DE60308453T2

DE60308453T2 - Thermische Legierungsschmelzsicherung und Draht für ein Sicherungselement

Info

Publication number: DE60308453T2
Application number: DE60308453T
Authority: DE
Inventors: Miki 1-chome Chuo-ku Osaka-shi Iwamoto; Naotaka 1-chome Chuo-ku Osaka-shi Ikawa; Toshiaki 1-chome Chuo-ku Osaka-shi Saruwatari; Yoshiaki 1-chome Chuo-ku Osaka-shi Tanaka
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: JP3761846B2; EP1381066B1; JP2004043894A; US6963264B2; DE60308453D1; CN1284197C; US20040066268A1; EP1381066A3; EP1381066A2; CN1472764A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Sicherung vom Legierungstyp und eine Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement. Sie eignet sich als Thermoschutzeinrichtung für ein Elektrogerät oder ein Schaltungselement.
Eine thermische Sicherung vom Legierungstyp findet verbreitet Verwendung als Thermoschutzeinrichtung für ein Elektrogerät oder ein Schaltungselement wie zum Beispiel eine Halbleitereinrichtung, einen Kondensator oder einen Widerstand.
Eine solche thermische Sicherung vom Legierungstyp hat eine Konfiguration, bei der eine Legierung mit einem vorgegebenen Schmelzpunkt als Sicherungselement verwendet wird, ein Flussmittel auf das Sicherungselement aufgebracht wird und das Sicherungselement mit dem darauf aufgebrachten Flussmittel mit einem Isolator versiegelt wird.
Die thermische Sicherung vom Legierungstyp hat folgende Funktionsweise.
Die thermische Sicherung vom Legierungstyp ist so angeordnet, dass sie thermisch mit einem zu schützenden Elektrogerät oder Schaltungselement in Kontakt steht. Wenn das Elektrogerät bzw. das Schaltungselement aufgrund irgendeiner Anormalität Wärme erzeugt, bringt die erzeugte Wärme die Legierung des Sicherungselementes zum Schmelzen, und die geschmolzene Legierung wird getrennt und sphäroidisiert, und zwar aufgrund der Benetzbarkeit hinsichtlich eines Anschlussleiters (lead conductor) oder einer Elektrode bei gleichzeitigem Vorhandensein des bereits geschmolzenen Flussmittels. Schließlich wird die Stromzufuhr infolge des Fortschreitens der Trennung und Sphäroidisierung unterbrochen. Durch die Unterbrechung der Stromzuführ wird die Temperatur des Gerätes gesenkt, und die getrennten, geschmolzenen Legierungen erstarren, womit der nicht-rückstellende Abschaltvorgang beendet ist. Bei einer thermischen Sicherung vom Legierungstyp ist es daher erforderlich, dass die Trenntemperatur der Legierung des Sicherungselementes im Wesentlichen gleich der zulässigen Temperatur eines Elektrogerätes oder dergleichen ist.
In der Regel wird für ein solches Sicherungselement eine Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet. Wie aus einem Phasendiagramm ersichtlich, weist eine Legierung eine Solidustemperatur und eine Liquidustemperatur auf, und durch Erwärmen, das die Legierung zum Überschreiten der eutektischen Temperatur bringt, wechselt die Legierung an dem eutektischen Punkt, an welchem die Solidustemperatur mit der Liquidustemperatur zusammentrifft, auf einmal von der festen in die flüssige Phase. Dagegen wird eine Legierung in einer Zusammensetzung, die nicht dem eutektischen Punkt entspricht, in der Reihenfolge feste Phase → festflüssige Phase → flüssige Phase verändert, und die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region liegt zwischen der Solidustemperatur Ts und der Liquidustemperatur Tl. Auch in der fest-flüssigen Region besteht die Möglichkeit, dass ein Sicherungselement getrennt wird, auch wenn das wenig wahrscheinlich ist. Um die Streuung der Betriebstemperatur zwischen thermischen Sicherungen zu verringern, ist es erforderlich, eine Legierungszusammensetzung zu verwenden, bei welcher die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region so eng wie möglich ist. Eine der Bedingungen, die eine thermische Sicherung vom Legierungstyp zu erfüllen hat, ist die, dass ΔT eng ist.
Wenn ΔT groß ist, bringt dies neben der oben erwähnten weiten Streuung der Betriebstemperatur zusätzlich den folgenden Nachteil mit sich. In dem Fall, dass die obere Temperaturgrenze eines normalen Wärmezyklus die Solidustemperatur erreicht, tritt das Anfangsstadium eines angeschmolzenen Zustandes (fest-flüssigen Zustandes) auch dann ein, wenn ein Sicherungselement während des Wärmezyklus nicht zerstört wird. Während eines Vorganges der Wärmeverringerung innerhalb eines Wärmezyklus erstarrt die Legierung wieder. Die Wiederholung von Anschmelzen und erneutem Erstarren führt zu einer Störung der Operationscharakteristik, so dass die Betriebsstabilität hinsichtlich eines Wärmezyklus beeinträchtigt wird.
Selbst wenn die Solidustemperatur nicht unter der oberen Temperaturgrenze eines normalen Wärmezyklus liegt, wird ein großer Spielraum, welcher in dem Grenzbereich zwischen verschiedenen Phasen in der Legierungsstruktur entstehen kann, je nach der Duktilität des Sicherungselementes noch vergrößert. Ein solcher Spielraum entsteht als Folge eines Wärmezyklus immer wieder, so dass eine übermäßige Veränderung eines Querschnittes oder eine übermäßige Verlängerung des Sicherungselementes eintritt. Aus dieser Sicht ist die Betriebsstabilität hinsichtlich eines Wärmezyklus oft nicht mehr sichergestellt.
