DE4241922A1

DE4241922A1 -

Info

Publication number: DE4241922A1
Application number: DE4241922A
Authority: DE
Inventors: Toshiharu Kudo; Masahiro Kanda; Mitsuhiko Totsuka
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2012-12-12
Also published as: JPH05166453A; DE4241922C2; US5262751A; JP2624593B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherung und insbesondere eine Sicherung, die auf eine Sicherungsverbindung zum Unterbrechen einer in Fahrzeugen vorgesehenen Schaltungsverdrahtung anwendbar ist, wenn ein Überstrom durch die Verdrahtung fließt.

Ganz allgemein wird eine Sicherungsverbindung für Fahrzeuge als eine Komponente verwendet, die in einer Schaltungsverdrahtung um eine Energiequelle eines Fahrzeuges vorgesehen ist, um die Schaltungsverdrahtung vor einer großen Strommenge zu schützen, auf die die Sicherung vom sog. Glasrohr-Typ hinsichtlich der Kapazität nicht angewendet werden kann. Gewöhnlicherweise besteht die Sicherungsverbindung aus einem leitenden Material, dessen Querschnittsfläche geringer ist als derjenige des Drahtes, der die Schaltungsverdrahtung bildet, und ist somit für einen Kurzschluß wirksam. Nebenbei gesagt schafft die JASO-D610 den Aufbau einer derartigen Sicherungsverbindung.

Weil die Sicherungsverbindung dieses Typs im breiteren Sinne als eine Sicherung angesehen werden kann, wird sie im folgenden ganz allgemein als "Sicherung" bezeichnet.

Als Beispiel einer herkömmlichen Sicherung, die typisch für die oben beschriebene ist, kann eine in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 3 15 924-1989 offenbarte Sicherung erwähnt werden. Die Sicherung dieses Typs ist aufgebaut, indem ein linearer Metallchip mit einem niedrigen Schmelzpunkt auf eine schmelzbare und leitenden Metallplatte (Element) befestigt wird.

Die Matrix des schmelzbaren und leitenden Materials ist eine Kupferlegierung (Cu), die die gleiche ist wie diejenige, die in der Schaltungsverdrahtung hergenommen wird. Nebenbei gesagt, enthält die Kupferlegierung Fe, P und derartige Komponenten zu einem geringen Anteil.

Andererseits ist das Material des Metallchips mit niedrigem Schmelzpunkt Zinn (Sn), dessen Schmelzpunkt niedriger ist als derjenige von Cu. Nebenbei gesagt, ist die Reinheit von Sn des Materials 99.5 Gew.-% oder höher.

Als nächstes wird der Mechanismus eines Durchbrennens einer derartigen Sicherung betrachtet.

Zunächst wird das Chip aus Metall (Sn) mit niedrigem Schmelzpunkt durch einen Überstrom geschmolzen. Dann wird das schmelzbare und leitende Metallelement allmählich durch Diffusion von Cu in das geschmolzene Metallchip oder Sn erodiert. Schließlich wird das Metallelement selbst durch eine derartige Cu-Sn-Diffusion vollständig durchgeschnitten. Als Folge davon wird das Durchbrennen dieser Sicherung bei einer Temperatur ausgeführt, die niedriger ist als der Schmelzpunkt von Cu.

Da jedoch für den Fall einer derartigen herkömmlichen Sicherung das auf dem Element aus einer Cu-Legierung angebrachte Chip aus Sn mit einem niedrigen Schmelzpunkt hergestellt ist, ist es wahrscheinlich, daß die Sicherung in einem relativ kurzen Betriebszyklus unabhängig von der Notwendigkeit durchbrennt.

Beispielsweise fließt im Falle eines Öffnens oder Schließens von elektrischen Fenstern einer Autotür häufig und wiederholt in einer kurzen Zeitperiode (z. B. 10 sec.) ein Strom als ein Motor-Sperrenstrom, der ungefähr zweimal so groß wie der Nennstrom oder in einem sog. Bereich eines mittleren Stromes ist. Jedoch darf die Sicherung in einem derartigen Bereich mittleren Stroms nicht durchbrennen. Trotzdem schmilzt das Sn-Chip durch einen derartigen Strom ausreichend, wodurch die Cu-Sn-Diffusion wie oben beschrieben wirkt. Deswegen brennt die herkömmliche Sicherung auch in einem relativ kurzen Betriebszyklus sogar unter einer derartigen Bedingung durch.

