DE102007034750A1

DE102007034750A1 - Verbessertes galvanisches Trennglied

Info

Publication number: DE102007034750A1
Application number: DE102007034750A
Authority: DE
Inventors: Julie E. Portola Valley Fouquet; Gary R. San Mateo Trott
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: CN101136706A; US20100176660A1; US20080061631A1; DE102007034750B4; US8385028B2; US7791900B2; JP4654228B2; JP2008061236A

Abstract

Es ist ein galvanisches Trennglied offenbart, das ein geteiltes Schaltungselement, ein polymeres Substrat, einen Sender und einen Empfänger aufweist. Das geteilte Schaltungselement weist einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt an einer ersten Oberfläche des Substrats angeordnet ist und der zweite Abschnitt an einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Der Sender empfängt ein Eingangssignal und koppelt ein Signal, das von dem Eingangssignal abgeleitet ist, zu dem ersten Abschnitt. Der Empfänger ist mit dem zweiten Abschnitt des Schaltungselements verbunden und erzeugt ein Ausgangssignal, das zu einer externen Schaltung gekoppelt wird. Das galvanische Trennglied kann an herkömmlichen Gedruckte-Schaltungsplatine-Substraten und flexiblen Schaltungssubstraten wirtschaftlich gefertigt werden.

Description

Bei vielen Schaltungsanordnungen muss ein logisches Signal zwischen zwei Schaltungen übertragen werden, die im übrigen voneinander elektrisch getrennt bzw. isoliert sein müssen. Zum Beispiel könnte die Sendeschaltung hohe interne Spannungen verwenden, die eine Gefahr für die Empfangsschaltung oder Einzelpersonen darstellen würden, die sich mit dieser Schaltung in Kontakt befinden. In dem allgemeineren Fall muss die Trennschaltung sowohl eine Spannungs- als auch eine Rauschtrennung über eine isolierende Barriere liefern. Derartige Trennungsschaltungen werden häufig als „galvanische Trennglieder" bezeichnet. Eine Klasse von galvanischen Trenngliedern basiert auf einem Transformieren des logischen Signals in ein Lichtsignal, das dann zu einem optischen Empfänger in der Empfangsschaltung gesendet wird, der das optische Signal zurück in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Sende- und die Empfangsschaltung befinden sich typischerweise an getrennten Substraten und sind mit getrennten Leistungsversorgungen verbunden. Während eine erhebliche Anzahl von handelsüblichen galvanischen Trenngliedern auf einer derartigen optischen Übertragung beruht, weisen optische galvanische Trennglieder eine Anzahl von Problemen auf. Zum Beispiel sind diese Schaltungen elektrisch ineffizient. Es kann lediglich ein Bruchteil der Signalleistung unter Verwendung einer lichtemittierenden Diode oder einer ähnlichen Vorrichtung in ein optisches Signal umgewandelt werden. An dem Empfänger ist der Bruchteil der Leistung in dem Lichtsignal, der durch den Photodetektor wiedergewonnen wird, sehr gering. Somit erfordern optische galvanische Trennglieder eine hohe Leistungs- und Signalverstärkung. Zusätzlich ist der Pegel einer Trennung, der durch die Schaltungen geliefert wird, durch HF-Felder begrenzt, die in der Sendeschaltung und der umgebenden Umwelt erzeugt werden und die durch die Schaltungsanordnung in der Empfangsschaltung empfangen werden und nicht auf die Signale bezogen sind, die optisch gesendet werden. Im Prinzip kann eine leitfähige Barriere verwendet werden, um die Empfangsschaltung abzuschirmen; derartige Barrieren blockieren jedoch einen Teil des Lichts in dem optischen Signal und reduzieren somit die elektrische Effizienz des Trennglieds weiter.
Um diese und andere Einschränkungen zu überwinden, wurde eine Klasse von galvanischen Trenngliedern auf der Basis von einem oder mehreren elektrischen Wandlern entwickelt. Ein Beispiel ist ein Transformator. Bei diesen galvanischen Trenngliedern treibt der Sender die Primärwicklung eines Transformators und ist der Empfänger über die Sekundärwicklung geschaltet. Typischerweise sind der Sender und die zwei Wicklungen an einem ersten Halbleiterchip aufgebaut und ist der Empfänger an einem getrennten Chip aufgebaut, der durch Drahtverbindungen oder dergleichen mit dem ersten Chip verbunden ist. Die zwei Transformatorwicklungen sind typischerweise über den Treiberschaltungen an dem ersten Chip durch ein Strukturieren von zwei der Metallschichten aufgebracht, die typischerweise bei herkömmlichen Halbleiterfertigungsprozessen vorgesehen sind.
