專利名稱：形成從加熱元件到可熔元件的熱傳導(dǎo)具有調(diào)整過(guò)的時(shí)間特征的保護(hù)性組件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形成具有可熔元件和加熱元件的保護(hù)性組件的方法，該組件以層組件的形式敷設(shè)到基片(substrate)表面，可熔元件的構(gòu)造使得如果可熔元件被加熱，至少在熔解區(qū)，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)預(yù)定溫度，那么其連接點(diǎn)(connection)之間的電流被中斷?？扇墼图訜嵩诨先绱嗽O(shè)置，使得加熱元件產(chǎn)生的熱量被傳送到可熔元件，在通過(guò)加熱元件的電流超過(guò)了門限值一段預(yù)定時(shí)間之后，通過(guò)可熔元件的電流被中斷。
所述類型的一種保護(hù)性組件例如在出版物EP 0 715 328 B1中被公開。敷設(shè)到例如由氧化鋁構(gòu)成(使用薄膜或者厚膜技術(shù))的基片表面的是一個(gè)導(dǎo)電的電阻層，以矩形電阻器(rectangular resistor)的形式構(gòu)成，并通過(guò)敷設(shè)導(dǎo)電金屬層在兩個(gè)相對(duì)的側(cè)面上提供了電觸點(diǎn)。如果以這種方式形成的電阻器R上施加了預(yù)定大小的電流I，則能量損失p＝I2×R在電阻性元件或者加熱元件處被轉(zhuǎn)換為熱量。電阻層之上敷設(shè)了一個(gè)電絕緣層，并且設(shè)置在兩個(gè)供電接觸點(diǎn)之間的可熔元件被形成在電絕緣層的上面?？扇墼ǖ腿埸c(diǎn)金屬形成的導(dǎo)電層，構(gòu)成帶狀，由此，借助于金屬導(dǎo)電層，這些帶狀層在其末端被接觸。這些低熔點(diǎn)金屬的帶狀層被設(shè)置在加熱元件的上面，使得加熱元件產(chǎn)生的熱量被傳送到可熔元件，這樣，當(dāng)可熔元件的溫度超過(guò)了預(yù)定門限值的時(shí)候，低熔點(diǎn)金屬熔化。
由于結(jié)構(gòu)上的原因，加熱阻器產(chǎn)生的熱量只有一部分被傳導(dǎo)到可熔元件，產(chǎn)生的熱量中相當(dāng)一部分被耗散到基片中以及該設(shè)備的周圍。耗散到基片的熱量以及通過(guò)電絕緣中間層傳送到可熔元件的熱量在很大程度上都是通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)傳送，由此，傳導(dǎo)熱能的材料受到加熱，并可以存儲(chǔ)相當(dāng)一部分熱能。由于在已知設(shè)置中可熔元件和加熱元件之間只有很小的空間距離，熱能通過(guò)熱傳導(dǎo)被相對(duì)較快地傳送，因此在已知的設(shè)備中，并沒(méi)有考慮到由于熱存儲(chǔ)而引起的時(shí)延。
在形成保護(hù)性元件特別是保險(xiǎn)絲元件(它在達(dá)到預(yù)定電流時(shí)，在一段預(yù)定時(shí)間之后中斷電流)的現(xiàn)有技術(shù)中，這是已經(jīng)被深入了解的。在很高的電流下，電流的中斷會(huì)在可能的最短時(shí)間內(nèi)發(fā)生(快動(dòng)作)。在保險(xiǎn)絲元件的情況下，其中加熱元件和可熔元件被串聯(lián)在一起，電流最好通過(guò)破壞加熱元件的電阻層來(lái)中斷。如果保險(xiǎn)絲元件在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)通過(guò)電流，并且該電流只是緩慢增長(zhǎng)，那么當(dāng)電流超過(guò)預(yù)定門限值的時(shí)候，保險(xiǎn)絲元件由于可熔元件的熔化和破裂而斷裂。這個(gè)在施加了相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間之后使該元件破裂的最小電流相當(dāng)于保險(xiǎn)絲元件的門限電流。在電流通過(guò)保險(xiǎn)絲元件的情況下，其中電流的大小超過(guò)門限電流并達(dá)到數(shù)倍于門限電流，但是僅持續(xù)了相對(duì)較短的時(shí)間，保險(xiǎn)絲元件通過(guò)可熔元件的破裂，在預(yù)定時(shí)間之后被斷開。這樣的保險(xiǎn)絲組件通常由時(shí)間-電流特性來(lái)描述，該特性決定了在多長(zhǎng)時(shí)間之后以及多大電流(突然施加電流)之下該組件出現(xiàn)斷裂。
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種形成保護(hù)性組件的方法，其中時(shí)間-電流特性可以設(shè)置得更好，特別是在門限電流之上直到數(shù)倍于門限電流的區(qū)域內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，本目標(biāo)通過(guò)形成具有權(quán)利要求1的特征的保護(hù)性組件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，在形成上述類型的保護(hù)性組件的方法中，加熱元件被設(shè)置在可熔元件之下和/或旁邊距離可熔元件的一段預(yù)定距離處，并且在加熱元件的位置，至少在接近加熱元件的位置，對(duì)連接到加熱元件的預(yù)定的本地?zé)崛葸M(jìn)行調(diào)整，這樣，至少大致上產(chǎn)生了從加熱元件到可熔元件的熱傳導(dǎo)的規(guī)定時(shí)間特性。
