Die Leiterbahn als Sicherung

Eine konsequente Weiterentwicklung der Geschichte?

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Die Themen „Geräteschutz-“ oder „Schmelzsicherungen in der Elektronik“ sowie Informationen über Funktion und Risiken der Sicherheitsbauteile gehören i.d.R. leider nicht zum Curriculum an Meister-, Techniker- oder Fachhochschulen. Entsprechend groß ist die Unkenntnis in den Entwicklungs- und Serviceabteilungen der Elektrounternehmen über diese sicherheitsrelevanten Bauteile. Laienhafte Vorstellungen und tradierte Vorurteile über Funktionsprinzip und Funktionseinschränkungen der Schmelzsicherungen sind daher in der Praxis oft anzutreffen.

Besonders erschreckend und innovationsfeindlich sind jedoch Vorurteile und Ressentiment gegenüber den Möglichkeiten, Leiterbahnen als Sicherungen zu gestalten, um so eine höhere Integrationsdichte und mehr Sicherheit zu erhalten.
Die Intention dieses Beitrags ist daher als Versuch anzusehen zu informieren und gegen diese Vorurteile anzugehen, zumindest aber ein neues Denken anzuregen. Dieses neue Denken wird vielleicht nicht ganz im Sinne der Sicherungshersteller sein.

Von der Chipsicherung zur integrierten Leiterbahnsicherung

Die vereinfachte Darstellung der physikalischen Grundlagen von Geräte- und Kleinstsicherungen im Beitrag „Eine kurze Einführung zur Physik...“ lässt bereits die Vorteile einer Schichtsicherung erahnen. Der berechenbare Einfluss von Material und Geometrie der Schichtschmelzleiter ermöglicht offensichtlich eine große Variationsbreite der Sicherungseigenschaften.

Wie sich zeigen wird ist es dabei (fast) gleich, ob der „Schichtschmelzleiter“ auf einem Chip oder direkt auf der Leiterplatte realisiert wird.

Schichtsicherungen sind zwar nicht so neu, aber ihre Entwicklung wurde lange Zeit aus oben genannten Gründen vernachlässigt. Viele Ansätze sind aber auch an der übermächtigen Dominanz der Drahtsicherungen gescheitert. Erst die zunehmende Miniaturisierung machte die Schichtsicherung interessant und wohl auch notwendig. Ihre Möglichkeiten sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht werden heute allein durch ihren millionenfachen Einsatz belegt.

Die folgenden Beschreibung der zwischen 2006 und 2008 durchgeführten Untersuchungen werden zeigen, dass die Grenzen zur Miniaturisierung bei Drahtsicherungen erreicht sind und die bessere Beherrschbarkeit von Schichtsicherungen als logische Konsequenz in der als Schmelzleiter (Sicherung ) ausgelegten, in die Schaltung integrierte Leiterbahn mündet.

Die im folgenden dargestellten Ergebnisse wurde nicht mehr bei den Wickmann Werken erarbeitet. Die Bilder stammen aus dem historischen Archiv der Firma Wickmann oder von Pasten- oder Leiterplattenherstellern.

Ich danke an dieser Stelle der Firma Fischer-Leiterplattentechnik für ihre Unterstützung bei der Prüfung und Erstellung von Vorversuchsmustern.

Chipsicherung = Leiterbahnsicherung ?

Chipsicherungen sind - bis auf wenige Ausnahmen – identisch aufgebaut. Auf einem Trägermaterial z.B. aus Keramik, Glas, Folie oder Leiterplatte werden die Funktionsschichten Anschlüsse, Zuleitungen und der Schmelzleiter aufgebracht. Die Leiter-Materialien sind – wie bei Drahtschmelzleitern – in der Regel Ag, Cu, Sn oder eine Kombination aus den genannten Metallen. Die Metallisierung des Träger-Substrats geschieht meist im Dünnschicht- (Sputtern), im Dickschicht- (Sieb- oder Schablonendruck) oder in einem galvanischen Verfahren. Die ältesten mir bekannten und heute noch aktuellen Strukturen wurden 1981 bei Wickmann erprobt.

