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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte
Sicherung für den Schutz elektrischer Schaltungen. Sie ist
besonders anwendbar auf eine Mikrosicherung des Typs, wie er
zum Schutz von Leiterplatten und Bauelementen verwendet
wird.
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Der hierin verwendete Begriff "Mikrosicherung" (auch
genannten "Subminiatursicherung") bedeutet eine Sicherung,
umfassend ihren Schmelzeinsatz und ihr Gehäuse mit einer
Breite von weniger als 0,254 cm (ein Zehntel inch), um die
Aufbringung von Mehrfachsicherungen auf (ein Zehntel inch)
Zentren einer Leiterplatte zu ermöglichen. Im Idealfall hat
die Sicherung ein Volumen von weniger als 0,163 cm³ (0,01
in.³). Es wird davon ausgegangen, daß die Mikrosicherung auf
zusätzliche Baugruppen aufgebracht werden kann und
Zuleitungen aufweisen kann, die sich über die Abmessungen
des Sicherungsgehäuses erstrecken.
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In der Vergangenheit wurden Mikrosicherungen
hergestellt, indem zwischen den Enden von Glas- oder
Keramikröhrchen ein kleiner Schmelzdraht eingehängt wurde.
Elektrischer Kontakt zum Schmelzdraht wird durch metallische
Abschlußkappen hergestellt, die an das Schmelzelement
angelötet oder mechanisch angeguetscht werden. Die gesamte
Anordnung wird durch Angquetschen der Abschlußkappen an dem
Glas- oder Keramikrohr hergestellt.
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Wenn axiale Zuführungen an den Abschlußkappen zur
Aufbringung der Sicherung auf eine Leiterplatte angebracht
werden müssen, müssen Sicherungsgehäuse und Abschlußkappen
mit einem Kunststoffmaterial zusammengehalten werden, um der
Anordnung eine ausreichende Festigkeit für eine normale
Handhabung zu verleihen.
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Die traditionelle Anordnung der Mikrosicherung, wie sie
beschrieben wird, hat zahlreiche Nachteile.
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Die Körperabmessungen einer auf einer Leiterplatte
anzubringenden Sicherung müssen so klein wie möglich sein.
Wenn die Länge des Schmelzdrahts kurz ausgeführt wird, muß
der Durchmesser zur Einhaltung der geforderten
Sicherungscharakteristik beschrieben werden. In einigen Fällen
darf der Durchmesser nicht größer sein als 0,0007 cm (0,0003
inch). Derart kleine Drähte sind außerordentlich schwer in
die traditionelle Mikrosicherung einzubauen und führen zu
hohen Herstellungskosten. Wegen der erforderlichen geringen
Drahtgröße sind demzufolge Sicherungen mit niedrigem
Stromwert unpraktisch. Darüber hinaus sind die bestehenden
Mikrosicherungen für eine bestimmte Aufbringung speziell
ausgeführt und lassen sich nicht ohne weiteres zur
Befestigung mit axialen Zuleitungsdrähten,
Oberflächenmontage oder Inline-Befestigung vom Halbleitertyp
modifizieren.
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Aufgrund der Schwankungen des Schmelzdrahtdurchmessers,
der Zusammensetzung und der freien Länge kann die typische
Mikrosicherung mit Verwendung eines Schmelzelements nicht
auf eine extrem enge Ausschaltcharakteristik kontrolliert
werden. Elektrische Verbindungen vom Typ des Anquetschens
und Lötens an das Schmelzdrahtelement sind offenkundige
ungenaue Methoden zum Kontrollieren der freien Drahtlänge.
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Die traditionelle Konstruktion ist darüber hinaus
hermetisch versiegelt. Obgleich einige andere Konstruktionen
eine Kunststoffdichtung benutzen, gewähren die meisten nicht
den wirklich hermetischen Verschluß, der nur von einer
vorschriftsmäßigen Glas-Metalldichtung gewährt werden kann.
Daher können sie weder eine bestimmte Gaszusammensetzung
enthalten noch das Innere gegen Verunreinigung durch
externes Gas und Dampf schützen. Als Ergebnis ist die
elektrische Charakteristik der traditionellen Mikrosicherung
gegenüber Änderung durch Alter und Außenbedingungen
anfällig.
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Bei der Konstruktion der traditionellen Mikrosicherung
sind Sicherungen mit hohem Strom und hoher Spannung nicht
praktisch. Die kurze Länge des Schmelzdrahts und die
unmittelbare Nähe der metallischen Abschlußkappen haben zur
Folge, daß sich im Inneren des Sicherungsgehäuses während
der hohen Spannungs- und hohen Stromausschaltung ein
energiereiches leitendes Plasma aufgebaut. Der resultierende
verdampfte Metallplasmabogen erhitzt rasch das Innere der
Sicherung und erzeugt hohe Innendrücke, welche die
Einrichtung durch Explosion zerstören und dadurch andere
Bauelemente auf der Leiterplatte gefährden. Bei einer
solchen Explosion können sowohl körperliche Schäden als auch
Brandgef ahr die Folge sein.
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Die traditionelle Konstruktion ist von sich aus
schwach, wenn sie axialen Zuglasten ausgesetzt wird, da die
Kappen und Axialleitungen lediglich durch das
Kunststoffgehäuse festgehalten werden. Der Gehäusekunststoff kann
nicht stark genug ausgeführt werden, um die normalen Lasten
aufzunehmen, ohne daß die Außenabmessungen der Sicherung
übermäßig vergrößert werden müssen.
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Die Notwendigkeit, traditionelle Mikrosicherungen durch
Gehäusekunststoffbeschichtungen zusammenzuhalten, macht eine
visuelle Untersuchung des Inneren zur Feststellung, ob eine
Sicherung durchgebrannt ist, nahezu unmöglich.
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Die US-A-2 769 877 bezieht sich auf eine träge
Sicherung mit einem als längliches Teil eines elektrisch
isolierenden Materials gebildeten Schmelzelement. Ein dünner
Film aus Metall mit niedrigem Schmelzpunkt wird auf das
tragende Teil aufgetragen und erstreckt sich zwischen den
beabstandeten Filmen von Material mit hohem Schmelzpunkt,
das ebenfalls auf das stützende Teil aufgetragen ist. Das
Schmelzelement wird im Inneren einer rohrförmigen Patrone
geführt, das aus einem elektrisch isolierenden Material
gebildet wird und an seinen Enden mit Abschlußkappen zum
Anschluß an eine elektrische Schaltung ausgestattet ist.
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Der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung ist die
Gewährung eines Verfahrens zur Herstellung von
Mikrosicherungen, die außerordentlich klein hergestellt werden
können und die auch unter extremen elektrischen
Überlastungen einem physikalischen Bruch widerstehen.
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Die vorliegende Erfindung gewährt ein Verfahren zur
Herstellung von Mikrosicherungen, umfassend die Schritte des
Metallisierens von Schmelzelementen auf einem ersten
isolierenden Rohr oder Stab und Einsetzen des ersten Rohrs
oder Stabs in ein zweites äußeres isolierendes Rohr,
gekennzeichnet durch das Schneiden des zusammengesetzten
ersten Rohrs oder Stabs und äußeren Rohrs zu einer Vielzahl
von Sicherungen.
