WO2008116681A1 - Schmelzlegierungselement, thermosicherung mit einem schmelzlegierungselement sowie verfahren zum herstellen einer thermosicherung - Google Patents

Schmelzlegierungselement, thermosicherung mit einem schmelzlegierungselement sowie verfahren zum herstellen einer thermosicherung Download PDF

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WO2008116681A1
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fusible
carrier layer
fusible alloy
alloy element
thermal fuse
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Norbert Knab
Georg Schulze-Icking-Konert
Thomas Mohr
Stefan Kotthaus
Nikolas Haberl
Stefan Stampfer
Michael Mueller
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y10T29/49107—Fuse making

Definitions

  • Fusible alloy element thermal fuse with a melt alloying element and method for producing a thermal fuse
  • the invention relates to fusible alloy elements, in particular for use in thermal fuses, to protect modules, in particular control devices, in high-current applications against overheating.
  • thermal fuse In order to protect electrical modules against overheating, irreversible thermal fuses are required, which interrupt (trigger) a current-carrying conductor if the ambient temperature is too high.
  • the thermal fuses are designed in such a way that the tripping temperature is not reached as a result of a potentially occurring current flow, so that it is ensured that these can not be triggered by a high current, but only by an excessively high ambient temperature.
  • a thermal fuse serves to provide an independent shutdown path for electrical modules which are at impermissibly high temperatures in the module, e.g. due to component failures, short circuits, e.g. due to external influences, malfunctions of insulating materials and the like. safely interrupts the flow of electricity.
  • thermal fuses are usually based on the concept of a fixed spring (eg soldered leaf spring), in which the fixation dissolves (eg by melting) at a temperature effect, whereby the spring force Thermal fuse is opened.
  • a fixed spring eg soldered leaf spring
  • the fixation dissolves (eg by melting) at a temperature effect, whereby the spring force Thermal fuse is opened.
  • a mechanical force is exerted on the connection point, which can lead to quality problems, especially with long operating times in the automotive sector, for example to a disruption of the solder joint.
  • thermo fuse uses a conductive fusible material which begins to melt at a triggering temperature and thereby breaks a connection.
  • the thermal fuse can be constructed by equipping a stamped grid with a fusible alloy element in a simple manner, without already causing a complete or partial melting of the fusible alloy element during the processing during production.
  • a fusible alloy element in particular for the production of a thermal fuse.
  • the fusible alloy element comprises a fusible element of a material fusible at a triggering temperature; and a carrier layer on a surface at least in a contacting region of the fusible alloy element.
  • a melting temperature of the material of the carrier layer is higher than the triggering temperature, wherein the material of the carrier layer is chosen so that it goes into solid state in the molten material of the fusible element in solution.
  • a fusible alloy element can be provided, which can be mounted more easily and reliably, since it has an increased resistance to high temperatures during soldering or other assembly process.
  • the process temperature when assembling the fusible alloy does not immediately cause the fusible alloy to flow, because contraction of the melted material at the process temperature is prevented by lowering the surface tension. In other words, contraction of the molten material of the fuser, due to its surface tension, does not provide energy gain when the support layer is provided.
  • the carrier layer is also designed so that it does not permanently hinder the flow of the fusible alloy element, since the material of the carrier layer in the material of the fusible element can go into solution.
  • the material of the fusible element may contain tin and the material of the carrier layer may comprise copper.
  • the melting element is cuboidal in order to provide a defined current distribution when used as a thermal fuse.
  • the carrier layer can be formed continuously on the surface.
  • the carrier layer can be formed on the surface and an opposite surface of the fusible element and in particular completely encloses the fusible element.
  • the thickness and the material of the carrier layer may be chosen so as not to completely dissolve in the molten material of the fusible element with molten material of the fusible element for a certain period of time.
  • Surface comprising at least one of the layers solder layer, corrosion protection layer and adhesion improvement layer.
  • a thermal fuse is provided with a connection point on a stamped grid and with an above fusible alloy element which is fastened, in particular soldered, to the surface at the connection point.
  • a method for producing a thermal fuse is provided, with the steps of applying a contact material, in particular a solder, to a connection point; the application of the above fusible alloy element, so that at least a portion of the carrier layer rests on the contact material; heating the contact material to or above its melting point such that the contact material bonds to the material of the carrier layer and the junction for a period of time limited by the length of time after which the material of FIG
  • Carrier layer is completely dissolved in the region of the carrier layer in the molten materials of the fusible element and the contact material.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the fusible alloy element according to the present invention
  • Fig. 3c is a representation of the thermal fuse in a state after triggering.
  • the fusible alloy element 1 essentially comprises a bar-shaped block with a fusible element 2 of a fusible material.
  • the fusible element 2 contains a metal or other highly electrically conductive alloy or material through which a current flows when the Fusible alloy element 1 in a thermal fuse (see Figs 3a - 3c) is installed. Due to a sufficiently large cross-section of the fusible alloy element, a sufficiently low specific resistance and a good thermal connection to the environment, the fusible alloy element 1 heats up only slightly with respect to the environment even at the maximum permissible current flow.
