DE4200072A1

DE4200072A1 - Elektrische sicherung mit einem duennschicht-schmelzleiter auf einem substrat

Info

Publication number: DE4200072A1
Application number: DE4200072A
Authority: DE
Inventors: David E Suuronen
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Gould Inc
Priority date: 1991-01-03
Filing date: 1992-01-03
Publication date: 1992-07-09
Also published as: GB2252684A; GB9200092D0; FR2671428A1; GB2252684B; US5148141A; TW200594B; JPH0547293A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Dünnschicht-Schmelzleiter, die auf einem Substrat angeordnet sind und elektrische Sicherungen, die solche Dünnschicht-Schmelzleiter enthalten.

Es ist bekannt, Schmelzleiter aus dünnen Schichten oder Filmen aus elektrisch leitfähigem Material herzustellen, die auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind. Hierdurch kann die Dicke des Schmelzleiters kleiner gemacht werden, als bei Herstellung des Schmelzleiters durch Ausstanzen (z. b. etwa 50 µm oder 0,002′′), so daß sich ein niedriger Ansprechstrom ergibt und die Handhabung während der Herstellung erleichtert wird. Sicherungselemente, die eine dünne Schicht aus einem leitfähigen Material, die auf einem Substrat angeordnet ist, enthalten und verschiedene Verfahren zum Herstellen solcher Schmelzleiter sind z. B. in US-32 71 544, US-41 40 988, US-42 08 645, US-43 76 927, US-44 94 104, US-45 20 338, US-47 49 980, US-48 73 506 und US-49 26 543 beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Löschspitzenspannung einer Sicherung herabzusetzen, die einen auf einem Substrat angeordneten Dünnschicht-Schmelz leiter enthält.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Widerstandselement auf einem anderen Bereich des Substrats als der Schmelzleiter vorgesehen, so daß sich ein Parallelstromweg ergibt, der dem Schmelzleiter elektrisch parallel geschaltet ist.

Wenn der Schmelzleiter beim Auftreten eines Überstromes durchbrennt, bewirkt der widerstandsbehaftete Parallelstrom weg eine Verringerung der Abschaltspitzenspannung, die sonst durch den plötzlichen Abfall der Leitfähigkeit der Sicherung entsteht, während sich der Strom beim Abschalten dem Wert Null nähert.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Widerstandselement durch ein Widerstandselementmaterial gebildet, welches eine große Fläche der Substratoberfläche einnimmt und der Schmelz leiter ist auf einem Teil des Widerstandselementmaterials niedergeschlagen, wobei dann der frei liegende Teil des Materials das Widerstandselement bildet. Das Substrat ist vorzugsweise langgestreckt und sowohl der Schmelzleiter als auch das Widerstandselement reichen vom einen Ende zum anderen.

Vorzugsweise besteht das Substrat aus Aluminiumoxid (vorzugsweise weniger als 97% rein). Das Widerstandselement besteht vorzugsweise aus einem Metall, das in genügend dünner Schicht niedergeschlagen worden ist, so daß sich ein gewünschter Widerstand gegen den Stromfluß und eine gewünschte Verringerung der Abschaltspitzenspannung bei der Unterbrechung des Schmelzleiters durch Überstrom ergeben.

Vorzugsweise besteht das Widerstandselement aus Chrom und ist etwa 40 nm dick. Der Schmelzleiter kann aus Silber oder Kupfer bestehen, wobei letzteres und eine Dicke von weniger als 25 µm (1000 Mikrozoll) bevorzugt werden. Der Schmelz leiter kann eingekerbte Abschnitte mit verringerter Quer schnittsfläche längs seiner Längsrichtung aufweisen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erkennbar werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Sicherung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Vertikalschnitt eines Teiles der Sicherung gemäß Fig. 1 in einer Ebene 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Substrat, das einen Dünn schicht-Schmelzleiter und ein Dünnschicht-Widerstands element trägt und bei der Sicherung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann;

Fig. 4 eine schematische, nicht maßstabsgerechte Schnitt ansicht in einer Ebene 4-4 der Fig. 3 des Substrats und der auf ihm angeordneten Schichten.

Die in Fig. 1 dargestellte Sicherung 10 hat ein zylindri sches Sicherungsgehäuse 2, an dessen Enden sich Anschlüsse in Form von Endkappen 14, 16 befinden.

