DE19522455A1 - EMV-Abschirmung bei elektronischen Bauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt eine EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) -Abschirmung bei elektronischen Bau­ elementen, insbesondere integrierten Schaltkreisen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromagnetische Störungen werden zunehmend ein Pro­ blem, da gerade digitale Schaltkreise, wie Mikropro­ zessoren, Speicher und Logik-ICs usw., mit zunehmender Leistungsfähigkeit und mit höheren Taktraten betrieben werden, welche ein schnelleres Schalten und damit ge­ zwungenermaßen steilere Schaltflanken verlangen. Die abgestrahlte Energie vergrößert sich dabei in der 4. Potenz zur Erhöhung der Taktrate.

Andererseits finden immer mehr radiowellenbezogene Ge­ räte, wie Autoradios, Global Position System-Geräte, Mobilfunk ect., mit immer feinerer Empfindlichkeit An­ wendung, so daß die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu einem bedeutenden Problem wird.

Dieses Problem wird im allgemeinen dadurch gelöst, daß das gesamte Steuergerät oder Teile des Steuergeräts mit hochfrequenzdichten Gehäusen, Teilabschirmungen und Massefaltblechen und Bauteilen zur Abblockung und Glättung der Hochfrequenz, wie Durchführungs- und Ab­ blockkondensatoren Induktivitäten versehen wird.

So ist beispielsweise aus der DE-OS 39 15 651 ein Ab­ schirmblech zur Bildung einer Kammer bekannt, die für die Aufnahme von elektrischen, insbesondere gedruckten Schaltungen geeignet ist. Hier wird ein komplettes Steuergerät in einer Abschirmkammer angeordnet.

Aus der DE-OS 39 03 229 ist weiterhin ein elektroni­ scher Schaltkreis für ein Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Kombinationsinstrument bekannt. Bei dieser Ausführungsform werden nur die die Rechnereinheit bil­ denden Bauteile in einem gemeinsamen Abschirmgehäuse angeordnet, das dann von einer Leiterplatte des Steuer­ gerätes getragen wird.

Aus der DE-OS 41 37 112 ist weiterhin bekannt, die Ab­ schirmung unmittelbar an dem die elektromagnetische Störung erzeugenden Bauteil anzuordnen. Dazu wird ein metallisches Gehäuse vorgeschlagen, welches als ein­ heitliche Baueinheit mit dem elektronischen Bauelement angesehen werden kann. Dies erfordert aber eine techno­ logisch neue, komplizierte Fertigungstechnik sowie Än­ derungen des Bauelements, welche einzig ein Bau­ elemente-Produzent durchführen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine möglichst gute, allseitige Abschirmung von elektromagnetischer Abstrahlung eines elektronischen Bauelements zu er­ reichen, die zudem leicht durchzuführen und in die Pro­ duktion zu integrieren ist.

Die Aufgabe wurde durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, indem die EMV-Abschirmung von elektronischen Bauelementen auf einer Leiterplatte, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mittels eines metalli­ schen Gehäuses derart, daß die EMV-Abschirmung gebildet wird aus einer Metallkappe, die das elektronische Bau­ element nach oben und an den Seiten umschließt sowie einer im Liayout der Leiterplatte realisierten, durch­ gehenden Abschirmfläche, welche elektrisch mit der Me­ tallkappe verbunden ist.

Dadurch entsteht eine dreidimensionale, nahezu voll­ ständige Umhüllung des elektronischen Bauelements (Faradayscher Käfig) mit hoher Abschirmwirkung.

Diese ist technologisch einfach realisierbar und auto­ matisierbar. Es ist eine Umhüllung der Störquelle, in spezifischen Fällen aber auch eine Umhüllung eines be­ sonders empfindlichen Bauelements möglich.

Bevorzugte Weiterbildungen zeigen die Patentansprüche 2 bis 12.

Die Ausführung als SMT-Bauelement ermöglicht eine auto­ matische Bestückung und Befestigung mittels Stempellöt­ verfahren, was eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Präzission in Festigkeit und Posi­ tionierung zuläßt.

Durch das Verlöten der Kappen entsteht eine elektrisch sehr gut leitfähige Verbindung mit der unter dem elek­ tronischen Schaltkreis liegenden Abschirmfläche, die gleichzeitig der mechanischen Befestigung der Metall­ kappen dient. Durch die großen Lötflächen wird eine me­ chanisch hoch belastbare Verbindung geschaffen, welche auf Grund der hohen Belastungen insbesondere im Automo­ bilbereich (mechanische Stöße, Vibrationen) notwendig ist.

