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In Abwandlung des geflügelten Wortes aus dem Qualitätsmanagement „Wenn Siemens wüsste was Siemens weiß..“ möchte ich rückblickend auf meine Zeit bei den Wickmann-Werken sagen: „Wenn Wickmann gewusst hätte was Wickmann wusste……“

In den 88 Jahren des Bestehens der Wickmann-Werke als Produzent von Schutzbauteilen für elektrische und elektronische Anlagen und Geräte (Geräte-Schmelzsicherungen war nur ein Teilgebiet) wurde ein umfangreicher Wissensbestand in Produktion und Entwicklung erarbeitet. Dabei ist nicht nur die Entwicklung neuer Produkte zu berücksichtigen, sondern auch (oder, wie ich meine, vor allem) die Arbeiten in der Grundlagenforschung. Der Beitrag der Wickmann Werke zur Weiterentwicklung des Überspannungs- und Überstromschutzes ist in der Bauteilgeschichte weltweit von großer Bedeutung. Eine Würdigung dieser herausragenden Leistung ist in vollem Umfang kaum möglich. Dennoch soll an einem ausgewähltem Einzelthema versucht werden diesen historisch wichtigen Beitrag der Wickmann Werke zu verdeutlichen.
Ein herausragendes Thema sind alle Arbeiten zu Schmelzleitern in „Schichttechnik“ (Dünnschicht- oder Dickschichttechnik) und den daraus resultierenden Chip-Sicherungen.

Die Firma Wickmann war sicherlich nicht die Erste die, am Ende der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts, Sicherungen mit Dünnschicht-Schmelzleiter vorstellte. Das dabei erworbene und in den folgenden fast 40 Jahre weiterentwickelte Grundwissen ist, nach meinem Kenntnisstand, bis heute kaum übertroffen worden.

Im Fogenden soll versucht werden, die Bedeutung dieser Arbeiten in einer Gegenüberstellung einfacher Grundlagen der Drahtschmelzleiter und der Schichtschmelzleiter zu verdeutlichen. Es soll gezeigt werden, dass sich mit dem grundlegenden Wechsel der üblichen Denkmodelle jenseits der Drahtschmelzleiter (Paradigmenwechsel) völlig neue Möglichkeiten im Schutz gegen die Überlastung el. Schaltkreise eröffnen. Mit Dick- oder Dünnschichtschmelzleitern lassen sich die Modelle physikalischer Abläufe bei Schmelzsicherungen besser entwickeln und damit ihre Nutzung gezielter und vielfältiger verwirklichen.

(Die folgenden Darstellungen sind als Beitrag zur geschichtlichen Bedeutung der Wickmann Werke zu verstehen. Auf Details zur Konstruktion und Auslegung von Schmelzsicherungen wird daher nicht eingegangen. Basis des Dargestellungen sind Schulungs- und Informationsunterlagen, die für den externen Gebrauch bei Wickmann-Kunden erstellt wurden. Eine entsprechende Genehmigung hierzu liegt vor)

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Einfache Überlegungen zur Physik der Schmelzleiter

Drahtschmelzleiter

Der Wärmehaushalt

Mit dem eher weniger wissenschaftlichen Begriff des „Wärmehaushaltes“ wird im Allgemeinen ein Betrachtungsmodell statischer und dynamischer Wärmezustände eines Objektes – in diesem Fall einer Schmelzsicherung - bezeichnet. Wie in einem Haushalt werden Zu- und Abgänge, oder in diesem Fall Wärmeerzeugung und Wärmeabgabe, in Relation gesetzt. Das jeweilige Ergebnis beschreibt den aktuellen Betriebszustand der Schmelzsicherung. Dauerlastbetrieb, Grenzlastbetrieb oder Überlastbetrieb ist gekennzeichnet durch die Relation von erzeugter Wärme zu abgegebener Wärme.

 In jedem stromdurchflossenen el. Widerstand wird Leistung [P] umgesetzt und u. A. eine Wärmemenge [Q] erzeugt.