Die hier abgebildeten vier Ag-Schmelzleiter sind auf einer Glaskeramik (1981 wurde Al₂O₃ Keramik eingesetzt) gedruckt und waren für den Einbau in ein normales Keramikrohr 5*20mm vorgesehen. Die Struktur erlaubte die Realisierung eines Nennstrombereichs von ca. 0,5A – 6,3A bei einer Nennspannung von 250V AC.
Erst 1986 wurde von Wickmann eine SMD-Chipsicherung auf der Electronica in München vorgestellt, der WTF-Chip.

Das ist keine Sensation, wie man vielleicht glauben mag. Die Chipsicherung wurde belächelt und die Firma Wickmann stellte alle Entwicklungsaktivitäten ein. Der Grund war wieder das Vorurteil „eine Sicherung muss auswechselbar sein“. Wie wir heute wissen liegt hier ein grundlegender Irrtum.

Die Konkurrenz entwickelte weiter und brachte um die Jahrtausendwende Chipsicherungen auf den Markt, die heute millionenfach eingesetzt werden und deren Struktur sich kaum von den 20Jahre älteren WTF unterscheiden, wie ein Blick in die Kataloge und Datenblätter der Sicherungshersteller zeigt.

Der direkte, optische Vergleich von Leiterbahn und Chipsicherung verdeutlicht die Übereinstimmung der Strukturen und lässt erahnen welches Entwicklungspotential die Leiterbahnsicherung eröffnet.

Die Ähnlichkeit der Chipsicherung (hier in einer Vorstufe auf einem Glassubstrat) mit einer Leiterbahn ist verblüffend.

Tatsächlich ist eine Chipsicherung nichts Anderes als eine Leiterbahn auf einem Stück Leiterplatte, das als Chip aufgelötet wird. Auf dem Chip gelten die gleichen physikalischen Bedingungen wie auf der Leiterplatten. Das Sicherungs-know-how liegt im Wesentlichen in der Gestaltung des als „hot spot“ ausgebildeten Schmelzleiters und in der Abstimmung der Zuleitungsgeometrien.

Warum es keine professionell ausgelegten Leiterbahnsicherungen gibt, liegt an den bereits erwähnten Vorurteilen, an der Gegenwehr der Hersteller von Chipsicherungen und an den fehlenden Normvorgaben.

Warum es dennoch sinnvoll ist sich mit Leiterbahnsicherungen zu beschäftigen und warum sie eine Zukunft haben, sollen die folgenden Ausführungen zeigen.

Über den Unsinn „Leiterbahnsicherung“

Bevor ich zu den zukunftsweisenden Vorteilen (und natürlich auch zu den Grenzen der LB-Sicherung) komme möchte ich den häufigsten Vorurteilen entgegentreten.

"LB-Sicherungen sind nicht austauschbar. Wenn sie abschalten ist die ganze Platine Schrott."

Das ist zwar richtig, trifft aber auch auf Chipsicherungen zu. Keine einlötbare Sicherung ist für den Austausch vorgesehen. Die thermische Belastung durch einen Einlötvorgang ist um so größer, je kleiner die Sicherung ist. Die Verschiebung der Kennwerte kann, je nach Lötmethode, erheblich sein.

Es gibt andere Lösungen um eine Baugruppenplatine dennoch zu retten, und die sind bei LB-Sicherungen vielfältiger als bei Chipsicherungen. Außerdem lassen sich LB-Sicherungen individuell besser anpassen, was die Ansprechwahrscheinlichkeit deutlich herabsetzt und damit die Gerätesicherheit erhöht.

"LB-Sicherungen sind nicht genormt."

Auch das ist richtig. Für Chipsicherungen gilt u.A. die Norm DIN IEC 60127-4. Allerdings erfüllen die wenigsten Chipsicherungen dies Norm vollständig. Die einzige, nach dieser Norm träge Chipsicherungen wurde 2002 von Wickmann auf den Markt gebracht. Alle Anderen verdienen die Kennzeichnung "träge" nicht.

Wie bei Chipsicherungen üblich, dürfte ein Zertifikat in Anlehnung an geltende Normen durch Prüfstellen wie den VDE möglich sein (was bei einem optimal angepassten Schutz durch eine LB-Sicherung sicher besser und leichter zu erhalten ist als für eine unqualifizierte Fantasiesicherung).

"LB-Sicherungen müssen neu erfunden werden."

Ja und Nein!

