DE4114495A1

DE4114495A1 - Schmelzsicherung

Info

Publication number: DE4114495A1
Application number: DE4114495A
Authority: DE
Inventors: Jacques Vermot-Gaud; Georges Melet; Bodgan Zega
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1990-05-04
Filing date: 1991-05-03
Publication date: 1991-11-07
Also published as: JPH04229526A; GB9109523D0; US5140295A; FR2661777A1; GB2246485B; FR2661777B1; CH682959A5; GB2246485A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung, die aus einem lang gestreckten elektrischen Leiter in Form einer dünnen Schicht besteht, die auf die Oberfläche eines langgestreckten elektrischen isolierenden Substrats aufgebracht ist.

Angesichts der geringen Wärmekapazität der Leiter und der Übergänge der Halbleiter müssen Sicherungen zum Schutz von elektronischen Schaltungen sehr schnell sein und dürfen nur eine geringe Energie durchlassen. Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, anstelle der gebräuchlichen Schmelzsicherungen, die aus einem in einem Glasrohr montierten Draht bestehen und für Miniatur-Hybridschaltung nicht verwendbar sind, Schmelzsicherungen zu verwenden, die mit der Technik der Oberflächenmontage von Bauelementen kompatibel sind und bei denen das elektrisch leitende Element aus einer auf einem Substrat aufgebrachten Bahn besteht. Diese Lösung ist in dem Artikel "High Speed Thick Film Fuses" von A. J. Marriage und B. McIntosh, veröffentlicht in "Hybrid Circuits", Nr. 9, Januar 1986, Seiten 15-17, beschrieben.

Die Verwendung der Technologie der dicken Schichten zur Herstellung von Schmelzsicherungen hat zahlreiche Nachteile. Die Schichtdicke ist definitionsgemäß groß, und die Breite der Schicht kann unter Beibehaltung der Genauigkeit 0,15 bis 0,2 mm nicht unterschreiten. Die Regelmäßigkeit und die Reproduzierbarkeit der Schichten garantieren keine absoluten Werte mit ausreichender Genauigkeit. Mit der Dickschichttechnik ist es insbesondere nicht möglich, den gebräuchlichen Bereich von 10 mA bis 10 A abzudecken, der allen Anforderungen auf dem Gebiet der elektronischen Schaltungen entspricht. Schließlich können mit dieser Technik nur nichtmetallische und damit resistive Schichten gebildet werden. Aus all diesen Gründen können mit im Siebdruck hergestellten Schmelzsicherungen die Probleme, die der Schutz von elektronischen Schaltungen stellt, nicht gelöst werden, da sie nicht für die Herstellung eines Produkts geeignet sind, das alle in solchen Schaltungen auftretende Ströme abdeckt.

Andererseits wurde in dem Artikel "Temperature measurements of thin films on substrates" von IEE Proceedings, Vol. 132, Pt. 1, Nr. 3, Juni 1985, Seiten 143-146, vorgeschlagen, das Verhalten einer Schmelzsicherung auf einem Siliziumdioxid- oder Aluminiumoxid-Substrat zu simulieren, um die Temperaturprofile in den verschiedenen Betriebsphasen der Schmelzsicherung zu messen. In diesem Artikel wird insbesondere der Einfluß der Zeitkonstante des Substrats auf die Energie untersucht, die geliefert werden muß, um die Schmelztemperatur zu erhalten, wobei aufgezeigt wird, daß dem Aluminiumoxid gegenüber den anderen Keramiken der Vorrang zu geben ist, da bei ihm die Wärmeleitzahl mit steigender Temperatur abnimmt, was die Energie, die erforderlich ist, um das Schmelzen zu bewirken, verringert und damit die Schnelligkeit der Schmelzsicherung erhöht.

