DE60309118T2

DE60309118T2 - Thermische Legierungsschmelzsicherung und Draht für ein Sicherungselement

Info

Publication number: DE60309118T2
Application number: DE60309118T
Authority: DE
Inventors: c/o Uchihashi Estec Co. Yoshiaki Osaka-shi Tanaka; Uchihashi Estec Co. Toshiaki Osaka-shi Saruwatari
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2007-05-31
Also published as: DE60309118T8; DE60309118D1; JP2004152558A; CN1494101A; EP1416508B1; CN100390919C; US7042327B2; US20040085178A1; EP1416508A1; JP4230194B2

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Sicherung des Legierungstyps mit einer Betriebstemperatur von ca. 130 bis 170°C sowie ein Drahtelement für ein solches thermisches Sicherungselement.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps findet verbreitet Verwendung als Thermoschutzeinrichtung für ein Elektrogerät oder ein Schaltungselement, zum Beispiel eine Halbleitereinrichtung, einen Kondensator oder einen Widerstand.
Eine solche thermische Sicherung des Legierungstyps hat eine Konfiguration, bei der eine Legierung mit einem vorgegebenen Schmelzpunkt als Sicherungselement verwendet wird, das Sicherungselement zwischen einem Paar Anschlussleiter [lead conductors] verbondet ("verbunden") wird, ein Flussmittel auf das Sicherungselement aufgetragen wird und das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement mit einem Isolator versiegelt wird.
Die thermische Sicherung des Legierungstyps hat folgende Funktionsweise.
Die thermische Sicherung des Legierungstyps 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 der thermischen Sicherung zum Schmelzen, und die geschmolzene Legierung wird getrennt und sphäroidisiert, und zwar aufgrund der Benetzbarkeit hinsichtlich der Anschlussleiter oder Elektroden bei gleichzeitigem Vorhandensein des aktivierten Flussmittels, das bereits geschmolzen ist. Schließlich wird die Stromzufuhr infolge des Fortschreitens der Trennung und Sphäroidisierung unterbrochen. Durch die Unterbrechung der Stromzufuhr wird die Temperatur des Gerätes gesenkt, und die getrennten, geschmolzenen Legierungen erstarren, womit der nicht-rückstellende Abschaltvorgang beendet ist. Daher ist die Trenntemperatur der Legierung des Sicherungselementes so einzustellen, dass sie im Wesentlichen gleich der zulässigen Temperatur eines Elektrogerätes oder dergleichen ist.
Von einer thermischen Sicherung des Legierungstyps mit diesem Funktionsmechanismus wird bekanntlich verlangt, dass sie ein Überlast- und ein dielektrisches Durchschlagverhalten aufweist.
Das Überlastverhalten bezeichnet eine externe Stabilität, bei der selbst dann, wenn eine thermi sche Sicherung unter erhöhter Umgebungstemperatur in einem Zustand betrieben wird, bei dem ein Strom und eine Spannung eines bestimmten Grades an der thermischen Sicherung anliegen, die Sicherung nicht beschädigt wird und keinen Lichtbogen, keine Flamme oder dergleichen erzeugt, so dass das Auftreten eines gefährlichen Zustandes verhindert wird. Das dielektrische Durchschlagverhalten bezeichnet eine Isolationsstabilität, bei der eine thermische Sicherung beim Betrieb selbst bei einer bestimmten, hohen Spannung kein dielektrisches Durchschlagen hervorruft und die Isolation aufrechterhalten werden kann.
In der IEC- (International Electrotechnical Commission)- Norm 60691, bei der es sich um eine typische Norm handelt, ist ein Verfahren zur Beurteilung des Überlastverhaltens und des dielektrischen Durchschlagverhaltens folgendermaßen festgelegt. Wenn, während an einer thermischen Sicherung eine Nennspannung × 1,1 und eine Nennstromstärke × 1,1 anliegen, die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 2 ± 1 K/min erhöht wird, um den Betrieb (das Auslösen) der thermischen Sicherung zu bewirken, erzeugt die thermische Sicherung keinen Lichtbogen, keine Flamme oder dergleichen, so dass das Eintreten eines gefährlichen Zustandes verhindert wird. Nach dem Betrieb der thermischen Sicherung kommt es auch dann nicht zu einer Entladung oder zum dielektrischen Durchschlagen, wenn zwischen einer um den Sicherungskörper gewickelten Metallfolie und Anschlussleitern 1 min lang eine Spannung von (der Nennspannung × 2 + 1000 V) anliegt und auch wenn zwischen den Anschlussleitern 1 min lang eine Spannung in Höhe der Nennspannung × 2 anliegt.
Als weitere Anforderung an eine thermische Sicherung des Legierungstyps besteht aufgrund des in letzter Zeit gewachsenen Umweltbewusstseins eine steigende Tendenz, die Verwendung gesundheitsschädlicher Stoffe zu verbieten. Auch von einem Sicherungselement für eine solche thermische Sicherung wird verlangt, dass es kein gesundheitsschädliches Material enthält.
Außerdem werden von einer thermischen Sicherung des Legierungstyps erhöhte Kapazität und verringerte Größe verlangt, damit der erhöhten Geschwindigkeit, der gestiegenen Zahl von Funktionen sowie der Miniaturisierung eines elektronischen Gerätes Rechnung getragen wird.
Als thermische Sicherung des Legierungstyps, bei der die Betriebstemperatur im Bereich von ca. 130 bis 170°C liegt, sind herkömmlicherweise bekannt: eine Sicherung aus einer ternären In-Pb-Sn-Legierung (beispielsweise die japanischen Patent-Offenlegungsschriften Nr. 11-73869, Nr. 59-8231 und Nr. 3-236130), eine solche aus einer ternären Sn-Pb-Cd-Legierung, eine solche aus einer binären Bi-Sn-Legierung (beispielsweise die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-25405) und ähnliche.
Die beiden vorgenannten Sicherungen enthalten jedoch Metalle, die für das ökologische System schädlich sind, wie z.B. Blei und Kadmium, und entsprechen daher nicht den strengen Umweltvorschriften der letzten Zeit.
Eine Sicherung aus einer binären Bi-Sn-Legierung hat demgegenüber eine enge festflüssige Region und enthält eine große Menge Bi, so dass die Oberflächenspannung der Sicherung tendenziell hoch ist. Eine solche Sicherung hat daher folgendes Überlastverhalten und dielektrische Durchschlagverhalten. Aufgrund der engen fest-flüssigen Region kann die Legierung bei der Zufuhr von Strom und beim Temperaturanstieg plötzlich von der festen Phase in die flüssige Phase wechseln, so dass unmittelbar nach dem Betrieb leicht ein Lichtbogen entstehen kann. Wenn ein Lichtbogen erzeugt wird, kommt es zu einem lokalen und plötzlichen Temperaturanstieg. Infolgedessen verdampft das Flussmittel, was zu höherem Innendruck führt, oder das Flussmittel verkohlt. Darüber hinaus führt die hohe Oberflächenspannung auch dazu, dass die geschmolzene Legierung oder das verkohlte Flussmittel infolge einer Zufuhr von Strom stark verstreut wird. Daher kommt es während des Betriebes leicht zu physischer Zerstörung wie etwa der Entstehung von Rissen aufgrund eines lokalen und plötzlichen Temperaturanstiegs, eines Anstiegs des Innendrucks oder einer erneuten Leitung zwischen verkohlten Flussmittelteilen. Außerdem wird durch die verstreute Legierung oder das verkohlte Flussmittel der Isolierabstand verkürzt, so dass es beim Anlegen einer Spannung nach einem Betrieb leicht zu dielektrischem Durchschlagen infolge erneuten Leitens kommen kann. Darüber hinaus ist die Legierungsstruktur etwas schwach und weist nur geringe Duktilität auf. Daher lässt sich die Legierung kaum auf einen dünnen Durchmesser von beispielsweise 200 μm⌀ bringen und erfüllt somit nicht die Anforderung einer dünner gestalteten thermischen Sicherung.
