DE19644026A1 - Elektrisches Sicherungselement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Siche­ rungselement mit einem im wesentlichen keramischen Gehäuse und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Sicherungselemente der genannten Art werden in großer Anzahl in elektrischen Schaltungen als Schutz vor zu hohen Strömen eingebaut. Ihr Einsatzbereich erstreckt sich von dem Schwach­ strombereich bis in den Bereich höherer Spannungsebenen hin­ ein. In Schwachstromschaltungen werden derartige Sicherungen insbesondere als SMD-bestückbare Chip-Sicherungen mit sehr geringen Abmessungen genutzt. Bei ihrem Einsatz in höheren Spannungsebenen zeichnen sich diese Sicherungen besonders durch die Widerstandsfähigkeit ihres keramischen Gehäuses gegenüber hohen Temperaturen und starken mechanischen Bean­ spruchungen aus.

Gemeinsam weisen alle Sicherungen der genannten Art Probleme in der Massenfertigung auf, besonders beim Fixieren und Be­ festigen ihrer Schmelzleiter.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Sicherung und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, das das Fixieren und Be­ festigen von Schmelzleitern vereinfacht und dadurch eine Ver­ billigung gegenüber bekannten Verfahren bewirkt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• - ein Schmelzleiter derart
• - zwischen zwei grüne Keramikschichten gelegt wird,
• - daß er mindestens zwischen einander gegenüberliegenden Endkanten der Keramikschichten verläuft und
• - diese Anordnung verpreßt und
• - anschließend gesintert wird.

Im Rahmen dieser Erfindung werden ungebrannte, flexible Kera­ mikfolien, auch Green tape oder Low temperature cofiring cera­ mic genannt, einheitlich als grüne Keramikschichten bezeich­ net.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Eigenschaft grüner Keramikschichten, unter den Einfluß von Druck mitein­ ander zu verkleben, genutzt, um einen zwischen zwei grünen Keramikschichten gelegten Schmelzleiter zu umschließen. Dazu wird der Schmelzleiter einfach über eine grüne Keramikschicht gelegt und von einer zweiten grünen Keramikschicht abgedeckt. Diese grünen Keramikschichten sind in Grenzen verformbar und umschließen den Schmelzleiter daher beim Zusammenpressen der Anordnung, indem sie sich im Kontaktbereich mit dem Schmelz­ leiter entsprechend verformen. Der Schmelzleiter wird so in seiner Lage fixiert und sicher gehalten. Ferner entsteht durch das Verkleben der Schichten eine hermetische und nach dem Sintern dauerhafte Abdichtung des Schmelzleiters gegenüber der Umgebung. Gleichzeitig werden die grünen Keramikschichten in dem Sinterschritt als einstückiges keramisches Gehäuse ohne die Zuhilfenahme weiterer Hilfsstoffe, wie z. B. Kleber, ver­ festigt. Dieser homogene äußere Körper ist in seinen Eigen­ schaften in Bezug auf Festigkeit und Dichtigkeit bekannten Gehäusebauformen mindestens ebenbürtig.

In einer wesentlichen Weiterbildung wird die Anordnung in einem Zwischenschritt in einer temperierten Umgebung verpreßt, beispielsweise in einer Heizpresse bzw. einer isostatischen Presse. Eine Erwärmung bewirkt eine weitere Erweichung der grünen Schichten. Unter Druck- und Temperatureinfluß wird so das vorstehend beschriebene Verkleben grüner Schichten im Kontaktbereich miteinander zu einer unumkehrbaren Verbindung zwischen benachbarten Schichten fortgebildet, wobei jede Art von Übergangs- bzw. Grenzschicht vollständig verschwindet. Es entsteht, im Gegensatz zum untemperierten Verpressen, statt einer Oberflächenverklebung bzw. Haftung nun ein homogener Körper unter vollständiger Auflösung der ehemaligen Oberflä­ chengrenzen. Dieser Körper wird auch als Laminat bezeichnet. Ferner kann dieser Prozeßschritt der Trocknung der lösungs­ mittelhaltigen grünen Schichten als Vorstufe zum Sintern die­ nen.

Vorteilhafterweise wird die Anordnung in dem Bereich der Stirnseiten, an denen sich die Schmelzleiter befinden, metal­ lisiert. Dadurch werden äußere Kontakte für den elektrischen Zugang des Schmelzleiters geschaffen, vorzugsweise durch Auf­ tragen, Trocknen und anschließendes Sintern einer Paste. Damit sind dann bereits Außenkontakte aufgebracht und das Siche­ rungselement ist fertig zum Einbau z. B. in einer SMD-Schal­ tung.

Nach Anspruch 4 wird mindestens auf der Oberfläche einer grü­ nen Keramikschicht, die in Kontakt mit dem Schmelzleiter kommt, Leitpaste in den sich gegenüberliegenden Bereichen aufgetragen. Diese Bereiche liegen in einem Abstand zuein­ ander, der durch die Abmessungen des Bauelementes bestimmt wird, vorzugsweise also in den Randbereichen an den Stellen aufgetragen, an denen abschließend die Kontakte aufgetragen werden. Ohne diese Maßnahme mündet der äußere Kontakt direkt in den Schmelzleiter mit seinem vergleichsweise geringen Durchmesser ein. So können im Betrieb bereits im Bereich der Außenkontakte des Sicherungselementes sehr hohe Stromdichten entstehen, die zum Auslösen der Sicherung außerhalb des ei­ gentlichen Sicherungskörpers führen können.

