DE3044711A1

DE3044711A1 - Schmelzsicherung

Info

Publication number: DE3044711A1
Application number: DE19803044711
Authority: DE
Inventors: Manfred 5810 Witten Rupalla
Original assignee: Wickmann Werke GmbH
Current assignee: Wickmann Werke GmbH
Priority date: 1980-11-27
Filing date: 1980-11-27
Publication date: 1982-07-01
Also published as: FR2494900A1; JPS57113535A; GB2089148B; GB2089148A

Description

Patentanwälte Akte 3030

Wenzel & Kalkoff
Postfach 2448
5810 Witten/Ruhr

Anmelderin: . Wickmann-Werke

Aktiengesellschaft Annenstraße 113 5810 Witten 6

Bezeichnung: Schmelzsicherung

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung, die aus einem Substrat und einem darauf aufgedruckten Schmelzleiter besteht, wobei letzterer eine Verengung zur Bildung der Schmelzstelle aufweist.

Derartige Schmelzsicherungen sind in verschiedenen Ausführungen seit langer Zeit bekannt (z.B. DE-OS 1 588 333); ihnen ist gemeinsam, daß sie jeweils eine superflinke Charakteristik besitzen, die geringfügig durch eine Gestaltänderung der Schmelzstelle beeinflußt werden kann.

Als Schmelzleiter wird entweder Silber oder niedrig schmelzende Metalle und Legierungen (DE-PS 7 44 200) verwandt. Für den Auftrag von Silber als Schmelzleiter auf das Substrat ist die Anwendung des Siebdruckverfahrens bekannt.

Die Möglichkeiten zur Veränderung der superflinken Charakteristik mit Hilfe einer abgeänderten Geometrie der Schmelzstelle sind nur äußerst begrenzt, es kann nicht einmal eine nur flinke Charakteristik auf diese Weise erzeugt werden. Deshalb ist der Anwendungsbereich der gattungsgemäßen Schmelzsicherungen stark eingeschränkt.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Schmelzsicherung dieser Gattung so weiterzuentwickeln, daß sie für weite Anwendungsbereiche zur Verfügung steht.

Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Schmelzstelle ganz oder teilweise mit einer Schicht aus legierungsfähigem Material bedeckt ist.

Mit Hilfe der Erfindung kann der entsprechenden Schmelzsicherung eine Charakteristik verliehen werden, die innerhalb des Spektrums von superflink bis träge liegt. Für diese Anpassung ist in erster Linie die Zusammensetzung des legierungsfähigen Materials ausschlaggebend, wobei als Grundregel gelten kann, daß die Schmelzsicherung um so träger ist, je legierungsfreudiger das Deckschichtmaterial ist, bzw. je niedriger die aufgrund der Legierung bewirkte Gesamtschmelztemperatur liegt; außerdem trägt eine besonders dicke Deckschicht wegen der realtiv großen Masse zu einem trägen Verhalten bei.

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Die Trägheit bzw. Flinkheit einer Sicherung wird nach der Schmelzzeit beurteilt, die für das Durchschmelzen der Schmelzstelle bei einem bestimmten überstrom gemessen wird. Durch die einschlägigen Normen vereinheitlicht,wird jeweils die Schmelzzeit zur Beurteilung der Charakteristik zugrunde gelegt, die bei einem Überstrom vorn Zehnfachen des Nennstromes erreicht wird. Dabei ist im Zusammenhang mit einer legierenden Sicherung darauf zu achten, daß der Nennstrom infolge der Legierung absinkt und somit auch der theoretische Prüfstrom zur Ermittlung der genormten Schmelzzeit geringer wird. Als Folge davon weisen die erfindungsgemäßen Schmelzsicherungen mit ihrer Deckschicht aus einem legierungsfähigen Material im Normpunkt stets eine größere Trägheit auf, als Schmelzsicherungen gleicher Gestalt ohne eine Deckschicht.