Die US 42 72 753 betrifft eine Schmelzsicherung für integrierte Schaltungen, in der eine leitende Bahn auf ein Substrat aufgebracht wird, das anschließend unter dem mittleren Teil der leitenden Bahn entfernt wird, um den Einfluß des Substrats auf das Verhalten der Schmelzsicherung auszuschalten. Die Herstellung einer solchen Schmelzsicherung stellt komplexe technologischen Probleme, für die es angesichts des niedrigen Herstellungspreises, der bei dieser Art Produkt nicht überschritten werden darf, keine rentable Lösung gibt. Der Kunde ist nämlich nicht bereit, für eine Schmelzsicherung beispielsweise den Preis eines Transistors zu zahlen.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der obengenannten Lösungen mindestens teilweise zu beseitigen.

Zu diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung eine Schmelzsicherung, bestehend aus einem langgestreckten elektrischen Leiter in Form einer dünnen Schicht, die auf die Oberfläche eines langgestrecktgen elektrisch isolierenden Substrats aufgebracht ist, gemäß Anspruch 1.

Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung hat zahlreiche Vorteile. Sie ist vollkommen an die oberflächenmontierten elektronischen Bauelementtypen angepaßt. Die Technologie der Aufbringung dünner Schichten eignet sich besonders gut zur Produktion von Artikeln in großen Serien. Die Verwendung einer dünnen und schmalen Schicht führt dazu, daß ein sehr kleines Metallvolumen zu schmelzen ist. Der Träger, auf dem die leitende Schicht aufgebracht ist, trägt zur Kühlung der Schicht bei Nennstrom bei, ohne daß die Schnelligkeit der Unterbrechung bei Vielfachen dieses Nennstroms beeinträchtigt wird. Diese Lösung gestattet unter Verwendung derselben Technologie, die Herstellung einer Palette von Schmelzsicherungen, die für alle in elektronischen Schaltungen auftretenden Ströme, die gewöhnlich zwischen 10 mA und 10 A liegen, geeignet sind, ohne daß dies eine Beschränkung für die Schmelzsicherung selbst darstellt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schmelzsicherung beschrieben, das in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellt ist. In dieser Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm der Verteilung der Temperaturen auf der Schmelzsicherung,

Fig. 2 ein anderes Diagramm der Verteilung der Temperaturen auf der Schmelzsicherung,

Fig. 3 eine stark vergrößerte perspektivische Darstellung des aktiven Teils der Schmelzsicherung und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung dieser Ausführungsform, wobei Teile weggebrochen sind.

Bei der Herstellung einer sehr schnellen Miniatur-Schmelzsicherung, die insbesondere zum Schutz von elektronischen Schaltungen bestimmt ist, muß in elektrischer Hinsicht erreicht werden, daß die Verlustleistung und der Spannungsabfall so gering wie möglich sind. Dies bedeutet, daß der Widerstand und damit die Verlustleistung kleiner als ein Grenzwert sind, der vom Nennstrom IN abhängig ist. In der nachstehenden Tabelle I sind die gebräuchlichen Werte der gegenwärtig benutzten Miniatur-Schmelzsicherung aufgeführt.

Tabelle 1

In technischer Hinsicht muß die Sicherung bei einem Strom, der kleiner oder gleich dem 1,4fachen des Nennstroms IN ist, umbegrenzt auf einer Temperatur bleiben, die unter der Schmelztemperatur des Leiters oder unter einer Temperatur liegt, die die Leistung beeinträchtigen kann.

Die Schmelztemperatur des Leiters muß bei einem Strom von 2 IN in 1 Sekunde und bei einem Strom von 4 IN in 10 ms erreicht werden.

Dies bedeutet, daß bei 1,4 IN ein Gleichgewichtszustand zwischen der Külleistung und der Verlustleistung herrscht, was natürlich voraussetzt, daß diese Verlustleistung durch Leitung über den Träger der leitenden Schicht nach außen abgeführt wird. Die abgegebene Energie muß in einer unbegrenzten Zeit unbegrenzt sein.

Im dynamischen Bereich, d. h. bei 2 IN und bei 4 IN, muß die abgegebene Energie begrenzt sein. Sie entspricht der Erwärmungsenergie der Metallschicht und des Substrats, zu der die Kühlenergie hinzukommt.

