DE4223621C1 - Hochfrequenz-Schmelzsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Schmelzsicherung mit einem Schmelzleiter, der eine erste Querschnittsfläche aufweist, die einen Hochfrequenzstrom führen kann, und mit zwei elektrischen Anschlüssen, die jeweils mit einem Ende des Schmelzleiters verbunden sind.

Eine Schmelzsicherung der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 270 954 A1 bekannt. Die bekannte Schmelzsicherung ist grundsätzlich auch zur Absicherung von Hochfrequenzstromkreisen geeignet. Beim Einsatz dieser Sicherung in derartigen Stromkreisen ist jedoch nachteilig, daß sie bei kleinen Abschaltströmen einen relativ hohen Hochfrequenz-Verlustwiderstand aufweist. Andererseits muß, wenn neben einem niedrigeren Abschaltstrom auch ein niedriger Verlustwiderstand gefordert ist, eine träge Schmelzcharakteristik in Kauf genommen werden.

Im Megahertz-Bereich eingesetzte Schmelzsicherungen finden sich z. B. im Stromkreis von Lokalspulen bei Kernspin-Tomographiegeräten. Lokalspulen werden normalerweise nur zum Empfang von Kernspinresonanz-Signalen verwendet. Angeregt werden die Kernspins über einen Sendeimpuls einer anderen Antenne, z. B. einer Ganzkörperantenne. Während der Dauer des Anregungsimpulses muß die Lokalspule entkoppelt werden, d. h. das hochfrequente Magnetfeld des Sendeimpulses darf in der Lokalspule keine Ströme induzieren. Diese Entkopplung realisiert man in der Regel durch einen elektronischen Schalter mit PIN-Dioden. Hat dieser Schalter einen Defekt, so können im Extremfall sehr hohe Ströme mit einem Effektivwert bis zu 10 A in der Lokalspule induziert werden, so daß eine Patientengefährdung besteht. Der Abschaltstrom der in dem Lokalspulenkreis eingesetzten Schmelzsicherung muß klein genug sein, um eine Patientengefährdung auszuschließen.

Werden Schmelzsicherungen in Hochfrequenz-Meßkreisen eingesetzt, müssen sie oft neben einem kleinen Abschaltstrom mit einem Effektivwert in der Größenordnung von einigen 100 mA einen kleinen Hochfrequenz-Verlustwiderstand aufweisen, um das Signal-Rausch-Verhältnis nicht zu verschlechtern. Um beide Forderungen zu erfüllen, müssen bei Anwendungen im Megahertz-Bereich meist träge Sicherungen eingesetzt werden, die jedoch eine lange Schmelzzeit von ca. zwei Minuten bei einem Abschaltstrom in Höhe des zweifachen Sicherungs-Nennstroms besitzen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenz-Schmelzsicherung gemäß der EP 0 270 954 A1 so weiterzuentwickeln, daß sie trotz eines niedrigen Abschaltstromes einen niedrigen Hochfrequenz-Verlustwiderstand aufweist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die erste Querschnittsfläche in mindestens einer Richtung eine erste Abmessung von ungefähr dem Zweifachen der Eindringtiefe des Hochfrequenz-Nennstromes aufweist. Damit wird der Abschaltstrom minimiert. Das beruht auf dem folgenden Zusammenhang: Überschreitet z. B. die Dicke oder die Höhe des Schmelzleiters etwa das Zweifache der Eindringtiefe, so verringert sich der Hochfrequenz-Widerstand des Schmelzleiters nicht weiter. Die Masse des Schmelzleiters nimmt jedoch zu, was mit einer höheren Durchschmelzenergie und daher mit einem höheren Abschaltstrom verbunden ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen den Enden des Schmelzleiters und den elektrischen Anschlüssen jeweils ein Leiterstück angeordnet ist, daß das Leiterstück eine zweite Querschnittsfläche und die elektrischen Anschlüsse eine dritte Querschnittsfläche besitzen, daß die Größe der zweiten Querschnittsfläche zwischen der Größe der ersten und dritten Querschnittsfläche liegt und daß die zweite Querschnittsfläche in einer Richtung eine zweite Abmessung aufweist, die ungefähr dem Zweifachen der Eindringtiefe des Hochfrequenzstromes entspricht. Damit ist die Durchschmelzenergie weiter minimiert, weil auch die Wärmeableitung zur Umgebung minimal gehalten ist. Die Wärmeableitung wird gegenüber der direkten Verbindung des Schmelzleiters mit den relativ massiven elektrischen Anschlüssen durch die zwischengeschalteten Leiterstücke erheblich vermindert, wobei durch den gegenüber dem Schmelzleiter größeren Querschnitt der Leiterstücke sichergestellt ist, daß nur der Schmelzleiter selbst durchbrennt. Durch die Begrenzung der zweiten Querschnittsfläche in einer Richtung ist sichergestellt, daß die Masse des Leiterstücks und der für die Wärmeleitabfähigkeit maßgebende Querschnitt des Leiterstücks nicht unnötig groß ist.

