DE102016109961A1

DE102016109961A1 - Elektrische Sicherungsvorrichtung und Herstellverfahren zum Herstellen einer elektrischen Sicherungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016109961A1
Application number: DE102016109961.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Stanglmeier; Matthias Jahn
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) zum Absichern einer elektrischen Verbindung. Die Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) weist einen elektrisch isolierenden Sicherungsträger (2, 11, 31) und einen ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) auf dem Sicherungsträger (2, 11, 31) sowie einen zweiten elektrischen Kontakt (4, 13, 33) auf dem Sicherungsträger (2, 11, 31) auf, der von dem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) elektrisch isoliert ist. Schließlich ist eine Anzahl von Sicherungselementen (7, 14, 36) vorgesehen, welche elektrisch mit dem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) und dem zweiten elektrischen Kontakt (4, 13, 33) gekoppelt sind, wobei die Sicherungselemente (7, 14, 36) ein elektrisch leitendes Sicherungsmaterial (15, 37) mit einer vorgegebenen Strombelastbarkeit und ein Schmelzmittel (19, 41) in Kontakt mit dem Sicherungsmaterial (15, 37) aufweisen. Dabei weist das Schmelzmittel (19, 41) einen niedrigeren Schmelzpunkt auf, als das Sicherungsmaterial (15, 37).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Sicherungsvorrichtung zum Absichern einer elektrischen Verbindung und ein Herstellverfahren für eine solche Sicherungsvorrichtung.
Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Bordnetzen in Kraftfahrzeugen erläutert. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung aber in jeder Anwendung eingesetzt werden kann, in der elektrische Verbindungen abgesichert werden sollen.
Zur Absicherung von elektrischen Leitungen und Schaltungen vor Überlast in einem Kraftfahrzeug werden in der Regel Schmelzsicherungen verwendet. Hierfür sind insbesondere Schmelzsicherungen bekannt, bei denen ein Spalt zwischen zwei Leiterbahnen mit Hilfe eines aufgeschmolzenen Metallkörpers z.B. aus Zinn überbrückt wird. Eine derartige Sicherungseinrichtung wird beispielsweise in der DE 10 2014 115 588 offenbart. Die Sicherungseinrichtung besteht aus einem elektrisch isolierenden Träger, auf den zwei Leiterbahnen aufgebracht sind, die durch eine Materialverjüngung voneinander beabstandet sind. Aufgeschmolzenes Zinn wird derart aufgebracht, dass die Materialverjüngung überbrückt wird.
Ähnliche Sicherungseinrichtungen sind auch in der DE 10 2009 040 022 B3 oder der JP H09 161 635 A1 gezeigt.
Der Zinnkörper kann allerdings hinsichtlich seiner Größe, Form und Positionierung nur schwer reproduzierbar aufgebracht werden. Bereits kleinste Abweichungen beim Aufbringen des Zinns führen aber zu unterschiedlichsten Verhalten beim Aufschmelzen des Zinns, also beim Auslösen der Sicherung, sodass die Auslösecharakteristik der Sicherungseinrichtung großen Schwankungen unterliegt.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Sicherung mit einer vorgegebenen und reproduzierbaren Auslösecharakteristik bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Demgemäß ist eine elektrische Sicherungsvorrichtung zum Absichern einer elektrischen Verbindung vorgesehen. Die Sicherungsvorrichtung weist einen elektrisch isolierenden Sicherungsträger auf, also einen Träger, der keinen elektrischen Strom leitet. Auf dem Sicherungsträger sind ein erster elektrischer Kontakt und ein zweiter elektrischer Kontakt angeordnet, wobei der zweite elektrische Kontakt von dem ersten elektrischen Kontakt elektrisch isoliert ist. Ferner ist eine Anzahl, also ein einzelnes oder mehrere, von Sicherungselementen vorgesehen, welche elektrisch mit dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt gekoppelt sind. Dabei weisen die Sicherungselemente ein elektrisch leitendes Sicherungsmaterial mit einer vorgegebenen Strombelastbarkeit und ein Schmelzmittel in Kontakt mit dem Sicherungsmaterial auf, wobei das Schmelzmittel einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als das Sicherungsmaterial.
Ferner ist ein Herstellverfahren zum Herstellen einer elektrischen Sicherungsvorrichtung vorgesehen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Sicherungsträgers, Anordnen eines ersten elektrischen Kontakts auf dem Sicherungsträger und Anordnen eines zweiten elektrischen Kontakts auf dem Sicherungsträger elektrisch isoliert von dem ersten elektrischen Kontakt. Ferner ist vorgesehen ein elektrisches Koppeln einer Anzahl von Sicherungselementen mit dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt, wobei die Sicherungselemente ein elektrisch leitendes Sicherungsmaterial mit einer vorgegebenen Strombelastbarkeit und ein Schmelzmittel in Kontakt mit dem Sicherungsmaterial aufweisen, wobei das Schmelzmittel einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als das Sicherungsmaterial.
Der Sicherungsträger kann jedes beliebige Material sein, das elektrisch nicht leitet, also ein elektrischer Isolator ist. Beispielsweise kann der Sicherungsträger herkömmliche Leiterplattenmaterialien, wie z.B. ein papierbasiertes FR2 oder FR3 aufweisen. Möglich ist auch die Verwendung von FR4, welches ein Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe ist, oder FR5. Weitere mögliche Materialien sind z.B. Keramik-Materialien oder Teflon. Die Auswahl des jeweiligen Materials kann dabei insbesondere in Abhängigkeit des benötigten Temperaturbereichs erfolgen.
