DE102006008720A1 - Polymermatrixsicherung-Vorrichtung mit niedrigem Widerstand und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Eine Sicherungsvorrichtung mit niedrigem Widerstand und Verfahren zum Herstellen enthalten eine erste Zwischenisolationsschicht, eine zweite Zwischenisolationsschicht und eine freistehende Sicherungselementschicht, die unabhängig von der ersten Zwischenisolationsschicht und der zweiten Zwischenisolationsschicht ausgebildet und hergestellt wird. Die Sicherungselementschicht enthält eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche und eine Schmelzsicherungsverbindung, die sich zwischen ihnen erstreckt. Die erste Zwischenisolationsschicht und die zweite Zwischenisolationsschicht erstrecken sich an gegenüberliegenden Seiten der freistehenden Sicherungselementschicht und werden miteinander mit der Sicherungselementschicht dazwischen laminiert.

Description

  • VERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzungsanmeldung der US-Anmeldung mit der Serien-Nr. 10/767,027, die am 29. Januar 2004 eingereicht wurde und die eine Teilfortsetzungsanmeldung der US-Anmeldung mit der Serien-Nr. 10/339,114 ist, die am 09. Januar 2003 eingereicht wurde und die den Vorteil der vorläufigen Anmeldung mit der Serien-Nr. 60/348,098 beansprucht, die am 10. Januar 2002 eingereicht wurde.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Sicherungen und insbesondere Sicherungen, die Foliensicherungselemente verwenden.
  • Sicherungen werden weit verbreitet als Überstromschutzvorrichtungen verwendet, um eine kostenintensive Beschädigung elektrischer Schaltungen vermeiden zu können. Typischerweise bilden Sicherungsanschlüsse oder -kontakte eine elektrische Verbindung zwischen einer elektrischen Versorgungsquelle und einer elektrischen Komponente oder einer Kombination aus Komponenten, die in einer elektrischen Schaltung angeordnet sind. Mindestens eine Sicherungsverbindung oder ein Schmelzsicherungselement oder eine Sicherungselementvorrichtung ist zwischen den Sicherungsanschlüssen oder -kontakten derart verbunden, dass, wenn ein elektrischer Strom durch diese Sicherung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, die Sicherungselemente schmelzen, sich zersetzen, sich trennen oder sonst wie die Schaltung öffnen, die mit der Sicherung verbunden ist, um eine Beschädigung einer elektrischen Komponente zu verhindern.
  • Die starke Zunahme elektrischer Bauelemente in der letzten Zeit hat erhöhte Anforderungen an die Sicherungstechnologie ergeben. Zum Beispiel enthält eine herkömmliche Sicherung ein Drahtsicherungselement (oder in Alternative ein gestanztes und/oder geformtes Metallsicherungselement), das in einem Glaszylinder oder einer Glasröhre eingeschlossen ist und in der Luft innerhalb der Röhre hängt. Das Sicherungselement erstreckt sich zwischen leitenden Endkappen, die an der Röhre angeordnet sind, für die Verbindung mit einer elektronischen Schaltung. Wenn sie mit gedruckten Leiterplatten in elektrischen Anwendungen verwendet werden, müssen die Sicherungen typischerweise ziemlich klein sein, was zu Herstellungs- und Installationsschwierigkeiten für diese Typen von Sicherungen führt, wodurch Herstellungs- und Zusammenbaukosten für das gesicherte Produkt ansteigen.
  • Weitere Typen von Sicherungen enthalten eine abgeschiedene Metallisierung auf einem organischen, dielektrischen Hochtemperatur-Substrat (z.B. FR-4, Phenol oder eine anderes Material auf Polymer-Basis), um ein Sicherungselement für elektronische Anwendungen auszubilden. Das Sicherungselement kann aus der Gasphase bzw. Dampfphase abgeschieden werden, per Siebdruck hergestellt werden, elektrogalvanisiert werden oder auf das Substrat unter Verwendung bekannter Techniken aufgetragen werden und die Sicherungselementgeometrie kann durch chemisches Ätzen oder Laserabstimmen der metallisierten Schicht, die das Sicherungselement bildet, variiert bzw. geändert werden. Während eines Überstromzustands tendieren diese Typen von Sicherungen jedoch dazu, Wärme von dem Sicherungselement in das Substrat zu leiten, wodurch ein Nennstrom der Sicherung erhöht wird und auch der elektrische Widerstand der Sicherung erhöht wird, was unerwünscht elektronische Schaltungen mit niedriger Spannung beeinflussen bzw. beeinträchtigen kann. Zudem kann eine Kohlenstoff-Kriechwegbildung bzw. Carbon Tracking auftreten, wenn das Sicherungselement in enger Nähe zu einem dielektrischen Substrat ist oder direkt auf einem dielektrischen Substrat aufgetragen ist. Eine Kohlenstoff-Kriechwegbildung lässt nicht zu, dass die Sicherung vollständig die Schaltung entkoppelt bzw. abtrennt oder öffnet, wofür die Sicherung eigentlich vorgesehen ist.
  • Noch weitere Sicherungen verwenden ein keramisches Substrat mit einem gedruckten, leitenden Dickfilmmaterial, zum Beispiel leitende Tinte bzw. Druckfarbe, das ein geformtes Sicherungselement und leitende Abschnitte für die Verbindung mit einer elektrischen Schaltung ausbildet. Die Unfähigkeit, die Druckdicke und Geometrie zu steuern, kann jedoch zu einer unannehmbaren Schwankung der Sicherungsvorrichtungen führen. Auch wird das leitende Material, das das Sicherungselement ausbildet, typischerweise bei hohen Temperaturen durchgebrannt, sodass ein Hochtemperatur-Keramiksubstrat verwendet werden muss. Diese Substrate neigen jedoch dazu, als Wärmesenke in einem Überstromzustand zu arbeiten, sie leiten Wärme weg von dem Sicherungselement und erhöhen den elektrischen Widerstand der Sicherung.
  • In vielen Schaltungen ist ein hoher Sicherungswiderstand entgegengesetzt zu der Funktion der aktiven Schaltungskomponenten und in bestimmten Anwendungen können Spannungseffekte aufgrund des Sicherungswiderstands die aktiven Schaltungskomponenten funktionslos machen.
    •
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform weist eine Sicherung mit niedrigem Widerstand eine erste Zwischenisolationsschicht, eine zweite Zwischenisolationsschicht und eine freistehende Sicherungselementschicht auf, die unabhängig von sowohl der ersten Zwischenisolationsschicht als auch der zwei ten Zwischenisolationsschicht ausgebildet und hergestellt wird. Die Sicherungselementschicht umfasst eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche und eine schmelzbare Verbindung bzw. Schmelzsicherungsverbindung, die sich zwischen ihnen erstreckt. Die erste Zwischenisolationsschicht und die zweite Zwischenisolationsschicht erstrecken sich auf gegenüberliegenden Seiten der freistehenden Sicherungselementschicht und sind miteinander mit der Sicherungselementschicht dazwischen laminiert bzw. geschichtet verbunden.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Sicherung mit niedrigem Widerstand bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer ersten Zwischenisolationsschicht, das Bereitstellen einer vorgeformten Sicherungselementschicht, die von der ersten Zwischenschicht getrennt ist, und das klebende Laminieren einer zweiten Zwischenisolationsschicht auf die erste Zwischenisolationsschicht über der Sicherungselementschicht. Die zuvor ausgebildete Sicherungselementschicht hat eine Sicherungsverbindung bzw. Schmelzsicherungsverbindung, die sich zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche bzw. Kontaktpad erstreckt.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Sicherung mit niedrigem Widerstand bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer ersten Zwischenisolationsschicht mit einer Sicherungselementöffnung, die davor darin ausgebildet wird, das Bereitstellen einer vorgeformten Sicherungselementschicht, die getrennt von der ersten Zwischenschicht ist, und das klebende Laminieren einer zweiten Zwischenisolationsschicht auf der ersten Zwischenisolationsschicht mit der Sicherungselementschicht, die sich zwischen ihnen erstreckt, und das Anlegen eines M-Fleckens an die Sicherungsverbindung durch die Sicherungselementöffnung, nachdem die zweite Zwischenisolations schicht auf die erste Zwischenschicht auflaminiert worden ist. Die vorher ausgebildete Sicherungselementschicht hat eine Sicherungsverbindung bzw. Schmelzsicherungsverbindung, die sich zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche erstreckt.
  • Gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform umfasst eine Sicherung mit niedrigem Widerstand eine erste Zwischenisolationsschicht und eine zweite Zwischenisolationsschicht und die erste Zwischenisolationsschicht und/oder die zweite Zwischenisolationsschicht umfassen vorher ausgebildete Öffnungen durch sie hindurch. Eine dünne Foliensicherungselementschicht wird separat von der ersten Zwischenisolationsschicht und der zweiten Zwischenisolationsschicht ausgebildet und die erste Zwischenisolationsschicht und die zweite Zwischenisolationsschicht erstrecken sich auf gegenüberliegenden Seiten der Sicherungselementschicht und werden damit gekoppelt. Ein Lichtbogenlöschmedium bzw. Arc Quenching Media ist innerhalb der vorher ausgebildeten Öffnung angeordnet und umgibt die Sicherungselementschicht innerhalb der Öffnung.
    •
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Foliensicherung;
  • 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Sicherung, die in 1 gezeigt ist;
  • 3 ist ein Prozessflussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen der Sicherung, die in 1 und 2 gezeigt ist;
  • 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Foliensicherung;
  • 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer dritten Ausführungsform einer Foliensicherung;
  • 6 bis 10 sind obere Draufsichten auf die Sicherungselementgeometrien für die Sicherungen, die in 1 bis 5 gezeigt sind;
  • 11 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer vierten Ausführungsform einer Sicherung;
  • 12 ist ein Prozessflussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen der Sicherung, die in 11 gezeigt ist;
  • 13 ist eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform einer Sicherung;
  • 14 ist eine Explosionsansicht einer Sicherung, die in 13 gezeigt ist;
  • 15 ist eine Explosionsansicht einer sechsten Ausführungsform einer Sicherung;
  • 16 ist eine Explosionsansicht einer siebten Ausführungsform einer Sicherung;
  • 17 ist eine schematische Ansicht einer achten Ausführungsform einer Sicherung;
  • 18 ist eine obere Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Sicherungselements;
  • 19 ist eine obere Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Sicherungselements;
  • 20 ist eine Explosionsansicht einer Sicherungsherstellung;
  • 21 ist eine Explosionsansicht einer weiteren exemplarischen Ausführungsform einer Sicherung mit niedrigem Widerstand;
  • 22 ist ein exemplarisches Prozessflussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen der Sicherung, die in 21 gezeigt ist;
  • 23 ist ein exemplarisches Prozessflussdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Herstellen einer Sicherung mit einem niedrigem Widerstand;
  • 24 ist ein Prozessflussdiagramm eines weiteren exemplarischen Verfahrens zum Herstellen einer Sicherung mit niedrigem Widerstand;
  • 25 ist ein Prozessflussdiagramm eines weiteren exemplarischen Verfahrens der Herstellung einer Sicherung mit niedrigem Widerstand; und
  • 26 ist eine Explosionsansicht einer weiteren exemplarischen Sicherungsausführungsform einer Sicherung mit niedrigem Widerstand.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Foliensicherung 10 bzw. Metallfoliensicherung in Übereinstimmung mit einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wegen der unten erläuterten Gründe wird davon ausgegangen, dass die Sicherung 10 mit niedrigeren Kosten als herkömmliche Sicherungen herstellbar ist, während bemerkenswerte Leistungsvorteile bereitgestellt werden. Zum Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Sicherung 10 einen reduzierten Widerstand im Vergleich zu bekannten, vergleichbaren Sicherungen und einen erhöhten Isolationswiderstand hat, nachdem die Sicherung ausgelöst worden ist. Diese Vorteile werden zumindest teilweise durch Verwendung von dünnen Metallfolienmaterialien zur Ausbildung einer schmelzbaren Verbindung bzw. Schmelzsicherungsverbindung und durch Kontaktanschlüsse erreicht, die auf Polymerfilmen angebracht sind. Zum Zwecke der Beschreibung wird hier davon ausgegangen, dass dünne Metallfolienmaterialien in einem Bereich der Dicke von ungefähr 1 bis ungefähr 100 μm, genauer von ungefähr 1 bis ungefähr 20 μm und in einer besonderen Ausführungsform von ungefähr 3 bis ungefähr 12 μm bemessen sind.
  • Obwohl mindestens eine Sicherung gemäß der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft herausgefunden wurde, wenn sie mit dünnen Metallfolienmaterialien hergestellt wird, wird in Erwägung gezogen, dass andere Metallisierungstechniken auch von Vorteil sein können. Zum Beispiel können für niedrige Sicherungsnennwerte, die weniger als 3 bis 5 μm der Metallisierung zum Ausbilden des Sicherungselements benötigen, Dünnfilmmaterialien gemäß Techniken, die im Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden, die gesputterte Metallfilme enthalten, aber nicht darauf beschränkt sind. Es ist weiterhin von Vorteil, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung auch auf Aufbauten mit stromlosem Metallisieren und auf Dickfilm-Siebdruckaufbauten anwendbar sind. Die Sicherung 10 wird deshalb nur zum Zwecke der Erläuterung beschrieben und die Beschreibung der Sicherung 10 ist hier nicht dafür vorgesehen, Merkmale der Erfindung auf die speziellen Merkmale der Sicherung 10 zu beschränken.
  • Die Sicherung 10 hat einen geschichteten Aufbau, der im Detail unten stehend beschrieben wird, und enthält ein Foliensicherungselement (nicht gezeigt in 1), das sich elektrisch zwischen und in leitender Beziehung zu Lötkontakten 12 (die manchmal auch als Löterhebung bezeichnet werden) erstreckt. Die Lötkontakte 12 werden bei der Verwendung mit Anschlüssen, Kontaktflächen oder Schaltungsanschlüssen einer gedruckten Leiterplatte (nicht gezeigt) gekoppelt, um eine elektrische Schaltung durch die Sicherung 10 einzurichten oder genauer durch das Sicherungselement. Wenn Strom, der durch diese Sicherung 10 fließt, unannehmbare Grenzwerte erreicht, in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Sicherungselements und bestimmten Materialien, die bei der Herstellung der Sicherung 10 verwendet werden, schmilzt das Sicherungselement, zer setzt sich oder öffnet sonst wie die elektrische Schaltung durch die Sicherung und verhindert eine kostenaufwendige Beschädigung elektrischer Komponenten in der Schaltung, die mit der Sicherung 10 verbunden ist.
  • In einer erläuterten Ausführungsform ist die Sicherung 10 im Allgemeinen rechtwinklig in der Form und enthält eine Weite W, eine Länge L und eine Höhe H, die für die Oberflächenmontage der Sicherung 10 auf einer gedruckten Leiterplatte geeignet sind, während ein geringer Raum besetzt wird. Zum Beispiel ist L in einer bestimmten Ausführungsform ungefähr 0,060 Inch und W ist ungefähr 0,030 Inch und H ist erheblich kleiner als L oder W, um ein niedriges Profil der Sicherung 10 aufrechtzuerhalten. Wie weiter unten ersichtlich wird, ist H ungefähr gleich der kombinierten Dicke der verschiedenen Schichten, die verwendet werden, um die Sicherung 10 herzustellen. Es ist jedoch ersichtlich, dass tatsächliche Abmessungen der Sicherung 10 zwischen den erläuternden Abmessungen, die hier angegeben werden, zu größeren oder kleineren Abmessungen variieren können, einschließlich Abmessungen von mehr als einem Inch, ohne dass vom Bereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
  • Es ist auch ersichtlich, dass mindestens einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung erreicht werden können, indem andere Sicherungsanschlüsse als die gezeigten Lötkontakte 12 zum Verbinden der Sicherung 10 mit der elektrischen Schaltung verwendet werden. Zum Beispiel können Kontaktdrähte (d.h. Drahtanschlüsse), Wickelanschlüsse, Anschlüsse mit Eintauchmetallisierung, metallisierte bzw. galvanisierte Anschlüsse, Kronenkontakte und andere bekannte Verbindungen als Alternativen zu Lötkontakten 12 verwendet werden, wie es benötigt wird oder gewünscht wird.
  • 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Sicherung 10, die verschiedene Schichten zeigt, die bei der Herstellung der Sicherung 10 verwendet werden. Genauer ist in einer exemplarischen Ausführungsform die Sicherung 10 im wesentlichen mit fünf Schichten aufgebaut, die eine Foliensicherungselementschicht 20 enthalten, die zwischen einer oberen Zwischenisolationsschicht 22 und einer unteren Zwischenisolationsschicht 24 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen einer oberen, äußeren Isolationsschicht 26 und einer unteren, äußeren Isolationsschicht 28 sandwichartig angeordnet sind.
  • Die Foliensicherungselementschicht 20 ist in einer Ausführungsform eine elektrisch abgelagerte, 3–5 μmdicke Kupferfolie, die auf der unteren Zwischenschicht 24 gemäß bekannten Techniken aufgetragen wird. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Folie eine CopperBond® Extra Thin Foil, die von Olin, Inc. erhältlich ist und die dünne Sicherungselementschicht 20 ist in der Form eines Großbuchstabens I mit einer schmalen Sicherungsverbindung 30 bzw. Schmelzsicherungsverbindung ausgebildet, die sich zwischen rechtwinkligen Kontaktflächen 32, 34 bzw. Kontaktabschnitten erstreckt. Die Sicherungsverbindung 30 ist derart ausgelegt, dass sie sich öffnet, wenn Strom, der durch die Sicherungsverbindung 30 fließt, einen bestimmten Wert erreicht. Zum Beispiel ist in einer exemplarischen Ausführungsform die Sicherungsverbindung 30 ungefähr 0,003 Inch weit bzw. breit, sodass die Sicherung bei weniger als 1 Ampere arbeitet bzw. auslöst. Es sollte verstanden werden, dass jedoch in alternativen Ausführungsformen verschiedene Abmessungen der Sicherungsverbindung verwendet werden können und dass die dünne Sicherungselementschicht 20 aus anderen Metallfolien hergestellt werden kann, einschließlich Nickel, Zink, Zinn, Aluminium, Silber, Legierungen davon (z.B. Kupfer/Zinn, Silber/Zinn und Kupfer/Silberlegierungen), aber nicht darauf beschränkt ist, und aus anderen leitenden Folien materialien anstelle einer Kupferfolie. In alternativen Ausführungsformen können 9 μm oder 12 μm dicke Folienmaterialien verwendet werden und chemisch geätzt werden, um die Dicke der Sicherungsverbindung zu reduzieren. Zusätzlich kann eine M-Effekt-Sicherungstechnik in weiteren Ausführungsformen verwendet werden, um den Betrieb der Sicherungsverbindung zu verbessern.
  • Wie es für Fachleute ersichtlich ist, ist die Leistungsfähigkeit der Sicherungsverbindung (z.B. die Kurzschlussfähigkeit und die Unterbrechungsfähigkeit) abhängig und primär bestimmt durch die Schmelztemperatur der Materialien, die verwendet werden, und durch die Geometrie der Sicherungsverbindung und durch eine Variation dieser Größen kann eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Sicherungsverbindungen erhalten werden, die unterschiedliche Leistungen bzw. Eigenschaften haben. Zudem können sich mehrere Sicherungsverbindungen parallel erstrecken, um die Sicherungseigenschaften weiter variieren zu können. In einer solchen Ausführungsform können sich vielfache Sicherungsverbindungen parallel zwischen Kontaktflächen in einer einzelnen Sicherungselementschicht oder in vielfachen Sicherungselementschichten erstrecken oder mehrere Sicherungselementschichten können einschließlich der Sicherungsverbindungen verwendet werden, die sich parallel zueinander in einem vertikal gestapelten Aufbau erstrecken.
  • Um Materialien zum Herstellen einer Sicherungselementschicht 20 auszuwählen, die den gewünschten Sicherungselementnennwert hat, oder um einen Sicherungselementnennwert zu bestimmen, der aus den ausgewählten Materialien hergestellt wird, wurde es bestimmt, dass die Sicherungsleistungsfähigkeit primär von drei Parametern abhängig ist, die die Sicherungselementgeometrie, die thermische Leitfähigkeit der Materialien, die das Sicherungselement umgeben, und eine Schmelztemperatur des Sicherungsmetalls einschließen. Es wurde bestimmt, dass jeder dieser Parameter die Zeit-zu-Stromeigenschaften der Sicherung bestimmt. Durch ein sorgfältiges Auswählen der Materialien der Sicherungselementschicht, der Materialien, die die Sicherungselementschicht umgeben, und der Geometrie bzw. der Abmessungen der Sicherungselementschicht können deshalb Sicherungen mit einem annehmbar niedrigen Widerstand hergestellt werden.
