DE69125307T2

DE69125307T2 - Kleinstsicherung für niedere Stromstärke

Info

Publication number: DE69125307T2
Application number: DE69125307T
Authority: DE
Inventors: James William Cook; Terrence John Evans
Original assignee: Cooper Industries LLC
Current assignee: Cooper Industries LLC
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1991-04-16
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2011-04-17
Also published as: US5097246A; DE69125307D1; EP0453217B1; KR100187938B1; EP0453217A1; CA2040073C; KR910019087A; CA2040073A1; HK1000060A1; JPH0750128A; MX166706B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherungs-Teilbaugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Kleistsicherungen sind physikalische, kleine Sicherungen, die typischerweise verwendet werden, um elektronische Bauteile zu schützen, die in transistorisierten Schaltungen, wie Femsehgeräten, Radios, Computern und anderen Einrichtungen verwendet werden, die physikalisch kleine Schaltungsunterbrechungseinrichtungen verlangen. Eine typische Kleinstsicherung kann ungefähr 6,35 mm lang und ungefähr 0,25 mm weit sein.
Eine Kleinstsicherung nach dem Stand der Technik, die für eine automatisierte Hochgeschwindigkeitseinrichtung geeignet ist, verwendet ein keramisches Substrat, das metallisierte Schweißanschlußflächen an gegenüberliegenden Enden davon aufweist, an denen Drahtverbindungen angebracht sind, und eine Schmelzverbindung in der Form eines Drahtes, der ultraschallmäßig mit den metallisierten Schweißanschlußflächen verbunden ist. Das Substrat mit den Anschlußflächen und dem Draht daran kann in einem Lichtbogenlöschmedium beschichtet werden und dann mit einer Schutzbeschichtung beschichtet werden, wie einem Kunststoffmaterial.
Die Kleinstsicherung, die einen durch Ultraschall verbundenen Schmelzdraht verwendet, hat einen beschränkten Grenzbereich. Der minimale Durchmesser des automatisch verbundenen Drahtes ist zu groß, um dem Sicherungskonstrukteur zu erlauben, eine Sicherung für einen Bruchteil eines Amperes zu erreichen. Des weiteren sind Schmelzdrähte mit einem kleinen Durchmesser empfindlich und als ein Ergebnis verlangt die Herstellung von Kleinstsicherungen, die solche Drähte verwenden, eine besondere Handhabung, um das Auftreten eines Schmeldrahtbruches zu verringern.
In Reaktion auf das Bruch- und Handhabungsproblem, das mit Sicherungsdrähten verbunden ist, die in Kleinstsicherungen verwendet werden, sind Dickfilmschmelzverbindungen vorgeschlagen worden, die Drahtschmelzverbindung in der Kleinstsicherung zu ersetzen. Das Dickfilmelement wird unmittelbar mit dem Substrat abgeschieden, typischerweise durch Siebdrucken mit einer leitenden Tinte. Eine Maske wird verwendet, um ein Muster zu erzeugen, das entgegengesetzte Schweißanschlußflächen zum Empfangen der Sicherungsanschlußdrähte aufweist, und ein verengter Abschnitt dazwischen bildet eine Schmelzverbindung. Um den Amperewert der Sicherung zu ändern, wird die minimale Querschnittsfläche des verengten Abschnittes (oder Schwachstelle) der Sicherung verändert. Bei einem gegebenen Material für die Schmelzverbindung wird, je schmaler der Querschnitt ist, umso niedriger der verlangte Strom, damit die Sicherung öffnet. Die physikalischen Eigenschaften der Dickfilmtinte begrenzen die minimale Weite der Schwachstelle auf 2- bis 8-mal die typische Dicke von 500 Mikro-Zoll (12,7 Mikron). Diese minimale Querschnittsfläche der Dickfilmschwachstelle ist zu groß, um Sicherungen herzustellen, die eine Grenzkapazität unterhalb von ungefähr 1A für Sicherungsverbindungsmaterialien aus Silber haben. Sicherungsverbindungsmaterialien mit einem höheren spezifischen Widerstand können verwendet werden, wobei sie aber bei Kleinstsicherungen, die einen höheren Widerstand haben, Spannungsabfälle und Körpertemperaturen und eine geringere Unterbrechungsfähigkeit ergeben.