Je kleiner die Erwärmungsenergie der Schicht und des Substrats ist, um so schneller erhält man die begrenzte abgegebene Energie. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, einerseits das zu schmelzende Materialvolumen zu verringern und den Werkstoff des Substrats mit ausreichend niedriger Dichte und spezifischer Wärme zu wählen und andererseits die Wärmeleitung nach außen zu verringern, was im Widerspruch zu den Anforderungen des Gleichgewichtsbereichs steht, in dem die Verlustleistung durch Wärmeleitung abgeführt werden muß.

Um die Bedingungen des dynamischen Bereichs und des Gleichgewichtsbereichs der Schmelzsicherung miteinander in Einklang zu bringen, müssen die die Schmelzsicherung bildende Metallschicht und ihr Substrat eine langgestreckte Form haben und muß die Ableitung der Wärme über die beiden Enden des Substrats langgestreckter Form vor sich gehen, deren Temperatur auf einem konstanten Wert bleiben muß.

Zu diesem Zweck muß der Wärmedurchlaßwiderstand zwischen der Umgebungstemperatur und jedem Ende des Trägers <200°C/W sein, während er <500°C/W zwischen der Umgebungstemperatur und dem mittleren Teil dieses Trägers sein muß.

Sofern die durch Strahlung und Leitung verlorene Leistung gering genug ist, was der Fall ist, erhält die Verteilung der Temperatur längs der leitenden Schicht einen parabolischen Verlauf, wie die Kurve a von Fig. 1 zeigt, so daß die Temperatur dieses langgestreckten Leiters in der Mitte höher ist.

Man wählt den Wert für ΔT_max ausreichend groß, damit die Gleichgewichtsstörung den obigen Forderungen zu den Geschwindigkeiten des Stromabfalls entspricht.

Zur Verstärkung der Konzentration der Erwärmung auf die Mitte der langgestreckten leitenden Schicht wird an dieser Stelle eine Verjüngung vorgesehen. Beidseiten von 1 Sekunde reagiert die Temperaturverteilung auf diese Verjüngung auf die mit der Kurve c von Fig. 1 gezeigten Weise. Beidseitig von 1 Sekunde wird die Temperaturverteilung infolge des Vorhandenseins des Substrats wieder parabolisch.

Fig. 3 zeigt eine Schmelzsicherung, deren Ausführung auf den oben erläuterten Grundprinzipien beruht. Das langgestreckte Substrat 1 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff liegt mit seinen beiden Enden auf zwei Auflagern 2 und 3 auf, die zur Abfuhr der im Gleichgewichtsbereich erzeugten Wärme in die Atmosphäre dienen. Das Substrat trägt eine langgestreckte leitende Bahn 4 aus einem Metall, die in ihrem mittleren Teil eine Verjüngung 5 aufweist, die den Erwärmungseffekt in diesem zentralen Teil erhöhen soll, um das Volumen des zu schmelzenden Werkstoffs maximal zu verringern und ihm im dynamischen Erwärmungsbereich quasi adiabatische Eigenschaften zu verleihen. Indem der Querschnitt der leitenden Bahn durch eine Verringerung seiner Breite verkleinert wird, verkleinert man gleichzeitig, zumindest im dynamischen Bereich, die Wärmeaustauschfläche mit dem Substrat und erhält auf diese Weise eine dynamische Isolierung der Verjüngung 5, wobei nun die maximale Temperaturänderung im allgemeinen das 4- bis 10fache der mittleren Temperatur beträgt, was mit dem Diagramm von Fig. 2 veranschaulicht wird. Auf diese Weise wird es möglich, die Schmelztemperatur bei einem Strom von 4 IN in einer Zeit von unter 1 ms und bei einem Strom von 2 IN in einer Zeit von etwa 200 bis 600 ms zu erreichen.

Nach der Beschreibung der Grundprinzipien einer sehr schnellen Schmelzsicherung (FF) insbesondere zum Schutz von elektronischen Schaltungen sei nun die Dimensionierung dieser Sicherung untersucht.