  • Zuerst wird die Geometrie des Sicherungselements 20 betrachtet und zum Zwecke der Erläuterung werden die Eigenschaften einer exemplarischen Sicherungselementschicht analysiert. Zum Beispiel zeigt 6 eine ebene Ansicht einer relativ einfachen Sicherungselementgeometrie, die beispielhafte Abmessungen enthält.
  • Gemäß 6 wird eine Sicherungselementschicht in der allgemeinen Form eines Großbuchstabens I auf einer Isolationsschicht ausgebildet. Die Sicherungseigenschaften der Sicherungselementschicht werden von der elektrischen Leitfähigkeit (ρ) des Metalls, das die Sicherungselementschicht bildet, durch die Abmessungseigenschaften der Sicherungselementschicht (d.h. der Länge und der Weite des Sicherungselements) und der Dicke der Sicherungselementschicht bestimmt. In einer erläuternden Ausführungsform wird die Sicherungselementschicht 20 aus einer Kupferfolie mit 3 μm Dicke ausgebildet, die einen Schichtwiderstand (gemessen für eine Dicke von 1 μm) von 1/ρ·cm oder ungefähr 0,016779 Ω/⎕ hat, wobei ⎕ ein Dimensionsverhältnis des betrachteten Sicherungselementsabschnitts ist, der in "Quadraten" ausgedrückt ist.
  • Zum Beispiel, wenn man das Sicherungselement, das in 6 gezeigt ist, betrachtet, enthält das Sicherungselement drei unterschiedliche Segmente, die mit den Abmessungen l1 und w1, entsprechend dem ersten Segment, l2 und w2, entsprechend dem zweiten Segment, und l3 und w3, entsprechend dem dritten Segment, gekennzeichnet sind. Durch Summieren der Quadrate in den Segmenten kann der Widerstand der Sicherungselementschicht ungefähr in einer ziemlich direkten Art und Weise bestimmt werden. Für das Sicherungselement, das in 6 gezeigt ist, gilt somit: Anzahl der Quadrate = (l1/w1 + l2/w2 + l3/w3) = (10/20 + 30/4 + 10/20) = 8,5 ⎕'e. (1)
  • Nachfolgend wird der elektrische Widerstand (R) der Sicherungselementschicht gemäß der nachfolgenden Beziehung bestimmt: Sicherungselement R = (Schichtwiderstand)·(Anzahl ⎕'e)/T (2)wobei T die Dicke der Sicherungselementschicht ist. Wenn man mit dem vorhergehenden Beispiel fortfährt und die Gleichung (2) anwendet, folgt: Sicherungselementwiderstand = (0,016779 Ω/⎕)·(8,5 ⎕)/3 = 0,0475 Ω.
  • Natürlich kann ein Sicherungselementwiderstand einer komplizierteren Geometrie auf ähnliche Art und Weise bestimmt werden.
  • Es wird nun die thermische Leitfähigkeit der Materialien betrachtet, die die Sicherungselementschicht umgeben, wobei für Fachleute ersichtlich ist, dass der Wärmefluss (H) zwischen Untervolumen von unähnlichem Material durch die Beziehung bestimmt wird:
    Figure 00150001
    wobei Km,n die thermische Leitfähigkeit des ersten Untervolumens des Materials ist; Km+1,n eine thermische Leitfähigkeit des zweiten Untervolumens des Materials ist; Z eine Dicke des Materials bei der Ausgabe ist; θ die Temperatur des Subvolumens m,n an einem ausgewählten Referenzpunkt ist; Xm,n ein erster Koordinatenort des ersten Untervolumens ist, das von dem Referenzpunkt an gemessen wird, und Yn ein zweiter Koordinatenort ist, der von dem Referenzpunkt aus gemessen wird, und Δt ein Zeitwert von Interesse ist.
  • Obwohl die Gleichung (3) in größerem Detail hier studiert werden kann, um genau die Wärmeflusseigenschaften des geschichteten Sicherungsaufbaus zu bestimmen, wird sie hier primär angegeben, um zu zeigen, dass der Wärmefluss innerhalb der Sicherung proportional zu der thermischen Leitfähigkeit der verwendeten Materialien ist. Die thermische Leitfähigkeit von einigen beispielhaften, bekannten Materialien ist in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet und es ist ersichtlich, dass durch Reduzieren der Leitfähigkeit der Isolationsschichten, die in der Sicherung um das Sicherungselement herum verwendet werden, der Wärmefluss innerhalb der Sicherung erheblich reduziert werden kann. Von besonderer Wichtigkeit ist die signifikant niedrigere, thermische Leitfähigkeit von Polyimid, das in den gezeigten Ausführungsformen der Erfindung als Isolationsmaterial über und unterhalb der Sicherungselementschicht verwendet wird.
  • Thermische Substratleitfähigkeit (W/mK)
    Figure 00150002
  • Figure 00160001
  • Nachfolgend wird die Betriebstemperatur des Sicherungsmetalls, das bei der Herstellung der Sicherungselementschicht verwendet wird, betrachtet, wobei für Fachleute ersichtlich ist, dass die Betriebstemperatur θt der Sicherungselementschicht bei einem gegebenen Zeitpunkt durch die nachfolgende Beziehung bestimmt wird: θt = (1/m·s)·∫i2Ram(1 + αθ)dt (4)wobei m die Masse der Sicherungselementschicht ist, s die spezifische Wärme des Materials, das die Sicherungselementschicht bildet, Ram der Widerstand der Sicherungselementschicht bei einer Umgebungsreferenztemperatur θ ist, i ein Strom ist, der durch die Sicherungselementschicht fließt, und α ein Widerstandstemperaturkoeffizient des Sicherungselementmaterials ist. Natürlich arbeitet die Sicherungselementschicht so, dass eine Schaltung durch die Sicherung bis zur Schmelztemperatur des Sicherungselementmaterials vervollständigt wird. Beispielhafte Schmelzpunkte von allgemein verwendeten Sicherungselementmaterialien sind in der unten stehenden Tabelle angegeben, und es wird darauf hingewiesen, dass Kupfer-Sicherungselementschichten speziell vorteilhaft in der vorliegenden Erfindung aufgrund der signifikant höheren Schmelztemperatur von Kupfer sind, was einen höheren Nennstrom des Sicherungselements zulässt.
  • Metall- und Metalllegierung-Schmelztemperaturen (°C)
    Figure 00170001
  • Es sollte nun nachvollziehbar sein, dass durch eine Betrachtung der kombinierten Effekte der Schmelztemperatur der Materialien für die Sicherungselementschicht, der thermischen Leitfähigkeit der Materialien, die die Sicherungselementschicht umgeben, und des Widerstands bzw. des spezifischen Widerstands der Sicherungselementschicht Sicherungen mit einem annehmbaren, niedrigen Widerstand hergestellt werden können, die eine Vielzahl von Leistungsfähigkeitseigenschaften haben.
  • Es wird nun wieder Bezug auf 2 genommen, in der eine obere Zwischenisolationsschicht 22 über dem Sicherungselement 20 liegt und rechtwinklige Anschlussöffnungen 36, 38 oder Fenster enthält, die sich durch sie hindurch erstrecken, um die elektrische Verbindung mit jeweiligen Kontaktflächen 32, 34 der Foliensicherungselementschicht 20 zu ermöglichen. Eine kreisförmige Sicherungsverbindungsöffnung erstreckt sich zwischen den Anschlussöffnungen 36, 38 und liegt über der Schmelzsicherungsverbindung 30 der Foliensicherungselementschicht 20.
  • Die untere Zwischenisolationsschicht 24 liegt unter der Foliensicherungselementschicht 20 und enthält eine kreisförmige Sicherungsverbindungsöffnung 42, die unter der Sicherungsverbindung 30 der Foliensicherungselementschicht 20 liegt. Somit erstreckt sich die Sicherungsverbindung 30 durch jeweilige Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 in der unteren Zwischenisolationsschicht 22 und der oberen Zwischenisolationsschicht 24 derart, dass die Sicherungsverbindung 30 keine Oberfläche der Zwischenisolationsschichten 22, 24 berührt, wenn sich die Sicherungsverbindung 30 zwischen den Kontaktflächen 32, 34 des Foliensicherungselements 20 erstreckt. Anders ausgedrückt, wenn die Sicherung 10 vollständig hergestellt ist, hängt die Sicherungsverbindung 30 effektiv in einer Lufttasche aufgrund der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 in den jeweiligen Zwischenisolationsschichten 22, 24.
  • Die Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 verhindern somit eine Wärmeübertragung zu den Zwischenisolationsschichten 22, 24, die in herkömmlichen Sicherungen zu einem erhöhten elektrischen Widerstand der Sicherung beitragen. Die Sicherung 10 arbeitet deshalb bei einem niedrigeren Widerstand als bekannte Sicherungen und folglich bewirkt sie eine geringere Schaltungsstörung als bekannte, vergleichbare Sicherungen. Zudem und ungleich bekannten Sicherungen unterbindet die Lufttasche, die durch die Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 erzeugt wird eine Lichtbogen-Kriechwegbildung und ermöglicht ein vollständiges Entkoppeln der Schaltung durch die Sicherungsverbindung 30. In einer weiteren Ausführungsform kann eine geeignet geformte Lufttasche das Belüften der Gase darin ermöglichen, wenn die Sicherungsverbindung anspricht, und eine unerwünschte Gasbildung und einen unerwünschten Druck im Inneren der Sicherung verringern. Obwohl die Öffnungen 40, 42 als im wesentlichen kreisförmig in einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt werden, können nicht-kreisförmige Öffnungen 40, 42 ähnlich verwendet werden, ohne dass vom Grundgedanken und vom Bereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Zudem wird in Erwägung gezogen, dass asymmetrische Öffnungen als Sicherungsverbindungsöffnungen in den Zwischenisolationsschichten 22, 24 verwendet werden. Es wird zudem noch weiter in Erwägung gezogen, dass die Sicherungsverbindungsöffnungen noch mit einem Feststoff oder Gas gefüllt werden können, um einen Lichtbogen-Kriechwegbildung zu unterdrücken, anstelle oder zusätzlich zu Luft, wie vorstehend beschrieben wurde.
  • In einer erläuternden Ausführungsform werden die oberen und unteren Zwischenisolationsschichten jeweils aus einem dielektrischen Film hergestellt, zum Beispiel aus Polyimid mit einer Dicke von 0,002 Inch, das kommerziell erhältlich ist und unter dem Handelsnamen KAPTON® von E. I. du Pont de Nemours and Company of Wilmington, Delaware verkauft wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass in alternativen Ausführungsformen andere geeignete, elektrische Isolationsmaterialien (Polyimid und Nicht-Polyimid), zum Beispiel CIRLEX® Polyimidlaminationsmaterialien ohne Klebstoff, UPILEX® Polyimidmaterialien, die von den Ube Industries kommerziell erhältlich sind, Pyrolux, Polyethylennaphthalendicarboxylat (manchmal als PEN bezeichnet), Zyvrex Flüssigkristallpolymermaterial, das kommerziell von der Rogers Corporation erhältlich ist, und ähnliche Materialien anstelle von KAPTON® verwendet werden können.
  • Die obere, äußere Isolationsschicht 26 liegt über der oberen Zwischenschicht 22 und enthält rechtwinklige Anschlussöffnungen 46, 48, die im wesentlichen mit den Anschlussöffnungen 36, 38 der oberen Zwischenisolationsschicht 22 zusammenfallen. Die Anschlussöffnungen 46, 48 in der oberen, äußeren Isolationsschicht 26 und die Anschlussöffnungen 36, 38 in der oberen Zwischenisolationsschicht 22 bilden zusammen jeweils Hohlräume über den dünnen Sicherungselementkontaktflächen 32, 34. Wenn die Öffnungen 36, 38, 46, 48 mit Lötzinn bzw. Lot (nicht gezeigt in 2) gefüllt sind, werden Lötkontaktflächen 12 (in 1 gezeigt) in einer leitenden Beziehung zu den Sicherungselementkontaktflächen 32, 34 zur Verbindung mit einer externen Schaltung auf, zum Beispiel einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet. Eine kontinuierliche Oberfläche 50 erstreckt sich zwischen den Anschlussöffnungen 46, 48 der oberen, äußeren Isolationsschicht 26, die über der Sicherungsverbindungsöffnung 40 der oberen Zwischenisolationsschicht 22 liegt, wodurch die Sicherungsverbindung 30 eingeschlossen und geeignet isoliert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die obere, äußere Isolationsschicht 26 und/oder die untere, äußere Isolationsschicht 28 aus durchscheinenden oder transparenten Materialien hergestellt, die eine sichtbare Anzeige einer geöffneten Sicherung innerhalb der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 ermöglichen.
  • Die untere, äußere Isolationsschicht 28 liegt unter der unteren Zwischenisolationsschicht 24 und ist fest bzw. massiv, d.h. sie hat keine Öffnungen. Die kontinuierliche, feste Oberfläche der unteren, äußeren Isolationsschicht 28 isoliert deshalb geeignet die Sicherungsverbindung 30 über der Sicherungsverbindungsöffnung 42 der unteren Zwischenisolationsschicht 24.
  • In einer veranschaulichenden Ausführungsform werden die obere und untere äußere Isolationsschichten jeweils aus einem dielektrischen Film bzw. einer dielektrischen Schicht hergestellt, z.B. einem 0,005 Inch dicken Polyimidfilm, der kommerziell erhältlich und verkauft wird unter der Marke KAPTON® von E.I. du Pont de Nemours and Company of Wilmington, Delaware. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass in alternativen Ausführungsformen andere geeignete elektrische Isolationsmaterialien wie zum Beispiel CIRLEX® Polyimidlaminationsmaterialien ohne Klebstoff, Pyrolux, Polyethylennaphthalendicarboxylat und Ähnliche verwendet werden können.
  • Zum Zwecke der Beschreibung eines beispielhaften Herstellungsverfahrens, das verwendet wird, um die Sicherung 10 herzustellen, werden die Schichten der Sicherung 10 gemäß der nachfolgenden Tabelle bezeichnet:
    Figure 00210001
  • Unter Verwendung dieser Bezeichnungen ist 3 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 60 zum Herstellen der Sicherung 10 (die in 1 und 2 gezeigt ist). Die Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) wird auf der unteren Zwischenschicht 24 (Schicht 4) gemäß bekannten Laminierungstechniken auflaminiert 62. Die Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) wird dann in eine gewünschte Form über der unteren Zwischenisolationsschicht 24 (Schicht 4) unter Verwendung bekannter Techniken geätzt 64, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, unter Verwendung einer Eisenchloridlösung. In einer exemplarischen Ausführungsform wird die Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) derart gemäß einem bekannten Ätzprozess ausgebildet, dass das Foliensicherungselement in der Form eines Großbuchstabens I übrig bleibt, wie vorstehend mit Bezug auf 2 erläutert wird. In alternativen Ausführungsformen können Stanzbearbeitungen anstelle der Ätzbearbeitungen verwendet werden, um die Sicherungsverbindung 30 und die Kontaktflächen 32, 34 auszubilden.
  • Nachdem das Ausbilden 64 bzw. Formgeben der Foliensicherungselementschicht (Schicht 3) von der unteren Zwischenisolationsschicht (Schicht 4) abgeschlossen worden ist, wird die obere Zwischenisolationsschicht 22 (Schicht 2) 66 auf die vorlaminierte Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) und die untere Zwischenisolationsschicht (Schicht 4) vom Schritt 62 gemäß bekannter Laminierungstechniken auflaminiert 66. Ein Dreischichtenlaminat wird dadurch mit der Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) ausgebildet, die zwischen den Zwischenisolationsschichten 22, 24 (Schichten 2 und 4) sandwichartig angeordnet ist.
  • Anschlussöffnungen 36, 38 und die Sicherungsverbindungsöffnung 40 (alle in 2 gezeigt) werden dann in der oberen Zwischenisolationsschicht 22 (Schicht 2) gemäß einem bekannten Ätzen, Stanzen oder Bohrprozess ausgebildet 68. Die Sicherungsverbindungsöffnung 42 (in 2 gezeigt) wird auch in der unteren Zwischenisolationsschicht 28 gemäß einem bekannten Prozess ausgebildet 68, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, durch Ätzen, Stanzen und Bohren. Die Sicherungselementschicht-Kontaktflächen 32, 34 (in 2 gezeigt) werden deshalb durch Anschlussöffnungen 36, 38 in der oberen Zwischenisolationsschicht 22 (Schicht 2) freigelegt. Die Sicherungsverbindung 30 (in 2 gezeigt) wird innerhalb der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 der jeweiligen Zwischenisolationsschicht 22, 24 (Schichten 2 und 4) freigelegt. In alternativen Ausführungsformen können ein Gesenkschneidbetrieb, Bohren und Stanzbearbeitungen und Ähnliches anstelle der Ätzbearbeitungen ausgeführt werden, um die Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 und die Anschlussöffnungen 36, 38 auszubilden.
  • Nach dem Ausbilden 68 der Öffnungen oder Fenster in den Zwischenisolationsschichten 22, 24 (Schichten 2 und 4) werden äußere Isolationsschichten 26, 28 (Schichten 1 und 5) auf die Dreischichtkombination (Schichten 2, 3 und 4) von den Schritten 66 und 68 auflaminiert 70. Die äußeren Isolationsschichten 26, 28 (Schichten 1 und 5) werden auf die drei Schichtenkombination unter Verwendung von Prozessen und Techniken, die im Stand der Technik bekannt, sind auflaminiert.
  • Nachdem die äußeren Isolationsschichten 26, 28 (Schichten 1 und 5) auflaminiert worden sind 70, um eine Fünfschichtenkombination auszubilden, werden die Anschlussöffnungen 46, 48 (gezeigt in 2) gemäß bekannten Verfahren und Techniken in der oberen, äußeren Isolationsschicht 26 (Schicht 1) derart ausgebildet 72, dass die Sicherungselementkontaktflächen 32, 34 (die in 2 gezeigt sind) durch die obere, äußere Isolationsschicht 26 (Schicht 1) und die obere Zwischenisolationsschicht 22 (Schicht 2) durch jeweilige Anschlussöffnungen 36, 38 und 46, 48 freiliegen. Die untere, äußere Isolationsschicht 28 (Schicht 5) wird dann mit Zeichen versehen 74, die zu Betriebseigenschaften der Sicherung 10 (gezeigt in 1 und 2) gehören, zum Beispiel Nennspannungen und Stromnennwerte, ein Sicherungsklassifizierungscode usw. Das Markieren 74 kann gemäß bekannten Prozessen, zum Beispiel durch Lasermarkieren, chemisches Ätzen oder Plasmaätzen, durchgeführt werden. Es ist von Vorteil, dass andere bekannte, leitende Kontaktflächen, einschließlich Nickel/Gold, Nickel/Zinn, Nickel/Zinn-Blei und mit Zinn metallisierte Flächen, aber nicht darauf beschränkt, in alternativen Ausführungsformen anstelle von Lötkontakten 12 verwendet werden können.
  • Lot bzw. Lötzinn wird dann angewandt 76, um die Lötkontakte 12 (wie in 1 gezeigt) in einer leitenden Verbindung mit den Sicherungselementkontaktflächen 32, 34 (in 2 gezeigt) zu vervollständigen. Eine elektrische Verbindung kann deshalb durch die Sicherungsverbindung 30 (in 2 gezeigt) eingerichtet werden, wenn Lötkontakte 12 mit der Leitung und elektrischen Lastverbindungen einer erregten Schaltung gekoppelt werden.
  • Während die Sicherungen 10 einzeln gemäß einem Verfahren, das bislang beschrieben worden ist, in einer erläuternden Ausführungsform hergestellt werden können, können die Sicherungen 10 zusammen in einer Blattform hergestellt werden und dann in einzelne Sicherungen 10 getrennt oder vereinzelt werden 78. Wenn sie in einem Stapelprozess bzw. Massenverfahren ausgebildet werden, können verschiedene Formen und Abmessungen der Sicherungsverbindungen 30 zur gleichen Zeit mit genauer Steuerung des Ätzens und der Schneideprozesse ausgebildet werden. Zudem können Rollenlaminierungsprozesse in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren verwendet werden, um eine große Anzahl von Sicherungen in minimaler Zeit herstellen zu können.