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Die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
hergestellte Sicherung läßt sich leicht auslegen für die
Oberflächenbestückung, Befestigung mit Hilfe von
Drahtleitern oder Befestigung von Halbleitertyp auf einer
Leiterplatte.
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Die Sicherung kann leicht nach genau definierter
normaler und elektrischer Überlastcharakteristik von äußerst
geringen Strömen in der Größenordnung von 1 Milliampere bis
zu Strömen von 10 Ampere und darüber herstellen.
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Diese Sicherung ist so klein, daß viele Sicherungen
zusammengepackt und zur Gewährung höherer Nennstromwerte
elektrisch parallel oder zur Gewährung höherer
Spannungswerte in Reihe geschaltet werden können.
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Darüber hinaus ist die nach dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung hergestellte Sicherung mechanisch
sehr fest, deren Zuleitungen, sofern vorgesehen, erheblichen
axialen Zugkräften widerstehen können. Die Sicherung kann zu
einem sehr hohen Dichtungsgrad hermetisch versiegelt werden
und kann Inertgas oder ein bogenlöschendes Gas oder ein
Vakuum enthalten, um über lange Zeit und unter stark
variierenden Außenbedingungen eine vorhersagbare Funktion
aufrecht zu erhalten. Die Sicherung kann ferner visuell
untersucht werden, um festzustellen, ob sie durchgebrannt
ist, und läßt sich beim Auswechseln mühelos handhaben.
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Vorzugsweise werden sowohl das innere als auch das
äußere Rohr aus einem isolierenden Material hergestellt, wie
beispielsweise Glas oder Keramik. Am meisten bevorzugt
werden die Rohre aus hitzebeständigem Glas mit einem
Erweichungspunkt oberhalb von 700 ºC hergestellt. Ein derartiges
Glas kann auf extrem genaue Toleranzen ausgezogen werden.
Unter den Bedingungen von hoher Spannung und hohem Strom,
z.B. 250 Volt und 50 Ampere, wird das hitzebeständige Glas
nicht leitend genug, um ein Bogen aufrecht zu erhalten. Die
Sicherung unterbricht daher ohne zu explodieren oder Brand
auszulösen.
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Vorzugsweise wird der Schmelzeinsatz in das innere Rohr
durch Abscheiden eingebracht, am meisten bevorzugt durch
Zerstäubungsmethoden nach den in der Halbleitertechnik gut
bekannten Methoden des Sputterns, Abdeckens, der
Photolithographie und Ätzverfahren. Als Ergebnis wird das
Feinsicherungsproblem, wie es bei den konventionellen
Mikrosicherungen existiert, vollständig eliminiert. Diese
neue Konstruktion ermöglicht die Herstellung von Sicherungen
mit sehr viel geringerem Strom, da das Drahtproblem
eliminiert ist.
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Vorzugsweise werden Sputtermethoden auch zur
Herstellung von Elektroden auf der Außenfläche des
Innenrohrs, zur Erzeugung eines Streifens über den
Elektroden und Schmelzeinsatz, zur Erzeugung der Abstandglieder an
den Enden des inneren Rohrs und zur Erzeugung einer
niederohmigen elektrischen Verbindung an den axialen Enden
der Rohre zu den gesputterten Metallelektroden eingesetzt.
Die gesputterten Axialverbindungen gewähren ebenfalls
hervorragende bindende Oberflächen für elektrische Kontakte
des Sicherungsaufbaus. Die gesputterten metallischen
Endabschlüsse können direkt an die Kontakte der Enden der
Sicherung gelötet werden. Der Lötvorgang gewährt
vorzugsweise eine hermetische Abdichtung zwischen den inneren und
äußeren Rohren der Sicherung und schafft außerordentlich
feste axiale Endverschlüsse. Die Kontakte an den Enden des
Rohrs können auf unterschiedliche Weise ausgebildet werden,
um verschiedene Arten für die Montage der Sicherung zu
gewähren. In einer Ausführungsform wird ein Draht in das
innere Rohr eingesetzt und um den Draht herum Lot
aufgebracht, um eine axiale Leitung zu schaffen. In einer
weiteren Ausführungsform werden die Enden der Rohre
aneinander mit Hilfe eines Lot rings abgedichtet und die
Sicherung in Oberflächenmontage auf die Leiterplatte
aufgebrachte. In weiteren Ausführungsformen werden radiale
Leitungen an den Enden der Sicherung angelötet und ein
durchsichtiger Kunststoffmantel und Kontrollfenster
wahlweise um die Sicherung herum geformt. Bei diesen letzteren
Ausführungsformen kann die Sicherung als ein einzelnes
Bauelement oder Dual-Inline-Bauelement aufgebracht werden, oder
es können mehrfache Sicherungen gemeinsam in einer
Einzeloder DIP-Konfiguration durch Formpressen zusammen-gefügt
werden. Die DIP-Ausführung (DIP: Dual-inline-package) mit
den seitlich aneinander an Zentren von 0,254 cm (0,100 inch)
liegenden Sicherungseinrichtungen hergestellt werden, um
Packungen oder Aufbaudichten zu ergeben, die weit größer als
die gegenwärtig bekannten sind.
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Der vorliegende Aufbau ermöglicht ein Metallisieren der
inneren und äußeren Rohrenden, so daß elektrische und
mechanische Verbindungen mit den axialen Leitungen von
überragender Qualität hergestellt werden können. Im
Vergleich zu der Konstruktion der traditionellen
Mikrosicherung werden an den Endverschlüssen eine sehr viel
höhere Festigkeit und geringerer Widerstand erzielt. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht die Ausbildung einer sehr
genauen Passung zwischen den inneren und äußeren
isolierenden Rohren, indem ein sehr kleiner Zwischenraum zwischen
den Rohren gelassen wird, so daß während der
Störfallabschaltung äußerst hohe Drücke entwickelt werden. Diese
Drücke, die von einem Abschaltbogen herrühren, sind groß
genug, um den Bogen zu löschen, bevor er das Auftreten einer
zerstörenden Explosion auslösen kann. Das Energieprodukt I²t
des gesputterten Schmelzeinsatzes ist beim Gelöschtwerden
durch Gase mit hohem Druck mindestens um das Fünffache
kleiner als das der konventionellen Mikrosicherung vom
Drahttyp.
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Es wurde festgestellt, daß viele der Vorteile der
vorliegenden Sicherung eine Querschnittsfläche des Abstands
zwischen den Rohren erfordert, die kleiner ist als 0,645 mm²
(0,001 in.²). Der Querschnitt wird senkrecht zum Leiter
genommen. In den bevorzugten Sicherungen entspricht dies
einer Differenz des Durchmessers von 200 um (0,008 inch)
oder einem Abstand von weniger als 100 um (0,004 inch), wenn
das innere Rohr im dem äußeren Rohr zentriert ist, und ein
Volumen zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr von
weniger als 6,55 mm³ (0,0004 in.³) aufweist. Vorzugsweise
beträgt die Querschnittsfläche weniger als 0,000045 cm³
(0,0001 in.³), wobei der Abstand darum herum zwischen 0,0025
cm (0,001 inch) und 0,0050 cm (0,002 inch) ist.
