DE102008003659A1

DE102008003659A1 - Schmelzsicherung zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters im thermischen Fehlerfall und Verfahren zur Herstellung der Schmelzsicherung

Info

Publication number: DE102008003659A1
Application number: DE102008003659A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kotthaus; Thomas Mohr; Stefan Stampfer; Norbert Knab; Georg Schulze-Icking-Konert; Michael Mueller; Nikolas Haberl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2008-10-02
Also published as: EP2140469A1; CN101641757B; JP5183731B2; JP2010522955A; US9093238B2; US20100085141A1; WO2008116698A1; EP2140469B1; CN101641757A

Abstract

Vorgeschlagen werden eine Schmelzsicherung (10) zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters (12) im thermischen Fehlerfall, mit einem Leitersteg (14), der im ordnungsgemäßen Betrieb eine elektrisch leitende Verbindung des spannungs- und/oder stromführenden Leiters (12) gewährleistet, wobei die Schmelzsicherung (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass der Leitersteg (14) bei einer Temperaturerhöhung über seinen Schmelzpunkt hinweg schmilzt und die elektrisch leitende Verbindung des spannungs- und/oder stromführenden Leiters (12) infolge seiner eigenen Oberflächenspannung unterbricht, sowie ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung (10).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters im thermischen Fehlerfall und ein Verfahren zur Herstellung der Schmelzsicherung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Oftmals bieten insbesondere Vorrichtungen mit einer sehr hohen Strombelastung keine Möglichkeit, die entsprechenden Steuer- und/oder Leistungselektroniken in einem thermischen Fehlerfall, d. h. zum Beispiel bei durch mittel- oder niederohmigen Schlüssen hervorgerufenen, sehr hohen Umgebungstemperaturen von deutlich über 100°C, von der Energieversorgung zu trennen. Doch gerade in Kraftfahrzeugen sind entsprechende Temperatursicherungen zur Vermeidung thermischer Zerstörungen notwendig.
Aus der US 6 737 770 B2 ist beispielsweise bekannt, mittels einer Schmelzsicherung die Wicklung eines bürstenlosen Motors von der Energieversorgung zu trennen. Ein Ende der Schmelzsicherung ist dabei angelötet, so dass bei Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur der mechanisch vorgespannte Teil der Sicherung zu einer Auftrennung der Lötverbindung führt.
In der EP 1 120 888 A1 ist ein Wärmesicherungsmechanismus offenbart, der thermisch an den Kühlkörper eines Leistungsschalters angekoppelt ist und die Energieversorgung eines bürstenlosen Motors von der Wicklung abtrennt. Wie bei der US 6 737 770 B2 , so ist auch hier ein Ende der Sicherung angelötet. Bei Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur führt somit der mechanisch vorgespannte Teil der Sicherung zu einer Auftrennung der Lötverbindung. Eine entsprechende Schmelzsicherung ist zudem aus der WO 00/08665 bekannt.
Die DE 39 09 302 A1 zeigt eine Schmelzsicherung, bei der durch Aufschmelzen zweier elektrisch gut leitender Legierungen eine neue Legierung mit einem hohen elektrischen Widerstand entsteht, die ein Weiterfließen von hohen Strömen verhindert.
Nachteilig bei den genannten Sicherungen ist beispielsweise die beschränkte Lebensdauer infolge einer mechanisch permanent belasteten Lötstelle. Weiterhin können sich ungenügend hohe Toleranzen aufgrund eines gleichzeitigen Temperatur- und Stromeinflusses ergeben. Eine zufriedenstellende und sichere Anwendung insbesondere für den Automotive-Bereich ist daher nicht grundsätzlich gegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters im thermischen Fehlerfall, mit einem Leitersteg, der im ordnungsgemäßen Betrieb eine elektrisch leitende Verbindung des spannungs- und/oder stromführenden Leiters gewährleistet. In vorteilhafter Weise schmilzt der Leitersteg bei einer Temperaturerhöhung über seinen Schmelzpunkt, so dass die elektrisch leitende Verbindung des spannungs- und/oder stromführenden Leiters infolge der Oberflächenspannung des Leiterstegs unterbrochen wird. Der Schmelzpunkt des Leiterstegs ist dabei so gewählt, dass einerseits im ordnungsgemäßen Betrieb ein Schmelzen des Leiterstegs ausgeschlossen werden kann, während das Schmelzen andererseits im thermischen Fehlerfall sichergestellt ist. Insbesondere für Elektromotoren mit oder ohne Elektronik wird somit bei unzulässig hohen Temperaturen zum Beispiel aufgrund von Ausfällen von Bauelementen oder Kurzschlüssen infolge von Fremdeinwirkungen oder Fehlfunktionen von Isolationswerkstoffen ein sicherer und zuverlässiger Abschaltpfad gewährleistet, der im Wesentlichen von der Temperatur und nicht vom Strom abhängt. Auf diese Weise ist auch ein Auslösen bei Störungen möglich, die nur zu kleinen Strömen unterhalb der zulässigen Maximalströme führen. Zudem kann eine mechanische Vorspannung der Schmelzsicherung vermieden werden, so dass diese keiner zusätzlichen Belastung ausgesetzt ist, was gegenüber den Schmelzsicherungen nach dem Stand der Technik zu einer deutlich höheren Lebensdauer führt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schmelzsicherung mit einem Haltelement und einem Leitersteg zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters im thermischen Fehlerfall. Das Halteelement weist einen ersten und einen zweiten Teil auf, wobei der zweite Teil zur Verbindung des Halteelements mit dem spannungs- und/oder stromführenden Leiter dient und der Leitersteg an oder in den ersten Teil des Halteelements kraft- und/oder formschlüssig an- bzw. eingebracht wird. In vorteilhafter Weise kann die Schmelzsicherung somit unabhängig von der späteren Anwendung hergestellt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmále sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
Es ist vorgesehen, dass zumindest ein Ende des Leiterstegs von einem Halteelement der Schmelzsicherung gehalten ist, wobei das Haltelement einen ersten Teil zum Halten des Leiterstegs und einen zweiten Teil zur Verbindung des Halteelements mit einem Stanzgitter, einer Leiterplatte oder dergleichen aufweist. Auf diese Weise kann die Schmelzsicherung sehr einfach in unterschiedliche Anwendungen integriert werden.