本發(fā)明所基于的目標(biāo)也通過(guò)具有權(quán)利要求13的特征的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)可替代的實(shí)施例中，在一個(gè)形成上述類型的方法中，加熱元件被設(shè)置在可熔元件旁邊與其間隔一段預(yù)定距離處，并且在加熱元件和可熔元件之間的至少一個(gè)預(yù)定位置處對(duì)預(yù)定的本地?zé)崛葸M(jìn)行調(diào)整，它存儲(chǔ)從加熱元件傳播到可熔元件的熱量的一部分，這樣，至少大致上產(chǎn)生了從加熱元件到可熔元件的熱傳導(dǎo)的規(guī)定時(shí)間特性。
在本發(fā)明的內(nèi)容中，保護(hù)性組件應(yīng)當(dāng)被理解為不僅是一個(gè)具有通常很低的電阻的保險(xiǎn)絲元件，而且也是具有預(yù)定電阻的安全電阻器。薄膜組件(laminar component)應(yīng)當(dāng)被理解為既使用薄膜技術(shù)(例如蒸汽淀積、噴涂、氣相沉積)也使用厚膜技術(shù)(如絲網(wǎng)印刷)而形成的組件，其中，根據(jù)使用的技術(shù)，該薄膜形成于涂敷(例如絲網(wǎng)印刷)的過(guò)程中或者整個(gè)區(qū)域上的敷設(shè)之后(如通過(guò)照相平板印刷技術(shù))。可熔元件中電流的中斷不需要僅僅基于熔化區(qū)域中的材料熔化以及表面張力引起的收縮和由此在連接之間形成裂縫。作為替代，廣泛使用了可熔元件，其中，作為交互作用的結(jié)果，具有沉積在其下面的導(dǎo)電層的、包含熔化金屬的層溶解了導(dǎo)電層，例如通過(guò)形成合金，并斷裂。這樣，熔化區(qū)域是薄膜組件的一個(gè)區(qū)域或位置，在該位置處電流由于可熔元件的至少一個(gè)組件熔化而被中斷。保護(hù)性組件也可以在可熔元件周圍具有多個(gè)加熱元件。
當(dāng)通過(guò)加熱元件的電流在一段預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)門限值的時(shí)候，通過(guò)可熔元件的電流被中斷。該電流不需要相同任何希望的電路和/或接觸模式都是可能的。預(yù)定時(shí)間和電流的相應(yīng)門限值是關(guān)聯(lián)在一起的。這樣就有無(wú)限數(shù)目的時(shí)間/門限值對(duì)，它們一起定義了保護(hù)性組件的時(shí)間-電流特性。
本發(fā)明基于這個(gè)基本認(rèn)識(shí)保護(hù)性組件的時(shí)間特性或者斷開(tripping)特性(時(shí)間-電流特性)關(guān)鍵取決于在加熱元件位置th的本地?zé)崛菀约霸趶募訜嵩娇扇墼臒醾鞑ヂ窂缴系谋镜責(zé)崛荨Ｌ貏e是，在門限值之上直到數(shù)倍于門限電流(如10倍于門限電流)的電流的時(shí)間-電流特性由這些熱容來(lái)確定。根據(jù)基于這個(gè)基本認(rèn)識(shí)的本發(fā)明，本形成方法的基本概念是，通過(guò)對(duì)組件的布局和層順序進(jìn)行符合目的的改變，對(duì)加熱元件和可熔元件之間的距離以及在加熱元件處或者在加熱元件與可熔元件之間的預(yù)定位置處的本地?zé)崛葸M(jìn)行符合目的的設(shè)定。
在根據(jù)權(quán)利要求1的實(shí)施例中，預(yù)定的熱傳導(dǎo)電阻通過(guò)設(shè)定加熱元件和可熔元件之間的預(yù)定距離來(lái)近似地設(shè)定。同設(shè)置在加熱元件處的本地?zé)崛菹嗦?lián)系，生成了從加熱元件到可熔元件的熱傳導(dǎo)的預(yù)定時(shí)間常量。
這同樣也適用于在加熱元件和可熔元件之間的預(yù)定位置處的本地?zé)崛莸脑O(shè)置。從加熱元件到本地?zé)崛莸念A(yù)定位置之間的距離導(dǎo)致了預(yù)定的熱傳導(dǎo)電阻；另外一個(gè)熱傳導(dǎo)電阻由從預(yù)定位置到可熔元件之間的距離來(lái)得到。這里預(yù)定時(shí)間常量可以也通過(guò)調(diào)整本地?zé)崛輥?lái)設(shè)定。時(shí)間常量與有效熱傳導(dǎo)電阻和本地?zé)崛莸某朔e接近于成正比，其中熱傳導(dǎo)電阻隨著加熱元件和可熔元件之間的距離而增加。作為對(duì)于在從加熱元件到可熔元件之間的預(yù)定距離處的一個(gè)或更多的本地?zé)崛葸M(jìn)行符合目的的調(diào)整的結(jié)果，可以以符合目的的方式設(shè)定一個(gè)或更多的時(shí)間常量，它規(guī)定了熱傳遞的時(shí)間特性以及保護(hù)性組件的時(shí)間-電流特性。