DE9414019U1

DE9414019U1 - Thermal fuse

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Publication number: DE9414019U1
Application number: DE9414019U
Authority: DE
Original assignee: Vitrohm GmbH and Co KG
Current assignee: Vitrohm GmbH and Co KG
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1994-08-19
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2004-08-20

Description

Thermal fuse

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Sicherung für eine auf einer isolierenden Fläche aufgetragene Widerstandsbahn nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a thermal fuse for a resistance track applied to an insulating surface according to the preamble of claim 1.

Es ist bekannt, im Zuge von auf Substraten aufgedruckten Leiterbahnen Widerstandsbahnen einzufügen _r wobei das Material der Widerstandsbahn in Abhängigkeit von dem Ohm-Wert auch eine Leiterbahnpaste sein kann. Derartige Schaltungsanordnungen werden zum Beispiel verwendet als Vorwiderstände für Elektromotoren. Die Geschwindigkeit von Lüftermotoren, beispielsweise für Automobile, wird über eineIt is known to insert resistance tracks in the course of printed conductor tracks on substrates _, whereby the material of the resistance track can also be a conductor track paste, depending on the ohm value. Such circuit arrangements are used, for example, as series resistors for electric motors. The speed of fan motors, for example for automobiles, is controlled via a

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Dresdrför'ßanic AG'HamSmrgf *Jr. 9$3 60 «5 (BLZ 200 800 00)Deutsche Bank AG rfamjni^.Nr.''<J5/jßS-^IB&Z 2§0 7Q0i)0) · Postgiro Hamburg 28 42-206
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Vorwiderstandseinstellung eingestellt. Es ist bekannt, für die Leiterbahn eine Leitpaste aus Silber zu verwenden, während für den Widerstand eine Leitpaste aus Silberpalladium verwendet wird. Leiter- und Widerstandsbahn werden auf eine isolierende Schicht, zum Beispiel auf eine Bleramikschicht, aufgedruckt, die ihrerseits auf einer Metallplatte aufgebracht ist.Series resistor setting is set. It is known to use a conductive paste made of silver for the conductor track, while a conductive paste made of silver palladium is used for the resistor. The conductor and resistor tracks are printed on an insulating layer, for example a bleramic layer, which in turn is applied to a metal plate.

Aus der US 5 000 662 ist ferner bekanntgeworden, im Zuge der Widerstandsbahn eine Thermosicherung anzuordnen. Zu diesem Zweck weist die Widerstandsbahn einen Spalt oder eine Lücke auf, die von einer Lotbrücke überbrückt wird. Lot schmilzt bekanntlich ab einer vorgegebenen Temperatur. Erreicht die Temperatur im Bereich des Schmelzlotes den kritischen Wert, zieht sich das Lot aufgrund inhärenter Spannungen zu den Enden der die Lücke bildenden Widerstandsbahn zurück, wodurch die Lotbrücke unterbrochen wird.From US 5,000,662 it has also become known to arrange a thermal fuse in the resistance track. For this purpose, the resistance track has a gap or a gap that is bridged by a solder bridge. As is well known, solder melts at a given temperature. If the temperature in the area of the fusible solder reaches the critical value, the solder will retreat to the ends of the resistance track forming the gap due to inherent tensions, thereby interrupting the solder bridge.

Der beschriebene Vorgang findet jedoch nur unter bestimmten Bedingungen statt. Damit eine wirksame Lotbrücke über den Spalt zustande kommt, ist eine ausreichende Lotmenge aufzutragen. Eine größere Lotmenge wie sie hierfür normalerweise erforderlich ist, führt jedoch nicht zu der gewünschten Unterbrechung bei Erreichung des Liquiduspunk-However, the process described only takes place under certain conditions. In order to create an effective solder bridge across the gap, a sufficient amount of solder must be applied. A larger amount of solder, as is normally required for this, does not lead to the desired interruption when the liquidus point is reached.

tes. Die Herstellung einer derartigen Thermosicherung ist daher mit Unsicherheiten behaftet. Andererseits wird in vielen Fällen eine sichere Abschaltung eines Elektromotors gewünscht, wenn eine kritische Temperatur erreicht worden ist.tes. The manufacture of such a thermal fuse is therefore subject to uncertainty. On the other hand, in many cases a safe shutdown of an electric motor is desired when a critical temperature has been reached.

