Seit es Leiterplatten gibt, werden immer wieder Leiterbahnabschnitte als Schmelz-Sicherung ausgelegt. Heute hat diese Variante des Überstrom- oder Kurzschlussschutzes bereits in vielen Applikationen Einzug gehalten. Die Vermutung, dass das nur in seltenen Anwendungen der Fall ist, ist jedoch nur zum Teil richtig. Der Begriff “Leiterbahnsicherung” erzielte in einer durchgeführten Recherche überraschend viele Treffer. Darunter auch mehrere Patente mit einer Vielzahl von Entgegenhaltungen. Dazu viele Bilder, Zeichnungen und Forenbeiträge.

Leiterbahnsicherungen können im Extremfall zum Brand des Boards oder Gerätes führenLeiterbahnsicherung, Versuchsmuster aus DBU-Projekt 2009, Foto: M. Rupalla

So wie hier gezeigt oder ähnlich wird der vermeintliche Schutz nicht selten eingesetzt. Leiterbahnen die der Stromversorgung von Bauteilen oder von ganzen Boards dienen werden partiell in der Breite reduziert um so an dieser Stelle eine geringere Belastbarkeit und damit ein Aufschmelzen der Leiterbahn bei Überlastung zu erreichen.
Dabei werden häufig zwar Design-Richtlinien (z.B. IPC-2221B) berücksichtigt, spezifische technische Anforderungen der Sicherungstechnik bleiben dabei aber vermutlich unberücksichtigt.


Je nach Applikation können so gefährliche Schwachstellen entstehen die im Ernstfall bis zum Brand des Boards oder des Gerätes führen. Fachleute z.B. der Sicherungshersteller werden häufig beim Designentwurf der Applikation nicht einbezogen. Die erreichte Schutzwirkung gleicht daher eher einer Art “Sollbruchstelle” die sich nicht an den spezifischen Eigenschaften des Sicherheitsbauteils “Schmelzsicherung” orientiert und somit vermutlich auch nicht nach fachspezifischen Vorlagen geprüft worden ist. Eine Spezifizierung, Überprüfung und Gewährleistung der sicherungstypischen Eigenschaften wie sie in einschlägigen Normen (z. B.  EN 60127) gefordert werden, hat dann i.d.R nicht stattgefunden.

Das Gefahrenpotential dieser “Sollbruchstellen” ist daher vermutlich weitgehend unbekannt.
Eine Einordnung als “gefährliche Bastelei” ist also offensichtlich durchaus begründet.

Warum Leiterbahnsicherungen gefährlich sind!

Schmelzsicherungen funktionieren in dem ein metallener Leiter „schmilzt“. Das erfordert bei den Sicherungen nach Standard sehr gute Kenntnisse der Physikalischen Gegebenheiten sowohl während des normalen Betriebs, als auch während des Fehlerstromes der zum  Auslösens der Sicherung führt. Eine schmelzende Leiterbahn wird immer, selbst bei optimaler Gestaltung der Engstelle (hot spot), sehr heiß und das Leiterplattenmaterial lokal sehr stark erwärmen.

SchmelzenAbschaltvorgang einer Leiterbahnsicherung, Foto: M. Rupalla

Für Kupfer leigt die Schmelztemperatur bei 1083 °C. Je nach Über- bzw. Fehlerstrom kann eine sehr hohe Temperatur bis zu einigen Sekunden anstehen.
Eine Platine wird heute i.d.R. aus FR4-Material gefertigt.
Der “Glaspunkt (TK: die Temperatur ab der das Epoxydharzgefüge weich und elastisch wird) des Materials liegt bei TG ≥ 135 °C. In der Folge besteht für die Leiterbahn, auf Grund der Längenausdehnung des Kupfers, die Möglichkeit sich von der Leiterplatte zu lösen. Im Idealfall verliert der Hot Spot die Bindung zum Board und kann sich “aufwölben”. Das wäre für das gefahrlose Durchschmelzen des Leiters zwar ideal aber leider haben Versuche gezeigt, dass das auch bei optimaler Anpassung der Hot-Spot-Geometrie nicht reproduzierbar ist.

ueberhitzung Sn2Leiterbahn nach dem Abschalten, Foto: M. Rupalla

Es besteht jedoch eher die Gefahr, dass der Td-Wert („Td“ steht für „Time to Decomposition“  Zersetzungstemperatur; die Epoxidpolymerschicht wird irreversibel beschädigt von 301 °C oder 345 °C (FR4 Standard www.multi-circuit-boards.eu) erreicht wird. Das Material der Leiterplatte kann brennen oder verkohlen. Je nach anstehender Spannung lässt dann der entstehende Kohlenstoff Kriechströme zu, die sehr hohe Leistungen umsetzen können und die Gefahr eines Platienenbrands wahrscheinlich wird.