  • the melting point of the material of the fusible element 2 is chosen such that the block is subject to an increase in temperature due to malfunctions such as malfunctioning. Failures of electronic components, malfunctions of the insulating materials, short-circuits due to external influences above a melting temperature melts and thereby interrupts a current path that exists through the fusible alloy element.
  • the fusible alloy element 1 is applied between two connection points that are otherwise electrically insulated from each other and, e.g. soldered there. When soldering the fusible alloy element 1 care must be taken that the
  • Fusible alloy element 1 does not interrupt the current path during assembly, which can occur if a temperature would be applied which is equal to or greater than the melting temperature of the fusible element 2.
  • a carrier layer 4 is provided, with which the fusible alloy element 1 is applied to the connection points or soldered there.
  • the carrier layer 4 has a high melting point, which is higher than the melting point of the fusible material 2 and the solder used in the soldering process.
  • the carrier layer 4 is furthermore provided from a material which slowly dissolves in the material of the melt element 2, ie can go into solution.
  • the fusible element 2 materials with a sufficient tin content for example of more than 30%, more than 50%, more than 70% and particularly preferably more than 80% into consideration.
  • the material of the carrier layer 4 copper or a copper alloy having a high copper content, such as more than 70%, may be used. Copper is advantageous because it already dissolves in solid state in liquid tin, the temperature of which corresponds to its melting temperature, at about 10 ⁇ m / min, whereby this value approximately doubles for every 10 K increase in temperature above the melting temperature.
  • Other material systems for the materials of the fusible element 2 and the carrier layer 4 are also possible.
  • a conventional solder is used, for example, the same material as the material of the fusible element 2.
  • the fusible element 2 of the fusible alloy element 1 melts completely or partially and the material of the carrier layer 4 begins to be in the materi - To dissolve al of the molten melting element 2.
  • the soldering process should be completed before the carrier layer is completely dissolved. As long as the carrier layer 4 has not yet completely settled in the molten melting element. has dissolved, it prevents the fusion of the fusible alloy element 1 on one or more of the connection points by reducing the surface tension.
  • the thickness of the carrier layer 4 and the duration of the soldering process for attaching the fusible alloy element 1 at the connection points is to be selected such that only part of the carrier layer 4 dissolves, so that the current path is not interrupted despite melting or melting of the fusible element 2.
  • the carrier layer 4 remaining after the soldering process during mounting dissolves in the molten material of the fusible element 2, and the fusible alloy element 1 interrupts the current path by exposing at the junctions portions of the molten material, e.g. drop-shaped due to the surface tension of the molten material attaches.
  • the delay of the response at a temperature increase above the melting temperature of the melting element 2 should be as short as possible.
  • FIGS. 1 a to 1 e show various configurations of the fusible alloy element 1. As shown in FIG. 1 a, the fusible alloy element 1 has a fusible element 2 on which the carrier layer 4 is applied on one side. The carrier layer 4 is on the side of
  • the carrier layer 4 is not applied flatly on the surface of the fusible element 2 with which the fusible alloy element 1 is mounted, but only on the areas which are to be connected to the connection points. That the carrier layer 4 is e.g. interrupted in a central area. However, a continuous support layer is on the opposite surface and / or on a side surface (plane of representation of the figure) to effect the effect of preventing the contraction of the molten material of the fusible element.
  • carrier layers 4 can be provided on both sides of the fusible element 2 (or on two or more than two different surfaces extending between the contact points of the fusible alloy element 1) in order to be fully fused of the fusible element 2 and a subsequent dissolution of the material of the carrier layer 4 in the material of the fused fusible element 2, triggering of the thermal fuse formed by the fusible alloy element 1. Furthermore, according to the embodiment of FIG. Id, provision can be made for the melting element 2 to be completely surrounded by carrier layers 4, so that outflow of the material of the melting element 2 out of the region between the carrier layers 4 opposite the surfaces can be avoided.
  • FIG. 1e based on the embodiment of FIG. Id, it is shown that, in addition to the carrier layer, one or more further layers can also be provided, which accordingly perform an additional function.
  • a section of the fusible alloy element 1 of Fig. Ie is shown for example in Fig. 2. There one recognizes that on the melting element 2 on the one hand, the carrier layer 4 and an additional layer 5 is applied.
  • the additional layer 5 may be, for example, a solder layer, which provides an additional provision of a solder paste and the like. makes it superfluous for soldering the fusible alloy element 1 between the connection points. A soldering of the fusible alloy element 1 can then be done by placing the fusible alloy element 1 on the connection points and a corresponding heating.
  • the additional layer 5 may additionally or alternatively constitute an oxidation protection layer for the carrier layer 4 in order to create a higher corrosion resistance. fen. Possible materials for this are eg Entec or SnAg-Cu.
