DE69634599T2

DE69634599T2 - Schmelzbarer widerstand für fehlerstrom und verfahren dafür

Info

Publication number: DE69634599T2
Application number: DE69634599T
Authority: DE
Inventors: E. Richard CADDOCK
Original assignee: Caddock Electronics Inc
Current assignee: Caddock Electronics Inc
Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: US5914648A; KR19980702815A; FI973612A0; ATE293282T1; WO1996027893A1; EP0815577A1; CA2214710A1; JPH11503554A; EP0815577A4; NO974096D0; EP0815577B1; CN1084923C; KR100331129B1; US6253446B1; AU715850B2; HK1015525A1; NO974096L; AU4997396A; FI973612A; CN1188561A

Description

In zahlreichen Industriezweigen und Anwendungen besteht ein wesentlicher Bedarf für einen Fehlerstrom-Sicherungs- oder Schmelzwiderstand, der bei relativ hohen Strömen und hohen Wechsel- (AC) und Gleich(DC)spannungen einen Stromkreis sehr schnell unterbricht oder öffnet. Es besteht ein noch größerer Bedarf für einen derartigen Fehlerstrom-Sicherungswiderstand, der kostengünstig herstellbar, kleinformatig und durch einen hohen Sicherheitsgrad gekennzeichnet ist.
Ein Beispiel sind Leistungssystemanwendungen, bei denen Leistungshalbleiter (Transistoren, Thyristoren, SCRs, usw.) in Schaltungen verwendet werden, die große Ströme bei relativ hohen Gleichspannungen managen. Eine exemplarische Anwendungen sind Leistungstreiber für Motoren, die beispielsweise in elektrischen Triebwagen bzw. Zügen verwendet werden. In den in Verbindung mit Steuerschaltungen oder Treiberschaltungen verwendeten Leistungshalbleitern treten gelegentlich intern Kurzschlüsse auf, die veranlassen können, daß der Abschnitt der Schaltung, der im durch den kurzgeschlossenen Leistungstransistor verursachten Kurzschlußpfad liegt, plötzlich einem sehr hohen Fehlerstrom und einer sehr hohen Fehlerspannung ausgesetzt ist.
Im vorstehenden Absatz wurde ein Beispiel eines Fehlerstromzustands dargestellt, in dem ein Strom nicht allmählich oder zunehmend auf einen übermäßigen Wert ansteigt, sondern in dem stattdessen ein großer Stromschritt oder -sprung von einem normalen auf einen übermäßigen Wert auftritt. "Normal" ist der Strompegel, der in dem Abschnitt der Leistungshalbleiterschaltung vorliegt, der während eines Normalbetriebs vor einem Fehlerstrom geschützt werden soll (potentieller Kurzschlußpfad); dieser Strom ist ein niedriger Strom von typischerweise wenigen mA bis 2 A. "Übermäßig" ist der Strompegel, der in einem Kurzschlußstrompfad im wesentlichen unmittelbar nach Auftreten eines Kurzschlusses vorliegt, wobei dieser Strom einem hohen Fehlerstrom von typischerweise mehr als 15 A und noch typischer von 50 A bis 500 A oder mehr bei einer Spannung von typischerweise mehr als 125 V bis 1000 V oder mehr entspricht.
Daher ist es unbedingt erforderlich, eine ökonomische, schnell reagierende und wirkende Sicherung zur Verfügung zu haben, die bei diesen und anderen relativ hohen (übermäßigen) Fehlerströmen und hohen Spannungen anspricht. Durch eine schnelle Reaktion werden im Kurzschlußstrompfad liegende Leiterbahnen und Bauteile effektiv geschützt.
Fehlerstrom-Sicherungen, die bei relativ hohen Strömen ansprechen und bei relativ hohen Spannungen unterbrechen können, sind ziemlich großformatig und/oder teuer und/oder langsam wirkend und/oder haben andere Nachteile.
Einfache Sicherungen sind in der GB-A-1184056, in der US-A-3401452 und in der EP-A-0270954 dargestellt. Gemäß der GB-A-1184056 ist das Sicherungselement als elektrisch leitende Silberschicht insbesondere in einer flachen Form bzw. Flockenform, gemischt mit zwischen zwei Isolierschichten sandwichartig angeordneten Glaspartikeln ausgebildet. Gemäß der US-A-3401452 wird die Sicherung durch eine Metallschicht, typischerweise aus Gold, gebildet, die auf ein Substrat aufgebracht und mit einer Glasschicht abgedeckt ist. Gemäß der EP-A-0270954 wird die Sicherung aus einer Leitungsbahn oder einem Leitungsstreifen gebildet, die auf ein Keramiksubstrat aufgebracht und durch eine Silikonharzschicht abgedeckt ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß reagiert und wirkt ein Fehlerstrom-Sicherungswiderstand (FCFR) sehr schnell, wenn er den beschriebenen (oder anderen) relativ hohen Fehlerströmen und relativ hohen AC-/DC-Fehlerspannungen ausgesetzt ist. Die Vorrichtung unterbricht (öffnet) auf eine kontrollierte, eingeschlossene und nicht-explosive Weise und daher relativ sicher und erzeugt keine Verunreinigungen. Es entsteht im wesentlichen kein nicht-eingeschlossener Überschlag bzw. Lichtbogen oder es entsteht überhaupt kein Überschlag. Wenn die Vorrichtung in einer Leistungshalbleiterschaltung oder in einer ähnlichen Schaltung angeordnet ist, arbeitet sie über lange Zeitperioden, während nur ein kleiner Strom durch sie hindurchfließt. Beim plötzlichen Auftreten eines Fehlerstroms führt die stufen- oder sprungartige Änderung des Stromflusses jedoch zu der erwähnten sehr schnellen Unterbrechung des Fehlerstromflusses.
Erfindungsgemäß weist eine Sicherung auf:

(a) eine längliche streifenförmige elektrische Widerstandsschicht mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Breite auf einem Substrat;
(b) eine Anschlußeinrichtung, die mit der länglichen streifenförmigen Schicht an entgegengesetzten Endabschnitten davon verbunden ist; und
(c) eine um die streifenförmige Schicht herum angeordnete Aufnahme- und Dichtungseinrichtung zum engen Einschließen und Abdichten der streifenförmigen Schicht, wobei die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung eine derartige Konstruktion und Zusammensetzung aufweist, daß sie während des Auftretens und nach dem Auftreten einer elektrischen Störung, die eine ausreichende Größe hat, gemäß der veranlaßt wird, daß die streifenförmige Schicht schmilzt, intakt bleibt, nicht bricht und nicht unterbrochen wird, und wobei die streifenförmige Schicht derart ausgewählt ist, daß beim Auftreten einer Störung viele Unterbrechungen oder Brüche in der streifenförmigen Schicht erzeugt werden, die sich in Querrichtung der streifenförmigen Schicht erstrecken und in ihrer Längsrichtung beabstandet sind.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schützen eines Schaltungsteils vor Kurzschlüssen und anderen elektrischen Störungen bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Schalten eines Fehlerstrom-Sicherungswiderstands mit einer länglichen streifenförmigen Widerstandsschicht in Serie mit dem Schaltungsteil, wobei der Sicherungswiderstand eine auf einem Substrat ausgebildete längliche streifenförmige Widerstandsschicht mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Breite aufweist, wobei eine Aufnahme- und Dichtungseinrichtung die Schicht eng umschließt und abdichtet, um zu verhindern, daß Dämpfe der Schicht entweichen, indem veranlaßt wird, daß die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung intakt bleibt, nicht bricht und nicht unterbrochen wird, wenn eine Störung in dem Schaltungsteil auftritt, und wobei die Schicht derart ausgewählt ist, daß beim Auftreten einer derartigen Störung viele Unterbrechungen oder Brüche in der streifenförmigen Schicht erzeugt werden, die sich in Querrichtung der streifenförmigen Schicht erstrecken und in ihrer Längsrichtung beabstandet sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine stark vergrößerte Draufsicht einer Ausführungsform eines Fehlerstrom-Sicherungswiderstands (FCFR);
2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht des Sicherungswiderstands entlang einer Linie 2-2 in 1;
3 zeigt eine Seite eines Substrats, auf dem nur die Leiterbahnen und Anschluß-Pads ausgebildet sind;
4 zeigt eine Rückansicht der 3, 5 und 6 zum Darstellen von Anschluß-Pads;
5 zeigt die auf das Substrat aufgebrachte Widerstandsschicht;
6 zeigt eine auf den Schichten auf allen Abschnitten mit Ausnahme der Anschluß-Pad-Bereiche aufgebrachte Glasbeschichtung;
7 zeigt eine Kombination aus dem Fehlerstrom-Sicherungswiderstand und dem zu schützenden Schaltungsteil, wobei der Schaltungsteil schematisch in Blockform dargestellt ist;
8 zeigt eine isometrische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei Abschnitte im Aufriß dargestellt sind;
9 – 14 zeigen Vorderansichten von Verarbeitungsschritten für die Herstellung einer anderen Ausführungsform; und
15 – 16 zeigen Vorderansichten zum Darstellen einer weiteren Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Gemäß insbesondere den 1, 5 und 6 erstreckt sich ein längliches Widerstandselement 10 zwischen Anschlußeinrichtungen 11, 11a (1). Das Element 10 ist in einer Aufnahme- und Dichtungseinrichtung 12 (2) aufgenommen und abgedichtet angeordnet, die ausreichend stabil ist, um Kräften standzuhalten, die mit der Erwärmung und dem Öffnen des Widerstandselements in Beziehung stehen, was durch Fehlerströme erzeugt wird.