Eine wirksamere Weise, den Amperegrenzwert der Sicherung zu verringern, ist, die Schmelzverbindung und die Schweißanschlußf lächen mit unterschiedlichen Dicken herzustellen. Dies wird am besten erreicht, indem die Schmelzverbindung als eine dünne Filmtinte aufgedruckt wird oder durch die Abscheidung eines dünnen Films, wobei eine Dampfabscheidungs-, Aufstäubungs- oder chemische Dampfabscheidungstechnik verwendet wird. Jedoch ist herausgefunden worden, daß, wo die Dicke der Schmelzverbindung auf unterhalb von ungefähr 100 Mikro-Zoll (2,5 Mikron) fällt, die Oberflächenrauheit des Substrats große Änderungen der Dicke des Materials bewirkt, das die Schmelzverbindung auf dem Träger bildet, was zu einem zufälligen Sicherungswiderstand und Leistung führt. Eine solche zufällige Arbeitsweise schließt Sicherungen ein, die Eigenschaften außerhalb der Spezifikation haben, wie Öffnungszeiten, Spannungsabfälle und offene Sicherungen vor der Verwendung.
Ein typisches keramisches Substrat hat eine durchschnittliche Oberflächenrauheit von ungefähr 10 bis 40 Mikro-Zoll (0,25 - 1,0 Mikron). Ein glasbeschichtetes, keramisches Substrat hat jedoch eine durchschnittliche Oberflächenrauheit von 0,06 Mikro-Zoll (0,0015 Mikron). Somit liefert eine Dünnfilmmetallisierung mit einer Dicke von 6 Mikro-Zoll (0,156 Mikron) eine durchgehende Schicht als einer Querschnittsflächenänderung von weniger als 1 %. Die Glasschicht kann 2.300 Mikro-Zoll (58,5 Mikron) dick sein.
Sicherungen dieser Art sind in WO89/08925 beschrieben, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Grundlage hat.
Wenn der gesamte keramische Chip mit Glas beschichtet wird, dann wird jedoch einem zweiten Problem begegnet. Um einen automatisierten Hochgeschwindigkeitszusammenbau der Kleinstsicherung zu erzielen, werden die externen Verbindungen an die metallisierten Anschlußflächen an den Enden des keramischen Chips widerstandsgeschweißt. Die Festigkeit dieser geschweißten Verbindung ist nicht annehmbar, wenn es eine Glasschicht zwischen der Metallisierung und dem keramischen Substrat gibt. Der Wärmeschock des Widerstandsschweißvorgangs erzeugt Mikrorisse in der Glasschicht.
Die Unfähigkeit, Kleinstsicherungen (mit automatisierter Hochgeschwindigkeitsausrüstung) herzustellen, die Amperegrenzwerte von weniger als 1A haben, hat der elektronischen Industrie eine Kleinstsicherung für einen Amperebruchteil bei geringen Kosten versagt.
Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile beim Stand der Technik und ermöglicht das automatisierte Herstellen von Kleinstsicherungen mit hoher Geschwindigkeit in dem Bereich von 1/32 bis 1A.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Sicherungs-Teilbaugruppe geschaffen, die ein isolierendes Substrat, eine Glas-Isolierbeschichtung auf dem isolierenden Substrat, ein Dünnfilmsicherungselement, das auf der Glas-Isolierungsbeschichtung angeordnet ist, und Metallfilm-Leiteranschlußflächen umfaßt, die an jedem Ende des isolierenden Substrats angeordnet und mit dem Sicherungselement in Kontakt sind, wobei die Glas-Isolierbeschichtung eine durchschnittliche Oberflächenrauhheit aufweist, die auf 25 % der Dicke des Sicherungselements beschränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas-Isolierbeschichtung nur einen Mittelabschnitt des isolierenden Substrats bedeckt, wobei die Enden des isolierenden Substrats unbedeckt sind, und daß sich jede der Metall-Leiteranschlußflächen über den Rand der Glas-Isolierbeschichtung hinaus erstreckt, so daß ein Anschluß-Flächenbefestigungsabschnitt entsteht, der mit dem unbedeckten, isolierenden Substrat in Berührung ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Glas-Isolierbeschichtung auf einer Keramik vorgesehen, beispielsweise einer Tonerdekeramik oder einem anderen isolierenden Substrat. Indem die Glasbeschichtung auf Streifen auf dem Substrat beschränkt wird und die Substratchipstelle richtig angeordnet wird, befindet sich die Glasbeschichtung nur unter dem Dünnfilmsicherungselement und erstreckt sich nicht zu den Enden des Chips. Die äußeren Anschlüsse sind an den Metallschichten angeschweißt, die unmittelbar auf die Keramikobefläche aufgebracht werden, während die Dünnfilmmetallschicht auf den glasbeschichteten Abschnitt des Chips aufgebracht wird. Diese Erfindung liefert deshalb eine geschweißte Verbindung hoher Festigkeit für die äußeren Leitungen und eine glatte Oberfläche für die Dünnfilmmetallschicht.
Die Teilbaugruppe kann mit geringen Kosten mit ausgewählten Amperewerten zwischen 1/32 - 1 A hergestellt werden.
