DE102008052467B4

DE102008052467B4 - Zwei Leiterplatten und ein Verfahren zum Detektieren einer Temperaturänderung einer Leiterplatte

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Publication number: DE102008052467B4
Application number: DE200810052467
Authority: DE
Inventors: Alfons Graf; Martin März; Martin Saliternig; Volker Marr
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Lear Corp GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: DE102008052467A1

Abstract

Leiterplatte (100) mit einem isolierenden Material (5) und mit Leiterbahnen (2), wobei die Leiterplatte (100), die beidseitig an zwei gegenüberliegenden Bestückungsseiten der Leiterplatte (100) mit Bauelementen (8) bestückt ist, folgende Merkmale aufweist: einen Sensor (10) zum Überwachen eines Widerstandswertes des isolierenden Materials (5) und zum Ausgeben eines von dem Widerstandswert des isolierenden Materials (5) abhängigen Signals, wobei der Sensor (10) ein Sensorelement (25) aufweist, das eine erste Sensorelektrode (30), eine zweite Sensorelektrode (73c) und eine dritte Sensorelektrode (20) aufweist, wobei zwischen der ersten Sensorelektrode (30) und der dritten Sensorelektrode (20) und zwischen der zweiten Sensorelektrode (73c) und der dritten Sensorelektrode (20) das isolierende Material (5) jeweils in Serie geschaltet ist, wobei die erste Sensorelektrode (30) und die zweite Sensorelektrode (73c) so in und/oder auf der Leiterplatte (100) einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass die erste Sensorelektrode (30) zu einer der Bestückungsseiten und die zweite Sensorelektrode (73c) zu der gegenüberliegenden der...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte mit einem isolierenden Material und einem Sensor zum Überwachen eines Widerstandes des isolierenden Materials, und auf eine Leiterplatte aus einem isolierenden Material mit Bestückungsorten für Bauelemente und einer Sensorstruktur.
Zum Schutz vor Überhitzung einer Leiterplatte für elektronische Schaltungen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Überwachung der Leiterplatte. Durch den Ausfall elektronischer Schaltungen kann es vorkommen, dass lokal sehr hohe Verlustleistungsdichten entstehen, die trotz vorhandener Schmelzsicherungen zu unzulässig hohen Temperaturen auf eine Leiterplatte führen können. In 1 sind beispielhaft einige kritische Schaltungsanordnungen dargestellt. Die Bauelemente in 1 sind zwischen einem Versorgungspotential 55 und einem Massepotential 56 geschaltet. Ein Leistungshalbleiter 210, z. B. ein Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect Transistor (MOSFET) kann, beispielsweise einen Durchlasswiderstand von 10 mΩ aufweisen und als Schalter für eine Last 200 von 120 W an 12 V eingesetzt werden. Der Leistungshalbleiter kann beispielsweise in der Surface-Mounted-Device Technik (SMD-Technik) auf einer Leiterplatte montiert sein. Im Nennbetrieb kann dieser Schalter eine Verlustleistung von rund 1 Watt produzieren. Im Normalfall wird die Kühlung des MOSFETs auf der Leiterplatte auf diese Verlustleistung ausgelegt. Steigt jedoch durch einen Fehler im Bauelement oder in dessen Ansteuerung der Durchlasswiderstand an, so kann die Verlustleistung im Schalter Werte von beispielsweise bis zu 30 Watt erreichen. Dies entspricht einem Viertel der Lastnennleistung im Fall von Leistungsanpassung. Bei einer beispielhaft auf 1 Watt ausgelegten Kühlung kann dies sehr schnell zu gefährlich hohen Temperaturen führen, bis hin zu einer Brandgefährdung der Leiterplatte. Mit einer konventionellen in den Halbleiterschalter integrierten Übertemperaturabschaltung kann sich dieser Fehlerfall nicht abfangen lassen, da sich in diesem Fehlerfall der defekte Schalter nicht mehr ansteuern bzw. ausschalten lassen kann. Auch konventionelle Schutzelemente, wie Schmelzsicherungen 230 (siehe 1) können diesen Fehlerfall nicht abfangen, da kein Überstrom auftritt. Die Last 200 begrenzt den Strom 240 (I_L) immer auf einen Wert, der einen Nennbetriebsstrom nicht übersteigt. Ein weiteres wichtiges Problemfeld umfasst direkt an der Versorgungsspannung liegende sicherheitskritische Bauelemente. Dazu zählen alle Bauelemente, die an ihrem Lebensdauerende bei Überlastung oder vorzeitigem Ausfall mit hoher Wahrscheinlichkeit niederohmig werden. Dies können z. B. Varistoren 250, Keramik-Vielschichtkondensatoren (Multi-Layer-Keramikkondensatoren =: MLCC) 260 und Tantal-Elektrolytkondensatoren 270 sein. Im funktionstüchtigen Zustand besitzen diese Bauelemente innerhalb des gesamten zulässigen Betriebsspannungs- und Betriebstemperaturbereichs einen vernachlässigbaren Leckstrom und damit auch eine vernachlässigbare statische Verlustleistung. Steigt jedoch der Leckstrom im Fehlerfall an, oder tritt speziell bei Keramik-Vielschichtkondensatoren ein Plattenkurzschluss, z. B. aufgrund eines durch mechanischen Stress verursachten Bruchs des Keramikkörpers auf, so kann die statische Verlustleistung sehr stark ansteigen und kann zu einer extremen Überhitzung des Bauelements führen. Gerade bei größeren, zentral abgesicherten Baugruppen besteht dabei das Problem, dass der in diesem Fehlerfall auftretende Strom zwar ausreicht, um lokal extreme Übertemperaturen zu erzeugen, der Strom andererseits aber nicht einen Wert erreicht, der hoch genug ist, um ein zentrales Sicherungselement, wie z. B. die Schmelzsicherung 230 zum Auslösen zu bringen. Sicherheitskritisch können auch in einem Stromkreis liegende Steckverbinder oder Kabelanschlüsse 217 sein. Werden diese im Normalfall sehr niederohmigen Elemente, z. B. durch Verschmutzung und Alterung hochohmiger, so kann die Verlustleistung und damit die Temperatur weit über ein zulässiges Maß hinaus ansteigen.
Zur Absicherung gegen Schäden durch zu hohe Ströme werden üblicherweise Schmelzsicherungen 230 eingesetzt. Diese sind in den unterschiedlichsten Bauformen und Auslösecharakteristiken erhältlich. Daneben finden als Überstromschutz auch sog. Kaltleiter (PTC) auf Keramik oder Polymerbasis, wie z. B. der Poly-Switch^TM der Fa. Raychem Corporation breite Anwendung. Tritt jedoch, wie bei dem zuvor beschriebenen Fehlerfall kein Überstrom auf, so sind diese Sicherungen als Schutzelemente ungeeignet. Aufgrund ihrer Baugröße, ihrer Kosten und ihrer Auslösecharakteristiken sind diese zur Absicherung der meisten sicherheitskritischen Bauelemente nicht geeignet. Bei Kondensatoren beispielsweise kann der Betriebswechselstrom, also der Rippelstrom, deutlich über dem zu fordernden Auslösegleichstrom liegen. Diese Anforderung kann mit einer klassischen Schmelzsicherung prinzipiell nicht erfüllt werden. Nahe am abzusichernden Bauteil auf einer Leiterplatte platzierte PTC (Positive Temperature Coefficent) Elemente können prinzipiell sowohl als Schutz, wie auch als Temperaturdetektionselemente geeignet sein, kommen jedoch aus Bauraum- und Kostengründen in den meisten Fällen nicht in Frage. Das gleiche gilt für andere gebräuchliche Temperatursensoren, wie z. B. Dioden, Negative Temperature Coeffizienten Thermistoren (NTC), oder ähnliche Bauelemente. Auch Temperaturschalter, wie z. B. Bimetallschalter sind aufgrund ihrer Bauform viel zu voluminös und zu teuer. Das Problem bei all diesen Sensoren ist, dass für jedes zu überwachende Bauteil ein eigener Temperatursensor eingesetzt werden müsste.
Grundsätzlich wäre die Temperaturüberwachung einer ganzen Baugruppe auch mit einem Infrarotsensor (IR-Diode, Pyrodetektor, oder ähnlichem) möglich. Aufgrund der hohen Fremdlichtempfindlichkeit und der kritischen Positionierung des Sensorelements kommt aber auch diese Methode für viele Baugruppen nicht in Frage. So muss für eine lückenlose Überwachung einer bestückten Leiterplatte ein freies Blickfeld des Detektors auf die gesamte Baugruppe (Platine) gewährleistet sein. Dies ist speziell bei Baugruppen der Leistungselektronik mit dort häufig vorhandenen einzelnen großen Bauelementen, die das Sichtfeld abschatten, kaum realisierbar.
Um eine lückenlose thermische Überwachung aller kritischen Bauelemente auf einer Baugruppe realisieren zu können, ist ein extrem billiger und platzsparender Sensor erforderlich. Diskrete Bauelemente, seien sie auch noch so kostengünstig, scheiden in den meisten Anwendungen alleine wegen des Platzbedarfs und der Bestückungskosten als Sensoren aus.