Das Widerstandselement 10 besteht vorzugsweise aus einer durch Siebdruck auf eine Basis oder ein Substrat 13 aufgebrachten Dickschicht-Widerstandszusammensetzung, wobei das Substrat auch einen Teil der vorstehend beschriebenen Aufnahme- und Dichtungseinrichtung bildet. Alternativ kann das Widerstandselement 10 durch Aufdampfen, Aufsputtern "Tintenstrahldruck" oder durch eine ähnliche Technik ausgebildet werden.
Vorzugsweise wird das durch Siebdruck hergestellte Dickschichtelement 10 aus einer Palladium-Silber-Zusammensetzung hergestellt. Vorzugsweise wird das Element 10 unter Verwendung eines 325- oder 400-mesh-Siebs dünn siebgedruckt. Ein Beispiel der verwendbaren Palladium-Silber-Zusammensetzungen ist die Serie "Ferro 850" von Ferro Corporation, Electronic Materials Division, Santa Barbara, Kalifornien.
Die Zusammensetzung und die Form des Widerstandselements 10 sind derart, daß es einen relativ niedrigen Widerstandswert von typischerweise weniger als 30 Ω, vorzugsweise 10 Ω bis 1,0 Ω oder 0,5 Ω (oder einen noch etwas niedrigeren Wert) aufweist. Der Widerstandswert des Widerstandselements 10 ist jedoch größer als nur ein kleiner Teil eines Ohms, beispielsweise größer als einige wenige mΩ. Der spezifische Oberflächenwiderstand des Materials, aus dem das Widerstandselement 10 besteht, beträgt typischerweise Bruchteile von Ω/Quadrat.
Die streifenförmigen Widerstandsschicht 10 wird ausreichend lang hergestellt, so daß sie der zugeführten Spannung standhält, nachdem der Fehlerstrom aufgehört hat, jedoch ausreichend kurz, um zu verhindern, daß der Widerstand übermäßig hoch ist, und ausreichend kurz für eine geeignete Funktionsweise oder Reaktion. Eine Streifenlänge von weniger als 2,54 cm (1 Zoll) ist bevorzugt. Je niedriger die Nennspannung der Vorrichtung ist, desto kürzer ist die für eine geeignete Funktionsweise oder Reaktion erforderliche Streifenlänge.
Hinsichtlich der Breite der streifenförmigen Widerstandsschicht 10 gilt: schmalere Streifen sind hinsichtlich der Funktionsweise oder Reaktion während einer Störung bevorzugt. Daher ist hinsichtlich einer Reaktion des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands (FCFR) eine Streifenbreite von 0,254 mm (0,01 Zoll) gegenüber einer Streifenbreite von 0,762 mm (0,03 Zoll) bevorzugt. Während eines Normalbetriebs (vor dem Auftreten einer Störung) verteilt der breitere (z.B. 0,762 mm) Streifen jedoch die Leistung über eine größere Querschnittsfläche und trägt zur Wärmedissipation bei. Daher ist beispielsweise (bezüglich der streifenförmigen Widerstandsschicht 10), wenn die normale Leistung im Fehlerstrom-Sicherungswiderstand (FCFR) Bruchteile eines Watts beträgt, ein schmalerer Streifen, z.B. ein Streifen mit einer Breite von 0,254 mm (0,01 Zoll) bevorzugt. Wenn die normale Leistung 1 Watt oder mehr beträgt, ist dagegen ein breiterer Streifen mit einer Breite von beispielsweise 0,762 mm (0,03 Zoll) bevorzugt.
Die vorstehend spezifizierten niedrigeren Widerstandswerte von beispielsweise 1 Ohm erfordern einen niedrigeren Leistungsverlust im Fehlerstrom-Sicherungswiderstand (FCFR), der z.B. in der Leistungshalbleiterschaltung, in der der Fehlerstrom-Sicherungswiderstand angeordnet ist, durch niedrigere Normalbetrieb-Strompegel verursacht wird. Höhere Widerstandswerte (von beispielsweise 10 Ω) im im vorstehenden Paragraphen spezifizierten Bereich begrenzen die Größe des Fehlerstroms unmittelbar bevor der Fehlerstrom-Sicherungswiderstand (FCFR) öffnet.
Geeignete Konfigurationen sind beispielsweise bogenförmige und gekrümmte bzw. Mäander-Konfigurationen, vorausgesetzt, daß ein flacher Winkel bereitgestellt wird, durch den ein kleiner Abstand zwischen benachbarten Streifen im Krümmungsmuster vermieden wird, so daß keine Überschläge zwischen Schleifen auftreten.
Ein gerader Streifen ist bevorzugt. Der Streifen kann auch (wie erwähnt) bogenförmig oder in einem großen, vorzugsweise stumpfen Winkel ausgebildet sein. Der Streifen (Widerstandselement 10) sollte sich, anstatt verdoppelt nach hinten, nach vorne (zum entgegengesetzten Anschluß hin) erstrecken. Wenn verschiedene Teile benachbarter Streifen so eng beieinander liegen, daß ein Überschlag verursacht wird, ist möglicherweise keine Verdoppelung nach hinten möglich.
Die tatsächliche Größe des Widerstandselements 10 ist gemäß einem lediglich zur Erläuterung dienenden, jedoch nicht einschränkenden Beispiel durch eine Länge von etwa 17,27 mm (0,680 Zoll) und eine Breite von 0,762 mm (0,030 Zoll) spezifiziert. Der Widerstandswert dieses spezifischen Beispiels des Widerstandselements beträgt 10 Ω. In diesem spezifischen Beispiel ist die Größe des Substrats 13 durch eine Länge von 20,32 (0,8 Zoll) mm und eine Höhe von 12,7 mm (0,5 Zoll) spezifiziert.
Der Streifen der Widerstandsschicht hat im vorliegenden Beispiel eine Dicke (gebrannte Dicke) von 0,01 mm (0,0004 Zoll) bis 0,0254 mm (0,001 Zoll).
Nachstehend werden die Anschlußeinrichtungen 11 (1) beschrieben, die aus einer breiten Vielfalt von Anschlüssen ausgewählt werden können, z.B. aus Anschlüssen, die mit dem Widerstandselement 10 im wesentlichen in einer Linie ausgerichtet sind. Die Anschlüsse müssen nicht mechanisch mit dem Substrat 13 verbunden sein, obwohl dies für die vor liegende Ausführungsform bevorzugt ist, in der die Anschlüsse durch eine Lötverbindung befestigt sind.
Gemäß 3 bilden die dargestellten siebgedruckten Leiterbahnen 14 und Pads 16 einen Teil der Anschlußeinrichtungen 11 (1), die in der Nähe der Enden des Substrats 13 angeordnet sind, wobei die Leiterbahnen im wesentlichen parallel zu den Enden des Substrats ausgerichtet sind. Die Leiterbahnen 14 und Pads 16 werden gleichzeitig aus einem Material mit niedrigem spezifischem Oberflächenwiderstand siebgedruckt, das vorzugsweise einen spezifischen Oberflächenwiderstand von weniger als 5 mΩ/Quadrat aufweist. Ein Beispiel für dieses Material ist DuPont 9770. Das Material DuPont 9770 ist eine Platin-Silber-Zusammensetzung. Nachdem die Anschluß (Abschluß) -leiterbahnen und die Pads durch Siebdruck aufgebracht wurden, und bevor das Widerstandselement 10 darauf aufgebracht wird, werden die Leiterbahnen und Pads gebrannt. Ähnlicherweise wird das bevorzugte siebgedruckte Widerstandselement 10, nachdem es aufgebracht worden ist, gebrannt.