Selbstverständlich spricht die erfindungsgemäße Schmelzsicherung auch unterhalb und oberhalb des Normpunktes, also unterhalb und oberhalb eines Überstromes vom Zehnfachen des Nennstromes an, solange der Nennstrom nennenswert überschritten wird. In diesen durch die Normung nicht erfaßten Beanspruchungsfällen können bei der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung Charakteristiken erzeugt werden, die von der Höhe der überströme abhängig sind. Wenn z.B. nur die Hälfte der Schmelzstelle in ihrer vollen Breite von der Deckschicht abgedeckt ist, ergibt sich für kleine überströme eine relativ große Trägheit, während bei sehr großen überströmen eine flinke Charakteristik vorherrscht.

Mit Hilfe des Legierungsmaterials, seiner Dicke und mit Hilfe des Grades der Abdeckung läßt sich eine außerordentliche Vielfalt von Charakteristiken für die einzelnen

Sicherungsaufgaben auswählen, so daß die erfindungsgemäße Schmelzsicherung auch dort eingesetzt werden kann, wo träge, mittelträge oder träg/flinke Charakteristiken erforderlich sind.

Die Abdeckung der Schmelzstelle durch die Deckschicht braucht z.B. nicht immer in voller Breite zu erfolgen, es sind ebenfalls Abdeckmuster möglich, bei denen im Bereich der Schmelzstelle ein unbedeckter Pfad belassen wird. Das kann durch eine inselhafte, aus in sich geschlossenen Flächen bestehende Abdeckung mit Hilfe der Deckschicht oder durch eine halbe Abdeckung der Schmelzstelle, z.B. einer Längshälfte,erfolgen. Diese Art kann weiter variiert werden, indem im Falle des Ansprechens · der Sicherung durch das aufgrund der Erwärmung auseinanderlaufende legierungsfähige Material noch vor dem Durchschmelzen die gesamte Breite der Schmelzstelle üderdeckt oder ein nicht abgedeckter Pfad belassen bleibt. Unabhängig vom Abdeckmuster kann der Auftrag der legierungsfähigen Deckschicht mit Hilfe des Siebdruckverfahrens erfolgen, es können aber ebenso auch Folien aufgewalzt oder in anderer Form aufgebracht werden.

Als besonders legierungsfreudiges Material für die Deckschicht hat sich z.B. die Legierung SnPb erwiesen, ebenso ist aber auch reines Zinn oder weitere, in der Weichlottechnik verwendete Materialien gut geeignet. Mit abnehmendem Schmelzpunkt des Legierungsmaterials, das bei der Legierung mit dem Schmelzleiter zu einer entsprechend großen Absenkung seiner Schmelztemperatur im Augenblick der Legierung führt, nimmt auch die Trägheit der Sicherung zu, wobei als weiterer Parameter die Schicht-

dicke sowohl des Schmelzleiters als auch der Deckschicht eingeht. Je dicker beide Schichten sind, je höher also die aufzuschmelzende Masse ist, desto träger fällt die Charakteristik der entsprechenden Schmelzsicherung auf. Für die Variation der Schichtdicke sowohl des Schmelzleiters als auch der Deckschicht steht ein Bereich von 0,2 - 100 μπι zur Verfügung.

Nach der Herstellung der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung kann es nach Ablauf einer größeren Zeitspanne vorkommen, daß Bestandteile der Legierung auch ohne ein Ansprechen der Sicherung vorzeitig infolge einer Diffusion mit dem Schmelzleiter eine Verbindung eingehen. Es ist schon beobachtet worden, daß unter den genannten Umständen Zinn einer Zinn-Blei-Legierung in die obersten Schichten des Schmelzleiters aus Silber hineindiffundiert ist. Dieser Effekt kann während des Betriebes und auch bei der stromlosen Lagerung auftreten. Zur Vermeidung einer derartigen Erscheinung, die auch als Alterung bezeichnet werden kann, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß zwischen dem Schmelzleiter und der Deckschicht ein Film aus elektrisch nichtleitendem, schmelzbarem Material vorgesehen ist.