Die Paste wird vorzugsweise in Streifenform aufgetragen, um den kontaktierbaren Querschnitt des Schmelzleiters nach außen hin effektiv zu vergrößern und damit die Stromdichte am An­ schluß senken. Ferner ist in dieser Form auch das Auftragen der Paste besonders einfach durchzuführen, beispielsweise in Form eines materialsparenden Siebdruckverfahrens. So kann insgesamt sichergestellt werden, daß das Durchschmelzen beim Auslösen in der Mitte der Sicherung erfolgt. Den beim Abschal­ ten des Sicherungselementes entstehenden Druck nimmt das ge­ schlossene keramische Gehäuse auf, so daß keine metallischen Dämpfe nach außen treten können. Auch ein beim Auslösen stets auftretender Lichtbogen tritt damit nie aus dem Sicherungs­ element heraus an die Umgebung.

In einer Weiterbildung wird der Schmelzleiter als Draht ausge­ führt. Ein Draht wird durch seine Materialzusammensetzung, seine Querschnittsfläche sowie seine Länge im allgemeinen zur Beschreibung des Verhaltens einer elektrischen Schaltung genau genug bestimmt. Erfindungsgemäß wird der Draht in dem be­ schriebenen, sandwichartig zusammengebauten Sicherungselement in einer bestimmten Form geführt. In der Produktion können so Elemente hergestellt werden, deren Auslöseeigenschaften in einem eng begrenzten Intervall liegen, da innerhalb eines jeden Sicherungselementes stets die gleichen, definierten Umgebungseinflüsse für den Schmelzleiter herrschen. Ferti­ gungstechnisch hat es sich bewährt, den Draht beim Aufbau des Sicherungselementes in einer geraden Linie zwischen den grünen Keramikschichten zu ziehen, bzw. beim Zusammenbau zwischen den Schichten zu spannen. Nach dem unter Anspruch 2 beschriebenen Schritt des Laminierens wird der Draht dann durch das aus mindestens zwei Keramikschichten bestehende Laminat selbst getragen und in seiner Lage fixiert.

Vorteilhafterweise kann auch ein Füllmaterial zwischen die grünen Keramikfolien eingelegt bzw. eingebracht und einlami­ niert werden, z. B. zur Beeinflussung der Abschaltverhaltens des Sicherungselementes. Dazu kann das Füllmaterial auf bzw. über dem Schmelzleiter angeordnet und mit der oberen grünen Keramikfolie abgedeckt werden. Im Zentrum der Anordnung kann durch das Einfügen des Füllmaterials eine Verdickung entste­ hen. Diesem Umstand kann beim Laminieren dadurch Rechnung ge­ tragen werden, daß eine Isostatische Presse zum Einsatz kommt. Ferner kann eine herkömmliche Presse eine dem Aufbau des zu laminierenden Sicherungselementes entsprechend profilierte Pressenplatte aufweisen. In beiden Fällen kann ein Laminat mit den vorstehend genannten Eigenschaften produziert werden.

In einer wesentlichen Weiterbildung wird mindestens eine der grünen Keramikschichten vor dem Einlegen des Schmelzleiters im Bereich der Mittelachse gelocht. Nach dem Laminieren des Si­ cherungselementes ist damit mindestens ein offener Halbraum an der Mittelachse der Anordnung geschaffen worden. Die für die Sicherung bzw. das Auslöseverhalten der Sicherung wesentlichen Parameter sind in diesem freien, von außen offen zugänglichen Halbraum nun durch den Anwender geeignet definierbar.

Diesem offenen, luftgefüllten Halbraum kann ein keramischer Halbraum auf der anderen Seite des Schmelzleiters gegenüber­ liegen. Verläuft nun der Schmelzleiter an der Grenze zwischen diesen beiden Halbräumen, so kann das Sicherungselement in seinen Abschalteigenschaften durch die Gestaltung des freien, hier nur luftgefüllten Halbraumes einseitig beeinflußt werden. Erfindungsgemäß ist die Lochung im mittleren Bereich des Si­ cherungselementes angeordnet, durch den der Schmelzleiter in jedem Fall läuft. In dem gewählten Bereich des Sicherungs­ elementes treten im Betriebsfall die höchsten Temperaturen auf, wodurch sich jede, durch eine Materialänderung hervor­ gerufene Variation der Umgebungseigenschaften auf die Ab­ schalteigenschaften des Sicherungselementes maximal auswirken können.

Vorteilhafterweise werden in beiden, den Schmelzleiter umge­ benden Keramikschichten Lochungen übereinanderliegend angeord­ net. Damit stehen im Bereich der Lochung zwei Halbräume zur Verfügung, an deren Grenze der Schmelzleiter verläuft. Die Halbräume können je nach Wahl der Füllmaterialien voneinander entkoppelbar unterschiedliche Materialparameter aufweisen. Beide Halbräume können jedoch in gleicher Art mit gleichem Material verfüllt werden, so daß der Schmelzleiter auch im Bereich der Lochung einen homogenen Raum durchläuft. Die Ver­ füllung der Halbräume kann durch den Einsatz fester Medien in einstückiger Form erfolgen, beispielsweise durch vorgefertigte Formkörper, die den Schmelzleiter auch teilweise umschließen kann. Als technische Ausführung sei hier ein pillenförmiger, grüner Sinterkörper mit einer Furche zur Aufnahme des Schmelz­ leiters genannt.