In der bereits erwähnten US 5 000 662 ist auch bereits offenbart, die die Lücke bildenden Endabschnitte der Widerstandsbahn aus Silber oder einer Silberlegierung zu formen und eine Lotpaste zu nehmen, die kein oder wenig Silber enthält. Bei Erreichen der Schmelztemperatur kommt es zu Lösungs-vorgängen, die eine Trennung der Lotbrücke begünstigen. Da das Inlösunggehen jedoch einige Zeit erfordert, liegt die Ansprechzeit einer derartigen Schmelzsicherung relativ hoch, etwa im Bereich mehrerer Sekunden. Eine derartig lange Ansprechzeit kann in vielen Anwendungsfällen nicht hingenommen werden. In the aforementioned US 5 000 662 it has already been disclosed that the end sections of the resistance track that form the gap are made of silver or a silver alloy and that a solder paste is used that contains little or no silver. When the melting temperature is reached, dissolving processes occur that promote separation of the solder bridge. However, since dissolving takes some time, the response time of such a fuse is relatively high, in the range of several seconds. Such a long response time cannot be accepted in many applications.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine thermische Sicherung für eine auf einer isolierenden Fläche aufgetragene Widerstandsbahn zu schaffen, die bei kurzer Ansprechzeit mit Sicherheit für eine Unterbrechung bei einer gewünschten Temperatur sorgt.The invention is therefore based on the object of creating a thermal fuse for a resistance track applied to an insulating surface, which reliably ensures an interruption at a desired temperature with a short response time.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge-This object is achieved by the features of claim 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es durch den Auftragvorgang der Lötpaste allein nicht möglich ist, Verhältnisse zu erreichen, die mit Sicherheit zu einer· gewünschten Unterbrechung bei einer vorgegebenen Temperatur führen. Die Spaltlänge kann nicht beliebig groß gewählt werden, da andernfalls eine zusammenhängende den Spalt überbrückende Lotbrücke nicht hergestellt werden kann. Ferner ist die erforderliche Lotmenge zumeist so groß, daß es Probleme bereitet, die gewünschte Trennung zu erzielen, wenn die Schmelztemperatur erreicht worden ist. Daher sieht die Erfindung vor, daß von vornherein eine größere Menge an Schmelzlot aufgebracht wird, und zwar in einer Dicke, die mindestens dem Doppelten der erforderlichen Schichtdicke für die Lotbrücke entspricht. Um die gewünschte Schichtdicke zu erreichen, wird an der erkalteten Lotbrücke eine spangebende Verformung vorgenommen, beispielsweise durch Fräsen, Hobeln, Schaben oder ein anderes gängiges Verfahren. Verunreinigungen durch Flußmittel sind unproblematisch, können aber je nach Anwendungsfall entfernt werden.The invention is based on the knowledge that it is not possible to achieve conditions that will definitely lead to a desired break at a given temperature by applying the solder paste alone. The gap length cannot be chosen to be arbitrarily large, since otherwise a continuous solder bridge bridging the gap cannot be produced. Furthermore, the amount of solder required is usually so large that it is difficult to achieve the desired separation once the melting temperature has been reached. The invention therefore provides that a larger amount of fusible solder is applied from the outset, in a thickness that is at least twice the required layer thickness for the solder bridge. In order to achieve the desired layer thickness, the cooled solder bridge is machined, for example by milling, planing, scraping or another common method. Contamination by flux is not a problem, but can be removed depending on the application.

Die Breite des Spaltes beträgt nach einer AusgestaltungThe width of the gap is, according to a design

der Erfindung mindestens 0,25 mti, vorzugsweise mindestens 0,35 mm, je nachdem, wie breit die stumpfen Enden der Widerstandsbahnen sind, welche an den Spalt angrenzen. Je breiter die Enden sind, um so größer ist auch die Spaltbreite zu wählen. Andererseits ist die maximale Spaltbreite bei herkömmlichen Geometrien höchstens 1 mm, vorzugsweise höchstens 0,6 bis 0,7 mm.of the invention at least 0.25 mm, preferably at least 0.35 mm, depending on the width of the blunt ends of the resistance tracks that border the gap. The wider the ends, the larger the gap width must be. On the other hand, the maximum gap width for conventional geometries is at most 1 mm, preferably at most 0.6 to 0.7 mm.

