DE60307207T2

DE60307207T2 - Thermische Legierungsschmelzsicherung und Material für ein Sicherungselement

Info

Publication number: DE60307207T2
Application number: DE60307207T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Osaka-shi Tanaka
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: CN100349240C; DE60307207D1; US7142088B2; JP2004176106A; EP1424711A1; JP4204852B2; EP1424711B1; CN1503293A; US20040100355A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Material für ein thermisches Bi-In-Sn Sicherungselement und eine thermische Legierungsschmelzsicherung.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung wird häufig als Thermoschutzeinrichtung für ein elektrisches Gerät oder ein Schaltungselement, zum Beispiel ein Halbleiterbauelement, ein Kondensator oder einen Widerstand verwendet.
Eine derartige thermische Legierungsschmelzsicherung weist einen Aufbau auf, in welchem eine Legierung mit einem vorbestimmten Schmelzpunkt als ein Sicherungselement verwendet wird, wobei das Sicherungselement zwischen ein Paar von Anschlussleitern geschaltet ist, ein Flussmittel zu dem Sicherungselement gegeben ist, und das mit Flussmittel versehene Sicherungselement durch einen Isolator versiegelt ist.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung weist den folgenden Betriebsmechanismus auf.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung ist so angeordnet, dass sie thermisch mit einem elektrischen Gerät oder einem Schaltungselement in Kontakt gebracht ist, welches geschützt werden soll. Wenn das elektrische Gerät oder das Schaltungselement beginnt, durch eine beliebige Abnormität Wärme zu generieren, wird die Legierung des Sicherungselementes der thermischen Schmelzsicherung durch die erzeugte Wärme geschmolzen und die geschmolzene Legierung trennt sich wegen der Benetzbarkeit der Anschlussleiter oder Elektroden durch das Vorhandensein des aktivierten Flussmittels, welches schon geschmolzen ist, auf und wird kugelig. Die Spannungsversorgung wird schließlich infolge des Fortschreitens der kugeligen Trennung unterbrochen. Die Temperatur des Geräts wird durch die Unterbrechung der Versorgungsspannung gesenkt, und die getrennten geschmolzenen Legierungen erhärten, wodurch die unumkehrbare Abschaltung abgeschlossen ist.
Herkömmlicherweise wird eine Technik angewendet, in welcher eine Legierungszusammensetzung verwendet wird, die einen fest-flüssig Koexistenzbereich zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur aufweist, und idealerweise wird eine eutektische Zusammensetzung als ein derartiges Sicherungselement benutzt, so dass das Sicherungselement ungefähr bei der Liquidustemperatur ausgelöst wird (in einer eutektischen Zusammensetzung ist die Solidustemperatur gleich der Liquidustemperatur). Bei einem Sicherungselement, welches eine Legierungszusammensetzung aufweist, bei welcher es einen fest-flüssig Koextistenzbereich gibt, gibt es nämlich die Möglichkeit, dass das Sicherungselement bei einer ungewissen Temperatur in dem fest-flüssig Koextistenzbereich ausgelöst wird. Wenn eine Legierungszusammensetzung einen weiten fest-flüssig Koexistenzbereich aufweist, wird der ungewisse Temperaturbereich, in welchem ein Sicherungselement ausgelöst wird, groß und die Ansprechtemperatur wird stark gestreut. Um die Streuung zu reduzieren, wird deswegen gewöhnlich eine Technik angewendet, in welcher eine Legierungszusammensetzung, welche einen schmalen fest-flüssig Koexistenzbereich aufweist, und idealerweise wird eine eutektische Zusammensetzung verwendet.
Wegen eines gestiegenen Umweltschutzbewusstseins, wächst gerade in jüngster Zeit als ein Erfordernis für eine thermische Legierungsschmelzsicherung der Trend, die Verwendung von Materialien zu verbieten, welche für einen lebenden Körper gefährlich sind. Auch von einem Element für eine thermische Schmelzsicherung wird erwartet, dass es keine gefährlichen Materialien enthält.
Als eine Legierungszusammensetzung für ein derartiges thermisches Sicherungselement ist ein Bi-In-Sn-System bekannt. Herkömmlicherweise sind Legierungszusammensetzungen bekannt, wie beispielsweise eine solche mit 47 bis 49% Sn, 51 bis 53% In und dem Rest Bi (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 56-114237), eine solche mit 42 bis 44% Sn, 51 bis 53% In und 4 bis 6% Bi (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 59-8229), eine solche mit 44 bis 48% Sn, 48 bis 52% In und 2 bis 6% Bi (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 3-236130), eine solche mit 0.3 bis 1.5% Sn, 51 bis 54% In und dem Rest Bi (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 6-325670), eine solche mit 33 bis 43% Sn, 0.5 bis 10% In und dem Rest Bi (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-266723), eine solche mit 40 bis 46% Sn, 7 bis 12% Bi und dem Rest In (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-266724), eine solche mit 2.5 bis 10% Sn, 25 bis 35% Bi und dem Rest In (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-291459), und eine solche mit 1 bis 15% Sn, 20 bis 33% Bi und dem Rest In (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2001-325867).
Wenn die Liquidus-Phasendiagramm einer ternären Bi-In-Sn-Legierung erstellt wird, gibt es einen binären eutektischen Punkt von 52In-48Sn und einen ternären eutektischen Punkt von 21Sn-48In-31Bi, und eine binäre eutektische Kurve, welche sich von dem binären eutektischen Punkt in Richtung zu dem ternären eutektischen Punkt erstreckt, verläuft ungefähr durch einen Bereich von 24 bis 47 Sn, 50 bis 47 In und 0 bis 28 Bi.
Wie gut bekannt ist wird, wenn Wärmeenergie einer Legierung mit einer konstanten Rate zugeführt wird, führt die Wärmeenergie nur solange zu der Erhöhung der Temperatur der Legierung, solange der feste oder flüssige Zustand bestehen bleibt. Wenn die Legierung jedoch zu schmelzen beginnt, wird die Temperatur erhöht, während ein Teil der Energie in den Phasenübergang fließt. Wenn die Verflüssigung dann abgeschlossen ist, führt die Wärmeenergie nur zur Temperaturerhöhung, während der Phasenzustand unverändert bleibt. Der Temperaturerhöhung/Wärmeenergiezustand kann durch eine kaloriemetrische Untersuchung mit Differenzabtastung gewonnen werden [bei welcher eine Referenzprobe (unverändert) und eine Messprobe in einem mit N₂-Gas befülltem Gerät untergebracht sind, elektrische Energie einem Wärmeelement des Geräts zugeführt wird, um die Proben mit einer konstanten Rate zu erwärmen, und eine Veränderung der Wärmeenergieeintragsmenge aufgrund einer Zustandsänderung der Messprobe von einem differentiellen Thermoelement zu erfassen, was DSC genannt wird].
Die Ergebnisse der DSC Messung variieren abhängig von der Legierungszusammensetzung. Der Erfinder hat die DSCs von Bi-In-Sn Legierungen verschiedener Zusammensetzungen gemessen und eingehend studiert und unerwarteterweise das folgende Phänomen gefunden. Wenn eine Legierungszusammensetzung in einem speziellen Bereich, welcher durch die binäre eutektische Kurve abgegrenzt wird, für Sicherungselemente verwendet wird, können die Sicherungselemente konzentrisch in der Nähe der maximalen endothermischen Spitze ausgelöst werden und es werden eine ausgezeichnete Überlastcharakteristik und dielektrische Durchbruchscharakteristik erzielt.
Im Gegensatz dazu war auch das folgende bekannt. Im Falle, in dem eine Zusammensetzung, welche entlang oder in der Nähe der binären eutektischen Kurve liegt, für Sicherungselemente verwendet wird, konnten, selbst wenn die Sicherungselemente konzentrisch bei konzentrierten Temperaturen durch die gewöhnliche Technik ausgelöst werden können, eine zufriedenstellende Überlastcharakteristik und dielektrische Durchbruchscharakteristik kaum erzielt werden.
Die Überlastcharakteristik bedeutet externe Stabilität, bei welcher, sogar wenn eine thermische Schmelzsicherung bei einer erhöhten Umgebungstemperatur in einem Zustand ausgelöst wird, in dem ein Strom und eine Spannung einer speziellen Stärke an die thermische Schmelzsicherung anlegt werden, die Schmelzsicherung nicht beschädigt wird oder keinen Lichtbogen, keine Flamme oder dergleichen erzeugt, wodurch verhindert wird, dass ein gefährlicher Zustand auftritt. Die dielektrische Durchbruchscharakteristik bedeutet Isolationsstabilität, bei welcher, sogar bei einer spezifizierten hohen Spannung, eine thermische Schmelzsicherung, die ausgelöst worden ist, keinen dielektrischen Durchbruch verursacht und die Isolierung aufrecht erhalten werden kann.
