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Schmelzleiter für eine Sicherungseinrichtung und
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Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf einen
Schmelzleiter für eine Sicherungseinrichtung, insbesondere für eine Halbleitersicherung,
der in mindestens einem Engstellenbereich aus mehreren Fasern aus edlerem Metall
besteht und dessen Bereiche außerhalb dieses Engstellenbereiches Teile aus unedlerem
Metall enthalten. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses
Schmelzleiters. Ein derartiger Schmelzleiter geht z.B.
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aus der DE-PS 1 161 987 hervor.
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Zum Schutz von Leistungshalbleiter-Bauelementen, z.B.
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Siliziumdioden oder Thyristoren, die wegen ihrer geringen Wärmekapazität
sehr überstromempfindlich sind, müssen besondere, extrem flinke Sicherungseinrichtungen,
sogenannte Halbleitersicherungen,-vorgesehen werden. Diese Sicherungen weisen im
allgemeinen mindestens einen meistens bandförmigen Schmelzleiter aufp der mit einem
oder mehreren Engstellenbereichen versehen ist, an denen der Leiterquerschnitt wesentlich
verringert ist. Die Engstellenbereiche können z.B. durch Lochungen oder Durchbrechungen
in dem Schmelzleiter ausgebildet sein. Der Schmelzleiter besitzt einen vorbestimmten
Schmelz-I2t-Wert, der bei Uberschreiten zu einem Schmelzen in dem mindestens einen
Engstellenbereich führt. Die Größen I und t sind dabei der durch den Schmelzleiter
hindurchgeleitete Strom bzw. die Zeit, während der der Leiter mit dem Strom maximal
belastet werden darf (vgl. z.B. 'sDer
Elektroniker", 14. Jahrgang,
Heft 3, März 1975, Seiten 7 bis 14).
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Wegen seiner Oxidationsbeständigkeit, Zunderfestigkeit und seinem
günstigen Verhältnis von Schmelz-I2t-Wert zu elektrischer Leitfähigkeit ist Silber
für Schmelzleiter von Halbleitersicherungen besonders vorteilhaft.
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Allerdings werden diese Eigenschaften eines Schmelzleiters nur für
meinen Engstellenbereich gefordert. Um den Bedarf von Reinsilber für Schmelzleiter
von H«lbleitersicherungen zu reduzieren, wurden deshalb Schmelzleiter entwickelt,
die lediglich im Engstellenbereich Teile aus Silber enthalten, während die übrigen
Teile z.Bo aus Kupfer bestehen. Gemäß der eingangs genannten DE-PS 1 161 987 können
dabei die Teile des Schmelzleiters im Engstellenbereich auch aus Silberdrähten bzw.
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-fasern gebildet sein. Diese Silberfasern müssen jedoch in einem verhältnismäßig
aufwendigen Verfahren an die übrigen Teile des Schmelzleiters, die aus einem gegenüber
Silber unedleren Metall wie z.B. Kupfer bestehen können, angeschlossen werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den eingangs genannten
Schmelzleiter dahingehend zu verbessern, daß er verhältnismäßig einfach und kostengünstig
herzustellen ist und dennoch einen nur verhältnismä.ßig kleinen Anteil an dem edleren
Metall aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schmelzleiter
durchgehende Fasern aus dem edleren Metall enthält und daß seine Bereiche außerhalb
des mindestens einen Engstellenbereiches aus einem Faserverbundwerkstoff mit den
Fasern und einer die Fasern
umgebenden Matrix aus dem mindestens
einen unedleren Metall gebildet sind.
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Unter einer Faser werden dabei alle drahtförmigen, langgestreckten
Gebilde beliebiger Querschnittsform verstanden, deren kleinste Querschnittsabmessung
höchstens 0,5 mm beträgt.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gestaltung des Schmelzleiters sind
insbesondere in seiner verhältnismäßig einfachen Herstellbarkeit zu sehen. Das.unedlere
Metall der Matrix seines Faserverbundwerkstoffes braucht nämlich nur in dem mindestens
einen Engstellenbereich entfernt zu werden. Eine Kontaktierung der einzelnen Fasern
aus dem edleren Metall unterbleibt also. Da also der Querschnittsanteil der Fasern
im Vergleich zum Querschnitt des Faserverbundwerkstoffes verhältnismäßig klein gehalten
werden kann, ist der Anteil an dem edleren Metall im Vergleich zu dem bekannten
Schmelzleiter nur unwesentlich höher. Ferner sind auch die Faseranordnung und die
Faserzahl frei wählbar, so daß sich Schmelzleiter herstellen lassen, die praktisch
die gleichen Eigenschaften wie die bekannten Schmelzleiter aus Reinsilber oder aber
aufgrund der feineren Filamentierung bessere Sicherungs-Kennlinien als handelsübliche
Schmelzleiter besitzen.
