Ein Schutzbauelement der genannten Art ist beispielswei- se aus der Druckschrift EP 0 715 328 B1 bekannt. Auf der Oberseite eines Substrats, welches beispielsweise aus Alumi- niumoxid besteht, wird (in Dünnschicht-oder Dickschicht- technik) eine elektrisch leitfähige Widerstandsschicht auf- gebracht und in Form eines rechteckigen Widerstands struktu- riert und an zwei gegenüberliegenden Seiten durch Aufbrin- gung von Metalleitschichten mit elektrischen Kontakten ver- sehen. Wenn der so hergestellte elektrische Widerstand R mit einem Strom I vorgegebener Größe beaufschlagt wird, wird die Verlustleistung P = I2 x R am Ort des Widerstands-oder Heizelements in Wärme umgesetzt. Ober der Widerstandsschicht wird eine elektrisch-isolierende Schicht aufgebracht und über der elektrisch isolierenden Schicht ein zwischen zwei Zuleitungskontakten angeordnetes Schmelzelement erzeugt. Das Schmelzelement besteht aus einer in Form eines Streifens

strukturierten leitfähigen Schicht aus einem niedrig schmel- zenden Metall, wobei der Schichtstreifen an seinen Enden mit Hilfe von metallischen Leitschichten kontaktiert ist. Der Streifen der niedrig schmelzenden Metallschicht wird über dem Heizelement angeordnet, so daß die von dem Heizelement erzeugte Wärme zu dem Schmelzelement transportiert wird, wobei das niedrig schmelzende Metall schmilzt, wenn die Tem- peratur des Schmelzelements einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.

Konstruktiv bedingt wird nur ein Teil der von dem Heiz- widerstand erzeugten Wärme zu dem Schmelzelement transpor- tiert ; ein erheblicher Teil der erzeugten Wärme wird in das Substrat und an die Umgebung der Anordnung abgegeben. Sowohl die an das Substrat abgegebene Wärme als auch die durch die elektrisch isolierende Zwischenschicht hindurch an das Schmelzelement übertragene Wärme werden zum größten Teil durch Wärmeleitung transportiert, wobei sich die Materia- lien, die die Wärme weiterleiten, aufheizen und eine be- stimmte Wärmemenge speichern können. Aufgrund der geringen räumlichen Entfernung des Schmelzelements vom Heizelement bei der bekannten Anordnung wird die Wärme durch Wärmelei- tung relativ schnell transportiert, wobei zeitliche Verzöge- rungen aufgrund einer Speicherung von Wärme bei der bekann- ten Anordnung nicht näher betrachtet werden.

Im Stand der Technik ist es ferner bekannt, Schutzbau- elemente, insbesondere Sicherungsbauelemente, herzustellen, die bei vorgegebenen Strömen nach vorgegebenen Zeiten den Stromfluß unterbrechen. Bei sehr hohen Strömen soll die Un- terbrechung innerhalb kürzester Zeit geschehen (flink). Da- bei wird bei Sicherungsbauelementen, bei denen das Heizele- ment und das Schmelzelement in Reihe geschaltet sind, der.

Stromfluß vorzugsweise durch Zerstörung der Widerstands- schicht des Heizelements unterbrochen. Wird das Sicherungs- bauelement für eine relativ lange Zeit mit einem Strom be- aufschlagt und dieser Strom nur langsam erhöht, so wird das Sicherungsbauelement durch Aufschmelzen und Unterbrechung

des Schmelzelements abgeschaltet, wenn der Strom einen vor- gegebenen Schwellenwert überschreitet. Dieser Minimalstrom, der das Bauelement gerade noch nach längerer Beaufschlagung unterbricht, entspricht dem Grenzstrom des Sicherungsbauele- ments. Bei Strömen durch das Sicherungsbauelement, die einen Betrag oberhalb des Grenzstroms bis zu einigen Mehrfachen des Grenzstroms haben, die aber nur relativ kurze Zeit fließen, wird das Sicherungsbauelement nach jeweils bestimm- ten Zeiten durch Unterbrechen des Schmelzelements ausgelöst.

