JP2013509733A - 電子部品 - Google Patents

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Abstract

本発明は、熱的過負荷に対応し、電子部品(1)を通る電流フローを遮断する保護素子(3)が組み込まれた電子部品(1)に関する。保護素子(3)が、自己弾力性によってばね初期応力下に置ける電気接続部(4)であって、初期応力が掛かった状態において組立ポジションを取り、弛緩状態において電流遮断ポジションを取る上記電気接続部(4)を有する点で、電気部品(1)は際立っている。本発明はさらに、電気回路構成(10)、及び、回路基板(11)を実装する方法に関する。
【選択図】図2

Description

本発明は、熱的過負荷に対応し、電子部品を通る電流フローを遮断する保護素子が組み込まれた電子部品に関する。
この種の電子部品は、従来技術で公知である。上記部品は常に、損傷を受けることなく特定の温度範囲内で作動されうるように構成される。上記部品を通って流れる電流のために、又は、他の外部からの影響によって、上記部品の加熱が起こりうる。特定の温度値を超えて上記部品が加熱されると、上記部品が損傷を受ける可能性がある。この状態は、熱的過負荷(thermische Ueberlastung)と呼ばれる。このような熱的過負荷の際には、上記部品の保護素子が、当該部品を通る電流フローを遮断する。
例えば、独国特許出願公開第19752781号明細書には、保護素子が設けられた、電子部品を保護するための回路構成が記載されている。保護素子を有する構成要素は、2つの外部の電気接点を有し、当該電気接点を介して、この構成要素は外部へと電気的に接続可能である。第1の状態において、上記部品は、当該部品を通って電流が流れうるように2つの接点それぞれが電気的に接続可能であるように、形成される。内部又は外部の加熱作用により、上記部品のハウジングは、熱膨張係数が様々な多層構造でために、機械的に変形して第2の状態に入り、この第2の状態においては、少なくとも1つの接点が電気的に接続可能ではないため、電流は上記部品を通って流れることが出来ない。保護素子は、加熱作用のために直接的に作用する。
これに対して、請求項1に記載の特徴を備えた電子部品は、熱的過負荷が掛かった際に、上記部品を通る電流フローがばね初期応力により遮断され、上記部品の加熱による機械的変形が避けられるという利点を有する。このことは、本発明に基づいて、保護素子が、自己弾力性によってばね初期応力下に置ける電気接続部であって、初期応力が掛かった状態において組立ポジションを取り、弛緩状態において電流遮断ポジションを取る上記電気接続部を有することにより達成される。電子部品とは、電気工学における電気的構成要素、例えば、ダイオード、トランジスタ、抵抗、又は、コンデンサと理解される。即ち、増幅効果を示さず制御機能も有さない受動素子が関わっている。同様に、電子部品とは、増幅効果及び/又は制御機能を有する能動素子として理解される。この関連において、電子部品は、例えば導線やヒューズのような、2つの接点間の純粋な電気的接続としては、明らかに理解されない。本発明にかかる上記部品の場合、電気接続部は、自己弾力性において際立っている。このことは、電気接続部が、少なくとも領域ごとに弾性素材から成り、弾性的に変形可能であることを意味する。これにより、接続部には、初期応力が掛けられ、初期応力が掛かった状態(vorgespannter Zustand)で保持される。除荷された後に、接続部は元の形状になる。これは、弛緩状態(entspannter Zustand)と呼ばれる。この初期応力が掛かった状態において、接続部は所謂組立ポジションにある。これは、組み立てられた接続部を通って電流が流れることが出来るべきポジションである。電気接続部は、弛緩状態において電気遮断ポジションを取るように構成される。即ち、このポジションにおいては、電気接続部を通って電気が流れることが出来るべきではない。接続部が、ばね初期応力下に置かれうること、従って初期応力が掛けられることによって、2つの状態を実現することが出来る。