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sind in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Leiterstücke auf einem elektrisch und thermisch isolierenden Träger angeordnet.

Da die Wärmeleitfähigkeit der Leiterstücke umgekehrt proportional der Länge der Leiterstücke ist, sind bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Leiterstücke mindestens so lang wie der Schmelzleiter ausgeführt.

In einer platzsparenden Ausführungsform sind die Leiterstücke mäanderförmig ausgebildet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Schmelzleiter im wesentlichen aus Aluminium besteht. Neben dem Abschmelzen verbrennt Aluminium bei höheren Strömen auch, so daß ein fehlerhafter Stromkreis sehr schnell freigeschaltet ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schmelzleiter als in Luft geführter Draht ausgebildet. Damit ist vermieden, daß die im Schmelzleiter erzeugte Wärmeenergie durch Wärmeleitung zum Teil wieder abgeführt wird.

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Schmelzleiter auf dem elektrisch und thermisch isolierenden Träger angeordnet.

Die Verbindung von mechanischer Festigkeit und geringer Wärmeabfuhr vom Schmelzleiter wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch sichergestellt, daß der Träger als dünne Schicht auf einem Träger angeordnet ist, worin unterhalb des Schmelzleiters eine Ausnehmung eingebracht ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Tragkörper aus einem Silizium-Einkristall. Damit können die aus der Halbleitertechnik bekannten Ätzverfahren zur Herstellung der Ausnehmung verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Trägerschicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Beide Materialien sind elektrische und thermische Isolatoren und können mit aus der Halbleitertechnik bekannten Verfahren auf dem Silizium-Tragkörper aufgebracht und bearbeitet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Schmelzleiter elektrisch parallel geschaltet, wobei die zweite Querschnittsfläche der Leiterstücke größer ist als die Summe der ersten Querschnittsfläche der parallelgeschalteten Schmelzleiter. Mit dieser Ausführungsform lassen sich höhere Abschaltströme erzielen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Hochfrequenz-Schmelzsicherung, wobei der Schmelzleiter als Leiterbahn ausgeführt ist,

Fig. 2 eine Hochfrequenz-Schmelzsicherung, wobei der Schmelzleiter als in Luft geführter Draht ausgeführt ist,

Fig. 3 eine Hochfrequenz-Schmelzsicherung mit mäanderförmigen Leiterstücken, wobei der Schmelzleiter als in Luft geführter Draht ausgeführt ist,

Fig. 4 eine Ausführung der Hochfrequenz-Schmelzsicherung als oberflächenmontierbares Bauteil (SMD-Ausführung),

Fig. 5 eine Hochfrequenz-Schmelzsicherung, bei der der Schmelzleiter auf einer sehr dünnen elektrisch und thermisch nichtleitenden Trägerschicht angeordnet ist, und

Fig. 6 eine gekapselte Hochfrequenz-Schmelzsicherung.

Alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Hochfrequenz-Schmelzsicherung sind bei Kernspintomographie-Bildgeräten zum Schutz von Patienten vor örtlich zu hoher Hochfrequenzbelastung in Lokalspulenstromkreisen vorgesehen. Die Schmelzsicherung wird bei Frequenzen von ca. 20 bis 80 MHz und einem Abschaltstrom von einigen 100 mA eingesetzt.