Derartige Sicherungsbauelemente werden üblicherweise durch eine Zeit-Strom-Kennlinie charakterisiert, die für das Bau- element angibt, nach welchen Zeiten bei welchen (sprunghaft angelegten) Strömen es zu einer Unterbrechung des Bauele- ments kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstel- len eines Schutzbauelements zu schaffen, bei dem die Zeit- Strom-Kennlinie, insbesondere im Bereich oberhalb des Grenz- stroms bis hin zu einigen Mehrfachen des Grenzstroms, besser eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Schutzbauelements mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird bei dem Ver- fahren zum Herstellen eines Schutzbauelements der eingangs genannten Art das Heizelement in einem vorgegebenen Abstand unter und/oder neben dem Schmelzelement angeordnet und am Ort des Heizelement mindestens näherungsweise eine vorgege- bene, mit dem Heizelement gekoppelte lokale Wärmekapazität eingestellt, so daß sich zumindest näherungsweise ein defi- niertes Zeitverhalten des Wärmeübergangs vom Heizelement zum Schmelzelement ergibt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Bei dieser alternativen Ausführungsform wird bei einem'Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art das Heizelement in einem vorgegebenen Abstand neben dem Schmelz- element angeordnet und ah zumindest einem vorgegebenen Ort

zwischen dem Heizelement und dem Schmelzelement eine vorge- gebene lokale Wärmekapazität eingestellt, die einen Teil der sich von dem Heizelement zu dem Schmelzelement ausbreitenden Wärme speichern, so daß sich zumindest näherungsweise ein definiertes Zeitverhalten des Wärmeübergangs vom Heizelement zum Schmelzelement ergibt.

Unter einem Schutzbauelement im Sinne der Erfindung soll sowohl ein Sicherungsbauelement mit einem in-der Regel ge- ringen elektrischen Widerstand als auch ein Sicherungswider- stand mit einem vorgegebenen elektrischen Widerstand ver- standen werden. Unter einem Schicht-Bauelement soll sowohl ein in Dünnschichttechnik (beispielsweise Aufdampfen, Auf- sputtern, Abscheidung aus der Gasphase) als auch in Dick- schichttechnik (beispielsweise durch Siebdruck) hergestell- tes Bauelement verstanden werden, wobei in Abhängigkeit von der verwendeten Technologie die Schicht bereits beim Auf- bringen (z. B. Siebdruck) oder nach einer ganzflächigen Auf- bringung (z. B. durch photolithografische Techniken) struk- turiert. wird. Die Unterbrechung des Stromflusses des Schmelzelements braucht nicht zwangsläufig allein. darauf zu beruhen, daß das Material in dem Schmelzbereich schmilzt und sich aufgrund der Oberflächenspannung zusammenzieht und da- bei eine Lücke zwischen den Anschlüssen bildet. Vielmehr wird in der Regel ein Schmelzelement verwendet, bei dem durch Wechselwirkung einer ein geschmolzenes Metall enthal- tenden Schicht mit einer darunter angeordneten elektrisch leitfähigen Schicht, beispielsweise durch Legierungsbildung, die elektrisch leitfähige Schicht aufgelöst und unterbrochen wird. Der Schmelzbereich ist somit derjenige Teilbereich bzw. diejenige Fläche des Schichtbauelements, an der der Stromfluß aufgrund des Schmelzens zumindest einer Komponente des Schmelzelements unterbrochen wird. Das Schutzbauelement. kann auch mehrere um das Schmelzelement herum angeordnete Heizelemente aufweisen.

Der Stromfluß durch das Schmelzelement wird unterbro- chen, wenn der Stromfluß durch das Heizelement für eine vor-

gegebene Zeitdauer einen Schwellenwert überschreitet. Die Ströme brauchen nicht identisch zu sein ; eine beliebige Be- schaltung und/oder Kontaktierung ist möglich. Die vorgege- bene Zeitdauer ist jeweils einem Schwellenwert des Stroms zugeordnet. Es gibt aber eine unbeschränkte Anzahl von Zeit- dauer-Schwellenwert-Paaren, die zusammen eine Zeit-Strom- Kennlinie des Schutzbauelements bilden.

Die Erfindung basiert auf der Grunderkenntnis, daß das Zeitverhalten bzw. Abschaltverhalten (Zeit-Strom-Kennlinie) des Schutzbauelements entscheidend von der lokalen Wärmeka- pazität am Ort des Heizelements sowie von den auf dem Weg der Wärmeausbreitung vom Heizelement zum Schmelzelement an- geordneten lokalen Wärmekapazitäten abhängt. Insbesondere wird die Zeit-Strom-Kennlinie für Ströme oberhalb des Grenz- stroms bis hin zu Mehrfachen des Grenzstroms (z. B. dem Zehnfachen des Grenzstroms) von diesen Wärmekapazitäten be- stimmt. Der auf dieser Grunderkenntnis basierende Grundge- danke des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist die gezielte Einstellung des Abstands zwischen dem Heizelement und dem Schmelzelement sowie der am Ort des Heizelements bzw. an einem vorgegebenen Ort zwischen dem Heizelement und dem Schmelzelement angeordneten lokalen Wärmekapazitäten durch gezielte Variation des Layouts und der Schichtfolge des Bauelements.