Der erste Teil des Halteelements ist in vorteilhafter Weise als ein einseitig offener Hohlkörper ausgebildet. Der Leitersteg wird im Innern des Hohlkörpers von einem Lot gehalten, wobei der Schmelzpunkt des Lotes unterhalb desjenigen des Leiterstegs und oberhalb der maximal zulässigen Temperatur für den ordnungsgemäßen Betrieb liegt.
Um eine noch bessere Fixierung des Leiterstegs am Halteelement zu erreichen, weist der Hohlkörper an seinem äußeren Umfang zumindest eine Erhebung auf, die einen Angriffspunkt für eine mechanische Verformung des Hohlkörpers zum Halten des Leiterstegs darstellt. Alternativ kann der erste Teil aber auch als eine stumpfe Anlagefläche ausgebildet sein.
Der erste Teil und der zweite Teil des Halteelements sind vorteilhaft einstückig ausgeführt. Es ist aber auch möglich, dass die beiden Teile miteinander verschweißt oder vernietet sind. Um eine gute und möglichst einfache Verbindung zum Stanzgitter oder zu der Leiterplatte zu ermöglichen, ist der zweite Teil des Halteelements steg-, draht- oder bandförmig ausgestaltet. In diesem Zusammenhang ist es zudem möglich, dass der zweite Teil zum Zwecke einer Zugentlastung gegenüber der Vorzugsrichtung des Leiterstegs abgewinkelt ist. Zudem kann das Halteelement auch integraler Bestandteil des Stanzgitters sein.
Der Leitersteg besteht in besonders vorteilhafter Weise aus einem Metall oder einer elektrisch gut leitenden Legierung, insbesondere einer Weichlotlegierung wie Sn, SnAG, SnAgCu oder dergleichen. Durch einen ausreichend großen Querschnitt, eine ausreichend gute thermische Anbindung an die Umgebung sowie einen ausreichend niedrigen spezifischen Widerstand des Leiterstegs wird zudem gewährleistet, dass sich dieser auch bei maximal zulässigen Strom nur gering gegenüber der Umgebung erwärmt. Darüber hinaus wird ein verbessertes, d. h. sichereres Schmelzverhalten in Verbindung mit der Oberflächenspannung erreicht, wenn der Leitersteg eine Flussmittel-Seele aufweist. Günstig ist es auch, wenn die Seele des Leiterstegs ein Aktivator-Medium, das insbesondere aus Karbonsäure oder einem Salz der Karbonsäure besteht, Karbonsäure oder ein Salz der Karbonsäure enthält oder eine Mischung aus Karbonsäure und einem Harz oder einem Salz der Karbonsäure und einem Harz enthält. Hierdurch ist eine deutliche Erhöhung der Aktivierungstemperatur für eine solche Schmelzsicherung gegenüber einer Schmelzsicherung auf der Basis von kolophoniumhaltigen Medien als Flussmittel möglich. Durch die Verwendung der Aktivator-Medien als Flussmittel anstatt der Verwendung von Kolophonium kann auf diese Weise der thermische Anwendungsbereich einer solchen Schmelzsicherung erweitert werden.
Alternativ zu einer Flussmittelseele kann der Leitersteg auch eine Flussmittel-Umhüllung aufweisen, die eine Karbonsäure oder ein Salz einer Karbonsäure enthält. Insbesondere kann die Flussmittel-Umhüllung durch eine Lackschicht ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Flussmittelschicht nach der Lötung des Leiterstegs an ein Halteelement von außen auf die Schmelzsicherung aufgetragen werden kann, was einerseits herstellungstechnisch sehr einfach ist und andererseits kein transientes Löten erforderlich macht, bei dem evtl. das Flussmittel beim Einlöten des Leiterstegs in die Halteelemente flüssig wird und die Sicherung vorzeitig auslöst.
Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Schmelzsicherung sind in vorteilhafter Weise die folgenden Schritte vorgesehen:

– ein Lot wird in oder an dem ersten Teil des Halteelements derart verbracht, dass ein Boden und/oder eine Innenwand des ersten Teils mit dem Lot benetzt wird,
– das Halteelement und/oder der Leitersteg werden auf einen Temperaturwert zwischen dem Schmelzpunkt des Lotes und dem Schmelzpunkt des Leiterstegs erhitzt,
– der Leitersteg wird an oder in den ersten Teil des Halteelements derart an- bzw. eingebracht, dass der Leitersteg mit dem Lot in Berührung kommt und
– die Schmelzsicherung wird derart abgekühlt, dass das Lot erstarrt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Hohlkörper vor oder nach dem Aufheizen mechanisch verformt wird. Alternativ kann das Aufheizen auch erst nach dem Einführen des Leiterstegs in den Hohlkörper erfolgen. Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise möglich, das Aufheizen durch einen Wärmeimpuls zu erzielen, der an dem zweiten Teil des Halteelements, an der Erhebung des Hohlkörpers oder an dem Leitersteg eingeprägt wird. Alternativ kann der Wärmeimpuls aber auch berührungslos per Laser oder Infrarotlicht eingeprägt werden. Dabei muss die Dauer des Wärmeimpulses derart gewählt sein, dass der Leitersteg lediglich im Innern des Hohlkörpers, insbesondere im Bereich eines Bodens oder der Erhebungen des Hohlkörpers, sicher schmilzt. Ein Schmelzen außerhalb des Hohlkörpers durch einen zu lang andauernden Wärmeimpuls gilt es dagegen zu vermeiden. In diesem Zusammenhang kann ein Anspritzen des Leiterstegs außerhalb des Hohlkörpers des Halteelements mit einer Kühlflüssigkeit, ein Eintauchen des Leiterstegs in die Kühlflüssigkeit oder ein mechanisches Anklemmen an eine thermische Masse vorteilhaft sein, wobei als thermische Masse beispielsweise die Klemmbacken eines Haltewerkzeugs dienen. Ist der zweite Teil des Halteelements bandförmig ausgestaltet, so kann auch das weitere Bandmaterial als thermische Masse dienen, sofern das Einprägen des Wärmeimpulses vor dem Freistanzen des zweiten Teils erfolgt.
Entsprechend den vorherigen Ausführungen des Leiterstegs mit einer Flussmittel-Umhüllung kann auch in dem Verfahren ein Schritt des Aufbringens eines Flussmittels oder Aktivators auf den Leitersteg vorgesehen sein, wobei das Flussmittel in dieser Ausführungsform beispielsweise einen Lackfilm um den Leitersteg ausgebildet. Dies bietet insbesondere bei der Verwendung von einem Leitersteg ohne innere Flussmittelseele den Vorteil, dass in diesem Fall ein deutlich einfacheres und zuverlässigeres Herstellungsverfahren für die Herstellung der Schmelzsicherung eingesetzt werden kann.
Um die korrekte Herstellung der Schmelzsicherung zu überprüfen, kann das Verfahren auch einen Schritt des Überprüfens der Verbindung zwischen dem ersten Teil des Halteelementes und dem kraft- und/oder formschlüssig an- oder eingebrachten Leitersteg vorgesehen sein, wobei das Überprüfen in vorteilhafter Weise optisch und/oder automatisch erfolgen kann. Dabei kann auch ein Prüfkopf verwendet werden, der beweglich angeordnet -ist, um einen zu prüfenden Bereich in dem ersten Teil des Halteelementes zu erfassen. Hierdurch wird die Möglichkeit geboten, durch die Weiterverwendung von vorhandenen Einrichtungen für die Kontrolle der Herstellung einer Leiterplatte bzw. deren Bestückung auch die korrekte Herstellung und damit auch die fehlerfreie Funktionsweise der hergestellten Schmelzsicherung zu gewährleisten, ohne dass für diese Prüfung ein erheblicher apparativer Mehraufwand notwendig wäre. Speziell kann beim Schritt des Überprüfens ein Ergebnis zur Bestätigung einer fehlerfreien Lötung geliefert wird, wenn bei der Verbindung zwischen dem ersten Teil des Halteelements und dem kraft- und/oder formschlüssig eingebrachten Leitersteg ein Lötmeniskus erkannt wird. Eine solche Funktionskontrolle lässt sich durch die vorgeschlagene Verwendung des Prüfkopfes und die Auswertung des Reflexionsmusters der Lötstelle einfach und kostengünstig realisieren.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 9 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Insbesondere wird ein Fachmann auch die Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:
1: ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung,
2: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halteelements der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung,
3: ein zweites Ausführungsbeispiel des Halteelements der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung,
4: ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel des Halteelements der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung,
5A und 5B: ein fünftes und sechstes Ausführungsbeispiel des Halteelements der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung, bei der zur Sicherung der Qualität der Lötverbindung zwischen dem Halteelement und dem Leitersteg ein Lötmeniskus untersucht wird,
6A und 6B: Abbildungen von Lötbändern mit kolophoniumhaltiger Seele sowie Diagramme, die die termperatur- und zeitabhängige Verformung des Lotbandes wiedergeben,
7: einen exemplarischen Aufbau einer Schmelzsicherung mit Flussmittel- oder Aktivatorseele in einer Querschnittsansicht und einer Aufsichtsdarstellung,
8: Abbildungen, die eine Vorgehensweise bei dem Aufbringen eines Flussmittel- bzw. Aktivatorlacks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, und
9: Abbildungen, die Anwendungsmöglichkeiten des in 8 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigen.
Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung 10 zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters 12 im thermischen Fehlerfall dargestellt. Die Schmelzsicherung 10 besteht aus einem Leitersteg 14, der im ordnungsgemäßen Betrieb eine elektrisch leitende Verbindung des spannungs- und/oder stromführenden Leiters 12 beispielsweise zur Versorgung eines Elektromotors oder einer Steuerungs- bzw. Leistungselektronik gewährleistet, sowie aus zwei vorzugsweise identischen Halteelementen 16 zum Halten des Leitersstegs 14 an seinen beiden Enden und zur elektrischen Kontaktierung des Leiterstegs 14 an den spannungs- und/oder stromführenden Leiter 12.
Der Leitersteg 14 ist aus einem Metall oder einer elektrisch gut leitenden Legierung, insbesondere einer Weichlotlegierung wie Zinn (Sn), Zinn-Silber (SnAg), Zinn-Silber-Kupfer (SnAgCu) oder dergleichen, gefertigt. Dabei sind sein Querschnitt, seine thermische Anbindung an die Umgebung sowie sein spezifischer Widerstand derart gewählt, dass sich der Leitersteg 14 auch bei einem maximal zulässigen Strom nur unwesentlich gegenüber der Umgebung erwärmt. Diese Forderung wird beispielsweise durch einen barrenförmigen Leitersteg 14 mit einem sehr geringen spezifischen Widerstand erfüllt. Der Schmelzpunkt des Leiterstegs 14 ist darüber hinaus derart gewählt, dass einerseits im ordnungsgemäßen Betrieb ein Schmelzen sicher ausgeschlossen werden kann, während dieses andererseits im thermischen Fehlerfall, d. h. bei Temperaturerhöhungen aufgrund von Betriebsstörungen wie zum Beispiel Ausfälle von elektronischen Bauteilen, Fehlfunktionen der Isolationswerkstoffe, mittel- oder niederohmige Schlüsse durch Fremdeinwirkungen oder dergleichen, in Verbindung mit der Oberflächenspannung des Leiterstegs 14 sichergestellt ist, um den Strompfad zwischen den beiden Halteelementen 16 zu unterbrechen. Ein sicheres Schmelzen des Leiterstegs 14 lässt sich zudem dadurch erreichen, dass dieser zusätzlich eine Flussmittel-Seele 18 aufweist, wobei das zu verwendende Flussmittel dem Fachmann bekannt ist und hier nicht näher spezifiziert werden soll. Ein geeignetes Flussmittel zeichnet sich jedoch insbesondere dadurch aus, dass es im ordnungsgemäßen Betrieb nicht korrosiv wirkt und darüber hinaus nicht oder nur in sehr geringem Maße altert.
Jedes Halteelement 16 besteht aus einem ersten Teil 20 zum Halten des Leiterstegs 14 und einem zweiten Teil 22 zur Verbindung des Halteelements 16 mit dem spannungs- und/oder stromführenden Leiter 12, der beispielsweise als Stanzgitterbahn eines Stanzgitters, als Leiterbahn einer Leiterplatte, als Kabel oder dergleichen ausgebildet sein kann. Der erste Teil 20 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 als ein einseitig offener Hohlkörper 24 in Gestalt eines Bechers ausgebildet, in dessen Innern 26 der Leitersteg 14 durch ein Lot 28 im Sinne eines Formschlusses gehalten wird. Dabei ist das Lot 28 derart gewählt, dass sein Schmelzpunkt unterhalb desjenigen des Leiterstegs 14 und oberhalb der maximal zulässigen Temperatur für den ordnungsgemäßen Betrieb liegt.
2 zeigt das Halteelement 16 aus 1 in einer etwas vergrößerten Darstellung. Zu erkennen ist, dass im Wesentlichen ein Boden 30 des Hohlkörpers 24 durch das Lot 28 überzogen ist. Ergänzend können auch die seitlichen Innenwände 32 (im Falle eines eckigen Querschnitts des Leiterstegs 14) oder die seitliche Innenfläche 34 (im Falle eines runden oder ovalen Querschnitts des Leiterstegs 14) des Hohlkörpers 24 mit dem Lot 28 überzogen sein, um ein verbessertes Halten des Leiterstegs 14 zu ermöglichen.
Der zweite Teil 22 des Halteelements 16 ist zur Verbindung mit dem spannungs- und/oder stromführenden Leiter 12 steg-, draht- oder bandförmig ausgebildet, je nachdem, ob es sich bei dem spannungs- und/oder stromführenden Leiter 12 um eine Stanzgitterbahn, ein Kabel oder eine Leiterbahn handelt. In vorteilhafter Weise sind der erste Teil 20 und der zweite Teil 22 des Halteelements 16 einstückig ausgeführt. Es ist aber auch denkbar, dass die beiden Teile 20 und 22 miteinander verschweißt oder vernietet sind. Um eine verbesserte Zugentlastung der Schmelzsicherung 10 zu gewährleisten, kann der insbesondere drahtförmig ausgebildete, zweite Teil 22 auch abgewinkelt sein. Dies ist jedoch nicht in den Figuren gezeigt.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Halteelements 16 der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung 10. Dabei sind an dem äußeren Umfang des als Hohlkörper 24 ausgebildeten ersten Teils 20 des Halteelements 16 Erhebungen 36 angebracht, die einen Angriffspunkt für eine mechanische Verformung des Hohlkörpers 24 nach dem Einbringen des Leiterstegs 14 zu dessen verbesserter, kraftschlüssiger Fixierung darstellen.