Die zwei elektrischen Kontakte können auf dem Sicherungsträger z.B. als Leiterbahnen oder Lötpunkte bzw. Lötkontakte ausgebildet sein. Zwischen den zwei elektrischen Kontakten ist dabei eine Lücke vorhanden, die einen elektrischen Strompfad unterbricht. Es versteht sich, dass die elektrischen Kontakte an ihren den Sicherungselementen gegenüberliegenden Enden z.B. mit einem Steckkontakt oder dergleichen gekoppelt sein können. Sie bilden also die Zuleitungen zu den eigentlichen Sicherungselementen. Es versteht sich, dass die Sicherungsvorrichtung eine beliebige Anzahl von Sicherungselementen aufweisen kann, insbesondere kann sie z.B. nur ein Sicherungselement aufweisen. Sind mehrere Sicherungselemente vorgesehen, sind diese regelmäßig elektrisch parallel geschaltet. Ferner sind mehrere völlig voneinander unabhängige Sicherungen auf einer Platine mit dieser Technologie ebenfalls möglich.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherungen bestehen die Sicherungselemente selbst nicht nur aus einem Sicherungsmaterial, welches bei einer elektrischen Überlastung aufschmilzt. Vielmehr steht das Sicherungsmaterial in Kontakt mit einem Schmelzmittel.
Als Sicherungsmaterial kann jedes elektrisch leitende Material genutzt werden, dass eine für die jeweilige Anwendung vorgegebene Strombelastbarkeit aufweist. Unter der Strombelastbarkeit ist dabei zu verstehen, wie groß der elektrische Strom sein darf, der über das Sicherungselemente fließt, bevor dieses auslöst, also z.B. schmilzt. Die Strombelastbarkeit bestimmt sich dabei insbesondere basierend auf dem genutzten Material, also z.B. dessen spezifischen Wiederstand, dessen geometrischen Dimensionen und dessen Schmelzpunkt. Ferner muss das Sicherungsmaterial die für die jeweilige Anwendung gewünschte Auslösecharakteristik aufweisen. Das Sicherungsmaterial muss also bei einer elektrischen Überlastung, z.B. einem überhöhten Strom, innerhalb der gewünschten Auslösezeit schmelzen und damit den Stromfluss unterbrechen.
Wird das Sicherungsmaterial nicht gekapselt, steht es mit der Umgebungsluft und dem darin enthaltenen Sauerstoff in Kontakt. Durch den Kontakt mit dem Sauerstoff oxidiert das Sicherungsmaterial. Auf der Oberfläche des Sicherungsmaterials bildet sich folglich eine Oxidschicht.
Eine solche Oxidschicht besitzt allerdings üblicherweise andere physikalische Eigenschaften, als das Sicherungsmaterial selbst. Insbesondere kann die Oxidschicht z.B. eine höhere Schmelztemperatur aufweisen, als das Sicherungsmaterial. Durch die höhere Schmelztemperatur kann aber ein Auslösen der Sicherung verzögert werden. Beispielsweise kann eine äußere Oxidschicht wie eine Art Schlauch um bereits verflüssigtes Sicherungsmaterial wirken. Durch diesen Schlauch wird das verflüssigte Sicherungsmaterial in Form gehalten und leitet weiterhin elektrischen Strom.
Das Schmelzmittel kann z.B. ein Flussmittel sein und dient dazu, die Oxidschicht zu zersetzen bzw. zu zerstören, wenn sich das Sicherungsmaterial und die Oxidschicht erhitzen. Alternativ kann das Schmelzmittel auch ein entstehen einer Oxidschicht verzögern, verringern oder verhindern.
Mit Hilfe des Schmelzmittels kann also sichergestellt werden, dass sich die Auslösecharakteristik der Sicherungselemente nicht verändert bzw. dass diese konstant erhalten bleibt. Als Schmelzmittel kann jedes Material genutzt werden, dessen Schmelzpunkt unter dem des Sicherungsmaterials liegt. Beispielsweise kann jedes bekannte Flussmittel eingesetzt werden, welches die Eigenschaft aufweist, die Oxidschicht zu zersetzen. Insbesondere können aber sog. No-Clean Flussmittel eingesetzt werden, bei denen nach dem Aufbringen bzw. Verlöten keine Reinigung der Schaltung notwendig ist.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
In einer Ausführungsform kann die elektrische Sicherungsvorrichtung brückenartige Sicherungselemente aufweisen, die jeweils einen frei schwebenden Sicherungsabschnitt und an den Enden dieses Sicherungsabschnitts jeweils ein Lager aufweisen. Eines der Lager ist mit dem ersten elektrischen Kontakt und eines der Lager mit dem zweiten elektrischen Kontakt elektrisch gekoppelt, z.B. verlötet oder verklebt. Im Gegensatz zu einem auf dem Träger aufgeschmolzenen Zinnkörper hat die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, dass geschmolzenes Material der Sicherungselemente nicht erst abfließen bzw. abgezogen werden muss. Bei den brückenartigen Sicherungselementen erfolgt daher ein verzugsfreies Unterbrechen bzw. Ansprechen der Sicherung. Erwärmen sich die Sicherungselemente über ihren Schmelzpunkt hinaus, beginnen sie zu schmelzen. Das geschmolzene Metall sammelt sich zu einem Tropfen, der aufgrund der Schwerkraft von den Sicherungselementen herabfällt. Durch den Materialverlust verringert sich der Querschnitt der Sicherungselemente und die Stromdichte in den Sicherungselementen erhöht sich noch weiter. Dadurch steigt auch die Temperatur in den Sicherungselementen weiter an. Das Aufschmelzen der Sicherungselemente und die Tropfenbildung beschleunigen sich. Dies setzt sich fort bis die Sicherungselemente eine Unterbrechung aufweisen und die Leitung damit unterbrochen ist.