Zudem weist die Anordnung gute thermische Eigen­ schaften, insbesondere als Wärmeableitschicht auf. Durch die Ausführung der Seitenflächen der Metallkappen mit einem Schlitz, so daß die Metallkappe nur an den Kontaktflächen die Leiterplatte berührt, wird eine weitgehende Beibehaltung bisheriger Leiterplattenstruk­ turen ermöglicht, da die an der Oberseite der Leiter­ platte befindlichen Signalleiter nicht durch die Me­ tallkappe kurzgeschlossen werden. Durch die gegebenen Abmaße der Prozessoren ist die entstehende Schlitzlänge jedoch gering (max. 20 mm), so daß theoretisch bis zu einer Grenzfrequenz von 700 MHz eine Abschirmdämpfung von mindestens 20 dB erreicht werden kann. Durch die Anordnung der Abschirmfläche direkt auf der Leiter­ platte auch unter dem elektronischen Bauelement wird die Abschirmwirkung noch verstärkt, wobei für die je­ weilige Leiterplattentechnologie (1-Lagen, Mehrlage­ technik) entsprechende Strukturen des oberen Layers ge­ bildet werden, um das elektronischen Bauelement zu kontaktieren.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen bezugnehmend auf die Figuren erläutert wer­ den.

Es zeigen:

Fig. 1 einen integrierten Schaltkreis auf einer Lei­ terplatte, der entsprechend abgeschirmt wurde,

Fig. 2 ein mögliches Layout der Oberfläche der Lei­ terplatte mit Leitbahnen an der Oberseite,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung von Fig. 2,

Fig. 4 ein mögliches Layout der Oberfläche der Lei­ terplatte bei vollständiger Durchkontak­ tierung der Anschlüsse des integrierten Schaltkreises in andere Ebenen,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung von Fig. 4,

Fig. 6 Frequenz-Pegel-Diagramm der elektromagneti­ schen Abstrahlung ohne EMV-Abschirmung und

Fig. 7 Frequenz-Pegel-Diagramm der elektromagneti­ schen Abstrahlung der gleichen Quelle mit EMV-Abschirmung.

In Fig. 1 wurde eine dreidimensionale Schnittdarstel­ lung eines ersten Ausführungsbeispiels gewählt. Auf der Oberfläche der Leiterplatte 1 sind die Abschirmfläche 4 unter dem elektronischen Bauelement 2, hier als inte­ grierter Schaltkreis ausgeführt, sowie die Gegenflächen zu den Kontaktflächen 7 der Metallkappe 3 dargestellt. Sie bilden die Abschirmung gegen die elektromagnetische Strahlung nach unten zur Leiterplatte hin. Auf dem Aus­ schnitt der Leiterplatte 1 sind an deren Oberfläche weiterhin die Kontaktierbereiche 12 für die Anschluß­ pins 8 des integrierten Schaltkreises 2 abgehend von diesen Leitbahnen 11 dargestellt. Diese werden durch das Tor 10 aus der Metallkappe 3 herausgeführt und dann in bekannter Weise zu anderen Bauelementen ect. ge­ führt.

Eine mögliche Struktur der Oberfläche der Leiterplatte 1 ist in Fig. 2 dargestellt, wo die geschlossene Ab­ schirmfläche 4 unter dem integrierten Schaltkreis noch durch Fortsätze zwischen den einzelnen Leitbahnen 11 und Kontaktierbereichen 12 zum Abschluß der Anschluß­ pins 8 dargestellt ist. Diese Fortsätze dienen der ver­ besserten Abschirmung im Bereich des schlitzartigen Tors 10, der Leitbahnen 11 und der Kontaktierbereiche 12 und können dem entsprechendem Leitbahnenlayout ange­ paßt werden oder für einfache Anwendungsfälle ganz entfallen.

In Fig. 2 sind die Lage des integrierten Schaltkreises 2 und der Metallkappe 3 angedeutet.

Fig. 3 zeigt in einem Schnitt bezüglich Fig. 2 die unter dem integrierten Schaltkreis 2 befindliche Ab­ schirmfläche 4 sowie die Leitbahn 11, die durch das schlitzartige Tor 10 aus der Metallkappe 3 herausge­ führt wird.