Nein - weil alle Definitionen die für Chipsicherungen gelten weitgehend auch für Leiterbahnsicherungen gelten.

Ja – gibt es nicht (siehe bei Nein). Alle mir bekannten Argumente, die dieses Vorurteil zu bestätigen scheinen, sind Scheinargumente, weil kein Interesse besteht das Sicherungs-know-how auf die Leiterplatte zu übertragen. Sowohl Geräte- als auch Leiterplattenhersteller werden da ziemlich allein gelassen.

Was auch immer es noch für Vorurteile gibt: Sie sind interessenbedingt und nutzen die Unkenntnis in den Entwicklungsabteilungen der Geräte- und Leiterplattenhersteller aus. Wie groß die Wissenslücke ist (übrigens z.T. auch bei den Sicherungsherstellern), zeigen die gefährlichen Versuche auf Leiterplatten bei manchen Billiggeräten. Es reicht nicht eine Leiterbahnverengung einzubringen und diese dann per Beschluss als Sicherung zu bezeichnen. Das kann dann, wenn die Sicherung abschalten soll, so aussehen:

Ein Sicherungsfachmann macht daraus erst eine Sicherung die dann nach dem Abschalten so aussieht:

(Der asymmetrische Abschaltbereich ergibt sich aus den sehr einfachen Versuchsbedingungen)

Wie macht man eine Leiterbahnsicherung?

Natürlich sind für die Entwicklung von Leiterbahnsicherungen gute Kenntnisse über Aufbau und Funktion von Schmelzsicherungen notwendig. Aber mindestens zu gleichen Teilen sind Kenntnisse über Aufbau und Funktion von leitenden Schichten und deren Wärmemanagement notwendig. Das wird man bei den meisten Entwicklern der Sicherungshersteller vergeblich suchen. Es sei denn sie haben bereits mit Chipsicherungen in Schichttechnik gearbeitet. Für das Leiterplatten-Design gehört es dagegen zum Grundwissen.
Das grundlegende Wissen liegt – wie gesagt - in der Gestaltung des eigentlichen Schmelzleiters, des hot spots (hs). Was dabei zu beachten ist habe ich im Beitrag „kurze Einführung zur Physik“ bereits angerissen. Um die geometrische Formgebung des hs durchzuführen, sind verschiedene Technologien einsetzbar. Bei vielen Entwicklern ist da der erste Gedanke an die Lasertechnik. Das ist grundsätzlich möglich wie das folgende Foto zeigt

Das Foto zeigt aber auch die offensichtlichen Probleme z.B. an den Schnitträndern. Die in den meisten Firmen vorhandenen Laser sind Beschriftungs-, Abgleich- oder Schweißlaser, die als Dioden-, YAG- oder Co₂-Laser in einem Wellenlängenbereich des Lichts von ca. 800-1100nm arbeiten. Cu hat sein Absorbtionsmaximum jedoch bei einer Wellenlänge von ca. 300nm. Das bedeutet, dass die Leistung des Lasers sehr hoch eingestellt werden muss und so stark verschmolzenen Schnitte entstehen, die z.T. bei Ausdehnung der Leiterbahn zu leitfähigen Brücken führen können. Grundsätzlich ist zwar nichts unmöglich, aber es gibt bessere Methoden der Gestaltung, etwa galv. Abgleich oder nachträgliches galv. Beschichten der hs-Region.

Nicht uninteressant ist es, den Wärmehaushalt der Schaltungsumgebung zu nutzen.
Die vom hs zum Abschmelzen benötigte Widerstandserhöhung und der daraus resultierende Wärme wird teilweise von der Umgebung geliefert. Der Abschmelzstrom im Überstrombereich sinkt Belastungsabhängig und die Sicherheit in diesem kritischen Bereich wird so erhöht. Der im Beitrag zu Sicherungswiderständen beschriebene SWK der Firma Wickmann nutzt diesen Effekt gezielt aus.

Der bereits mit einem Kunststoff abgedeckte hs wird durch den daneben liegenden Widerstand „lastabhängig vorgeheizt“. Die Strom-Zeit-Kennlinie der Sicherung wird im Strombereich nach links zu kürzeren Zeiten Verschoben. Das Besondere ist, dass dies „lastabhängig“ geschieht und nicht - wie bei einer Alterung - statisch und undefiniert.