  • Zudem können Sicherungen, die zusätzliche Schichten enthalten, hergestellt werden, ohne dass von dem grundsätzlichen Verfahren, das hier beschrieben wird, abgewichen wird. Vielzählige Sicherungselementschichten können somit verwendet werden und/oder zusätzliche Isolationsschichten können verwendet werden, um Sicherungen mit unterschiedlichen Reaktionseigenschaften und verschiedenen Packungsgrößen herstellen zu können.
  • Sicherungen können deshalb effizient bei niedrigen Kosten und weit verbreitet erhältlichen Materialien in einem Massenprozess unter Verwendung von kostengünstigen, bekannten Techniken und Verfahren effizient hergestellt werden. Fotochemische Ätzprozesse ermöglichen eine ziemlich genaue Ausbildung der Sicherungsverbindung 30 und der Kontaktflächen 32, 34 der dünnen Sicherungselementschicht 20, auch bei sehr kleinen Sicherungen, mit einer gleichmäßigen Dicke und Leitfähigkeit um eine Streuung der erzeugten Eigenschaften bzw. Leistungsfähigkeit der Sicherungen 10 minimieren zu können. Zudem ermöglicht die Verwendung von dünnen Metallfolienmaterialien zum Ausbilden von der Sicherungselementschicht 20, Sicherungen mit einem sehr niedrigen Widerstand gegenüber bekannten, vergleichbaren Sicherungen aufzubauen.
  • 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Foliensicherung 90, die im wesentlichen ähnlich zu der Sicherung 10 ist (vorstehend beschrieben in Bezug auf 1–3), mit der Ausnahme des Aufbaus der unteren Zwischenisolationsschicht 24. Es wird darauf hingewiesen, dass die Sicherungsverbindungsöffnungen 42 (gezeigt in 2) in der unteren Zwischenisolationsschicht 24 nicht in der Sicherung 90 vorhanden ist und dass sich die Sicherungsverbindung 30 direkt über die Oberfläche der unteren Zwischenisolationsschicht 24 erstreckt. Dieser spezielle Aufbau ist ausreichend für einen Sicherungsbetrieb bei mittleren Temperaturen, da die Sicherungsverbindungsöffnung 40 eine Wärmeübertragung von der Sicherungsverbindung 30 zu den Zwischenisolationsschichten 22, 24 unterbindet oder zumindest reduziert. Der Widerstand der Sicherung 90 ist dementsprechend während des Sicherungsbetriebs reduziert und die Sicherungsverbindungsöffnung 40 in der oberen Zwischenisolationsschicht 40 unterbindet eine Lichtbogen-Kriechwegbildung und ermöglicht ein volles Löschen bzw. Entkoppeln der Schaltung durch die Sicherung.
  • Die Sicherung 90 wird im wesentlichen entsprechend dem Verfahren 60 (das vorstehend in Bezug auf 3 beschrieben wurde) aufgebaut, natürlich mit der Ausnahme, dass die Sicherungsverbindungsöffnung 42 (gezeigt in 2) in der unteren Zwischenisolationsschicht 24 nicht ausgebildet ist.
  • 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer dritten Ausführungsform einer Foliensicherung 100, die im wesentlichen ähnlich zu der Sicherung 90 ist (die vorstehend in Bezug auf 4 beschrieben wurde), mit der Ausnahme des Aufbaus der oberen Zwischenisolationsschicht 22. Es wird darauf hingewiesen, dass die Sicherungsverbindungsöffnung 40 (gezeigt in 2) in der oberen Zwischenisolationsschicht 22 nicht in der Sicherung 100 vorhanden ist und dass sich die Sicherungs verbindung 30 direkt über der Oberfläche von sowohl der oberen Zwischenisolationsschicht 22 als auch der unteren Zwischenisolationsschicht 24 erstreckt.
  • Die Sicherung 100 wird im wesentlichen in Übereinstimmung mit dem Verfahren 60 (das vorstehend in Bezug auf 3 beschrieben wurde) aufgebaut, natürlich mit der Ausnahme, dass die Sicherungsverbindungsöffnungen 40 und 42 (in 2 gezeigt) in den Zwischenisolationsschichten 22, 24 nicht ausgebildet werden.
  • Es ist von Vorteil, dass dünne Keramiksubstrate in irgendeiner der vorstehenden Ausführungsformen anstelle der Polymerfilme verwendet werden können, aber insbesondere für die Sicherung 100 zu empfehlen sind, um einen geeigneten Betrieb der Sicherung sicherstellen zu können. Zum Beispiel können Keramikmaterialien niedriger Temperatur und Ähnliche in alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Ätzens und der Schneidprozesse von dünnen, metallisierten Folienmaterialien zum Ausbilden der Sicherungsverbindungen kann eine Vielzahl von unterschiedlich geformten Metallfolien-Sicherungsverbindungen ausgebildet werden, um spezielle Eigenschaftsziele einhalten zu können. Zum Beispiel zeigt 6–10 eine Vielzahl von Sicherungselementgeometrien zusammen mit exemplarischen Abmessungen, die in der Sicherung 10 (gezeigt in 1 und 2), in der Sicherung 90 (gezeigt in 4) und in der Sicherung 100 (gezeigt in 5) verwendet werden können. Es ist ersichtlich, dass die Sicherungsverbindungsgeometrie, die hier beschrieben und gezeigt wird, nur für erläuternde Zwecke gedacht sind und in keinster Weise beabsichtigt wird, die Ausführung der Erfindung auf irgendwelche bestimmten Folienformen oder Sicherungsverbindungskonfigurationen zu beschränken.
  • 11 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer vierten Ausführungsform einer Sicherung 120. Wie die Sicherung, die vorstehend beschrieben wurden, stellt die Sicherung 120 eine Sicherung mit einem geschichteten Aufbau und einem niedrigen Widerstand bereit, die in 11 gezeigt ist. Genauer ist in einer beispielhaften Ausführungsform die Sicherung 120 im wesentlichen mit fünf Schichten aufgebaut, die die Foliensicherungselementschicht 20 enthalten, die zwischen der oberen Zwischenisolationsschicht 22 und der unteren Zwischenisolationsschicht 24 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen der oberen, äußeren Isolationsschicht 122 und der unteren, äußeren Isolationsschicht 124 sandwichartig angeordnet sind.
  • In Übereinstimmung mit den vorhergehenden Ausführungsformen ist das Sicherungselement 20 eine elektrisch abgelagerte Kupferfolie bzw. Kupferschicht mit einer Dicke von 3–20 μm, die auf die untere Zwischenschicht 24 gemäß bekannten Techniken aufgetragen wird. Die dünne Sicherungselementschicht 20 ist in der Form eines Großbuchstabens I mit einer verschmälerten Schmelzsicherungsverbindung 30 ausgebildet, die sich zwischen rechtwinkligen Kontaktflächen 32, 34 erstreckt und derart dimensioniert ist, dass sie öffnet bzw. anspricht, wenn Strom, der durch die Sicherungsverbindung 30 fließt, kleiner als ungefähr 20 Ampere ist. Es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass verschiedene Abmessungen der Sicherungsverbindung verwendet werden können und dass die dünne Sicherungselementschicht 20 aus verschiedenen Metallfolienmaterialien und Legierungen anstelle der Kupferfolie ausgebildet sein kann.
  • Die obere Zwischenisolationsschicht 22 liegt über der Foliensicherungselementschicht 20 und enthält eine kreisförmig ausgebildete Sicherungsverbindungsöffnung 40, die sich durch sie hindurch erstreckt und über der Sicherungsverbindung 30 der Foliensicherungselementschicht 20 liegt. Im Unterschied zu den Sicherungen 10, 90 und 100, die vorstehend beschrieben wurden, enthält die obere Zwischenisolationsschicht 22 in der Sicherung 120 nicht die Anschlussöffnungen 36, 38 (die in 2–5 gezeigt sind), sondern ist vielmehr überall massiv, mit der Ausnahme der Sicherungsverbindungsöffnung 40.
  • Die untere Zwischenisolationsschicht 24 liegt unter der Foliensicherungselementschicht 20 und enthält eine kreisförmige Sicherungsverbindungsöffnung 42, die unter der Sicherungsverbindung 30 der Foliensicherungselementschicht 20 liegt. Die Sicherungsverbindung 30 erstreckt sich somit über die jeweiligen Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 der oberen Zwischenisolationsschicht 22 und der unteren Zwischenisolationsschicht 24 derart, dass die Sicherungsverbindung 30 keine Oberfläche der Zwischenverbindungsschichten 22, 24 berührt, wenn sich die Sicherungsverbindung 30 zwischen den Kontaktflächen 32, 34 des Foliensicherungselements 20 erstreckt. Anders ausgedrückt, wenn die Sicherung 10 vollständig hergestellt worden ist, ist die Sicherungsverbindung 30 effektiv in einer Lufttasche aufgrund der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 in jeweiligen Zwischenisolationsschichten 22, 24 aufgehängt.
  • Die Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 verhindern somit eine Wärmeübertragung zu den Zwischenisolationsschichten 22, 24, die in herkömmlichen Sicherungen zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands der Sicherung beiträgt. Die Sicherung 120 arbeitet deshalb bei einem niedrigeren Widerstand als bekannte Sicherungen und hat folglich weniger Schaltungsstörungen als bekannte, vergleichbare Sicherungen. Zudem und ungleich bekannten Sicherungen unterbindet die Lufttasche, die durch die Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 erzeugt wird, eine Lichtbogen-Kriechwegbildung und ermöglicht ein komplettes Löschen bzw. Entkoppeln der Schaltung durch die Sicherungsverbindung 30. Darüber hinaus stellt die Lufttasche eine Belüftung der Gase darin bereit, wenn die Sicherungsverbindung arbeitet, und vermindert eine unerwünschte Gasbildung und einen unerwünschten Druck im Inneren der Sicherung.
  • Wie vorstehend hingewiesen wurde, werden die obere und untere Zwischenisolationsschicht jeweils aus einem dielektrischen Film in einer gezeigten Ausführungsform hergestellt, wie zum Beispiel einem Polyimidfilm mit einer Dicke von 0,002 Inch, der kommerziell und unter der Marke KAPTON® von der E.I. du Pont de Nemours and Company of Wilmington, Delaware erhältlich ist. In alternativen Ausführungsformen können andere geeignete, elektrische Isolationsmaterialien wie zum Beispiel CIRLEX® Polyimidlaminationsmaterialien ohne Klebstoff, Pyrolux, Polyethylennaphthalendicarboxylat (manchmal als PEN bezeichnet), Zyvrex Flüssigkristallpolymermaterial, das von der Rogers Corporation kommerziell erhältlich ist, und ähnliche Materialien verwendet werden.
  • Die obere, äußere Isolationsschicht 26 liegt über der oberen Zwischenschicht 22 und enthält eine kontinuierliche Oberfläche 50, die sich über der oberen, äußeren Isolationsschicht 26 erstreckt und über der Sicherungsverbindungsöffnung 40 der oberen Zwischenisolationsschicht 22 liegt, wodurch die Sicherungsverbindung 30 eingeschlossen wird und geeignet isoliert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die obere, äußere Schicht 122, wie in 11 dargestellt ist, keine Anschlussöffnungen 46, 48 (in 2–5 gezeigt) enthält.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die obere, äußere Isolationsschicht 122 und/oder die untere, äußere Isolationsschicht 124 aus durchleuchteten oder transparenten Materialien hergestellt, die eine visuelle Anzeige einer geöffne ten Sicherung innerhalb der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 ermöglichen.
  • Die untere, äußere Isolationsschicht 124 liegt unter der unteren Zwischenisolationsschicht 24 und ist massiv bzw. solid, das heißt, sie hat keine Öffnungen. Die kontinuierliche, massive Oberfläche der unteren, äußeren Isolationsschicht 124 isoliert deshalb geeignet die Sicherungsverbindung 30 unterhalb der Sicherungsverbindungsöffnung 42 der unteren Zwischenisolationsschicht 24.
  • In einer erläuternden Ausführungsform wird die obere, äußere Isolationsschicht und die untere, äußere Isolationsschicht jeweils aus einem dielektrischen Film hergestellt, zum Beispiel einem Polyimidfilm mit einer Dicke von 0,005 Inch, der kommerziell erhältlich ist und verkauft wird unter der Marke KAPTON® von E. I. du Pont de Nemours and Company of Wilmington, Delaware. Es ist jedoch von Vorteil, dass in alternativen Ausführungsformen andere, geeignete elektrische Isolationsmaterialien, wie zum Beispiel CIRLEX® Polyimidlaminationsmaterialien ohne Klebstoff, Pyrolux, Polyethylennaphthalendicarboxylat und Ähnliche verwendet werden können.
  • Ungleich den vorhergehenden Ausführungsformen der Sicherungen, die in 2–5 gezeigt sind, die Löterhebungsanschlüsse enthalten, enthalten die obere, äußere Isolationsschicht 122 und die untere, äußere Isolationsschicht 124 jeweils langgestreckte Anschlussschlitze 126, 128, die in jeder lateralen Seite davon ausgebildet sind und sich über und unterhalb der Sicherungsverbindungskontaktflächen 32, 34 erstrecken. Wenn die Schichten der Sicherung zusammengebaut werden, werden die Schlitze 126, 128 an einer Vertikalfläche davon metallisiert, um einen Kontaktanschluss an jedem lateralen Ende der Sicherung 120 zusammen mit metallisierten, vertikalen Lateralflächen 130, 132 der oberen Zwischenisolationsschicht und der unteren Zwischenisolationsschicht 22, 24 und mit metallisierten Streifen 134, 136 auszubilden, die sich an den äußeren Oberflächen der oberen, äußeren Isolationsschicht 122 bzw. der unteren, äußeren Isolationsschicht 124 erstrecken. Die Sicherung 120 kann deshalb auf einer gedruckten Leiterplatte oberflächenmontiert werden, während eine elektrische Verbindung zu den Sicherungselementkontaktflächen 32, 34 eingerichtet wird.
  • Für Zwecke der Beschreibung eines beispielhaften Herstellungsverfahrens, das zum Herstellen der Sicherung 120 verwendet wird, werden die Schichten der Sicherung 120 gemäß der nachfolgenden Tabelle bezeichnet:
    Figure 00310001
  • Unter Verwendung dieser Bezeichnungen ist 12 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 150 zum Herstellen der Sicherung 120 (gezeigt in 11). Die Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) wird auf die untere Zwischenschicht 24 (Schicht 4) gemäß bekannten Laminierungstechniken auflaminiert 152, um einen metallisierten Aufbau auszubilden. Die Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) wird dann in eine gewünschte Form auf der unteren Zwischenisolationsschicht 24 (Schicht 4) unter Verwendung bekannter Techniken ausgebildet 154, einschließlich, aber nicht beschränkt darauf, einem Eisenchloridlösung-Ätzprozess. In einer exemplarischen Ausführungsform wird die Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) derart ausgebildet, dass das Foliensicherungselement in der Form eines Großbuchstabens I übrig bleibt, wie vorstehend beschrieben wurde. In alternativen Ausführungsformen können Stanzbearbeitungen anstelle der Ätzbearbeitungen verwendet werden, um die Sicherungsverbindung 30 und die Kontaktflächen 32, 34 auszubilden. Es ist klar, dass eine Vielzahl von Formen der Sicherungselemente in weiteren und/oder alternativen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, einschließlich jenen, aber nicht auf diese beschränkt, die in 6–10 gezeigt sind. Es wird weiter in Erwägung gezogen, dass in einer weiteren und/oder alternativen Ausführungsform die Sicherungselementschicht metallisiert und ausgebildet werden kann unter Verwendung eines Sputterprozesses, eines Galvanisierungsprozesses, eines Siebdruckvorgangs und Ähnlichen, wie es für Fachleute von Vorteil ist.
  • Nach dem das Ausbilden 154 der Foliensicherungselementschicht (Schicht 3) von der unteren Zwischenisolationsschicht (Schicht 4) aus abgeschlossen worden ist, wird die obere Zwischenisolationsschicht 22 (Schicht 2) auf die vorlaminierte Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) und die untere Zwischenisolationsschicht 24 (Schicht 4) vom Schritt 152 gemäß bekannten Laminierungstechniken auflaminiert. Eine Dreischichtenlaminierung wird dadurch mit der Foliensicherungselementschicht 20 (Schicht 3) ausgebildet, die zwischen den Zwischenisolationsschichten 22, 24 (Schichten 2 und 4) sandwichartig angeordnet ist.
  • Die Sicherungsverbindungsöffnungen 40 (in 11 gezeigt) werden dann in der oberen Zwischenisolationsschicht 22 (Schicht 2) ausgebildet 158 und die Sicherungsverbindungsöffnung 42 (in 11 gezeigt) wird in der unteren Zwischenisolationsschicht 24 ausgebildet 158. Die Sicherungsverbindung 30 (in 11 gezeigt) wird innerhalb der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 der jeweiligen Zwischenisolationsschichten 22, 24 (Schichten 2 und 4) freigelegt. In den beispielhaften Ausführungsformen wird die Öffnung 40 mit bekannten Ätz-, Stanz-, Bohr- und Schneidoperationen ausgebildet, um die Sicherungsverbindungsöffnungen 40 und 42 auszubilden.
  • Nach dem Ätzen 158 der Öffnungen in die Zwischenisolationsschichten 22, 24 (Schichten 2 und 4) werden äußere Isolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 und 5) auf die Dreischichtenkombination (Schichten 2, 3 und 4) von den Schritten 156 und 158 auflaminiert 160. Die äußeren Isolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 und 5) werden auf die Dreischichtenkombination unter Verwendung von Prozessen und Techniken, die im Stand der Technik bekannt sind, auflaminiert 160.
  • Eine Form der Laminierung, die besonders vorteilhaft für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sein kann, verwendet nicht-fließende Polyimid-Prepreg-Materialien wie jene, die von Arlon Materials for Electronics of Bear, Delaware erhältlich sind. Diese Materialien haben Ausdehnungseigenschaften unterhalb jenen von Acrylklebstoffen, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Durchgangslochfehlern reduziert wird und die auch Temperaturwechseln ohne Delaminieren im Vergleich zu anderen Laminierungsbondmitteln standhalten. Es ist jedoch von Vorteil, dass Bondmittelerfordernisse in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Sicherung, die hergestellt werden soll, variieren können und dass deshalb diese Laminierungsbondmittel, die für einen Typ von Sicherung oder Sicherungsnennwert nicht geeignet sind, für einen anderen Typ von Sicherung oder Sicherungsnennwert geeignet sein.
  • Ungleich den äußeren Isolationsschichten 26, 28 (in 2 gezeigt) werden die äußeren Isolationsschichten 122, 124 (in 11 gezeigt) mit einer Kupferfolie auf einer äußeren Oberfläche davon gegenüber den Zwischenisolationsschichten metallisiert. In einer gezeigten Ausführungsform kann dies mit CIRLEX® Polyimidtechnologie erreicht werden, die ein Polyimidblatt enthält, das mit einer Kupferfolie ohne Klebstoffen laminiert ist, die eine gute Funktion der Sicherung beeinträchtigen könnten. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann dies mit Espanex-Polyimid-Blattmaterialien erreicht werden, die mit einem gesputterten Metallfilm ohne Klebstoffen laminiert werden. Es wird in Erwägung gezogen, dass andere leitende Materialien und Legierungen anstelle der Kupferfolie für diese Zwecke verwendet werden können und dass weiterhin diese Außenisolationsschichten 122, 124 durch andere Prozesse und Techniken anstelle der CIRLEX®-Materialien in alternativen Ausführungsformen metallisiert werden können.
