DE19608858A1 - Electrical component - Google Patents

Electrical component

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DE19608858A1
DE19608858A1 DE1996108858 DE19608858A DE19608858A1 DE 19608858 A1 DE19608858 A1 DE 19608858A1 DE 1996108858 DE1996108858 DE 1996108858 DE 19608858 A DE19608858 A DE 19608858A DE 19608858 A1 DE19608858 A1 DE 19608858A1
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Michael Owen Mccann
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Abstract

An electrical circuit assembly has a circuit board 10 supporting electrical components 11 to 15 and at least one conductive track 20 formed of a lower layer 17 of nickel, having a high resistivity, and an upper layer 18 of copper, having a low resistivity. The track 20 is connected at opposite ends to a power supply 15 and has its copper layer 18 removed in a region 30 where the track extends beneath one of the components 11 so that, a voltage applied across the track causes resistive heating of the region and hence of the component above the region. A thermostat 12 and safety cut-out 13 are connected in series in the track 20 to prevent current flow along the track when the temperature rises above a predetermined value or when current exceeds a predetermined value.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an electrical component according to the preamble of the claim 1.

Elektrische Komponenten müssen oftmals über einen weiten Temperaturbereich feh­ lerfrei arbeiten. Beispielsweise sind elektrische Komponenten in Flugzeugen einem Temperaturbereich von -55° bis + 125°C ausgesetzt und dürfen in diesem Tem­ peraturbereich nicht ausfallen. Derartige elektrische Komponenten werden deshalb unter Einhaltung militärischer oder anderer hoher Spezifikationen gefertigt, womit sichergestellt ist, daß ein einwandfreies Arbeiten der Komponenten gewährleistet ist. Derartige diese Spezifikationen erfüllenden Komponenten sind jedoch sehr teuer, wo­ bei noch hinzu kommt, daß solche Komponenten nur von sehr wenigen Firmen hergestellt werden. Die Hersteller und Anwender sind daher bestrebt, Komponen­ ten herzustellen und zu verwenden, die geringeren Spezifikationen genügen, wobei jedoch ein sicherer Betrieb der Komponenten gewährleistet sein muß.Electrical components often have to fail over a wide temperature range Work without a teacher. For example, electrical components in aircraft are one Temperature range from -55 ° to + 125 ° C exposed and may in this Tem temperature range does not fail. Such electrical components are therefore manufactured in compliance with military or other high specifications, with which it is ensured that the components work properly. However, such components meeting these specifications are very expensive where in addition, such components are only available from very few companies getting produced. The manufacturers and users therefore strive to create components to manufacture and use the lower specifications, whereby however, safe operation of the components must be guaranteed.

Es besteht die Aufgabe, ein elektrisches Bauteil bereitzustellen, das bei Temperatu­ ren zufriedenstellend arbeitet, welche unter den Betriebstemperaturen der Kompo­ nenten des elektrischen Bauteils, für die sie ausgelegt sind, liegen.The task is to provide an electrical component that is used by Temperatu ren works satisfactorily, which is below the operating temperatures of the compo components of the electrical component for which they are designed.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.This problem is solved with the features of claim 1. Advantageous designs can be found in the subclaims.

Ein elektrisches Bauteil wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An electrical component is explained in more detail below with the aid of the drawing. Show it:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Bauteil; und Figure 1 is a plan view of the component. and

Fig. 2 einen Schnitt durch das Bauteil längs der Linie II-II in Fig. 1. FIG. 2 shows a section through the component along the line II-II in FIG. 1.

Das elektrische Bauteil weist eine gedruckte Schaltungsplatte 10 auf, welche ver­ schiedene elektrische Komponenten 11 bis 14 einschließlich einer Stromquelle 15 trägt.The electrical component has a printed circuit board 10 , which carries various electrical components 11 to 14, including a current source 15 .