S ist der größte Querschnitt mit der Breite w der Metallbahn 4, deren Wärmedurchlaßwiderstand ρ_th ist, und S′ ist der Querschnitt des elektrisch isolierenden Substrats 1, dessen Wärmedurchlaßwiderstand ρ′_th ist.

Die Gleichung für die parabolische Verteilung der Temperatur im Gleichgewichtsbereich (Fig. 1) ohne Berücksichtigung des Substrats 1, einer möglicherweise auftretenden Einschränkung der Verluste durch Strahlung und Konvektion und des thermischen Koeffizienten des spezifischen elektrischen Widerstands ρ_e lautet:

ρ_th = Wärmedurchlaßwiderstand des Metalls
S=Querschnitt der leitenden Bahn 4 (im Fall einer Bahn ohne Verjüngung)
IN=Nennstrom
b=halbe Länge
Für x = O:

Bei einem gegebenen Wert von ΔT_max hat S den Wert:

Bei Vorhandensein des Substrats mit dem Querschnitt S′ und der Wärmedurchlaßwiderstand ρ′_th kann man annehmen, daß sich alles so verhält, als hätte man ein Metall mit dem Wärmedurchlaßwiderstand ρ′′_th′ so daß:

Die Gleichung (1) für S² wird:

Da ρ′′_th eine Funktion von S ist, ist diese Gleichung tatsächlich eine Gleichung zweiten Grades in S, wobei eine der Lösungen dieser Gleichung den Metallquerschnitt bei einem Strom IN angibt.

Bei den üblichen Werten von IN von 10 A lautet der vereinfachte Ausdruck von S:

S = ρ′_th ρ_e b² IN²/2S′ ΔT_max

Beispiel 1

Bahn:
2b = 9 · 10^-3 m
Substrat:	S′ = 0,6 mm²
Glas:	ρ′_th = 0,7°C m/W
Keramik:	ρ′_th = 0,07°C m/W

Nach Untersuchung der Dimensionierung bei einer sehr langen Zeit (Nennstrom) sind deren Auswirkungen bei der sehr kurzen Zeit zu untersuchen, bei der der Strom das Vierfache des Nennstroms, d. h. 4 IN beträgt.

Wie sich aus dem Nachstehenden ergibt, ist die Dimensionierung für eine sehr kurze Zeit sehr abhängig vom Querschnitt der leitenden Bahn und ihrer Breite, die die Wärmeaustauschfläche mit dem Substrat in Abhängigkeit vom Wärmedurchlaßwiderstand zwischen der leitenden Bahn und dem gesamten Substrat festlegt. Da die Dicke der Bahn konstant ist, führt eine Verringerung des Anfangsquerschnitts, die eine Leistungskonzentration pro Längeneinheit mit sich bringt, notwendigerweise zu einer Verringerung der Breite der Bahn, d. h. zu einer Verringerung der Austauschfläche an der Stelle, an der die Verlustleistung am höchsten ist.

Nun sei untersucht, wie sich eine Verjüngung auf der leitenden Bahn auswirkt. Der Wärmedurchlaßwiderstand zwischen der Metallschicht und dem gesamten Substrat kann angenähert folgendermaßen ausgedrückt werden:

hierin ist:

e_s die Dicke des Substrats
w_r die Breite der Bahn an der Stelle der Verjüngung und
l_r die Länge der Verjüngung.

Die Temperaturdifferenz zwischen der Schicht und dem Substrat beträgt:

ΔT=R_th · P

P ist die Verlustleistung in der Verjüngung der leitenden Bahn. Die Temperatur muß die Schmelztemperatur von Aluminium (<600°C) erreichen. Hierbei hängt die in Betracht zu ziehende Verlustleistung P von dem spezifischen Widerstand des Aluminiums bei dieser Temperatur ab.

wobei ρ_e die spezifische Leitfähigkeit bei 600°C und S_r der Querschnitt der Verjüngung ist.

