DE102005058011A1

DE102005058011A1 - Verbesserte Sicherung mit ausdehnendem Lötmittel

Info

Publication number: DE102005058011A1
Application number: DE102005058011A
Authority: DE
Inventors: Todd G. Park Ridge Dietsch
Original assignee: OTC Littelfuse inc
Current assignee: OTC Littelfuse inc
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2006-08-10
Also published as: CN1812037A; US20060119465A1; JP2006164979A; TW200634878A

Abstract

Eine verbesserte elektrische Komponente, wie beispielsweise eine Sicherung, wird bereitgestellt. Die Komponente oder Sicherung umfasst ein Isoliergehäuse und mindestens eine leitende Abschlusskappe, die an dem Gehäuse gesichert ist. Die Abschlusskappe ist an dem Gehäuse zumindest teilweise durch ein Lötmittel gesichert, das sich beim Abkühlen oder beim Übergang von einem flüssigen zu einem festen Zustand ausdehnt. In einer Ausführungsform umfasst das Lötmittel Bismut, das derartige Ausdehnbeschaffenheiten bereitstellt. Bismut weist ebenso eine vergleichsweise hohe Schmelztemperatur auf und kann allein oder in Kombination mit anderen Metallen höheren Schmelztemperaturen, wie beispielsweise Antimon, bei Anwendungen verwendet werden, die äußere bleifreie Lötmittel einsetzten, die für gewöhnlich höhere Schmelztemperaturen als bleihaltige Lötmittel aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Stromkreisschutz und insbesondere die Absicherung.

Miniatur-Patronensicherungen umfassen im Allgemeinen ein Hauptisoliergehäuse, an dem Gehäuse gesicherte, leitende Abschlusskappen und ein über die Abschlusskappen verlaufendes Sicherungselement bzw. Schmelzsicherungspatrone oder Kabel. Die tassenförmigen oder offenen Abschlusskappen umfassen einen Leistenabschnitt, der über die Enden des Gehäuses verläuft. Das Sicherungselement kann elektrisch oder körperlich an den Abschlusskappen durch einen Lötmittelkörper in jeder der Abschlusskappen gesichert sein. Das Lötmittel kann ebenso in kleine Spielräume zwischen der Leiste der Abschlusskappen und dem Isoliergehäuse laufen.

Um ein Abfallen der Abschlusskappen von dem Gehäuse bei gewöhnlichen Umgangsbedingungen und Kurzschlussdurchschlagsbedingungen zu vermeiden, wurde in der Vergangenheit eine Schrumpfmuffe oder ein Hüllmaterial um das Gehäuse und die Abschlusskappen angewendet. Das Hüllmaterial macht die Sicherung teuer und aufwändiger. Andere Sicherungen statten das isolierende Sicherungsgehäuse mit Haltenuten aus, die auf einrastpassende Schultern der leitenden Abschlusskappen passen. Eine derartige Anordnung macht die Sicherung ebenso aufwändiger. Es ist wünschenswert die Menge an zusätzlichen Vorrichtungen zu beseitigen oder zu verringern, die benötigt werden, um ein Abfallen der Abschlusskappen von dem Gehäuse bei gewöhnlichen Umgangsbedingungen und Kurschlussunterbrechung der Sicherung zu vermeiden.

Eine Schwierigkeit die oberflächenbefestigten elektrischen Komponenten heutzutage gegenübersteht ist die Verwendung oder die bevorstehende Verwendung von bleifreien Lötmitteln, um elektrische Komponenten an Leiterplatten entweder über Wellenlöten oder Aufschmelzlöten zu sichern. Bleifreie Lötmittel weisen höhere Schmelztemperaturen als auf Blei basierende Lötmittel auf. Viele elektrische Komponenten, wie beispielsweise gewisse Sicherungen, umfassen innen gelötete Verbindungen. Eine Befürchtung besteht darin, dass das bleifreie Lötmittel höhere sekundäre Verarbeitungstemperaturen zum Aufbau erfordert und dass die höheren Betriebstemperaturen ein Schmelzen der inneren gelöteten Verbindungen hervorrufen werden.

