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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung mit einer ESD-Schutzvorrichtung, ein Steuergerät, ein Kraftfahrzeug mit einem Steuergerät und ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltung mit einer ESD-Schutzvorrichtung.
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Elektrostatische Entladungen, insbesondere in Verbindung mit Halbleiterbauelementen, werden mit der Abkürzung ESD bezeichnet (Electrostatic Discharge). Wegen der geringen Energie sind solche elektrostatischen Entladungen ungefährlich für den Menschen, jedoch die in Steuergeräten verbauten elektronischen Halbleiterbauelemente können diesbezüglich anfällig sein.
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Dabei sind grundsätzlich zwei verschiedene ESD-Ereignisse zu berücksichtigen:
- - ESD-Entladungen werden direkt auf einen metallischen Leiter abgegeben (in der Realität durch z.B. den Finger eines Monteurs, beim ESD-Test durch vorheriges Berühren des Leiters mit der ESD-Pistole und danach der Abgabe der ESD-Ladung) .
- - ESD-Entladungen werden durch die Luft („Blitze“) auf den Leiter abgegeben (Realität: geladener Finger eines Monteurs nähert sich einem Leiter bis der Überschlag stattfindet; ESD-Test: geladene Pistole nähert sich dem Leiter bis zum Überschlag)
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Beide Ereignisse haben unterschiedliche Grenzwerte der maximal zu überstehenden Spannungen (üblicherweise z.B. Direktentladung z.B. max. 8kV, z.B. Luftentladung max. 15kV).
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Deshalb ist es sehr wichtig verbesserte Aufbaukonzepte mit ESD-Schutz zu entwickeln, die auch gesteigerte Kundenanforderungen von z.B. 8kV- auf 18kV-Entladungen abdecken können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Steuergerätes zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung mit einer ESD-Schutzvorrichtung zum Schutz eines elektronischen Bauelementes vor einer elektrostatischen Entladung, aufweisend: ein Trägermaterial, ein Bauelement, das auf dem Trägermaterial aufgebracht ist, eine ESD-Schutzvorrichtung, welche eine Durchführung durch das Trägermaterial aufweist, welche benachbart zum elektronischen Bauelement angeordnet ist und ein Ableiten des durch eine elektrostatische Entladung erzeugten Stroms ermöglicht, um ein Ableiten des Stroms durch das Bauelement zu verhindern.
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Die ESD-Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorsehen, dass ein Bauelement auf einem Trägermaterial vor elektrostatischen Entladungen geschützt wird. ESD-Schäden können im Wesentlichen durch den kurzzeitig hohen Strom von der ESD-Spannungsquelle durch ein empfindliches Bauelement (Halbleiter) zur Masse bzw. größerer elektrischen Kapazität im Steuergerät entstehen. Dies ist meistens eine metallische Grundplatte oder das Gehäuse. Diese Grundplatte kann in einem Testfall an einem Rückleiter der ESD-Pistole angeschlossen sein. Zum einen können elektrostatische Entladungen unterbunden werden, indem die Verdrahtungsleiterführungen über entsprechende Kunststoff-Geometrien so geschützt werden, dass ein direktes Berühren oder ein Annähern eines geladenen Körpers unmöglich gemacht wird (z.B. durch dichte Abdeckungen, Kunststoff-Abstandsringe um Stanzgitterleiter, u. ä.).
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Im Wesentlichen kann hiermit folgendes erzielt werden:
- - Leiterführungen können von Personen nicht direkt berührt werden (direkte Entladung).
- - Die konstruktive Ausgestaltung kann einen ausreichend großen Mindestabstand zwischen den Leitern und den geladenen Körpern aufweisen.
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Um einen hohen ESD-Schutz bis zu hohen Spannungen zu erzielen, kann es erforderlich sein, am Steuergerät keinerlei nach außen hin offenliegende Verdrahtungsleiter zu haben. Dies kann z.B. durch die Verwendung von flexiblen Leiterfolien, Abdeckungen/Deckeln erreicht werden, welche dicht ausgeführt sind (verschweißt/laminiert) .