Ein Verfahren zur Auswertung der Überlastcharakteristik und der dielektrischen Durchbruchscharakteristik ist in IEC (Internationaler Electrotechnical Commission) Standard 60691, welcher ein typischer Standard ist, wie folgt spezifiziert. Wenn, während eine Nennspannung × 1,1 und ein Nennstrom × 1,5 an eine thermische Schmelzsicherung angelegt werden, die Temperatur mit einer Rate von 2 ± 1 K/min erhöht wird, um zu bewirken, dass die thermische Schmelzsicherung auslöst, erzeugt die Schmelzsicherung keinen Überspannungsbogen, keine Flamme oder ähnliches, wodurch verhindert wird, dass ein gefährlicher Zustand auftritt. Nachdem die thermische Schmelzsicherung ausgelöst hat tritt, sogar wenn eine Spannung in Höhe der Nennspannung × 2 + 1.000 V für 1 min zwischen eine Metallfolie, die um den Körper der Schmelzsicherung gewickelt wird, und die Anschlussleiter gelegt wird eine Entladung oder ein dielektrischer Durchbruch nicht auf, und sogar dann nicht wenn eine Spannung in Höhe der Nennspannung × 2 für 1 min zwischen den Anschlussleitern angelegt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, basierend auf diesen Ergebnissen, eine thermische Legierungsschmelzsicherung zur Verfügung zu stellen, bei der ein Sicherungselement einer Bi-In-Sn-Legierung verwendet wird, und welche eine ausgezeichnete Überlastcharakteristik und dielektrische Durchbruchscharakteristik aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, den spezifischen Widerstand eines Sicherungselementes zu verringern und das Sicherungselement dünner zu gestalten, wodurch es einer thermischen Legierungsschmelzsicherung ermöglicht wird, die dünner gestaltet und miniaturisiert werden kann.
Das Material für ein thermisches Sicherungselement gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Legierungszusammensetzung auf, in welcher Sn mehr als 25% und 44% oder weniger beträgt, Bi 1% oder mehr und weniger als 20% beträgt, und In mehr als 55% und 74% oder weniger beträgt.
In dem Material für ein thermisches Sicherungselement nach einem zweiten Aspekt der Erfindung sind 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteile von einem, oder zwei oder mehreren Elementen, die aus der Gruppe ausgewählt werden, welche Ag, Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Sb, Ga und Ge aufweisen, zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung nach dem ersten Aspekt der Erfindung hinzugefügt.
Die Materialien für ein thermisches Sicherungselement können unvermeidbare Verunreinigungen enthalten, welche in den Herstellungsprozessen von Metallen aus Rohmaterialien und auch beim Schmelzen und Rühren der Rohmaterialien erzeugt werden, und welche in einer Menge vorliegen, die die Eigenschaften nicht wesentlich beeinflusst. Bei den thermischen Legierungsschmelzsicherungen wird eine winzige Menge eines Metallmaterials oder eines Metallfilmmaterials der Anschlussleiter oder der Filmelektroden dazu veranlasst, in unvermeidbarer Weise durch Festphasendiffusion in das Sicherungselement zu migrieren, und darf, wenn die Eigenschaften nicht wesentlich beeinflusst werden, in Form von unvermeidbaren Verunreinigungen existieren.
In einer thermischen Legierungsschmelzsicherung nach einem dritten Aspekt der Erfindung wird das Material für ein thermisches Sicherungselement nach dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung als das Sicherungselement verwendet.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung nach einem vierten Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der thermischen Legierungsschmelzsicherung nach dem dritten Aspekt der Erfindung das Sicherungselement unvermeidbare Verunreinigungen enthält.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung nach einem fünften Aspekt der Erfindung ist eine thermische Legierungsschmelzsicherung, bei der in der thermischen Legierungsschmelzsicherung nach dem dritten oder vierten Aspekt der Erfindung das Sicherungselement zwischen die Anschlussleiter geschaltet ist, und wenigstens ein Bereich von jedem der Anschlussleiter, welcher mit dem Sicherungselement verbunden ist, mit einem Film aus Sn oder Ag bedeckt ist.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung nach einem sechsten Aspekt der Erfindung ist eine thermische Legierungsschmelzsicherung, bei der in der thermischen Legierungsschmelzsicherung nach einem des dritten bis fünften Aspekts der Erfindung die Anschlussleiter mit Enden des Sicherungselementes entsprechend verbunden sind, wobei ein Flussmittel zu dem Sicherungselement gegeben wird, das mit Flussmittel versehene Sicherungselement durch ein zylindrisches Gehäuse hindurchgeführt ist, Spalten zwischen Enden des zylindrischen Gehäuses und den Anschlussleitern dichtend verschlossenen sind, die Enden der Anschlussleiter eine scheibenartige Gestalt aufweisen, und die Enden des Sicherungselementes mit vorderen Flächen der Scheiben verbunden sind.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung nach einem siebten Aspekt der Erfindung ist eine thermische Legierungsschmelzsicherung, bei der in der thermischen Legierungsschmelzsicherung nach dem dritten oder vierten Aspekt der Erfindung ein Paar von Filmelektroden auf einem Substrat durch Aufdrucken einer leitenden Paste gebildet werden, welche Metallpartikel und einen Binder aufweist, wobei das Sicherungselement zwischen die Filmelektroden geschaltet ist, und die Metallpartikel aus einem Material hergestellt sind, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Ag, Ag-Pd, Ag-Pt, Au, Ni und Cu aufweist.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung nach einem achten Aspekt der Erfindung ist eine thermische Legierungsschmelzsicherung, bei der in einer thermischen Legierungsschmelzsicherung nach einem des dritten bis siebten Aspekts der Erfindung ein Wärmeelement zum Auslösen des Sicherungselementes zusätzlich angeordnet ist.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung nach einem neunten Aspekt der Erfindung ist eine thermische Legierungsschmelzsicherung, bei der in der thermischen Legierungsschmelzsicherung nach einem des dritten bis fünften Aspekts der Erfindung ein Paar von Anschlussleitern teilweise offenliegend von einer Fläche einer isolierende Platte zu einer anderen Fläche sind, wobei das Sicherungselement mit den exponierten Bereichen der Anschlussleiter verbunden ist und die andere Fläche der isolierenden Platte mit einem isolierenden Material überdeckt ist.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung nach einem zehnten Aspekt der Erfindung ist eine thermische Legierungsschmelzsicherung, bei der in einer thermischen Legierungsschmelzsicherung nach einem des dritten bis fünften Aspekts der Erfindung das Sicherungselement, welches zwischen ein Paar von Anschlussleitern geschaltet ist, zwischen isolierenden Filmen angeordnet wird.
1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel der thermischen Legierungsschmelzsicherung der Erfindung zeigt;
2 ist eine Ansicht, die ein anderes Beispiel der thermischen Legierungsschmelzsicherung der Erfindung zeigt;
3 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel der thermischen Legierungsschmelzsicherung der Erfindung zeigt;
4 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel der thermischen Legierungsschmelzsicherung der Erfindung zeigt;
5 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel der thermischen Legierungsschmelzsicherung der Erfindung zeigt;
6 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel der thermischen Legierungsschmelzsicherung der Erfindung zeigt;
7 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel der thermischen Legierungsschmelzsicherung der Erfindung zeigt;
8 ist eine Ansicht, die eine thermische Legierungsschmelzsicherung vom zylindrischem Gehäusetyp und ihren Auslösungszustand zeigt;
9 ist eine Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel der thermischen Legierungsschmelzsicherung der Erfindung zeigt; und
10 ist eine Ansicht, die eine DSC Kurve eines Sicherungelementes des Beispiels 1 zeigt.
In der Erfindung wird ein Sicherungselement mit einem runden oder einem flachen Draht verwendet. Der äußere Durchmesser oder die Dicke ist auf 100 bis 800 μm, vorzugsweise 300 bis 600 μm festgelegt.
Der Grund, warum nach dem ersten Aspekt der Erfindung das Sicherungselement eine Legierungszusammensetzung von 25% < Gewicht von Sn ≤ 44%, 1% ≤ Gewicht von Bi < 20%, und 55% < Gewicht von In ≤ 74% aufweist, ist wie folgt. Das Überlappen mit den oben genannten bekannten Legierungszusammensetzungen kann eliminiert werden. Es kann eine Legierungsschmelzcharakteristik von einem Muster erhalten werden, bei welchem, obwohl sich von der binären eutektischen Kurve von dem binären eutektischen Punkt von 52In-48Sn in Richtung zu dem ternären eutektischen Punkt von 21Sn-48In-31Bi in dem Liquidus-Phasendiagramm einer ternären Bi-In-Sn Legierung entfernt wurde, ein Aufteilungsvorgang des Sicherungselementes konzentrisch in der Nähe der maximalen endothermen Spitze erzielt werden kann.