Der Abstand zwischen den elektrischen Kontakten ist dabei so zu wählen, dass er durch das heruntertropfende Material der Sicherungselemente nicht überbrückt wird. Der Sicherungsträger kann auch hochkant verbaut werden, so dass heruntertropfendes Material parallel zu dem Sicherungsträger heruntertropft und nicht auf diesem landet.
In einer Ausführungsform kann die elektrische Sicherungsvorrichtung ein Isolationsmaterial aufweisen, das mindestens einen der elektrischen Kontakte zumindest teilweise bedeckt.
Das Isolationsmaterial ist ein elektrisch nicht-leitendes Material. Es kann z.B. einen der elektrischen Kontakte dort bedecken, wo das Sicherungsmaterial auf den Sicherungsträger tropfen kann, wenn es sich verflüssigt. Damit verhindert es eine elektrisch leitfähige Brücke zwischen den zwei elektrischen Kontakten. Das Isolationsmaterial kann dazu lediglich einen der elektrischen Kontakte oder beide elektrischen Kontakte bedecken. Das Isolationsmaterial kann insbesondere auch den Raum auf dem Sicherungsträger zwischen den zwei elektrischen Kontakten bedecken. Als Isolationsmaterial kommt dabei jedes Material in Frage, welches den Temperaturen des geschmolzenen Sicherungsmaterials standhalten kann. Beispielsweise kann das Isolationsmaterial ein Harz, ein Kunststoff oder dergleichen sein.
In einer Ausführungsform kann der Sicherungsträger an jedem der elektrischen Kontakte für jedes der Sicherungselemente eine Durchgangsöffnung aufweisen. Ferner kann jeweils ein Ende eines entsprechenden der Sicherungselemente durch die entsprechende Durchgangsöffnung geführt sein und mit dem jeweiligen elektrischen Kontakt verlötet sein. Die Durchgangsöffnungen können z.B. als Durchkontaktierungen in dem Trägerelement ausgeführt sein. Dabei kann der jeweilige elektrische Kontakt entweder auf der dem jeweiligen Sicherungselement gegenüberliegenden Seite des Sicherungsträgers oder auf der Seite des jeweiligen Sicherungselements angeordnet sein. Eine gemischte Anordnung ist ebenfalls möglich, also ein Kontakt auf der Seite des jeweiligen Sicherungselements und einer auf der gegenüberliegenden Seite.
Die Durchkontaktierungen können eine elektrisch Leitende Beschichtung aufweisen. Sie können also Strom von einer Seite des Sicherungsträgers zur anderen Seite leiten und umgekehrt. Solche Durchkontaktierungen können auch Vias genannt werden. Ferner können die Durchkontaktierungen Lötflächen auf der Oberfläche einer oder beider Seiten des Sicherungsträgers zum verlöten des jeweiligen Sicherungselements aufweisen.
Die Sicherungselemente können so sehr einfach mit den elektrischen Kontakten verbunden, z.B. eben verlötet oder verklebt werden.
In einer Ausführungsform kann das Schmelzmittel auf der Außenseite des Sicherungsmaterials aufgebracht sein. Das Schmelzmittel kann also z.B. auf das Sicherungsmaterial aufgestrichen, aufgesprüht oder aufgedampft werden. Alternativ kann das Sicherungsmaterial in ein Bad aus Schmelzmittel getaucht werden, bevor es auf dem Sicherungsträger befestigt wird. Ein solches Sicherungselement ist sehr einfach herzustellen und kann mit jeder beliebigen Form und Größe hergestellt werden.
In einer Ausführungsform kann das Schmelzmittel im Inneren des Sicherungsmaterials angeordnet sein. Das Sicherungsmaterial kann also z.B. eine Seele aus Schmelzmittel aufweisen. Beispielsweise kann das Sicherungsmaterial ein Draht sein, der bereits bei seiner Herstellung mit der Seele aus Schmelzmittel versehen wird. Das Sicherungsmaterial kann aber z.B. auch aus zwei miteinander verpressten Platten bestehen, in deren Zwischenraum das Schmelzmittel angeordnet ist. Werden die Ränder der Platten verpresst, kann das Schmelzmittel nicht aus dem Zwischenraum zwischen den Platten entweichen.
Selbstverständlich kann das Schmelzmittel auch sowohl im Inneren als auf der Außenseite des Sicherungselements angeordnet sein.