Die Größe des Halbleiterchips ist durch die Größe der Transformatorspulen festgelegt, die verglichen mit der Treiberschaltungsanordnung typischerweise eine erhebliche Siliziumfläche benötigen. Die Kosten des Halbleitersubstrats sind ein erheblicher Bruchteil der Kosten des Trennglieds. Dies ist ein besonders erhebliches Problem bei Vorrichtungen, die entworfen sind, um bei relativ niedrigen Frequenzen wirksam zu sein, bei denen große Spulen erforderlich sind, um die Kopplung zwischen dem Sender und dem Empfänger zu liefern. Zusätzlich erfordern viele Anwendungen mehrere unabhängige galvanische Trennglieder an einem einzigen Substrat. Ein Übersprechen zwischen den Trenngliedern, die an Siliziumsubstraten unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterfertigungstechniken aufgebaut sind, ist auf Grund von Randfeldern, die dadurch erzeugt werden, dass eine Spule mit einer benachbarten Spule gekoppelt ist, schwierig auf kostenwirksame Weise zu blockieren. Falls die Chips durch einen ausreichenden Abstand an dem Siliziumsubstrat getrennt sind, werden die Kosten des verschwendeten Siliziums erheblich.
Zusätzlich zu der verschwendeten Siliziumfläche weisen Vorrichtungen, die unter Verwendung einer herkömmlichen Fertigung integrierter Schaltungen aus Silizium aufgebaut sind, Einschränkungen auf, die durch die Entwurfsregeln der Fertigungslinie und die Einschränkungen hinsichtlich Materialien auferlegt sind, die an dieser Linie zulässig sind. Bei vielen Anwendungen muss die dielektrische Isolation zwischen den Spulen des Transformators Spannungen von über 1000 Volt standhalten können. Die Dicke eines Dielektrikums, die bei herkömmlichen CMOS-Fertigungslinien erhältlich ist, ist ungenügend, um diesen Grad an Isolation zu liefern. Bei einigen Anwendungen wäre es zusätzlich vorteilhaft, eine Feritschicht zwischen den Spulen des Transformators bereitzustellen, um die Kopplungseffizienz zu verbessern. Die fraglichen Materialien können jedoch nicht bei vielen herkömmlichen Fertigungslinien verwendet werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein galvanisches Trennglied mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Trennglied gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein galvanisches Trennglied, das ein geteiltes Schaltungselement, ein Substrat, einen Sender und einen Empfänger aufweist. Das geteilte Schaltungselement weist einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf. Das Substrat umfasst eine isolierende polymere oder polymere/anorganische Schicht mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei der erste und der zweite Ab schnitt an dem Substrat angeordnet sind. Der erste Abschnitt des Schaltungselements kann an der ersten Oberfläche angeordnet sein und der zweite Abschnitt kann an der zweiten Oberfläche angeordnet sein. Alternativ können beide Abschnitte an der ersten Oberfläche angeordnet sein. Die Wahl einer Konfiguration hängt von dem spezifischen geteilten Schaltungselement ab, das implementiert wird. Der Sender empfängt ein Eingangssignal und koppelt ein Signal, das von dem Eingangssignal abgeleitet ist, zu dem ersten Abschnitt. Der Empfänger ist mit dem zweiten Abschnitt des Schaltungselements verbunden und erzeugt ein Ausgangssignal, das zu einer externen Schaltung gekoppelt wird. Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst das geteilte Schaltungselement einen Transformator, der eine Primärspule, die den ersten Abschnitt umfasst, und eine Sekundärspule aufweist, die den zweiten Abschnitt umfasst. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das geteilte Schaltungselement einen Kondensator, der eine erste Platte, die den ersten Abschnitt umfasst, und eine zweite Platte aufweist, die den zweiten Abschnitt umfasst. Bei noch einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das geteilte Schaltungselement eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne; die Sendeantenne umfasst den ersten Abschnitt und die Empfangsantenne umfasst den zweiten Abschnitt. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Substrat flexibel.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 und 2 ein Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 und 4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 und 6 eine Komponentenspule, die verwendet werden kann, um ein galvanisches Trennglied gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufzubauen;
7 ein galvanisches Trennglied gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8–9 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Komponentenspule, die verwendet werden kann, um ein galvanisches Trennglied gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufzubauen;
10 ein galvanisches Trennglied gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 ein anderes Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung;
12–13 ein anderes Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung;
14 eine Querschnittsansicht eines galvanischen Trennglieds gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der eine Abschirmung verwendet;
15 einen Abschnitt einer Lage bzw. Schicht von galvanischen Trenngliedern gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16 eine Querschnittsansicht eines galvanischen Trennglieds gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
17 eine Draufsicht eines galvanischen Trennglieds gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung die Vorteile derselben liefert, kann mit Bezug auf 1 und 2 einfacher verstanden werden, die ein Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. 1 ist eine Draufsicht eines galvanischen Trennglieds 20 und 2 ist eine Querschnittsansicht des galvanischen Trennglieds 20 durch eine Linie 2-2. Das galvanische Trennglied 20 umfasst einen Senderchip 21 und einen Empfängerchip 22, die mit einem Substrat verbunden bzw. gebondet sind, in dem Spulen 23 und 24 gefertigt und mit Bondanschlussflächen an der oberen Oberfläche einer Schicht 34 verbunden wurden. Alternativ können der Senderchip 21 und der Empfängerchip 22 an einem Anschlussrahmen angebracht und durch Drahtverbindungen mit Bondanschlussflächen verbunden sein, die an den Spulen 23 und 24 angebracht sind. Andere Gehäuse- bzw. Packungsausführungsbeispiele sind ebenfalls möglich. Die Spulen 23 und 24 bilden einen Transformator. Die Transformatorspulen sind durch ein lithografisches Strukturieren von Metallschichten an der Oberfläche eines polymeren Substrats 33 gefertigt, das eine ausreichende Dicke und ausreichende Isolationscharakteristika aufweist, um der Spannung standzuhalten, für die das galvanische Trennglied entworden ist.