Die Anschlußeinrichtungen weisen im dargestellten Beispiel klauen- oder klemmenförmige Anschlußpins 17 als Klemmen auf Pads 16, 18 auf, wobei die Klemmen an den Pads angelötet sind.
Nicht nur durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Leiterbahnen 14 und der Pads 16, sondern auch dadurch, daß das Widerstandselement 10 vom unteren Rand des Substrats 13 beabstandet und relativ nahe an dessen oberem Rand angeordnet ist, wird verhindert, daß die Pins 17 übermäßig erwärmt werden. Daher entsteht ein wesentlicher Wärmegradient zwischen dem wärmeerzeugenden Widerstandselement 10 und den in den Platinenlöchern angeordneten Pinabschnitten. Der Wärmegradient ist aufgrund der geringen Substratdicke erhöht.
Es ist vorstellbar, verschiedene andere Konfigurationen zu implementieren, z.B. kann die Höhe des Substrats wesentlich kleiner sein, so daß die Pins ziemlich nahe an der Widerstandsschicht angeordnet sind. Dadurch wird ein kleineres Teil erhalten, was beispielsweise vorstellbar ist, wenn der Widerstandswert des Widerstandselements 10 nur etwa 1 Ω beträgt, so daß durch normale Ströme ein geringerer Leistungsverlust entsteht.
Nachstehend wird die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung 12 (2) ausführlich beschrieben. Die dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Aufnahme- und Dichtungseinrichtung weist das Substrat 13 auf, das daher (in der bevorzugten Ausführungsform) nicht nur zum Aufbringen der Schichten, sondern auch als Teil der Aufnahme- und Dichtungseinrichtung dient. Sie weist ferner eine Abdeckung 19 (1 und 2) auf, die vorzugsweise derart angeordnet ist, daß ihr oberer und ihr Seitenrand mit den oberen und vertikalen Rändern des Substrats 13 ausgerichtet ist, und ihr unterer Rand 21 vom Widerstandselement 10 beabstandet ist. Ein exemplarisches Material zum Herstellen des Substrats 13 und der Abdeckung 19 ist Aluminiumoxid.
Die Elemente 13, 19 können jeweils eine Dicke von 0,762 mm (0,030 Zoll) haben. Bei höheren Drücken wird jedes der Elemente in einer Dicke von 1,016 mm (0,040 Zoll) ausgebildet. Auch diese z.B. aus sprödem Aluminiumoxid hergestellten, relativ dünnen Schichten werden Drücke aufnehmen, die aufgrund von durch das Widerstandselement 10 fließenden großen Strömen erzeugt werden.
Die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung 12 weist ferner ein Dichtungs- und Verbindungsmaterial 22 (2) auf, das den gesamten Raum zwischen den einander zugewandten Flächen der Elemente 13, 19 ausfüllt. Ein bevorzugtes Material hierfür ist Epoxidkleber. Weil das Material mit Ausnahme des durch die Schichten belegten Raums den gesamten Raum füllt, ist zwischen den Elementen 13, 19 im wesentlichen keine Luft vorhanden (im Epoxidkleber können sehr kleine Luftblasen vorhanden sein).
In der bevorzugten Ausführungsform wird das Widerstandselement 10 vor dem Aufbringen der Abdeckung und der Anschlüsse mit einer Überglasur (Glasschicht) 23 bedeckt. Diese Glasschicht wird vorzugsweise durch Siebdruck aufgebracht und dann gebrannt. Ein exemplarisches Material hierfür ist DuPont 9137. Für den Siebdruckvorgang sind vorzugsweise zwei Durchgänge unter Verwendung eines 200-mesh-Siebs vorgesehen, wobei das Material nach jedem Durchgang bei 550°C gebrannt wird, um ein Hochglanz-Finish zu erhalten.
Wie in 6 dargestellt ist, ist die Glasschicht 23 wesentlich größer als das Widerstandselement 10, so daß sie sich wesentlich über die Seiten und Enden des Widerstandselements hinaus erstreckt. Bei einer Störung nimmt die Breite des Widerstandselements 10 typischerweise um weniger als 10% entlang jeder Seite zu. Möglicherweise tritt sogar überhaupt keine Zunahme der Breite auf.
Das Keramiksubstrat und die Abdeckung, das Epoxidmaterial und (vorzugsweise) die Glasschicht wirken zusammen, um eine effektive Aufnahme- und Dichtungseinrichtung 12 zu bilden, die (wie vorstehend erwähnt), eine Explosion des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands (FCFR) und damit ein Platzen oder Durchschläge verhindert. Nachdem die Sicherung geöffnet hat, entstehen keinerlei Verunreinigungen, so daß das Produkt durch einen hohen Sicherheitsgrad gekennzeichnet ist.
In einem anderen Produkt, das mit Ausnahme der Größe dem vorliegenden Produkt entspricht, ist der untere Rand 21 der Abdeckung 19 wesentlich niedriger als in den 1 und 2 dargestellt und in der Nähe der oberen Abschnitte der Klemmen der Pins 17 angeordnet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der erfindungsgemäße Artikel oder die erfindungsgemäße Vorrichtung (vorzugsweise die in den Zeichnungen dargestellte und vorstehend ausführlich beschriebene Ausführungsform) in Serie mit den Komponenten oder Leiterbahnen einer Leiterplatte, die vor einem Kurzschlußstrom geschützt werden sollen, auf der Leiterplatte montiert oder anderweitig damit verbunden. Nachstehend wird auf 7 Bezug genommen. Gemäß der zu Beginn dieser Beschreibung dargestellten exemplarischen Situation ist die Schaltung eine Leistungshalbleiterschaltung. Daher wird der erfindungsgemäße Fehlerstrom-Sicherungswiderstand (FCFR) in dieser exemplarischen Situation mit dem potentiellen Kurzschlußstrompfad der Leistungshalbleiterschaltung in Serie geschaltet.
Durch die vorliegende Erfindung werden in Verbindung mit Kurzschlüssen auftretende Gefahren und Zerstörungen im wesentlichen vollständig verhindert. Durch den durch das Widerstandselement fließenden Fehlerstrom wird veranlaßt, daß der leitfähige Zustand des Widerstands zusammenbricht, wodurch der Strom innerhalb einer extrem kurzen Zeitdauer unterbrochen wird. Es entsteht ein heller Blitz, der durch das Substrat 13 deutlich erkennbar ist. Der Abstand zwischen den oberen Enden der Leiterbahnen 14 ist innerhalb der aufgenommenen Konstruktion ausreichend, um trotz der andauernden, relativ hohen Spannung, durch die veranlaßt wurde, daß die Vorrichtung öffnet, eine Wiederaufnahme des Stromflusses (Rückzündung) zu verhindern.
Der vorstehend spezifizierte Beispielartikel (10 Ω) unterbricht bei 1000 Volt Gleichspannung und potentiell 100 A Strom den Strom in weniger als 200 μs, wobei der größte Teil der Stromreduzierung während der ersten 20 µs auftritt.
Erfindungsgemäß kann eine Steuerschaltung mit einer relativ kleinen Kupferleiterbahn bereitgestellt werden. D.h., es kann eine minimale Leiterbahnabmessung auf der Leiterplatte der Steuerschaltung bereitgestellt werden, weil die erfindungsgemäße Sicherung sehr schnell anspricht und wirkt. Der Stromfluß wird außerordentlich rasch und vollständig unterbrochen.
Wenn kein Glas (Überglasur) verwendet wird, erweitern sich die Ränder des betroffenen Bereichs in Antwort auf den Fehlerstrom im Vergleich zu dem Fall, in dem Glas verwendet wird, wesentlich.
Wie vorstehend erwähnt wurde, weist die vorliegende Erfindung (gemäß einem ihrer Aspekte) die Kombination aus einem Leistungshalbleiter (und der in Verbindung damit verwendeten Steuerschaltung) und dem erfindungsgemäßen Fehlerstrom-Sicherungswiderstand (FCFR) auf. Gemäß einem anderen Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens öffnet der vorstehend erwähnte Fehlerstrom-Sicherungswiderstand (FCFR) bei Spannungen im Bereich von 150 V bis 1000 V AC/DC.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollten alle Abschnitte des Widerstandselements aufgenommen und umschlossen sein. Daher sollte beispielsweise kein nicht abgedeckter Abschnitt des Widerstandselements an der Rückseite (an der freiliegenden Seite) der Basis oder des Substrats freiliegen, der mit dem abgedeckten Widerstandselement an der Vorderseite verbunden ist.