In einer Ausführungsform kann das Sicherungsmaterial ein Weichlotmaterial, insbesondere Zinn oder eine Zinnlegierung, aufweisen. Mit einem Weichlotmaterial, wie Zinn oder einer Zinnlegierung, als Sicherungsmaterial können Sicherungselemente bereitgestellt werden, die eine gewisse Trägheit aufweisen. Solche trägen Sicherungselemente lösen also nicht bereits bei kurzen Stromspitzen aus, sondern lösen erst bei länger andauernden Überlast-Situationen aus. So kann vermieden werden, dass ein Sicherungselement bei kurzen Stromspitzen bereits zerstört wird, die z.B. für die abgesicherten Kabel und Steckverbinder noch keine Gefahr darstellen. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass das Sicherungselement bei einer anhaltenden Überlastung schmilzt, also auslöst, und den Stromfluss unterbricht. Unter einem Weichlotmaterial ist Lotmaterial zu verstehen, dessen Schmelzpunkt weniger als 450°C beträgt. Der Schmelzpunkt kann z.B. bei weniger als 250°C, insbesondere auch weniger als 200°C, liegen.
In einer Ausführungsform können die Sicherungselemente als Draht, insbesondere aus Zinn oder einer Zinnlegierung, mit einer Seele aus Schmelzmittel ausgebildet sein. Ferner können die Enden der Sicherungselemente auf der dem jeweiligen Sicherungselement gegenüberliegenden Seite des Sicherungsträgers mit dem jeweiligen elektrischen Kontakt verlötet bzw. verklebt sein. Die Sicherungselemente können also z.B. aus herkömmlichem, handelsüblichem Lötzinn ausgebildet sein, welches üblicherweise bereits eine Seele aus Schmelzmittel, z.B. Flussmittel, aufweist. Wird nun das Sicherungsmaterial, also das Zinn bzw. die Zinnlegierung, durch eine elektrische Überlast aufgeschmolzen aber noch durch die Oxidschicht in Form gehalten, kommt das Schmelzmittel durch das aufgeschmolzene Sicherungsmaterial hindurch in Kontakt mit der Oxidschicht und kann diese zerstören. Auf Grund seines niedrigeren Schmelzpunktes kann das Schmelzmittel beim Schmelzen des Sicherungsmaterials auch bereits sieden, und z.B. Blasen werfen. Diese unterstützen die Zerstörung der Oxidschicht mechanisch durch den Druck, den sie erzeugen.
Ist der Schmelzpunkt des Schmelzmittels ausreichend weit von dem Schmelzpunkt des Sicherungsmaterials entfernt, kann das Schmelzmittel bereits seinen Siedepunkt erreichen, bevor sich das Sicherungsmaterial verflüssigt. Das Schmelzmittel geht dann zumindest teilweise in den gasförmigen Zustand über. Der Druck, den das Schmelzmittel aufbaut, kann das Sicherungsmaterial und die Oxidschicht folglich zerreißen bzw. sprengen.
Bei den Sicherungselementen aus Weichlotmaterial muss sichergestellt werden, dass der Körper, also insbesondere der frei schwebende Sicherungsabschnitt, beim Verarbeiten des Sicherungselements nicht beschädigt wird. Das Sicherungselement muss also prozesssicher verbaut werden können. In einer Ausführungsform wird das Sicherungselement aus Lötzinn von einer Seite in den Sicherungsträger gesteckt und auf der gegenüberliegenden Seite des Sicherungsträgers verlötet. Der Körper des Sicherungselements ist so beim Lötvorgang durch den Sicherungsträger von der Hitzequelle getrennt. Folglich wird das Risiko, dass der Körper eines Sicherungselements beim Verlöten beschädigt wird, minimiert.
Ist im Rahmen dieser Offenbarung von einer Verbindung mittels Löten die Rede, kann diese selbstverständlich durch jede andere Art der elektrischen Verbindung, z.B. Kleben, Verpressen, Durchsetzfügen oder dergleichen ersetzt werden.
Kurze Figurenbeschreibung
Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren beispielshalber noch näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung;
2 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung;
3 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt einen als Leiterplatte 2 ausgebildeten Sicherungsträger. Auf der Leiterplatte 2 sind zwei elektrische Kontakte 3 und 4 dargestellt. Die Kontakte 3, 4 weisen in der bildhaften Darstellung der 1 an ihrem oberen Ende jeweils einen zu dem jeweils anderen Kontakt 3, 4 zeigenden oberen Bereich 8 auf, in welchem jeweils eine Durchgangsöffnung 5, 6 zur Aufnahme eines Sicherungselements 7 angeordnet ist. Senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung von diesem oberen Bereich 8 verlaufen die Kontakte 3, 4 bis zum Ende der Platine 2 parallel zueinander. Dabei ist der Abstand zwischen den Kontakten 3, 4 im oberen Bereich 8 geringer, als an den parallel zueinander verlaufenden Bereichen. Die geometrische Ausformung sowohl der Platine 2 als auch der elektrischen Kontakte 3, 4 ist lediglich beispielhaft gewählt und dient der Erläuterung der Erfindung. Es versteht sich, dass jede andere geometrische Form für die Platine 2 und die Kontakte 3, 4 gewählt werden kann. Ferner kann die Platine 2 z.B. Aufnahmen für ein männliches oder weibliches Stecker-Element (nicht dargestellt) aufweisen, welches elektrisch mit den Kontakten 3, 4 gekoppelt sein kann.