Jede Spule weist ein äußeres Ende und ein inneres Ende auf. Jedes dieser Enden muss mit den geeigneten Anschlüssen an dem Sender- oder Empfängerchip verbunden sein, die dieser Spule zugeordnet sind. Für jede Spule wird eine Verbindung durch eine Leiterbahn hergestellt, die mit der Spule gebildet wird, wenn die Metallschicht, aus der die Spule strukturiert wird, geätzt wird, und eine Verbindung ist durch eine strukturierte Metallschicht an der äußeren Oberfläche des Substrats hergestellt. Die Verbindung mit dem inneren Ende 26 der Spule 23 ist über eine Leiterbahn 25 an der äu ßeren Oberfläche der isolierenden Schicht 34 hergestellt. Die Verbindung mit dem äußeren Ende der Spule 23 ist über eine Leiterbahn 27 hergestellt, die aus der gleichen Schicht wie die Spule 23 strukturiert ist. Die Leiterbahn 27 ist durch eine vertikale Durchkontaktierung durch die Schicht 34 hindurch mit dem Chip 22 verbunden. Gleichermaßen ist der Chip 21 mit dem äußeren Ende der Spule 24 durch eine Leiterbahn 29 und eine vertikale Durchkontaktierung 30 verbunden, wobei die Leiterbahn 29 aus der gleichen Metallschicht wie die Spule 24 strukturiert ist. Das innere Ende der Spule 24 ist mit dem Chip 21 durch eine Leiterbahn 28 an der unteren Oberfläche der isolierenden Schicht 32 durch eine leitende Durchkontaktierung 31 hindurch verbunden. Isolierende Schichten können außerhalb der Schichten aus Metall hinzugefügt sein, einschließlich der Leiterbahnen 25 und 28, um einen elektrischen Kontakt zwischen den Leiterbahnen 25 oder 28 und äußeren Leitern zu verhindern.
Die in 1 und 2 gezeigte Struktur kann an einer herkömmlichen Fertigungslinie für gedruckte Schaltungsplatinen gefertigt werden. Somit sind die Kosten des galvanischen Trennglieds 20 viel geringer als diese eines galvanischen Trennglieds, das aus Silizium an einer Halbleiterfertigungslinie aufgebaut wird.
Falls ein Drahtbonden verwendet werden kann, kann die in 1 und 2 gezeigte Struktur zu zwei Metallschichten an einem einzigen Substrat vereinfacht werden. Nun sei Bezug auf 3 und 4 genommen, die ein anderes Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. 3 ist eine Draufsicht eines galvanischen Trennglieds 40 und 4 ist eine Querschnittsansicht des galvanischen Trennglieds 40 durch eine Linie 4-4, die in 3 gezeigt ist. Das galvanische Trennglied ist aus zwei Metallschichten aufgebaut, die an einem polymeren Substrat 41 aufgebracht und strukturiert sind, das eine ausreichende Dicke aufweist, um den Spannungsunterschieden zwischen den zwei Schaltungen standzuhalten, die getrennt werden. Die obere Metallschicht ist strukturiert, um eine Spule 42 und die verschiedenen Verbindungsanschlussflächen bereitzustellen, die durch den Sender 21 und den Empfänger 22 verwendet werden. Die untere Schicht wird verwendet, um eine Spule 43 zu fertigen, die unter der Spule 42 liegt und die zweite Spule des Transformators bildet. Die untere Schicht ist ebenfalls strukturiert, um Leiterbahnen 44 und 45 bereitzustellen, die verwendet werden, um die Spule 43 mit Drahtbondanschlussflächen 48 und 49 an der oberen Oberfläche der Schicht 41 durch vertikale leitende Durchkontaktierungen 46 und 47 zu verbinden. Die Spule 43 ist durch Drahtverbindungen 51 und 52 mit dem Sender 21 verbunden.
Die Spule 42 ist durch eine Leiterbahn 53, die aus der oberen Metallschicht strukturiert ist, und durch eine Drahtverbindung 54 mit dem Empfänger 22 verbunden. Schließlich sind auch die verschiedenen Verbindungsanschlussflächen zum Verbinden des galvanischen Trennglieds 40 mit den externen Schaltungen, die durch das galvanische Trennglied 40 getrennt werden sollen, aus der oberen Metallschicht strukturiert. Exemplarische Verbindungsanschlussflächen dieses Typs sind bei 55 und 56 gezeigt.