Bei einer ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist auf einem ca. 3 mm×4 mm großen Träger 2 aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, wie z. B. einem Leiterplatinenmaterial aus Epoxydharzen oder einer Keramik, ein Schmelzleiter 4 angeordnet, dessen Enden jeweils über ein Leiterstück 6 mit einem elektrischen Anschluß 8 verbunden sind. Der Schmelzleiter 4 und die Leiterstücke 6 sind als gedruckte Schaltung auf dem Träger 2 ausgeführt. Der Schmelzleiter 4 weist einen ersten Querschnitt A1 auf, der ca. 20 µm×20 µm beträgt. Die Leiterstücke 6 besitzen einen zweiten Querschnitt A2 von ca. 20 µm×100 µm. Der zweite Querschnitt A2 ist somit fünfmal größer als der erste Querschnitt A1.

Die elektrischen Anschlüsse 8 sind als massive Anschlußdrähte ausgeführt, die senkrecht auf dem Träger 2 und somit in Fig. 1 senkrecht auf der Zeichnungsebene angeordnet sind. Die dritte Querschnittsfläche A3 der elektrischen Anschlüsse 8 beträgt ein Vielfaches der Fläche des zweiten Querschnittes A2, da über die elektrischen Anschlüsse 8 gleichzeitig die mechanische Befestigung und elektrische Verbindung der Hochfrequenz-Schmelzsicherung erfolgt. Um den hochfrequenten Abschaltstrom niedrig zu halten, ist die Masse des Schmelzleiters 4 und der Leiterstücke 6 minimiert. In einer Richtung betragen die erste und zweite Abmessung D₁, D₂ der Querschnitte A1 und A2 das Zweifache der Eindringtiefe des von der Sicherung geführten Hochfrequenzstromes. Hier betragen die Abmessungen in D₁, D₂ in einer Richtung, d. h. die einheitliche Dicke D (in Fig. 5 dargestellt) des Schmelzleiters 4 und der Leiterstücke 6, 20 µm, so daß die optimale Betriebsfrequenz der Hochfrequenz-Schmelzsicherung ca. 50 MHz ist.

Die Leiterstücke 6 weisen eine Mindestlänge auf, um eine störende Wärmeableitung zu den relativ massiven elektrischen Anschlüssen 8 zu vermeiden. Ferner soll die Breite B der Leiterstücke 6 so schmal wie möglich sein, um eine Wärmeableitung zum Träger 2 niedrig zu halten. Dem sind allerdings dadurch Grenzen gesetzt, daß die Leiterstücke 6 möglichst wenig zum Hochfrequenz-Widerstand beitragen dürfen.

Auch beim Schmelzleiter 4 soll die Wärmeableitung zum Träger 2 niedrig sein. Die kleinstmögliche Breite des Schmelzleiters 4 ist bei der hier angewendeten Ätztechnik etwa gleich der Höhe der Leiterplatten-Kaschierung, aus der die Leiterbahnen 4 und 6 geätzt werden. Dies ist bedingt durch während des Ätzvorgangs auftretende Unterätzungen. Allerdings ist eine geringfügige Unterätzung sogar erwünscht, da sich damit die Kontaktfläche des Schmelzleiters 4 zum Träger 2 verringert.

Die Spannungsfestigkeit der Hochfrequenz-Schmelzsicherung ist bestimmt durch den Abstand A der Enden des Schmelzleiters 4. Für eine Spannungsfestigkeit von z. B. 1000 Volt ist ein Abstand A von ca. 2 mm ausreichend.

Als günstige Bauform der Hochfrequenz-Schmelzsicherung hat sich eine Kapselung in z. B. einem Kunststoffgehäuse für Kleinhalbleiter erwiesen. Das durch die Kapselung abgeschlossene Luftvolumen verhindert eine Wärmeabfuhr durch großräumige Konvektion vom Schmelzleiter 4.