Dabei verhält sich das Produkt aus Strom und Widerstand (Leistung P = I²*R) proportional zur erzeugten Wärme. Der Schmelzleiter der Sicherung ist in diesem System von Schmelzleiter, Gehäuse, Füllmedium und Anschlüssen der dominante el. Widerstand. Wird er von Strom durchflossen, wird die in ihm erzeugte Wärme an das System abgegeben und/oder akkumuliert. Der Grad der Wärmeakkumulation wiederum ist umgekehrt proportional zur Schmelzzeit und hängt stark von den Möglichkeiten des Schmelzleiters ab, seine Wärme an das System abzugeben. Dabei ist neben Konvektion und Strahlung die Wärmeleitung über Wärmewiderstände und -kapazitäten maßgebend. Was mit der erzeugten Wärme geschieht, wohin sie fließt und/oder ob sie akkumuliert wird, nennt man den „Wärmehaushalt“. Der Begriff Wärmehaushalt ist eine einfache Bezeichnung für ein äußerst komplexes, interdependentes System, das im Wesentlichen aus Wärmewiderständen und Wärmekapazitäten besteht.

Unterschiede der Kontaktierung Schmelzdraht/Sicherungskontakt oder Sicherungskontakt/Elektronik sowie Streuungen der Wärmespeicher-Füllmenge oder Lotmenge in der Sicherung können zu starken Streuungen des Wärmehaushalts führen und damit den Überlastbereich der Strom-Zeit-Kennlinie (It-Kennlinie) zur einen oder anderen Seite verschieben d.h. im ungünstigsten Fall aus dem zu schützenden Bereich!

Während die Erzeugung der Wärme über die umgesetzte Leistung im Schmelzleiter noch recht einfach zu bestimmen ist, wird die Betrachtung der Wärmeabgabe erheblich komplizierter. Wärmeübergänge, Wärmeleitung und Wärmekapazitäten des Schmelzleiters, der Kontakte und des Füllmediums bis hin zur Wärmeinteraktion mit benachbarten Bauelementen machen eine exakte, theoretische Erfassung der Thermodynamik des jeweils aktuellen Betriebszustandes zumindest sehr aufwendig (gelinde ausgedrückt).
Eine nicht unerhebliche Rolle in diesem komplexen Gebilde spielt dabei der Schmelzleiter selbst. Die gute Wärmeleitung und die kleine spez. Wärmekapazität des Schmelzleitermaterials haben trotz der rel. geringen Masse einen spürbaren Einfluss auf die Funktion der Schmelzsicherung.

Die Belastung

Der Draht des Schmelzleiters stellt elektrisch einen Widerstand dar. Die in ihm umgesetzte Leistung entspricht einer bestimmten Wärmemenge. Dieser Wärmemenge kann eine Temperatur T zugeordnet werden. Entsprechend des Wärmeinhalts des Schmelzleiterdrahtes ließe sich grundsätzlich nach

T=Q/c·m (T= Temperatur; Q=Wärmeinhalt; c = Wärmekapazität; m=Masse)

diese Temperatur berechnen.

Die folgenden Fotos zeigen jedoch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung über dem Schmelzleiter.

 Obwohl der Draht einen über seine gesamte Länge und seine Homogenität vorausgesetzt gleichmäßigen el. Widerstand hat und sich somit auch gleichmäßig aufheizen müsste ist im letzten Bild eine Verschiebung der Aufheizzone zu erkennen.
Die Ursache dafür, dass die Aufheizung asymmetrisch ist, ist die Wärmeleitung in die, in diesem Fall „nur“ gebondeten, Anschlüsse. Das rechte Bild zeigt diese Asymmetrie der Erwärmung besonders deutlich.
Die asymmetrische Erwärmung lässt daher u.U. auf eine schlechtere Wärmeabgabe (Wärmeleitung) über die rechte Kontaktstelle in das Basismaterial schließen.