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，在預(yù)定的基片材料和預(yù)定的層材料以及加熱元件的預(yù)定層厚度之下，在加熱元件處的預(yù)定本地?zé)崛萃ㄟ^(guò)調(diào)整加熱元件的面積而進(jìn)行設(shè)定。加熱元件的面積決定了直接耦合到加熱元件上的基片體積的比例，也就是說(shuō)直接吸收加熱元件產(chǎn)生的熱量的基片部分，即沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)的時(shí)間延遲。熱量的進(jìn)一步傳遞當(dāng)然發(fā)生在基片中，并且這花費(fèi)時(shí)間。然而，基片中熱傳導(dǎo)和熱存儲(chǔ)之間的關(guān)聯(lián)可以這樣被模型化熱容直接在加熱元件處產(chǎn)生，加熱元件通過(guò)提供給它的加熱電源而發(fā)生作用。本地?zé)崛萁咏诤图訜嵩拿娣e成正比。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件的面積可以通過(guò)按同樣比例增加或者減少矩形加熱元件的長(zhǎng)和寬而加以調(diào)整。加熱元件的電阻連接在終端表面，這樣基本上保持不變。
作為替代，矩形加熱元件的面積可以通過(guò)只改變它的長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。這導(dǎo)致電流的橫截面積不變。通過(guò)可熔元件和加熱元件的串聯(lián)連接，其中加熱元件被如此構(gòu)造，使得它先于可熔元件對(duì)高電流作為響應(yīng)并中斷電流，并且在高電流下可以達(dá)到近似于恒定的斷開特性。
在一個(gè)替代性的實(shí)施例中，在預(yù)定的基片材料以及加熱元件的預(yù)定面積之下，通過(guò)調(diào)整加熱元件的層厚度和/或改變加熱元件的層材料而對(duì)加熱元件處的本地?zé)崛葸M(jìn)行調(diào)整。此外，在加熱元件的面積恒定的情況下，其長(zhǎng)寬之比可以被改變，以在層改變的情況下保持電參數(shù)為常量。當(dāng)形成加熱元件時(shí)，多個(gè)不同類型的電阻層可以被互相層疊在一起，其厚度和材料如此選擇，使得產(chǎn)生預(yù)定的本地?zé)崛?。在本?shí)施例中，調(diào)整了加熱元件的層的本地?zé)崛?即存儲(chǔ)熱量的能力)。在加熱元件處基片材料的本地?zé)崛?在本實(shí)施例中不以符合目的的方式對(duì)其進(jìn)行調(diào)整)當(dāng)然被加到這個(gè)調(diào)整過(guò)的加熱元件層的本地?zé)崛萆稀Ｔ谝粋€(gè)替代性的實(shí)施例中，在預(yù)定的基片材料以及加熱元件的預(yù)定尺寸之下，通過(guò)敷設(shè)一個(gè)在加熱元件層之下具有預(yù)定厚度的附加的熱存儲(chǔ)層(其特定的熱容不同于基片)，調(diào)整加熱元件處的本地?zé)崛?。作為替代，或者附加地，具有預(yù)定的比熱容和厚度的熱存儲(chǔ)層可以被敷設(shè)在加熱元件層之上。具有很高的比熱容的材料層最好被作為附加的熱存儲(chǔ)層來(lái)敷設(shè)，它導(dǎo)致在加熱元件處的本地?zé)崛菰黾?，并由此?dǎo)致保護(hù)性組件的響應(yīng)更慢。如果導(dǎo)電元件被用作附加的熱存儲(chǔ)層，最好在熱存儲(chǔ)層和加熱元件的電阻層之間敷設(shè)一個(gè)電絕緣層。在一個(gè)實(shí)施例中，這個(gè)附加的熱存儲(chǔ)層也可以敷設(shè)在基片的整個(gè)面積之上(在敷設(shè)可熔元件之前)。
在一個(gè)替代性實(shí)施例中，其中加熱元件的層至少部分被沉積在可熔元件之下，加熱元件和可熔元件之間的距離通過(guò)改變沉積在二者之間的電絕緣層的厚度來(lái)進(jìn)行調(diào)整，并且，通過(guò)調(diào)整加熱元件的面積、層厚度和層材料和/或敷設(shè)在加熱元件上面的電絕緣層的層結(jié)構(gòu)和材料，并且/或者通過(guò)在加熱元件層之下敷設(shè)具有預(yù)定厚度和預(yù)定的比熱容的附加熱存儲(chǔ)層，調(diào)整加熱元件處的預(yù)定的本地?zé)崛荨?br> 在上述的替代性方法中，其中預(yù)定的本地?zé)崛菰O(shè)置在加熱元件和可熔元件之間的預(yù)定位置處，該本地?zé)崛葑詈猛ㄟ^(guò)在至少一個(gè)具有預(yù)定面積和預(yù)定厚度并具有預(yù)定的比熱容的材料的預(yù)定位置處敷設(shè)一個(gè)附加的熱存儲(chǔ)層來(lái)進(jìn)行調(diào)整。預(yù)定的比熱容最好比基片材料的熱容大，這樣設(shè)置過(guò)的本地?zé)崛菰黾?，?dǎo)致保護(hù)性組件的響應(yīng)延遲。這樣，可以以符合目的的方式設(shè)定保護(hù)性組件的一種更為惰性的特性?；蛘撸陬A(yù)定位置處，基片的預(yù)定區(qū)域(體積)的比熱容可以被改變。
本發(fā)明的具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中描述。
下面，將參考附圖中顯示的優(yōu)選的示范性實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。