  • the additional layer 5 may alternatively or additionally constitute an adhesion enhancing layer, e.g. Ni or Au, in order to facilitate gluing or bonding of the fusible alloy element 1 to the connection point in an alternative application form.
  • the or one of the additional layers may contain a flux.
  • the materials of the one or more additional layers are chosen so that they also go into solution during the melting of the fusible element 2 therein, or melt or evaporate due to the process temperature.
  • FIGS. 3a and 3b a mounting process for a thermal fuse is outlined.
  • FIG. 3 a shows a process state which shows a fusible alloy element 1 of the embodiment of FIG. 1 a shortly before it is placed on connection points 6 of line regions 9 of a stamped grid 7.
  • the connection points 6 of the stamped grid 7 are provided with a solder paste 8.
  • the fusible alloy is placed and then the solder paste 8 is heated above its melting temperature.
  • the melting element 2 also heats up and the carrier layer 4 of the fusible alloy element 1 is dissolved in the soldering paste 8 as well as in the fusible element 2, as far as the fusible element 2 is also melted.
  • the carrier layer is thinner at points at which the fusible element 2 is soldered at the connection points than at the remaining regions.
  • the thickness of the carrier layer 4 and the materials the melting element and the carrier layer 4 are chosen so that a reliable fastening of the fusible alloy element 1 at the connection points can be achieved by, for example, soldering, without the carrier layer 4 completely dissolving in the molten part of the fusible element 2.
  • the reliability of the soldering process would be impaired, since in this case an interruption of the current path through the fusible alloy element 1 of the thermal fuse can occur.
  • the thickness is limited by the fact that in the case of triggering the material of the carrier layer 4 in the molten material of the melting element as completely as possible in a short time, for example in 1 to 10 seconds, in solution. Due to the thickness, the inertia of the thermal fuse can thus be adjusted.
  • Fig. 3c the thermal fuse is shown after a triggering event in which the fusible alloy has melted due to a high ambient temperature and the carrier layer 4 has dissolved in the molten fusible element 2. Due to the surface tension, portions of the molten fusible alloy are referred to the lead regions 9, where they contract to droplets due to their surface tension, respectively. Due to the surface tension and the affinity of the molten material of the fusible member 2 to contract on the lead portions 9, the molten material of the fusing member is drawn out of the region between the lead portions 9 and separated there.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schmelzlegierungselement (1), insbesondere für die Herstellung einer Thermosicherung, umfassend ein Schmelzelement (2) aus einem bei einer Auslösetemperatur schmelzbaren Material; und eine Trägerschicht (4) auf einer Oberfläche zumindest in einem Kontaktierungsbereich des Schmelzlegierungselementes (1), wobei eine Schmelztemperatur des Materials der Trägerschicht (4) höher ist als die Auslösetemperatur, wobei das Material der Trägerschicht (4) so gewählt ist, dass es in festem Zustand in dem geschmolzenen Material des Schmelzelementes (2) in Lösung geht.

Description

Schmelzlegierungselement, Thermosicherung mit einem Schmelz- legierungselement sowie Verfahren zum Herstellen einer Ther- mosicherung
Die Erfindung betrifft Schmelzlegierungselemente, insbesondere für den Einsatz in Thermosicherungen, um Module, insbesondere Steuergeräte, in Hochstromanwendungen, gegen Überhitzung zu schützen.
Um elektrische Module gegen Überhitzung zu schützen, werden irreversible Thermosicherungen benötigt, die bei einer zu hohen Umgebungstemperatur einen Strom führenden Leiter unterbrechen (auslösen) . Die Thermosicherungen sind dabei so ausgelegt, dass die Auslösetemperatur nicht aufgrund eines mög- licherweise auftretenden Stromflusses erreicht wird, so dass gewährleistet ist, dass diese nicht durch einen hohen Strom, sondern ausschließlich durch eine zu hohe Umgebungstemperatur ausgelöst werden können. Eine Thermosicherung dient also dazu, einen unabhängigen Abschaltpfad für elektrische Module zur Verfügung zu stellen, die bei unzulässig hohen Temperaturen in dem Modul, z.B. aufgrund von Ausfällen von Bauelementen, Kurzschlüssen, z.B. durch Fremdeinwirkung, Fehlfunktionen von Isolationswerkstoffen und dgl . den Stromfluss sicher unterbricht .
Herkömmliche Thermosicherungen basieren zumeist auf dem Konzept einer fixierten Feder (z.B. angelötete Blattfeder), bei der sich bei einer Temperatureinwirkung die Fixierung löst (z.B. durch Schmelzen), wodurch durch die Federkraft die Thermosicherung geöffnet wird. Dabei wird jedoch auch im Normalbetrieb, d.h. im geschlossenen Zustand der Thermosicherung eine mechanische Kraft auf die Verbindungsstelle ausgeübt, was zu Qualitätsproblemen, speziell bei langen Betriebs- zeiten im Automotiv-Bereich führen kann, z.B. zu einer Zerrüttung der Lötstelle.