Wie es oben angemerkt ist, kann ein galvanisches Trennglied gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung herkömmlicher Fertigungstechniken für gedruckte Schaltungsplatinen aufgebaut werden. Wie es unten detaillierter erläutert wird, sind Ausführungsbeispiele auf der Basis flexibler organischer/anorganischer oder organischer Substrate besonders attraktiv. Gedruckte Schaltungsplatinen oder Schaltungsträger sind auf dem Gebiet bekannt und werden daher hier nicht detailliert erörtert. Für die Zwecke der vorliegenden Erörterung ist es ausreichend, anzumerken, dass gedruckte Schaltungsplatinen durch ein Aufbringen dünner Metallschichten, oder Anbringen von Metallschichten, an einem etwas flexiblen organischen/anorganischen Substrat, das aus Fiberglas gebildet ist, das mit Epoxidharz imprägniert ist, und ein anschließendes Umwandeln der Schichten in eine Mehrzahl einzelner Leiter durch herkömmliche photolithografische Techniken gefertigt werden können. Eine Flex-Schaltung-Technologie ist ebenfalls eine nützliche Ausführungseinrichtung. Hier sind Substrate aus einem organischen Material hergestellt, wie beispielsweise Polyimid. Filme und Laminate dieses Typs sind im Handel von Dupont erhältlich und nutzen Substrate namens Kapton^TM, die aus Polyimid hergestellt sind, und in einigen Fällen sind eine Mehrzahl von Schichten mit einem Haftmittel laminiert. Diese Art eines Schaltungsträgers oder einer gedruckten Schaltungsplatinen ist erheblich kostengünstiger als eine siliziumsubstratbasierte Schaltungsanordnung und kann mit relativ dünnen Substraten versehen sein. Dünnere Substrate sind bei Anwendungen bevorzugt, bei denen Signalverluste zwischen der Primär- und der Sekundärspule minimiert werden müssen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Laminat Pyralux AP von Dupont verwendet, das eine 50 Mikrometer (2 Tausendstel Zoll) dicke Kapton^TM-Schicht und Kupferschichten an der oberen und der unteren Oberfläche aufweist.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden ein Substrat, an dem beide Spulen des Transformators durch ein Strukturieren und Verbinden verschiedener Metallschichten gefertigt sind. In einigen Situationen jedoch liefert ein Aufbauen eines galvanischen Trennglieds aus zwei getrennten Transformatorkomponenten erhebliche Vorteile. Nun sei auf 5 und 6 Bezug genommen, die eine Komponentenspule darstellen, die verwendet werden kann, um ein galvanisches Trennglied gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufzubauen. 5 ist eine Draufsicht einer Komponentenspule 60 und 6 ist eine Querschnittsansicht der Komponentenspule 60 durch eine Linie 6-6. Die Komponentenspule 60 ist aus einem isolierenden Substrat 62 mit einer oberen und einer unteren Metallschicht aufgebaut. Die obere Schicht ist strukturiert, um eine Spule 61 und einen Satz von Befestigungsanschlussflächen zum Befestigen eines Chips 67 bereitzustellen. Die obere Schicht umfasst ferner Leiterbahnen zum Verbinden der Spule 61 mit dem Chip 67. Das äußere Ende der Spule 61 ist durch eine Leiterbahn 63 mit dem Chip 67 verbunden und das innere Ende der Spule 61 ist durch eine Leiterbahn von einer Durchkontaktierung 64 verbunden. Die obere Schicht ist ebenfalls strukturiert, um Leiterbahnen bereitzustellen, wie beispielsweise eine Leiterbahn 66 zum Verbinden des Chips 67 mit einer externen Schaltungsanordnung. Die untere Metallschicht ist strukturiert, um einen Leiter 68 bereitzustellen, der das innere Ende der Spule 61 durch eine zweite Durchkontaktierung 69 mit der Durchkontaktierung 64 verbindet.
Nun sei auf 7 Bezug genommen, die ein galvanisches Trennglied gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein galvanisches Trennglied 70 ist aus zwei Komponentenspulen 71 und 72 von der Art aufgebaut, die oben mit Bezug auf 5 und 6 erörtert ist. Ein Chip 75 an der Komponentenspule 71 ist ein Empfänger und ein Chip 74 an der Komponentenspule 72 ist der entsprechende Sender. Die zwei Komponentenspulen sind an einem Isolator 73 gebondet.
In 7 ist die Abstandspannung bzw. Standoff-Spannung, der das galvanische Trennglied standhalten kann, durch die Dicke und Zusammensetzung der Schicht 73 festgelegt. Somit können galvanische Trennglieder, die unterschiedliche Entwurfsabstandsspannungen aufweisen, aus den gleichen Komponentenspulen aufgebaut sein, was wiederum Kosten reduziert, die einem Beibehalten von Komponenteninventaren zugeordnet sind, und die Größenvorteile erhöht.