附圖中

圖1是通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法形成的保護(hù)性組件的布局的圖示。
圖2A和2B是在基片上加熱元件和可熔元件的設(shè)置的圖示，使用了簡(jiǎn)化的熱平衡電路圖，其中加熱元件的面積發(fā)生了變化。
圖3是保護(hù)性組件以及相關(guān)的熱平衡電路圖的圖示，該組件帶有敷設(shè)在基片上的加熱元件和可熔元件，以及位于二者之間的附加的本地?zé)崛荨?br> 圖1是作為示例的保護(hù)性組件的布局的圖示。借助于薄膜技術(shù)或者厚層技術(shù)，將多個(gè)層敷設(shè)到基片上，這些層如此構(gòu)造，使得它們通過(guò)相關(guān)的觸總形成加熱元件和可熔元件之間的串聯(lián)連接?；?最好是一個(gè)更大的基片(例如晶片)的一部分，在它上面同時(shí)生成多個(gè)相似的保護(hù)性組件，由此，在保護(hù)性組件的各層敷設(shè)完成之后，基片被劃分成基片芯片1?；?最好由電絕緣材料構(gòu)成；或者也可以使用最上層為電絕緣的多層結(jié)構(gòu)。例如，可以考慮用氧化鋁作為基片材料?；蛘?，也可以使用例如玻璃陶瓷，比起氧化鋁，它具有非常低的熱傳導(dǎo)性，卻具有與之相當(dāng)?shù)臒崛荨?br> 如圖1所示，位于基片之上的是可熔元件，它包括位于基片上面的導(dǎo)電層2，以及敷設(shè)在導(dǎo)電層2上面并包含一種低熔點(diǎn)金屬的層3。導(dǎo)電層2例如由銀和/或鈀構(gòu)成，它不僅可以用薄膜技術(shù)，也可以被用于厚層技術(shù)來(lái)敷設(shè)，其厚度例如為大約1μm。包含低熔點(diǎn)金屬的層例如由有機(jī)粘接劑中的錫粉構(gòu)成。包含鉍、鉛和/或錫的合金也可以用作低熔點(diǎn)金屬?？梢栽诳扇墼南鄬?duì)較薄的導(dǎo)電層2和包含低熔點(diǎn)金屬的層3之間，設(shè)置使低熔點(diǎn)金屬微粒與導(dǎo)電層2的金屬相隔離的可熔隔離(partition)層。
一個(gè)電阻層4也被敷設(shè)到基片1上，由它形成了加熱元件。電阻層4包含具有預(yù)定的特定電阻的材料?？扇墼膶?dǎo)電層2的相對(duì)末端以及電阻層4的相對(duì)的末借助于敷設(shè)在它們上面的由良好導(dǎo)電性的金屬構(gòu)成的導(dǎo)電層5相互連接。忽略接觸影響，加熱元件的電阻R近似由下式得到R=ρ·1b·DHeat]]>其中l(wèi)是電阻層4在與導(dǎo)電層5接觸的觸點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，b是電阻層4的帶狀寬度，DHeat是電阻層4的厚度，ρ是電阻層的特定電阻。這樣，當(dāng)電流I流過(guò)電阻為R的加熱元件時(shí)，功率P＝I2R被轉(zhuǎn)換為電阻中的熱量。
電阻層4最好如此構(gòu)造，使得當(dāng)通過(guò)電阻層的電流I超過(guò)預(yù)定的門限值的時(shí)候，電阻層自身的變化使得電流被中斷。然而，這個(gè)電流門限值與產(chǎn)生熱量使可熔元件燒斷并切斷電流的電流相比要高得多。這樣，電阻層的中斷功能只能發(fā)生在電流出現(xiàn)尖峰的情況下，這種尖峰短暫得使可熔元件來(lái)不及受熱破裂。
在圖1所示的示范性實(shí)施例中，附加的熱存儲(chǔ)層6被敷設(shè)到電阻層4的上面或者下面。在一個(gè)替代性的實(shí)施例中，它也可以被敷設(shè)在電阻層4的底下。熱存儲(chǔ)層6最好由具有相對(duì)較高的比熱容的材料構(gòu)成。
連接保護(hù)性組件的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)在圖1中并未詳細(xì)描繪。在圖1中僅示出了位于基片1相對(duì)側(cè)面上的接觸表面7，它由導(dǎo)電層5構(gòu)成。導(dǎo)電材料的涂層最好在接觸表面上形成，圍繞著基片1的邊緣嚙合并位于基片1的下表面上，這樣形成了可以通過(guò)表面安裝(surface mount)來(lái)安裝在電路板上的組件(SMD組件)。SMD組件兩端都通過(guò)焊接點(diǎn)固定到設(shè)置在其連接到下面的電路板上，這兩端部具有接觸表面7。
下面將詳細(xì)解釋圖1所示的保護(hù)性組件的功能。如果電流通過(guò)接觸表面7被施加到由具有電阻層4的加熱元件和具有層2和3的可熔元件組成的串聯(lián)電路上，所使用的這些層的電阻會(huì)引起電阻層4兩側(cè)和可熔元件的導(dǎo)電層2相側(cè)以及導(dǎo)電層5的供電線相端的電壓下降。作為電壓下降的結(jié)果，電功率P＝U×I在電路元件中被轉(zhuǎn)換成熱能。如此選擇導(dǎo)電層5的材料和厚度，使得在這些導(dǎo)電路徑上只有很小的電壓下降?？扇墼碗娮栊约訜嵩膶幼詈萌绱诵纬?，使得加熱元件的電阻至少比可熔元件大一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣在保護(hù)性組件中轉(zhuǎn)換的功率的主要部分出現(xiàn)在加熱元件的導(dǎo)電層4上。這樣，在加熱元件的電阻層4中，產(chǎn)生了與電流I的平方成正比的熱輸出Pth。
