KR101727528B1

KR101727528B1 - 퓨즈를 구비한 인쇄 회로기판 및 퓨즈의 제조방법

Info

Publication number: KR101727528B1
Application number: KR1020100083982A
Authority: KR
Inventors: 미카엘 루폴트; 알렉산데르 다우스
Original assignee: 보그와르너 루트비히스부르크 게엠바흐
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2017-04-17
Also published as: EP2293315A1; DE102009040022B3; US20110051388A1; EP2293315B1; US8705249B2; KR20110025102A

Abstract

본 발명은 인접하여 인쇄 회로기판(5) 위에 배열되고 서로에 대해 이격되어 있는 두 금속표면(2)을 전기적으로 연결하는 퓨즈를 형성하는 방법을 개시한다. 상기 두 금속표면(2) 각각은 보호코팅(5)으로 부분적으로 덮이고 접촉영역(2a)을 형성하는 부분 영역은 덮이지 않은 채로 남아있으며, 상기 두 금속표면(2) 사이의 갭 표면을 연결하는 액상 연랍 부재(1)는 상기 두 개의 덮여 있지 않은 부분 영역(2a)에 도포되며, 상기 연랍 부재(1)가 굳어진 후에, 상기 연랍 부재(1)의 주위 영역 안의 보호 코팅(5)은 수랍 영역(2b)을 형성하기 위하여 제거되며, 그 결과 상기 연랍 부재(1)가 녹을 때 상기 연랍 부재(1)는 상기 두 금속 표면(2) 사이의 인쇄 회로기판 갭 표면(3)으로부터 흘러 나와 상기 수랍 영역(2b)에 적셔져 부착되고 상기 연랍 부재(1)에 의하여 형성된 전기 접촉은 차단된다. 더불어 본 발명은 그러한 퓨즈를 갖는 인쇄 회로기판을 개시한다.

Description

퓨즈를 구비한 인쇄 회로기판 및 퓨즈의 제조방법{Printed circuit board with a fuse and method for the manufacture of a fuse}

본 발명은 인접하여 인쇄 회로기판 위에 배열되고 서로 이격되어 위치하는 두 개의 금속표면을 전기적으로 연결하는 퓨즈를 형성하는 방법에 관한 것이다. 또한, 그러한 퓨즈를 구비한 인쇄 회로기판에 관한 것이다.

고장이 날 경우에는, 인쇄 회로기판 위에 배열된 회로는 극도의 과온을 초래한다. 보호를 위하여 회로는 대개 퓨즈, 온도 스위치, 전류제한 PTC요소(current-limiting PTC elements) 또는 유사 요소를 구비한다.

본 발명의 목적은 고장이 날 경우 2차 손상을 막기 위하여 필요하다면 부하 전류가 차단될 수 있거나 감소될 수 있도록 함으로써 효율적인 비용 및 낮은 공목(low space) 요건을 갖도록 하는 방법을 개시함에 있다.

이러한 문제는 특허청구범위 제1항에 개시된 특징을 포함하는 본 발명에 따른 방법 뿐만 아니라 특허청구범위 제7항에 의한 퓨즈를 구비한 인쇄 회로기판에 의하여 해결된다. 본 발명의 부가적인 개선점들은 종속항에 개시되어 있다.

본 발명에 의한 퓨즈는 두 금속 표면 사이의 갭(gap)을 연랍 부재(soft solder material)로 연결하여 상기 두 금속 표면 사이에 전기 접촉을 확고히 할 수 있고, 상기 금속 표면은 인쇄 회로기판 위에 각각 바로 옆에 배열된다. 상기 연랍 부재는 각 금속 표면의 일 부분만을 덮는다. 연랍 부재의 환경 하에서의 금속 표면의 일부분은 퓨즈가 반응을 보일 때 용융된 연랍 부재를 수신하는 수랍 영역을 형성한다. 연랍 부재와 수랍 영역 사이의 계면 에너지는 연랍 부재와 두 가교된 금속 표면 간의 인쇄 회로기판 표면 사이의 계면 에너지보다 낮다. 연랍 부재가 녹을 때, 연랍 부재는 두 금속 표면 사이의 인쇄 회로기판 갭 표면 영역으로부터 녹아서 흘러 나와 상기 수랍 영역에 적셔져서 부착되고, 이로 인해 상기 갭 표면에서 연랍 부재에 의해 형성된 전기 접촉은 차단된다.