In vielen Fällen wird ein Sicherungselement einer thermischen Sicherung vom Legierungstyp in Form eines länglichen Bauteils verwendet. Um die Größe einer thermischen Sicherung zu verringern und so der neueren Entwicklung Rechnung zu tragen, dass Geräte immer weiter miniaturisiert werden, wird manchmal die Realisierung eines dünnen Sicherungselementes verlangt. Es ist oft erforderlich, dass ein Sicherungselement auf einen kleinen Durchmesser gezogen werden kann (z.B. 400 μmø oder kleiner).
Eine weitere Bedingung, die von einer thermischen Sicherung vom Legierungstyp zu erfüllen ist, ist ein niedriger elektrischer Widerstand. Der Temperaturanstieg eines Sicherungselementes durch Joule'sche Wärme in einem normalen Zustand wird mit ΔT' bezeichnet. Die Betriebstemperatur ist niedriger als in dem Fall, in dem ein solcher Temperaturanstieg nicht auftritt. Da ΔT' höher liegt, ist der Betriebsfehler größer. Um Joule'sche Wärme zu unterdrücken, wird von einem Sicherungselement daher ein niedriger spezifischer Widerstand gefordert. Der Widerstand eines Sicherungselementes ist umgekehrt proportional zu dessen Querschnittsfläche. Daher wird von einem Sicherungselement, um die Anforderung der dünneren Gestaltung zu erfüllen, ein geringerer spezifischer Widerstand gefordert.
Aufgrund des gestiegenen Umweltbewusstseins wird bei neueren Elektrogeräten die Verwendung von gesundheitsschädlichen Materialien eingeschränkt; insbesondere die von Metallen wie z.B. Pb, Cd, Hg und Tl. Auch von einem Sicherungselement für eine thermische Sicherung wird gefordert, dass es kein solches schädliches Metall enthält.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Klassifiziert man thermische Sicherungen vom Legierungstyp nach ihrer Betriebstemperatur, so werden verbreitet thermische Sicherungen mit einer Betriebstemperatur von ca. 150°C verwendet.
Als solche thermischen Sicherungen sind bekannt: eine thermische Sicherung, bei der als Sicherungselement eine Legierung aus 49,8Sn-31,96Pb-18,11Cd zum Einsatz kommt (d.h. eine Gewichtszusammensetzung der Legierung von 49,8% Sn, 31,96% Pb und 18,11% Cd; diese Darstellungsweise einer Legierungszusammensetzung wird in der folgenden Beschreibung verwendet) und die eine Betriebstemperatur von 145°C hat (japanische Offenlegungsschrift Nr. 57-58011), sowie eine solche, bei der als Sicherungselement eine Legierung aus 54Sn-25Pb-21In verwendet wird und die eine Betriebstemperatur von 145°C aufweist (japanische Offenlegungsschrift Nr. 59-8231). Diese thermischen Sicherungen enthalten jedoch schädliche Metalle wie z.B. Cd und Pb und können den oben erwähnten Umweltschutzanforderungen nicht genügen. Eine thermische Sicherung mit einer Betriebstemperatur von 135 bis 145°C, bei der 0,1 bis 5 Gewichtsanteile Ag zu 100 Gewichtsanteilen einer Legierung mit 1-3 Sn und In zum Ausgleich zugesetzt werden, ist ebenfalls bekannt (japanische Offenlegungsschrift Nr. 2002-25404). Das Sicherungselement enthält eine große Menge In, das ein hochreaktives Element ist. Daher reagiert in der Oberfläche der Legierung In mit einem Flussmittel, so dass es in dem Flussmittel gelöst wird, welches das Sicherungselement umgibt. Wenn dies wiederholt wird, ändert sich die Legierungszusammensetzung des Sicherungselementes in Richtung einer Verringerung des In-Gehaltes, und die Wirkung des Flussmittels wird verringert, so dass sich die Betriebsleistung des Sicherungs elementes mit dessen Alter zwangsläufig verändert. Nach Ablauf einer langen Zeit kann man daher nicht mehr sicher sein, dass das Sicherungselement eine vorgegebene Betriebsleistung erbringt.
Von einer Legierung für ein Sicherungselement mit einer Betriebstemperatur von ca. 150°C wird gefordert, dass ihre Liquidustemperatur ca. 150°C beträgt. Es sind verschiedene Legierungen bekannt, welche über die Temperaturanforderung hinaus die Anforderung erfüllen, dass ein Sicherungselement frei von einem schädlichen Metall sein soll. Bei diesen Legierungen ist jedoch die Weite ΔT des oben erwähnten Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region groß, und die oben erwähnten Anforderungen wie etwa die verringerte Streuung der Betriebstemperatur und die Betriebsstabilität hinsichtlich eines Wärmezyklus werden kaum erfüllt. Bei 50Bi-50Sn zum Beispiel beträgt die Liquidustemperatur ca. 154°C, und es ist kein schädliches Metall enthalten. Bei einer Bi-Sn-Legierung ist die Solidustemperatur konstant bzw. liegt bei 139°C, und die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region beträgt nicht weniger als ca. 15°C, so dass die Anforderungen nicht ausreichend erfüllt werden können.