Eine alternative Ausführungsform einer Thermosicherung verwendet ein leitendes Schmelzmaterial, das bei einer Auslöse- temperatur zu schmelzen beginnt und dadurch eine Verbindung unterbricht .
Bei Thermosicherungen, die ein Schmelzmaterial verwenden, muss darauf geachtet werden, dass die Schmelzbrücke nicht be- reits während der Montageprozesse aufschmilzt, wenn die Prozesstemperatur über der Schmelztemperatur der Schmelzbrücke liegt, und dadurch der Strompfad bei Herstellung der Thermosicherung unterbrochen wird.
Bei Verwendung eines vorgefertigten Schmelzlegierungselementes aus einem Schmelzmaterial für die Herstellung einer derartige Thermosicherung besteht also die Gefahr, dass es z.B. beim Auflöten des Schmelzlegierungselementes bereits während der Montage der Thermosicherung zumindest teilweise so aufge- schmolzen wird, dass der Strompfad unterbrochen wird. Dadurch wäre die Thermosicherung bereits vor ihrem Einsatz unbrauchbar .
Daher muss bei einem Lötprozess zum Befestigen eines solchen Schmelzlegierungselement entweder sichergestellt werden, dass das Schmelzlegierungselement nur lokal aufgeschmolzen wird, was eine sehr genaue Steuerung des Lötprozesses erfordert. Bei einem lokalen Aufschmelzen des Schmelzlegierungselementes zum Befestigen an Anschlussstellen können des weiteren kalte Lötstellen entstehen, die die Prozesssicherheit und die Qualität der elektrischen Verbindung deutlich beeinträchtigen. Oder es muss ein geeignetes Lot mit einer Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Schmelzlegierungselementes verwendet werden, um das Schmelzlegierungselement zu löten. Dies erfordert jedoch ein spezielles Lot, dessen mögliche Auslösetemperatur deutlich unter der Schmelztemperatur des Schmelzlegierungselementes liegen muss.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Thermosiche- rung und ein Schmelzlegierungselement zur Verfügung zu stellen, das bei unzulässig hohen Temperaturen aufgrund von Ausfällen von Bauelementen, Kurzschlüssen, z.B. durch Fremdein- Wirkung, Fehlfunktionen von Isolationswerkstoffen, den Strom- fluss durch Aufschmelzen sicher unterbricht, wobei der Auslösemechanismus dabei im Wesentlichen von der Umgebungstemperatur und nicht vom Strom abhängen soll, damit auch Störungen, die nur zu Strömen führen, die kleiner sind als die zulässi- gen Maximalströme, sicher erkannt werden können. Insbesondere soll gewährleistet werden, dass die Thermosicherung durch Bestücken eines Stanzgitters mit einem Schmelzlegierungselement in einfacher Weise aufgebaut werden kann, ohne bereits bei der Prozessierung während der Herstellung ein vollständiges oder teilweises Aufschmelzen des Schmelzlegierungselementes zu bewirken.
Diese Aufgabe wird durch das Schmelzlegierungselement nach Anspruch 1, die Thermosicherung, die Verwendung des Schmelz- legierungselementes sowie durch das Verfahren zum Herstellen einer Thermosicherung gemäß den nebengeordneten Ansprüche gelöst . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Schmelzlegierungselement, insbesondere für die Herstellung einer Thermosicherung vorgesehen. Das Schmelzlegierungselement umfasst ein Schmelzelement aus einem bei einer Auslösetemperatur schmelzbaren Material; und eine Trägerschicht auf einer Oberfläche zumindest in einem Kontaktierungsbereich des Schmelzlegierungselemen- tes. Eine Schmelztemperatur des Materials der Trägerschicht ist höher als die Auslösetemperatur, wobei das Material der Trägerschicht so gewählt ist, dass es in festem Zustand in dem geschmolzenen Material des Schmelzelementes in Lösung geht .
Dadurch kann ein Schmelzlegierungselement geschaffen werden, das einfacher und zuverlässiger montiert werden kann, da es eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen beim Auflöten oder einen sonstigen Montageprozess aufweist. Die Prozesstemperatur beim Montieren des Schmelzlegierungselement führt nicht sofort zu einem Zerfließen des Schmelzlegierungselementes, da ein Zusammenziehen des bei der Prozesstemperatur geschmolzenen Materials des Schmelzelementes durch ein Verringern der Oberflächenspannung verhindert wird. Mit anderen Worten bringt ein Zusammenziehen des geschmolzenen Materials des Schmelzelementes aufgrund seiner Oberflächenspannung bei Vorsehen der Trägerschicht keinen Energiegewinn. Die Trägerschicht ist darüber hinaus so gestaltet, dass sie das Zerfließen des Schmelzlegierungselementes nicht dauerhaft behindert, da das Material der Trägerschicht in dem Material des Schmelzelementes in Lösung gehen kann. Weiterhin kann das Material des Schmelzelement Zinn enthalten und das Material der Trägerschicht Kupfer aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Schmelzelement quaderför- mig ausgebildet ist, um eine definierte Stromverteilung beim Einsatz als Thermosicherung bereitzustellen.
