SMD-Sicherungen in Dünnschichttechnik

Milliarden von SMD-Widerständen in Dünnschichttechnik verlassen jedes Jahr die Produktionsstätten, und Entwickler schätzen sie wegen ihrer Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität. Genau die gleichen Eigenschaften sind auch für Chipsicherungen in SMD-Technik wichtig. Daher eignet sich die Dünnschichttechnik auch gut für Chipsicherungen.

Milliarden von SMD-Widerständen in Dünnschichttechnik verlassen jedes Jahr die Produktionsstätten, und Entwickler schätzen sie wegen ihrer Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität. Genau die gleichen Eigenschaften sind auch für Chipsicherungen in SMD-Technik wichtig. Daher eignet sich die Dünnschichttechnik auch gut für Chipsicherungen.

Risiken für elektronische Schaltungen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Überströme und Überspannungen. Überströme entstehen meist bei Überlast oder Kurzschluss, Überspannungen durch schnelle Transienten wie bei Blitzeinschlägen oder beim Schalten induktiver Lasten. Sind sie groß genug, können schnelle Transienten Bauteile oder deren Isolation beschädigen. Nicht nur in elektronischen Bauelementen können Überströme zu Schäden führen. Transienten können beispielsweise elektrische Leitungen, Kabel, Drähte und Baugruppen überhitzen. Dies wiederum kann umliegendes Isoliermaterial beschädigen und sogar je nach Material Rauch- und Feuerentwicklung zur Folge haben.

Um all diese Folgen zuverlässig abzuwenden, sind Sicherungen nötig. Wichtig dabei ist, dass das Schmelzen und Verdampfen des elektrisch leitfähigen Materials einer Sicherung kontrolliert und reproduzierbar erfolgt. Heutige Sicherungen decken eine Vielzahl von Anwendungen ab, von Hochspannungsverteilern bis hin zu Elektroniksystemen für Industrie, Büro und Haushalt. Die fortschreitende Miniaturisierung und der Trend hin zu tragbaren elektronischen Geräten sind die treibenden Kräfte für Sicherungen in SMD-Chipbauformen. Derzeitige Chipsicherungen für Leiterplatten haben Bemessungsströme bis zu 8 A.

Im Folgenden werden die Vorteile und Leistungsmerkmale verschiedener Technologien für Chipsicherungen beschrieben, einschließlich jener von Bauteilen in Dünnschichttechnik. Wesentliche technische Parameter wie Langzeitstabilität, Pulslastverträglichkeit und Reproduzierbarkeit sind dabei genauso von Bedeutung wie die Bewertungsfaktoren Bemessungsstrom, Nennspannung und die Zulassung durch Prüfungsinstitute.

Eine genaue Kontrolle über die Geometrie des Sicherungselements ist erforderlich, um den Bemessungsstrom von Chipsicherungen festzulegen. Die Strukturierung des Sicherungselements mit einem fotolithografischen Prozess ermöglicht präzise geometrische Konturen und löst unbenutztes leitfähiges Material zwischen den Anschlüssen heraus.

Mithilfe der Fotolithografie lässt sich die Länge und Breite des Sicherungselements präzise steuern, genauso wie die Dicke der gesputterten Dünnschicht. Bild 6 zeigt die Dünnschicht-Chipsicherungen der Serie »MFU« des Herstellers Vishay mit einem sauberen und fehlerfreien Sicherungselement. Damit verringern sich belastungsbedingte Abweichungen des Widerstandswerts, und die Reproduzierbarkeit in der Fertigung wird unterstützt. Bild 7 zeigt, dass die Kombination aus Dünnschicht-Sputtertechnik und Fotolithografie zu einer im Gegensatz zu Bild 5 sehr geringen Variation der Sicherungscharakteristik führt.

Genauso wie bei den Dünnschicht-Widerständen erfolgen nach den finalen Bearbeitungsschritten Lackieren, Markieren und dem galvanischen Herstellen der niederohmigen Anschlüsse eine automatische optische Inspektion und eine präzise Widerstandsmessung jeder gefertigten Chipsicherung. Nur jene Sicherungen, die den Qualitätsanforderungen und Toleranzen des Herstellers genügen, werden in einen Papiergurt verpackt. Auf diese Weise soll gewährleistet werden, dass diese Chipsicherungen die im Feld erwartete Leistungsfähigkeit bieten und, falls notwendig, Anwender und Gerätehersteller vor den Folgen gefährlicher elektrischer Überlastzustände schützen. (rh)

Ove Hach
ist in der Draloric/Beyschlag Resistors Division tätig

Vishay Electronic
Telefon 0 92 87/71 0
www.vishay.com

Literatur
[1] K. K. Wu, »Doppelt hält nicht besser«, Design&Elektronik 2/2008, S. 68ff.

Ist der thermische Widerstand zwischen Sicherungselement und Umgebung beispielsweise zu klein, steht nicht genügend Energie bereit, um das Sicherungselement zum Schmelzen zu bringen. Die Sicherung kann nicht rechtzeitig reagieren und Überlastströme, die doppelt so groß sind wie der Bemessungsstrom, nicht sicher unter 120 s abschalten.

Die Bilder 2 und 3 verdeutlichen diesen Fall bei mehrlagigen Chipsicherungen und lasergeschnittenen Dickfilm-Chipsicherungen.