Weitere Diskussion des Verfahrens und des Artikels Das erfindungsgemäße FCFR-Verfahren und der erfindungsgemäße FCFR-Artikel sind durch ausgezeichnete Eigenschaften gekennzeichnet. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße FCFR-Vorrichtung mit einer praktischen Größe während eines Störungszustands bei 2000 Volt DC reagieren und innerhalb von 50 µs öffnen. Dieser Vorgang findet sicher statt, ohne daß die Vorrichtung bricht oder andere unerwünschte Folgen auftreten. Von außen ist als Folge der Störung lediglich ein Lichtblitz sichtbar.
Die mit der in der erfindungsgemäßen FCFR-Vorrichtung während einer Störung auftretenden überraschenden Erscheinung in Beziehung stehenden theoretischen Zusammenhänge sind unklar. Nachstehend werden (1) die Elemente erläutert, die vermutlich zum Erzielen der in der vorliegenden Beschreibung dargestellten Ergebnisse wichtig sind, und (2) der Zustand des Widerstandselements nach dem Auftreten einer Störung erläutert.
Das vorstehend erwähnte Palladium-Silber-Material Ferro 850 enthält Palladium, Silber und Glas. Diese Komponenten sind in Pulver(Partikel)form in einem geeigneten Vehikel enthalten, das während der Aufbringung auf das Substrat (z.B. durch Siebdruck) vorhanden ist, aber durch Brennen entfernt oder herausgetrieben wird. Das Palladium-Silber-Material Ferro 850 ist ein Beispiel der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der bestimmte Metall- und Glaspartikel (Pulver) miteinander gemischt sind. Nach dem Brennen werden die Metallpartikel mit Glas in einer leitfähigen Schicht kombiniert. Der gewichtsmäßig größte Anteil der Schicht besteht aus Metallpartikeln.
Das im vorstehenden Abschnitt erwähnte zweite Element ist durch dichtes Einschließen oder Einkapseln des Widerstandselements (z.B. 10) gekennzeichnet. Im dargestellten Beispiel wird durch das Substrat 13, die Abdeckung 19 und das Dichtungs- und Verbindungsmaterial 22 und (in einer Ausführungsform) die Überglasur 23 eine Einkapselung auf praktische und ökonomische Weise realisiert. Wenn keine Einkapselung vorgesehen ist, würde während eines Hochstrom-Störungszustands bei einer hohen Spannung ein äußerer "Feuerball" entstehen. Bei einer effektiven dichten Einkapselung darf im wesentlichen keine Luft vorhanden sein und müssen Hohlräume im wesentlichen eliminiert sein; Luft ist am oder in der Nähe des Widerstandselements (z.B. 10) unerwünscht, weil elektrische Überschläge möglichst weitgehend vermieden werden müssen.
Ein anderer wesentlicher Faktor zum Erzielen optimaler Ergebnisse ist, daß die streifenförmige Widerstandsschicht (z.B. 10) ziemlich dünn ausgebildet wird. Daher wird für den Siebdruckvorgang typischerweise ein 325- oder 400-mesh-Sieb verwendet. Die Schicht hat dann nach dem Brennen eine Dicke von etwa 0,0127 mm (0,0005 Zoll). Wenn ein 200-mesh-Sieb verwendet wird, sind die Ergebnisse weniger zufriedenstellend.
Die Metallpartikel in der Widerstandsschicht 10 sind klein. Beispiele derartiger Partikel haben eine Größe von etwa 1 µm.
Nachstehend wird der Zustand der Widerstandsschicht (z.B. 10) nach einer Störung beschrieben, der durch Entfernen der Abdeckung 19, des Epoxids 22 und der Überglasur 23 bestimmt wird. Durch Untersuchen der derart freigelegten (streifenförmigen) Widerstandsschicht 10 durch ein Mikroskop zeigen sich mehrere Unterbrechungen, Brüche oder Diskontinuitäten in der (streifenförmigen) Widerstandsschicht 10, die sich allgemein senkrecht zur Längsachse der (streifenförmigen) Schicht erstrecken. Die Anzahl dieser Unterbrechungen steht vermutlich mit der Größe der während des Verlaufs der Störung über den Fehlerstrom-Sicherungswiderstand anliegenden Spannung in Beziehung. Die Unterbrechungen sind in Längsrichtung der (streifenförmigen) Schicht voneinander beabstandet.
Beispielsweise traten in einem Fehlerstrom-Sicherungswiderstand mit einem Widerstandswert von 10 Ω 63 Unterbrechungen auf einer Länge von 17,27 mm (0,68 Zoll) der (streifenförmigen) Schicht 10 auf, wenn die während der Störung auftretende Spannung 1000 V betrug. Durch eine höhere Spannung würden mehr Unterbrechungen, durch eine geringere Spannung weniger Unterbrechungen erzeugt.
Typischerweise hat jeder dieser Unterbrechungen (Brüche oder Diskontunuitäten) eine Breite von etwa 0,0127 mm (0,0005 Zoll) bis 0,0762 mm (0,003 Zoll). Diese Unterbrechungen sind normalerweise nicht leer, sondern enthalten Materialreste und auch einige Metallkügelchen. Sie enthalten auch etwas Glas, das durch Säure gelöst werden kann, um zu erreichen, daß das Metall besser sichtbar ist.
Die Unterbrechungen können das Erscheinungsbild von Flächenfotos großer Flüsse haben, in denen Inseln und Kanäle vorhanden sind, wobei die "Fluß"ränder (-ufer) nicht gerade, sondern unregelmäßig ausgebildet sind. Die "Flüsse" erstrecken sich im wesentlichen über die volle Strecke (im vorstehenden Beispiel über 0,0762 mm (0,003 Zoll)) quer über das Widerstandselement (z.B. das streifenförmige Widerstandselement 10). Die Metallkügelchen haben von oben betrachtet das Erscheinungsbild sehr großer Ballone, die über den "Flüssen" schweben, typischerweise an ihren "Ufern". Die Kügelchen haben verschiedene Größen.
Die Unterbrechungen (oder Folgen davon) haben ein Erscheinungsbild, als ob sie durch Auseinanderziehen der streifenförmigen Widerstandsschicht durch Zugkräfte erzeugt worden wären, die in Längsrichtung des Streifens wirken.
Zum Erklären der dargestellten Erscheinungen kommen mehrere Theorien in Betracht. Trotz (z.B.) Untersuchungen der Teile oder Komponenten unter Verwendung eines Elektronenmikroskops sind die meisten "Erklärungen" allerdings größtenteils Spekulationen. Einige Merkmale erscheinen ziemlich klar:

(1) Ein Teil des Metalls in den Unterbrechungen schmilzt, weil es (möglicherweise durch Oberflächenspannung) zu Kügelchen zusammengezogen wird.
(2) Wie vorstehend erwähnt wurde, ist die Anzahl der Unterbrechungen umso größer, je höher die Spannung ist. Der durch eine Störung erhaltene Zustand, gemäß dem mehrere Unterbrechungen entstehen, steht in krassem Gegensatz zu dem in herkömmlichen Ganzmetallsicherungen (aus Draht oder mit Metallquerschnitt) erhaltenen Ergebnis. Bei diesen herkömmlichen Sicherungen tritt typischerweise lediglich eine Unterbrechung auf, die immer größer wird. Es ist nicht bekannt, ob die Unterbrechungen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichzeitig oder kaskadenförmig entstehen.
(3) Die dichte Einkapselung nimmt Dampf auf, der durch die Erwärmung der leitfähigen Schicht entsteht, und/oder kann geschmolzenes Metall einschließen und begrenzen, das tendenziell zu größeren Kügelchen anwächst. Einer dieser Effekte oder beide Effekte können tendenziell Überschläge oder ein übermäßiges Anwachsen der Unterbrechungen verhindern.
(4) Der Lichtblitz schient entlang einer Länge des Sicherungswiderstands und nicht nur an einem Punkt aufzutreten.
(5) Der Fehlerstrom wird derart rasch unterbrochen, daß die Aufnahmestruktur nicht explodiert oder bricht.
(6) Der Fehlerstrom wird derart rasch unterbrochen, daß doe obere Fläche der Überglasur normalerweise nicht schmilzt oder beeinflußt wird (nur manchmal leicht "gesprenkelt" wird).
(7) Die erfindungsgemäßen Erscheinungen sind nicht das Ergebnis der Lösung des Metalls im Glas. Eine Lösung ist unerwünscht, obwohl sie in einem geringen Maße tolerierbar ist.