Es ist ferner zu beachten, dass die Schicht 73 andere Materialien umfassen könnte, die die Kopplungseffizienz der zwei Spulen verstärken. Zum Beispiel könnte bei Ausführungsbeispielen, bei denen keine hohen Frequenzen aufgenommen werden müssen, die Schicht 73 ein Ferritmaterial umfassen, das die Spulenkopplungseffizienz erhöht.
Das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel weist den Nachteil eines Aufweisens eines größeren Abstands zwischen den zwei Spulen auf, da die Spulen nun durch die Dicke der isolierenden Schicht 73 und die Dicke des Substrats 62 getrennt sind. Da die Leistungskopplungseffizienz des Transformators sich mit steigendem Abstand zwischen den Spulen verringert, kann dieser Effizienzverlust durch die Verbesserungen bei den Größenvorteilen ausgeglichen werden, die dadurch erreicht werden, dass eine Vorrichtung aus zwei identischen Komponentenspulen aufgebaut ist.
Nun sei auf 8–9 Bezug genommen, die ein anderes Ausführungsbeispiel einer Komponentenspule darstellen, die verwendet werden kann, um ein galvanisches Trennglied gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufzubauen. 9 ist eine Draufsicht einer Komponentenspule 120 und 8 ist eine Querschnittsansicht der Komponentenspule 120 durch eine Linie 8-8. Die Komponentenspule 120 unterscheidet sich von der Komponentenspule 60 dahingehend, dass eine Spule 121 sich an der unteren Oberfläche eines Substrats 122 befindet und mit dem geeigneten Treiberchip 123 durch Leiterbahnen 125 und 128 verbunden ist, die sich an der oberen Oberfläche des Substrats 121 befinden. Diese Leiterbahnen sind mit den Enden der Spule 121 durch vertikale Durchkontaktierungen 124 und 126 verbunden.
Nun sei auf 10 Bezug genommen, die ein galvanisches Trennglied gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein galvanisches Trennglied 130 ist aus zwei Komponentenspulen an Substraten 131 und 132 aufgebaut. Eine Komponentenspule 135 an dem Substrat 131 ist von der Art, die in 8–9 gezeigt ist, und eine Komponentenspule 134 an dem Substrat 132 ist von der Art, die in 5–6 gezeigt ist. Die zwei Komponentenspulen sind an einen Isolator 133 gebondet. Da die Spulen nicht durch eine Substratsschicht von dem Isolator getrennt sind, ermöglicht dieses Ausführungsbeispiel, dass sich die Spulen bei einer jeglichen gegebenen Dicke des Isolators 133 näher beieinander befinden.
Ausführungsbeispiele, bei denen das Substrat 122 und die Metallschichten Teil eines flexiblen Schaltungsträgers sind, weisen noch weitere Vorteile auf. In einigen Fällen ist die Fläche begrenzt, die zum Befestigen des galvanischen Trennglieds verfügbar ist. Das heißt, das galvanische Trennglied muss eine relativ geringe „Standfläche" bzw. einen relativ geringen „Footprint" aufweisen. Bei einigen dieser Fälle ist die Fläche, die benötigt wird, um die Spulen zu implementieren, größer als die fragliche Standfläche. Um daher ein galvanisches Trennglied mit der erwünschten Standfläche bereitzustellen, müssen die Spulen in einer vertikalen Anordnung implementiert werden, um diese Menge an horizontaler Oberflächenfläche zu reduzieren, die benötigt wird, um das Trennglied zu befestigen. Ein Komponentenspulenentwurf, wie beispielsweise dieser, der oben beschrieben ist, und bei dem die Komponentenspulen an einem flexiblen Schaltungsträger aufgebaut sind, liefert eine kostenwirksame Lösung für dieses Problem.