Bevorzugt wird jedoch eine Verfüllung durch fließfähige Me­ dien, beispielsweise durch Pasten. Durch die Verfüllung wird der Schmelzleiter mechanisch unterstützt, so daß das Siche­ rungselement insgesamt auch gegen Vibrationen unanfällig ist. Ferner kann sich eine pastenartige Füllmasse und ein sonstig fließfähiges Medium mit der Innenwand der Lochung optimal verbinden, so daß keine weiteren Verbindungsmaßnahmen bzw. Befestigungen ergriffen werden müssen.

In einer Weiterbildung wird eine Lochung durch eine außenlie­ gende, weitere grüne Keramikschicht abgedeckt. Nach dem Lami­ nieren wird so ein definierter Raum mit vorgegebener Geometrie erzeugt, der endseitig gasdicht verschlossen ist. Damit ist der Schmelzleiter mechanisch sowie gegen Umgebungseinflüsse sicher geschützt. Diese geschlossene Anordnung weist aber auch den Vorteil auf, daß nun selbst fließ- bzw. schüttfähige Füll­ materialien eingesetzt werden können, die sich nicht verfesti­ gen lassen, oder zur Beibehaltung ihrer Materialeigenschaften gegenüber der Umwelt geschützt werden müssen. Beispielsweise kann in einer einseitig oder auch zweiseitig gelochten An­ ordnung durch die Abdeckung mit einer zusätzlichen Keramik­ schicht die Füllung des definiert erstellten Hohlraumes durch feinen Quarzsand oder Aluminiumoxid Pulver erfolgen.

Vorteilhafterweise können in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufbau und zur Herstellung eines Sicherungselementes geo­ metrisch gleich geformte Keramikschichten verwendet werden. Dadurch wird der fertigungstechnische Aufwand in den Schritten vor dem Zusammenbau des Sicherungselementes bzw. der Laminie­ rung beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt jedoch auch den Einsatz unterschiedlich geformter keramischer Schich­ ten zum Aufbau speziell geformter Keramikkörper zu. Eine unte­ re und eine abdeckende, obere Keramikschicht mit dazwischen angeordnetem Schmelzleiter können so bemessen sein, daß die obere Keramikschicht beispielsweise schmaler als die untere Keramikschicht ausgebildet sein, so daß die obere Keramik­ schicht gegenüber der unteren Keramikschicht an den Endkanten zurückspringt. Durch diese Geometrieänderung können beispiels­ weise größere Kontaktflächen an den Endseiten hergestellt werden, bzw. in ihrer Form entscheidend verändert werden. So werden z. B. Anschlüsse freigelegt zum Einbau des Sicherungs­ elementes als Verbundschmelzleiter in ein Sicherungsgehäuse, wie an einem Ausführungsbeispiel noch erläutert wird.

In einer Weiterbildung können die Keramikschichten ferner auch Durchkontaktierungen an beliebiger Stelle aufweisen. Diese Durchkontaktierungen können gefüllt oder auch ungefüllt sein und eröffnen damit Möglichkeiten einer andersartigen Befesti­ gung, Kontaktierung oder Verwendung des Sicherungselementes.

Ein erfindungsgemäßes Sicherungselement ist direkt als SMD-Bauteil einsetzbar. Es kann darüber hinaus auch als Kombina­ tionsschmelzleiter in existierende Sicherungsgehäuse einge­ setzt werden, um so Sicherungstypen mit neuen Schalteigen­ schaften zu bilden. Vorteilhafterweise können Sicherungsele­ mente als Kombinationsschmelzleiter mit einer besonderen inne­ ren Konstruktion in bekannten Sicherungsgehäusen eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Befestigung und Kontaktierung eines Sicherungselementes an den im festen IEC-Normraster der jeweiligen Spannungsebene entsprechend angeordneten äußeren Kontaktbeinen in Analogie zur Bestückung einer Leiterplatte mit SMD-Bauteilen erfolgen.

Das zusätzliche Gehäuse dient einer weiteren Kapselung der Anordnung, so daß auch beim Platzen des Sicherungselementes beim Auslösen der Sicherung keine Fragmente nach außen ge­ langen können. Zudem tritt eine weitere thermische Isolierung des Sicherungselementes ein. So können weitergehende Prüfvor­ schriften auf dem Wege einer internationalen Zertifizierung einer derartigen Sicherung leichter erfüllt werden.

Für Beispiele sei auch an dieser Stelle auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung verwiesen.

Ein erfindungsgemäßes Sicherungselement ist mit allen bisher beschriebenen Verfahrensschritten in einem Massenfertigungs­ prozeß im Vielfachnutzen herstellbar. Dazu kommen grüne Kera­ mikschichten mit einer Größe zum Einsatz, die einem Vielfachen der Größe eines einzelnen Sicherungselementes entspricht. Gleichzeitig werden mehrere Schmelzleiter angeordnet und durch mindestens eine obere Keramikschicht mindestens teilweise abgedeckt, wie vorstehend beschrieben wurde. Nach dem Laminie­ ren, dem Verpressen der Anordnung unter einer erhöhten Umge­ bungstemperatur, kann dann bereits eine Vereinzelung der Si­ cherungselemente durch Zerschneiden, Brechen oder Sägen erfol­ gen, da schon in diesem Zustand die Anordnung ausreichend fixiert ist.