本発明の発展形態は、接続部が、外部から電気的に接続可能な、又は、内部の、特に外部から到達不可能な(unzugaenglich)、上記部品の接続素子であることが構想される。即ち、接続部は、外部から電気的に接続可能な接続素子として、例えば、接続レッグとして構成されうる。この接続素子は、上記部品を外部へと接続する役目を果たす。しかしながら、接続部は、上記部品内部での接続に役立つ内部の接続素子でもありうる。その際、この接続素子は、特に外部から接続不可能でありうる。このことは好適に、接続部を完全に包囲するハウジングを上記部品が有することにより達成される。しかしながら、接続部が電流遮断ポジションを取りうることが常に保障される必要がある。
本発明の発展形態は、内部の接続素子として構成された、組立ポジションを取る接続部が、熱により解消可能な電気接合により、上記部品の対応する電気接続部と接続されることを構想する。即ち、接続部がそれと接続される対応する電気接続部を、上記部品が有することが構想されうる。接続部が組立ポジションにあり、即ち、初期応力が掛かっており、かつ、熱により解消可能な電気接合により、対応する電気的接続部と接続されることによって、接続部は、熱的過負荷が掛かった際には上記部品を保護する。さらに、熱により解消可能な電気接合は、熱的過負荷が掛かった際に、もはや接続部と、対応する接続部とを固く接合しないように、構成される。それまで組立ポジションにあった電気的接続部は、接合の解消後に、その自己弾力性により、弛緩状態、即ち電流遮断ポジションを取る。従って、接続部と、対応する接続部と、の間を電流が流れられないことが保障される。
本発明の発展形態は、接合が半田接合であることを構想する。半田接合は、特定の温度までの加熱によって解消されうる、熱により解消可能な電気接合である。これは、使用される半田に依存する。その際、半田は、上記部品に熱的過負荷が掛かっていない温度範囲内では半田が固く、従って、固定の接合が存在するように、選択されうる。これに対して、熱的過負荷が掛かった領域内では半田が溶け、これにより接合が解消される。
本発明の発展形態は、接続部が、初期応力が掛かった状態を取るために、少なくとも領域ごとに弾性的に湾曲していることを構想する。接続部の弾性的な湾曲により、当該接続部は、弛緩状態から初期応力が掛かった状態へと移行しうる。湾曲は、接続部の形状の変化に相当し、これにより、接続部は、ばね自己初期応力下の、初期応力が掛かった状態に置かれる。
本発明の発展形態は、上記部品に、接続部を組立ポジションに保持する取り外し可能な固定素子が固定されることを構想する。接続部が組立ポジションのままであるために、接続部に対する力を継続的に加え、又は、接続部を固定することが必要である。さもなければ、この接続部は、自己弾力性のために弛緩状態へと移行するであろう。そのためには、原則的に、固定素子が、接続部が組立ポジションで保持されるように、接続部の或る領域において接続部に対して力を加えることで十分である。好適に、固定素子及び/又は接続部は、固定素子がばね初期応力により接続部で留まるように、構成される。
本発明の発展形態は、接続部が、組立ポジションにおいて、固定素子が包囲し又は開く(spreizen)U字形状の弾性領域を有することが構想される。接続部がU字形状の弾性領域を有する場合に、接続部は、自己弾力性のために、弛緩状態において、更なる別の開かれたU字形状、即ち、むしろV字形状、又は、更なる別の閉じられたU字形状を有するということが可能である。接続部の厳密なU字形状が組立ポジションに対応する場合には、固定素子は、接続部をこの組立ポジションに保つために、U字形状の領域を包囲し又は覆う必要がある。
本発明はさらに、上記の実施に基づく特徴を有する電子部品と、少なくとも1つの電気接点を有する回路基板と、を備えた電気回路構成に関する。この回路構成は、組立ポジションにある上記部品の接続部が、熱により解消可能な電気接合により接点と接続され、上記部品の、接続部に属しない少なくとも1つの領域が回路基板に固定されるということにより際立っている。上記部品が、接続部と、上記部品の、接続部に属しない更なる別の領域と共に、回路基板に固定されることにより、接続部と接点との接続が解消された場合にも、上記部品の更なる別の領域が、回路基板と接合されていることが保障される。その際に、この固定が熱により解消可能であり、及び/又は導電性であることは重要ではない。即ち、回路基板と上記部品との間の確動的(formschluessig)又は非確動的(kraftschluessig)な固定も関わりうるであろう。回路基板とこのように接合される上記部品は、回路基板としっかりと接合される。電子部品への熱的過負荷の際には、接続部と接点との間の、熱により解消可能な接合が、上記部品が加熱されること、及び、それに伴い接続部が並行して加熱されることによって解消される。従って、接続部は、もはや組立ポジションにおいて固定されておらず、ばね初期応力により弛緩し、電流遮断ポジションを取るため、接合は電気的及び機械的に分離している。従って、接点と接続部との間を、電流はもはや流れることが出来ない。
