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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil mit abgesichertem
Stromzuführungsanschluss, wie
es beispielsweise auf mit elektronischen Bauteilen bestückten Platinen
verwendet werden kann.
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Eine
in der Elektronik speziell unter Sicherheitsaspekten immer wichtiger
werdende Aufgabenstellung ist, wie sich einzelne Bauelemente oder
Schaltungsteile im Fehlerfall gezielt, dauerhaft und möglichst
kostengünstig
stilllegen lassen, um so größere Folgeschäden zu verhindern.
So werden z. B. Leistungshalbleiter heutzutage in großem Umfang
zum Schalten elektrischer Lasten wie Lampen, Ventile, Motoren, Heizungselemente
usw. eingesetzt, darüber
hinaus werden sie in zunehmendem Maße aber auch im Bereich des
Leistungsmanagements zum Abschalten einzelner Schaltungsteile, um
z. B. den Energieverbrauch batteriebetriebener Geräte zu reduzieren,
eingesetzt.
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Die
beiden typischen Anordnungen eines Schalters und eines Stromverbrauchers
sind dabei in 20 dargestellt. In 20 ist
ein Versorgungsspannungsanschluss 2 gezeigt, eine Schmelzsicherung 4,
eine Strom verbrauchende Last 6 und ein Leistungsschalter 8.
Die Schmelzsicherung 4, die Last 6 und der Leistungsschalter 8 sind
entlang einer Stromflussrichtung 10 in Reihe zwischen den
Versorgungsspannungsanschluss 2 und Masse geschalten. Abhängig davon,
ob der Leistungsschalter 8 entlang der Stromflussrichtung 10 näher am Versorgungsspannungsanschluss 2 liegt
als die Last 6, spricht man von einem Highside- oder Lowside-Schalter,
wobei man dann von einem Highside-Schalter spricht, wenn der Leistungsschalter 8 entlang
der Stromflussrichtung 10 näher am Versorgungsspannungsanschluss 2 angeordnet
ist als die Last 6. Damit im Leis tungsschalter 8 nur
eine geringe Verlustleistung erzeugt wird, ist wichtig, dass der
Leistungsschalter 8 im EIN-Zustand einen sehr viel geringeren elektrischen
Widerstand als die Last 6 aufweist. Für Niederspannungsanwendungen
haben sich als elektronische Schalter Leistungs-MOSFETs weitgehend
durchgesetzt. Die in den letzten Jahren sehr rasante Entwicklung
in Richtung immer niedrigerer spezifischer Durchlasswiderstände (RDS(on) × A) hat
es dabei ermöglicht,
dass heute Ströme
von vielen Ampere mit direkt auf einer Leiterplatte montierten Halbleiterschaltern
und ohne spezielle Kühlmaßnahmen
beherrschbar sind.
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Ein
weiteres wichtiges Problemfeld umfasst direkt an der Versorgungsspannung
liegende sicherheitskritische Bauelemente. Dazu zählen alle
Bauelemente, die am Lebensdauerende, bei Überlastung oder vorzeitigem
Ausfall mit hoher Wahrscheinlichkeit niederohmig werden. Dies betrifft
insbesondere Varistoren, Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCC)
und Tantal-Elektrolytkondensatoren,
wie sie in 21 dargestellt sind. 21 zeigt
eine Auswahl solcher sicherheitskritischer Bauelemente, die durch
eine gemeinsame Schmelzsicherung abgesichert sind. Gezeigt ist ein
Versorgungsspannungsanschluss 20, eine Schmelzsicherung 22,
eine Steckverbindung bzw. ein Kabelanschluss 24, ein Varistor 26,
ein Keramik-Vielschichtkondensator 28 und ein Tantal-Elektrolytkondensator 30.
Die Schmelzsicherung 22 und die Steckverbindung 24 sind
in Reihe zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 20 und
einen Schaltungsknoten 32 geschalten. Der Varistor 26,
der Keramik-Vielschichtkondensator 28 und
der Tantal-Elektrolytkondensator 30 sind parallel zueinander
zwischen den Schaltungsknoten 32 und Masse geschalten.
Im funktionstüchtigen
Zustand besitzen der Keramik-Vielschichtkondensator 28,
der Tantal-Elektrolytkondensator 30 und
der Varistor 26 im gesamten zulässigen Betriebsspannungs- und
Betriebstemperaturbereich einen vernachlässigbaren Leckstrom und damit eine
vernachlässigbare
statische Verlustleistung. Steigt jedoch der Leckstrom im Fehlerfall
an, oder tritt speziell bei Keramik- Vielschichtkondensatoren ein Plattenkurzschluss – z. B.
aufgrund eines durch mechanischen Stress verursachten Bruchs – auf, so
steigt die statische Verlustleistung sehr stark an und kann zu einer
extremen Überhitzung
eines Bauelements führen,
da nun ein hoher Stromfluss durch das Bauelement möglich wird ohne
dass die Sicherung 22 auslöst. Sicherheitskritisch sind
dabei auch im Stromkreis liegende Steckverbindungen oder Kabelanschlüsse 24,
wenn diese im Normalfall sehr niederohmigen Elemente – z. B.
durch Verschmutzung oder Alterung – hochohmiger werden oder einen
Leckstrom aufweisen, sodass die Verlustleistung und damit die Temperatur
an diesen Bauteilen weit über
das zulässige
Maß hinaus
ansteigen kann.
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Das
Problem einer starken lokalen Erhöhung der Betriebstemperatur
ergibt sich auch für
einen Leistungsschalter, wie er in 20 gezeigt
ist. Ein Problem entsteht dabei dann, wenn durch Fehler im Halbleiterschalter
oder in dessen Ansteuerung kein vollständiges Ein- oder Ausschalten
mehr erfolgt oder möglich
ist. Der Schalter erreicht dann weder seinen niedrigen nominellen
Durchlasswiderstand noch seinen hochohmigen AUS-Zustand. Damit steigt
die Verlustleistung im Schalter sehr stark an. Im schlimmsten Fall
der Leistungsanpassung, d. h. wenn der Durchlasswiderstand des Schalters
den Bereich des Werts des Lastwiderstandes erreicht, kann die Verlustleistung
im Schalter auf bis zu einem Viertel der Lastnennleistung ansteigen – bei nicht-linearen
Lasten, wie z. B. Glühlampen,
sogar auf noch höhere
Werte. Dies soll im Folgenden anhand eines Beispiels verdeutlicht
werden. In einem Leistungs-MOSFET mit einem Durchlasswiderstand
von 10 mΩ, der
als Schalter für
eine Last von 120 W an 12 V eingesetzt wird, entsteht im Nennbetrieb
eine Verlustleistung von 1 W. Auf diese Verlustleistung wird man
die Kühlung
des MOSFETs in einer konkreten Schaltung auslegen. Steigt jedoch
durch einen Fehler (z. B. in der Ansteuerung) der Durchlasswiderstand
an, so kann die Verlustleistung im Schalter Werte von bis zu 30
W erreichen, wenn im Fehlerfall der Durchlasswiderstand des Leistungs-MOSFETs
dieselbe Größe hat,
wie der Ohmsche Wider stand der Last. Bei einer auf 1 W ausgelegten Kühlung führt dies
sehr schnell zu gefährlich
hohen Temperaturen bis hin zu einer Brandgefährdung z. B. der Leiterplatte.