Ob und wann die beiden Temperaturpunkte TK und Td am Hot Spot der Leiterbahnengstelle erreicht werden, ist von der Zeit-Strom-Kennlinie der Engstelle und deren engster Umgebung abhängig.

Die Verwendung einer Leiterbahnsicherung als Kurzschlussschutz ist ebenfalls sehr bedenklich. Im Fall des Durchschmelzens der Leiterbahnengstelle entsteht ein Lichtbogen der, je nach Engstellengeometrie und Spannung, sehr energniereich sein kann. Bereits bei einer DC-Spannung von U>12 V besteht die Gefahr eines Abbrands der zuleitenden Leiterbahnen.  Selbst wenn das Platinenmaterial nicht unmittelbar entflammt würden in kurzer Zeit nachfolgende Kriechströme an der verkohlten Trennstelle hohe Leistungen umsetzen und zum Brand führen. Auch das Kondensat der verdampften Leiterbahn kann problematisch sein.

Wie immer gibt es aber auch Ausnahmen!!!
Unter Berücksichtigung der, aus der Technologie der Schmelzsicherungen bekannten Techniken sind in speziellen Fällen funktionierende Sondersicherungs-Lösungen möglich.


Warum gebräuchliche Leiterbahnsicherungen oft gefährlich sind und was der Fachmann, bei dem Entwurf einer Leiterbahnsicherung, zu beachten hat, wurde in einem 2009 durchgeführten Projekt der DBU (Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Abschlußbericht PCB-Sicherungen 27125) untersucht.

Hier können Sie unseren Beitrag aus "Elektronikpraxis" zum Thema Leiterbahnsicherung downloaden: pdfEP-8-2022-Leiterbahnsicherung.pdf

Untersuchung der Elektromigration (EM) in Feindrähten

Wo immer in der Elektrotechnik/Elektronik Feindrähte bzw. Feinstdrähte (Feindraht:  50 µm ≤ D ≤ 150 µm; Feinstdraht: 25 µm ≤ D ≤ 50 µm) eingesetzt werden, dienen sie in der Regel als elektrische Leiter. Je nach Anwendung werden Feindrähte aus Metallen wie Cu, Ag, Al,…. oder aus Materialkompositionen z.B. Legierungen oder mit metallischen Beschichtungen eingesetzt.

In einer Applikation können Alterungsprozesse (z.B. durch Diffusion bei Materialkombinationen) bedingt durch Umgebungswärme oder verschiedener Strombelastungen des Leiters, einen Einfluss auf den Grad des Alterungsprozesses und damit auf die Lebensdauer des Leiters haben.

Besonders Ströme nahe an der Grenze der Strombelastbarkeit des Drahtes führen zu signifikanten Temperaturerhöhungen des Leiters, die dann die Ursache für eine starke und schnell fortschreitende Alterung sind.
Alterung führt aber i.d.R. immer zu einer Reduktion der Grenzbelastbarkeit des Drahtes.
Diese Reduzierung kann, je nach Drahtbeschaffenheit, besonders bei Schmelzsicherungen zu folgenreichen Frühausfällen führen.
Mit besonderen Testverfahren werden daher die Auswirkungen einer, vornehmlich thermisch bedingten, Alterung durch definierte Belastungen untersucht. Verfahren, wie sie für Geräteschutzsicherungen z.B. in der Norm IEC 60127-1/9.6 vorgesehen sind, ermitteln die Änderung des Leiterwiderstands (Je höher der Widerstand des Leiters desto kleiner seine Strombelastbarkeit) mit geeigneten, dem Leiter angepassten pulsförmigen Strömen. Sie führen in der Regel, wg. der Material-Erwärmung durch die gewählten Pulsfolgen, bereits zu einer messbaren Alterung des Drahtes.

Im Ergebnis sind irreversible Widerstandserhöhungen mit max. R< 10 % noch zulässig.