本発明の発展形態は、接続部が接点上に存在することを構想する。例えば、接続部の下側が、接点の上側と接触することにより、接続部が、弛緩状態において、例えば接点によって物理的な障害が加えられることなく、電流遮断ポジションを取りうることが保障される。従って、電気部品がSMD、即ち、表面実装型デバイスであることは有利である。
本発明の発展形態は、接合が半田接合であることを構想する。半田接合は、典型的な、安価で容易に実現可能な接合であって、熱により解消可能であり導電性の上記接合である。さらに、液体状の半田は非常に速く凝固するので、固定の接合が迅速に生成する。さらに、このような接合は、自動装置により製造される回路構成にも適している。
本発明の発展形態は、接続が導電性の粘着接合であることを構想する。特に接合面積が大きい接合は、粘着接合として比較的容易に製造可能である。さらに、粘着接合は、或る程度の弾性を有しており、これにより、接合の機械的な応力が良好に補正される。
本発明はさらに、特に上記の実施に基づく電子部品を備えた回路基板を実装する方法であって、電子部品の電気的接続部と、回路基板の接点との電気的接続が行われる、上記方法に関する。本方法は、上記部品の接続部が組立ポジションに置かれ、取り外し可能な固定素子によりこの組立ポジションに保持され、接続部が、熱により解消可能な電気接合により接点と接合され、接合が硬化した後に固定素子が取り外され、組立ポジションへと接続部を置く前若しくは置いた後に、又は、接合を形成する前若しくは形成した後に、上記部品の、接続部に属しない領域が回路基板に固定されることにより際立っている。上記部品の接続部は、最初に、その弛緩状態から、初期応力が掛かった状態、組立ポジションに置かれる。このポジションを保持するために、取り付け可能な固定素子が、上記部品に接触して配置される。この作業ステップの前及び後に、接続部が組立ポジションにおいて接点に接触し、又は直接的に接点の上方に配置されるように、上記部品が回路基板上に配置される。その際に、接続部は、接続部と接点の双方が熱により解消可能な電気接合により固く接合されうる程度に近くに、接点に接して配置される必要がある。この接合が行われ、接合が硬化し又は凝固した後に固定素子が取り外される。追加的に、上記部品の、接続部に属さない領域が、回路基板に固定される。このことは、接続部を組立ポジションへと置く前若しくは置いた後、又は、接合が形成される前若しくは形成された後に行われうる。その際、2つの構成要素、接続部と上記部品とが固定される前に、接続部が組立ポジションにあることに注意されたい。即ち、組立ポジションにおいて、接続部は、熱的過負荷の際に保護素子として対応し、電流を上記部品によって遮断することが出来る。
以下では、本発明が、図面に示す実施例を用いて、発明が限定されることなく詳細に解説される。
電子部品の斜視図を示す。 電子部品と回路基板とを備えた電気回路構成の斜視図を示す。 電子回路と回路基板とを備えた電気回路構成の横断面を示す。
図1は、電子部品1、例えば、表面実装が出来る金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:Metall−Oxid‐Halbleiter‐Feldeffekttransistor)の斜視図を示している。この電子部品は、ハウジング2と、保護素子3として構成された電気接続部4と、第1の接触部5と、第2の接触部6と、を有する。接続部4は、例えば、弛緩状態、即ち、電流遮断ポジションにおいて示される。少なくとも領域ごとに、ばね弾性(federelastisch)素材から成る接続部4は、自己弾力性により、ばね初期応力(Federvorspannung)下に置かれうる。このことは、一方では、接続部4が、当該接続部4の形状が基本的に第1の接触部5の形状に対応するポジションに置かれることで可能である。接続部4は、自己弾力性のために、この初期応力が掛かった(vorgespannt)ポジションを保持しない。接続部4に対して力が作用しない限り、接続部4は常に、図1に示される形状、即ち、弛緩状態を取る。他方では、図示される弛緩状態から、さらに左上方へと接続部4を動かすことが可能であるが、これも同様に、初期応力が掛かった状態に相当する。このような初期応力が掛かったポジションも自己弾力性のために保持されない。