Eine ternäre Sn-In-Bi-Legierung enthält kein ökologisch schädliches Metall und genügt somit dem Umweltschutz.
Herkömmlicherweise sind verschiedene thermische Sicherungen des Legierungstyps vorgeschlagen worden, bei denen eine ternäre Sn-In-Bi-Legierung als Sicherungselement verwendet wird.
Beispielsweise sind bekannt: eine Sicherung, die eine Legierungszusammensetzung von 42 bis 53% In, 40 bis 46% Sn und 7 bis 12% Bi aufweist und bei welcher die Betriebstemperatur 95 bis 105°C beträgt (japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2001-266724), eine solche, die eine Legierungszusammensetzung von 55 bis 72,5% In, 2,5 bis 10% Sn und 25 bis 35% Bi aufweist und bei welcher die Betriebstemperatur 65 bis 75°C beträgt (japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2001-291459), eine solche, die eine Legierungszusammensetzung von 51 bis 53% In, 42 bis 44% Sn und 4 bis 6% Bi aufweist und bei welcher die Betriebstemperatur 107 bis 113°C beträgt (japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 59-8229), eine solche, die eine Legierungszusammensetzung von 1 bis 15% Sn, 20 bis 33% Bi und In zum Ausgleich aufweist und bei welcher die Betriebstemperatur 75 bis 100°C beträgt (japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2001-325867), und eine solche, die eine Legierungszusammensetzung von 0,3 bis 1,5% Sn, 51 bis 54% In und Bi zum Ausgleich aufweist und bei welcher die Betriebstemperatur 86 bis 89°C beträgt (japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 6-325670).
Alle vorgeschlagenen Sicherungen haben jedoch eine Betriebstemperatur, die unter 130°C liegt und die Anforderung einer Betriebstemperatur von 130 bis 170°C nicht erfüllen kann.
Eine Sicherung, die eine Legierungszusammensetzung von 0,5 bis 10% In, 33 bis 43% Sn und 47 bis 66,5% Bi aufweist und bei welcher die Betriebstemperatur 125 bis 135°C beträgt, ist ebenfalls bekannt (japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2001-266723). Hinsichtlich des Bereiches von über 135°C und nicht mehr als 170°C kann die Sicherung jedoch nicht die Anforderung erfüllen, dass die Betriebstemperatur 130 bis 170°C beträgt.
Des Weiteren ist eine Zusammensetzung eines Elektro-Lots aus der US-5-833,921 bekannt, in der ein bleifreies Lot beschrieben wird, das einen Schmelzpunkt unter ca. 170°C aufweist, wodurch es für Anwendungen zweckmäßig wird, bei denen Bauteile miteinander verbunden werden, welche thermoplastische Stoffe enthalten. Ein solches Lot enthält 43,0–58,0% Sn, 38–52% Bi und wenigstens einen von folgenden Bestandteilen: 5–15% Sb, 1–4% Cu, 2% In und 1–2% Ag.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermische Sicherung des Legierungstyps zur Verfügung zu stellen, in welcher eine ternäre Sn-In-Bi-Legierung verwendet wird, die Betriebstemperatur im Bereich von 130 bis 170°C liegt, das Überlastverhalten und das dielektrische Durchschlagverhalten nach einem Betrieb ausreichend gewährleistet werden können und eine dünnere Gestaltung eines Sicherungselementes leicht realisiert werden kann, sowie außerdem eine Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermische Sicherung des Legierungstyps zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Kapazität leicht erhöht werden kann, indem der spezifische Widerstand eines Sicherungselementes gesenkt wird, sowie außerdem eine Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement.
Diese Aufgabe wird durch eine thermische Sicherung des Legierungstyps gemäß Anspruch 1 erfüllt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der Erfindung weist eine Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement eine Legierungszusammensetzung auf, in welcher Sn mehr als 43% und 70% oder weniger beträgt, In 0,5% oder mehr und 10% oder weniger beträgt und Bi zum Ausgleich enthalten ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der Erfindung weist eine Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement eine Legierungszusammensetzung auf, in der 0,1 bis 3,5 Ge wichtsanteile von einem, zwei oder mehr Elementen aus der Gruppe aus Ag, Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Ga, Ge und P zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung zugesetzt werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel 4 der Erfindung enthält das Sicherungselement unvermeidliche Verunreinigungen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel 5 der Erfindung weist eine thermische Sicherung des Legierungstyps eine Konfiguration auf, in welcher das Sicherungselement zwischen Anschlussleitern angeschlossen ist und wenigstens ein Bereich jedes der Anschlussleiter, der mit dem Sicherungselement verbondet ist, mit einem Film aus Sn oder Ag bedeckt ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel 6 der Erfindung weist eine thermische Sicherung des Legierungstyps eine Konfiguration auf, in welcher Anschlussleiter jeweils mit Enden des Sicherungselementes verbondet werden, ein Flussmittel auf das Sicherungselement aufgetragen wird, das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement durch ein zylindrisches Gehäuse hindurchgeführt wird und Spalten zwischen Enden des zylindrischen Gehäuses und den Anschlussleitern dicht verschlossen werden, Enden der Anschlussleiter eine scheibenartige Form haben und Enden des Sicherungselementes mit vorderen Flächen der Scheibe verbondet werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel 7 der Erfindung weist eine thermische Sicherung des Legierungstyps eine Konfiguration auf, in welcher ein Paar Filmelektroden auf einem Substrat gebildet werden, indem eine leitende Paste aufgedruckt wird, welche metallische Partikel und ein Bindemittel ("Binder") enthält, und das Sicherungselement zwischen den Filmelektroden angeschlossen wird und die metallischen Partikel aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe aus Ag, Ag-Pd, Ag-Pt, Au, Ni und Cu ausgewählt wird.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel 8 der Erfindung wird in der thermischen Sicherung des Legierungstyps zusätzlich ein Heizelement zum Schmelzen des Sicherungselementes angeordnet.
Die Drahteinheiten für ein thermisches Sicherungselement gemäß den Ausführungsbeispielen dürfen unvermeidliche Verunreinigungen enthalten, wie sie bei der Metallherstellung aus Ausgangsstoffen und auch beim Schmelzen und Rühren der Ausgangsstoffe entstehen und die in einer Menge vorliegen, durch welche die Eigenschaften nicht wesentlich beeinflusst werden. Bei den thermischen Sicherungen des Legierungstyps gemäß den Ausführungsbeispielen kommt es unvermeidlich dazu, dass eine winzige Menge eines Metallstoffes oder eines metallischen Schichtstoffes der Anschlussleiter oder der Filmelektroden durch Festphasendiffusion in das Sicherungselement einwandert und in Form von unvermeidlichen Verunreinigungen vorliegen darf, sofern die Eigenschaften dadurch nicht wesentlich beeinflusst werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel 9 der Erfindung liegt eine Temperatur des Sicherungselementes bei Betrieb um 9°C oder mehr unter einer Verflüssigungstemperatur (Liquidustemperatur) eines Sicherungselementes. Bei einer thermischen Sicherung des Legierungstyps gemäß dem Ausführungsbeispiel 10 der Erfindung liegt eine Betriebstemperatur im Bereich von 130 bis 170°C und um 6°C oder mehr unter einer Verflüssigungstemperatur eines Sicherungselementes.
Entsprechend der Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement gemäß der Erfindung ist es möglich, eine thermische Sicherung des Legierungstyps zur Verfügung zu stellen, bei welcher eine ternäre Sn-In-Bi-Legierung verwendet wird, die kein ökologisch schädliches Metall enthält, bei welcher die Betriebstemperatur im Bereich von 130 bis 170°C liegt, bei welcher keine Zerstörung erfolgt, selbst wenn die Sicherung unter Anwendung einer Überlast betrieben wird, und bei welcher die Isolationsstabilität nach einem Betrieb ausreichend sichergestellt werden kann. Aufgrund des niedrigen spezifischen Widerstandes des Sicherungselementes kann die thermische Sicherung des Legierungstyps sogar unter starker Stromlast bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur betrieben werden, und die Kapazität der thermischen Sicherung des Legierungstyps kann erhöht werden. Da die Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement hohe Ziehbarkeit aufweist, kann das Sicherungselement leicht dünner gestaltet werden. Daher eignet sich die Drahteinheit für die Miniaturisierung und dünnere Gestaltung einer thermischen Sicherung.