In 1 ist ferner gestrichelt angedeutet, dass der obere Bereich 8 der Kontakte 3, 4 vergrößert sein kann. Die elektrischen Kontakte 3, 4 können dort weitere Durchgangsöffnungen für weitere Sicherungselemente aufweisen (ebenfalls gestichelt dargestellt). Diese werden durch die gezeigte Anordnung dann elektrisch parallel geschaltet.
In jede der Durchgangsöffnungen 5, 6 ist ein Ende eines Sicherungselements 7 eingeführt, welches mit dem jeweiligen Kontakt 3, 4 elektrisch und mechanisch verbunden ist. Eine solche Verbindung kann z.B. durch Löten oder Kleben hergestellt werden.
Das Sicherungselement 7 selbst ist als eine Art Drahtbrücke z.B. aus Zinn oder einer Zinnlegierung ausgebildet. Das Sicherungselement 7 weist ein Sicherungsmaterial (siehe 2 und 3) auf, das in direktem Kontakt mit einem Schmelzmittel (siehe 2 und 3), insbesondere einem Flussmittel, steht. Dabei liegt der Schmelzpunkt des Schmelzmittels unter dem des Sicherungsmaterials.
Wird die Sicherungsvorrichtung 1 nun in einem Strompfad angeordnet, bildet einer der Kontakte 3, 4 den Eingang der Sicherungsvorrichtung 1 und der andere Kontakt 3, 4 den Ausgang der Sicherungsvorrichtung 1. Wie bereits erwähnt, kann dazu z.B. ein entsprechender Stecker an der Platine 2 vorgesehen werden. Alternativ kann die Sicherungsvorrichtung 1 auch als Bestandteil einer größeren Platine in einem Gerät, z.B. einem Steuergerät eines Automobils oder eines anderen Fahrzeugs, integriert sein.
Fließt nun ein Strom über den ersten Kontakt 3, das Sicherungselement 7 und den zweiten Kontakt 4, erwärmt sich insbesondere das Sicherungselement 7. Das Sicherungselement 7 ist dabei derart dimensioniert, dass es bei einem Überstrom schmilzt, bevor die durch die Sicherungsvorrichtung 1 zu schützenden Elemente Schaden nehmen. Es schmilzt also, bevor in den zu schützenden Elementen der Überstrom Zerstörungen hervorruft.
Wird die Sicherungsvorrichtung 1 nicht verkapselt, steht das Sicherungselement 7 in Kontakt mit der Umgebungsluft und damit auch Sauerstoff. Durch den Sauerstoff bildet sich eine Oxidschicht (siehe 3) auf der Oberfläche des Sicherungselements 7. Wie oben bereits erläutert, kann diese das Ansprechverhalten der Sicherungsvorrichtung 1 verändern und ist daher unerwünscht. Die Oxidschicht wird bei dem Sicherungselement 7 aber durch das Schmelzmittel zerstört, sobald die Temperatur als Katalysator für die notwendige Reaktion hoch genug ist. Damit wird das Sicherungselement 7 bei entsprechenden Temperaturen von der Oxidschicht befreit und behält die gewünschte Auslösecharakteristik bei.
In 1 ist das Sicherungselement 7 als eine Drahtbrücke ausgebildet, die durch die Durchgangsöffnungen geschoben und dort befestigt wird. Es versteht sich aber, dass jede andere Art von Sicherungselement 7 genutzt werden kann. Beispielswiese kann das Sicherungselement 7 auch streifenförmig ausgebildet sein. Die Enden des Streifens können dann z.B. mit den elektrischen Kontakten 3, 4 verklebt oder mittels Durchsetzfügen verbunden werden.
Die Schnittansicht der 2 zeigt eine mögliche Ausbildung des Sicherungselements 14, dass z.B. auf der Platine 11 eingesetzt werden kann. Für den Sicherungsträger 11 der 2 gelten die Erläuterungen zu dem Sicherungsträger 2 der 1.
Das Sicherungselement 14 ist brückenartig ausgebildet und weist einen frei schwebenden Sicherungsabschnitt 16 auf, der von zwei Lagern 17, 18 getragen wird. Der Winkel zwischen dem frei schwebenden Sicherungsabschnitt 16 und den Lagern 17, 18 beträgt ca. 90°. Es versteht sich, dass dieser Winkel lediglich beispielhaft gewählt ist. Das Sicherungselement 14 könnte z.B. auch halbkreis-artig ausgebildet sein.
Der Sicherungsträger 11 ist ebenfalls als Platine ausgebildet. Die elektrischen Kontakte 12 und 13 sind auf der Seite des Sicherungsträgers 11 angeordnet, die dem Sicherungselement 14 gegenüberliegt. Die Enden der Lager 17, 18 sind durch die Durchgangsöffnungen (nicht separat bezeichnet) geführt und auf der Seite der elektrischen Kontakte 12, 13 jeweils mit dem entsprechenden Kontakt 12, 13 verlötet.