Ein Kabel oder andere Vorrichtung, welche durch die gelötete Verbindung am Platz gehalten wird, kann von der Verbindung gelockert oder vollständig frei werden, wenn eine innere gelötete Verbindung schmilzt oder halbflüssig wird. Die entsprechende Komponente wird beschädigt. Darüber hinaus ist nun eine beschädigte Komponente auf der Leiterplatte befestigt. Diese beschädigte Komponente muss anschließend erkannt, entfernt und ersetzt werden. Ein zusätzlicher Bedarf besteht demgemäß in elektrischen Komponenten und insbesondere Sicherungen, die beim Löten auf eine gedruckte Schaltung bei den mit bleifreien Lötmitteln zusammenhängenden höheren Betriebsbedingungen nicht beschädigt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Schaltschutzeinrichtung bereit. In einer Ausführungsform ist die Schaltschutzeinrichtung eine Sicherung, beispielsweise eine Patronensicherung. Die Einrichtung ist in einem Gesichtspunkt verbessert, da sie ein Lötmittel verwendet, das beim Abkühlen ausdehnt und sich von einem flüssigen zu einem festen Zustand umwandelt. Ein derartiges Ausdehnen erzeugt eine zusammenpressende Kraft zwischen den Oberflächen mit denen sie in Berührung steht. In einer Ausführungsform liegt eine derartige zusammenpressende Kraft zwischen einer Abschlusskappe und einem Isoliergehäuse der Sicherung vor. Die zusammenpressende Kraft unterstützt beim Befestigen der Kappen an dem Gehäuse.

In einer Ausführungsform besteht das Lösemittel größtenteils aus dem Element Bismut. Bismut weist eine Schmelztemperatur von 271°C auf. Bei dieser Temperatur weist festes Bismut eine Dichte von 10,0 kg/dm bzw. kg/dm³ bzw. kg/l und flüssiges Bismut eine Dichte von 9,67 kg/dm auf. Da festes Bismut weniger dicht als flüssiges Bismut ist, beansprucht festes Bismut mehr Raum oder Volumen für eine gegebene Masse als flüssiges Bismut. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Beschaffenheit.

Ein Befestigen einer leitenden Kappe an einem isolierenden Körper kann, wie vorstehend erörtert, schwierig sein. Die Abschlusskappen müssen vernünftig an dem Isoliergehäuse befestigt sein. Der Befestigungsvorgang kann das Gehäuse allerdings nicht beschädigen. Die Abschlusskappen müssen ebenso an dem Gehäuse derart gesichert sein, dass ein Sicherungselement in der Sicherung: (i) danach mit den Abschlusskappen elektrisch verbunden werden kann, oder (ii) sich nicht von einer oder beiden der Abschlusskappen lockert, wenn mit der einen oder mehreren Abschlusskappen verbunden, bevor die Abschlusskappen an dem Gehäuse gesichert werden.

In einer Ausführungsform wird das ausdehnende Lötmittel der vorliegenden Erfindung auf eines oder beides das Isoliergehäuse und die leitenden Abschlusskappen vor-plattiert oder vor-platziert. Die Abschlusskappen können Abmessungen aufweisen, um eine Presspassung mit dem Isoliergehäuse bereitzustellen. Das Isoliergehäuse kann ebenso Rasten oder Kerben umfassen, die mit entsprechenden auf den Kappen platzierten Dorne oder Arretierungen zum Einrasten passen. Das ist eine zusätzliche Sicherungsvorrichtung, die zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen ausdehnenden Lötmittel vorliegen kann, allerdings nicht muss.

Die Kappen sind über dem Isoliergehäuse platziert. Das Lötmittel wird erhitzt, schmilzt letztendlich und befindet sich entweder bereits zwischen einer Leiste der Kappe und dem Gehäuse oder läuft zwischen die Kappe und das Gehäuse. In jedem Fall dehnt sich das Lötmittel aus und erhöht die Kappen-Rückhaltekraft oder die benötige Kraft, um die Kappen von dem Gehäuse zu entfernen, wenn das Lötmittel abkühlt und von einem flüssigen in einen festen Zustand übergeht.

In einer anderen Ausführungsform ist die Einrichtung verbessert, da sie ein inneres Lötmittel mit einer vergleichsweise hohen Schmelztemperatur einsetzt. Die Schmelztemperatur ist ausreichend hoch, dass das innere Lötmittel nicht schmelzen wird, wenn die Einrichtung oder Sicherung an eine Leiterplatte ("PCB") mit einem Randzonenlötmittel gelötet wird, das bleifrei ist (bleifreie Lötmittel erfordern für gewöhnlich höhere Verarbeitungstemperaturen als jene, die mit bleihaltigen Lötmitteln zusammenhängen).

Das erfindungsgemäße innere Lötmittel kann zusätzliche Metalle, wie beispielsweise Antimon oder Silber, umfassen, die die Gesamtschmelztemperatur des Lötmittels zusätzlich erhöhen. Die vorliegende Erfindung ist ebenso nicht auf Bismut begrenzt und schließt stattdessen irgendein geeignetes Metall ein, das beim Abkühlen ausdehnt, wie beispielsweise Gallium.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer verbesserten elektrischen Einrichtung.

Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Sicherung.

Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, um eine Komponente einer elektrischen Einrichtung an einer anderen zu sichern.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darüber hinaus in der Bereitstellung einer elektrischen Komponente, die zum Zusammenbau unter Verwendung eines bleifreien Randzonenlötmittels geeignet ist.

Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung und den Figuren beschrieben werden und ersichtlich sein.
Die 1 stellt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Sicherung mit dem erfindungsgemäßen ausdehnenden Lötmittel dar.
Die 2 stellt einen Querschnitt der 1 entlang der Linie II-II genommen dar, worin die Sicherung mit einer Art eines Sicherungselements gezeigt wird.
Die 3 stellt einen Querschnitt der 1 entlang der Linie III-III genommen dar, worin die Sicherung mit einer anderen Art eines Sicherungselements gezeigt wird.
Die 4 stellt einen Querschnitt der 1 entlang der Linie IV-IV genommen dar, worin die Sicherung mit einer weiteren Art eines Sicherungselements gezeigt wird.
Die 5 stellt ein Phasendiagramm für ein bevorzugtes Lötmittel der vorliegenden Erfindung dar, das um 95% Bismut und um 5% Antimon umfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte elektrische Einrichtung, wie beispielsweise eine Sicherung, bereit. In einer Ausführungsform ist die Sicherung eine so genannte "Patronensicherung", bei der es sich um eine kleine Sicherung handelt, die für gewöhnlich auf der Oberfläche einer Leiterplatte ("PCB") befestigt ist. Die Kleinheit der Sicherung und das Verfahren ihres Anbringens an die PCB erzeugen eine Zahl von Problemen hinsichtlich Herstellung und Betrieb, die zu der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geführt haben. Durch die geringen Abmessungen der Sicherung wird das Befestigen der Abschlusskappen an dem Isoliergehäuse und das Anbringen eines Sicherungselementes an die Abschlusskappen etwas schwierig.
Die Abschlusskappen müssen ausreichend an dem Gehäuse befestigt werden, damit die Abschlusskappen nicht während des Versands frei kommen oder sich von dem Gehäuse bei einer Kurzschlussüberlast bzw. kurzen Überlastung des Stromkreises lösen. Die Abschluss kappen sind weiterhin befestigt, so dass das Sicherungselement, falls an eine oder mehrere Abschlusskappen angebracht bevor die Abschlusskappen mit dem Gehäuse verbunden werden, sich nicht entfernen oder von der einen oder mehreren Abschlusskappen lösen.
Da weiterhin immer noch die Sicherung auf eine PCB für den letztendlichen Zusammenbau für gewöhnlich gelötet, beispielsweise wellengelötet oder aufschmelzgelötet, ist, ist erforderlich, dass die gelöteten Befestigungen oder Verbindungen in der Sicherung der vorliegenden Erfindung während des Randzonenlötens der Sicherung an eine PCB nicht schmelzen oder flüssig werden können. Ein derartiges Erfordernis ist bei bleihaltigen Randzonenlötmitteln nicht so schwer zu erfüllen, die für gewöhnlich niedrigere Schmelztemperaturen in dem Bereich von 180 bis 186°C aufweisen. Die Verwendung oder bevorstehende Verwendung von bleifreien Lötmitteln hat größere Bedenken hinsichtlich dem Schmelzen innerer Lötmittelverbindungen erzeugt, da bleifreie Lötmittel für gewöhnlich eine höhere Schmelztemperatur, wie beispielsweise 217 bis 221°C, aufweisen. Die vorliegende Erfindung stellt ebenso eine Lösung für die Schwierigkeiten beim Zusammenbau bereit, welche bleifreie Lötmittel aufzeigen.
Unter jetzigem Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1 bis 4 wird die Außenseite der Sicherung 10, 50 und 100 gezeigt, die jeweils in Ausschnittsansichten von 2 bis 4 gezeigt wird. Sicherungen 10, 50 und 100 umfassen einen Isolierkörper 12. Ein Paar Abschlusskappen 14 und 16 ist an dem Isolierkörper 12 befestigt oder angebracht. Der Isolierkörper 12 umfasst eine Oberseite 18, eine Unterseite 20, eine Vorderseite 22 und eine Rückseite 24. Wie aus den 2 bis 4 ersichtlich ist, ist der Körper 12 an den Enden geöffnet, die von den Kappen 14 und 16 abgedeckelt werden. Der Körper 12 kann aus irgendeinem geeigneten Isoliermaterial, wie beispielsweise einem Keramikmaterial, Glasmaterial, oder einem bei vergleichsweise hohen Temperaturen isolierenden Polymer hergestellt sein.