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Der enge Abstand zwischen den Rohren ist nicht nur für
das Löschen des Bogens von Bedeutung, sondern auch für die
Herstellung der Sicherung. Der geringe Abstand verhindert
das Sputtern in den Zwischenraum zwischen den Rohren oder
ein kapillares Aufziehen des Lots in den Zwischenraum
zwischen den Rohren. Er erleichtert ebenfalls das Versiegeln
der Enden der Sicherung.
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Die vorliegende Erfindung gewährt ebenfalls ein
Verfahren zum wesentlich genaueren Kontrollieren der
Zusammensetzung und Abmessungen des auf dem inneren Rohr
abgeschiedenen Leiters, einschließlich insbesondere des
Schmelzeinsatzes und der Elektroden, als es mit den
konventionellen Ausführungen möglich ist. Die Zusammen-Setzungen
der Leiterelemente können durch Wählen von Targets
gewünschter Zusammensetzung in der Sputteroperation
kontrolliert werden. Vorzugsweise wird der Schmelzeinsatz durch
aufeinanderfolgendes Sputtern von Schichten verschiedener
Metalle mit vorbestimmter Dicke hergestellt. In der
bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten aus Zinn und
Kupfer und haben Stärken von einigen Mikrometern, wobei
jedoch leitende Substanzen mit Dicken von nicht mehr als
wenigen Angström zur Bildung von Legierungen oder Quasi-
Legierungen verwendet werden können. Durch Kontrollieren der
Zusammensetzung und Abmessungen des Leiters wird die
Charakteristik der Sicherung sowohl während des
Normalbetriebs als auch unter Strom- und
Spannungsüberlastbedingungen in der vorliegenden Erfindung gesteuert.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im
Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung
offensichtlich.
In den Zeichnungen sind:
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Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines äußeren
Hohlrohres, das zur Herstellung von erfindungsgemäßen
Sicherungen eingesetzt wird;
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Fig. 2 eine isometrische Ansicht eines inneren
Hohrohres, das zur Herstellung von erfindungsgemäßen
Sicherungen eingesetzt wird;
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Fig. 3 eine isometrische Ansicht des inneren
Hohlrohrs von Fig. 2 mit Elektroden, Schmelzeinsätzen,
Streifen und Abstandgliedern, die auf die Außenflächen
aufgesputtert sind;
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Fig. 4 eine isometrische Ansicht eines Teils des
äußeren Hohlrohres von Fig. 1 und eines Teils des inneren
Hohlrohres von Fig 2, und zwar aufgeschnitten zur Bildung
einer zerlegten erfindungsgemäßen Einzelsicherung;
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Fig. 5 eine isometrische Ansicht der
zusammengesetzten Sicherung von Fig. 4;
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Fig. 6 eine isometrische Ansicht der
zusammengesetzten Sicherung von Fig. 5 mit angebrachten axialen
Leitungen;
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Fig.7 eine isometrische Ansicht der für die
Oberflächenmontage fertigen zusammengesetzten Sicherung von
Fig. 5;
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Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht im Querschnitt durch
die Fläche eines Schmelzeinsatzes und einer axialen
Stirnfläche der Sicherung von Fig. 5;
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Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht entlang der Linie 9-
9 von Fig. 8;
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Fig. 10 eine vergrößerte Ansicht entlang der Linien
10-10 von Fig.8;
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Fig. 11 eine Seitenansicht der zusammengesetzten
Sicherung von Fig. 5 mit an ihren axialen Enden angebrachten
radialen Zuleitungen sowie mit einer Kunststoffbeschichtung
und über der Sicherung aufgebrachten Linse.
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, und insbesondere auf
Fig. 4, 5 und 8 bis 10, wird mit der Bezugszahl 1 die
veranschaulichende Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Sicherung dargestellt. Die Sicherung 1 wird von einem
äußeren Rohr 3 (Fig. 4) und einem inneren Rohr 5 (Fig. 4)
gebildet. Das äußere Rohr 3 und innere Rohr 5 werden beide
aus hitzebeständigem Borosilicatglas KG-33 mit einem
Erweichungspunkt von 820 ºC gebildet. Das Außenrohr 3 hat
einen lichten Innendurchmesser von 0,1308 cm (0,0515 inch)
und einen Außendurchmesser von 0,2286 cm (0,090 inch) und
eine Länge von 0,7264 cm (0,286 inch). Das Innenrohr 5 hat
einen Außendurchmesser von 0,1257 cm (0,0495 inch) und einen
lichten Innendurchmesser von 0,0660 cm (0,026 inch) sowie
eine Länge von 0,7264 cm (0,286 inch).
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Das Innenrohr 5 hat Leiter 7 aus einer Metallschicht,
die auf dessen Außenfläche aufgetragen sind. Die Leiter 7
sind durch Abdecken und Vakuumsputtern (auch genannt
Vakuumzerstäuben) entsprechend der nachfolgenden
Beschreibung aufgebracht worden.
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Entsprechend Fig. 4 und 8 bis 10 umfassen die Leiter 7
zwei Kupferelektroden 9, die sich zu den Enden des
Innenrohrs 5 erstrecken und durch einen schmalen Spalt 10
getrennt sind, einen Zinn-Schmelzeinsatz, einen
Kupferstreifen 13 und zwei Kupferglieder 15. Die Nennwerte, die
elektrische Charakteristik und die thermische Charakteristik
der Sicherung können mühelos durch Variieren der Materialien
und Geometrien der Elektroden 9, des Schmelzeinsatzes 11 und
des Streifens 13 verändert werden. Die nachfolgende
Darstellung ist eine typische Sicherung mit einem Nennwert
von 5,5 Ampere und 250 Volt. Der Nennwert der Sicherung kann
insbesondere durch Veränderung der Geometrien und
Zusammensetzungen der Elektroden 9, des Spalts 10, des
Schmelzeinsatzes 11, des Streifens 13 und der Glieder 15
geändert werden. Die Elektroden 9 verlaufen vom jeweiligen
axialen Ende des Innenrohrs 5 über eine Strecke von 0,3479
cm (0,137 inch) nach innen. Die Elektroden 9 sind 0,101 cm
(0,0040 inch) breit und 12 Mikrometer dick. Ein
nichtleitender Spalt 10 wird zwischen den zwei Elektroden 9
gelassen. Der Spalt 10 ist 0,030 cm (0,012 inch) breit.
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Der Schmelzeinsatz 11 ist ein rundes Zinnelement mit
einem Durchmesser von 0,088 cm (0,035 inch) und einer den
Spalt von 0,030 cm (0,012 inch) in den Kupferelektroden 9
überbrückenden Dicke von 1,1 Mikrometer.