Im Unterschied zu Fig. 1 zeigt Fig. 2 einen Schmelzleiter 4, der aus einem in Luft geführten dünnen Draht besteht. Bei der Materialauswahl für den Schmelzleiter 4 muß ein Kompromiß zwischen dem Schmelzpunkt und dem Hochfrequenzwiderstand getroffen werden. Leitermaterialien wie Aluminium, Gold oder Kupfer besitzen bei einem Drahtdurchmesser von 20 µm einen Widerstand von 50 bis 80 mOhm pro mm Länge. Bei diesem Drahtdurchmesser beträgt der Abschaltstrom ca. 0,5 A. Besteht der Schmelzleiter 4 hauptsächlich aus Aluminium, ergibt sich eine besonders schnelle Abschaltung des fehlerhaften Stromkreises, weil der Schmelzleiter 4 nicht nur abschmilzt, sondern gleichzeitig abbrennt. Das dem elektrischen Anschluß gegenüberliegende Ende der Leiterstücke 6 ist hier als Bondfläche 10 ausgeführt, an der der Schmelzleiter 4 über eine Bondverbindung mit den Leiterstücken 6 verbunden wird. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß vom Schmelzleiter 4 keine direkte Wärmeableitung an den Träger 2 stattfindet.

Mit diesem Aufbau lassen sich Sicherungen mit Abschaltströmen von wenigen 100 mA bei Hochfrequenzwiderständen von etwa 200 bis 300 mOhm realisieren.

Wie bereits erwähnt, ist die optimale Dicke des Schmelzleiters 4 durch die Eindringtiefe des über den Schmelzleiter 4 geführten Stromes gegeben. Sollen Hochfrequenz-Schmelzsicherungen mit höheren Abschaltströmen realisiert werden, so empfiehlt sich nicht eine Vergrößerung des Leiterdurchmessers, sondern eine Parallelschaltung mehrerer Schmelzleiter 4. Dies trifft sowohl auf die Bauform nach Fig. 1 als auch auf die Bauform nach Fig. 2 zu.

Fig. 3 zeigt eine kompakte Bauform einer Hochfrequenz-Schmelzsicherung, bei der die relativ langen Leiterstücke 6 mäanderförmig auf dem Träger 2 angeordnet sind. Auch hier ist, wie in Fig. 2, als Schmelzleiter 4 ein in Luft geführter Aluminiumdraht vorgesehen.

Fig. 4 zeigt nun die Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach Fig. 3 in einem Gehäuse als oberflächenmontierbares (SMD)-Bauteil ausgeführt. Dazu ist von den elektrischen Anschlüssen 8 eine Kupferbeschichtung über die Seiten des Trägers 2 zur Unterseite geführt. Damit kann die Hochfrequenz-Schmelzsicherung direkt auf eine Leiterplatte gesetzt und verlötet werden. Eine Kapsel 12 verhindert mechanische Beschädigungen und eine Wärmeabfuhr durch Konvektion.

Fig. 5 zeigt eine Bauform der Hochfrequenz-Schmelzsicherung, die mit aus der Halbleitertechnologie bekannten Verfahren - insbesondere Ätzverfahren - hergestellt werden kann. Auf einem Tragkörper 14 aus einem Silizium-Einkristall mit einer Kristallrichtung (100) ist als Träger 2 eine wenige µm dicke Schicht aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid aufgebracht. Auf dem Träger 2 sind sowohl der Schmelzleiter 4 als auch die Leiterstücke 6 als Leiterbahnen angeordnet. Unterhalb des Schmelzleiters 4 ist eine trapezförmige Ausnehmung 16 in den Tragkörper 14 als Unterätzung in Kristallrichtung (111) eingebracht. Der Schmelzleiter 4 ist auf einer Länge von ca. 2 mm praktisch freitragend, er ist nur mit der verbleibenden einige µm dicken Oxid- bzw. Nitridschicht verbunden. Damit werden die Vorzüge der Bauformen nach Fig. 1 und 2 vereint. Zum einen ist die Wärmeableitung von Schmelzleiter 4 wegen der sehr dünnen schichtförmigen Ausbildung des Trägers 2 sehr gering, zum anderen läßt sich die Struktur von Schmelzleiter 4 und Leiterstück 6 einfach mit Hilfe einer Ätztechnik herstellen. Zur Vermeidung von Luftkonvektion ist auch hier direkt eine Kapsel 12 aus Siliziumoxid oder Kunststoff aufgebracht. Die Ausnehmung 16 kann auch V-förmig ausgebildet sein.