Insbesondere gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 lässt sich die Ziehbarkeit des Sicherungselementes weiter verbessern und der spezifische Widerstand weiter verringern, wodurch sich eine weitere Miniaturisierung und dünnere Gestaltung der thermischen Sicherung des Legierungstyps erreichen lässt. Sogar in dem Fall, dass eine thermische Sicherung so konfiguriert wird, dass ein Sicherungselement mit einer Drahteinheit verbondet wird, wodurch die Eigenschaften wesentlich beeinflusst werden können, lässt sich ein normales Funktionieren ohne Einschränkung der Funktion des Sicherungselementes sicherstellen.
Bei den thermischen Sicherungen des Legierungstyps gemäß den Ausführungsbeispielen 9 und 10 kann, da die Temperatur des Elementes im Betrieb so eingestellt wird, dass sie viel niedriger liegt als die Verflüssigungstemperatur des Elementes, die Trennung des Elementes in einer breiten fest-flüssigen Region erfolgen, das Auftreten eines Lichtbogens unmittelbar nach einem Betrieb zufriedenstellend unterdrückt werden, das Auftreten eines lokalen und plötzlichen Temperaturanstiegs ausreichend verhindert werden, ein Anstieg des Drucks infolge des Verdampfens des Flussmittels durch den Temperaturanstieg und das Verkohlen des Flussmittels unterdrückt werden und der Isolierabstand ausreichend sichergestellt werden. Infolgedessen ist es auch bei einer anderen Legierung als der ternären Sn-In-Bi-Legierung möglich, ein ausgezeichnetes Überlastverhalten und dielektrisches Durchschlagverhalten nach einem Betrieb sicherzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht eines Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung des Legierungstyps;
2 ist eine Ansicht eines anderen Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung des Legierungstyps;
3 ist eine Ansicht eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung des Legierungstyps;
4 ist eine Ansicht wiederum eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung des Legierungstyps;
5 ist eine Ansicht wiederum eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung des Legierungstyps;
6 ist eine Ansicht wiederum eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung des Legierungstyps;
7 ist eine Ansicht einer thermischen Sicherung des Legierungstyps von der Art mit einem zylindrischen Gehäuse sowie ihres Betriebszustandes, und
8 ist eine Ansicht wiederum eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung des Legierungstyps.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Erfindungsgemäß wird ein Sicherungselement aus Runddraht oder Flachdraht verwendet. Der Außendurchmesser bzw. die Dicke werden auf 200 bis 500 μm, bevorzugt auf 250 bis 350 μm eingestellt.
Das erfindungsgemäße Sicherungselement hat eine Legierungszusammensetzung von 43% < Gewicht von Sn ≤ 70%, 0,5% ≤ Gewicht von In ≤ 10% und Bi zum Ausgleich (20 bis 56,5%), bevorzugt 47% ≤ Gewicht von Sn ≤ 51%, 1,0% ≤ Gewicht von In ≤ 4% und Bi zum Ausgleich. Die Referenzzusammensetzung ist 48% Sn, 2% In und Bi zum Ausgleich. Die Verflüssigungstemperatur beträgt 152°C, die Solidustemperatur beträgt 124°C, und der spezifische Widerstand ist 34 μΩ·cm.
Die oben angegebenen Gewichte für Sn (über 43% und nicht über 70%) und Bi (20% oder darüber und 56,5% oder darunter) führen zu einem Schmelzpunkt im Bereich von 175°C und sorgen für eine Duktilität, die zum Ziehen eines dünnen Drahtes ausreicht. Durch die Menge an In (0,5% oder darüber und 10% oder darunter) wird der Schmelzpunkt so eingestellt, dass er innerhalb der fest-flüssigen Region von 128 bis 168°C liegt. Ist die Menge an In größer als 10%, so ist die Duktilität so gering, dass ein Ziehen zu einem dünnen Draht von 250 bis 300 μm⌀ kaum mehr durchzuführen ist, und zwar aus folgendem Grund: Wenn In in ein Gemisch in einer Bi-Phase (α-Phase) gelangt, welches außerdem in Sn sowie In und einer Sn-Phase (γ-Phase) nahezu unlöslich ist, werden die α-Phase und eine intermetallische Sn-In-Verbindungsphase [δ-Phase ... InSn, τ-Phase ... InSn₄] abgeschieden, welche hart und spröde sind, so dass der Unterschied in den mechanischen Eigenschaften der Phasen vergrößert wird, wodurch die Verformbarkeit verringert wird. Wenn die Menge an In kleiner als 0,5% ist, sind der Isolationswiderstand und das dielektrische Durchschlagverhalten nach einem Betrieb der thermischen Sicherung (eine Beschreibung hierzu folgt unten) kaum sicherzustellen.
Erfindungsgemäß werden 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehr Bestandteilen aus der Gruppe Ag, Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Ga, Ge und P zu 100 Gewichtsanteilen der Legierungszusammensetzung zugesetzt, um den spezifischen Widerstand der Legierung zu verringern und auch um die Kristallstruktur zu miniaturisieren, damit der Grenzbereich zwischen verschiedenen Phasen in der Legierung verringert wird, so dass der Verzug durch Umformung [work distortion] und Spannungen ausreichend verteilt werden. Bei weniger als 0,1 Gewichtsanteilen lassen sich keine zufriedenstellenden Wirkungen erzielen, und bei mehr als 3,5 Gewichtsanteilen ist es schwierig, die Verflüssigungstemperatur bei ca. 170°C zu halten.
Hinsichtlich eines Ziehverfahrens werden weiter verbesserte Festigkeit und Duktilität zur Verfügung gestellt, so dass ein Ziehen zu einem dünnen Draht von 250 bis 300 μm⌀ viel einfacher zu bewerkstelligen ist. Es ist bekannt, dass ein zu verbondendes Material wie etwa ein metallisches Material der Anschlussleiter, ein Dünnschichtmaterial oder ein in Form von Teilchen vorliegendes metallisches Material in den Filmelektroden durch Festphasendiffusion in das Sicherungselement einwandert. Wird zuvor dasselbe Element wie das zu verbondende Material, wie etwa Ag, Au, Cu oder Ni, dem Sicherungselement zugesetzt, so kann die Wanderung unterdrückt werden. Somit wird ein Einfluss des zu verbondenden Materials unterbunden, der sich sonst auf die Eigenschaften auswirken könnte (zum Beispiel bewirkt Ag, Au oder dergleichen eine Verringerung oder Streuung der Betriebstemperatur aufgrund des gesenkten Schmelzpunktes, und Cu, Ni oder dergleichen bewirkt eine Streuung der Betriebstemperatur oder einen Funktionsausfall aufgrund einer vergrößerten intermetallischen Verbindungsschicht, die sich im Grenzbereich zwischen unterschiedlichen Phasen bildet), und es kann sichergestellt werden, dass die thermische Sicherung normal funktioniert, ohne dass die Funktion des Sicherungselementes beein trächtigt würde.
Das Sicherungselement der thermischen Sicherung des Legierungstyps gemäß der Erfindung kann auf gewöhnliche Weise in 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 μm⌀, bevorzugt 250 bis 350 μm⌀, wie oben beschrieben. Der Draht kann zuletzt Kalanderwalzen durchlaufen, damit er als Flachdraht verwendet kann.
Alternativ kann das Sicherungselement in dem Rotationstrommelspinnverfahren (rotary drum spinning method) gefertigt werden, bei dem ein Zylinder, der eine Kühlflüssigkeit enthält, rotiert, die Kühlflüssigkeit durch eine Rotations-Zentrifugalkraft 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.
In der Produktion darf die Legierungszusammensetzung unvermeidliche Verunreinigungen enthalten, wie sie bei der Metallherstellung aus Ausgangsstoffen und auch beim Schmelzen und Rühren der Ausgangsstoffe entstehen.
