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Dokumentenidentifikation DE102005002091A1 20.07.2006
Titel Schmelzsicherung für eine elektronische Schaltung und Verfahren zur Herstellung der Schmelzsicherung
Anmelder Vishay Israel Ltd., Beer Sheva, IL
Erfinder Belmann, Michael, Dr., Beer-Sheva, IL;
Kadim, Yaron, Omer, IL
Vertreter Richter, Werdermann, Gerbaulet & Hofmann, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 14.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005002091
Offenlegungstag 20.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.2006
IPC-Hauptklasse H01H 85/175(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Um eine Sicherung (100) für eine elektronische Schaltung bereitzustellen, die ein elektrisches Isolatorsubstrat (1), Elektroden (2) und eine Verbindung (3) zwischen den Elektroden (2) umfasst und einen gesteigerten thermischen Widerstand zwischen der Verbindung (3) und einer Leiterplatte aufweist, wird vorgeschlagen, Vertiefungen (5) in einem elektrischen Isolatorsubstrat (1) seitlich und unterhalb der Verbindung (3) auszubilden, um so einen Sockel (6) unterhalb der Verbindung (3) auszubilden, und/oder in der Verbindung mittels Störstellendotierung eine Zone mit hohem spezifischem elektrischem Widerstand auszubilden. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung der Sicherung (100) bereitgestellt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft: a) den Aufbau einer Sicherung für eine elektronische Schaltung, umfassend ein elektrisches Isolatorsubstrat, zwei Elektroden und eine Verbindung zwischen den Elektroden, und b) ein Verfahren zur Herstellung der Sicherung.

Chipsicherungen für Oberflächenmontage auf Leiterplatten (PCBs) sind dem Fachmann bekannt und in ihren verschiedenen Ausführungsformen vertraut. Eine Chipsicherung besteht im Allgemeinen aus einem elektrischen Isolatorsubstrat, das seinerseits elektrisch und mechanisch über seine leitenden Elektroden, zwischen denen über eine Verbindung ein elektrischer Strom fließt, an eine Leiterplatte angeschlossen ist. Sobald die Stromstärke einen für die Sicherung spezifischen Wert übersteigt, bewirkt die in der Verbindung dissipierte Joule'sche Wärme, dass die Sicherung schmilzt und der elektrische Strom unterbrochen wird. So lassen sich Beschädigungen elektrischer oder elektronischer Komponenten durch Überstrom vermeiden. Die durchgebrannte Sicherung auf einer Leiterplatte kann durch eine neue ersetzt werden.

Die Leistungen verschiedener Sicherungen mit gleichem Nennstrom und gleicher Zeit-Strom-Kennlinie können nach dem jeweiligen Kaltwiderstand klassifiziert werden. Der Kaltwiderstand ist der Innenwiderstand einer Sicherung, der bei einer Belastung von nicht mehr als zehn Prozent der Nennstrombelastung bestimmt wird. Der Kaltwiderstand steht mit Sicherungsparametern wie dem maximalen Spannungsabfall bei Nennstrombelastung und der Dauerverlustleistung bei Nennstrombelastung in Korrelation. Desto geringer der Kaltwiderstand ist, desto geringer sind sowohl der Spannungsabfall über als auch die Verlustleistung in der Sicherung. Es ist daher nutzbringend, den Kaltwiderstand einer Sicherung zu verringern.

Der Kaltwiderstand einer Sicherung hängt von der zum Aktivieren der Sicherung benötigten elektrischen Leistung ab. Der Kaltwiderstand lässt sich durch Steigern des thermischen Widerstands zwischen dem Sicherungseinsatz bzw. der Sicherungsverbindung und der Umgebung verringern. Der Hauptanteil des Wärmeflusses von der Verbindung in die Umgebung verläuft nacheinander durch das Chipsubstrat und die Leiterplatte. Desto kleiner die Abmessungen der Verbindungen sind, und desto geringer die thermische Leitfähigkeit des Substratmaterials ist, desto höher ist der thermische Widerstand zwischen der Verbindung und der Leiterplatte. Ein höherer thermischer Widerstand bedeutet, dass weniger Wärmeleistung aus der Verbindung in die Leiterplatte entweicht und deswegen weniger elektrische Leistung benötigt wird, um die Verbindung bis zum Durchschmelzen aufzuheizen.