Um das Überlappen mit den oben genannten bekannten Bi-In-Sn Zusammensetzungen der herkömmlichen thermischen Sicherungselemente zu eliminieren, wird der Bereich, in welchem Sn 25% oder weniger beträgt, und In 55% oder weniger beträgt, ausgeschlossen. Der Bereich, in welchem Bi weniger als 1% beträgt, Sn mehr als 44% beträgt und In weniger als 74% beträgt, ist wegen der folgenden Gründe ausgeschlossen. Obwohl der fest-flüssig Koexistenzbereich breit sein kann, existiert keine endotherme Spitze beim Schmelzen in dem Bereich, oder es gibt zwei oder mehr endotherme Spitzen. Deshalb wird die Streuung der Ansprechtemperatur begünstigt, oder eine Haltetemperatur (Ansprechtemperatur – 20°C), welche später beschrieben werden wird, kann kaum so eingestellt werden, dass sie kleiner als die Solidustemperatur ist.
Der bevorzugte Bereich ist 28% ≤ dem Gewicht von Sn ≤ 38%, 2% ≤ dem Gewicht von Bi ≤ 10%, und 60% ≤ dem Gewicht von In ≤ 70%. Die Referenzzusammensetzung ist 30% Sn, 5% Bi und 65% In. 10 zeigt ein Ergebnis einer DSC Messung bei einer Temperaturanstiegsrate von 5°C/min. Die Liquidustemperatur beträgt ungefähr 121°C, und die Solidustemperatur beträgt ungefähr 105°C. Es gibt eine einzelne maximale endotherme Spitze bei einer Temperatur von ungefähr 118°C.
Die Sicherungselemente der Erfindung weisen die folgenden Leistungen auf.

(1) In dem endothermen Verhalten bei dem Schmelzvorgang existiert eine einzelne maximale endotherme Spitze, und der Unterschied des Hitzeabsorptionsbetrags an der Spitze ist viel größer als der Unterschied des Hitzeabsorptionsbetrags in einem anderen Bereich des endothermen Vorgangs. Die Gesamtmenge an In und Sn, welche eine kleinere Oberflächenspannung aufweisen, ist größer als die Menge an Bi, welches eine größere Oberflächenspannung aufweist. Deshalb ist die Benetzungsfähigkeit des festen-flüssig Koexistenzbereichs bei der maximalen endothermen Spitze sogar vor dem Abschluss der Verflüssigung hinreichend verbessert, so dass sich die kugelartige Aufteilung des thermischen Sicherungselementes in der Nähe der maximalen endothermen Spitze vollziehen kann.
(2) Deshalb kann die Streuung der Ansprechtemperatur unter den thermischen Schmelzsicherungen so festgelegt werden, dass sie innerhalb eines zulässigen Bereichs von ±5°C liegt.
(3) Wenn Selbsterwärmung aufgrund eines durchfließenden Stroms in einem Sicherungselement auftritt, löst eine thermische Schmelzsicherung bei einer niedrigeren Umgebungstemperatur aus als dies der Fall bei einer solchen ohne Last ist. Bei einer thermischen Schmelzsicherung ist es deshalb erforderlich, eine maximale Haltetemperatur festzulegen, bei welcher, selbst wenn ein Nennstrom über 168 Stunden fortgesetzt fließt, die Schmelzsicherung nicht auslöst. Die maximale Haltetempe ratur wird die Haltetemperatur genannt und gewöhnlich zu (Ansprechtemperatur – 20°C) festgelegt. In diesem Fall ist es erforderlich, dass die Solidustemperatur gleich oder höher als die Haltetemperatur ist. Die Sicherungselemente erfüllen die Voraussetzung.
(4) Da In und Sn in einer relativ großen Menge enthalten sind, erhalten die Sicherungselemente eine hinreichende Dehnbarkeit, die für das Ziehen in eine dünne Leitung erforderlich ist, so dass das Ziehen in eine dünne Leitung von 200 bis 300 μmØ ermöglicht wird.
(5) Eine ausgezeichnete Überlastcharakteristik und dielektrische Durchbruchscharakteristik können sichergestellt werden. Das Schmelzmuster der Legierungszusammensetzung, welches in 10 gezeigt ist, weist eine Schmelzcharakteristik bei einem Punkt auf, welcher von der binären eutektischen Kurve um 15% oder mehr im Bezug auf die Menge von In entfernt ist, und weist einen fest-flüssig Koexistenzbereich mit einer Breite von 16°C auf. Im Gegensatz dazu ist bei einem Sicherungselement einer Zusammensetzung in der Nähe der binären eutektischen Kurve der fest-flüssig Koexistenzbereich schmal, und daher wechselt die Legierung während der Energiezufuhr und des Temperaturanstiegs sofort aus der festen Phase in die flüssige Phase, wodurch leicht die Erzeugung eines Lichtbogens während des Auslösens verursacht wird. Wenn ein Lichtbogen erzeugt wird, tritt ein lokaler und plötzlicher Temperaturanstieg auf. Infolgedessen wird das Flussmittel verdampft, wodurch der interne Druck erhöht wird, oder das Flussmittel verkohlt. Zusätzlich zu dem vorstehenden wird die geschmolzene Legierung oder das verkohlte Flussmittel infolge des plötzlichen Energiezufuhrvorgangs stark zerstreut. Deshalb kann leicht eine physische Zerstörung, wie zum Beispiel Rissbildung, durch einen lokalen und plötzlichen internen Druckanstieg oder erneutes Leiten zwischen verkohlten Flussmittelteilen während des Auslösens auftreten. Überdies wird der Isolierungsabstand durch die zerstreute Legierung oder das verkohlte Flussmittel verkürzt. Deshalb wird leicht ein dielektrischer Durchbruch durch erneutes Leiten verursacht, wenn eine Spannung nach dem Auslösen angelegt wird. Im Gegensatz dazu ist in einem Sicherungselement der Legierungszusammensetzung der Erfindung die Legierungszusammensetzung um einiges von der binären eutektischen Kurve entfernt und weist einen ziemlich breiten fest-flüssig Konsistenzbereich auf. Der gesamte Gehalt an In und Sn, welche eine kleinere Oberflächenspannung aufweisen, ist größer als der Gehalt an Bi, welches eine größere Oberflächenspannung aufweist. Deshalb wird das Sicherungselement in einen breiten fest-flüssig Koextistenzzustand sogar während der Energiezufuhr und des Temperaturanstiegs aufgeteilt, und daher kann die Erzeugung eines Lichtbogens sofort nach dem Auslösen in zufriedenstellender Weise unterdrückt werden. Wegen einer synergetischen Wirkung der hinreichenden Unterdrückung einer Lichtbogenerzeugung unmittelbar nach dem Auslösen und der verringerten Oberflächenspannung aufgrund des geringen Gehalts an Bi, tritt die oben genannte physische Zerstörung nicht einmal in einem Überlasttest im Bezug auf die nominale Belastung auf, so dass der Isolationswiderstand nach dem Auslösen hinreichend hochgehalten werden kann und eine ausgezeichnete dielektrische Durchbruchscharakteristik sichergestellt werden kann.

In der Erfindung werden 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteile von einem, oder zwei oder mehreren Elementen, aus einer Gruppe, welche Ag, Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Sb, Ga und Ge enthält, zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung hinzugefügt, um den spezifischen Widerstand der Legierung zu reduzieren und die mechanische Beanspruchbarkeit zu verbessern. Wenn die hinzufügte Menge kleiner als 0,1 Gewichtsanteile ist, können die Wirkungen nicht hinreichend erzielt werden, und, wenn die hinzufügte Menge größer als 3,5 Gewichtsanteile ist, wird die oben genannte Schmelzcharakteristik schwerlich aufrechterhalten.
In Bezug auf einen Ziehprozess werden weiter eine erhöhte Beanspruchbarkeit und Dehnbarkeit zur Verfügung gestellt, so dass das Ziehen in einen dünnen Draht von 100 bis 300 μmØ auf einfache Weise ausgeführt werden kann. In einer Legierungszusammensetzung, welche eine große Menge In enthält, ist die Bindungskraft (cohesive force) groß. Selbst wenn ein Sicherungselement einer derartigen Legierungszusammensetzung mit Anschlussleitern oder Elektroden weder verschweißt noch verbunden wird, wird deshalb ein Anschein eines verbundenen Elements erzeugt infolge der großen Bindungskraft. Die Hinzufügung des/der Metalle) reduziert die Bindungskraft, so dass dieser Defekt beseitigt werden kann, und die Exaktheit des Annahmekriteriums in einem Test nach einem Schweißvorgang verbessert werden kann.