In der Herstellung wird auf den Silizium-Einkristall z. B. zuerst die Siliziumnitrid-Schicht aufgebracht. Danach wird auf die Siliziumnitrid-Schicht eine leitfähige Schicht der gewünschten Dicke aufgedampft. Anschließend wird die Struktur geätzt.

Fig. 6 zeigt nun eine weitere Ausführung, wie die Hochfrequenz-Schmelzsicherung mit einem Gehäuse versehen und mit den elektrischen Anschlüssen kontaktiert werden kann. Die Schmelzsicherung entspricht in ihrem Aufbau bis auf die Anordnung der Kapsel 12 der Ausführung nach Fig. 5. Der Tragkörper 14 mit der Siliziumnitrid-Schicht und den Leiterbahnen 4 und 6 ist auf einer Platte 18 angeordnet, in der die elektrischen Anschlüsse 8 in Form von Anschlußdrähten befestigt sind. Die elektrische Verbindung von den Leiterstücken 6 mit den elektrischen Anschlußdrähten 8 erfolgt über jeweils einen Bonddraht 20.

Claims (13)

1. Hochfrequenz-Schmelzsicherung

• - mit einem Schmelzleiter (4), der eine erste Querschnittsfläche (A1) aufweist, die einen Hochfrequenzstrom führen kann, und
• - mit zwei elektrischen Anschlüssen (8), die jeweils mit einem Ende des Schmelzleiters (4) verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Querschnittsfläche (A1) mindestens in einer Richtung eine erste Abmessung (D₁) von ungefähr dem Zweifachen der Eindringtiefe des Hochfrequenzstromes aufweist.

2. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach Anspruch 1, wobei die elektrischen Anschlüsse (8) eine dritte Querschnittsfläche (A3) besitzen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen den Enden des Schmelzleiters (4) und den elektrischen Anschlüssen (8) jeweils ein Leiterstück (6) angeordnet ist,
• - daß das Leiterstück (6) eine zweite Querschnittsfläche (A2) besitzt,
• - daß die Größe der zweiten Querschnittsfläche (A2) zwischen der Größe der ersten und dritten Querschnittsfläche (A1 bzw. A3) liegt und
• - daß die zweite Querschnittsfläche (A2) in einer Richtung eine zweite Abmessung (D₂) aufweist, die ungefähr dem Zweifachen der Eindringtiefe des Hochfrequenzstromes entspricht (Fig. 5).

3. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstücke (6) auf einem elektrisch und thermisch isolierenden Träger (2) angeordnet sind.

4. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstücke (6) mindestens so lang sind wie der Schmelzleiter (4).

5. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstücke (6) mäanderförmig ausgebildet sind.

6. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (4) im wesentlichen aus Aluminium besteht.

7. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (4) als in Luft geführter Draht ausgebildet ist.

8. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (4) auf dem elektrisch und thermisch isolierenden Träger (2) angeordnet ist.

9. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) als dünne Schicht ausgebildet und auf einem Tragkörper (14) angeordnet ist, worin unterhalb des Schmelzleiters (4) eine Ausnehmung (16) eingebracht ist (Fig. 5).

10. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (14) aus einem Silizium-Einkristall besteht.

11. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der schichtförmige Träger (2) aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid besteht.

12. Hochfrequenz-Schmelzsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schmelzleiter (4) elektrisch parallel geschaltet sind, wobei der zweite Querschnitt (A2) der Leiterstücke (6) größer ist als die Summe der ersten Querschnitte (A1) der parallelgeschalteten Schmelzleiter (4).