Zum Beispiel beschreiben die US-Patentschriften 5,367,280 und 5,453,726 Sicherungen, bei denen die Verbindung zwischen den Elektroden auf seinem zentralen Abschnitt verschmälert ist, um den elektrischen Widerstand der Verbindung in der zum Durchbrennen bestimmten schmalen Zone (der wärmeerzeugenden Zone) zu konzentrieren. Die Verminderung der wärmeerzeugenden Zone steigert den thermischen Widerstand zwischen dieser Zone und der Leiterplatte.

Für die Aktivierung von Schwachstromsicherungen ist ein vergleichsweise hochohmiger Widerstand der Verbindung notwendig. Dieser lässt sich nur dann erreichen, wenn das Einsatzmaterial bzw. Verbindungsmaterial einen hohen spezifischen Widerstand aufweist. Andererseits bietet ein Material mit hohem spezifischem Widerstand die Gelegenheit, fast den gesamten Widerstand (und damit fast die gesamte Wärmedissipation) auf einer vergleichsweise kleinen Fläche zu konzentrieren, wo das Material aufgebracht ist, so dass ein höherer thermischer Widerstand zwischen der wärmeerzeugenden Zone und der Leiterplatte erreicht werden kann. US 5,367,280 und JP 615 0802 beschreiben die Verwendung eines Materials mit hohem spezifischem elektrischem Widerstand in einer Verbindung. In den erwähnten Aufbauten gibt es drei Abschnitte mit jeweils unterschiedlichen spezifischen Materialwiderständen: a) die Elektroden, die aus einem Material mit niedrigem spezifischem Widerstand bestehen, b) die Verbindung, die aus einem Material mit hohem spezifischem Widerstand besteht, c) die Überlappungen zwischen der Verbindung und den Elektroden, die infolge des Ineinanderdiffundierens der beiden Materialien im Überlappungsbereich einen mittleren spezifischen Widerstand aufweisen. Die Überlappungen mit ihrem vergleichsweise hohen spezifischen Widerstand dissipieren unnötig Energie.

Außerdem ist das Steigern des thermischen Widerstandes zwischen der Verbindung und der Leiterplatte durch Verwendung von Substratmaterialien mit niedriger thermischer Leitfähigkeit bekannt. Die erste Möglichkeit besteht darin, das gesamte Sicherungssubstrat aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit herzustellen. Beispiele für eine solches Material sind Calciumborosilikat, Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid, dotiert mit bis zu 30 % Glas o. Ä., wie in US-Patenschrift 5,453,726 beschrieben. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein Standard-Aluminiumoxidsubstrat mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu verwenden, das gleichmäßig von einer dicken Glasschicht mit niedriger thermischer Leitfähigkeit überzogen ist, wie in JP 2001 273 847 offenbart. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, ein Standard-Aluminiumoxidsubstrat zu verwenden und eine „Glasinsel" mit niedriger thermischer Leitfähigkeit unter einer Verbindung siebzudrucken, wie in US-Patentschrift 5,376,280 offenbart.

Wir betrachten hier als nachteilig, dass die ersten beiden Varianten auf der Verwendung von Substraten beruhen, die in der Elektronik- bzw. Halbleiterbranche unüblich und daher teuer im Einkauf sind. Unter gewissen Umständen können diese Substrate zudem Kompatibilitätsprobleme mit Standard-Metallisierungsmaterialien, wie etwa Dickschichtlacken, die zur Verwendung auf Aluminiumoxidsubstraten entwickelt wurden, aufweisen. Die dritte Variante ist ineffektiv, weil die siebgedruckte Glasschicht vergleichsweise dünn ist und nur einen nicht signifikanten Anstieg des thermischen Widerstands bewirkt.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine generische Sicherung bereitzustellen, die einen gesteigerten thermischen Widerstand zwischen der Verbindung und der Leiterplatte oder dem Isolatorsubstrat aufweist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung der Sicherung bereitgestellt werden.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5 und 7 erfüllt.