Nun sei auf 11 Bezug genommen, die ein anderes Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein galvanisches Trennglied 90 ist aus zwei Komponentenspulenanordnungen 91 und 92 aufgebaut, die der oben erörterten Komponentenspule 120 ähnlich sind, mit der Ausnahme, dass die Substrate flexibel sind. Jede Komponentenspule umfasst eine Spule 93 und eine Chipschnittstelle zum Befestigen entweder eines Senders 94 oder eines Empfängers 95. Die Komponentenspulenanordnungen sind um 90 Grad gebogen und an eine isolierende Schicht 96 gebondet. Daher ist der Transformator außerhalb der Anbringungsebene implementiert und benötigt wesentlich weniger Fläche.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden eine geteilte Transformatoranord nung, um die Trennung der zwei Schaltungen durchzuführen. Jedoch können auch Ausführungsbeispiele aufgebaut werden, die andere Arten von geteilten Schaltungselementen verwenden. Zum Beispiel können auch Trennglieder auf der Basis von Kondensatoren aufgebaut werden, bei denen die Sendeschaltung eine Platte eines Kondensators treibt und der Empfänger an der anderen Platte des Kondensators angebracht ist. Nun sei auf 12–13 Bezug genommen, die ein anderes Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen. 12 ist eine Draufsicht eines galvanischen Trennglieds 140 und 13 ist eine Querschnittsansicht des galvanischen Trennglieds 140 durch eine Linie 13-13, die in 12 gezeigt ist. Das galvanische Trennglied 140 verwendet eine geteilte Kondensatoranordnung, um einen Sender 143 von einem Empfänger 144 zu trennen. Der Kondensator weist Platten 148 und 149 auf. Es ist zu beachten, dass das galvanische Trennglied 140 aus einer einzigen polymeren Schicht 142 aufgebaut sein könnte, die Metallschichten aufweist, die an der oberen und der unteren Oberfläche derselben aufgebracht sind. Da lediglich eine Verbindung an der Kante jeder Platte des Kondensators erforderlich ist, sind die Probleme vermieden, die einem Führen bzw. Routen der zusätzlichen Verbindung zugeordnet sind, die oben mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele auf Basis eines geteilten Transformators erörtert ist. Die Verbindung mit der unteren Platte ist durch eine Leiterbahn 146 bereitgestellt, die mit einer Leiterbahn 145 an der oberen Oberfläche des Substrats 142 durch eine einzige vertikale Durchkontaktierung verbunden ist. Die Verbindung mit der oberen Platte ist durch eine Leiterbahn 147 bereitgestellt.
Es ist ferner zu beachten, dass Ausführungsbeispiele, bei denen sich die Sender- und die Empfängerplatte an getrennten Substraten befinden, ebenfalls aufgebaut werden könnten. Derartige Ausführungsbeispiele sind diesen ähnlich, die oben beschrieben sind, wobei die Spulen durch die Platten des Kondensators ersetzt sind. Derartige Ausführungs beispiele mit zwei Substraten sind bei einem Aufbauen von Ausführungsbeispielen nützlich, die analog zu diesem sind, das oben mit Bezug auf 7 und 11 erörtert ist.
Ausführungsbeispiele auf der Basis einer geteilten Antennenanordnung könnten ebenfalls aufgebaut werden. Bei derartigen Ausführungsbeispielen sind die Kondensatorplatten, die oben mit Bezug auf 12 und 13 beschrieben sind, durch Antennen ersetzt, die durch ein Strukturieren der oberen und der unteren Metallschicht gefertigt sind. Komplexere Antennenentwürfe, die von mehreren Durchkontaktierungen zwischen der oberen und der unteren Metallschicht für jeden Arm der Antenne abhängig sind, können ebenfalls gefertigt werden.
In einigen Fällen müssen die oben beschriebenen galvanischen Trennglieder in Umgebungen wirksam sein, die eine erhebliche Menge an elektrischer Störung bzw. Interferenz aufweisen. Da die geteilten Schaltungselemente, die verwendet werden, um das Trennglied aufzubauen, als Antennen wirken können, die diese Störung aufnehmen, sind Ausführungsbeispiele, die eine Abschirmung umfassen, erforderlich, um zu verhindern, dass die empfangene Störung die Datensignale ändert, die zwischen dem Sender- und dem Empfängerchip gesendet werden. Nun sei auf 14 Bezug genommen, die ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, bei dem eine Abschirmung verwendet wird. 14 ist eine Querschnittsansicht eines galvanischen Trennglieds, wie beispielsweise von diesem, das in 4 oben gezeigt ist. Eine leitende Abschirmung 161 ist an einem Substrat 163 durch Anschlussflächen 162 angebracht, die in der oberen und der unteren Metallschicht strukturiert sind. Es ist zu beachten, dass die Abschirmung nicht zu nahe an Spulen 165 und 166 sein darf. Falls der Abstand von den Spulen zu der Abschirmung, h, geringer als ein kritischer Abstand ist, der von den Frequenzen der Signale abhängt, die durch das Trennglied gesendet werden, stört die Abschirmung den Betrieb des Trennglieds. Bei einem exemplari schen Ausführungsbeispiel, das Metallspulenleiterbahnen von 25 Mikrometer (1 Tausendstel Zoll) Höhe und 127 Mikrometer (5 Tausendstel Zoll) Breite aufweist, ist eine Abschirmungshöhe, h, von 2540 Mikrometer (100 Tausendstel Zoll) mehr als ausreichend, um eine Störung eines Trenngliedbetriebs zu vermeiden, während eine Abschirmungshöhe, h, von 254 Mikrometer (10 Tausendstel Zoll) zu gering ist und somit einen Vorrichtungsbetrieb stört.