In der Europäischen Patentanmeldung EP 1 615 483 A2 ist beispielsweise eine Leiterkarte aus Kunststoff mit einem Karbonisierungssensor zum Schutz vor elektrischen Schwelbränden gezeigt. Der Karbonisierungssensor umfasst zwei auf der Leiterkarte angeordneten Leiterbahnen sowie ein Überwachungsmittel, wobei die beiden Leiterbahnen durch den Kunststoff elektrisch isoliert sind, und wobei das Überwachungsmittel den Isolationszustand der beiden Leiterbahnen zueinander überwacht und ein Fehlersignal erzeugt. Durch den Karbonisierungssensor wird eine lokale Überhitzung der Leiterkarte frühzeitig erkennbar, noch bevor durch die Karbonisierung, die die Leiterkarte elektrisch leitfähig macht ein Lawineneffekt zu einem elektrischen Schwelbrand fuhrt. Die EP 1 615 483 A2 benötigt für die Überwachung einer Leiterkartenseite zwei Leiterbahnen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leiterplatte mit einem Sensor und ein Detektionsverfahren zur Detektion einer Temperaturänderung der Leiterplatte zu schaffen, die bzw. das sehr kostengünstig, platzsparend und effektiv realisiert werden kann und sowohl flächig als auch lokal begrenzt eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Leiterplatten gemäß Anspruch 1 und 19, sowie das Verfahren gemäß Anspruch 24 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leiterplatte mit einem isolierenden Material und einen Sensor zum Überwachen eines Widerstandswertes des isolierenden Materials zu verwenden, so dass eine Änderung des Widerstandswertes des isolierenden Materials detektiert und als Signal ausgegeben werden kann. Dabei kann der Sensor in der Leiterplatte integriert sein und zwei Sensorleiterbahnen, zwischen denen das isolierende Material angeordnet ist aufweisen. Als eine der beiden Sensorleiterbahnen kann dabei eine bereits in der Leiterplatte integrierte Spannungsversorgungs- oder Masseleiterbahnstruktur verwendet werden. Ein Widerstandswert des zwischen den Sensorleiterbahnstrukturen angeordneten isolierenden Materials, wie z. B. des Leiterplattenträgermaterials kann als Messgröße für den Sensor dienen. Dazu können die beiden Sensorleiterbahnen auf unterschiedliche Potentiale gelegt werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner eine einseitige, doppelseitige oder mehrlagige Leiterplatte mit einem oder mehreren isolierenden Materialen und mit Leiterbahnen. Die Leiterplatte weist einen Sensor zum Überwachen eines Widerstandswertes des isolierenden Materials auf. Der Sensor kann ein von dem Widerstandswert des isolierenden Materials abhängiges Signal ausgeben. Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen Sensor in einer Leiterplatte, wobei der Sensor ein Sensorelement aufweist, das aus zwei Sensorelektroden (Leiterbahnstruktur) und einem dazwischenliegenden isolierenden Material der Leiterplatte besteht. Zwischen den beiden Sensorelektroden kann eine Spannung angelegt werden dass ein Widerstandswert des isolierenden Materials der Leiterplatte überwacht werden kann.
Die Erfindung schafft zudem eine Leiterplatte aus einem oder mehreren isolierenden Materialien mit Bestückungsorten für Bauelemente und Leiterbahnen, die zu Kontaktstellen der Bestückungsorte führen. Ferner weist die Leiterplatte eine Leiterbahnstruktur (Sensor) auf, die zumindest einen Abschnitt aufweist, der in der Nähe eines der Bestückungsorte der Bauelemente der Leiterplatte ein offenes Ende bildet.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Detektieren einer Temperaturänderung einer Leiterplatte mit einem isolierenden Material, durch ein Erfassen eines temperaturabhängigen Widerstandswerts des isolierenden Materials und einem Ausgeben eines von dem Widerstandswert des isolierenden Materials abhängigen Signals.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einige beispielhafte kritische Schaltungsanordnungen;
2 eine schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte mit einem isolierenden Material und einem Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte mit einem Übertemperatursensor, der als Oberflächensensor ausgeführt ist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte mit Übertemperatursensor, wobei der Übertemperatursensor als Oberflächensensor mit vergrößerter Messstrecke ausgebildet ist;
5 als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Schaltung zur Gewinnung eines Spannungssignals von dem Sensor;
6 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Leiterplatte mit einem Sensorelement, welches als Volumensensor in einer mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet ist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 den gemessenen Verlauf der Signalspannung eines Sensors als Funktion der Leiterplattentemperatur für den Volumensensor aus 6, wobei der Volumensensor in einer Vierlagenleiterplatte aus einem FR4-Material angeordnet ist;
8 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Leiterplatte mit einem Sensorelement, welches als Volumensensor in einer mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet ist, wobei ein im Fehlerfall durch Überhitzung geschädigter Leiterplattenbereich eingezeichnet ist;
9 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Leiterplatte mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement und einem Bauelement, wobei in diesem Ausführungsbeispiel zwei beabstandete Leiterbahnen in einer Metallisierungsinnenlage der Leiterplatte ein durch die Beabstandung der Leiterbahnen aufgespanntes Messvolumen definieren;
10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Leiterplatte mit integriertem Sensorelement, wobei in diesem Ausführungsbeispiel eine Sensorleitung auf der der Bauteilseite abgewandten Außenlage ausgebildet ist.
11 in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Leiterplatte mit einem Sensorelement, welcher als Volumensensor in einer mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet ist, wobei in diesem Ausführungsbeispiel eine Spannungsversorgungslage der Leiterplatte als Gegenelektrode zu einer Sensorleitung dient;
12 die schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte mit einem Volumensensor mit vergrößertem Messvolumen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte mit Volumensensor mit vergrößertem Messvolumen;
14 die schematische Draufsicht einer Leiterplatte mit Bestückungsorten für Bauelemente, Leiterbahnen und eine Sensorleiterbahn, die in überlappenden Lagen in der Nähe der Bestückungsorte ein offenes Ende aufweist;
15 die schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte mit dem erfindungsgemäßen Übertemperatursensor zur Überwachung mehrerer Bauelemente mit nur einer einzigen Sensorleitung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
16 ein Ersatzschaltbild zur Gewinnung eines Spannungssignals für eine Anordnung zur Überwachung mehrerer Bauelemente auf einer Leiterplatte, wie es in 15 dargestellt ist;
17 in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine schematische Draufsicht einer Sensorleitung, die meanderförmig unter einer Vielzahl von Bauelementen in einer Innenlage einer Leiterplatte oder auf der Ober- oder Unterseite der Leiterplatte zur Überwachung der Vielzahl von Bauelementen ausgebildet ist;
18 ein Flussdiagramm zum Verfahren zum Detektieren einer Temperaturänderung einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Tab. 1 einen Vergleich elektrischer, thermischer und mechanischer Eigenschaften gängiger Leiterplattenmaterialien.
Bevor bezugnehmend auf die Zeichnungen die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder ähnliche Elemente in diesen Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente vermieden wird.
2 zeigt die schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte 100 mit einem isolierenden Material 5 und mit Leiterbahnen 2. Die Leiterplatte 100 weist einen Sensor 10 zum Überwachen eines Widerstandswerts des isolierenden Materials 5 und zum Ausgeben eines von dem Widerstandswert des isolierenden Materials 5 abhängigen Signals auf. Bei dem isolierenden Material 5 kann es sich um ein isolierendes Leiterplattenträgermaterial handeln oder um ein anderes isolierenden Material, wie z. B. einem Lötstopplack, das auf einer Oberfläche der Leiterplatte 100 aufgebracht sein kann. Die Leiterplatte 100 kann eine Multischichtleiterplatte sein. Die Leiterplatte kann also mehrere Leiterplattenträger-Materiallagen oder -Schichten und mehrere Metallisierungsschichten oder Metallschichten aufweisen. Bei den Metallisierungsschichten kann es sich beispielsweise um Kupferschichten bzw. um Kupferleiterbahnen handeln. Der Sensor 10, der in 2 nur schematisch dargestellt ist, kann nun in der Leiterplatte 100 integriert sein oder Teil der Leiterplatte sein oder auf einer Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet sein. Die Leiterplatte 100 kann zudem (nicht dargestellt in 2) mit elektrischen Bauelementen bestückt sein. Bei den Bauelementen kann es sich beispielsweise um sog. SMD-Bauelemente handeln.
Bei dem isolierenden Material des Leiterplattenträgermaterials kann es sich um Materialien handeln, wie sie bei gewöhnlichen Platinen bzw. Leiterplatten Verwendung finden. Die Leiterplatte kann beispielsweise aus einem der Leiterplattenträgermaterialien FR2, FR3, FR4, FR5, TMM3, CE, PIflex, PIstarr, RO 4003^®, Duroid 5880^® oder auch anderen geeigneten Materialien ausgebildet sein.
Bei dem isolierenden Material 5, also dem isolierenden Leiterplattenträgermaterial oder dem anderen isolierenden Material auf der Leiterplatte, kann es sich um einen Materialverbund aus mehreren verschiedenen Materialien handeln.
Der Sensor 10 kann ein Sensorelement aufweisen, das so ausgebildet ist, dass zwischen einer ersten Sensorleiterbahn 20 und einer zweiten Sensorleiterbahn 30 das isolierende Material 5 angeordnet ist. Zwischen der ersten Sensorleiterbahn 20 und der zweiten Sensorleiterbahn 30 kann eine Spannung anlegbar sein. Eine erste Sensorleiterbahn kann also auf ein erstes elektrisches Potential gelegt werden und die zweite Sensorleiterbahn kann auf ein zweites elektrisches Potential gelegt werden. Zwischen der erste Sensorleiterbahn (20) und der zweiten Sensorleiterbahn (30) ist das isolierende Material (5) angeordnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es sich bei dem Sensor um einen Temperatursensor handeln, dessen Prinzip auf der temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Durchgangs- bzw. Oberflächenwiderstandes des isolierenden Materials 5, also beispielsweise des Leiterplattenbasismaterials bzw. eines darauf aufgebrachten Lackes, wie z. B. eines Lötstopplackes, beruht.