Die Erfindung kann in Form einer thermischen Sicherung ausgeführt sein, die als unabhängige Thermoschutzeinrichtung dient. 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 aufgetragen wird, das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement in die Nähe der Halbleitereinrichtung, des Kondensators oder des Widerstandes gebracht wird und das Sicherungselement mittels einer Kunststoffform, eines Gehäuses oder dergleichen zusammen mit der Halbleitereinrichtung, dem Kondensator oder dem Widerstand dicht abgeschlossen wird.
1 zeigt eine erfindungsgemäße thermische Sicherung des Legierungstyps von der Art mit einem zylindrischen Gehäuse. Ein Sicherungselement 2 aus einer Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement gemäß Anspruch 1 oder 2 wird, beispielsweise durch Schweißen, zwischen einem Paar Anschlussleiter 1 angeschlossen. Ein Flussmittel 3 wird auf das Sicherungselement 2 aufgetragen. Das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement wird durch ein isolierendes Rohr 4 mit besonders hoher Wärmebeständigkeit und thermischer Leitfähigkeit geführt, zum Beispiel ein Keramikrohr. Spalten zwischen den Enden des isolierenden Rohres 4 und den Anschlussleitern 1 werden mit einem Dichtungsmittel 5 wie z.B. einem kalthärtenden Epoxidharz abdichtend verschlossen.
2 zeigt eine Sicherung des Typs mit einem radialen Gehäuse. Ein Sicherungselement 2 aus einer Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement gemäß Anspruch 1 oder 2 wird, beispielsweise durch Schweißen, zwischen Spitzen paralleler Anschlussleiter 1 verbondet. Ein Flussmittel 3 wird auf das Sicherungselement 2 aufgetragen. Das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement wird mit einem isolierenden Gehäuse 4 mit einem geöffneten Ende verschlossen, z.B. einem Keramikgehäuse. Die Öffnung des isolierenden Gehäuses 4 wird mit einem Dichtungsmittel 5 wie etwa einem kalthärtenden Epoxidharz dicht verschlossen.
3 zeigt eine bandartige Sicherung. In der Sicherung sind bandförmige Anschlussleiter 1 mit einer Dicke von 100 bis 200 μm, beispielsweise durch ein Klebemittel oder durch Schmelzbonden (fusion bonding), an einer Kunststoff Trägerfolie 41 mit einer Dicke von 100 bis 300 μm befestigt. Ein Sicherungselement 2 aus einer Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement gemäß Anspruch 1 oder 2 mit einem Durchmesser von 250 bis 500 μm⌀ wird, beispielsweise durch Schweißen, zwischen den bandförmigen Anschlussleitern angeschlossen. Ein Flussmittel 3 wird auf das Sicherungselement 2 aufgetragen. Das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement wird durch Befestigen einer Kunststoff-Deckfolie 42 mit einer Dicke von 100 bis 300 μm, beispielsweise durch ein Klebemittel oder durch Direktbonden, versiegelt.
4 zeigt eine Sicherung des radialen, im Kunstharz-Tauchverfahren gefertigten Typs. Ein Sicherungselement 2 aus einer Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement gemäß Anspruch 1 oder 2 wird, beispielsweise durch Schweißen, zwischen Spitzen paralleler Anschlussleiter 1 verbondet. Auf das Sicherungselement 2 wird ein Flussmittel 3 aufgetragen. Das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement wird in eine Kunstharzlösung eingetaucht, so dass das Element mit einem isolierenden Dichtungsmittel wie z.B. einem Epoxidharz 5 abgedichtet wird.
5 zeigt eine Sicherung vom Substrattyp. Auf einem isolierenden Substrat 4 wie z.B. einem keramischen Substrat wird durch Aufdrucken einer leitenden Paste ein Paar Filmelektroden 1 gebildet. Anschlussleiter 11 werden jeweils, beispielsweise durch Schweißen oder Löten, an die Elektroden 1 angeschlossen. Ein Sicherungselement 2 aus einer Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement gemäß Anspruch 1 oder 2 wird zwischen den Elektroden 1 verbondet, beispielsweise durch Schweißen. Auf das Sicherungselement 2 wird ein Flussmittel 3 aufgetragen. Das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement wird mit einem Dichtungsmittel 5 wie z.B. einem Epoxidharz bedeckt. Die leitende Paste enthält Metallpartikel und ein Bindemittel. Zum Beispiel können als Metallpartikel Ag, Ag-Pd, Ag-Pt, Au, Ni oder Cu verwendet werden und als Bindemittel ein Material verwendet werden, das eine Glasfritte, ein hitzehärtbares Kunstharz und ähnliches enthält.
Bei den thermischen Sicherungen des Legierungstyps ist bei einer zu vernachlässigenden Joule'schen Wärme des Sicherungselementes die Temperatur Tx des Sicherungselementes, 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 des Sicherungselementes 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.
Erfindungsgemäß ist der spezifische Widerstand niedrig, und R kann auf einen ausreichend niedrigen Wert eingestellt werden. Selbst bei hoher Stromstärke kann daher der Schmelzpunkt des Sicherungselementes auf [Tm – (2 bis 3°C)] eingestellt werden, so dass die Kapazität der thermischen Sicherung auf einfache Weise erhöht werden kann.
Die Erfindung kann in der Form ausgeführt sein, dass zusätzlich auf der thermischen Sicherung des Legierungstyps ein Heizelement zum Schmelzen des Sicherungselementes angeordnet ist. Zum Beispiel wird, wie in 6 gezeigt, eine Leiterstruktur 100 mit Sicherungselement-Elektroden 1 und Widerstandselektroden 10 auf dem isolierenden Substrat 4, wie etwa einem keramischen Substrat, durch Aufdrucken einer leitenden Paste gebildet, und ein Filmwiderstand 6 wird durch Aufbringen und Härten von Widerstandspaste (z.B. einer Paste aus Metalloxidpulver wie z.B. Rutheniumoxid) zwischen den Widerstandselektroden 10 angeordnet. Ein Sicherungselement 2 aus einer Drahteinheit für ein thermisches Sicherungselement gemäß Anspruch 1 oder 2 wird, z.B. durch Schweißen, zwischen den Elektroden 1 verbondet. Auf das Sicherungselement 2 wird ein Flussmittel 3 aufgetragen. Das mit dem Flussmittel versehene Sicherungselement 2 und der Filmwiderstand 6 werden mit einem Dichtungsmittel 5 wie etwa einem Epoxidharz bedeckt.
Bei der Sicherung mit einem elektrischen Heizelement wird eine vorgeschaltete Einrichtung, die eine anormale Wärmeentwicklung eines Gerätes verursacht, erkannt; in Reaktion auf ein Signal, das dieses Erkennen anzeigt, wird dem Filmwiderstand Strom zugeführt, um Wärme zu erzeugen, und das Sicherungselement wird durch die Wärmeerzeugung geschmolzen.
Das Heizelement kann auf der Oberseite eines isolierenden Substrates angeordnet sein. Auf dem Heizelement bildet sich eine wärmebeständige und thermisch leitende, isolierende Schicht wie zum Beispiel eine gehärtete Glasschicht. 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 gebracht, und die Peripherie der isolierenden Abdeckung wird mittels eines Klebemittels abdichtend mit dem isolierenden Substrat verbondet.
Unter den thermischen Sicherungen des Legierungstyps können diejenigen von der Art, bei welcher das Sicherungselement direkt an die Anschlussleiter verbondet ist (1, 2, 3 und 4), folgendermaßen konfiguriert werden. Wenigstens Bereiche der Anschlussleiter, mit denen das Sicherungselement verbondet ist, werden (durch Galvanisieren oder dergleichen) mit einem dünnen Film aus Sn oder Ag bedeckt (der eine Dicke von beispielsweise 15 μm oder weniger, bevorzugt 5 bis 10 μm, aufweist), wodurch die Festigkeit der Verbondung hinsichtlich des Sicherungselementes erhöht wird.