Es ist zu beachten, dass die niedrigen Kosten der Substrate, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die Eingliederung einer derartigen Abschirmung wirtschaftlich attraktiv machen. Nun sei auf 15 Bezug genommen, die einen Abschnitt einer Lage bzw. Schicht von galvanischen Trenngliedern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Eine Anzahl von galvanischen Trenngliedern gemäß der vorliegenden Erfindung kann an einer einzigen Lage eines Substrats mit der erforderlichen Anzahl von Metallschichten gefertigt sein. Exemplarische galvanische Trennglieder sind bei 201 gezeigt. Räume 202 können zwischen den einzelnen galvanischen Trenngliedern vorgesehen sein, um den Anbringungspunkt für die oberen und unteren Hälften der Abschirmungen bereitzustellen. Da das Substratmaterial kostengünstig ist, erhöhen diese Räume die Kosten der resultierenden galvanischen Trennglieder nicht wesentlich. Die Abschirmungen können aus zwei Lagen 203 und 204 des geeigneten Materials durch ein Stempeln der Lagen gebildet werden, um die erwünschte Kuppelform zu liefern. Die gestempelten Lagen können dann an der Substratlage angebracht werden. Die abgeschlossene Lage von galvanischen Trenngliedern kann dann durch ein Schneiden der abgeschirmten Lage von galvanischen Trenngliedern vereinzelt werden. Daher kann eine große Anzahl von galvanischen Trenngliedern auf einmal gefertigt werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind die Leiterbahnen an der oberen und der unteren Oberfläche des galvanischen Trennglieds frei liegend. Es ist manchmal nützlich, eine Abdeckung für die freiliegenden Leiterbahnen bereitzustellen, um die Leiterbahnen vor einer Beschädigung zu schützen. Ein Verfahren zum Bereitstellen einer Schutzabdeckschicht besteht darin, die Polyamidschichten zu verwenden, die bei flexiblen Schaltungsträgern verwendet werden, wie beispielsweise diesen, die oben beschrieben sind. Schichten aus Polyamid, die mit einem Haftmittel bedeckt sind, sind im Handel von Dupont erhältlich. Eine derartige Schicht besteht aus einer 12,7 Mikrometer (0,5 Tausendstel Zoll) dicken Schicht aus Polyamid, die an einer Seite mit einem Haftmittel beschichtet ist, das 12,7 Mikrometer (0,5 Tausendstel Zoll) dick ist. Die Schutzschicht kann geschnitten werden, um Löcher in der Schicht bereitzustellen, die einen Zugriff auf Anschlussflächen bereitstellen, die eine elektrische Verbindung benötigen oder die zum Bonden von Chips verwendet werden, wie beispielsweise des Sender- und des Empfängerchips, die oben erörtert sind. Nachdem die Schicht strukturiert worden ist, wird die Schutzunterstützung von der Haftmitteloberfläche entfernt und wird die Schicht auf die entsprechenden Oberflächen des galvanischen Trennglieds gedrückt. Die verschiedenen Drahtbondverbindungen und ein Chipbonden werden dann ausgeführt.
Nun sei auf 16 Bezug genommen, die eine Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Ein galvanisches Trennglied 300 ist dem galvanischen Trennglied 40, das oben erörtert ist, dahingehend ähnlich, dass dasselbe eine obere Spule 342 und eine untere Spule 343 umfasst, die durch ein Strukturieren von Metallschichten an der unteren und der oberen Oberfläche eines polymeren oder polymeren/anorganischen Substrats 341 aufgebaut sind. Der Sender und der Empfängerchip 351 und 352 sind an Leiterbahnen gebondet, die bei 353 bzw. 354 gezeigt sind. Die obere Spule ist durch eine Polymerschicht 361 geschützt, die eine Haftmittelschicht umfasst, die sich in Kontakt mit der Metallschicht und der freiliegenden darunterliegenden Ober fläche des Substrats 341 befindet. Löcher, die bei 362 gezeigt sind, sind in der Schicht 361 geöffnet, um einen Zugriff auf die Bondanschlussflächen bereitzustellen, die für die Drahtverbindungen und den Sender- und den Empfängerchip verwendet werden. Auf ähnliche Weise ist eine mit Haftmittel beschichtete Polymerschicht 371 an der unteren Oberfläche des Substrats 341 aufgebracht, um die untere Spule zu schützen. Um die Zeichnung zu vereinfachen, wurden die einzelnen Schichten der Schutzpolymerschichten 361 und 371 weggelassen.
Wie es oben angemerkt ist, kann das geteilte Schaltungselement aus einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne aufgebaut sein. Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind der erste und der zweite Abschnitt des geteilten Schaltungselements an unterschiedlichen Oberflächen des polymeren Substrats angeordnet. In dem Fall eines Antennenpaars jedoch können der erste und der zweite Abschnitt an der gleichen Oberfläche angeordnet sein, getrennt durch einen Abstand, der ausreichend ist, um sicherzustellen, dass die Sendeantenne keinen Lichtbogen zu der Empfangsantenne bildet. Nun sei auf 17 Bezug genommen, die ein anderes Ausführungsbeispiel eines galvanischen Trennglieds gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein galvanisches Trennglied 400 verwendet ein Paar von Antennen, die an einem polymeren Substrat 403 angeordnet sind. Ein Sendechip 401 treibt eine Sendeantenne, die Verzweigungen aufweist, die bei 411 und 412 gezeigt sind. Ein Empfangschip 402 nimmt die Signale auf, die an einer Empfangsantenne empfangen werden, die Verzweigungen 421 und 422 aufweist. Es ist zu beachten, dass die Verzweigungen 411, 412, 421 und 422 Leiterbahnen an dem Substrat 403 sein können oder Drähte sein können, die sich von dem Substrat 403 nach außen erstrecken. Ein derartiger Draht kann an Anschlussflächen drahtgebondet sein, die mit Leiterbahnen an dem Substrat 403 verbunden sind.
