DE10029630C2 - Vorrichtung zum Schutz von elektronischen Baugruppen gegen Zerstörung durch elektrostatische Entladung - Google Patents
Vorrichtung zum Schutz von elektronischen Baugruppen gegen Zerstörung durch elektrostatische EntladungInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung, welche mit möglichst einfachen Mitteln elektronische Baugruppen auch gegen sehr kurzzeitige elektrostatische Entladungsvorgänge schützt, besteht darin, dass eine betreffende elektronsiche Baugruppe am Eingang mit einer Leitung (2, 3, 4) beschaltet ist, welche ein oder mehrere Wellenwiderstandssprünge aufweist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Schutz von elektronischen Baugruppen gegen Zerstörung durch
elektrostatische Entladung, wobei die betreffende
elektronische Baugruppe am Eingang mit einer Leitung
beschaltet ist, welche hohe Strom- bzw. Spannungsimpulse von
der Baugruppe fernhält.
Es gibt elektronische Baugruppen, beispielsweise integrierte
Schaltkreise von in Kraftfahrzeugen vorhandenen
Steuergeräten, welche nicht resistent sind gegen sehr hohe
Strom- bzw. Spannungsimpulse, wie sie bei einer
elektrostatischen Entladung entstehen. Ein solcher
elektrostatischer Entladevorgang entsteht z. B. dann, wenn
eine Person, welche durch Ladungstrennung auf eine hohe
elektrostatische Spannung aufgeladen ist, die Anschlußpins
einer Baugruppe berührt.
Z. B. ist aus der WO 98/47190 A1 Vorrichtung bekannt, mit
der elektronische Baugruppen gegen Zerstörung durch
elektrostatische Aufladung geschützt werden können. Diese
Vorrichtung besteht aus einer an den Eingang einer
elektronischen Baugruppe anschaltbaren Leitung, von der in
gewissen Abständen mehrere an Masse liegende Dioden oder
Transistoren, welche zusätzlich noch mit einem Widerstand in
Reihe geschaltet sein können, abzweigen. Diese mit Dioden
oder Transistoren beschaltete Leitung bewirkt, dass Strom-
bzw. Spannungsimpulse nach Masse abgeleitet werden, so dass
sie bis zu der gegen elektrostatische Entladung zu
schützenden Baugruppe nicht durchdringen können. Diese
bekannte Vorrichtung zum Schutz gegen elektrostatische
Entladung ist wegen der Beschaltung mit Dioden bzw.
Transistoren relativ aufwendig. Außerdem haben diese
Bauelemente den Nachteil, dass sie aufgrund zu langsamer
Reaktionszeiten sehr schnelle Entladungsvorgänge nicht
bewältigen können.
In dem Artikel M. Zimmer: Absorbierende Leitungsfilter mit
gekoppelten Leitungen als EMV-Filter, Elektrie, Berlin 50
(1996) 1/2/3, Seiten 34 bis 42 wird eine Anordnung
beschrieben, in der Wellenwiderstandssprünge zum Schutz
gegen Störsignale eingesetzt werden. Dabei werden die
unterschiedlichen Wellenwiderstände durch unterschiedlich
breite Leitungen realisiert. Die Leitungen sind in einer
Ebene angeordnet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche mit
möglichst einfach realisierbaren Mitteln elektronische
Baugruppen auch gegen sehr kurzzeitige elektrostatische
Entladungsvorgänge schützt.
Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
Würden dabei zusätzlich an das Ende einer solchen Leitung
weitere Schutzelemente, z. B. in Gestalt von Dioden oder
Transistoren, angeschaltet, so wären diese aufgrund der
verringerten Anstiegsgeschwindigkeit der Strom- bzw.
Spannungsimpulse erheblich wirksamer bei der Ableitung
dieser Impulse nach Masse.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Ist mindestens ein Leitungsabschnitt mit dem geringeren
Wellenwiderstand in einer inneren Leiterplattenlage
angeordnet, so kann dessen Impedanz noch dadurch weiter
verringert werden, dass ober- und/oder unterhalb dieses
Leitungsabschnitts eine Masseleitung angeordnet ist.
Die Impedanz eines Leitungsabschnitts mit höherem
Wellenwiderstand kann noch dadurch weiter erhöht werden,
dass dieser Leitungsabschnitt in Windungen verläuft.
Eine andere vorteilhafte Möglichkeit, die Impedanz eines
Leitungsabschnitts mit höherem Wellenwiderstand weiter zu
erhöhen besteht darin, dass dieser Leitungsabschnitt
zwischen verschiedenen Leiterplattenlagen mehrfach wechselt,
wobei die Leitungsstücke in den unterschiedlichen
Leiterplattenlagen über Durchkontaktierungen miteinander
verbunden sind.
Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele wird nachfolgend die Erfindung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Streifenleitung mit
Wellenwiderstandsprüngen,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine mehrlagige Leiterplatte
mit einer Streifenleitung mit Wellenwiderstandssprüngen,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Streifenleitung mit
spiralförmig verlaufenden Leitungsabschnitten und
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine mehrlagige Leiterplatte
mit Leitungsabschnitten, welche mehrfach von einer Lage zu
anderen wechselt.
Um ein elektronische Baugruppe vor hohen Strom- bzw.
Spannungsimpulsen, die durch elektrostatische Entladung, z. B.
durch Berührung von Anschlußpins der Baugruppe,
entstehen, zu schützen wird zwischen ein oder mehrerer
Anschlußpins und dem Eingang der Baugruppe jeweils eine
Leitung mit ein oder mehreren Wellenwiderstandssprüngen
geschaltet. An diesen Wellenwiderstandssprüngen werden die
bei einer elektrostatischen Entladung entstehenden
hochfrequenten Ströme bzw. Spannungen hoher Amplitude
reflektiert, womit verhindert wird, dass diese hohen Strom-
bzw. Spannungsimpulse bis an die zu schützende elektronische
Baugruppe durchdringen. Vorzugsweise wird eine solche
Leitung mit Wellenwiderstandssprüngen als Streifenleitung
realisiert. Die Fig. 1 bis 4 zeigen verschiedene
Varianten für die Ausführung einer Streifenleitung mit
Wellenwiderstandssprüngen.
In der Fig. 1 ist die Draufsicht auf eine Leiterplatte 1
mit einer darauf aufgebrachten Streifenleitung, bestehend
aus drei Leitungsabschnitten 2, 3 und 4, dargestellt. Die
beiden äußeren Leitungsabschnitte 2 und 4 haben aufgrund
einer geringen Leiterbreite einen hohen Wellenwiderstand,
und der mittlere Leitungsabschnitt 3 weist aufgrund einer
größeren Breite einen geringeren Wellenwiderstand auf. So
entstehen am Übergang von Leitungsabschnitt 2 auf den
Leitungsabschnitt 3 ein erster Wellenwiderstandssprung und
am Übergang vom Leitungsabschnitt 3 auf den
Leitungsabschnitt 4 ein zweiter Wellenwiderstandssprung.
Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispiel kann
die Leitung auch nur mit einem Wellenwiderstandssprung oder
mit mehr als zwei Wellenwiderstandssprüngen versehen werden.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 verläuft die
Streifenleitung mit ihren drei Leitungsabschnitten 2, 3 und
4 auf einer Ebene der Leiterplatte 1. Wenn hier von einer
Leiterplatte gesprochen wird, ist damit jede Art von
Trägersubstrat gemeint, auf dem eine Streifenleitung
aufgebracht werden kann, z. B. auch ein Hybrid.
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich um eine mehrlagige Leiterplatte mit den drei
Lagen 5, 6 und 7. Auf der Oberseite der ersten
Leiterplattenlage 5 sind zwei Leitungsabschnitte 8 und 9 mit
geringem Wellenwiderstand aufgebracht. Die mittlere
Leiterplattenlage 6 trägt den Leitungsabschnitt 10 mit einem
höheren Wellenwiderstand. Die elektrische Verbindung
zwischen den beiden äußeren Leitungsabschnitten 8 und 9 und
der mittleren Leitungsabschnitt 10 erfolgt mittels
Durchkontaktierungen 11 und 12 in den beiden
Leiterplattenlagen 5 und 6. Der Wellenwiderstand des
mittleren Leitungsabschnitts 10 kann dadurch noch weiter
verringert werden, das oberhalb und/oder unterhalb dieses
Leiterplattenabschnitts 10 Masseleitungen 13, 14 angeordnet
sind. Die Masseleitung 13 befindet sich zwischen den beiden
oberen Leiterplattenlagen 5 und 6 und die Masseleitung 14
ist auf der Unterseite der untersten Leiterplattelage 7
angeordnet. Es können, wie in der Fig. 2 dargestellt, beide
Massenleitungen 13 und 14 oder auch nur eine von beiden
vorgesehen werden. Bei der Kaskadierung der Streifenleitung
können aber auch die Leitungsabschnitte mit dem geringeren
Wellenwiderstand in der tieferen Leiterplattenlage und die
Leitungabschnitte mit dem höheren Wellenwiderstand auf der
oberen Leiterplattenlage aufgebracht sein.
Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
verlaufen auf einer Leiterplatte 15 die zwei äußeren
Leitungsabschnitte 16 und 17 in Windungen, z. B.
spiralförmig. Durch diese Windungen erhöht sich der
Indukitivitätsbelag und damit der Wellenwiderstand der
Leitungsabschnitte 16 und 17. Der mittlere Leitungsabschnitt
18 mit höherem Wellenwiderstand befindet sich auf einer
tieferen Leiterplattenlage und ist mit den
Leitungsabschnitten 16 und 17 über Durchkontaktierung 19 und
20 elektrisch verbunden.
Eine andere Ausführungsform zur Erhöhung des
Induktivitätsbelags der Leitungsabschnitte mit geringerem
Wellenwiderstand zeigt die Fig. 4. Hier ist auf einer
mehrlagigen Leiterplatte 21, 22 auf der Oberseite der ersten
Lage 21 ein Leitungsabschnitt 23 mit geringem
Wellenwiderstand aufgebracht. Zu beiden Seiten dieses
Leitungsabschnitts 23 schließen sich zwei Leitungsabschnitte
mit hohem Wellenwiderstand an. Und zwar wechselt jeder
dieser beiden Leitungsabschnitte mit hohem Wellenwiderstand
stückweise zwischen der unteren Leiterplattenlage 22 und der
oberen Leiterplattenlage 21. Jeder Leitungsabschnitt hat im
gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Leitungsstücke 24.1, 25.1
und 24.3, 25.3 auf der unteren Leiterplattenlage 22 und ein
Leitungsstück 24.2, 25.2 auf der oberen Leiterplattenlage
21. Die elektrische Verbindung zwischen den Leitungsstücken
auf der unteren Leiterplattenlage 22 und auf der oberen
Leiterplattenlage 21 erfolgt über Durchkontaktierungen 24.4,
24.5, und 25.4, 25.5. Die elektrische Verbindung zwischen
den äußeren, stückweise zwischen der oberen und der unteren
Leiterplattenlage 21, 22 wechselnden Leitungsabschnitte mit
dem mittleren Leitungsabschnitt 23 erfolgt über
Durchkontaktierungen 26 und 27. Abweichend von dem in der
Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel können die äußeren
Leitungsabschnitte mit mehr oder weniger Lagewechseln
versehen werden, je nach dem wie weit der Induktivitätsbelag
der äußeren Leitungsabschnitte mit hohem Wellenwiderstand
erhöht werden soll.
Das Verhältnis der Leiterbreiten der Leitungsabschnitte mit
hohem Wellenwiderstand und der Leitungsabschnitten mit
geringem Wellenwiderstand sollte etwa 1 : 20 betragen.
Claims (4)
1. Vorrichtung zum Schutz von elektronischen Baugruppen
gegen Zerstörung durch elektrostatische Entladungen, wobei
die betreffende elektronische Baugruppe am Eingang mit einer
Leitung beschaltet ist, welche hohe Strom- bzw.
Spannungsimpulse von der Baugruppe fernhält, wobei die
Leitungen (2, 3, 4, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 23, 24.1 . . . 24.3,
25.1 . . . 25.3) ein oder mehrere Wellenwiderstandssprünge
aufweist, wobei die Leitung als Streifenleitung ausgeführt
ist, welche Abschnitte (2, 3, 4, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 23,
24.1 . . . 24.3, 25.1 . . . 25.3) mit unterschiedlichen
Leiterbreiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
Leitungsabschnitte (8, 9, 10, 16, 17, 18, 23, 24.1 . . . 24.3,
25.1 . . . 25.3) mit unterschiedlichen Wellenwiderständen in
verschiedenen Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte (5, 6, 7,
21, 22) verlaufen und dass die Leitungsabschnitte (8, 9, 10,
16, 17, 18, 23, 24.1 . . . 24.3, 25.1 . . . 25.3) in den
verschiedenen Lagen über Durchkontaktierung (11, 12, 19, 20,
24.4, 24.5, 25.4, 25.5, 26, 27) in der Leiterplatte
miteinander verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Leitungsabschnitt (10) mit dem geringeren
Wellenwiderstand in einer inneren Leiterplattenlage (6)
verläuft und dass ober- und/oder unterhalb dieses mindestens
einen Leitungsabschnitts (10) eine Masseleitung (13, 14)
angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Leitungsabschnitt (16, 17) mit höherem
Wellenwiderstand zur Erhöhung des Induktivitätsbelages in
Windungen verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Leitungsabschnitt mit dem höheren
Wellenwiderstand in sich zwischen verschiedenen
Leiterplattenlagen (21, 22) mehrfach wechselt, wobei die
Leitungsstücke (24.1, 24.2, 24.3, 25.1, 25.2, 25.3) in den
unterschiedlichen Leiterplattenlagen (21, 22) über
Durchkontaktierungen (24.4, 24.5, 25.4, 25.5) miteinander
verbunden sind.
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