Das Fazit

Leiterbahnsicherungen sind, wie Sicherungen allgemein, ein sehr komplexes Gebilde. Sie als Schutzelement in einer Applikation einzusetzen, ohne die ausreichenden Kenntnisse zu haben, ist sträflicher Leichtsinn.
Sie zu ignorieren bedeutet die Zukunft zu ignorieren.
Neben den wirtschaftlichen Vorteilen - weil z.B. das Design wird nur einmal bezahlt wird, weil die Fehlerquelle „Lötung“ entfällt und weil ein hoher Miniaturisierungsgrad sowie Schaltungskombinationen wie z.B. Sicherungsarrays möglich sind - ist besonders der bessere Schutz festzuhalten.

Es war bis zum Erscheinen der ersten Normung durch den VDE 1943 (VDE 0820) üblich, den Überstromschutz individuell für ein bestimmtes Gerät zu entwickeln. Ein Sicherheitsvorteil der z.T. Durch die Normung aufgegeben wurde.

Auf dieser Internetseite kann nur Nachdenklichkeit erzeugt und leider nur Anregungen und keine fertigen Lösungen gegeben werden.
Wenn der Bedarf nach weiteren Informationen besteht, bin ich zu tiefergehenden Auskünften gern bereit.

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Oktober 2009 - Es gibt Neues zu berichten!!!

Im November 2008 wurde im GoPCB-Forum eine Diskussion über die Möglichkeiten von integrierten Leiterbahnsicherungen angeregt. Bis heute hat sie bereits über 12.000 Leser gefunden. Darüberhinaus habe ich mehrere konkreten Anfragen zu diesem Thema bekommen.
Grund genug also an dieser Stelle über ein im Sommer 2009 gestartetes Projekt zu berichten dessen Ziel es ist Aufgabe, Möglichkeiten und Bedingungen von integrierten Leiterbahnsicherungen zu Untersuchen.
Gemeinsam versuchen seitdem drei Firmen aus den Bereichen PCB-Herstellung, Elektronik- und Systementwicklung herauszufinden ob die Gerätesicherheit durch individuellen Überstrom- und Kurzschlußschutz sowie weniger Lötstellen verbessert werden kann.
Ein starkes Argument für eine Förderung des Projektes war nicht zuletzt eine Recherche über Wohnungsbrände die durch eine Statistik des IFS (Institut für Schadenverhütung und Schadenforschung der öffentlichen Versicherer e.V. - Kiel) eindrucksvoll dokumentiert ist:

Das Elektrogeräte sicherer werden müssen wird noch eindrucksvoller durch eine Information der Feuerwehr Düsseldorf belegt:



" Es brennt schneller als man denkt!   In Deutschland ereignen sich jährlich zirka 230.000 Brände in Privatwohnungen....... (sgl) In Deutschland kommen jährlich zirka 600 Menschen durch Wohnungsbrand zu Tode und mehr als 6.000 Brandopfer erleiden schwerste Brandverletzungen, die oft dauerhafte gesundheitliche Beeinträchtigungen zur Folge haben. Häufige Auslöser für Wohnungsbrände sind einerseits technische Schwachstellen wie schadhafte elektrische Leitungen, defekte Sicherungen und fehlerhafte Elektrogeräte "

Nicht in allen Fällen hätte eine Sicherung Schaden verhüten oder gar Leben retten können aber mit einer optimal angepassten, individuell ausgelegten Schmelzsicherung sicherlich in deutlich mehr Fällen.


Aktueller Stand des Projektes (Oktober 2009):

Bisher wurden verschiedene Verfahren des individuellen Widerstandsabgleichs der integrierten Sicherung erfolgreich getestet. Nach erfolgreichen Versuchen mit verschiedenen Verfahren zum Geometrie- und Widerstandsabgleich des Schmelzleiter-hot spots werden aktuell erste Prüfmuster untersucht.
Neben Stromzeit-Kennlinien mit superflinker Charakteristik wurden, durch Übertragung der Chipt-Technologie, auch Kennlinien mit IEC-träger-Charalteristik realisiert.

Die Frage der approbierbarkeit wurde durch ein, im Normungsbereich erfahrenen Unternehmensberatung, extern geklärt.

Ein Auszug aus dem Projekt-Bericht ist über die Startseite erreichbar!

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