  • Nachdem die äußeren Isolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 und 5) laminiert worden sind 160, um einen Fünfschichtenaufbau auszubilden, werden langgestreckte Durchgangslöcher entsprechend den Schlitzen 126, 128 durch den Fünfschichtenaufbau, der im Schritt 160 ausgebildet wird, ausgebildet 164. In verschiedenen Ausführungsformen werden die Schlitze 126, 128 per Laser hergestellt, chemisch geätzt, plasmageätzt, gestanzt oder gebohrt, wenn sie ausgebildet werden 164. Schlitzanschlussstreifen 134, 135 (in 11 gezeigt) werden dann auf den metallisierten, äußeren Oberflächen der äußeren Isolationsschichten 122, 124 durch einen Ätzvorgang ausgebildet 166 und die Sicherungselementschicht 20 wird geätzt 166, um Sicherungselementschicht-Kontaktflächen 32, 34 (in 11 gezeigt) innerhalb der Anschlussschlitze 126, 128 freizulegen. Nach dem Ätzen 166 des geschichteten Aufbaus, um Anschlussstreifen 134, 136 auszubilden, und nach dem Ätzen der Sicherungselementschicht 20, um Sicherungselementschicht-Kontaktflächen 32, 34 freizulegen, werden die Anschlussschlitze 126, 128 mit einem Galvanisierungsprozess bzw. Metallisierungsprozess metallisiert 168, um die metallisierten Kontaktanschlüsse in den Schlitzen 126, 128 zu vervollständigen. In beispielhaften Ausführungsformen können Nickel/Gold, Nickel/Zinn und Nickel/Zinn-Blei in bekannten Metallisierungsprozessen verwendet werden, um Anschlüsse in den Schlitzen 126, 128 zu vervollständigen. Somit können Sicherungen 120 hergestellt werden, die besonders geeignet für die Oberflächenmontage zum Beispiel auf einer gedruckten Leiterplatte sind, obwohl andere Anwendungen oder Verbindungsaufbauten anstelle der Oberflächenmontage bzw. Surface Mounting verwendet werden können.
  • In einer alternativen Ausführungsform können Kronenkontaktanschlüsse, die zylindrische Durchgangslöcher enthalten, anstelle der vorstehend erwähnten Durchgangsmetallisierungen in den Schlitzen 126, 128 verwendet werden.
  • Sobald die Kontaktanschlüsse in den Schlitzen 126, 128 fertig gestellt sind, wird die untere, äußere Isolationsschicht 124 (Schicht 5) dann markiert 170 mit Zeichen, die zu den Betriebseigenschaften der Sicherung 120 (in 120 gezeigt) gehören, zum Beispiel einer Nennspannung oder eines Nennstroms, eines Sicherungsklassifizierungscodes usw. Das Markieren 170 kann in Übereinstimmung mit bekannten Prozessen, zum Beispiel einer Lasermarkierung, einem chemischen Ätzen oder Plasmaätzen durchgeführt werden.
  • Während die Sicherungen 120 einzeln gemäß dem bislang beschriebenen Verfahren hergestellt werden können, können in einer beispielhaften Ausführungsform die Sicherungen 120 kollektiv in Blattform hergestellt werden und dann getrennt oder vereinzelt 172 werden in einzelne Sicherungen 120. Wenn sie in einem Stapelprozess bzw. Massenprozess ausgebildet werden, können verschiedene Formen und Abmessungen der Sicherungsverbindungen 30 (in 11 gezeigt) zur gleichen Zeit mit einer genauen Steuerung des Ätzens und des Schneidprozesses ausgebildet werden. Zudem können Rolllaminierungsprozesse in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren verwendet werden, um eine große Anzahl von Sicherungen in minimaler Zeit herstellen zu können. Zudem können zusätzliche Sicherungselementschichten und/oder Isolationsschichten verwendet werden, um Sicherungen mit erhöhten Sicherungsnennwerten und heraufgesetzter physikalischer Größe bereitstellen zu können.
  • Sobald die Herstellung abgeschlossen worden ist, kann eine elektrische Verbindung durch die Sicherungsverbindung 30 (in 11 gezeigt) eingerichtet werden, wenn die Kontaktanschlüsse mit der Leitung oder elektrischen Lastverbindungen einer erregten bzw. bestromten Schaltung gekoppelt werden.
  • Es ist ersichtlich, dass die Sicherung 120 weiterhin, wie vorstehend in 4 und 5 beschrieben worden ist, modifiziert werden kann, indem eine oder beide der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 in den Zwischenisolationsschichten 22, 24 eliminiert bzw. weggelassen wird oder werden. Der Widerstand der Sicherung 120 kann dementsprechend für unterschiedliche Anwendungen und unterschiedliche Betriebstemperaturen der Sicherung 120 geändert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann eine oder beide der äußeren Isolationsschichten 122, 124 aus einem durchscheinenden Material hergestellt werden, um eine örtliche Sicherungszustandsanzeige durch die äußeren Isolationsschichten 122, 124 bereitzustellen. Wenn die Schmelzsicherungsverbindung 30 anspricht, kann deshalb die Sicherung 120 leicht für das Auswechseln identifiziert werden, was besonders vorteilhaft sein kann, wenn eine große Anzahl von Sicherungen in einem elektrischen System verwendet wird.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Verfahren können deshalb Sicherungen effizient bei niedrigen Kosten, mit weit verbreitet erhältlichen Materialien in einer Stapelverarbeitung unter Verwendung kostengünstiger, bekannter Techniken und Prozesse hergestellt werden. Fotochemische Ätzprozesse ermöglichen eine ziemlich genaue Herstellung der Sicherungsverbin dung 30 und der Kontaktflächen 32, 34 der dünnen Sicherungselementschicht 20, auch bei sehr kleinen Sicherungen, mit gleichförmiger Dicke und Leitfähigkeit, um eine Streuung bei der letztendlichen Verwendung der Sicherungen 10 zu minimieren. Zudem ermöglicht die Verwendung von dünnen Metallfolienmaterialien zum Ausbilden von Sicherungen mit der Sicherungselementschicht 20, dass es möglich ist, Sicherungen mit sehr kleinem Widerstand gegenüber bekannten, vergleichbaren Sicherungen aufzubauen.
  • 13 und 14 sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Explosionsansicht einer fünften Ausführungsform einer Sicherung 200, die in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ausgebildet wird. Wie die Sicherungen, die vorstehend beschrieben worden sind, stellt die Sicherung 200 eine Sicherung mit einem niedrigen Widerstand mit einem geschichteten Aufbau zur Verfügung. Die Sicherung 200 ist im wesentlichen ähnlich zu der Sicherung 120 (in 11 gezeigt) aufgebaut, mit der Ausnahme, wie unten stehend angemerkt wird, und gleiche Bezugszeichen der Sicherung 120 werden mit gleichen Bezugszeichen in 13 und 14 angegeben.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Sicherung 200 eine Foliensicherungselementschicht 20, die zwischen einer oberen Zwischenisolationsschicht 22 und einer unteren Zwischenisolationsschicht 24 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen einer oberen, äußeren Isolationsschicht 122 und einer unteren, äußeren Isolationsschicht 124 sandwichartig angeordnet sind. Die Sicherungselementschicht 20 und die Schichten 22, 24, 122 und 124 werden wie vorstehend in Beziehung auf 11 und 12 beschrieben worden ist, hergestellt und zusammengebaut.
  • Ungleich den vorhergehenden Ausführungsformen, in denen die Sicherungselementschicht 20 entweder in der Nachbar schaft der Sicherungsverbindungsöffnungen 40 und 42 aufgehängt ist oder in direktem Kontakt mit der oberen Zwischenisolationsschicht 22 und der unteren Zwischenisolationsschicht 24 sind, ist die Sicherungselementschicht 20 auf einer Polymermembran 202 getragen. Die Polymermembran 202 dient zum Tragen bzw. Halten des Sicherungselements 20 und stellt eine Oberfläche bereit, auf der die Sicherungselementschicht 20 ausgebildet wird. Beim Betrieb schmilzt die metallene Schmelzsicherungsverbindung 30 der Sicherungselementschicht 20 und entkoppelt die Schaltung durch die Sicherung 200 ohne eine Karbonisierung der Polymermembran 202 oder eine Lichtbogen-Kriechwegbildung auf der Oberfläche der Membran 202.
  • Bestimmte Geometrien und Längen der Sicherungsverbindungen in der Sicherungselementschicht 20 machen die Polymermembran 202 besonders empfehlenswert. Zum Beispiel, wenn eine Serpentine oder gekerbte Verbindung in der Sicherungselementschicht 20 verwendet wird, unterstützt die Polymermembran 202 die Sicherungsverbindung derart, dass die Sicherungselementschicht 20 eine Oberfläche der Sicherungsverbindungsöffnung 40 und 42 nicht berührt, die über und unter der Sicherungsverbindung angeordnet sind, vor dem Öffnen der Schaltung. Bei Sicherungen höherer Spannung und/oder Zeitverzögerung-Sicherungselemente, die Sicherungselemente erhöhter Länge haben, und wenn die Sicherungsverbindungen der vielzähligen Formen und/oder Geometrien verwendet werden, wird die Polymermembran 202 derart eingestuft, dass sie eine signifikante Rolle beim Erhalten eines annehmbaren Sicherungsbetriebs spielt. Bei der Auslegung eines langen Elements, von Zeitverzögerung-Sicherungen dehnt sich die Sicherungselementschicht 20 während der Überlastzustände in Übereinstimmung mit dem zugehörigen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls aus, das zur Ausbildung der Sicherungselementschicht 20 verwendet wird. Das thermische Heizen der Sicherungselementschicht 20 setzt sich fort, bis mindestens ein Abschnitt der Sicherungselementschicht 20 in einem flüssigen Zustand schmilzt. Die thermische Fortleitung durch die Polymermembran 202 während des thermischen Erwärmens der Sicherungselementschicht 20 kann eine wesentliche und auch erwünschte Änderung in den Zeit/Stromeigenschaften der Sicherung 200 ergeben.
  • Die Polymermembran 202 stellt zudem zusätzliche Aufbauvorteile der Sicherung 200 bereit. Zum Beispiel stellt die Polymermembran 202 eine Aufbaufestigkeit für die Sicherungsverbindung durch Unterstützen der Sicherungselementschicht 20 während des Herstellungsprozesses bereit, wodurch die Sicherungsverbindung versteift wird, um einen potenziellen Bruch während der sequenziellen Laminierungsprozesse bei hoher Temperatur und hohem Druck zu vermeiden. Zudem verstärkt die Polymermembran 202 die Sicherungselementschicht, um ein potenzielles Brechen der Sicherungsverbindung zu vermeiden, wenn die Sicherung gehandhabt und installiert wird. Noch weiter reduziert die Polymermembran 202 die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs der Sicherungsverbindung aufgrund einer thermischen Belastung während einer Stromänderung bei der Verwendung, was eine thermische Ausdehnung und Kontraktion der Sicherungselementschicht verursacht. Ein Ermüdungsausfall der Sicherungsverbindung aufgrund einer Stromänderung wird deshalb wegen der Aufbaufestigkeit der Polymermembran 202 verringert.
  • Durch Einbauen der Polymermembran 202 oder einer anderen Stützstruktur für die Sicherungselementschicht 20 hält die Sicherung 200 einen höheren mechanischen Stoß, eine höhere thermische Schockbelastung, einen höheren Aufschlagwiderstand und eine höhere Schwingungsfestigkeit aus und weist möglicherweise sogar eine überlegene Leistung im Vergleich zum Beispiel der Sicherung 120 (in 11 gezeigt) auf, worin die Sicherungsverbindung 30 in Luft aufgehängt ist.
  • Obwohl es von Vorteil ist, dass die Polymermembran 202 für bestimmte Typen oder Anwendungen der Sicherungen, wie vorstehend angemerkt wurde, erwünscht ist, können in schnell reagierenden Sicherungen und in Sicherungen, die vergleichsweise kurze Sicherungsverbindung haben, die Sicherungsverbindungen eine ausreichende Aufbauauslegung und akzeptable Leistungsfähigkeit haben, wodurch die Polymermembran 202 optional gemacht wird. In einer kurzen Sicherungsverbindung und in schnell arbeitenden Sicherungen ist es unwahrscheinlich, dass die Polymermembran 202 einen wesentlichen Effekt bezüglich der Zeit/Stromeigenschaften der Sicherung 200 hat.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Polymermembran 202 eine dünne Membran mit einer Dicke von ungefähr 0,0005 Inch oder weniger, obwohl es ersichtlich ist, dass größere Dicken der Membranen in alternativen Ausführungsformen verwendet werden können. Eine dünne Polymermembran schmilzt idealerweise, verdampft oder wird sonst wie während des Sicherungsbetriebs zerstört. Beispielhafte Materialien für die Polymermembran 202 enthalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Flüssigkristallpolymer(LCF)-Materialien und Polyimidfilmmaterialien wie jene, die vorstehend beschrieben wurden. Ein flüssiges Polyimidmaterial kann auch verwendet werden, um eine Stützmembran 202 für die Sicherungselementschichten 20 gemäß einem bekannten Verfahren oder einer bekannten Technik auszubilden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, den Spinnbeschichtungsbearbeitungen oder -anwendungen mit einem Rakel. Die Polymermembran 202 kann in einer Vielzahl von Formen wie gewünscht oder wie benötigt ausgebildet werden, um eine Sicherung aufzubauen, die bestimmte Sicherungseigenschaften hat.
  • Die Sicherung 200 kann gemäß dem Verfahren 150, das in 12 gezeigt ist, mit einer geeigneten Modifikation hergestellt werden, um die Sicherungselementschicht 20 darauf aus zubilden oder sonst wie die Sicherungselementschicht 20 mit der Polymermembran 202 abzustützen.
  • 15 ist eine Explosionsansicht einer sechsten Ausführungsform einer Sicherung 210, die in Übereinstimmung mit einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist. Wie die Sicherungen, die vorstehend beschrieben wurden, stellt die Sicherung 210 eine Sicherung mit einem niedrigen Widerstand mit geschichtetem Aufbau bereit. Die Sicherung 210 ist im wesentlichen ähnlich zu der Sicherung 120 (in 11 gezeigt) aufgebaut, mit der Ausnahme, wie unten stehend angemerkt wird, und gleiche Bezugszeichen der Sicherung 120 werden mit gleichen Bezugszeichen in 15 angegeben.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Sicherung 210 eine Foliensicherungselementschicht 20, die zwischen einer oberen Zwischenisolationsschicht 22 und einer unteren Zwischenisolationsschicht 24 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen einer oberen, äußeren Isolationsschicht 122 und einer unteren, äußeren Isolationsschicht 124 sandwichartig angeordnet sind. Die Sicherungselementschicht 20 und die Schichten 22, 24, 122 und 124 werden wie vorstehend in Beziehung auf 11 und 12 beschrieben wurde, hergestellt und zusammengebaut.
  • Ungleich der vorhergehenden Ausführungsformen ist Lichtbogenlöschmedium 212 innerhalb der Sicherungsverbindungsöffnungen 40 und 42 der oberen Zwischenisolationsschicht 22 und der unteren Zwischenisolationsschicht 24 vorgesehen. Das Abführen von Lichtbogenenergie, wenn die Sicherungselementschicht 20 öffnet, wird deshalb erleichtert, was von Vorteil ist, da die Nennspannung der Sicherung erhöht wird. Wenn die Lichtbogenenergie die Sicherung zerbricht und in die Umgebung gelangt, können empfindliche elektrische Einrichtungen und elektrische Komponenten, die mit der Sicherung verbunden sind, gefährdet werden und gefährliche Zustände für Menschen und Personal in der Nähe können resultieren. Wenn ein Lichtbogenschlag auftritt werden das umgebende Lichtbogenlöschmedium 212 erwärmt und einem Phasenübergang unterzogen und die Lichtbogenenergie wird durch das Lichtbogenlöschmedium aufgrund der Entropie absorbiert. Lichtbogenenergie wird deshalb effektiv innerhalb der Grenzen der Sicherungsverbindungsöffnungen 40 und 42 an einem Ort im Inneren der Sicherung 210 aufgenommen. Eine Beschädigung der elektrischen Einrichtung und Komponenten wird deshalb vermieden und eine sichere Betriebsumgebung wird bewahrt.
  • Beispielsweise können Keramik, Silikon bzw. Silizium und Keramik/Silizium-Verbundmaterialien bzw. Keramik/Silikonverbundmaterialien, von denen bekannt ist, dass sie Lichtbogen-Unterdrückungseigenschaften haben, als Lichtbogenlöschmedium 212 verwendet werden. Wie es von Fachleuten geschätzt wird, können Keramikprodukte in Pulverform, in Schlammform oder Klebstoffform verwendet werden und an den Sicherungsverbindungsöffnungen 40 und 42 gemäß bekannten Prozessen und Techniken angewandt werden. Genauer können Silikone, zum Beispiel RTV und modifiziertes Alkoxysilikon als Lichtbogen-Löschmedien 212 verwendet werden. Keramikmaterialien wie zum Beispiel Aluminiumtrioxid (Al2O3), Siliziumdioxid (SiO2), Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumtrihydrat (Al2O3·3H2O) und/oder irgendeine andere Verbindung innerhalb des Al2O3·MgO·SiO2 Tertiärsystems kann ähnlich als Lichtbogenlöschmedium 212 verwendet werden. Die MgO·ZrO2 Verbindung und Spinelle wie zum Beispiel Al2O3·MgO und weitere Lichtbogenlöschmedien mit hoher Wärmetransformation, zum Beispiel Natriumnitrat (NaNO2, NaNO3), sind auch zur Verwendung als Lichtbogenlöschmedium 210 geeignet.
  • Wie in 15 gezeigt ist, können ein oder mehrere zusätzliche Schichten aus Isolationsmaterial 214 benachbart zu der Sicherungselementschicht 20 vorgesehen sein und eine Schmelzsicherungsverbindungsöffnung 216 kann darin vorgesehen sein. Die Isolationsschicht 214 kann aus den gleichen oder ähnlichen Materialien wie die obere Isolationsschicht 22 und die untere Isolationsschicht 24, die vorstehend beschrieben wurden, hergestellt werden. Das Lichtbogenlöschmedium 212 füllt die Öffnung 216 in der Isolationsschicht 214. Zusätzliche Isolation und Lichtbogenlöschfähigkeit werden deshalb vorgesehen, um gewünschte Sicherungseigenschaften für Sicherungen höhere Spannung zu erreichen.
  • Es ist offensichtlich, dass die Polymermembran 202 (in 14 gezeigt) in Kombination mit der Sicherung 210, wie gewünscht, verwendet werden kann. Es ist auch offensichtlich, dass die Sicherung 210 gemäß dem Verfahren 150, das in 12 gezeigt ist, mit einer geeigneten Modifikation hergestellt werden kann, um das Lichtbogenlöschmedium 212 und eine oder mehrerer zusätzlicher Isolationsschichten 214 einbauen zu können.
  • 16 ist eine Explosionsansicht einer siebten Ausführungsform einer Sicherung 220, die in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ausgebildet wird. Wie die Sicherungen, die vorstehend beschrieben wurden, stellt die Sicherung 220 eine Sicherung mit einem niedrigen Widerstand und mit einem geschichteten Aufbau bereit. Da die Sicherung 220 gemeinsame Elemente mit der Sicherung 120 enthält (in 11 gezeigt) sind gleiche Bezugszeichen der Sicherung 120 mit gleichen Bezugszeichen in 16 angegeben.
  • In einer exemplarischen Ausführungsform enthält die Sicherung 220 eine Foliensicherungselementschicht 20, die zwischen der oberen Zwischenisolationsschicht 22 und der unteren Zwischenisolationsschicht 24 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen der oberen, äußeren Isolationsschicht 122 und der unteren, äußeren Isolationsschicht 124 sandwichartig angeordnet sind. Die Sicherungselementschicht 20 und die Schichten 22, 24, 122 und 124 werden vorstehend mit Bezug auf 11 und 12 beschrieben.
  • Ungleich der vorhergehenden Ausführungsformen, die ohne Klebstoff sind, enthält die Sicherung 220 Klebstoffelemente 222 (die mit gestrichelten Linien in 16 gezeigt sind) und die die Sicherungselementschicht 20 an der oberen Zwischenisolationsschicht 22 und der unteren Zwischenisolationsschicht 24 sichern und auch die obere Zwischenisolationsschicht 22 und die untere Zwischenisolationsschicht 24 an den äußeren Isolationsschichten 122 und 124 sichern. Ungleich herkömmlicher Klebstoffe karbonisieren die Klebstoffelemente 222 in einer beispielhaften Ausführungsform nicht und bilden auch keinen Lichtbogenkriechweg aus, wenn sich die Sicherungselementschicht 20 öffnet und eine Schaltung durch die Sicherung 220 entkoppelt wird. Zudem lassen die Klebstoffelemente 222 eine niedrigere Laminierungstemperatur und einen niedrigeren Druckwert der Herstellung der Sicherung 220 zu, wohingegen die zuvor beschriebenen klebstofflosen Ausführungsformen eine vergleichsweise höhere Laminierungstemperatur und eine vergleichsweise höheren Laminierungsdruck benötigen. Eine reduzierte Laminierungstemperatur und ein reduzierter Laminierungsdruck beim Herstellen der Sicherung 220 stellt eine Anzahl von Vorteilen bereit, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, den Energieverbrauch bei der Herstellung der Sicherungen 220 zu reduzieren und vereinfachte Herstellungsprozeduren, wobei jede davon die Kosten der Herstellung der Sicherungen 220 reduziert.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können die Klebstoffelemente 222 zum Beispiel flüssiger Polyimidklebstoff, ein Polyimidklebstofffilm oder ein Siliziumklebstoff sein. Genauer können Materialien wie zum Beispiel Espanex SPI und Espanex SPC verbundene Filme verwendet werden. In Alternative kann ein flüssiger Polymer siebgedruckt oder gegossen werden und dann ausgehärtet werden, um ein Klebstoffelement 222 auszubilden.