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Bereits vorhandene elektrisch leitfähige Geometrien des Steuergerätes können als „Blitzableiter“ für den ESD-Blitz genutzt werden, um den Entladungsstrom an den empfindlichen Bauelementen vorbei direkt in den Masserückleiter zu leiten. Die Masserückleitung kann z.B. die Grundplatte der Schaltung, eine metallische Halterung oder das Gehäuse eines Steuergeräts sein. Die ESD-Schutzvorrichtung kann mittels Durchführungen in dem Trägermaterial in der Nähe des zu schützenden elektronischen Bauelements realisiert werden. Das Trägermaterial mit dem elektronischen Bauelement kann über den Masserückleiter geführt werden bzw. das elektronische Bauelement kann auf dem Masserückleiter befestigt werden. Bei einer auftretenden elektrostatischen Endladung kann der auftretende Strom direkt von der Quelle der elektrostatischen Entladung in die Masserückführung, durch das Trägermaterial hindurch, geleitet werden. Hierdurch wird das zu schützende elektronische Bauelement nicht durch eine elektrostatische Endladung betroffen. D.h. es wird kein hoher Strom in das elektronische Bauelement geleitet und das elektronische Bauelement wird nicht beschädigt.
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Die Masserückleitungen können u.a. zur Versteifung dienende Trägerplatten aus Alu, Stahl oder mit Leiterbahnen bedrucktes Leiterplattenmaterial sein. Es sollte darauf geachtet werden, dass ein sich nähernder, elektrisch geladener Körper eher in einen Masseleiter (z.B. Grundplatte oder ringförmiger offener Masseleiterzug um ein empfindliches Bauelement herum) entlädt als in eine zu schützende Signalleitung, welche mit einem empfindlichen elektronischen Bauelement verbunden ist.
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Es kann der Fall eintreten, dass ESD-geschädigte Bauelemente vorläufig ihre volle Funktion beibehalten. Der Ausfall der Bauelemente kann anschließend in einer ungewissen Zeitspanne auftreten, da die ESD geschädigten Bauelemente nicht mehr für eine Dauerbelastung geeignet sind.
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Für die ESD-Schutzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung müssen keine zusätzlichen Bauelemente im Steuergerät verbaut werden. Die ohnehin vorhandenen Bauelemente können geometrisch anders gestaltet werden. Hierdurch können zusätzliche Kosten und Aufwand bei der Herstellung vermieden werden. Hierzu wird eine Durchführung bzw. eine Vielzahl von Durchführungen in das Trägermaterial des zu schützenden elektronischen Bauelements eingebracht. Die Durchführungen sollten benachbart zu dem zu schützenden elektronischen Bauelement angeordnet werden. Das Trägermaterial mit den Durchführungen und dem elektronischen Bauelement kann über einer Masserückführung, z.B. einer leitenden Grundplatte oder dem Gehäuse, angeordnet werden. Bei einer elektrostatischen Entladung kann der Strom, durch die Durchführung hindurch, in die Masserückführung geleitet werden, sodass keine hohen Ströme in das elektronische Bauelement eingebracht werden.
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Die zu schützenden elektronischen Bauelemente können somit aus dem direkten Entladungspfad der elektrostatischen Entladung entfernt und hierdurch geschützt werden.
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Den steigenden ESD-Anforderungen bei der Entwicklung von Steuergeräten kann somit Rechnung getragen werden.
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Die eingesetzten Durchführungen in dem Trägermaterial können eine Vielzahl von verschiedenen Formen aufweisen. Die Durchführungen können kreisrunde Löcher in dem Trägermaterial sein aber auch rechteckig, dreieckig, sechseckig, halbreisförmig oder jede andere Form aufweisen. Des Weiteren können die Durchführungen auch Nuten sein, welche um das zu schützende Bauelement angeordnet sind.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Durchführung eine leitende Durchkontaktierung aufweist.