接続部4は、ここでは、外部から電気的に接続可能な、部品1の接続素子として提示される。この接続素子は、部品1を、ここで示されない他の構成要素と接続する役目を果たす。第1の接触部5及び第2の接触部6も同様に、外部から電気的に接続可能な接続素子である。接続部4は、ここでは例えば、MOSFETのソース接触部(Source−Kontakt)であり、第1の接触部5はゲート接触部(Gate−Kontakt)であり、第2の接触部6はドレイン接触部(Drain−Kontakt)である。接続部4は、前方の末端7に、接合部分8を有する。この接合部分8に対して、部品1のハウジング2の方向に、電気接続部4の導体部分9が連結する。接合部分8は、接続部4が接合により更なる別の構成要素と結合されうることに役立つ。本実施例では、導体部分9は弾性特性を有し、湾曲した形状を有する。接続部4全体は導電性素材で構成される。従って、接続部4は、外部へと接続可能な接続素子であると同時に、保護素子3である。
図2は、回路基板11上に配置された電子部品1を備える電気回路構成10を示している。同一及び機能的に同一の構成要素には同一の符号が付され、その限りにおいて、図1の記載が参照される。
回路基板11は、電気接点12と、第1の半田パッド13と、第2の半田パッド14と、を有する。
さらに、図2には、固定素子15が、部品1と協働しない状態で示されている。接続部4は、初期応力が掛かった状態、即ち組立ポジションにおいてU字形状をしている様子が示されている。例えば、導体部分9が、弛緩状態において、第1の接触部5のように真っ直ぐに伸びており、又は、図1に示されるように、基本的に、更に開いたU字形状を有するということも可能であろう。組立ポジションを保持するために、接続部4が自己弾力性により弛緩状態にならないように、接続部4に対して力が加えられることが必要である。このような力は、例えば、固定素子15を接続部4の上にかぶせることによって加えられうる。接続部4は、ここでは、導体部分9の領域内では基本的にU字形状に形成されているように示されている。接続部4は、弛緩状態において、更に開いたU字形状、即ちV字形状を有する場合に、ここで示される矩形の開口部を有する固定素子15は、接続部4を初期応力が掛かった状態に保つために適している。さらに、固定素子15は、接続部4のU字形状に曲がった導体部分9の上にかぶさっている必要がある。同様に、固定素子15が接続部4に対して点的に力を加えるために、接続部14が組立ポジションにおいて保持されるということが構想されうる。さらに、保護素子3の保護効果が損なわれないために、組立の後に、接続部4が、弛緩状態、即ち電流遮断ポジションを取ることを妨げない限りにおいて、固定素子15が取り外し可能、又は解消可能である必要がある。従って、固定素子15は、当該固定素子15が継続的に部品1の領域と連携するように構成されることが可能である。その際に、固定素子15が、接続部4を固定するポジション又は固定しないポジションを取りうることが必要である。
接続部4の接触部分8は、回路基板11の電気接点12に接触する。接触部分8と接点12との接触に基づいて、両者の間を電流が流れることが出来る。しかしながら、図示されたポジションがそれにより固定されうるであろう接合は生成されない。
第1の接触部5は、第1の半田パッド13の上に存在し、第2の接触部6は、第2の半田パッド14の上に存在する。ここでも同様に、接触部5又は6と、半田パッド13又は14と、の接触に基づいて、電流が流れることが出来る。しかしながら、固定した接合は生成されない。
図3は、電子部品1と回路基板11とを備えた電子回路構成10の横断面を示す。同一又は機能的に同一の構成要素には同一の符号が付される。その限りにおいて、先に述べた記載が参照される。
図3に示される実施例の場合、電子部品1は回路基板11上に配置されている。固定素子15は、接続部4を組立ポジションに保持するように、接続部4の導体部分9の上にかぶせられ、又は、接続部4の導体部分9を包囲する。