  • Wenn Klebstofffilme als Klebstoffelemente 222 verwendet werden, kann der Klebstofffilm vorher gestanzt werden, um Sicherungsverbindungsöffnungen 40 und 42 in der oberen Zwischenisolationsschicht 22 und der unteren Zwischenisolationsschicht 24 auszubilden. Sobald die Öffnungen 40 und 42 ausgebildet worden sind, werden die Klebstoffelemente 222 auf die jeweiligen Zwischenisolationsschichten 22 und 24 und die äußeren Schichten 122 und 124 auflaminiert. Polyimidausgangsmaterialien in der Form von Overlayfilm und Tinten können in dem Laminierungsprozess verwendet werden und, sobald sie ausgehärtet sind, sind alle elektrischen, mechanischen und abmessungsmäßigen Eigenschaften von Polyimid vorhanden, zusammen mit den Vorteilen von Polyimid, wie im Detail vorstehend beschrieben wurde.
  • In einer weiteren Ausführungsform können die Klebstoffelemente 222 in der metallenen Foliensicherungselementschicht 20 eingekapselt sein. Eine niedrigere Aushärttemperatur, eine Vergussmasse bzw. ein Einbettmittel mit niedriger Aushärttemperatur kann verwendet werden, zum Beispiel, wenn entweder eine Sicherungslegierung oder ein Sicherungsmetall mit niedriger Schmelztemperatur verwendet wird oder wenn ein Legierungssystem vom Metcalf-Typ verwendet wird.
  • Obwohl vier Klebstoffelemente 222 in 16 gezeigt sind, ist es offensichtlich, dass eine größere oder eine geringere Anzahl von Klebstoffelementen 222 in alternativen Ausführungsformen verwendet werden kann, während mindestens einige der Vorteile der Sicherung 222 erhalten werden und ohne dass vom Bereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
  • Es ist ersichtlich, dass die Polymermembran 202 (in 14 gezeigt) in Kombination mit der Sicherung 220, wie gewünscht, verwendet werden kann. Es ist auch ersichtlich, dass die Sicherung 220 gemäß dem Verfahren 150, das in 12 gezeigt ist, mit einer geeigneten Modifikation hergestellt werden kann, um die Klebstoffelemente 222 einzubauen. Zudem ist es ersichtlich, dass das Lichtbogenlöschmedium 212 (in 15 gezeigt) und eine oder mehrere zusätzliche Isolationsschichten 214 (in 15 auch gezeigt) in der Sicherung 220, wie gewünscht, verwendet werden können.
  • 17 ist eine schematische Ansicht einer achten Ausführungsform einer Sicherung 230, die in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ausgebildet wird. Wie die Sicherungen, die vorstehend beschrieben wurden, stellt die Sicherung 230 eine Sicherung mit einem niedrigen Widerstand und mit einem geschichteten Aufbau bereit. Da die Sicherung 230 gemeinsame Elemente mit den vorhergehenden Ausführungsformen enthält, werden gleiche Bezugszeichen der Sicherung 230 mit gleichen Bezugszeichen in 17 angegeben.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Sicherung 230 eine Foliensicherungselementschicht 20, die zwischen einer oberen Zwischenisolationsschicht 22 und einer unteren Zwischenisolationsschicht 24 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen einer oberen, äußeren Isolationsschicht 122 und einer unteren, äußeren Isolationsschicht 124 sandwichartig angeordnet sind. Die Sicherungselementschicht 20 und die Schichten 22, 24, 122 und 124 wurden vorstehend in Bezug auf 11 und 12 beschrieben.
  • Ungleich der vorhergehenden Ausführungsformen enthält die Sicherung 230 eine Wärmesenke 232 und eine zusätzliche Isolationsschicht 214 (auch in 15 gezeigt). Die thermische Wärmesenke 232 befindet sich in großer Nähe zu der Sicherungsverbindung 30 der Sicherungselementschicht 20 und die Wärmesenke 232 verbessert die Zeitverzögerungseigenschaften für bestimmte Sicherungsanwendungen. Da ein örtliches Erwärmen typischerweise in der Mitte der Sicherungselementschicht 20 (d.h. an dem Ort der Sicherungsverbindung 30, die in 17 gezeigt ist) auftritt, lenkt die Wärmesenke 232 Wärme von der Sicherungselementschicht 20 weg, wenn Strom durch sie hindurchfließt. Folglich ist eine größere Zeitdauer erforderlich, um die Sicherungselementschicht 20 auf ihren Schmelzpunkt zum Öffnen oder zum Auslösen der Sicherung 230 bei einem bestimmten Überlaststromzustand zu erwärmen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Wärmesenke 232 ein keramisches Element oder Metallelement, das sich in nächster Nähe zu dem Sicherungselement befindet, entweder über oder unter der Sicherungselementschicht 20, obwohl es von Vorteil ist, dass andere Wärmesenkenmaterialien und Relativpositionen der Wärmesenke 232 in weiteren Ausführungsformen verwendet werden können. In einer Ausführungsform und wie in 17 gezeigt ist, ist die Wärmesenke 232 von dem wärmsten Abschnitt der Sicherungselementschicht 20 beim Betrieb entfernt positioniert. Das heißt, dass die Wärmesenke 232 entfernt von der Mitte der Elementschicht 20 oder der Schmelzsicherungsverbindung 30 in der dargestellten Ausführungsform in 17 angeordnet ist oder von diesen mit Abstand positioniert ist. Durch entferntes Anordnen der Wärmesenke 232 von der Sicherungsverbindung 30 stört die Wärmesenke 232 nicht das Öffnen und das Entkoppel der Schaltung durch die Sicherungselementschicht 20.
  • Es ist ersichtlich, dass die Polymermembran 202 (die in 14 gezeigt ist) in Kombination mit der Sicherung 220, wie gewünscht, verwendet werden kann. Zudem ist es ersichtlich, dass das Lichtbogenlöschmedium 212 (in 15 gezeigt) und ein oder mehrere Isolationsschichten 214 (auch in 15 gezeigt) in der Sicherung 230 wie gewünscht verwendet werden können. Die Klebstoffelemente 222 (gezeigt in 16) können ähnlich in der Sicherung 230 verwendet werden. Es ist auch ersichtlich, dass die Sicherung 220 gemäß dem Verfahren 150, das in 12 gezeigt ist, mit einer geeigneten Modifikation, um die zuvor erwähnten Merkmale einzubauen, hergestellt werden kann.
  • 18 ist eine obere Draufsicht auf eine beispielhafte Ausführungsform einer Sicherungselementschicht 20, die in irgendeiner der vorhergehenden Sicherungsausführungsformen verwendet werden kann. Wie in 18 gezeigt ist, enthält das Sicherungselement 20 Heizelemente 240. Genauer kann, wenn Materialien mit niedriger Schmelztemperatur verwendet werden, um die Sicherungselementschicht 20 auszubilden, der Zusatz der Heizelemente 240 eine Sicherung mit einer schnellen Reaktion und einer hohen Stoßwiderstandsfähigkeitseigenschaft bereitstellt. Typischerweise ist eine Sicherung mit einer sehr schnellen Reaktionseigenschaft nicht in der Lage, Stoßströmen, die zum Beispiel in Anwendungen wie zum Beispiel LCD-Flachbildschirmen auftreten, standzuhalten. Die Heizelemente 240 ermöglichen, dass die Sicherungselementschicht 20 diesen Stoßströmen ohne Öffnen der Sicherung widersteht.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Heizerlegierung wie zum Beispiel Nickel, Balco, Platin, Kanthal oder Nichrom als Heizelemente 240 verwendet werden und auf die Sicherungselementschicht 20 gemäß einem bekannten Prozess und Techniken angewandt werden. Diese und weitere alternative Materialien und Metalle können für die Heizelemente 240 auf der Basis der Materialeigenschaften wie zum Beispiel spezifischer Massewiderstand, Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR), Stabilität, Linearität und Kosten ausgewählt werden.
  • Obwohl zwei Heizelemente 240 auf einer bestimmten Sicherungselementschicht 20 in der Form eines Großbuchstabens I in 18 dargestellt sind, ist ersichtlich, dass die Sicherungselementschicht in einer Vielzahl von geometrischen Formen ausgebildet werden kann, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, den Formen, die in 6–10 gezeigt werden, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und das größere oder weniger Heizelemente 240 verwendet werden können, um unterschiedliche Sicherungselementgeometrien zu erfüllen oder um anwendbare Spezifikationen für bestimmte Leistungsparameter zu erreichen.
  • 19 ist eine obere Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts einer Sicherungselementschicht 250, die auf einer Isolationsschicht 252 ausgebildet ist. Die Sicherungselementschicht 250 ist wie mit Bezug auf die Sicherungselementschicht 20 beschrieben worden ist und vorstehend erläutert worden ist, in einer Serpentinengeometrie ähnlich zu der, die in 10 gezeigt ist, ausgebildet. Die Isolationsschicht 252 ist wie mit Bezug auf die untere Zwischenisolationsschicht 24 beschrieben worden ist, ausgebildet. Die Sicherungselementschicht kann in irgendeiner der vorhergehenden Sicherungsausführungsformen verwendet werden und kann in Kombination mit irgendeinem ausgewählten Merkmal, das vorstehend in 14–18 angemerkt wurde (d.h. der Polymermembran 202, dem Lichtbogenlöschmedium 212, den Klebstoffelementen 222, der Wärmesenke 232 oder den Heizern 240) verwendet werden.
  • Eine Sicherungsverbindung 254 erstreckt sich quer durch eine Sicherungsverbindungsöffnung 256, die in der Isolationsschicht 252 ausgebildet ist, und die Sicherungsverbindung hat eine reduzierte Weite im Vergleich zu dem Rest der Serpentinen-Sicherungselementschicht 250. Die Serpentinen-Sicherungselementschicht 250 und die Sicherungsverbindung 254 rich ten einen relativ langen, leitenden Weg auf der Isolationsschicht 252 ein und ist gut für eine Zeitverzögerungssicherung geeignet.
  • Wie es Fachleute schätzen, kann ein Schmelzpunkt der Sicherungselementschicht 250 in der Zeit durch Berechnen einer maximalen Energieabsorptionskapazität (Q) der Sicherungselementschicht 250 berechnet werden. Genauer kann die maximale Energieabsorptionskapazität gemäß der nachfolgenden Beziehung berechnet werden: Q = ∫i2Rdt = CpΔTδν = CpΔTδAl (5)wobei ν das Volumen des Materials der ausgebildeten Sicherungselementschichtgeometrie ist, i ein momentaner Stromwert ist, der durch das Sicherungselement fließt, t der Zeitwert für Strom ist, der durch das Sicherungselement fließt, ΔT die Differenz zwischen der Schmelztemperatur des Materials, das zum Ausbilden der Sicherungselementschicht verwendet wird, und einer Umgebungstemperatur des Materials zur Zeit t ist, Cp die spezifische Wärmekapazität des Sicherungselementschichtmaterials ist, δ die Dichte des Sicherungselementschichtmaterials ist, A die Querschnittsfläche des Sicherungselements ist und L die Länge des Sicherungselements ist.
  • Die Querschnittsfläche, die Länge und der Typ des Materials, das für die Sicherungselementschicht verwendet wird, beeinflussen den Widerstand (R) davon gemäß der Beziehung: R = ρl/A (6) wobei ρ der spezifische Materialwiderstand der Sicherungselementschicht ist, l die Länge des Sicherungselements ist und A die Querschnittsfläche des Sicherungselements ist.
  • Unter Berücksichtigung der Gleichungen (4) und (5) kann eine Sicherungselementschicht mit einem geeigneten Querschnittsbereich und einer Länge ausgelegt werden, um spezifizierte Sicherungseigenschaften an oder unterhalb eines vorgegebenen elektrischen Widerstands für die Sicherung bereitstellen zu können. Sicherungen mit einem niedrigen Widerstand können deshalb so aufgebaut werden, dass sie die spezifischen Aufgaben einhalten oder übertreffen.
  • Zum Beispiel werden mit ein oder mehreren Heizelementen 240 (in 18 gezeigt) in Serie mit einer Sicherungselementschicht 250, die aus einer Legierung mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur in Kombination mit den Sicherungsverbindungsöffnungen 256 in den Isolationsschichten hergestellt wird, die über und unter der Sicherungselementschicht 250 angeordnet sind, optimale adiabatische Zustände für den Sicherungsbetrieb erzeugt.
  • Ideale Sicherungszustände sind adiabatisch, wo es keinen Gewinn oder Verlust an Wärme während des Stromüberlastzustands gibt. In einem adiabatischen Zustand wird die Schaltung ohne den Austausch von Wärme mit umgebenden Elementen geöffnet. Realistische, adiabatische Zustände treten nur während sehr schneller Öffnungsereignisse auf, worin nur wenig oder keine Zeit für Wärme zum Abströmen entweder von den Anschlüssen der Sicherung oder den Schichten der Sicherung bereitsteht. Konsistente, ungefähr adiabatische Zustände können durch das Ausbilden einer adiabatischen Einhüllenden bzw. Hülle um die Sicherungsverbindung herum realisiert werden, wodurch die Schmelzsicherungsverbindung in ein thermodynamisches System eingeschlossen wird, in dem kein Gewinn oder Verlust an Wärme vorhanden ist.
  • Eine adiabatische Modellhülle kann zumindest teilweise durch Umgeben der Sicherungsverbindung mit einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit erreicht werden. Zum Beispiel kann eine Lufttaschenumgebung des Sicherungselements über Sicherungsverbindungsöffnungen in der oberen Isolationsschicht und der unteren Isolationsschicht auf jeder Seite der Sicherungselementschicht die Sicherungsverbindung isolieren und eine Wärmeableitung durch die Schichten der Sicherung verhindern. Zusätzlich reduziert der Aufbau der Sicherungselementgeometrie mit einem minimalen Aspektverhältnis, einer Elementweite geteilt durch eine Elementdicke, ein Oberflächengebiet der Sicherungselementschicht für die Wärmeübertragung zu z.B. der oberen Zwischenisolationsschicht und der unteren Zwischenisolationsschicht. Darüber hinaus verhindert das Anordnen eines Heizelements, zum Beispiel eines Heizelements 240, das vorstehend beschrieben wurde, in Serie mit dem Sicherungselement eine Wärmeübertragung von dem Sicherungselement auf die Schichten der Sicherung und auf die Sicherungsanschlüsse.
  • Durch Modellieren bzw. Ausbilden einer adiabatischen Umhüllenden, wie vorstehend beschrieben wurde, wird die Joule-Wärme auf das Auftreten eines Überstroms hin nicht absorbiert und das Sicherungselement kann schnell weggeschmolzen werden. Auch wenn, nachdem das Sicherungselement weggeschmolzen ist, ein Lichtbogen erzeugt wird, wird der Metalldampf, der wahrscheinlich den Lichtbogen erzeugt, in der Umhüllenden begrenzt.
  • Für die vorhergehenden Ausführungsformen von Sicherungen werden elektrische Eigenschaften der Sicherungen durch Betrachten des thermischen Diffusionsvermögens der Sicherungsmatrix in Kombination mit der maximalen Energieabsorptionska pazität des Sicherungselements, wie vorstehend beschrieben wurde, vorhergesagt. Das thermische Diffusionsvermögen in der Wärmeleitungsgleichung ist konstant
    Figure 00530001
    die die Rate beschreibt, mit der Wärme durch ein Medium geleitet wird, und die mit der thermischen Leitfähigkeit k, der spezifischen Wärme Cp und der Dichte ρ durch die Beziehung verküpft ist: K = Imfpv = k/ρCp (8)
  • 20 ist eine Explosionsansicht einer hergestellten Sicherung 260, die in Übereinstimmung mit einem exemplarischen Aspekt der Erfindung ausgebildet wird. Wie die Sicherungen, die vorstehend beschrieben worden sind, stellt die Sicherung 260 eine Sicherung mit einem niedrigen Widerstand und mit einem geschichteten Aufbau bereit. Da die Sicherung 260 gemeinsame Elemente mit den vorhergehenden Ausführungsformen enthält, werden gleiche Bezugszeichen mit gleichen Bezugszeichen in 17 angegeben.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Sicherung 260 eine Foliensicherungselementschicht 20, die zwischen einer oberen Zwischenisolationsschicht 22 und einer unteren Zwischenisolationsschicht 24 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen einer oberen, äußeren Isolationsschicht 122 und einer unteren, äußeren Isolationsschicht 124 sandwichartig angeordnet sind. Die Sicherungselementschicht 20 und die Schichten 22, 24, 122 und 124 wurden vorstehend in Beziehung auf die 11 und 12 beschrieben. Die zusätzliche Isolationsschicht 214 ist auch bereitgestellt, wie vorstehend mit Bezug auf 15 beschrieben wurde.
  • Ungleich der vorhergehenden Ausführungsformen wird eine Maske 262 bereitgestellt, um die Ausbildung einer oder mehrerer der Schichten zu ermöglichen. Die Maske 262 begrenzt bzw. definiert eine Öffnung 264, die einer Sicherungsverbindungsöffnung in einer der Schichten entspricht, und abgerundete Anschlussrillen 266 zum Formen der jeweiligen Schicht. Die Maske 262 wird verwendet, um die Ausbildung der Sicherungsverbindungsöffnungen und der Anschlüsse der jeweiligen Schichten der Sicherung während der Herstellungsprozesse zu erleichtern bzw. zu ermöglichen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Maske 262 eine Kupferfolienmaske, die mit einem Plasmaätzprozess verwendet wird, obwohl überlegt wird, dass andere Materialien und andere Techniken verwendet werden können, wie gewünscht wird, um die Öffnungen und Anschlüsse der Schichten der Sicherung ausbilden und formen zu können.
  • In einer exemplarischen Ausführungsform wird die Maske 262 physikalisch bzw. körperlich von dem Aufbau vor dem Laminieren der Schichten der Sicherung entfernt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Maske in einer Schicht in dem fertigen Sicherungsprodukt eingebaut sein.
  • 21 ist eine Explosionsansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Sicherung 300. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Sicherung 300 ähnlich in einigen Aspekten zu der Sicherung 120 (gezeigt und beschrieben mit Bezug auf 12) und deshalb sind gleiche Komponenten der Sicherung 120 mit gleichen Bezugszeichen in 21 gezeigt.
  • Wie die Sicherung 120, die vollständig beschrieben wurde, stellt die Sicherung 300 eine Sicherung mit einem niedrigen Widerstand und mit einem geschichteten Aufbau bereit, der in 21 gezeigt wird. Genauer ist die Sicherung 300 in einer beispielhaften Ausführungsform mit im wesentlichen fünf Schichten aufgebaut, die eine Foliensicherungselementschicht 302 enthalten, die zwischen der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen der oberen, äußeren Isolationsschicht 122 und der unteren, äußeren Isolationsschicht 124 sandwichartig aufgebaut sind.
  • Ungleich der vorhergehenden Sicherungsausführungsformen, die eine elektrisch abgelagerte Sicherungselementschicht haben, die dann auf einer der Zwischenisolationsschichten gemäß einem Ätzen oder einem anderen Vorgang geformt wird, wobei die elektrisch abgelagerte Schicht von der Isolationsschicht abgezogen wird, ist die Sicherungselementschicht 302 eine elektrisch ausgebildete 3–20 μm dicke Kupferfolie, die unabhängig von einer oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 hergestellt und ausgebildet wird. Genauer wird in einer gezeigten Ausführungsform die Sicherungselementschicht gemäß einem bekannten Additivvorgang hergestellt, zum Beispiel einem elektrischen Ausbildungsprozess, worin die gewünschte Form der Sicherungselementschicht aufmetallisiert wird und worin ein negatives Bild auf ein mit Fotofilm beschichtetes Substrat gegossen wird. Eine dünne Metallschicht (z.B. Kupfer) wird nachfolgend auf dem Negativbildguss metallisiert bzw. galvanisiert und die metallisierte Schicht wird dann von dem Guss abgezogen, sodass sie eine freistehende Folie ist, die sich zwischen der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 erstreckt.