Von der Länge des Spaltes, d.h. von der Breite der die Lücke bildenden Endabschnitte der Widerstandsbahn hängt auch die erforderliche Schichtdicke ab. Sie beträgt nach einer Ausgestaltung der Erfindung höchstens 0,3 mm, vorzugsweise jedoch höchstens 0,2 mm. Je kleiner die Spaltlänge ist, um so geringer kann auch die Schichtdicke gewählt werden.The required layer thickness also depends on the length of the gap, i.e. on the width of the end sections of the resistance track that form the gap. According to one embodiment of the invention, it is at most 0.3 mm, but preferably at most 0.2 mm. The smaller the gap length, the smaller the layer thickness can be selected.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die dem Spalt benachbarten Enden der Widerstandsbahn mit Abschnitten von begrenzter Länge mit größerer Breite hergestellt werden. Die Endabschnitte dienen dazu, eine gewünschte Spaltgeometrie herzustellen. Es ist jedoch nicht erforderlich, wie bei der bekannten Vorrichtung nach der US 5 000 662, die Endabschnitte aus einem anderen Material herzustellen als die Widerstandsbahn.According to another embodiment of the invention, the ends of the resistance track adjacent to the gap are made with sections of limited length and with a larger width. The end sections serve to produce a desired gap geometry. However, it is not necessary, as in the known device according to US 5,000,662, to produce the end sections from a different material than the resistance track.

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Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, eine gewünschte Geometrie der Lotbrücke herzustellen, so daß mit Sicherheit eine Unterbrechung der Lotbrücke bei Erreichen der Liquidustemperatur des Lotes zustande kommt. Die Herstellung einer geeigneten Schmelzsicherung ist dabei unabhängig von einem bestimmten Lotmaterial. Die Wahl des Lotmaterials ist ausschließlich durch die Ansprechtemperatur bestimmt, bei der eine Unterbrechung der Lotbrücke gewünscht ist. Es können daher die verschiedensten Lotmaterialien eingesetzt werden, sofern sie sich spangebend abtragen lassen. Das abgetragene Lotmaterial kann im übrigen wiederverwendet werden, so daß ein Verlust nicht auftritt. Im Gegenteil, die Erfindung führt zu einer Einsparung an Lotmaterial.With the help of the invention it is possible to produce a desired geometry of the solder bridge so that the solder bridge is definitely interrupted when the liquidus temperature of the solder is reached. The production of a suitable fuse is independent of a specific solder material. The choice of solder material is determined exclusively by the response temperature at which an interruption of the solder bridge is desired. A wide variety of solder materials can therefore be used, provided they can be removed by machining. The removed solder material can also be reused so that no loss occurs. On the contrary, the invention leads to a saving in solder material.

Mit Hilfe dee Erfindung läßt sich auch eine sehr kurze Ansprechzeit erreichen, die zum Beispiel im Bereich von einer Sekunde liegt.With the help of the invention, a very short response time can also be achieved, for example in the range of one second.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to drawings.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf eine gedruckte Widerstandsschaltung mit nach der Erfindung hergestellten Thermosicherungen.Fig. 1 shows the top view of a printed resistance circuit with thermal fuses manufactured according to the invention.

Fig. 2 zeigt vergrößert den Bereich einer Widerstandsbahn, in dem eine Thermosicherung aufgebaut wird.Fig. 2 shows an enlarged view of the area of a resistance track in which a thermal fuse is constructed.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 2 entlang der Linie 3-3 mit aufgebrachter Lötpaste.Fig. 3 shows a section through the arrangement according to Fig. 2 along the line 3-3 with solder paste applied.

Fig. 4 zeigt die Darstellung nach Fig. 3 nach spangebender Bearbeitung.Fig. 4 shows the representation according to Fig. 3 after machining.

Fig. 5 zeigt das Ansprechen der Thermosicherung nach Fig. 4.Fig. 5 shows the response of the thermal fuse according to Fig. 4.