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Zur
Absicherung gegen Schäden
durch zu hohe Ströme
werden überwiegend
stromauslösende Schmelzsicherungen
eingesetzt, wobei diese in den unterschiedlichsten Bauformen und
Auslösecharakteristiken
erhältlich
sind. Die üblichen
stromauslösenden
Schmelzsicherungen können
einen Fehlerfall eines Leistungsschalters 8, wie er oben
beschrieben ist, nicht abfangen, da in der Schaltung in 20 ja
keinerlei Überstrom
auftritt. Die Last 6 begrenzt den Strom immer auf einen
Wert, der den Nennbetriebsstrom nicht übersteigt, sodass die an der
Schmelzsicherung 4 anfallende Verlustleistung zu gering
ist, um das Material der Schmelzsicherung zum Schmelzen zu bringen
und den Stromkreis zu unterbrechen. Auch bei größeren, zentral abgesicherten
Baugruppen, wie sie beispielsweise in 21 dargestellt
sind, besteht das Problem, dass der in einem Fehlerfall auftretende
Strom an zum Beispiel dem Keramik-Vielschichtkondensator 28 einerseits ausreicht,
um an dem Keramik-Vielschichtkondensator 28 lokal eine
extreme Übertemperatur
zu erzeugen, der Strom andererseits aber nicht einen Wert erreicht,
der hoch genug ist, um eine zentral angeordnete Schmelzsicherung 22 zum
Auslösen
zu bringen. Als Überstromschutz
finden neben den Schmelzsicherungen auch Kaltleiter (PTC) auf Keramik-
oder Polymerbasis (z. B. Poly-SwitchTM) breite Anwendung. Tritt jedoch, wie bei dem
zuvor beschriebenen Fehlerfall, kein Überstrom auf, so sind auch
diese Sicherungen als Schutzelemente ungeeignet. Aufgrund der Baugröße, der
hohen Kosten und insbesondere der Auslösecharakteristiken sind Kaltleiter
zur Absicherung vieler sicherheitskritischer Bauelemente nicht geeignet.
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Bei
Kondensatoren kann der Betriebswechselstrom (Rippelstrom) deutlich über dem
zu fordernden Auslöse-Gleichstrom
liegen, eine Absicherung ist dann mit einem PTC-Element und einer
klassischen Schmelzsicherung prinzipiell nicht möglich. Räum lich sehr nahe am abzusichernden
Bauteil platzierte PTC-Elemente
würden
die Aufgabe, bei starker lokaler Temperaturerhöhung einen Stromfluss zu unterbrechen,
zwar prinzipiell erfüllen,
für die
meisten Anwendungen sind diese Elemente allerdings nicht niederohmig genug
bzw. zu teuer.
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Zur
Absicherung gegen Überhitzung
kann ebenfalls ein Temperaturschalter (z. B. ein Bimetall-Schalter)
verwendet werden, jedoch sind diese zu voluminös für den Einsatz auf modernen
SMD-bestückten
Baugruppen und für
eine Absicherung jedes einzelnen sicherheitskritischen Bauteils
zu teuer. Gedrahtete Temperatursicherungen werden z. B. in Kaffeemaschinen
oder Bügeleisen
eingesetzt. Bei den bedrahteten Temperatursicherungen werden zwei
unter mechanischer Vorspannung montierte Stromkontakte durch Schmelzen eines
Sicherungsmaterials von ihrer vorgespannten Position freigegeben,
wobei durch das Entspannen der Kontakte die Kontakte räumlich voneinander
getrennt werden. Aufgrund dieses Konstruktionsprinzipes sind die bedrahteten
Temperatursicherungen zu voluminös
für den
Einsatz auf modernen Baugruppen.
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Zur
Absicherung von Schaltungen gegen Übertemperatur werden darüber hinaus
auch Temperatursensoren eingesetzt, wobei durch diese Art der Überwachung
für oben
beschriebene Fehlerszenarien eines sicherheitskritischen Bauelements
keine Schutzfunktion erreichbar ist. Das bloße Erkennen einer Übertemperatur
an einem nicht mehr steuerbaren Halbleiterschalter nützt nichts,
da der Stromfluss durch Eingriff in die Steuerspannung des defekten
Schalters nicht mehr unterbrochen werden kann.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Überwachung
von Schaltungen besteht im Einsatz eines Crowbar-Schalters, wobei
man unter einem Crowbar-Schalter einen leistungsfähigen Kurzschlussschalter
versteht, der in der Lage ist, eine vorhandene Zentralsicherung
auszulösen,
indem er einen Strompfad gegen Masse kurzschließt und somit einen Stromfluss
in der Schaltung her vorruft, der hoch genug ist, eine Schmelzsicherung
zum Schmelzen zu bringen. Aufgrund der hohen Kosten und des erforderlichen
hohen Platzbedarfs sind Crowbar-Lösungen nicht für dezentrale
Schutzmaßnahmen
geeignet, wo eine Vielzahl von sicherheitskritischen Bauelementen
einzeln abgesichert werden soll. Ein zentral angebrachter Crowbar-Schalter
schränkt
jedoch die möglichen
Einsatzfelder sehr stark ein, da es in vielen Anwendungen nicht
tolerierbar ist, im Fehlerfall das Gesamtsystem – anstelle z. B. nur eines
einzigen Laststrompfades stillzulegen.
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Absicherungsmaßnahmen
thermischer Art sind im Stand der Technik in verschiedenster Art
und Weise bekannt.
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So
zeigt beispielsweise die
deutsche
Patentanmeldung 10334433 A1 einen Leadframe, der mittels
eines Bonddrahts mit einem Bondpad verbunden ist, wobei der Bonddraht
aus Gold an einer Unterbrechungsstelle mit Silizium ein Eutektikum
bilden kann, so dass bei Überschreiten
einer eutektischen Schmelztemperatur ein schmelzflüssiges Eutektikum
auftritt und der Stromfluss an dieser Unterbrechungsstelle unterbrochen wird.
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In
der
JP 04237139 A ist
eine ähnliche
Anordnung gezeigt, bei der jedoch der Bonddraht selbst über ein
schmelzfähiges
Material mit einem Chip in einem Chipgehäuse verbunden ist.
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Die
U.S.-Patentanmeldung 6,094,128 zeigt, wie ein Varistor gegenüber Spannung
geschützt
werden kann, wenn ein Bereich zwischen einer keramischen Scheibe
des Varistors und ein Anschlussbein aus einem schmelzfähigen Material
besteht.
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Die
deutsche Patentanmeldung
19714544 A1 beschreibt, wie ein Trockenelektrolytkondensator
thermisch abgesichert werden kann, wenn dieser auf eine Leiterplatine
so angebracht wird, dass ein elektrischer Anschluss aus einem schmelzfähigen Material
besteht, welches zusammen mit dem Kondensator in eine Gehäusevergussmasse
vergossen ist.
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Die
deutsche Gebrauchsmusterschrift
7809564 U1 zeigt einen Hochlast-Drahtwiderstand, der ein
Gehäuse
aufweist und bei dem ein schmelzfähiges Material teilweise innerhalb
und teilweise außerhalb
des Gehäuses
verläuft,
wobei innerhalb des Gehäuses
zusätzlich
ein elektrischer Widerstand angeordnet ist, dessen Verlustwärme bei Überschreiten
einer Maximalstromstärke
das schmelzfähige
Material zum Schmelzen bringt.
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Die
internationale Patentanmeldung
03/017292 A2 zeigt, wie eine stromunterbrechende Sicherungsfunktion
für ein
elektrokeramisches Bauelement erzielt werden kann, wenn innerhalb
des elektrokeramischen Bauelements (Varistor) ein Teil einer Stromleitung
aus schmelzfähigem
Material besteht.
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Darüber hinaus
sind dem Fachmann beispielsweise aus WASSINK, Klein: Weichlöten in der
Elektronik, zweite Auflage, SAULG./WÜRTT.: Eugen G. Leuze Verlag,
1991, S. 211–212,
ISBN 3-87480-066-0 eine Vielzahl von geeigneten Schmelzmaterialien
bekannt, wie sie üblicherweise
bei dem Löten
verwendet werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische
Schaltung zu schaffen, mit der ein Stromverbraucher gegen ein durch
eine Fehlfunktion hervorgerufenes Überhitzen kostengünstig und
effizient abgesichert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Der
Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein elektrisches
Bauteil, das über einen
Stromzuführschluss
verfügt,
effizient dadurch abgesichert werden kann, dass ein Teil des Stromzuführanschlusses
aus einem bei vorbestimmter Temperatur schmelzenden Material gebildet
wird, wenn dieser Teil des Stromzuführungsanschlusses ein Anschlussbein
eines Leadframes ist, der eine Chipinsel zum Anbringen des Stromverbrauchers
aufweist.