  • Eine getrennte und unabhängige Ausbildung der Sicherungselementschicht 302 ermöglicht eine Anzahl von Vorteilen, zum Beispiel eine größere Genauigkeit bei der Steuerung und der Position der Sicherungselementschicht mit Bezug auf die anderen Schichten, wenn die Sicherung 300 aufgebaut wird. Im Vergleich zu Ätzprozessen oder früher beschriebenen Ausführungsformen ermöglicht eine unabhängige Ausbildung der Sicherungselementschicht 302 eine bessere Steuerung bezüglich der Form der Sicherungselementschicht an den Rändern davon. Während das Ätzen dazu tendiert, schräge oder geneigte Seitenränder oder Kanten der Sicherungselementschicht zu erzeugen, die einmal ausgebildet werden, sind im Wesentlichen rechtwinklige Seitenkanten mit elektrisch ausbildenden Prozessen möglich, wodurch ein Widerstandstoleranzwert in der hergestellten Sicherung reduziert wird. Zudem liefert die separate und unabhängige Ausbildung von Sicherungselementen Sicherungselemente von variierender Dicke in einer Vertikaldimension (d.h. rechtwinklig zu den Isolationsschichten), um vertikale Profile oder Umrisse in der Sicherungselementschicht 302 herzustellen und um die Leistungseigenschaften zu variieren. Darüber hinaus können vielzählige Metalle oder Metalllegierungen in den separaten und unabhängigen Ausbildungsprozessen verwendet werden, um die Sicherungselemente aufzubauen, die unterschiedliche Metallzusammensetzungen in unterschiedlichen Bereichen des Sicherungselements haben. Zum Beispiel kann die schmelzbare Sicherungsverbindung 30 aus einem ersten Metall oder einer ersten Legierung hergestellt sein, während die Kontaktflächen aus einem zweiten Metall oder einer zweiten Legierung hergestellt sein können.
  • In der beispielhaften Ausführungsform wird die Sicherungselementschicht 302 in der Form eines Großbuchstabens I mit einer verschmälerten Schmelzsicherungsverbindung 30 ausgebildet, die sich zwischen rechtwinkligen Kontaktflächen 32, 34 erstreckt und derart ausgelegt ist, dass sie öffnet, wenn Strom, der durch die Sicherungsverbindung 30 fließt, einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Es wird jedoch berücksichtigt, dass verschiedene Abmessungen der Sicherungsverbindung verwendet werden können und dass die Sicherungselementschicht 302 aus verschiedenen Metallfolienmaterialien und Legierungen anstelle der Kupferfolie ausgebildet werden kann. Es wird weiter betrachtet, wie in einigen Details unten stehend erläutert wird, dass Legierungstechniken vom Metcalf-Typ auf die Sicherungsverbindung 30 angewandt werden können, um einen M-Flecken zum Modifizieren der Betriebseigenschaften der Sicherungsverbindung 30 ausbilden zu können.
  • Die obere Zwischenisolationsschicht 303 liegt über der Foliensicherungselementschicht 302 und enthält eine kreisförmige Sicherungsverbindungsöffnung 40, die sich durch sie hindurch erstreckt und über der Sicherungsverbindung 30 der Foliensicherungselementschicht 302 liegt. Die Öffnung 40 wird in einer beispielhaften Ausführungsform in der oberen Isolationsschicht 303 vorher ausgebildet, was ungleich früheren Ausführungsformen ist, in denen die Sicherungsverbindungsöffnung 40 in einer späteren Stufe in dem Herstellungsprozess ausgebildet wird.
  • Die untere Zwischenisolationsschicht 304 liegt unter der Foliensicherungselementschicht 302 und enthält eine kreisförmige Sicherungsverbindungsöffnung 42, die in einer beispielhaften Ausführungsform vorher in der unteren Isolationsschicht 304 ausgebildet wird. Die Sicherungsverbindungsöffnung 42 liegt unter der Sicherungsverbindung 30 der Foliensicherungselementschicht 302. Die Sicherungsverbindung 30 erstreckt sich somit quer in den jeweilige Sicherungsverbindungsöffnung 40, 42 in der oberen Zwischenisolationsschicht 303 beziehungsweise der unteren Zwischenisolationsschicht 304 derart, dass die Sicherungsverbindung 30 keine Oberfläche der Zwischenisolationsschichten 303, 304 berührt, wenn sich die Sicherungsverbindung 30 zwischen den Kontaktflächen 32, 34 des Foliensicherungselements 302 erstreckt. Anders ausgedrückt, wenn die Sicherung 300 vollständig hergestellt worden ist, ist die Sicherungsverbindung 30 effektiv in einer Lufttasche aufgrund der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 in den jeweiligen Zwischenisolationsschichten 303, 304 aufgehängt.
  • Die Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 verhindern deshalb eine Wärmeübertragung zu den Zwischenisolationsschichten 303, 304, die in herkömmlichen Sicherungen zu einem erhöhten elektrischen Widerstand der Sicherung beitragen. Die Sicherung 300 arbeitet deshalb bei einem niedrigeren Widerstand als bekannte Sicherungen und hat folglich eine geringere Schaltungsstörung als bekannte, vergleichbare Sicherungen. Zudem und ungleich bekannten Sicherungen unterbindet die Lufttasche, die durch die Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 erzeugt wird, eine Lichtbogen-Kriechwegbildung und erleichtert ein komplettes Öffnen der Schaltung durch die Sicherungsverbindung 30. Darüber hinaus stellt die Lufttasche eine Belüftung der Gase darin bereit, wenn die Sicherungsverbindung arbeitet und vermindert eine unerwünschte Gaserzeugung und einen unerwünschten Gasdruck im Innern der Sicherung. Es ist jedoch ersichtlich, dass in weiteren Ausführungsformen die Sicherungsverbindungsöffnungen 40 und 42 ein Lichtbogenlöschmedium, wie hier beschrieben wird, zum Beispiel mit Bezug auf die Sicherung 210 (gezeigt und beschrieben mit Bezug auf 15) enthalten können. Zudem kann in weiteren Ausführungsformen ein Lichtbogenlöschmedium in einem Klebstoff enthalten sein, der die Schichten der Sicherung 300 zusammenhält, wie weiter unten stehend erläutert wird.
  • Die obere Zwischenisolationsschicht und die untere Zwischenisolationsschicht werden jeweils in einer Ausführungsform, wie vorstehend angemerkt wurde, aus einem dielektrischen Film auf Polymerbasis hergestellt, zum Beispiel einem Polyimidfilm mit einer Dicke von 0,002 Inch, der kommerziell erhältlich ist und verkauft wird unter der Marke KAPTON® von der E. I. du Pont de Nemours and Company of Wilmington, Delaware. In alternativen Ausführungsformen können andere geeignete, e lektrische Isolationsmaterialien wie zum Beispiel CIRLEX® Polyimidlaminierungsmaterialien ohne Klebstoff, Pyrolux, Polyethylennaphthalendicarboxylat (manchmal als PEN bezeichnet), Zyvrex Flüssigkristallpolymermaterial, das kommerziell erhältlich von der Rogers Corporation ist, und Ähnliche verwendet werden.
  • Die obere, äußere Isolationsschicht 122 liegt über der oberen Zwischenschicht 303 und enthält eine kontinuierliche Oberfläche 50, die sich über der obere, äußere Isolationsschicht 122 erstreckt und über der Sicherungsverbindungsöffnung 40 der oberen Zwischenisolationsschicht 303 liegt, wodurch die Sicherungsverbindung 30 von oben eingeschlossen und geeignet isoliert wird. In einer weiteren Ausführungsform wird die obere, äußere Isolationsschicht 122 und/oder die untere äußere Isolationsschicht 124 aus durchleuchtenden oder transparenten Materialien hergestellt, die eine visuelle Anzeige einer geöffneten Sicherung innerhalb der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 ermöglichen.
  • Die untere, äußere Isolationsschicht 124 liegt unter der unteren Zwischenisolationsschicht 304 und ist massiv bzw. solid, d.h. sie hat keine Öffnungen. Die kontinuierliche, massive Oberfläche der unteren, äußeren Isolationsschicht 124 isoliert deshalb adäquat die Sicherungsverbindung 30 unterhalb der Sicherungsverbindungsöffnung 42 der unteren Zwischenisolationsschicht 304.
  • In einer gezeigten Ausführungsform werden die obere, äußere Isolationsschicht und die untere, äußere Isolationsschicht jeweils aus einem dielektrischen Film hergestellt, zum Beispiel einem Polyimidfilm mit einer Dicke von 0,005 Inch, der kommerziell erhältlich ist und verkauft wird unter der Marke KAPTON® von der E. I. du Pont de Nemours and Company of Wilmington, Delaware. Es ist jedoch von Vorteil, dass in alternativen Ausführungsformen weitere, geeignete elektrische Isolationsmaterialien, wie zum Beispiel CIRLEX® Polyimidlaminationsmaterialien ohne Klebstoff, Pyrolux, Polyethylennaphthalendicarboxylat und ähnliche Materialien verwendet werden können.
  • Die obere, äußere Isolationsschicht 122 und die untere, äußere Isolationsschicht 124 enthalten jeweils abgerundete Anschlussschlitze oder Löcher 126, 128, die in jeder lateralen Seite davon ausgebildet sind und sich oberhalb und unterhalb der Sicherungsverbindungskontaktflächen 32, 34 erstrecken. Ähnlich enthalten die obere Zwischenisolationsschicht 303 und die untere Zwischenisolationsschicht 304 abgerundete bzw. runde Anschlussschlitze oder Löcher 306 bzw. 308, die in jeder lateralen Seite davon ausgebildet sind und die Sicherungselementschicht 302 enthält abgerundete Anschlussschlitze oder Löcher 310, 312 auf jeder lateralen Seite davon. Wenn die Schichten der Sicherung 300 zusammengebaut sind, werden die Anschlussschlitze 126, 128, 306, 308, 310 und 312 an einer vertikalen Fläche davon metallisiert, um einen Kontaktanschluss an jedem lateralen Ende der Sicherung 300 auszubilden, und metallisierte Streifen 134, 136 erstrecken sich an den äußeren Oberflächen der oberen Isolationsschicht 122 bzw. der unteren äußeren Isolationsschicht 124. Die Sicherung 300 kann deshalb auf einer gedruckten Leiterplatte oberflächenmontiert werden, während eine elektrische Verbindung mit den Sicherungselementkontaktflächen 32, 34 eingerichtet wird.
  • Für Zwecke der Beschreibung eines beispielhaften Herstellungsverfahrens, das verwendet wird, um die Sicherung 300 herzustellen, werden die Schichten der Sicherung 300 gemäß der nachfolgenden Tabelle bezeichnet:
    Figure 00600001
    Figure 00610001
  • Unter Verwendung dieser Bezeichnungen ist 22 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 320 zum Herstellen der Sicherung 300 (gezeigt in 21). Die Foliensicherungselementschicht 302 (Schicht 3) wird vorher ausgebildet 322 gemäß zum Beispiel einem elektrischen Herstellungsverfahrens, das vorstehend beschrieben wurde, um eine freistehende Sicherungselementschicht herzustellen, die separat und unabhängig von jeder der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4) hergestellt wird. Das elektrische Ausbilden der Sicherungselementschicht 302 kann unter anderem eine bessere Steuerung, Ausrichtung und Genauigkeit des Sicherungselementaufbaus bezüglich der Zwischenisolationsschichten 303 und 304 als chemische Ätztechniken bereitstellen und auch reduzierte Kosten für die Herstellung der Sicherung 300 im Vergleich zum chemischen Ätzen der Sicherungselemente, wie vorher beschrieben wurde, bereitstellen.
  • Die Foliensicherungselementschicht 302 (Schicht 3) wird derart ausgebildet, dass ein Foliensicherungselement in der Form eines Großbuchstabens I übrig bleibt, wie vorstehend beschrieben wurde, obwohl es ersichtlich ist, dass eine Vielzahl von Formen von Sicherungselementen in weiteren und/oder alternativen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann, einschließlich, aber nicht beschränkt darauf, jene die in 6–10 gezeigt sind. Es wird weiterhin in Erwägung gezogen, dass in weiteren und/oder alternativen Ausführungsformen die Sicherungselementschicht 302 in einer freistehenden Schicht gemäß anderen, bekannten Herstellungstechniken anstel le der Elektroausbildungsverfahren bzw. Galvanisierverfahrens, wie vorstehend beschrieben wurde, ausgebildet werden kann.
  • Nach dem Ausbilden 322 der Foliensicherungselementschicht (Schicht 3) werden die Sicherungselementöffnungen oder Fenster 40 und 42 in der oberen Zwischenschicht 303 bzw. der unteren Zwischenschicht 304 (Schichten 2 und 4) gemäß einer bekannten Technik ausgebildet 324, zum Beispiel dem Bohren, obwohl andere Fensterausbildungstechniken genauso gut angewandt werden können. Die Sicherungselementöffnungen 40 und 42 werden in den Schichten 2 und 4 vorher ausgebildet, bevor die Schichten der Sicherung zusammengebaut werden, was ungleich einigen vorhergehenden Ausführungsformen ist, worin die Sicherungselementöffnungen in der oberen Zwischenisolationsschicht und der unteren Zwischenisolationsschicht nach dem Laminieren einiger der Schichten der Sicherung ausgebildet werden.
  • Sobald die Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) ausgebildet worden ist und die Sicherungselementöffnungen 40, 42 in der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4) ausgebildet worden sind, wird die Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) zwischen der oberen Zwischenisolationsschicht und der unteren Zwischenisolationsschicht (Schichten 2 und 4) derart angeordnet, dass die Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) zwischen der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4) sandwichartig angeordnet ist. Die obere Zwischenisolationsschicht 303 und die untere Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4) werden über der freistehenden Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) gemäß bekannten Laminierungstechniken, wie vorstehend beschrieben worden ist, laminiert 326. Ein dreischichtiges Laminat wird dadurch mit der Foliensicherungselementschicht 302 (Schicht 3) ausgebildet, die zwischen den Zwi schenisolationsschichten 303 und 304 (Schichten 2 und 4) sandwichartig angeordnet ist.
  • Sobald die Schichten 2, 3 und 4 laminiert worden sind, wird ein M-Fleck 328 an die Sicherungsverbindung 30 angelegt 330, um einen Metcalf-Effekt beim Betrieb der Sicherungsverbindung zu erzeugen. Wie es für Fachleute ersichtlich ist, wird der M-Fleck angelegt oder erzeugt durch Einführen eines Materials (z.B. Zinn oder eine Zinnlegierung) mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Hauptmaterial der Schmelzsicherungsverbindung 30 (z.B. Kupfer oder eine Kupferlegierung) derart, dass, wenn die Sicherungsverbindung 30 aufgrund einer elektrischen Überlast erwärmt wird, das Material mit dem niedrigeren Schmelzpunkt in das Hauptmaterial der Sicherungsverbindung 30 eindiffundiert, wodurch der elektrische Widerstand der Sicherungsverbindung angehoben wird und weiterhin die elektrische Last an der Sicherungsverbindung erhöht wird. Sobald die Last zu groß wird, wird die Sicherungsverbindung unterbrochen und die elektrische Verbindung wird nicht länger aufrechterhalten. Das Vorhandensein des Materials mit niedrigerem Schmelzpunkt modifiziert die Betriebseigenschaft der Sicherungsverbindung derart, dass der höchste Strom, den sie unbegrenzt ohne Schmelzen befördern kann, reduziert wird, ohne dass das Verhalten der Sicherungsverbindung bei hohen Überlasten wesentlich beeinträchtigt bzw. beeinflusst wird. Diese Funktion wird manchmal auch als "Metcalf-Effekt" oder "M-Effekt" bezeichnet.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Material mit dem niedrigeren Schmelzpunkt, um den M-Flecken auszubilden, der Sicherungsverbindung 30 durch eine oder beide der vorher ausgebildeten Sicherungselementöffnungen 40, 42 in der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4) in Übereinstimmung mit einem bekannten Prozess wie zum Beispiel Galvanisieren o der Ablagerungstechniken zugeführt. Wie in 22 gezeigt ist, wird der M-Fleck 328 der Sicherungsverbindung 30 zugeführt, nachdem die Schichten 2, 3 und 4 miteinander laminiert worden sind 326. Der Sicherungsaufbau ermöglicht die Anwendung des M-Spots bzw. des M-Flecken, nachdem die Sicherung teilweise zusammengebaut wurde, und wenn die Sicherungsverbindung in Luft innerhalb der Sicherungselementöffnungen 40 und 42 der Schichten 2 und 4 aufgehängt ist. Durch Anlegen des M-Spots, nachdem die Schichten 2, 3 und 4 miteinander laminiert worden sind, kann eine genaue Positionierung und Ausbildung des M-Fleckens sichergestellt werden. Zudem ermöglichen die vorher ausgebildeten Sicherungselementöffnungen 40, 42 der Zwischenisolationsschichten 303, 304 (Schichten 2 und 4) im Gegensatz zu den nachher ausgebildeten Fenstern nach der Laminierung der Schichten 2, 3 und 4 wie in früher beschriebenen Ausführungsformen eine vereinfachte Herstellung der Sicherung und ermöglicht die Applikation des M-Flecks, während eine Beschädigung des M-Flecks und/oder der Sicherungsverbindung vermieden wird, wenn die Fenster ausgebildet werden.
  • Es ist ersichtlich, dass, obwohl der M-Fleck 328 von Vorteil in bestimmten Ausführungsformen ist, der M-Fleck 328 in anderen Ausführungsform, wie gewünscht wird, weggelassen werden kann.
  • Unter erneutem Bezug auf 22 wird, nachdem die Schichten 2, 3 und 4 miteinander laminiert worden sind 326, ein Lichtbogenlöschmedium 332 an die Sicherungselementöffnungen 40 und 42 in der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4) angelegt 334. Wie früher angemerkt wurde, kann das Lichtbogen-Löschmedium irgendeines der zuvor beschriebenen Materialien oder weiterer, bekannter Materialien sein, die Lichtbogen-Unterdrückungseigenschaften haben. In einer Ausführungsform ist das Lichtbogenlöschmaterial ein Material auf Polymerbasis mit anorganischen Füllern, wie zum Beispiel Bariumsulfat, Aluminiumtrihydrat und Ähnlichem. Ein UV-Acrylatklebstoff, der 10% bis 60% Lichtbogen-Unterdrückungsmaterial (z.B. Bariumsulfat, Aluminiumtrihydrat und Ähnliches) im Gewicht mit einer Partikelgröße von 1 bis 5 μm enthält, kann verwendet werden und per Siebdruck oder Verteilung in die Sicherungselementöffnungen 40 und 42 vergebracht werden, um das Lichtbogenlöschmedium zu applizieren. Das Lichtbogenlöschmaterial kann in einer beispielhaften Ausführungsform per UV ausgehärtet werden.
  • Das Lichtbogenlöschmedium 332 füllt im Wesentlichen die Sicherungselementöffnungen 40 und 42 benachbart bzw. angrenzend an die Sicherungsverbindung 30 und in einer Ausführungsform umkapselt das Lichtbogenlöschmedium die Sicherungsverbindung 30.
  • Nachdem das Lichtbogenlöschmedium in der Nachbarschaft der Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) appliziert worden ist 334, werden die äußeren Isolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 und 5) auf den Dreischichtenaufbau (Schichten 2, 3 und 4) vom Schritt 326 auflaminiert 336. Die äußeren Isolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 und 5) werden auf den Dreischichtenaufbau unter Verwendung von Prozessen und Techniken, die im Stand der Technik bekannt sind, auflaminiert 336. In einer Ausführungsform werden die äußeren Isolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 und 5) vorher metallisiert und enthalten eine dünne Schicht aus Metallfolie 337 (z.B. Kupferfolie), die galvanisiert, abgeschieden oder sonst wie darauf ausgebildet wird und in Richtung nach außen von den Zwischenisolationsschichten 303, 304 (Schichten 2 und 4) gerichtet ist, und die Metallfolie 337 stellt einen Oberflächenmontageanschluss der Sicherung 300 bereit, wie unten stehend erläutert wird.