Das isolierende Material 5 kann ein duroplastisches Material sein, welches eine Glasübergangstemperatur oder eine Glasumwandlungstemperatur besitzt. Oberhalb dieser Glasumwandlungstemperatur fällt bei dem Leiterplattenmaterial oder dem Leiterplattenträgermaterial der spezifische elektrische Widerstand sehr stark ab. Die bindenden Ketten des Leiterplattenbasismaterials, wie z. B. Epoxy, werden gegeneinander beweglicher, damit steigt aber auch die Beweglichkeit der Ladungsträger und der elektrische Widerstand kann um mehrere Größenordnungen sinken. Das Sensorelement bzw. der Sensor mit den zwei beabstandeten Sensorleiterbahnen kann nun beispielsweise unterhalb, in der Nähe, oder an Kontaktstellen eines Bauelements in der Leiterplatte angeordnet sein, so dass in einem Fehlerfall des Bauelementes und einer daraus resultierenden Erwärmung des Leiterplattenmaterials der Sensor aufgrund des veränderten Widerstands des Leiterplattenmaterials einen Fehler detektieren kann. Steigt im Fehlerfall eines Bauelements oder aus einem anderen Grund die Temperatur der Leiterplatte noch höher an, so können zusätzliche Zersetzungseffekte (Verkohlung) im Material auftreten, die den Abfall des spezifischen elektrischen Widerstands weiter beschleunigen. Tabelle 1 zeigt die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften einiger typischer Leiterplattenbasismaterialien. Beim Standardmaterial FR4 liegen die Glasumwandlungstemperatur bei etwa 100°C und die Zersetzungstemperatur bei etwa 300°C. Dadurch ist es möglich unzulässig hohe Temperaturen mit dem erfindungsgemäßen Sensor zu detektieren, da im Falle eines defekten Bauelements auf einer Platine Temperaturwerte von weit über 300°C erreicht werden können. Die Glasumwandlungstemperatur von FR2 beträgt 105°C, von FR5 160ºC, von PIstarr 260ºC, von CE 240ºC und von RO 4003^® ist sie größer als 280°C. Typische Oberflächenwiderstandswerte der isolierenden Platinenmaterialien FR4, FR5, PIstarr, CE, TMM3, PIflex, Duroid 5880^® und RO 4003^® liegen zwischen 9 × 10⁹ Ω und 4,2 × 10¹⁵ Ω. Wie der Tabelle 1 zu entnehmen ist, liegen typische Durchgangswiderstände der oben genannten Materialien zwischen 1 × 10¹² Ωcm und 1,7 × 10¹⁶ Ωcm. Die Durchschlagsfestigkeit der obigen Leiterplattenmaterialien liegt in einem Bereich von 25 kV/mm bis 160 kV/mm. Die oberhalb der Glasumwandlungstemperatur im Leiterplattenmaterial auftretenden Prozesse sind teilweise reversibel, während die im Bereich der Zersetzungstemperatur auftretenden Prozesse überwiegend nicht reversibel sind.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist es möglich mit dem erfindungsgemäßen Sensor eine schleichende Überlastung bzw. thermische Schädigung des Leiterplattenmaterials, mit einer sich im Laufe der Zeit bis zu einem kritischen Punkt kumulierten Schädigung des Schaltungsträgers zu erkennen. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Detektion bzw. Überwachung der Leiterplatte, durch eine Messung des elektrischen Widerstands zwischen auf oder in der Leiterplatte horizontal oder vertikal benachbarten Leiterbahnen, die als Sensorleiterbahnen dienen, erfolgen. Zur Messung des elektrischen Widerstandes ist die Sensorstrecke, das heißt, ein Flächen oder Volumenelement des isolierenden Materials, also beispielsweise des Leiterplattenbasismaterials am zu überwachenden Ort der Leiterplatte, elektrisch zu kontaktieren. Diese Kontaktierung kann im einfachsten Fall über zwei Sensorleitungen 20, 30 erfolgen. Vorteilhafterweise kann für eine der beiden Sensorleitungen bzw. Sensorleiterbahnen, die im Folgenden auch Gegenelektrode genannt wird, eine auf der Leiterplatte für andere Zwecke bereits vorhandene Leiterbahnstruktur genutzt werden. Die Leiterbahnen in der Leiterplatte können beispielsweise aus Kupfer bestehen. Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen eignet sich als Gegenelektrode, also als eine erste Sensorleiterbahn 20 oder als eine zweite Sensorleiterbahn 30 eine Massepotentiallage oder eine Versorgungspotentiallage bzw. Versorgungsleiterbahnstrukturen, da diese im Allgemeinen in der Leiterplatte großflächig ausgeführt sind und auf einem ruhigen Spannungspotential liegen.
Der Sensor 10 kann also so ausgebildet sein, dass entweder eine erste Sensorleiterbahn 20 oder die zweite Sensorleiterbahn 30 zugleich als Massepotentiallage oder als eine Versorgungspotentiallage bzw. Schicht für die mit Bauelementen bestückte Leiterplatte 100 dient. Der Widerstandswert des isolierenden Materials 5 weist eine Temperaturabhängigkeit auf. Beispielsweise kann der Widerstand des isolierenden Materials 5 abnehmen, falls die Temperatur zunimmt.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Sensor 10 ein Sensorelement 25 aufweisen, das aus einer ersten Sensorleiterbahn 20 und einer zweite Sensorleiterbahn 30 besteht. Zwischen der ersten Sensorleiterbahn 20 und der zweiten Sensorleiterbahn 30 kann das isolierende Material 5 in Serie geschaltet sein, so dass über die erste Sensorleiterbahn 20 und die zweite Sensorleiterbahn 30 eine Spannung an das isolierende Material anlegbar ist. Ein Sensor 10 kann mehrere Sensorelemente 25 (siehe 15) aufweisen, wobei jedes Sensorelement 25 eine erste Sensorleiterbahn 20 und eine zweite Sensorleiterbahn 30 aufweist. Die entsprechenden mehreren ersten 20 und zweiten 30 Sensorleiterbahnen können jeweils einstückig miteinander verbunden sein.
3 und 4 zeigen schematische Draufsichten auf eine Leiterplatte 100 mit einem isolierenden Material 5, wobei sich unterhalb eines Bauelementes 8 ein Sensor 10 mit einer ersten Sensorleiterbahn 20 und einer zweiten Sensorleiterbahn 30 befindet. In diesen Ausführungsbeispielen ist, wie schematisch durch die flächige Auslegung dargestellt ist, die zweite Sensorleiterbahn 30 eine Masse- oder Versorgungspotentialmetallisierungsschicht in oder auf der Leiterplatte 100. Die erste Sensorleiterbahn 20 ist beabstandet zu der zweiten Sensorleiterbahn 30 unterhalb des Bauelementes 8 angeordnet. Die erste und die zweite Sensorleiterbahn sind durch eine Sensorstrecke 12, in der das isolierende Material 5 angeordnet ist, beabstandet bzw. getrennt. Eine Erwärmung des Bauelementes 8 durch den regulären Betrieb oder durch eine stärkere Erwärmung aufgrund einer Fehlfunktion kann zu einer Widerstandsänderung des isolierenden Materials 5 zwischen der ersten Sensorleiterbahn 20 und der zweiten Sensorleiterbahn 30 führen, so dass an einer Schaltung eine Spannungssignaländerung auftreten und eine Fehlfunktion oder eine Überhitzung angezeigt bzw. detektiert werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel sind die erste Sensorleiterbahn 20 und die zweite Sensorleiterbahn 30 in einer Ebene angeordnet, so dass es sich bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Oberflächensensor handelt. Das heißt, die erste Sensorleiterbahn 20 und die zweite Sensorleiterbahn 30 können auf der Oberfläche einer Leiterplatte angeordnet sein und beispielsweise mit einem auf der Oberfläche der Leiterplatte angeordneten isolierenden Material, wie z. B. einem Lötstopplack versiegelt sein. In diesem Fall würde also eine Temperaturerhöhung bzw. Temperaturänderung zu einer Widerstandswerteänderung des auf der Oberfläche der Leiterplatte 100 angeordneten isolierenden Materials, also z. B. des Lötstopplackes zwischen der an der Oberfläche ausgebildeten ersten Sensorleiterbahn 20 und der zweiten Sensorleiterbahn 30, führen.
3 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, der hier als Oberflächensensor auf der Bauteilseite einer Leiterplatte 100 angeordnet ist. Direkt unter dem zu überwachenden Bauteil 8, welches z. B. ein Halbleiterschalter in einem PDSO-20-Gehäuse ist, ist die Sensorstruktur, bestehend aus der Sensorleitung 20, der Messstrecke 12 und der Gegenelektrode 30 positioniert. Die flächige, hier als Gegenelektrode 30 dienende Kupferstruktur kann je nach Art des Bauteils 8 z. B. eine Versorgungspannungs- oder eine Massefläche in oder auf der Leiterplatte sein. Steigt nun die Leiterplattentemperatur, z. B. aufgrund eines Defekts in Bauteil 8 an, so verkleinert sich der Oberflächenwiderstand der Leiterplatte und damit der elektrische Widerstand der Messtrecke 12. Dies kann durch den Sensor 10 erfasst werden und ein entsprechendes Signal ausgegeben werden.
In 4 ist analog zu 3 wieder ein Oberflächensensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Leiterplatte 100 kann eine erste Sensorleiterbahn 20 und eine zweite Sensorleiterbahn 30 aufweisen, die zueinander beabstandet sind, so dass sie auf ein unterschiedliches elektrisches Potential gelegt werden können. Zwischen der ersten Sensorleiterbahn und der zweiten Sensorleiterbahn ist in der Sensorstrecke 12 ein isolierendes Material angeordnet. Das Ausführungsbeispiel in 4 zeigt, dass durch die genaue Ausgestaltung der Sensorleiterbahn, beispielsweise die Messstrecke 12 bzw. die Messfläche, die überwacht werden soll, eingestellt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine größere Fläche unterhalb des Bauelementes 8 durch die Leiterplatte mit integriertem Sensor überwacht. Ferner wird in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors eine innerhalb eines zu überwachenden Bereiches, die Breite der Messstrecke 12 vergrößernde Struktur, wie z. B. eine Kamm- oder Interdigitalstruktur verwendet. Durch die Messtrecke 12 bzw. die Sensorstrecke 12 kann die Empfindlichkeit des Sensors eingestellt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann also die Empfindlichkeit des Sensors 10 relativ einfach über die Breite der Messstrecke 12, also dem Abstand zwischen der ersten Sensorleiterbahn und der zweiten Sensorleiterbahn und über die Länge der Sensorstrecke eingestellt werden.
In 5 ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Schaltung, bzw. ein Spannungsteiler 40 zur Gewinnung eines Spannungssignals 26 mit Hilfe des Sensors 10 dargestellt. Die Sensorleitung, die z. B. von der ersten Sensorleiterbahn 20 ausgebildet wird, bildet in diesem Ausführungsbeispiel den Knotenpunkt eines Spannungsteilers. Die Messstrecke 12 bzw. die Sensorstrecke 12 realisiert dabei je nachdem auf welchem Potential die Gegenelektrode 30 bzw. die Sensorleiterbahn 30 liegt, den Spannungsteilerwiderstand 24 oder 25. Liegt die Gegenelektrode 30 auf einem Versorgungsspannungspotential 55, so bildet die Messstrecke 12 den Spannungsteilerwiderstand 24. Der Spannungsteilerwiderstand 25 kann in diesem Fall vorteilhaft als ein Festwiderstandelement ausgebildet sein, an dem die Spannung 26, als ein auf Masse bezogenes Messsignal abfällt.
Liegt die Gegenelektrode 30 auf einem Massepotential 56, so bildet die Messstrecke 12 den Spannungsteilerwiderstand 25. In diesem Fall ist der Spannungsteilerwiderstand 24 vorteilhaft ein Festwiderstandselement bzw. Widerstand.
