet werden, daß sie auf der gleichen Seite der Kapsel 17 herausragen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Wenn die Schutzvorrichtung 13 auf der Schaltungsplatte einer gedruckten Schaltung angeordnet werden soll, müssen die Leitungen 14 und 15 bei dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau abgebogen werden. Bei dem Aufbau nach Fig. 5 kann die Schutzvorrichtung 13 jedoch auf einfache Weise unmittelbar auf der Schaltungsplatte angebracht werden, ohne daß die Leitungen 14 und 15 abgebogen werden müssen.

Bei der Schutzvorrichtung 13 nach Fig. 6 sind mehrere Leitungen 14, 15 mit jeweils einem metallischen Draht 16 zwischen den inneren Enden jedes Leitungspaares in einer einzigen Kapsel 17 angeordnet. Durch Anbringung einer einzigen Kapsel 17 dieser Art auf der Schaltungsplatte einer gedruckten Schaltung ist es möglich, jeden dieser Metalldrähte 16 als getrenntes Schutzelement für eine der vielen Halbleitervorrichtungen, die auf derselben Schaltungsplatte angeordnet sind, zu verwenden, ohne daß für alle Halbleitervor­ richtungen jeweils eine eigene Schutzvorrichtung 13 vorgesehen werden muß.

Die Kapsel 17 sorgt für einen festen Halt der Leitungen 14 und 15 sowie des Metalldrahtes 16, um diese Elemente vor einer Beschädigung oder Zerstörung durch äußere Kräfte zu schützen. Wenn die Kapsel 17 aus Harz gegossen ist, muß der Metalldraht 16 darin allseitig fest eingegossen sein. Wenn der Metalldraht 16 jedoch auf Grund eines Überstroms durchschmilzt, wird er zunächst an einer Stelle getrennt, und dann runden sich die Drahtenden an der Trennstelle auf Grund der Oberflächenspannung des geschmolze­ nen Metalls zu kleinen Kugeln ab, die so lange anwachsen, bis praktisch der gesamte Draht 16 zwischen den Leitungen 14 und 15 aufgebraucht oder verschwunden ist. Dies ist ein üblicher Vor­ gang beim Durchschmelzen eines Metalldrahts 16.

Wenn der Draht 16 jedoch fest in einem flexiblen Kunstharz 20 eingegossen ist, schmilzt der Draht 16 zwar durch, doch verhindert das den Draht 16 umgebende flexible Kunstharz 20 eine Abrundung der Drahtenden an der Trennstelle durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalls. Inzwischen ver­ ringert sich die Temperatur der Drahtenden an der Trennstelle, so daß das Metall des Drahtes 16 nicht weiter schmelzen kann. Nach der Abkühlung erscheinen die Drahtenden an der Trennstelle daher zerfasert. Messungen haben gezeigt, daß die Breite des Spalts zwischen den Drahtenden an der Schmelzstelle im Bereich von 20 bis 100 Mikrometer liegt.

Normalerweise beträgt die Durchbruchspannung eines Luftspalts etwa 3000 V/mm. Wenn daher der Spalt an der Trennstelle des Drahtes 16 20 Mikrometer breit ist, liegt die Durchschlagfestigkeit des Spaltes bei etwa 60 Volt. Wenn die Schutzvorrichtung 13 dann für eine Halbleitervorrichtung 11 benutzt wird, die für höhere Betriebsspannungen als 60 Volt ausgelegt ist, bewirkt eine an die Trennstellenenden des Drahtes 16 in der Schutzvorrichtung 13 angelegte Spannung eine Entladung zwischen diesen Trennstellenenden, so daß der Stromkreis geschlossen wird und die Halbleitervorrichtung 11 nicht wirksam geschützt werden kann.

Erfindungsgemäß wird daher im Falle der Verwendung einer Kapsel 17 aus Kunstharz der Draht 16 vor dem Eingießen mit einem flexiblen Kunstharz 20 überzogen, so daß der durch das Schmelzen des Drahtes 16 an der Trennstelle entstehende Spalt hinreichend breit wird. Erst dann wird die Kapsel 17 gegossen, um den Draht 16 und die Leitun­ gen 14, 15 darin einzubetten. Fig. 7 stellt ein Ausführungsbeispiel dieser Art dar, bei dem der Metalldraht 16 zuerst mit einem nicht brennbaren flexiblen Kunstharz 20 überzogen ist.

Bei dem flexiblen Kunstharz 20 handelt es sich vorzugsweise um ein Silikonharz (z. B. das Kunstharz R6101, das von der Dow Corning Co. erhältlich ist), wie es zum Überziehen eines Übergangs in integrierten Schaltungen oder Transistoren verwendet wird.

Nachdem der Draht 16 mit dem flexiblen Kunstharz 20 überzogen worden ist, wird es zwei Stunden lang bei 150°C ausgehärtet, und dann wird die Kapsel 17 gegossen.

Wenn der mit dem flexiblen Kunstharz 20 überzogene Metalldraht 16 aufgrund eines Überstroms durchschmilzt, tritt praktisch keine äußere Kraft auf, die eine Abrundung der Drahtenden an der Schmelzstelle und damit die Ausbildung eines hinreichend breiten Spalts zwischen den abgerundeten Drahtenden verhindert. Wie Untersuchungen gezeigt haben, schmilzt praktisch der gesamte Metalldraht 16 zwischen den Leitungen 14 und 15 weg. Der auf diese Weise zwischen den Drahtenden an der Trennstelle gebildete breite Spalt stellt eine hohe Durchschlagspannung sicher, so daß eine Entladung zwischen den Drahtenden durch den Spalt hindurch und damit ein erneutes Schließen des Stromkreises verhindert wird.

Claims (5)

1. Schutzvorrichtung für eine elektronische Halbleiter­ vorrichtung, mit

• - einer Kapsel, die ein Kunstharz aufweist,
• - zwei von außen in die Kapsel ragenden Leitungen und
• - einem die inneren Enden der Leitungen verbindenden metallischen Draht, der vollständig in dem Kunst­ harz eingebettet und so beschaffen ist, daß er so schnell wie möglich schmilzt, wenn er von einem Strom durchflossen wird, der etwas niedriger als derjenige Strom ist, bei dem die zu schützende Halbleitervorrichtung zerstört wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Kapsel (17) vollständig aus dem Kunstharz gegos­ sen ist,
• - der metallische Draht (16) und die inneren Enden der Leitungen (14, 15) in dem Kunstharz eingegossen sind und
• - der metallische Draht (16) unmittelbar auf seiner Außenseite völlig mit einem flexiblen Kunstharz (20) überzogen ist.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitungen (14, 15) an sich gegen­ überliegenden Seiten der Kapsel (17) aus dieser her­ ausgeführt sind.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leitungen (14, 15) an der gleichen Seite der Kapsel (17) herausgeführt sind.

4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leitungspaare vorgesehen und jeweils durch einen metallischen Draht verbunden sind.