Die Abschlusskappen 14 und 16 können aus irgendeinem geeigneten leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, Zinn, Nickel, Gold, Silber, Messing, Gold und irgendeiner Kombination davon hergestellt sein. Die Abschlusskappen 14 und 16 können irgendeine geeignete von einer oder mehrerer Beschichtungen, wie beispielsweise ein Nickel, Gold, Zinn Silber Kupfer Zwischenprodukt oder abschließende Beschichtung, umfassen. Weiterhin können Legierungen der vorstehenden Metalle ebenso für das Grund- und Plattierungs material der Abschlusskappen 14 und 16 verwendet werden. Die Abschlusskappen dürfen immer noch weiterhin keine plattierten Beschichtungen aufweisen.
Wie aus den 2 bis 4 ersichtlich ist, wird das Innere der Sicherungen 10, 50 und 100 gezeigt. Die Abschlusskappe 14 umfasst ein Ende 26a. Eine beispielsweise vierseitige Leiste 28a verläuft vom Ende 26a der Kappe 14. Die Kappe 16 umfasst ein Ende 26b und eine Leiste 28b, die von dem Ende 26b verläuft. In einer Ausführungsform sind die Kappen 14 und 16 offene, fünfseitige Strukturen mit einem Ende und einer vierwandigen Leiste, die von dem Ende verläuft. In einer alternativen Ausführungsform sind die Enden 26a und 26b mindestens im Wesentlichen kreisförmig und die Leisten 28a und 28b sind mindestens im Wesentlichen zylindrisch. Andere geeignete Formen für die Abschlusskappen, Gehäuse und Sicherungen liegen ebenso im Bereich der vorliegenden Erfindung.
In einer Ausführungsform sind die Abschlusskappen 14 und 16 mit dem erfindungsgemäßen Lötmittel vor-plattiert oder vor-behandelt. In einer Ausführungsform ist eine innere Oberfläche des Ende 26a mit einem Bereich an Lötmittel 30a plattiert oder vor-behandelt. Die innere Oberfläche des Endes 26b der Kappe 16 ist mit einem Bereich an Lötmittel 30b plattiert oder vor-behandelt. Die Lötmittelbereiche 30a und 30b können oder können nicht zu den inneren Oberflächen der Leisten 28a und 28b der Kappen 14 und 16 jeweils anfänglich verlaufen.
Die Kappen 14 und 16 passen in einer Ausführungsform über den Isolierkörper 12, so dass eine geringe Menge an Spielraum, ersichtlich in den 2 bis 4, zwischen einer inneren Oberfläche der Leisten 28 (unter Gesamtbezug auf die Leisten 28a und 28b) der Abschlusskappen 14 und 16 und den äußeren Oberflächen der Oberseite 18, Unterseite 20, Vorderseite 22 und Rückseite 24 des Isoliergehäuses 12 vorliegt. Die Leisten 28 weisen alternativ Abmessungen auf, so dass ihre inneren Oberflächen eine Presspassung mit den äußeren Oberflächen des Gehäuses 12 erzeugen. In einem solchen Fall können die inneren Oberflächen der Leiste 28 mit Lötmittelbereichen 30 (unter Gesamtbezug auf die Lötmittelbereiche 30a und 30b) plattiert oder vor-behandelt sein, um sicherzustellen, dass das Lötmittel zwischen den Kappen 14 und 16 und dem Körper 12 verbleibt. Es sollte ebenso klar sein, dass in einer Ausführungsform die Enden von einem oder mehreren der Oberseite 18, Unterseite 20, Vorderseite 22 und Rückseite 24 des Körpers 12 mit dem Lötmittel der vorliegenden Erfindung vor dem Zusammenbau mit den Kappen 14 und 16 vor-plattiert sein können. Sicherungselemente oder Kabel 32, 34 und 36 der Sicherungen 10, 50 und 100 können jeweils an den Lötmittelbereichen 30a und 30b und daher an den Kappen 14 und 16 in einer Vielzahl von Möglichkeiten elektrisch angebracht sein. Bei einer Möglichkeit sind die Sicherungselemente 32 oder 36 durch kleine Öffnungen in den relativen Mitten der Enden 26a und 26b der Kappen 14 und 16 jeweils gepasst, nachdem die Kappen 14 und 16 über dem Gehäuse 12 platziert sind. In einer anderen Ausführungsform ist das Sicherungselement 32 oder 36 an einer der Kappen 14 und 16 befestigt und mit der anderen Kappe 14 oder 16 während des Lötvorgangs vereinigt oder verbunden. In noch einer weiteren Ausführungsform, durch die Sicherung 34 in 3 gezeigt, verläuft das Sicherungselement 34 diagonal im Gehäuse 12 und ist an beiden Enden um die Außenseite des Isoliergehäuses 12 gekrümmt, bevor die Abschlusskappen 14 und 16 auf dem Gehäuse platziert werden. Der Presspassungs- oder Lötvorgang hält das Sicherungselement 34 an Stelle. Das Sicherungselement 34 kann beispielsweise mit schnell öffnenden Sicherungen verwendet werden.