Die Auswertung der Spannung am Knotenpunkt des Spannungsteilers in einer nachfolgenden elektronischen Schaltung – einer Auswerteschaltung bzw. Auswerteeinheit 77 – kann in beiden Fällen entweder auf das Massepotential bezogen erfolgen, was der Spannung 26 entspricht, oder bezogen auf das Versorgungsspannungspotential bzw. auf jede andere bezüglich Masse oder Versorgungsspannung definierte Referenzspannung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der oben erwähnte Festwiderstand typische Werte in einem Bereich von 100 kΩ bis 10 MΩ aufweisen. Zur Auswertung des Messsignals kann eine Auswerteeinheit 77 beispielsweise als Spannungskomparator oder als ein Analog-Digitalwandler in einem Microcontroller zusammen mit einer entsprechenden Softwareroutine ausgebildet sein.
Da der Spannungsteiler 40 und damit die Messspannungsquelle relativ hochohmig ist, besteht grundsätzlich die Gefahr einer z. B. kapazitiven Störeinkopplung in die Sensorleitung 30. Diese Störungen lassen sich jedoch mit einem Tiefpassfilter, der im einfachsten Fall als ein Kondensator 27 über den Anschlüssen des Messsignals 26 ausgebildet ist, sehr einfach reduzieren bzw. eliminieren. Der Kondensator 27 bildet zusammen mit dem Quellwiderstand des Messsignals, welcher dem Wert der Parallelschaltung der Widerstände 24 und 25 entspricht, einen RC-Tiefpass. Nachdem sich die vom erfindungsgemäßen Sensor zu detektierenden thermischen Effekte im Sekunden- bis Minutenbereich abspielen, können in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Schaltungsfilterzeitkonstante bzw. Integrationszeitkonstanten bis in den Sekundenbereich gewählt werden, wodurch eine sehr störsichere Übertemperaturdetektion sichergestellt werden kann. Das gleiche gilt für eine per Software realisierte Signalfilterung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Potential auf dem die Sensorleitung 20 liegt, über einen weiteren hochohmigen Festwiderstand auf ein Referenzpotential, welches zwischen dem Massepotential und dem Versorgungsspannungspotential liegen kann, gelegt werden. In einer Auswerteschaltung können dann, durch thermische Schäden bzw. durch eine Änderung des Widerstandswertes in der Leiterplatte hervorgerufene Verschiebungen des Potentials der Sensorleitung 20 in positiver wie negativer Richtung überwacht werden. Es ist also denkbar, dass mit Hilfe des Referenzpotentials eine Abnahme als auch eine Zunahme eines Widerstandswerts eines isolierenden Materials 5 einer Leiterplatte 100 detektiert werden kann. Bei einer geeigneten Auslegung können deshalb sowohl Masse-, als auch Versorgungsleitungen in der Leiterplatte als Gegenelektrode verwendet werden und somit Störeinflüsse durch benachbarte Leitungen 28 und 29 reduziert werden. Später wird bezogen auf 8 ein Ausführungsbereich einer beidseitig bestückten Schaltungsplatine beschrieben, bei dem die eine Elektrode 30 auf Versorgungspotential liegt und eine Metallebene 73 auf Massepotential, so dass die Seite mit dem geschädigten Bauelement 8 bestimmt werden kann.
Um Störungen durch Verschmutzung oder Feuchtigkeit zu vermeiden, kann bei einer Realisierung des Sensors als Oberflächensensor die gesamte Struktur, bestehend aus allen Sensorleitungen, allen Messstrecken, dem Spannungsteiler und eventuell der Auswerteschaltung mit einer Schutzschicht, z. B. ein Schutzlack – im einfachsten Fall Lötstopplack –, überzogen werden.
In 6 ist in einer Querschnittsdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine Leiterplatte 100 mit einem isolierenden Material 5 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Sensor auf, wobei das erfindungsgemäße Sensorelement als Volumensensor in einer mehrlagigen Leiterplatte 100 ausgebildet ist. Auf einer Leiterplatte 100 ist wie schematisch dargestellt ist, ein elektrisches Bauelement 8 angeordnet. Die Leiterplatte kann also mit elektrischen Bauelementen 8 bestückt sein. Unterhalb dieses elektrischen Bauelements, also dort, wo beispielsweise erwartungsgemäß eine höchste Temperaturerhöhung während des Betriebes oder während des Fehlerfalls des Bauelementes zu erwarten ist, ist ein Sensor 10 angeordnet. Die Leiterplatte 100 kann in diesen Ausführungsbeispielen beispielsweise aus drei Leiterplattenträgermaterialschichten 100a, 100b und 100c bestehen. Die Leiterplatte 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel vier Metallisierungsebenen 73a, 73b, 73c und 73d auf. Die erste Sensorleiterbahn 30 kann beispielsweise Teil der ersten Metallisierungsebene 73a sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Sensorleiterbahn 30 unterhalb des Bauelementes 8 angeordnet. Vertikal überlappend zu der ersten Sensorleiterbahn 30 ist in diesen Ausführungsbeispielen die zweite Sensorleiterbahn 20 angeordnet. Die zweite Sensorleiterbahn 20 ist in diesen Ausführungsbeispielen in einer zweiten Metallisierungsebene 73b im Innern der Leiterplatte 100 ausgebildet. Die Sensorstrecke 12 wird in diesem Ausführungsbeispiel also durch ein Volumenelement 14 gebildet. Das Volumenelement 14 ist durch den Abstand, z. B. dem minimalen Abstand über eine Länge, der ersten Sensorleiterbahn und der zweiten Sensorleiterbahn und deren flächiger Überlappung gegeben. In diesem Ausführungsbeispiel wird also ein Volumenelement 14, welches aus einem isolierenden Leiterplattenträgermaterial besteht, durch den Sensor 10 überwacht. Eine Widerstandswerteänderung des isolierenden Materials 5 in dem Volumenelement 14 kann dann zur Ausgabe eines von dem Widerstandswert des isolierenden Materials 5 abhängigen Signals führen. Denkbar ist beispielsweise auch, dass der Sensor 10 in der Nähe einer Kontaktstelle 61 des Halbleiterbauelementes 8 angeordnet ist, von der zu erwarten ist, dass sie bei einer Fehlfunktion den höchsten Temperaturanstieg zu verzeichnen hat. Der Sensor 10 überwacht in diesem Ausführungsbeispiel, also einen Widerstandswert des isolierenden Materials, welches in dem Volumenelement 14 angeordnet ist (Durchgangswiderstandswert).
Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel kann es sich um eine Leiterplatte mit einem Übertemperatursensor handeln. Die in 6 gezeigte Ausführungsform vermeidet Feuchtigkeits- und Verschmutzungsprobleme durch Verlagerung der Sensorleitung 20 in eine Innenlage einer Multilayerleiterplatte 100. Bei dieser Ausführungsform wird nicht der Oberflächenwiderstand, sondern der temperaturabhängige Durchgangswiderstand 36 des Leiterplattenmaterials überwacht und ausgewertet. Die Messstrecke 12 ist hierbei ein Volumenelement 14 zwischen zwei in unterschiedlichen Kupferebenen verlaufenden Leiterbahnen – der Sensorleitung 20 und der Gegenelektrode 30. Die erste Sensorleiterbahn bzw. die Sensorleitung 20 kann so in oder auf der Leiterplatte angeordnet sein, dass sie im Bereich einer im Fehlerfall heißesten Stelle der Leiterplatte verläuft. Bei zu überwachenden SMD-Bauelementen 8 in einem Gehäuse mit Kühlfahne, wie z. B. D-PAK, TO-263 oder Power-SO kann diese Stelle beispielsweise direkt unter dem Bauelement 8 sein. Bei Bauelementen mit einem PDSO-20 Gehäuse, befindet sich der heißeste Bereich beispielsweise um die Lötpads 61 bzw. Kontaktstellen 61 der entsprechenden Pins. In diesem Ausführungsbeispiel verlaufen die Sensorleitung 20 in vorteilhafter Weise in der Innenlage 73b und die Gegenelektrode 30 in der bauteilseitigen Lage 73a, um das durch die Sensorleitung 20 und der Gegenelektrode 30 definierte Messvolumen möglichst nahe unter das zu überwachende Bauelement 8 zu bringen. Die Beschaltung zur Gewinnung eines Spannungssignals 26 des Sensors 10 kann beispielsweise wieder als eine Spannungsteilerschaltung 40, wie sie in Zusammenhang mit 5 erläutert ist, ausgeführt werden.
In dem Diagramm in 7 ist in einer semilogarithmischen Darstellung der gemessene Verlauf der Signalspannung bzw. der Isolationswiderstand des Volumenelements 14 über die Leiterplattentemperatur nach einem Aufbau vergleichbar zu dem in 6 dargestellt. Die Gegenelektrode 30 lag für diese Messung auf einem Versorgungsspannungspotential von +10 Volt. Das Messvolumen 14 mit seinem elektrischen Widerstand 36 bildete den Widerstand 24 eines Spannungsteilers wie er in 5 dargestellt ist. Der Wert des Festwiderstands 25 betrug für diese Messung 100 kΩ. Die „Neukurve” 71 entstand bei einem ersten 10 minütigen Erwärmungsvorgang auf 280°C. Nach Abkühlung wurde diese Erwärmung anschließend mehrfach wiederholt, und beim vierten Zyklus entstand die Kurve 72. Deutlich zu erkennen ist die sukzessive Erniedrigung des Isolationswiderstandes als Ergebnis irreversibler, sich kumulierender Schädigungen des Leiterplattenmaterials. Beispielsweise sinkt der Isolationswiderstand für eine Temperatur von 200°C von ca. 2 × 10⁸ Ω auf ca. 6 × 10⁶ Ω ab. In diesem Ausführungsbeispiel kann in einem Temperaturbereich von 150°C bis 300°C eine Änderung des Isolationswiderstandes um bis zu fünf Größenordnungen beobachtet werden. Unter den oben erwähnten Bedingungen kann in diesem Ausführungsbeispiel außerdem eine Signalspannung bis annähernd 5 V detektiert werden.