接触部分8は電気接点12の上に存在し、追加的に、熱により解消可能な導電性の接合16を介して、電気接点12と接続される。この接合16は、例えば、半田接合であり、又は、熱により解消可能な導電性の粘着接合でもありうる。
ここで示される実施例において、接続部4に属しない、部品1の更なる別の領域が、回路基板22上に固定される。ここでは、即ち、第2の接触部6が、固定17により、第2の半田パッド14と接合される。ここで示される実施例では、部品1のドレイン接触部である第2の接触部6と、第2の半田パッド14との間を、電流が流れることが出来るべきであるために、固定17が導電性の接合であることが有効である。しかしながら、本発明にとっては、固定17が、部品1と回路基板11との間の導電性の接合であることは本質的なことではない。従って、部品のうち導電性ではない領域が、回路基板11と接合されることも同様に可能であろう。このことは例えば、確動接合(formschluessige Verbindung)によって、又は、非導電性の粘着接合によっても実現されうるであろう。回路基板11に固定された部品1の、接続部4に属さない領域によって、部品1と回路基板11との間の相対運動が排除される。従って、部品1は、回路基板11への接続を失うことが出来ず、これによって、回路基板11の他の領域又は部品1の周囲において、制御されない短絡が生じることもあるであろう。
更に、回路基板11への部品1の追加的な固定17は、組み立てられた接続部4が、電流遮断ポジションを取りえないことに役立つ。すなわち、追加的な固定17が設けられていないのであれば、電流遮断ポジション取ることが、回路基板11と部品1との間の相対運動によって起こりうるであろう。この相対運動のエネルギーは、固定17が無ければ、接続部4の、ばね初期応力から生じうるであろう。接続部4は未だに接点12と固く接合されてはいるが、初期応力が掛かった状態ではなく弛緩状態にあるであろう。従って、保護素子3による効果は無いであろう。
電気回路構成10における保護素子3が組み込まれた部品1の利用によって、複数の効果が得られる。即ち、熱的過負荷から部品1を保護する追加的な温度ヒューズを設ける必要がない。保護素子3が、保護すべき部品1に直接組み込まれることによって、部品1と保護素子3との間の空間的な分離も存在しない。組み込まれた保護素子3の作動限界値は、空間的な配置に基づいて、保護すべき部品との間隔を常に含めて計算する必要がある追加的な温度ヒューズの作動限度値よりも容易に設定される。従って、同時に、空間的な分離による誤作動が防止される。
さらに、保護素子3が組み込まれた単一の部品1を利用することにより、部品1及び追加的な温度ヒューズよりも場所を取らないので、回路構成10のために、より小さい回路基板11を利用することができる。その際に、部品1の保護素子3は、部品1を通って流れる電流による熱的過負荷から、部品1を保護する役目を果たすだけではない。さらに、外部の熱的過負荷が存在する場合に、部品1を通る電流フローが遮断されるということも可能である。
以下では、電子部品1の機能について詳細に述べることにする。即ち、図3に示す実施例において、接続部4から固定素子15が取り外されると、部品1は引き続き初期応力が掛かった状態にある。このポジションは、部品1が一方では接触部分8において、他方では接続部4に属さない領域、ここでは例えば第2の接触点6において回路基板11と接合されることによって保持される。接触部分8が、回路基板11の接点12と接合されることにより、接点12と接続部4との間を電流が流れることが出来る。
部品1を通って流れるクリティカルな(kritisch)電流又は他の電流により、部品1のクリティカルな加熱が起こると、ここで示される接合16、例えば、半田接合が加熱作用により溶けるということが起こりうる。既に、液体状の半田は、接続部4と接点12との間の固定の接合16ではない。部品1は表面実装が出来る部品として構成されているため、接続部4は、接合16により回路基板11に固定される。さらに、接続部4の変形を制限する固定は生じない。導体部分9の領域内で接続部4がばね初期応力下に置かれ、接触部分8と接点12との間の液体状の半田が固定の接合ではないことによって、以前に初期応力が掛かった領域が弛緩し、接続部4は、電流遮断ポジションを取る。これにより、部品1を通る電流が遮断される。さらに、部品1と回路基板11との間に相対運動が起きることを、固定17が阻止する必要がある。さらに、固定17が熱により解消可能ではないということ、又は、固定17が熱により解消されるには、当該固定17を溶かすために、接合16の場合よりもより強い加熱が必要であるということが構想されうる。回路基板11上に引き続き存在する、部品1の固定17により、部品1が、当該部品1の周囲に配置されうる更なる別の構成要素と接触するという危険性も発生しない。これにより、短絡が引き起こされることが防止される。