(8) Weil viele Unterbrechungen auftreten, wird der Spannungsabfall über jede Unterbrechung wesentlich reduziert. Es tritt eine Art Spannungsteilerwirkung auf.
(9) Jegliche Überschläge werden leicht aufgenommen und unterbunden.
(10) Durch den vorstehend erwähnten bevorzugten Widerstandsbereich werden erhebliche Vorteile hinsichtlich einer Begrenzung der Größe des Fehlerstroms unmittelbar vor der Unterbrechung des Stromflusses bereitgestellt.

Ausführungsform von 8
Mit Ausnahme spezifisch dargestellter Änderungen ist die Ausführungsform von 8 mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform identisch und wird nachstehend anhand spezifischer Beispiele beschrieben.
In dieser Ausführungsform ist die streifenförmige Widerstandsschicht 10 normalerweise nicht durch die Überglasur 23 bedeckt, obwohl dies der Fall sein kann.
Die Abdeckung 19 ist nicht vorhanden, und auch das Dichtungs- und Verbindungsmaterial (Epoxid) 22 ist nicht vorhanden.
Über der streifenförmigen Widerstandsschicht 10 wird nach dem Brennen dieses Schichtstreifens eine chemisch gebundene keramische Substanz 26 mit einer ausreichenden Dicke bereitgestellt, so daß sie während eines Störungszustands nicht platzt, sondern stattdessen dem Druck widersteht, der durch die durch den hohen Strom verursachte Erwärmung und Schmelzung erzeugt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Substanz 26 kann eine Dicke von 0,762 mm (0,03 Zoll) aufweisen. Bei einigen Zusammensetzungen der streifenförmigen Widerstandsschicht beträgt die Dicke jedoch 1,016 mm (0,040 Zoll) – 1,525 mm (0,060 Zoll), um ein Platzen zu verhindern.
Die Substanz 26 wird durch eine Spritze in Pastenform aufgebracht und dann luftgetrocknet. Sie wird dann gebrannt und ausgehärtet. Sie kann beispielsweise (nach einem Lufttrocknungsprozeß) bei 93°C (200°F) für 3 Stunden getrocknet und dann bei 148°C (300°F) für eine Stunde ausgehärtet werden.
Eine bevorzugte keramische Substanz 26 ist "Cerama-Dip 538", d.h. eine zum Einbetten von Hochtemperatur-Widerstandsdrähten und ähnlichen Elementen verwendete dielektrische Beschichtung. Ihr Hauptbestandteil ist Aluminiumoxid. Sie wird durch Aremco Products, Inc., Ossining, New York verkauft.
Ausführungsform der 9-14
Einer der Vorteile des vorliegenden einfachen und ökonomischen Fehlerstrom-Sicherungswiderstands (FCFR) ist, daß er auf durch die Elektronikindustrie gewünschte Weisen verpackt werden kann. D.h., er kann beispielsweise als Kühlkörperhalterungs-, als Radialleitungs- oder als Axialleitungsbauelement oder als oberflächenmontiertes Bauelement verpackt werden. Diese Bauelemente haben physische Standardgrößen und -montageflächen.
Teile und Komponenten in den 9-14, die Teilen in den 1-8 entsprechen, sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, denen jedoch ein "a" angehängt ist. Das Substrat 13a entspricht dem Substrat 13, außer daß es vertikal etwas länglich ausgebildet ist. Auf dem Substrat werden Leiterbahnen 14a und Pads 16a mit geringem spezifischem Oberflächenwiderstand durch Siebdruck aufgebracht. Dann wird die streifenförmige Widerstandsschicht 10a durch Siebdruck darauf ausgebildet und gebrannt. Darauf wird eine Überglasur 23a durch Siebdruck aufgebracht und gebrannt.
Dann werden Zuleitungen oder Pins 28 an den Pads 16a angelötet, wobei sich die Zuleitungen oder Pins vom Substrat 13a nach außen parallel zueinander erstrecken. Dann wird eine Abdeckung 19a (13) durch das Aufnahme- und Dichtungsmaterial (Epoxid) aufgebracht, oder es wird ein Keramikmaterial (z.B. 26) verwendet.
Dann wird ein Gußgehäuse oder ein Körper 29 (14) aus Kunstharz durch Preßspritzformen oder Spritzgießen um die in 13 dargestellte Anordnung herum ausgebildet. Das dargestellte Gehäuse 29 weist eine sich durch das Gehäuse erstreckende Schraubenöffnung 30 auf, so daß das Bauelement als Kühlkörperhalterungsvorrichtung verwendbar ist.
Ausführungsformen der 15-16
In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Zusammensetzung der (streifenförmigen) Widerstandsschicht 10b derjenigen der streifenförmigen Widerstandsschichten 10 und 10a, sie unterscheidet sich allerdings in wesentlichen Merkmalen. Sie ist nicht kontinuierlich, sondern segmentiert ausgebildet. Die Segmente sind durch Pads mit niedrigem spezifischen Oberflächenwiderstand miteinander verbunden, deren Zusammensetzung den Pads (und Leiterbahnen) 14-16 und 14a bis 16a entspricht.
In der dargestellten Ausführungsform sind vier Pads 32, 33, 34 und 35 an den Eckenabschnitten des Substrats 13a angeordnet (das dem Substrat der vorangehenden Ausführungsform gleicht).
Zwischen den Pads 32-33, 33-34 und 34-35 sind Abschnitte 36, 37 und 38 der (streifenförmigen) Widerstandsschicht verbunden. Mit Ausnahme der Länge und der Ausrichtung sind die Abschnitte 36, 37 und 38 jeweils mit der Widerstandsschicht 10 identisch.
Die dargestellten Abschnitte 36, 37 und 38 sind unter rechten Winkeln zueinander angeordnet. Ihre kombinierten Längen sind wesentlich größer als (z.B.) die Länge des Streifens 10a in 10. Daher kann die in den 15-16 dargestellte Ausführungsform, nachdem der Störungszustand beendet ist, einer höheren Spannung widerstehen als die in den 9-14 dargestellte Ausführungsform. Der Fehlerspannungsabfall verteilt sich entlang der streifenförmigen Schicht, insbesondere entlang den Unterbrechungen der streifenförmigen Schicht, so daß durch einen längeren Streifen eine bessere Isolierung bezüglich hohen Fehlerspannungen erreicht wird.
Durch die an den Ecken angeordneten Pads 33, 34 mit niedrigem spezifischen Oberflächenwiderstand wird die Wahrscheinlichkeit von Überschlägen an den Ecken reduziert, oder die Wahrscheinlichkeit, daß an den Ecken unerwünscht große Unterbrechungen entstehen. Es sind keine großen Unterbrechungen erwünscht, sondern mehrere kleine Unterbrechungen, wie bezüglich der ersten Ausführungsform dargestellt wurde.
Die in den 15-16 dargestellte Vorrichtung wird nachstehend unter Bezug auf die 11, 12, 13 und 14 dargestellten und beschriebenen Schritte beschrieben. Das Ergebnis ist ein Hochspannungs-Fehlerstrom-Sicherungswiderstand (FCFR), der klein und nach Wunsch geformt und verpackt ist und hohe Strome mit einer hohen Geschwindigkeit unterbricht.
Der in den beigefügten Ansprüchen verwendete Ausdruck "Glas" umfaßt nicht nur die herkömmliche Bedeutung dieses Ausdrucks, sondern darüber hinaus jegliche keramischen Substanzen mit der Fähigkeit zum Ausbilden einer glasähnlichen Matrix in der leitfähigen Schicht während eines Brennvor gangs, wobei die glasähnliche Matrix ähnlich wie Glas funktioniert, um mehrere Unterbrechungen zu erzeugen, wie vorstehend ausführlich beschrieben worden ist. Unter einigen Bedingungen kann Glas während des Brennvorgangs von glasbildenden Bestandteilen im aufgebrachten Material "erzeugt" werden. Das Glasmaterial kann Verstärkungs-Füllstoffe enthalten. Der in den beigefügten Ansprüchen verwendete Ausdruck Metall kann auch einige leitfähige Metalloxide beinhalten, die zusammen mit dem metallischen Material verwendet werden.
Weitere spezifische Beispiele
Zur Herstellung von FCFR-Testgruppen verwendete Materialien
Substrat:
In allen getesteten Versionen wurde ein 96% Al₂O₃-(Aluminiumoxid) Flachsubstrat verwendet
Abschluß:
Vorderseitige und, wo anbringbar, rückseitige Abschlüsse.