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Mit einer Bandform des Schmelzleiters ist zugleich eine gute WårmeabSuhrmöglichkeit
an die Umgebung und-eine hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten.
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Besonders vorteilhaft kann der Schmelzleiter dadurch hergestellt werden,
daß zunächst ein Leitervorprodukt mit in einer Matrix aus dem mindestens einen unedleren
Metall eingebetteten Fasern aus dem edleren Metall ge-
bildet wird,
daß dann dieses Leitervorprodukt zu einem Faserverbundleiter verformt wird und daß
anschließend an dem vorgesehenen mindestens einen Engstellenbereich dieses Faserverbundleiters
das unedlere Metall entferne wird. Vorzugsweise wird das unedlere Metall in dem
mindestens einen Engstellenbereich in einem Xtzschritt entfernt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Schmelzleiters nach der Erfindung
bzw. des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus den übrigen Unteransprüchen
hervor.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen,
anhand deren Fig. 1 bis 3 ein Verfahren zur Herstellung eines Schmelzleiters nach
der Erfindung nachfolgend erläutert wird. Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere
AusSuhrungsSorm des Leitervorproduktes eines solchen Schmelzleiters.
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Zur Herstellung eines Schmelzleitere nach der Erfindung, wie er insbesondere
für Halbleitersicherungen vorgesehen werden kann, wird von einem Leiter aus einem
besonderen Faserverbundwerkstoff ausgegangen.
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Dieser Faserverbundwerkstoff soll dabei durchgehende Fasern aus einem
edleren Metall wie z.B. Reinsilber enthalten, die in einer Matrix aus einem unedleren
Metall wie z.B. Kupfer eingebettet sind. Der Querschnittsanteil der Fasern am Gesamtquerschnitt
des Faserverbundleiters beträgt vorteilhaft etwa 2 bis 40 5', vorzugsweise etwa
5 bis 20 5'.
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Die Herstellung eines entsprechenden Kupfer- Silber-Faserverbund-Schmelzleiters
kann nach bekannten Verfihrensschritten durchgeführt werden. Gemäß einem-Ausführungsbeispiel
eines solchen Verfahrens wird zunächst ein Silberstab oder -draht in ein Kupfer-Rohr
gesteckt. Durch Hämmern, Profilwalzen oder Drahtziehen wird- dieser Kupfer-Silber-Verbundkörper
zu einem Einkerndraht der gewünschten Abmessung verformt. Eine vorbestimmte Anzahl
dieser Kupfer-Silber-Einkerndrähte, z.B. 2 bis 100 Stück, wird dann in ein weiteres
Rohr mit Vierkant- ~oder Rundprofil gesteckt. Dieses weitere Rohr kann z.B. ebenfalls
aus Kupfer bestehen. Vorteilhaft läßt sich jedoch auch ein besonders zunderfestes
Material wie z.B. eine besondere Kupfer-Legierung wählen. Entsprechende Kupfer-Legierungen
sind insbesondere Kupfer-Germanium, Kupfer-Aluminium, Kupfer-Magnesium oder Kupfer-Zinn.
Anschließend wird mit einem geeigneten Verformungsschritt wie z.B. Walzen dieses
Vielkernleiter-Vorprodukt in die gewünschte Endform des Faserverbundleiters gebracht.
Wird eine noch größere Anzahl von Fasern gewünscht, so kann ein weiterer BUndelungsschritt
vor der Endbündelung erfolgen. Hiermit lassen sich beispielsweise bis zu 20 000
Fasern in dem Matrixmaterial anordnen. In der Endverformung wird im allgemeinen
ein Baild von 0,1 bis 0,5 llTfl Dicke und 10 bis 70 mm Breite hergestellt. Vorteilhaft
wird ein Verhäl-tnis von Dicke zu Breite des Querschnittes von kleiner als 1:59,
vorzugsweise kleiner als 1:100 gewählt. Ferner kann gegebenenfalls auch eine Zwischenglühung
bei etwa 7000C für mehrere Stunden vor, während oder nach der Verformung sur Verbesserung
der Verbindung der einzelnen Einkerndrähte mit dem sie einschließenden Material
vorgesehen werden.
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In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen solchen bandförmigen Faserverbund-Leiter
2 mit einer Dicke d und einer Breite b veranschaulicht. In seiner Matrix 3 aus dem
unedleren Metall ist eine Vielzahl von Fasern aus dem edleren Metall eingebettet.
Diese Fasern, von denen in der Figur der Ubersichtlichkeit wegen nur sechs Fasern
4 bis 9 veranschaulicht sind, haben aufgrund des vorangegangenen Walzschrittes Bandform.