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Durch
die Tatsache, dass die Absicherung integraler Bestandteil des Bauteils
ist, kann die Sicherungsfunktion bereits vor dem Einsatz in einer
gedruckten Schaltung so dimensioniert werden, dass sie das zu schützende Bauteil
optimal ab sichert, so dass bei der Erstellung der Schaltung kein
Aufwand mehr entsteht, um die Schaltung so auszulegen, dass der
Stromverbraucher gegen Fehlfunktion abgesichert wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Stromverbraucher und eine Sicherung
in einem Gehäuse
kombiniert, sodass ein einzelnes diskretes Bauteil entsteht. Da bei
ist das zu sichernde Bauteil innerhalb des Gehäuses angeordnet, wobei das
Gehäuse
zum Verbinden mit einer Leiterplatte ein oder mehrere Anschlussbeinchen
aufweist. Das oder die stromführenden
Anschlussbeinchen sind dabei aus dem schmelzenden Material der Sicherung
hergestellt, bei Einsatz des erfindungsgemäßen Bauteils ist die Absicherung
also automatisch gewährleistet.
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In
einem bekannten Vergleichsbeispiel zu der vorliegenden Erfindung
ist in bei einem Kondensator ein Anschlussbein aus dem schmelzenden
Material hergestellt und das zweite Anschlussbein aus einem Material mit
höherem
Schmelzpunkt, sodass bei Auslösen
der Sicherung, also Abschmelzen des Materials, der Kondensator nicht
unkontrolliert auf eine Leiterplatte fällt, sondern von dem zweiten
Anschlussbein in seiner ursprünglichen
Position gehalten wird. Diese vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung stellt
sicher, dass nach dem Auslösen
der Sicherung keine Sekundärschäden auf
einer Leiterplatte auftreten.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein in einem leiterplattenmontierbaren
Gehäuse
befindlicher Chip geschützt.
Der Chip, der sich in einem aus isolierenden Material bestehenden
Gehäuse
befindet, wird durch die Kontakte eines Leadframes mit den auf der
Leiterplatte befindlichen Kontaktpunkten verbunden. Wird bei der
Produktion des Leadframes das Anschlussbein des Leadframes, das den
Stromversorgungsanschluss des Chips bildet, aus dem schmelzenden
Material der Sicherung gefertigt, lässt sich auf einfache Art und
Weise der Chip gegen Fehlfunktion und Überhitzung absichern. Dabei
ist eine bevorzugte Variante, dass eine genügend große Anzahl von Anschlussbeinchen
nicht aus dem schmelzenden Material bestehen, sodass das Gehäuse nach
Auslösen
der Sicherung sicher in seiner ursprünglichen Position verbleibt.
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In
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
bestehen ein oder mehrere Anschlussbeinchen eines Leadframes aus
dem schmelzenden Material, wodurch mehrere Chiptypen durch Verwendung
des erfindungsgemäßen Leadframes
abgesichert werden können.
Dies ermöglicht
eine flexible Absicherung verschiedenster elektronischer Komponenten,
wenn diese unter Verwendung des erfindungsgemäßen Leadframes kontaktiert
werden.
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Ein
in der elektrischen Schaltung befindliches erfindungsgemäßes Sicherungselement
kann in großen Stückzahlen
kostengünstig
hergestellt werden, wobei die Sicherung nur einen geringen Platz
auf der elektrischen Schaltung beansprucht, sodass elektrische Schaltungen
ermöglicht
werden, in denen eine Vielzahl von sicherheitskritischen Bauteilen
einzeln abgesichert werden können.
Dadurch ist es im Gegensatz zu einer zentralen Absicherung durch
eine Schmelzsicherung möglich,
Schaltungen zu konstruieren, deren Funktionalität bei Ausfall eines einzelnen
sicherheitskritischen Bauteils teilweise erhalten bleibt, und die
somit eventuell einen Notbetrieb ermöglichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
ist die Sicherung der elektrischen Schaltung so beschaffen, dass
sich innerhalb des schmelzenden Materials der Sicherung oder als
Beschichtung desselben ein Flussmittel befindet, das das Abfließen des
geschmolzenen Materials aus dem Bereich der Sicherung und somit
das Auslösen
der Sicherung beschleunigt, sodass sich die Auslösegeschwindigkeit der Sicherung
an den Schutzbedarf eines zu schützenden
Bauteils anpassen lässt.
Zu demselben Zweck wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung von dem Material der Sicherung und einem Trägersubstrat
ein Hohlraum gebildet, der mit einem Bläh- oder Explosivstoff gefüllt ist,
wodurch das Entfernen des geschmolzenen Materials beschleunigt wird,
sodass auch sehr schnell auslösende Absicherungsschaltungen
realisiert werden können.
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Bekannte
bzw. nicht beanspruchte Anordnungen sowie bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 Schaltung
zur gleichzeitigen Absicherung mehrerer Verbraucher in Highside-Konfiguration.
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2 Schaltung
zur individuellen Absicherung mehrerer Verbraucher in Highside-Konfiguration.
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3 Schaltung
zur gemeinsamen Absicherung mehrerer Verbraucher in Lowside-Konfiguration.
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4 Schaltung
zur individuellen Absicherung mehrerer Verbraucher in Lowside-Konfiguration.
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5 Schaltung
zur individuellen Absicherung mehrerer sicherheitskritischer Bauteile,
die direkt an die Versorgungsspannung angeschlossen sind.
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6 Sicherung
zum Einsatz in einer Absicherungsschaltung als Beispiel anderer
Technologien;
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7 Sicherung
als SMD-Bauteil zum Einsatz in einer Absicherungsschaltung als Beispiel
anderer Technologien;
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8 Vorrichtung
zum Produzieren der diskreten Sicherung aus 7 als Beispiel
anderer Technologien;
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9 Sicherung
mit einer das schmelzende Material überdeckenden Schutzschicht
als Beispiel anderer Technologien;
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10 Sicherung
mit in das schmelzende Material eingearbeitetem Flussmittel als
Beispiel anderer Technologien;
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11 Sicherung
als SMD-Bauteil mit keramischem Träger als Beispiel anderer Technologien;
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12 Absicherungsschaltung
mit direkt auf einem Schaltungsträger aufgebrachter Sicherung
als Beispiel anderer Technologien;
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13 Gehäuster Stromverbraucher
mit integrierter Sicherung als Ausführungsbeispiel der beanspruchten
Erfindung
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14 Gehäustes Bauteil
mit integrierter Sicherung als Beispiel anderer Technologien;
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15 Absicherungsschaltung
zur Absicherung eines mehrkanaligen Leistungsschalters als Beispiel anderer
Technologien;
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16 Leiterbahnanordnung
zur Montage einer Sicherung in einer Absicherungsschaltung als Beispiel
anderer Technologien;
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17 Auf
einem Schaltungsträger
realisierte Absicherungsschaltung mit Vorrichtung zum Unterstützen des
Auslösens
der Sicherung als Beispiel anderer Technologien;
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18 Sicherungs-
und Stromverbraucherabschaltungsträger, mit geeigneter mechanischer
Unterstützungsvorrichtung
zum Beschleunigen des Auslösens
der Sicherung als Beispiel anderer Technologien;
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19 Sicherung
und Stromverbraucher auf einem gemeinsamen Schaltungsträger mit
zusätzlichem, das
Auslösen
der Sicherung beschleunigendem Unterstützungsmaterial als Beispiel
anderer Technologien;
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20 Schaltung
eines Leistungsschalters in Highside- und Lowside-Konfiguration
als Beispiel anderer Technologien;
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21 Schaltung
sicherheitskritischer, direkt mit einer Versorgungsspannung verbunder,
Bauteile als Beispiel anderer Technologien;
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden Bezug nehmend auf die Absicherung
von Leistungsschaltern und sicherheitskritischen Bauteilen, wie
sie in 20 und 21 dargestellt
sind, erläutert
werden, wobei im Folgenden auf die wiederholte Erläuterung
der 20 und 21 verzichtet
wird, und an den relevanten Stellen auf die 20 und 21 verwiesen
wird.
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1 zeigt
eine herkömmliche
elektrische Schaltung mit einem Sicherungselement und einem Halbleiterschalter
in Highside-Konfiguration. Gezeigt ist ein Versorgungsspannungsanschluss 40,
eine Sicherung 42, ein Halbleiterschalter 44 und
eine Mehrzahl von elektrischen Lasten 46a–46n.
Der Halbleiterschalter 44 beinhaltet eine Mehrzahl von
einzelnen Leistungsschaltern 48a–48n und er besitzt
neben hier der Übersichtlichkeit
wegen nicht dargestellten Steuer-, Diagnose- und Masse-Anschlüssen einen versorgungsseitigen Spannungsanschluss 50 und
mehrere lastseitige Anschlüsse 52a–52n.