Es ist bekannt, dass ein zu verbindendes Material, wie zum Beispiel ein Metallmaterial der Anschlussleiter, ein Material in Form eines dünnen Films oder ein einzelnes Metallmaterial in der Filmelektrode, in das Sicherungselement durch Festphasendiffusion migriert. Wenn das gleiche Element wie das zu verbindende Material, wie zum Beispiel Ag, Au, Cu oder Ni, vorher zu dem Sicherungselement hinzugefügt wird, kann die Migration unterdrückt werden. Deshalb wird ein Einfluss des zu verbindenden Materials, welches ursprünglich die Eigenschaften beeinflussen kann, (zum Beispiel verursachen Ag, Au oder Ähnliche eine lokale Verminderung oder Streuung der Ansprechtemperatur aufgrund des verringerten Schmelzpunkts, und Cu, Ni oder Ähnliche verursachen eine Streuung der Ansprechtemperatur oder ein Fehlschlagen des Ansprechens aufgrund einer vergrößerten zwischenmetallischen zusammengesetzten Schicht, welche sich an der Schnittstelle zwischen verschiedenen Phasen ausbildet) beseitigt, und es kann sichergestellt werden, dass die thermische Schmelzsicherung normal funktioniert, ohne die Funktion des Sicherungselementes zu verschlechtern.
Die thermische Legierungsschmelzsicherung der Erfindung kann gewöhnlich durch ein Verfahren hergestellt werden, bei welchem ein Rohling hergestellt wird, wobei der Rohling in einen Stangendraht durch einen Extruder geformt, und der Stangendraht durch ein Ziehhol in einen Draht gezogen wird. Der äußere Durchmesser beträgt 100 bis 800 μmØ, vorzugsweise 300 bis 600 μmØ. Der Draht kann schließlich durch ein Walzwerk hindurchgeführt werden, um so als flacher Draht verwendet zu werden.
Alternativ kann das Sicherungselement durch ein Drehtrommelverfahren hergestellt werden, bei welchem ein Zylinder, welcher Kühlflüssigkeit enthält, rotiert wird, wobei die Kühlflüssigkeit durch eine zentrifugale Rotationskraft in einer schichtartigen Weise gehalten wird, und ein Strahl geschmolzenes Material, welcher aus einer Düse austritt, wird in die Kühlflüssigkeitsschicht eingeführt, um gekühlt zu werden und auszuhärten, wodurch ein dünnes Drahtelement erhalten wird.
Bei der Herstellung ist es zulässig, dass die Legierungszusammensetzung unvermeidbare Verunreinigungen enthält, die in den Herstellungsprozessen von Metallen aus Rohmaterialien und auch beim Schmelzen und Rühren der Rohmaterialien erzeugt werden.
Die Erfindung kann in der Form einer thermischen Schmelzsicherung implementiert werden, welche als eine unabhängige Thermoschutzeinrichtung dient. Alternativ kann die Erfindung in der Form ausgeführt werden, in welcher ein thermisches Sicherungselement in Serie mit einem Halbleiterbauelement, einem Kondensator oder einem Widerstand geschaltet ist, wobei ein Flussmittel zu dem Element gegeben wird, das mit Flussmittel versehene Sicherungselement in der Nähe des Halbleiterbauelements, des Kondensators oder des Widerstands platziert wird, und das Sicherungselement zusammen mit dem Halbleiterbauelement, dem Kondensator oder dem Widerstand mit Hilfe von Giesharz, einem Gehäuse oder Ähnlichem eingeschlossen werden.
1 zeigt eine thermische Legierungsschmelzsicherung mit zylindrischem Gehäuse gemäß der Erfindung. Ein Sicherungselement 2, welches aus einem Material für ein thermisches Sicherungselement gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, wird zwischen ein Paar von Anschlussleitern 1 zum Beispiel durch Schweißen geschaltet. Ein Flussmittel 3 wird auf das Sicherungselement 2 gegeben. Das mit Flussmittel versehene Sicherungselement wird durch eine isolierende Hülse 4 durchge führt, welche eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und Wärmeleitvermögen aufweist, zum Beispiel eine keramische Hülse. Spalten zwischen den Enden der isolierende Hülse 4 und den Anschlussleitern 1 werden von einem Dichtungsmittel 5, wie zum Beispiel einem kalthärtenden Epoxydharz dichtend verschlossen.
2 zeigt eine Schmelzsicherung mit einem radialen Gehäuse. Ein Sicherungselement 2, welches aus einem Material für ein thermisches Sicherungselement gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, wird zwischen Kopfenden von parallelen Anschlussleitern 1 zum Beispiel durch Schweißen geschaltet. Ein Flussmittel 3 wird zu dem Sicherungselement 2 gegeben. Das mit Flussmittel versehene Sicherungselement wird in ein isolierendes Gehäuse 4 eingeschlossen, bei welchem ein Ende offen ist, zum Beispiel ein keramisches Gehäuse. Die Öffnung des isolierenden Gehäuses 4 wird vom Dichtungsmittel 5, wie zum Beispiel einem kalthärtenden Epoxydharz dichtend verschlossen.
3 zeigt eine dünne Schmelzsicherung. Bei dieser Schmelzsicherung sind streifenförmige Anschlussleiter 1, welche eine Dicke von 100 bis 200 μm aufweisen, zum Beispiel durch einen Klebstoff oder eine Schmelzverbindung an einem Kunststoff Basisfilm 41 befestigt, welcher eine Dicke von 100 bis 300 μm aufweist. Ein Sicherungselement 2, welches aus einem Material für ein thermisches Sicherungselement gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, welches einen Durchmesser von 250 bis 500 μmØ aufweist, wird zwischen die streifenförmigen Anschlussleiter geschaltet, zum Beispiel durch Schweißen. Ein Flussmittel 3 wird zu dem Sicherungselement 2 gegeben. Das mit Flussmittel versehene Sicherungselement wird durch einen Kunststoff-Abdeckfilm 42 versiegelt, welcher eine Dicke von 100 bis 300 μm aufweist, mittels einer Befestigung unter Verwendung von zum Beispiel einem Klebstoff oder einer Ultraschallschmelzverbindung.
4 zeigt eine andere dünne Schmelzsicherung. Bei der Schmelzsicherung sind streifenförmige Anschlussleiter 1, welche eine Dicke von 100 bis 200 μm aufweisen, zum Beispiel durch einen Klebstoff oder eine Schmelzverbindung an einem Kunststoff Basisfilm 41 befestigt, welcher eine Dicke von 100 bis 300 μm aufweist. Bereiche der streifenförmige Anschlussleiter sind zu der Seite der anderen Fläche des Kunststoff-Basisfilm 41 exponiert. Ein Sicherungselement 2, welches aus einem Material für ein thermisches Sicherungselement gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, welches einen Durchmesser von 250 bis 500 μmØ aufweist, wird zwischen die exponierten Bereichen der streifenförmigen Anschlussleiter geschaltet, zum Beispiel durch Schweißen. Ein Flussmittel 3 wird zu dem Sicherungselement 2 gegeben. Das mit Flussmittel versehene Sicherungselement wird durch einen Kunststoff-Abdeckfilm 42 versiegelt, welcher eine Dicke von 100 bis 300 μm aufweist, mittels einer Befestigung unter Verwendung von zum Beispiel einem Klebstoff oder einer Ultraschallschmelzverbindung.
5 zeigt eine Schmelzsicherung vom radialen Tauchharz Typ. Ein Sicherungselement 2, welches aus einem Material für ein thermisches Sicherungselement gemäß dem Anspruch 1 oder 2 herstellt ist, wird zwischen Kopfenden von parallelen Anschlussleitern 1 zum Beispiel durch Schweißen geschaltet. Ein Flussmittel 3 wird zu dem Sicherungselement 2 gegeben. Das mit Flussmittel versehene Sicherungselement wird in eine Harzlösung getaucht, um das Element durch ein isolierendes Dichtmittel, wie zum Beispiel einen Epoxydharz 5, zu versiegeln.
6 zeigt eine Schmelzsicherung vom Substrat-Typ. Ein Paar von Filmelektroden 1 wird auf einem isolierenden Substrat 4, wie zum Beispiel einem Keramiksubstrat, durch Aufdrucken leitender Paste ausgebildet. Die Anschlussleiter 11 werden entsprechend mit den Elektroden 1 verbunden zum Beispiel durch Schweißen oder Löten. Ein Sicherungselement 2, welches aus einem Material für ein thermisches Sicherungselement gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, wird zwischen den Elektroden 1 zum Beispiel durch Schweißen geschaltet. Ein Flussmittel 3 wird zu dem Sicherungselement 2 gegeben. Das mit Flussmittel versehene Sicherungselement wird mit einem Dichtungsmittel 5, wie zum Beispiel einem Epoxydharz überdeckt. Die leitende Paste enthält Metallpartikeln und einen Binder. Zum Beispiel kann Ag, Ag-Pd, Ag-Pt, Au, Ni oder Cu für die Metallpartikeln verwendet werden, und ein Material, welches Glas-Sintermaterial, ein heißhärtendes Harz und dergleichen enthält, kann für den Binder verwendet werden.