Das US-Patent Nr. 5,833,921 offenbart eine Zusammensetzung eines Elektro-Lots mit einer Legierungszusammensetzung von 43 bis 58 Gew.% Sn, 38 bis 52 Gew.% Bi und wenigstens einem der folgenden: 5 bis 15 Gew.% Sb, 1 bis 4 Gew.% Cu, 2 Gew.% In oder 1 bis 2 Gew.% Ag. Die Legierungszusammensetzung hat eine Schmelztemperatur von 133°C bis 167°C.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermische Sicherung vom Legierungstyp zur Verfügung zu stellen, bei der ein Sicherungselement kein schädliches Metall enthält, die Betriebstemperatur ca. 150°C beträgt, die Streuung der Betriebstemperatur in ausreichendem Maße unterdrückt werden kann und die Betriebsstabilität hinsichtlich eines Wärmezyklus in zufriedenstellendem Umfang sichergestellt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermische Sicherung vom Legierungstyp zur Verfügung zu stellen, wobei zusätzlich zu der Aufgabe der spezifische Widerstand eines Sicherungselementes ausreichend verringert werden kann und mechanische Eigenschaften in zufriedenstellendem Umfang verbessert werden, so dass ein Verfahren zum Erzielen eines dünneren Sicherungselementes, eine hohe Betriebsgenauigkeit sowie die Stabilität der Wärmebeständigkeit hinsichtlich eines Wärmezyklus zufriedenstellend sichergestellt werden können.
Gemäß der Ausführungsform 1 der Erfindung wird eine thermische Sicherung vom Legierungstyp mit einer Drahteinheit als thermisches Sicherungselement zur Verfügung gestellt, wobei die Drahteinheit eine Legierungszusammensetzung von 30 bis 70% Sn, 0,3 bis 20% Sb und Bi zum Ausgleich hat. Gemäß der Ausführungsform 2 der Erfindung wird eine bevorzugte thermische Sicherung vom Legierungstyp mit einer Drahteinheit als thermisches Sicherungselement zur Verfügung gestellt, wobei die Drahteinheit eine Legierungszusammensetzung von 38 bis 50% Sn, 3 bis 9% Sb und Bi zum Ausgleich hat. Gemäß der Ausführungsform 3 der Erfindung werden 0,1 bis 7 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ag, Au, Cu, Ni, Pd und Pt zu 100 Gewichtsanteilen der Legierung in der Zusammensetzung aus Ausführungsform 1 oder 2 zugesetzt.
Gemäß der Ausführungsform 4 der Erfindung ist zusätzlich ein Heizelement zum Abschmelzen des Sicherungselementes vorgesehen.
In allen Ausführungsformen darf die Legierungszusammensetzung unvermeidliche Verunreinigungen enthalten, wie sie bei der Metallherstellung aus Ausgangsstoffen und auch beim Schmelzen und Rühren der Ausgangsstoffe entstehen.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement aus einer Sn-Sb-Bi-Legierung mit einer Liquidustemperatur von ca. 150°C, einer Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region von 7°C oder enger sowie ausreichender Duktilität zu erzielen und auch eine thermische Sicherung vom Legierungstyp zur Verfügung zu stellen, die kein gesundheitsschädliches Metall enthält und daher umweltfreundlich ist und bei der die Streuung der Betriebstemperatur auf ein sehr niedriges Niveau gesenkt werden kann, ein Anschmelzen eines Sicherungselementes in einem Wärmezyklus zuverlässig verhindert werden kann, die ursprüngliche Betriebscharakteristik in zufriedenstellendem Maße beibehalten werden kann und das Sicherungselement auf einfache Weise dünner gestaltet werden kann, so dass die thermische Sicherung ausreichend miniaturisiert werden kann.
Insbesondere gemäß Ausführungsform 3 wird die Verformbarkeit des Sicherungselementes weiter verbessert, der spezifische Widerstand weiter verringert und die Belastungscharakteristik weiter verbessert. Daher können in der thermischen Sicherung vom Legierungstyp eine Miniaturisierung durch die dünnere Gestaltung des Sicherungselementes, eine Verbesserung der Belastbarkeit in einem Wärmezyklus sowie eine weitere Verringerung der Abweichung der Betriebstemperatur durch Joule'sche Wärme des Sicherungselementes wirksam gefördert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht eines Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung vom Legie rungstyp;
2 ist eine Ansicht eines anderen Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung vom Legierungstyp;
3 ist eine Ansicht eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung vom Legierungstyp;
4 ist eine Ansicht wiederum eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung vom Legierungstyp; und
5 ist eine Ansicht wiederum eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung vom Legierungstyp.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Gemäß der Erfindung hat das Sicherungselement aus folgendem Grund eine Legierungszusammensetzung von 30 bis 70% Sn, 0,3 bis 20% Sb und Bi zum Ausgleich: Die Liquidustemperatur wird zunächst in der Nähe von 140°C eingestellt, und die zum Ziehen erforderliche Duktilität wird durch Verwendung von 30 bis 70% Sn und 10 bis 69,7% Bi zur Verfügung gestellt. Die Liquidustemperatur wird dann auf ca. 150°C eingestellt und gleichzeitig die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region durch Verwendung von 0,3% bis 20% Sb auf einen ausreichend niedrigen Wert eingestellt.
Bei mehr als 70% Sn ist die Liquidustemperatur kaum auf ca. 150°C einzustellen. Bei weniger als 30% Sn ist der Bi-Anteil übermäßig hoch, so dass die Duktilität unzureichend und der elektrische Widerstand übermäßig hoch ist.