본 발명에 의한 방법에 의하면, 연랍 부재를 도포하기에 앞서 땜납에 잘 견디는 보호 코팅을 갖는 두 금속 표면의 영역을 덮음으로써 수랍 영역이 형성된다. 그 뒤에, 두 금속 표면 사이의 갭 표면을 이어주기 위해 액상의 연납 부재가 보호코팅으로 커버 되지 않은 표면 부분에 도포된다. 연랍 부재(1)가 굳어진 후에, 상기 연랍 부재(1)의 환경 안에 있는 보호 코팅(5)은 제거되며, 이로 인하여 용융된 연랍 부재로 적셔질 수 있는 수랍 영역이 만들어진다.

인쇄 회로기판의 금속을 입힌 표면으로서, 구리로 만들어진 금속 표면은 인쇄 회로기판의 종래의 합성 수지 표면보다 보다 훨씬 용이하게 연랍 부재로 적셔지고 부착될 수 있다. 연랍 부재와 합성수지(특히 에폭시 레진) 사이의 계면 에너지는 연랍 부재와 금속 표면(특히 구리) 사이의 계면 에너지보다 높다. 연랍 부재가 녹을 때, 연랍 부재는 두 금속 표면 사이의 인쇄 회로기판 갭 표면 영역으로부터 흘러 나와 수랍 영역에 부착된다.

수랍 영역의 적셔져서 부착되는 성질(wettability)을 개선하기 위하여, 이러한 영역은 플럭스(flux)로 덮이며, 바람직하게는 최소한 부분적으로 덮인다. 알맞은 플럭싱제(fluxing agents)는 천연의 또는 개량형 레진에 기초한 것으로서 예를 들면 송진이며, 여기에 산(더욱 자세하게는 스테아르산, 살리실산 및/또는 아디프산)과 같은 촉매 첨가제가 부가될 수 있다. 그러한 플럭싱제는 F-SW 31, F-SW 32, F-SW 33 또는 F-SW 34라고 일컬어 진다. 만일 고급 알코올이나 지방과 같은 유기의 조제용 물질이 제공된다면 염화 아연 및/또는 염화 암모늄을 함유하는 플럭싱제를 사용하는 것도 가능하다.

상기 연랍부재가 녹을 때 두 금속 표면 사이의 전기 접촉이 차단되는 것을 야기하기 위하여, 이어져 있는 갭(bridged gap)의 한 측면에 수랍 영역이나 저장소를 제공하는 것으로 충분하다. 바람직하게는 수랍 영역은 상기 연랍 부재에 의하여 이어지는 갭 영역의 두 측면 각각에 제공된다. 이는 두 금속 표면 각각이 수랍 영역 뿐만 아니라, 연랍 부재로 덮인 접촉 영역을 형성하는 것을 의미한다.

바람직하게 하나의 수랍 영역은 연랍 부재를 U 또는 C 형태로 둘러싼다. 이를 통하여 액상 연랍 부재가 수랍 영역을 신속하게 적시는 것이 가능하도록 한다. 이는 퓨즈가 빠르게 반응할 수 있다는 이점이 있다.

수랍 영역은 최소한 연랍 부재로 덮이는 두 금속 표면 사이의 인쇄 회로기판 갭 영역만큼 크다. 이러한 방법은 컷 아웃(cut-out)이 반응할 때 두 금속 표면 사이의 인쇄 회로기판을 덮고 있는 연랍 부재가 수랍 영역 안으로 거의 완전히 이동할 수 있게 한다는 점에서 유리하다.