,Es hat sich gezeigt, daß der Film, der z.B. aus handelsüblichem Lötlack besteht, beim Ansprechen der Schmelzsicherung aufgrund der Temperatureinwirkung schmilzt und unmittelbar danach eine Berührung des dann schon vorgewärmten legierungsfähigen Materials mit dem Schmelzleiter stattfindet. Auf diese Weise wird bis zu diesem Zeitpunkt eine Berührung der beiden Schichten und damit eine Alterung verhindert; das Ansprechverhalten erleidet dadurch keine Beeinträchtigung. Bei Verwendung eines im

Schmelzpunkt definierten Films, z.B. eines Lackes auf Wachsbasis, bleibt die Alterungsbeständigkeit solange erhalten, bis ein Belastungszustand zu einer solchen Erwärmung führt, daß der Film schmilzt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung mit vollständig abgedeckter Schmelzstelie,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel mit halb abgedeckter Schmelzstelle,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel mit mittig in voller Breite abgedeckter Schmelzstelle und

Fig. 4 A+B Draufsichten auf weitere Ausführungsbeispiele mit einer Abdeckung der Schmelzstelle unter Belassung eines unbedeckten Pfades.

Die in den Fig. 1 bis 4 B dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung weisen jeweils als Träger ein Substrat 1 auf, auf das eine Schmelzleiterschicht 2 aufgetragen ist. Das Substrat kann z.B. aus einer Al₂O₃-Keramik und die Schmelzleiterschicht 2 aus Silber bestehen. Der Auftrag dieser Schicht auf das Substrat 1 kann durch Kleben einer Folie bewirkt werden, wirtschaftlicher ist jedoch ein Auftrag mit Hilfe

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des Siebdruckverfahrens mit nachfolgendem Einbrennen der Schmelzleiterschicht 2 in das Substrat 1. Die Breite des Schmelzleiters 2 ist etwa in der Mitte zur Bildung einer Schmelzstelle 3 eingeengt, wodurch an dieser Stelle der Widerstand der Schmelzleiterbahn erhöht wird. Im Bereich dieser Schmelzstelle 3 erfolgt die gänzliche oder teilweise Abdeckung des Schmelzleiters mit Hilfe einer legierungsfähigen Deckschicht 4.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überdeckt die Deckschicht 4 die gesamte Schmelzstelle 3. Dieser Sicherungstyp weist eine für alle überströme im wesentlichen gleiche Charakteristik auf, wobei der Grad der Trägheit bzw. Flinkheit in erster Linie von der Wahl der Legierung der Deckschicht abhängt. Je legierungsfreudiger und je niedriger der Schmelzpunkt der Legierung ist, desto träger ist die Schmelzsicherung.

Wird z.B. eine 25 μΐη starke Silberschicht der gezeigten geometrischen Form gemäß der Fig. 1 auf ein Substrat aus Al₂O₃-Keramik gedruckt und wird keinerlei Deckschicht 4 verwandt, so ergibt sich im Normpunkt eine Schmelzzeit von nur 0,2 ms bei einem überstrom von 31,5 A. Wird dieselbe Silberschicht mit einer Deckschicht von 0,1 mm Stärke aus SnPb 40/60 mit einem Schmelzpunkt von 103° C abgedeckt, so wird durch den relativ niedrigen Schmelzpunkt der Deckschicht die Legierungsbildung zu einem sehr frühen Zeitpunkt eingeleitet, so daß die Gesamtlegierung aus der Deckschicht und der Silberschicht einen niedrigeren Schmelzpunkt als die reine Silberschicht aufweist. Diese sehr schnell entstehende Gesamtlegierung weist einen geringeren Nennstrom auf - man spricht hier von einer Nennstromabsenkung - so daß gemäß der Definition

des Normpunktes auch der theoretische Prüfstrom vom Zehnfachen des Nennstromes geringer ausfällt. Dadurch steht weniger Energie für das Aufschmelzen der Schmelzstrecke zur Verfügung, so daß die Schmelzzeit verlängert wird. Im vorliegenden Fall beträgt sie 300 ms bei einem überstrom von 25 A, wobei gegenüber dem vorangehend geschilderten Beispiel einer reinen Silberschicht-Schmelzsicherung die Verlängerung der Schmelzzeit auch von der infolge der Deckschicht erhöhten, aufzuschmelzenden Masse herrührt. Eine Verringerung der Lotmenge führt demnach zu einer Schmelzzeit von weniger als 300 ms bei im übrigen unveränderten Bedingungen.