Bei thermischen Legierungsschmelzsicherungen ist, für den Fall, dass die Joule'sche Wärme des Sicherungselementes vernachlässigbar ist, die Temperatur T_x des Sicherungselementes, wenn die Temperatur des Gerätes, welches zu schützen ist, die zulässige Temperatur T_m erreicht, um 2 bis 3°C niedriger als T_m, und der Schmelzpunkt des Sicherungselementes wird gewöhnlich auf [T_m – (2 bis 3°C)] festgelegt.
Die Erfindung kann in der Form implementiert werden, in welcher ein Wärmeelement zum Auslösen des Sicherungselementes zusätzlich an der Legierungsschmelzsicherung angeordnet wird. Wie in der 7 gezeigt, ist zum Beispiel eine Leiterstruktur 100, welche die Elektroden 1 des Sicherungselementes aufweist und Widerstandselektroden 10 auf dem isolierenden Substrat 4, wie zum Beispiel einem Keramiksubstrat, durch Aufdrucken leitender Paste ausgebildet, und ein Filmwiderstand 6 wird zwischen den Widerstandselektroden 10 durch Aufbringen und Aushärten einer Wider standspaste angeordnet (z.B. die Paste eines Metalloxidpulvers, wie zum Beispiel Rutheniumoxid). Ein Sicherungselement 2 gemäß dem Anspruch 1 oder 2 wird zwischen die Elektroden 1 des Sicherungselementes zum Beispiel durch Schweißen geschaltet. Ein Flussmittel 3 wird zu dem Sicherungselement 2 gegeben. Das mit Flussmittel versehene Sicherungselement 2 und der Filmwiderstand 6 wird mit einem Dichtungsmittel 5, wie zum Beispiel einem Epoxydharz, überdeckt.
In der Schmelzsicherung, welche ein elektrisches Wärmeelement aufweist, wird eine Vorstufe, welche anomale Wärmeentwicklung eines Gerätes zur Folge hat, detektiert, wobei dem Filmwiderstand Energie zugeführt wird, um Wärme als Antwort auf ein Signal hinweisend auf das Detektieren zu erzeugen, und das Sicherungselement wird durch die Wärmeentwicklung ausgelöst.
Das Wärmeelement kann auf der oberen Fläche eines isolierenden Substrats angeordnet werden. Ein hitzebeständiger und wärmeleitender isolierender Film, wie zum Beispiel ein ausgehärteter Glasfilm, wird auf dem Wärmeelement ausgebildet. Ein Paar von Elektroden wird angeordnet, flache Anschlussleiter werden entsprechend mit den Elektroden verbunden, und das Sicherungselement wird zwischen die Elektroden geschaltet. Ein Flussmittel überdeckt einen Bereich des Sicherungselementes und die Kopfenden der Anschlussleiter. Eine isolierende Abdeckung wird auf dem isolierenden Substrat platziert, und der Umfang der isolierenden Abdeckung wird mit dem isolierenden Substrat durch einen Klebstoff dichtend verbunden.
Unter den thermischen Legierungsschmelzsicherungen, können diejenigen des Typs, bei welchen das Sicherungselement direkt mit den Anschlussleitern (1 bis 5) verbunden wird, auf die folgende Weise konfiguriert werden. Wenigstens Bereiche der Anschlussleiter, an denen das Sicherungselement verbunden ist, sind mit einem dünnen Film von Sn oder Ag überdeckt (der zum Beispiel eine Dicke von 15 μm oder weniger, vorzugsweise 5 bis 10 μm aufweist – durch Metallisierung oder Ähnliches), wodurch die Bindungsstärke in Bezug auf das Sicherungselement gesteigert wird.
Bei den thermischen Legierungsschmelzsicherungen gibt es eine Möglichkeit, dass ein Metallmaterial oder ein dünnes Filmmaterial in den Anschlussleitern, oder ein einzelnes Metallmaterial in der Filmelektrode in das Sicherungselement durch Festphasendiffusion migriert. Wie oben beschrieben können jedoch die Eigenschaften des Sicherungselementes hinreichend aufrechterhalten werden, indem vorher das gleiche Element wie zum Beispiel das dünne Filmmaterial zu dem Sicherungselement hinzugefügt wird.
Als Flussmittel wird allgemein ein Flussmittel verwendet, welches einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger ist als derjenige des Sicherungselementes. Zum Beispiel ist ein Flussmittel verwendbar, welches 90 bis 60 Gewichtsanteile Harz, 10 bis 40 Gewichtsanteile Stearinsäure und 0 bis 3 Gewichtsanteile eines Aktivierungsmittels enthält. In diesem Fall können als Harz ein natürliches Harz, ein modifiziertes Harz (zum Beispiel ein hydriertes Harz, ein inhomogenes Harz oder ein polymerisiertes Harz) oder gereinigte Harze hiervon verwendet werden. Als Aktivierungsmittel können das Hydrochlorid oder Hydrobromid eines Amins wie zum Beispiel Diethylamin, oder eine organische Säure, wie zum Beispiel Adipinsäure, verwendet werden.
Unter den oben beschriebenen thermischen Legierungsschmelzsicherungen ist bei der Schmelzsicherung mit zylindrischem Gehäuse die Anordnung, bei welcher die Anschlussleiter 1 so platziert sind, um zu dem zylindrischen Gehäuse 4 nicht exzentrisch zu sein wie bei (A) der 8 gezeigt, eine Vorbedingung, um die normale bei (B) der 8 gezeigte kugelartige Aufteilung zu ermöglichen. Wenn die Anschlussleiter, wie bei (C) der 8 gezeigt, exzentrisch sind, klebt das Flussmittel (einschließlich des verkohlten Flussmittels) und zerstäubter Legierungsteile leicht an der inneren Wand des zylindrischen Gehäuses nach einem Auslösen, wie bei (D) der 8 gezeigt. Infolgedessen wird der Isolierungswiderstand gesenkt, und die dielektrische Durchbruchscharakteristik wird verschlechtert.
Um zu verhindern, dass derartige Nachteile entstehen, ist, wie bei (A) der 9 gezeigt, ein Aufbau wirkungsvoll, bei welchem Enden der Anschlussleiter 1 in eine scheibenförmige Gestalt d ausgebildet werden, und Enden des Sicherungselementes 2 entsprechend mit den Stirnseiten der Scheiben d verbunden werden (zum Beispiel durch Schweißen). Die äußeren Umfänge der Scheiben werden durch die innere Fläche des zylindrischen Gehäuses gelagert, und das Sicherungselement 2 wird so positioniert, um im Wesentlichen konzentrisch zu dem zylindrischen Gehäuse 4 zu sein [bei (A) der 9; 3 bezeichnet ein Flussmittel, welches zu dem Sicherungselement 2 gegeben wird, 4 bezeichnet das zylindrische Gehäuse, 5 bezeichnet ein Dichtungsmittel, wie zum Beispiel einen Epoxydharz, und der äußere Durchmesser jeder Scheibe ist ungefähr gleich dem inneren Durchmesser des zylindrischen Gehäuses]. In diesem Beispiel, wie bei (B) der 9 gezeigt, sammeln sich geschmolzene Teile des Sicherungselementes kugelartig auf den Vorderflächen der Scheiben d an, wodurch das Flussmittel (einschließlich des verkohlten Flussmittels) daran gehindert wird, an der inneren Fläche des Gehäuses 4 zu kleben.
[Beispiele]
In den folgenden Beispielen und den vergleichenden Beispielen wurden thermische Legierungsschmelzsicherungen mit zylindrischem Gehäuse, welche eine AC-Belastbarkeit von 3 A × 250 V aufweisen, verwendet. Die Schmelzsicherungen weisen die folgenden Abmessungen auf. Der äußere Durchmesser eines zylindrischen keramischen Gehäuses beträgt 2,5 mm, die Dicke des Gehäuses beträgt 0,5 mm, die Länge des Gehäuses beträgt 9 mm, ein Anschlussleiter ist ein mit Sn metallisierter weichgeglühter Kupferdraht mit einem äußeren Durchmesser von 0,6 mmØ, und der äußere Durchmesser und die Länge eines Sicherungselementes betragen 0,6 mmØ beziehungsweise 3,5 mm. Eine Zusammensetzung von 80 Gewichtsanteilen des natürlichen Harzes, 20 Gewichtsanteile der Stearinsäure, und 1 Gewichtsanteil des Hydrobromids von Diethylamin wurde als Flussmittel verwendet. Ein kalthärtendes Epoxydharz wurde als ein Dichtmittel verwendet.
