Brevet FR2671428A1 — publié le 19920710

ELEMENT FUSIBLE REALISE A PARTIR D'UNE MINCE PELLICULE DE FUSION DEPOSEE SUR UN SUBSTRAT La présente invention se rapporte à des éléments fusibles réalisés à partir de pellicules minces déposées sur des substrats ainsi qu'à leur utilisation dans les fusibles électriques. Il est connu de réaliser des éléments fusibles à partir de pellicules minces en matériau conducteur montées sur des substrats isolants Ceci permet d'obtenir une épais- seur d'élément inférieure à celle pouvant être obtenue par matriçage ou estampage (c'est-à-dire 0,0508 mm( 0,002 pouce)) pour assurer une capacité faible courant et faciliter les manipulations pendant la fabrication Parmi les exemples de brevets décrivant des éléments fusibles comportant des pellicules minces en matériau conducteur déposées sur des substrats réalisés par différentes techniques, on peut citer: les brevets US N O 3 271 544; 4 140 988; 4 208 645; 4 376 927; 4 494 104; 4 520 338; 4 479 980; 4 873 506 et 4 926 543. De façon générale, l'invention vise à réduire la tension d'extinction de pic dans un élément fusible à pelli- cule mince montée sur un substrat en proposant un élément de résistance sur une zone du substrat différente de l'élément fusible pour fournir une voie de shunt électriquement reliée en parallèle à l'élément fusible Lorsque l'élément fusible coupe en cas de surcharge de courant, la voie de shunt de résitance sert à réduire la tension d'extinction de pic qui risquerait d'être produite par la diminution brusque de la conductance du fusible au moment de la coupure. Le composant d'élément fusible est destiné à l'utilisation dans un fusible électrique, et il comprend: un substrat réalisé en matériau isolant et formant une surface de substrat, un élément fusible réalisé à partir d'une pelli- cule mince en un matériau conducteur déposée sur le sub- strat, est monté sur une zone de support d'élément fusible de la surface de substrat et fournit une voie conductrice dans les conditions de courant normal, et un élément de résistance réalisé à partir d'un matériau pour élément de résistance qui est monté sur le substrat, recouvre la zone de support de l'élément de résistance de la surface du substrat qui est une zone de surface de substrat différente de la zone de support de l'élément fusible et qui est électriquement en parallèle à l'élément fusible pour fournir une voie de shunt pendant la coupure de l'élément fusible dans le cas d'une surcharge de courant. Dans des modes de réalisation préférés, l'élément de résistance est constitué par un matériau qui recouvre une grande zone de la surface du substrat et l'élément de fusi- ble est déposé sur une portion du matériau de l'élément de résistance, laissant à nu la portion du matériau fournis- sant l'élément de résistance Le substrat est allongé et aussi bien l'élément fusible que l'élément résistance s'étendent d'une extrémité à l'autre Le substrat est réalisé à partir d'alumine (de préférence inférieure à 97 % d'une pureté) L'élément de résistance est réalisé à partir d'un métal qui a été déposé de façon suffisamment mince afin d'assurer une résistance au passage du courant et une réduc- tion de la tension d'extinction de pic pendant la coupure de l'élément fusible au cours d'une condition de surcharge de courant L'élément de résistance est réalisé à partir de chrome sur une épaisseur d'environ 400 Angstrôms L'élément fusible est réalisé en argent ou en cuivre (de façon plus préférentielle, en cette dernière matière, d'une épaisseur inférieure à 0,0254 mm ( 1 000 micropouces) L'élément fusi- ble comporte des sections d'entaille de section transversale réduite sur toute sa longueur. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré ainsi que des revendica- tions ci-annexées. On va maintenant décrire le mode de réalisation préféré en se référant au dessin dans lequel: la figure 1 est une vue en perspective d'un fusible selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe verticale partielle prise en 2-2 de la figure 1 pour le fusible de la figure 1. La figure 3 est une vue en plan d'un substrat sur lequel est monté un élément fusible à pellicule mince et un élément de résistance à pellicule mince utilisé dans le fusible de la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe schématique (non représentée à l'échelle) prise en 4-4 de la figure 3 du substrat ainsi que des éléments montés sur celui-ci. La figure 1 représente un fusible 10 comportant un boîtier de fusible cylindrique 12 et des bornes à capuchon 14, 16 sur les extrémités du logement de fusible 12. Les figures 2, 3 et 4 font apparaître qu'à l'inté- rieur du logement de fusible 12 est prévu un substrat 18 ( 96 % d'A 1203 après "cuisson") ayant une