Die Sicherung 42 ist zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 40 und
den Spannungsanschluss 50 des Halbleiterschalters 44 geschalten.
Die Leistungsschalter 48a–48n innerhalb des
Halbleiterschalters 44 sind zwischen den versorgungsseitigen
Spannungsanschluss 50 und die lastseitigen Spannungsanschlüsse 52a–52n geschalten,
wobei zwischen den lastseitigen Spannungsanschlüssen 52a–52n und
Masse die elektrischen Lasten 46a–46n geschalten sind.
Die Sicherung 42 ist thermisch über eine wärmeleitende Verbindung 54 mit
dem Halbleiterschalter 44 gekoppelt. Heizt sich im Fehlerfall
der Halbleiterschalter 44 auf gefährlich hohe Temperaturen, so
schmilzt die Sicherung 42 und unterbricht den Stromfluss.
Bei der Anordnung der Sicherung 42 bzw. des Sicherungselementes
im gemeinsamen versorgungsspannungsseitigen Strompfad trennt die
Sicherung 42 alle Kanäle
des defekten Halbleiterschalters 44 gleichzeitig von der
Versorgungsspannung 40.
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Die 2, 3 und 4 zeigen
herkömmliche
Schaltungen zur Absicherung von elektrischen Lasten in Highside-
und Lowside-Konfiguration,
wobei im Folgenden für
die in den 1 bis 4 mit identischer Funktion
vorkommenden Bauteile dasselbe Bezugszeichen verwendet wird. 2 zeigt
den Versorgungsspannungsanschluss 40, den Halbleiterschalter 44,
die elektrischen Lasten 46a–46n, die Leistungsschalter 48a–48n innerhalb
des Halbleiterschalters 44, den versorgungsspannungsseitigen
Spannungsanschluss 50 des Halbleiterschalters 44,
die lastseitigen Spannungsanschlüsse 52a–52n des
Halbleiterschalters 44 und mehrere Sicherungen 42a–42n.
Der Versorgungsspannungsanschluss 40 ist direkt mit dem
versorgungsspannungsseitigen Spannungsanschluss 50 des
Halbleiterschalters 44 verbunden, im Halbleiterschalter 44 sind zwischen
den versorgungsspannungsseitigen Spannungsanschluss 50 und
den lastseitigen Spannungsanschlüssen 52a–52n die
Leistungsschalter 48a–48n geschalten.
Zwischen den lastseitigen Spannungsanschlüssen 52a–52n und
der Masse sind zunächst
die Sicherungen 42a–42n und
dann die elektrischen Lasten 46a–46n in Reihe zueinander
geschalten. Die Sicherungen 42a–42n sind über wärmeleitende
Verbindungen 54a–54n individuell
mit den Leistungsschaltern 48a–48n thermisch gekoppelt.
Bei der hier gezeigten Anordnung der Sicherung im lastseitigen Strompfad
und bei der individuellen thermischen Kopplung der Sicherungselemente 42a–42n an
die Leistungsschalter 48a–48n wird eine kanalselektive
Auslösung
der Sicherungen erreicht.
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3 zeigt
das Schaltbild einer gemeinsamen Absicherung mehrerer Verbraucher
in Lowside-Konfiguration. Dargestellt ist der Versorgungsspannungsanschluss 40,
die Sicherung 42, der Halbleiterschalter 44, die
elektrischen Lasten 46a–46n und die Leistungsschalter 48a–48n.
Die elektrischen Lasten 46a–46n sind zwischen
den gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 40 und mehrere
lastseitige Spannungsanschlüsse 50a–50n des
Halbleiterschalters 44 geschalten. Die Leistungsschalter 48a–48n sind
zwischen die lastseitigen Spannungsanschlüsse 50a–50n des
Halbleiterschalters 44 und einen gemeinsamen masseseitigen
Spannungsanschluss 52 des Halbleiterschalters 44 geschalten.
Zwischen den gemeinsamen masseseitigen Spannungsanschluss 52 des
Halbleiterschalters 44 und Masse ist die Sicherung 42 geschalten,
wobei diese über
die wärmeleitende
Verbindung 54 thermisch mit dem Halbleiterschalter 44 gekoppelt
ist. Durch die enge thermische Kopplung schmilzt die Sicherung 42 bei Überschreiten
einer Auslösetemperatur,
wenn in dem Halbleiterschalter 44 eine Fehlfunktion vorliegt,
und alle elektrischen Lasten 46a–46n werden gemeinsam
von Strom getrennt.
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4 zeigt
eine Schaltung zum individuellen Absichern mehrerer elektrischer
Lasten in Lowside-Konfiguration. Gezeigt ist der Versorgungsspannungsanschluss 40,
die Sicherungen 42a–42n,
der Halbleiterschalter 44, die elektrischen Lasten 46a–46n und
die Leistungsschalter 48a–48n. Zwischen den
gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 40 und mehrere
lastseitige Spannungsanschlüsse 50a–50n des
Halbleiterschalters 44 sind in Reihe zunächst die
elektrischen Lasten 46a–46n und dann die
Sicherungen 42a–42n geschalten.
Zwischen die lastseitigen Spannungsanschlüsse 50a–50n des
Halbleiterschalters 44 und dem gemeinsamen erdseitigen
Spannungsanschluss 52 des Halbleiterschalters 44 sind
die Leistungsschalter 48a–48n geschalten. Die
Sicherungen 42a–42n sind
individuell über
die wärmeleitenden
Verbindungen 54a–54n an
die Leistungsschalter 48a–48n thermisch gekoppelt.
Durch die individuelle thermische Kopplung erfolgt eine individuelle
Absicherung der Leistungsschalter 48a–48n, sodass bei einer
Fehlfunktion eines der Schalter 48a–48n und dem daraus
resultierenden Auslösen
der zugeordneten Sicherung die von der Fehlfunktion nicht betroffenen
Schalter nicht von dem Versorgungsspannungsanschluss 40 getrennt
werden, sodass die übrigen
Verbraucher weiterhin mit Strom versorgt werden können. Es
wird also bei einer Gefahr der Überhitzung
lediglich der fehlerhafte Laststrompfad selbstständig getrennt.
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5 zeigt
mehrere Beispiele von Schaltungen zum Schutz sicherheitskritischer
Bauelemente, welche direkt mit einem gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 60 verbunden
sind. Die Figur zeigt den gemeinsamen Versorgungsspannungsanschluss 60,
einen ersten Varistor 62a und einen zweiten Varistor 62b, einen
ersten Keramik-Vielschichtkondensator 64a und einen zweiten
Keramik-Vielschichtkondensator 64b, einen ersten Tantal-Elektrolytkondensator 66a und
einen zweiten Tantal-Elektrolytkondensator 66b und
sechs Sicherungen 68a–68f.
Die Sicherung 68a ist zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 60 und
den ersten Varistor 62a geschalten, wobei der Varistor 62a zwischen
Sicherung 68a und Masse geschalten ist und der Varistor 62a und
die Sicherung 68a über
eine wärmeleitende
Verbindung 70a thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen
die Versorgungsspannung 60 und den ersten Vielschicht-Keramikkondensator 64a ist
die Sicherung 68b geschalten, wobei der Keramik-Vielschichtkondensator 64a zwischen
Sicherung 68a und Masse geschalten ist und der Vielschicht-Keramikkondensator 64a und
die Sicherung 68b über
eine wärmeleitende Verbindung 70b thermisch
miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 60 und
den ersten Tantal-Elektrolytkondensator 66a ist
die Sicherung 68c geschalten, wobei der Tantal-Elektrolytkondensator 66a zwischen
Sicherung 68c und Masse geschalten ist und der Tantal-Elektrolytkondensator 66a und
die Sicherung 68c über
eine wärmeleitende
Verbindung 70c thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen
den Versorgungsspannungsanschluss 60 und die Sicherung 68d ist
der zweite Varistor 62b geschalten, wobei die Sicherung 68d zwischen
Varistor 62b und Masse geschalten ist und der Varistor 62b und
die Sicherung 68d über
eine wärmeleitende
Verbindung 70d thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen
die Sicherung 68e und den Versorgungsspannungsanschluss 60 ist
der Keramik-Vielschichtkondensator 64b geschalten, wobei die
Sicherung 68e zwischen Keramik-Vielschichtkondensator 64b und
Masse geschalten ist und der Keramik-Vielschichtkondensator 64b und
die Sicherung 68e über
eine wärmeleitende
Verbindung 70e thermisch miteinander gekoppelt sind. Zwischen
den Versorgungsspannungsanschluss 60 und die Sicherung 68f ist
der zweite Tantal-Elektrolytkondensator 66b geschalten,
wobei die Sicherung 68f zwischen Tantal-Elektrolytkondensator 66b und
Masse geschalten ist und der Tantal-Elektrolytkondensator 66b und
die Sicherung 68f über
eine wärmeleitende
Verbindung 70f thermisch miteinander gekoppelt sind. Durch
die gezeigte Schaltung und die jeweils individuelle thermische Kopplung
der Komponenten können
die Varistoren 62a und 62b, die Vielschicht-Keramikkondensatoren 64a und 64b und
die Tantal-Elektrolytkondensatoren 66a und 66b individuell
gegen Fehlfunktion abgesichert werden.