Dass die Abmessungen des Schmelzleiterdrahtes und seine Materialeigenschaften wie spez. Wärmekapazität und spez. Wärmeleitfähigkeit eine nicht unerhebliche Rolle für die Erwärmung und letztlich für die Funktion der Sicherung zeigen auch folgende Grundformeln:

Der Wärmewiderstand   θ= L/kF [W/mK] (θ = Wärmewiderstand; L=Drahtlänge; F=Querschnittsfläche; k=spez.Wärmeleitfähigkeit)

und die Wärmekapazität C=c_p*m [kJ/kgK] (C= Wärmekapazität; Cp = spez.Wärmekapazität; m=Masse).

Beide Grundformeln zeigen, dass Material und Abmessung des Schmelzleiterdrahtes den Wärmehaushalt dominant mitbestimmen. Die mathematische Erfassung dieser Vorgänge ist in der Geschichte bereits häufig versucht worden. Ziel war immer die Berechnung von Strom-Zeit-Kennlinien (It-Kennlinien), der Abschmelzvorgänge und die Bereitstellung von Grundlagen für Lebensdauerbetrachtungen. Nach meinen Unterlagen hat Dr. Ing. G.J. Meyer bereits 1906 solche Berechnungen angestellt. Die letzte mir bekannte Arbeit zur Berechnung einer I-t-Kennlinie stammt aus dem Jahr 2001. In einem Vortrag an der TU-Braunschweig stellt M. Lindmayer seine Arbeit vor:

„Die 3D-Berechnung des Stromfluß- und Erwärmungsvorgangs von Sicherungen ermöglicht die Vorherberechnung deren Strom-Zeit-Kennlinien, vom Millisekunden- bis in den Stundenbereich. Der Wärmehaushalt von Niederspannungs-Schaltgeräten wird durch eine dreidimensionale Finite-Elemente-Simulation auf der Basis eines Strömungsberechnungsprogramms nachgebildet “
(Manfred Lindmayer, TU-Braunschweig, Oktober 2001)

Dass der Wärmehaushalt bis in den Millisekundenbereich der I-t-Kennlinie wirksam ist, zeigten Momentaufnahmen von Abschaltvorgängen mit hohem Überstrom (Kurzschluss). Je nach Konstruktion wird der adiabatische Zustand erst bei Schmelzzeiten von t<5mS erreicht. Erst dann wird keine Wärme mehr an die Umgebung abgegeben (Wärmestrahlung ausgenommen) und der Schmelzleiter explodiert quasi über eine Länge gleichen el. Widerstands.
Aber auch Belastungen mit Strompulsen führen zu Materialveränderungen im Schmelzleiterdraht und der Kontaktierung wobei Pulsbelastungen - wg. ihrer Relevanz für die Gerätesicherheit - besonders problematisch sind. Ich werde später darauf zurückkommen.

Die eingesetzte Finite-Elemente-Simulation habe ich ebenfalls 2001 bei Prof. Löbel an der TU-Dresden kennengelernt. Die Ergebnisse waren immer zufriedenstellend wenn, ja wenn die Randbedingungen konstant waren. Aber die gute, dominante Wärmeleitung und die kleine spez. Wärmekapazität des Drahtes sowie schwer beherrschbare Kontaktierungen haben in der Praxis einen hohen Einfluss auf die Funktion einer Schmelzsicherung mit Drahtschmelzleiter (wie weiter unten gezeigt wird).
Hinzu kommen noch Materialveränderungen (z.B. Korngrenzoxidation in Legierungen) im Schmelzdraht und der Kontaktierung die in unterschiedlicher Ausprägung, je nach Belastung, zu immer neuen Verhältnissen führen.

Das Bild zeigt einen Schmelzdraht nach einer Grenzbelastung.

Diese offensichtlichen Materialveränderungen sind noch dramatischer bei Schmelzdrähten, die aus Materialkombinationen bestehen, da hier schon bei geringen Temperaturen Diffusionsprozesse Einfluss nehmen. Das erste Fickschen Gesetz drückt den grundsätzlichen Zusammenhang der Einflußgrößen aus:

J = 1/F*dm/dt = -D*dc/dx

Dabei bezeichnet J den Materialfluß d.h. die Menge Metall m, die bei konst. Temperatur in der Zeit t durch eine Fläche F auf einer Ebene senkrecht zur Diffusionsrichtung wandert.