Bei der Ausführungsform gemäß Patentanspruch 1 wird durch die Einstellung eines vorgegebenen Abstands zwischen dem Heizelement und dem Schmelzelement näherungsweise ein vorgegebener Wärmeleitwiderstand eingestellt. In Verbindung mit der am Ort des Heizelements eingestellten lokalen Wärme- kapazität ergibt sich eine bestimmte Zeitkonstante der Wär- meübertragung vom Heiz-zum Schmelzelement.

Ähnliches. gilt für das Anordnen lokaler Wärmekapazitäten an vorgegebenen Orten zwischen dem Heizelement und dem Schmelzelement. Von dem Heizelement zu dem vorgegebenen Ort -der lokalen-Wärmekapazität ergibt sich aus dem Abstand ein bestimmter Wärmeleitwiderstand ; ein weiterer Wärmeleitwider-

stand ergibt sich aus dem Abstand des vorgegebenen Ortes zum Schmelzelement. Auch hier läßt sich durch Einstellung der lokalen Wärmekapazität eine vorgegebene Zeitkonstante ein- stellen. Die Zeitkonstante ist näherungsweise proportional dem Produkt aus einem effektiven Wärmeleitwiderstand, der mit dem Abstand von Heizelement und Schmelzelement zunimmt, und der lokalen Wärmekapazität. Durch die gezielte Einstel- lung einer oder mehrerer lokaler Wärmekapazitäten in vorge- gebenen Abständen zu dem Heizelement und dem Schmelzelement lassen sich gezielt eine oder mehrere Zeitkonstanten ein- stellen, die das Zeitverhalten des Wärmeübergangs und somit die Zeit-Strom-Kennlinie des Schutzbauelements definieren.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird die vorgegebene lokale Wärmekapazität am Ort des Heizelements eingestellt, indem bei vorgegebenem Substratma- terial und vorgegebenem Schichtmaterial und vorgegebener Dicke des Heizelements die Fläche des Heizelements einge- stellt wird. Die Fläche des Heizelements bestimmt das an das Heizelement unmittelbar angekoppelte Teilvolumen des Substrats, das heißt das Segment des Substrats, daß die von dem Heizelement erzeugte Wärme unmittelbar, das heißt ohne wesentliche zeitliche Verzögerung, aufnimmt. Selbstverständ- lich findet in dem Substrat ein Weitertransport der Wärme statt, welcher Zeit beansprucht. Diese Verkettung von Wärme- leitung und Wärmespeicherung im Substrat läßt sich jedoch derart modellieren, daß sich unmittelbar am Heizelement eine Wärmekapazität ergibt, die von der dem Heizelement zugeführ- ten Heizleistung beaufschlagt wird. Diese lokale Wärmekapa- zität ist näherungsweise zu der Fläche des Heizelements pro- portional. Bei einer Ausführungsform kann. die Fläche des Heizelements eingestellt werden, indem die Länge und die Breite eines rechteckigen Heizelements um den gleichen Fak- tor erhöht oder verringert werden. Dadurch bleibt der elek- trische Widerstand des an den Stirnseiten kontaktierten Heizelements im wesentlichen unverändert. Alternativ kann die Fläche des rechteckigen Heizelements eingestellt werden,

indem lediglich dessen Länge verändert wird. Dadurch ergibt sich ein gleichbleibender Querschnitt für den Stromfluß.. Bei einer Reihenschaltung von Schmelz-und Heizelement, bei der das Heizelement so ausgebildet wird, daß es bei hohen Strö- men vor dem Schmelzelement anspricht und den Stromfluß un- terbricht, kann damit ein näherungsweise gleichbleibendes Abschaltverhalten bei den hohen Strömen erreicht werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform wird die lokale Wärmekapazität am Ort des Heizelements eingestellt, indem bei vorgegebenem Substratmaterial und vorgegebener Fläche des Heizelements die Schichtdicke des Heizelements einge- stellt wird und/oder das Material der Schicht des Heizele- ments geändert wird. Zusätzlich kann bei gleichbleibender Fläche des Heizelements das Verhältnis seiner Länge zu sei- ner Breite verändert werden, um bei veränderter Schicht die elektrischen Parameter konstant zu halten. Bei der Herstel- lung des Heizelements können mehrere verschiedenartige Wi- derstandsschichten übereinander aufgebracht werden, deren Schichtdicken und-materialien so ausgewählt werden, daß sich eine vorgegebene lokale Wärmekapazität ergibt. Bei die- ser Ausführungsform wird die lokale Wärmekapazität (d. h. das Wärmespeichervermögen) der Schicht des Heizelements selbst eingestellt. Zu dieser eingestellten lokalen Wärmeka- pazität der Heizelementschicht kommt selbstverständlich noch die (bei dieser Ausführungsform nicht gezielt eingestellte) lokale Wärmekapazität des Substratmaterials am Heizelement hinzu.