Wie aus der Figur ferner hervorgeht, ist die Matrix 3 formschlüssig von einer Hülle
10 aus einem zunderfesten Material wie z.B. einer speziellen Kupfer-Legierung umgeben.
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In diesem so hergestellten bandförmigen Faserverbund-Leiter werden
anschließend die erforderlichen Engstellenbereiche ausgebildet. Hierzu kann vorteilhaft
ein an sich bekanntes Formätzverfahren vorgesehen werden. Dementsprechend wird gemäß
der in Fig. 2 dargestellten Aufsicht der Faserverbund-Leiter in einem geeigneten
Lackierungs- oder Fotolackverfahren mit einer Maske 12 versehen. Der maskierte Faserverbund-Leiter
ist in der Figur allgemein mit 13 bezeichnet. Er enthält mit dieser Maske abgedeckte
Bereiche 14, zwischen denen nicht-maskierte Bereiche 15 frei gehalten sind, welche
die späteren Engstellen festlegen. Diese nicht-maskierten Bereiche 15 werden dann
bei einem Eintauchen des bandförmigen Leiters 13 in ein selektives Ätzmittel allein
dem Ätzmittel ausgesetzt. Für SupSer-Silber-Faserverbund-Leiter eignet sich als
selektives Ätzmittel insbesondere Kupfer- III-Chlorid oder auch Königswasser, eine
Mischung aus Salzsäure und Salpetersäure im Verhältnis 3:1. Das Ätzmittel löst nur
die Kupfermatrix 3 sowie deren gegebenenfalls vorhandene Hülle 10 auf, so daß in
den Engstellenbereichen 15 dann nur die durchgehenden
Silber-Fasern
zurückbleiben. Abschließend kann der Faserverbund-Schmelzleiter noch in einem Polierbar
gereinigt werden, um so die auf den Silberfasern gebildeten Schutzschichten zu entfernen.
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Statt des gemäß dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Formätzverfahrens
können zur Herstellung der Engstellenbereiche des Schmelzleiters nach der ErSindung
gegebenenfalls auch physikalische Ätzverfahren wie z.B. Ionenätzen oder Plasmaätzen
eingesetzt werden.
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Der so hergestellte Faserverbund-Schmelzleiter ist in Fig. 3 als Aufsicht
in seiner endgUltigen Form angedeutet. Dieser Leiter 16 enthält breite, ungeätzte
Bereiche 17, die durch eine Vielzahl dünner Fasern h bis 9 in Engstellenbereichen
18 miteinander verbunden sind.
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Während für das edlere Metall der Fasern z.B. auch eine Silberlegierung
gewählt werden kann, läßt sich als Matrixmaterial statt des Kupfers auch eine Kupfer-Legierung
verwenden Ferner kann man als Matrixmaterial auch Nickel oder Nickellegierungen
vorsehen.
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Darüber hinaus ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Matrixmaterial
besonders geeignet.
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Gegebenenfalls kann man, um eine Interdiffusion von Silber und Kupfer
zu verhindern, die Fasern aus dem edleren Metall in dem Faserverbundwerkstoff jeweils
mit einem besonderen diffusionshemmenden Hüllrohr umgeben. Hierzu wird beispielsweise
bei der Herstellung der Einkerndrähte jeder Silberdraht zunächst in ein Hüllrohr
und dann mit dem Hüllrohr in ein Kupferrohr eingefügt. Das Hüllrohr besteht zweckmäßig
aus
einem sowohl in dem Matrixmaterial als auch in dem Fasermaterial weitgehend unlöslichen
Metall.
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Geelgnete Materialien sind hierfür z.B. Niob, Tantal, Molybdän oder
Zirkon. Beim ätzen der Engstellenbereiche des Faserverbundleiters werden dann auch
die Hüllrohre in diesen Bereichen selektiv abgeätzt.
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Werner sind statt des beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des
bandförmigen Faserverbund-Leitervorproduktes auch andere Herstellungsverfahren ebensogut
möglich. Z.3. kann ein Kupferband durch Profilwalzen mit durchlaufenden Vertiefungen
versehen werden, in welche die Silberdrähte oder -streifen oder auch Eupfer-Silber-Einkerndrähte
bzw. -streifen eingelegt werden. Ebenso können die Silber-Drähte bzw.
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Eupfer-Silber-Einkerndrahte durch Walzplattieren auf einem nicht-profilierten
Kupferband aufgebracht werden. Dieser Aufbau wird dann durch ein weiteres Kupferband
abgedeckt, das mit dem die Silberdrähte oder -streifen enthaltenden Kupferband verschweißt
oder verlötet wird. Durch nachfolgendes Flachwalzen wird die gewünschte Banddicke
des Faserverbund-Leiters erreicht. Die Engstellenbereiche lassen sich anschließend
in der beschriebenen Weise erzeugen.
