易熔合金元件、具有易熔合金元件的热熔断器以及制造热熔断器的方法

专利名称：易熔合金元件、具有易熔合金元件的热熔断器以及制造热熔断器的方法
易熔合金元件、具有易熔合金元件的热熔断器 以及制造热熔断器的方法
技术领域：
本发明涉及易熔合金元件，特别是为了用在热熔断器中，以在强电 流应用中防止保护模块，特别是它的控制设备过热。
为了防止过热、保护电模块，需要不可逆的热熔断器。当环境温度 太高时这些热熔断器中断(触发)通电的导线。在这种情况中热熔断器 是如此设计的，即这个中断温度不是由于可能出现的通过电流达到的， 这样就保证这个断开温度不是通过强电流引起的，而是仅能通过太高的 环境温度引起。也就是说热熔断器是用于为电模块提供一个独立的断开 电路使用。当在模块中出现不允许的高温时，例如结构元件出故障、短 路、例如通过外部作用、绝缘材料的功能故障等，该电路可靠地中断电
、、云
传统的热熔断器通常是以 一 种固定的弹簧(例如钎焊的板式弹簧) 的方案为基础，在这种热熔断器中在温度的作用下固定断开(例如通过 熔化)。这样通过弹簧力将热熔断器打开。然而在这种情况中，在正常 运行时，也就是在热熔器的关闭状态时有 一种机械力作用到连接部件 上，在汽车领域特别是在长时间运行时这会导致质量问题，例如导致钎 焊部位的损坏。
一种热熔断器的一个替代的实施形式使用一种传导性的易熔材料。 当达到断开温度时该易熔材料开始熔化，通过此措施中断连接。
在使用易熔材料的热熔断器中要注意的是当安装过程温度超过熔 化桥的熔化温度时这个熔化桥不能已在安装过程中就已熔化，要不然在 热熔断器的生产时电流电if各就已中断。
在为制造这种类型的热熔断器使用由 一种易熔材料预制成的易熔 合金元件时存在这样的危险，即例如在钎焊易熔合金元件时已在安装热 熔断器时至少部分的易熔材料如此地-故熔化，即电流电路中断。这么一 来这种熔断器已在它的使用前就不能使用了。
因此在用于固定这样 一种易熔合金元件的钎焊过程中或者是保证 该易熔合金元件只有局部地被熔化，这就要求对钎焊过程的非常精确的 控制。在用于固定在连接部位上的易熔合金元件的局部熔化时可能会出现其它的冷的钎焊部位。这些冷的焊部位明显地对电连接的过程可靠 性和质量构成损害。或者必须使用具有低于易熔合金元件的熔化温度的 熔化温度的合适焊料，以钎焊易熔合金元件。然而这要求使用一种专用 焊料。这种焊料可能的断开温度必须明显地低于易熔合金元件的熔化温 度。
本发明的任务是提供一种热熔断器和 一种易熔合金元件。这种易熔 合金元件由于元件的故障、短路，例如通过外部作用、绝缘材料的功能 故障出现不允许高的温度时通过熔化可靠地中断电流，其中，触发机制 主要与环境温度有关，与电流无关，这样也能可靠地识别只导致比允许 的最大电流要小的电流的故障。特别是应该保证通过给冲压栅装配有易 熔合金元件可以简单方式构造热熔断器，而不会在制造期间的过程中亏I 起易熔合金元件的完全的或者部分的熔化。
这个任务通过按照权利要求1所述的易熔合金元件、按照并列的权 利要求所述的热熔断器、易熔合金元件的应用以及制造热熔断器的方法 得以完成。
在从属权利要求中对本发明的其它有利的方案进行了说明。 根据第一方面特别是为制造一种熔断器规定一种易熔合金元件。这 个易熔合金元件包括由一种在触发温度时可熔化的材料构成的易熔元 件和 一个至少在易熔合金元件的接触区域中的 一个表面上的支承层。支 承层的材料的熔化温度高于触发温度，其中，支承层的材料是如此选择 的，即在固体状态时其溶解到易熔元件的已熔化的材料中。
通过这种措施提供一种易熔合金元件。这种元件可更加简单和更加 可靠地安装，因为这种元件在钎焊或者其它的安装过程时具有高的抗高 温能力。在安装易熔合金元件时的过程温度不会立即导致易熔合金元件
的流走(Zerf 1 i e s sen)，因为通过减小表面张力阻碍了在过程温度中易 熔元件的熔化材料的收缩。换句话说由于它的表面张力的易熔元件的熔 化的材料的收缩在设置了支承层时没有获得能量。此外支承层是如此设 置的，即它不是持久地阻碍易熔合金元件的流走，因为支承层的材料可 以在易熔元件的材料中溶解。
