| JP61020362 | IC CASE |
| JP2006149177 | PROTECTIVE PART, PROTECTION DEVICE, BATTERY PACK AND PORTABLE ELECTRONIC DEVICE |
| JP2005267932 | THERMAL PROTECTOR |
Templin, Frank (Weissenseer Weg 2, Berlin, D-10367, DE)
Bührend, Matthias (Spixstrasse 4, München, D-81539, DE)
Templin, Frank (Weissenseer Weg 2, Berlin, D-10367, DE)
| 1. | Thermosicherung zur Fixierung auf einem Schaltungssub strat, dadurch gekennzeichnet, da$ ein flächiges ThermobimetallSchnappelement (1,9) vor gesehen ist, das mit hochschmelzendem Lot durch mindestens eine Lötstel le auf dem Schaltungssubstrat (4) befestigt und das mit dem Schaltungssubstrat (4) thermisch gekoppelt ist, wobei die Lötstelle als erste Kontaktstelle (5) zur Verbin dung mit einem entsprechenden Schaltungskontakt des Schal tungssubstrats (4) ausgebildet ist, und daß das Schnappelement (1,9) buckelförmig derart mechanisch vorgewölbt ist, da$ es bei nicht aktivierter Sicherung eine zweite Kontaktstelle (6) des Schaltungssub strats (4) elektrisch leitend berührt, bei ausgelöster Sicherung und damit umgekehrter Buckelwölbung jedoch nicht. |
| 2. | Thermosicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ThermobimetallSchnappscheibe (1) vorgesehen ist, an deren Wölbungsrand (2) drei metallische Standbeine (3) ange ordnet sind, deren Enden jeweils mit hochschmelzendem Lot in Form einer Lötstelle auf dem Schaltungssubstrat (4) befestigt sind, wobei eine der drei Lötstellen als erste Kontaktstelle (5) zur Verbindung mit einem entsprechenden Schaltungskontakt des Schaltungssubstrats (4) ausgebildet ist, und daß die Schnappscheibe (1) schüsselförmig derart nach unten zum Schaltungssubstrat (4) hin mechanisch vorgewölbt ist, daß bei nicht aktivierter Sicherung eine elektrische Verbindung von dem mit der ersten Kontaktstelle (5) verlöteten ersten Stand bein (3) zu einer zweiten Kontaktstelle (6) des Schaltungs substrats (4), auf der die Scheibenmitte aufliegt, besteht. |
| 3. | Thermosicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da$ die Lötstellen des zweiten und dritten Standbeins (3) auf dem Schaltungssubstrat (4) so angeordnet sind, da$ sie in innigem Wärmekontakt mit thermisch belasteten Schaltungs teilen stehen. |
| 4. | Thermosicherung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, da$ die Standbeine (3) elastisch ausgebildet sind. |
| 5. | Thermosicherung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da$ die Enden der Standbeine (3) als in einer Ebene liegende, Lötanschlüsse bildende Kontaktlappen (7) ausgebildet sind. |
Derartige Sicherungen dienen zum Schutz von Schaltungsteilen vor thermischer Überlastung, insbesondere durch Stoßspannun- gen, und können bei beliebigen Schaltungen, zum Beispiel auf Leiterplatten, eingesetzt werden. Bevorzugtes Anwendungsge- biet der erfindungsgemäßen Thermosicherung sind jedoch Schichtschaltungen, insbesondere Dickschicht-Hybridschaltun- gen, wie sie beispielsweise in der Telekommunikation Verwendung finden.
Eine Thermosicherung der eingangs genannten Art ist bei- spielsweise aus der DE 42 19 554 A1 bekannt. Bei der dort be- schriebenen Sicherung handelt es sich um eine Bügelsicherung, die an zwei Lötpunkten befestigt ist. Die Thermosicherung ist mit einem definierten Dickschicht-Widerstand im Keramiksub- strat elektrisch in Reihe geschaltet. Bei angelegter Spannung erwärmt der durchfließende Strom über die Widerstandsschicht die Keramik, die durch geschickt gewählte hot spots mindestens eine der beiden Lötstellen der Sicherung thermisch belastet und bei Stromüberlastung aufweicht. Die bekannte Bügelsicherung muß nach dem Auflöten zunächst mechanisch vorgespannt werden, so daß im Überlastungsfall ein Federbügel von der aufgeweichten Lötstelle wegschnellt und somit die elektrische Verbindung unterbricht.