couche de pellicule mince 21 (chrome d'une épaisseur de 400 Angstrôms) et un élément fusible à pellicule mince 20 (cuivre, épaisseur environ 1,778 mm ( 70 micropouces) pour un fusible d'un ampère) déposée sur ce substrat (Des éléments fusibles destinés à des fusibles de plus grande capacité pourront comporter des éléments plus épais par exemple jusqu'à 0,0254 mm ( 1000 micropouces de cuivre)) La barrette de connexion en métal résilient 22 est réalisée à partir d'une feuille métallique et assure la liaison électrique entre la borne à capuchon 16 et l'élément fusible 20 et la couche 21 à chaque extrémité du substrat 18 par l'intermédiaire de masses ou pâtes de brasage 24 (dont une seule extrémité est représentée sur la figure 2) La barrette métallique 22 assure également un support mécanique pour le substrat 18 à l'intérieur du logement du fusible 12 Les masses ou pâtes de brasage 26, 28 permettent la connexion électrique entre les portions d'extrémité de barrette 22 et la borne à capuchon 16 Une rondelle en fibre 29 est prévue entre la barrette 22 et une surface intérieure d'une borne à capuchon 16. La figure 3 fait apparaître que l'élément de fusible 20 comporte plusieurs sections entaillées 30 sur sa lon- gueur. La figure 4 montre que la couche de chrome 21 est déposée sur toute la surface supérieure du substrat 18 et que l'élément fusible en cuivre 20 est déposé sur le dessus de la couche 21 La couche 21 comprend trois portions: deux portions extérieures sur les deux côtés de l'élément fusible qui fournissent les éléments de résistance 23 et une troisième portion 25 située sous l'élément fusible 20 La zone de la surface supérieure du substrat 18 sous l'élément fusible 20 est une zone de support d'élément de fusible et les zones de la surface supérieure du substrat 18 sous les éléments de résistance 23 constituent une zone de support d'élément de résistance La couche 21 comporte une résis- tance d'environ 1 000 Ohms. Au cours de la fabrication, on dépose une couche de chrome 21 d'environ 400 Angstrôms d'épaisseur au moyen de la technique de métallisation au vide par magnétron planaire à courant continu sur toute la surface supérieure du substrat 18 On ajoute l'élément fusible 20 par dépôt de 1, 778 mm ( 70 micropouces) de cuivre par métallisation au vide au magnétron planaire à courant continu, en appliquant une photoréserve sensible aux UV, en appliquant un masque Mylar de la forme souhaitée de l'élément 20, en mettant le compo- sant à nu à la lumière UV, et en éliminant par attaque chimique le cuivre non masqué Ceci laisse le chrome recou- vrir la totalité du substrat et le cuivre dans la forme géométrique de l'élément fusible 20 par dessus le chrome. Pour assembler le composant d'élément fusible terminé dans le logement du fusible, on brase les barrettes 22 en utilisant la masse de brasage 24 à chaque extrémité du substrat 18 et le substrat 18 est placé à l'intérieur du logement de fusible 12 La pâte de brasage 26, 28 est appli- quée sur les portions d'extrémité 32 sur une extrémité du logement avant le sertissage de la borne d'extrémité 14 sur l'extrémité du logement de fusible 12 et la pâte de brasage ou de fusion 26, 28 par chauffage sur une plaquette chaude. Le logement de fusible 12 est ensuite rempli d'un matériau de remplissage d'extinction d'arc 40 (par exemple, 50/70 de quartz), qui n'est représenté que partiellement sur la figure 2 L'autre borne à capuchon 16 est ensuite ajoutée d'une manière similaire, achevant ainsi la fabrication du fusible 10. Dans le fonctionnement, aux conditions de courant normal, le courant traverse l'élément de fusible 20 et il n'est pas affecté de façon significative par la couche 21. Au cours d'un état de surcharge de courant, la température augmente dans l'élément fusible 20 et celui-ci entre en fusion et se vaporise au niveau des sections d'entaille, formant initialement un arc aux sections d'entaille de l'élément fusible Lorsque l'on s'approche de l'état de courant zéro, la conductance du passage d'arc diminue et la tension augmente de telle sorte que le courant commence à passer par les éléments de résistance 23 Cette voie de shunt de résistance sert à réduire la tension d'extinction de pic qui sinon serait provoquée par la diminution brusque de la conductance d'arc Les éléments de résistance 23 assurent ainsi une diminution progressive de la conductance de fusible à mesure que l'élément fusible coupe le circuit, ce qui permet de maîtriser la tension d'extinction de pic. A proximité de la pointe du temps o l'élément principal coupe le circuit, il se produit un transfert de courant vers les éléments de résistance 23 Les éléments de résistance 23 commencent à entrer en fusion selon un phénomène de désinté- gration en