如果預(yù)定幅度的電流I被突然施加(這意味著在很短時(shí)間內(nèi)從零增加到I)，提供的功率Pth最初導(dǎo)致電阻層4自身的加熱。電阻層加熱的均勻性取決于該層內(nèi)的電流的電流密度分布。隨后，電阻層4中產(chǎn)生的熱量通過(guò)向在它下面、上面和/或與它相鄰的層的熱傳導(dǎo)而被傳送；在沒(méi)有熱存儲(chǔ)層6的情況下，電阻層4中產(chǎn)生的熱量的最大的部分通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)它下面的基片材料而消散。緊鄰的基片層首先被加熱。熱量隨后傳播到基片的更深處，并橫向傳播，其中熱傳播的速度不只取決于材料的導(dǎo)熱性，而且也取決于它的比熱容。如果附加的熱存儲(chǔ)層6被安放在電阻層4的上面，電阻層4中產(chǎn)生的熱量的一部分將消散在它之中，直到熱存儲(chǔ)層6被加熱到電阻層的溫度。電阻層中產(chǎn)生的熱量的一部分通過(guò)觸點(diǎn)被傳送到供電線的導(dǎo)電層5。熱量的其它部分當(dāng)然通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射和/或?qū)α骱纳⒃诃h(huán)境中。
在基片1中傳播的熱量的一部分到達(dá)可熔元件的層2和3下面的基片區(qū)域。從基片開始1，可熔元件的層2和3隨后被加熱。
在一段時(shí)間之后(取決于使用的層的布局layout、層的厚度和使用的材料以及基片1的材料)，在突然施加了電流I之后，在保護(hù)性組件上面建立起固定的溫度分布(當(dāng)然，在這個(gè)關(guān)聯(lián)中，預(yù)先假定環(huán)境保持不變)。直到達(dá)到了溫度分布固定狀態(tài)之前的短暫特性相當(dāng)于一個(gè)(可能是多元件的)低通濾波器的特性(在模擬電學(xué)術(shù)語(yǔ)中)，其中一個(gè)或更多時(shí)間常量可以與短暫特性相關(guān)聯(lián)。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，這些時(shí)間常量通過(guò)層和布局(layout)的適當(dāng)尺寸，以一種符合目的的方式被設(shè)定。
在圖2A和2B中，示意性地顯示了加熱元件10和可熔元件11在基片1上面的設(shè)置，以及基本上被簡(jiǎn)化了的熱平衡電路圖，其中熱平衡電路圖顯示了兩個(gè)元件之間通過(guò)基片1的熱耦合。如上所述，通過(guò)具有電阻R的加熱元件10的電流I導(dǎo)致了在加熱元件10中產(chǎn)生熱功率Pth。提供的電能在熱平衡電路圖中以電流源12來(lái)表示。提供給加熱元件10的熱功率Pth導(dǎo)致了加熱元件10自身的加熱，并直接導(dǎo)致對(duì)位于加熱元件下面的基片部分的加熱。熱能提供的分布在加熱元件10的區(qū)域上基本上是相同的(假定通過(guò)加熱元件10的電流的電流密度也是均勻分布的)。如果在加熱元件10上突然產(chǎn)生加熱能量，通過(guò)熱傳播，基片1的最上層首先被加熱，之后是它下面的層以及與基片側(cè)向相鄰的層。這種傳導(dǎo)和熱存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)可以在模型中，通過(guò)熱容13和并聯(lián)的熱阻以及(如果僅僅從可熔元件的方向上來(lái)看熱傳導(dǎo))另一個(gè)熱阻15，以簡(jiǎn)單的形式被再現(xiàn)。通過(guò)提供熱量而受到作用的基片部分的熱容13例如對(duì)應(yīng)于一個(gè)容量區(qū)域16，在圖2A中以點(diǎn)劃線16表示。這樣，顯示在模型中的熱容13表示加熱元件10自身的層的熱容加上有效基片部分16的熱容?？扇墼?1的熱性能可以通過(guò)并聯(lián)排列的熱容17和熱阻18再次被模仿。除了其他因素以外，用于在加熱元件10和可熔元件11之間進(jìn)行熱傳導(dǎo)的熱阻15的數(shù)值通過(guò)加熱元件10和可熔元件11之間的距離d來(lái)確定。從顯示的熱平衡圖中很清楚地看到，從加熱元件10到可熔元件11的熱傳遞的時(shí)間常量，以及可熔元件對(duì)其加熱的響應(yīng)的時(shí)間相關(guān)性，首先通過(guò)加熱元件10處的本地?zé)崛?3、熱阻15以及可熔元件11的本地?zé)崛?7來(lái)確定。這些數(shù)值在很大程度上取決于布局的尺寸以及層厚度和對(duì)材料的選擇。熱阻15受到加熱元件10和可熔元件11之間的距離d以及加熱元件10的面積AA的熱容13的強(qiáng)烈影響。通過(guò)調(diào)整加熱元件10的面積A對(duì)熱容13進(jìn)行影響在圖2A和2B中顯示。在圖2B中，加熱元件10的面積AB減少。加熱元件10和可熔元件11之間的距離d保持挖于恒定。這導(dǎo)致了顯著減小的熱容13’以及輕微變化的熱阻15’，它導(dǎo)致了顯著減小的時(shí)間常量。在其它尺寸相同，電參數(shù)相同以及提供的加熱功率12相同的情況下，在圖2B中概略示出的保護(hù)性組件表現(xiàn)出了比圖2A所示更為快速的響應(yīng)，這意味著在多個(gè)門限電流處平緩得多的時(shí)間-電流特性。