此外，易熔元件的材料可以包含锡，并且支承层的材料可以具有铜。 根据一个实施形式这个易熔元件为长方体形设计，为的是在用作热 熔断器时提供规定的电流分布。此外，支承层可在表面上连续地形成。特別是支承层可在易熔元件 的表面上和对置的表面上形成，并且特别是完全地包围着易熔元件。
根据一个实施形式可如此地选择支承层的厚度和材料，为的是当易 熔元件的材料熔化时不在 一个规定的时间期限之前完全地溶解在易熔 部件的熔化的材料中。
此外，可在表面上设置一个或者多个附加层。这些层包括焊料层、 防腐蚀层和附着改进层中的至少一个。
根据本发明的另一方面设置具有在冲压栅上的连接部位且具有一 个上述的易熔合金元件的热熔断器。所述易熔合金元件用表面固定，特 别是焊在连接部位上。
此外还规定，将易熔合金元件应用在一个热熔断器的 一个电流电赠-中。
根据本发明的另 一方面规定了用于制造热熔器的方法。它包括下述
步骤将一种接触材料，特别是焊料涂覆到连接部位上；如此地安置上 述的易熔合金元件，即支承层的至少一个区域位于接触材料上；将接触 材料加热到它的熔点或者超过它的熔点，这样，在持续时间内，接触材 料和支承层及连接部位的材料相连接，上述持续时间受到这个持续时间 的限制，按照这个持续时间支承层的材料在支承层的区域中完全溶解到 易熔元件和接触材料的已熔化的材料中。
下面借助附图
对本发明的一些优选的实施形式进行详细的说明。这 些附图是
图la至图le:根据本发明的不同的实施形式的易熔合金元件的实 施形式；
图2:根据本发明的易熔合金元件的另一实施形式；
图3a至图3b:在一个冲压栅上用于固定易熔合金元件的方法的示
图3c:热熔断器在触发后的示图。
根据本发明的易熔合金元件1主要包括一个具有一个由一种可熔材 料构成的易熔元件2的棒形块。易熔元件2包含一种金属或者另一种具 有良好导电能力的合金或者材料，当易熔合金元件1安装到热熔断器中熔合金元件的足够大的横 截面、足够低的比电阻以及和环境的良好的热连接即使为最大允许电流 时和环境相比较易熔合金元件1的加热也是很低的。
如此地选择易熔元件2的材料的熔点，即在由于运行故障，例如电 子部件的故障，绝缘材料的功能故障，由于外部作用造成的短路而使温 度升高超过熔化温度时所述块熔化，并且在这种情况中使通过易熔合金 元件而存在的电流电路中断。
将易熔合金元件1设置在否则两个彼此电绝缘的连接点之间，例如 钎焊在那里。在钎焊易熔合金元件1时必须注意，这个易熔合金元件1 不会在安装期间就已中断电流电路。当在此温度等于或者大于易熔元件 2的熔化温度时会出现这种情况。
因此或者是必须保证在钎焊过程中易熔合金元件1或者是在固定时 并且在和连接部位连接时或者仅局部熔化，或者是借助一种其熔点低于 易熔元件2的熔点的焊料进行钎焊。
为了简化具有这种类型的易熔合金元件1的热熔断器的制造过程设 置一种支承层4。用这种支承层将易熔合金元件1设置到连接部位，或 者焊牢在那里。这个支承层4具有高的熔点。这个熔点比可熔化的材料 2和在钎焊过程中所使用的焊料的熔点要高。此外还规定支承层4由这 么一种材料构成，即它可緩慢地在易熔元件2的材料中溶解，也就是溶 化。对于易熔元件2例如具有30%以上、50%以上、70%以上，特别优选 是80%以上的足够的锡成分的材料可以考虑用可能的材料系统。铜或者 具有高比例的铜成分，如70%以上的铜合金可以用作支承层4的材料。 铜是有利的，因为铜已在固体状态时溶在液态锡中。其温度相当于它的 熔化温度，大体为10 (im/min,其中，这个数值对于每超出熔化温度10 K温度大体翻一倍。易熔元件2的材料和支承层4也可以使用其它的材 料系。
因此，在将易熔合金元件1设置到相应的连接部位上时使用一种常 规的焊料，例如和易熔元件2的材料相同的材料。在这种情况中易熔合 金元件1的易熔元件2完全或者部分地熔化，支承层4的材料开始在已 熔化的易熔元件2的材料中溶解。在支承层完全溶解前钎焊过程应该结 束。只要支承层4还没有完全地溶解在已熔化的易熔元件中，它就阻碍 易熔合金元件1收缩到一个或者多个连接部位中，这是由于它减小表面张力。支承层4的厚度和用于将易熔合金元件1固定在连接部位上的钎 焊过程的持续时间是如此选择的，即只有支承层4的一部分溶化，这样， 虽然易熔元件2熔化但是电流电3各并不中断。