Bei einer alternativen Ausführungsform wird die lokale Wärmekapazität am Ort des Heizelements eingestellt, indem bei vorgegebenem Substratmaterial und vorgegebener Dimensio- nierung des Heizelements unter der Schicht des Heizelements eine zusätzliche Wärmespeicherschicht vorgegebener Dicke aufgebracht wird, deren spezifische Wärmekapazität von der des Substrats abweicht. Alternativ oder zusätzlich kann eine Wärmespeicherschicht mit einer vorgegebenen spezifischen Wärmekapazität und Schichtdicke über der Schicht des Heiz-

elements aufgebracht werden. Vorzugsweise wird als zusätzli- che Wärmespeicherschicht eine Schicht aus einem Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität aufgebracht, die zu einer erhöhten lokalen Wärmekapazität am Ort des Heizele- ments und somit zu einem langsameren Ansprechen des Schutz- bauelements führt. Sofern als zusätzliche Wärmespeicher- schicht eine elektrisch leitfähige Schicht verwendet wird, wird vorzugsweise zwischen der Wärmespeicherschicht und der Widerstandsschicht des Heizelements eine elektrische Isola- torschicht aufgebracht. Bei einer Ausführungsform kann die zusätzliche Wärmespeicherschicht auch über der gesamten Flä- che des Substrats (vor der Aufbringung des Schmelzelements) aufgebracht werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform, bei der die Schicht des Heizelements zumindest teilsweise unter dem Schmelzelement angeordnet wird, wird der Abstand zwischen dem Heizelement und dem Schmelzelement durch Variation der Schichtdicke einer dazwischen angeordneten elektrisch iso- lierenden Schicht'eingestellt und die vorgegebene lokale Wärmekapazität am Ort des Heizelements eingestellt, indem bei vorgegebenem Substratmaterial die Fläche, die Schicht- dicke und das Schichtmaterial des Heizelements und/oder der Schichtaufbau und das Material der über dem Heizelement auf- gebrachten elektrisch isolierenden Schicht eingestellt wer- den und/oder unter der Schicht des Heizelements eine zusätz- liche Wärmespeicherschicht vorgegebener Schichtdicke und vorgegebener spezifischer Wärmekapazität aufgebracht wird.

Bei dem o. g. alternativen Verfahren, bei dem an einem vorgegebenen Ort zwischen dem Heizelement und dem Schmelz- element eine vorgegebene lokale Wärmekapazität eingestellt wird, wird diese lokale Wärmekapazität vorzugsweise dadurch eingestellt, daß an dem zumindest einen vorgegebenen Ort eine zusätzliche Wärmespeicherschicht einer vorgegebenen Fläche und vorgegebener Dicke und mit einem Material einer vorgegebenen spezifischen Wärmekapazität aufgebracht wird.

Die vorgegebene spezifische Wärmekapazität ist vorzugsweise

größer als die des Substratmaterials, so daß die einge- stellte lokale Wärmekapazität erhöht wird und zu einem ver- zögerten Ansprechen des Schutzbauelements führt. Somit läßt sich gezielt ein trägeres Verhalten des Schutzbauelements einstellen. Alternativ kann an dem vorgegebenen Ort die spe- zifische Wärmekapazität eines vorgegebenen Bereichs (Volumens) des Substrats verändert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Aus- führungsformen beschrieben, die in den Zeichnungen darge- stellt sind. In den Zeichnungen zeigen : Figur 1 eine Prinzipdarstellung des Layouts eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schutzbauele- ments ; Figuren 2A und 2B Prinzipdarstellungen der Anordnung von Heizelement und Schmelzelement auf dem Substrat mit einem vereinfachten thermischen Ersatzschaltbild bei sich ändern- der Fläche des Heizelements ; und Figur 3 eine Prinzipdarstellung des Schutzbauelements mit dem auf dem Substrat aufgebrachten Heizelement und Schmelzelement'sowie einer dazwischen angeordneten zusätzli- chen lokalen Wärmekapazität sowie einem zugehörigen thermi- schen Ersatzschaltbild.

Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung des Layouts eines beispielhaften Schutzbauelements. Auf einem Substrat 1 sind mit Hilfe einer Dünnschichttechnik oder einer Dickschicht- technik mehrere Schichten aufgebracht und derart struktu- riert, daß sie die Reihenschaltung eines Heizelements und Schmelzelements mit zugehörigen Kontakten ergeben. Das Substrat 1 ist vorzugsweise Teil eines größeren Substrats (beispielsweise eines Wafers), auf dem gleichzeitig eine Vielzahl von gleichartigen Schutzbauelementen hergestellt werden, wobei nach der Fertigstellung der Schichten der Schutzbauelemente das Substrat in die Substrat-Chips 1 zer- teilt wird. Das Substrat 1 besteht vorzugsweise aus einem

elektrisch isolierenden Material ; alternativ kann auch ein Mehrschichtaufbau verwendet werden,. dessen oberste Schicht elektrisch isolierend ist. Als Substratmaterial kommt bei- spielsweise Aluminiumoxid in Frage. Alternativ kann bei- spielsweise eine Glaskeramik verwendet werden, die eine ge- genüber Aluminiumoxid deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit, aber eine vergleichbare Wärmekapazität aufweist.