Eine weitere Reduzierung der Schmelzzeit ergibt sich, wenn statt des Weichlotes SnPb 40/60 z.B. reines Zinn verwandt wird, dessen Schmelzpunkt bei 326° C liegt. Dadurch wird nicht nur die Schmelztemperatur der entstehenden Gesamtlegierung heraufgesetzt, die Legierungsfreudigkeit von Zinn ist auch geringer, so daß die Legierung schleppender in Gang kommt und bis zum Durchschmelzen noch nicht so weit fortgeschritten ist. Wird das Zinn in der gleichen Schichtdicke von 0,1 mm wie beim vorangehenden Beispiel das Weichlot SnPb 40/60 aufgetragen, so beträgt die Schmelzzeit nur 10 ms bei einem theoretischen Prüfstrom von 28 A.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 ist nur die Hälfte der Schmelzstelle 3 durch die Deckschicht 4 abgedeckt. Innerhalb dieses abgedeckten Bereiches wird die volle Breite der Schmelzstelle 3 überspannt. Dieser Sicherungstyp weist eine von der Höhe des Überstroms abhängige Charakteristik auf. Bei kleinen Überströmen ist eine größere Trägheit als bei sehr hohen Überströmen vor-

handen. Das liegt daran, daß bei sehr hohen Strömen der freiliegende Teil der Schmelzstelle 3 schon reagiert, bevor eine nennenswerte Legierung und damit eine spürbare Nennstromabsenkung eintritt.

Bei einer Abdeckung mit Hilfe der legierungsfähigen Deckschicht 4 gemäß der Fig. 3 wird eine Charakteristik erzeugt, die der einer flinken stark angenähert ist, also zwischen flink und flink/träge angesiedelt ist. Die bei diesem Ausführungsbeispiel erzielbare Nennstromabsenkung kann aufgrund der geringen abgedeckten Fläche nur sehr klein sein, was sich in der Charakteristik entsprechend niederschlägt.

Bei sämtlichen vorgenannten Ausführungsbeispielen überdeckt die Deckschicht 4 jeweils die gesamte Breite der Schmelzstelle 3, selbst wenn,in Längsrichtung gesehen, nur ein Teil abgedeckt ist. Abweichend hiervon zeigen die Fig. 4 A+B eine inselhafte, aus in sich geschlossenen Flächenbereichen 5 und 5¹ bestehende Abdeckung, die dazu führt, daß neben diesen Flächenbereichen für den Strom ein unbedeckter Pfad verbleibt.

Zur endgültigen Bestimmung der Charakteristik kommt es auf die Größe der Flächenbereiche 5 und 5¹ an, indirekt allerdings auch auf die Schichtdicke. Beim Ansprechen der Schmelzsicherung führt nämlich die Erwärmung des legierungsfähigen Materials zu einem Auseinanderfließen der ursprünglich enger begrenzten Flächenbereiche 5 und 5', so daß je nach vorher gewähltem Abstand die dann auseinandergeflossenen Bereiche sich berühren oder nicht.

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Bei dem in der Fig. 4 A dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schichtdicke, die Größe der Flächenbereiche 5 sowie deren Abstände so gewählt, daß auch im Falle des Ansprechens kein Ineinanderlaufen der Flächenbereiche stattfindet. Auch die Breite der Schmelzstelle 3 wird zu keinem Zeitpunkt vollständig überdeckt. Entsprechend liegt bei dieser Sicherung eine Charakteristik vor, die in der Nähe der superflinken angesiedelt ist.