Claims (12)

  1. 熱的過負荷に対応し、電子部品(1)を通る電流フローを遮断する保護素子(3)が組み込まれた電子部品(1)において、
    前記保護素子(3)は、自己弾力性によってばね初期応力下に置ける電気接続部(4)であって、初期応力が掛かった状態において組立ポジションを取り、弛緩状態において電流遮断ポジションを取る前記電気接続部(4)を有することを特徴とする、電子部品(1)。
  2. 前記接続部(4)は、外部から電気的に接続可能な、又は、内部の、特に外部から到達不可能な、前記部品(1)の接続素子であることを特徴とする、請求項1に記載の電子部品。
  3. 内部の接続素子として構成された、前記組立ポジションを取る前記接続部(4)は、熱により解消可能な電気接合(16)により、前記部品(1)の対応する電気接続部と接続されることを特徴とする、請求項2に記載の電子部品。
  4. 前記接合(16)は半田接合であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子部品。
  5. 前記接続部(4)は、初期応力が掛かった状態を取るために、少なくとも領域ごとに弾性的に湾曲していることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電子部品。
  6. 前記部品(1)には、前記接続部(4)を前記組立ポジションに保持する取り外し可能な固定素子(15)が固定されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電子部品。
  7. 前記接続部(4)は、前記組立ポジションにおいて、前記固定素子(15)が包囲し又は開くU字形状の弾性領域を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電子部品。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項又は請求項1〜7の複数に記載の電子部品(1)と、少なくとも1つの電気接点(12)を有する回路基板(11)と、を備えた電気回路構成(10)において、
    組立ポジションにある前記部品(1)の前記接続部(4)は、熱により解消可能な電気接合(16)により前記接点(12)と接続され、前記部品(1)の、前記接続部(4)に属しない少なくとも1つの領域が、前記回路基板(11)に固定されることを特徴とする、電気回路構成(10)。
  9. 前記接続部(4)は前記接点(12)上に存在することを特徴とする、請求項8に記載の回路構成。
  10. 前記接合(16)は半田接合であることを特徴とする、請求項8又は9に記載の回路構成。
  11. 前記接合(16)は、導電性の粘着接合であることを特徴とする、請求項8又は9に記載の回路構成。
  12. 特に請求項1〜7のいずれか1項又は請求項1〜7の複数に記載の電子部品(1)を備えた回路基板(11)を実装する方法であって、前記電子部品(1)の電子接続部(4)と、前記回路基板(11)の接点(12)と、の電気的接続が行われる、前記方法において、
    前記部品(1)の前記接続部(4)は組立ポジションに置かれ、取り外し可能な固定素子(15)により前記組立ポジションに保持され、前記接続部(4)は、熱により解消可能な電気接合(16)により前記接点(12)と接続され、前記接合(16)が硬化した後に前記固定素子(15)が取り外され、前記組立ポジションへと前記接続部(4)を置く前若しくは置いた後に、又は、前記接合(16)を形成する前若しくは形成した後に、前記部品(1)の、前記接続部(4)に属しない領域が前記回路基板(11)に固定されることを特徴とする、方法。
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