Bei Anordnungen mit einer Mächtigkeit von mehr als zwei Kera­ mikschichten wird bevorzugt, die Vereinzelung nach dem Lami­ nieren vorzunehmen. Es ist jedoch auch möglich, die endver­ festigte Anordnung mit fertigem, keramischen Außenkörper nach dem Sintern durch Brechen oder Sägen zu vereinzeln.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Abbildungen zeigen:

Fig. 1a eine perspektivische Darstellung einiger Zusam­ menbauschritte zur Fertigung eines Sicherungs­ elementes;

Fig. 1b eine perspektivische Darstellung des zusammen­ gebauten Sicherungselementes von Fig. 1a;

Fig. 1c eine perspektivische Darstellung des mit Kontak­ ten versehenen Sicherungselementes;

Fig. 2a eine perspektivische Darstellung einiger Zusam­ menbauschritte zur Fertigung des Sicherungsele­ mentes von Fig. 1a;

Fig. 2b eine perspektivische Darstellung des zusammen­ gebauten Sicherungselementes von Fig. 2a;

Fig. 2c eine perspektivische Darstellung des Sicherungs­ elementes von Fig. 2b mit Verfüllung;

Fig. 2d eine perspektivische Darstellung des fertigen Sicherungselementes;

Fig. 3a-3c perspektivische Darstellungen des Zusammenbaus einer weiteren Ausführungsform eines Sicherungs­ elementes in analoger Abfolge zu den Fig. 1a-1c;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einiger Ferti­ gungsschritte zur Herstellung einer alternativen Ausführungsform des Sicherungselementes von Fig. 1 im Vielfachnutzen;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einiger Ferti­ gungsschritte zur Herstellung der Ausführungs­ form des Sicherungselementes von Fig. 1 im Viel­ fachnutzen;

Fig. 6a eine perspektivische Darstellung einiger Ferti­ gungsschritte zur Herstellung der weiteren Aus­ führungsform des Sicherungselementes von Fig. 1 im Vielfachnutzen;

Fig. 6b eine Darstellung der laminierten Anordnung von Fig. 6a als Zwischenprodukt und

Fig. 7a, 7b Skizzen des Einbaus eines Sicherungselementes der Ausführungsform von Fig. 6b als SMD-Bauteil in standardisierte bzw. weit verbreitete Gehäu­ se.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Zusammenbaus eines Sicherungselementes 1. In einem ersten Schritt werden auf eine untere plane, grüne Keramikschicht 2a zwei Schichten 3 mit einer Paste 3a aufgetragen, die an die Stirnseiten 4 der unteren Keramikschicht 2a angrenzen. Zwischen diesen Paste­ schichten 3 wird an der Oberfläche 3b ein Schmelzleiter 5 in Form eines Drahtes 6 gezogen und aufgelegt. Die Pasteschicht 3 vergrößert so die Kontaktfläche des dünnen Drahtes 6 nach außen hin, wodurch die Stromdichte an den späteren Anschluß­ stellen zum Draht hin gesenkt wird. Die heißeste Stelle in der Anordnung ist damit optimal in die Mitte verlagert worden. Damit erfolgt auch ein Durchschmelzen des Drahtes 6 stets in der Mitte des Sicherungselementes 1.

Der Draht 6 wird dann durch eine obere grüne Keramikschicht 2b abgedeckt. Die so erstellte Anordnung 7 wird in einem darauf­ folgenden Prozeßschritt auf ca. 70°C erwärmt und damit er­ weicht, wodurch die obere grüne Keramikschicht 2b mit der unteren grünen Keramikschicht 2a untrennbar verklebt. Unter­ stützt wird diese Verbindung durch einen parallel zur Erwär­ mung verlaufenden Preßvorgang, in dem die Anordnung 7 zusam­ mengedrückt wird. Dieser Schritt wird auch als Laminieren bezeichnet.

Zugleich kann die Anordnung 7 vorgetrocknet werden, da bei den genannten Temperaturen aus den grünen Schichten 2 mindestens ein Teil der enthaltenen Lösungsmittel entweicht. So ergibt sich ein vorgefestigter, einheitlicher Körper.

Fig. 1b zeigt eine perspektivische Darstellung des so weit zusammengebauten Sicherungselementes von Fig. 1a, nachdem der Draht 6 an die Stirnseiten 4 der Anordnung 7 abgetrennt worden ist. An den Stirnseiten 4 ist der sehr geringe Querschnitt des Schmelzleiters 6 erkennbar, wie er von zwei Endkanten 4a der Stirnseiten 4 dicht umschlossen wird. Die gepreßte und vor­ getrocknete Anordnung 7 weist in diesem Zustand eine gewisse Festigkeit auf, wenngleich die miteinander durch Eigenklebung verbundenen Keramikschichten 2a, 2b noch nicht zu einem festen äußeren Keramikkörper 8 gesintert worden sind. Dieser Körper 8 existiert aber bereits in diesem ungesinterten Zustand als eine Einheit, die Linie 9 ist nur der Übersichtlichkeit und zur Orientierung des Betrachters als Markierung der ehemaligen Grenze zwischen den beiden grünen Schichten 2 in die Skizze aufgenommen worden.

Fig. 1c zeigt eine Skizze des mit Kontakten 10 versehenen Sicherungselementes 1 von Fig. 1b. Die Anordnungung ist mit den Stirnseiten 4 in eine Leitpaste 11 eingetaucht worden. Dabei ist neben der winzig kleinen Endfläche des Drahtes 6 auch ein die Pasteschicht 3 mit dem bis zur Endkante 4a rei­ chenden Teil mit der Leitpaste 11 in Kontakt gekommen. Nach dem Sintern der Leitpaste 11 wird durch diesen Prozeßschritt der außen elektrisch leicht zugängliche, und überdies auch lötbare Kontakt 11 hergestellt, der mit dem Draht 6 leitend verbunden ist. Der eigentliche Verlauf des Drahtes 6 zwischen den Keramikschichten 2 ist durch die gewählte Art der Kontak­ tierung generell frei wählbar. Im vorliegenden Beispielfall ist ein fest definierter Verlauf entlang einer Mittelachse 12 der Anordnung 7 gewählt worden. Es ist aber auch denkbar, den Draht 6 beispielsweise diagonal über die Oberfläche 3b der Keramikschichten 2 zu führen, um z. B. bei fest vorgegebener Geometrie des äußeren Keramikkörpers 8 die Länge des Drahtes 6 zu vergrößern.

