Leiterbahnsicherungen: gefährliche Bastelei oder notwendige individuelle Sicherheit?

Autor / Redakteur: Peter Meisel * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Leiterbahnabschnitte werden immer wieder als Schmelz-Sicherung ausgelegt. Das Forschungsprojekt „Untersuchung der Machbarkeit von Leiterbahnsicherungen“ hat Vor- und Nachteile betrachtet.

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Brandgefahr: Bei einer nicht ausreichend angepassten Leiterbahnsicherung besteht die Gefahr eines Leiterplattenbrandes.
Brandgefahr: Bei einer nicht ausreichend angepassten Leiterbahnsicherung besteht die Gefahr eines Leiterplattenbrandes.
(Bild: M&M-Elektronik)

Seit es Leiterplatten gibt, werden immer wieder Leiterbahnabschnitte als Schmelz-Sicherung ausgelegt. Heute hat diese Variante des Überstromschutzes bereits in vielen Applikationen Einzug gehalten – von den Prüfstellen häufig unbemerkt. Inwieweit diese Leiterbahnsicherungen Ursache für einen Gerätebrand sind, ist unbekannt. Ebenso wenig ist über die speziellen Gründe für ihren Einsatz bekannt. Ob es der unzureichende Informationstand der Geräteentwickler ist, die zu hohen Kosten für eine approbierte Sicherung vom Sicherungshersteller oder die fehlenden Anpassungsmöglichkeiten handelsüblicher Sicherungen an die zu schützende Applikation, kann sicher nur im Einzelfall beantwortet werden.

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Individuelle Sicherungslösungen sind gefragt

Die Leistungsdaten approbierter Sicherungen befinden sich in einem Werteraster, das z.B. durch Normen vorgegeben ist. Aus der Beratungspraxis ist aber der häufige Bedarf einer individuellen Sicherungslösung bekannt. Eine maßgeschneiderte Sicherung ist beim Sicherungshersteller oft nur aufwendig zu entwickeln, daher teuer und – vorsichtig ausgedrückt – nicht sehr interessant. Die Individualisierung der Schutzfunktionen eines maßgeschneiderten Überstrom- oder Kurzschlussschutzes kann häufig aber mit einer Leiterbahnsicherung erreicht werden. Voraussetzung ist allerdings, dass grundlegende Designregeln aus der Entwicklung von Gerätesicherungen auch auf der Leiterplatte gelten und der notwendige Gestaltungsspielraum für das gewünschte Abschaltverhalten übertragbar ist.

Studie zur Machbarkeit von Leiterbahnsicherungen

Ein von der DBU (Deutsche Bundesstiftung Umwelt) gefördertes Projekt der M&M-Elektronik in Zusammenarbeit mit der Fischer Leiterplattentechnik, der Systemtechnik Caemmerer und der technischen Beratung Gerätesicherungen Manfred Rupalla zur Machbarkeit von Leiterbahnsicherungen hat gezeigt, dass grundsätzlich für Leiterbahnsicherungen die gleichen Designregeln gelten wie in der Entwicklung von SMD-Sicherungen, insbesondere von Chip-Sicherungen.

Diese Designregeln lassen sich auf drei wesentliche Anforderungen reduzieren:

  • Konzentration der Schmelzwärme auf einen lokal begrenzten Hot-Spot,
  • Reduzierung der Schmelztemperatur durch Nutzung von Diffusionsprozessen,
  • Unterdrückung bzw. Beherrschung von möglichen Abschaltlichtbögen.

Konzentration der Schmelzwärme auf einen lokal begrenzzten Hot-Spot

Der im Fehlerfall aufschmelzende Leiterbahnbereich der Leiterbahnsicherung muss lokal stark begrenzt sein, damit weder das Basismaterial, noch angrenzende Bereiche thermisch zu stark belastet werden (Brandgefahr!). Die Leiterbahnsicherung muss einen deutlich höheren Widerstand haben als die zuführenden Leiterbahnen. Da zwischen dem Widerstand des Hot-Spots und dem gewünschten Abschalt-/Belastungsstrom ein funktionaler Zusammenhang besteht, müssen die Geometrien und die Widerstände der Zuführungen und des Hot-Spots aufeinander abgestimmt werden.

Dies ist mit einem Widerstandsabgleich möglich, der im Projekt mittels Trim-Laser oder mit einem, für das Projekt speziell entwickelten, selektiven Ätzverfahren durchgeführt wurde (Bild 1).

Reduzierung der Schmelztemperatur durch Nutzung von Diffusionsprozessen

Die Schmelztemperatur von Kupfer liegt bei 1083 °C. Eine Temperatur, die im Fehlerfall im Hot-Spot erzeugt werden muss, wenn auch nur für kurze Zeit (meist t<1 s). Um die Schmelztemperatur zu senken, wird der Hot-Spot zum Teil mit Zinn bedeckt. Der Diffusions- bzw. Auflösungsprozess des Kupfers durch das Zinn wird im Schmelzpunkt des Zinns bei 232 °C stark beschleunigt. Die Abschalttemperatur wird so auf Temperaturen von in der Regel t<300 °C begrenzt. Der Auflösungsprozess dauert allerdings etwas länger (bis etwa t<10 s), was zu einer gewissen Trägheit im Ansprechverhalten der Sicherung führt. Die sich ergebende träge It-Kennlinie ist in vielen Fällen aber durchaus gewünscht.