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Der leitfähige Kupferstreifen 13 deckt den mittleren
Teil des Zinnelements 11 ab und verläuft von einem zum
anderen Ende des Innenrohrs 5. Der Kupferstreifen ist 0,076
cm (0,30 inch) breit und 2,2 Mikrometer dick. Der Streifen
gewährleistet eine hervorragende elektrische Verbindung
zwischen dem Schmelzeinsatz 11 und den Elektroden 9. Er
schafft ebenfalls eine effektive Legierung mit dem
Zinnelement während Spannungs- und Stromüberlastungen der
Sicherung 1 unkontrolliert dadurch die Temperatur, bei der
die Sicherung schmilzt, wie nachfolgend detailliert
beschrieben wird.
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Die Kupferglieder 15 sind 0,1117 cm (0,044 inch) lang
und verlaufen zu den Enden des Innenrohrs 5. Die Glieder
sind 0,076 cm (0,030 inch) breit und 10 Mikrometer dick. Die
Glieder 15 gewährleisten, daß der Schmelzeinsatz 11 in bezug
auf das Außenrohr 3 beabstandet ist.
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Auf den axialen Enden des Innenrohrs 5 und des
Außenrohrs 3 werden Kupferschichten 17 im elektrischen
Kontakt mit den Abstandgliedern 15, Streifen 13,
Schmelzeinsatz 11 und Elektroden 7 aufgebracht. Die axialen
Stirnseiten 17 erstrecken sich im wesentlichen nicht in den
Raum zwischen den Rohren 3 und 5 oder entlang der
Außenfläche des Außenrohrs 3.
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Wie in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
in Fig. 6 und 8 bis 10 gezeigt, erstrecken sich Drahtleiter
19 in das Innenrohr 5, wobei Lot 21 die Leitungen 19 und
metallisierten Enden 17 der Rohre verbindet. Jeder
Drahtleiter 19 hat einen Durchmesser von 0,063 cm (0,025 inch)
und eine Länge von 3,81 cm (1,5 inch) und erstreckt sich um
0,152 cm (0,060 inch) in das Innenrohr 5. Das Lot 21 ist
vorzugsweise ein hochschmelzendes Lot, beispielsweise ein
kommerziell verfügbares Lot, das aus 95 % Blei und 5 % Zinn
hergstellt wird und eine Solidustemperatur von 310 ºC und
eine Liguidustemperatur von 314 ºC aufweist. Ein derartiges
Lot ist insbesondere gut geeignet für eine modifizierte Form
der Sicherung 1, die in Fig. 7 dargestellt und nachfolgend
detailliert beschrieben wird und die in Oberflächenmontage
auf eine Leiterplatte aufgebracht wird. Das auf den
metallisierten Enden der Sicherung 1 aufgebrachte Lot 21 bedeckt
den ringförmigen Zwischenraum zwischen Rohr 3 und 5 sowie
die Flächen 17 und schafft eine hervorragende elektrische
Verbindung zwischen den Leitungen 19, Flächen 17, Elektroden
9, Streifen 13 und Gliedern 15. Das Lot 21 bildet ebenfalls
eine hermetische Glas-Netalldichtung, indem es das Volumen
zwischen dem Außenrohr 3 und dem Innenrohr 5 einschließt.
Das Lot 21 ist ausreichend verformbar, um unter einem
breiten Bereich thermischer Bedingungen thermische
Spannungen für sich selbst und die Glasrohre 3 und 5 aufzunehmen.
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Die Sicherung 1 kann unter Verwendung von
Vakuumsputtern zum Spritzmetallisieren der Leiter auf der
Sicherung hergestellt werden. Entsprechend dem
Standardverfahren auf dem Gebiet des Sputterns (auch genannt
Zerstäuben) kann eine Vielzahl von Sputtermethoden verwendet
werden, einschließlich Gleichstromsputtern, HF-Sputtern,
Triodensputtern und Magnetron-Sputtern (auch genannt
Magnetron-Zerstäubung).
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Aus zwei Längen von Hochpräzisions-Borosilicatglasrohr
KG-33 wurden zwanzig Sicherungen 1 hergestellt, wobei eine
in Fig. 1 gezeigte Länge 31 mit größerem Durchmesser einen
Außendurchmesser von 0,2286 cm (0,090 inch) und einen
lichten Innendurchmesser von 0,1308 cm (0,0515 inch) für die
äußeren Rohre 3 hatte und eine in Fig. 2 gezeigte Länge 51
mit kleinerem Durchmesser einen Außendurchmesser von 0,1257
cm (0,0495 inch) und einen lichten Innendurchmesser von
0,0660 cm (0,026 inch) für die inneren Rohre 5 hatte.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, wurde das Rohr 51 mit dem
kleineren Durchmesser metallisiert, indem darauf durch
Sputtern Leiter 7 in separaten Operationen aufgebracht
wurden.
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Das Rohr 51 mit kleinerem Durchmesser wurde gereinigt
und in eine Vakuumsputteranlage unter Verwendung einer
Argongasfüllung bei einem Druck von etwa zehn Millitorr (1
Torr = 133,3 Pa) mit einer mechanischen Maske gegeben, die
das gesamte Rohr 51 mit Ausnahme der Teile abdeckte, die
metallisiert werden sollten.
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In dem ersten Schritt exponiert die Maske Streifen mit
einer Breite von 0,101 cm (0,40 inch) und einer Länge von
0,731 cm (0,288 inch) für die Elektroden 9. Die Streifen
sind durch eine 0,030 cm (0,012 inch) breite Brücke in der
Maske getrennt, um den Spalt 10 zwischen den Elektroden 9
der jeweiligen Sicherung 1 zu schaffen. Entsprechend dem
bekannten Verfahren wurde ein Ätzschritt durch HF-Sputtern
zur Entfernung einiger weniger Moleküle Glas von der zu
metallisierenden Oberfläche ausgeführt. Das maskierte Glas
wurde sodann für eine ausreichende Dauer einem Kupfertarget
durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern ausgesetzt, um das
Abtragen von zwölf Mikrometern Kupfer von dem Target und die
Abscheidung auf dem Rohr 51 zur Bildung der Elektroden 9 zu
ermöglichen. Der Sputterprozeß gewährt einen fest haftenden
Überzug von Kupfer auf dem Glasrohr 51
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In dem zweiten Schritt wurde das Rohr 51 aus der
Sputteranlage herausgezogen und die erste Maske über dem
Rohr 51 durch eine zweite Maske ersetzt. Die zweite Maske
bedeckte das Rohr 51 mit Ausnahme runder Stellen im Abstand
von 0,762 cm (0,300 inch) mit einem Durchmesser von 0,0889
cm (0,035 inch) längs des Rohrs 51. Die runden Stellen sind
über den Abständen 10 zwischen den Elektroden 9 zentriert.
Das Rohr 51 wird erneut in die Sputteranlage gegeben und als
Target ein niedrigschmelzendes Material, Zinn, verwendet.
ein HF-Sputterprozeß erzeugt über dem Spalt 10 ein Zinnfleck
von 1,1 Mikrometer Dicke, der sich zu beiden Seiten des
Spalts 10 bis zu und über die Elektroden 9 erstreckt.