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6 zeigt
als alternative zur Erfindung ein Sicherungselement, wie es in der
Schaltung eingesetzt wird, wobei das Sicherungselement im Folgenden
allgemein mit 80 bezeichnet wird. Gezeigt ist das Sicherungselement 80,
das ein Schmelzmaterial 81 umfasst, ein Schaltungsträger 82,
eine Leiterbahn 84a und eine Leiterbahn 84b, und
eine erste und zweite Kontaktstelle 86a und 86b.
Die Leiterbahnen 84a und 84b sind auf einem gemeinsamen
Schaltungsträger 82,
z. B. einer Leiterplatte aus FR-4, angeordnet. Ein Spalt 88 zwischen der
Leiterbahn 84a und der Leiterbahn 84b wird von
dem Sicherungselement 80 leitend überbrückt. Dazu ist das Sicherungselement 80 an
der ersten Kontaktstelle 86a durch Löten, Leitkleben oder Schweißen mit
der Leiterbahn 84a verbunden und an der zweiten Kontaktstelle 86b durch
Löten,
Leitkleben oder Schweißen
mit der Leiterbahn 84b verbunden. Bei Überschreiten der Auslösetemperatur,
d. h. der Schmelztemperatur des Schmelzmaterials 81, schmilzt
das Schmelzmaterial 81 des Sicherungselementes 80 und
unterbricht dadurch die elektrisch leitende Verbindung zwischen
der Leiterbahn 84a und der Leiterbahn 84b, dass
das geschmolzene Schmelzmaterial 81 die Spalte 88 ganz
oder teilweise freigibt und sich das Schmelz material 81 aufgrund seiner
Oberflächenspannung
an den Kontaktstellen 86a und 86b ansammelt.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
des Sicherungselementes
80 ist dasselbe als ein Formteil
aus einer metallischen Legierung gebildet und als solches aus einer
metallischen Folie als Stanzteil ausgestanzt oder als Abschnitt
eines Metallfolienbandes abgeschnitten. Die metallische Legierung
weist dabei z. B. einen eutektischen Schmelzpunkt bei einer Temperatur
im Bereich von 260°C
bis 390°C
auf. Dabei sind mögliche
Legierungen z. B.:
| Legierung | Schmelzpunkt [°C] |
| 82,6
Cd, 17,4 Zn | 266 |
| 80
Au, 20 Sn | 280 |
| 97,5
Pb, 2,5 Ag | 303 |
| 97,5
Pb, 1,5 Ag, 1 Sn | 309 |
| 92
Pb, 5 Sn, 2 Ag | 296 |
| 88
Au, 12 Ge | 356 |
| 96,4
Au, 3,6 Si | 370 |
| 95
Zn, 5 Al | 382 |
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Sicherungselementes besitzt das Schmelzmaterial 81,
eine hohe Oberflächenspannung,
sodass sich das Schmelzmaterial 81 nach dem Aufschmelzen
zu einzelnen Inseln zusammenzieht und somit das Trennen der Sicherung 80 gewährleistet
ist. Bei einer Lötverbindung
des Sicherungselementes 80 an den Kontaktstellen 86a und 86b ist
die Temperatur des Lötprozesses
so zu wählen,
dass kein Aufschmelzen des Schmelzmaterials 81 während des
Montageprozesses erfolgt. Umgekehrt kann die Legierung des Schmelzmaterial 81 vorteilhaft
so ausgewählt
werden, dass das Sicherungselement 80 den Lötprozess
der Baugruppe schadlos übersteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Sicherungselementes 80 besitzt
das Sicherungselement 80 eine geringe „Spannweite” 88,
um eine hohe Lastwechselfestigkeit zu gewährleisten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des Sicherungselementes 80 in 7 umfasst das
Sicherungselement 80 einen Körper aus Schmelzmaterial 81 aus
einem bei der gewünschten
Auslösetemperatur
schmelzenden Legierung, der an den Kontaktbereichen mit einer als
Diffusionssperre dienenden lötbaren
metallischen Schicht 92a und 92b versehen ist.
Die metallischen Schichten bzw. die Sperrschichten 92a und 92b vermeiden
beim Auflöten
des Sicherungselementes 80 auf einen Schaltungsträger die
Bildung einer Mischlegierung bzw. die Ausbildung intermetallischer
Phasen zwischen der Legierung des Schmelzmaterials 81 und
der Legierung des verwendeten Lots. Die geometrische Ausdehnung
des Sicherungselementes 80 in 7 ist vorteilhafterweise
kompatibel zu Standard SMD-Bauformen
und damit zu Standard-SMD-Produktionsprozessen. Die Sperrschichten 92a und 92b können auf
den Körper
des Sicherungselementes 80 beispielsweise galvanisch aufgebracht
sein oder wie im Folgenden anhand von 8 erläutert werden
wird, als Anschlusskappen auf den Körper 81 aufgepresst
bzw. aufgewalzt sein.
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8 zeigt
eine vorteilhafte Möglichkeit,
ein Sicherungselement 80, wie es in 7 gezeigt
ist, industriell kostengünstig
herzustellen. Dargestellt sind das fertige Sicherungselement 80,
ein Metallfolienband aus dem Schmelzmaterial 81 des Sicherungselementes 80,
vier Vertikalwalzen 100a–100d, zwei Folienstreifen 102a und 102b bestehend
aus dem Material der Sperrschichten 92a und 92b und
zwei Horizontalwalzen 104a und 104b. Wie es in 8 zu
sehen ist, werden die Anschlusskappen bzw. Sperrschichten 92a und 92b,
die als Diffusionssperre wirken, hergestellt, indem auf das bandförmige Schmelzmaterial 81 durch
die Horizontalwalzen 104a und 104b sowie durch
die Vertikalwalzen 100a–100d die Folienstreifen 102a und 102b aufgewalzt
werden. Nach Durchlaufen der Walzanordnung wird das bandförmige Material
durch Schneiden oder Stanzen in diskrete Sicherungselemente 80 vereinzelt,
wobei diese vorteilhaft von ihren geometrischen Abmessungen her
kompatibel zu Standard SMT-Prozessen sind.
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9 zeigt
ein Sicherungselement, wie es in der in 3 gezeigten
Form in einer der Schaltungen eingesetzt wird, das als diskretes
Bauelement ausgeführt
ist. Gezeigt sind Anschlusskappen 110a und 110b, die
aus lötbarem
und/oder diffusionshemmendem Material bestehen. In der in 3 gezeigten
Form ist der Körper
aus Schmelzmaterial mit einem Flussmittel 112 überzogen,
das das Schmelzmaterial der Sicherung 80 zusätzlich vor
Oxidation schützt.
Durch diese Ausgestaltung wird zum einen durch den Schutz vor Oxidation die
lang anhaltende Funktion des Sicherungselementes 80 sichergestellt
und gleichzeitig das Auslöseverhalten
des Sicherungselementes 80 verbessert, da die als Flussmittel
wirkende Schutzschicht 112 ein Abfließen des geschmolzenen Schmelzmaterials
aus dem Strom führenden
Bereich beschleunigt und somit das Auslösen der Sicherung 80 beschleunigt.