Auf einem Substrat 10 in Fig. 1, beispielsweise eine Stahlblechplatte, auf das eine Keramikschicht aufgebracht ist, sind drei niederohmige Widerstandsbahnen 12, 14, 16 aufgedruckt. Die Widerstandsbahn 12 und die Widerstandsbahn 16 weisen jeweils eine Thermosicherung 18 bzw. 20 auf. Die Anschlüsse der Widerstandsbahnen 12, 14, 16 sind mit 22, 24, 26 und 28 bezeichnet. Die gezeigte Widerstandsschaltung dient beispielsweise als veränderbarer Vorwiderstand für einen Gleichstrommotor, beispielsweise zum Antrieb eines Lüfters in einem Automobil.Three low-resistance resistance tracks 12, 14, 16 are printed on a substrate 10 in Fig. 1, for example a sheet steel plate onto which a ceramic layer is applied. The resistance track 12 and the resistance track 16 each have a thermal fuse 18 and 20, respectively. The connections of the resistance tracks 12, 14, 16 are designated 22, 24, 26 and 28. The resistance circuit shown serves, for example, as a variable series resistor for a DC motor, for example for driving a fan in an automobile.

Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich, und die Deckenverhältnisse entsprechen nicht den tatsächlichen Gegebenhei-The drawings are not to scale and the ceiling proportions do not correspond to the actual conditions.

ten; es soll nur das Prinzip veranschaulicht werden.ten; it is only intended to illustrate the principle.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen, hat die Widerstandsbahn 12 im Bereich der Thermosicherung 18 eine Lücke 30, die von Abschnitten 32, 36 gebildet ist, die gegenüber der Widerstandsbahn 12 eine größere Breite &khgr; aufweisen. Die Länge der Abschnitte 32, 36 ist mit y bezeichnet. Die Breite des Spaltes ist b. Wie aus Fig. 3 zu erkennen, ist auf die Abschnitte 32, 36 und die Lücke 30 überbrückend eine Lotbrücke 38 aufgebracht, beispielsweise durch Aufdrucken, wie auch die Widerstandsbahnen 12 bis 16 aufgedruckt sind. In Fig. 4 ist zu erkennen, daß ein großer Teil des Lotes der ursprünglichen Brücke 38 durch ein geeignetes spangebendes Verformen, zum Beispiel Fräsen abgetragen woxden ist, so daß nur noch eine Schichtdicke von d übrig bleibt. Diese Schichtdicke d ist kleiner als die Hälfte der Dicke der ursprünglichen Lotbrücke 38. Die fertige Lotbrücke ist mit 38' bezeichnet.As can be seen from Fig. 2, the resistance track 12 has a gap 30 in the area of the thermal fuse 18, which is formed by sections 32, 36 which have a greater width x than the resistance track 12. The length of the sections 32, 36 is designated y. The width of the gap is b. As can be seen from Fig. 3, a solder bridge 38 is applied to the sections 32, 36 and the gap 30, for example by printing, in the same way as the resistance tracks 12 to 16 are printed. In Fig. 4 it can be seen that a large part of the solder of the original bridge 38 has been removed by suitable machining, for example milling, so that only a layer thickness of d remains. This layer thickness d is less than half the thickness of the original solder bridge 38. The finished solder bridge is designated 38 ' .

In Fig. 5 ist zu erkennen, wie die Lotbrücke 38' bei Erreichen einer gewünschten Temperatur angesprochen hat und geschmolzen ist, so daß sich durch die inhärenten Kohäsionskräfte das Lotmaterial an die Abschnitte 32, 36 zurückzieht und eine Lücke 40 freiläßt, die zu einer Unterbrechung des Stromflusses führt.In Fig. 5 it can be seen how the solder bridge 38' has responded and melted when a desired temperature is reached, so that the inherent cohesive forces cause the solder material to retreat to the sections 32, 36 and leave a gap 40 which leads to an interruption in the flow of current.

Nachstehend wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Widerstandsordnung gemäß den Figuren 1 bis 5 gegeben.An example of a resistance arrangement according to the invention is given below as shown in Figures 1 to 5.