Auf dem in Figur 1 dargestellten Substrat befindet sich ein Schmelzelement, das aus einer auf dem Substrat auflie- genden leitfähigen Schicht 2 und einer darüber aufgebrachten Schicht 3, die ein niedrig schmelzendes Metall enthält, be- steht. Die leitfähige Schicht 2 besteht beispielsweise aus Silber und/oder Palladium und kann sowohl in einer Dünn- schichttechnik als auch einer Dickschichttechnik aufgebracht werden, wobei ihre Dicke beispielsweise etwa 1 um beträgt.

Die das niedrig schmelzende Metall enthaltende Schicht be- steht beispielsweise aus Zinnpulver in einem organischen Bindemittel. Als niedrig schmelzende Metalle können ferner Wismut, Blei und/oder Zinn enthaltende Legierungen verwen- det werden. Zwischen der relativ dünnen elektrisch leitfähi- gen Schicht 2 und der ein niedrig schmelzendes Metall ent- haltenden Schicht 3 des Schmelzelements kann eine schmelz- bare Trennschicht vorgesehen sein, die die Partikel des niedrig schmelzenden Metalls von dem Metall der Schicht 2 trennt.

Auf dem Substrat 1 ist ferner eine Widerstandsschicht 4 aufgebracht, aus der das Heizelement gebildet wird. Die Wi- derstandsschicht 4 besteht aus einem Material mit einem vor- gegebenen spezifischen Widerstand. Die einander gegenüber- liegenden Enden der leitfähigen Schicht 2 des Schmelzele- ments und die einander gegenüberliegenden Enden der Wider- standsschicht 4 sind mit Hilfe einer darüber aufgebrachten Leitschicht 5 eines elektrisch gut leitenden Metalls kontak- tiert.'Unter Vernachlässigung der Kontakteinflüsse ergibt sich für den elektrischen Widerstand R des Heizelements nä- herungsweise :

R = P b. D t wobei 1 die Länge der Widerstands-<BR> . hein schicht 4 zwischen den Kontakten zu der Leitschicht 5, b die Breite des Streifens der Widerstandsschicht 4, DHeiz die Dicke der Widerstandsschicht 4 und p der spezifische Wider- stand der Widerstandsschicht ist. Wenn somit durch das Heiz- element mit dem Widerstand R ein Strom I fließt, so wird im Widerstand die Leistung P = I2R in Wärme umgesetzt.

Die Widerstandsschicht 4 ist vorzugsweise so ausgebil- det, daß dann, wenn der Strom I durch die Widerstandsschicht einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, die Wider- standsschicht selbst derart verändert wird, daß der Strom- fluß unterbrochen wird. Dieser Schwellenwert des Stroms liegt allerdings erheblich höher als derjenige Strom, bei dem aufgrund der erzeugten Wärme das Schmelzelement an- spricht und den Stromfluß unterbricht. Deshalb kann diese Unterbrechungsfunktion der Widerstandsschicht nur bei Strom- spitzen auftreten, die derart kurzzeitig sind, daß die Er- wärmung des Schmelzelements noch nicht ausreicht, um dieses zu unterbrechen.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist über oder unter der Widerstandsschicht 4 eine zusätzliche Wärmespeicherschicht 6 aufgebracht. Dieses kann bei einem alternativen Ausführungsbeispiel auch unter der Widerstands- schicht 4 aufgebracht werden. Die Wärmespeicherschicht 6 besteht vorzugsweise aus einem Material relativ hoher spezi- fischer Wärmekapazität.

Die Ausbildung der Kontakte zum Anschließen des Schutz- bauelements ist in Figur 1 nicht näher dargestellt. In Figur 1 sind lediglich an den gegenüberliegenden Seiten des Substrats 1 Kontaktflächen 7 dargestellt, die aus der leit- fähigen Schicht 5 gebildet sind. Vorzugsweise wird auf den Kontaktflächen sowie um den Rand des Substrats 1 umgreifend auch auf der Unterseite des Substrats 1 ein Überzug aus ei- nem leitfähigen Material gebildet, so daß ein Bauteil gebil- det wird, daß durch Oberflächenmontage auf eine Schaltungs- platine montiert werden kann (SMD-Bauteil). Das SMD-Bauteil

wird an seinen beiden Enden, die die Kontaktflächen 7 auf- weisen, mit Hilfe eines Lots an der darunter angeordneten Schaltungsplatine befestigt.