Eine Bügelsicherung, die aktiviert wurde, kann nicht ohne weiteres in den Ausgangszustand rückgestellt bzw. ausge- tauscht werden. Problematisch bei dem bekannten Sicherungstyp ist außerdem, daß der Aufweichprozeß des Lotes und damit ein- hergehend das Freiwerden des Federbügels bzw. die Unterbre-
chung des Stroms ein relativ langsamer und wenig abrupter Prozeß ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Thermo- sicherung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einer- seits relativ universell bei verschiedenen Schaltungen ein- setzbar ist, die andererseits aber nach einer Aktivierung mit möglichst geringem Aufwand wieder rückstellbar ist und die außerdem ein schnelles und abruptes Auslöseverhalten aufwei- sen soll, das im Störfall eine ordentliche Stromunterbrechung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird bei einer Thermosicherung der eingangs ge- nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, -da$ ein flächiges Thermobimetall-Schnappelement vorgesehen ist, -das mit hochschmelzendem Lot durch mindestens eine Löt- stelle auf dem Schaltungssubstrat befestigt und das mit dem Schaltungssubstrat thermisch gekoppelt ist, -wobei die Lötstelle als erste Kontaktstelle zur Verbindung mit einem entsprechenden Schaltungskontakt des Schaltungs- substrats ausgebildet ist, -und da$ das Schnappelement buckelförmig derart mechanisch vorgewölbt ist, daß es bei nicht aktivierter Sicherung eine zweite Kontaktstelle des Schaltungssubstrats elektrisch leitend berührt, bei ausgelöster Sicherung und damit umge- kehrter Buckelwölbung jedoch nicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im folgenden, insbesondere anhand von in der Zeichnung dargestellten Aus- führungsbeispielen erläutert. Es zeigen Figur 1-5 zwei Ausführungsbeispiele einer ersten Ausfüh- rungsform der Erfindung, wobei Figur 1 eine
Draufsicht und Figur 2 und 3 jeweils eine Seiten- ansicht eines Ausführungsbeispiels im aktivierten (Figur 2) bzw. nicht aktivierten (Figur 3) Zu- stand der Sicherung zeigt, und Figur 4 und 5 in analoger Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform, Figur 6-9 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei Figur 6 eine Draufsicht, Figur 9 eine Seitenansicht und Figur 7 und 8 jeweils einen Schnitt einer nicht aktivierten Sicherung, wobei in Figur 9 auch der aktivierte Zustand angedeutet ist, zeigen.
Die Erfindung beruht auf einem diskontinuierlich arbeitenden Thermobimetall-Schnappelement, das mit hochschmelzendem Lot auf dem Schaltungssubstrat befestigt ist.
Bei einer ersten Ausführungsform ist eine Thermobimetall- Schnappscheibe 1 vorgesehen, an deren Wölbungsrand 2 drei metallische Standbeine 3 angeordnet sind, deren Enden jeweils mit hochschmelzendem Lot in Form einer Lötstelle auf dem Schaltungssubstrat 4 (vgl. Figur 3) befestigt sind, wobei eine der drei Lötstellen als erste Kontaktstelle 5 zur Ver- bindung mit einem entsprechenden Schaltungskontakt des Schal- tungssubstrats 4 ausgebildet ist. Außerdem ist die Schnapp- scheibe 1 schüsselförmig derart nach unten zum Schaltungs- substrat 4 hin mechanisch vorgewölbt, da$ bei nicht ausgelöster Sicherung eine elektrische Verbindung von dem mit der ersten Kontaktstelle 5 verlöteten ersten Standbein 3 zu einer zweiten Kontaktstelle 6 des Schaltungssubstrats 4, auf der die Scheibenmitte aufliegt, besteht.
Bei Nichtaktivierung der Sicherung wird also die elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontaktstellen 5,6 eines der Standbeine 3 und der Scheibenmitte, die in diesem Zustand auf einem Schaltungskontakt aufliegt, hergestellt. Die an sich
bekannte Eigenschaft der Formänderung eines Bimetalls bei Erwärmung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdeh- nungkoeffizienten der beiden enthaltenen Metalle wird bei der Erfindung in abgewandelter, spezifischer Weise ausgenutzt.
Die Schnappscheibe 1 ist unterhalb des Arbeitstemperaturbe- reiches mechanisch angenähert in Form einer Schüssel oder eines Buckels vorgewölbt, vgl. Figuren 3 und 5. Dadurch wird eine Diskontinuität der Formänderung und ein selbsttätiger Rückstellmechanismus ermöglicht.
Bis zu einer bestimmten Temperatur (obere Schnapptemperatur) wird die Formänderung durch die Geometrie der Scheibe verhin- dert, oberhalb dieser Temperatur wird der Formänderung nach- gegeben und die Wölbung, nachdem sich genügend Spannung aufgebaut hat, sehr schnell und abrupt in die andere Richtung umgekehrt, wodurch der elektrische Kontakt gelöst wird. Der thermische Kontakt mit dem Schaltungssubstrat 4, beispiels- weise der Keramik, bleibt jedoch aber insbesondere zwei der Standbeine 3 dadurch erhalten, da$ sie in hot spots des Substrats 4 gelegt werden. Die Lötstellen des zweiten und dritten Standbeins 3 sind demnach auf dem Schaltungssubstrat 4 so angeordnet, da$ sie in innigem Wärmekontakt mit ther- misch belasteten Schaltungsteilen, insbesondere Schichtwider- ständen, stehen. Kühlt das Schaltungssubstrat 4 nach der Sto$spannung wieder ab, stellt die Sicherung den elektrischen Kontakt bei einer unteren Schnapptemperatur durch erneutes Umklappen der Scheibenwölbung wieder her. Der Arbeitstempera- turbereich kann auf einfache Weise durch die geometrischen Abmessungen der Schnappscheibe 1 festgelegt werden.