Durch Drucken und Brennen wird eine Leitpaste aus Silberpalladium (AgPd; 1214D) auf eine Keramikschicht aufgebracht. Es sei nebenbei erwähnt, daß die Keramikschicht in den Figuren 3 bis 5 fortgelassen ist. In diesem Fall muß davon ausgegangen werden, daß das Substrat 10 nicht leitend ist. Anschließend erfolgt durch Drucken und Brennen das Auftragen einer Leitpaste aus Silber (Ag; C1075D) zur Bildung einer Leitbahn (bei dem Beispiel befinden sich zwischen den Widerstandsbahnabschnitten Abschnitte aus Leiterbahnen, die mithin die Widerstandsbahnen teilweise elektrisch bzw. mechanisch überbrücken). Die Breite der Abschnitte 32, 36 beträgt 10 mm. Die Spaltbreite beträgt 0,5 mm. Die Schichtdicke d beträgt 0,22 mm. Sie wurde erreicht durch Abfräsen der Lotbrücke 38, die ursprünglich eine Dicke von mehr als 0,5 mm aufwies.A conductive paste made of silver palladium (AgPd; 1214D) is applied to a ceramic layer by printing and firing. It should be mentioned in passing that the ceramic layer is omitted in Figures 3 to 5. In this case, it must be assumed that the substrate 10 is not conductive. A conductive paste made of silver (Ag; C1075D) is then applied by printing and firing to form a conductive path (in the example, there are sections of conductive paths between the resistance path sections, which therefore partially bridge the resistance paths electrically or mechanically). The width of the sections 32, 36 is 10 mm. The gap width is 0.5 mm. The layer thickness d is 0.22 mm. This was achieved by milling off the solder bridge 38, which originally had a thickness of more than 0.5 mm.

Die Lotbrücke besteht aus Sn62Sb36Ag, dessen Liquidustemperatur bei 180°C liegt.The solder bridge is made of Sn62Sb36Ag, whose liquidus temperature is 180°C.

Das Substrat 10 mit der beschriebenen Thermosicherung wurde zur Simulation eines Heizwiderstands auf einer ge-The substrate 10 with the described thermal fuse was used to simulate a heating resistor on a

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regelten Heizplatte plaziert und auf 140°C vorgewärmt. Über die Thermosicherung wurde zum Betrieb eines Motors ein Strom von 16 A geleitet. Die Temperatur der Heizplatte wurde langsam bis zur Auslösung der Thermosicherung erhöht. Bei Erreichen von 179⁰C wurde noch keine Veränderung der Thermosicherung beobachtet. Bei 180°C erfolgte ein schlagartiges Aufschmelzen der Brücke 38' innerhalb einer Ansprechzeit von 0,5 Sekunden und damit ein Abschalten des Motors.controlled heating plate and preheated to 140°C. A current of 16 A was passed through the thermal fuse to operate a motor. The temperature of the heating plate was slowly increased until the thermal fuse was triggered. When 179 ⁰ C was reached, no change in the thermal fuse was observed. At 180°C, the bridge 38' suddenly melted within a response time of 0.5 seconds and the motor was switched off.

Wie schon erwähnt, können auch andere Lotmaterialien eingesetzt werden, um das Ansprechen bei einer gewünschten Temperatur zu gewährleisten, zum Beispiel Ga62.5/ln21.5/ SnI 6 für eine Ansprechtemperatur von 51° C oder Sn9 6.5/ Ag 3.5 für eine Ansprechtemperatur von 430"C. Die Ansprechzeit oder Trägheit ist naturgemäß abhängig von der Länge des Spaltes und dem Energieeinsatz, jedoch in aller Regel kleiner als 1 Sekunde.As already mentioned, other solder materials can also be used to ensure response at a desired temperature, for example Ga62.5/ln21.5/SnI 6 for a response temperature of 51°C or Sn9 6.5/Ag 3.5 for a response temperature of 430°C. The response time or inertia is naturally dependent on the length of the gap and the energy input, but is usually less than 1 second.

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Claims

- 11 claims :

1. Thermal fuse for a resistance track applied to an insulating surface, wherein a gap in the resistance track is bridged by a bridge made of solder material, characterized by a solder bridge brought to the desired layer thickness (d) by machining.

2. Fuse according to claim 1, characterized in that the width (b) of the gap (30) is at least 0.25 mm, preferably at least 0.35 mm.

3. Fuse according to claim 1 or 2, characterized in that the layer thickness (d) is at most 0.3 mm, preferably at most 0.2 mm.

4. Fuse according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ends of the resistance track (12) adjacent to the gap (30) are made with sections (32, 36) of limited length (y) with a larger width (x).

5. Fuse according to claim 4, characterized in that

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the length (y) of the sections (32, 36) is approximately equal to or smaller than their width (x).

6. Fuse according to one of claims 1 to 5, characterized in that the original thickness of the solder bridge (38) is at least 0.5 mm.