통상적인 언어적 기법에 의하면, 연납 부재는 녹는점이 450℃보다 낮은 연랍 부재로 설명된다. 바람직한 사용은 예를 들어서 250℃보다 낮은 - 더욱 바람직하게는 200℃보다 낮은 - 상당히 낮은 녹는점을 갖는 연랍 부재로 이루어져 있다. 적당한 것은 주석 합금이며, 특히 주석-납 합금 및/또는 인듐 합금이다.

본 발명의 이점과 보다 상세한 설명은 후술하는 도면을 참고하여 바람직한 실시 예에 의하여 개시된다. 그 안에 서로서로 대응하는 동일 요소들은 도면번호에 의하여 확인된다.
도 1은 퓨즈의 계통도(系統圖)를 도시한다.
도 2는 연랍 부재에 의하여 연결된 도 1의 금속 표면을 도시한다.
도 3은 도 1의 측면도를 도시한다.
도 4는 도 1의 퓨즈의 작동된 상태를 도시한다.
도 5는 작동된 상태에 있는 퓨즈의 다른 실시 예를 도시한다.
도 6은 도 5의 단면도를 도시한다.

도 1은 본 발명에 바람직한 실시 예에 의한 퓨즈 구조의 계통도를 도시한다. 퓨즈는 두 금속 표면(2)의 각 접촉 영역(2a)을 덮고 그들 사이의 갭을 이어주는 L-Sn 60PbAg 또는 인듐 합금과 같은 연랍 부재(1)에 의하여 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 연랍 부재(1)는 두 금속 표면(2) 각각의 일정 부분만을 덮는다. 연랍 부재(1)에 의하여 덮인 접촉 영역(2a) 인근에 배열된 부분 영역(2b)은 연랍 부재(1)가 없고, 만일 컷 아웃이 반응한다면 용융된 연랍 부재(1)로 적셔질 수랍 영역을 형성한다.

도 2는 어떠한 연랍 부재(1)도 없는 도 1에 도시된 바람직한 실시 예의 금속 표면(2)을 나타낸다. 그 안에 연랍 부재(1)로 덮인 접촉 영역(2a) 및 연랍 부재로 덮이지 수랍 영역(2b)이 금속 표면(2) 안에 나타난다.

연랍 부재(1)가 녹을 때, 연랍 부재(1)는 두 금속 표면(2) 사이의 인쇄 회로기판 갭 영역으로부터 흘러 나오고, 그 결과 상기 수랍 영역(2b)은 연랍 부재(1)에 의하여 적셔지며, 이에 따라 연랍 부재에 의해 형성되는 전기적 접촉은 차단된다.

도 3은 계통도상의 도 1의 측면도를 도시한다. 도 4는 퓨즈가 트립(trip)된 후의 측면도를 도시한다. 트립된 상태에서 연랍 부재(1)는 접촉 영역(2a)을 둘러싸는 수랍 영역(2b)을 적신다. 두 금속 표면(2) 사이에 배치되는 인쇄 회로기판 갭 표면(3)의 영역은 퓨즈가 트립된 상태에 있을 때 대체로 연랍 부재(1)가 없다.

도 1에 도시된 퓨즈를 제조하기 위하여, 수랍 영역(2b)에 제공되는 금속 표면(2)의 부분 표면은 첫 번째 단계로서 땜납에 잘 견디는 마스킹 래커(masking lacquer)와 같은 보호 코팅으로 커버 된다. 그 뒤에, 접촉 영역(2a)으로서 제공되고 땜납에 잘 견디는 보호 코팅으로 커버 되지 않은 금속 표면(2)의 부분은 액상 연랍 부재(1)로 커버 된다. 거기에 적용된 연랍 부재(1)는 접촉 영역(2a) 사이에 존재하는 인쇄 회로기판 표면 위의 갭(3)을 이어주기 위하여 사용되고, 그로 인하여 두 금속 표면(2)은 연랍 부재(1)에 의하여 전기적으로 연결된다. 상기 연랍 부재(1)가 굳어진 후에, 보호 코팅은 수랍 영역(2b)으로부터 제거된다.