In 4 sind ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel des Halteelements 16 zu erkennen. Während gemäß 4a der erste Teil 20 des Halteelements 16 als stumpfe Anlagefläche 38 ausgebildet ist, zeigt 4b eine zusätzliche Abschrägung 40 des als Hohlkörper 24 ausgeführten ersten Teils 20. Die teilweise Überlappung des Leiterstegs 14 durch den abgeschrägten Hohlkörper 24 hat den Vorteil, dass sich auf diese Weise die Qualität der Lötung im Innern 26 des Hohlkörpers 24 besser beurteilen lässt. Eine entsprechende Beurteilung ist alternativ auch mittels mindestens eines an dem Hohlkörper 24 angebrachten Schlitzes – hier nicht gezeigt – möglich.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung 10 erfolgt nun derart, dass der Leitersteg 14 an oder in den ersten Teil 20 des Halteelements 16 kraft- und/oder formschlüssig an- bzw. eingebracht wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zunächst das Lot 28 in oder an dem ersten Teil 20 des Halteelements 16 verbracht wird. Dabei wird die Anlagefläche 38 bzw. der Boden 30 und/oder eine Innenwand 32 bzw. -fläche 34 des ersten Teils 20 mit dem im Vergleich zum Leitersteg 14 bei geringerer Temperatur schmelzenden Lot 28 benetzt. Mittels einer geeigneten Vorrichtung werden anschließend das Haltelement 16 und/oder der Leitersteg 14 auf einen Temperaturwert zwischen dem Schmelzpunkt des Lotes 28 und dem Schmelzpunkt des Leiterstegs 14 aufgeheizt. Während das Lot 28 flüssig ist, wird der Leitersteg 14 derart in oder an dem ersten Teil 20 des Halteelements 16 ein- bzw. angebracht, dass der Leitersteg 14 mit dem Lot 28 in Berührung kommt. Schließlich erfolgt die Abkühlung der Schmelzsicherung 10 und damit die formschlüssige Verbindung des Leiterstegs 14 mit dem Halteelement 16 beispielsweise durch ein Anspritzen des Leiterstegs 14 außerhalb des ersten Teils 20 mit einer Kühlflüssigkeit. Alternativ kann der Leitersteg 14 auch in die Kühlflüssigkeit eingetaucht werden, oder es erfolgt ein mechanisches Anklemmen an eine thermische Masse, beispielsweise an die Klemmbacken eines Haltewerkzeugs. Ist der zweite Teil 22 des Halteelements 16 bandförmig ausgestaltet, so kann auch das weitere Bandmaterial als thermische Masse dienen.
Ist der erste Teil 20 des Halteelements 16 als Hohlkörper 24 ausgestaltet, so kann ergänzend vor oder nach dem Aufheizen durch eine mechanische Verformung als Prägevorgang mittels der Erhebungen 36 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Halteelement 16 und dem Leitersteg 14 erzielt werden.
Das Aufheizen erfolgt durch einen Wärmeimpuls, der an dem zweiten Teil 22 des Halteelements 16, an der Erhebung 36 des Hohlkörpers 24 oder an dem Leitersteg 14 eingeprägt wird. Alternativ ist auch ein berührungsloses Aufheizen per Laser, Infrarotlicht oder dergleichen möglich. Dabei muss die Dauer des Wärmeimpulses derart gewählt sein, dass der Leitersteg 14 lediglich im Innern 26 des Hohlkörpers 24, insbesondere im Bereich des Bodens 30 oder der Erhebungen 36 des Hohlkörpers 24, sicher schmilzt. Ein Schmelzen außerhalb des Hohlkörpers 24 durch einen zu lang andauernden Wärmeimpuls gilt es dagegen unter Zuhilfenahme der bereits beschriebenen Kühlverfahren zu vermeiden. In der Regel kann hierauf jedoch verzichtet werden, da der Wärmeimpuls sehr exakt applizierbar ist. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass das Aufheizen alternativ auch erst nach dem Einführen des Leiterstegs 14 in den Hohlkörper 24 erfolgen kann.