stries Des stries se forment dans les éléments de résistance transversalement à l'élément fusible, générant une voie de résistance très élevée et ultérieurement un circuit ouvert. L'utilisation de la voie de shunt de résistance fournit une tension d'extinction de pic sensiblement plus faible que ce ne serait autrement le cas Ceci permet d'avoir un fusible à action très rapide sans la pointe haute tension préjudiciable qui endommagerait les dispositifs censés être protégés par le fusible. D'autres modes de réalisation de l'invention se situent dans la portée des revendications suivantes On peut faire appel à d'autres matériaux et d'autres configurations pour le substrat, l'élément de résistance et l'élément fusible Un matériau à 96 % d'A 1203 présente une rugosité superficielle suffisante (environ 0, 635 mm ( 25 micropouces) après "cuisson") pour assurer l'adhérence de la couche de cuivre déposée directement sur le substrat sans l'utilisa- tion d'une couche dite couche de "collage" telle que du chrome (En comparaison, un matériau constitué par 98 * d'A 1203 fréquemment utilisé pour les substrats de matériaux déposés présente une rugosité superficielle typique de seulement 0,0508 mm ( 2 micropouces) à l'état "après cuisson" et l'on utilise le chrome avec ce type de substrat afin de lier l'argent ou le cuivre sur l'A 1203) Ainsi, si on le souhaite, l'élément fusible (par exemple en cuivre) peut être lié directement sur une zone du substrat et les éléments de résistance peuvent être liés sur des zones différentes du substrat. L'épaisseur de la couche de chrome est ajustée de façon à fournir la résistance souhaitée qui est d'environ 1 000 ohms pour l'exemple décrit dans le mode de réalisation préféré L'épaisseur de la couche de chrome et la largeur et le nombre d'éléments de résistance peuvent être sélectionnés de façon à faire varier la résistance de shunt pour l'uti- lisation dans les fusibles ayant des caractéristiques différentes La couche ne devra pas être trop épaisse ou présenter une configuration modifiée risquant de réduire la résistance au point de fournir une voie essentiellement conductrice parallèlement à l'élément fusible et la couche ne devra pas être trop mince risquant de rendre la résis- tance excessive pour maîtriser la tension d'extinction de pic D'autres techniques pour produire un élément fusible à partir de pellicule mince et un élément de résistance peuvent être mises en oeuvre En plus de l'alumine, d'autres matériaux isolants peuvent être utilisés pour le substrat, par exemple le verre de silice pour fusible, d'autres verres de pureté moindre, d'autres céramiques et les matériaux destinés aux plaquettes de circuit imprimés En plus des substrats plats, on peut faire appel à des substrats présentant d'autres formes (par exemple des substrats cylindriques). REVENDICATIONS 1 Composant d'élément fusible ( 20) destiné & l'utilisation dans un fusible électrique ( 10), ce composant étant caractérisé en ce qu'il comprend un substrat ( 18) réalisé en matériau isolant et formant une surface de substrat ( 18), un élément fusible ( 20) réalisé à partir d'une pellicule mince en un matériau conducteur déposée sur le substrat ( 18), est monté sur une zone de support d'élément fusible de la surface de substrat ( 18) et fournit une voie conductrice dans les conditions de courant normal, et un élément de résistance ( 23) réalisé à partir d'un matériau pour élément de résistance qui est monté sur le substrat ( 18), recouvre la zone de support de l'élément de résistance ( 23) de la surface du substrat ( 18) qui est une zone de surface de substrat ( 18) différente de la zone de support de l'élément fusible ( 20) et qui est électri- quement en parallèle à l'élément fusible ( 20) pour fournir une voie de shunt pendant la coupure de l'élément fusible dans le cas d'une surcharge de courant. 2 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de résistance ( 23) est monté directement sur la surface du substrat ( 18). 3 Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de résistance ( 23) est une portion d'une couche de matériau d'élément de résistance déposée sur le substrat ( 18) et qui recouvre à la fois la zone de support de l'élément et la zone de support de la résistance et en ce que l'élément fusible ( 20) est déposé sur le matériau de l'élément de résistance ( 23). 4 Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat ( 18) est allongé et comporte deux extrémités et l'élément de résistance ( 23) et l'élément fusible ( 20) s'étendent d'une extrémité à l'autre. Composant selon la revendication 4, caractérisé en ce que sont prévues des portions de l'élément de résistance ( 23) des deux côtés de l'élément fusible ( 20). 