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Der nächste Herstellungsschritt ist die Verwendung
einer dritten Maske zur Erzeugung von Kupferstreifen 13. Die
Öffnung in der Maske hat eine Breite von 0,0762 cm (0,030
inch) und verläuft in Längsrichtung der Maske. Das maskierte
Rohr 51 wird in die Sputteranlage gegeben und ein
Kupferstreifen 13 mit einer Dicke von 2,2 Mikrometer durch
Gleichstrom-Magnetron-Sputtern abgeschieden. Der Streifen 13
überbrückt entsprechend Fig. 3 den Spalt 10 und bedeckt das
Zinnelement 11 und die Elektroden 9.
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Der letzte Schritt des Metallisierens auf der Länge von
51 besteht in der Anwendung einer vierten Maske und des
Gleichstrom-Magnetron-Sputterns zur Erzeugung von
Kupfergliedern 15 von kontrollierter Dicke, um den auf der
Außenseite des Rohrs 5 abgeschiedenen mittleren
Schmelzeinsatzteil von der Innenseite des Rohrs 3 entsprechend Fig. 8
wegzuhalten. Die vierte Maske verfügt über Öffnungen mit
einer Breite von 0,0762 cm (0,030 inch) und einer Länge von
0,254 cm (0,100 inch), die zwischen den Spalten 10 zentriert
sind. Das maskierte Rohr 51 wird in die Sputteranlage
gegeben und eine 10 Mikrometer dicke Kupferschicht auf das
Rohr 51 durch Sputtern aufgetragen.
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Wie in Fig. 10 gezeigt, legt der Prozeß des
Sputterätzens gefolgt vom Sputtern Kupferschichten nieder, die
ununterscheidbar werden. Daher würde, obgleich in Fig. 10
separate Schichten zeigt werden, die die verschiednen
Schritte bei der Abscheidung der Schichten darstellt, ein
Schnitt durch die Teile des Gliedes 15 einer
fertiggestellten Sicherung einer einzelne Kupferschicht und nicht
eine Elektrodenschicht, eine Schicht des Streifens und eine
Schicht des Glieds zeigen.
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In der Praxis werden mehrere Rohrlängen 51 gleichzeitig
Metallisiert. Die metallisierten inneren Rohrlängen werden
in die äußeren Rohrlängen 31 zur Bildung der Anordnungen
eingesetzt. Die Anordnungen werden in einer Wachsmatrix mit
in den Hohlraum der inneren Rohre 31 eingesetzten Stäben
gehalten. Die Anordnungen werden mit Diamant mit einer 0,35
cm (0,14 inch) Schneide entsprechend Fig. 5 auf Länge
geschnitten. Die aufgetrennten Anordnungen werden sodann in
eine Halterung eingespannt, entwachst und gereinigt. Die
eingespannten Anordnungen werden an ihren Außenseiten von
der Halterung maskiert, wodurch eine der aufgetrennten
axialen Stirnflächen auf den inneren und äußeren Rohren
exponiert bleibt. Die Innenseiten der inneren Rohre 5 werden
durch die Stabsegmente maskiert. Die Halterungen und
Anordnungen werden sodann in die Anlage zum Vakuumsputtern
(auch genannt Vakuumzerstäubung) eingesetzt, um mit Hilfe
des Gleichstrom-Magnetron-Sputterns 500 Angström Nickel-
Vanadium 16 und sodann 1,5 Mikrometer Kupfer 17 auf einen
abgeschnittenen axialen Ende der Rohre 3 und 5 abzuscheiden,
wie am besten in Fig. 10 gezeigt wird. Das Nickel-Vanadium
ist eine 7%ige Vanadiumlegierung. Die mit einer Seite
metallisierten eingespannten Anordnungen werden aus der
Sputteranlage herausgenommen, herumgedreht und erneut in die
Sputteranlage eingesetzt und die anderen Enden der
aufgetrennten Anordnungen mit der gleichen Nickel-Vanadiumschicht
16 und Kupferschicht 17 versehen. Die Schichten 16 und 17
überdecken die axialen Enden der Rohre 3 und 5, haften an
den axialen Enden der Leiter 7 unter Bildung einer
zusammenhängenden physikalischen und elektrischen Schicht,
wobei sie jetzt jedoch nicht mehr als höchstens einige
wenige Mikrometer in den Raum zwischen den Rohren 3 und 5
hineinragen oder auf die Außenfläche des Außenrohrs 3 oder
in den inneren Hohlraum des inneren Rohrs 5. Der geringe
Abstand zwischen dem Innenrohr 5 und dem Außenrohr 3
verhindert jede meßbare oder beobachtbare Abscheidung von
Metall auf der Außenfläche des Innenrohrs 5 oder der
Innenfläche des Außenrohrs 3 während des
Spritzmetallisierens ihrer beiden Enden.
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Fig. 4 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines
Stücks des hohlen Außenrohrs 3 zum Umhüllen eines Stücks des
hohlen Innenrohrs 5 mit gleicher Länge. Das Innenrohr 5
verfügt auf seiner Außenseite über Elektrodenauflagen 9, die
durch einen Spalt 10 getrennt sind, einen den Spalt 10
überbrückenden schmelzfähigen Fleck 11, Streifenauflage 13,
die von einer Seite zur anderen Seite des inneren Rohrs 5
verläuft, sowie Glieder 15, die gemeinsam den Leiter 7
ausmachen. Die Enden des inneren Rohrs 5 und äußeren Rohrs 3
wurden ebenfalls mit einer Nickel-Vanadiumschicht 16 und
Kupferschicht 17 metallisiert.
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Mit der fertigen, in Fig. 5 gezeigten Metallisierung
der Enden des Glasrohrs wird die Anordnung in eine
Manipulationskammer mit einer Argonatmosphäre gegeben. Die
axialen Kupferleitungen 19 mit einem Durchmesser von 0,063
cm (0,025 inch) werden 0,152 cm (0,060 inch) in die Bohrung
des Rohrs 5 eingesetzt und während der abschließenden
Lötoperation in Position gehalten.
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Das Löten wird ohne Lötmittel ausgeführt, indem die
Sicherungsenden und axialen Kupferleitungen mit einem
normalen widerstandbeheizten Heißgasbrenner erhitzt werden
und Lot aufgetragen wird. Das Lot wird als ein 0,0254 cm
(0,010 inch) dicker Ring mit einem Innendurchmesser von
0,0762 cm (0,030 inch) und einem Außendurchmesser von 0,2032
cm (0,080 inch) aufgetragen. Während des Lötens wird der
Ring an der Außenkante des Rohrs bis zu einer Dicke von etwa
0,0025 cm (0,001 inch) dünner. Das Lot bedeckt die gesamten
axialen Enden der Sicherung 1 unter Bildung einer
hermetischen Dichtung zwischen dem inneren Rohr 5 und dem äußeren
Rohr 3, wobei es sich jedoch nicht wesentlich in den Raum
zwischen den Rohren 3 und 5 erstreckt oder auf die
Außenfläche des äußeren Rohrs 3 oder in die innere Bohrung
des inneren Rohrs 5. Das Brennergas ist eine Mischung aus 80
% Argon und 20 % Wasserstoff, um alle Oxide zu reduzieren,
die sich vor der Lötoperation auf den Metallflächen gebildet
haben könnten.