Beispiel 2

T600°C bei Aluminium: ρ_e bei 600°C ≈3 · 10^-8 (1+4 · 10^-3 · 600)=1,02 · 10^-7 (Temperaturdifferenz α von Aluminium 4 · 10^-3/°C)

ρ′_th Glas:
0,70°C m/W
ρ′_th Keramik:	0,07°C m/W
e_s:	0,3 · 10^-3 m

Setzt man die Werte des Beispiels 2 in die vorstehende Gleichung (3) ein, so kann w_r mit Hilfe der folgenden Ausdrücke im Falle von Glas und von Keramik bestimmt werden:

Legt man den Wert von S_r, d. h. den Wert der Verjüngung, auf S/1,5 bei kleinen Kalibern (Fall von Glas) und auf S/3 bei großen Kalibern (Fall von Keramik) fest, so erhält man die Grenzwerte für w_r:

Im Nachstehenden sind die entsprechenden Werte der Breite w der Bahn ohne Vorhandensein einer Verjüngung aufgeführt.

Wie man feststellt, hat das Vorhandensein der Verjüngung einen Einfluß auf die mögliche maximale Breite der leitenden Bahn, und zwar um so mehr, wenn der Strom hoch ist und das Substrat einen Wärmedurchlaßwiderstand hat. Bei einem Strom von 10 A beträgt die Dicke der Bahn 4,1 µm, während sie ohne Verjüngung bei einer Breite von maximal 90 µm 1 mm betragen würde, was selbst im Siebdruck nicht durchführbar wäre. Dagegen wird bei Vorhandensein einer Verjüngung bei einem Strom von 10 A eine Dicke von 4,1 µm nicht überschritten, was bedeutet, daß alle Schmelzsicherungen von 0,04 A bis 10 A und mehr in derselben Technik der Aufbringung dünner Schichten ausgeführt sein können.

Wie man feststellt, konzentriert die Verjüngung in einem gewissen Maß die Verlustleistung, da der Durchgangsquerschnitt des Stroms geringer ist. Die Leistungskonzentration ist an sich groß genug, um die Schmelztemperatur zu erreichen, so daß ein geringer Wärmedurchlaßwiderstand zwischen dem Substrat und der leitenden Bahn und damit eine größere Breite der gesamten leitenden Bahn bestehen kann, als es bei einer Bahn ohne Verjüngung möglich wäre. Wie die vergleichenden Beispiele zeigen, stellt dies also ein Kennzeichen der Erfindung dar, das zumindest über 0,5 A wesentlich wird, da es ermöglicht, unter Verwendung ein und derselben Herstellungstechnik schnelle und sehr schnelle Schmelzsicherungen auf Substraten für Ströme von 0,5 bis 10 Ampere und sogar darüber zu schaffen, da, wie es sich zeigt, 10 A keine Begrenzung des Anwendungsbereichs der Erfindung darstellt.

Nun wird unter Anwendung der vorstehenden Angaben über die Dimensionierung die Erwärmungszeit bei diesem Strom von 4 IN untersucht. Alles verhält sich so, als bestünde zwischen der leitenden Bahn, die im Falle von Aluminium 600°C erreichen soll, und dem Substrat eine Wärmekapazität C_th gemäß der Formel (4):

C_th = K_th · D · S_r · l_r (4)

in der K_th die spezifische Wärme des Metalls und D seine Dichte ist.

R_th · C_th entspricht der Zeitkonstante der Schmelzsicherung und ergibt mit den Formeln (2) und (4):

Beispiel 3

ρ_th

Aluminium=4,6 · 10^-3

°C m/Watt; K_th

=945 Joules/kg; D=2700 kg/m³

Zieht man die Tabelle von Beispiel 2 heran, so beträgt die Zeitkonstante im Falle eines Glassubstrats 1,9 · 10^-8 bei 0,04 A und 1,9 · 10^-6 bei 0,4 A und im Falle eines Aluminiumoxidsubstrats 9 · 10^-8 bei 0,4 A, 9 · 10^-6 bei 4 A und 5,8 · 10^-5 bei 10 A. Geht man von einer Erwärmungszeit von gleich 10R_thC_th aus, so ist die längste Zeit 0,6 ms, d. h. sie liegt deutlich unter dem Wert von 1 ms bei dem Vierfachen des Nennstroms von 10 A.