Wenn Sb zugesetzt wird, wird die Solidustemperatur erhöht, und die Liquidustemperatur der Legierung kann erhöht werden, während die Weite ΔT des Temperarurbereiches der fest-flüssigen Region verringert wird (7°C oder enger), anders als bei der Zusetzung eines metallischen Elementes, die gewöhnlich angewendet wird, um die Liquidustemperatur zu erhöhen und gleichzeitig die Solidustemperatur konstant zu halten. Bei weniger als 0,3% Sb ist die Wirkung der Erhöhung der Solidustemperatur unzureichend. Bei mehr als 20% Sb ist es schwierig, die Liquidustemperatur der Legierung auf ca. 150°C einzustellen.
Eine bevorzugte Legierungszusammensetzung ist 38 bis 50% Sn, 3 bis 9% Sb und Bi zum Ausgleich. In dieser Zusammensetzung kann sowohl die mechanische Festigkeit als auch der geringe elektrische Widerstand in zufriedenstellender Weise sichergestellt werden. Die Vergleichszusammensetzung ist 43% Sn, 6% Sb und 51 % Bi. In der Zusammensetzung beträgt die Liquidustemperatur 148°C, und die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region beträgt 3°C.
Gemäß der Legierungszusammensetzung ist es möglich, eine thermische Sicherung vom Legierungstyp zur Verfügung zu stellen, die kein schädliches Metall wie z.B. Pb, Cd, Hg oder T1 enthält und daher umweltfreundlich ist und bei der die Betriebstemperatur ca. 150°C beträgt, die Streuung der Betriebstemperatur sehr gering ist und eine Störung der Betriebsleistung aufgrund der Wiederholung von nichttrennendem Anschmelzen und Wiedererstarren des Sicherungselementes in einem Wärmezyklus zuverlässig ausgeschlossen werden kann.
Gemäß der Erfindung werden aus folgendem Grund 0,1 bis 7 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren der Metalle aus der Gruppe Ag, Au, Cu, Ni, Pd und Pt zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung zugesetzt. Der spezifische Widerstand der Legierung wird verringert, und die Kristallstruktur wird verfeinert, um den Grenzbereich zwischen verschiedenen Phasen in der Legierung zu verkleinern, wodurch die Prozessbelastung sich gut verteilen lässt, indem die Absorptionsfähigkeit in Bezug auf Belastungen verbessert wird. Wenn die zugesetzte Menge unter 0,1 Gewichtsanteilen liegt, können die Wirkungen nicht in zufriedenstellendem Maße erreicht werden. Wenn die zugesetzte Menge über 7 Gewichtsanteilen liegt, ist es schwierig, die Liquidustemperatur bei ca. 150°C zu halten. Daher wird ein Spielraum in einem Grenzbereich zwischen verschiedenen Phasen in der Legierungsstruktur hinsichtlich thermischer Belastung in einem Wärmezyklus ausreichend unterdrückt, um die Stabilität der Wärmebeständigkeit hinsichtlich eines Wärmezyklus sicherzustellen, und eine ausreichende Zugfestigkeit wird zur Verfügung gestellt, um ein Verfahren zu ermöglichen, bei dem ein dünner Draht mit einem Durchmesser von 300 μmø gezogen wird.
Das Sicherungselement der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung vom Legierungstyp kann mit einem Verfahren hergestellt werden, bei dem ein Vorblock hergestellt, der Vorblock mit einem Extruder zu einem Walzdraht geformt und der Walzdraht mit einem Ziehwerkzeug (dice) zu Draht gezogen wird. Der Außendurchmesser beträgt 200 bis 600 μmø, bevorzugt 250 bis 350 μmø. Der Draht kann zuletzt Kalanderwalzen durchlaufen, damit er als Flachdraht verwendet kann.
Alternativ kann das Sicherungselement in dem Rotationstrommelverfahren (rotary drum spinning method) gefertigt werden, bei dem ein Zylinder, der eine Kühlflüssigkeit enthält, rotiert, die Kühlflüssigkeit schichtartig angeordnet wird und ein Strahl aus geschmolzenem Material, der von einer Düse ausgestoßen wird, in die Schicht aus Kühlflüssigkeit eingeleitet wird, so dass er abkühlt und sich verfestigt, wodurch eine dünne Drahteinheit entsteht.
Die Erfindung kann in Form einer thermischen Sicherung als selbständige Thermo schutzeinrichtung ausgeführt sein. Alternativ kann die Erfindung in der Form ausgeführt sein, dass ein thermisches Sicherungselement in Reihe an eine Halbleitereinrichtung, einen Kondensator oder einen Widerstand angeschlossen wird, auf das Element ein Flussmittel aufgebracht wird, das Sicherungselement mit dem darauf aufgebrachten Flussmittel in die Nähe der Halbleitereinrichtung, des Kondensators oder des Widerstandes gebracht wird und das Sicherungselement mit einer Kunststoffform, einem Gehäuse oder dergleichen zusammen mit der Halbleitereinrichrung, dem Kondensator oder dem Widerstand abgeschlossen wird.