Insgesamt ergibt sich durch das beschriebene Verfahren eine Anordnung 7, in deren elektrisch leitenden Teil sich ein Stromdichteverlauf einstellt, der seinen Maximalwert stets erst im druckdichten, geschützten Innern des Keramikkörpers 8 erreicht und dementsprechend auch nur an einer Stelle in der Mitte des Drahtes 6 durchbrennen wird. An dieser Stelle sind alle Materialparameter in weiten Bereichen durch konstruktive Maßnahmen definierbar, wie beispielsweise durch das Einfügen eines Formkörpers, der den Schmelzleiter abdeckt und nachfol­ gend selber durch die obere Keramikschicht abgedeckt und ver­ schlossen wird. Weitere bevorzugte Möglichkeiten werden nach­ folgend anhand weiterer Ausführungsbeispiele erklärt.

Fig. 2a ist eine perspektivische Darstellung einiger Zusammen­ bauschritte zur Fertigung des Sicherungselementes 1 von Fig. 1a, wobei sich nun aber eine Lochung 13 in der Mitte der obe­ ren grünen Keramikschicht 2b befindet. Der Zusammenbau findet in der anhand der Fig. 1a-1c beschriebenen Weise statt. Durch die Lochung 13 wird der entlang der Mittelachse 12 ver­ laufende Draht 6 nun in einem für die Festlegung des Abschalt­ verhaltens des Sicherungselementes 1 wesentlichen Bereich nicht durch den später geschlossenen äußeren Keramikkörper 8 verschlossen. In dem offenen Bereich wird der Draht 6 im Be­ trieb am wärmsten. Hier wird er beim Auslösen des Sicherungs­ elementes auch durchtrennt werden. Die Öffnung des Keramikkör­ pers 8 gibt die Möglichkeit, durch die Wahl einer geeigneten Abdeckung bzw. einer Masse 14, mit der diese Lochung über dem Draht 6 geschlossen wird, das Abschaltverhalten des Siche­ rungselementes 1 entscheidend zu variieren. Ferner kann auch das Alterungsverhalten der Sicherung verändert werden. Bevor­ zugt werden zu diesem Zweck zähflüssige Vergußmassen einge­ setzt, also beispielsweise keramische Pasten, die im Fortgang des Fertigungsverfahrens mit verfestigt werden. Es können aber auch sich selbst verfestigende Stoffe Verwendung finden, so­ lange sie das Abschaltverhalten positiv beeinflussen, bei­ spielsweise durch die irreversible Aufnahme heißer Gase aus einem Lichtbogen im Abschaltaugenblick. Durch den Einschluß kleiner Hohlräume im Bereich der Lochung 13 können auch nahe des Drahtes 6 Druckausgleichsräume geschaffen werden, die gleichzeitig die thermische Isolation des Drahtes 6 erhöhen können.

Fig. 2b ist eine perspektivische Darstellung des zusammen­ gebauten Sicherungselementes von Fig. 2a, in der der durch die Lochung 13 der oberen Keramikschicht 2b in der Anordnung frei liegende Draht 6 gut zu sehen ist. Die Linie 9 als Kennzeich­ nung der ehemaligen Grenzschicht zwischen den Keramikschichten 2a, 2b ist wiederum nur zur Orientierung eingezeichnet worden.

Fig. 2c zeigt eine perspektivische Darstellung des Sicherungs­ elementes von Fig. 2b nach der Verfüllung der Lochung 13 durch eine Masse 14, die plan mit der Oberfläche 3b der oberen Kera­ mikschicht 2b abschließt. Aus Gründen der Druckbeständigkeit der Abdeckung sollte die Mächtigkeit der Masse 14 über dem Draht 6 nicht zu gering gewählt werden. So ist bei den be­ schriebenen Abbildungen immer zu beachten, daß die dargestell­ ten Keramikschichten 2 selber sehr geringe Schichtdicken auf­ weisen. Weiter ist bei der Auswahl der Masse 14 zu beachten, daß lichtbogenlöschende Eigenschaften der Masse erwünscht sind. Auf keinen Fall darf die Masse unter dem Einfluß eines Lichtbogens aber das Brennen unterstützen, beispielsweise durch Ausbildung von leitenden Kohlenstoffbrücken.

Fig. 2d ist eine perspektivische Darstellung des fertigen Sicherungselementes 1 nach dem Aufbringen der Kontakte 10 an den Stirnseiten 4 der Anordnung 7. Der unterschiedliche Aufbau des Sicherungselementes 1 ist anhand der Fig. 2d im Vergleich mit Fig. 1c durch die durch die Masse 14 verschlossene Lochung 13 in der Mitte des Elementes zu erkennen. Das dargestellte Sicherungselement 1 könnte als SMD-Bauteil mit sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden, so daß die Masse 14 zur Kenn­ zeichnung der Bauteileigenschaften mit herangezogen werden kann. Das kann durch die äußere Form der Abdeckung oberhalb der oberen Keramikschicht 2b erfolgen oder durch eine Färbung der Masse 14, um nur einige Beispiele zu nennen.