Dementsprechend wird gegenwärtig die Festigkeit insbesondere in dem Bereich mittleren Stroms als ein Hauptproblem für die Durchbrenneigenschaften einer derartigen Sicherung angesehen.

Deswegen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherung zu schaffen, die gegen einen derartigen Bereich mittleren Stroms eine hervorragende Festigkeit besitzt, während sie normale Durchbrenneigenschaften der herkömmlichen Sicherung, die unter Überstrombedingungen gefordert sind, garantiert.

Der Kernpunkt dieser Erfindung ist nämlich, den Schmelzpunkt jedes Elements, insbesondere des Metallchips, anzuheben, um die Festigkeit gegenüber einer Temperaturerhöhung zu verbessern, die durch den wie oben beschriebenen mittleren Strom bewirkt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung eine Sicherung vor, die folgende Merkmale umfaßt:

Ein schmelzbares und leitendes Metallelement, das hauptsächlich Cu enthält und einen Durchbrennabschnitt umfaßt; und
ein Metallchip mit niedrigem Schmelzpunkt, das auf dem Durchbrennabschnitt angebracht ist; wobei
das Metallchip mit niedrigem Schmelzpunkt eine Sn-Cu-Legierung umfaßt.

Vorzugsweise umfaßt das Metallchip mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung, die 0.5 bis 3.5 Gew.-% von Cu und Sn für den Restanteil umfaßt.

Als weitere vorteilhafte Ausführungsform umfaßt der Metallchip mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung, die 0.5 bis 3.5 Gew.-% von Cu, 1.0 bis 6.0 Gew.-% von Sb und Sn für den Restanteil umfaßt.

Entsprechend dieser Zusammensetzungen der Sicherung wird nämlich die Diffusion von Cu von dem Metallelement an den Metallchip unter eine Temperaturbedingung niedriger als 300°C gedrückt, die dem Bereich mittleren Stroms entspricht, da die gleiche Komponente Cu wie die Matrix des schmelzbaren und leitenden Materialelements zu dem Metallchip mit niedrigem Schmelzpunkt hinzugefügt ist. Somit ist die Festigkeit gegenüber des mittleren Stroms im Vergleich mit der herkömmlichen Sicherung wesentlich verbessert. Da der Cu-Anteil des Metallchips sehr gering ist, kann die Sicherung dieser Erfindung in dem Überstrombereich, der einer Temperaturbedingung entspricht, die höher ist als 300°C, sofort durchbrennen, wodurch die dazugehörende Schaltungsverdrahtung wirksam geschützt wird.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nun folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den bei liegenden Zeichnungen weiter ersichtlich. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Sicherung, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2 ein Diagramm zum Vergleichen von Durchbrenneigenschaften zwischen Beispiel 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung und einem Vergleichsbeispiel;

Fig. 3 ein Diagramm zum Vergleichen von Festigkeiten bezüglich der Anzahl von Motorsperren-Stromzyklen zwischen Beispiel 1 und einem Vergleichsbeispiel;

Fig. 4 ein Diagramm zum Vergleichen von Durchbrenneigenschaften zwischen Beispiel 2 entsprechend der vorliegenden Erfindung und einem Vergleichsbeispiel; und

Fig. 5 ein Diagramm zum Vergleichen von Festigkeit bezüglich der Anzahl von Motorsperren-Stromzyklen zwischen Beispiel 2 und einem Vergleichsbeispiel.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sicherung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Beispiel 1

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Sicherung 1 als Beispiel 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung gezeigt, umfaßt die Sicherung 1 ein Metallchip A mit linearem niedrigen Schmelzpunkt und ein schmelzbares und leitendes Metallelement B.

Außerdem umfaßt der Chip A einen Satz aus mehreren Teilen aus Metallmaterialien, die durch Fließpressen erhalten werden. Das Element B besitzt einen schmelzbaren Abschnitt 3, dessen Fläche (z. B. 0.3 mm³ oder ähnlich) kleiner ist als die Querschnittsfläche eines Drahtes, der zur Verbindung verwendet werden soll. Außerdem besitzt der schmelzbare Abschnitt 3 ein Paar planare Anschlüsse 2, 2, die sich zum Abschnitt 3 an seinen beiden Enden vertikal erstrecken. Zusätzlich ist jeder Anschluß 2, 2 zur Befestigung an einen Verbindungsblock oder Verbindergehäuse mit einem Loch 5 versehen. Überdies ist der Chip A auf dem schmelzbaren Abschnitt 3 des Elementes B angebracht und ist durch Verkrempen mit ohrähnlichen Abschnitten 4, 4, die auf beiden Seiten des Abschnitts 3 integral hervorstehen, befestigt.