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Weitere
Möglichkeiten,
ein Flussmittel in das Sicherungselement zu integrieren, und somit
das Auslöseverhalten
dieser Sicherung zu verbessern, sind in 10 gezeigt.
Gezeigt ist ein Längsschnitt 120 durch das
Schmelzmaterial 81 des Sicherungselements und ein Querschnitt 122 durch
das Schmelzmaterial 81 des Sicherungselements. In der dargestellten
Ausführungsform
des Sicherungselementes beinhaltet das Schmelzmaterial 81 des
Sicherungselementes eine oder mehrere abgeschlossene Seelen 124 mit
einer als Flussmittel dienenden Substanz. Das erforderliche Abdichten
der Seelen, sodass das Flussmittel im Inneren des Schmelzmaterials 81 verbleibt,
kann z. B. durch einen Quetschvorgang beim Ausstanzen oder beim
Abschneiden des Sicherungselementes von einem Draht-/Bandmaterial erfolgen.
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11 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Sicherungselementes 80 als diskretes Bauteil. Gezeigt
sind das Schmelzmaterial 81, Anschlusskappen 130a und 130b sowie
ein kerami sches Trägermaterial 132.
Das Schmelzmaterial 81 ist als Schicht, z. B. in Dünn- oder
Dickschichttechnik, in einem galvanischen Prozess, durch Sputtern
oder mittels ähnlicher
Metallisierungsprozesse auf das keramische Trägermaterial 132 aufgebracht.
Die Anschlusskappen 130a und 130b sind leitend
mit dem Schmelzmaterial 81 verbunden. Vorteilhaft ist die
Dimension des Sicherungselementes 80 so gewählt, dass
es wie ein Standard-SMD-Bauelement (z. B. ein Dünnschichtwiderstand) in einer
elektronischen Schaltung einsetzbar ist.
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Bei
dem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in 12 gezeigt
ist, ist das Sicherungselement nicht als diskretes Bauelement realisiert,
sondern als Schicht direkt auf einem Schaltungsträger – z. B.
einer Leiterplatte, Hybridkeramik, DCB-Substrat oder Ähnliches – aufgebracht. 12 zeigt
einen Schaltungsträger 140,
eine Leiterbahn 142, eine erste Sicherung 144a und
eine zweite Sicherung 144b, einen Chip 146, ein
Chipgehäuse 148,
ein Anschlussbein 150 und einen Bonddraht 152.
Die Leiterbahn 142 ist an den Orten der Sicherung 144a und 144b unterbrochen,
wobei eine leitende Verbindung zwischen den Abschnitten der Leiterbahn 142 durch
die Sicherungen 144a und 144b dadurch hergestellt
wird, dass diese die durch die Unterbrechung der Leiterbahn 142 entstandenen
Spalte 154a und 154b überspannen, wobei die Sicherungen 144a und 144b jeweils
an jeder ihrer Seiten elektrisch leitend mit der Leiterbahn 142 verbunden
sind. Das Anschlussbein 150 ist mit der Leiterbahn 142 leitend
verbunden, wobei ein Stromanschluss des Chips 146 innerhalb
des Chipgehäuses 148 durch
den Bonddraht 152 mit dem Anschlussbein 150 leitend
verbunden ist. Das Aufbringen der Schicht des schmelzenden Materials über die
Spalten 154a und 154b kann während der Produktion des Schaltungsträgers 140 oder
der Leiterbahn in einer Dünn-
oder Dickschichttechnologie, durch einen galvanischen Prozess, durch
Sputtern oder mittels ähnlicher
Metallisierungsprozesse erfolgen. In dem Ausführungsbeispiel wird die thermische
Kopplung des zu überwachenden
Chips 146 zu den Sicherungen 144a und 144b durch
die räumliche
Nähe der
Siche rungen 144a und 144b zum Chip 146 und
zum Chipgehäuse 148 bzw.
durch die wärmeleitende
Verbindung des Anschlussbeins 150 mit der Leiterbahn 142 und
somit der Sicherung hergestellt. Bei einer Fehlfunktion des Chips 146 wird
die erzeugte Verlustwärme
somit durch Wärmeleitung
auf die Sicherungen 144a oder 144b übertragen,
wodurch das Sicherungsmaterial schmilzt und z. B. in die Spalte 154a oder 154b abfließt bzw.
sich aufgrund seiner Oberflächenspannung
auf den beiden Kontaktinseln zusammenzieht, um somit die leitende
Verbindung, also den Stromfluss zum Chip 146, zu unterbrechen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 13 gezeigt.
Dort ist ein Schaltungsträger 156 dargestellt,
ein Chip 158, ein Chipgehäuse 160, eine Leiterbahn 162,
ein Bonddraht 164 sowie ein intaktes Anschlussbein 166a des
Chipgehäuses 160 sowie
ein geschmolzenes Anschlussbein 166b des Chipgehäuses 160.
Gemäß der hier
gezeigten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bestehen die stromführenden Anschlussbeinchen 166a bzw. 166b des
zu überwachenden
Bauelements bzw. Chips 158, der sich in dem Chipgehäuse 160 befindet
und über
den Bonddraht 164 mit dem Anschlussbein verbunden ist aus
dem schmelzenden Material der Sicherung. Dabei kann je nach gewünschter
Schutzwirkung das schmelzende Material aus einer Legierung bestehen,
die beispielsweise zwischen einer Temperatur von 260° und 500°C schmilzt,
wobei wegen der großen
räumlichen
Nähe zur
Wärmequelle
(dem Chip 158) auch höher
schmelzende Legierungen geeignet sein können. Bevorzugt sind in dem
hier gezeigten Ausführungsbeispiel
nicht alle Anschlussbeinchen bzw. Pins des Chipgehäuses 160 aus
dem Schmelzmaterial. Dadurch ist gewährleistet, dass der Chip 158 durch
sein Chipgehäuse 160 in
seiner Position gehalten wird, auch wenn die stromführenden
Anschlussbeinchen geschmolzen sind, sodass durch den geschmolzenen
Pin 166b der Stromfluss sicher unterbrochen wird.
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In 14 ist
eine Ausführungsform
eines Vergleichskondensators dargestellt. 14 zeigt
einen Schaltungsträger 170, einen
Keramik-Vielschichtkondensator 172, ein erstes Anschlussbein 174 sowie
ein zweites intaktes Anschlussbein 176a und ein zweites
geschmolzenes Anschlussbein 176b. Im funktionsfähigen Zustand
ist der Kondensator 172 mit seinem ersten Anschlussbein 176a an
einem ersten Kontakt 180a leitend mit einer Leiterbahn
verbunden, sowie mit seinem zweiten Anschlussbein 174 an
einem zweiten Anschlusspunkt 180b mit einer zweiten Leiterbahn.
Dabei besitzt der Kondensator speziell geformte – z. B. L-förmige – Anschlussbeinchen, um eine
mechanische Entlastung des Kondensators bei thermischen Längenänderungen
und Biegebeanspruchungen des Schaltungsträgers 170 zu gewährleisten.
Wie es in 14 auf der rechten Seite dargestellt
ist, schmilzt bei einer Überhitzung
des Kondensators 172 das aus dem Schmelzmaterial der Sicherung
bestehende Anschlussbein 176b an dem Kontaktpunkt 180a,
sodass der Stromfluss am Kontaktpunkt 180a sicher unterbrochen
wird. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das
zu schützende
Bauteil, wie z. B. der Kondensator 172, sowohl vor einer
thermischen Überlastung
als auch vor einer mechanischen Beanspruchung geschützt.
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15 zeigt
eine normale elektrische Schaltung. Dargestellt ist ein mehrkanaliger
Halbleiterschalter 182, der sich in einem PDSO 20 Gehäuse befindet,
der einen ersten Lastausgang 184a, einen zweiten Lastausgang 184b,
einen Versorgungsspannungsanschluss 186 und einen Stromanschluss 187 aufweist,
wobei jeder der Anschlüsse
aus mehreren diskreten Leiterbahnen bestehen kann. Der Lastausgang 184a ist
mit einer Leiterbahn 188a verbunden und der Lastausgang 184b ist
mit einer Leiterbahn 188b verbunden, wobei in unmittelbarer
Nähe zum
Halbleiterschalter 182 die Leiterbahnen 188a und 188b unterbrochen
sind, wobei diese Unterbrechung von Sicherungselementen 190a und 190b leitend überbrückt werden.