Zwei Grundgedanken der Erfindung verwirklichen unabhängig voneinander dasselbe Ziel: die Steigerung des thermischen Widerstands zwischen der Sicherungsverbindung und der Leiterplatte. Es sind dies:

  • 1. Ausbilden von Vertiefungen in dem elektrischen Isolatorsubstrat, auf dem die Elektroden und der Verbindung zwischen den Elektroden angebracht sind.
  • 2. Einsatz von Störstellendotierung, um den elektrischen Widerstand in einer möglichst kleinen Zone der Sicherungsverbindung zu erhöhen.

Die Vertiefungen sind seitlich und unter der Verbindung zwischen den Elektroden angeordnet. Durch diese Vertiefungen wird erreicht, dass das elektrische Isolatorsubstrat eine Trennwand zwischen den Vertiefungen und unter der Verbindung ausbildet. Diese Trennwand sieht wie ein Sockel unter der Verbindung aus. Dem Fachmann ist somit offenkundig, dass der größte Anteil des Wärmeflusses von der durch den elektrischen Strom aufgeheizten Verbindung in die Umgebung nur über diesen Sockel entweichen kann. Da der Querschnitt dieses Sockels sehr klein ist, zeigt der Sockel einen beträchtlichen Widerstand gegen Wärmefluss. (Verglichen mit der thermischen Leittähigkeit der Verbindung über den Sockel zum übrigen Substrat und weiter zur Leiterplatte ist die Wärmeabgabe der Verbindung durch thermische Abstrahlung sowie konvektiv über die Luft vernachlässigbar.)

Im Rahmen des Umfangs der Erfindung können die Vertiefungen seitlich und unterhalb des mittleren Abschnitts der Verbindung vom Fachmann in einer beliebigen Art und Weise konstruiert werden.

Störstellendotierung der Verbindung bietet die Möglichkeit, in der Verbindung die kleinstmögliche Zone mit im Vergleich zum Rest der Verbindung erhöhtem Widerstand auszubilden. Fast die gesamte in der Sicherung in Form von Wärme dissipierte elektrische Energie wird in dieser Zone dissipiert. Desto geringer die Abmessungen der Zone mit hohem Widerstand sind, desto höher ist der thermische Widerstand zwischen dieser Zone und der Leiterplatte. In Sicherungen nach Stand der Technik bildete man die Zone mit hohem Widerstand durch andere Verfahren (z.B. Siebdruck) aus, was zu Überlappungen zwischen Abschnitten der Verbindung mit niedrigem und Abschnitten mit hohem spezifischem Widerstand führte. Die Überlappungen, die einen mittleren spezifischen Widerstand aufweisen, dissipieren unnötig einen Teil der Energie, was zu einer Verringerung der Leistung der Sicherung führt.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zum Aktivieren (Durchschmelzen) der Sicherung infolge des gesteigerten thermischen Widerstands zwischen der Verbindung und der Leiterplatte weniger Energie verbraucht wird. Dies bedeutet, dass der elektrische Widerstand der Sicherung und der Spannungsabfall über der Sicherung und somit die Verlustleistung der Sicherung reduziert werden. Insbesondere kann man eine derartige Sicherung unter Verwendung von per se bekanntem Standard-Aluminiumoxidsubstrat realisieren. Daher besteht keine Notwendigkeit zur Verwendung der zuvor beschriebenen speziellen Materialien, die in der Elektronikbranche nicht gängig sind. In diesem Falle können die Sicherungen unter Verwendung herkömmlicher Dickschicht-, Dünnschicht- oder Metallschichttechnologie hergestellt werden.