Vorzugsweise hat die Isolierbeschichtung Oberflächenunterbrechungen, das heißt, plötzliche Stops, die nicht größer als 10 % der Dicke des Sicherungselements sind. Die Ansprüche 6 bis 8 beziehen sich auf Sicherungen, die eine Sicherungs-Teilbaugruppe der Erfindung umfaßt.
Für eine ins einzelne gehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nun auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen, in denen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise aufgeschnitten, einer Sicherung ist, die die Sicherungs- Teilbaugruppe der vorliegenden Erfindung einschließt;
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein glasbeschichtetes Keramiksubstrat ist, das verwendet wird, die einzelnen glasbeschichteten Chips für die Sicherung der Fig. 1 zu erzeugen;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines einzelnen, glasbeschichteten Chips für die Sicherung der Fig. 1 ist;
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Chip der Fig. 3 ist;
Fig. 5 eine Seitenansicht des Chips der Fig. 4 ist, der des weiteren eine Dünnfilmschmelzverbindung einschließt, die auf dem Glasabschnitt angeordnet ist;
Fig. 6 eine Draufsicht auf den Chip der Fig. 5 ist;
Fig. 7 eine Draufsicht auf den Chip der Fig. 6 ist, die des weiteren Schweißanschlußf lächen einschließt, die darauf angeordnet sind;
Fig. 8 eine Seitenansicht des Chip der Fig. 7 ist;
Fig. 9 eine Seitenansicht des Chip der Fig. 8 ist, wobei des weiteren Anschlußleitungen eingeschlossen sind, die an den Schweißanschlußflächen angeordnet sind;
Fig. 10 eine Draufsicht auf den Chip der Fig. 9 ist;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht, teilweise aufgeschnitten, einer alternativen Konstruktion einer Sicherung ist, die die Sicherungs-Teilbaugruppe der vorliegenden Erfindung einschließt; und
Fig. 12 eine Querschnittsansicht einer Oberflächenbefestigung einer alternativen Ausführungsform einer Sicherung ist, die zum Einschluß bei der Sicherungs- Teilbaugruppe der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Es wird anfangs auf Fig. 1 bezug genommen, in der eine allgemein zylindrische Kleinstsicherung 10 dargestellt ist, die aus einer Sicherungs-Teilbaugruppe besteht, die in einen isolierenden, stabförmigen, geformten Kunststoffkörper 12 zementiert ist und gegenüberstehende Anschlußleitungen 14, 16 aufweist, die von den gegenüberstehenden Enden 18, 20 davon zur Verbindung der Sicherung 10 mit einer elektrischen Schaltung hervorstehen. Um einen Strom durch die Sicherung 10 zu leiten und wahlweise zu unterbrechen, ist ein Substratchip 22 mit Schweißanschlußflächen 24, 26, die an gegenüberstehenden Enden 28, 30 davon angeordnet sind, in dem Körper 12 zwischen den Anschlußleitungen 14, 16 angeordnet. Jede Anschlußleitung 14, 16 ist vorzugsweise durch Widerstandschweißen mit den Schweißanschlußflächen 24, 26 jeweils verbunden. Die Schweißanschlußf lächen 24, 26 enden nahe dem mittleren Abschnitt 32 des Chip 22, wo eine Glasbeschichtung 34 auf dem Substratchip 22 angeordnet ist. Eine Dünnfilmschmelzverbindung 36 ist auf der Glasbeschichtung 34 angeordnet und ist elektrisch mit den Schweißanschlußf lächen 24, 26 über den mittleren Abschnitt 32 des Substratchips 22 verbunden. Eine Beschichtung aus einem Lichtbogenlöschmaterial 38 ist um die Schmelzverbindung 36 in dem Körper 12 herum angeordnet, um die Dauer und die Endenergie zu verringern, die während sicherungsunterbrechungen auftritt.
Es wird nun auf die Fig. 2, 3 und 4 bezug genommen, wo der Substratchip 22 ein dünnes, keramisches, ebenes Element ist, vorzugsweise 0,025 Zoll (0,64 mm) dick, das aus einer Platte 40 geschnitten ist, die abwechselnde Glasstreifen 42 und freie Flächen 43 darauf aufweist. Die Platte 40 wird hergestellt, indem zuerst eine Flüssigkeit auf Silikagrundlage im Muster eines Streifens 42 darauf siebgedruckt wird, und dann die Platte 40 in einem Ofen gebrannt wird, um die Glasstreifen 42 in ihre Lage auf der Platte 40 zu härten. Jeder der Streifen 42 ist vorzugsweise ungefähr 0,023 Zoll (0,058 mm) dick, hat eine durchschnittliche Oberflächenrauhheit von typischerweise 0,06 Mikro-Zoll (0,0015 Mikron). Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Chip 22 aus der Platte 40 entlang der gestrichelten Linie 44 geschnitten, so daß jeder Chip einen mittleren Abschnitt 32 hat, der mit der Glasbeschichtung 34 überdeckt ist, und gegenüberstehende, freie Abschnitte 48, 50 auf gegenüberstehenden Seiten der Glasbeschichtung 34.
