DE10042764A1 - Verfahren zur Herstellung eines massereichen ohmschen Widerstands und elektronische Baueinheit - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines massereichen ohmschen Widerstands und elektronische BaueinheitInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektronische Baueinheit, insbesondere für elektrische Schaltgeräte mit geringer Leistungsaufnahme wie Schütze geringer Leistung, Zeitrelais oder dergleichen. Zum Schutz vor Eingangsstromimpulsen ist ein ohmscher Widerstand (6) in Form einer aufgedruckten Widerstandsschicht ausgebildet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines massereichen
ohmschen Widerstands zum Surgeschutz von elektronischen Baueinheiten
sowie eine elektronische derartige elektronische Baueinheit mit Mitteln zum
Schutz vor Stossspannungs- beziehungsweise Stossstromimpulsen gemäß
dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Bei elektronischen Baugruppen (EBE) ist, um eine Zerstörung der
Bauelemente zu vermeiden, ein Schutz gegen energiereiche
Überspannungsspitzen erforderlich.
In der IEC1000-4-5 zum Nachweis der Störfestigkeit gegen Stoßspannungen
sind die Grenzwerte und die Kurvenformen für entsprechende Prüfungen
angegeben. Üblich sind, je nach der geforderten Überspannungskategorie der
elektronischen Baueinheiten (EBE), Prüfpegel von 0,5 bis 4 kV oder höher. Der
Stoßspannungsimpuls (Surgebeanspruchung) hat im unbelasteten Zustand
einen doppelt exponentiellen Kurvenverlauf mit einer Stirnzeit von 1,2 µs und
einer Rückenhalbwertszeit von 50 µs. Dabei ist die Stirnzeit als die Anstiegszeit
eines Stoß(spannungs)impulses von 10% auf 90% seines
Amplitudenscheitelwertes definiert. Die Rückenhalbwertzeit dagegen ist
definiert als die Zeit des Stoß(spannungs)impulses vom Maximum (100%) des
Amplitudenscheitelwertes bis auf 50% desselben.
Als Innenwiderstand des Stoßgenerators ist bei Prüfungen auf die
Versorgungsleitungen (Line to Line) ein Widerstand von 2 Ω vorgegeben.
Im allgemeinen ist es nicht möglich, die Bauelemente für eine solche
Überspannung auszulegen. Es ist daher üblich, mittels
spannungsbegrenzender Bauelemente, z. B. durch Varistoren oder
Suppressordioden, die parallel zur Baugruppe geschaltet werden, die
Spannung an der elektronischen Baugruppe zu begrenzen (Fig. 1). Aufgrund
des geringen Innenwiderstandes des Prüfgenerators fließen dabei über das
spannungsbegrenzende Schutzelement sehr große Ströme. Dabei muß eine
sehr große Impulsenergie absorbiert werden. Um einen hohen Schutzpegel zu
erreichen, ist daher der Einsatz eines relativ großen, voluminösen Varistors mit
einem entsprechenden Absorptionsvermögen erforderlich. Des Weiteren steigt
die Clamping-Spannung, d. h. die durch das Schutzelement begrenzte
Spannung, in Abhängigkeit von der Nichtlinearitätskomponente des
Schutzelements und der Höhe des Stromimpulses an.
Als Beispiel ergibt sich in einer Anwendung mit einem 275 V Varistor bei einer
Impulsspannung von 4 kV bei einer Phasenlage von 90° zur Netzspannung ein
maximaler Impulsstrom von ca. 1700 A, wobei sich eine Clamping-Spannung
von max. 900 V einstellt. Da nach der IEC1000-4-5 eine Impulsfolge von
zwanzig Impulsen im Abstand von sechzig Sekunden gefordert werden, ist bei
dieser Belastung ein Varistor mit einem minimalen Durchmesser von 14 mm
erforderlich. Bei Geräten mit geringem Leistungsbedarf ist es daher allgemein
üblich, zur Reduzierung der Impulsströme die Eingangsimpedanz der EBE
durch einen Längswiderstand zu erhöhen (Fig. 2). Bei einer
Eingangsimpedanz von ca. 50 Ω wird der Impulsstrom bei dem oben
genannten Beispiel auf einen Wert von max. 70 A begrenzt. Dadurch ergibt
sich einerseits eine geringere Clamping-Spannung von maximal 750 V,
andererseits kann hier der Varistor auf einen Scheibendurchmesser von 5 mm
reduziert werden. Hierdurch ist auch der Einsatz von Varistoren in SMD-
Technik (surface mounted device) möglich, die derzeit nur bis zu einer
maximalen Impulsbelastbarkeit von 1200 A (einmaliger Impuls) hergestellt
werden.