Bei Temperaturen über 300°C kann es zu einer Verkohlung des Leiterplattenmaterials im Bereich der Messstrecke bzw. des Messvolumens 14 kommen und damit zu einem weiteren drastischen Absinken des spezifischen elektrischen Widerstands des Leiterplattenträgermaterials. Beispielsweise kann der elektrische spezifische Widerstand des Leiterplattenmaterials von 10¹² Ωcm auf Werte unter 10⁶ Ωcm absinken. Wie in der schematischen Darstellung in 8 dargestellt ist, kann es zu einer permanenten thermischen Schädigung des Leiterplattenmaterials, z. B. in Form einer Zersetzung oder Verkohlung 31 kommen. Ein Widerstandswert 36, der durch das Volumenelement 14 zwischen der ersten Sensorleiterbahn 20 und der zweiten Sensorleiterbahn 30 gegeben ist, kann dadurch drastisch absinken. Bei Erreichen eines Grenzwiderstandswerts, der z. B. durch den Widerstandswert des verwendeten Leiterplattenträgermaterials bei der Glasübergangstemperatur oder dem Widerstandswert bei der Zersetzungstemperatur des Leiterplattenmaterials gegeben sein kann, kann dann durch eine Auswerteeinrichtung, die beispielsweise aus einem Komparator bzw. eine Komparatorschaltung besteht oder einem Analog-Digital-Wandler aufweist, ein Warnsignal ausgegeben werden. Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Leiterplattenbereich 31 durch Überhitzung wegen eines Fehlverhaltens des Bauelements 8 geschädigt.
Um Messfehler durch Leckströme zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, wenn zur Sensorleitung 30 benachbarte Leiterbahnen 28 bzw. 29, die auf einem vom Potential der Gegenelektrode 30 abweichenden elektrischen Potential liegen, im Bereich des zu überwachenden Bauelements einen Mindestabstand zur Sensorleitung aufweisen, der wenigstens den zwei- bis dreifachen Abstand zwischen dem Sensorleiter 20 und der Gegenelektrode 30 entspricht. Außerhalb von zu überwachenden Bereichen kann diese Einschränkung, wegen der extrem nicht linearen temperaturabhängigen Charakteristik (R(θ)-Charakteristik =: elektrischer Widerstand gegenüber Temperaturcharakteristik) des Leiterplattenmaterials nicht nötig sein.
9 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen schematischen Querschnitt einer Leiterplatte 100, ein Sensorelement 10 und einem über dem Sensorelement auf der Leiterplatte 100 angeordneten Bauelement 8. Die Leiterplatte 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Mehrschichtleiterplatte mit drei Leiterplattenmaterialschichten 100a, 100b und 100c ausgeführt. Die Leiterplatte 100 weist wieder vier Kupfer- oder Metallisierungsschichten 73a, 73b, 73c und 73d auf. Der Sensor 10 wird in diesem Ausführungsbeispiel mit einem durch zwei Leiterbahnen 20 und 30 in einer Innenlage 73b aufgespannten Messvolumen realisiert. In der schematischen Zeichnung ist wieder ein geschädigter Leiterplattenbereich 31, der aufgrund einer Überhitzung durch ein Fehlverhalten des Bauelements 8 irreversibel geschädigt ist, dargestellt. Die beiden die Messstrecke 12 bzw. das Messvolumen 14 definierenden Sensorleiterbahnen 20 und 30 liegen auf derselben Innenlage 73b in der Leiterplatte 100. Wie bereits oben beschrieben können auch hier die beiden Leitungen 20 und 30 als ein von der zu überwachenden Schaltung unabhängiges Sensorleiterpaar geführt werden. Vorteilhaft kann für eine Elektrode, die hier Gegenelektrode 30 genannt wird, eine auf möglichst ruhigen Potential liegende Versorgungs-, oder Massenleitung verwendet werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist der nicht an die gegebenen Leiterplatten Prepreg-Dicken gebundene Abstand der beiden die Messtrecke definierten Sensorleiterbahnen 20 und 30. Bei den Prepregs kann es sich um harzimprägnierte Glasgewebeschichten handeln, die als so genanntes Halbzeug mit einer vorgegebenen Dicke erhältlich sind. Das heißt, die Sensorstrecke 12 bzw. das Messvolumen 14 zwischen den Sensorleiterbahnen kann hier relativ problemlos unabhängig von vorgegebenen Schichtdicken 74a, 74b oder 74c der aus Schichten aufgebauten Leiterplatte eingestellt werden. Dementsprechend kann auch die Empfindlichkeit zur Überwachung des Widerstandswertes des isolierenden Materials relativ leicht eingestellt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (10) ist eine Sensorleiterbahn 20, auf der, der Bauteilseite abgewandten Außenlage ausgebildet. Die Sensorleitung, beispielsweise die erste Sensorleiterbahn 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf der Rückseite der Leiterplatte 100 direkt unterhalb des zu überwachenden Bauelementes 8 ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel können die Sensorleiterbahnen 20, 30, die an der Oberfläche der Leiterplatte 100 angeordnet sind, durch Schutzmaßnahmen, wie z. B. einer Lackierung der Leiterplatte gegen Einflüsse von Feuchtigkeit und Verschmutzung geschützt werden. Auch Bezugszeichen in 10 wurden bereits im Zusammenhang mit obigen Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches in 11 veranschaulicht ist, weist eine Leiterplatte 100 sechs Metallisierungs-, z. B. Kupferlagen 73a bis 73f auf. Die Kupferlage 73c ist in diesem Ausführungsbeispiel als durchgehende Spannungsversorgungsplatte für eine Betriebsspannung VDD eines Bauelementes 8 ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel kann sich also die Kupferlage 73c flächig über große Teile oder die gesamte Leiterplattenfläche erstrecken. Damit ist an jeder Stelle der Leiterplatte eine Gegenelektrode 30 für eine möglichst gegenüberliegende erste Sensorleiterbahn 20, welche in einer zweiten Kupferlage 73b ausgebildet ist, gegeben. Die erste Sensorleiterbahn 20 kann ebenfalls flächig über große Teile der Leiterplatte oder über die gesamte Fläche der Leiterplatte ausgebildet sein.
In anderen Worten kann in diesem Ausführungsbeispiel an beliebig vielen Stellen der Leiterplatte durch Ausbildung einer Sensorleitung 20 ein Sensorelement mit einer Gegenelektrode 30 ausgebildet werden. Es ist also möglich, an einer Vielzahl von Punkten und/oder auch großflächig, wenn die Sensorleiterbahn 20 in der zweiten Kupferlage 73b großflächig ausgebildet ist, Sensorelemente 25 eines Sensors 10 in oder auf der Leiterplatte auszubilden. Eine Mischung verschiedener Sensorausführungsformen, wie sie z. B. in 6 und in 9 beschrieben wurden, können innerhalb einer Leiterplatte ebenfalls ausgebildet werden. Dadurch lässt sich eine Sensorleitung meist ohne zusätzlichen Platzbedarf und damit fast ohne zusätzliche Kosten unterbringen.
Ähnlich wie es in 4 gezeigt ist, kann natürlich auch in anderen Ausführungsbeispielen, wie sie in 6, 9, 10 oder gezeigt sind, das Messvolumen im zu überwachenden Bereich der Leiterplatte durch eine flächige Vergrößerung 33 der sich gegenüberstehenden Flächen der ersten und zweiten Sensorleiterbahn 30 und 20 erhöht werden. Beispielhafte Ausführungsbeispiele sind in den 12 und 13 gezeigt. Die Sensorleitung 20 kann dabei zum Beispiel in einer Innenlage wie es in der Querschnittsdarstellung in der 6 gezeigt ist ausgebildet sein. Durch eine Flächenvergrößerung 33 der gegenüberliegenden Elektrode reduziert sich der elektrische Widerstand 36 der Messtrecke. Dies erlaubt eine Reduzierung des Widerstandsniveaus des Spannungsteilers, wie er in 5 durch die Widerstände 24 und 25 dargestellt ist, bzw. erlaubt eine Optimierung des Signalstörabstandes.
Ein entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Leiterplatte mit Sensorstruktur ist die Fähigkeit, mit nur einer Sensorleitung und einer Auswerteschaltung eine nahezu unbegrenzte Anzahl an Bauelementen bzw. eine nahezu unbegrenzte Leiterplattenfläche überwachen zu können.
14 zeigt die schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte 100 mit einem isolierenden Material 5. Die Leiterplatte 100 weist Bestückungsorte 60 für Bauelemente, die auf der Leiterplatte 100 platziert werden sollen, auf. Die Leiterplatte weist außerdem Leiterbahnen 2 auf, die zu Kontaktstellen 61 der Bestückungsorte 60 führen. Die Leiterbahnen können an einer Oberfläche oder in einer Innenlage der Leiterplatte 100 zu den Kontaktstellen 61 geführt werden. Das heißt, in der schematischen Darstellung der 14 können die Leiterbahnen 2 in einer Innenlage der Leiterplatte 5 angeordnet sein. Die Leiterplatte 100 weist ferner mindestens eine Sensorleiterbahn 20 auf, die zumindest einen Abschnitt 67 aufweist, der in der Nähe eines Bestückungsortes 60 ein offenes Ende in Form einer Stichleitung oder Ringstruktur bildet, das zu den Kontaktstellen unterschiedlich ist. Eine Gegenelektrode kann flächig als Masse- oder Versorgungspotentialschicht ausgebildet sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Leiterplatte 100, wie sie in 14 dargestellt ist, noch nicht mit Bauelementen bestückt sein. Das heißt, die Leiterplatte 100 kann in diesem Ausführungsbeispiel noch keine elektronischen Bauelemente oder elektrischen Schaltungen aufweisen, aber bereits die dafür vorgesehenen elektrischen Leiterbahnen und Verbindungen und Anschlüsse für die Bauelemente und das dafür nötige Leiterplattenlayout. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Leiterplatte, wie sie in 14 dargestellt ist, eine Sensorleiterbahn 20 aufweisen, die horizontal benachbart oder vertikal zumindest teilweise überlappend mit einer als Massepotentiallage oder als Versorgungspotentiallage ausgebildeten Gegensensorelektrode ausgebildet ist. Ferner kann die Sensorleiterbahn 20 als Ring- oder Stichleitung ausgebildet sein, wobei die Sensorleiterbahn 20 in der Nähe der Bestückungsorte 60 eine Sensorleiterbahnverbreitung 33 aufweisen kann. Die Leiterplatte 100 kann wieder aus einem isolierenden Material, wie es typischerweise als Leiterplattenträgermaterial verwendet wird, hergestellt sein. Beispielsweise kann die Leiterplatte 100 also FR2, FR3, FR4, FR5, PIstarr, CE, TMM3, PIflex, Duroid 5880^® oder RO 4003^®, aufweisen. Das isolierende Material 5 der Leiterplatte kann als ein Materialverbund mit einer bestimmten Glasübergangstemperatur ausgebildet sein. Die Leiterplatte 100 kann als Mehrschichtleiterplatte mit mehreren Leiterplattenträgermaterialschichten und Metallisierungsschichten ausgebildet sein. Die Sensorleiterbahn 20 kann auch an der Oberfläche der Leiterplatte oder in einer der inneren Leiterplattenträgermaterialschichten ausgebildet sein. Das isolierende Material 5, aus dem die Leiterplatte besteht, kann eine Glasübergangstemperatur zwischen 100°C und 300°C aufweisen, und das Material kann so ausgebildet sein, dass sich ein Widerstandswert des isolierenden Materials bei Überschreiten der Glasübergangstemperatur verringert.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann das Leiterplattenmaterial durch Temperaturerhöhung von einem isolierenden elektrischen Zustand in einen halbleitenden elektrischen Zustand übergehen. Das heißt, der spezifische Widerstandswert kann sich beispielsweise von Werten von 10¹² bis 10⁶ Ωcm auf Werte von 10⁶ bis 10¹ Ωcm verringern. Das isolierende Material 5 kann in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Glasübergangstemperatur zwischen 90°C und 320°C aufweisen.