Nun auf Fig. 5 und 6 bezugnehmend, wird die Schmelzverbindung 36 dann auf der Glasbeschichtung 34 angeordnet, vorzugsweise durch Siebdrucken der leitenden Tinte unmittelbar auf die Beschichtung 34. Die Verbindung 36 ist vorzugsweise ungefähr 6 Mikro-Zoll (0,15 Mikron) dick. Die Verbindung 36 überspannt die Beschichtung 34 und schließt gegenüberstehende Schweißanschlußgrenzflächen 52, 54 und einen eingeschnürten Bereich 56 dazwischen ein. Der eingeschnürte Bereich 56 ist ein Abschnitt der Schmelzverbindung 36 mit verringerter Weite und kann in der Weite verändert werden. Während der Herstellung der Sicherung 10 wird die Weite des eingeschnürten Bereiches 56 nach einem bestimmten Amperegrenzwert bemessen. Je weiter die Weite des eingeschnürten Bereichs 56 ist, um so größer ist die stromführende Kapazität der Sicherung 10.
Nun auf die Fig. 7 und 8 bezugnehmend werden die Schweißanschlußf lächen 24, 26 auf dem Substratchip 22, auf der Glasbeschichtung 34 und den Abschnitten der freien Bereiche 48, 50 siebgedruckt, indem eine leitende Tinte verwendet wird. Die Schweißanschlußf lächen 24, 26 schließen jeweils einen vergrößerten Bereich 58 ein, der jeweils auf den freien Abschnitten 48, 50 des Substratchips 22 angeordnet ist, und einen einseitig festgelegten Abschnitt 60, der sich auf die Glasbeschichtung 34 bzw. die Schweißanschlußgrenzflächen 52, 54 erstreckt. Anschlußleitungen 14, 16 werden dann an die vergrößerten Bereiche 58 der jeweiligen Schweißanschlußf lächen vorzugsweise durch Widerstandsschweißen angebracht. Die Isolierung des Schweißens gegenüber dem vergrößerten Bereich 58 vermindert ein Reißen der Glasbeschichtung 34 aufgrund von thermischer Spannung während des Schweißvorgangs.
Nun auf die Fig. 1, 10 und 11 bezugnehmend, wird, sobald die Anschlußleitungen 14, 16 an dem Substratchip 22 angebracht sind, die Beschichtung des Lichtbogenlöschmaterials 38 auf den Substratchip 22 über die Schmelzverbindung 36 angewendet und die gesamte Baugruppe wird dann in einer Form angeordnet. Ein Kunststoffkörper 12 wird dann dort herum spritzgegossen, wobei die Enden der Anschlußleitungen 14, 16 davon hervorstehen gelassen werden.
Es wird nun auf die Fig. 11 und 12 bezug benommen, die andersartige Ausführungsformen einer Sicherungseinheit zeigen, die zum Einschluß einer Sicherungs-Teilbaueinheit gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist. In Fig. 11 schließt eine Sicherung 70, die einen Substratchip 22 verwendet, Anschlußleitungen 14, 16 ein, die parallel zueinander von der gleichen Seite des Substratchips 22 hervorstehen, um eine Stecktyp im Gegensatz zu der zylindrischen Kleinstsicherung zu bilden. In Fig. 12 schließt eine Sicherungsbaueinheit 80, die einen Substratchip verwendet, Anschlußleitungen 14, 16 ein, die flach und um den Körper der Sicherung 80 herumgebogen sind. Die Sicherungsbaueinheit der Fig. 12 ist in US-A- 4,771,260 beschrieben.
Indem eine glatte Beschichtung, wie Glas, unter der Schmelzverbindung verwendet, kann eine Dünnfilmtechnologie verwendet werden, um eine Kleinstsicherung mit Amperegrenzwerten unterhalb eines Amperes zu erzeugen. Die Glasbeschichtung liefert einen zusätzlichen Vorteil. Da die Wärmeleitfähigkeit von Glas beträchtlich niedriger als die von Tonerde ist, wird mehr der in dem Sicherungselement erzeugten Wärme in dem Element zurückgehalten und die Zeit, die verlangt wird, das Element bei einem gegebenen Überlaststromzustand zu schmelzen, wird verringert. Man sollte erkennen, daß diese Erfindung bei Sicherungen mit größeren Amperegrenzwerten verwendet werden kann, indem der Querschnitt des eingeschnürten Bereiches 54 und, wo es geeignet ist, der gesamten Sicherungsverbindung vergrößert wird. Des weiteren können, obgleich eine 6 Mikro- Zoll (0,15 Mikron) dünne Sicherungsverbindung 36 beschrieben worden ist, andere Dicken verwendet werden.

