DE102006031037B3 - Verfahren zur Abschirmung einer elektronischen Schaltung gegenüber elektromagnetischer Strahlung und entsprechend ausgestaltete Schaltung - Google Patents

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Abstract

Die Abschirmung einer elektronischen Schaltung (1) gegenüber einer elektromagnetischen Strahlung wird verbessert, indem eine leitfähige Struktur (3) der elektronischen Schaltung (1) mit Entkopplungskapazitäten (4) mit einem Versorgungspotenzial (V<SUB>DD</SUB>) verbunden wird. Dabei umgibt die leitfähige Struktur zumindest einen Teil (2) der elektronischen Schaltung (1) und wird mit einem weiteren Versorgungspotenzial (V<SUB>SS</SUB>) verbunden. Darüber hinaus ist eine entsprechend ausgestaltete elektronische Schaltung, insbesondere eine Leiterplatte (1), offenbart.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschirmung einer elektronischen Schaltung gegenüber elektromagnetischer Strahlung und eine entsprechend ausgestaltete elektronische Schaltung.
  • Die DE 199 11 731 C2 beschreibt eine mehrlagige Leiterplatte, welche aus äußeren Signallagen und inneren Erdungs- und Energieversorgungslagen besteht. Dabei sind auf den äußeren Signallagen im Randbereich Kondensatoren angeordnet, über welche die Erdungslagen und die Energieversorgungslagen mittels Durchkontaktierungen elektrisch verbunden sind. An einer der äußeren Signallagen sind zwei nebeneinander liegende, entlang den Kanten der Leiterplatte verlaufende Leiterstrukturen vorgesehen, welche über Durchkontaktierungen mit der Erdungslage und der Spannungsversorgungslage verbunden sind.
  • Damit eine elektromagnetische Störung (EMI (ElectroMagnetic Interference)) auftritt, muss eine Energiequelle (oder eine Strahlungsquelle), ein Empfänger, welcher gestört wird, wenn eine von ihm empfangene Energie oberhalb eines tolerierbaren Niveaus oder oberhalb seiner Empfindlichkeit liegt, und ein Kopplungspfad zwischen Energiequelle und Empfänger, welcher induktiv und/oder kapazitiv sein kann, vorhanden sein. Ein sehr effektiver Ansatz, um elektromagnetische Störungen zu minimieren, ist, eine elektronische Schaltung, eine Leiterplatte, derart zu entwerfen, dass RF-Schnittstellenquellen eliminiert werden, was auch als Unterdrückung (Suppression) bezeichnet wird.
  • Normalerweise werden elektromagnetische Wellen, welche innerhalb eines Dielektrikum des (z.B. FR4) einer elektronischen Schaltung erzeugt werden, durch eine leitfähige Struktur abgeschirmt, welche auch als EMI-Ring bekannt ist. Dabei wird in einer oder mehreren Schichten der elektronischen Schaltung oder Leiterplatte ein Metallring an den Rändern der elektronischen Schaltung angeordnet und über mehrere Vias mit Masse verbunden. Dadurch liegt dieser EMI-Ring auf Masse und schirmt die innerhalb der elektronischen Schaltung entstehenden und nach außen dringenden elektromagnetischen Wellen ab, wodurch eine von der elektronischen Schaltung verursachte elektromagnetische Störung verringert wird.
  • Weitere störende elektromagnetische Wellen ergeben sich durch Schwankungen der Versorgungsspannung der elektronischen Schaltung.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine elektronische Schaltung bereitzustellen; so dass elektromagnetische Störungen, welche sowohl durch die elektronische Schaltung selbst als auch durch Schwankungen der Versorgungsspannung erzeugt werden, möglichst gut abgeschirmt werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine elektronische Schaltung nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Abschirmung einer elektronischen Schaltung, insbesondere einer Leiterplatte, gegenüber elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt. Dabei umfasst die elektronische Schaltung oder ein Teil der elektronischen Schaltung eine leitfähige Struktur, welche mit einem ersten Versorgungspotenzial, insbesondere Masse, insbesondere der elektronische Schaltung verbunden ist und elektromagnetische Strahlung abschirmt. Diese leitfähige Struktur, welche häufig auch als EMI-Ring bezeichnet wird, umgibt den Teil der elektronischen Schaltung, welchen sie abschirmen soll. Damit diese leitfähige Struktur die elektronische Schaltung noch besser gegenüber elektromagnetischer Strahlung schützt, wird die leitfähige Struktur mit Hilfe mehrerer Kapazitäten mit einem zweiten Versorgungspotenzial, welches insbesondere ein Spannung aufweisendes Potenzial ist, verbunden.