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Die ESD-Schutzvorrichtung kann außer einer Durchführung für die elektrostatische Entladung, d.h. ein Loch, auch einen elektrisch Durchkontaktierung vorsehen. D.h. das Trägermaterial ist von einem elektrischen Leiter durchbrochen, sodass der elektrische Leiter von der Oberseite bis zur Unterseite des Trägermaterials reicht. Durch diese Anordnung kann die auf der Oberseite des Trägermaterials eintreffende elektrostatische Entladung direkt an den Masserückleiter weitergeleitet werden. Somit können die Durchführungen mit kleinen Durchmessern gestaltet werden. Des Weiteren kann es durch die Durchkontaktierungen möglich sein, dickere Schichten, wie z.B. Leiterplatten, mit der ESD-Schutzvorrichtung auszustatten und diese effektiv zu schützen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die leitende Durchkontaktierung eine Erhebung, bspw. in Form einer Spitze aus der Ebene des Trägermaterials heraus aufweist.
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Durch die Spitze kann dem Strom der elektrostatischen Entladung ein Angriffspunkt gegeben werden, sodass der Blitz der Entladung durch die metallisierte Spitze „angezogen“ wird und direkt in die Masserückführung eingeleitet wird.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere Durchführungen in dem Trägermaterial, benachbart zu dem elektronischen Bauelement, vorgesehen sind.
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Zum ESD-Schutz eines elektronischen Bauelementes können eine Vielzahl von Durchführungen in dem Trägermaterial vorgesehen sein. Hierbei können die Durchführungen Löcher, metallische Durchführungen oder metallische Durchführungen mit Spitze sein. Die einzelnen Durchführungen können benachbart zu dem zu schützenden Bauelement angeordnet werden, um einen bestmöglichen ESD-Schutz zu gewährleisten. Es können auch die verschiedenen Arten von Durchführungen in einer ESD-Schutzvorrichtung kombiniert werden, um die Vorteile der einzelnen Durchführungstypen zu kombinieren.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Durchführungen äquidistant zueinander angeordnet sind.
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Die Durchführungen im Trägermaterial können denselben Abstand untereinander aufweisen. Somit kann ein regelmäßiges Muster entstehen und in dem Trägermaterial bleibt ausreichen Kapazität vorhanden, um elektrische Leitungen zu integrieren. Es sei an dieser Stelle darauf verwiesen, dass die Vielzahl von Durchführungen auch unterschiedliche Abstände untereinander aufweisen können. Insbesondere können so besonders empfindliche oder wichtige Teile mit einem intensiveren ESD-Schutz versehen werden, indem mehr Durchführungen oder die Durchführungen dichter beisammen und dichter an dem zu schützenden elektronischen Bauelement angeordnet werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Durchführungen äquidistant zu dem zu schützenden elektronischen Bauelement angeordnet sind.
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Neben einer äquidistanten Anordnung der Durchführungen untereinander, können die Durchführungen auch alle einen gleichbleibenden Abstand zu dem zu schützenden elektronischen Bauelement aufweisen. Hierdurch kann eine Geometrie erreicht werden, welche alle Seiten des zu schützenden Bauelements im gleichen Maße schützt. Auch hier sei darauf verweisen, dass die Durchführungen unterschiedliche Abstände zu dem elektronischen Bauelement aufweisen können. Insbesondere in dem Bereich mit vielen elektrischen Zuleitungen zu dem elektronischen Bauelement können mehrere Durchführungen zum ESD-Schutz vorgesehen sein, sodass diese besonders geschützt werden, um somit einen erhöhten Strom in der Zuleitung zu dem elektronischen Bauelement zu verhindern und somit die Beschädigung des elektronischen Bauelements.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Durchführungen vollständig oder teilweise um das zu schützende elektronische Bauelement herum angeordnet sind.