Nachteilig hierbei ist, dass für den Vorwiderstand ein Widerstand mit sehr
großer Impulsfestigkeit verwendet werden muß. Bei dem oben genannten
Beispiel muß der Widerstand einer Impulsleistung von ca. 240 kW widerstehen.
Moderne Widerstände in Schichttechnologie sind jedoch für eine solche
Impulsbelastung ungeeignet. Kohlemassewiderstände, die eine
ausgezeichnete Impulsfestigkeit besitzen, werden derzeit so gut wie nicht
mehr gefertigt. Als Vorwiderstand eignen sich daher nur Drahtwiderstände. Für
das oben genannte Beispiel ist jedoch je nach Widerstandstyp eine Baugröße
mit einer Nennleistung von minimal 4 Watt erforderlich. Diese Widerstände
besitzen jedoch ein sehr großes Bauvolumen und sind nur in bedrahteter
Ausführung verfügbar. Des Weiteren ist hier der Kostenaufwand größer als bei
der Verwendung eines größeren Varistors für ein "hartes Clamping", d. h. für
eine Schutzbeschaltung ohne zusätzlichen Vorwiderstand.
Mit SMD-Drahtwiderständen, die derzeit mit einer maximalen Nennleistung von
2,5 W gefertigt werden, ist eine Surgebeanspruchung von maximal 2 kV zu
erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines
massereichen Widerstands sowie eine elektronische Baugruppe zu schaffen
die bei entsprechender Surgebelastung eine kleinere Baugrösse gewährleistet.
Ausgehend von Baueinheiten der eingangs genannten Art wird die Aufgabe
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen
Ansprüche gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird ein massereicher
ohmscher Widerstand hoher Impulsfestigkeit geschaffen, der eine kleine
Baugrösse gewährleistet. Hierfür wird eine Widerstandsschicht, insbesondere
eine Carbonschicht, auf eine Leiterplatte zwischen zwei Anschlusspads
aufgebracht. Dies geschieht mit Vorteil im Siebdruckverfahren. Vorzugsweise
wird die Widerstandsschicht im Mehrlagendruck erstellt. Nach dem Aufbringen
der Widerstandsschicht wird diese eingebrannt und so auf dem Träger
(Leiterplatte) fixiert. Carbondrucke werden bislang lediglich zur Substitution
von Gold an Kontaktstellen oder zur Herstellung von kreuzenden Leiterbahnen
(cross-over) eingesetzt.
Um eine Querschnittsverminderung an den Verbindungs- beziehungsweise
Übergangsstellen zwischen Widerstandsschicht und Anschlusspad(s) zu
vermeiden kann der Bereich der Leiterplatte zwischen den Anschlusspads im
Bereich der aufzubringenden Widerstandsschicht mit einer Füllschicht
versehen werden. Auf diese Weise wird eine ebene Trägeroberfläche für die
Widerstandsschicht geschaffen. Ein stufenartiger Übergangsbereich im
Randbereich der Anschlusspads wird so vermieden. Eine weitere Möglichkeit
einen solchen Übergangsbereich zu optimieren kann realisiert werden, indem
die Anschlusspads in z. B. vorgefräste Ausnehmungen der Leiterplatte
eingebettet werden. Auch hierdurch wird eine ebene Trägeroberfläche für die
Widerstandsschicht erzielt.