Dabei ist allerdings je nach Hot-Spot-Geometrie und -Volumen die Platzierung und das Volumen des Zinns von besonderer Bedeutung. Die Zinnmenge muss ausreichend sein, um das Kupfer des Hot-Spots aufzulösen und das Zinn muss so am Hot-Spot positioniert werden, dass die entstehende Wärme optimal zur Auflösung der Kupfer-Leiterbahn genutzt wird (Bild 2).

Unterdrückung bzw. Beherrschung von möglichen Abschaltlichtbögen

In den, bei M&M-Elektronik durchgeführten Versuchen wurden bei Abschaltspannungen von 12 VDC keine nennenswerten Abschaltlichtbögen beobachtet, so dass zusätzliche Maßnahmen zur Lichtbogenunterdrückung nicht notwendig waren. Bei Spannungen UA>15 VDC wurden gute Ergebnisse erreicht, wenn der Hot-Spot mit einem Silikon der Firma Sinus abgedeckt wurde. Allerdings ist eine einfache Abdeckung nicht möglich, da aufgeschmolzenes Material vom Hot-Spot unter der Abdeckung relativ niederohmig leitende Pfade bildete.

Zweischichtabdeckung als Maßnahme zur Lichtbogenbeherrschung

Die dann über einen längeren Zeitraum umgesetzte Leistung führte zu einer starken Erwärmung der Leiterplatte unter dem Hot-Spot und zu einer Verkohlung des Leiterplattenmaterials (in diesem Fall Standard-FR4). In vielen Versuchen führte dieser, sich aufschaukelnde Vorgang von Verlustleistung und Verkohlung zum Brand der Leiterplatte. Eine effektive Möglichkeit der Lichtbogenbeherrschung wurde durch eine bei Chipsicherungen oft verwendete Zweischichtabdeckung erreicht. Dabei wurde der Hot-Spot durch ein niedrig schmelzendes Material abgedeckt. Auch hier muss eine ausreichende Menge dieses Materials vorhanden sein, um aufgeschmolzenes Material vom Hot-Spot aufzunehmen. Gute Ergebnisse wurden z.B. mit Heißwachs erreicht, wie es zur Fixierung von Bauteilen verwendet wird. Erst darüber wird eine Silikonvergussmasse gegeben, die ein Verlaufen der ersten Schicht bei Belastungen wie im Lötprozess verhindert.

Überstromschutz – ein unbekannter Bereich der Elektrotechnik

Es ist sicherlich richtig, dass dem Geräte- oder Schaltungsentwickler auferlegt wird, sich mit einem für ihn vielleicht neuen und unbekannten Bereich der Elektrotechnik zu befassen – dem Überstromschutz. Davon abgesehen, dass das auch ohne Leiterbahnsicherung notwendig ist, um einen wirklich sicheren Überstromschutz zu realisieren, ist es ein einmaliger Lernaufwand der sich lohnt:

  • mehr Sicherheit durch angepassten Schutz,
  • weniger Lötstellen und damit potentielle Fehlerstellen,
  • weniger Aufwand in Lagerhaltung und Logistik im Prozess,
  • weniger Schadstoffe bei Verpackung, Lötung und Reinigung,
  • weniger Bestückungsaufwand,

um nur die offensichtlichsten Vorteile zu nennen.

Grundsätzlich muss dabei auf den Segen der Prüfstellen nicht verzichtet werden. Eine von M&M-Elektronik in Auftrag gegebene Recherche zur Akzeptanz derart gestalteter Leiterbahnsicherungen erbrachte ein durchweg positives Ergebnis.

Approbationen sind allerdings wegen der fehlenden Bauteilmerkmale wie Maße, Lötbarkeit etc. (noch) nicht möglich. Die im Versuch erreichten elektrischen Kenndaten nach IEC 127-4 wurden jedoch vollständig realisiert.

Je nach Variante wurde ein Ausschaltvermögen von 24 V/35 ADC erreicht. Die möglichen It-Kennlinien sind in Bild 3 dargestellt.

Ein Fragebogen soll die Entscheidung erleichtern

Die Firma M&M-Elektronik prüft in vielen von ihr entwickelten Applikationen, ob die Möglichkeit einer Leiterbahnsicherung gegeben und sinnvoll ist. Zu diesem Zweck wurde einen Fragebogen entwickelt, der die jeweilige Entscheidung erleichtert und dokumentiert.

Die gefundene Lösung für eine Leiterbahnsicherung ist individuell der Problematik einer Applikation angepasst. Obwohl sich vieles nach Erfahrungswerten berechnen lässt, ist gegebenenfalls zusätzlicher Prüfaufwand notwendig. Dieser kann je nach Anforderung und vorhandener Erfahrung sehr unterschiedlich ausfallen.

Wie bei der Auswahl von Standard­sicherungen sollten grundsätzlich jedoch mögliche Belastungen und Fehlerabschaltungen getestet werden wobei sich der Prüfumfang nach Anforderung und Vorerfahrung richtet.

* Peter Meisel ist Geschäftsführer der M&M-Elektronik GmbH in Witten.

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