Weiterhin kann die Trägerschicht auf der Oberfläche durchgehend ausgebildet ist. Insbesondere kann die Trägerschicht auf der Oberfläche und einer gegenüberliegenden Oberfläche des Schmelzelementes ausgebildet sein und insbesondere das Schmelzelement vollständig umschließt.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Dicke und das Material der Trägerschicht so gewählt sein, um bei geschmolzenen Material des Schmelzelementes sich nicht vor einer bestimmten Zeitdauer vollständig in dem geschmolzenen Material des Schmelzelementes aufzulösen.
Weiterhin können eine oder mehrere Zusatzschichten auf der
Oberfläche vorgesehen sein, die mindestens einer der Schichten Lotschicht, Korrosionschutzschicht und Haftverbesserungschicht umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Thermosicherung mit einer Anschlussstelle auf einem Stanzgitter und mit einem obigen Schmelzlegierungselement vorgesehen, das mit der Oberfläche an der Anschlussstelle befestigt, insbesondere aufgelötet, ist.
Weiterhin ist vorgesehen das Schmelzlegierungselement in einem Strompfad einer Thermosicherung zu verwenden. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung einer Thermosicherung vorgesehen, mit den Schritten des Auf- bringens eines Kontaktmaterials, insbesondere eines Lots, auf eine Anschlussstelle; des Aufbringens des obigen Schmelzle- gierungselementes, so dass zumindest ein Bereich der Trägerschicht auf dem Kontaktmaterial aufliegt; des Erhitzens des Kontaktmaterials auf oder über seinen Schmelzpunkt, so dass das Kontaktmaterial sich mit dem Material der Trägerschicht und der Anschlussstelle verbindet, für eine Zeitdauer, die begrenzt ist durch die Zeitdauer, nach der das Material der
Trägerschicht an dem Bereich der Trägerschicht vollständig in den geschmolzenen Materialien des Schmelzelementes und des Kontaktmaterials aufgelöst wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigen :
Fig. Ia bis Ie Ausführungsformen für Schmelzlegierungselemente gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Er- findung;
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform des Schmelzlegierungselementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a bis 3b eine Veranschaulichung des Verfahrens zum Befestigen des Schmelzlegierungselementes auf einem Stanzgit- ter; und
Fig. 3c eine Darstellung der Thermosicherung in einem Zustand nach dem Auslösen.
Das erfindungsgemäße Schmelzlegierungselement 1 umfasst im Wesentlichen einen barrenförmigen Block mit einem Schmelzelement 2 aus einem schmelzbaren Material. Das Schmelzelement 2 enthält ein Metall oder eine andere elektrisch gut leitende Legierung oder Material, durch das ein Strom fließt, wenn das Schmelzlegierungselement 1 in eine Thermosicherung (siehe Figs 3a - 3c) eingebaut ist. Durch einen ausreichend großen Querschnitt des Schmelzlegierungselementes, einen ausreichend niedrigen spezifischen Widerstand sowie eine gute thermische Anbindung an die Umgebung erwärmt sich das Schmelzlegierungselement 1 auch bei maximal zulässigem Stromfluss nur gering gegenüber der Umgebung.
Der Schmelzpunkt des Materials des Schmelzelementes 2 ist so gewählt, dass der Block bei einer Temperaturerhöhung aufgrund von Betriebsstörungen, wie z.B. Ausfällen von elektronischen Bauteilen, Fehlfunktionen der Isolationswerkstoffe, Kurzschlüssen durch Fremdeinwirkung über eine Schmelztemperatur aufschmilzt und dabei einen durch das Schmelzlegierungsele- ment bestehenden Strompfad unterbricht.
Das Schmelzlegierungselement 1 wird zwischen zwei ansonsten voneinander elektrisch isolierten Anschlusspunkten aufgebracht und z.B. dort verlötet. Beim Auflöten des Schmelzle- gierungselementes 1 muss darauf geachtet werden, dass das
Schmelzlegierungselement 1 den Strompfad nicht bereits während der Montage unterbricht, was auftreten kann, wenn dabei eine Temperatur angelegt werden würde, die gleich oder größer ist als die Schmelztemperatur des Schmelzelementes 2.