Die 2 bis 4 zeigen, dass die Sicherungselemente 32, 34 und 36 eine Vielzahl von Formen und Gestalten aufweisen. Das Sicherungselement 32 ist ein spiralförmig gewundenes, leitendes Kabel auf einem isolierenden oder leitenden Substrat. Das Sicherungselement 34 ist ein umflochtenes oder ein einzelsträngiges Kabel. Das Sicherungselement 36 weist eine Serpentinenform auf. Irgendeines der vorstehenden Sicherungselemente kann ein leitendes Kernmaterial umfassen, wie beispielsweise Kupfer, das beispielsweise mit Zinn, Gold oder Silber plattiert ist. Die Sicherungselemente können ebenso gewendelt oder spiralförmig sein oder irgendeine andere geeignete Struktur aufweisen. In einer Ausführungsform weisen die Sicherungselemente eine Größe und Abmessungen auf, um bei einer gewissen Stromstärke oder Engergieschwellenwert zu öffnen oder durchzubrennen.
Die Abschlusskappen 14 und 16 bilden, wie vorstehend beschrieben, eine Presspassung mit dem Körper 12 aus. Alternativ oder zusätzlich kann der Körper 12 Rasten oder Kerben (nicht gezeigt) umfassen, die Dorne oder Arretierungen (nicht gezeigt) aufnehmen, die von den Leisten 28 der Kappen 14 und 16 nach innen verlaufen. Die Zugkraft oder Zunahme in der Befähigung die Kappe zurückzuhalten, die durch das erfindungsgemäße ausdehnende Lötmittel bereitgestellt wird, wird ausdrücklich eine Verwendung zusammen mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen zusätzlichen mechanischen Befestigungseinrichtungen in Betracht gezogen. Die vorliegende Erfindung zieht ausdrücklich in Betracht diese zusätzlichen mechanischen Befestigungseinrichtungen nicht anzuwenden und stattdessen auf (i) das Anhaften, das die Lötmittelbereiche 30 zwischen dem Gehäuse 12 und den Abschlusskappen 14 und 16 bereitstellen, und (ii) die ausdehnende Beschaffenheit der Lötmittelbereiche 30 der vorliegenden Erfindung zu vertrauen. Wenn zusätzliche Systeme nicht verwendet werden, wird der Aufwand der Sicherungen 10, 50 und 100 verringert.
In einer Ausführungsform werden die Sicherungen 10, 50 und 100 auf und/oder über die Schmelztemperatur der Lötmittelbereiche 30 erhitzt, nachdem die Kappen 14 und 16 über dem Gehäuse 12 platziert wurden. Das geschmolzene Lötmittel kann durch die engen Spielbereiche zwischen den inneren Oberflächen der Leisten 28 und den äußeren Oberflächen des Gehäuses 12 mittels eines Vorgangs laufen, der so genannten Dochtwirkung. Wenn das Lötmittel abkühlt und härtet dehnt es sich aus und vermittelt eine zusammendrückende Kraft auf die inneren Oberflächen der Leisten 28 und die äußeren Oberflächen des Gehäuses 12. Das ausgedehnte Lötmittel und die zusammendrückende Kraft fügt auf diese Art der Kappe Befähigungen zum Rückhalt der erfindungsgemäßen Sicherungen zu.
In einer anderen Ausführungsform sind die inneren Oberflächen der Leisten 28 über das Gehäuse 12 vor-plattiert und pressgepasst. Die Sicherungen 10, 50 und 100 werden wiederum auf oder über die Schmelztemperatur der Lötmittelbereiche 30 erhitzt. Die Lötmittelbereiche 30 werden flüssig, wodurch ein Entspannen an etwas der Kraft der Presspassung ermöglicht wird. Wenn die Lötmittelbereiche 30 abgekühlt werden, weitet sich das Lötmittel auf und führt die Kappen 14 und 16 des Körpers 12 in den Presspassungszustand zurück, worin die Kappen 14 und 16 nun an den Körper 12 durch den Schmelz- und Wiedererhäriungsvorgang anhaften. Der Erhitzungsvorgang kann zum Glätten oder Ebnen der Lötmittelschicht 30 zwischen den Leisten und dem Gehäuse beitragen.