Das in den Fig. 2a-2d dargestellte Verfahren ist auch bei der Herstellung von Sicherungselementen anzuwenden, bei denen Lochungen 13 in der Mitte beider Keramikschichten 2a, 2b ein­ gebracht worden sind, wodurch das Schaltvermögen bzw. das Abschaltverhalten des Sicherungselementes 1 noch stärker be­ einflußbar ist, da sich der Draht 6 in seinem am stärksten erwärmten Bereich in diesem Fall in einem homogenen Material befindet.

Häufig besteht bei der Herstellung von elektrischen Sicherun­ gen auch mit kleinsten geometrischen Abmessungen das Bedürf­ nis, den Schmelzleiter durch Medien laufen zu lassen, die zwar schüttbar, jedoch nicht aushärtbar sind. Ein Beispiel hierfür ist feiner Quarzsand. Weiter gibt es auch Beispiele von Füll­ materialien, die vor Umgebungseinflüssen geschützt werden müssen. Fig. 3a-3c zeigen in perspektivischer Darstellung eine Weiterbildung des in den Fig. 2a-2d dargestellten Her­ stellungsverfahrens zur Schaffung einer weiteren Ausführungs­ form eines Sicherungselementes für die genannten Einsatzfälle. Der Draht 6 wird von einer oberen und unteren grünen Keramik­ schicht 2a, 2b umschlossen, die jeweils in ihrem mittleren Bereich eine Lochung 13 aufweisen, die im zusammengefügten Zustand analog zu Fig. 2a übereinander zu liegen kommen. Der Aufbau und Zusammenbau erfolgt in der in den Fig. 1a-1c dargestellten Weise. Ergänzt wird diese Anordnung durch zwei äußere grüne Keramikschichten 2c, die die Lochungen 13 abdec­ ken, so daß im Innern der Anordnung 7 ein Hohlraum bzw. eine Kavität mit definierten Abmessungen entstanden ist.

Vor dem Aufbringen der oben angeordneten, äußeren grünen Kera­ mikschicht 2c ist es in einem hier nicht dargestellten Zwi­ schenschritt möglich, diesen Hohlraum mit hindurchtretendem Draht 6 mit einer Masse 14 zu füllen. Das Abschließen und Laminieren schließt sich dann an. Mit oder ohne Füllung des Hohlraumes ergibt sich nach dem Laminieren eine Anordnung 7, wie sie in Fig. 3b dargestellt ist. Die Linien 9 repräsentie­ ren die in der Realität nicht weiter sichtbaren ehemaligen Grenzflächen zwischen den aufeinandergeschichteten und mitein­ ander verklebten und verpreßten grünen Keramikschichten. Das Aufbringen äußerer Kontakte 10 erfolgt analog zu der zu Fig. 1c beschriebenen Weise.

Die Fertigung der beschriebenen Ausführungsformen kann statt einer Einzelfertigung auch rationell im Vielfachnutzen gesche­ hen. Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung einige Fer­ tigungsschritte zur Herstellung einer alternativen Ausfüh­ rungsform des Sicherungselementes von Fig. 1a-1c. Das hier dargestellte Sicherungselement würde im fertigen Zustand aus einem Draht 6 bestehen, der durch einen äußeren Keramikkörper 8 verläuft und an den Stirnseiten 4 jeweils über Kontakte 10 elektrisch von außen zugänglich ist. Eine Anpassung der kon­ taktierbaren Querschnittes vom Draht 6 hin zu den Kontakten 10 wie in Fig. 1a-1c ist in diesem Fall nicht vorgesehen.

Diese einfache Sicherung ist in großer Zahl herstellbar, indem auf eine große untere Keramikschicht 2b eine Vielzahl parallel verlaufender Drähte 6 in definiertem Abstand zueinander ge­ spannt wird und anschließend durch eine obere Keramikschicht abgedeckt wird, wobei die obere und untere Keramikschicht 2a, 2b die gleichen Abmessungen besitzen. Nach dem Laminieren können die überstehenden Enden der Drähte 6 gekürzt werden. Die Drähte werden nun durch den Außenkörper 8 gehalten und fixiert. Nach dem Sintern der Anordnung ist dann ein Körper entstanden, aus dem durch Vereinzeln im vorliegenden Fall 25 Sicherungselemente gewonnen werden könnten. Das Vereinzeln könnte durch Brechen oder Sägen erfolgen. Durch Aufbringen von Einprägungen 15 bzw. Vertiefungen 16 oder Nuten 17 auf die Anordnung während des Laminiervorganges kann das Vereinzeln erleichtert werden. Das in Fig. 4 eingezeichnete Gitternetz 18 aus Linien 19 ist nur zur Veranschaulichung der Vereinzelung bzw. als Beispielanzeige für den späteren Verlauf von Vertie­ fungen 16 bzw. Nuten 17 mit in die Zeichnung 4 aufgenommen worden. Ein derartiges Gitter 18 wird im Fertigungsprozeß erst nach dem Laminieren sichtbar sein. Neben dem Erleichtern des Vereinzelns durch Brechen können Vertiefungen 16 aber auch zur Kennzeichnung des Sicherungselementes als elektrisches Bau­ element oder zur Angabe der Eigenschaften herangezogen werden, beispielsweise durch Eindrücken von Buchstaben oder Zeichen als Vertiefung 16 in jedem Bauteil.