Die erfindungsgemäße elektronische Baueinheit bildet die Baugruppe für
elektrische Geräte mit einer Leistungsaufnahme von vorzugsweise kleiner 10 VA,
so dass die Verlustleistung im Vorwiderstand bei Nennbetrieb
vernachlässigbar klein bleibt (bei 10 VA, 230 V und Rv = 50 Ω ist Pv < 0,1 W).
Insbesondere eignet sich die Baugruppe für Schütze kleinerer, Leistung
Zeitrelais und dergleichen. Dabei ist die Baueinheit durch ein Trägerelement in
Form einer Leiterplatte mit darauf bzw. darin befindlichen Leiterbahnen und
Anschlusspads zum Anschluß von Bauelementen ausgebildet, wobei die
Leiterplatte vorzugsweise einseitig mit einer Widerstandsschicht versehen ist
und anderseitig der gewünschten Schaltungsfunktion entsprechende
Bauelemente umfasst. Die Widerstandsschicht ist vorzugsweise wie
vorstehend beschrieben als Carbonschicht ausgeführt. Die Bauteile umfassen
Halbleiterbauelemente und zumindest einen als Vorwiderstand wirkenden
ohmschen Widerstand. Dieser Vorwiderstand wird durch die "rückseitige" (auf
Rückseite der Leiterplatte angeordnete) Widerstandsschicht gebildet. Diese ist
auf die Vorderseite durchkontaktiert und wird hier in die elektronische
Schaltung als Vorwiderstand zur Begrenzung von impulsförmigen
Eingangsströmen verschaltet. Auf diese Weise wird die elektronische
Schaltung vor energiereichen Eingangsspannungs- bzw.
Eingangsstromspitzen wirksam geschützt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem
folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
Fig. 1: eine erste mögliche Eingangsbeschaltung einer elektronischen
Baueinheit nach dem Stand der Technik;
Fig. 2: eine weitere mögliche Eingangsbeschaltung einer elektronischen
Baueinheit nach dem Stand der Technik;
Fig. 3: eine elektronische Baueinheit gemäß der Erfindung;
Fig. 4: eine Detailansicht gemäß Fig. 3;
Fig. 5: eine weitere Detailansicht gemäß Fig. 3;
Fig. 6a-c: eine Draufsicht auf den Schichtwiderstand gemäß Fig. 3-5 und
Fig. 7: eine weitere Draufsicht gemäß Fig. 3-5.
Nach Fig. 3 umfasst die erfindungsgemäße elektronische Baueinheit eine
Leiterplatte 2, diverse Bauelemente 4 wie Halbleiter sowie aktive und passive
Bauelemente. Zum Schutz der Bauelemente 4 insbesondere der empfindlichen
Halbleiter weist die elektronische Baueinheit eingangsseitig einen
Vorwiderstand 6 auf. Der Vorwiderstand 6 ist vorzugsweise zu mindestens
einem der Eingangsanschlüsse (Eingangsklemmen) in Serie geschaltet.
Gemäß der Erfindung ist dieser Vorwiderstand 6 in Form einer ohmschen
Widerstandsschicht, insbesondere eine Carbonschicht, ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Widerstandsschicht mehrlagig ausgeführt und ggf. mit
Isolierpasten zur Erzielung des gewünschten Widerstandswertes abgemischt.
Die Widerstandsschicht ist vorzugsweise als Carbonlack (z. B. 1-Komponenten
Carbonlack SD 2841 HAL bzw. SD 2841 HAL-BW der Fa. Lackwerke Peters)
ausgebildet und mit Vorteil im Siebdruckverfahren auf die Leiterplatte 2
aufgedruckt und anschließend eingebrannt. Durch die Mehrfachbedruckung
kann die Schichtstärke des Widerstandes 4 und damit die Impulsfestigkeit
erhöht werden. Mit Vorteil wird eine Leiterplattenseite ausschließlich mit den
Bauelementen 4 bestückt während die andere Leiterplattenseite für die
Bedruckung mit der Widerstandsschicht vorgesehen ist. Hierdurch wird eine
kleine Bauweise einer derartigen Baueinheit gewährleistet. Zum Zwecke der
Verschaltung des Vorwiderstandes 6 (Widerstandsschicht) werden
Anschlusspads 8 beider Leiterplattenseiten in bekannter Weise
durchkontaktiert.