Im Auslösefall der Sicherung erwärmt die Keramik über die Standbeine 3 die Schnappscheibe 1. Da diese eine relativ geringe Grole (Durchmesser ca. 1 cm) und Dicke (ca. 0,1 mm) aufweist, geschieht dies sehr schnell. Die Schnappscheibe 1 klappt um und löst den elektrischen Kontakt. Nach Abkühlung wird der elektrische Kontakt selbsttätig wieder hergestellt.
Tritt im Extremfall eine sehr hohe Temperaturbelastung auf,
lösen sich die zwei der thermischen Verbindung dienenden Standbeine 3, wodurch keine elektrische Verbindung nach Ab- kühlung wieder hergestellt werden kann. Vorteilhafterweise fällt die Thermosicherung auch in diesem Extremfall nicht von der Keramik, wie es von der Anwendungspraxis her gefordert wird.
Die in den Figuren 1 bis 5 erkennbaren Standbeine 3 liefern die notwendige Gegenkraft, damit sich die Schnappscheibe 1 aufgrund der inneren Spannungen vor-und zurückwölben kann ; sie dürfen deshalb nicht zu labil ausgeführt sein. Aus Kostengründen bietet sich eine einstückige Verbindung der Standbeine 3 zur Schnappscheibe 1 an. Im Hinblick auf den Montagevorgang der Thermosicherung ist es von Vorteil, wenn- wie in allen Figuren dargestellt-die Enden der Standbeine 3 als in einer Ebene liegende, Lötanschlüsse bildende Kontaktlappen 7 ausgebildet sind. Auf diese Weise sind die Enden der Standbeine 3 für eine SMD-Montage-und Löttechnik geeignet ausgebildet, so da$ auch mehrere Thermosicherungen gemeinsam in einem Arbeitsgang im Reflow-Verfahren gelötet werden können. Um einen sicheren Kontakt im nicht aktivierten Zustand der Sicherung zu gewährleisten, kann die nach unten zum Schaltungssubstrat 4 hin gewölbte Schnappscheibenmitte vorteilhaft mit einer Kontaktnase 8 mit Goldbeschichtung, beispielsweise durch Prägen, versehen werden.
Um die auf die Standbeine 3 wirkenden Kräfte abzufedern, ins- besondere aber auch um einen Prelleffekt bei der selbsttäti- gen Rückstellung der Schnappscheibe 1 in den deaktivierten Zustand zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Standbeine 3 elastisch auszubilden. Dies kann beispielsweise in einer der beiden in den Figuren 2,3 bzw. 5 dargestellten Weise ge- schehen. Die Ausführung gemäß Figur 5 ist dabei platzsparen- der als die gemäß Figur 2 bzw. 3. In den Figuren 2,3 und 5 ist die Schnappscheibe 1 im übrigen auch im mittleren, ebenen Durchgangszustand zwischen den beiden Wölbungszuständen dargestellt. Die relative Kleinheit der Schnappscheibe 1
bedingt einen Schnappweg zwischen den beiden Wölbungszu- ständen von nur ca. 2 mm, was hinsichtlich der Einbauhöhe vorteilhaft ist. Das Schaltungssubstrat 4 als Ganzes ein- schließlich der erfindungsgemäßen Thermosicherungen kann gegebenenfalls selbst wieder oberflächenmontiert werden.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 6 bis 9 dargestellt. Das als Halboval ausgelegte Schnappele- ment 9 mit einer buckel-bzw. bogenförmigen Wölbung, vgl.
Figur 9, arbeitet bezüglich des Schnappeffekts in gleicher Weise wie zuvor am Beispiel der Schnappscheibe 1 beschrieben.
Allerdings eignet sich diese Ausführungsform bevorzugt zum zwangfreien Aufstecken mittels des U-Elements 10 (Pre$sitz) auf das Schaltungssubstrat und anschließendem Festlöten mit hochschmelzendem Lot. Die Lötstelle braucht beim Schalt-bzw.
Umklappvorgang der Sicherung keine Scherkräfte abzufangen und auch die thermische Ankopplung an das Substrat ist auf diese Weise vorteilhaft gelöst. Der schmale, dem U-Element 10 ge- genüberliegende Endbereich 11 des Schnappelements 9 wird durch den Umklappprozeß aus der in Figur 9 durchgezogen dar- gestellten Berührsituation, also dem nicht aktivierten Zu- stand, in die von der zweiten Kontaktstelle entfernt Position (umgekehrte Wölbung des Bogens) gebracht. Dargestellt ist auch ein im Schnappelement 9 integrierter SMD-Ansauggreifer 12.
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