Wie in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt ist, befindet sich innerhalb des Sicherungsgehäuses 12 ein Substrat 18 (96% Al₂O₃ "wie gebrannt") auf dem eine dünne Schicht 21 (Chrom, Dicke 40 nm) und ein Dünnschicht-Schmelzleiter 20 (Kupfer, Dicke etwa 0,18 µm oder 70 Mikrozoll für eine 1-Ampere-Sicherung) aufgebracht sind. (Schmelzleiter für Sicherungen mit höherem Nennstrom können dickere Schmelz leiter enthalten, z. B. bis zu 25 µm oder 1000 Mikrozoll im Falle von Cu). Der elektrische Kontakt zwischen der als Anschluß dienenden Endkappe 16 und dem Schmelzleiter 20 sowie der Schicht 21 wird an jedem Ende des Substrats über eine Lotmasse 24 und Anschlußstreifen 22 aus Federmetall hergestellt (in Fig. 2 ist nur ein Ende dargestellt). Der Anschlußstreifen 22 dient auch zur mechanischen Halterung des Substrats 18 im Sicherungsgehäuse 12. Eine einwandfreie elektrische Verbindung zwischen den Enden des Anschluß streifens 22 und der Endkappe 16 wird durch Lotmassen 26, 28 gewährleistet. Zwischen dem Anschlußstreifen 22 und der Innenseite der Endkappe 16 ist eine Scheibe 29 aus Faser material angeordnet.

Wie Fig. 3 zeigt, hat der Schmelzleiter 20 entlang seiner Länge eine Mehrzahl von eingekerbten Abschnitten 30.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Chromschicht 21 auf der ganzen oberen Seite des Substrats 18 niedergeschlagen ist und daß der aus Kupfer bestehende Schmelzleiter 20 auf der Schicht 21 angeordnet ist. Die Schicht 21 umfaßt drei Teile: Zwei äußere, auf den beiden Seiten des Schmelzleiters 20 liegenden Teile, die ein Widerstandselement 23 bilden, und einen dritten Teil 25, der unter dem Sicherungselement oder Schmelzleiter 20 liegt. Die Fläche der Oberseite des Sub strats 18 unter dem Schmelzleiter 20 stellt einen Schmelz leiter-Unterlagebereich und die Flächen der Oberseite des Substrats 18, die sich unter dem Widerstandselement 23 befinden, Widerstandselement-Unterlagebereiche dar. Die Schicht 21 hat einen Widerstand von etwa 1000 Ohm.

Herstellung

Bei der Herstellung wird die Chromschicht 21 in einer Dicke von etwa 40 nm durch Gleichstrom-Planar-Magnetron-Sputtern aufgebracht; dabei ein UV-empfindlicher Photolack aufgebracht, eine Polyester-Maske der gewünschten Form des Elements 20 angelegt, das Bauteil mit UV-Strahlung belichtet und das unmaskierte Kupfer weggeätzt. Hierbei verbleibt das das ganze Substrat bedeckende Chrom sowie das Kupfer in der Form des Schmelzleiters 20 auf dem Chrom.

Zur Montage der fertiggestellten Schmelzleiter-Einheit im Sicherungsgehäuse werden die Anschlußstreifen 22 unter Verwendung der Lotmasse 24 an die Enden des Substrats 18 angelötet und das Substrat 18 wird in das Sicherungsgehäuse 12 eingesetzt. Auf Endenbereiche 32 am einen Ende des Gehäuses wird Lotpaste 26, 28 aufgebracht, bevor die Endkappe 14 auf das Ende des Sicherungsgehäuses 12 aufgedrückt wird, und die Paste 26, 28 wird durch Erhitzen auf einer Heizplatte geschmolzen. Das Sicherungsgehäuse 12 wird dann mit einem zur Lichtbogenlöschung dienenden Füllmaterial 40, (z. B. Quarz mit einer Teilchengröße von 50/70-0,2 bis 0,3 mm) gefüllt, das in Fig. 2 nur teilweise dargestellt ist. Die andere Endkappe 16 wird dann zur Fertigstellung der Sicherung 10 in entsprechender Weise aufgesetzt.

Betrieb

Im Betrieb fließt bei normalen Stromverhältnissen der Strom im wesentlichen durch den Schmelzleiter 20, ohne daß er in nennenswerter Weise durch die Widerstandsschicht 21 beein flußt wird. Beim Auftreten eines Überstromes erhöht sich die Temperatur des Schmelzleiters 20, so daß er schließlich an den eingekerbten Abschnitten schmilzt und verdampft, wobei anfänglich an den eingekerbten Abschnitten des Schmelz leiters Lichtbögen auftreten. Bei Annäherung an den Strom wert null nimmt die Leitfähigkeit der Bogenstrecke ab und die Spannung steigt an, so daß dann ein gewisser Strom durch die Widerstandselemente 23 zu fließen beginnt. Dieser wider standsbehaftete Parallelstromweg bewirkt eine Verringerung der Abschaltspitzenspannung, die sonst durch den abrupten Abfall der Bogenleitfähigkeit auftreten würde. Die Wider standselemente 23 bewirken also einen allmählichen Abfall der Leitfähigkeit der Sicherung, während die Sicherung den Stromkreis unterbricht und steuern daher die Abschaltspitzen spannung. In der Nähe des Zeitpunktes, bei dem Strom durch das Hauptsicherungselement, also den Schmelzleiter, unter brochen wird, tritt ein Übergang des Stromes auf das Wider standselement 23 ein. Das Widerstandselement 23 beginnt durch einen Mechanismus eines gestreiften Zerfallens zu schmelzen. In den Widerstandselementen bilden sich Streifen quer zum Schmelzleiter, was eine Strecke sehr hohen Wider standes und schließlich eine Stromkreisunterbrechung zur Folge hat.