  • Durchgeführte Simulationen haben gezeigt, dass ein EMI-Ring, welcher nur mit Masse verbunden ist, also die oben beschriebene kapazitive Kopplung mit dem zweiten Versorgungspotenzial bzw. der Versorgungsspannung einer Leiterplatte nicht aufweist, die elektromagnetische Strahlung aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung der Leiterplatte erhöhen kann. Dabei ist die von dem EMI-Ring aufgrund der Schwankungen der Versorgungsspannung verursachte elektromagnetische Strahlung umso größer, je größer das Volumen des EMI-Rings ist.
  • 1 stellt eine Leiterplatte 1' mit einem EMI-Ring 3, welcher auf Masse VSS liegt, dar. Zusätzlich umfasst die Leiterplatte 1' übliche Entkopplungskondensatoren 8, welche jeweils folgende für eine Simulation wichtige Kenndaten aufweisen: Kapazität = 0,1F; ESR = 0,025Ω; ESL = 2nH. Da ein Kondensator in der Realität niemals nur eine Kapazität aufweist, beschreibt ESR (Equivalent Series Resistance) den Reihenwiderstandswert und ESL den Reiheninduktivitätswert. Der EMI-Ring 3 weist eine Stärke von 3mm auf und besteht aus Metall. Zur Simulation wurde als Breitbandrauschquelle ein SMA mit einer Impedanz von 50Ω und einer Spannung von 1V bei der in 1 mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichneten Stelle verwendet.
  • Die durchgeführte Simulation zeigt, dass das elektrische Feld bei dem EMI-Ring 3 viel größer als bei den anderen Gebieten der Leiterplatte 1' ist. Dies liegt daran, dass der Abstand zwischen dem EMI-Ring 3 und der nicht dargestellten Schicht der Leiterplatte 1', welche die Versorgungsspannung trägt, relativ gering ist, da der auf Masse liegende EMI-Ring quasi den Abstand zwischen Versorgungsspannung und Masse verkürzt.
  • Wenn bei einer Leiterplatte (nicht dargestellt), welche keinen EMI-Ring aufweist, eine vergleichbare Rauschspannung zwischen der Versorgungsspannung und Masse auftritt, wird ein elektrisches Feld zwischen den Masse und Versorgungsspannung tragenden Schicht in der Leiterplatte induziert. Bei einer Leiterplatte 1' mit einem EMI-Ring 3 und bei derselben Rauschspannung ist der Abstand zwischen der Versorgungsspannung aufweisenden Schicht und dem geerdeten EMI-Ring 3 geringer als der Abstand zwischen den Masse und Versorgungsspannung tragenden Schichten der Leiterplatte ohne EMI-Ring und das durch diese Rauschspannung induzierte elektrische Feld ist daher bei der Leiterplatte 1' mit EMI-Ring 3 viel größer. Daher geht von einer Leiterplatte 1', welche einen EMI-Ring 3 aufweist, aufgrund von Versorgungsspannungsschwankungen eine höhere elektromagnetische Strahlung aus als von einer Leiterplatte, welche keinen EMI-Ring aufweist.
  • Mit anderen Worten reduziert ein EMI-Ring zwar eine elektromagnetische Strahlung, welche von einem elektromagnetischen Feld in einem Dielektrikum der Leiterplatte hervorgerufen wird, welches durch Übertragungsleitungen und andere Komponenten auf der Leiterplatte erzeugt wird, aber der EMI-Ring erhöht negativer Weise die elektromagnetische Strahlung, welche durch Versorgungsspannungsschwankungen hervorgerufen wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Idee zwischen der leitfähigen Struktur (EMI-Ring) und der Versorgungsspannung einen oder mehrere Entkopplungskondensatoren zu installieren, wird die elektromagnetische Strahlung, welche durch die Versorgungsspannungsschwankungen verursacht wird, vorteilhafter Weise verringert. Durch diese Entkopplungskondensatoren wird das elektrische Feld, welches durch die Versorgungsspannungsschwankungen erzeugt wird, kurz geschlossen, wodurch wiederum die von dem elektrischen Feld verursachte elektromagnetische Strahlung verringert wird.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden zur Entkopplung diskrete Entkopplungskapazitäten verwendet, welche als eigene Bauelemente insbesondere auf die Oberfläche der elektronischen Schaltung aufgebracht werden. Dazu werden mehrere erste Vias derart in der elektronischen Schaltung entworfen, dass diese ersten Vias jeweils die leitfähige Struktur mit einem Punkt der Oberfläche der elektronischen Schaltung verbinden. Des Weiteren werden zweite Vias derart in der elektronischen Schaltung entworfen, dass diese zweiten Vias jeweils zum einen mit dem Versorgungspotenzial der elektronischen Schaltung und mit einem Punkt der Oberfläche der elektronischen Schaltung verbunden sind. Jede Entkopplungskapazität wird dann mittels einem der ersten Vias und einem der zweiten Vias elektrisch sowohl mit der leitfähigen Struktur als auch mit der Versorgungsspannung verbunden.