In 15 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine bestückte Leiterplatte, die eine Vielzahl von Bauelementen 8a bis 8e aufweist, gezeigt. Ein Sensor 10 kann mehrere Sensorelemente 25 aufweisen, wobei jedes Sensorelement 25 eine erste Sensorleiterbahn 20 und eine zweite Sensorleiterbahn 30 mit einem dazwischen angeordneten isolierendem Material aufweisen kann. Die Sensorleiterbahn 20a, b, c etc. der mehreren Sensorelemente 25a, b, c kann als einstückige Sensorleiterbahn 20 ausgebildet sein. Dasselbe kann für die Gegenelektrode 30 bzw. die zweite Sensorleiterbahn 30 und die entsprechenden Gegenelektrodenabschnitte 30a, b, c gelten. Die Orte an denen der Widerstandswert des isolierenden Materials 5 überwacht wird weisen die Sensorelemente 25 auf. Die Sensorleitung 20 kann in diesem Ausführungsbeispiel in einer Innenlage der Leiterplatte 100 unterhalb der zu überwachenden Bauelemente 8a bis 8e ausgebildet sein. Die Sensorleitung kann wieder Vergrößerungen 33 aufweisen. In einem anderen Ausführungsbeispiel. der vorliegenden Erfindung kann die Sensorleitung 20 auch als Oberflächensensor realisiert werden oder in einer gemischten Form, das heißt als Oberflächensensor und als Volumensensor. Die Bauelemente 8a bis 8e können beispielsweise aktive Bauelemente sein, aber auch passive Bauelemente, wie z. B. Varistoren, Keramik-Vielschichtkondensatoren (MLCC) oder Tantal-Elektrolytkondensatoren sein. Da die meisten dieser Bauelemente in realen Schaltungen häufig mit einem Anschluss auf Masse- oder Versorgungspotential liegen, kann im Allgemeinen ein einheitliches Bezugspotential der in diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft durch die Bauteillötpads gebildeten Gegenelektrode 30 gegeben sein. Das hießt, in diesem Ausführungsbeispiel wird der Sensor durch die Sensorleitung 20 und der flächigen Gegenelektrode 30, die ein einheitliches Bezugspotential für sämtliche dargestellten Bauelemente 8a bis 8e aufweist, gebildet.
In 16 ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Ersatzschaltbild einer Anordnung zur Überwachung mehrerer Bauelemente, wie es in 15 dargestellt ist, gezeigt. Die Schaltung 40a ist wieder als Spannungsteilerschaltung (siehe 5), ausgelegt. In diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch mehrere Sensorelemente parallel zu einem Festwiderstand 25 verschaltet. Das Ersatzschaltbild in 16 ist für den Fall gezeigt, dass die Bezugselektrode 30 (siehe 15) auf einem Versorgungspotential liegt. Sobald auch nur eine der Messstrecken unterhalb der zu überwachenden Bauelemente 8a bis 8e überhitzt und dadurch ihr Widerstandswert 36 (8a bis 8e) reduziert wird, steigt die Messspannung 26 an und signalisiert einen Fehler bzw. einen Gefahrenzustand.
In 17 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte mit einer meanderförmig ausgeführten Sensorleitung 20 dargestellt. Die meanderförmig ausgeführte Sensorleitung ist so ausgebildet, dass sie unter einer Vielzahl von elektrischen Bauelementen 8a bis 8j angeordnet ist und zusammen mit einer Gegenelektrode (nicht gezeigt in 17), die großflächig z. B. unter der Sensorleitung 20 ausgebildet sein kann, einen Sensor bildet. Die meanderförmig ausgebildete Sensorleitung kann in einer Innenlage 73b der Leiterplatte 100 ausgebildet sein. Die Leiterplatte 100 kann also punktuell an einer Vielzahl von Orten, nämlich den Bauelementen 8a bis 8i, auf eine Temperaturüberhitzung bzw. Temperaturänderung überwacht werden.
Gemäß des in 17 schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispielen kann der erfindungsgemäße Sensor zur Überwachung einer beliebigen Teilfläche einer Leiterplatte verwendet werden. Dazu ist die Sensorleitung 20 beispielsweise vorteilhaft meander- oder netzförmig ausgebildet. Als Gegenelektrode 30 eignet sich dann eine Masse- oder Spannungsversorgungslage in der Leiterplatte 100. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Überwachung einer beliebigen Teilfläche einer Leiterplatte können Sensorleiter 20 und die Gegenelektrode 30 auf einer Kupferebene z. B. in Form einer Interdigitalstruktur verschachtelt angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine erste Sensorleiterbahn in oder auf der Leiterplatte ausgebildet sein. Eine Gegenelektrode, die als zweite Sensorleiterbahn wirkt kann in einem Bauelement 8 ausgebildet sein, wobei das Bauelement 8 in innigem Kontakt mit einer Oberfläche der Leiterplatte und vertikal überlappend zu einer ersten Sensorleiterbahn stehen kann. Zwischen der ersten Sensorleiterbahn 20 und der Gegenelektrode 30 in dem Bauelement 8 kann über eine Messstrecke oder ein Messvolumen eine Spannung angelegt werden. Eine Änderung eines Widerstandswertes bei Erwärmung des zwischen der ersten Sensorleiterbahn und der Gegenelektrode angeordneten isolierenden Materials kann zur Ausgabe eines Signals verwendet werden. Eine Auswerteeinheit 77 kann dann beispielsweise in dem Bauelement oder auf der Leiterplatte ausgebildet sein. Bei einer Überschreitung oder Unterschreitung eines Grenzwiderstandswertes kann ein Warnsignal ausgegeben werden. Eine Schaltung 40 zur Ausgabe eines Signals kann entweder auf der Leiterplatte oder in dem Bauelement realisiert werden. Die Gegenelektrode des Bauelementes 8 bzw. die erste Sensorleiterbahn kann über eine Kontaktstelle mit der Schaltung auf der Leiterplatte oder im Bauelement 8 elektrisch gekoppelt sein. Das isolierende Material 5 bzw. der isolierende Materialverbund, der zwischen der ersten Sensorleiterbahn und der Gegenelektrode angeordnet ist, kann es sich auch um ein Gehäusematerial des Bauelementes 8 handeln.
In 18 ist ein Flussdiagramm zum Verfahren zum Detektieren einer Temperaturänderung einer Leiterplatte mit einem isolierenden Material und mit Leiterbahnen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Verfahren weist einen Schritt des Erfassens 110 eines temperaturabhängigen Widerstandswerts des isolierenden Materials auf und einen Schritt des Ausgebens 120 eines von dem Widerstandswert des isolierenden Materials abhängigen Signals.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Verfahren zum Detektieren einer Temperaturänderung kann das Erfassen 110 eines temperaturabhängigen Widerstandswerts des isolierenden Materials so durchgeführt werden, dass eine Spannung an zwei beabstandeten Sensorleiterbahnen angelegt wird, zwischen denen ein isolierende Material angeordnet ist. Das isolierende Material kann dabei im elektrischen Kontakt mit den Sensorleiterbahnen stehen. Bei dem isolierenden Material kann es sich um gängiges Leiterplattenbasismaterial handeln. Das Erfassen eines temperaturabhängigen Widerstandswerts kann so durchgeführt werden, dass ein Oberflächenwiderstandswert oder ein Volumenwiderstandswert des isolierenden Materials erfasst wird. Bei dem isolierenden Material kann es sich beispielsweise um Leiterträgerplattenmaterial, wie z. B. FR4 oder FR5 handeln, oder um ein anderes isolierendes Material, mit dem die Oberfläche oder Teile der Oberfläche der Leiterplatte überzogen ist.
Das Erfassen 110 eines temperaturabhängigen Widerstandswerts des isolierenden Materials kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an einer Vielzahl von Punkten der Leiterplatte erfolgen oder aber über einen flächigen Bereich der Leiterplatte. Das Verfahren zum Detektieren einer Temperaturänderung kann ferner einen Schritt des Auswertens 130 des Signals aufweisen, wobei das Auswerten beispielsweise durch Vergleichen mit einem Referenzsignal durchgeführt werden kann. Das Ausgeben eines von dem Widerstandswert des isolierenden Materials abhängigen Signals kann so durchgeführt werden, dass ein Spannungs- oder Stromsignal ausgegeben wird. In weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren ferner einen Schritt des Ausgebens eines Warnsignals aufweisen, sobald ein Über- oder Unterschreiten eines spezifischen Grenzwiderstandswerts der durch eine Glasübergangstemperatur oder einer Zersetzungstemperatur des isolierenden Materials gegeben ist, detektiert wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, beispielsweise Überhitzungen auf Leiterplatten für elektronische Schaltungen zu detektieren und daraufhin Sicherheitsmaßnahmen mit Hilfe entsprechender Schutzeinrichtungen einleiten zu können. Damit können also weitergehende Schäden, wie z. B. Brandschäden verhindert werden. Anwendungsgebiete der Erfindung sind alle Arten von elektronischen Schaltungen. Wie in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, können mit dem Detektionsverfahren sehr einfach und kostengünstig einzelne Bauelemente auf einer Platine oder Leiterplatte oder auch eine gesamte Leiterplatte flächig überwacht werden. Auch eng lokalisierte Überhitzungen können zuverlässig mit der erfindungsgemäßen Methode erkannt werden. Es kann ein elektrisches Fehlersignal bereitgestellt werden, um beispielsweise entsprechende Schutzmaßnahmen einzuleiten.