Durch die Verwendung des widerstandsbehafteten Parallel stromweges ergibt sich eine wesentlich niedrigere Lösch spitzenspannung als sie sonst auftreten würde. Dies ermög licht sehr schnell ansprechende Sicherungen, die keine schädlichen hohen Spannungsspitzen verursachen, die die Einrichtung beschädigen könnten, die die Sicherung schützen soll.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich in der ver schiedensten Weise abwandeln. Beispielsweise kann man andere Materialien und Konfigurationen für das Substrat, das Wider standselement und das Schmelzelement verwenden. 96%iges Al₂O₃ hat eine ausreichende Oberflächenrauhigkeit (etwa 0,63 µm oder 25 Mikrozoll im gebrannten Zustand), um eine ausreichende Haftung einer Kupferschicht zu gewährleisten, die ohne eine sogenannte Bindeschicht, z. B. aus Chrom, direkt auf dem Substrat aufgebracht ist. (98%iges Al₂O₃, wie es oft für Substrate von Aufdampfmaterial verwendet wird, hat dagegen eine typische Oberflächenrauhigkeit von nur etwa 0,05 µm oder 2 Mikrozoll im gebrannten Zustand und man hat daher bei solchen Substraten Chrom verwendet, um eine ein wandfreie Haftung von Silber oder Kupfer am Al₂O₃ zu gewähr leisten). Gewünschtenfalls kann also das Schmelzelement (z. B. aus Kupfer) direkt mit einem Bereich des Substrats verbunden werden und das oder die Widerstandselemente können mit anderen Bereichen des Substrats verbunden werden.

Die Dicke der Chromschicht wird so gewählt, daß sich der gewünschte Widerstand ergibt, der bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel etwa 1000 Ohm beträgt. Die Dicke der z. B. aus Chrom bestehenden Widerstandsschicht und die Breite und die Anzahl der Widerstandselemente können zur Änderung des Parallelwiderstandes für Sicherungen mit anderen Nennwerten auch anders gewählt werden. Die Schicht soll jedoch nicht so dick gemacht oder anderweitig geändert werden, daß der Widerstand soweit herabgesetzt wird, daß sich eine nennenswert leitende Strecke parallel zum Schmelz leiter ergibt, und die Schicht sollte andererseits nicht so dünn sein, daß der Widerstand zu hoch wird, um die Lösch spitzenspannung steuern zu können. Andere Verfahren zum Herstellen eines Dünnschicht-Schmelzleiters und Widerstands elements können verwendet werden. Außer Aluminiumoxid können auch andere Isoliermaterialien für das Substrat verwendet werden, z. B. Quarzglas, andere Gläser geringerer Reinheit, andere Keramiken und Substratmaterial für gedruckte Schaltungen. Anstelle von ebenen Substraten können auch Substrate mit anderen Formen, z. B. zylindrische Substrate, verwendet werden.

Claims

1. Schmelzleiterbauteil für eine elektrische Sicherung mit
einem aus Isoliermaterial bestehenden Substrat, das eine Substratoberfläche aufweist,
einem Schmelzleiter aus einer vom Substrat getragenen, dünnen Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, die sich auf einem Schmelzleiter-Unterlagebereich der Substratoberfläche befindet und bei normalen Strom verhältnissen eine leitende Strecke bildet, gekennzeichnet durch ein Widerstandselement (23) aus Widerstandselement material, das auf dem Substrat angeordnet ist, sich auf einem Widerstandselement-Unterlagebereich der Substrat oberfläche befindet, bei dem es sich um einen anderen Bereich der Substratoberfläche handelt als der Schmelz leiter-Unterlagebereich, und dem Schmelzleiter elektrisch parallelgeschaltet ist, so daß es einen Parallelstromweg bildet, wenn der Schmelzleiter bei Überstrom durchbrennt.

2. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Widerstandselement (23) direkt auf der Substratoberfläche angeordnet ist.

3. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Widerstandselement ein Teil einer Schicht aus Widerstandselementmaterial ist, welche auf das Substrat aufgebracht ist und sowohl den Schmelzleiter-Unterlage bereich als auch den Widerstandselement-Unterlagebereich überdeckt, und daß Schmelzleiter (20) auf das Wider standselementmaterial (21) aufgebracht ist.

4. Schmelzleiterbauteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat langgestreckt ist und zwei Enden aufweist, und daß sich das Widerstandselement (21) sowie der Schmelzleiter (20) vom einen Ende zum anderen erstrecken.

5. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich Teile des Widerstandselements (23) auf den beiden Seiten des Schmelzleiters (20) befinden.

6. Schmelzleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (20) längs seiner Längsrichtung Abschnitte (30) aus leitfähigem Material mit vermindertem Querschnitt aufweist.

7. Schmelzleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Aluminiumoxid besteht.

8. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinheit des Aluminiumoxids kleiner als 97% ist.

9. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselementmaterial ein Metall ist, das mit einer genügend kleinen Schichtdicke niedergeschlagen ist, so daß es dem Stromfluß einen Wider stand entgegensetzt und während eines Überstromes beim Durchbrennen des Schmelzleiters die auftretende Spitzenspannung verringert.

10. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Metall Chrom enthält oder hieraus besteht.

11. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Chrom eine Schicht mit einer Dicke von etwa 40 nm bildet.

12. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Material Kupfer enthält oder hieraus besteht.

13. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Material Silber enthält oder hieraus besteht.

14. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Widerstandselementmaterial ein Metall ist, das mit einer genügend kleinen Dicke niedergeschlagen ist, so daß es dem Stromfluß einen Widerstand entgegensetzt und bei einem Überstrom die beim Durchbrennen des Schmelzleiters auftretende Spitzenspannung herabsetzt.

15. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet, daß das Metall Chrom enthält oder hieraus besteht.

16. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Chrom als Schicht mit einer Dicke von etwa 40 nm niedergeschlagen ist.

17. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 16, dadurch gekenn zeichnet, daß das leitfähige Material Kupfer enthält oder hieraus besteht.

18. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kupfer als Schicht mit einer Dicke von weniger als 25 µm (1000 Mikrozoll) niedergeschlagen ist.

19. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das leitfähige Material durch Gleichstrom- Planar-Magnetronsputtering niedergeschlagen ist.

20. Schmelzleiterbauteil nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, daß das Widerstandsmaterial durch Gleichstrom- Planar-Magnetron-Sputtering niedergeschlagen ist.

21. Sicherung mit

- einem Sicherungsgehäuse (12),
- Anschlüssen (14, 16) am Sicherungsgehäuse,
- einem Substrat (18), das aus Isoliermaterial besteht, eine Substratoberfläche aufweist und im Sicherungsgehäuse an geordnet ist, und
- einem Schmelzleiter aus einer dünnen Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials, die vom Substrat getragen wird, sich auf einem Schmelzleiter-Unter lagebereich der Substratoberfläche befindet und bei normalen Stromverhältnissen eine leitfähige Strecke zwischen den Anschlüssen (14, 16) bildet, gekennzeichnet durch
- ein Widerstandselement (23) aus Widerstandselement material, das auf dem Substrat (18) angeordnet ist, einen Widerstandselement-Unterlagebereich einnimmt, der vom Schmelzleiter-Unterlagebereich verschieden ist und dem Schmelzleiter (20) zwischen den Anschlüssen (14, 16) parallelgeschaltet ist, so daß es einen Parallelstromweg bildet, wenn der Schmelzleiter bei Überstrom durchbrennt.

22. Sicherung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch ein Lichtbogenlöschmaterial (40) im Sicherungsgehäuse (12).

23. Sicherung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (21) direkt auf der Substratober fläche angeordnet ist.

24. Sicherung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement ein Teil (23) einer Schicht aus Widerstandselementmaterial ist, die auf dem Substrat ange ordnet ist und sich sowohl über den Schmelzleiter-Unterlage bereich als auch den Widerstandselement-Unterlagebereich erstreckt, und daß der Schmelzleiter (20) auf dem Wider standselementmaterial (21) angeordnet ist.

25. Sicherung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselementmaterial ein Metall ist, das mit einer genügend kleinen Schichtdicke niedergeschlagen wurde, so daß es dem Stromfluß im Vergleich mit dem Schmelzleiter einen nennenswerten Widerstand entgegensetzt und beim Durchbrennen des Schmelzleiters während eines Überstromes die hierbei auftretende Spitzenspannung herabsetzt.

26. Sicherung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Chrom enthält.

27. Sicherung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Chrom eine Schicht mit einer Dicke von etwa 40 nm bildet.

28. Sicherung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material Kupfer enthält oder hieraus besteht.