Weiterhin sollte auch die Qualität der gebildeten bzw. terminierten Schmelzsicherung untersucht werden. Für eine terminierte Schmelzsicherung ist die Lötung zwischen dem Schmelzkörper und der Terminierung, d. h. dem Halteelement, für die Funktion und die Zuverlässigkeit essentiell. Die offene Geometrie der hier vorgestellten Terminierung (plan oder U-förmig) erlaubt eine AOI (AOI = automated optical inspection = automatische optische Inspektion), wie sie auch bei der Leiterplattenbestückung einsetzbar ist. Bei der hier vorgeschlagenen Methode wird der Lötmeniskus analysiert, der sich nur bei korrekter Lötung ausbildet. In 5A ist eine solche Untersuchung bei einem Halteelement 16 mit stumpfer Anlagefläche 38 dargestellt. Hierbei wird die optische Untersuchungseinheit 50, die auch für die Untersuchung der korrekten Bestückung der Leiterplatte eingesetzt werden kann, zur Kontrolle des Lötmeniskus zwischen dem Halteelement 16 und dem Leitersteg 14 verwendet. Dies bietet eine sehr kostengünstige und einfache Möglichkeit für die Überprüfung des Lötmeniskus und damit auch für die Überprüfung der Funktion der Schmelzsicherung. In 5B ist die Überprüfung eines Lötmeniskus für den Fall dargestellt, dass ein becherförmiges Halteelement 16 verwendet wird. Zur Überprüfung wird dann die optische Untersuchungseinheit 50 derart geschwenkt, so dass sie einen Lötmeniskusbereich 52 erfassen kann, der im Innenraum 26 des Halteelements 16 liegt. Dies stellt jedoch für gängige optische Untersuchungseinheiten, die zur Inspektion der Leiterplattenbestückung verwendet werden, kein Problem dar, so dass auch in diesem Fall eine kostengünstige und einfache Möglichkeit zur Überprüfung des Lötmeniskus möglich ist.
Vorstehend wurden Thermosicherungen mit innenliegender Flussmittelseele beschrieben. Bekannte Thermosicherungen auf der Basis von Schmelzbrücken zeichnen sich dagegen durch ein auf die Schmelzbrücke aufgetragenes Flussmittel aus. Das Flussmittel bei einer solchen Schmelzsicherung basiert dabei auf Kolophonium, welches bei ca. 100°C flüssig wird und bei 140°C einen hohen Dampfdruck erzeugt, was zu einer schnellen Verdampfung führt. Aus diesem Grund sind die handelsüblichen Schmelzbrücken stets von einer Keramikhülle umgeben, die den Verlust und ein Altern des Flussmittels verhindern soll. Diese Keramikhülle vergrößert jedoch die Bauform, steigert die Eigenerwärmung und Heizleistung (wegen der langen Anschlüsse) und erhöht die Herstellungskosten. Bei Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass eine kolophoniumhaltige Flussmittelseele bereits ab Temperaturen von etwa 120°C durch ihren Dampfdruck zu einer mechanischen Deformation der Schmelzbrücke führt. 6 zeigt diesen Zusammenhang detaillierter. In Teilfigur 6A sind zwei Lotbänder mit kolophoniumhaltiger Seele abgebildet, die für die weiteren Untersuchungen verwendet wurden. Im oberen Diagramm aus Teilfigur 6B ist die Temperaturabhängigkeit einer Verformung der Lotbänder nach 30 Minuten in Form einer Dickenzunahme in den mm dargestellt. Im unteren Diagramm aus Teilfigur 6B ist die Zeitabhängigkeit der Verformung der Lotbänder bei 170°C als Dicke in mm dargestellt. Insbesondere aus dem oberen Diagramm der Teilfigur 6B ist erkennbar, dass ab einer Temperatur von etwa 130°C eine deutliche Dickenzunahme und damit Verformung der Lotbänder mit kolophoniumhaltiger Seele auftritt. Aus diesem Grund sollte darauf geachtet werden, dass für eine innenliegende Flussmittelseele nur Substanzen zum Einsatz kommen, die folgende Eigenschaften aufweisen:

– unter Luftabschluss vernachlässigbare Alterung bei der maximalen Betriebstemperatur T_max;
– idealerweise Schmelzpunkt > T_max (was zu keiner Aktivierung oder Verformung durch Schmelzen führt); und
– vernachlässigbarer Dampfdruck bei T_max (was zu keiner Verformung durch Dampfdruck führt), wobei T_max diejenige Temperatur bezeichnet, bei der die Schmelzsicherung gerade noch nicht auslöst.

Vielversprechende Kandidaten finden sich in der Klasse der organischen Karbonsäuren (oder deren Salzen), die Schmelztemperaturen im Bereich von bis > 170°C aufweisen. Solche Materialien lassen damit den Bau von Schmelzsicherungen zu, die erst bei einer Umgebungstemperatur von 170°C auslösen, was eine deutlich höhere Auslösetemperatur für Schmelzsicherungen gegenüber den bekannten Schmelzsicherungen darstellt. Alleine oder mit Harzen gemischt können diese organischen Karbonsäuren als Alternative zu kolophoniumbasierten Flussmitteln zum Einsatz kommen. In Reinform werden Karbonsäuren dabei nicht als Flussmittel, sondern als „Aktivator" bezeichnet. Für die oben genannte Anwendung als Flussmittel bzw. dessen Ersatz kann reine Karbonsäure oder ein synthetisches Flussmittel aus Aktivator und Harz verwendet werden. In letzterem Fall sollte auch das verwendete Harz die vorstehend angegebenen Eigenschaften aufweisen.
7 stellt einen exemplarischen Aufbau einer solchen Schmelzsicherung mit Flussmittel- oder Aktivatorseele in einer Querschnittsansicht (obere Darstellung) und einer Aufsicht (untere Darstellung) dar, wobei aus der Darstellung erkennbar ist, dass im Inneren der Schmelzsicherung das Aktivator- bzw. Flussmittelmedium 18 eingeschlossen ist.