Die Tests wurden mit Schmelzsicherungen durchgeführt, die nach den vorstehenden Angaben bemessen waren. Diese Tests haben auch gezeigt, daß die Unterbrechung bei einem Strom von 2 IN in Zeiten von etwa 200 bis 600 ms stattfindet, was weit unter einer Sekunde liegt. Dies belegt also, daß es möglich ist, eine ausgedehnte Palette von Schmelzsicherungen herzustellen, die praktisch alle in elektronischen Schaltungen benutzten Ströme abdecken und den an sehr schnelle Sicherungen (FF) gestellten Anforderungen entsprechen, wobei die benutzte Technik an die Technik der Oberflächenmontage von Bauelementen angepaßt ist. Daß die an sehr schnelle Sicherungen gestellten Anforderungen in einem so weiten Bereich durch die Technik der Aufbringung dünner Schichten erfüllt werden können, wird einerseits dadurch erreicht, daß eine langgestreckte Bahn auf einem langgestreckten Substrat geformt und das Substrat über seine Enden gekühlt wird und daß andererseits, zumindest über 0,5 A, eine Querschnittsverjüngung vorgesehen ist, die, da die Schicht eine gleichmäßige Dicke hat, als Breitenverringerung auftritt.

Im folgenden werden die technologischen Probleme und ihre Lösungen behandelt.

Die Wahl des Metalls für die in einer dünnen Schicht auf dem Substrat gebildeten leitenden Bahn wird durch folgende Kriterien bedingt: niedriger spezifischer Widerstand, hoher Temperaturkoeffizient α, gute Beständigkeit gegenüber Oxidation, eine Schmelztemperatur von 600 bis 1500°C, gute Haftung auf dem Substrat und die Anschlußmöglichkeit durch gebräuchliche Techniken.

Das wichtigste Kriterium ist die Haftung, da sie eine grundlegende Bedingung darstellt. Da Legierungen einen höheren spezifischen Widerstand und einen niedrigeren thermischen Koeffizient der Zunahme des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur als reine Metalle haben, wird letzterem der Vorzug gegeben.

In der nachstehenden Tabelle sind verschiedene Eigenschaften von einigen Metallen angegeben, die für die leitende Bahn in Betracht kommen.

Tabelle 2

Das Substrat ist mineralisch, es besteht entweder aus Glas oder aus Keramik. Die Auswahlkriterien sind wieder die Haftung und der Herstellungspreis, der niedrig sein muß, da Schmelzsicherungen billige elektrische Bauelemente sind. Die Rauhzeit muß gering sein, es muß gebrochen, geschnitten oder gesägt werden können, um die Sicherungen voneinander zu trennen. Die Dicke muß den geringen Wert von 0,3 mm haben können und die Wärmeleitzahl muß, vor allem bei Sicherungen von über 0,5 A, so klein wie möglich sein. Im Fall eines Substrats aus Keramik kann diese zweckmäßigerweise zur Verringerung der Rauzeit verglast sein.

Wie man in den vorhergehenden Beispielen feststellen konnte, war das bevorzugte Metall Aluminium auf einem Glas- oder Keramik-Substrat. Aluminium stellt tatsächlich den geeignetsten Werkstoff dar, da reines Silber mit den benutzten Beschichtungsverfahren schlecht auf den gewählten Substraten haftet. Für den Anschluß der Sicherung aus Aluminium bestehen verschiedene Möglichkeiten. Wenn der Anschluß mit einer Zinnlötung hergestellt werden soll, besteht eine Möglichkeit, wie Fig. 4 zeigt, darin, daß zunächst an jedem Ende des Substrats ein Plättchen 6 aus Nickel angeordnet wird, das anschließend mit einer ringförmigen Aluminiumschicht 7 bedeckt wird, die an den beiden Enden der leitenden Bahn 4 vorgesehen wird und deren Innendurchmesser kleiner als der des Nickelplättchens 6 ist, während der Außendurchmesser größer als der des Plättchens 6 ist, so daß die ringförmige Aluminiumschicht 7 die Haftung des Nickelplättchens 6 gewährleistet und es nun möglich ist, den Anschluß der Sicherung durch Zinnverlötung herzustellen, indem das Anschlußelement in der Mitte der ringförmigen Schicht 7 an dem Nickelplättchen 6 angelötet wird.