Tatsächlich sind Diffusionsvorgänge erheblich komplexer und, nach meinem Kenntnisstand, bei der Untersuchung der Alterung von Sicherungsschmelzleitern aus mehrfach Metallen noch nie theoretisch erfasst worden.

Ich hoffe dennoch, dass die vereinfachten und stark verkürzten Ausführungen eine Ahnung von der Problematik der Drahtschmelzleiter vermitteln konnten. Der Fachmann wird im individuellen Anwendungsfall nähere Auskunft geben können.

Die Funktion von Schmelzsicherungen basiert immer auf dem Schmelzen von el. gut leitenden Metallen. Es hat sich im Verlauf der Geschichte jedoch gezeigt, dass die Dominanz des Drahtes und seiner Kontaktierung im dynamischen Verhalten mathematisch kaum erfassbar ist (der Einfluss von Füllmedien wurde dabei noch nicht betrachtet) . Da diese Dominanz letztlich nicht oder schlecht berechenbar ist wurde bei Wickmann versucht andere, leichter berechenbare Konstruktionen zu finden. Damit war EINE Voraussetzung für die Entwicklung von Dick- und/oder Dünnschichtschmelzleitern geboren.

Schichtsicherungen sind i.d.R. metallische, auf einen Träger (Substrat) aufgebrachte Leiterbahnen die geometrisch mit einer Engstelle (hot spot) versehen sind. Je nach Technologie und angestrebten Nennstrom kommen verschiedene Substratmaterialien zur Anwendung. Im Dünnschichtbereich (D<5µm) mit Nennströmen von In<0,5A werden meist Kunststoffe, z.B. Leiterplattenmaterial FR4 eingesetzt.

Der Nennstrombereich von In>0,5A benötigt wg. der höheren Dauerlast wesentlich bessere Wärmeleitungen der Substratmaterialien. Schmelzleiter werden daher i.d.R. als Dickschicht auf Keramiken wie Al₂O₃ oder Glaskeramik aufgebracht. Die folgende Betrachtung macht einmal mehr die grundsätzlichen Zusammenhänge deutlich und stellt die Substratmaterialien Al₂O₃ und Glaskeramik gegenüber.

Die gute Übereinstimmung von Theorie und Versuchsergebnissen lassen eine Übertragung der Grundlagen zur Nenn- bzw. Grenzstrombestimmung auf mögliche Leiterbahnsicherungen zu (die Möglichkeit von integrierten Leiterbahnsicherungen wird an anderer Stelle beschrieben).

Dickschichtschmelzleiter

Bedeutung des Wärmehaushaltes

Anders als Sicherungen, die einen in Luft oder Sand geführten Drahtschmelzleiter haben, sind Sicherungen mit Schichtschmelzleiter in einem engen und intensiven Wärmekontakt mit ihrem Trägersubstrat. Der Aufheizprozess des Substrates bei Strombelastung des Schmelzleiters erfolgt im Wesentlichen über die im Ersatzschaltbild dargestellten Wärmewiderstände und Wärmekapazitäten.

Dabei bezeichnen R_thSeg. und C_thSeg. die Wärmewiderstände bzw. -kapazitäten des Substratsegmentes unter dem Schmelzleiter sind (siehe Zeichnung weiter unten). Als Reihenschaltung dazu sind die Wärmewiderstände bzw. -kapazitäten des Restsubstrates eingezeichnet. Die aus einer Ag-Schicht realisierten Anschlußvolumina sind als parallel geschaltete Wärmewiderstände bzw. -kapazitäten zu sehen. Vorhandene parasitäre Wärmeabgaben, z.B. von den Anschlußflächen in das Substrat werden in diesem Modell nicht berücksichtigt. Auf weitere, vereinfachende Voraussetzungen wird im Verlauf der Darstellung hingewiesen.

Die Besonderheit, dass der Wärmewiderstand und die Wärmekapazität unter dem Schmelzleiter gesondert betrachtet werden, erlangt besondere Bedeutung in der Abschätzung der Auslegungsmöglichkeiten träger, indirekt beheizter Schmelzleiter.