Zusammensetzung des leitfähigen Materials: DuPont 9770. Sehr niedriger spezifischer Oberflächenwiderstand von etwa 3 mΩ/Quadrat. Durch den spezifischen Oberflächenwiderstand und/oder die Abmessungen der Abschlußkonstruktion wird ein niedriger Abschlußwiderstand bezüglich des FCFR-Elements erhalten, um eine übermäßige Erwärmung und ein Versagen der Abschlußleiterbahnen zu vermeiden, während das Element durch einen Fehlerstrom schmilzt. 250 mesh (Rückseite und Vorderseite). Gebrannt bei 850°C gemäß normalen Dickschicht-Brennverfahren.
Material A des FCR-Elements:
Ferro 850 Serie Formel Nr. 1/5.
Palladium-Silber-Zusammensetzung. Der spezifische Oberflächenwiderstand ist durch Ferro mit 1/5 Ω/Quadrat (0,20 Ω/Quadrat) spezifiziert, wenn das Material mit einem 200-mesh-Gitter aufgebracht und bei 850°C gebrannt wird. Das Material besteht aus Metallpulvern, Keramikpulvern und einem organischen Vehikel. Die Zusammensetzung besteht (in Gew.-%) aus:
15-75% Palladium mit einer Größe von etwa 1 µm.
10-50% Silber mit einer Größe von etwa 1 µm.
5-30% Bariumborsilikatglas mit einer Größe von etwa 1 µm. Das Glas schmilzt im Bereich von etwa
700°C bis 800°C.
8-25% Vehikel.
Durch das organische Vehikel werden eine geeignete Suspension der Partikel und für den Dickschicht-Siebdruckvorgang geeignete Fließeigenschaften bereitgestellt. Zum Herstellen des FCFR-Widerstandselements wird dieses Material vorzugsweise mit einem 325-mesh-Sieb, noch bevorzugter mit einem 400-mesh-Sieb siebgedruckt, um eine dünne Beschichtung zu erhalten. Nach dem Siebdruckvorgang wird das Material für 15 Minuten bei 100°C getrocknet. Dann wird das Material im Bereich von 800°C bis 900°C unter Verwendung eines 60-Minuten-Brennprofils mit etwa 10 Minuten bei Spitzentemperatur gebrannt. Durch den Brennvorgang werden die organischen Vehikelkomponenten sauber ausgebrannt und eliminiert, so daß die Metall- und Glaspartikel übrigbleiben. Dies tritt bei den niedrigeren Temperaturen in der Anfangsphase des Brennvorgangs auf. Bei der hohen Temperatur des Brennvorgangs schmilzt das Glas und bindet die Metallpartikel in einer leitfähigen Schicht und das Element mit dem Keramiksubstrat und in elektrischem Kontakt mit den Abschlüssen. Dies entspricht einer Standard-Dickschichtverarbeitung.
Material B des FCR-Elements:
DuPont 9596 Platin-Gold. Das Material besteht aus Metallpulvern, Glas- und/oder Keramikbestandteilen und organischen Vehikelkomponenten. Die durch DuPont angegebenen Materialien sind folgende (in Gew.-%).
30-60% Goldpulver.
10-30% Platinpulver.
1-5% Palladiumpulver.
10-30% Glas- oder Keramikbestandteile.
10-30% Vehikel.
Durch das organische Vehikel werden eine geeignete Suspension der Partikel und für den Dickschicht-Siebdruckvorgang geeignete Fließeigenschaften bereitgestellt. Zum Herstellen des FCFR-Widerstandselements wird dieses Material vorzugsweise mit einem 325-mesh-Sieb, noch bevorzugter mit einem 400-mesh-Sieb siebgedruckt, um eine dünne Beschichtung zu erhalten. Nach dem Siebdruckvorgang wird das Material für 15 Minuten bei 100°C getrocknet. Dann wird das Material im Bereich von 800°C bis 900°C unter Verwendung eines 60-Minuten-Brennprofils mit etwa 10 Minuten bei Spitzentemperatur gebrannt. Durch den Brennvorgang werden die organischen Vehikelkomponenten sauber ausgebrannt und eliminiert, so daß die Metall- und Glaspartikel übrigbleiben. Dies tritt bei den niedrigeren Temperaturen in der Anfangsphase des Brennvorgangs auf. Bei der hohen Temperatur des Brennvorgangs schmilzt das Glas und bindet die Metallpartikel in einer leitfähigen Schicht und das Element mit dem Keramiksubstrat und in elektrischem Kontakt mit den Abschlüssen. Dies entspricht einer Standard-Dickschichtverarbeitung.
Material C des FCR-Elements:
Caddock PH-DC Palladiumzusammensetzung
Das Material besteht aus Metallpulvern, Glas und/oder glasbildenden Bestandteilen und einem organischen Vehikel. Die Materialien sind folgende (in Gew.-%):
75-80% Palladium mit einer Größe von etwa 1 µm.
10-12% Glas- und/oder Keramikpulver mit einer Größe von etwa 1 µm. Das Glas schmilzt im Bereich von etwa 700°C bis 800°C.
11-14% Vehikel.
Durch das organische Vehikel werden eine geeignete Suspension der Partikel und für den Dickschicht-Siebdruckvorgang geeignete Fließeigenschaften bereitgestellt. Zum Herstellen des FCFR-Widerstandselements wird dieses Material vorzugsweise mit einem 325-mesh-Sieb, noch bevorzugter mit einem 400-mesh-Sieb siebgedruckt, um eine dünne Beschichtung zu erhalten. Nach dem Siebdruckvorgang wird das Material für 15 Minuten bei 100°C getrocknet. Dann wird das Material im Bereich von 800°C bis 900°C unter Verwendung eines 60-Minuten-Brennprofils mit etwa 10 Minuten bei Spitzentemperatur gebrannt. Durch den Brennvorgang werden die organischen Vehikelkomponenten sauber ausgebrannt und eliminiert, so daß die Metall- und Glaspartikel übrigbleiben. Dies tritt bei den niedrigeren Temperaturen in der Anfangsphase des Brennvorgangs auf. Bei der hohen Temperatur des Brennvorgangs schmilzt das Glas und bindet die Metallpartikel in einer leitfähigen Schicht und das Element mit dem Keramiksubstrat und in elektrischem Kontakt mit den Abschlüssen. Dies entspricht einer Standard-Dickschichtverarbeitung.
Material D des FCR-Elements:
DuPoint 9770 Platin-Silber-Zusammensetzung. Der spezifische Oberflächenwiderstand beträgt etwa 3 mΩ/Quadrat, wenn das Material mit einem 200-mesh-Gitter aufgebracht und bei 850°C gebrannt wird.
Das Material besteht aus Metallpulvern, Glas und/oder glasbildenden Bestandteilen und einem organischen Vehikel. Die durch DuPont angegebenen Materialien sind folgende (in Gew.-%):
Mehr als 60% Silberpulver.
0,1-1% Platin.
0,2-2% Glas und/oder glasbildende Bestandteile.
0,1-1% Kupferoxid.
Weniger als 0,1% Kupferpulver.
12-25% Vehikel.
Durch das organische Vehikel werden eine geeignete Suspension der Partikel und für den Dickschicht-Siebdruckvorgang geeignete Fließeigenschaften bereitgestellt. Zum Herstellen des FCFR-Widerstandselements wird dieses Material vorzugsweise mit einem 325-mesh-Sieb, noch bevorzugter mit einem 400-mesh-Sieb siebgedruckt, um eine dünne Beschichtung zu erhalten. Nach dem Siebdruckvorgang wird das Material für 15 Minuten bei 100°C getrocknet. Dann wird das Material im Bereich von 800°C bis 900°C unter Verwendung eines 60-Minuten-Brennprofils mit etwa 10 Minuten bei Spitzentemperatur gebrannt. Durch den Brennvorgang werden die organischen Vehikelkomponenten sauber ausgebrannt und eliminiert, so daß die Metall- und Glaspartikel übrigbleiben. Dies tritt bei den niedrigeren Temperaturen in der Anfangsphase des Brennvorgangs auf. Bei der hohen Temperatur des Brennvorgangs schmilzt das Glas und bindet die Metallpartikel in einer leitfähigen Schicht und das Element mit dem Keramiksubstrat und in elektrischem Kontakt mit den Abschlüssen. Die Bindungswirkung wird durch die chemische Bindung der Kupferkomponenten mit dem Aluminiumoxidsubstrat verstärkt. Dies entspricht einer Standard-Dickschichtverarbeitung.