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Die erhaltene Sicherung, die nach diesem Verfahren
hergestellt wurde, hat eine Länge von etwa 0,762 cm (0,300
inch), einen Außendurchmesser von 0,2286 cm (0,090 inch) mit
Kupferleitern an jedem Ende mit 3,81 cm (1,5 inch) und einem
Durchmesser von 0,063 cm (0,025 inch). Die Sicherung hat
einen Arbeitswiderstand von etwa 15 oder 16 Milliohm. Die
Sicherung hat einen Stromwert von 5,5 Ampere und kann 250
Volt Wechselspannung bei 50 Ampere und einen Leistungsfaktor
von 0,9 mit willkürlichem Schließen und 250 Volt
Gleichspannung, 300 Ampere (Batterie-Spannungsguelle) ohne
Explosion oder Erzeugung eines Brands abschalten. Die
Energie I²t während des Abschaltens ist sehr viel geringer,
als die der normalen Draht-Mikrosicherung, und zwar in der
Größenordnung von 1/5 oder weniger der Energie I²t der
normalen Drahtsicherung.
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Die Festigkeit bei axialem Zug beträgt mindestens 4,53
kg (10 lbs) und ist etwa 50 % bis 100 % besser als die
typische Mikrokonstruktion mit Draht und Abschlußkappe.
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Die Fähigkeit zum Abschalten einer so hohen Spannung
und eines so hohen Stroms kommt von dem sehr kleinen
Volumen, das durch die Außenseite des inneren Rohrs und die
Innenseite des äußeren Rohrs festgelegt wird.
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Während der Bogenbedingungen bei einem Kurzschluß mit
hohem Strom und hoher Spannung steigt die Temperatur
ebenfalls zwischen der Außenseite des inneren Glases und der
Innenseite des äußeren Glas im Bereich des Schmelzeinsatzes
rasch an. Das Glas selbst kann bei diesen hohen Temperaturen
leitend sein, so daß die Verwendung eines hitzebeständigen
Materials, wie beispielsweise ein hartes Borosilicatglas
oder Aluminosilicatglas, Keramik oder reines Quarzglas,
erforderlich wird. Diese Materialien werden selbst unter
Kurzschlußbedingungen bei hoher Spannung und hohem Strom
nicht ausreichend leitend, um einen Bogen in der
erfindungsgemäßen Sicherung aufrecht zu erhalten. Es wird
angenommen, daß ihre Fähigkeit, solchen Bedingungen ohne
Zerstörung der Sicherung zu widerstehen, mindestens
teilweise darauf zurückzuführen ist, daß sie bei Temperaturen in
der Nähe ihrer Schmelzpunkte eine sehr niedrige elektrische
Leitfähigkeit haben.
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Der durch den inneren Hochspannungs- und Hochstrombogen
beim Kurzschluß hervorgerufene Wärmeschock brennt den Leiter
zurück und zerstört die Außenfläche des inneren Rohrs und
die Innenfläche des äußeren Rohrs in einer solchen Weise,
daß das Ergebnis von der Außenseite der transparenten
Sicherung leicht sichtbar ist.
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Ein weiterer Vorteil dieses Sicherungsaufbaus ist die
Fähigkeit, jedes gewünschte Gas in dem eingeschlossenen,
hermetisch abgedichteten Volumen bei jedem besonderen Druck
zwischen der äußeren Fläche des inneren Glases, der inneren
Oberfläche des äußeren Glases und den abgedichteten
Stirnflächen zu halten. Ein solches Glas wie Schwefelhexafluorid
ist für seine Fähigkeit gut bekannt, den Bogen auch dann zu
unterdrücken, wenn die Enden der Sicherung nicht abgedichtet
sind.
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Der Zwischenraum zwischen der Außenfläche des inneren
Glases, der inneren Fläche des äußeren Glases und den
metallisierten Schmelzleitern ist bei dem bevorzugten
Herstellungsverfahren ebenfalls von Bedeutung. Ein Abstand von
mehr als näherungsweise 0,00254 cm (0,001 inch) zwischen den
metallischen Schmelzeinsatzleitern und der Innenseite der
äußeren Glasfläche ermöglicht dem schmelzflüssigen Lot die
Benetzung der Leiterflächen im Inneren der Sicherung. Wenn
eine derartige Benetzung des Lots auf den inneren Leitern
und den Schmelzeinsatz zugelassen wird, können die
elektrischen Eigenschaften der Sicherung schwerwiegend
beeinträchtigt werden.
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Die Verbindung der zwei Argumente in Beug auf dessen
geringen inneren Volumens und engen Abstands machen die
vorliegende Erfindung gegenüber allen früheren
Sicherungskonstruktionen einzigartig und überlegen.
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Die in Fig. 8 gezeigten Glieder 15 halten die
Innenseite des äußeren Glases 3 weg von der Außenseite des
inneren Glases 5, so daß keine metallische leitende Brücke
von den Elektroden 9 auf der Innenseite des äußeren Glases 3
im Moment eines normalen Durchbrennens gebildet wird. Wenn
die Innenseite des äußeren Glases 3 in direkten körperlichen
Kontakt mit der Außenseite des inneren Glases 5 in den
Elektroden 9 und dem Bereich des Elements 11 wäre, könnte
sich eine metallische Brücke an der Innenseite des Rohrs 1
nach normalem Durchbrennen bilden, wobei diese Brücke im
gewissen Maße leitfähig sein kann und der Sicherung eine
restliche Strombelastbarkeit verleihen kann, mit der
empfindliche Halbleiter, für deren Schutz die Sicherung
ausgelegt ist, beschädigt werden könnten.
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Ein weiterer Teil der Glieder 15 ist die Verhütung
jeder thermischen Verbindung zu der Innenseite des Rohrs 1
in dem Bereich Elektrode 9/Schmelzeinsatz 11. Eine derartige
thermische Verbindung kann zu variierenden
Ausschaltcharakteristiken der Sicherung führen und muß vermieden
werden, so daß eine gleichförmige Ausschaltcharakteristik
möglich wird.
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Angesichts der vorangegangenen Beschreibung werden für
den Fachmann zahlreiche Variationen in der Sicherung der
vorliegenden Erfindung offensichtlich.