在触发的情况下在易熔合金熔化后在钎焊过程后在安装期间存留 的支承层4溶化在易熔元件2的熔化的材料中，并且易熔合金元件1中 断电流电路，这是由于熔化的材料的部分由于熔化的材料的表面张力例 如成滴形地堆积在连接部位上。
在最终使用时，当温度的提高超过易熔元件2的熔化温度时应使响 应的滞后尽可能地短。
与利用具有较低的熔点的焊料进行钎焊相比这个发明的优点在于 易熔合金元件1在连接部位上的接触可用如易熔合金一样用的焊料产 生，这样也可以选择具有较低触发温度的热熔断器，因为在用于将易熔 合金元件1固定在连接部位上的焊料的熔化温度和易熔元件的可熔化的 材料的熔化温度之间不必设置温度差。
在图la至图le中示出了易熔合金元件1的不同的设计。如图la 所示，易熔合金元件1具有一个易熔元件2。支承层4在一侧设置在这 个易熔元件2上。这个支承层4设置在易熔元件的这一侧上，在热熔器
的下一道安装工序中该侧和连接部位连接或者钎焊。
除了图la所示的易熔合金元件1的实施形式外还可以有其它的实 施形式。这些实施形式在支承层的设置上是有区别的。在图lb中支承 层4不是平地设置在易熔元件2的用以安装易熔合金元件1的表面上， 而是仅设置在这些区域上，即应和连接部位连接的那些区域上。这就是 说，这个支承层4例如在中间区域是中断的。然而在对置的表面上和/ 或在一个侧面(图所示的平面)设置了一个连续的支承层，以引起阻止 易熔元件的熔化的材料的收缩的效应。
从图lc到图le的实施形式中可以看出，可在易熔元件2的两侧(或 者在两个或者在两个以上的不同表面，这些表面在易熔合金元件1的接 触部位之间延伸)设置支承层4,为的是只在易熔元件2完全熔化时， 并且在紧接着的支承层4的材料溶解到已熔化的易熔元件2的材料中时 才引起通过易熔合金元件1形成的热熔断器的触发。
此外，根据图ld的实施形式可以规定易熔元件2完全一皮支承层4 包围，这样就可避免易熔元件2的材料从在表面上对置的支承层4之间的区域中流出来。这样就可避免对置的支承层4;波此靠近和;波此接触， 因为不再存在有易熔元件2的熔化材料，不再能溶解，这样就可能阻止 热熔断器的断开。
在图le中在图Id的实施形式的基础上示出，除了支承层外还可以 设置一个或者多个其它的层。这些层相应地承担附加功能。例如在图2 中示出图le的易熔合金元件1的部分图，在该图中可以看到的易熔元 件2上一方面设置了支承层4和一个附加层5。
这个附加层5例如可以是一个焊料层，这个焊料层使得为了钎焊易 熔合金元件1在连接部位之间附加地设置焊膏等成为多余。然后易熔合 金元件1的钎焊可通过将易熔合金元件1放置到连接部位上，并且通过 相应的力口热进4亍。
除此之外这个附加层5也可以附加地或者代替地是支承层4的防氧 化层，以提供更高的防腐蚀能力。用于此的可能的材料例如是Entec或 者SnAg-Cu。
此外，这个附加层5可代替地或者附加地是一个附着改进层。这个 层例如具有Ni或者Au,以便在一个替代实施形式中简化易熔合金元件 1粘附或者胶接到连接部件的工作。此外，附加层或附加层之一可以包 含一种焊剂。
优选地是如此地选择一个或者多个附加层的材料，即当易熔元件2 熔化时这些材料也在其中溶解或者熔化或者由于加工温度而蒸发。
在图3a和3b中示出一个热熔断器的安装过程。图3a示出一个工 序状况。这个工序状况表示图la的实施形式的一个易熔合金元件1在 安装到冲压栅7的线路区域9的连接部位之前的情况。冲压栅7的连接 部位6设置有焊膏8。将易熔合金元件放置到焊膏上，并且接着将焊膏 8加热到超过它的熔化温度。在这种情况中易熔元件2也,皮加热，并且 易熔合金元件1的支承层4既在焊膏8中溶解并且也在易熔元件2中溶 解，只要易熔元件2也已熔化。