Dem Fachmann ist offenkundig, dass die Sicherung gemäß der Erfindung zur Absicherung beliebiger elektrischer oder elektronischer Schaltungen und Ausrüstung und insbesondere für oberflächenmontierbare elektrische Schaltungen auf einer Leiterplatte benutzt werden kann. Dazu zählen u.a. BLDC-Motorantriebe, Festplattenlaufwerke, wiederaufladbare Batterien, Wartungsschaltungen, LCD-Bildschirme u.Ä.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden jeweils in den abhängigen Ansprüchen kennzeichnend beschrieben.

Um den thermischen Widerstand zwischen der Verbindung und dem Isolatorsubstrat weiter zu steigern, können zudem die Vertiefungen, quer zu der Stromausbreitungsrichtung durch der Verbindung gesehen, in den Sockel hinein bis unter die Verbindung erweitert werden, um die Dicke des Sockels (der Trennwand) weiter zu verringern.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, die Vertiefungen mit einem Verstärkungsmaterial auszufüllen, um den Sockel und der darauf angeordneten elektrisch leitenden Verbindung vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. Zu diesem Zweck kann der Fachmann in Abhängigkeit der Materialien von Isolatorsubstrat und Verbindung geeignete Materialien mit besonders niedriger thermischer Leitfähigkeit auswählen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, die Verbindung mit dem Verstärkungsmaterial zu überdecken, um so sowohl mechanische Beschädigungen der Verbindung als auch eine teilweise Wiedererlangung seiner elektrischen Leitfähigkeit nach der Aktivierung der Sicherung zu vermeiden.

Außerdem kann eine zusätzliche Schutzbeschichtung bereitgestellt werden, die die Verbindung und das Verstärkungsmaterial vollständig überdeckt und die Elektroden teilweise überdecken kann. Diese Beschichtung schützt die Sicherung gegen widrige Umgebungen und verhindert die Emission von Verbrennungsprodukten bei der Aktivierung der Sicherung. Geeignete Materialien zum Schutz gegen die Umgebung sind dem Fachmann bekannt.

Es wird vorgeschlagen, in einer ersten Ausführungsform einen zentralen Abschnitt der Verbindung zwischen den zwei Elektroden zu verschmälern. Das bedeutet, dass die Querschnittsfläche der Verbindung auf diesem zentralen Abschnitt verringert wird, um den elektrischen Widerstand des zentralen Abschnitts zu steigern. Dem Fachmann ist es möglich, einen solchen Aufbau auszubilden. Die Verbindung kann aus dem gleichen Material gebildet werden wie die Elektroden und wird vorzugsweise einteilig mit den Elektroden hergestellt. Andernfalls kann er (d. h. die gesamte Verbindung oder nur der zentrale Abschnitt) aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand ausgebildet werden, der höher ist als derjenige der Elektroden, um bei Sicherungen mit niedrigem Nennstrom eine zum Aktivieren (Durchschmelzen) ausreichende Wärmedissipation bereitzustellen.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Verbindung auf einem zentralen Abschnitt, der so kurz wie möglich gehalten wird, störstellendotiert werden, um zusätzlich einen höheren thermischen Widerstand zwischen dem Wärme dissipierenden Abschnitt der Verbindung und der Leiterplatte zu erzielen.

Zur Herstellung der Sicherung wird vorgeschlagen, die Anschlusselektroden und die Verbindung dazwischen auf der Oberseite eines elektrischen Isolatorsubstrats anzubringen, dessen Material vom Fachmann ausgewählt werden kann. In diesem Fall können die Anschlusselektroden und der Verbindung gleichzeitig und einteilig als eine einzelne Struktur ausgebildet werden, oder sie können nacheinander ausgebildet werden, insbesondere, falls sie aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen hergestellt werden. Im letztgenannten Fall kann die Verbindung verschmälert und/oder auf seinem zentralen Abschnitt störstellendotiert aufgebaut werden. Zu diesem Zweck können verschiedene Verfahren benutzt werden, wie etwa Dickschichttechnologie (z. B. Siebdruck mit leitenden Lacken), Dünnschichttechnologie (z. B. Lithographie kombiniert mit Metallschichtsputtern) oder Metallschichttechnologie (z. B. Ätzen von metallkaschierten Substraten).