  • Der Vorteil einer diskreten Kapazität gegenüber einer innerhalb der elektronischen Schaltung ausgebildeten Kapazität, welche beispielsweise durch zwei Metallflächen in der elektronische Schaltung aufgebaut werden könnte, besteht darin, dass die Kenngrößen (z.B. die Kapazität) des Entkopplungskondensators mit einer diskreten Kapazität wesentlich genauer zu realisieren sind, als dies mit einer innerhalb der elektronische Schaltung ausgebildeten Kapazität möglich ist. Da durch die Kapazität der Entkopplungskondensatoren festgelegt wird, welcher Frequenzbereich der Versorgungsspannungsschwankungen entkoppelt wird, kann ein falscher Kapazitätswert der Entkopplungskondensatoren dazu führen, dass beispielsweise Versorgungsspannungsschwankungen kleinerer Frequenzen (z.B. kleiner 2GHz) nicht entkoppelt werden.
  • Die Kapazität eines Entkopplungskondensators liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 0,2μF.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine elektronische Schaltung, insbesondere eine Leiterplatte, bereitgestellt, welche eine leitfähige Struktur, insbesondere einen EMI-Ring, aufweist, um eine elektromagnetische Strahlung der elektronischen Schaltung abzuschirmen. Dabei umgibt diese leitfähige Struktur einen Teil der elektronischen Schaltung oder die gesamte elektronische Schaltung und ist mit einem ersten Versorgungspotenzial der elektronischen Schaltung, insbesondere mit Masse, verbunden. Zur weiteren Abschirmung der elektronischen Schaltung bezüglich einer elektromagnetischen Strahlung ist die leitfähige Struktur über eine oder mehrere Kapazitäten mit einem zweiten Versorgungspotenzial der elektronischen Schaltung, insbesondere der Versorgungsspannung der elektronischen Schaltung, verbunden.
  • Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen, welche bereits vorab bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abschirmung einer elektronischen Schaltung gegenüber elektromagnetischer Strahlung diskutiert wurde, weshalb hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich vorzugsweise zum Einsatz bei Leiterplatten, welche Bauelemente umfassen, die mit Taktraten über 1GHz arbeiten. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt, sondern kann auch bei anderen elektronischen Schaltungen, z.B. Halbleiterschaltungen, und bei Bauelementen, welche mit Frequenzen unterhalb von 1GHz arbeiten, eingesetzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert.
  • 1 stellt eine gewöhnliche Leiterplatte mit EMI-Ring von oben gesehen dar.
  • 2 stellt eine erfindungsgemäße Leiterplatte von oben gesehen dar.
  • 3 stellt einen Ausschnitt der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Leiterplatte im Querschnitt dar.
  • 4 stellt die Feldstärke der elektromagnetischen Strahlung sowohl einer erfindungsgemäßen Leiterplatte als auch einer gewöhnlichen Leiterplatte über der Frequenz von Versorgungsspannungsschwankungen dar.
  • In 2 ist eine erfindungsgemäße Leiterplatte 1 von oben dargestellt, welche einen EMI-Ring 3 und innerhalb des EMI-Rings 3 auf der Oberfläche der Leiterplatte 1 gewöhnliche Entkopplungskondensatoren 8 aufweist. Der EMI-Ring 3 ist zum einen elektrisch direkt mit Masse VSS verbunden und zum anderen über Entkopplungskondensatoren 4 mit der Versorgungsspannung VDD der Leiterplatte 1 elektrisch verbunden. Diese Entkopplungskondensatoren 8 sind mit äquidistanten Abständen um den EMI-Ring 3 herum angeordnet. Da der EMI-Ring 3 innerhalb der Leiterplatte 1 angeordnet ist und von oben eigentlich nicht zu sehen ist, ist er in 2 gestrichelt dargestellt.