1 zeigt eine bandartige thermische Sicherung vom Legierungstyp gemäß der Erfindung. In der Sicherung sind bandförmige Anschlussleiter 1 mit einer Dicke von 100 bis 200 μm durch ein Klebemittel oder durch Direktbonden (fusion bonding) an einer Kunststoff-Trägerfolie 41 mit einer Dicke zwischen 100 und 300 μm befestigt. Ein Sicherungselement 2 ist zwischen den bandförmigen Anschlussleitern angeschlossen. Das Sicherungselement 2 hat einen Durchmesser von 250 bis 500 μmø, eine Legierungszusammensetzung von 30 bis 70% Sn, 0,3 bis 20% Sb und Bi zum Ausgleich (bevorzugt 38 bis 50% Sn, 3 bis 9% Sb und Bi zum Ausgleich). In dem Sicherungselement 2 werden alternativ 0,1 bis 7 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ag, Au, Cu, Ni, Pd und Pt zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung zugesetzt. Ein Flussmittel 3 wird auf das Sicherungselement 2 aufgebracht. Das Sicherungselement mit dem darauf aufgebrachten Flussmittel wird durch Befestigen einer Kunststoff-Deckfolie 42 von einer Dicke zwischen 100 und 300 μm, durch ein Klebemittel oder durch Direktbonden, versiegelt.
2 zeigt eine Sicherung des Typs mit einem zylindrischen Gehäuse. Ein Sicherungselement 2 ist zwischen einem Paar Anschlussleiter 1 angeschlossen. Das Sicherungselement 2 hat eine Legierungszusammensetzung von 30 bis 70% Sn, 0,3 bis 20% Sb und Bi zum Ausgleich (bevorzugt 38 bis 50% Sn, 3 bis 9% Sb und Bi zum Ausgleich). In dem Sicherungselement 2 werden alternativ 0,1 bis 7 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ag, Au, Cu, Ni, Pd und Pt zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung zugesetzt. Auf das Sicherungselement 2 wird ein Flussmittel 3 aufgebracht. Das Sicherungselement mit dem darauf aufgebrachten Flussmittel wird durch ein isolierendes Rohr 4 mit besonders hoher Wärmebeständigkeit und thermischer Leitfähigkeit geführt, zum Beispiel ein Keramikrohr. Lücken zwischen den Enden des isolierenden Rohres 4 und den Anschlussleitern 1 werden mit einem kalthärtenden Dichtungsmittel 5 wie z.B. einem Epoxidharz abdichtend verschlossen.
3 zeigt eine Sicherung des Typs mit einem radialen Gehäuse. Ein Sicherungselement 2 ist durch Schweißen zwischen Spitzen paralleler Anschlussleiter 1 verbondet. Das Siche rungselement 2 hat eine Legierungszusammensetzung von 30 bis 70% Sn, 0,3 bis 20% Sb und Bi zum Ausgleich (bevorzugt 38 bis 50% Sn, 3 bis 9% Sb und Bi zum Ausgleich). In dem Sicherungselement 2 sind alternativ 0,1 bis 7 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ag, Au, Cu, Ni, Pd und Pt zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung zugesetzt. Auf das Sicherungselement 2 wird ein Flussmittel 3 aufgebracht. Das Sicherungselement mit dem darauf aufgebrachten Flussmittel wird in ein isolierendes Gehäuse 4 mit einem geöffneten Ende eingeschlossen, z.B. ein Keramikgehäuse. Die Öffnung des isolierenden Gehäuses 4 wird mit einem Dichtungsmittel 5 wie z.B. einem Epoxidharz abdichtend verschlossen.
4 zeigt eine Sicherung vom Substrattyp. Auf einem isolierenden Substrat 4 wie z.B. einem keramischen Substrat werden durch Aufdrucken einer leitenden Paste (z.B. Silberpaste) ein Paar Schichtelektroden 1 gebildet. Anschlussleiter 11 sind jeweils durch Schweißen oder Ähnliches an die Elektroden 1 angeschlossen. Ein Sicherungselement 2 ist durch Schweißen zwischen den Elektroden 1 verbondet. Das Sicherungselement 2 hat eine Legierungszusammensetzung von 30 bis 70% Sn, 0,3 bis 20% Sb und Bi zum Ausgleich (bevorzugt 38 bis 50% Sn, 3 bis 9% Sb und Bi zum Ausgleich). In dem Sicherungselement 2 sind alternativ 0,1 bis 7 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren der Metalle aus der Gruppe Ag, Au, Cu, Ni, Pd und Pt zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung zugesetzt. Auf das Sicherungselement 2 wird ein Flussmittel 3 aufgebracht. Das Sicherungselement mit dem darauf aufgebrachten Flussmittel wird mit einem Dichtungsmittel 5 wie z.B. einem Epoxidharz bedeckt.
5 zeigt eine Sicherung des radialen, im Kunstharz-Tauchverfahren gefertigten Typs. Ein Sicherungselement 2 wird durch Schweißen zwischen Spitzen paralleler Anschlussleiter 1 verbondet. Das Sicherungselement 2 hat eine Legierungszusammensetzung von 30 bis 70% Sn, 0,3 bis 20% Sb und Bi zum Ausgleich (bevorzugt 38 bis 50% Sn, 3 bis 9% Sb und Bi zum Ausgleich). In dem Sicherungselement 2 werden alternativ 0,1 bis 7 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren Metallen aus der Gruppe Ag, Au, Cu, Ni, Pd und Pt zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung zugesetzt. Auf das Sicherungselement 2 wird ein Flussmittel 3 aufgebracht. Das Sicherungselement mit dem darauf aufgebrachten Flussmittel wird in eine Kunstharzlösung eingetaucht, damit das Element mit einem isolierenden Dichtungsmittel 5 wie z.B. einem Epoxidharz abgedichtet wird.
Bei der thermischen Sicherung vom Legierungstyp ist bei einer zu vernachlässigenden Joule'schen Wärme des Sicherungselementes die Temperatur Tx der Sicherung, wenn die Temperatur des zu schützenden Gerätes die zulässige Temperatur Tm erreicht, um 2 bis 3°C niedriger als Tm, und der Schmelzpunkt des Sicherungselementes wird gewöhnlich auf [Tm – (2 bis 3°C)] eingestellt.