Um eine Querschnittsverminderung an den Verbindungs- beziehungsweise
Übergangsstellen zwischen Widerstandsschicht und Anschlusspad(s) 8 zu
vermeiden kann der Bereich der Leiterplatte 2 zwischen den Anschlusspads 8
im Bereich der aufzubringenden Widerstandsschicht mit einer Füllschicht 10
versehen werden. Auf diese Weise wird eine ebene Trägeroberfläche für die
Widerstandsschicht geschaffen. Ein stufenartiger Übergangsbereich im
Randbereich der Anschlusspads 8 wird so vermieden.
Eine weitere Möglichkeit einen solchen Übergangsbereich zu optimieren kann
realisiert werden, indem die Anschlusspads in z. B. vorgefräste Ausnehmungen
der Leiterplatte eingebettet werden (nicht dargestellt). Auch hierdurch wird eine
ebene Trägeroberfläche für die Widerstandsschicht erzielt.
Bei einem der Carbonschicht von 0,002 m/Ωmm2, einer Schichtdicke von
30 µm und einer Widerstandsgröße von 7 . 20 mm ergibt sich ein
Widerstandswert von ca. 47 Ω. Die aktive Masse des Widerstands 6 beträgt bei
einer Dichte von 1,55 g/cm3 dabei ca. 6,5 mg. Bei einer zulässigen kurzzeitigen
Grenztemperatur von etwa 300°C ergibt sich dabei ein rechnerisches, rein
adiabates Absorptionsvermögen von ca. 1,6 Ws. Dies entspricht einem
Stromimpuls von ca. 36 A bei der eingangs genannten Kurvenform bzw. einer
Surgebelastung von ca. 2500 V. Empirische ermittelte Werte ergeben jedoch
aufgrund der sehr guten thermischen Kopplung der Carbonschicht an die
Leiterplatte 2 eine deutlich höhere Impulsbelastbarkeit.
Der Schwachpunkt bildet in der Praxis die Terminierung der Carbonschicht,
d. h. die Anbindung der Widerstandsschicht an die Kupferschicht der
Leiterplatte. Wie aus der Einzelheit in Fig. 3 ersichtlich ist, tritt beim Übergang
der Carbondruckschicht von der Kupferschicht des Anschlusspads 8 auf den
Leiterplattenträger 2 eine Stufe auf. Dadurch wird die wirksame
Widerstandsschicht an dieser Stelle reduziert und damit die
Impulsbelastbarkeit stark herabgesetzt. Außerdem kann durch das
Druckverfahren an dieser Stelle keine optimale Homogenität der Schicht
erreicht werden.
Die Querschnittsverjüngung kann durch die Verwendung einer Leiterplatte 2
mit möglichst dünner Kupferplattierung (z. B. 17 µm statt der 35
Standardbeschichtung) sowie einer Bedruckung der Zwischenfläche mit einer
der Kupferdicke entsprechenden Zwischenschicht, z. B. einem üblichen
Lötstoplack, reduziert werden.
Des Weiteren kann die Übergangsfläche von der Kupferfläche auf die
Widerstandsschicht durch eine gezackte (Fig. 6b) oder wellenförmige (Fig. 6c)
Ausformung des Anschlusspads 8 vergrößert werden.