Dieses Segment wird, bedingt durch die direkte Wärmeabgabe des Schmelzleiters an das Substrat, zeitlich gesehen als erstes aufgeheizt. Der Wärmewiderstand des Segments errechnet sich nach

aus „Handbook of Thick Film Hybrid Microelektronics“ von C.A. Harper

Die Gleichung beschreibt den Wärmewiderstand des zweidimensionalen Hyperbelsegmentes entlang der Wärmestromlinien unterhalb des Schmelzleiterelementes, wobei in der Literatur von einem punktförmigen Heizelement mit kreisförmigen Wärmepotenzialebenen ausgegangen wird. Schichtdicke (L) und Schichtbreite werden hier in der Relation 1:1 vorausgesetzt, so dass sich ein Winkel von 45° für die Segmentschenkel ergibt.

Die rel. zur Heizelementlänge extrem dünne Schichtdicke macht die Annahme eines Linienelementes mit elliptischen Wärmepotenzialen notwendig. Die daraus resultierende Verlagerung des Hyperbelbrennpunktes nach außerhalb der Schicht ist in der folgenden Schemazeichnung dargestellt.

Wobei L_H die von Harper vorausgesetzte Schichtdicke {mit der Relation Schichtdicke (L_H) /Schmelzleiterlänge (g)} und L die in der vorliegenden Modellrechnung eingesetzte, angenommene Schichtdicke ist.Das den Wärmewiderstand bestimmende Hyperbelsegment ist als zweidimensionales Flächensegment angenommen. Eine dreidimensionale Segmentberechnung (Rotationshyperboloid) ist mathematisch sehr viel schwieriger. Auf sie wurde, auch wegen der geringen Schmelzleiterbreite von 0,1mm-0,2mm, verzichtet. Der parallele Wärmefluss vom Segment in das Restsubstrat wurde ebenfalls unberücksichtigt gelassen.

Die folgenden Untersuchungen wurden mit Layouts nach der folgenden Prinzipdarstellung für superflinke Schmelzleiter durchgeführt :

Anschluß Zuleitung Schmelzleiter Substrat

Die Wärmewiderstände und -kapazitäten der Anschluß- und Substratvolumina errechnen sich (in Analogie zur Elektrotechnik) aus den Grundgleichungen :

Wärmewiderstand [°C/W]

Wärmewiderstand ges. [°C/W]

Wärmekapazität C = c_p * m [cal/gK]

Zeitkonstante t = C * R_th [Sek.]

transiente Widerstandsänderung [°C/W]

(L = Leiterlänge, F=Leiterquerschnittfläche, m= Masse, C_p=spezifische Wärmekapazität, C=Wärmekapazität und = Wärmeleitfähigkeit )

Für ein linienförmiges Schmelzleiterelement von 0,6mm Länge ergeben sich für das Substratmaterial CT700 der Firma Heraeus auf einer Chip-Größe von 1206 folgende Werte :

Substrat- material	Chip-Abmessung L*B*D [mm]	Wärmewid. Substrat [°C/W]	Wärmewid. Anschlüsse [°C/W]	Wärmewid. Sub.Segment [°C/W]	Zeitkonstante Substrat t [Sek.]	Zeitkonstante Sub. Segment t [Sek.]	Zeitkon-stante Anschl. t [Sek.]
CT700	3,05*1,52*0,6	810,2	380,4	230,6	4,25	0,3	0,009
Al2O3	3,05*1,52*0,6	112,5	380,4	32,1	0,59	0,042	0,009

Die Gegenüberstellung der Wärmewiderstände der verwandten Glaskeramik zu denen der Al₂O₃ -Keramik macht deutlich, daß ein hoher Anteil der auf Al₂O₃ erzeugten Wärme in die Wärmesenken der Montagelötstellen abgeführt wird. Die Zeitkonstanten der Keramik kommen bei Al₂O₃ bereits in die Größenordnung der Anschlußschichten. Um gleiche Temperaturen zu erreichen, muß auf der Al₂O₃ Keramik etwa die dreifache Leistung (ca. 3W) umgesetzt werden. Die damit verbundene höhere Temperaturbelastung des gesamten Chips und die dazu notwendigen etwa zweimal höheren Schmelzleiterwiderstände lassen einen Einsatz dieser Keramik für Chip-Sicherungen nicht zu.