Daher muss entweder gewährleistet sein, dass beim Lötprozess das Schmelzlegierungselement 1 entweder beim Befestigen und Verbinden mit den Anschlussstellen entweder nur lokal aufgeschmolzen wird oder mit Hilfe eines Lotes mit einem Schmelz- punkt, der niedriger ist als der Schmelzpunkt des Schmelzelementes 2, gelötet wird. Um den Herstellungsprozess einer Thermosicherung mit einem derartigen Schmelzlegierungselement 1 zu vereinfachen, ist eine Trägerschicht 4 vorgesehen, mit der das Schmelzlegierungselement 1 auf die Anschlussstellen aufgebracht bzw. dort festgelötet wird. Die Trägerschicht 4 weist einen hohen Schmelzpunkt auf, der höher ist als der Schmelzpunkt des schmelzbaren Materials 2 und des Lots, das bei dem Lötprozess verwendet wird. Die Trägerschicht 4 ist weiterhin aus einem Material vorgesehen, das sich in dem Material des Schmelzele- mentes 2 langsam auflöst, d.h. in Lösung gehen kann. Als mögliches Materialsystem kommen für das Schmelzelement 2 Materialien mit einem ausreichenden Zinnanteil, z.B. von mehr als 30%, mehr als 50%, mehr als 70% und besonders bevorzugt mehr als 80% in Betracht. Als Material der Trägerschicht 4 kann Kupfer oder eine Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil, wie z.B. mehr als 70% verwendet werden. Kupfer ist vorteilhaft, da es sich bereits in festen Zustand in flüssigem Zinn löst, dessen Temperatur seiner Schmelztemperatur entspricht, mit etwa 10 μm/min, wobei sich dieser Wert für jede 10 K Tempera- turerhöhung über die Schmelztemperatur hinaus etwa verdoppelt. Andere Materialsysteme für die Materialien des Schmelzelementes 2 und die Trägerschicht 4 sind ebenfalls möglich.
Beim Aufbringen des Schmelzlegierungselementes 1 auf entspre- chende Anschlussstellen wird daher ein herkömmliches Lot verwendet z.B. das gleiche Material wie das Material des Schmelzelementes 2. Dabei schmilzt das Schmelzelement 2 des Schmelzlegierungselementes 1 vollständig oder teilweise und das Material der Trägerschicht 4 beginnt, sich in dem materi- al des geschmolzenen Schmelzelementes 2 aufzulösen. Der Lötvorgang sollte beendet sein, bevor die Trägerschicht vollständig aufgelöst ist. Solange sich die Trägerschicht 4 noch nicht vollständig in dem geschmolzenen Schmelzelement aufge- löst hat, verhindert sie das Zusammenziehen des Schmelzlegierungselementes 1 auf eine oder mehrere der Anschlussstellen, indem sie die Oberflächenspannung reduziert. Die Dicke der Trägerschicht 4 und die Dauer des Lötprozesses zum Befestigen des Schmelzlegierungselementes 1 an den Anschlussstellen ist so zu wählen, dass sich nur ein Teil der Trägerschicht 4 auflöst, sodass der Strompfad trotz einem Schmelzen oder Anschmelzen des Schmelzelementes 2 nicht unterbrochen wird.
Im Auslösefall löst sich nach Aufschmelzen der Schmelzlegierung die nach dem Lötprozess während der Montage verbliebene Trägerschicht 4 in dem geschmolzenen Material des Schmelzelementes 2 auf und das Schmelzlegierungselement 1 unterbricht den Strompfad, indem sich an den Anschlussstellen Teile des geschmolzenen Materials z.B. tropfenförmig aufgrund der Oberflächenspannung des geschmolzenen Materials anlagert.
In der Endanwendung soll die Verzögerung des Ansprechens bei einer Temperaturerhöhung über die Schmelztemperatur des Schmelzelementes 2 dabei so kurz wie möglich sein.
Gegenüber einem Löten mit einem Lot mit niedrigerem Schmelzpunkt besteht ein Vorteil dieser Erfindung darin, dass die Kontaktierung des Schmelzlegierungselementes 1 an den An- Schlussstellen mit demselben Lot hergestellt werden kann, wie die Schmelzlegierung, sodass damit auch Thermosicherungen mit niedrigeren Auslösetemperaturen gewählt werden können, da keine Temperaturdifferenz zwischen der Schmelztemperatur des Lots zum Befestigen des Schmelzlegierungselementes 1 an den Anschlussstellen und des schmelzbaren Materials des Schmelzelementes vorgesehen werden muss. In den Figuren Ia bis Ie sind verschiedene Konfigurationen des Schmelzlegierungselementes 1 dargestellt. Wie in Fig. Ia dargestellt ist, weist das Schmelzlegierungselement 1 ein Schmelzelement 2 auf, auf den einseitig die Trägerschicht 4 aufgebracht ist. Die Trägerschicht 4 ist auf der Seite des
Schmelzelementes aufgebracht, die in einem nachfolgenden Mon- tageprozess für eine Thermosicherung mit den Anschlussstellen verbunden bzw. verlötet wird.
Neben der Ausführungsform des Schmelzlegierungselementes der Fig. Ia sind weitere Ausführungsformen möglich, die sich in der Anordnung der Trägerschicht unterscheiden. In Fig. Ib ist die Trägerschicht 4 auf der Oberfläche des Schmelzelementes 2, mit der das Schmelzlegierungselement 1 montiert wird, nicht flächig aufgebracht, sondern nur an den Bereichen, die mit den Anschlussstellen verbunden werden sollen. D.h. die Trägerschicht 4 ist z.B. in einem Mittenbereich unterbrochen. Eine durchgehende Trägerschicht ist jedoch auf der gegenüberliegenden Oberfläche und/oder auf einer Seitenfläche (Dar- stellungsebene der Figur) , um den Effekt des Verhinderns des Zusammenziehens des geschmolzenen Materials des Schmelzelementes zu bewirken.