  • In 3 ist ein Ausschnitt der Leiterplatte 1 im Querschnitt dargestellt. Man erkennt, dass die Leiterplatte 1 bei dieser Ausführungsform drei Schichten 1113 umfasst. Die oberste Schicht 11 trägt die Versorgungsspannung VDD und die unterste Schicht 13 trägt Masse VSS. In der mittleren Schicht 12 befindet sich ein schaltungstechnischer Teil 2 der Leiterplatte, welcher über Vias mit Bauelementen 5 verbunden ist, welche mittels SMT-Technik auf die Oberfläche 9 der Leiterplatte 1 aufgebracht worden sind. Um eine elektromagnetische Strahlung von diesem schaltungstechnischen Teil 2 abzuschirmen, ist um diesen schaltungstechnischen Teil 2 herum am Rand der mittleren Schicht 12 der Leiterplatte 1 eine 3mm dicke Leiterbahn aufgebracht, welche als EMI-Ring 3 fungiert. Dieser EMI-Ring 3 ist über erste Vias mit der untersten Schicht 13 und damit mit Masse VSS verbunden, so dass der EMI-Ring selbst auf Masse VSS liegt.
  • Zwischen den einzelnen Schichten 1113 und zwischen der obersten Schicht 11 und der Oberfläche 9 ist ein Dielektrikum (nicht dargestellt) ausgebildet, um die Schichten 1113 und die Oberfläche gegeneinander elektrisch zu isolieren.
  • Jeder Entkopplungskondensator 4 ist zum einen über einen ersten Via 6 mit dem EMI-Ring 3 und über einen zweiten Via 7 mit Versorgungsspannung VDD verbunden. Die Entkopplungskondensatoren 4 sind mittels SMT-Technik auf die Oberfläche 9 der Leiterplatte 1 aufgebracht worden.
  • In 4 ist jeweils der Spitzenwert der elektromagnetischen Strahlung, welche sowohl für eine gewöhnliche Leiterplatte 1' als auch für eine erfindungsgemäße Leiterplatte 1 in einem Abstand von 3m von der jeweiligen Leiterplatte 1, 1' gemessen wurde, dargestellt. Dabei ist in 4 über der x-Achse die Frequenz und über der y-Achse die elektromagnetische Feldstärke in V/m dargestellt. Die Kurve 21 zeigt dabei den Spitzenwert der elektromagnetischen Strahlung für eine herkömmliche Leiterplatte 1' und die Kurve 22 zeigt den Spitzenwert der elektromagnetischen Strahlung für die erfindungsgemäße Leiterplatte 1.
  • Man erkennt, dass der Spitzenwert der elektromagnetischen Strahlung für die erfindungsgemäße Leiterplatte 1 bei allen Frequenzen unterhalb des Spitzenwerts der elektromagnetischen Strahlung für die herkömmliche Leiterplatte 1' liegt. Da der einzige Unterschied zwischen der herkömmlichen Leiterplatte 1' und der erfindungsgemäßen Leiterplatte 1 die Entkopplungskondensatoren 4 sind, mit welchen der EMI-Ring 3 mit der Versorgungsspannung VDD verbunden ist, zeigt der Kurvenverlauf der 4, dass diese erfindungsgemäßen Entkopplungskondensatoren 4 zusammen mit dem EMI-Ring 3 in der Lage sind, die von einer Leiterplatte 1 abgegebene elektromagnetische Strahlung stärker zu reduzieren, als dies bei gewöhnlichen Leiterplatten 1' mit EMI-Ring, welcher nicht über Kapazitäten mit der Versorgungsspannung VDD gekoppelt ist, der Fall ist.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Abschirmung einer elektronischen Schaltung (1) gegenüber elektromagnetischer Strahlung, wobei zumindest ein Teil (2) der elektronischen Schaltung (1) mit einer leitfähigen Struktur (3) zur Abschirmung der elektronischen Schaltung (1) gegenüber elektromagnetischer Strahlung umgeben wird, wobei die leitfähige Struktur (3) mit einem ersten Versorgungspotenzial (VSS) verbunden wird, wobei die leitfähige Struktur (3) mittels mehrerer Kapazitäten (4) mit einem zweiten Versorgungspotenzial (VDD) zur weiteren Abschirmung der elektronischen Schaltung (1) gegenüber elektromagnetischer Strahlung verbunden wird, und wobei die elektronische Schaltung eine Leiterplatte (1) ist, welche mit mehreren elektronischen Bauelementen (5) bestückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur (3) in mindestens einer Schicht (12) der Leiterplatte ausgebildet wird, dass die leitfähige Struktur (3) mit mehreren ersten Vias (6) mit einer Oberfläche (9) der Leiterplatte (1) verbunden wird, und dass jeder erste Via (6) mittels jeweils einer der Kapazitäten (4) auf der Oberfläche (9) der Leiterplatte (1) über weitere zweite Vias (7) mit dem zweiten Versorgungspotenzial (VDD) verbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Kapazitäten jeweils eine diskrete Entkopplungskapazität (4) sind, welche jeweils als eigenes Bauelement auf die elektronische Schaltung (1) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versorgungspotenzial Masse (VSS) und das zweite Versorgungspotenzial ein Spannung aufweisendes Potenzial (VDD) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (4) in äquidistanten Abständen mit der leitfähigen Struktur (3) verbunden werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Struktur durch mindestens eine Leiterbahn (3) in einer Schicht (12) der Leiterplatte (1), in welcher der Teil (2) der elektronischen Schaltung (1) liegt, ausgebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht weder eine oberste Schicht (11) noch eine unterste Schicht (13) der Leiterplatte (1) ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Kapazitäten (4) jeweils eine Kapazität in einem Bereich von 0,05 bis 0,2μF aufweisen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versorgungspotenzial (VSS) ein erstes Versorgungspotenzial der elektronischen Schaltung (1) und das zweite Versorgungspotenzial (VDD) ein zweites Versorgungspotenzial der elektronischen Schaltung (1) ist.
  9. Elektronische Schaltung, welche eine leitfähige Struktur (3) zur Abschirmung der elektronischen Schaltung (1) gegenüber elektromagnetischer Strahlung aufweist, wobei die leitfähige Struktur (3) zumindest einen Teil (2) der elektronischen Schaltung (1) umgibt, wobei die leitfähige Struktur (3) mit einem ersten Versorgungspotenzial (VSS) verbunden ist, wobei die leitfähige Struktur (3) mittels mehrerer Kapazitäten (4) mit einem zweiten Versorgungspotenzial (VDD) zur weiteren Abschirmung der elektronischen Schaltung (1) gegenüber elektromagnetischer Strahlung verbunden ist, und wobei die elektronische Schaltung eine Leiterplatte (1) ist, welche mit mehreren elektronischen Bauelementen (5) bestückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die leitfähige Struktur (3) in mindestens einer Schicht (12) der Leiterplatte (1) befindet, dass die leitfähige Struktur (3) mit mehreren ersten Vias (6) mit einer Oberfläche (9) der Leiterplatte (1) verbunden ist, und dass jeder erste Via (6) mittels jeweils einer der Kapazitäten (4) auf der Oberfläche (9) der Leiterplatte (1) über weitere zweite Vias (7) mit dem zweiten Versorgungspotenzial (VDD) verbunden ist.
  10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Kapazitäten jeweils eine diskrete Entkopplungskapazität (4) sind, welche jeweils als eigenes Bauelement auf die elektronische Schaltung (1) aufgebracht sind.
  11. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versorgungspotenzial Masse (VSS) und das zweite Versorgungspotenzial ein Spannung tragendes Potenzial (UDD) ist.
  12. Schaltung nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (4) in äquidistanten Abständen mit der leitfähigen Struktur (3) verbunden sind.
  13. Schaltung nach einem der Ansprüche 9–12, dadurch gekennzeichnet, die leitfähige Struktur mindestens eine Leiterbahn (3) in einer Schicht (12) der Leiterplatte (1), in welcher der Teil (2) der elektronischen Schaltung (1) liegt, ist.
  14. Schaltung nach einem der Ansprüche 9–13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (12) weder eine oberste (11) noch eine unterste Schicht (13) der Leiterplatte (1) ist.
  15. Schaltung nach einem der Ansprüche 9–14, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Kapazitäten (4) jeweils eine Kapazität in einem Bereich von 0,05 bis 0,2μF aufweisen.
  16. Schaltung nach einem der Ansprüche 9–15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versorgungspotenzial (VSS) ein erstes Versorgungspotenzial der elektronischen Schaltung (1) und das zweite Versorgungspotenzial (VDD) ein zweites Versorgungspotenzial der elektronischen Schaltung (1) ist.
  17. Schaltung nach einem der Ansprüche 9–16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (1) mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–8 gegenüber elektromagnetischer Strahlung geschützt ist.
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