Dieses Ausführungsbeispiel ist mit einer Ein-Ebenen- Leiterplatte realisierbar und entsprechend darge­ stellt.

Die Metallkappe 3 ist in Fig. 1 am deutlichsten er­ kennbar. Sie umhüllt den integrierten Schaltkreis 2 zu den Seiten und nach oben hin fast vollständig.

Die Metallkappe 3 ist mit Kontaktflächen 7 SMT-fähig ausgeführt. Die Anordnung beweist sich sowohl für das automatische Bestücken und Positionieren als auch für das Verlöten mittels Stempellötverfahren als geeignet. Durch das Verlöten der Metallkappe 3 entsteht eine elektrisch sehr gut leitfähige Verbindung mit der unter dem integrierten Schaltkreis 2 liegenden Abschirmfläche 4, die mit entsprechenden Gegenflächen zu den Kon­ taktflächen 7 ausgeführt sein kann, wie in Fig. 1 dar­ gestellt. Durch die großflächige, allseitige Umhüllung des integrierten Schaltkreises 2 ermöglicht eine sehr gute Abschirmung ähnlich der Wirkung eines Faradayschen Käfigs.

Wie gut in Fig. 3 zu erkennen, sind die Seitenflächen 9 soweit von dem integrierten Schaltkreis weggesetzt, daß der Abstand 5 auch bei mechanischer Belastung ein Be­ rühren der Abschlußpins 8 unmöglich macht. Außerdem sind die Seitenflächen 9 mit einem schlitzartigen Tor 10 ausgeführt, welches das Herausführen der Signal­ leitbahnen 11 auf der Leiterplattenoberfläche ermög­ licht. Bei einer Schlitzlänge von 20 mm, was für einen Großteil der integrierten Schaltkreise genügen wird, kann theoretisch bis zu einer Grenzfrequenz von 700 MHz eine Abschirmdämpfung von bis zu 20 dB erreicht werden. In einem Versuch konnte durch Verwendung dieser Ab­ schirmung über einen Frequenzbereich von 20-1000 MHz durchgehend eine Dämpfung dar Störabstrahlung um min­ destens 10 dB nachgewiesen werden (Fig. 7), wie die Messung unter gleicher Bedingung ohne Abschirmung ins­ besondere bei den Werten mit der größten Amplitude bei ca. 30 MHz zeigt (Fig. 6). Diese Abschirmung erweist sich auch insbesondere für Mehr-Ebenen-Leiter­ plattenstrukturen als geeignet, da mittels der an der Oberfläche der Leiterplatte 1 befindlichen Abschirm­ fläche 4 auch die Informationsebenen bereits EMV-ge­ schützt werden.

Dazu werden bekanntermaßen Durchkontaktierungen notwen­ dig. Wenn in einem Anwendungsfall ganz auf Leitbahnen 11 auf der Oberseite der Leiterplatte 1 verzichtet wer­ den kann, so ergibt sich eine Weiterbildung der Erfin­ dung, wie sie als Ausführungsbeispiel in Fig. 4 darge­ stellt ist. Dann kann nahezu die gesamte Oberfläche der Leiterplatte als Abschirmfläche genutzt werden, es müs­ sen nur Freiflächen 13 um die Kontaktierebenen 12 des integrierten Schaltkreises 2 vorgesehen werden. Dann werden die Leitbahnen 11 durch Strukturen in tieferlie­ genden, isolierten Informationsebenen 14 ersetzt, wel­ che mittels Durchkontaktierungen 15 mit den integrier­ ten Schaltkreis 2 verbunden sind, wie in Fig. 5 skiz­ ziert.

Bei integrierten Schaltkreisen in Face-down-Technik würden die zugehörigen Kontaktierebenen dann auch unter dem Schaltkreis angeordnet werden.

Bei diesen Varianten kann dann ein vollständiges Berüh­ ren der Metallkappe 3, auch an der Seitenfläche 9, ge­ währleistet werden, (vgl. Fig. 4 und 5) so daß die Ab­ schirmdämpfung noch verbessert wird. Eine konstruktive Anpassung der Metallkappe 3 für spezifische Anwendungen ist dabei noch leichter realisierbar.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung ergibt sich durch die Öffnungen 6 in der Oberseite der Metallkappe 3 (vgl. Fig. 1). Mit Hilfe dieser kann eine nichtlei­ tende Schutzlackierung auf den darunterliegenden inte­ grierten Schaltkreis 2 und die Anschlußpins 8 derart aufgebracht werden, daß der gesamte Raum zwischen Schaltkreis 2 und Metallkappe 3 gefüllt wird, was eine zusätzliche Sicherung des Schaltkreises gegen mechani­ sche Belastung, wie z. B. Vibrationen, darstellt und die Lebensdauer von Geräten mit Abschirmung zusätzlich er­ höht.