Überglasur:
DuPont 9137 Grünglas. Aufgebracht durch Siebdruck mit einem 105-mesh-Sieb oder bevorzugter durch zwei Druckvorgänge mit einem 200-mesh-Sieb, zum Eliminieren von Pinholes und zum Erzielen einer zuverlässigen Unterbrechung (hoher Platzwiderstand). Nach jedem Druckvorgang wird bei 550°C ein Brennvorgang ausgeführt, um ein Hochglanzfinish zu erhalten.
Keramikabdeckung mit Epoxidfüllung:
Ein flaches Al₂O₃-Keramikstück wird so angeordnet, daß es das Element abdeckt. Das Epoxid ist das Produkt Eccobond 27 von Emerson & Cuming. Das Epoxid wird entlang des Randes der Abdeckung in der Nähe der Abschlüsse an der Substrat-Abdeckungs-Grenzfläche verteilt. Durch Kapillarwirkung wird das Epoxid eingezogen und füllt den Zwischenraum zwischen der Keramikabdeckung und dem Keramiksubstrat, wodurch im wesentlichen die gesamte Luft eliminiert wird. Die Anordnung wird auf Zeit ofengetrocknet und ausgehärtet.
Keramikbeschichtung:
Aremco Produkt Ceramic Dip 538
Eine auf Aluminiumoxid basierende Paste wird bis zu einem Punkt verdünnt, bei dem sie sich nach dem Aufbringen von selbst nivelliert. Sie wird dann durch eine Spritze auf dem Elementbereich mit einer ausreichenden Überlappung und in einer ausreichenden Dicke (etwa 1,016 mm (0,040 Zoll)) aufgebracht, um die erforderliche Festigkeit und Stabilität zu erhalten, und auf Zeit ofengetrocknet und ausgehärtet.
Testgruppe A:
Die Konstruktion ist die in den 1 bis 6 dargestellte Konstruktion:
Vorderseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 325-mesh-Sieb.
Rückseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 250-mesh-Sieb.
FCFR-Elementgröße: 0,762 mm × 17,27 mm (0,03 Zoll × 0,680 Zoll).
FCFR-Element: Widerstandswert 10 Ω, Material A Ferro 850 – 1/5, Aufbringung durch 400-mesh-Sieb, Brennvorgang bei 850°C.
Überglasur: 2 Schichten, Aufbringung durch 200-mesh-Sieb. Einkapselung des Elementbereichs: Keramikabdeckung mit Epoxidfüllung.
Leistung des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands: Anfangswiderstand 10 Ω ± 10%.
Testgruppe B:
Die Konstruktion ist die in den 3 bis 6 dargestellte Konstruktion mit einer Kereamikschichteinkapselung, außer daß das Substrat größer und das Element etwas länger ist.
Substratgröße: 26,670 mm × 16 mm × 1,016 mm (1,050 Zoll × 0,630 Zoll × 0,04 Zoll).
Vorderseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 325-mesh-Sieb.
Rückseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 250-mesh-Sieb.
FCFR-Elementgröße: 0,762 mm × 20,07 mm (0,03 Zoll × 0,790 Zoll).
FCFR-Element: Widerstandswert 10 Ω, Material A Ferro 850 – 1/5, Aufbringung durch 400-mesh-Sieb, Brennvorgang bei 850°C.
Überglasur: 2 Schichten, Aufbringung durch 200-mesh-Sieb.
Einkapselung des Elementbereichs: Keramikbeschichtung.
Leistung des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands: Anfangswiderstand 10 Ω ± 10%.
Testgruppe C:
Die Konstruktion ist die in den 3, 4 und 5 dargestellte Konstruktion, außer daß das Substrat größer und das Element etwas größer ist. Es ist keine Überglasur vorhanden. Diese Gruppe weist eine Keramikbeschichtung als Einkapselung auf.
Substratgröße: 26,670 mm × 16 mm × 1,016 mm (1,050 Zoll × 0,630 Zoll × 0,040 Zoll).
Vorderseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 325-mesh-Sieb.
Rückseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 250-mesh-Sieb.
FCFR-Elementgröße: 0,762 mm × 20,07 mm (0,03 Zoll × 0,790 Zoll).
FCFR-Element: Widerstandswert 10 Ω, Material A Ferro 850 – 1/5, Aufbringung durch 400-mesh-Sieb, Brennvorgang bei 850°C.
Überglasur: Keine.
Einkapselung des Elementbereichs: Keramikbeschichtung.
Leistung des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands: Anfangswiderstand 10 Ω ± 10%.
Testgruppe D:
Die Konstruktion ist die in den 3 bis 6 dargestellte Konstruktion, außer daß ein 0,381 mm (0,015 Zoll) (vertikale Abmessung) breites Element mit einer Abdeckung verwendet wird. Das Substrat ist größer und das Element etwas größer ausgebildet.
Substratgröße: 26,670 mm × 16 mm × 1,016 mm (1,050 Zoll × 0,630 Zoll × 0,040 Zoll).
Vorderseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 325-mesh-Sieb.
Rückseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 250-mesh-Sieb.
FCFR-Elementgröße: 0,381 mm × 2,007 mm (0,015 Zoll × 0,0790 Zoll).
FCFR-Element: Widerstandswert 10 Ω, Material A Ferro 850 – 1/5, Aufbringung durch 400-mesh-Sieb, Brennvorgang bei 850°C.
Überglasur: 2 Schichten, Aufbringung durch 200-mesh-Sieb.
Einkapselung des Elementbereichs: Keramikabdeckung mit Epoxidfüllung.
Leistung des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands: Anfangswiderstand 18 Ω ± 10%.
Testgruppe E:
Die Konstruktion ist die in den 3 bis 6 dargestellte Konstruktion, außer daß ein 0,381 mm (0,015 Zoll) (vertikale Abmessung) breites Element mit einer Überglasur und mit einer Keramikschichteinkapselung verwendet wird. Das Substrat ist größer und das Element etwas größer ausgebildet.
Substratgröße: 26,670 mm × 16 mm × 1,016 mm (1,050 Zoll × 0,630 Zoll × 0,040 Zoll).
Vorderseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 325-mesh-Sieb.
Rückseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 250-mesh-Sieb.
FCFR-Elementgröße: 0,381 mm × 20,07 mm (0,015 Zoll × 0,790 Zoll).
FCFR-Element: Widerstandswert 7 Ω, Material B DuPont 9596, Aufbringung durch 400-mesh-Sieb, Brennvorgang bei 850°C.
Überglasur: 2 Schichten, Aufbringung durch 200-mesh-Sieb.
Einkapselung des Elementbereichs: Keramikbeschichtung.
Leistung des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands: Anfangswiderstand 7 Ω ± 10%.
Testgruppe F:
Die Konstruktion ist die in den 1 bis 6 dargestellte Konstruktion, außer daß Substrat größer und das Element etwas länger ausgebildet ist.
Substratgröße: 26,670 mm × 16 mm × 1,016 mm (1,050 Zoll × 0,630 Zoll × 0,040 Zoll).
Vorderseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 325-mesh-Sieb.
Rückseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 250-mesh-Sieb.
FCFR-Elementgröße: 0,762 mm × 20,07 mm (0,030 Zoll × 0,790 Zoll).
FCFR-Element: Widerstandswert 7 Ω, Material C Caddock PH-DC, Aufbringung durch 400-mesh-Sieb, Brennvorgang bei 850°C.
Überglasur: 2 Schichten, Aufbringung durch 200-mesh-Sieb.
Einkapselung des Elementbereichs: Keramikabdeckung mit Epoxidfüllung.
Leistung des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands: Anfangswiderstand 7 Ω ± 10%.
Testgruppe G:
Die Konstruktion ist die in den 3 bis 6 dargestellte Konstruktion, außer daß ein 0,381 mm (0,015 Zoll) (vertikale Abmessung) breites Element mit einer Überglasur und mit einer Keramikschichteinkapselung verwendet wird. Das Substrat ist größer und das Element etwas größer ausgebildet.
Substratgröße: 26,670 mm × 16 mm × 1,016 mm (1,050 Zoll × 0,630 Zoll × 0,040 Zoll).
Vorderseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 325-mesh-Sieb.
Rückseitige Abschlüsse: DuPont 9770, Aufbringung durch 250-mesh-Sieb.
FCFR-Elementgröße: 0,381 mm × 20,07 mm (0,015 Zoll × 0,790 Zoll).
FCFR-Element: Widerstandswert 0,35 Ω, Material D DuPont 9770, Aufbringung durch 400-mesh-Sieb, Brennvorgang bei 850°C.
Überglasur: 2 Schichten, Aufbringung durch 200-mesh-Sieb.
Einkapselung des Elementbereichs: Keramikabdeckung, die Schichtdicke muß nach dem Aushärten größer sein als 1,016 mm (0,040 Zoll).