Alternativ zu einer Schmelzsicherung mit der vorstehend beschriebenen innenliegenden Flussmittelseele könnte man die Schmelzbrücke auch mit einem hochschmelzenden Flussmittel- bzw. Aktivatorlack äußerlich beschichten. Hierzu wird die aktive Substanz, zum Beispiel eine Karbonsäure, mit einem Bindemittel zu einem Lack vermischt, der äußerlich zu applizieren ist. 8 zeigte die Verfahrensweise zur Herstellung einer solchen Thermosicherung mit äußerlich appliziertem Flussmittel- oder Aktivatorlack. In einem ersten Schritt 1 erfolgt ein Anpressen und Aufheizen des Leiterstegs 14 an die Halteelemente 16 (beispielsweise in einem Reflow-Verfahren). In einem zweiten Schritt 2 erfolgt ein Abkühlen des erhitzten Leiterstegs 14, wodurch sich die Lötverbindung mit dem Lötmeniskus zwischen dem Leitersteg 14 sowie den Halteelementen 16 ausbildet. In einem dritten Schritt 3 erfolgt die Applikation des sog. "Flux-Lacks" 70 auf die im zweiten Schritt hergestellte Lötverbindung, um die Schmelzbrücke mit dem hochschmelzenden Flussmittel- bzw. Aktivatorlack zu beschichten. Zur Einstellung des Schmelzpunktes des aufgetragen Lacks kann die Zusammensetzung für die beschriebene Anwendung noch optimiert werden einer, beispielsweise durch eine Variation des Verhältnisses von Karbonsäure zu Bindemittel. Statt der Karbonsäure können auch andere geeignete Materialien wie beispielsweise Salze der Karbonsäure verwendet werden. Gegenüber den existierenden Sicherungen kann in dieser Ausführungsform die schützende Keramikhülle entfallen, insbesondere, wenn die Eigenschaften des Flussmittel- bzw. Aktivatorlacks die folgenden Anforderungen erfüllen:

– Alterungsbeständigkeit bei der maximalen Betriebstemperatur an Luft (gegebenenfalls mit Salzbelastung)
– nicht bzw. schlecht wasserlöslich Schmelzpunkt > T_max
– vernachlässigbarer Dampfdruck bei T_max (wodurch keine Verluste durch Verdampfung auftreten)
– Haftung ausreichend für Temperaturwechsel- und Schwingungsbelastung

Gegenüber einer innenliegenden Flussmittelseele entfiele die Notwendigkeit eines transienten Lötprozesses wie er in 8 dargestellt ist. Aus demselben Grund wäre der mögliche Einsatzbereich einer Thermosicherung mit äußerlich appliziertem Flussmittel auch deutlich größer als der einer Sicherung mit Flussmittelseele während letztere weder im Herstellungs- noch im Bestückprozess über ihre Schmelztemperatur erhitzt werden darf, entfällt diese Notwendigkeit bei nachträglicher Applikation des Flussmittels. Hierdurch könnte die Sicherung mit einem Standardlötprozess auch auf einem PCB oder einem Stanzgitter bestückt werden. 9 zeigt exemplarisch verschiedene Möglichkeiten des Aufbringens des Flussmittel- bzw. Aktivatorlacks. In der oberen Darstellung aus 9 ist die vorstehend beschriebene Weise des Einlötens des Lotformkörpers an die Halteelemente mit Hilfe der Lötpaste dargestellt. In den unteren beiden Abbildungen aus 9 wird die Erstellung der Thermosicherung mit äußerlich appliziertem Flussmittel- oder Aktivatorlack auf einem Stanzgitter 91 bzw. einem PCB 92 (PCB = printed circuit board = bedruckte Leiterplatte) dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6737770 B2 [0003, 0004]
- EP 1120888 A1 [0004]
- WO 00/08665 [0004]
- DE 3909302 A1 [0005]

Claims

Schmelzsicherung (10) zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters (12) im thermischen Fehlerfall, mit einem Leitersteg (14), der im ordnungsgemäßen Betrieb eine elektrisch leitende Verbindung des spannungs- und/oder stromführenden Leiters (12) gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitersteg (14) bei einer Temperaturerhöhung über seinen Schmelzpunkt hinweg schmilzt und die elektrisch leitende Verbindung des spannungs- und/oder stromführenden Leiters (12) infolge seiner eigenen Oberflächenspannung unterbricht.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ende des Leiterstegs (14) von einem Halteelement (16) gehalten ist.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Haltelement (16) einen ersten Teil (20) zum Halten des Leiterstegs (14) und einen zweiten Teil (22) zur Verbindung des Halteelements (16) mit dem spannungs- und/oder stromführenden Leiter (12) eines Stanzgitter, einer Leiterplatte oder dergleichen aufweist.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (20) als ein einseitig offener Hohlkörper (24) ausgebildet ist.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (24) eine zusätzliche Abschrägung (40) und/oder mindestens einen Schlitz aufweist.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitersteg (14) im Innern (26) des Hohlkörpers (24) von einem Lot (28) gehalten ist, wobei der Schmelzpunkt des Lotes (28) unterhalb desjenigen des Leiterstegs (14) und oberhalb der maximal zulässigen Temperatur für den ordnungsgemäßen Betrieb liegt.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (24) an seinem äußeren Umfang zumindest eine Erhebung (36) aufweist, die einen Angriffspunkt für eine mechanische Verformung des Hohlkörpers (24) zum Halten des Leiterstegs (14) darstellt.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (20) als eine stumpfe Anlagefläche (38) ausgebildet ist.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (20) und der zweite Teil (22) des Halteelements (16) einstückig ausgeführt sind.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (20) und der zweite Teil (22) des Halteelements (16) miteinander verschweißt oder vernietet sind.
