Die Erfindung betrifft eine thermische Überlastschutzanord ^¬ nung zum Schutz eines auf einer Trägereinrichtung mit

Stromführungselementen angeordneten elektrischen Bauelements, insbesondere elektronischen Bauelements, wobei die Überlastschutzanordnung mehrere, je eines der Stromführungselemente mit einem zugehörigen Anschluss eines elekt ^¬ rischen Bauteils elektrisch kontaktierende und bei Überlast des Bauelements schmelzende Lotverbindungen und eine Ab ^¬ trennvorrichtung zum Lösen mindestens einer dieser Verbindungen aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zum Schutz eines auf einer Trägereinrichtung mit Stromführungselementen angeordneten elektri- sehen Bauelements, insbesondere elektronischen Bauelements.

Die Überbeanspruchung von elektronischen Bauelementen kann dazu führen, dass diese außerhalb eines Nennbetriebsberei- ches arbeiten. Dabei führt ein zum Beispiel durch eine re- duzierte Isolationsfestigkeit des Bauelements hervorgerufe ^¬ ne Leistungsumsatz an einem geschädigten Bauelement zu einer erhöhten Erwärmung. Wird eine Erwärmung des Bauelements über eine Zulässigkeitsschwelle hinaus nicht verhindert, kann dies zum Beispiel zur Schädigung umgebender Materia- lien, Entstehung von Rauchgasen oder zu einer Brandgefahr führen .

Es ist daher üblich, einem solchen Bauelement eine Tempera ^¬ tursicherung zuzuordnen um eine Abschaltung bei unzulässi- ger Erwärmung zu ermöglichen. Aufgrund der begrenzten thermischen Ankopplungsmöglichkeit ist diese Anordnung für sehr schnelle Erwärmungsvorgänge jedoch nicht geeignet. Bei Überspannungsschutzgeräten ist es üblich, die verwende ten Überspannungsschutzbauelemente insbesondere Varistoren mit thermisch aktivierten Abschalteinrichtungen auszustatten .

Eine thermische Überlastschutzanordnung zum Schutz eines auf einer Leiterplatte mit Leiterbahnen angeordneten leistungselektronischen Bauelements ist aus der Offenlegungs ^¬ schrift DE 10 2005 045 778 AI bekannt, bei der die Überlastschutzanordnung mehrere, je eine Leiterbahn einer Leiterplatte mit einem zugehörigen Anschlussbereich eines Lei terstegs elektrisch kontaktierende und bei thermischer Überlast schmelzende Lotverbindungen und eine Einrichtung mit Temperatursensor und einem Öffnungselement zum Lösen mindestens einer dieser Verbindungen aufweist.

Durch die räumliche Trennung von Bauelement und Überlast ^¬ schutzanordnung ergibt sich einerseits eine gewisse Träg ^¬ heit des Systems, andererseits ein relativ großer Platzbe darf .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Überlast ^¬ schutzanordnung und ein Verfahren zum Schutz von Bauelemen ten anzugeben, welche beziehungsweise welches einen schnei len und zuverlässigen Schutzmechanismus aufweist und mit einem möglichst geringen Bauraumbedarf auf einer Trägerein richtung verbunden ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausge ^¬ staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben . Bei der erfindungsgemäßen Überlastschutzanordnung ist das Bauteil das Bauelement selbst oder weist das Bauelement zu ^¬ mindest auf, wobei die Abtrennvorrichtung eine das Bauele ^¬ ment gegenüber der Trägereinrichtung - zumindest bei Erwär- mung - vorspannende Abtrennvorrichtung zur räumlichen Separation des Bauelements von mindestens einem der Stromführungselemente ist, die bei Aufschmelzen der Lotverbindungen auslöst. Das vorzugsweise elektronische Bauelement wird auf Stromführungselementen der Trägereinrichtung, zum Beispiel Leiterbahnen einer Leiterplatte, mit einem niedrigschmel ^¬ zenden Lot befestigt. Die Schmelztemperatur dieses Lots liegt zum Beispiel bei 150°C. Kommt es zu einer thermischen Beanspruchung des Bauelements, so leiten die Anschlüsse Wärme zu den Lotverbindungen. Geht die thermische Beanspru- chung über die Schmelztemperatur des Lots hinaus, so schmelzen die Lotverbindungen auf. Da die Abtrennvorrichtung das Bauelement gegenüber der Trägereinrichtung vorspannt, löst das Aufschmelzen der Lotverbindungen die Abtrennvorrichtung umgehend aus, wobei die Abtrennvorrichtung das Bauelement durch dessen Verlagerung dauerhaft von den Stromführungselementen räumlichen separiert. Dadurch dass kein separates Bauteil zum Öffnen eines Stromkreises ge ^¬ nutzt wird, ergibt sich eine Verringerung des benötigten Bauraums. Weiterhin kommt es durch die unmittelbar mit dem Bauelement verbundenen Auslöse- und Trennelemente zu einer schnellen Abtrennung.

Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung einen Aktor auf- weist, der als (a) Federeinrichtung und/oder (b) Einrichtung aus intumeszentem Material und/oder (c) Einrichtung aus Formgedächtnismaterial und/oder (d) Einrichtung aus ei ^¬ nem seine Form chemisch verändernden Material ausgebildet ist. Ein derartiger Aktor spannt das Bauelement gegenüber der Trägereinrichtung generell oder zumindest bei Erwärmung vor .

Die Alternativen (b) bis (d) haben den Vorteil, dass die Lotverbindungen beziehungsweise die gesamte Abtrennvorrichtung im Nennbetrieb (Normalbetrieb) kraftfrei ist, da eine entsprechende Kraft erst nach dem Auslösen der Abtrennvorrichtung mit Aktor gemäß einer der Alternativen (b) bis (d) auftritt .

Bei einer dieser Aus führungs formen weist die Abtrennvorrichtung eine Federeinrichtung auf. Diese ist insbesondere als Druckfeder ausgebildet. Optional kann dabei das Bauele ^¬ ment oder die Federeinrichtung durch einen niedrigschmel- zenden Kunststoff fixiert werden um die mechanische Belas ^¬ tung der Lotverbindungen zu minimieren. Die Schmelztemperatur der Lotverbindung liegt dabei über der des Schmelzkunststoffs. Wird das Niedrigtemperaturlot mittels Fluss ^¬ mittel so ausgeführt, dass es aufgrund der Oberflächenspan- nung bei einer Abtrennung oberhalb der Schmelztemperatur sicher auf den Lotflächen verbleibt, kann die Schmelztempe ^¬ ratur des zur Fixierung des Bauelements oder Federelements verwendeten Schmelzkunststoffs über der Lotschmelztempera ^¬ tur liegen.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Überlastschutzanord ^¬ nung weiterhin eine Fangeinrichtung aufweist, die das separierte Bauelement - alleine oder zusammen mit der Abtrenn ^¬ vorrichtung - in einer definierten Position fixiert. Um ein unkontrolliertes Bewegen des Bauelements in einem die Trä ^¬ gereinrichtung aufweisenden Gerät nach der Abtrennung/Separation zu vermeiden, ist diese Fangeinrichtung vorgesehen. Vorteilhafterweise kann die Fangeinrichtung durch einen die Trägereinrichtung umgebenden Gehäuseteil gebildet werden. Das Fixieren des Bauelements in der Fang ^¬ einrichtung ist bevorzugt ein lösbares Fixieren.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung eine Abtrennvorrichtung für ein Verlagern des Bauelements zu dessen Separation von dem mindestens einen Stromführungselement quer zur Oberfläche der Trägereinrichtung ist. Eine derartige Abtrennvorrichtung bewegt das Bauelement zur Separation quer zur Oberfläche der Trägereinrichtung, insbesondere in Richtung der Oberflächennormale der Oberfläche der Trägereinrichtung.