Im Falle der Verlötung der Anschlüsse mit Zinn wird der Anschluß wegen der Zinn-Aufschmelzung bei der Befestigung der Sicherung auf einer gedruckten Schaltung oder einer Hybridschaltung mit Hilfe einer Klemme 8 vorgenommen, wie sie von Comatel Issy-les-Moulineaux (Frankreich) vertrieben wird, deren beide Schenkel das Substrat 1 sandwichartig umschließen, wobei der obere Schenkel 8a an das Nickelplättchen 6 mit Zinn 9 angelötet wird. Wenn die Sicherung beispielsweise durch Verlötung der Unterseite des Befestigungslappens 8b der Klemme 8 an einer Schaltung befestigt wird, besteht nicht die Gefahr, daß die Aufschmelzung des Zinns die Lösung der Verlötung der Klemme 8 verursacht, da diese mechanisch hält und das Lot um den Schenkel 8a herum durch die Oberflächenspannung des um diesen Schenkel herum geschmolzenen Metalls zurückgehalten wird.

Mit demselben Klemmentyp kann auch eine Aluminium-Aluminium-Verlötung durch Ultraschall vorgenommen werden. Hierbei ist der Schenkel 8a mit Aluminium beschichtet, um seine Befestigung an der Aluminiumschicht 7 zu gestatten, und der Befestigungslappen 8b der Klemme 8 ist verzinnt, um seine Befestigung auf der Schaltung zu ermöglichen. Wenn die Bahn 4 eine Dicke von weniger als 10 µm hat, können die Enden durch Plättchen 6 verstärkt werden, die in diesem Fall nicht aus Nickel, sondern aus Aluminium bestehen.

Die leitenden Bahnen und die Plättchen werden in einem physikalischen Verfahren in Dampfphase unter Vakuum aufgebracht, und zwar vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung des Metalls eines Targets, das auf dem vor dem Target angeordneten Substrat kondensiert. Ferner ist eine thermische Bedampfung möglich, und zwar entweder ausgehend von einem geschmolzenen Metall in einem durch Stromwärme erhitzten Schiffchen oder ausgehend von einem Metall, das durch einen von einer Elektronenkanone gelieferten Strahl geschmolzen wird (in diesem Fall ist das Metall in einem gekühlten Tiegel enthalten).

Zur Aufbringung der Plättchen 6 genügt es, das Substrat mit einer Maske zu bedecken, die Öffnung in der Form der herzustellenden Plättchen besitzt. Diese Maske besitzt eine große Anzahl derartiger Öffnungen, so daß eine große Serie von Plättchen gleichzeitig auf das Substrat aufgebracht werden kann.

Die leitende Schicht wird dagegen auf die gesamte Oberfläche des Substrats aufgebracht, wobei sie insbesondere die Plättchen 6 bedeckt. Diese Schicht wird anschließend in einem bekannten Verfahren photogeätzt, wobei in einer dünnen Schicht photosensiblen Lacks (im nachstehenden Photoresist genannt), die auf die leitende Schicht aufgetragen ist, Fenster geöffnet werden und anschließend eine nasse Ätzung vorgenommen wird, d. h. die leitende Schicht wird chemisch selektiv angegriffen, wobei die durch den Photoresist geschützten Teile nicht angegriffen werden. Nach der Ätzung bleiben die leitenden Bahnen entsprechend der sehr genauen Zeichnung auf der Photoätzmaske, durch die die gewünschte Geometrie der Schmelzsicherungen bestimmt wird, bestehen.