Im folgenden soll die Funktion des in Figur 1 darge- stellten Schutzbauelements näher erläutert werden. Wenn die Reihenschaltung des die Widerstandsschicht 4 aufweisenden Heizelements und des die Schichten 2 und 3 aufweisenden Schmelzelements über die Kontaktflächen 7 mit einem Strom beaufschlagt wird, so fällt aufgrund des elektrischen Wider- stands der verwendeten Schichten sowohl über der Wider- standsschicht 4 als auch über der leitfähigen Schicht 2 des Schmelzelements und über den Zuleitungen der Leitschicht 5 jeweils eine Spannung ab. Aufgrund des Spannungsabfalls wird in den Schaltungselementen eine elektrische Leistung P = U x I in Wärme umgesetzt. Das Material und die Schichtdicke der Leitschicht 5 sind dabei so gewählt, daß über diesen Leit- bahnen nur eine sehr geringe Spannung abfällt. Die Schichten des Schmelzelements und des Widerstandsheizelements sind vorzugsweise so ausgebildet, daß der Widerstand des Heizele- ments mindestens eine Größenordnung höher ist als der des Schmelzelements, so daß der größte Teil der im Schutzbauele- ment umgesetzten Leistung über der Widerstandsschicht 4 des Heizelements abfällt. In der Widerstandsschicht 4 des Heiz- elements wird somit eine dem Quadrat des Stromes I propor- tionale Wärmeleistung pth erzeugt.

Wird ein Strom I vorgegebener Größe sprunghaft angelegt (das heißt ein Anstieg von Null auf I innerhalb kürzester Zeit), so führt die zugeführte Leistung Pth zunächst zu ei- ner Erwärmung der Widerstandsschicht 4 selbst. Die Gleich- mäßigkeit der Erwärmung der Widerstandsschicht hängt von der Stromdichteverteilung des Stromflusses innerhalb dieser Schicht ab. Die in der Widerstandsschicht 4 erzeugte Wärme wird dann mittels Wärmeleitung zu den darunterliegenden, darüberliegenden und/oder angrenzenden Schichten transpor- tiert ; bei fehlender Wärmespeicherschicht 6 wird der größte Teil der in der Widerstandsschicht 4 erzeugten Wärme mittels

Wärmeleitung in das darunterliegende Substratmaterial abge- geben. Es heizen sich zunächst die unmittelbar angrenzenden Substratschichten auf. Anschließend dringt die Wärme tiefer in das Substrat ein und breitet sich seitlich aus, wobei die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung sowohl von der Wärme- leitfähigkeit des Materials als auch von dessen spezifischer Wärmekapazität abhängig ist. Wenn über der Widerstands- schicht 4 eine zusätzliche Wärmespeicherschicht 6 angeordnet ist, so wird in diese ein Teil der in der Widerstandsschicht 4 erzeugten Wärme abgeleitet, bis sich die Wärmespeicher- schicht 6 auf die Temperatur der Widerstandsschicht erwärmt hat. Ein Teil der in der Widerstandsschicht erzeugten Wärme wird über die Kontakte an die Leitschicht 5 der Zuleitungen abgegeben. Ein weiterer Teil der Wärme wird selbstverständ- lich durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung und/oder Konvektion an die Umgebung abgegeben.

Ein Teil der sich in dem Substrat 1 ausbreitenden Wärme gelangt in den Substratbereich unterhalb der Schichten 2 und 3 des Schmelzelements. Ausgehend von dem Substrat 1 werden dann die Schichten 2 und 3 des Schmelzelements erwärmt.

Nach einer von den Layouts der verwendeten Schichten, den Schichtdicken und den verwendeten Materialien sowie von dem Material des Substrats 1 abhängigen Zeit hat sich nach dem sprunghaften Anlegen des Stroms I ein stationärer Zu- stand der Temperaturverteilung auf dem Schutzbauelement ein- gestellt (selbstverständlich wird hierbei vorausgesetzt, daß die Umgebungsbedingungen konstant bleiben). Das Einschwing- verhalten bis zum Erreichen des stationären Zustands der Temperaturverteilung entspricht dem eines (gegebenenfalls mehrgliedrigen) Tiefpasses. (in elektrischer Analogiebetrach- tung), wobei dem Einschwingverhalten eine oder mehrere Zeit- konstanten zugeordnet werden können. Gemäß dem erfindungsge- mäßen Verfahren werden diese Zeitkonstanten durch entspre- chende Dimensionierung des Layouts und der Schichten gezielt eingestellt.