Bei den thermischen Sicherungen des Legierungstyps besteht die Möglichkeit, dass ein metallisches Material, ein Dünnschichtmaterial in den Anschlussleitern oder ein metallisches Material in Teilchenform in den Filmelektroden durch Festphasendiffusion in das Sicherungselement einwandert. Wie oben beschrieben, können jedoch die Eigenschaften des Sicherungselementes in ausreichendem Maße beibehalten werden, indem zuvor dasselbe Element wie das Dünnschichtmaterial dem Sicherungselement zugesetzt wird.
Als Flussmittel wird im Allgemeinen ein Flussmittel mit einem Schmelzpunkt unter dem des Sicherungselementes verwendet. Zweckmäßig 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 gereinigtes Kolophonium daraus. Als Aktivierungsmittel kann Hydrochlorid oder Hydrobromid eines Amines wie etwa Diethylamin oder eine organische Säure wie etwa Adipinsäure verwendet werden.
Wie oben beschrieben, hat die thermische Sicherung des Legierungstyps eine Funktionsweise, bei der das Sicherungselement geschmolzen wird und die geschmolzene Legierung aufgrund der Benetzbarkeit hinsichtlich der Anschlussleiter oder der Filmelektroden bei gleichzeitigem Vorhandensein des aktivierten, geschmolzenen Flussmittels getrennt wird.
Erstellt man das Verflüssigungsphasendiagramm einer ternären Sn-In-Bi-Legierung, so liegt ein Temperaturbereich mit einer gewünschten Verflüssigungstemperatur im In-armen Bereich. Intensive Untersuchungen der Erfinder ergaben jedoch folgendes. Bei einer Zusammensetzung in der Nähe einer binären eutektischen Kurve, die sich von dem Bi-Sn-Eutektikum zu dem ternären eutektischen Punkt von Bi-In-Sn (57% Bi, 26% In, 17% Sn) über den peritektischen Punkt von ca. 41Sn-4In-55Bi erstreckt, kommt es beim Betrieb einer Sicherung bei einer Überlastprüfung gemäß der Nennlast leicht zur Zerstörung; und selbst bei einer Überlastprüfung gemäß ei ner Last, die in der Weise verringert ist, dass es nicht zur Zerstörung kommt, ist der Isolationswiderstand nach einem Betrieb ziemlich gering, und das dielektrische Durchschlagverhalten ist beträchtlich eingeschränkt.
Der Grund hierfür wurde untersucht, und folgendes wurde bestätigt. Wie oben beschrieben, wechselt aufgrund der engen fest-flüssigen Region die Legierung während der Zufuhr von Strom und des Temperaturanstiegs plötzlich von der festen Phase in die flüssige Phase, was bewirkt, dass unmittelbar nach dem Betrieb leicht ein Lichtbogen erzeugt wird. Wenn ein Lichtbogen erzeugt wird, kommt es zu einem lokalen und plötzlichen Temperaturanstieg. Infolgedessen verdampft das Flussmittel, was zu höherem Innendruck führt, oder das Flussmittel verkohlt. Darüber hinaus führt die hohe Oberflächenspannung auch dazu, dass die geschmolzene Legierung oder das verkohlte Flussmittel infolge einer Zufuhr von Strom stark verstreut wird. Daher kommt es während des Betriebes leicht zu physischer Zerstörung wie etwa der Entstehung von Rissen aufgrund eines lokalen und plötzlichen Temperaturanstiegs, eines Anstiegs des Innendrucks oder eines erneuten Leitens zwischen verkohlten Flussmittelteilen. Außerdem wird durch die verstreute Legierung oder das verkohlte Flussmittel der Isolierabstand verkürzt, so dass beim Anlegen einer Spannung nach einem Betrieb leicht ein elektrisches Durchschlagen durch erneutes Leiten bewirkt wird.
Dagegen ist bei einem erfindungsgemäßen Legierungselement die Legierungszusammensetzung von dem oben genannten Bereich der Nähe des Eutektikums deutlich getrennt, die fest-flüssige Region ist ziemlich breit, und der Bi-Gehalt mit einer höheren Oberflächenspannung ist relativ gering. Daher wird das Sicherungselement auch während der Zufuhr von Strom und während des Temperaturanstiegs in einer breiten fest-flüssigen Region getrennt (es wurde bestätigt, dass bei der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung des Legierungstyps das Sicherungselement bei einer Temperatur, die unter der Verflüssigungstemperatur liegt, getrennt wird), und daher kann das Auftreten eines Lichtbogens unmittelbar nach einem Betrieb zufriedenstellend unterdrückt werden. Dies wirkt synergistisch mit der verringerten Oberflächenspannung aufgrund des geringen Bi-Gehaltes zusammen, so dass ein Auftreten der oben genannten physischen Zerstörung verhindert wird, und zwar auch in einer Überlastprüfung gemäß der Nennlast, so dass der Isolationswiderstand nach einem Betrieb weiterhin ausreichend hoch gehalten und ein ausgezeichnetes dielektrisches Durchschlagverhalten sichergestellt werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen thermischen Sicherung ist die Temperatur des Sicherungselementes beim Betrieb um 9°C oder mehr niedriger als die Verflüssigungstemperatur, und die Betriebstemperatur der thermischen Sicherung ist um 6°C oder mehr niedriger als die Verflüssigungstemperatur des Sicherungselementes.
Unter den oben beschriebenen thermischen Sicherungen des Legierungstyps ist bei der Sicherung vom Typ mit zylindrischem Gehäuse die Anordnung, bei der die Anschlussleiter 1 so positioniert sind, dass sie nicht exzentrisch zu dem zylindrischen Gehäuse 4 liegen, wie bei (A) in 7 gezeigt, eine Voraussetzung für die Ermöglichung der bei (B) in 7 gezeigten normalen sphäroidischen Trennung. Sind die Anschlussleiter exzentrisch, wie bei (C) in 7 dargestellt, so haften nach einem Betrieb leicht das Flussmittel (einschließlich eines verkohlten Flussmittels) und verstreute Legierungsteile an der Innenwand des zylindrischen Gehäuses an. Infolgedessen wird der Isolationswiderstand verringert, und das dielektrische Durchschlagverhalten wird beeinträchtigt.
Um das Auftreten solcher Nachteile zu verhindern, sind, wie bei (A) in 8 gezeigt, Enden der Anschlussleiter 1 zu einer scheibenartigen Form d ausgebildet, und Enden des Sicherungselementes 2 sind jeweils mit den Vorderseiten der Scheiben d verbondet (beispielsweise durch Schweißen). Die äußere Peripherie der Scheiben wird von der Innenseite des zylindrischen Gehäuses getragen. Hierdurch wird bewirkt, dass das Sicherungselement 2 in der Weise angeordnet wird, dass es im Wesentlichen konzentrisch zu dem zylindrischen Gehäuse 4 liegt [bei (A) in 8 bezeichnet 3 ein auf das Sicherungselement 2 aufgetragenes Flussmittel; 4 bezeichnet das zylindrische Gehäuse, 5 bezeichnet ein Dichtungsmittel wie etwa ein Epoxidharz, und der Außendurchmesser der einzelnen Scheiben ist ungefähr gleich dem Innendurchmesser des zylindrischen Gehäuses]. In diesem Fall sammeln sich, wie bei (B) in 8 dargestellt, geschmolzene Teile des Sicherungselementes in sphärischer Form an den Vorderseiten der Scheiben d und verhindern so, dass das Flussmittel (einschließlich eines verkohlten Flussmittels) an der Innenfläche des Gehäuses 4 anhaftet.
[Beispiele]
In den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden thermische Sicherungen des Legierungstyps von der Art mit einem zylindrischen Gehäuse mit einer AC-Nennlast von 2 A × 250 V verwendet. Die Sicherungen haben folgende Bemessungen. Der Außendurchmesser eines zylindrischen Keramikgehäuses beträgt 25 mm, die Dicke des Gehäuses beträgt 0,5 mm, die Länge des Gehäuses beträgt 9 mm, der Außendurchmesser eines Kupfer-Anschlussleiters beträgt 0,6 mm⌀, und der Außendurchmesser sowie die Länge eines Sicherungselementes betragen 0,6 mm⌀ bzw. 3,5 mm. Als Flussmittel wurde eine Verbindung aus 80 Gewichtsanteilen Kolophonium, 20 Gewichtsanteilen Stearinsäure und einem Gewichtsanteil Diethylamin-Hydrobromid verwendet. Ein kalthärtendes Epoxidharz wurde als Dichtungsmittel verwendet.