Wie aus den Ausführungsformen der Fig. Ic bis Ie ersichtlich ist, können Trägerschichten 4 beidseitig des Schmelzelementes 2 (oder auf zwei oder mehr als zwei verschiedenen Oberflächen, die sich zwischen den Kontaktstellen des Schmelzlegierungselementes 1 erstrecken) vorgesehen sein, um erst bei einem vollständigen Aufschmelzen des Schmelzelementes 2 und ei- nem darauf folgenden In-Lösung-Gehen des Materials der Trägerschicht 4 in dem Material des aufgeschmolzenen Schmelzelementes 2 ein Auslösen der durch das Schmelzlegierungselement 1 gebildeten Thermosicherung zu bewirken. Weiterhin kann gemäß der Ausführungsform der Fig. Id vorgesehen sein, dass das Schmelzelement 2 vollständig von Trägerschichten 4 umgeben, so dass ein Herausfließen des Materials des Schmelzelementes 2 aus dem Bereich zwischen der sich auf den Oberflächen gegenüberliegenden Trägerschichten 4 vermieden werden kann. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die gegenüberliegenden Trägerschichten 4 sich annähern, miteinander in Kontakt kommen und dann, da kein geschmolzenes Material des Schmelzelementes 2 mehr vorhanden ist, nicht mehr in Lösung gehen können, wodurch ein Auftrennen der Ther- mosicherung unter Umständen verhindert wird.
In Fig. Ie ist basierend auf der Ausführungsform der Fig. Id dargestellt, dass zusätzlich zur Trägerschicht auch eine oder mehrere weitere Schichten vorgesehen sein können, die entsprechend eine zusätzliche Funktion wahrnehmen. Ein Ausschnitt aus dem Schmelzlegierungselement 1 der Fig. Ie ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt. Dort erkennt man, dass auf dem Schmelzelementes 2 zum einen die Trägerschicht 4 sowie eine Zusatzschicht 5 aufgebracht ist.
Die Zusatzschicht 5 kann beispielsweise eine Lotschicht sein, die ein zusätzliches Vorsehen einer Lotpaste und dgl . zum Auflöten des Schmelzlegierungselementes 1 zwischen den Anschlussstellen überflüssig macht. Ein Auflöten des Schmelzlegierungselements 1 kann dann durch Aufsetzen des Schmelzlegierungselements 1 auf die Anschlussstellen und ein entsprechendes Erhitzen erfolgen.
Darüber hinaus kann die Zusatzschicht 5 zusätzlich oder alternativ eine Oxidationsschutzschicht für die Trägerschicht 4 darstellen, um eine höhere Korrosionsbeständigkeit zu schaf- fen. Mögliche Materialien hierfür sind z.B. Entec oder SnAg- Cu.
Weiterhin kann die Zusatzschicht 5 alternativ oder zusätzlich eine Haftverbesserungsschicht darstellen, die z.B. Ni oder Au aufweist, um bei einer alternativen Aufbringungsform ein Kleben oder Bonden des Schmelzlegierungselementes 1 an die Anschlussstelle zu erleichtern. Weiterhin kann die oder eine der Zusatzschichten ein Flussmittel enthalten.
Vorzugsweise sind die Materialien der einen oder mehreren Zusatzschichten so gewählt, dass sie beim Aufschmelzen des Schmelzelementes 2 darin ebenfalls in Lösung gehen, oder schmelzen oder aufgrund der Prozesstemperatur verdampfen.
In den Figuren 3a und 3b ist ein Montageprozess für eine Thermosicherung skizziert. In Fig. 3a ist ein Verfahrensstand gezeigt, der ein Schmelzlegierungselement 1 der Ausführungsform der Fig. Ia kurz vor dem Aufsetzen auf Anschlussstellen 6 von Leitungsbereichen 9 eines Stanzgitters 7 zeigt. Die Anschlussstellen 6 des Stanzgitters 7 sind mit einer Lotpaste 8 versehen. Auf die Lotpaste 8 wird das Schmelzlegierungselement aufgesetzt und anschließend die Lotpaste 8 über dessen Schmelztemperatur erhitzt. Dabei erwärmt sich auch das Schmelzelement 2 und die Trägerschicht 4 des Schmelzlegierungselementes 1 geht sowohl in der Lotpaste 8 als auch, soweit das Schmelzelement 2 ebenfalls aufgeschmolzen wird, in dem Schmelzelement 2 in Lösung.