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Nur einmal an einem Beispiel können die inneren und
äußeren Rohre der Sicherung aus unterschiedlichen
hitzebeständigen isolierenden Materialien gebildet werden, wie
beispielsweise Aluminosilicatglas, Quarz oder Keramik,
obgleich das bevorzugte Borosilicatglas den Vorteil hat, auf
extrem enge Toleranzen ausgezogen werden zu können, während
es gleichzeitig über einen ausreichend hohen
Erweichungspunkt verfügt, um während der Kurzschlußabschaltung
der Sicherung nichtleitend zu sein. Die Bohrung des inneren
Rohrs 5 ist nicht nur als eine Halterung für die Leiter 19
verwendbar, sondern erleichtert auch die Herstellung des
Rohrs mit hoher Präzision, um so die enge Passung zwischen
dem Rohr 5 und dem äußeren Rohr 3 zu gewährleisten. Die
Bohrung des inneren Rohrs 5 beeinträchtigt jedoch nicht die
Funktion der Sicherung. Es wird daher davon ausgegangen, daß
der Begriff "Rohr" in Anwendung auf das innere Rohr 5 einen
Stab einschließen kann.
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Wenn eine Sicherung mit Abmessungen der Gesamtlänge von
0,726 cm (0,286 inch) entsprechend der bevorzugten
Ausführungsform zu Gesamtabmessungen von 0,472 cm (0,186 inch)
aufgeschnitten wird, ändert sich die gestörte Glasfläche
(und das Zurückbrennen des Leiters) von einer Länge von
0,381 cm (0,150 inch) auf 0,190 cm (0,075 inch) nach dem
Auftreten von Hochspannungs- und Hochstromabschaltung. Das
eingeschlossene Gasvolumen ändert sich von näherungsweise
0,000076 cm³ auf 0,000050 cm³ (0,00003 in.³ auf 0,00002
in.³), wobei als Folge der innere Druck rascher ansteigt und
die Energie I²t herabgesetzt wird. Die Verringerung der
Länge der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen
Sicherung ermöglicht höhere Nennstromwerte ohne Änderung
irgendeiner anderen Körperabmessung der Sicherung. Dieses
ist ein weiterer Beitrag zur Miniaturisierung und zur
wirtschaftlichen Bedeutung einer solchen Sicherung.
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Der Nennstromwert der Sicherung kann durch bloße
Änderung der Größe und Dicke des Schmelzeinsatzes 11 und des
Streifens 18 oder durch Änderung der Spaltgröße 10 gewählt
werden. Durch Einstellen der relativen Dicke des Zinn-
Schmelzeinsatzes 11 und Kupferstreifens 13 im Brückenbereich
10 kann der Schmelzpunkt von 232 ºC auf 1.084 ºC verändert
werden und ermöglicht dadurch die Kontrolle über die
Temperatur, bei der die Sicherung unter Verwendung dieser
zwei Metalle öffnet. Die Betriebs- und
Öffnungscharakteristik des Schmelzteils kann ferner durch
Verringerung der Dicke der jeweiligen Schicht bis herab zu
einigen wenigen Angström mit mehr vorgesehenen Schichten
kontrolliert werden, um einen Legierungsschmelzeinsatz
während des normalen Betriebs sowie während einer
Überlastabschaltung zu bilden. Im Idealfall sollte die Dicke
jedes Schmelzeinsatzteils näherungweise gleich seiner Breite
sein.
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Der Schmelzeinsatz kann ein einzelnes Metall sein, wie
beispielsweise Kupfer mit einer oder mehreren Kerben, um ein
Schmelzeinsatz mit kleinerer Querschnittsfläche zu bilden,
als die Elektroden 9, ein einzelnes niedrigschmelzendes
Metall oder Legierung, welche den Elektrodenspalt
überbrücken, oder zwei oder mehrere Metalle, welche den Spalt
entsprechend den voranstehend ausgeführten Beispielen
überbrücken.
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Zahlreiche andere einzelne oder mehrfache Kombinationen
von Elementen können für den Schmelzeinsatzteil verwendet
werden, um zur Anpassung an besonderen Anforderung andere
Schmelzpunkte zu ergeben.
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Die Glas-Metalldichtung kann aus bleifreiem Lot oder
mit Hilfe anderer Mittel gebildet werden.
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Der Aufbau der Sicherung kann mühelos geändert werden.
Beispielsweise können die axialen Drahtleiter ein
vorgelötetes Ende wie ein Nagelkopf aufweisen und können direkt
an der metallisierten Stirnseite der Sicherung durch
Rückfließen des Lots flachgelötet sein.
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Anstelle axialer Leitungen kann die Sicherung auch
durch Oberflächenmontage oder mit Hilfe von
Leitungskonfigurationen vom Typ Integrierter Schaltungen auf einer
Leiterplatte aufgebracht werden.
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Fig. 7 zeigt eine fertige Sicherungsanordnung 101, die
ohne axiale Leiter hergestellt wurde und für die
Oberflächenmontage auf einer Leiterplatte einsatzbereit ist. Die
axialen Enden der Sicherung wurden mit Ausnahme der inneren
Rohrbohrung 123 durch Inertgaslöten von Lotringen 125
abgedichtet. Diese Modifikation wird in der gleichen Weise
vorgenommen wie bei der vorangegangenen Ausführungsform mit
der Ausnahme, daß die Stirnseiten der Außenfläche des
äußeren Rohrs 103 metallisiert wurden, um Bandbereiche 106
zu bilden, wobei sich auf die Bandbereiche 106 Lot mit einem
niedrigeren Schmelzpunkt erstreckt. Das Lot in den
Bandbereichen 106 fließt auf die Leiterplatten-Glieder
während der Prozedur der normalen Oberflächenmontage zurück.
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Fig. 11 zeigt eine fertige Sicherungsanordnung 227, bei
der eine Sicherung 201 entsprechend der Sicherung 1 von Fig.
5 der ersten Ausführungsform als eine Einzelsicherung in
einer DIP-Anordnung aufgebaut wurde. Die Leiter 229 sind an
den metallisierten Enden der Sicherung 201 durch Löten
angebracht. Die gesamte mit Leiter versehene Sicherung wird
sodann in eine Kunststoffverpackung 231 mit einer Linse 233
zur Beobachtung des Zustands der Sicherung eingeschlossen.
Wenn die Sicherung auf einer Leiterplatte in einen Sockel
eingesetzt wird, kann sie mühelos entfernt und nach dem
Durchbrennen ausgewechselt werden. Wie ersichtlich, erlaubt
die äußerst geringe Größe der Sicherung 201 den Einbau
mehrerer Sicherungen in einer einzelnen Packung,
insbesondere in einer DIP-Ausführung. Diese Einbauart
ermöglicht entweder separate Sicherungen für verschiedene
Schaltkreise auf einer einzelnen Platte oder mehrfache
Sicherungen, die zur Gewährung höherer Nennstromwerte für
einen einzelnen Schaltkreis parallel oder zur Gewährung
höherer Nennspannungen in Reihe geschlossen werden. Höhere
Nennspannungen können auch erhalten werden, indem lediglich
längere Längen des Rohrs 31 und 51 zur Einbeziehung mehrerer
Schmelzeinsätze 11 geschnitten werden.
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Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Sicherung läßt sich auch modifizieren. Obgleich das
Abscheiden von Leitern durch Sputtern große Vorteile hat,
können auch andere Verfahren zum Metallisieren verwendet
werden.