6 Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément fusible ( 20) comporte des portions d'entaille ( 30) de section transversale réduite du matériau conducteur sur toute sa longueur. 7 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 18) est réalisé en alumine. 8 Composant selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alumine est d'une pureté inférieure à 97 %. 9 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de l'élément de résistance ( 23) est un métal qui a été déposé de façon suffisamment mince pour assurer une résistance au passage du courant et à la réduc- tion de la tension d'extinction de pic pendant la coupure de l'élément fusible en cas de surcharge de courant. Composant selon la revendication 9, caractérisé en ce que le métal comprend du chrome. 11 Composant selon la revendication 10, caractérisé en ce que le chrome est déposé sur une couche ( 21) d'une épaisseur d'environ 400 Angstrôms. 12 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau conducteur comprend du cuivre. 13 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau conducteur comprend de l'argent. 14 Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau de l'élément de résistance ( 23) est un métal qui a été déposé de façon suffisamment mince pour assurer une résistance au passage du courant et une réduc- tion de la tension d'extinction de pic pendant la coupure de l'élément fusible en cas de surcharge de courant. Composant selon la revendication 14, caractérisé en ce que le métal comprend du chrome. 16 Composant selon la revendication 15, caractérisé en ce que le chrome est déposé en une couche ( 21) d'une épaisseur d'environ 400 Angstrôms. 17 Composant selon la revendication 16, caractérisé en ce que le matériau conducteur comprend du cuivre. 18 Composant selon la revendication 17, caractérisé en ce que le cuivre est déposé sous forme d'une couche ( 21) d'une épaisseur inférieure à 0,0254 mm ( 1 000 micropouces). 19 Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau conducteur est déposé par une opéra- tion de métallisation au vide par magnétron planaire c c. Composant selon la revendication 19, caractérisé en ce que le matériau de résistance est déposé par une technique de métallisation au vide à magnétron planaire c c. 21 Fusible ( 10) caractérisé en ce qu'il comprend un logement de fusible ( 12), des bornes ( 14,16) fixées sur le logement de fusible ( 12), un substrat ( 18) réalisé à partir d'un matériau isolant et formant une surface de substrat, ce substrat étant situé dans le logement de fusible ( 12), un élément de fusible ( 20) réalisé à partir d'une pellicule mince de matériau conducteur déposée sur le sub- strat, recouvre la zone de support de l'élément de fusible ( 20) de la surface du substrat ( 18) et il est relié de façon à fournir une voie conductrice entre les bornes ( 14,16) dans les conditions de courant normal, et un élément de résistance ( 23) en matériau pour élément de résistance qui est monté sur le substrat ( 18), recouvre une zone de support d'élément de résistance ( 23) de la surface du substrat ( 18) qui est une zone de la surface de substrat différente de la zone de support de l'élément fusible ( 20) et qui est électriquement en parallèle à l'élément fusible ( 20) entre les bornes ( 14,16) pour assurer une voie de shunt pendant la coupure de l'élément fusible ( 20) en cas de surcharge de courant. 22 Fusible selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un matériau de remplissage d'extinction d'arc à l'intérieur du logement du fusible 1 l ( 12). 23 Fusible selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'élément de résistance ( 23) est monté directement sur la surface de substrat ( 18). 24 Fusible ( 10) selon la revendication 23, caracté- risé en ce que l'élément de résistance ( 23) est une portion d'une couche ( 21) d'un matériau pour élément de résistance ( 23) déposée sur le substrat ( 18) et recouvre à la fois la zone de support de l'élément et la zone de support de la résistance et en ce que l'élément fusible ( 20) est déposé sur le matériau d'élément de résistance ( 23). Fusible selon la revendication 24, caractérisé en ce que le matériau de l'élément de résistance ( 23) est un métal qui a été déposé de façon suffisamment mince pour assurer une résistance au passage du courant et une réduc- tion de la tension d'extinction de pic pendant la coupure de l'élément fusible en cas de surcharge de courant. 26 Fusible selon la revendication 25, caractérisé en ce que le métal comprend du chrome. 27 Fusible selon la revendication 26, caractérisé en ce que le chrome est déposé sous forme d'une couche d'une épaisseur d'environ 400 ngstrôms. 28 Fusible selon la revendication 27, caractérisé en ce que le matériau conducteur comprend du cuivre.