圖3示出了調(diào)整保護(hù)性組件的響應(yīng)的時(shí)間常量的其它可能。在圖3中概略示出的保護(hù)性組件中，附加的熱存儲(chǔ)器以結(jié)構(gòu)化的熱存儲(chǔ)層19的形式被敷設(shè)在加熱元件10和可熔元件11之間基片1的表面上。在熱平衡電路圖中，這個(gè)熱存儲(chǔ)層19由電容20代表，在加熱元件10和可熔元件11之間的熱傳導(dǎo)電阻被分成兩個(gè)電阻21和22。熱存儲(chǔ)層19生成對(duì)于從加熱元件10到可熔元件11的熱傳播的附加延遲，這樣就得到了保護(hù)性組件的更慢的響應(yīng)。保護(hù)性組件19的本地?zé)崛?0通過(guò)存儲(chǔ)層的面積As和其厚度、以及對(duì)材料的選擇(比熱容)來(lái)調(diào)整。
在本發(fā)明的構(gòu)思范圍之內(nèi)，許多替代性實(shí)施例都是可能的。代替加熱元件10的矩形結(jié)構(gòu)的電阻層4，可以使用具有任何所希望的形狀的多種加熱元件。例如，加熱元件可以圍繞著可熔元件11排列。代替一個(gè)可熔元件，也可以將具有不同的響應(yīng)的多個(gè)可熔元件設(shè)置在與加熱元件之間的不同距離處。加熱元件和可熔元件不需要串聯(lián)連接。它們可以與分離的外部觸點(diǎn)相聯(lián)系，而外部觸點(diǎn)可以連接到不同的電路中。
如果保護(hù)性組件被用作保險(xiǎn)絲組件，加熱元件和可熔元件的電路連接最好如此設(shè)計(jì)尺寸，使得產(chǎn)生較低的電阻。加熱元件的電阻當(dāng)然必須足夠大，這樣可以向基片提供必要的熱能。如果可熔元件被移動(dòng)到更接近加熱元件的位置或者甚至設(shè)置在它上面，并且如果使用低熱傳導(dǎo)性的基片，必需的熱能可以最小。然而，為了保證足夠的惰性(inertia)，可以使用具有高熱容的基片材料，或者可以在加熱元件的下面敷設(shè)附加的熱存儲(chǔ)層。在保險(xiǎn)絲組件中，它基本上產(chǎn)生盡可能少的熱能，具有很低熱傳導(dǎo)性的基片材料此外具有這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)對(duì)基片的加熱，特別是臨時(shí)加熱，保持局限在圍繞在加熱元件和可熔元件(熱點(diǎn))周圍的區(qū)域。這樣可以較少地加熱外部連接和用于連接的電焊連接，并由此降低了同時(shí)“燒掉”組件的風(fēng)險(xiǎn)。
作為替代，保護(hù)性組件可以被構(gòu)造成安全電阻的形式，也就是說(shuō)以具有預(yù)定電阻的保護(hù)性組件的形式，其電阻盡可能地不變。在這種情況下，加熱元件和可熔元件的串聯(lián)最好如此設(shè)計(jì)，使得組件的總電阻主要由加熱元件的電阻決定。加熱元件預(yù)定電阻的必然結(jié)果是與保險(xiǎn)絲組件相比較更高的功率消耗。更高的功率損耗導(dǎo)致對(duì)組件更強(qiáng)烈的加熱。在這種情況下，只需要一小部分產(chǎn)生的熱量來(lái)傳送到可熔元件。熱量的另一部分通過(guò)基片耗散到周圍。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)選擇具有良好導(dǎo)熱性的基片材料。由于散熱更快，這種具有更高導(dǎo)熱性的基片材料自然導(dǎo)致時(shí)間常量的減少。然而，為了達(dá)到保護(hù)性組件的惰性(inertia)特性，根據(jù)本發(fā)明，可以在加熱元件處使用更大的本地?zé)崛?例如通過(guò)大面積的加熱元件或者通過(guò)加熱元件下面和/或上面的特殊材料層)。從加熱元件到可熔元件的熱傳導(dǎo)的時(shí)間特性還通過(guò)布局設(shè)置來(lái)確定，也就是說(shuō)加熱元件相對(duì)于可熔元件的設(shè)置來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.形成包括可熔元件(11)和加熱元件(10)的保護(hù)性組件的方法，所述元件以層組件的形式敷設(shè)到基片(1)的表面上，其中可熔元件(11)被如此構(gòu)造如果可熔元件被加熱，至少在熔解區(qū)內(nèi)，在一段預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)預(yù)定溫度，那么其連接點(diǎn)之間的電流被中斷；其中可熔元件(11)和加熱元件(10)在基片(1)上如此設(shè)置，使得加熱元件產(chǎn)生的熱量被傳送到可熔元件，當(dāng)通過(guò)加熱元件的電流在一段預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)了門限值時(shí)，通過(guò)可熔元件的電流被中斷，其特征在于，加熱元件(10)被設(shè)置在可熔元件(11)之下和/或旁邊的預(yù)定的距離處，并且至少在接近加熱元件的位置處對(duì)耦合到加熱元件的預(yù)定的本地?zé)崛葸M(jìn)行調(diào)整，這樣，至少近似地得到了從加熱元件到可熔元件的熱傳導(dǎo)的規(guī)定時(shí)間特性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在預(yù)定的基片材料和加熱元件的預(yù)定的層材料以及預(yù)定的層厚度下，通過(guò)調(diào)整加熱元件(10)的面積(AA；AB)，調(diào)整加熱元件處的預(yù)定的本地?zé)崛荨?br> 3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成矩形加熱元件，并且加熱元件的面積可以通過(guò)按同樣比例增加或者減少加熱元件的長(zhǎng)(l)和寬(b)而被調(diào)整。