Bei einer nicht zu vernachlässigenden Joule'schen Wärme gilt dagegen der folgende Ausdruck, wobei R der elektrische Widerstand des Sicherungselementes ist, I der durch das Sicherungselement fließende Strom ist und H der thermische Widerstand zwischen dem Gerät und dem Sicherungselement ist: Tx = Tm – (2 bis 3°C) + HRI2.
Anhand des obigen Ausdrucks kann der Schmelzpunkt des Sicherungselementes eingestellt werden.
Die Erfindung kann in der Form ausgeführt sein, dass zusätzlich auf der thermischen Sicherung vom Legierungstyp ein Heizelement angeordnet wird; z.B. wird zusätzlich durch Aufbringen und Härten von Widerstandspaste (z.B. einer Paste aus Metalloxidpulver wie z.B. Rutheniumoxid) ein Schichtwiderstand angeordnet; eine vorgeschaltete Einrichtung, die eine anormale Wärmeentwicklung eines Gerätes verursacht, wird erkannt; in Reaktion auf ein Signal, das dieses Erkennen anzeigt, wird dem Schichtwiderstand Energie zugeführt, um Wärme zu erzeugen, und das Sicherungselement wird aufgrund der Wärmeerzeugung abgeschmolzen.
In diesem Fall ist das Heizelement auf der Oberseite eines isolierenden Substrates angeordnet, und eine wärmebeständige und thermisch leitende, isolierende Schicht wie zum Beispiel eine gehärtete Glasschicht bildet sich auf dem Heizelement. Es ist ein Elektrodenpaar angeordnet, flache Anschlussleiter werden jeweils an die Elektroden angeschlossen, und das Sicherungselement wird zwischen den Elektroden angeschlossen. Ein Flussmittel bedeckt einen Bereich über dem Sicherungselement und den Spitzen der Anschlussleiter. Eine isolierende Abdeckung wird auf das isolierende Substrat gelegt, und die Peripherie der isolierenden Abdeckung wird mit einem Klebemittel abdichtend an das isolierende Substrat verbondet.
Als Flussmittel wird im Allgemeinen ein Flussmittel mit einem Schmelzpunkt unter dem des Sicherungselementes verwendet. Sinnvoll ist zum Beispiel ein Flussmittel mit 90 bis 60 Gewichtsanteilen Kolophonium, 10 bis 40 Gewichtsanteilen Stearinsäure und 0 bis 3 Gewichtsanteilen eines Aktivierungsmittels. In diesem Fall können als Kolophonium verwendet werden: ein natürliches Kolophonium, ein modifiziertes Kolophonium (zum Beispiel ein hydriertes Kolophonium, ein inhomogenes Kolophonium oder ein polymerisiertes Kolophonium) oder ein daraus gewonnenes, gereinigtes Kolophonium. Als Aktivierungsmittel können verwendet werden: Diethylamin-Hydrochlorid, Diethylamin-Hydrobromid, eine organische Säure wie z.B. Adipinsäure.
Bei jedem der folgenden Beispiele ist die thermische Sicherung vom Substrattyp, hat das Sicherungselement eine Länge von 4 mm, wurde als Flussmittel eine Zusammensetzung von 80 Gewichtsanteilen Kolophonium, 20 Gewichtsanteilen Stearinsäure und 1 Gewichtsanteil Diethylamin-Hydrobromid verwendet und wurde als Abdeckungsmittel ein kalthärtendes Epoxidharz verwendet.
Im Hinblick auf den unter dem Einfluss von Wärmezyklen veränderlichen Widerstand eines Sicherungselementes wurden 50 Probestücke verwendet, und die Beurteilung erfolgte durch Messen einer Veränderung des Widerstandes nach einer Prüfung mit 500 Wärmezyklen, in denen die Probestücke jeweils für 30 Minuten auf 120°C erwärmt und für 30 Minuten auf –40°C abgekühlt wurden.
Während der Verwendung der 50 Probestücke, und während ein Strom von 0,1 A an ihnen anlag, wurden die Probestücke in ein Ölbad eingetaucht, in welchem die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1°C/min. erhöht wurde, und die Betriebstemperatur der thermischen Sicherung wurde anhand der Temperatur des Öls zu dem Zeitpunkt gemessen, zu dem die Stromzufuhr durch das Durchbrennen des Sicherungselementes unterbrochen wurde.
[Beispiel 1]
Ein Ausgangsmaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 43% Sn, 6% Sb und Bi zum Ausgleich wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser von 300 μmø gezogen. Das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug betrug 6,5% und die Ziehgeschwindigkeit 45 m/min. In dem Draht trat kein Bruch auf.
Der spezifische Widerstand des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand 37 Ω·cm betrug.
Die Liquidustemperatur des Drahtes betrug 148°C, und die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region betrug 3°C. Es wurden thermische Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen wurde gemessen. Es ergab sich, dass eine Veränderung des Widerstandes nicht beobachtet wurde und die thermischen Sicherungen stabile Wärmebeständigkeit aufwiesen.
Die Betriebstemperaturen der thermischen Sicherungen betrugen 147°C ± 0,5°C, und die Streuung der Temperatur war sehr gering.
[Beispiel 2]
Ein Ausgangsmaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 43% Sn, 3% Sb und Bi zum Ausgleich wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser von 300 μmø gezogen. Das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug betrug 6,5% und die Ziehgeschwindigkeit 45 m/min. In dem Draht trat kein Bruch auf.