In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist gezeigt, dass ein außerordentlich kostengünstiger und platzsparender Übertemperatursensor geschaffen werden kann. Der Sensor kann direkt in der Leiterplatte integriert sein und ohne Zusatzaufwand in Standardleiterplattenprozesen herstellbar sein. Die Auswerteeinheit kann aus einem einfachen Auswertekomparator bestehen, der nur geringe Zusatzkosten erfordert. Im Falle eines auf einer Baugruppe noch freien Analog-Digital-Wandlereingangs sind Mehrkosten vernachlässigbar. Insbesondere ist es also denkbar, dass eine der oben beschriebenen Leiterplatten bereits die Auswerteeinheit aufweist, wie z. B. mit der Auswerteeinheit bestückt ist, beispielsweise in Form eines Oberflächenbefestigungsbauteils (SMD). Andere Möglichkeiten bestehen natürlich ebenfalls. Beispielsweise könnte die Leitplatte lediglich den Sensor mit den Sensorelektroden beinhalten, zusammen mit der Verschaltung der Sensorelektroden, so dass an dieselben über eine Anschlusselektrode, wie z. B. eine Steckverbindung, der Leitplatte die Potentiale, wie z. B. Masse und Versorgungspotential, anlegbar sind, ggf. noch über Widerstände, wie es im vorhergehenden beschrieben wurde. Dann wäre die Auswerteeinheit extern zu der Leiterplatte. Die Leiterplatte von 8 könnte beispielsweise beidseitig an den zwei gegenüberliegenden Bestückungsseiten (oben und unten) der Leiterplatte mit Bauelementen bestückt sein, wobei das Sensorelement eine erste Sensorelektrode 30, eine zweite Sensorelektrode 73c und eine dritte Sensorelektrode 20 aufweist, wobei zwischen der ersten Sensorelektrode 30 und der dritten Sensorelektrode 20 und zwischen der zweiten Sensorelektrode 73c und der dritten Sensorelektrode 20 das isolierende Material 5 jeweils in Serie geschaltet ist, wobei die erste Sensorelektrode 30 und die zweite Sensorelektrode 73c so in und/oder auf der Leiterplatte einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass die erste Sensorelektrode 30 zu der oberen Bestückungsseite und die zweite Sensorelektrode 73c zu der unteren Bestückungsseite näher angeordnet ist und sich die dritte Sensorelektrode 20 zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode 30, 73c befindet, wobei an die erste und zweite Sensorelektrode unterschiedliche Potentiale anlegbar sind, indem dieselben beispielsweise mit unterschiedlichen externen Anschlussschnittstellen der Leiterplatte verbunden sind, wie z. B. Masseanschluss und Versorgungspotentialanschluss, so dass sich an der dritten Elektrode ein Potential zwischen den unterschiedlichen Potentialen einstellt, das von einem elektrischen Widerstand zwischen der ersten und dritten Sensorelektrode und einem elektrischen Widerstand zwischen der zweiten und dritten Sensorelektrode abhängt, und aus dem eine der beiden Bestückungsseiten bestimmbar ist, an welcher das isolierende Material eine Widerstandsveränderung aufgrund eines defekten Bauteils erfahren hat. Diese dritte Elektrode 20 kann nun entweder mit einer Auswerteschaltung auf der Leiterplatte verbunden sein oder mit einer weiteren externen Leiterplattenschnittstelle für eine externe Auswertung. In diesem Fall könnte die Auswerteschaltung zwei Komparatoren aufweisen, die zusammenwirken, um festzustellen, ob das Potential an der mittleren Elektrode 20 ein erstes Referenzpotential über- oder ein zweites Referenzpotential unterschreitet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Sensor kein linearer, hysteresefreier Temperatursensor, sondern detektiert thermische Schädigungen des Leiterplattenmaterials bzw. eines isolierenden Materials auf der Oberfläche der Leiterplatte. Da diese Schädigungen erst ab einer bestimmten Temperatur auftreten, kann der Sensor in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch erst ab dieser Temperatur aktiv sein, dann aber ein sehr stark ansteigendes Signal bzw. Signaländerung liefern. Der Sensor kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, also erst bei Erreichen einer bestimmten Leiterplattentemperatur aktiv werden. Dieses extrem nicht lineare Verhalten kann es ermöglichen, sehr einfach, nahezu beliebig viele Messpunkte bzw. ganze Leiterplatten oder Teilflächen von Leiterplatten flächendeckend zu überwachen. Wie Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, liefern auch eine größere Anzahl parallel geschalteter Sensorelemente eines Sensors nur dann ein Signal, wenn an mindestens einer Stelle eine kritische Temperatur überschritten wird. Das erfindungsgemäße Sensorelement kann sowohl auf der Ober- oder Unterseite einer Leiterplatte, als auch in einer Zwischenlage einer Multilayer-Leiterplatte realisiert werden. Mit nur einer Leiterbahn, der Sensorleitung oder Sensorleiterbahn, die beispielsweise als Ring- oder Stichleitung ausgeführt sein kann, oder in einer beliebigen anderen Form, lässt sich also gemäß einiger Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl von Bauelementen auf einer Leiterplatte simultan auf kritische Temperaturen oder Temperaturänderungen hin überwachen.
In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die Temperaturabhängigkeit des Oberflächenwiderstands einer Leiterplatte überwacht und ausgewertet. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird der Durchgangswiderstand bzw. der Volumenwiderstand des Leiterplattenmaterials überwacht bzw. ausgewertet. Für die Überwachung des Widerstandswerts (Oberflächenwiderstandswert, Durchgangswiderstandswert) können eine oder mehrere Kupferflächen in beliebiger Größe in einer Innenlage einer Leiterplatte oder an einer Oberfläche der Leiterplatte als eine von zwei Sensorleitungen genutzt werden. In einer elektrisch leitfähigen Innenlage, die z. B. aus Kupfer oder einem anderen Metall bestehen kann, kann eine netz- oder meanderförmige Leiterbahnstruktur, die sich über eine beliebig große Teilfläche der Leiterplatte erstreckt, als Sensorleitung genutzt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die erste und/oder die zweite Sensorleiterbahn als Sensorleiterfläche ausgelegt sein, so dass ein flächiger Bereich der Leiterplatte überwacht werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann eine Leiterplatte aus einem elektrisch isolierendem Trägermaterial – dem Basismaterial – bestehen. Das Basismaterial bzw. das Leiterplattenträgermaterial kann beispielsweise Pertinax, ein Phenolharz mit Papierfasern oder in Epoxidharz getränkte Glasfasermatten aufweisen. Die Materialbezeichnungen FR1 bis FR5 können für unterschiedliche Materialverbundsysteme auf der Basis von Epoxid- bzw. Phenolharzen mit Papier oder Glasfasergewebe stehen. Der Ausdruck FR steht für flammenhemmend (flame retardant). Es ist jedoch auch denkbar, dass in anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Materialien wie Teflon oder Polyesterfolie für flexible Leiterplatten zum Einsatz kommen.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können alternativ zu festen Leiterplatten auch flexible Leiterplatten, wie z. B. dünne flexible Flexleiterplatten auf der Basis von Polyimidfolien eingesetzt werden. Ein isolierendes Material 5 aus obigen Ausführungsbeispielen kann also auch diese flexiblen Leiterplattenmaterialien umfassen. Die flexible Leiterplatte kann ebenfalls als Mehrschichtleiterplatte mit mehreren Leiterplattenträgerschichten und den entsprechenden Metallisierungsschichten ausgebildet sein. Anstelle von Polyimidfolien, als isolierendes Leiterplattenmaterial können beispielsweise auch PET(Polyethylenterephthalat)- oder PEN(Polyethylennaphthalat)-Folien eingesetzt werden. Polyimid weist beispielsweise eine Glastemperatur von über 200°C auf, weshalb für eine flexible Leiterplatte aus einem isolierendem Polyimid eine Grenztemperatur für die Ausgabe eines Warnsignals bei über 200°C liegen kann. Die Glasübergangstemperatur für Polyimid kann bei ca. 260°C liegen. Denkbar ist jedoch auch, dass andere temperaturbeständige Leiterplattenmaterialien verwendet werden, wie z. B. das Hochtemperaturthermoplast PEEK (Polyetheretherketon), eines seiner Derivate oder das Hochtemperaturthermoplast PPS (Polyphenylensulfid).
Es sei darauf hingewiesen, dass in obigen Ausführungsbeispielen die Sensorelektroden untereinander beispielsweise einen minimalen Abstand aufweisen können, der kleiner als 2 mm ist. Sie können als Elektrode und Gegenelektrode so ausgebildet sein, dass die Elektrode und die Gegenelektrode über eine Länge von mehr als 5 mm hinweg, weniger als 1,5 mm von einander beabstandet sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Die Leiterplatte mit integriertem Sensor ist außerordentlich kostengünstig herstellbar und es können beliebig viele Bauelemente auf einer Leiterplatte oder ganze Leiterplatten flächendeckend auf Überhitzung oder eine Temperaturänderung überwacht werden. Die Empfindlichkeit des Sensors kann über die Geometrie (also die Sensorfläche und den Elektrodenabstand zwischen der ersten Sensorleiterbahn und der zweiten Sensorleiterbahn eingestellt werden). Der Sensor in der Leiterbahn kann so ausgebildet sein, dass nur bei Überschreiten einer hohen, mit Brandgefahr verbundenen Temperatur, die in diesem Fall als Grenztemperatur gelten kann, der Sensor aktiv wird und ein Fehlersignal bzw. ein Brandsignal für eine Schutzeinrichtung bereitstellt.