Das erfindungsgemäße Lötmittel kann irgendein Metall umfassen, das eine Dichte im festen Zustand bei der Schmelztemperatur aufweist, die geringer als die Dichte im flüssigen Zustand bei dieser Schmelztemperatur ist. Beispielsweise ist Bismut ein bevorzugtes Lötmaterial der vorliegenden Erfindung. Bismut weist eine Schmelztemperatur von 271 °C auf. Bei dieser Temperatur weist festes Bismut eine Dichte von 0,67 kg/dm auf. Bei dieser Schmelztemperatur weist flüssiges Bismut eine Dichte von 10,0 kg/dm auf. Unter Berücksichtigung der Gleichung zur Bestimmung der Dichte d = m : v, beträgt das durch Bismut besetzte Volumen, falls in einem festen oder flüssigen Zustand, v = m × d. Die Masse des Lötmittels ändert sich nicht, egal ob sich das Lötmittel in einem flüssigen, festen oder multiphasen Zustand befindet. Die Masse ist konstant. Daher ist das Volumen oder der Raum den das Lötmittel einnimmt bei 271 °C für festes Bismut größer als für flüssiges Bismut. Im Wesentlichen dehnt sich Bismut aus, wenn es sich von einem flüssigen zu einem festen Zustand umwandelt, d.h. wenn Bismut abgekühlt. Andere Metalle die eine derartige Beschaffenheit oder Eigenschaft aufweisen umfassen Gallium und Antimon.
Ein bevorzugtes Lötmittel der vorliegenden Erfindung umfasst um 95% Bismut und um 5% Antimon. Ein Phasendiagramm für ein Bismut und Antimon Lötmittel wird nun hinsichtlich der 5 gezeigt. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist bei ungefähr 100% Bismut die Temperatur, bei welcher das Lötmittel sich von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit und umgekehrt umwandelt, ungefähr die Schmelztemperatur von Bismut, d.h. um 271 °C. So wie der prozentuale Anteil von Antimon von 0 auf 10% ansteigt, treten zwei Änderungen ein. Zuerst steigt ein unteres Ende eines Schmelzbereichs von ungefähr 217°C bis ungefähr 292°C. Zweitens steigt ein Bereich von Temperaturen, in denen das Lötmittel schmilzt oder multiphasig vorliegt, von ungefähr einem 0°C Bereich bis zu einem ungefähr 58°C Bereich. Daher tritt mit reinem Bismut die Ausdehnung bei ungefähr einer Temperatur auf, wohingegen für beispielsweise 95% Bismut und 5% Antimon die Ausdehnung entlang einem Bereich von Temperaturen von ungefähr 282°C bis ungefähr 312°C auftritt. Bei 282°C ist das Lötmittel im Wesentlichen fest und vollständig ausgeweitet. Bei ungefähr 312°C oder höher ist das Lötmittel im Wesentlichen flüssig und nimmt ein geringeres Volumen ein. Dazwischen liegt das Lötmittel in einem multiphasen Zustand vor und das Lötmittel nimmt ein Volumen ein, das ansteigt wenn die Temperatur auf 282°C sinkt.
Das erfindungsgemäße Lötmittel stellt den Sicherungen 10, 50 und 100 einen zweiten Vorzug bereit. Die Sicherungen sind in einer Ausführungsform, wie vorstehend erörtert und aus den 1 bis 4 ersichtlich, Oberflächen befestigt oder anderweitig auf einer PCB befestigt. In dem in den 2 bis 4 gezeigten Aufbau ist das Lötmittel für gewöhnlich auf Unterlagen bzw. Lötaugen mit einer Lötmittelpaste mittels einem Beschickungsgerät (pick and place machine) platziert. Die die Sicherung oder Komponente tragende PCB wird anschließend durch einen Ofen, den so genannten Aufschmelzofen, geschickt. Der Aufschmelzofen erhitzt die PCB und Sicherung auf eine Temperatur bei der die Lötmittelpaste, auf welcher sich die Sicherung 10, 50 oder 100 befindet, geschmolzen wird. Die Lötmittelpaste schmilzt oder fließt wieder, wenn sich die PCB durch den Ofen bewegt. Danach kühlt die PCB und Komponenten ab, was der Lötmittelpaste ein Härten und ein Anbringen der Komponente oder Sicherung an die PCB ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform verlaufen Stifte oder Adern von den Abschlusskappen 14 und 16. Die Stifte oder Adern werden durch Öffnung in die PCB eingefügt. Die Platte wird anschließend durch eine Maschine, eine Wellen-Lötanlage genannt, geschickt, die ein oder zwei Wellen (waves) oder Bäder geschmolzenen Lötmittels aufweisen kann. Das Lötmittel aus den Bädern bewegt sich (wicks up) durch die Öffnungen in die PCB, in die die Stifte eingefügt sind. Das Lötmittel der Wellen-Lötanlage erzeugt Lötmittelverbindungen, die die Komponente an der PCB an der PCB hält, nachdem die PCB eine oder mehrere Wellen passiert.