Die Isolationsstabilität nach einem Betrieb einer thermischen Sicherung wurde anhand des in IEC 60691 definierten Überlastprüfungsverfahrens bewertet (auf die Feuchtigkeitsprüfung vor der Überlastprüfung wurde verzichtet).
Im Einzelnen wurde zuerst das Auftreten einer Zerstörung während des Betriebs gestestet, wobei an einem Probestück eine Spannung von 1,1 × der Nennspannung und ein Strom von 1,5 × dem Nennstrom anlag, und die thermische Sicherung wurde durch eine Erhöhung der Temperatur mit einer Geschwindigkeit von (2 ± 1) K/min zum Auslösen gebracht. Unter den Probestücken, bei denen keine Zerstörung auftrat, wurden diejenigen hinsichtlich des dielektrischen Durchschlagverhaltens für akzeptabel erachtet, bei denen die Isolation zwischen Anschlussleitern 1 min lang 2 × der Nennspannung (500 V) standhielt und diejenige zwischen den Anschlussleitern und der Außenseite des zylindrischen Gehäuses (mit einer Metallfolie umwickelt) 1 min lang 2 × der Nennspannung + 1000 V (1500 V) standhielt, und hinsichtlich des Isolationswiderstandes wurden diejenigen für akzeptabel erachtet, bei welchen beim Anliegen einer DC-Spannung von 2 × der Nennspannung (500 V) der Isolationswiderstand zwischen den Anschlussleitern 0,2 MΩ oder mehr betrug und derjenige zwischen den Anschlussleitern und der Außenseite des zylindrischen Gehäuses (mit einer Metallfolie umwickelt) 2 MΩ oder mehr betrug. Die Akzeptabilität hinsichtlich sowohl des dielektrischen Durchschlagverhaltens als auch des Isolationswiderstandes wurde als das Abnahmekriterium für die Isolationsstabilität festgelegt. Wenn alle 50 Probestücke hinsichtlich der Isolationsstabilität akzeptiert wurden, wurden die Probestücke mit ❍ bewertet, und wenn auch nur eines der Probestücke nicht akzeptiert wurde, wurden die Probestücke mit × bewertet.
Hinsichtlich der Betriebstemperatur einer thermischen Sicherung wurden 50 Probestücke verwendet. Jedes der Probestücke wurde in ein Ölbad eingetaucht, in welchem die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1°C/min erhöht wurde, während dem Probestück ein Strom von 0,1 A zugeführt wurde, und die Temperatur T0 des Öls wurde beim Unterbrechen der Stromzufuhr infolge Durchbrennens des Sicherungselementes gemessen. Als Betriebstemperatur der thermischen Sicherung wurde eine Temperatur von T0 – 2°C bestimmt.
Die Verflüssigungstemperatur eines Sicherungselementes wurde mit einer DSC-Einrichtung gemessen [bei der ein Referenz-Probestück (unverändert) und ein Mess-Probestück in einem mit Stickstoff gefüllten Behälter untergebracht werden, einer Heizvorrichtung des Behälters elektrischer Strom zugeführt wird, so dass die Proben mit konstanter Geschwindigkeit erwärmt werden, und von einem Differentialthermoelement eine Variation der Menge an zugeführter Wärmeenergie aufgrund einer thermischen Veränderung des Mess-Probestücks erkannt wird].
Hinsichtlich der Eignung eines Sicherungselementes zum Drahtziehen wurde das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug auf 6,5% eingestellt, und die Ziehgeschwindigkeit wurde auf 45 m/min eingestellt. Ein Probestück, das zu einem Draht von 300 μm⌀ Durchmesser gezogen werden konnte, wurde mit ❍ bewertet, und ein solches, in dem es zu einem Bruch kam und bei dem ein ununterbrochener Ziehvorgang nicht sichergestellt werden konnte, wurde mit × bewertet.
[Beispiel 1]
In diesem Beispiel wurden thermische Sicherungen des Legierungstyps von der Art mit einem zylindrischen Gehäuse verwendet, die ein Sicherungselement mit einer Zusammensetzung von 48% Sn, 2% In und Bi zum Ausgleich aufwiesen.
Obwohl die thermischen Sicherungen unter der oben genannten Anwendung einer Überlast betrieben wurden, konnten die Sicherungen betrieben werden, ohne dass dies zu einem Bruch führte. Die Isolationsstabilität nach einem Betrieb war folgende. Die Isolierung zwischen Anschlussleitern hielt 1 min lang oder länger 2 × der Nennspannung (500 V) stand, diejenige zwischen den Anschlussleitern und der Außenseite des zylindrischen Gehäuses hielt 1 min lang oder länger 2 × der Nennspannung + 1000 V (1500 V) stand, der Isolationswiderstand zwischen den Anschlussleitern beim Anliegen einer DC-Spannung von 2 × der Nennspannung (500 V) betrug 0,2 M Ω oder mehr, und derjenige zwischen den Anschlussleitern und der Außenseite des zylindrischen Gehäuses betrug 2 M Ω oder mehr. Infolgedessen war die Isolationsstabilität ❍.
Die Temperatur des Sicherungselementes bei einem Betrieb der thermischen Sicherung beträgt 135°C, und die Verflüssigungstemperatur des Sicherungselementes beträgt 152°C (die Temperatur des Elementes bei einem Betrieb ist um 17°C niedriger als die Verflüssigungstemperatur), so dass die Betriebstemperatur niedriger ist als die Verflüssigungstemperatur. Es ist ersichtlich, dass das Sicherungselement in der fest-flüssigen Region bricht.
Als Grund dafür, dass die Isolationsstabilität nach einem Betrieb ❍ ist (ausgezeichnetes dielektrisches Durchschlagverhalten und hoher Isolationswiderstand), ohne dass es während des Betriebs unter Anwendung einer Überlast zu einem Bruch kommt, wird folgendes angenommen. Die Trennung des Sicherungselementes erfolgt in der breiten fest-flüssigen Region. Daher ist das Auftreten eines Lichtbogens unmittelbar nach einem Betrieb sehr selten, und es kommt kaum zu einem lokalen und plötzlichen Temperaturanstieg. Infolgedessen kann ein aufgrund des Temperaturanstieges durch Verdampfen des Flussmittels und Verkohlen des Flussmittels auftretender Druckanstieg unterdrückt werden, und es kommt zu keiner physischen Zerstörung. Dies wirkt synergistisch mit der verringerten Oberflächenspannung zusammen, so dass ein Verstreuen und dergleichen von geschmolzener Legierung oder verkohltem Flussmittel aufgrund einer Zufuhr von Energie ausreichend unterdrückt wird, wodurch ein ausreichender Isolierabstand sichergestellt werden kann.
Der spezifische Widerstand des Sicherungselementes beträgt nur 34 μΩ·cm. Auch unter starker Stromlast kann somit die Eigenerwärmung ausreichend unterdrückt werden, so dass die thermische Sicherung bei einer vorgegebenen Temperatur funktionieren kann.
Die Ziehbarkeit des Sicherungselementes ist ebenfalls ❍.
[Beispiele 2 bis 5]
Die Beispiele wurden auf dieselbe Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Menge an Sn aus Beispiel 1 verändert wurde, wie in Tabelle 1 aufgeführt, und entsprechend dieser Änderung die Menge an Bi verändert wurde.
Wie in Beispiel 1 kam es in allen Beispielen, selbst wenn die thermischen Sicherungen unter der oben erwähnten Anwendung einer Überlast betrieben wurden, zu keinem Bruch, und die Isolationsstabilität nach einem Überlastbetrieb war ❍.