Claims

Leiterplatte (100) mit einem isolierenden Material (5) und mit Leiterbahnen (2), wobei die Leiterplatte (100), die beidseitig an zwei gegenüberliegenden Bestückungsseiten der Leiterplatte (100) mit Bauelementen (8) bestückt ist, folgende Merkmale aufweist: einen Sensor (10) zum Überwachen eines Widerstandswertes des isolierenden Materials (5) und zum Ausgeben eines von dem Widerstandswert des isolierenden Materials (5) abhängigen Signals, wobei der Sensor (10) ein Sensorelement (25) aufweist, das eine erste Sensorelektrode (30), eine zweite Sensorelektrode (73c) und eine dritte Sensorelektrode (20) aufweist, wobei zwischen der ersten Sensorelektrode (30) und der dritten Sensorelektrode (20) und zwischen der zweiten Sensorelektrode (73c) und der dritten Sensorelektrode (20) das isolierende Material (5) jeweils in Serie geschaltet ist, wobei die erste Sensorelektrode (30) und die zweite Sensorelektrode (73c) so in und/oder auf der Leiterplatte (100) einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass die erste Sensorelektrode (30) zu einer der Bestückungsseiten und die zweite Sensorelektrode (73c) zu der gegenüberliegenden der Bestückungsseiten näher angeordnet ist und sich die dritte Sensorelektrode (20) zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode (30, 73c) befindet, wobei an die erste und zweite Sensorelektrode (30, 73c) unterschiedliche Potentiale anlegbar sind, so dass sich an der dritten Sensorelektrode (20) ein Potential zwischen den unterschiedlichen Potentialen einstellt, das von einem elektrischen Widerstand zwischen der ersten und dritten Sensorelektrode (30, 20) und einem elektrischen Widerstand zwischen der zweiten und dritten Sensorelektrode (73c, 20) abhängt, und aus dem eine der beiden Bestückungsseiten bestimmbar ist, an welcher das isolierende Material (5) eine Widerstandsveränderung aufgrund eines defekten Bauelements (8) erfahren hat.
Die Leiterplatte (100) gemäß Anspruch 1, wobei das isolierende Material (5) ein isolierendes Leiterplattenträgermaterial ist, in das die Leiterbahnen (2) eingebettet oder auf dem die Leiterbahnen (2) angeordnet sind, oder ein isolierendes Material, das auf dem Leiterplattenträgermaterial angeordnet ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Widerstandswert des isolierenden Materials (5) eine Temperaturabhängigkeit aufweist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor (10) ein Sensorelement (25) aufweist, das eine erste Sensorelektrode (30) und eine zweite Sensorelektrode (73c) aufweist, zwischen denen das isolierende Material (5) in Serie geschaltet ist, so dass über die erste Sensorelektrode (30) und die zweite Sensorelektrode (73c) eine Spannung an das isolierende Material anlegbar ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß Anspruch 4, wobei die erste Sensorelektrode (30) und die zweite Sensorelektrode (73c) in der Leiterplatte (100) angeordnet sind; oder wobei die erste Sensorelektrode (30) und die zweite Sensorelektrode (73c) auf einer Oberfläche der Leiterplatte (100) angeordnet sind; oder wobei die erste Sensorelektrode (30) in der Leiterplatte (100) und die zweite Sensorelektrode (73c) auf einer Oberfläche der Leiterplatte (100) angeordnet sind.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei die erste Sensorelektrode (30) oder die zweite Sensorelektrode (73c) zugleich als Massepotentiallage oder als eine Versorgungspotentiallage dient.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Sensorelement (25) lateral um weniger als eine maximale laterale Ausdehnung des Bauelements (8) von dem Bauelement (8) lateral beabstandet ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die erste Sensorelektrode (30) und die zweite Sensorelektrode (73c) einen minimalen Abstand aufweisen, der kleiner als 2 mm ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die erste und die zweite Sensorelektrode (30, 73c) als Elektrode und Gegenelektrode so ausgebildet sind, dass zwischen denselben das isolierenden Material (5) angeordnet ist, und wobei die Elektrode und die Gegenelektrode über eine Länge von mehr als 5 mm hinweg, weniger als 1,5 mm von einander beabstandet sind.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der Sensor (10) mehrere parallel verschaltete Sensorelemente (25) aufweist, die ausgebildet sind, die Leiterplatte (100) an mehreren Stellen der Leiterplatte (100) zu überwachen.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die mit einer Auswerteeinheit (77) gekoppelt ist, die ausgebildet ist, dass beim Überschreiten einer Grenztemperatur des isolierenden Materials (5) und beim Erreichen eines Grenzwiderstandswertes des zu überwachenden Widerstandswertes des isolierenden Materials (5), ein Warnsignal ausgegeben wird.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Leiterplatte (100) als Multischichtleiterplatte mit mehreren Leiterplattenträgermateriallagen und mit mehreren Metallschichten ausgebildet ist und wobei der Sensor (10) in einer oder in mehreren Metallschichten in und/oder auf der Leiterplatte (100) ausgebildet ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem es sich bei dem isolierenden Material (5) um eines aus der Gruppe von FR2, FR3, FR4, FR5, TMM3, CE, PIstarr, PIflex, RO 4003^® und DUROID 5880^® handelt.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das isolierende Material (5) ein Materialverbund aus mehreren verschiedenen Materialien ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das isolierende Material (5) ein nicht-kristallines Material mit einer Glasübergangstemperatur und einem nicht-linearen temperaturabhängigen spezifischen elektrischen Widerstand ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, die mit einer Auswerteeinheit (77) gekoppelt ist, die ausgebildet ist, bei Erreichen eines Grenzwiderstandwertes, der durch die Glasübergangstemperatur oder eine Zersetzungstemperatur des isolierenden Materials (5) bestimmt ist, ein Warnsignal auszugeben.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das isolierende Material (5) bei Überschreiten der Glasübergangstemperatur des isolierenden Materials (5) halbleitend wird.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 17, wobei die erste Sensorelektrode (30) oder die zweite Sensorelektrode (73c) über einen Widerstand auf einen Referenzpotentialwert legbar ist, der zwischen dem Potentialwert der Massepotentiallage und dem Potentialwert der Versorgungspotentiallage liegt, so dass eine Widerstandszunahme und eine Widerstandsabnahme des isolierenden Materials (5) durch den Sensor (10) überwachbar ist.
Leiterplatte (100) mit einem isolierenden Material (5) mit: Bestückungsorten (60) beidseitig an zwei gegenüberliegenden Bestückungsseiten der Leiterplatte (100) für Bauelemente (8); Leiterbahnen (2), die zu den Kontaktstellen (61) der Bestückungsorte (60) führen; einem Sensor (10), welcher ein Sensorelement (25) aufweist, das eine erste Sensorelektrode (30), eine zweite Sensorelektrode (73c) und eine dritte Sensorelektrode (20) aufweist, wobei zwischen der ersten Sensorelektrode (30) und der dritten Sensorelektrode (20) und zwischen der zweiten Sensorelektrode (73c) und der dritten Sensorelektrode (20) das isolierende Material (5) jeweils in Serie geschaltet ist, wobei die erste Sensorelektrode (30) und die zweite Sensorelektrode (73c) so in und/oder auf der Leiterplatte (100) einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass die erste Sensorelektrode (30) zu einer der Bestückungsseiten und die zweite Sensorelektrode (73c) zu der gegenüberliegenden der Bestückungsseiten näher angeordnet ist und sich die dritte Sensorelektrode (20) zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode (30, 73c) befindet, wobei an die erste und zweite Sensorelektrode (30, 73c) unterschiedliche Potentiale anlegbar sind, so dass sich an der dritten Elektrode ein Potential zwischen den unterschiedlichen Potentialen einstellt, das von einem elektrischen Widerstand zwischen der ersten und dritten Sensorelektrode (30, 20) und einem elektrischen Widerstand zwischen der zweiten und dritten Sensorelektrode (73c, 20) abhängt, und aus dem eine der beiden Bestückungsseiten bestimmbar ist, an welcher das isolierende Material (5) eine Widerstandsveränderung aufgrund eines defekten Bauelements (8) erfährt; und wobei das Sensorelement (25), zumindest einen Abschnitt (67) aufweist, der in der Nähe eines Bestückungsortes (60) eine offene Elektrode bildet, die zu den Kontaktstellen (61) unterschiedlich ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß Anspruch 19, wobei die Sensorleiterbahn (20) horizontal benachbart oder vertikal zumindest teilweise überlappend mit einer als Massepotentiallage oder als Versorgungspotentiallage ausgebildeten Gegensensorelektrode ausgebildet ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 19 bis 20, wobei die offenen Elektrode als Ring- oder Stichleitung ausgebildet ist oder wobei die offenen Elektrode (20) eine Sensorleiterbahnverbreiterung in der Nähe des einen Bestückungsortes (60) aufweist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das isolierende Material (5) als Materialverbund mit einer Glasübergangstemperatur ausgebildet ist.
Die Leiterplatte (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das isolierende Material eine Glasübergangstemperatur zwischen 100°C und 300°C aufweist und wobei sich ein Widerstandswert des isolierenden Materials (5) bei Überschreiten der Glasübergangstemperatur verringert.
Verfahren zum Detektieren einer Temperaturänderung einer Leiterplatte (100), die beidseitig an zwei gegenüberliegenden Bestückungsseiten der Leiterplatte (100) mit Bauelementen (8) bestückt ist, mit einem isolierenden Material (5) und mit Leiterbahnen (2), mit folgenden Schritten: Erfassen (110) eines temperaturabhängigen Widerstandswertes des isolierenden Materials (5) mit einem Sensor (10), wobei der Sensor (10) ein Sensorelement (25) aufweist, das eine erste Sensorelektrode (30), eine zweite Sensorelektrode (73c) und eine dritte Sensorelektrode (20) aufweist, wobei zwischen der ersten Sensorelektrode (30) und der dritten Sensorelektrode (20) und zwischen der zweiten Sensorelektrode (3c) und der dritten Sensorelektrode (20) das isolierende Material (5) jeweils in Serie geschaltet ist, wobei die erste Sensorelektrode (30) und die zweite Sensorelektrode (73c) so in und/oder auf der Leiterplatte (100) einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass die erste Sensorelektrode (30) zu einer der Bestückungsseiten und die zweite Sensorelektrode (73c) zu der gegenüberliegenden der Bestückungsseiten näher angeordnet ist und sich die dritte Sensorelektrode (20) zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode (30, 73c) befindet, wobei an die erste und zweite Sensorelektrode (30, 73c) unterschiedliche Potentiale anlegbar sind, so dass sich an der dritten Sensorelektrode (20) ein Potential zwischen den unterschiedlichen Potentialen einstellt, das von einem elektrischen Widerstand zwischen der ersten und dritten Sensorelektrode (30, 20) und einem elektrischen Widerstand zwischen der zweiten und dritten Sensorelektrode (73c, 20) abhängt, und aus dem eine der beiden Bestückungsseiten bestimmbar ist, an welcher das isolierende Material (5) eine Widerstandsveränderung aufgrund eines defekten Bauelements (8) erfahren hat; und Ausgeben (120) eines von dem Widerstandswert des isolierenden Materials (5) abhängigen Signals.