Die Solidus- und Liquidustemperaturen eines Sicherungselementes wurden durch eine DSC bei einer Temperaturanstiegsrate von 5°C/min gemessen.
Fünfzig Proben wurden verwendet. Jede der Proben wurde in ein Ölbad getaucht, in welchem die Temperatur mit einer Rate von 1°C/min erhöht wurde, während die Probe mit einem Detektierungsstrom von 0,1 A versorgt wurde, und die Temperatur T₀ des Öls wurde gemessen, wenn die Stromversorgung durch Durchschmelzen des Sicherungselementes unterbrochen wurde. Eine Temperatur von T₀ – 2°C wurde als die Ansprechtemperatur des thermischen Sicherungselementes ermittelt.
Die Überlastcharakteristik und die Isolierungsstabilität nach einem Auslösen einer thermischen Schmelzsicherung wurden auf der Grundlage der Überlasttestmethode und der dielektrischen Durchbruchstestmethode, welche in IEC 60691 definiert ist (der Feuchtigkeitstest vor dem Überlasttest wurde weggelassen), bewertet.
Speziell wurde das Vorliegen einer Zerstörung oder einer physischen Beschädigung bei einem Auslösen überprüft. Während eine Spannung von 1,1 × der Nennspannung und ein Strom von 1,5 × dem Nennstrom an eine Probe angelegt wurden, wurde die thermische Schmelzsicherung dazu veranlasst auszulösen, indem die Umgebungstemperatur mit einer Rate von (2 ± 1) K/min erhöht wurde. Unter den Proben, bei denen eine Zerstörung oder eine Beschädigung nicht auftraten, wurden jene, bei denen die Isolierung zwischen den Anschlussleitern 2 × der Nennspannung (500 V) für 1 Minute Stand hielt, und welche zwischen den Anschlussleitern und einer um den Sicherungskörper gewickelten Metallfolie nach dem Auslösen 2 × der Nennspannung + 1.000 V (1.500 V) für 1 Minute Stand hielten, als akzeptabel in Bezug auf die dielektrische Durchbruchscharakteristik bewertet, und jene, bei denen der Isolierungswiderstand zwischen den Anschlussleitern, wenn eine Gleichspannung von 2 × der Nennspannung (500 V) angelegt wurde, 0,2 MΩ oder mehr betrug, und welcher zwischen den Anschlussleitern und der um den Sicherungskörper gewickelten Metallfolie nach einem Auslösen 2 MΩ oder höher war, akzeptabel in Bezug auf den Isolierungswiderstand bewertet. Die Akzeptanz sowohl in Bezug auf die dielektrische Druchbruchscharakteristik als auch in Bezug auf die Isolierungscharakteristik wurde als das Annahmekriterium für die Isolierungsstabilität festgelegt. Wenn 50 Proben verwendet wurden und alle 50 Proben in Bezug auf die Isolierungsstabilität akzeptiert wurden, wurden die Proben mit O bewertet, und, wenn nur eine der Proben nicht akzeptiert wurde, wurden die Proben mit X bewertet.
[Beispiel 1]
Eine Zusammensetzung von 30% Sn, 5% Bi, und dem Rest In wurde als diejenige eines Sicherungselementes verwendet. Ein Sicherungselement wurde durch einen Prozess des Ziehens auf 300 μmØ unter der Bedingung der Flächenverringerung pro Abschnitt von 6,5%, und einer Ziehgeschwindigkeit von 50 m/min hergestellt. Infolgedessen wurde eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit erreicht, während kein Bruch auftrat und sich kein zusammengeschnürter Bereich ausgebildete.
10 zeigt ein Ergebnis der DSC Messung. Die Liquidustemperatur betrug ungefähr 121°C, die Solidustemperatur betrug ungefähr 105°C und die maximale endotherme Spitzentemperatur betrug ungefähr 118°C.
Die Temperatur des Sicherungselementes bei einem Auslösen einer thermischen Schmelzsicherung betrug 118 ± 2°C. Es ist deshalb ersichtlich, dass die Temperatur des Sicherungselementes bei einem Auslösen einer thermischen Schmelzsicherung ungefähr mit der maximalen endothermen Spitzentemperatur zusammenfällt.
Selbst wenn der Überlasttest durchgeführt wurde, konnte das Sicherungselement betrieben werden, ohne irgendeine physische Beschädigung, wie zum Beispiel eine Zerstörung, nach sich zu ziehen. In Bezug auf den dielektrischen Durchbruchstest nach dem Auslösen hielt die Isolierung zwischen den Anschlussleitern 2 × der Nennspannung (500 V) für 1 Minute oder länger Stand, und diejenige zwischen den Anschlussleitern und einer um den Sicherungskörper gewickelten Metallfolie nach dem Auslösen hielt 2 × der Nennspannung + 1.000 V (1.500 V) für 1 Minute oder länger Stand. Folglich war das Sicherungselement akzeptabel. In Bezug auf die Isolierungscharakteristik war der Isolierungswiderstand zwischen den Anschlussleitern, wenn eine Gleichspannung von 2 × der Nennspannung (500 V) angelegt wurde, 0,2 MΩ oder höher, und derjenige zwischen den Anschlussleitern und der um den Sicherungskörper gewickelten Metallfolie nach dem Auslösen war 2 MΩ oder höher. Die beiden Widerstände waren akzeptabel, und daher wurde die Isolierungsstabilität mit O bewertet.
Der Grund, warum die Überlastcharakteristik und die Isolierungsstabilität nach einem Auslösen wie oben beschrieben ausgezeichnet sind, ist wie folgt. Sogar während der Energiezufuhr und des Temperaturanstiegs vollzieht sich die Trennung des Sicherungselementes in dem weiten fest-flüssig Koexistenzbereich. Deshalb wird das Auftreten eines Lichtbogens sofort nach einem Auslösen hinreichend unterdrückt, und ein plötzlicher Temperaturanstieg tritt kaum auf. Deshalb kann der Druckanstieg aufgrund des Verdampfens des Flussmittels und das Verkohlen des Flussmittels aufgrund des Temperaturanstiegs unterdrückt werden, und eine physische Zerstörung tritt nicht auf, ein Zerstreuen und dergleichen der geschmolzenen Legierung oder des verkohlten Flussmittels aufgrund eines Energiezufuhrvorgangs kann hinreichend unterdrückt werden, wodurch ein hinreichender Isolationsabstand sichergestellt werden kann.
[Beispiele 2 bis 4]
Die Beispiele wurden in der gleichen Art wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass die Legierungszusammensetzung im Beispiel 1, wie in der Tabelle 1 aufgeführt, geändert wurde.
Die Solidus- und Liquidustemperaturen der Beispiele werden in der Tabelle 1 gezeigt. Die Temperaturen des Sicherungselementes bei einem Auslösen werden in der Tabelle 1 gezeigt, weisen eine Streuung von ±3°C oder weniger auf, und liegen in dem fest-flüssig Koexistenzbereich.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 sind sowohl die Überlastcharakteristik als auch die Isolierungsstabilität akzeptabel. Der Grund dafür wird wie folgt beurteilt. In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wird das Sicherungselement in einem breiten fest-flüssig Koexistenzbereich getrennt.
In allen Beispielen wurde gute Drahtziehbarkeit in der gleichen Art wie in Beispiel 1 erzielt.
Tabelle 1
[Beispiele 5 bis 9]
Die Beispiele wurden in der gleichen Art wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass die Legierungszusammensetzung im Beispiel 1, wie in der Tabelle 2 aufgeführt, geändert wurde.
Die Solidus- und Liquidustemperaturen der Beispiele werden in der Tabelle 2 gezeigt. Die Temperaturen des Sicherungselementes bei einem Auslösen werden in der Tabelle 2 gezeigt, weisen eine Streuung von ±2°C oder weniger auf, und liegen in dem fest-flüssig Koexistenzbereich.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 sind sowohl die Überlastcharakteristik als auch die Isolierungsstabilität akzeptabel.
Der Grund dafür wird wie folgt beurteilt. In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wird da Sicherungselement in einem breiten fest-flüssig Koexistenzbereich aufgeteilt.
In allen Beispielen wurde gute Drahtziehbarkeit in der gleichen Art wie in Beispiel 1 erzielt.
Tabelle 2
[Beispiele 10 bis 12]
Die Beispiele wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass die Legierungszusammensetzung im Beispiel 1, wie in der Tabelle 3 aufgeführt, geändert wurde.