Eine weitere Möglichkeit die Terminierung zu entlasten, besteht durch eine
Verjüngung der Widerstandsschicht zur Mitte des Widerstands 6. Durch die
Verjüngung kann der Widerstandswert erhöht werden, was zu einem
geringeren Impulsstrom führt, oder es kann die wirksame Breite der
Terminierung bei gleichem Widerstandswert vergrößert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der
Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. Ferner gehören auch alle in
der Zeichnung gezeigten Merkmale zur Erfindung. Insbesondere Geometrie,
wie dargestellt. So ist der Einsatz nicht auf die Verwendung eines Carbonlacks
begrenzt. Im Prinzip sind alle möglichen Widerstandspasten, die eine niedrige
Einbrenn- bzw. Trockentemperatur benötigen (< 200°C), verwendbar. Der
Nennwert des Widerstandes kann durch die Geometrie der Bedruckung in
einem weiten Bereich beeinflußt werden, jedoch stellt das angegebene
Beispiel einen sehr guten Kompromiß zwischen der Impulsbelastbarkeit (hier
ca. 4 kV) und der Verlustleistung des Widerstands im Nennbetrieb dar. So liegt
die Verlustleistung bei einer erfindungsgemäßen elektronischen Baueinheit mit
einer Leistungsaufnahme von 10 VA bei ca. 100 mW. Kann der
Widerstandsnennwert erhöht werden, z. B. bei einer elektronischen Baugruppe
mit geringerer Leistungsaufnahme, so kann die Masse, d. h. die Fläche, des
Carbondrucks reduziert werden. Der Widerstandsnennwert läßt sich dabei
durch eine Reduzierung des Leitwerts des Carbonlacks durch Abmischen mit
Isolierpasten erreichen.
2
Leiterplatte
4
Bauelement
6
Widerstand
8
Anschlusspad
10
Füllschicht
Claims (10)
1. Elektronische Baueinheit, insbesondere für elektrische Schaltgeräte mit
geringer Leistungsaufnahme wie Schütze, Zeitrelais oder dergleichen,
umfassend
eine Leiterplatte (2) mit Leiterbahnen und Anschlusspads (8),
wobei die Leiterplatte (2) mit Halbleiterbauelementen (4) und zumindest einem ohmschen Widerstand (6) zur Begrenzung von impulsförmigen Eingangsströmen bestückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine ohmsche Widerstand (6) in Form einer aufgedruckten Widerstandsschicht ausgebildet ist.
eine Leiterplatte (2) mit Leiterbahnen und Anschlusspads (8),
wobei die Leiterplatte (2) mit Halbleiterbauelementen (4) und zumindest einem ohmschen Widerstand (6) zur Begrenzung von impulsförmigen Eingangsströmen bestückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine ohmsche Widerstand (6) in Form einer aufgedruckten Widerstandsschicht ausgebildet ist.
2. Elektronische Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Widerstandsschicht aus einem Carbonleitlack, insbesondere
Einkomponenten Carbonleitlack, besteht.
3. Elektronische Baueinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass in dem Bereich der Widerstandsschicht zwischen
den Anschlusspads (8) der Leiterbahnen für den Widerstand (6) eine
Füllschicht (10), insbesondere Lötstoplackschicht, angeordnet ist derart,
dass der Leiterplattenbereich für die Widerstandsschicht einschließlich der
Anschlusspads (8) eine übergangsfreie Ebene bildet.
4. Elektronische Baueinheit nach einem der vorherigen Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspads (8) zum Anschluß der
Widerstandsschicht in die Leiterplatte (2) eingelassen sind derart, dass der
Leiterplattenbereich für die Widerstandsschicht einschließlich der
Anschlusspads (8) eine übergangsfreie Ebene bildet.
5. Elektronische Baueinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leiterplattenpads (8) im Anschlußbereich
oberflächenvergrößernd, insbesondere gezackt oder wellenförmig,
ausgeformt ist.
6. Elektronische Baueinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht im Bereich zwischen den
Anschlusspads (8) verjüngend ausgebildet ist.
7. Elektronische Baueinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) derart bestückt ist, dass eine
Leiterplattenseite mit diskreten Bauteilen insbesondere ausschließlich
SMD-Bauteile und die andere Leiterplattenseite mit der
Widerstandsschicht versehen ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines massereichen ohmschen Vorwiderstandes
mit großer Impulsfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine
Leiterplatte (2) mit zumindest zwei Anschlusspads (8) eine
Widerstandsschicht aufgebracht wird.
9. Verfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
die Widerstandsschicht im Siebdruckverfahren aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht eine Carbonschicht ist.
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