In allen Beispielen ist die Temperatur des Elementes beim Betrieb (um 11 bis 13°C) niedriger als die Verflüssigungstemperatur, und es ist ersichtlich, dass das Sicherungselement innerhalb der fest-flüssigen Region bricht. Als Grund dafür, dass die Isolationsstabilität nach einem Betrieb ❍ ist, ohne dass es während des Betriebs unter Anwendung einer Überlast zu einem Bruch kommt, wird folgendes angenommen. In gleicher Weise wie oben beschrieben erfolgt die Trennung des Sicherungselementes in der breiten fest-flüssigen Region. Daher ist das Auftreten eines Lichtbogens unmittelbar nach einem Betrieb sehr selten, und es kommt kaum zu einem lokalen und plötzlichen Temperaturanstieg. Infolgedessen kann ein aufgrund des Temperaturanstieges durch Verdampfen des Flussmittels und Verkohlen des Flussmittels auftretender Druckanstieg unterdrückt werden, und es kommt zu keiner physischen Zerstörung. Dies wirkt synergistisch mit der verringerten Oberflächenspannung zusammen, so dass ein Verstreuen und dergleichen von geschmolzener Legierung oder verkohltem Flussmittel aufgrund einer Zufuhr von Strom ausreichend unerdrückt wird, wodurch ein ausreichender Isolierabstand sichergestellt werden kann.
In allen Beispielen ist der spezifische Widerstand des Sicherungselementes gering, und auch unter starker Stromlast kann die Eigenerwärmung ausreichend unterdrückt werden, so dass die thermische Sicherung bei einer vorgegebenen Temperatur funktionieren kann.
Die Ziehbarkeit des Sicherungselementes war in allen Beispielen ebenfalls ❍. Tabelle 1
[Beispiele 6 bis 9]
Die Beispiele wurden auf dieselbe Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Zusammensetzung des Sicherungselementes aus Beispiel 1 verändert wurde, wie in Tabelle 2 aufgeführt.
Wie in Beispiel 1 kam es in allen Beispielen, selbst wenn die thermischen Sicherungen unter der Anwendung einer Überlast betrieben wurden, zu keinem Bruch, und die Isolationsstabilität nach einem Überlastbetrieb war ❍.
In allen Beispielen ist die Temperatur des Elementes beim Betrieb (um 10 bis 12°C) niedriger als die Verflüssigungstemperatur, und es ist ersichtlich, dass das Sicherungselement innerhalb der fest-flüssigen Region bricht. Der Grund dafür, dass die Isolationsstabilität nach einem Betrieb ❍ ist, ist derselbe wie der oben beschriebene.
In allen Beispielen ist der spezifische Widerstand des Sicherungselementes gering, und auch unter starker Stromlast kann die Eigenerwärmung ausreichend unterdrückt werden, so dass die thermische Sicherung bei einer vorgegebenen Temperatur funktionieren kann.
Die Ziehbarkeit des Sicherungselementes ist in allen Beispielen ebenfalls ❍. Tabelle 2
[Beispiele 10 bis 13]
Die Beispiele wurden auf dieselbe Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Zusammensetzung des Sicherungselementes aus Beispiel 1 verändert wurde, wie in Tabelle 3 aufgeführt.
Wie in Beispiel 1 kam es in allen Beispielen, selbst wenn die Beispiele unter der Anwendung einer Überlast durchgeführt wurden, zu keinem Bruch, und die Isolationsstabilität nach einem Überlastbetrieb war ❍.
In allen Beispielen ist die Temperatur des Elementes beim Betrieb (um 10 bis 13°C) niedriger als die Verflüssigungstemperatur, und es ist ersichtlich, dass das Sicherungselement innerhalb der fest-flüssigen Region bricht. Der Grund dafür, dass die Isolationsstabilität nach einem Betrieb ❍ ist, ist derselbe wie der oben beschriebene.
In allen Beispielen ist der spezifische Widerstand des Sicherungselementes gering, und auch un ter starker Stromlast kann die Eigenerwärmung ausreichend unterdrückt werden, so dass die thermische Sicherung bei einer vorgegebenen Temperatur funktionieren kann.
Die Ziehbarkeit des Sicherungselementes ist in allen Beispielen ebenfalls ❍. Tabelle 3
[Beispiele 14 bis 17]
Die Beispiele wurden auf dieselbe Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Zusammensetzung des Sicherungselementes aus Beispiel 1 verändert wurde, wie in Tabelle 4 aufgeführt.
Wie in Beispiel 1 kam es in allen Beispielen, selbst wenn die Beispiele unter der Anwendung einer Überlast durchgeführt wurden, zu keinem Bruch, und die Isolationsstabilität nach einem Überlastbetrieb war ❍.
In allen Beispielen ist die Temperatur des Elementes beim Betrieb (um 11 bis 14°C) niedriger als die Verflüssigungstemperatur, und es ist ersichtlich, dass das Sicherungselement innerhalb der fest-flüssigen Region bricht. Der Grund dafür, dass die Isolationsstabilität nach einem Betrieb ❍ ist, ist derselbe wie der oben beschriebene. Tabelle 4
[Beispiele 18 bis 21]
Die Beispiele wurden auf dieselbe Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Zusammensetzung des Sicherungselementes aus Beispiel 1 verändert wurde, wie in Tabelle 5 aufgeführt.
Wie in Beispiel 1 kam es in allen Beispielen, selbst wenn die Beispiele unter der Anwendung einer Überlast durchgeführt wurden, zu keinem Bruch, und die Isolationsstabilität nach einem Überlastbetrieb war ❍.
In allen Beispielen ist die Temperatur des Elementes beim Betrieb (um 11 bis 13°C) niedriger als die Verflüssigungstemperatur, und es ist ersichtlich, dass das Sicherungselement innerhalb der fest-flüssigen Region bricht. Der Grund dafür, dass die Isolationsstabilität nach einem Betrieb ❍ ist, ist derselbe wie der oben beschriebene.
In allen Beispielen ist der spezifische Widerstand des Sicherungselementes gering, und auch un ter starker Stromlast kann die Eigenerwärmung ausreichend unterdrückt werden, so dass die thermische Sicherung bei einer vorgegebenen Temperatur funktionieren kann.
Die Ziehbarkeit des Sicherungselementes ist in allen Beispielen ebenfalls ❍. Tabelle 5
[Beispiel 22]
Es wurde eine Legierungszusammensetzung verwendet, in welcher 1 Gewichtsanteil Ag zu 100 Gewichtsanteilen von 48% Sn, 2% In und Bi zum Ausgleich zugesetzt wurde. Eine Drahteinheit für ein Sicherungselement von 300 μm⌀ wurde unter Bedingungen hergestellt, in denen das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug 8% betrug und die Ziehgeschwindigkeit 60 m/min betrug, also unter erschwerten Bedingungen, verglichen mit dem Ziehvorgang für eine Drahteinheit für ein Sicherungselement aus Beispiel 1. Dennoch kam es zu keinem Bruch des Drahtes. Der spezifische Widerstand war geringer als derjenige in Beispiel 1.
Wie in Beispiel 1 kam es bei diesem Beispiel, selbst wenn die thermische Sicherung unter der Anwendung einer Überlast betrieben wurde, zu keinem Bruch, und die Isolationsstabilität nach einem Überlastbetrieb war ❍. Die Temperatur des Elementes beim Betrieb und die Verflüssi gungstemperatur sind im Wesentlichen die gleichen wie die aus Beispiel 1. Die Temperatur des Elementes beim Betrieb ist also niedriger als die Verflüssigungstemperatur, und es ist ersichtlich, dass das Sicherungselement innerhalb der fest-flüssigen Region bricht. Der Grund dafür ist derselbe wie der oben beschriebene.
Es wurde bestätigt, dass die oben genannten Wirkungen im Bereich der zugesetzten Menge von 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteilen Ag erzielt werden.