Generell ist die Abtrennvorrichtung und insbesondere deren Aktor neben dem Bauelement, oberhalb des Bauelements, un- terhalb des Bauelements oder sogar unterhalb der Trägerein ^¬ richtung angeordnet. Mit Vorteil ist die Abtrennvorrichtung und insbesondere der Aktor der Abtrennvorrichtung jedoch zwischen Trägereinrichtung und Bauelement angeordnet. Eine derartige Überlastschutzanordnung ist besonders platzspa- rend ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Aktor zwi ^¬ schen der Trägereinrichtung und dem Schwerpunkt des Bauelements angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung - insbesondere bezogen auf die Oberfläche der Trägereinrich- tung - zwischen zumindest zwei der Lotverbindungen angeordnet ist.

Gemäß einer alternativen, jedoch auch vorteilhaften Ausfüh rungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtrennvorrichtung eine Abtrennvorrichtung für ein Verlagern des Bauelements zu dessen Separation von mindestens einem der Stromführungselemente entlang der Oberfläche der Trägerein richtung ist. Eine derartige Abtrennvorrichtung bewegt das Bauelement zur Separation im Wesentlichen entlang der Ober fläche der Trägereinrichtung, insbesondere quer zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen zwei über das Bauele ^¬ ment elektrisch aneinander gekoppelte Lotverbindungen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Überlastschutzanordnung das Bauelement und/oder die Trägereinrichtung mit aufweist. Generell kann das Bauelement ein beliebiges Bauelement sein. Bevorzugt ist es jedoch als ein oberflächenmontierbares Bauelement ( SMD-Bauelement ) ausgebildet (SMD: surface-mounted device) .

Vor einem Reflow-Lötprozess (Wiederaufschmelz-Lötprozess ) der Oberflächenmontage erfolgt zum Beispiel nur eine Teil ^¬ bestückung mit einigen der Komponenten der Überlastschut z- anordnung. Weitere Komponenten werden erst nach dem Reflow- Lötprozess angebracht. Diese Ausführungsvariante ist für alle zuvor genannten Arten (a) bis (d) von Aktoren möglich.

Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Überlast- schutzanordnung den als Federeinrichtung ausgebildeten

Aktor, das SMD-Bauelement und die Lotverbindungen aufweist und als oberflächenmontierbare Anordnung ausgebildet ist. Alternativ zu der Teilbestückung vor dem Reflow-Prozess ist es bei einer oberflächenmontierbaren Anordnung mit als Fe- dereinrichtung ausgebildetem Aktor möglich, dass die gesamte Anordnung Reflow-Prozessfähig ist. Je nach Herstellungs- prozess der Anordnung wird dazu entweder (i) die vorge ^¬ spannte Federeinrichtung während des Reflow-Prozesses blo ^¬ ckiert und danach die Federeinrichtung durch entfernen des Blockierelements freigegeben oder (ii) die Federeinrichtung ist während des Reflow-Prozesses kraftfrei und die entspre ^¬ chende Vorspannung wird erst nach dem Reflow-Prozess aufge ^¬ bracht . Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass mehrere, je eines der Stromführungselemente mit einem zuge ^¬ hörigen Anschluss des Bauelements elektrisch kontaktierende und bei Überlast des Bauelements schmelzende Lotverbindun- gen und eine Abtrennvorrichtung zum Lösen dieser Verbindungen vorgesehen sind, wobei die Abtrennvorrichtung das Bauelement gegenüber der Trägereinrichtung - zumindest bei Erwärmung - vorspannt und das Bauelement bei Aufschmelzen der Lotverbindungen räumlich von den Stromführungselementen se- pariert.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die an ^¬ liegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Aus führungs formen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein elektronisches Bauelement und eine thermische Überlastschutzanordnung im unausgelösten Betriebszustand gemäß einer ersten Aus führungs form der Erfindung,

Fig. 2 das Bauelement und die thermische Überlastschutz ^¬ anordnung der Figur 1 im ausgelösten Betriebszustand, Fig. 3 ein elektronisches Bauelement und eine thermische Überlastschutzanordnung im unausgelösten Betriebszustand gemäß einer zweiten Aus führungs form der Erfindung, und

Fig. 4 das Bauelement und die thermische Überlastschut anordnung der Figur 3 im ausgelösten Betriebszustand.