Der spezifische Widerstand des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand 36 Ω·cm betrug.
Die Liquidustemperatur des Drahtes betrug 144°C, und die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region betrug 3°C. Es wurden thermische Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen wurde gemessen. Es ergab sich, dass eine Veränderung des Widerstandes nicht beobachtet wurde und die thermischen Sicherungen stabile Wärmebeständigkeit aufwiesen.
Die Betriebstemperaturen der thermischen Sicherungen betrugen 143°C ± 0,5°C, und die Streuung der Temperatur war sehr gering.
[Beispiel 3]
Ein Ausgangsmaterial mit einer Legierungszusammensetzung von 43% Sn, 9% Sb und Bi zum Ausgleich wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser von 300 μmø gezogen. Das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug betrug 6,5% und die Ziehgeschwindigkeit 45 m/min. In dem Draht trat kein Bruch auf.
Der spezifische Widerstand des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand 39 Ω·cm betrug.
Die Liquidustemperatur des Drahtes betrug 152°C, und die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region betrug 4°C. Es wurden thermische Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen wurde gemessen. Es ergab sich, dass eine Veränderung des Widerstandes nicht beobachtet wurde und die thermischen Sicherungen stabile Wärmebeständigkeit aufwiesen.
Die Betriebstemperaturen der thermischen Sicherungen betrugen 150°C ± 1°C, und die Streuung der Temperatur war sehr gering.
[Beispiele 4 bis 6]
Ausgangsmaterialien mit den in Tabelle 1 aufgelisteten Legierungszusammensetzungen wurden zu Drähten von 300 μmø Durchmesser gezogen. Die Duktilität ist dabei etwas niedrig.
Deshalb wurde ein Ziehvorgang durchgeführt, bei dem das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug auf 4% und die Ziehgeschwindigkeit auf 20 m/min. herabgesetzt war. In den Drähten trat kein Bruch auf.
Die spezifischen Widerstände der Drähte wurden gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand bei allen Drähten 50 μΩ·cm oder weniger betrug, also ausreichend gering war.
Die Liquidustemperaturen sind in Tabelle 1 dargestellt. In allen Beispielen betrug die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region 7°C oder weniger, d.h. sie war ausreichend eng.
Es wurden thermische Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen wurde gemessen. Es ergab sich, dass keine Veränderung des Widerstandes beobachtet wurde, die zu einem ernsten Problem werden könnte.
Tabelle 1
[Beispiele 7 bis 9]
Ausgangsmaterialien mit den in Tabelle 2 aufgelisteten Legierungszusammensetzungen wurden zu Drähten von 300 μmø Durchmesser gezogen. Das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug betrug 6,5% und die Ziehgeschwindigkeit 45 m/min. In den Drähten trat kein Bruch auf.
Die spezifischen Widerstände der Drähte wurden gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand bei allen Drähten 38 μΩ·cm oder weniger betrug, also ausreichend gering war.
Die Liquidustemperaturen sind in Tabelle 2 dargestellt. In allen Beispielen betrug die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region 7°C oder weniger, d.h. sie war ausreichend eng.
Es wurden thermische Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen wurde gemessen. Es ergab sich, dass kei ne Veränderung des Widerstandes beobachtet wurde, die zu einem ernsten Problem werden könnte.
Tabelle 2
[Beispiele 10 bis 12]
Ausgangsmaterialien mit den in Tabelle 3 aufgelisteten Legierungszusammensetzungen wurden zu Drähten von 300 μmø Durchmesser gezogen. Das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug betrug 6,5% und die Ziehgeschwindigkeit 45 m/min. In dem Draht trat kein Bruch auf.
Die spezifischen Widerstände der Drähte wurden gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand bei allen Drähten 30 μΩ·cm oder weniger betrug, also ausreichend gering war.
Die Liquidustemperaturen sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region beträgt 6°C in Beispiel 10, 5°C in Beispiel 11 und 6°C in Beispiel 12. Es wird erwartet, dass die Streuung der Betriebstemperatur ausreichend verringert werden kann.
Es wurden thermische Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen wurde gemessen. Es ergab sich, dass keine Veränderung des Widerstandes beobachtet wurde, die zu einem ernsten Problem werden könnte.
Tabelle 3
[Beispiele 13 bis 15]
Ausgangsmaterialien mit den in Tabelle 4 aufgelisteten Legierungszusammensetzungen wurden zu Drähten von 300 μmø Durchmesser gezogen. Die Duktilität ist dabei etwas niedrig. Deshalb wurde ein Ziehvorgang durchgeführt, bei dem das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug auf 4% und die Ziehgeschwindigkeit auf 20 m/min. herabgesetzt war. In den Drähten trat kein Bruch auf.
Die spezifischen Widerstände der Drähte wurden gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand bei allen Drähten 50 μΩ·cm oder weniger betrug, also ausreichend gering war.
Die Liquidustemperaturen sind in Tabelle 4 dargestellt. In allen Beispielen beträgt die Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region 7°C oder weniger. Es wird erwartet, dass die Streuung der Betriebstemperatur ausreichend verringert werden kann.
Es wurden thermische Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen wurde gemessen. Es ergab sich, dass keine Veränderung des Widerstandes beobachtet wurde, die zu einem ernsten Problem werden könnte.