Verschiedene Modifikationen an der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten auf dem Gebiet aus der vorhergehenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich. Folglich soll die vorliegende Erfindung lediglich durch den Schutzbereich der folgenden Ansprüche begrenzt sein.

Claims

Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400), das folgende Merkmale aufweist: ein geteiltes Schaltungselement (23, 24, 42, 42, 93, 134, 135, 148, 149, 411, 412, 421, 422), das einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist; ein Substrat (33, 41, 73, 96, 133, 142, 341, 403), das eine isolierende polymere oder polymere/anorganische Schicht aufweist, die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei der erste Abschnitt (23) und der zweite Abschnitt (24) an dem Substrat (33, 41, 73, 96, 133, 142, 341, 403) angeordnet sind; einen Sender (21, 74, 143, 351, 401), der ein Eingangssignal empfängt und ein Signal, das von dem Eingangssignal abgeleitet ist, zu dem ersten Abschnitt (23) koppelt; und einen Empfänger (22, 75, 123, 144, 352, 402), der mit dem zweiten Abschnitt (24) verbunden ist und der ein Ausgangssignal erzeugt, das zu einer externen Schaltung gekoppelt wird.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß Anspruch 1, bei dem der erste Abschnitt (23) an der ersten Oberfläche angeordnet ist und der zweite Abschnitt (24) an der zweiten Oberfläche angeordnet ist.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß Anspruch 1 oder 2, das ferner eine isolierende Schutzschicht (32, 34) aufweist, die den ersten Abschnitt (23) des geteilten Schaltungselements (23, 24, 42, 42, 93, 134, 135, 148, 149, 411, 412, 421, 422) bedeckt.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß Anspruch 3, bei dem die Schutzschicht (32, 34) eine polymere Schicht aufweist, die eine haftende Beschichtung aufweist, die sich in Kontakt mit dem ersten Abschnitt (23) des geteilten Schaltungselements (23, 24, 42, 42, 93, 134, 135, 148, 149, 411, 412, 421, 422) befindet.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das geteilte Schaltungselement (23, 24, 42, 42, 93, 134, 135, 148, 149, 411, 412, 421, 422) einen Transformator aufweist, die eine Primärspule (42), die den ersten Abschnitt (23) aufweist, und eine Sekundärspule (43) aufweist, die den zweiten Abschnitt (24) aufweist.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das geteilte Schaltungselement (23, 24, 42, 42, 93, 134, 135, 148, 149, 411, 412, 421, 422) einen Kondensator aufweist, der eine erste Platte (148), die den ersten Abschnitt (23) aufweist, und eine zweite Platte (149) aufweist, die den zweiten Abschnitt (24) aufweist.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das geteilte Schaltungselement (23, 24, 42, 42, 93, 134, 135, 148, 149, 411, 412, 421, 422) eine Sendeantenne (411, 412) und eine Empfangsantenne (421, 422) aufweist, wobei die Sendeantenne (411, 412) den ersten Abschnitt (23) aufweist, und die Empfangsantenne den zweiten Abschnitt (24) aufweist.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß Anspruch 7, bei dem der erste Ab schnitt (411, 412) und der zweite Abschnitt (421, 422) an der ersten Oberfläche angeordnet sind.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem die polymere Schicht eine erste Teilschicht (91), die die erste Oberfläche aufweist, eine isolierende Teilschicht (96) und eine zweite Teilschicht (92) aufweist, die die zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Teilschicht die isolierende Teilschicht zwischen denselben anordnen und an dieselbe gebondet sind.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß Anspruch 9, bei dem das Substrat (33, 41, 73, 96, 133, 142, 341, 403) eine erste planare Region und eine zweite planare Region in einem Winkel größer 0 mit Bezug auf die erste planare Region aufweist, wobei die geteilte Schaltung über die zweite planare Region angeordnet ist.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem das Substrat (33, 41, 73, 96, 133, 142, 341, 403) flexibel ist.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem das Substrat (33, 41, 73, 96, 133, 142, 341, 403) ein Material aufweist, das aus der Gruppe gewählt ist, die Polyamid, Epoxid und Fiberglas, das mit Epoxid imprägniert ist, umfasst.
Galvanisches Trennglied (20, 40, 70, 90, 130, 140, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 12, das ferner eine planare leitende Lage (203, 204) aufweist, die das geteilte Schaltungselement (23, 24, 42, 42, 93, 134, 135, 148, 149, 411, 412, 421, 422) umgibt und um einen Abstand größer 254 Mikrometer (10 Tausendstel Zoll) von demselben beabstandet ist.