Die Figur 1 zeigt in Seitenansicht einen Ausschnitt einer als Platine ausgebildeten Trägereinrichtung 10 für die Montage und elektrische Kontaktierung von elektrischen Bauele- menten 12, insbesondere elektronischen Bauelementen. Dazu weist die Trägereinrichtung 10 auf ihrer Oberseite als Lei ^¬ terbahnen ausgebildete Stromführungselemente 14, 16 auf, von denen zwei Stromführungselemente 14, 16 dargestellt sind. Diese kontaktieren jeweils über eine Lotverbindung 18, 20 mit niedrigschmelzendem Lot je einen zugeordneten Anschluss 22, 24 eines elektronischen Bauelements 12. Die ^¬ ses ist als SMD-Bauelement 26 ausgeführt. Ein Bereich der Trägereinrichtung 10 unterhalb dieses Bauelements 12 weist eine als Durchbruch ausgebildete Ausnehmung 28 auf. In der Ausnehmung 28 ist eine Abtrennvorrichtung 30 mit einem als Federeinrichtung 32 ausgebildeten Aktor 34 angeordnet, die das Bauelement 12 gegenüber einer Grundplatte 36 der Trä ^¬ gereinrichtung 10 „auf Druck" vorspannt (Druckfeder) .

Die in Fig. 1 gezeigte Situation zeigt das Bauelement 12 auf der Trägereinrichtung 10 in seinem Betriebszustand. Oberhalb, also in Richtung der Oberflächennormale auf der das Bauelement tragenden Seite der Trägereinrichtung 10 ist eine Fangeinrichtung 38 angeordnet, deren Funktion im Rahmen der Beschreibung der Fig. 2 diskutiert wird.

Die Anordnung der Lotverbindungen 18, 20 und der Abtrennvorrichtung 30 relativ zu der Trägereinrichtung 10 und dem Bauelement 12 ist die thermische Überlastschutzanordnung 40. Die thermische Überlastschutzanordnung 40 ist eine thermische Überlastschutzanordnung 40 zum Schutz des auf der Trägereinrichtung 10 angeordneten elektrischen Bauelements 12. In der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausfüh- rungsbeispielen weist diese Überlastschutzanordnung 40 weiterhin auch die Fangeinrichtung 38 auf.

Es ergibt sich folgende Funktion der Überlastschutzanord ^¬ nung 40: Die Abtrennvorrichtung 30 spannt das Bauelement 12 gegenüber der Trägereinrichtung 10 vor, sodass sich bei erhöhter thermischer Belastung des Bauelements 12 auch die das Bauelement 12 auf der Trägereinrichtung 10 haltenden Lotverbindungen erwärmen. Überschreitet deren Temperatur den Schmelzpunkt des Lots, so schmelzen die Lotverbindungen 18, 20 auf und das Bauteil 12 wird mittels des Aktors 34 der Abtrennvorrichtung 30 in Richtung der Oberflächennormale (Pfeil n) von der Trägereinrichtung und insbesondere de ^¬ ren Stromführungselementen 14, 16 separiert. Diese Situati- on ist in Fig. 2 dargestellt.

Um das Bauelement nach dem Abtrennvorgang in einer definierten Position zu halten, ist oberhalb des Bauelements 12 die fangkorbartige Fangeinrichtung 38 angeordnet. Der Aktor 34 der Abtrenneinrichtung 30 verlagert beim Abtrennvorgang (Separationsvorgang) das Bauelement 12 in einen Aufnahmebereich 42 der Fangeinrichtung 38 und fixiert das Bauelement dort durch seine Restspannung. Die Position des Bauelements 12 im Aufnahmebereich 42 der Fangeinrichtung 32 gewährleis- tet einen hinreichenden Abstand D zu den Stromführungsele ^¬ menten 14, 16 der Trägereinrichtung 10, sodass keine Funkenstrecken entstehen können.