Leistung des Fehlerstrom-Sicherungswiderstands: Anfangswiderstand 0,35 Ω ± 10%.
Die vorstehende ausführliche Beschreibung ist offensichtlich lediglich als Veranschaulichung und Beispiel zu verstehen, wobei der Schutzbereich der Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Sicherung mit: (a) einer länglichen, streifenförmigen elektrischen Widerstandsschicht (10) auf einem Substrat (13), wobei die Schicht Metallpartikel und Glas aufweist; (b) einer Anschlußeinrichtung (14, 17), die mit der länglichen, streifenförmigen Schicht (10) an entgegengesetzten Endabschnitten davon verbunden ist; und (c) einer um die streifenförmige Schicht (10) herum angeordneten Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 26) zum engen Einschließen und Abdichten der gesamten streifenförmigen Schicht (10), wobei die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 26) eine Dichtstruktur aufweist, die mehrfach dicker ist als die elektrische Widerstandsschicht (10); wobei die streifenförmige Schicht (10) und die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 26) derart ausgewählt sind, daß beim Auftreten einer elektrischen Störung mit einer ausreichenden Größe, durch die veranlaßt wird, daß die streifenförmige Schicht (10) schmilzt, die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 26) eine ausreichende Festigkeit besitzt, so daß sie während des Auftretens und nach dem Auftreten einer elektrischen Störung intakt bleibt, nicht bricht und nicht unterbrochen wird, und, wenn eine elektrische Störung mit einer ausreichenden Größe auftritt, so daß die streifenförmige Schicht (10) schmilzt, viele Unter brechungen oder Brüche in der streifenförmigen Schicht (10) erzeugt werden, die sich in Querrichtung der streifenförmigen Schicht erstrecken und in ihrer Längsrichtung beabstandet sind.
Sicherung nach Anspruch 1, wobei die Metallpartikel ein Metallpulver aufweisen, und wobei die Schicht (10) das Metallpulver und das Glas aufweist.
Sicherung nach Anspruch 2, wobei das Metallpulver in der Schicht (10) Palladium, Palladium und Silber, Gold und Platin oder Silber und Platin ist, oder das Metallpulver Gold und Platin oder Silber und Platin aufweist.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung eine Überglasur (23) und eine Einrichtung (19, 26) zum Verstärken der Überglasur (23) aufweist, die verhindert, daß die Überglasur während eines elektrischen Störungszustands platzt.
Sicherung nach Anspruch 4, wobei die Überglasur (23) eine Glasschicht ist, und wobei die Dichtungseinrichtung (19, 26) wesentlich stabiler ist als die Glasschicht.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung oder die Einrichtung zum Verstärken der Überglasur (23) ein Keramikmaterial (26) ist, das in Pastenform auf der Schicht (10) aufgebracht wird und am Substrat (13) anhaftet und eine ausreichende Dicke hat, so daß es den Druck aus hält und bei einem elektrischen Störungszustand nicht platzt.
Sicherung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Einrichtung zum Verstärken der Überglasur (23) eine Keramikabdeckung (19) und ein Klebemittel zum Befestigen der Abdeckung (19) über der Überglasur am Substrat (13) ist.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die streifenförmige Schicht (10) eine Dicke von etwa 0,01 mm bis 0,025 mm (0,0004 Zoll bis 0,001 Zoll) hat.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die streifenförmige Schicht (10) eine Breite von etwa 0,25 mm bis 0,75 mm (0,01 Zoll bis 0,03 Zoll) hat.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die streifenförmige Schicht (10) eine Länge von weniger als etwa 25,4 mm (1 Zoll) hat.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die streifenförmige Schicht (10) einen Widerstand im Bereich von 0,5 bis 30 Ohm aufweist.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die streifenförmige Schicht (10) eine längliche, streifenförmige Schicht ist, und wobei die streifenförmige Schicht in Abschnitte geteilt ist, die Abschnitte durch eine Schicht mit niedrigem Widerstand elektrisch voneinander getrennt sind, und wobei die Schicht mit niedrigem Widerstand die Verbindung zwischen den Abschnitten bereitstellt.
Sicherung nach Anspruch 12, wobei die Abschnitte nicht miteinander ausgerichtet sondern in wesentlichen Winkeln zueinander angeordnet sind, um eine signifikante Spannungsteilerwirkung in einem kleinen Bereich zu erzielen.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die streifenförmige Schicht (10) eine derartige Zusammensetzung und Form aufweist, daß beim Auftreten der elektrischen Störung, die einen Fehlerstrom und eine Fehlerspannung verursacht, die streifenförmige Schicht (10) unterbrochen wird, indem darin in der Querrichtung mehrere Brüche erzeugt werden, die in der Längsrichtung beabstandet sind.
Sicherung nach Anspruch 14, wobei die streifenförmige Schicht (10) eine derartige Zusammensetzung und Form aufweist, daß beim Auftreten eines Fehlerstromzustands bei einer ersten Spannung die streifenförmige Schicht (10) derart unterbrochen wird, daß darin viele der Brüche erzeugt werden, und wobei, wenn in einer zweiten, identischen Sicherung ein Fehlerstromzustand bei einer Spannung auftritt, die wesentlich höher ist als die erste Spannung, die streifenförmige Schicht (10) in der zweiten Sicherung derart unterbrochen wird, daß darin wesentlich mehr Brüche erzeugt werden als die vielen Brüche.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (13) und die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 23, 26) während des elektrischen Störungszustands nicht brechen, und wobei die streifenför mige Schicht (10) schmal und dünn ist und einen elektrischen Widerstand von weniger als 30 Ohm aufweist.
Sicherung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Fehlerspannung im Bereich von etwa 250 Volt bis etwa 2000 Volt liegt.
Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die streifenförmige Schicht (10) so gewählt ist, daß beim Auftreten einer elektrischen Störung ein Fehlerstromfluß endet, wenn die streifenförmige Schicht (10) eine Leistungsdichte von mindestens 77,5 kW/cm² (500 kW/Zoll²) bei einer Fehlerspannung von mindestens 250 Volt erfährt, und wobei das Ende des Stromflusses extrem schnell auftritt.
Verfahren zum Schützen eines Schaltungsteils vor Kurzschlüssen und anderen elektrischen Störungen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Schalten eines Fehlerstrom-Sicherungswiderstands mit einer länglichen, streifenförmigen Widerstandsschicht (10) in Serie mit dem Schaltungsteil, wobei die Widerstandsschicht Metallpartikel und Glas auf einem Substrat (13) aufweist, wobei eine Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 26) die gesamte Schicht (10) eng umschließt und abdichtet, wobei die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 26) eine Dichtstruktur aufweist, die mehrfach dicker ist als die elektrische Widerstandsschicht (10); wobei die streifenförmige Schicht (10) und die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 26) derart ausgewählt sind, daß beim Auftreten einer elektrischen Störung mit einer ausreichenden Größe, durch die veran laßt wird, daß die streifenförmige Schicht (10) schmilzt, die Aufnahme- und Dichtungseinrichtung (19, 26) eine ausreichende Festigkeit besitzt, so daß sie während des Auftretens einer elektrischen Störung intakt bleibt, nicht bricht und nicht unterbrochen wird, und, wenn eine elektrische Störung mit einer ausreichenden Größe auftritt, so daß die streifenförmige Schicht (10) schmilzt, viele Brüche in der streifenförmigen Schicht (10) erzeugt werden, die sich in Querrichtung der streifenförmigen Schicht erstrecken und in ihrer Längsrichtung beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Metallpartikel Metallpulver aufweisen, und wobei die Schicht (10) das Metallpulver und das Glas aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Metallpulver in der Schicht (10) Palladium, Palladium und Silber, Gold und Platin oder Silber und Platin ist, oder das Metallpulver Gold und Platin oder Silber und Platin aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die Störung eine über entgegengesetzte Enden der streifenförmigen Schicht (10) angelegte Fehlerspannung in einem Bereich von etwa 150 Volt bis etwa 2000 Volt ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Fehlerspannung eine Gleichspannung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die Störung ein Fehlerstrom in einem Bereich von etwa 15 Ampere bis etwa 500 Ampere ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei die streifenförmige Schicht (10) einen elektrischen Widerstand von weniger als etwa 30 Ohm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei die streifenförmige Schicht (10) einen elektrischen Widerstand im Bereich von etwa 10 Ohm bis etwa 0,5 Ohm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei beim Auftreten der Störung das Metallpulver sich nicht in irgendeiner dem Metallpulver benachbarten Substanz auflöst.