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，形成矩形加熱元件，并且加熱元件的面積通過(guò)只改變它的長(zhǎng)(l)來(lái)進(jìn)行調(diào)整，而對(duì)于電流保持橫截面積不變。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在預(yù)定的基片材料以及加熱元件的預(yù)定面積之下，通過(guò)調(diào)整加熱元件的層厚度和/或改變加熱元件的層材料，調(diào)整加熱元件處的預(yù)定本地?zé)崛荨?br> 6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在加熱元件的面積恒定的情況下，其長(zhǎng)寬之比可以被改變。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，為了形成加熱元件，多個(gè)不同類型的電阻層被互相層疊在一起，如此選擇其厚度和材料，使得產(chǎn)生預(yù)定的本地?zé)崛荨?br> 8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在預(yù)定的基片材料以及加熱元件的預(yù)定尺寸之下，通過(guò)在加熱元件的層(4)之下敷設(shè)具有預(yù)定厚度的附加的熱存儲(chǔ)層(6)，其比熱容與基片不同，調(diào)整加熱元件處的本地?zé)崛荨?br> 9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在預(yù)定的基片材料以及加熱元件的預(yù)定尺寸之下，通過(guò)在加熱元件的層(4)之敷設(shè)上具有預(yù)定厚度和預(yù)定的比熱容的附加的熱存儲(chǔ)層(6)，調(diào)整加熱元件處的本地?zé)崛荨?br> 10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，附加的熱存儲(chǔ)層(6)是導(dǎo)電的，并且在熱存儲(chǔ)層和加熱元件的電阻層之間敷設(shè)電絕緣層。
11.如權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，附加的熱存儲(chǔ)層被敷設(shè)在基片的整個(gè)面積之上。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，加熱元件的層至少部分被沉積在可熔元件之下，其中加熱元件和可熔元件之間的距離通過(guò)改變沉積在二者之間的電絕緣層的厚度來(lái)進(jìn)行調(diào)整，并且，通過(guò)調(diào)整加熱元件的面積、層厚度和層材料和/或敷設(shè)在加熱元件上面的電絕緣層的層結(jié)構(gòu)和層材料，并且/或者通過(guò)在加熱元件層之下敷設(shè)具有預(yù)定厚度和預(yù)定的比熱容的附加或熱存儲(chǔ)層，調(diào)整加熱元件處的預(yù)定的本地?zé)崛荨?br> 13.形成包括可熔元件(11)和加熱元件(10)的保護(hù)性組件的方法，所述元件以層組件的形式敷設(shè)基片(1)的表面上，其中可熔元件(11)被如此構(gòu)造如果可熔元件被加熱，至少在熔解區(qū)內(nèi)，在一段預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)預(yù)定溫度，那么其連接點(diǎn)之間的電流被中斷；其中可熔元件(11)和加熱元件(10)在基片(1)上如此設(shè)置，使得加熱元件產(chǎn)生的熱量被傳送到可熔元件，當(dāng)通過(guò)加熱元件的電流在一段預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)了門限值時(shí)，通過(guò)可熔元件的電流被中斷，其特征在于，加熱元件(10)被設(shè)置在可熔元件(11)旁邊的預(yù)定距離處，并且在加熱元件(10)和可熔元件(11)之間的至少一個(gè)預(yù)定位置處調(diào)整預(yù)定的本地?zé)崛?20)，該本地?zé)崛荽鎯?chǔ)從加熱元件傳播到可熔元件的一部分熱量，這樣，至少近似地得到了從加熱元件到可熔元件的熱傳導(dǎo)的規(guī)定時(shí)間特性。