Wenn die Sicherung 1 verwendet wird, werden Löcher 5, 5 von beiden Anschlüssen 2, 2 jeweils an ein Verbindergehäuse oder ein ähnliches Element angebracht. Falls ein Überstrom durch die Sicherung 1 fließt, wird der schmelzbare Abschnitt 3 des Elements B geschmolzen und die Schaltung wird unterbrochen.

Das Material des Elementes B ist eine Legierung, dessen Matrix Kupfer (Cu) ist, das das gleiche wie das Verdrahtungsmaterial ist.

Das Element B umfaßt nämlich eine Cu-Legierung, die geringfügig Fe, P und ähnliche Komponenten enthält. Jedoch soll darauf hingewiesen werden, daß der Fe- oder P-Anteil so gering ist, daß normale Durchbrenneigenschaften in der Überstrombedingung aufrecht erhalten werden.

In diesem Fall besitzt der Chip A die folgende Zusammensetzung entsprechend einer Art von Lötmittel-Legierung.
Cu: 0.5 bis 3.5 Gew.-%;
Sn: für den gesamten Restanteil.

Falls der Anteil von Cu in dem Chip geringer als 0.5 Gew.-% ist, verschlechtert sich die Festigkeit der Sicherung 1 in dem Bereich mittleren Stroms. Im Gegensatz dazu, falls er 3.5 Gew.-% überschreitet, scheidet sich Cu von der Oberfläche des Chips A ab, und somit kann die Sicherung nicht einer praktischen Anwendung zugeführt werden.

Da der Chip A eine Sn-Cu-Legierung umfaßt, wird nämlich eine Diffusion von Cu von dem schmelzbaren Abschnitt 3 des Elements B zum Chip A unter eine Temperaturbedingung niedriger als 300°C unterdrückt, die dem Bereich mittleren Stroms entspricht, wodurch die Festigkeit der Sicherung 1 verbessert wird.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Durchbrenneigenschaften der Sicherung zeigt. In dieser Zeichnung bezeichnet die transversale Achse ein Verhältnis bezüglich eines Nennstroms und die vertikale Achse zeigt die zum Durchbrennen erforderliche Zeit (in Sekunden). Außerdem bezeichnet eine durchgezogene Linie Beispiel 1 und eine gestrichelte Linie B bezeichnet als Vergleichsbeispiel eine herkömmliche Sicherung. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, wird in dem Bereich mittleren Stroms die zum Durchbrennen erforderliche Zeit in Beispiel 1 geringfügig länger als diejenige im Vergleichsbeispiel, weil der Schmelzpunkt dieses Ausführungsbeispiels angehoben ist. In dem Bereich eines Stroms um das Verhältnis von 500% herum sind jedoch die Durchbrenneigenschaften sowohl des Beispiels 1 als auch des Vergleichsbeispiels ungefähr die gleichen.

Trotzdem ist die Festigkeit dieses Ausführungsbeispiels (Beispiel 1), wie in Fig. 3 gezeigt, im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel, wesentlich verbessert. Überdies zeigt die transversale Achse in Fig. 3 die zum Durchbrennen erforderliche Zeit (in Sekunden), wenn ein 200%-Strom bezüglich des Nennstroms durch die Sicherung fließt. Andererseits zeigt die vertikale Achse dieser Zeichnung die Anzahl von Motorsperren-Stromzyklen in einem Intervall von 10 sec. Außerdem bezeichnet die durchgezogene Linie C dieses Ausführungsbeispiel und eine gestrichelte Linie D bezeichnet das Vergleichsbeispiel. Wie aus Fig. 3 verständlich ist, erhöht dieses Ausführungsbeispiel die zum Durchbrennen im Vergleichsbeispiel erforderliche Anzahl von Zyklen um einen Faktor 10. Dementsprechend ist es offensichtlich, daß die Festigkeit des Beispiels 1 wesentlich verbessert ist.