Claims

1. Sicherungs-Teilbaugruppe, die ein isolierendes Substrat (22), eine Glas-Isolierbeschichtung (34) auf dem isolierenden Substrat (22), ein Dünnschicht-Sicherungselement (36), das auf der Glas-Isolierbeschichtung (34) angeordnet ist, und Metallfilm-Leiteranschlußstellen (24, 26) umfaßt, die an jedem Ende des isolierenden Substrats (22) angeordnet und mit dem Sicherungselement (36) in Kontakt sind, wobei die Glas-Isolierbeschichtung (34) eine durchschnittliche Oberflächenrauhheit aufweist, die auf 25% der Dicke des Sicherungselementes (36) beschränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas-Isolierbeschichtung (34) nur einen Mittelabschnitt des isolierenden Substrats (22) bedeckt, wobei die Enden des isolierenden Substrats (22) unbedeckt sind, und daß jede der Metall-Leiteranschlußstellen (24, 26) sich über den Rand der Glas-Isolierbeschichtung (34) hinaus erstreckt, so daß ein Anschlußstellen- Anbringungsabschnitt entsteht, der auf dem unbedeckten isolierenden Substrat (22) angeordnet ist.

2. Sicherungs-Teilbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Glas- Isolierbeschichtung Oberf lächenversetzungen aufweist, die nicht mehr als 10% der Dicke des Sicherungselementes (36) betragen.

3. Sicherungs-Teilbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sicherungselement (36) weniger als 100 Mikroinch (2,54 µm) dick ist.

4. Sicherungs-Teilbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das isolierende Substrat (22) aus Keramik besteht.

5. Sicherungs-Teilbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des weiteren eine Lichtbogenlöschbeschichtung (38) umfaßt, die das Sicherungselernent (36) im wesentlichen bedeckt.

6. Sicherung (10; 70; 80), die eine Sicherungs-Teilbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche umfaßt, wobei Leiter (14, 16) an den Anschlußstellen-Anbringungsabschnitten (58) der Leiteranschlußstellen (24, 26) angebracht sind und von ihnen vorstehen.

7. Sicherung (10) nach Anspruch 6, wobei die Sicherungs-Teilbaugruppe in einer Umhüllung (12) aus geformtem Kunststoff vergossen ist, wobei die Leiter (14, 16) daraus vorstehen.

8. Sicherung (10), die eine Röhre (12) aus isolierendem Material umfaßt, in der die Sicherungs-Teilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufgenommen ist, wobei elektrisch leitende Abschlußkappen (18) mit der Röhre (12) in Eingriff sind und elektrischen Kontakt mit den Leiteranschlußstellen (24, 26) herstellen.