Etwas träger wird die Charakteristik der Schmelzsicherung gemäß dem Ausführungsbeispiel 4 B sein, da hier die Flächenbereiche 5¹ des legierungsfähigen Materials insgesamt größer sind und außerdem das Ineinanderlaufen beim Ansprechen der Sicherung beabsichtigt ist. Dadurch werden die ursprünglich zwischen den Flächenbereichen 5¹ vorhandenen unbedeckten Strompfade geschlossen, so daß auch in diesen Bereichen eine, wenn auch später einsetzende Legierung stattfindet.

Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen kann zwischen dem Schmelzleiter 2 und der Deckschicht 4 ein elektrisch nichtleitender Film 6 (Fig. 1 unter der hochgeschlagenen Deckschicht 4) zur Separierung beider Schichten voneinander vorgesehen sein, der zur Verhinderung der Alterung erforderlich sein kann. Insbesondere bei legierungsfreudigen Deckschichten kann diese Maßnahme erforderlich sein.

Die Deckschicht kann in einer Dicke von 0,2 - 100 um aufgetragen sein. Wegen der in die Schmelzstelle eingebrachten Masse der Deckschicht ist ihre Dicke ein Mittel zur Auslegung der Sicherungscharakteristik. Bei einem Substrat aus z.B. Al₂O₃-Keramik und einem Schmelzleiter aus Silber

in einer Dicke von 25 μΐη ergibt sich z.B. eine flinke Charakteristik, wenn als Deckschicht reines Zinn in einer Dicke von 30 μπι aufgetragen ist, hingegen eine träge Charakteristik, wenn die Deckschicht aus Lötzinn SnPb 40/60 in einer Dicke von 100 μΐη aufgetragen ist; es sei angenommen, daß zwischen der Silber- und der jeweiligen Deckschicht als Separierungsfilm ein Lötlack vorhanden ist.

Anhand der Ausführungsbeispiele ist erkennbar, daß die Schmelzsicherung gemäß der Erfindung und ihren Weiterbildungen in vieler Hinsicht gestaltet werden kann und beinahe jede Charakteristik durch die Kombination mehrerer Parameter nach den jeweiligen Bedarfsfällen "komponiert werden kann.

- 4H Leerseite

Claims

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Postfach 2448
Witten/Ruhr

Patentansprüche

Schmelzsicherung, bestehend aus einem Substrat und einem aufgedruckten Schmelzleiter mit einer Verengung der Leiterbreite zur Bildung der Schmelzstelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzstelle (3) ganz oder teilweise mit einer Schicht (4) aus legierungsfähigem Material bedeckt ist.

Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Deckschicht (4) aus einer SnPb-Legierung besteht.

Schmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze ichnet, daß zwischen dem Schmelzleiter (2) und der Deckschicht (4) ein Film aus elektrisch nichtleitendem, schmelzbarem Material vorgesehen ist.

Schmelzsicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ze ichnet, daß die Schichtdicke des Schmelzleiters (2) und der Deckschicht (4) jeweils ca/^O - 40 μΐη beträgt.

ORIGiNAL INSPECTED

5. Schmelzsicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzstelle (3) zur Hälfte in voller Breite von der Deckschicht (4) abgedeckt ist.

6. Schmelzsicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß etwa das mittlere Drittel der Schmelzstelle (3) in voller Breite von der Deckschicht (4) abgedeckt ist.

7. Schmelzsicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzstelle (3) inselhaft von in sich geschlossenen Flächenbereichen (5, 5¹) der Deckschicht unter Belassung eines unbedeckten Pfades abgedeckt ist.

8. Schmelzsicherung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Flächenbereiche (5, 5¹) der Deckschicht kreisförmig ausgebildet sind.

9. Schmelzsicherung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Flächenbereichen (5) so klein gewählt ist, daß im Falle eines Durchschmelzens der Schmelzstelle (3) die Flächenbereiche infolge der Aufwärmung ineinanderfließen.

10. Schmelzsicherung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e kennz e ichnet, daß der Abstand zwischen den Flächenbereichen (5¹) so groß gewählt ist, daß im Falle eines Durchschmelzens der Schmelzstelle (3) die Flächenbereiche trotz Aufwärmung und eines gewissen AuseinanderfHeßens voneinander getrennt bleiben.