  • Eine Form der Laminierung, die besonders vorteilhaft für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sein kann, verwendet nicht-fließende Polyimid-Prepreg-Materialien, zum Beispiel jene, die von Arlon Materials for Electronics of Bear, Delaware, verfügbar sind. Diese Materialien haben Ausdehnungseigenschaften unter jenen von Acrylklebstoffen, was die Wahrscheinlichkeit von Durchgangslochfehlern reduziert und auch ein besseres Standhalten gegenüber Temperaturwechseln ohne ein Delaminieren im Vergleich zu anderen Laminierungsbondmittel erreicht. Es ist jedoch ersichtlich, dass Verbindungsmittelerfordernisse in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Sicherung, die hergestellt wird, variieren können und dass deshalb Laminierungsbondmittel, die nicht für einen Typ der Sicherung oder dem Sicherungsnennwert geeignet sind, für einen anderen Typ der Sicherung oder Sicherungsnennwert annehmbar sein können.
  • Nachdem die Außenisolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 und 5) laminiert worden sind 336, um einen Fünfschichtenaufbau auszubilden, werden die langgestreckten Durchgangslöcher an jedem Ende der Sicherung 300, die durch die Durchgangslöcher 126, 128, 306, 308, 310 und 312 definiert bzw. kollektiv begrenzt sind, durch den Fünfschichtenaufbau hindurch ausgebildet 338, der im Schritt 336 ausgebildet wird, und die Kontaktflächen 32, 34 der Sicherungselementschicht 302 werden freigelegt. In verschiedenen Ausführungsformen werden die Schlitze 306, 308, 310 und 312 per Laser hergestellt, chemisch geätzt, plasmageätzt, ausgestanzt oder gebohrt, wenn sie ausgebildet werden 338.
  • Die äußeren Isolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 und 5) werden metallisiert 340 mit einer Kupferfolie, zum Beispiel mit einer bekannten Metallisierungsbearbeitung, auf einer Außenoberfläche gegenüberliegend der Zwischenisolationsschichten 303, 304 (Schichten 2 und 4) und auch die Durchgangslöchern, die im Schritt 338 ausgebildet werden, werden mit Kupfer in einer Ausführungsform metallisiert beschichtet, um eine elektrische Verbindung mit der Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) einzurichten und den vorher metallisierten Außenoberflächen der äußeren Isolationsschichten (Schichten 1 und 5). Die vorher metallisierten, äußeren Isolationsschichten 122, 124 werden dann geätzt 342, um die Anschlussstreifen 134 und 136 (21) an den lateralen Kanten bzw. Rändern der äußeren Isolationsschichten auszubilden. In beispielhaften Ausführungsformen können Nickel/Gold, Nickel/Zinn und Nickel/Zinn/Blei und Zinn-Nickel/Zinn-Blei in bekannten Beschichtungsverfahren bzw. Galvanisierungsverfahren verwendet werden, um die Anschlüsse in den Durchgangslöchern 126, 128, 306, 308, 310 und 312 und die Anschlussstreifen 134, 136 zu vervollständigen. Die Sicherungen 300 können somit derart hergestellt werden, dass sie besonders für eine Oberflächenmontage zum Beispiel auf einer gedruckten Leiterplatte geeignet sind, obwohl andere Anwendungen und andere Verbindungsaufbauten anstelle der Oberflächenmontage verwendet werden können.
  • In einer alternativen Ausführungsform werden langgestreckte Durchgangslöcheranschlüsse oder Schlitze (ähnlich zu der Ausführungsform von 11) in den lateralen Rändern beziehungsweise Kanten der Sicherung 300 anstelle der zuvor beschriebenen Kronenkontaktanschlüsse ausgebildet, die zylindrische Durchgangslöcher, wie in 22 gezeigt ist, haben. Zudem können in einer anderen Ausführungsform Randanschlüsse an den lateralen Rändern der Sicherungsschichten ausgebildet werden, indem zum Beispiel die Enden der Sicherung 300 in leitende Tinte bzw. Flüssigkeit eingetaucht werden, zum Beispiel ein mit Silber gefüllten Epoxid, der sich um die Endränder bzw. Endkanten der Sicherung 300 herumschlingt.
  • Sobald die Kontaktanschlüsse im Schritt 340 und 342 vervollständigt worden sind, kann eine der unteren, äußeren Isolationsschichten 122, 124 (Schichten 1 oder 5) mit Zeichen markiert werden, die zu den Betriebseigenschaften der Sicherung 300 (gezeigt in 22) gehören, zum Beispiel einem Spannungsnennwert oder einem Stromnennwert, einem Sicherungsklassifizierungscode usw. Das Markieren 344 kann gemäß einem bekannten Verfahren durchgeführt werden, zum Beispiel einem Lasermarkieren, einem chemischen Ätzen, einem Plasmaätzen, einem Siebdrucken oder fotoabbildbaren Tinten.
  • Obwohl Sicherungen 300 einzeln gemäß dem Verfahren, das hier beschrieben worden ist, in einer erläuternden Ausführungsform hergestellt werden können, werden Sicherungen 300 kollektiv in Blattform hergestellt und dann in einzelne Sicherungen 300 getrennt oder vereinzelt 346. Zusätzliche Sicherungselementschichten und/oder Isolationsschichten können verwendet werden, um Sicherungen mit erhöhten Sicherungsnennwerten und heraufgesetzter physischer Größe bereitstellen zu können.
  • Sobald die Herstellung abgeschlossen worden ist, kann eine elektrische Verbindung durch die Sicherungsverbindung 30 (in 21 gezeigt) eingerichtet werden, wenn die Kontaktanschlüsse mit der Leitung und mit elektrischen Lastverbindungen einer erregten Schaltung gekoppelt werden.
  • Es wurde erkannt, dass die Sicherungen 300 weiterhin wie vorstehend beschrieben wurde, modifiziert werden können, indem eine oder beide der Sicherungsverbindungsöffnungen 40, 42 in den Zwischenisolationsschichten 303, 304 weggelassen wird bzw. werden. Der Widerstand der Sicherung 300 kann dementsprechend für verschiedene Anwendungen und unterschiedliche Betriebstemperaturen der Sicherungen 300 variiert werden.
  • Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren können Sicherungen 300 effizient unter Verwendung von weit verbreite ten Materialien niedriger Kosten in einer Stapelverarbeitung unter Verwendung kostensparender, bekannter Techniken und Prozesse hergestellt werden. Elektrisch ausgebildete bzw. galvanisierte Sicherungselemente können unabhängig von den Zwischenisolationsschichten mit einer gleichmäßigen oder variierenden Dicke und mit einer genauen Steuerung für das Sicherungselement und die Sicherungseigenschaften ausgebildet werden. Sicherungselemente können mit im wesentlichen gleichförmiger Leitfähigkeit hergestellt werden, um die Streuung der sich ergebenden Leistung der Sicherungen 300 minimieren zu können. Zudem ermöglicht die Verwendung von dünnen Metallfolienmaterialien, um die Sicherungselementschicht 302 auszubilden, Sicherungen mit einem sehr niedrigen Widerstand im Vergleich zu bekannten, vergleichbaren Sicherungen aufzubauen.
  • 23 ist ein Prozessflussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 350 zum Herstellen einer Sicherung 354, die ähnlich zu mehreren Ausführungsformen der Sicherung 300 ( 21) ist. Das Verfahren 350 ist ähnlich in vielen Aspekten zu dem Verfahren 320, das in 22 dargestellt ist, und ähnliche Schritte des Verfahrens 320 werden mit gleichen Bezugszeichen in 23 angegeben.
  • Wie das Verfahren 320 enthält das Verfahren 350 die Schritte des Ausbildens 322 der Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) unabhängig von den anderen Schichten der Sicherung in einer freistehenden Form und das Ausbilden 324 der Sicherungselementöffnungen oder der Fenster 40 und 42 in der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4). Ungleich dem Verfahren 320 enthält das Verfahren 350 jedoch den Schritt des Laminierens 352 der Schichten 2, 3, 4 und 5 miteinander, um einen Vierschichtaufbau mit der Foliensicherungselementschicht 302 (Schicht 3) auszubilden, die zwischen den Zwischenisolationsschichten 303 und 304 (Schichten 2 und 4) sandwichartig ange ordnet ist, und der unteren, äußeren Isolationsschicht 124 (Schicht 5), die auf der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schicht 4) auflaminiert ist.
  • Ein M-Fleck 328 wird an die Sicherungsverbindung 30 in der vorstehend beschriebenen Art und Weise angelegt und ein Lichtbogenlöschmedium 332 wird dann durch die Sicherungselementöffnung 40 in der oberen Zwischenisolationsschicht 303 (Schicht 2) angelegt 336 und die Durchgangslöcher werden ausgebildet 338 und beschichtet 340, wie vorstehend beschrieben wurde, Die Herstellung wird durch das Ätzen 342 der Anschlussstreifen, durch das Markieren 344 der Außenisolationsschicht 124 (Schicht 5) und, wenn erforderlich, durch das Vereinzeln 346 einzelner Sicherungen 354 aus einer Stapelherstellung vervollständigt.
  • Vergleicht man 21, 22 und 23, ist es ersichtlich, dass die Sicherung 354, die durch das Verfahren 350 (23) hergestellt wird, die obere, äußere Isolationsschicht (Schicht 1) weglässt und statt des serienmäßigen, zweischrittigen Laminierungsprozesses, der in dem Verfahren 320 von 22 gezeigt ist, verwendet das Verfahren 350 von 23 einen einschrittigen Laminierungsprozess, worin alle Schichten der Sicherung miteinander in einem einzelnen Herstellungsschritt laminiert werden. Durch gleichzeitiges Laminieren aller Schichten miteinander auf einmal können die Sicherungen 354 in einer geringeren Zeit und mit einem reduzierteren Aufwand als zum Beispiel die Sicherung 300, die mit dem Verfahren 320 von 22 hergestellt wird, hergestellt werden.
  • 24 ist ein Prozessflussdiagramm eines weiteren beispielhaften Verfahrens 360 des Herstellens einer Sicherung 364, die ähnlich in einigen Aspekten zu der Sicherung 300 (21) ist. Das Verfahren 360 ist ähnlich in vielen Aspekten zu dem Verfahren 320, das in 22 gezeigt ist, und gleiche Schritte des Verfahrens 320 werden mit gleichen Bezugszeichen in 24 angegeben.
  • Wie das Verfahren 320 enthält das Verfahren 360 die Schritte des Ausbildens 322 der Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) unabhängig von anderen Schichten der Sicherung in eine freistehende Form und das Ausbilden 324 der Sicherungselementöffnungen oder Fenster 40 und 42 in der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4). Ungleich dem Verfahren 320 enthält das Verfahren 360 jedoch den Schritt des Laminierens 362 der Schichten 1, 2, 3, 4 und 5 miteinander, um einen Fünfschichtenaufbau mit der Foliensicherungselementschicht 302 ((Schicht 3), die zwischen den Zwischenisolationsschichten 303 und 304 (Schichten 2 und 4) sandwichartig angeordnet ist, und mit der oberen, äußeren Isolationsschicht 122 und der unteren, äußeren Isolationsschicht 124 (Schichten 1 und 5) auszubilden, die mit den oberen und unteren Zwischenisolationsschichten 303, 304 (Schichten 2 und 4) laminiert sind und sandwichartig zwischen ihnen angeordnet sind.
  • Die Durchgangslöcher werden ausgebildet 338 und beschichtet 340 bzw. metallisiert, wie vorstehend beschrieben wurde. Die Herstellung wird durch Ätzen 342 der Anschlussstreifen, durch Markieren 344 der Sicherung und wenn notwendig durch Vereinzeln 346 der Sicherungen 364 voneinander vervollständigt.
  • Vergleicht man 21, 22 und 24, ist ersichtlich, dass die Sicherung, die durch das Verfahren 360 (23) hergestellt wird, das Lichtbogenlöschmedium 332 und den M-Fleck 328 weglässt und statt des seriellen, zweischrittigen Laminierungsprozesses, der in dem Verfahren 320 von 22 gezeigt ist, verwendet das Verfahren 360 von 24 einen einschrittigen Laminierungsprozess, worin alle fünf Schichten der Si cherung miteinander gleichzeitig in einem einzigen Herstellungsschritt laminiert werden. Da das Verfahren 360 weniger Herstellungsschritte als das Verfahren 320 enthält, kann es schneller und mit niedrigeren Kosten durchgeführt werden.
  • 25 ist ein Prozessflussdiagramm eines weiteren beispielhaften Verfahrens 370 zum Herstellen einer Sicherung 376, die ähnlich in einigen Aspekten zu der Sicherung 300 (21) ist. Das Verfahren 370 ist ähnlich in vielen Aspekten zu dem Verfahren 320, das in 22 gezeigt ist, und gleiche Schritte des Verfahrens 320 sind mit gleichen Bezugszeichen in 25 angegeben.
  • Wie das Verfahren 320 enthält das Verfahren 370 die Schritte des Ausbildens 322 der Sicherungselementschicht 302 (Schicht 3) unabhängig von den anderen Schichten der Sicherung in eine freistehende Form, aber enthält nicht den Schritt 324 (22) des Ausbildens der Sicherungselementfenster 40 und 42 in der oberen Zwischenisolationsschicht 303 und der unteren Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4). Vielmehr enthält das Verfahren 370 das Anlegen 372 eines Klebstoffs, der ein Lichtbogen unterdrückendes Material enthält, an die obere Zwischenisolationsschicht 303 und die untere Zwischenisolationsschicht 304 (Schichten 2 und 4), die einen massiven bzw. festen Aufbau ohne Öffnungen haben. Ein UV-Acrylatklebstoff, der 10% bis 60% Lichtbogen-Unterdrückungsmaterial (z.B. Bariumsulfat, Aluminiumtrihydrat und Ähnliches) im Gewicht mit einer Partikelgröße von 1 bis 5 μm hat, kann verwendet werden und auf die Schichten in dem Laminierungsprozess durch Siebdrucken oder Verteilen aufgebracht werden. Der Klebstoff kann mit Wärme ausgehärtet werden, mit UV ausgehärtet werden oder kann ein thermoplastischer Heißkleber sein.
  • Weiterhin, und zwar ungleich dem Verfahren 320, enthält das Verfahren 370 den Schritt des Laminierens 374 der Schichten 2, 3, 4 und 5 miteinander, um einen Vierschichtaufbau auszubilden, wobei die Foliensicherungselementschicht 302 (Schicht 3) zwischen den Zwischenisolationsschichten 303 und 304 (Schichten 2 und 4) sandwichartig angeordnet ist und wobei die untere, äußere Isolationsschicht 124 (Schicht 5) auf die untere Zwischenisolationsschicht 304 (Schicht 4) laminiert wird.
  • Die Durchgangslöcher werden ausgebildet 338 und metallisiert 340, wie vorstehend beschrieben wurde. Das Herstellen wird durch Ätzen 342 der Anschlussstreifen, durch Markieren 344 der Sicherung und, wenn notwendig, durch Vereinzeln 346 der Sicherungen 376 voneinander vervollständigt.
  • Vergleicht man 21, 22 und 25, ist ersichtlich, dass die Sicherung, die durch das Verfahren 370 (25) erzeugt wird, den M-Fleckn und das Lichtbogenlöschmedium 328 weglässt, aber ein Lichtbogenlöschmaterial in dem Klebstoff enthält, der verwendet wird, um die Schichten miteinander zu koppeln. Zudem verwendet das Verfahren 370 von 25 anstelle des seriellen, zweischrittigen Laminierungsprozesses, der in dem Verfahren 320 von 22 dargestellt ist, einen einschrittigen Laminierungsprozess, worin alle Schichten der Sicherung miteinander gleichzeitig in einem einzigen Herstellungsschritt laminiert werden.
  • Durch Variieren bzw. Ändern der Anzahl der Schichten in dem Sicherungsaufbau, des Vorhandenseins oder das Fehlens von Lichtbogenlöschmaterial, des Typs und Orts des Lichtbogenlöschmediums oder -materials in der Nähe der Sicherungselementschicht (z.B. in den Sicherungselementöffnungen in den Zwischenisolationsschichten oder in den Kleber eingebaut, der die Schichten verbindet), des Vorhandenseins oder des Fehlens des M-Flecks und der Laminierungssequenz (d.h. ein einzelner Schritt oder ein vielschrittiges Laminieren der Sicherungs schichten) können Sicherungen mit variierenden Eigenschaften, Verhalten und Leistung für unterschiedliche Anwendungen bereitgestellt werden, um spezielle Aufgaben zu erfüllen. Genauer können Sicherungen mit einem geänderten, elektrischen Widerstand, mit geänderten Strom und/oder Spannungsnennwerten für die Sicherungsverbindung, mit geänderter Öffnungszeit unter bestimmten, elektrischen Zuständen und mit geänderten Lichtbogen-Unterdrückungseigenschaften bereitgestellt werden.
  • Zudem ist es ersichtlich, dass die Sicherungen und Verfahren, die in 21–25 gezeigt werden, in Kombination mit Aspekten der anderen Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, verwendet werden können. Zum Beispiel können die Sicherungen und Verfahren von 21–25 durchscheinende Außenisolationsschichten für ein einfaches Identifizieren von geöffneten Sicherungsverbindungen, variierende Sicherungselementschichtaufbauten, Anschlussfenster und Löthügelanschlüsse, Heizelemente und Wärmesenken usw. enthalten. Die vorhergehenden Ausführungsformen werden nur für erläuternde Zwecke bereitgestellt und zeigen beispielhafte Merkmale, die miteinander kombiniert werden können, um Sicherungen mit einem sehr niedrigem Widerstand gemäß hocheffizienten und hochgenauen Herstellungsprozessen herzustellen.
  • 26 ist eine Explosionsansicht einer weiteren exemplarischen Ausführungsform einer Sicherung 400, die für eine höhere Spannung und höhere Stromanwendungen als die vorhergehenden Ausführungsformen ausgelegt ist. Die Sicherung 400 stellt eine Sicherung mit einem niedrigen Widerstand mit einem geschichteten Aufbau bereit, der in 26 gezeigt ist. Genauer ist in einer beispielhaften Ausführungsform die Sicherung 400 im wesentlichen aus fünf Schichten aufgebaut, die eine Foliensicherungselementschicht 402 enthalten, die zwischen einer oberen Zwischenisolationsschicht 404 und einer unteren Zwischenisolationsschicht 406 sandwichartig angeordnet ist, die wiederum zwischen einer oberen, äußeren Isolationsschicht 408 und einer unteren, äußeren Isolationsschicht 410 sandwichartig angeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform ist eine Sicherungselementschicht 402 eine dünne Metallfolie (z.B. Kupfer oder Kupferlegierung), die elektrisch auf einer von den oberen und unteren Zwischenisolationsschichten 402 und 404 abgeschieden wird und dann gemäß einem bekannten Verfahren, zum Beispiel einem chemischen Ätzvorgang und Ähnlichem, die vorstehend beschrieben wurden, ausgeformt wird, worin die elektrisch abgeschiedene Schicht von der Isolationsschicht subtrahiert wird. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Polymermembran, zum Beispiel eine Membran 202 (13), die vorstehend beschrieben wird, wie gewünscht oder wie notwendig verwendet werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die Sicherungselementschicht 402 unabhängig von den oberen und unteren Zwischenisolationsschichten 404 und 406 gemäß zum Beispiel einem Elektrometallisierungsprozess bzw. Galvanisierungsverfahren, wie vorstehend mit Bezug auf 21–25 beschrieben wurde, ausgebildet werden. Die freistehende Foliensicherungselementschichten 402 können deshalb zwischen den oberen und unteren Zwischenisolationsschichten 404 und 406 bereitgestellt werden und sich dazwischen erstrecken.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Sicherungselementschicht 402 langgestreckt und enthält eine verschmälerte Schmelzsicherungsverbindung 412, die sich zwischen gegenüberliegenden Kontaktflächen 414, 416 erstreckt und die derart ausgelegt ist, dass sie sich öffnet, wenn Strom, der durch die Sicherungsverbindung 412 fließt, eine vorgegebene Menge oder einen vorgegebenen Wert überschreitet. Zudem und ungleich den vorhergehenden Ausführungsformen, enthält die Sicherungsverbindung 412 eine Anzahl von Schwachstellen 418 oder schwachen Bereichen mit einer reduzierten Querschnittsfläche, die voneinander zwischen den Kontaktflächen 414 und 416 beabstandet sind. In der Ausführungsform, die in 26 gezeigt ist, hat die Sicherungsverbindung 412 eine im wesentlichen gleichmäßige Abmessung T, die in einer Richtung rechtwinklig zu einer Längsachse der Sicherungsverbindung 412 gemessen wird, und eine reduzierte Abmessung W, die quer zu der Längsachse der Sicherungsverbindung an jeder der Schwachstellen 418 gemessen wird. In Alternative kann die Sicherungsverbindung 412 jedoch derart ausgebildet sein, dass sie eine im wesentlichen gleichförmige Abmessung W und eine reduzierte Abmessung T an den Schwachstellen 418 hat, um die Querschnittsfläche der Schwachstellen 418 relativ zu dem Rest der Sicherungsverbindung 412 zu reduzieren. In einer Ausführungsform haben die Schwachstellen 418 eine Querschnittsfläche, die ungefähr 50% der Querschnittsfläche der Sicherungsverbindung 418 an anderen Orten ist. Es ist jedoch ersichtlich, dass größere oder geringere Verhältnisse der Querschnittsflächen der Schwachstellen 418 und des Rests der Sicherungsverbindung 412 verwendet werden können.