Fig. 5 zeigt einige Fertigungsschritte des gegenüber Fig. 4 erweiterten Verfahrens zur Herstellung von Sicherungselementen 1 der Ausführungsform von Fig. 1a-1c. Hier wurden auf der unteren grünen Keramikschicht 2a in vorbestimmtem Abstand zueinander parallel verlaufende Schichten 3 mit Paste 3a auf­ getragen, beispielsweise in einem Siebdruckverfahren. Auf die so vorbereitete Oberfläche 3b wurden anschließend die Drähte 6 gespannt, die Anordnung wird dann mit der oberen Keramik­ schicht 2b wie durch die Pfeile angedeutet, abgedeckt. Nach bzw. bei dem Laminieren können wiederum Vertiefungen 16 oder Nuten 17 entlang des Gitters 18 eingeprägt werden. Eine Ver­ einzelung durch Zerschneiden der noch ungebrannten Anordnung entlang der eingezeichneten Linien 19 ist bei dieser Anordnung aufgrund der geringen Keramikdicke ebenso möglich wie ein Vereinzeln durch Brechen bzw. Zersägen nach dem Sinterschritt.

Fig. 6 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform zu der Fertigung eines Sicherungselementes nach Fig. 4. Hier erfolgt die Abdeckung der mit parallel verlaufenden Drähten 6 bespann­ ten unteren Keramikschicht 2a durch längliche obere Keramik­ schichten 2b geringer Breite. Das bereits hier eingezeichnete Liniennetz 18 aus Linien 19 zeigt in Fig. 2b an, daß die Ab­ deckung des Drahtes 6 je Sicherungselement 1 nur im mittleren Bereich erfolgt. Wird dieser Fertigungsprozeß um das Auftragen von Schichten 3 einer Paste 3a erweitert, so ergibt sich durch die Variation des Verfahrens nach Fig. 6a eine je Sicherungs­ element 1 deutlich vergrößerte und anders geformte Fläche der Kontakte 10. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde hier auf diese Darstellung wie auch die Darstellung von Kombinations­ lösungen mit Merkmalen z. B. der Fig. 2d und Fig. 6b verzich­ tet.

Beispiele für den Einsatz und den Einbau eines Sicherungs­ elementes 1 als Kombinationsschmelzleiter 20 in bekannte Ge­ häusebauformen 21 sind in Fig. 7a und Fig. 7b skizziert. In Fig. 7a zeigt eine Art des Einbaus eines fertigen Sicherungs­ elementes 1 von Fig. 6b in ein Glasröhrchen 22, das endseitig mit Metallkappen 23 verschlossen wird. Beim Zusammenbau der Anordnung wird zwischen den Kontakten 10 des Sicherungselemen­ tes 1 und der zugehörigen Metallkappe 23 eine elektrisch lei­ tende Verbindung hergestellt. Damit ist die Anpassung des Sicherungselementes 1 an Schaltungen und übliche Anschlußvor­ richtungen und Sicherungshalter aus dem Bereich der 125-V- bzw. 250-V-Spannungsebenen vollzogen worden.

Den Einbau eines Sicherungselementes 1 der erweiterten Aus­ führungsform von Fig. 6b als SMD-Bauteil in ein standardisier­ tes bzw. weit verbreitetes Sicherungsgehäuse 21 ist in Fig. 7b dargestellt. Hier ist als Sicherungsgehäuse 21 beispielhaft das Gehäuse der bekannten TR 5^®-Sicherung gewählt worden. Das Gehäuse besteht aus einer Kappe 24, die mit einem Gehäusesoc­ kel 25 verrastet wird, durch den Stifte 26 als elektrische Kontakte nach außen treten. Das Sicherungselement 1 wird umge­ dreht, so daß eine Schicht 3 aus gesinterter Leitpaste 3a jeweils mit einem Ende 27 eines Stiftes 26 in Kontakt kommt. Im vorliegenden Beispiel sind die Enden 27 flach gestanzt, so daß das Sicherungselement 1 im Bereich der Schichten 3 auf den Enden 27 aufliegt. Die Enden 27 können auch zu Stufen gestanzt und/oder nach innen oder außen gebogen werden, um das Siche­ rungselement 1 besser halten zu können. Das zentriert angeord­ nete Sicherungselement 1 wird dann an den Schichten 3 mit den Enden 27 verlötet.

Alternativ kann ein Teil 28 des keramischen Außenkörpers 8 auch als Sockel 29 dienen, an dem das Sicherungselement 1 auf dem Gehäusesockel 25 aufgeklebt werden kann. Die Länge der Stifte 26 vom Gehäusesockel 25 bis zu den Enden 27 ist bei diesem Fertigungsprozeß mit der Höhe des Sockels 29 abzustim­ men. Die Kontaktierung erfolgt hier über die in einem Prozeß nach Fig. 6a-6b gebildeten Kontaktflächen 10 an den Stiften 26 durch Anlöten in einem üblichen SMD-Prozeß.

Bezugszeichenliste

1

Sicherungselement

2

grüne Keramikschicht

2

a untere Keramikschicht

2

b obere Keramikschicht

2

c äußere, grüne Keramik­ schicht

3

Schicht

3

a Paste

3

b Oberfläche

4

Stirnseite

4

a Endkante

5

Schmelzleiter

6

Draht

7

Anordnung

8

äußerer Keramikkörper

9

Linie

10

Kontakt

11

Leitpaste

12

Mittelachse

13

Lochung

14

Masse

15

Einprägung

16

Vertiefung

17

Nut

18

Gitternetz

19

Linie

20

Kombi.-Schmelzleiter

21

Gehäusebauform

22

Glasröhrchen

23

Metallkappe

24

Kappe

25

Gehäusesockel

26

Stift

27

Ende des Stiftes

28

Teil des Außenkörpers

29

Sockel

30

Claims (28)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Sicherungs­ elementes mit einem im wesentlichen keramischen Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Schmelzleiter (5) derart
• - zwischen zwei grüne Keramikschichten (2a, 2b) gelegt wird,
• - daß er mindestens zwischen einander gegenüberliegenden Endkanten (4a) der Keramikschichten (2a, 2b) verläuft und
• - diese Anordnung (7) verpreßt und
• - anschließend gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (7) in einer temperierten Umgebung verpreßt wird.

3. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (7) in dem Bereich der Stirnseiten (4), an denen sich der Schmelzleiter (5) befindet, metallisiert wird, vorzugs­ weise durch Auftragen und anschließendes Sintern einer Leitpaste (11).

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - auf der Oberfläche (3b) mindestens einer grünen Kera­ mikschicht (2),
• - die in Kontakt mit dem Schmelzleiter (5) kommt,
• - in im Abstand einander gegenüberliegenden Bereichen, vorzugsweise den Bereichen der Endkanten (4a),
• - Leitpaste (11) vorzugsweise in Streifenform aufgetra­ gen wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (5) als Draht (6) zwischen den grünen Keramikschichten (2) in einer bestimmten Form geführt, insbesondere gerade gezogen oder gespannt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Füllmaterial zwischen die grünen Keramikschichten (2a, 2b) eingelegt und einlaminiert wird, wobei das Füllmaterial den Schmelzleiter (5) vorzugsweise teilweise umschließt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der grünen Keramikschichten (2a, 2b) vor dem Einlegen des Schmelzleiters (5) im Bereich der Mittelachse (12) ge­ locht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (5) zwischen zwei im Bereich der Mit­ telachse (12) gelochten grünen Keramikschichten (2a, 2b) angeordnet wird.

9. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden An­ sprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochun­ gen (13) der grünen Keramikschichten (2a, 2b) überein­ anderliegend angeordnet werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochun­ gen (13) mit einer Masse (14) verfüllt werden.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochun­ gen (13) der Anordnung (7) mit dem dazwischen liegenden Schmelzleiter (5) durch mindestens eine äußere grüne Keramikschicht (2c) abgedeckt wird und insbesondere beide Lochungen (13) jeweils durch mindestens eine äußere grüne Keramikschicht (2c) abgeschlossen werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß grüne Keramik­ schichten (2) gleicher Form in der Anordnung (7) zusam­ mengefügt werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in der Fertigungslage mindestens eine grüne Keramik­ schicht (2) oberhalb des Schmelzleiters (5) aufge­ bracht wird,
• - die an den beiden Seiten, über die der Schmelzleiter (5) verläuft, gegenüber der unteren Keramikschicht (2a) zurückspringt.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungs­ element (1) in einem Vielfachnutzen gefertigt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (7) nach dem Sintern vereinzelt wird, vor­ zugsweise durch Brechen.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schritt des Verpressens der Anordnung (7) gleichzeitig auch Nuten (17) oder andere Vertiefungen (16) in die grünen Schich­ ten (2a, 2b) der Anordnung (7) eingeprägt werden.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anordnungen (7) aus mehr als zwei Schichten (2) nach dem Pressen und vor dem Sintern vereinzelt werden, vorzugsweise durch Zersä­ gen oder auch durch Brechen.

18. Sicherungselement mit einem im wesentlichen keramischen Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein Schmelzleiter (5)
• - zwischen zwei
• - in grünem Zustand aneinander haftenden Keramik­ schichten (2a, 2b)
• - von einer Endkante (4a) zu der anderen Endkante (4a) verläuft und
• - nach dem Verfestigen der Anordnung (7)
• - an den Stirnseiten (4)
• - an denen der Schmelzleiter (5) heraustritt
• - Kontakte (10) angeordnet sind.

19. Sicherungselement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anordnung (7) durch einen Sinterprozeß ver­ festigt ist.

20. Sicherungselement nach einem oder beiden der vorhergehen­ den Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (5) als Draht (6) ausgebildet ist.

21. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche 18-20, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Keramikschichten (2) ein Füllmaterial ein­ laminiert ist.

22. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche 18-21, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (3b) mindestens einer Keramikschicht (2) im Bereich der Mittelachse (12) ein Loch (13) bzw. eine Ausnehmung (13a) aufweist.

23. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche 18-22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (5) zwischen zwei Keramikschichten (2a, 2b) der Mittelachse (12) entlang verläuft, wobei beide Keramikschichten (2a, 2b) im Bereich der Mittelachse (12) ein Loch (13) bzw. eine Ausnehmung (13a) aufweisen, über das der Schmelzleiter freitragend verläuft.

24. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche 18-23, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (13a) bzw. das Loch (13) mit einer Masse (14) verfüllt ist.

25. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche 18-24, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochungen (13) bereits in grünem Zustand der Keramik­ schichten (2a, 2b) jeweils durch eine weitere Keramik­ schicht (2) abgedeckt sind.

26. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche 18-25, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Keramikschicht (2b) und die untere Keramik­ schicht (2a) die gleiche geometrische Form und Größe aufweisen.

27. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche 18-26, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Keramikschichten (2) an den beiden Endkanten (4a), über die der Schmelzleiter (5) verläuft, gegenüber mindestens einer benachbarten Schicht (2) zu­ rückspringt.

28. Sicherungselement nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche 18-27, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschichten (2) Durchkontaktierungen aufweisen.