Tabelle 4
[Beispiel 16]
Ein Ausgangsmaterial mit einer Legierungszusammensetzung, in der 1 Gewichtsanteil Ag zu 100 Gewichtsanteilen einer Legierung aus 38% Sn, 6% Sb und 56% Bi zugesetzt wird, wurde zu einem Draht mit einem Durchmesser von 300 μmø gezogen. Die Verformbarkeit in diesem Beispiel ist der in Beispiel 5 überlegen, und es wurden durch Heraufsetzen des Ziehverhältnisses pro Ziehwerkzeug auf 6,5% und der Ziehgeschwindigkeit auf 45 m/min schwierigere Bedingungen für das Ziehen geschaffen. In dem Draht trat kein Bruch auf. Da die Belastungscharakteristik des Sicherungselementes verbessert wird, wird erwartet, dass die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen verringert wird bzw. verringert wer den kann.
Der spezifische Widerstand des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand in diesem Beispiel in ausreichendem Maße geringer war als der aus Beispiel 5.
Verglichen mit Beispiel 5 waren die Veränderungen der Liquidustemperatur und der Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region gering.
Es bestätigte sich, dass die oben genannten Wirkungen erzielt werden, wenn 0,1 bis 7 Gewichtsanteile Ag zugesetzt werden.
[Beispiele 16 bis 20]
Ausgangsmaterialien mit einer Legierungszusammensetzung, bei der jeweils 1 Gewichtsanteil Au, Cu, Ni, Pd oder Pt zu 100 Gewichtsanteilen einer Legierung aus 38% Sn, 6% Sb und 56% Bi zugesetzt wird, wurden zu Drähten mit einem Durchmesser von 300 μmø gezogen. Bei allen Beispielen ist die Verformbarkeit der aus Beispiel 5 überlegen. Das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug wurde auf 6,5% und die Ziehgeschwindigkeit auf 45 m/min. eingestellt. In keinem der Beispiele 16 bis 20 trat ein Bruch auf. Da die Belastungscharakteristik des Sicherungselementes verbessert wird, wird erwartet, dass die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen verringert wird bzw. verringert werden kann.
Die spezifischen Widerstände aus den Beispielen 16 bis 20 wurden gemessen. Es ergab sich, dass die spezifischen Widerstände in ausreichendem Maße niedriger waren als der aus Beispiel 5.
Im Vergleich mit Beispiel 5 waren die Veränderungen der Liquidustemperatur und der Weite ΔT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region in jedem der Beispiele 16 bis 20 gering.
Es bestätigte sich, dass die oben genannten Wirkungen erzielt werden, wenn 0,1 bis 7 Gewichtsanteile Au Cu, Ni, Pd oder Pt zugesetzt werden.
[Vergleichsbeispiel 1]
Ein Draht wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie in Beispiel 1, allerdings mit einer Legierungszusammensetzung von 50% Bi und 50% Sn. In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand 35 μΩ·cm betrug. Die Liquidustemperatur des Drahtes betrug ca. 154°C, und die Weite AT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region betrug ca. 15°C. Es wurden Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und eine erste Funktionsprüfung wurde durchgeführt. Es ergab sich, dass die Betriebstemperatur zwischen 140°C und 154°C gestreut war und die Streuung der Betriebstemperatur deutlich in Erscheinung trat.
[Vergleichsbeispiel 2]
Es wurde ein Draht auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, allerdings mit einer Legierungszusammensetzung von 2% Sn, 3% Ag und 95% In. In dem Draht trat kein Bruch auf. Der spezifische Widerstand des Drahtes wurde gemessen. Es ergab sich, dass der spezifische Widerstand 10 μΩ·cm betrug. Die Liquidustemperatur des Drahtes betrug ca. 144°C, und die Weite AT des Temperaturbereiches der fest-flüssigen Region betrug ca. 3°C. Es wurden thermische Sicherungen vom Substrat-Typ hergestellt, und die Veränderung des Widerstandes eines Sicherungselementes in Wärmezyklen wurde gemessen. Das Ergebnis war ein Sicherungselement, das am Maximum eine Erhöhung des Widerstandes um 50% oder mehr aufwies. Es wurde eine Betriebstemperaturprüfung durchgeführt. Das Ergebnis war ein Sicherungselement, das auch dann nicht funktionierte, wenn die Temperatur, ausgehend von der anfänglichen Betriebstemperatur (144°C), um 10°C oder mehr erhöht wurde. Die Ursache dieses Phänomens wurde mithilfe der Plasma-Emissionsspektrometrie, der Infrarot-Absorptionsspektrometrie usw. untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Drahtdurchmesser weiter verringert wird, wenn die Legierungszusammensetzung durch Lösen von In in dem Flussmittel variiert wird, und dass die meisten an der Aktivität des Flussmittels beteiligten reaktiven Gruppen In-Salze bilden. Somit wurden die oben erläuterten Befürchtungen bestätigt

Claims

Eine thermische Sicherung vom Legierungstyp mit einer Drahteinheit als Sicherungselement (2), wobei das Drahtelement eine Legierungszusammensetzung mit 30% bis 70% Sn, 0,3% bis 20% Sb und Bi zum Ausgleich aufweist.
Eine thermische Sicherung vom Legierungstyp gemäß Anspruch 1, wobei das Drahtelement eine Legierungszusammensetzung mit 38% bis 50% Sn, 3% bis 9% Sb und Bi zum Ausgleich aufweist.
Eine thermische Sicherung vom Legierungstyp gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei 0,1 bis 7 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren Metallen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Ag, Au, Cu, Ni, Pd und Pt umfasst, auf 100 Gewichtsanteile der Zusammensetzung ergänzt werden.
Eine thermische Sicherung vom Legierungstyp gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Heizelement zum Schmelzen des Sicherungselements zusätzlich angeordnet ist.