  • Vielfache Schwachstellen 418 sind in der Sicherungsverbindung 412 für verbesserte Kurzschlussöffnungseigenschaften der Sicherungselementschicht 402 vorgesehen, während im wesentlichen das Verhalten der Sicherungselementschicht während Überlastzuständen nicht beeinflusst wird. Insbesondere öffnet in einem Kurzschlussstromzustand die Sicherungsverbindung 412 an den Schwachstellen 418 an mehreren vorgegebenen Orten entsprechend den Orten der Schwachstellen 418. Eine Lichtbogenenergie wird deshalb unter den vielzähligen Orten der Schwachstellen 418 verteilt, wenn die Sicherungsverbindung 412 die Schaltung durch die Sicherung 400 öffnet. Obwohl drei Schwachstellen 418 in der Ausführungsform von 26 gezeigt sind, ist es ersichtlich, dass in alternativen Ausführungsfor men eine größere oder mehr oder weniger als drei Schwachstellen 418 verwendet werden können.
  • Es wird weiter überlegt, dass M-Flecken in Kombination mit einigen oder allen der Schwachstellen 418 verwendet werden können, um die Sicherungsöffnungseigenschaften der Sicherungselementschicht 402 weiter zu modifizieren. Die M-Flecken können auf der Sicherungselementschicht in der Art und Weise ausgebildet werden, wie mit Bezug auf 21–23 beschrieben worden ist.
  • Die obere Zwischenisolationsschicht 404 liegt auf der Foliensicherungselementschicht 402 und enthält eine Anzahl von kreisförmigen Sicherungsverbindungsöffnungen 420, die sich durch sie hindurch erstrecken und über den Schwachstellen 418 der Sicherungsverbindung 412 liegen. Die Öffnungen 420 in einer beispielhaften Ausführungsform werden in der oberen Isolationsschicht 404 vorher ausgebildet, obwohl es ersichtlich ist, dass die Öffnungen 420 in einer späteren Stufe des Herstellungsprozesses in einer anderen Ausführungsform ausgebildet werden können.
  • Die untere Isolationsschicht 406 liegt unter der Foliensicherungselementschicht 402 und enthält eine Anzahl von kreisförmigen Sicherungsverbindungsöffnungen 422, die in einer beispielhaften Ausführungsform auch in der unteren Isolationsschicht 406 vorher ausgebildet werden. Die Sicherungsverbindungsöffnungen 422 liegen unter der Sicherungsverbindung 412 der Foliensicherungselementschicht 402 in der Nachbarschaft jeder der Schwachstellen 418. Die Sicherungsverbindung 412 erstreckt sich somit über die jeweiligen Sicherungsverbindungsöffnungen 420, 422 in den oberen und unteren Zwischenisolationsschichten 404, 406 derart, dass die Sicherungsverbindung 412 keine Oberfläche der Zwischenisolationsschichten 404, 406 berührt, wenn sich die Sicherungsverbindung 412 zwischen den Kontaktflächen 414, 416 des Foliensicherungselements 402 erstreckt. Anders ausgedrückt, wenn die Sicherung 400 vollständig hergestellt worden ist, sind Abschnitte der Sicherungsverbindung 412 effektiv in einer Lufttasche aufgrund der Sicherungsverbindungsöffnungen 420, 422 in den jeweiligen Zwischenisolationsschichten 404, 406 aufgehängt. Genauer ist jede der Schwachstellen 418 in einer Lufttasche zwischen den Zwischenisolationsschichten 404, 406 aufgehängt.
  • Die Sicherungsverbindungsöffnungen 420, 422 verhindern eine Wärmeübertragung zu den Zwischenisolationsschichten 404, 406, die in herkömmlichen Sicherungen zu einem erhöhten elektrischen Widerstand der Sicherung beitragen. Die Sicherung 400 arbeitet deshalb bei einem niedrigeren Widerstand als bekannte Sicherungen und folglich hat sie eine geringere Schaltungsstörung als bekannte, vergleichbare Sicherungen, Zudem und ungleich bekannten Sicherungen unterdrücken die Lufttaschen, die durch die Sicherungsverbindungsöffnungen 420, 422 erzeugt werden, eine Lichtbogen-Kriechwegausbildung und ermöglichen ein komplettes Entkoppeln der Schaltung durch die Sicherungsverbindung 412. Darüber hinaus stellen die Lufttaschen eine Belüftung der Gase darin bereit, wenn die Sicherungsverbindung arbeitet, und vermindern einen unerwünschten Gasaufbau und Druckaufbau im Inneren der Sicherung. Es ist jedoch ersichtlich, dass in weiteren Ausführungsformen die Sicherungsverbindungsöffnungen 420 und 422 ein Lichtbogenlöschmedium, wie hier beschrieben wird, zum Beispiel mit Bezug auf die Sicherung 210 (gezeigt und beschrieben in Bezug auf 15), die Sicherung 300 (gezeigt in 21) und die Verfahren von 22–25, enthalten können.
  • Die oberen und unteren Zwischenisolationsschichten werden jeweils in einer Ausführungsform, wie vorstehend angemerkt wurde, aus einem dielektrischen Film auf Polymerbasismaterialien hergestellt, zum Beispiel aus irgendeinem der Mate rialien und so weiter, die in den vorhergehenden Sicherungsausführungsformen und Verfahren beschrieben worden sind.
  • Die obere, äußere Isolationsschicht 408 liegt über der oberen Zwischenschicht 404 bzw. auf ihr und enthält eine feste, kontinuierliche Oberfläche, die sich über die obere, äußere Isolationsschicht 408 erstreckt und die über den Sicherungsverbindungsöffnungen 420 der oberen Zwischenisolationsschicht 404 liegt, wodurch die Sicherungsverbindung 412 eingeschlossen wird und adäquat von oben isoliert wird. In einer weiteren Ausführungsform wird die obere, äußere Isolationsschicht 408 und/oder die untere, äußere Isolationsschicht 410 aus durchleuchtenden oder transparenten Materialien hergestellt, die eine visuelle Anzeige einer geöffneten Sicherung innerhalb der Sicherungsverbindungsöffnungen 420, 422 ermöglichen.
  • Die untere, äußere Isolationsschicht 410 liegt unter der unteren Zwischenisolationsschicht 406 und ist massiv bzw. fest, d.h. sie hat keine Öffnungen. Die kontinuierliche, feste Oberfläche der unteren, äußeren Isolationsschicht 410 isoliert deshalb adäquat die Sicherungsverbindung 412 unterhalb der Sicherungsverbindungsöffnungen 422 der unteren Zwischenisolationsschicht 406.
  • In einer illustrativen Ausführungsform werden die oberen und unteren, äußeren Isolationsschichten 408, 410 jeweils aus dielektrischen Filmen auf Polymerbasis und Ähnlichem, wie vorstehend beschrieben wurde, hergestellt.
  • Es ist ersichtlich, dass, obwohl fünf Schichten in der gezeigten Ausführungsform von 26 gezeigt werden, mehr oder weniger Schichten bereitgestellt oder verwendet werden können in alternativen Ausführungsformen. Vielzählige Sicherungselementschichten und Sicherungsverbindungen können be reitgestellt werden und miteinander in Serie oder parallel, wie gewünscht elektrisch verbunden werden.
  • Wie in 26 gezeigt ist, enthalten die obere, äußere Isolationsschicht 408 und die untere, äußere Isolationsschicht 410 jeweils abgerundete Anschlussschlitze oder Löcher 424, 426, die in jeder lateralen Seite davon ausgebildet sind und sich über und unter den Sicherungsverbindungskontaktflächen 414, 416 erstrecken. Ähnlich enthalten die oberen und unteren Zwischenisolationsschichten 404, 406 abgerundete Anschlussschlitze oder Löcher 428, 430, die in jeder lateralen Seite davon ausgebildet sind, und die Sicherungselementschicht 402 enthält abgerundete Anschlussschlitze oder Löcher 432, 434 an jeder lateralen Seite davon. Wenn die Schichten der Sicherung 400 zusammengebaut werden, werden die Anschlussschlitze 424, 426, 428, 430, 432 und 434 auf einer vertikalen Fläche davon metallisiert, um einen Kontaktanschluss an jedem lateralen Ende der Sicherung 400 ausbilden zu können. Metallisierte Streifen 436, 438 werden in einer Art und Weise ausgebildet, die vorstehend beschrieben wurde, und erstrecken sich an den äußeren Oberflächen der oberen und unteren, äußeren Isolationsschichten 408 bzw. 410. Die Sicherung 400 kann deshalb auf einer gedruckten Leiterplatte oberflächenmontiert werden, während eine elektrische Verbindung mit den Sicherungselementkontaktflächen 414, 416 eingerichtet wird.
  • Durch Bereitstellen vielfacher Schwachstellen 418 und Sicherungselementöffnungen 420 und 422 in den Sicherungsschichten werden höhere Spannungsnennwerte und Stromnennwerte und höhere Bruchkapazitäten ermöglicht. Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform die Sicherung 400 für Betriebsspannungen von ungefähr 600 Volt oder weniger geeignet und aufgrund des geschichteten Aufbaus der Sicherung kann die Sicherung 400 in einem sehr viel niedrigeren Profil gemessen in einer Richtung rechtwinklig zu der Ebene der Schichten der Sicherung bereit gestellt werden, als bekannte Oberflächenmontagesicherungen, die in diesem Betriebsbereich arbeiten können. Die Sicherung 400 kann deshalb besonders von Vorteil in der Verwendung mit Systemen sein, die vielfache Schaltungsplatinen enthalten, die voneinander mit einem vorgegebenen Freiraum zwischen den Leiterplatten angeordnet sind, welche herkömmliche Sicherungen nicht unterbringen können.
  • Zudem ermöglicht der geschichtete Aufbau der Sicherung 400 und die erhöhte Bruchkapazität, dass die Sicherung 400 entweder überlegene Öffnungseigenschaften und eine überlegene Leistungsfähigkeit in einer körperlichen Packung ungefähr der gleichen Größe wie bekannte Sicherungen hat oder äquivalente Öffnungseigenschaften und Leistung mit einer reduzierten körperlichen Packungsgröße mit Bezug auf bekannte Sicherungen bereitstellen kann.
  • Darüber hinaus stellt der geschichtete Polymeraufbau der Sicherung 400 Gewichtseinsparungen gegenüber bekannten, vergleichbaren Sicherungen, die andere Materialien enthalten, bereit und insbesondere gegenüber bekannten Sicherungen, die Keramikröhren haben. Bezüglich einer großen Anzahl von Komponenten, die auf einer Leiterplatte angesammelt sind, können die Gewichtseinsparungen signifikant sein.
  • Die Sicherung 400 kann auch mit reduzierten Kosten im Vergleich zu bekannten Sicherungen in Übereinstimmung mit irgendeinem der zuvor erwähnten Verfahren mit geeigneten Modifikationen der Sicherungsverbindung und durch Bereitstellen einer geeigneten Anzahl von dem Ort der Sicherungselementöffnungen in den Sicherungsschichten bereitgestellt werden.
  • Es ist ersichtlich, dass die Sicherung 400 Aspekte der anderen Sicherungsausführungsformen, die hier beschrieben werden, enthalten kann. Zum Beispiel kann die Sicherung 400 durchscheinende Außenisolationsschichten für eine leichte Erkennung von geöffneten Sicherungsverbindungen, variierende Sicherungselementschichtaufbauten, Anschlussfenster und Löthügelanschlüsse, Heizelemente und Wärmesenken, usw. enthalten. Die Sicherung 400 ist nur für erläuternde Zwecke bereitgestellt und erläutert beispielhaft Merkmale, die miteinander mit anderen Sicherungsmerkmalen kombiniert werden können, um Sicherungen mit einem sehr geringen Widerstand gemäß hocheffizienten und hochgenauen Herstellungsverfahren herstellen zu können.
  • Obwohl die Erfindung gemäß verschiedenen, speziellen Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennen Fachleute, dass die Erfindung mit Modifikation innerhalb der Grundidee und dem Bereich der Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims (28)

  1. Sicherung mit niedrigem Widerstand, die aufweist: eine erste Zwischenisolationsschicht; eine zweite Zwischenisolationsschicht; und eine freistehende Sicherungselementschicht, die unabhängig von der ersten und der zweiten Zwischenisolationsschicht ausgebildet und hergestellt wird, wobei die Sicherungselementschicht eine erste Kontaktfläche und eine zweite Kontaktfläche und eine Schmelzsicherungsverbindung aufweist, die sich zwischen ihnen erstreckt; worin sich die erste und zweite Zwischenisolationsschicht an gegenüberliegenden Seiten der freistehenden Sicherungselementschicht erstrecken und miteinander mit der Sicherungselementschicht dazwischen laminiert sind.
  2. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 1, worin die erste Zwischenschicht und/oder die zweite Zwischenschicht eine Öffnung aufweist bzw. aufweisen, die über der Sicherungsverbindung liegt.
  3. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 1, worin die Sicherungselementschicht eine Dünnfilmfolie aufweist.
  4. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 1, die weiterhin Anschlussschlitze oder Anschlusslöcher aufweist, die in lateralen Enden der Sicherungselementschicht, der ersten Zwischenisolationsschicht und der zweiten Zwischenisolationsschicht ausgebildet sind.
  5. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 1, die weiterhin eine erste, äußere Isolationsschicht und eine zweite äußere Isolationsschicht aufweist, die mit der ersten Zwischenisolationsschicht bzw. der zweiten Zwischenisolationsschicht laminiert sind.
  6. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 1, worin die erste, äußere Isolationsschicht und/oder die zweite, äußere Isolationsschicht und die erste Zwischenisolationsschicht und/oder die zweite Zwischenisolationsschicht ein Polymermaterial aufweisen.
  7. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 1, die weiterhin ein Lichtbogenlöschmedium aufweist, das in der Nähe der Schmelzsicherungsverbindung ist.
  8. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 1, die weiterhin einen M-Fleck aufweist, der an der Schmelzsicherungsverbindung ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Sicherung mit niedrigem Widerstand, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer ersten Zwischenisolationsschicht; Bereitstellen einer vorher ausgebildeten Sicherungselementschicht, getrennt von der ersten Zwischenschicht, wobei die vorher ausgebildete Sicherungselementschicht eine Schmelzsicherungsverbindung hat, die sich zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche erstreckt; und klebendes Laminieren einer zweiten Zwischenisolationsschicht auf die erste Zwischenisolationsschicht über der Sicherungselementschicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, worin das klebende Laminieren das Laminieren mit einem Polymerklebstofffilm aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, worin das klebende Laminieren das Laminieren mit einem Klebstoff aufweist, der Lichtbogenunterdrückungseigenschaften hat.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin das Bereitstellen einer ersten, äußeren Isolationsschicht und einer zweiten, äußeren Isolationsschicht und das klebende Laminieren der ersten, äußeren Isolationsschicht auf der ersten Zwischenschicht und das klebende Laminieren der zweiten, äußeren Isolationsschicht auf der zweiten Zwischenschicht aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Sicherungselementschicht, die erste Zwischenisolationsschicht, die zweite Zwischenisolationsschicht, die erste äußere Isolationsschicht und die zweite äußere Isolationsschicht gleichzeitig miteinander laminiert werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, worin das Bereitstellen einer ersten Zwischenisolationsschicht das Bereitstellen einer ersten Zwischenisolationsschicht mit einer Sicherungselementöffnung, die vorher darin ausgebildet wurde, aufweist und worin das Verfahren weiterhin das Anlegen eines M-Flecks an die Schmelzsicherungsverbindung durch die Sicherungselementöffnung aufweist, nachdem die zweite Zwischenisolationsschicht auf der ersten Zwischenschicht laminiert worden ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, worin die erste Zwischenisolationsschicht und die zweite Zwischenisolationsschicht eine Öffnung enthält und worin das klebende Laminieren der zweiten Zwischenisolationsschicht auf der ersten Zwischenisolationsschicht über der Sicherungselementschicht das Positionieren der Öffnung derart aufweist, dass sie über der Schmelzsicherungsverbindung liegt.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, worin das Bereitstellen eines vorher ausgebildeten Sicherungselements das Bereitstellen einer freistehenden, dünnen Filmfolie aufweist, die die Schmelzsicherungsverbindung und die erste und die zweite Kontaktfläche definiert.
  17. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin das Ausbilden von Anschlussschlitzen oder Löchern aufweist, die in lateralen Enden der Sicherungselementschicht, der ersten Zwischenisolationsschicht und der zweiten Zwischenisolationsschicht ausgebildet werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 9, worin das Bereitstellen einer ersten Zwischenisolationsschicht das Bereitstellen einer Schicht aus Polymermaterial aufweist.
  19. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin das Anlegen eines Lichtbogenlöschmediums benachbart der Schmelzsicherungsverbindung aufweist.
  20. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin das Ausbilden eines M-Flecks an der Schmelzsicherungsverbindung aufweist.
  21. Sicherung mit niedrigem Widerstand, die aufweist: eine erste Zwischenisolationsschicht und eine zweite Zwischenisolationsschicht, wobei die erste Zwischenisolationsschicht und/oder die zweite Zwischenisolationsschicht eine vorher ausgebildete Öffnung durch sie hindurch aufweist bzw. aufweisen; eine Dünnfoliensicherungselementschicht, die separat von der ersten Zwischenisolationsschicht und der zweiten Zwischenisolationsschicht ausgebildet wird; worin sich die erste Zwischenisolationsschicht und die zweite Zwischenisolationsschicht an gegenüberliegenden Seiten der Sicherungselementschicht erstrecken und mit dieser gekoppelt sind; und ein Lichtbogenlöschmedium befindet sich in der vorher ausgebildeten Öffnung und umgibt die Sicherungselementschicht innerhalb der Öffnung.
  22. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 21, die weiterhin Anschlussschlitze oder Löcher aufweist, die in lateralen Enden der Sicherungselementschicht, der ersten Zwischenisolationsschicht und dem zweiten Zwischenisolationsmaterial ausgebildet sind.
  23. Sicherung mit niedrigem Widerstand nach Anspruch 21, die weiterhin eine erste, äußere Isolationsschicht und eine zweite, äußere Isolationsschicht aufweist, die mit der jeweiligen ersten Zwischenisolationsschicht bzw. zweiten Zwischenisolationsschicht laminiert sind.
  24. Sicherung mit niedrigem Widerstand, die aufweist: eine erste Zwischenisolationsschicht; eine zweite Zwischenisolationsschicht und eine Sicherungselementschicht, die eine Sicherungsverbindung aufweist, die mindestens eine Schwachstelle hat, die darin ausgebildet ist; worin sich die erste Zwischenisolationsschicht und die zweite Zwischenisolationsschicht auf gegenüberliegenden Seiten der freistehenden Sicherungselementschicht erstrecken und miteinander mit der Sicherungselementschicht dazwischen laminiert sind.
  25. Sicherung nach Anspruch 24, worin die Sicherungsverbindung vielzählige Schwachstellen enthält und worin die erste Zwischenisolationsschicht und/oder die zweite Zwischenisolationsschicht vielzählige Öffnungen durch sie hindurch aufweist bzw. aufweisen, die im Ort den vielzähligen Schwachstellen entsprechen.
  26. Sicherung nach Anspruch 24, die weiterhin mindestens eine äußere Isolationsschicht aufweist, die die vielzähligen Öffnungen der ersten Zwischenisolationsschicht und/oder der zweiten Zwischenisolationsschicht einschließt.
  27. Sicherung nach Anspruch 24, worin die Schmelzsicherungsverbindung mindestens einen M-Fleck enthält, der daran ausgebildet ist.
  28. Sicherung nach Anspruch 24, die weiterhin ein Lichtbogenlöschmedium in der Nachbarschaft der Schmelzsicherungsverbindung aufweist.
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