Beides, Aufschmelz- und Wellenlöten, unterwerfen die PCB einem vergleichsweise intensiven Erhitzen. Bei Aufschmelzlöten wird die PCB kontinuierlich erhitzt, so wie sie durch den Heizofen bewegt wird. Bei dem Wellenlöten erhitzt das Lötmittel die Platten und die auf den Platten befindlichen Komponenten. Die Wellenlötmaschinen erhitzen ebenso die PCBs bevor die PCBs über die Welle bewegt werden, um den Temperaturschock durch das geschmolzene Lötmittel zu verringern.
In der Vergangenheit umfassten die Lötmittel Blei, die in der Aufschmelzpaste ebenso wie in den Wellen-Lötbädern verwendet wurden. Ein äußerst übliches Lötmittel ist ein 63/37 Zinn zu Blei Lötmittel. Das Vorliegen von Blei verursacht, dass die Schmelztemperatur des entstehenden Lötmittels um 183°C beträgt. Neuerdings haben Platten-Monteure die Verwendung von bleifreien Lötmitteln aufgrund umweltbedingter Probleme versucht, die die Verwendung von bleihaltigen Lötmitteln und die Beseitigung seiner Schlacke (Oxidationsprodukt) umfassen. Bleifreie Lötmittel können aus reinem Zinn oder Zinn zusammen mit anderen Metallen, wie beispielsweise Silber, Kupfer und Antimon, bestehen. Die Schmelztemperaturen der bleifreien Lötmittel sind höher. Die Schmelztemperaturen von bleifreien Lötmitteln betragen für gewöhnlich ungefähr 217°C bis 232°C.
Eine Befürchtung besteht darin, dass die Schmelztemperatur des Lötmittels für den äußerlichen oder Plattenzusammenbau steigt, wobei sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass innere Lötmittelbereiche (wie beispielsweise die Lötmittelbereiche 30a und 30b der Sicherungen 10, 50 und 100) beim Zusammenbau der Komponente oder Sicherung mit der PCB schmelzen können oder flüssig werden. Eine derartige Situation kann, wie aus den 2 bis 4 ersichtlich, verursachen, dass die Sicherungselemente 32, 34 oder 35 frei werden oder sich von den Abschlusskappen 14 und 16 entfernen. Freies, flüssiges Lötmittel kann ebenso einen versehentlichen Kurzschluss erzeugen. In jedem Fall wird die Komponente beschädigt. Das beschädigte Teil muss erkannt, entfernt und ersetzt werden. Es sollte daher klar sein, das innere Lötmittel höhere Schmelztemperaturen aufweisen müssen, um der Erhitzung der Komponente während dem äußeren Löten der Komponente an die PCB zu widerstehen.
Bismut weist eine vergleichsweise hohe Schmelztemperatur auf. Die Zugabe von Antimon erhöht die Schmelztemperatur sogar noch weiter, wie aus der 5 ersichtlich ist. Andere Zusätze können anstelle oder statt Antimon, wie beispielsweise Silber und andere Metalle mit hohen Schmelztemperaturen, verwendet werden. Andere Metalle können weiterhin zu dem Lötmittel und dem Komponenten der vorliegenden Erfindung zugegeben werden (beispielsweise bis zu einem Prozent des Lötmittels), um beispielsweise die Benetzbarkeit oder Lauffähigkeit (wickability) des Lötmittels, die sich ergebende Stärke der Lötmittelverbindung und Oxidationsbeständigkeit des Lötmittels zu erhöhen. In einer Ausführungsform umfasst das Lötmittel mindestens 90% Bismut oder ein anderes dehnbares Metall. Der Hauptbestandteil der Reste des Lötmittels besteht hauptsächlich aus einem die Schmelztemperatur erhöhendem Element, wie beispielsweise Antimon oder Silber. Andere Kombinationen von Metallen oder prozentualen Anteilen sind möglich. Ein Lötmittel, das irgendeine nennenswerte Menge eines dehnbaren Metalls umfasst, wie beispielsweise Bismut oder Gallium, kann den Dehnungsvorteil der Komponente der vorliegenden Erfindung bereitstellen. Wenn das Lötmittel ausschließlich zu diesem Zweck verwendet wird, muss die Menge an Bismut oder eines anderen ausdehnenden Lötmittels nicht so groß sein.
Es sollte klar sein, das verschiedene Änderungen und Abwandlungen der hierin beschriebenen, vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen dem Fachmann ersichtlich sein werden. Derartige Änderungen und Abwandlungen können vorgenommen werden ohne vom Sinn oder Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen und ohne ihre beabsichtigten Vorteile zu verringern. Es ist daher beabsichtigt, dass derartige Änderungen und Abwandlungen durch die beigefügten Ansprüche gedeckt werden.