Insbesondere können abhängig von dem gewählten Verfahren nach jeweils einem oder mehreren Prozessschritten Wärmebehandlungen ausgeführt werden, um die Diffusion zwischen unterschiedlichen Materialien zu verbessern, insbesondere bei einer störstellendotierten Verbindung.

Anschließend werden zwei Vertiefungen aufgebaut bzw. seitlich und unter der Verbindung eingeschnitten. Zu diesem Zweck kann z. B. ein dem Fachmann bekanntes Laserverfahren benutzt werden. Insbesondere ist es möglich, die Vertiefungen bis unter der Verbindung zu erweitern, um die Breite des Sockels (der Trennwand) zu verringern.

Die Vertiefungen können mit einem Verstärkungsmaterial ausgefüllt werden, welches die Verbindung von der Oberseite her überlappen kann. Zu diesem Zweck kann ein dem Fachmann bekanntes Siebdruck- oder Dispensing-Verfahren benutzt werden. Hierfür geeignete Materialien (z. B. Glas) müssen eine niedrige thermische Leitfähigkeit und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen. Falls das Verstärkungsmaterial die Verbindung überlappt, kann es den Lichtbogen bei der Aktivierung der Sicherung unterdrücken und anschließend verhindern, dass die durchgebrannte Verbindung wieder elektrisch leitend wird.

Anschließend kann zudem über das Siebdruckverfahren oder durch Dispensen eine die gesamte Sicherung abdeckende Schutzschicht aufgebracht werden, die aus einem hierfür geeigneten Material besteht. Diese Schicht schützt die Sicherung gegen widrige Umgebungsbedingungen und verhindert insbesondere die Emission von Verbrennungsprodukten beim Aktivieren der Sicherung.

Es versteht sich, dass solche Sicherungen auf einem gemeinsamen Substrat in Serie gefertigt werden. In einem speziellen Schritt des Herstellungsprozesses werden sie vereinzelt, und ihre Anschlusselektroden werden (falls notwendig) beispielsweise mit Nickel und/oder Lot plattiert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen aus den folgenden Figuren im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine Sicherung nach Stand der Technik,

2a, 2b Sicherungen nach Stand der Technik,

3a, 3b die vorgeschlagene Sicherung in verschiedenen perspektivischen Ansichten,

4a bis 4d weitere Ausführungsformen der Sicherung.

Eine Sicherung 100 nach Stand der Technik, wie in 1 und 2 gezeigt, weist ein elektrisches Isolatorsubstrat 1 auf, auf welchem Elektroden 2 angeordnet sind. Die Elektroden sind über eine Verbindung 3 miteinander verbunden. Ein elektrischer Strom fließt durch die Elektroden 2 und die Verbindung 3. Die Verbindung 3 schmilzt (brennt durch), wenn die Stromstärke einen festgelegten Wert übersteigt, und dadurch wird der elektrische Stromfluss unterbrochen.

In 1 verfügt die Verbindung 3, in der durch den Pfeil bezeichneten Stromflussrichtung durch die Sicherung 100 gesehen, über einen verschmälerten Abschnitt 4.

