DE10029630C2 - Vorrichtung zum Schutz von elektronischen Baugruppen gegen Zerstörung durch elektrostatische Entladung - Google Patents

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.