Die Solidus- und Liquidustemperaturen der Beispiele werden in der Tabelle 3 gezeigt. Die Temperaturen des Sicherungselementes bei einem Auslösen werden in der Tabelle 3 gezeigt, weisen eine Streuung von ±1°C oder weniger auf, und liegen in dem fest-flüssig Koexistenzbereich.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 sind sowohl die Überlastcharakteristik als auch die Isolierungsstabilität akzeptabel.
Der Grund dafür wird wie folgt beurteilt. In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wird das Sicherungselement in einem breiten fest-flüssig Koexistenzbereich aufgeteilt.
In allen Beispielen wurde gute Drahtziehbarkeit in der gleichen Art wie in Beispiel 1 erzielt.
Tabelle 3
[Beispiel 13]
Das Beispiel wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass eine Legierungszusammensetzung, in welcher 1 Gewichtsanteil von Ag zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung des Beispiels 1 hinzugefügt wurde, als die eines Sicherungselementes verwendet wurde.
Ein Drahtelement für ein Sicherungselement von 300 μmØ wurde unter Bedingungen hergestellt, bei denen die Flächenverringerung pro Abschnitt 8% betrug und die Ziehgeschwindigkeit 80 m/min betrug, und welche strenger sind als diejenigen des Ziehprozesses des Drahtelementes für ein Sicherungselement im Beispiel 1. Jedoch trat kein Drahtbruch auf, und Probleme, wie zum Beispiel ein zusammengeschnürter Bereich, wurden nicht verursacht, mit dem Ergebnis, dass das Beispiel ausgezeichnete Verarbeitbarkeit aufwies.
Die Solidustemperatur betrug 103°C, und die maximale endotherme Spitzentemperatur und die Temperatur des Sicherungselementes bei einem Auslösen einer thermische Schmelzsicherung wurden nur um ungefähr 2°C im Vergleich zu jenen im Beispiel 1 gesenkt. Es wurde also bestätigt, dass die Ansprechtemperatur und die Schmelzcharakteristik beibehalten werden können, ohne von jenen des Beispiels 1 stark abzuweichen.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 konnte, selbst wenn der Überlasttest durchgeführt wurde, das Sicherungselement betrieben werden, ohne irgendeine physische Beschädigung, wie zum Beispiel eine Zerstörung, nach sich zu ziehen. Folglich war das Sicherungselement akzeptabel. In Bezug auf den dielektrischen Durchbruchstest nach dem Auslösen hielt die Isolierung zwischen den Anschlussleitern 2 × der Nennspannung (500 V) für 1 Minute oder länger Stand, und diejenige zwischen den Anschlussleitern und einer um den Sicherungskörper gewickelten Metallfolie nach dem Auslösen hielt 2 × der Nennspannung + 1.000 V (1.500 V) für 1 Minute oder länger Stand. Folglich war das Sicherungselement akzeptabel. In Bezug auf die Isolierungscharakteristik war der Isolierungswiderstand zwischen den Anschlussleitern, wenn eine Gleichspannung von 2 × der Nennspannung (500 V) angelegt wurde, 0,2 MΩ oder höher, und derjenige zwischen den Anschlussleitern und der um den Sicherungskörper gewickelten Metallfolie nach dem Auslösen war 2 MΩ oder höher. Die beiden Widerstände waren akzeptabel, und daher wurde die Isolierungsstabilität mit O bewertet. Es wurde daher bestätigt, dass, trotz der Hinzufügung von Ag, die gute Überlastcharakteristik und Isolierungsstabilität beibehalten werden können.
Es wurde bestätigt, dass die oben genannten Wirkungen in dem Bereich der hinzugefügten Menge von 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteilen von Ag erzielt werden.
In dem Fall, in welchem das Metallmaterial der zu verbindenden Anschlussleiter, ein dünnes Filmmaterial oder ein einzelnes Metallmaterial in der Filmelektrode Ag ist, wurde bestätigt, dass, wenn dasselbe Element oder Ag früher als im Beispiel hinzugefügt wird, das Metallmaterial daran gehindert werden kann, nachdem das Sicherungselement verbunden ist, mit der Zeit in das Sicherungselement durch Festphasendiffusion zu migrieren, und die lokale Verringerung oder Streuung der Ansprechtemperatur aufgrund des gesenkten Schmelzpunkts können beseitigt werden.
[Beispiele 14 bis 21]
Die Beispiele wurden in der gleichen Art wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass eine Legierungszusammensetzung, in welcher 0,5 Gewichtsanteile von jeweils einem von Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Ga, Ge und Sb zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung des Beispiels 1 hinzugefügt wurden, als die eines Sicherungselementes verwendet wurde.
Es wurde bestätigt, dass, auf dieselbe Weise wie die Metallhinzufügung von Ag im Beispiel 13, auch die Hinzufügung von Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Ga, Ge oder Sb eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit erzielt, die Ansprechtemperatur und Schmelzcharakteristik des Beispiels 1 hinreichend sichergestellt werden können, die gute Überlastcharakteristik und Isolierungsstabilität gehalten werden können, und die Festphasendiffusion zwischen Metallmaterialien derselben Art unterdrückt werden kann.
Es wurde bestätigt, dass die oben genannten Wirkungen im Bereich der hinzugefügten Menge von 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteilen von jeweils einem von Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Ga, Ge und Sb erzielt werden.
[Vergleichsbeispiel 1]
Das Vergleichsbeispiel wurde in der gleichen Art wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass die Zusammensetzung des Sicherungselementes im Beispiel 1 in 25% Sn, 22% Bi, und dem Rest In geändert wurde.
Die Verarbeitbarkeit war zufriedenstellend. Da der fest-flüssig Koexistenzbereich relativ schmal ist, lag die Streuung der Ansprechtemperatur innerhalb des zulässigen Bereichs.
Im Überlasttest funktionierte das Sicherungselement, ohne eine physische Beschädigung, wie zum Beispiel eine Zerstörung, zur Folge zu haben. Folglich war das Vergleichsbeispiel akzeptabel.
Im dielektrischen Durchbruchstest nach einem Auslösen jedoch betrug der Isolierungswiderstand zwischen den Anschlussleitern nur 0,1 MΩ oder weniger. Wenn eine Spannung von 2 × der Nennspannung (500 V) angelegt wurde, trat häufig erneutes Leiten auf. Deshalb war die Isolierungsstabilität X.
Der Grund dafür wird wie folgt beurteilt. Obwohl das Sicherungselement in dem fest-flüssig Koexistenzbereich unterbrochen wird, ist der Bereich relativ schmal, und daher wechselt die Legierung während der Energiezufuhr und des Temperaturanstiegs schnell von der festen Phase in die flüssige Phase, was zur Folge hat, dass ein Lichtbogen sofort nach einem Auslösen erzeugt wird. Infolgedessen wird das Flussmittel durch einen lokalen und plötzlichen Temperaturanstieg leicht verkohlt. Deshalb wird der Isolationsabstand während eines Auslösens durch die zerstreute Legierung oder das verkohlte Flussmittel verkürzt, und daher ist der Isolierungswiderstand niedrig. Infolgedessen tritt, wenn eine Spannung angelegt wird, erneutes Leiten auf und hat einen dielektrischen Durchbruch zur Folge.
[Vergleichsbeispiel 2]
Das Vergleichsbeispiel wurde in der gleichen Art wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass die Zusammensetzung des Sicherungselementes im Beispiel 1 in 65% Sn und dem Rest In geändert wurde.
Die Verarbeitbarkeit war zufriedenstellend, und die Streuung der Ansprechtemperatur war klein, wodurch kein Problem verursacht wurde. Im Überlasttest funktionierte das Sicherungselement, ohne eine physische Beschädigung, wie zum Beispiel eine Zerstörung, zur Folge zu haben. Folglich war das Vergleichsbeispiel akzeptabel.
Im dielektrischen Durchbruchstest nach einem Auslösen jedoch betrug der Isolierungswiderstand zwischen den Anschlussleitern nur 0,1 MΩ oder weniger. Wenn eine Spannung von 2 × der Nennspannung (500 V) angelegt wurde, trat häufig erneutes Leiten häufig. Deshalb war die Isolierungsstabilität X.
Der Grund dafür wird wie folgt beurteilt. In der gleichen Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 ist, obwohl das Sicherungselement in dem fest-flüssig Koexistenzbereich unterbrochen wird, der Bereich relativ schmal, und daher wechselt die Legierung während der Energiezufuhr und des Temperaturanstiegs schnell von der festen Phase in die flüssige Phase, was zur Folge hat, dass ein Lichtbogen sofort nach einem Auslösen erzeugt wird. Infolgedessen wird das Flussmittel durch einen lokalen und plötzlichen Temperaturanstieg verkohlt. Deshalb wird der Isolationsabstand während eines Auslösens durch die zerstreute Legierung oder das verkohlte Flussmittel verkürzt, und daher ist der Isolierungswiderstand niedrig. Infolgedessen tritt, wenn eine Spannung angelegt wird, erneutes Leiten auf und hat einen dielektrischen Durchbruch zur Folge.