Die Erwärmung des elektronischen Bauelements 12 - aufgrund einer Verlustleistung im Bauelement 12 selbst - führt zu dem Festigkeitsverlust der Lotverbindungen 18, 20. Übersteigt die Kraft der Federeinrichtung 32 die Haltekräfte der Lotverbindungen 18, 20 wird das Bauelement 12 von der Platine abgehoben. Die Abtrennung von einer die Erwärmung hervorrufenden elektrischen Quelle ist erfolgt, somit ist das Bauelement 12 in einen sicheren Zustand überführt. Der sichere Zustand ist dadurch beschrieben, dass eine weitere Erwärmung ausgeschlossen ist und zur Sicherstellung der elektrischen Isolation die elektrischen Verbindungen irreversibel aufgetrennt sind.

Ist die Vorrichtung 30 mit einer Fixierung der Federeinrichtung 32 mittels eines niedrigschmelzenden Kunststoff ausgeführt, schmilzt zunächst dieser Kunststoff und gibt damit die Federeinrichtung 32 frei kurz bevor die Lotver bindungen aufschmelzen. Mit Hilfe eines auf Basis intumeszenter Stoffe, eines Form ^¬ gedächtnismaterials oder einer thermisch aktivierten chemischen Reaktion wirkenden Aktors 34 (hier nicht gezeigt) kann ebenfalls eine Abtrennung herbeigeführt werden. Er ^¬ wärmt sich der Aktor 34 aufgrund der Bauelemente- Verlustleistung auf seine Aktivierungstemperatur, baut dieser einen Druck auf das Bauelement 12 auf. Außerdem führt die Erwärmung zu einem Festigkeitsverlust der Lotverbindungen 18, 20. Übersteigt die Kraft des Aktors 34 die Halte ^¬ kraft der Lotverbindungen 18, 20 wird das Bauelement 12 von der Leiterplatte abgehoben. Die Abtrennung von der elektrischen Quelle ist erfolgt, somit ist das Bauelement 12 von der Überlastschutzanordnung 40 in einen sicheren Zustand überführt . Die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Anordnung entspricht im Wesentlichen der Anordnung der Figuren 1 und 2, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.

Die Figuren 3 und 4 zeigen den Ausschnitt der Trägerein- richtung 10 mit oberflächenmontiertem Bauelement 12 (SMD-

Bauelement 26) in Draufsicht. Fig. 3 zeigt die Anordnung im Normalbetrieb, Fig. 4 bei ausgelöster Abtrennvorrichtung 30 der Überlastschutzanordnung 40. Wesentlicher Unterschied zur Anordnung der Figuren 1 und 2 ist die Anordnung von Abtrennvorrichtung 30, Bauelement 12 und Fangeinrichtung 38. Diese sind nun entlang einer gedachten Achse längs der Oberfläche der Trägereinrichtung 10 hintereinander angeordnet. Schmelzen die Lotverbindungen 18, 20 auf, so verlagert die Abtrennvorrichtung 30 das Bau ^¬ element 12 zur Separation von den Stromführungselementen 14, 16 im Wesentlichen entlang der Oberfläche der Trägereinrichtung 10, insbesondere quer zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den zwei über das Bauelement 12 elektrisch aneinander gekoppelte Lotverbindungen 18, 20.

Bezugs zeichenliste

Trägereinrichtung 10

Bauelement 12 Stromführungselement 14

Stromführungselement 16

Lotverbindung 18

Lotverbindung 20

Anschluss 22 Anschluss 24

SMD-Bauelement 26

Ausnehmung 28

Abtrennvorrichtung 30

Federeinrichtung 32 Aktor 34

Grundplatte 36

Fangeinrichtung 38

Überlastschutzanordnung 40

Aufnahmebereich 42