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Um die mechanische Stabilität des Faserverbund-Schmelzleiters zu erhöhen,
können einzelne der Fasern aus dem edleren Metall durch besondere Armierungsfasern
mit einer vergleichsweise höheren mechanischen Festigkeit und geringeren elektrischen
Leitfähigkeit ersetzt werden. Derartige Armierungsfasern, beispielsweise die Fasern
4 und 9 nach Fig. 1, können insbesondere aus Edelstahl oder Nickel bestehen. Außerdem
ist es auch möglich, den zunächst ebenen bandförmigen Faserverbundleiter vor oder
nach dem Ätzschritt oder den
Schmelzleiter noch zu einer die mechanische
Stabilität erhöhenden Form zu biegen. Beispielsweise kann dem Schmelzleiter eine
V-förmige Querschnittsfrm gegeben werden.
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Neben diesen flachen oder V-förmigen Gestaltungsformen des Schmelzleiters
nach der Erfindung können jedoch auch beliebige andere Querschnittsformen vorgesehen
werden. In Fig. 4 ist als Ausführungsbeispiel ein Faserverbund-Schmelzleiter 20
mit Rohrform veranschaulicht. Der Querschnitt ist dabei durch einen außerhalb eines
Engstellenbereiches liegenden Teil gelegt. Dieser Teil des Leiters weist eine rohrförmige
Matrix 21 aus mindestens einem unedleren Material auf, in der flache Fasern 22 aus
dem edleren Metall eingebettet sind. Eine derartige Leiterform läßt sich beispielsweise
dadurch herstellen, daß man in den Zwischenraum zwischen zwei konzentrischen Rohren
aus dem unedleren Metall Einkerndrähte, wie sie auch bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 vorgesehen sind, einfügt. Durch eine gemeinsame Verformung, beispielsweise
durch einen Ziehvorgang, wird dann dieses Leitervorprodukt zu dem Faserverbund-Leiter
ausgebildet. Dieser Faserverbund-Leiter wird anschließend mit den Engstellenbereichen
versehen, indem dort das Matrixmaterial 21 entfernt wird.
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Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Faserverbund-Schmelzleiters
nach der Erfindung wird zunächst ein Cu-Ag-Manteldraht aufgebaut, indem ein Ag-Stab
mit 5 mm in ein 10 mm x 2,5 mm Cu-Rohr gesteckt wird. Der Durchmesser dieses Aufbaus
wird dann durch Hämmern auf 5 mm und anschließend durch Drahtziehen von 1 mm reduziert.
Der so erhaltene Einkern-Manteldraht wird zu Einzeldrähten mit
je
50 cm Länge geteilt. Parallel zu diesen Verfahrensschritten wird ein10 mm x 0,5
mm Cu-lat.5'o Al-Rohr zu einem flachen Hohlprofil der Abmessungen 14,5 mm x 2 mm
außen und 13 mm x 1 mm innen gewalzt.
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Sowohl die Cu-Ag-Manteldrahte als auch das Hohlprofil werden bei 9800C
eine Stunde geglüht und anschließend gut gereinigt. Zur Bündelung werden 13 einzelne
Manteldrähte nebeneinander in das auf ebenfalls 50 cm Länge gekürzte Hohlprofil
gesteckt. Das so entstandene Leitervorprodukt wird abschließend durch Walzen auf
eine Dicke von 0;2 mm gebracht, wobei eine Diffusionsglühung für eine Stunde bei
7000 C die Verbindung zwischen den Manteldrähten und dem Hohlprofil wesentlich verbessert.
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Der so erhaltene Faserverbundleiter hat dann folgendes Aussehen: 13
Ag-Fasern der Abmessungen 0,06 mm x 0,5 mm sind in einem Cu-Körper der Abmessungen
0,1 mm x 14,5 mm eingebettet. Dieser wiederum ist umgeben von einer Cu-1at.% Al-Hülle.
Die äußeren Abmessungen sind 0,2 mm x 16 mm.
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Schließlich werden vier Engstellenbereiche mit einem Abstand von 10
mm und einer Länge von 2 mm durch Foraätzen aus dem auf 70 mm Länge geschnittenen
Faserverbundleiter herausgearbeitet. Hierbei wird das Faserverbund-Material zunächst
mit Photolack bedeckt, der im Bereich der späteren Engstellen durch entsprechende
Belichtung und Entwickeln entfernt wird. Bei dem folgenden Ätzen in Eisen-III-Chlorid
wird das Cu an den Photolack-freien Stellen selektiv entfernt, so daß hier nur die
Ag-Fasern zurückbleiben.
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24 Patentansprüche 4 Figuren
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