In 2 besteht die Verbindung 3 aus einem Material, das einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als dasjenige der Elektroden 2, um einen zur Aktivierung der Sicherung bei einem vergleichsweise niedrigen Nennstrom ausreichenden Leistungsverlust in der Verbindung 3 sicherzustellen. In diesem Fall kann das Material der Verbindung 3 entweder, wie in 2a gezeigt, vor dem Material der Elektroden 2 oder, wie in 2b gezeigt, danach auf das Isolatorsubstrat 1 aufgebracht werden, wobei die Verbindung 3 entsprechend entweder über oder unter den Elektroden 2 angeordnet ist. In beiden Fällen erhält man überlappende Bereiche 10 zwischen der Verbindung 3 und den Elektroden 2. Der spezifische Widerstand ist aufgrund des Ineinanderdiffundierens der Materialien von Verbindung und Elektroden in der Überlappung 10 höher als in einem nicht überlappten Bereich der Elektrode 2. Dies bewirkt unnötige Leistungsverlisten in den Überlappungen und führt dazu, dass die Kennlinien der in 2 gezeigten Sicherungen minderwertiger sind als die Kennlinien einer ohne diese Überlappung aufgebauten Sicherung.

Der grundlegende Aufbau der Sicherung 100 gemäß der Erfindung ist aus 3a, 3b ersichtlich. Im Wesentlichen besteht sie aus einem elektrischen Isolatorsubstrat 1, auf dem Elektroden 2 aufgebraucht sind, die aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Aus der perspektivischen Ansicht von oben in 3 geht hervor, dass die Verbindung 3 zwischen den Elektroden 2 einen verschmälerten Abschnitt 4 aufweist. In Stromflussrichtung S durch die Sicherung 100 wie von dem Pfeil gezeigt gesehen, werden Vertiefungen 5 in dem Isolatorsubstrat seitlich und unterhalb des Abschnitts 4 ausgebildet. Die Vertiefungen bilden einen Sockel 6 (Trennwand) direkt unterhalb des Abschnitts 4.

Wie aus der Längsschnittansicht A-A unten links in 3a ersichtlich, können die Verbindung 3 mit seinem mittleren Abschnitt 4 sowie ein Teil der Elektroden 2 von einem Verstärkungsmaterial 7 und einer Schutzbeschichtung 8 überdeckt sein.

Aus der Querschnittansicht B-B unten links in 3a ist ersichtlich, dass das Verstärkungsmaterial 7 den Abschnitt 4 überlappt und zusätzlich mit einer Schutzschicht 8 bedeckt ist. Ein Strom S fließt hier senkrecht zur Zeichnungsebene.

Aus 3b sind die Abmessungen h × 2a × 2b des Sockels 6 ersichtlich.

4a bis 4c zeigen Draufsichten auf verschiedene Realisierungen der vorgeschlagenen Sicherungen 100, wobei jeweils der Abschnitt 4 störstellendotiert ist. In der in 4d gezeigten Realisierung liegt keine Dotierung vor. Um die Zeichnungen zu vereinfachen, ist das Isolatorsubstrat 1 nicht gezeigt. Die Vertiefungen 5 können entweder mit ungefähr gleicher Länge und Breite, wie in

4a gezeigt, oder als Vertiefungen nach Art einer Einkerbung mit wesentlich größerer Länge als Breite, wie in 4b bis 4d gezeigt, konstruiert werden.

In 4d wird die Verengung 4 von zwei Vertiefungen 5 gebildet, die im Wesentlichen quer zu der Richtung der Verbindung verlaufen.

Die Störstellendotierung eines gewünschten Teils der Sicherung 100, insbesondere des Abschnitts 4, kann vom Fachmann in einer an sich bekannten Art und Weise realisiert werden.

Im Folgenden wird gezeigt, dass die Verringerung der Abmessungen der wärmeerzeugenden Zone in der Sicherung 100 zu einer Steigerung des thermischen Widerstands des Substrats der Sicherung führt.