Stabilität und Reproduzierbarkeit

Wie oben beschrieben, hängt die Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität der Sicherungscharakteristik in der Praxis vor allem vom Design des Sicherungselements und der Fertigungstechnik ab. Diese beiden Faktoren sind bei der Wahl der optimalen Chipsicherung von entscheidender Bedeutung.

Die Stabilität der Sicherungscharakteristik hängt eng mit dem Bauteildesign zusammen. Die Reproduzierbarkeit wiederum hängt vor allem von der Prozessstabilität und Präzision der Fertigungstechnik der Chipsicherung ab. Was bedeutet eigentlich elektrische Stabilität im Rahmen einer Sicherungscharakteristik? Der ohmsche Widerstand der Chipsicherung ist der Parameter, der die Sicherungsmerkmale bestimmt. Da die zugeführte Energie unter Überlast proportional zum Widerstandswert ist, wird eine Sicherung bei zunehmendem Widerstand schneller durchschmelzen. Im Gegensatz dazu führt ein geringerer Widerstand zu einer längeren Schmelzdauer. Die Erfahrung mit Dickfilm-Widerständen hat gezeigt, dass thermische Belastungen wie kurzzeitige Überlast, Löten und Pulsbelastung den elektrischen Widerstand langsam erhöhen. Genau dieses Phänomen ändert die Charakteristik einer Chipsicherung, was kürzere Schmelzzeiten zur Folge hat. Sicherungselemente, die verschiedene Materialien enthalten, zum Beispiel Bronze für einen hohen I²t-Wert, sind nach mehrmaliger thermischer Belastung besonders empfindlich hinsichtlich schnellerer Abschaltzeiten. Die Belastungen verursachen eine Oberflächendiffusion der einzelnen Materialien. Bild 4 zeigt den fortschreitenden Diffusionsprozess von Bronze nach Pulsbelastungen.

Standard-Schmelzsicherungen basieren auf einem Metalldraht in einer gekapselten Keramik- oder Glasröhre, die mit Luft oder Sand gefüllt ist. Chipsicherungen verwenden ein grundlegend anderes Prinzip. Die meisten Chipsicherungen sehen wie Standard-SMD-Bauelemente aus und bestehen aus einem ein- oder mehrlagigen Keramiksubstrat. Ältere Designs basieren auf Epoxy-Glasfaser-Substraten, ähnlich wie bei Leiterplatten. Das grundlegende Sicherungselement auf einem ein- oder innerhalb eines mehrlagigen Substrats basiert auf einem sehr leitfähigen Material wie Kupfer, Gold, Silber-Palladium oder Legierungen aus Kupfer und Zinn. Eine solche Bronzelegierung kann die Widerstandsfähigkeit der Sicherung gegen Einschaltstoßströme (inrush current) erhöhen, ist aber weniger stabil gegen Wärmebelastung, was nach mehreren Einschaltstromstößen zu einem vorzeitigen Auslösen führen kann.

Die Sicherungscharakteristik (Bild 1) ist ein wesentliches Merkmal einer Schmelzsicherung. Der Bereich innerhalb der grün schraffierten Fläche weist den normalen »transparenten « Betrieb innerhalb des Bemessungsstroms IR aus, der für die dargestellte Sicherung 5 A beträgt. Die blaue Linie beschreibt die Schmelzzeiten bei bestimmten Überstromwerten. Oberhalb von 5 A führt die elektrische Leistung, die innerhalb des Sicherungselements entsteht, also zum Schmelzen oder Verdampfen des Elements.

Die zum Schmelzen der Sicherung erforderliche Energie bestimmt sich aus dem I²t-Wert, auch Schmelzintegral genannt. Nimmt der Überstrom zu, verkürzt sich die Abschaltzeit beziehungsweise die Zeit für das Öffnen der Sicherung. Bei doppeltem Bemessungsstrom sollte eine Sicherung meist innerhalb 1 s bis 3 s öffnen, beim zehnfachen Bemessungsstrom hingegen in weniger als 0,1 ms.

Bei normalen kurzzeitigen Einschaltströmen sollte die Sicherung allerdings nicht öffnen. Dies ist der Bereich zwischen der grün schraffierten Fläche und der blauen Linie und definiert die Pulsverträglichkeit einer Chipsicherung. Sie hängt von den Eigenschaften des Sicherungselements ab und lässt sich zum Beispiel durch einen größeren Querschnitt erhöhen. Als Faustregel für Elektronikentwickler gilt: Der maximale I²t-Wert des Einschaltstromimpulses sollte weniger als 50% des maximalen Nennwertes des Schmelzintegrals der Sicherung betragen.

Um die jeweils gewünschte Charakteristik zu erzielen, kann das Sicherungselement je nach Substrat eine lasergeschnittene Dickfilmschicht oder eine chemisch geätzte Metallschicht sein. Gebondeter Golddraht eignet sich ebenfalls. Form und Dicke legt der Hersteller so fest, dass das Element unter Überlast in einer bestimmten Zeit schmilzt, sobald der elektrische Strom einen bestimmten Wert erreicht. Allerdings bestimmt sich die Schmelzdauer der Sicherung nicht allein durch den Querschnitt des Sicherungselementes sondern auch durch den thermischen Widerstand zwischen Sicherungselement und Umgebung. Der Wärmewiderstand hängt von der Beschaffenheit des Sicherungselements, des Substrats, des Schutzlacks, der Anschlüsse und auch vom Layout der Leiterplatte ab. Die Präzision der Schmelzzeit – und damit die Effektivität des bereitgestellten Schutzes – hängt von der Produktionstechnik und dem Produktdesign ab.