수랍 영역(2b)의 적셔져서 부착되는 성질(wettability)을 개선하기 위하여, 이러한 영역은 플럭스(flux)로 부분적이거나 전체적으로 덮일 수 있다. 재료로 만든 금속 표면(2)은 퍼텐셜 코팅을 갖는 구리와 같은 땜납 트랙을 위한 것이다. 바람직한 실시 예에서 보이는 바와 같이, 수랍 영역(2b) 및 접촉 영역(2a)은 pcb트랙(2c)의 확장된 말단 섹션으로서 설계된다. 두 금속 표면(2) 사이에 배치되고 연랍 부재(1)로 덮이는 인쇄 회로기판 갭 영역(3)은 인쇄 회로기판용 에폭시 레진으로 구성될 수 있다.

수랍 영역(2b)은 접촉 영역(2a)을 U 또는 C 형태로 둘러싼다. 컷 아웃이 작동 될 때, 용융된 연랍 부재(1)는 주변을 둘러싸는 넓은 표면을 가로질러 흐르고, 수랍 영역(2b) 안으로 흘러나갈 수 있다. 수랍 영역(2b)은 두 금속 표면(2) 사이에 배치되고 연랍 부재(1)로 덮인 갭 표면(3)보다 넓다. 이러한 방법에서는 컷 아웃이 작동될 때 두 금속 표면(2) 사이의 갭 표면(3)을 이어주는 연랍 부재(1)를 받아들일 수 있는 충분한 공간이 존재한다. 도 1의 계통도에서, 수랍 영역(2b)은 수랍 영역(2b)에 의하여 둘러싸인 접촉 영역(2a)보다 다소 작게 나타난다. 바람직하게는 수랍 영역(2b)은 최소한 수랍 영역(2b)에 의하여 둘러싸인 접촉 영역(2a)만큼 넓다.

상술한 퓨즈는 인쇄 회로기판 위에 배열된 MOSFET과 같은 전계 효과 트랜지스터의 부하 전류를 차단하는 오류가 나는 경우에 사용될 수 있다. 이를 위하여 상기 퓨즈는 트랜지스터와 근접하게 배열됨으로써 전계 효과 트랜지스터에 열적으로 연결된다. 작동하는 동안에 전계 효과 트랜지스터에 의하여 전환되는 부하 전류는 상기 퓨즈를 통하여 흐른다. 오류가 나는 경우 전계 효과 트랜지스터의 가열은 연랍 부재(1)가 녹도록 하는 원인을 야기하며, 이로 인하여 컷 아웃이 반응하고 녹은 연랍 부재는 두 접촉 영역(2a) 사이의 갭으로부터 흘러 나와 수랍 영역(2b)을 적시게 될 것이고, 두 금속 표면(2) 사이의 전기적 접촉은 차단된다.

도 1 내지 도 4에서 도시되는 바람직한 실시 예에 따르면, 두 금속 표면(2)은 서로 마주보는 가장자리 위에 직선자(straight edge)를 각각 갖는다. 그러나 그것에 부가하여 다른 모양도 또한 가능하다. 예를 들어서, 두 접촉 영역(2a) 중의 하나는 가장자리 위에 움푹 들어간 형상(indentation)을 가질 수 있으며, 접촉 영역(2a)의 다른 하나는 상기 움푹 들어간 형상으로 들어가도록 가장자리에 형성된 돌출부를 가질 수 있다. 구체적으로, 접촉 영역(2a)은 이가 서로 물리는 방식(toothed manner)으로 서로 서로 맞물릴 수 있다.