Die große Differenz der Zeitkonstante des Substratsegmentes zu der der Anschlußflächen bzw. des Gesamtsubstrates bewirkt eine schnelle Aufheizung des Schmelzleiterelementes ohne die Montagelötstellen unzulässig zu erwärmen. Damit wird allgemein der Auslegungsspielraum für die Widerstandsrelation R_anschluß / R_{Schmelzleiter} größer.

Die Tauglichkeit der vorgestellten Modellrechnung für die Abschätzung der Auswirkung von Layoutvariationen wurde durch den Vergleich empirisch ermittelter Temperaturwerte mit den

gerechneten Werten entsprechend des Zusammenhangs

[°C] überprüft.

Die folgende Grafik zeigt trotz der beschriebenen Vereinfachungen eine brauchbare Übereinstimmung der Belastungs-/Temperatur Werte :

Die teilweise etwas geringeren Werte der errechneten Temperatur sind darauf zurückzuführen, dass die als Wärmesenken angenommenen Montagelötstellen als unendlich groß, also ohne Eigenerwärmung angenommen wurden. Ebenso wurde eine Aufheizung des Substrates durch einen Leistungsanteil der Anschlussflächen nicht berücksichtigt. Andererseits sind die gemessenen Werte durch den rel. schlechten Wärmekontakt und die Wärmekapazität des eingesetzten Thermoelements kleiner als die tatsächlich existierenden Werte. Beide Fehlerarten heben sich offensichtlich annähernd auf.

Als Nachteil der hohen Wärmewiderstände und der damit verbundenen starken lokalen Aufheizung der Schmelzleiterschicht sind auch bei geringeren Belastungen die TK bedingte große Widerstandsänderung und eine vermutlich größere Abschaltzeitstreuung bei kleinen Überströmen zu nennen. Vor allem letzterer Effekt ist bisher noch nicht ausreichend untersucht worden.

Die Ergebnisse zeigen nicht nur eine brauchbare Theorie/Praxis-Korrelation, sie lassen auch Nenn- bzw. Grenzstromabschätzungen verschiedener Schmelzleitergeometrien und Substratmaterialien zu. Die folgende Formel wurde bereits 1983 erfolgreich angewendet:

Das hier eine Nennstromberechnung bzw. -abschätzung vorgegeben ist hängt mit der Kennlinie zusammen. Die Forschungen bezogen sich 1983 im Wesentlichen auf Gerätesicherungen mit superflinker Kennlinie. Hier fallen wg. der sehr steilen Kennlinie Nenn- und Grenzstrom fast zusammen.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass Basismaterial (Substrat) und Schmelzleiterstruktur einen erheblichen Einfluss auf den Grenzstrom (Nennstrom) und das Abschaltverhalten im Überstrombereich haben. Auf der folgenden Seite bilden diese Erkenntnisse die Basis für Untersuchungen an integrierten Leiterbahnsicherungen. Zielführend ist dabei aber Möglichkeiten der Schmelzleiterstrukturierung zu untersuchen und so Wege bedarfsorientierter, optimaler Schmelzleiterauslegung zu finden.
Das Thema ist etwas umfangreicher. Um es rel. praxisnah zu beschreiben wird die Ausarbeitung daher auf einer gesonderten Seite fortgesetzt.

Das Thema der Integrierten Leiterbahnsicherungen wird gesondert behandelt. Über Möglichkeiten der Realisierung eines angepassten Überstrom- oder Kurzschlussschutzes durch
eine spezielle Gestaltung der Leiterbahn gibt es kaum Informationen. In früheren und aktuellen Diskussionen bin ich so vielen unterschiedlichen Vorurteilen und einem hohen Maß an Unkenntnis begegnet, dass ich mich zu einer etwas ausführlicheren Darstellung von realistischen Lösungen und deren Gefahren entschlossen habe.

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