Das Sicherungselement 14 besteht hauptsächlich aus Sicherungsmaterial 15. Auf der den elektrischen Kontakten 12, 13 gegenüberliegenden Seite des Sicherungsträgers 11 ist das Sicherungselement 14 mit einer Schicht aus Schmelzmittel 19 überzogen, die also auf dessen Oberfläche angeordnet ist. In der Darstellung der 2 reicht das Schmelzmittel 19 bis auf die Oberfläche des Sicherungsträgers 11. Das Sicherungselement 14 ist also vollständig von dem Schmelzmittel 19 bedeckt. Das Schmelzmittel 19 kann z.B. in einem Tauchbad oder durch aufsprühen aufgebracht werden.
Erhitzt sich nun das Sicherungsmaterial 15 z.B. auf Grund eines Überstroms, verflüssigt sich auf Grund des geringeren Schmelzpunktes zuerst das Schmelzmittel und zersetzt eine mögliche Oxidschicht (siehe 3) auf der Oberfläche des Sicherungselements 14. Ferner schützt die Schicht aus Schmelzmittel 19 selbst die Oberfläche 20 des Sicherungselements 14 auch vor direktem Kontakt mit Sauerstoff und verringert so die Oxidbildung.
Die durch die Durchgangsöffnungen hindurchgeführten Enden der Lager 17, 18 sind direkt auf den Durchgangsöffnungen verlötet. Es versteht sich, dass die Enden der Lager 17, 18 z.B. auch abgeknickt werden können und an anderen Stellen mit den Kontakten 12, 13 verlötet werden können.
Die Schnittansicht der 3 zeigt eine weitere mögliche Ausbildung des Sicherungselements 36, dass z.B. auf der Platine 31 eingesetzt werden kann. Für den Sicherungsträger 31 der 3 gelten die Erläuterungen zu dem Sicherungsträger 2 der 1.
Im Gegensatz zu dem Sicherungsträger 11 der 2 sind bei dem Sicherungsträger 31 die elektrischen Kontakte 32, 33 auf derjenigen Seite angeordnet, auf der auch das Sicherungselement 36 angeordnet ist. Die Kontakte 32, 33 erstrecken sich durch die Durchgangsöffnungen hindurch auf die Rückseite des Sicherungsträgers 31, auf welcher sie mit dem Sicherungselement 36 verlötet sind. Solche Durchgangsöffnungen werden auch Durchkontaktierungen oder Vias genannt. Es versteht sich, dass die Details der 2 und 3 bezüglich der Anordnung der elektrischen Kontakte 12, 13, 32, 33 beliebig miteinander kombiniert werden können. Die elektrischen Kontakte 32, 33 könnten folglich auch auf der Unterseite des Sicherungsträgers 31 angeordnet sein.
Die Geometrie des Sicherungselements 36 gleicht der Geometrie des Sicherungselements 14 der 2. Es weist also einen frei schwebenden Sicherungsabschnitt 38 und zwei Lager 39, 40 auf.
Unter dem frei schwebenden Sicherungsabschnitt 38 ist eine Schicht aus Isolationsmaterial 42 angeordnet. Das Isolationsmaterial 42 bedeckt die Enden der zwei Kontakte 32, 33, die unter dem frei schwebenden Sicherungsabschnitt 38 liegen. Das Isolationsmaterial 42 verhindert, dass heruntertropfendes Sicherungsmaterial 37 einen elektrischen Kontakt zwischen den zwei Kontakten 32, 33 herstellt. Selbstverständlich kann das Isolationsmaterial 42 auch z.B. bei der Anordnung der 2 genutzt werden und/oder auch größere Teile der elektrischen Kontakte 32, 33 bedecken.
Im Gegensatz zu 2 ist das Schmelzmittel bei dem Sicherungselement 36 nicht auf dessen Oberfläche angeordnet. Vielmehr ist das Schmelzmittel 41 bei dem Sicherungselement 36 in dessen Innerem angeordnet. Das Sicherungselement 36 weist also eine Seele aus Schmelzmittel 41 in seinem Inneren auf. Auf seiner Außenseite hat sich daher eine Oxidschicht 43 gebildet.
Erhitzt sich das Sicherungselement 36 auf Grund eines Überstroms, verflüssigt sich das Schmelzmittel 41. Es kann z.B. auch dazu kommen, dass das Schmelzmittel 41 bereits seinen Siedepunkt erreicht, bevor das Sicherungsmaterial 37 sich vollständig verflüssigt. Die Blasenbildung in dem Schmelzmittel 41 unterstützt dann mechanisch die Zerstörung des Sicherungselements 36. Aber auch ohne die Blasenbildung kommt das Schmelzmittel 41 mit der Oxidschicht 43 in Kontakt, sobald sich das Sicherungsmaterial 37 verflüssigt. Bei Kontakt mit der Oxidschicht 43 zerstört das Schmelzmittel 41 diese und das Sicherungsmaterial 37 kann abfließen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellverfahrens zum Herstellen einer elektrischen Sicherungsvorrichtung 1, 10, 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den 1–3 als Referenz beibehalten.