Durch die möglichst nahe
am Halbleiterschalter 182 befindlichen Sicherungen 190a und 190b,
wird eine gute thermische Kopplung zwischen den Sicherungen 190a und 190b und
dem Halbleiterschalter 182 gewährleistet, weswegen die bei einem
Defekt im Halbleiterschalter 182 erzeugte übermäßige Wärmeentwicklung
das Schmelzmaterial der Sicherungen 190a und 190b zum
Schmelzen bringt, sodass die Sicherungselemente 190a und 190b den
Stromfluss unterbrechen und eine gefährliche Wärmeentwicklung damit gestoppt
wird. In der gezeigten Anordnung beinhaltet der Halbleiterschalter 182 zwei
getrennte Schalter, wobei die Sicherung 190a räumlich näher am ersten
Schalter angebracht ist und wobei die Sicherung 190b näher am zweiten
Schalter montiert ist. Dadurch ergibt sich eine engere thermische
Kopplung des der Sicherung 190a an den ersten Schalter,
wodurch die Sicherung selektiv auslöst und bei einer Fehlfunktion
beispielsweise des ersten Schalters der zweite Schalter nicht vom
Strom getrennt werden muss.
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16 zeigt
ein weiteres Vergleichsbeispiel zu der vorliegenden Erfindung, wobei
ein Schaltungsträger 192,
eine erste Leiterbahn 194a und eine zweite Leiterbahn 194b,
ein erstes Kontaktfeld 196a und ein zweites Kontaktfeld 196b sowie
ein Abweisefeld 198 gezeigt sind. Die erste Leiterbahn 194a endet
in dem Kontaktfeld 196a, an dem eine erste von 2 Seiten
eines Sicherungselements leitend verbunden werden kann, sodass der
nicht leitende Spalt zwischen dem Kontaktfeld 196a und
dem Kontaktfeld 196b vollständig von dem Schmelzmaterial
der Sicherung überbrückt wird,
wobei die Sicherung mit einer zweiten Seite leitend mit der Kontaktstelle 196b verbunden
ist. Dadurch wird im nicht geschmolzenen Zustand des Schmelzmaterials
sichergestellt, dass ein Stromfluss von der Leiterbahn 194a zur
Leiterbahn 194b erfolgen kann. Das zwischen der ersten
Kontaktstelle 196a und der zweiten Kontaktstelle 196b befindliche
Abweisefeld 198 ist mit einem Lötstopplack beschichtet, der
die Eigenschaft hat, das geschmolzene Schmelzmaterial der Sicherung
abzustoßen,
sodass das geschmolzene Schmelzmaterial nach dem Schmelzen nicht
im Bereich des Abweisefeldes 198 verbleiben kann und somit
ein sicheres und schnelles Trennen der Sicherung gewährleistet
ist. Der Lötstopplack
unterstützt
somit durch seine lotabweisenden Eigenschaften das Trennen der Sicherung.
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Die 17 bis 19 beschreiben
weitere Vergleichsbeispiele zu der vorliegenden Erfindung, bei denen
das Trennen der Sicherung durch geeignete Maßnahmen beschleunigt wird,
weswegen die 17 bis 19 im
Folgenden gemeinsam beschrieben werden und auf die einzelnen Figuren
nur dann individuell eingegangen wird, wenn sie sich von den gemeinsamen
Merkmalen aller Figuren unterscheiden. Die 17 bis 19 zeigen
dabei eine querschnitthafte Darstellung von Sicherungen, sowie jeweils
für einen
Teil der querschnitthaften Darstellung eine Aufsicht auf diese.
Dargestellt ist jeweils ein Schaltungsträger 200, ein zu überwachendes
Bauelement bzw. ein Chip 202 eine den Versorgungsstrom
führende
Leiterbahn 204 und ein Sicherungselement 206.
Der Chip 202 befindet sich innerhalb eines Chipgehäuses 208,
wobei sein Stromanschluss über
eine leitende Verbindung 210 mit einem Anschlussbeinchen 212 des
Chipgehäuses 208 verbunden
ist. Die Leiterbahn 204 ist in der unmittelbaren Nähe des Anschlussbeinchens 212 unterbrochen,
wobei die Unterbrechung leitend von dem Sicherungselement 206 überbrückt wird.
Im Bereich des Sicherungselementes 206 sind jeweils geeignete
Maßnahmen
getroffen, das Entfernen des Schmelzmaterials zu unterstützen, wobei
die einzelnen Maßnahmen
im Folgenden anhand der 17 bis 19 diskutiert
werden.
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In 17 befindet
sich in einem Bereich 214 unterhalb des Sicherungselementes 206 eine
Aussparung 216 im Schaltungsträger 200, wie z. B.
ein Fräs-
oder Stanzschlitz, wobei sich die Aussparung 216 über die
gesamte Dicke des Schaltungsträgers 200 erstreckt,
die Aussparung 216 also ein Loch im Schaltungsträger 200 erzeugt.
Dieser Schlitz bzw. diese Aussparung unterstützt das Trennen der Sicherung,
da das geschmolzene Sicherungsmaterial im gesamten Bereich 214 in
den Spalt abfließen
kann, sodass die leitende Verbindung über die gesamte Breite des
Bereichs 214 unterbrochen wird. Dies erhöht die Breite
der Kontakttrennstrecke am ausgelösten Sicherungselement, sodass
bei erhöhten
an der Leiterbahn 204 anliegenden Spannungen die Gefahr
eines Lichtbogens reduziert wird. Die Trennung der Sicherung wird
dabei unabhängig von
dem zu überwachenden
Bauteil unterstützt,
also kann das zu überwachende
Bauteil ein Leistungshalbleiterbauelement oder ein anderes sicherheitskritisches
passives Bauelement sein.
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In 18 wird
das Auslösen
der Sicherung in einem Muldenbereich 218, der sich unterhalb
des Sicherungselementes 206 befindet, und in dem im Schaltungsträger 200 eine
Vertiefung 220 gebildet ist, unterstützt. Durch die Vertiefung 220 in
dem Schaltungsträger 200 wird
das Abfließen
des geschmolzenen Schmelzmaterials ebenfalls, beispielsweise durch
die Kapillarwirkung, unterstützt,
wobei hier eine geringere mechanische Destabilisierung des Schaltungsträgers 200 stattfindet
als im Ausführungsbeispiel
von 17, wo der Schaltungsträger 200 in seiner
ganzen Dicke durch den Spalt 216 durchbrochen ist. Bei
mehrlagigen Leiterplatten hat diese Variante zusätzlich den Vorteil, dass unter
dem Sicherungselement liegende Lagen der Leiterplatte nicht für das Layout
blockiert sind.
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Im
Ausführungsbeispiel
in 19 ist einem Bereich 222 unterhalb des
Sicherungselementes 206 ein Volumen 224 aus dem
Schaltungsträger
ausgespart, sodass das Volumen 224 von dem Schaltungsträger 200 und
dem Sicherungselement 206 begrenzt wird. Das Volumen 224 ist
dabei von einem Blähstoff
oder einem Explosivstoff gefüllt.
Der Explosivstoff wird beim Beginnen des Schmelzens des Schmelzmaterials
von dem in das Volumen 224 eintretenden Schmelzmaterial
gezündet,
sodass sich der durch das Zünden
des Explosivstoffes entstehende Überdruck
durch das Sicherungselement 206 hindurch entlädt und das
ganz oder teilweise geschmolzene Schmelzmaterial auf diese Art und
Weise schnell und vollständig
aus dem Bereich 222 entfernt wird. Im Falle eines Blähstoffes
im Volumen 224 ist darauf zu achten, dass das Volumen 224 vollständig von dem
Schaltungsträger 200 und
dem Sicherungselement 206 begrenzt wird, sodass der von
dem Blähstoff
in dem Volumen 224 erzeugte Überdruck nicht durch eine etwaige
Undichtigkeit entwei chen kann. Mit Beginn des Schmelzens des Schmelzmaterials
wird das Schmelzmaterials des Sicherungselementes 206 aufweichen,
sodass es sich unter dem Einfluss des Überdrucks des Blähstoffes
zu verformen beginnt. Ist das Material weich genug, wird es, ähnlich wie
bei dem Zünden
des Explosivstoffes, schlagartig zu einem Trennen der elektrisch leitenden
Verbindung kommen, es wird also ebenfalls das Trennen der Sicherung
beschleunigt. In einer Ausgestaltung ist der Blähstoff nicht gasend sondern
besteht aus eine stark quellenden Material, was die Verarbeitung
wesentlich erleichtert. Auch kann das Volumen 224 mit Flussmittel
gefüllt
sein, um das Auslösen
der Sicherung zu beschleunigen.