도 5는 트립된 상태에 있는 퓨즈의 바람직한 실시 예에 의한 개략도를 도시한다. 도 6은 도 5의 단면도를 도시한다. 도 5에서 개시하는 바람직한 실시 예에 의하면, 연랍 부재(1)로 덮인 두 접촉 영역(2a)은 구불구불한 방법(the manner of a meander)으로 서로서로 맞물려 있다. 컷 아웃이 작동 상태에서 보이기 때문에, 상기 접촉 영역(2a)은 연랍 부재(1)로 덮인 C 모양의 수랍 영역(2b)에 의하여 둘러싸인다.

도 5 및 도 6에서 도시되는 바람직한 실시 예에 의한 특징은 땜납에 잘 견디는 보호 코팅은 금속 표면(2)으로부터 완전히 제거되지는 않으나 접촉 영역(2a) 및 수랍 영역(2b) 사이의 부분 표면을 지속적으로 덮고 있는 것이다. 이러한 바람직한 실시 예에 의하면, 보호 코팅(5)은 수랍 영역(2b)과 접촉 영역(2a)을 연결하는 전이 영역에서 제거된다.

도 6은 인쇄 회로 기판(4)을 도시하며, 금속 표면(2)은 그 위에 배열되고, 연랍 부재(1) 및 보호코팅(5)은 도 5에서 도시되는 바람직한 실시 예에 의하여 금속 표면(2)으로부터 완전히 제거되지는 않는다.

도 6은 연랍 부재(1)를 개략적으로 도시한다. 사실상 땜납 방울의 모양은 연랍 부재가 녹아서 갑자기 굳어질 때 거의 대칭적인 반구형 지붕이다. 도 6을 참고하면, 연랍 부재(1)의 가장자리의 일부는 매우 가파르다.

1 : 연랍 부재 2 : 금속 표면
2a : 접촉 영역 2b : 수랍 영역
2c : 트랙 3 : 금속 표면 사이의 인쇄 회로기판 표면
4 : 인쇄 회로기판 5 : 보호 코팅