Wenn die Außenabmessungen der wärmeerzeugenden Zone wesentlich kleiner als die Abmessungen des Substrats sind, kann die maximale Temperatur in der Zone mittels des bekannten Ausdrucks für die maximale Temperatur in einem Rechteck mit den Abmessungen 2a × 2b, das auf der Oberfläche eines Halbkörpers mit dem spezifischen thermischen Widerstand K bei konstanter Nennleistung W je Einheitsfläche stationär Wärme erzeugt, ermittelt werden (siehe H. S. Carslaw und J. C. Jaeger, Conduction of heat in solids, Oxford at the Clarendon Press, 1959, Seite 265): Tmax = 2W/&pgr;K[a·sinh–1(b/a) + b·sinh–1 (a/b)]

Der thermische Widerstand eines Halbkörpers, mit dem der thermische Widerstand Rt(sub) des Substrats der Sicherung angenähert wird, ist durch das Verhältnis von maximaler Temperatur zu erzeugter Leistung gegeben: Rtsub = Tmax/2a2bW = 1/2&pgr;K[1/b·sinh–1(b/a) + 1/a·sinh–1(a/b))

Durch Ableiten der obigen Gleichung lässt sich beweisen, dass der thermische Widerstand des Substrats umso höher ist, je kleiner die Abmessungen a und/oder b sind: ∂Rtsub/∂a = –1/2&pgr;Ka2·sinh–1(a/b) < 0 ∂Rtsub/∂b = –1/2&pgr;Kb2·sinh–1(a/b) < 0

Dies bietet die Rechtfertigung zum Verringern der Abmessungen der wärmeerzeugenden Zone in der Sicherung 100.

Der effizienteste Weg zum Verringern der wärmeerzeugenden Zone in Längsrichtung entlang der Verbindung 3 ist die Störstellendotierung. Sie verhindert die Ausbildung von Überlappungen 10 mit einem mittleren spezifischen Widerstand zwischen Strukturen mit hohem und Strukturen mit niedrigem spezifischem Widerstand. Daher kann die Abmessung der Struktur mit hohem spezifischem Widerstand in Längsrichtung entlang der Verbindung 3 bis auf die Auflösungsgrenze der Strukturierung verringert werden. Im Falle einer Ausführung nach Stand der Technik, in welcher Strukturen mit hohem spezifischem Widerstand solche mit niedrigem spezifischem Widerstand überlappen, muss die absolute Justiergenauigkeit zu der Auflösungsgrenze der jeweiligen Technologie addiert werden, um die minimale Abmessung der wärmeerzeugenden Zone festzulegen.

Die wärmeerzeugende Zone kann in Querrichtung verringert werden, indem in die Verbindung 3 eingeschnitten wird. Dieser Vorgang des Einschneidens kann mit dem zuvor beschriebenen Prozess der Sockelausbildung kombiniert werden, wenn gleichzeitig sowohl in die Verbindung als auch in das Substrat eingeschnitten werden soll.

Ein weiterer Weg zum Steigern des thermischen Widerstandes des Substrats der Sicherung 100 umfasst das Einschneiden in die Oberfläche des Substrats der Sicherung von beiden Seiten der Verbindung 3 und das dadurch bedingte Ausbilden eines Sockels 6 unter dem mittleren Abschnitt 4 der Verbindung 3, wie in 3a und 3b gezeigt. Der Sockel ist ein Parallelepiped mit den Abmessungen 2a × 2b × h. Falls b/a » 1 gilt, kann die Wärmeübertragung durch den Sockel 6 in Längsrichtung S entlang der Verbindung 3 vernachlässigt werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass der gesamte Wärmefluss durch den Sockel 6 senkrecht zur Substratoberfläche verläuft. Daher kann der thermische Widerstand Rt(ped) des Sockels 6 wie folgt berechnet werden: Rt(ped) = h/2a2bK = h/4abK

Der Sockel 6 überträgt Wärme in Reihe zum Rest des Substrats 1 und kann wesentlich zum thermischen Gesamtwiderstand beitragen. Zunächst wird das Verhältnis (Rt(sub) + Rt(ped))/Rt(sub) betrachtet. Dies ist das Verhältnis von zwei thermischen Widerständen: erstens von dem thermischen Widerstand Rt(sub) + Rt(ped) des Substrats 1 mit Vertiefungen und zweitens von dem thermischen Widerstand Rt(sub) eines Substrats 1 ohne Vertiefungen (mit glatter Oberfläche). (Rt(sub) + Rt(ped))/Rt(sub) =