Dies wird deutlich in Fig. 3b, dadurch, dass die Trägerschicht an Stellen, an dem das Schmelzelement 2 an den Anschlussstellen verlötet wird, dünner ist als an den übrigen Bereichen. Die Dicke der Trägerschicht 4 und die Materialien des Schmelzelementes und der Trägerschicht 4 sind so gewählt, dass ein zuverlässiges Befestigen des Schmelzlegierungselementes 1 an den Anschlussstellen durch z.B. Auflöten erreicht werden kann, ohne dass sich die Trägerschicht 4 vollständig in dem geschmolzenen Teil des Schmelzelementes 2 auflöst. Dadurch wäre die Zuverlässigkeit des Lötprozesses beeinträchtigt, da dabei eine Unterbrechung des Strompfades durch das Schmelzlegierungselementes 1 der Thermosicherung auftreten kann. Die Dicke ist jedoch dadurch beschränkt, dass im Auslö- sefall das Material der Trägerschicht 4 im geschmolzenen Material des Schmelzelementes möglichst vollständig in kurzer Zeit, z.B. in 1 bis 10 Sekunden, in Lösung geht. Durch die Dicke lässt sich somit die Trägheit der Thermosicherung einstellen .
In Fig. 3c ist die Thermosicherung nach einem Auslösefall gezeigt, bei dem die Schmelzlegierung aufgrund einer hohen Umgebungstemperatur geschmolzen ist und die Trägerschicht 4 sich in dem geschmolzenen Schmelzelement 2 aufgelöst hat. Aufgrund der Oberflächenspannung werden Teile der geschmolzenen Schmelzlegierung auf die Leitungsbereiche 9 bezogen, wo sie sich aufgrund ihrer Oberflächenspannung jeweils zu Tropfen zusammenziehen. Aufgrund der Oberflächenspannung und der Affinität des geschmolzenen Materials des Schmelzelementes 2 sich auf den Leitungsbereichen 9 zusammenzuziehen, wird das geschmolzene Material des Schmelzelementes aus dem Bereich zwischen den Leitungsbereichen 9 herausgezogen und dort getrennt .

Claims

Patentansprüche
1. Schmelzlegierungselement (1), insbesondere für die Herstellung einer Thermosicherung, umfassend: ein Schmelzelement (2) aus einem bei einer Auslösetemperatur schmelzbaren Material; und eine Trägerschicht (4) auf einer Oberfläche zumindest in einem Kontaktierungsbereich des Schmelzlegierungselementes
(D, wobei eine Schmelztemperatur des Materials der Trägerschicht (4) höher ist als die Auslösetemperatur, wobei das Material der Trägerschicht (4) so gewählt ist, dass es in festem Zustand in dem geschmolzenen Material des Schmelzelementes in Lösung geht.
2. Schmelzlegierungselement (1) nach Anspruch 1, wobei das
Material des Schmelzelement (2) Zinn enthält und das Material der Trägerschicht (4) Kupfer aufweist.
3. Schmelzlegierungselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schmelzelement (2) quaderförmig ausgebildet ist.
4. Schmelzlegierungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Trägerschicht (4) auf der Oberfläche durchgehend ausgebildet ist.
5. Schmelzlegierungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Trägerschicht (4) auf der Oberfläche und einer gegenüberliegenden Oberfläche des Schmelzelementes (2) ausgebildet ist und insbesondere das Schmelzelement (2) vollständig umschließt.
6. Schmelzlegierungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke und das Material der Trägerschicht (4) so gewählt sind, um bei geschmolzenen Material des
Schmelzelementes (2) sich nicht vor einer bestimmten Zeitdauer vollständig in dem geschmolzenen Material des Schmelzelementes (2) aufzulösen.
7. Schmelzlegierungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine oder mehrere Zusatzschichten (5) auf der Oberfläche vorgesehen sind, die mindestens einer der Schichten Lotschicht, Korrosionschutzschicht und Haftver- besserungschicht umfassen.
8. Thermosicherung mit einer Anschlussstelle auf einem Stanzgitter (7) und mit einem Schmelzlegierungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das mit der Oberfläche an der Anschlussstelle (6) befestigt, insbesondere aufgelötet ist.
9. Verwendung eines Schmelzlegierungselementes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Strompfad einer Thermosicherung .
10. Verfahren zur Herstellung einer Thermosicherung, mit folgenden Schritten:
- Aufbringen eines Kontaktmaterials, insbesondere eines Lots, auf eine Anschlussstelle;
- Aufbringen eines Schmelzlegierungselementes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, so dass zumindest ein Bereich der Trägerschicht (4) auf dem Kontaktmaterial aufliegt;
- Erhitzen des Kontaktmaterials auf oder über seinen Schmelzpunkt, so dass das Kontaktmaterial sich mit dem Material der Trägerschicht (4) und der Anschlussstelle (6) verbindet, für eine Zeitdauer, die begrenzt ist durch die Zeitdauer, nach der das Material der Trägerschicht (4) an dem Bereich der Trägerschicht (4) vollständig in den geschmolzenen Materialien des Schmelzelementes (2) und des Kontaktmaterials aufgelöst wird.
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