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Für den ESD-Schutz eines elektronischen Bauelements von verschiedenen Angriffswinkeln können die Durchführungen um das zu schützende elektronische Bauelement angeordnet werden. Auch hier können die Durchführungen äquidistant zueinander und/oder äquidistant zu dem zu schützenden Bauelement angeordnet sein. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine Durchführung äquidistant zu zwei elektronischen Bauelementen angeordnet ist.
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Neben der äquidistanten Verteilung der Durchführungen untereinander und der äquidistanten Verteilung der Durchführungen zu dem zu schützenden elektronischen Bauelement, kann auch eine Durchführung äquidistant zu zwei zu schützenden elektronischen Bauelementen angeordnet werden, d.h. die Durchführung befindet sich zwischen zwei Bauelementen und kann gleichzeitig beide Bauelemente vor einer elektrostatischen Entladung schützen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Abstände zwischen dem zu schützenden Bauelement und den Durchführungen unterschiedlich sein bzw. frei variiert werden. Die Abstände können abhängig von dem zu schützenden Bauelement und dem Gefährdungspotenzial an dieser Stelle angepasst werden, so kann auf diverse Szenarien reagiert werden.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Trägermaterial eine flexible Leitfolie ist.
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Um das Trägermaterial an die Masserückführung bzw. die Leiterplatte anpassen zu können, kann das Trägermaterial eine flexible Leiterfolie sein. Diese kann einfach an die Oberfläche der jeweiligen Masserückführung angepasst werden, unabhängig ob diese eine Grundplatte, ein leitender Halter oder ein Gehäuse ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuergerät mit einer oben und im Folgenden beschriebenen elektrischen Schaltung, zum Schutz von elektronischen Bauelementen vor elektrostatischer Entladung.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem oben und im Folgenden beschriebenen Steuergerät.
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Die Bezeichnung Fahrzeug ist nicht alleine auf einen Pkw begrenzt, sondern schließt auch Lkw, Busse, Traktoren, Panzer, Baumaschinen, Schienenfahrzeuge, Schiffe, Luftfahrzeuge, wie Helikopter oder Flugzeuge, Fahrräder und Motorräder mit ein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Schaltung, zum Schutz elektronischer Bauelemente vor elektrostatischer Entladung. Hierbei wird eine Durchführung durch ein Trägermaterial erzeugt, welche benachbart zu dem zu schützenden elektronischen Bauelement angeordnet ist und ein Ableiten des durch eine elektrostatische Entladung erzeugten Stroms ermöglicht, um ein Ableiten des Stroms durch das Bauelement zu verhindern.
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Das Verfahren kann vorsehen, dass zumindest eine Durchführung, z.B. ein Loch oder eine Durchkontaktierung, in ein Trägermaterial eingebracht wird, sodass eine elektrostatische Entladung durch die Durchführung, durch das Trägermaterial hindurch, auf eine Masserückführung geleitet wird. Hierdurch können die elektronischen Bauelemente vor Überspannungsschäden durch elektrostatische Entladungen geschützt werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen und Figuren. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ESD-Schutzvorrichtung mit einer Durchführung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ESD-Schutzvorrichtung mit einer metallisierten Durchführung, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer ESD-Schutzvorrichtung mit einer metallisierten Durchführung mit einer Spitze, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung einer ESD-Schutzvorrichtung mit einer Durchführung benachbart zu einem elektronischen Bauelement, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 5 zeigt eine schematische Darstellung einer ESD-Schutzvorrichtung mit einer Durchführung benachbart zu einem elektronischen Bauelement, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Steuergerät mit einer ESD-Schutzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ESD-Schutzvorrichtung 100. Diese weist ein Trägermaterial 110 und eine Durchführung 120 auf, welche benachbart zu einem elektronischen Bauelement 200 angeordnet ist. Das elektronische Bauelement 200 ist mit dem Trägermaterial 110 verbunden und in dem Trägermaterial 110 können die elektrischen Zuleitungen für das elektronische Bauelement 200 verlaufen. Das Trägermaterial 110 mit der Durchführung 120 kann über einem Masserückleiter angeordnet werden. Durch diese Anordnung kann sich eine elektrostatische Entladung direkt in die Masserückleitung entladen, ohne in das Trägermaterial 110 einzuschlagen und das darauf befindliche elektronische Bauelement 200 zu beschädigen.