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，通過(guò)將具有預(yù)定面積(As)和預(yù)定厚度，并具有預(yù)定的比熱容的材料的附加的熱存儲(chǔ)層(19)敷設(shè)在至少一個(gè)預(yù)定位置處，來(lái)調(diào)整預(yù)定的本地?zé)崛?20)。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，通過(guò)在基片的預(yù)定區(qū)域上的預(yù)定地點(diǎn)改變比熱容來(lái)調(diào)整預(yù)定的本地?zé)崛荨?br> 16.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，結(jié)構(gòu)化的導(dǎo)電層(5)被敷設(shè)到基片上，以形成到加熱元件(10)和可熔元件(11)的連接。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，導(dǎo)電層(5)如此構(gòu)造，使得加熱元件(10)和可熔元件(11)在電氣上串聯(lián)連接。
18.如權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)首先敷設(shè)導(dǎo)電層(2)，并且在導(dǎo)電層(2)的至少一部分面積之上敷設(shè)一個(gè)包含低熔點(diǎn)金屬的層(3)，形成可熔元件(11)，其中，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)金屬熔化時(shí)，可以與導(dǎo)電層(2)的材料形成合金，這樣至少在熔化區(qū)域內(nèi)合金熔化，因此通過(guò)導(dǎo)電層的電流被切斷。
19.如權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，保護(hù)性組件是保險(xiǎn)絲組件，并且使用了低熱傳導(dǎo)性材料的基片，該基片至少在加熱元件和可熔元件之間和之下的區(qū)域中具有很高的比熱容。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，使用玻璃陶瓷作為基片材料。
21.如權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于，保險(xiǎn)絲組件被構(gòu)造成SMD組件的形式。
22.如權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，保護(hù)性組件是安全電阻(RCP)，提供了由具有良好熱傳導(dǎo)性的材料構(gòu)成的基片，并且加熱元件的尺寸被如此設(shè)計(jì)，使得在其連接點(diǎn)之間具有預(yù)定的電阻。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，加熱元件的層和可熔元件的層如此構(gòu)造，使得加熱元件的電阻比可熔元件大得多，并且加熱元件和可熔元件在電氣上串聯(lián)連接，這樣安全電阻的電特性主要取決于加熱元件的電特性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成包括可熔元件(11)和加熱元件(10)的保護(hù)性組件的方法，例如保險(xiǎn)絲組件或者熔斷電阻，所述元件作為多層疊加的組件附在基片(1)的表面。如此構(gòu)造可熔元件(11)，使得如果可熔元件(11)被加熱，至少在一個(gè)熔解區(qū)內(nèi)，在一段預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)預(yù)定溫度，那么其連接點(diǎn)之間的電流被中斷?？扇墼?11)和加熱元件(10)在基片(1)上如此設(shè)置，使得加熱元件產(chǎn)生的熱量被傳送到可熔元件(11)，當(dāng)通過(guò)加熱元件(10)的電流在一段預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)了門限值時(shí)(通過(guò)可熔元件(11)的電流被中斷)。在形成過(guò)程中，加熱元件(10)被設(shè)置在可熔元件(11)旁邊與所述元件相距預(yù)定距離(d)處?；蛘咭粋€(gè)預(yù)定的本地?zé)崛?13)安裝在至少接近加熱元件(10)處，并連接到后者，或者一個(gè)預(yù)定的本地?zé)崛?20)安裝在加熱元件(10)和可熔元件(11)之間的至少一個(gè)預(yù)定位置處，所述的從加熱元件(10)到可熔元件(11)耗散的熱量的熱容量累積部分。這至少近似得到了從加熱元件到可熔元件的熱傳導(dǎo)的規(guī)定的時(shí)間響應(yīng)。
文檔編號(hào)H01H85/048GK1550021SQ02816997
公開日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2002年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月30日
發(fā)明者曼弗雷德·魯帕拉, 斯蒂芬·西爾, 安德萊斯·鮑斯, 西爾, 斯 鮑斯, 曼弗雷德 魯帕拉 申請(qǐng)人:維克曼工廠有限公司