Beispiel 2

Die Sicherung wie in Beispiel 2 entsprechend der vorliegenden Erfindung besitzt den gleichen Aufbau wie diejenige von Beispiel 1, wie in Fig. 1 gezeigt. Somit werden die gleichen Bezugszeichen oder Teile wie die in Beispiel 1 beschriebenen hier nicht erklärt.

In diesem Ausführungsbeispiel besitzt der Chip A die folgende Zusammensetzung entsprechend einer Art von Lötmittel-Legierung.
Cu: 0.5 bis 3.5 Gew.-%;
Sb: 1.0 bis 6.0 Gew-%; und
Sn: für den gesamten Restanteil.

Falls der Anteil von Sb (Antimon) höher ist als 6.5 Gew.-%, ist die Legierung verhärtet, so daß das Fließpressen schwierig wird. Im Gegensatz dazu, falls er kleiner ist als 1.0 Gew.-%, verschlechtert sich die Festigkeit im Bereich des mittleren Stroms.

Zusätzlich, falls der Inhalt von Cu geringer als 0.5 Gew.-% ist, wird die Festigkeit der Sicherung in dem Bereich mittleren Stroms beeinträchtigt. Falls er im Gegensatz dazu 3.5 Gew.-% überschreitet, wird Cu von der Oberfläche des Chips A abgeschieden und somit kann die Sicherung keiner praktischen Verwendung zugeführt werden.

Ganz allgemein wird eine Lötmittel-Legierung durch Hinzufügung von Sb verhärtet und ihre Verarbeitungsfähigkeit wird verschlechtert. Jedoch ist dieses Ausführungsbeispiel auch weich gemacht durch Hinzufügen von Cu, um die Möglichkeit eines Fließpressens zu verbessern. Außerdem ist die zum Durchbrennen erforderliche Zeit in diesem Fall durch Wirkung von sowohl Sb als auch Cu erhöht, wodurch die Festigkeit in dem Bereich des mittleren Stroms verbessert wird.

Fig. 3 ist ein Diagramm zum gleichen Zweck wie Fig. 2. In dieser Zeichnung bezeichnet eine durchgezogene Linie E dieses Ausgangsbeispiel (Beispiel 2), und eine gestrichelte Linie F bezeichnet als Vergleichsbeispiel als eine herkömmliche Sicherung. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird in dem Bereich mittleren Stroms die zum Durchbrennen erforderliche Zeit in Beispiel 2 geringfügig länger als diejenige in dem Vergleichsbeispiel. Jedoch sind die Durchbrenneigenschaften sowohl des Beispiels 2 als auch des Vergleichsbeispiels im Bereich eines Stroms um das Verhältnis von 500 % ungefähr die gleichen.

Außerdem ist Fig. 5 ein Diagramm zum gleichen Zweck wie Fig. 3. In dieser Zeichnung bezeichnet eine durchgezogene Linie G dieses Ausführungsbeispiel und eine gestrichelte Linie H das Vergleichsbeispiel. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, erhöht dieses Ausführungsbeispiel gegenüber dem Vergleichsbeispiel die Anzahl von zum Durchbrennen erforderlichen Zyklen um einen Faktor 10. Dementsprechend wird offensichtlich die Festigkeit dieses Ausführungsbeispiels verbessert.

Ein Durchschnittsfachmann kann nach Studium der technischen Lehre der vorliegenden Offenbarung vielerlei Modifikationen ausführen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen.

Claims

1. Eine Sicherung, umfassend: ein schmelzbares und leitendes Metallelement (B), das hauptsächlich Cu enthält und einen Durchbrennabschnitt (3) umfaßt: und
ein Metallchip (A) mit niedrigem Schmelzpunkt, das an dem Durchbrennabschnitt (3) angebracht ist; wobei
der Metallchip (A) mit niedrigem Schmelzpunkt eine Sn-Cu-Legierung umfaßt.

2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallchip (A) mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung umfaßt, die 0.5 bis 3.5 Gew.-% aus Cu und Sn für den gesamten Restanteil enthält.

3. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallchip (A) mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung umfaßt, die 0.5 bis 3.5 Gew.-% aus Cu, 1.0 bis 6.0 Gew.-% aus Sb und Sn für den gesamten Restanteil enthält.