Die Öffnung muß jeweils dahingehend optimiert werden, daß ein vollständiges Lackieren des Schaltkreises mög­ lich ist und dennoch keine relevanten Auswirkungen auf das Abschirmverhalten auftreten, wie in dem bereits er­ wähnten Versuch (Fig. 7) realisiert.

Die Erfindung ist nicht nur auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt insbesondere eine Um­ hüllung mehrerer Bauelemente auf einer Leiterplatte mittels einer Metallkappe zur EMV-Abschirmung ist ana­ log möglich.

Claims (13)

1. EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) -Abschirmung von elektronischen Bauelementen, insbesondere int­ egrierten Schaltkreisen, auf einer Leiterplatte, insbe­ sondere in Kraftfahrzeugen, mittels eines metallischen Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß die EMV-Abschir­ mung aus einer Metallkappe (3), die das elektronische Bauelement (2) an den freien Seiten umschließt sowie einer im Layout der Leiterplatte (1) realisierten, durchgehenden Abschirmfläche (4), welche elektrisch mit der Metallkappe (3) verbunden ist, gebildet wird.

2. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallkappen (3) als oberflächen­ montierbare Bauteile (SMD) ausgeführt sind und dement­ sprechend mit Kontaktflächen (7) parallel zur Leiter­ platte ausgestattet sind.

3. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kontaktflächen (7) der Metallkappe (3) so groß ausgeführt werden, daß sie eine mechanisch hoch belastbare Verbindung schaffen.

4. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch den Abstand (5) die Seiten­ flächen (9) der Metallkappe (3) so weit von den aus dem elektronischen Bauelement (2) herausführenden Anschluß­ pins (8) entfernt sind, daß sie diese auch unter mecha­ nischer Beanspruchung nicht berühren.

5. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Seitenflächen (9) der Metallkap­ pen (3) ein schlitzartiges Tor (10) in Verlängerung der Anschlußpins (8) des elektronischen Bauelements (2) aufweisen, so daß die Leitbahnen (11) an der Oberseite der Leiterplatte (1) nicht berührt werden und nur die Kontaktflächen (7) bis zur Leiterplatte (1) ragen.

6. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abschirmfläche (4) großflächig aus Kupfer auf der Oberseite der Leiterplatte (1) re­ alisiert ist.

7. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abschirmfläche (4) unter dem elektro­ nischen Bauelement (2) vollständig geschlossen ist und im Bereich der Anschlußpins (8) des elektronischen Bau­ element (2) Freiflächen (13) zur Kontaktierung des elektronischen Bauelements (2) aufweist.

8. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallkappe (3) mit Öffnungen (6) versehen ist, mit Hilfe derer der Luftraum zwischen Me­ tallkappe (3) und elektronischem Bauelement (2) ein­ schließlich der Anschlußpins (8) mit einer nicht-lei­ tenden Schutzlackierung gefüllt wird.

9. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abschirmfläche (4) gleichzeitig die elektrische Masse darstellt.

10. EMV-Abschirmung gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das elektronische Bauelement (2), welches mittels der Metallkappe (3) abgeschirmt wird, sowohl die Störquelle elektromagnetischer Abstrahlung ist als auch ein elektronisches Bauelement sein kann, welches besonders empfindlich gegen elektromagnetische Strahlung ist.

11. Verfahren zur Herstellung von Metallkappen gemäß An­ spruch 1 bis 10 aus verzinntem Weißblech oder Messing mittels Tiefziehen.

12. Verfahren zur Kontaktierung von Metallkappen gemäß Anspruch 1 bis 10 mittels Stempellötverfahren.

13. Verfahren zum Vergießen des mit Metallkappe gehäu­ sten elektronischen Bauelements gemäß Anspruch 8 mit­ tels Schutzlack durch die Öffnungen (8) in der Ober­ seite der Metallkappe (3)