[Vergleichsbeispiel 3]
Das Vergleichsbeispiel wurde in der gleichen Art wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass die Zusammensetzung des Sicherungselementes im Beispiel 1 in 20% Sn, 10% Bi und dem Rest In geändert wurde.
Die Verarbeitbarkeit war zufriedenstellend. Da fest-flüssig Koexistenzbereich relativ schmal ist, lag die Streuung der Ansprechtemperatur (110 ± 3°C) innerhalb des zulässigen Bereichs. Im Überlasttest funktionierte das Sicherungselement, ohne eine physische Beschädigung, wie zum Beispiel eine Zerstörung, zur Folge zu haben. Folglich war das Vergleichsbeispiel akzeptabel.
Jedoch betrug die Solidustemperatur 67°C oder weniger als (Ansprechtemperatur – 20°C), und versagt daher dabei, die Voraussetzung der Haltetemperatur zu erfüllen.
[Vergleichsbeispiel 4]
Das Vergleichsbeispiel wurde in der gleichen Art wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass die Zusammensetzung des Sicherungselementes im Beispiel 1 in 45% Sn, 5% Bi und dem Rest In geändert wurde.
Die Verarbeitbarkeit war zufriedenstellend, und die Streuung der Ansprechtemperatur war klein, wodurch kein Problem verursacht wurde. Im Überlasttest funktionierte das Sicherungselement, ohne eine physische Beschädigung, wie zum Beispiel eine Zerstörung, zur Folge zu haben. Folglich war das Vergleichsbeispiel akzeptabel.
Im dielektrischen Durchbruchstest nach einem Auslösen jedoch betrug der Isolierungswiderstand zwischen den Anschlussleitern nur 0,1 MΩ oder weniger. Wenn eine Spannung von 2 × der Nennspannung (500 V) angelegt wurde, trat häufig erneutes Leiten auf. Deshalb war die Isolierungsstabilität X.
Der Grund dafür wird wie folgt beurteilt. In der gleichen Weise wie im Vergleichsbeispiel 1 ist, obwohl das Sicherungselement in dem fest-flüssig Koexistenzbereich unterbrochen wird, der Bereich relativ schmal, und daher wechselt die Legierung während der Energiezufuhr und des Temperaturanstiegs schnell von der festen Phase in die flüssige Phase, was zur Folge hat, dass ein Lichtbogen sofort nach einem Auslösen erzeugt wird. Infolgedessen wird das Flussmittel durch einen lokalen und plötzlichen Temperaturanstieg verkohlt. Deshalb wird der Isolationsabstand während eines Auslösens durch die zerstreute Legierung oder das verkohlte Flussmittel verkürzt, und daher ist der Isolierungswiderstand niedrig. Infolgedessen tritt, wenn eine Spannung angelegt wird, erneutes Leiten auf und hat einen dielektrischen Durchbruch zur Folge.
[Vergleichsbeispiel 5]
Das Vergleichsbeispiel wurde in der gleichen Art wie in Beispiel 1 ausgeführt, außer dass die Zusammensetzung des Sicherungselementes im Beispiel 1 in 20% Sn, 15% Bi und dem Rest In geändert wurde.
Die Verarbeitbarkeit war zufriedenstellend. Jedoch streute die Ansprechtemperatur über den Bereich von ungefähr 150 bis 165°C beziehungsweise in einem großen Rahmen. Die Solidustemperatur beträgt 64°C. Diese Temperatur ist niedriger als (Ansprechtemperatur – 20°C), und versagt daher dabei, die Voraussetzung der Haltetemperatur zu erfüllen.
Entsprechend dem Material für ein thermisches Sicherungselement und der thermischen Schmelzsicherung der Erfindung ist es möglich, eine thermische Legierungsschmelzsicherung zur Verfügung zu stellen, in welcher eine Bi-In-Sn-Legierung, welche kein für einen lebenden Körper schädliches Schwermetall enthält, verwendet wird, und welche eine ausgezeichnete Überlastcharakteristik, dielektrische Druchbruchscharakteristik nach einem Auslösen und Isolierungscharakteristik aufweist. Entsprechend dem Material für ein thermisches Sicherungselement des zweiten Aspekts der Erfindung und der thermischen Legierungsschmelzsicherung kann, da ein Sicherungselement wegen der ausgezeichneten Drahtziehbarkeit des Materials für ein thermisches Sicherungselement auf einfache Weise dünn gemacht werden kann, die thermische Schmelzsicherung vorteilhaft miniaturisiert und dünn gemacht werden. Sogar in dem Fall, in welchem eine thermische Legierungsschmelzsicherung aufgebaut wird, indem ein Sicherungselement mit einem zu verbindenden Material verbunden wird, welches ursprünglich einen Einfluss ausüben kann, kann ein normales Auslösen sichergestellt werden, ohne dass die Funktionen des Sicherungselementes verschlechtert werden.
Entsprechend den thermischen Legierungsschmelzsicherung des dritten bis zehnten Aspekts der Erfindung können insbesondere die obigen Wirkungen sichergestellt werden in einer thermischen Schmelzsicherung mit zylindrischem Gehäuse, einer thermischen Schmelzsicherung des Substrat-Typs, einer dünnen thermischen Schmelzsicherung des Band-Typs, einer thermischen Schmelzsicherung, welche ein elektrisches Wärmeelement aufweist, und einer thermischen Schmelzsicherung oder einer thermischen Schmelzsicherung, welche ein elektrisches Wärmeelement aufweist, bei welchem die Anschlussleiter mit Ag oder Ähnlichem metallisiert sind, wodurch die Brauchbarkeit einer derartigen thermischen Schmelzsicherung oder einer thermischen Schmelzsicherung, welche ein elektrisches Wärmeelement aufweist, erhöht werden kann.

Claims

Ein Material für ein thermisches Sicherungselement, wobei das Material eine Legierungszusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweist, in welcher Sn größer als 25% und kleiner oder gleich als 44% ist, Bi gleich 1% oder größer und kleiner als 20% ist und In größer als 55% und kleiner oder gleich als 74% ist.
Ein Material für ein thermisches Sicherungselement, wobei 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteile von einem, oder zwei oder mehreren Elementen aus einer Gruppe, welche Ag, Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Sb, Ga und Ge aufweist, ausgewählt werden und zu 100 Gewichtsanteilen einer Legierungszusammensetzung gemäß Anspruch 1 hinzugefügt werden.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung, wobei das Material gemäß Anspruch 1 oder 2 für das Sicherungselement verwendet wird.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung gemäß Anspruch 3, wobei das Sicherungselement unvermeidbare Verunreinigungen aufweist.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei das Sicherungselement zwischen Anschlussleitern verbunden ist und wenigstens ein Bereich von jedem dieser Anschlussleitern, welcher mit dem Sicherungselement verbunden ist, mit einem Film aus Sn oder Ag bedeckt ist.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei Anschlussleiter mit Enden des Sicherungselementes entsprechend verbunden sind, ein Flussmittel zu dem Sicherungselement gegeben wird, das mit Fließmittel versehene Sicherungselement durch ein zylindrisches Gehäuse hindurchgeführt ist, Spalten zwischen Enden des zylindrischen Gehäuses und den Anschlussleiter dichtend verschlossen sind, Enden der Anschlussleiter eine scheibenförmige Gestalt haben und Enden des Sicherungselementes mit der vorderen Flächen der Scheiben verbunden sind.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei ein Paar von Filmelektroden auf einem Substrat durch Aufdrucken von leitender Paste, welche Metallpartikel und einen Binder aufweist, gebildet werden, das Sicherungselement zwischen den Filmelektroden verbunden ist und die Metallpartikel aus einem Material hergestellt sind, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche Ag, Ag-Pb, Ag-Pt, Au, Ni und Cu aufweist.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei ein Wärmeelement zum Auslösen des Sicherungselementes zusätzlich angeordnet ist.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei ein Paar von Anschlussleitern teilweise exponiert von einer Fläche einer isolierenden Platte zu einer weiteren Fläche sind, das Sicherungselement mit den exponierten Bereichen des Anschlussleiters verbunden ist und die andere Fläche der isolierenden Platte mit einem isolierenden Material überdeckt ist.
Eine thermische Legierungsschmelzsicherung gemäß wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Sicherungselement, welches zwischen einem Paar von Anschlussleitern verbunden ist, zwischen isolierenden Filmen angeordnet wird.