Der übrige Photoresist wird anschließend einfach durch Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel beseitigt.

Die Technik der Herstellung dünner Schichten unter Vakuum und ihre nasse Photoätzung sind bekannt und werden deshalb hier nicht ausführlicher beschrieben.

Angesichts der großen Anzahl der gleichzeitig aufgebrachten Plättchen, der großen Anzahl der gleichzeitig geätzten leitenden Bahnen, der aufzubringenden Schichtdicken und der Möglichkeit, die Aufbringung durch Verwendung eines Magnetfelds, das an der Oberfläche des Target durch ein ebenes Magnetron gebildet wird, zu beschleunigen, ist die Aufbringung so schnell durchführbar, daß die Schmelzsicherungen zu einem wirtschaftlich und kommerziell interessanten Preis hergestellt werden können.

Eines der überraschenden Ergebnisse der Erfindung besteht darin, daß das Vorhandensein des Substrats im Gegensatz zu dem, was logisch zu erwarten gewesen wäre, in keiner Weise die Leistungen beeinträchtigt, sondern diese sogar zu verbessern scheint. Mit der benutzten Aufbringungstechnik kann eine hohe Genauigkeit und insbesondere eine große Regelmäßigkeit der Schichtdicke erreicht werden, so daß die auf diese Weise hergestellten Sicherungen eine hervorragende Reproduzierbarkeit haben. In der Praxis können die Anschlußklemmen 8, wie das Beispiel der Fig. 4 zeigt, auf zweckmäßige Weise auch zur Wärmeableitung im Betriebsbereich benutzt werden, der bis zum 1,4fachen des Nennstroms IN geht.

Claims

1. Schmelzsicherung, bestehend aus einem langgestreckten elektrischen Leiter in Form einer dünnen Schicht, die auf die Oberlfäche eines langgestreckten, elektrisch siolierenden Trägers aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gegebenen Nennstrom IN, einer gegebenen maximalen Temperaturänderung ΔT_max und einer gegebenen Länge 2b des elektrischen Leiters das thermische Gleichgewicht hergestellt ist, wenn das Verhältnis des Querschnitts S des elektrischen Leiters zum Querschnitt S′ des Trägers im wesentlichen S = ρ′_th ρ_e b² IN²/2 S′ ΔT_maxentspricht, worin ρ′_th der Wärmedurchlaßwiderstand des Trägers und ρ_e der spezifische elektrische Widerstand des elektrischen Leiters ist, und daß der Wärmedurchlaßwiderstand zwischen der Umgebungstemperatur und jedem Ende des Trägers <200°C/W ist, während er zwischen der Umgebungstemperatur und dem mittleren Teil des Trägers <500°C/W ist, wobei der Wert von ΔT_max so hoch gewählt ist, daß das thermische Gleichgewicht in <1 Sekunde gestört ist, wenn der Strom 2 IN erreicht.

2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den langgestreckten Leiter bildenden Schicht an der Stelle von ΔT_max durch eine Verringerung der Breite der Schicht eine Querschnittsverringerung vorgesehen ist, deren Querschnitt so gewählt ist, daß bei Anlegen eines Stroms 1,4 IN während einer unbegrenzten Zeit eine im wesentlichen parabolische Temperaturverteilung und bei höheren Strömen ein quasi adiabatisches Verhalten erhalten wird.

3. Schmelzsicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der Querschnittsverringerung bei einer Schicht von konstanter Dicke 30 bis 70% beträgt.

4. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht aus Aluminium besteht.

5. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Glas besteht.

6. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus verglastem, gesintertem Al₂O₃ besteht.

7. Schmelzsicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende des elektrischen Leiters einen Teil besitzt, der teilweise ein dickeres Metallplättchen bedeckt.

8. Schmelzsicherung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallplättchen aus Nickel besteht.

9. Schmelzsicherung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallplättchen aus Aluminium besteht.