In einem ersten Schritt S1 des Bereitstellens wird ein elektrisch isolierender Sicherungsträger 2, 11, 31 bereitgestellt. In einem Schritt S2 des Anordnens wird ein erster elektrischer Kontakt 3, 12, 32 auf dem Sicherungsträger 2, 11, 31 angebracht. Ein zweiter elektrischer Kontakt 4, 13, 33 wird in Schritt S3 auf dem Sicherungsträger 2, 11, 31 elektrisch isoliert von dem ersten elektrischen Kontakt 3, 12, 32 angeordnet. Schließlich wird in einem Schritt S4 des elektrischen Koppelns eine Anzahl von Sicherungselementen 7, 14, 36 mit dem ersten elektrischen Kontakt 3, 12, 32 und dem zweiten elektrischen Kontakt 4, 13, 33 gekoppelt. Dabei weisen die Sicherungselemente 7, 14, 36 ein elektrisch leitendes Sicherungsmaterial 15, 37 mit einer vorgegebenen Strombelastbarkeit und ein Schmelzmittel 19, 41 in Kontakt mit dem Sicherungsmaterial 15, 37 auf. Das Schmelzmittel 19, 41 hat ferner einen niedrigeren Schmelzpunkt, als das Sicherungsmaterial 15, 37.
Die Sicherungselemente 7, 14, 36 können z.B. als brückenartige Sicherungselemente 7, 14, 36 bereitgestellt werden, die jeweils einen frei schwebenden Sicherungsabschnitt 16, 38 und an den Enden des Sicherungsabschnitts 16, 38 jeweils ein Lager 17, 18, 39, 40 aufweisen. Solche Sicherungselemente 7, 14, 36 können sehr einfach verbaut werden. Beispielsweise kann eines der Lager 17, 18, 39, 40 mit dem ersten elektrischen Kontakt 3, 12, 32 und eines der Lager 17, 18, 39, 40 mit dem zweiten elektrischen Kontakt 4, 13, 33 elektrisch gekoppelt werden.
In dem Sicherungsträger 2, 11, 31 kann an jedem der elektrischen Kontakte 3, 12, 32, 4, 13, 33 für jedes der Sicherungselemente 7, 14, 36 eine Durchgangsöffnung 5, 6 angeordnet werden. Ferner kann jeweils ein Ende eines entsprechenden der Sicherungselemente 7, 14, 36 durch die entsprechende Durchgangsöffnung 5, 6 geführt werden und mit dem jeweiligen elektrischen Kontakt 3, 12, 32, 4, 13, 33 verlötet werden.
Das Schmelzmittel 19, 41 kann auf unterschiedliche Arten bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Schmelzmittel 19, 41 auf der Außenseite 20 des Sicherungsmaterials 15, 37 aufgebracht werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Schmelzmittel 19, 41 auch im Inneren des Sicherungsmaterials 15, 37 angeordnet werden.
Als mögliches Sicherungsmaterial 15, 37 kann z.B. ein Weichlotmaterial genutzt werden. Insbesondere können z.B. Zinn oder eine Zinnlegierung genutzt werden.
Um Kurzschlüsse der elektrischen Kontakte zu vermeiden, kann ein Isolationsmaterial 42 bereitgestellt werden, das mindestens einen der elektrischen Kontakte 3, 12, 32, 4, 13, 33 zumindest teilweise bedeckt.
Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft.
Bezugszeichenliste

1, 10, 30: Sicherungsvorrichtung
2, 11, 31: Sicherungsträger
3, 12, 32: erster elektrischer Kontakt
4, 13, 33: zweiter elektrischer Kontakt
5, 6: Durchgangsöffnung
7, 14, 36: Sicherungselement
8: oberer Bereich
15, 37: Sicherungsmaterial
16, 38: schwebender Sicherungsabschnitt
17, 18, 39, 40: Lager
19, 41: Schmelzmittel
20: Außenseite
42: Isolationsmaterial
43: Oxidschicht
S1: Verfahrensschritt des Bereitstellens
S2: Verfahrensschritt des Anordnens
S3: Verfahrensschritt des Anordnens
S4: Verfahrensschritt des Koppelns

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014115588 [0003]
DE 102009040022 B3 [0004]
JP 09161635 A1 [0004]

Claims

Elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) zum Absichern einer elektrischen Verbindung, mit einem elektrisch isolierenden Sicherungsträger (2, 11, 31), mit einem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) auf dem Sicherungsträger (2, 11, 31) und einem zweiten elektrischen Kontakt (4, 13, 33) auf dem Sicherungsträger (2, 11, 31), der von dem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) elektrisch isoliert ist, und mit einer Anzahl von Sicherungselementen (7, 14, 36), welche elektrisch mit dem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) und dem zweiten elektrischen Kontakt (4, 13, 33) gekoppelt sind, wobei die Sicherungselemente (7, 14, 36) ein elektrisch leitendes Sicherungsmaterial (15, 37) mit einer vorgegebenen Strombelastbarkeit und ein Schmelzmittel (19, 41) in Kontakt mit dem Sicherungsmaterial (15, 37) aufweisen, wobei das Schmelzmittel (19, 41) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als das Sicherungsmaterial (15, 37).
Elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) nach Anspruch 1, mit brückenartigen Sicherungselementen (7, 14, 36), die jeweils einen frei schwebenden Sicherungsabschnitt (16, 38) und an den Enden des Sicherungsabschnitts (16, 38) jeweils ein Lager (17, 18, 39, 40) aufweisen, wobei eines der Lager (17, 18, 39, 40) mit dem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) und eines der Lager (17, 18, 39, 40) mit dem zweiten elektrischen Kontakt (4, 13, 33) elektrisch gekoppelt ist.
Elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Isolationsmaterial (42), das mindestens einen der elektrischen Kontakte (3, 12, 32, 4, 13, 33) zumindest teilweise bedeckt.
Elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sicherungsträger (2, 11, 31) an jedem der elektrischen Kontakte (3, 12, 32, 4, 13, 33) für jedes der Sicherungselemente (7, 14, 36) eine Durchgangsöffnung (5, 6) aufweist und jeweils ein Ende eines entsprechenden der Sicherungselemente (7, 14, 36) durch die entsprechende Durchgangsöffnung (5, 6) geführt ist und mit dem jeweiligen elektrischen Kontakt (3, 12, 32, 4, 13, 33) verlötet ist.
Elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Schmelzmittel (19, 41) auf der Außenseite (20) des Sicherungsmaterials (15, 37) aufgebracht ist.
Elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Schmelzmittel (19, 41) im Inneren des Sicherungsmaterials (15, 37) angeordnet ist.
Elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sicherungsmaterial (15, 37) ein Weichlotmaterial, insbesondere Zinn oder eine Zinnlegierung, aufweist.
Elektrische Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30) nach den Ansprüchen 4, 6 und 7, wobei die Sicherungselemente (7, 14, 36) als Draht, insbesondere aus Zinn oder einer Zinnlegierung, mit einer Seele aus Schmelzmittel (19, 41) ausgebildet sind, und wobei die Enden der Sicherungselemente (7, 14, 36) auf der dem jeweiligen Sicherungselement (7, 14, 36) gegenüberliegenden Seite des Sicherungsträgers (2, 11, 31) mit dem jeweiligen elektrischen Kontakt (3, 12, 32, 4, 13, 33) verlötet sind.
Herstellverfahren zum Herstellen einer elektrischen Sicherungsvorrichtung (1, 10, 30), aufweisend die Schritte: Bereitstellen (S1) eines elektrisch isolierenden Sicherungsträgers (2, 11, 31), Anordnen (S2) eines ersten elektrischen Kontakts (3, 12, 32) auf dem Sicherungsträger (2, 11, 31), Anordnen (S3) eines zweiten elektrischen Kontakts (4, 13, 33) auf dem Sicherungsträger (2, 11, 31) elektrisch isoliert von dem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32), elektrisches Koppeln (S4) einer Anzahl von Sicherungselementen (7, 14, 36) mit dem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) und dem zweiten elektrischen Kontakt (4, 13, 33), wobei die Sicherungselemente (7, 14, 36) ein elektrisch leitendes Sicherungsmaterial (15, 37) mit einer vorgegebenen Strombelastbarkeit und ein Schmelzmittel (19, 41) in Kontakt mit dem Sicherungsmaterial (15, 37) aufweisen, wobei das Schmelzmittel (19, 41) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als das Sicherungsmaterial (15, 37).
Herstellverfahren nach Anspruch 9, wobei die Sicherungselemente (7, 14, 36) als brückenartige Sicherungselemente (7, 14, 36) bereitgestellt werden, die jeweils einen frei schwebenden Sicherungsabschnitt (16, 38) und an den Enden des Sicherungsabschnitts (16, 38) jeweils ein Lager (17, 18, 39, 40) aufweisen, wobei eines der Lager (17, 18, 39, 40) mit dem ersten elektrischen Kontakt (3, 12, 32) und eines der Lager (17, 18, 39, 40) mit dem zweiten elektrischen Kontakt (4, 13, 33) elektrisch gekoppelt wird.
Herstellverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 und 10, aufweisend Bereitstellen eines Isolationsmaterials (42), das mindestens einen der elektrischen Kontakte (3, 12, 32, 4, 13, 33) zumindest teilweise bedeckt.
Herstellverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 11, wobei in dem Sicherungsträger (2, 11, 31) an jedem der elektrischen Kontakte (3, 12, 32, 4, 13, 33) für jedes der Sicherungselemente (7, 14, 36) eine Durchgangsöffnung (5, 6) angeordnet wird und jeweils ein Ende eines entsprechenden der Sicherungselemente (7, 14, 36) durch die entsprechende Durchgangsöffnung (5, 6) geführt wird und mit dem jeweiligen elektrischen Kontakt (3, 12, 32, 4, 13, 33) verlötet wird.
Herstellverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 12, wobei das Schmelzmittel (19, 41) auf der Außenseite (20) des Sicherungsmaterials (15, 37) aufgebracht wird.
Herstellverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 13, wobei das Schmelzmittel (19, 41) im Inneren des Sicherungsmaterials (15, 37) angeordnet wird.
Herstellverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 14, wobei das Sicherungsmaterial (15, 37) als ein Weichlotmaterial, insbesondere Zinn oder eine Zinnlegierung, bereitgestellt wird.
Herstellverfahren nach den Ansprüchen 12, 14 und 15, wobei die Sicherungselemente (7, 14, 36) als Draht, insbesondere aus Zinn oder einer Zinnlegierung, mit einer Seele aus Schmelzmittel (19, 41) bereitgestellt werden, und wobei die Enden der Sicherungselemente (7, 14, 36) auf der dem jeweiligen Sicherungselement (7, 14, 36) gegenüberliegenden Seite des Sicherungsträgers (2, 11, 31) mit dem jeweiligen elektrischen Kontakt (3, 12, 32, 4, 13, 33) verlötet werden.