Schmelzsicherung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (22) des Halteelements (16) steg-, draht- oder bandförmig ausgestaltet ist.
Schmelzsicherung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (22) des Halteelements (16) gegenüber der Vorzugsrichtung des Leiterstegs (14) abgewinkelt ist.
Schmelzsicherung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (16) integraler Bestandteil eines Stanzgitters ist.
Schmelzsicherung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitersteg (14) aus einem Metall oder einer elektrisch gut leitenden Legierung, insbesondere einer Weichlotlegierung wie Sn, SnAG, SnAgCu oder dergleichen, besteht.
Schmelzsicherung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitersteg (14) eine Flussmittel-Seele (18) aufweist.
Schmelzsicherung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitersteg (14) eine Seele (18) aufweist, die ein Aktivator-Medium enthält.
Schmelzsicherung (10) nach einem Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivator-Medium eine Karbonsäure ist.
Schmelzsicherung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitersteg (14) eine Seele (18) aufweist, die eine Mischung aus einer Karbonsäure und einem Harz enthält.
Schmelzsicherung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitersteg (14) eine Seele (18) aufweist, die ein Salz einer Karbonsäure enthält.
Schmelzsicherung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitersteg (14) eine Flussmittel-Umhüllung aufweist, die eine Karbonsäure oder ein Salz einer Karbonsäure enthält.
Schmelzsicherung (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussmittel-Umhüllung durch eine Lackschicht gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Schmelzsicherung (10) mit einem Halteelement (16) und einem Leitersteg (14) zur Unterbrechung eines spannungs- und/oder stromführenden Leiters (12) im thermischen Fehlerfall, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (16) einen ersten (20) und einen zweiten Teil (22) aufweist, wobei der zweite Teil (22) zur Verbindung des Halteelements (16) mit dem spannungs- und/oder stromführenden Leiter (12) dient und der Leitersteg (14) an oder in den ersten Teil (20) des Halteelements (16) kraft- und/oder formschlüssig an- bzw. eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lot (28) in oder an dem ersten Teil (20) des Halteelements (16) derart verbracht wird, dass ein Boden (30, 38) und/oder eine Innenwand (32, 34) des ersten Teils (20) mit dem Lot (28) benetzt wird, – dass das Halteelement (16) und/oder der Leitersteg (14) auf einen Temperaturwert zwischen dem Schmelzpunkt des Lotes (28) und dem Schmelzpunkt des Leiterstegs (14) erhitzt werden, – dass der Leitersteg (14) an oder in den ersten Teil (20) des Halteelements (16) derart an- bzw. eingebracht wird, dass der Leitersteg (14) mit dem Lot (28) in Berührung kommt und – dass die Schmelzsicherung (10) derart abgekühlt wird, dass das Lot (28) erstarrt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Teil (20) des Halteelements (16) als ein einseitig offener Hohlkörper (24) oder als eine stumpfe Anlagefläche (38) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (24) vor oder nach dem Aufheizen mechanisch verformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen durch einen Wärmeimpuls erfolgt, der an dem zweiten Teil (22) des Halteelements (16), an einer Erhebung (36) des Hohlkörpers (24) oder an dem Leitersteg (14) eingeprägt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen durch einen Wärmeimpuls erfolgt, der berührungslos per Laser, Infrarotlicht oder dergleichen eingeprägt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen erst nach dem Einführen des Leiterstegs (14) in den Hohlkörper (24) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anssprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner einen Schritt des Aufbringens eines Flussmittels oder Aktivators auf den Leitersteg (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufbringens des Flussmittels oder Aktivators auf den Leitersteg (14) derart erfolgt, dass auf dem Leitersteg (14) ein Lackfilm ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner einen Schritt des Überprüfens der Verbindung zwischen dem ersten Teil (20) des Halteelementes (16) und dem kraft- und/oder formschlüssig an- oder eingebrachten Leitersteg (14) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Überprüfen optisch erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Überprüfen automatisch erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Überprüfen mit einem Prüfkopf (50) erfolgt, der beweglich angeordnet ist, um einen zu prüfenden Bereich (52) in dem ersten Teil (20) des Halteelementes (16) zu erfassen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt des Überprüfens ein Ergebnis zur Bestätigung einer fehlerfreien Lötung geliefert wird, wenn bei der Verbindung zwischen dem dem ersten Teil (20) des Halteelements (16) und dem kraft- und/oder formschlüssig eingebrachten Leitersteg (14) ein Lötmeniskus erkannt wird.