In den Figuren 2A und 2B sind die Anordnungen eines Heizelements 10 und eines Schmelzelements 11 auf einem Substrat 1 zusammen mit einem stark vereinfachten thermi- schen Ersatzschaltbild, das die thermische Kopplung der bei- den Elemente über das Substrat 1 veranschaulicht, schema- tisch dargestellt. Wie bereits erwähnt, führt das Fließen eines Stromes I durch das Heizelement 10 mit dem Widerstand R zur Erzeugung einer thermischen Leistung Pth innerhalb des Heizelements 10. Die zugeführte Leistung kann in dem thermi- schen Ersatzschaltbild durch eine Stromquelle 12 dargestellt werden. Die dem Heizelement 10 zugeführte Heizleistung Pth führt zu einer Erwärmung des Heizelements 10 selbst sowie unmittelbar zu einer Erwärmung des unter dem Heizelement befindlichen Substratsegments. Die Wärmezufuhr ist über die Fläche des Heizelements 10 näherungsweise gleichmäßig ver- teilt (sofern auch die Stromdichte des durch das Heizelement 10 fließenden Stromes gleichmäßig verteilt ist). Wenn sprunghaft eine Heizleistung in dem Heizelement 10 erzeugt wird, werden zunächst die obersten Schichten des Substrats 1 und dann durch Ableitung der Wärme darunterliegende Schich- ten und seitlich angrenzende Schichten des Substrats er- wärmt. Diese Verkettung von Weiterleitung und Wärmespeiche- rung kann in einem Modell vereinfacht durch eine Wärmekapa- zität 13 mit parallel geschalteten Wärmewiderstand sowie (sofern nur die Wärmeleitung in Richtung des Schmelzelements betrachtet werden soll) einen weiteren Wärmewiderstand 15 nachgebildet werden. Die Wärmekapazität 13 des von der Wär- mezufuhr beaufschlagten Substratsegments entspricht bei- spielsweise einem Volumenbereich 16, der in Figur 2A durch eine gestrichelte Linie 16 dargestellt ist. Die im Modell dargestellte Wärmekapazität 13 verkörpert somit die Wärmeka- pazität der Schicht des Heizelements 10 selbst zuzüglich der Wärmekapazität des effektiv wirksamen Substratsegments 16.

Die thermischen Eigenschaften des Schmelzelements 11 können wiederum durch eine Wärmekapazität 17 und einen parallel angeordneten Wärmewiderstand 18 nachgebildet werden. Die

Größe des Wärmewiderstands 15 für die Wärmeleitung zwischen dem Heizelement 10 und dem Schmelzelement 11 wird unter an- derem von dem Abstand d zwischen dem Heizelement 10 und dem Schmelzelement 11 bestimmt. Aus dem gezeigten Wärmeersatz- schaltbild wird deutlich, daß die Zeitkonstanten des Wärme- übergangs vom Heizelement 10 zum Schmelzelement 11 und somit die Zeitabhängigkeit des Ansprechens des Schmelzelements 11 aufgrund seiner Erwärmung vorrangig von der lokalen Wärmeka- pazität 13 am Heizelement 10, dem thermischen Widerstand 15 und der lokalen Wärmekapazität 17 des Schmelzelements 11 bestimmt werden. Diese Größen sind stark von der Dimensio- nierung des Layouts und der Schichtdicken sowie von der Wahl der Materialien abhängig. Der Wärmewiderstand 15 wird stark vom Abstand d zwischen Heizelement 10 und Schmelzelement 11 und die Wärmekapazität 13 von der Fläche AA des Heizelements 10 beeinflußt. Die Beeinflussung der Wärmekapazität 13 durch die Einstellung der Fläche A des Heizelements 10 ist anhand der Figuren 2A und 2B dargestellt. In Figur 2B ist die Flä- che AB des Heizelements 10 reduziert. Der Abstand d zwischen Heizelement 10 und Schmelzelement 11 ist näherungsweise kon- stant gehalten. Dies führt zu einer deutlich geringeren Wär- mekapazität 13'bei geringfügig geändertem Wärmewiderstand 15', was zu einer deutlich geringeren Zeitkonstante führt.

Bei sonst gleichen Dimensionierungen, gleichen elektrischen Parametern und gleicher zugeführter Heizleistung 12 zeigt das in Figur 2B skizzierte Schutzbauelement gegenüber dem in Figur 2A gezeigten ein schnelleres Ansprechen, das heißt eine bei Mehrfachen des Grenzstroms stärker abgeflachte Zeit-Strom-Kennlinie.

Figur 3 zeigt eine alternative Möglichkeit, die Zeitkon- stanten des Ansprechens des Schutzbauelements einzustellen.

Bei dem in Figur 3 skizzierten Schutzbauelements ist zwi- schen dem Heizelement 10 und dem Schmelzelement 11 auf der Oberfläche des Substrats 1 ein zusätzlicher Wärmespeicher in Form einer strukturierten Wärmespeicherschicht 19 aufge- bracht. Im Wärmeersatzschaltbild ist diese Wärmespeicher-

schicht 19 durch die Kapazität 20 dargestellt, wobei der Wärmeleitwiderstand zwischen Heizelement 10 und Schmelzele- ment 11 in die beiden Widerstände 21 und 22 aufgeteilt wird.