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2 zeigt eine metallisierte Durchführung 130 durch das Trägermaterial 110 hindurch. Durch die Metallisierung kann der Strom durch die elektrostatische Entladung besser von der Oberseite des Trägermaterials 110 durch das Trägermaterial 110 hindurch und anschließend in die Masserückführung geleitet werden. Neben der besseren Leitung des Stroms durch das Trägermaterial 110 hindurch, werden durch die Metallisierung die elektrostatischen Entladungen angezogen. Somit kann ein besserer ESD-Schutz für die elektronischen Bauelemente 200 und somit für die ganze elektrische Schaltung, durch die ESD-Schutzvorrichtung 100, sichergestellt werden.
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3 zeigt eine metallisierte Durchführung 140 mit einer nach oben aus der Ebene ausgebildeten Spitze. Die Spitze wird auf die metallisierte Durchführung 140 aufgebracht, um zum einen den Abstand, zwischen der metallisierten Durchführung 140 und dem Objekt vom welchem die elektrostatische Entladung ausgeht, zu verringern. Ein Objekt von dem eine elektrostatische Entladung ausgeht, kann zum Beispiel ein Finger eines Menschen sein, welcher die elektrische Schaltung montiert oder repariert bzw. ein Werkzeug für eine Reparatur. Zum anderen wird durch die metallisierte Durchführung 140 mit Spitze ein aktiver Angriffspunkt für den Strom angeboten.
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4 zeigt eine elektrische Schaltung mit einer ESD-Schutzvorrichtung 100 welche über einer Halterung montiert ist. Die Halterung kann aus Metall sein und ist in diesem Fall geerdet.
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Somit stellt die Halterung die Masserückführung dar. Das Trägermaterial 110 besteht in 4 aus eine flexiblen Folie, in welcher auch die Versorgungsleitungen für das elektronische Bauelement 200 integriert sind. Die Durchführungen 120 sind in 4 als kreisrunde Löcher ausgeführt und um das zu schützende Bauelement 200 angeordnet. Die Abstände zwischen den einzelnen Durchführungen 120 sind gleich und auch der Abstand zwischen den einzelnen Durchführungen 120 und dem zu schützenden Bauelement 200 sind gleichbleibend ausgeführt. Des Weiteren ist in 4 dargestellt, dass eine Durchführung 120 zum Schutz von zwei elektronischen Bauelementen 200 geeignet ist, indem die Durchführung 120 zwischen zwei zu schützenden elektronischen Bauelementen 200 angeordnet ist. Idealerweise wird in diesem Fall die Durchführung 120 derart angeordnet, dass der Abstand zu beiden elektronischen Bauelementen 200 gleich groß ist.
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5 zeigt eine elektrische Schaltung mit einer ESD-Schutzvorrichtung 100 in einer weiteren Ausführungsform. Hierbei ist das Trägermaterial 110 als flexible Folie ausgeführt und diese wird um die Masserückführung herum angeordnet. Die Durchführungen 120 werden nahe an dem zu schützenden elektronischen Bauelement 200 angeordnet, sodass ein effektiver Schutz vor elektrostatischen Entladungen möglich ist. Die elektrostatische Entladung erfolgt somit durch die Durchführung 120 des Trägermaterials 110 hindurch und wird über die Masserückführung zurückgeführt, sodass keine hohen elektrischen Belastungen für das zu schützende Bauelement 200 entstehen. Somit kann durch die ESD-Schutzvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrische Schaltung vor Schäden, hervorgerufen durch elektrostatische Entladungen, bewahrt werden.
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6 zeigt ein Fahrzeug 600 mit einem Steuergerät 610, in welchem eine elektrische Schaltung mit einer ESD-Schutzvorrichtung 100 verbaut ist.