其在图3b中如下可清楚地示出，即在易熔元件2钎焊在连接部位 上的那些部位上的支承层比起其它区域中的支承层要薄。支承层4的厚 度和易熔元件和支承层4的材料是如此选择的，即例如通过钎焊可达到 易熔合金元件1可靠地固定在连接部位上，而支承层4并不完全地溶解 在易熔元件2的熔化的部分中。通过这种做法会损害钎焊过程的可靠性，因为通过热熔断器的易熔合金元件1可能出现电流电路的中断。然而如
下限制了厚度，即在触发状态时支承层4的材料在易熔元件的已熔化的
材^H"中在短时间内，例如在i到io秒钟内尽可能完全地溶解。因此通
过厚度可以调节热熔断器的惯性。
在图3c中示出了在触发情况后的热熔断器的情况。在这种情况中 由于高的环境温度而使易熔合金熔化，并且支承层4溶解在已熔化的易 熔元件2中。由于表面张力已熔化的易熔合金部分被拉到导线区域9, 在这些区域由于它们的表面张力其分别收缩成滴形。由于易熔元件2的 已熔化的材料的表面张力和亲合性而在导线区域9上收缩，所以易熔元 件的已熔化的材料从导线区域9之间的区域中^皮拉出来，并且在那里,皮 分开。
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权利要求
1.特别是用于制造热熔断器的易熔合金元件(1)，它包括由在触发温度时能熔化的材料制成的易熔元件(2)；在表面上的至少在易熔合金元件(1)的接触区域中的支承层(4)，支承层(4)的材料的熔化温度比触发温度高，支承层(4)的材料是如此选择的，即在固态时该材料溶解到易熔元件的熔化的材料中。
2. 按照权利要求1所述的易熔合金元件(1),其中，易熔元件 (2)的材料包括锡，支承层(4)的材料具有铜。
3. 按照权利要求1或2所述的易熔合金元件(1 )，其中，易熔 元件(2)设计成长方体形。
4. 按照权利要求1至3的任一项所述的易熔合金元件(1 ),其 中，支承层(4)连续地形成在表面上。
5. 按照权利要求1至4的任一项所述的易熔合金元件(1 ),其 中，支承层(4)形成在易熔元件(2)的所述表面上和对置的表面上， 并且特别是完全地包围易熔元件(2)。
6. 按照权利要求1至5的任一项所述的易熔合金元件(1 ),其 中，选择支承层(4)的厚度和材料，以在易熔元件(2)的材料熔化时 不在确定的时间期限前完全地在易熔元件(2)的熔化的材料中溶解。
7. 按照权利要求1至6的任一项所述的易熔合金元件(1 ),其 中，在表面上设置一个或者多个附加层(5)，所述附加层包括焊料层、 防腐蚀层和附着改进层中的至少一个层。
8. 具有冲压栅(7 )上的连接部位和具有按照权利要求1至7的 任一项所述的易熔合金元件(1)的热熔断器，所述易熔合金元件(1) 用表面固定特别是焊在连接部位(6)上。
9. 将按照权利要求1至7的任一项所述的易熔合金元件(1 )用 在热熔断器的电流电路中。
10. 用于制造热熔断器的方法，具有下述步骤 -将接触材料，特别是焊料设置在连接部位上；-安置按照权利要求1至7的任一项所述的易熔合金元件(1 ),从 而支承层(4)的至少一个区域位于接触材料上；-将接触材料加热到它的熔点或者超过它的熔点，从而在一个时间 段内接触材料和支承层(4)的和连接部位(6)的材料连接，所述时间段受到下述时间段的限制，即按照这个时间段在支承层(4)的区域上 的支承层(4)的材料完全地溶解到易熔元件(2)和接触材料的熔化的 材料中。
全文摘要
本发明涉及一种特别是用于制造热熔断器的易熔合金元件(1)，它包括由在断开温度时易熔的材料构成的易熔元件(2)和位于易熔合金元件(1)的至少一个接触区域中的一个表面上的支承层(4)，其中，支承层(4)的材料的熔化温度高于断开温度，如此地选择支承层(4)的材料，即在固体状态时该材料溶解到易熔元件(2)的熔化的材料中。
文档编号H01H37/76GK101641758SQ200880009835
公开日2010年2月3日 申请日期2008年2月1日 优先权日2007年3月26日
发明者G·舒尔策-伊金-科纳特, M·米勒, N·哈伯尔, N·纳布, S·斯坦普弗, S·科特豪斯, T·莫尔 申请人:罗伯特·博世有限公司