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Die
elektrische Schaltung ist in den 20 und 21 bzw.
in den weiteren Ausführungsbeispielen mit
einem Leistungsschalter und Varistoren bzw. Kondensatoren oder Kabelanschlüssen als
abzusichernden Bauelementen gezeigt. Dies ist eine beispielhafte
Anordnung, es können
jedwede anderen Bauelemente abgesichert werden, die bei einer Fehlfunktion
eine starke Wärmeentwicklung
verursachen.
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In
den 1 bis 4 wird dargestellt, dass Sicherungselemente
durch externe Beschaltung an einen Halbleiterschalter angeschlossen
und mit diesem thermisch gekoppelt werden. In einem weiteren Beispiel
können
die Sicherungselemente auch in das Gehäuse des Halbleiterschalters 44 inte-griert
werden, und dort direkt mit den einzelnen Leistungsschaltern 48a–48n thermisch
gekoppelt werden. Die thermische Kopplung kann beispielsweise auch
durch eine heatpipe oder eine Phase-plane ausgeführt sein.
-
Obwohl
die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung jeweils das individuelle Absichern einzelner
Bauteile zeigen, ist es abhängig
davon, wie die Sicherheitsanforderungen sind, ebenfalls möglich, mehrere
Bauteile in einer Gruppe zusammenzufassen und diese abzusichern.
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In
den Ausführungsbeispielen
sind beispielhafte Legierungen mit Schmelzpunkten im Bereich von 260–390°C angegeben.
Abhängig
von den Gegebenheiten kann jedes andere metallische oder nicht-metallische
Material, das in dem angestrebten Temperaturbereich leitend ist,
als Sicherungselement verwendet werden, wobei die Geometrie der
Schaltung bezüglich
der Wärmetransporteigenschaften
und der gewünschten Auslösetemperatur
der Sicherung in nahezu beliebiger Weise an die individuellen Bedürfnisse
der vorliegenden Problemstellung angepasst werden können.
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Beispielhaft
ist als Methode, das Sicherungselement leitend mit einer Leiterbahn
oder anderen leitenden Bauteilen zu verbinden, Löten, Leitkleben oder Schweißen genannt,
wobei auch jedwede andere Methode, eine leitfähige Verbindung herzustellen,
wie z. B. Bördeln,
Nieten oder Crimpen möglich
ist, um ein Sicherungselement mit einem Schaltungsträger zu verbinden.
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Die
verschiedenen Möglichkeiten,
das Trennen der Sicherungselemente zu beschleunigen, sind in den 16 bis 19 anhand
von Beispielen dargestellt, in denen das Sicherungselement direkt
auf einem Schaltungsträger
montiert ist. Auf dieselbe Art und Weise können für erfindungsgemäße Sicherungselemente,
wie sie beispielsweise in der 13 dargestellt
sind, dieselben Methoden zum Beschleunigen des Auslösens der Sicherung
integriert werden.
-
Die
in 16 dargestellte Unterstützungseinrichtung zum Unterstützen des
Trennvorganges der Sicherung mittels eines Lötstopplackes, der in einem
Bereich unterhalb des Schmelzmaterials angebracht ist, lässt sich
auch mit anderen Materialien realisieren, die metallophob sind bzw.
die die Eigenschaft haben, dass sie das geschmolzene Material der
Sicherung abstoßen.
Dies kann auch ein Lötstopplack
sein, der nachträglich über das
bereits verbaute Sicherungselement gegossen wird.
-
Bei
dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die Schaltung derart ausgeführt, dass
der Stromverbraucher in ein Gehäuse
montiert ist und das Strom führende
Anschlussbein des Gehäuses
aus dem schmelzenden Material der Sicherung besteht. Dieses Prinzip
lässt sich
auf beliebige weitere leiterplattenmontierbare Gehäusetypen
erweitern, insbesondere sind in einer weiteren Modifikation der vorliegenden
Erfindung die Strom führenden
Anschlussbeinchen eines Leadframes aus dem schmelzenden Material
der Sicherung hergestellt, sodass durch den normalen Produktionsprozess,
bei dem ein Chip mit dem Leadframe leitend verbunden wird, eine
Vielzahl unterschiedlicher Chips abgesichert werden kann, wenn ein Leadframe
mit Anschlussbeinchen aus dem Schmelzmaterial verwendet wird.
-
- 2
- Versorgungsspannungsanschluss
- 4
- Schmelzsicherung
- 6
- Last
- 8
- Leistungsschalter
- 10
- Stromflussrichtung
- 20
- Versorgungsspannungsanschluss
- 22
- Schmelzsicherung
- 24
- Steckverbindung
- 26
- Varistor
- 28
- Keramik-Vielschichtkondensator
- 30
- Tantal-Elektrolytkondensator
- 32
- Schaltungsknoten
- 40
- Versorgungsspannungsanschluss
- 42
- Sicherung
- 42a–42n
- Sicherung
- 44
- Halbleiterschalter
- 46a–46n
- elektrische
Last
- 48a–48n
- Leistungsschalter
- 50
- versorgungsspannungsseitiger
Spannungsanschluss
- 50a–50n
- versorgungsspannungsseitiger
Spannungsanschluss
- 52
- lastseitiger
Spannungsanschluss
- 52a–52n
- lastseitiger
Spannungsanschluss
- 54
- wärmeleitende
Verbindung
- 54a–54n
- wärmeleitende
Verbindung
- 60
- Versorgungsspannungsanschluss
- 62a,
62b
- Varistor
- 64a,
64b
- Keramik-Vielschichtkondensator
- 66a,
66b
- Tantal-Elektrolytkondensator
- 68a–f
- Sicherung
- 70a–f
- wärmeleitende
Verbindung
- 80
- Sicherungselement
- 81
- Schmelzmaterial
- 82
- Schaltungsträger
- 84a,
b
- Leiterbahn
- 86a,
b
- Kontaktstelle
- 88
- Spalt
- 92a,
b
- Sperrschicht
- 100a–d
- Vertikalwalze
- 102a,
102b
- Folienstreifen
- 104a,
104b
- Horizontalwalze
- 112
- Flussmittel
- 120
- Längsschnitt
- 122
- Querschnitt
- 124
- Flussmittelseele
- 130a,
130b
- Anschlusskappe
- 132
- keramisches
Trägermaterial
- 140
- Schaltungsträger
- 142
- Leiterbahn
- 144a,
144b
- Sicherung
- 146
- Chip
- 148
- Chipgehäuse
- 150
- Anschlussbein
- 152
- Bonddraht
- 154a,
154b
- Spalt
- 156
- Schaltungsträger
- 158
- Chip
- 160
- Chipgehäuse
- 162
- Leiterbahn
- 164
- Bonddraht
- 166a
- intaktes
Anschlussbein
- 166b
- geschmolzenes
Anschlussbein
- 170
- Schaltungsträger
- 172
- Kondensator
- 174
- Anschlussbein
- 176a
- intaktes
Anschlussbein
- 176b
- geschmolzenes
Anschlussbein
- 180a,
180b
- Anschlusspunkt
- 182
- Halbleiterschalter
- 184a,
184b
- Lastausgang
- 186
- Versorgungsspannungsanschluss
- 187
- Stromanschluss
- 188a,
188b
- Leiterbahn
- 190a,
190b
- Sicherungselement
- 192
- Schaltungsträger
- 194a,
194b
- Leiterbahn
- 196a,
196b
- Kontaktfeld
- 198
- Abweisefeld
- 200
- Schaltungsträger
- 202
- Chip
- 204
- Leiterbahn
- 206
- Sicherungselement
- 208
- Chipgehäuse
- 210
- Bonddraht
- 212
- Anschlussbeinchen
- 214
- Aussparungsbereich
- 216
- Spalt
- 218
- Muldenbereich
- 220
- Vertiefung
- 222
- Aussparbereich
- 224
- Aussparvolumen