1 + (h/4abK)/{1/2&pgr;K[1/b·sinh–1(b/a) + 1/a·sinh–1(a/b)]} =

1 + 0.5&pgr;[(b/a)/(h/a)·sinh–1(b/a) + (b/a)/(h/a)·sinh–1(a/b)]–1

Tabellieren des Verhältnisses (Rt(sub) + Rt(ped))/Rt(sub) führt zu folgendem Ergebnis:

Aus der obigen Tabelle folgt, dass der Sockel 6 für eine signifikante Steigerung des thermischen Widerstands des Substrats 1 der Sicherung 100 bis zu einem Vielfachen des ursprünglichen Werts sorgt.

Selbstverständlich ist das Sockeldesign nicht auf den Fall eines gleichförmigen Substrats 1 beschränkt. Wenn das Substrat 1 teilweise oder vollständig mit einem weiteren Material mit einer thermischen Leitfähigkeit, die niedriger als die des Grundmaterials ist, beschichtet ist, steigert der unter dem mittleren Abschnitt 4 der Verbindung 3 aufgebaute Sockel 6 ebenso den thermischen Widerstand dieses Substrats.

100Sicherung 1Isolatorsubstrat 2Elektrode 3Verbindung 4Mittlerer Abschnitt/Verengung 5Vertiefung 6Sockel 7Verstärkungsmaterial 8Schutzbeschichtung 10Überlappung SStromflussrichtung a, b, hAbmessungen des Sockels 6

Anspruch[de]
  1. Sicherung (100) für eine elektronische Schaltung, umfassend ein elektrisches Isolatorsubstrat (1), Elektroden (2) und einer Verbindung (3) zwischen den Elektroden (2), dadurch gekennzeichnet, dass Vertiefungen (5) seitlich und unterhalb der Verbindung (3) in das Substrat (1) eingeschnitten sind und einen Sockel (6) unterhalb der Verbindung (3) ausbilden, um so den thermischen Widerstand zwischen der Verbindung (3) und der Leiterplatte zu steigern.
  2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) die Verbindung (3) unterhöhlen, so dass der Sockel (6) enger ist als die Verbindung (3).
  3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) mit einem Verstärkungsmaterial (7) ausgefüllt sind, das wahlweise die Verbindung (3) überlappt.
  4. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzbeschichtung (8) bereitgestellt ist.
  5. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Abschnitt (4) des Verbindung (3) aus einem Material besteht, das sich von dem Material der restlichen Verbindung (3) unterscheidet, insbesondere dadurch, dass das Material des mittleren Abschnitts (4) durch Störstellendotierung von Primärmaterial der Verbindung (3) gebildet ist.
  6. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des mittleren Abschnitts (4) der Verbindung (3) einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als das Material der restlichen Verbindung (3), insbesondere dadurch, dass der mittlere Abschnitt (4) störstellendotiert ist.
  7. Verfahren zum Herstellen einer Sicherung (100), wobei Elektroden (2) mit einer die Elektroden verbindenden Verbindung (3) auf ein elektrisches Isolatorsubstrat (1) aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass Vertiefungen (5) seitlich und unterhalb der Verbindung (3) in das Substrat (1) eingeschnitten sind, um so einen Sockel (6) unterhalb der Verbindung (3) auszubilden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) und die Verbindung (3) einteilig oder nacheinander auf das Substrat (1) aufgebracht werden, insbesondere bei unterschiedlichen Materialien.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (2) und/oder die Verbindung (3) auf das Substrat (1) unter Verwendung von einer der oder einer Kombination aus den folgenden Technologien aufgebracht werden: Dünnschicht- (Aufbringen im Vakuum), Dickschicht- (Aufbringen von Lack durch Siebdruck oder Dispensen), Metallschichttechnologie (Ätzen von Metall in einem metallschichtkaschierten Substrat).
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem oder mehreren der Prozessschritte mindestens eine Wärmebehandlung ausgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) im Substrat (1) mittels Laser aufgebaut werden.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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