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Der Sputterprozeß läßt sich ebenfalls modifizieren. Die
Schichten können in unterschiedlicher Reihenfolge
niedergelegt werden. Beispielsweise kann der Zinn-Schmelzeinsatz
als erstes niedergelegt werden. Eine übliche Praxis beim
Sputtern von Metallen auf Glas ist die Verwendung einer
reaktionsfähigen ersten Schicht aus Titan, Nickel-Vanadium
oder anderen, um als Bindung zwischen dem Glas und der
ersten metallischen Hauptschicht zu wirken. Das
reaktionsfähige Metall ist in der Regel sehr dünn und in der
Größenordnung von 500 x 10&supmin;¹&sup0; m (500 Angström) und kann
nicht nur eine bessere Bindung erzeugen, sondern auch die
Reinigungszeit des Sputterätzens in der Sputteranlage
herabsetzen. Aus diesen und anderen Gründen wird die
reaktionsfähige metallische Legierung, Nickel-Vanadium, zur
Herstellung der Glas-Metalldichtungen an den Enden des
Sicherungskörpers verwendet. Aus ähnlichen Gründen können
zwischen dem Glas und den Leitern 7 beim Abschalten auf dem
Rohr 5 dünne, reaktionsfähige Schichten aus gesputtertem
Metall verwendet werden. Die axialen Endanschlüsse aus
Kupfer können weggelassen und Lot direkt auf die
Unterschicht aufgetragen werden.
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Physikalische Masken zur Festlegung der verschiedenen
Metallelemente oder Elektroden sind verhältnismäßig dick,
kontrollieren die exakten Abmessungen nicht gut und können
nicht so hergestellt werden, um extrem kleine Details zu
erzeugen. Um die größte Genauigkeit und besten
Produktionsergebnisse zu erzielen, ist zum Auftragen der Leiter 7 der
Sicherung auf die Außenseite des inneren elektrisch
isolierenden Rohrs 51 der Prozeß wünschenswerter, der bei
Halbleitermaskierung und Sputterabscheidung gut bekannt ist.
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Bei dem Halbleiterprozeß wird die eine Außenseite des
inneren isolierenden Rohrs 51, und zwar näherungweise um
180º herum, mit Kupfer einer Dicke metallisiert, die
geeignet ist, um zunächst die Glieder 15 zu bilden. Das Rohr
51 wird mit einem UV-empfindlichen Resist-Material
beschichtet, eine durch Photolithographie aufgetragene Maske, UV-
Lichtexponierung des Resists in den gewünschten Bereichen
angewendet, nichtexponiertes Resist weggewaschen, wobei
chemisches Ätzen die gesamte Metallisierung entfernt, die
nicht von entwickeltem Resist bedeckt ist, entwickeltes
Resist durch Lösemittel entfernt, so daß das Rohr 51 für die
nächste Metallisierung bereit ist.
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In dem zweiten Schritt wird wie in Schritt 1 ein
Metall, wie beispielsweise Kupfer, abgeschieden, um die
Elektroden 9 zu bilden. Das Rohr 51 wird mit dem UV-
empfindlichen Resist-Material beschichtet, zur Entwicklung
des Resists in dem Bereich des Glieds 15 entlang dem
Elektrodenbereich 9 eine Maske aufgetragen, wobei UV-Licht
den Resist entwickelt, nichtexponierter Resist und
Metallisierung weggeätzt werden und das Rohr 51 jetzt über
Glieder 15 und Elektroden 9 verfügt, die auf seiner
Außenseite abgeschieden und mit kleinen Spalten im Bereich
des Flecks 10 abgeschieden sind.
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In dem dritten Schritt wird die Metallisierung eines
anderen Metalls, wie beispielsweise Zinn, auf der Außenseite
des Rohrs 51 wie in dem ersten Schritt abgeschieden und die
Glieder 15 und Elektroden 9 abgedeckt. Das Rohr 51 wird
wiederum mit UV-empfindlichem Resist beschichtet, eine Maske
zur Entwicklung des Resist in dem Bereich des Flecks 11
aufgetragen, der Resist mit UV-Licht entwickelt,
nichtexponierter Resist entfernt, exponierte Metallisierung
durch ein selektives zinnätzendes Material geätzt, so daß
das Rohr 51 für den nächsten Schritt bereit ist. Zu diesem
Zeitpunkt verfügt das Rohr 51 über die Glieder 15,
Elektroden 9 und den Fleck 11, die auf dessen Außenfläche
entsprechend Fig. 3 festgelegt sind.
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In dem vierten Schritt wird über die gesamte obere
Fläche des Rohrs 51 entsprechend dem ersten Schritt die
Metallisierung, beispielsweise mit Kupfer, für den Streifen
13 aufgetragen Es wird UV-empfindlicher Resist aufgebracht,
eine Maske zum Festlegen des Streifens in dem Bereich des
Flecks 11 aufgetragen und in der gleichen Breite wie die
Elektrode 9 und Glied 15 in solchen Bereichen gelassen,
Resist mit UV-Licht entwickelt, nichtexponierter Resist
entfernt, exponierte Metallisierung weggeätzt, so daß jetzt
die Leiter auf dem Rohr 51 alle an ihrer Stelle sind.
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Der offene Bereich zwischen Elektrode 9 wird
physikalisch und elektrisch durch den Fleck 11 und den
Streifen 13 überbrückt. Die Verwendung einer sehr schmalen
Maske in der Größenordnung einiger weniger Mikrometer in
diesem Bereich ermöglicht die Bildung eines
Schmelzeinsatzes, der schmal und dick sein kann. Die
photolithographischen Masken können ebenfalls verschiedene Mengen und
Querschnitte für den Schmelzeinsatz festlegen, die mit
Metallmasken vom Typ, wie sie im Inneren der Anlage zum
Sputermetallisieren der bevorzugten Ausführungsform
verwendet werden, nicht möglich sind.
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Aufgrund der durch das Lot, der gesputterten
Endmetalliserung und Glas gebildeten hermetischen Abdichtung
kann das kleine Volumen zwischen den Rohren genau
kontrolliert werden. In dem Lötprozeß der bevorzugten
Ausführungsform wird der Zwischenraum ausgefüllt mit dem
Argon-Wasserstoffgas der Manipulationskammer. Wenn sich die
Sicherung auf Raumtemperatur abgekühlt hat, ist der Druck
der Argon-Wasserstoffüllung kleiner als Atmosphärendruck.
Unter Verwendung der Methoden des rückfließenden Lots kann
der Raum bei anderen Drücken mit anderen Gasen ausgefüllt
werden.
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Wegen der Leichtigkeit ihrer Herstellung auf enge
Toleranzen und der bequemen Fertigung werden runde
rohrförmige Elemente bevorzugt. Es wird jedoch davon
ausgegangen, daß zahlreiche Vorteile der vorliegenden
Erfindung mit anderen Konfigurationen erzielt werden können,
wie beispielsweise mit rechteckigen Rohren oder ebenen
flachen Substraten, welche das Sicherungselement mit einer
flachen und davon beabstandeten Abdeckfolie aufnehmen.
Diese Variationen sind lediglich veranschaulichend.