Die Wärmespeicherschicht 19 schafft eine zusätzliche Verzö- gerung der Wärmeausbreitung vom Heizelement 10 zum Schmelz- element 11 und somit ein trägeres Ansprechen des Schutzbau- elements. Die lokale Wärmekapazität 20 der Wärmespeicher- schicht 19 wird durch die Fläche As der Speicherschicht und deren Dicke sowie durch die Materialauswahl (spezifische Wärmekapazität) eingestellt.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche alter- native Ausführungsformen denkbar. Anstelle einer rechteckig strukturierten Widerstandsschicht 4 des Heizelements 10 kön- nen mehrere und beliebig geformte Heizelemente verwendet werden. Die Heizelemente 10 können beispielsweise um das Schmelzelement 11 herum angeordnet werden. Anstelle eines Schmelzelements können auch mehrere unterschiedlich anspre- chende Schmelzelemente in unterschiedlichen Abständen zu dem Heizelement angeordnet werden. Heizelement und Schmelzele- ment brauchen nicht in Reihe geschaltet zu werden ; sie kön- nen separaten Außenkontakten zugeordnet sein, wobei die Außenkontakte in verschiedene Schaltungen eingebunden sein können.

Wenn das Schutzbauelement als. Sicherungsbauelement ver- wendet werden soll, wird die Reihenschaltung von Heizelement und Schmelzelement vorzugsweise so dimensioniert, daß sich ein geringer elektrischer Widerstand ergibt. Selbstverständ- lich muß der elektrische Widerstand des Heizelements ausrei- chend groß sein, damit die erforderliche Heizleistung dem Substrat zugeführt werden kann. Die erforderliche Heizlei- stung kann minimiert werden, indem das Schmelzelement näher an das Heizelement herangerückt oder sogar über diesem ange- ordnet wird und indem ein Substrat mit einer geringen Wärme- leitfähigkeit verwendet wird. Um dennoch eine ausreichende Trägheit zu gewährleisten, kann ein Substratmaterial mit einer hohen Wärmekapazität verwendet oder eine zusätzliche.

Wärmespeicherschicht unter dem Heizelement aufgebracht wer- den. Bei dem Sicherungsbauelement, welches grundsätzlich eine möglichst geringe Wärmeleistung erzeugt, hätte das Substratmaterial mit schlechter Wärmeleitung zudem den Vor- teil, daß die Erwärmung des Substrats, insbesondere die kurzzeitige Erwärmung des Substrats, lokal auf das Gebiet um das Heizelement und das Schmelzelement herum (hot spot) be- schränkt bleibt. Dies führt zu einer geringeren Erwärmung der außen angeordneten Anschlüsse und der an die Anschlüsse angreifenden Lotverbindung und verringert somit die Gefahr des selbständigen"Auslötens"des Bauelements.

Alternativ kann das Schutzbauelement als Sicherungswi- derstand ausgeführt werden, das heißt als Schutzbauelement mit einem vorgegebenen, möglichst konstantem elektrischen Widerstand. In diesem Fall wird die Reihenschaltung von Heizelement und Schmelzelement vorzugsweise so dimensio- niert, daß der Gesamtwiderstand des Bauelements überwiegend vom elektrischen Widerstand des Heizelements bestimmt wird.

Aus dem vorgegebenen elektrischen Widerstand des Heizele- ments ergibt sich zwangsläufig eine höhere Leistungsaufnahme gegenüber den Sicherungsbauelementen. Diese höhere Verlust- leistung führt zu einer stärkeren Erwärmung des Bauelements.

In diesem Fall wird nur ein geringerer Teil der erzeugten Wärme für die Übertragung zum Schmelzelement benötigt. Ein anderer Anteil der Wärme soll über das Substrat an die Umge- bung abgeführt werden. In diesem Fall bietet sich ein Substratmaterial mit guter Wärmeleitung an. Dieses besser wärmeleitende Substratmaterial führt selbstverständlich auf- grund der schnelleren Ableitung der Wärme zu verringerten Zeitkonstanten. Um dennoch ein träges Verhalten des Schutz- bauelements einzustellen, wird erfindungsgemäß eine erhöhte lokale Wärmekapazität am Heizelement (beispielsweise durch eine große Fläche des Heizelements oder durch spezielle Ma- terialschichten unter und/oder über dem Heizelement) einge- stellt. Das Zeitverhalten der Wärmeübertragung vom Heizele- ment zum Schmelzelement wird ferner durch die Layoutgestal- tung, das heißt die Anordnung des Heizelements zum Schmelz- element, bestimmt.