[Beispiele 23 bis 30]
Es wurden Legierungszusammensetzungen verwendet, bei welchen 0,5 Gewichtsanteile von jeweils einem der Bestandteile Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Ga, Ge und P zu 100 Gewichtsanteilen von 48% Sn, 2% In und Bi zum Ausgleich zugesetzt wurden. Eine Drahteinheit für ein Sicherungselement von 300 μm⌀ wurde unter Bedingungen hergestellt, bei denen das Ziehverhältnis pro Ziehwerkzeug 8% betrug und die Ziehgeschwindigkeit 60 m/min betrug, also unter erschwerten Bedingungen, verglichen mit denen bei der Herstellung einer Drahteinheit für ein Sicherungselement aus Beispiel 1. Dennoch kam es zu keinem Bruch des Drahtes.
Wie in Beispiel 1 kam es bei den Beispielen, selbst wenn die thermischen Sicherungen unter der oben erwähnten Anwendung einer Überlast betrieben wurden, zu keinem Bruch, und die Isolationsstabilität nach einem Überlastbetrieb war ❍. Die Temperatur des Elementes beim Betrieb und die Verflüssigungstemperatur sind im Wesentlichen die gleichen wie die aus Beispiel 1. Die Temperatur des Elementes beim Betrieb ist also niedriger als die Verflüssigungstemperatur, und es ist ersichtlich, dass das Sicherungselement innerhalb der fest-flüssigen Region bricht. Der Grund dafür ist derselbe wie der oben beschriebene.
Es wurde bestätigt, dass die oben genannten Wirkungen im Bereich der zugesetzten Menge von jeweils 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteilen Au, Cu, Ni, Pd, Pt, Ga, Ge und P erzielt werden.
[Vergleichsbeispiel 1]
Das Vergleichsbeispiel wurde in derselben Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Zusammensetzung des Sicherungselementes aus Beispiel 1 in 41% Sn, 4% In und 55% Bi geändert wurde.
Wenn das Vergleichsbeispiel unter der oben erwähnten Anwendung einer Überlast durchgeführt wurde, kam es zu einem Bruch. Als Grund hierfür wird folgendes angenommen: Da die festflüssige Region eng ist, wechselt die Legierung während einer Zufuhr von Energie plötzlich von der festen Phase in die flüssige Phase, und es wird unmittelbar nach einem Betrieb ein Lichtbogen erzeugt, so dass ein lokaler und plötzlicher Temperaturanstieg auftritt. Daher kommt es zu einem Anstieg des Innendrucks durch Verdampfen des Flussmittels oder Verkohlen des Flussmittels. Infolgedessen wird durch den Temperaturanstieg, den Anstieg des Innendrucks oder ein erneutes Leiten zwischen verkohlten Teilen des Flussmittels eine physische Zerstörung bewirkt.
[Vergleichsbeispiel 2]
Das Vergleichsbeispiel wurde in derselben Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Zusammensetzung des Sicherungselementes aus Beispiel 1 in 52% Sn und 48% Bi geändert wurde.
Selbst wenn das Vergleichsbeispiel unter der oben erwähnten Anwendung einer Überlast durchgeführt wurde, kam es zu keinem Bruch. Jedoch beträgt der Isolationswiderstand zwischen den Anschlussleitern nach einem Betrieb nur 0,1 MΩ oder weniger. Wenn eine Spannung von 2 × der Nennspannung (500 V) angelegt wurde, kam es häufig zu erneutem Leiten. Die Isolationsstabilität war daher ×. Als Grund hierfür wird folgendes angenommen. Zwar bricht das Sicherungselement innerhalb der fest-flüssigen Region, jedoch ist diese Region relativ eng, und daher wechselt die Legierung während der Zufuhr von Energie relativ schnell von der festen Phase in die flüssige Phase, was zur Erzeugung eines Lichtbogens unmittelbar nach einem Betrieb führt. Infolgedessen verkohlt leicht das Flussmittel aufgrund eines lokalen und plötzlichen Temperaturanstiegs. Außerdem führt die hohe Oberflächenspannung der binären Bi-Sn-Legierung zu einem starken Verstreuen der geschmolzenen Legierung oder des verkohlten Flussmittels infolge einer Zufuhr von Strom. Daher wird durch die verstreute Legierung oder das verkohlte Flussmittel der Isolierabstand verkürzt, und folglich ist der Isolationswiderstand nach einem Betrieb relativ gering. Infolgedessen kommt es beim Anlegen einer Spannung zu erneutem Leiten, was zu einem dielektrischen Durchschlagen führt.
[Vergleichsbeispiel 3]
Das Vergleichsbeispiel wurde in derselben Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Zusammensetzung des Sicherungselementes aus Beispiel 1 in 40% Sn, 0,5% In und Bi zum Ausgleich geändert wurde.
Selbst wenn das Vergleichsbeispiel unter der oben erwähnten Anwendung einer Überlast durchgeführt wurde, kam es zu keinem Bruch. Jedoch war wie bei Vergleichsbeispiel 2 die Isolationsstabilität ×. Der Grund hierfür ist derselbe wie in Vergleichsbeispiel 2.
[Vergleichsbeispiel 4]
Das Vergleichsbeispiel wurde in derselben Weise durchgeführt wie Beispiel 1, wobei allerdings die Zusammensetzung des Sicherungselementes aus Beispiel 1 in 72% Sn, 0,5% In und Bi zum Ausgleich geändert wurde.
Die Betriebstemperatur ist höher als 170°C. Daher kann die Bedingung nicht erfüllt werden, dass die Betriebstemperatur 130 bis 170°C beträgt.

Claims

Eine thermische Sicherung des Legierungstyps mit einer Drahteinheit, welche als Sicherungselement verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtelement eine Legierungszusammensetzung aufweist, in welcher Sn größer als 43% und 70% oder kleiner ist, In 0,5% oder größer und 10% oder kleiner ist und der Ausgleich Bi ist.
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps mit einem Drahtelement, welches als Sicherungselement verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass 0,1 bis 3,5 Gewichtsanteile von einem, zwei oder mehreren Metallen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Ag, Au, Cu, Ni, Pd, Pr, Ga, Ge und P umfasst, auf 100 Gewichtsanteile der Zusammensetzung ergänzt werden, in welcher Sn größer als 43% und 70% oder kleiner ist, In 0,5% oder größer und 10% oder kleiner ist und der Ausgleich Bi ist.
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Sicherungselement unvermeidliche Verunreinigungen enthält.
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die thermische Sicherung eine Konfiguration aufweist, in welcher das Sicherungselement zwischen Anschlussleitern verbunden ist und wenigstens ein Bereich jedes Anschlussleiters, welcher mit dem Sicherungselement verbunden ist, mit einem Sn- oder Ag-Film bedeckt ist.
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die thermische Sicherung eine Konfiguration aufweist, in welcher Anschlussleiter mit entsprechenden Enden des Sicherungselementes verbunden sind, ein Flussmittel auf das Sicherungselement aufgetragen ist, das mit Flussmittel versehene Sicherungselement durch ein zylindrisches Gehäuse hindurch geführt wird und Spalten zwischen den Enden des zylindrischen Gehäuses und den Anschlussleitern dicht abgeschlossen werden, die Enden der Anschlussleiter eine scheibenartige Form aufweisen und die Enden des Sicherungselementes mit den vorderen Flächen der Scheiben verbunden sind.
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die thermische Sicherung eine Konfiguration aufweist, in welcher ein Paar von Filmelektroden auf einem Substrat durch das Aufdrucken einer leitenden Paste, die metallische Bestandteile und einen Binder aufweist, gebildet wird und das Sicherungselement zwischen den Filmelektroden verbunden wird und die metallischen Partikel aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wird, welche Ag, Ag-Pd, Ag-Pt, Au, Ni und Cu aufweist.
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Heizelement zum Schmelzen des Sicherungselements zusätzlich angeordnet ist.
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Betriebstemperatur eines Sicherungselements um 9° Celsius oder mehr niedriger ist als die Verflüssigungstemperatur des Sicherungselements.
Eine thermische Sicherung des Legierungstyps gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Betriebstemperatur in einem Bereich zwischen 130 bis 170° Celsius liegt und um 6° Celsius oder mehr niedriger ist als eine Verflüssigungstemperatur eines Sicherungselements.