Claims

각각 인접하여 인쇄 회로기판(4) 위에 배열되고 서로에 대해 이격되어 있는 두 금속표면(2)을 전기적으로 연결하는 퓨즈를 형성하는 방법에 있어서,
상기 두 금속표면(2) 각각은 보호코팅(5)으로 부분적으로 덮여 있고 접촉영역(2a)을 형성하는 부분 영역은 덮여 있지 않은 채로 남아있으며,
상기 두 금속표면(2) 사이의 상기 인쇄 회로기판(4) 상의 갭 표면(3)을 이어주도록 액상의 연랍 부재(1)가 두 개의 덮여 있지 않은 상기 접촉영역(2a)에 도포되며,
상기 연랍 부재(1)가 굳어진 후에, 상기 연랍 부재(1)의 주위 영역 안의 보호 코팅(5)은 수랍 영역(2b)을 형성하기 위하여 제거되며,
상기 연랍 부재(1)가 녹을 때, 상기 연랍 부재(1)는 상기 두 금속 표면(2) 사이의 인쇄 회로기판 갭 표면(3) 영역으로부터 흘러 나가고, 흘러 나간 연랍 부재(1)가 상기 수랍 영역(2b)에 적셔져 부착됨으로써 상기 연랍 부재(1)에 의하여 형성된 전기 접촉이 차단되도록 하며;
여기서, 상기 수랍 영역(2b) 표면에 대한 상기 연랍 부재(1)의 적셔져서 부착되는 성질(wettability)은 상기 두 금속표면(2) 사이의 상기 인쇄 회로기판(4) 상의 갭 표면(3)에 대한 상기 연랍 부재(1)의 적셔져서 부착되는 성질보다 더 강하며,
두 접촉 영역(2a) 중 적어도 하나는 가장자리에 움푹 들어간 자리(indentation)를 가지며, 두 접촉 영역(2a)의 다른 하나는 가장자리에 형성되고 상기 움푹 들어간 자리로 돌출되는 툭 튀어나온 부분(bulge)을 가지는
것을 특징으로 하는 퓨즈를 형성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 보호 코팅(5)은 땜납 마스크(solder mask)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 퓨즈를 형성하는 방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 보호 코팅(5)은 필름으로 설계되고, 잡아 당겨져서 제거되는 것을 특징으로 하는 퓨즈를 형성하는 방법.
삭제
삭제
인접하여 배열되고 서로에 대해 이격되어 있는 두 금속 표면(2)을 전기적으로 연결하는 퓨즈를 구비한 인쇄 회로기판에 있어서,
상기 퓨즈는 두 금속 표면(2) 각각의 접촉 영역(2a)을 덮으며 그들 사이의 상기 인쇄회로 기판의 갭 표면(3)을 이어주는 연랍 부재(1)에 의하여 형성되며, 여기서, 상기 두 금속 표면(2) 중 적어도 하나에서 상기 접촉 영역(2a)에 인접하게 배열되는 부분 영역은 상기 퓨즈를 형성하는 연랍 부재(1)로 덮이지 않은 수랍 영역(2b)을 형성하며,
상기 연랍 부재(1)가 녹을 때, 상기 연랍 부재(1)는 상기 두 금속 표면(2) 사이의 인쇄 회로기판 갭 표면(3) 영역으로부터 흘러 나가고, 흘러 나간 연랍 부재(1)가 상기 수랍 영역(2b)에 적셔져 부착됨으로써, 상기 연랍 부재(1)에 의하여 형성된 전기 접촉이 차단되도록 하며;
여기서, 상기 수랍 영역(2b) 표면에 대한 상기 연랍 부재(1)의 적셔져서 부착되는 성질(wettability)은 상기 두 금속표면(2) 사이의 상기 인쇄 회로기판(4) 상의 갭 표면(3)에 대한 상기 연랍 부재(1)의 적셔져서 부착되는 성질보다 더 강하며,
두 접촉 영역(2a) 중 적어도 하나는 가장자리에 움푹 들어간 자리(indentation)를 가지며, 두 접촉 영역(2a)의 다른 하나는 가장자리에 형성되고 상기 움푹 들어간 자리로 돌출되는 툭 튀어나온 부분(bulge)을 가지는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
제7항에 있어서,
상기 두 금속 표면(2) 모두에서, 상기 접촉 영역(2a)에 인접한 부분 영역은 상기 연랍 부재(1)가 없고, 녹아서 흘러 나온 상기 연랍 부재(1)를 위한 수랍 영역(2b)을 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
제7항에 있어서,
수랍 영역(2b)은 접촉 영역(2a)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
제7항에 있어서,
수랍 영역(2b)은 U 또는 C 모양으로 접촉 영역(2a)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
제7항에 있어서,
수랍 영역(2b)은 적어도 부분적으로 플럭스(flux)로 덮이는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
제7항에 있어서,
두 수랍 영역(2b)의 면적은 적어도 상기 연랍 부재(1)로 덮이는 두 접촉영역(2a) 사이의 인쇄 회로기판 갭 표면(3)의 면적만큼 큰 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
제7항에 있어서,
두 수랍 영역(2b)의 면적은 적어도 두 접촉 영역(2a)의 면적만큼 큰 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
삭제
제7항에 있어서,
두 수랍 영역(2b)의 각각은 둘러싸인 접촉 영역의 면적보다 넓은 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
제7항에 있어서,
두 접촉 영역(2a) 사이의 상기 연랍 부재(1)로 덮이는 상기 인쇄 회로기판의 갭 표면은 합성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
제7항에 있어서,
상기 인쇄회로는 상기 퓨즈에 열적으로 연결되고 상기 퓨즈를 통한 전류 흐름을 스위칭하는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로기판.
삭제