Claims

Eine Sicherung, umfassend: ein Isoliergehäuse; leitende Abschlusskappen, die auf dem Isoliergehäuse positioniert sind; ein Sicherungselement, das mit den Abschlusskappen leitend in Verbindung steht; und Lötmittel, das sich zwischen dem Isoliergehäuse und den Abschlusskappen befindet, wobei das Lötmittel bei einem Übergang von einem flüssigen zu einem festen Zustand ausdehnt, um so ein Halten der leitenden Abschlusskappen an dem Isoliergehäuse zu unterstützen.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin das Isoliergehäuse aus mindestens einem Material eines Typs ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem keramischen Material, einem Glasmaterial und einem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin das Sicherungselement eine Eigenschaft umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (i) umflechtet, (ii) spiralförmig umwunden, (iii) einzelsträngig, (iv) serpentinenförmig, (v) diagonal hinsichtlich dem Isoliergehäuse und (vi) aus einem ersten leitenden Material sein, das zumindest teilweise mit einem zweiten leitenden Material beschichtet ist.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin die leitenden Abschlusskappen mindestens eine Eigenschaft umfassen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (i) fünfseitig, (ii) offen-endig, (iii) mit mindestens einer leitenden Beschichtung beschichtet, (iv) zum Erstellen einer Presspassung mit dem Gehäuse abgemessen, (v) zum Bereitstellen einer kleinen Spielpassung mit dem Gehäuse abgemessen, und (vi) zumindest teilweise inner mit Lötmittel vor einem Zusammenbau beschichtet sein.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin das Lötmittel mindestens ein Element umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bismut, Antimon, Silber und Gallium.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin das Lötmittel bleifrei ist.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin das Lötmittel ein Element umfasst, das mindestens eine Lötmitteleigenschaft verbessert, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (i) Benetzbarkeit, (ii) Verbindungsstärke und (iii) Oxidationsbeständigkeit.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin das Lötmittel mindestens neunzig Prozent Bismut umfasst.
Die Sicherung nach Anspruch 8, worin das Lötmittel weiterhin Antimon umfasst.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin das Lötmittel eine Schmelztemperatur höher als 217°C aufweist.
Die Sicherung nach Anspruch 1, worin die Sicherung eine Sicherung zur Oberflächenbefestigung ist.
Eine Sicherung, umfassend: ein Isoliergehäuse; leitende Abschlusskappen, die auf dem Isoliergehäuse positioniert sind; ein Sicherungselement, das mit den Abschlusskappen leitend in Verbindung steht; und Lötmittel, das sich zwischen dem Isoliergehäuse und den Abschlusskappen befindet, wobei das Lötmittel größtenteils Bismut umfasst.
Die Sicherung nach Anspruch 12, worin das Lötmittel in den Abschlusskappen vor einem Zusammenbau der Abschlusskappen mit dem Isoliergehäuse gesichert ist.
Die Sicherung nach Anspruch 12, worin das Lötmittel mindestens ein zusätzliches Element umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Antimon, Silber und Gallium.
Die Sicherung nach Anspruch 12, worin das Lötmittel eine Komponente umfasst, die mindestens eine Lötmitteleigenschaft verbessert, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus (i) Benetzbarkeit, (ii) Verbindungsstärke und (iii) Oxidationsbeständigkeit.
Die Sicherung nach Anspruch 12, worin das Lötmittel ein erstes Lötmittel ist und eine Schmelztemperatur höher als eine Schmelztemperatur eines zweiten Lötmittels aufweist, das zum Befestigen der Sicherung an eine Leiterplatte verwendet wird.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Sicherung, umfassend: Bereitstellen eines Isolierkörpers und Abschlusskappen mit Abmessungen, um ein Sicherungselement aufzunehmen; und Ermöglichen von Lötmittel, das bei einem Übergang von einem flüssigen Zustand zu einem festen Zustand ausdehnt, einen derartigen Übergang zwischen dem Körper und den Abschlusskappen zu machen, worin die Ausdehnung eine Kraft zwischen den Abschlusskappen und dem Körper bereitstellt.
Das Verfahren nach Anspruch 17, welches ein Eingreifen des Sicherungselements und der Abschlusskappen in elektrischer Verbindung umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, worin die Kraft eine erste haltende Kraft ist und welche ein Bereitstellen einer zweiten haltenden Kraft zwischen den Abschlusskappen und dem Körper umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, welches ein Plattieren von mindestens einem des Körpers und der Abschlusskappen mit dem Lötmittel vor einem Ermöglichen der Lötmittelausdehnung umfasst.