Die gedruckte Schaltungsplatte 10 kann mehrschichtig aufgebaut sein, wobei in Fig. 2 der Einfachheit halber nur eine Schicht gezeigt ist. Die Platte 10 weist ein elektrisch nicht leitendes Substrat 16 und an seiner oberen Fläche zwei sandwichartig angeordnete elektrisch leitende Schichten 17 und 18 auf, die direkt übereinander an­ geordnet sind. Die untere leitende Schicht 17 besteht aus Nickel, während die obere Schicht 18 aus Kupfer besteht. Die obere Oberfläche der oberen Schicht liegt frei. Die beiden Schichten 17 und 18 sind teilweise bis zum darunterliegenden Substrat 16 abgeätzt und bilden ein Muster verschiedener elektrisch leitender Leiterbahnen 20 bis 26 an der oberen Oberfläche der Schaltungsplatte 10, durch welche die elektrischen Komponenten 11 bis 15 miteinander verbunden sind. Die Spannungsquelle 15 ist an einander gegenüberliegenden Enden der Leiterbahn 20 angeschlossen, so daß eine Spannung an diese Leiterbahn 20 anlegbar ist.The printed circuit board 10 can be constructed in multiple layers, only one layer being shown in FIG. 2 for the sake of simplicity. The plate 10 has an electrically non-conductive substrate 16 and on its upper surface two sandwich-like arranged electrically conductive layers 17 and 18 , which are arranged directly one above the other. The lower conductive layer 17 is made of nickel, while the upper layer 18 is made of copper. The top surface of the top layer is exposed. The two layers 17 and 18 are partially etched down to the underlying substrate 16 and form a pattern of various electrically conductive conductor tracks 20 to 26 on the upper surface of the circuit board 10 , by means of which the electrical components 11 to 15 are connected to one another. The voltage source 15 is connected to opposite ends of the conductor track 20 , so that a voltage can be applied to this conductor track 20 .

In einem Bereich 30 der Leiterbahn 20 ist die darüberliegende Kupferschicht 18 weggeätzt, so daß die darunterliegende Nickelschicht 17 freiliegt. Da der spezifische elektrische Widerstand von Nickel etwa viermal so hoch ist wie derjenige von Kup­ fer, weist dieser Bereich 30 einen erhöhten Widerstand im Vergleich zu anderen Teilen der Leiterbahn 20 auf. Anstelle von Nickel können auch andere Materialien mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand verwendet werden. Falls die Dicke der Nickelschicht geringer ist als diejenige der Kupferschicht 18, wird die durch das Entfernen der Kupferschicht bewirkte Erhöhung des Widerstands vergrößert. Der Widerstand kann weiterhin erhöht werden durch Verminderung der Breite der Lei­ terbahn im Widerstandsbereich 30, so daß der Querschnittsbereich der aus Nickel bestehenden Leiterbahn vermindert ist.The copper layer 18 lying above is etched away in a region 30 of the conductor track 20 , so that the nickel layer 17 lying underneath is exposed. Since the specific electrical resistance of nickel is approximately four times that of copper, this region 30 has an increased resistance in comparison to other parts of the conductor track 20 . Instead of nickel, other materials with a high specific electrical resistance can also be used. If the thickness of the nickel layer is less than that of the copper layer 18 , the increase in resistance caused by the removal of the copper layer is increased. The resistance can be further increased by reducing the width of the conductor track in the resistance area 30 , so that the cross-sectional area of the conductor track made of nickel is reduced.

Eine der elektrischen Komponenten 11 ist ein Video-RAM oder V-RAM, wobei es sich um ein handelsübliches Bauteil handelt, das zum Betrieb zwischen 0° und 70°C ausgelegt ist. Die Komponente 11 ist auf der oberen Oberfläche der Schal­ tungsplatte 10 direkt oberhalb des Bereichs 30 der Leiterbahn 20 montiert. Die Komponente 11 ist elektrisch mit anderen Leiterbahnen 21 bis 26 verbunden, die entweder auf der oberen Oberfläche angeordnet sind oder bei einem mehrschichti­ gen Aufbau innerhalb der Schaltungsplatte verlaufen. Zwischen der Komponente 11 und der Schaltungsplatte 10 ist ein Wärmeübertragungsbauteil oder -scheibe 31 aus einem elektrisch isolierenden, jedoch wärmeleitenden Material sandwichartig angeordnet, so daß die untere Oberfläche der Scheibe den Widerstandsbereich 30 der Leiterbahn 20 berührt und die obere Oberfläche der Scheibe in Kontakt mit der Unterseite der Komponente 11 steht.One of the electrical components 11 is a video RAM or V-RAM, which is a commercially available component that is designed for operation between 0 ° and 70 ° C. The component 11 is mounted on the upper surface of the circuit board 10 directly above the area 30 of the conductor 20 . The component 11 is electrically connected to other conductor tracks 21 to 26 , which are either arranged on the upper surface or, in the case of a multi-layer structure, run inside the circuit board. Between the component 11 and the circuit board 10 , a heat transfer member or disk 31 made of an electrically insulating but heat conductive material is sandwiched so that the lower surface of the disk contacts the resistance region 30 of the conductor track 20 and the upper surface of the disk in contact with the Underside of component 11 is.

Die Leiterbahn 20 ist an zwei Stellen 27 und 28 an einander gegenüberliegenden Seiten des Widerstandsbereichs 30 unterbrochen. Die eine Unterbrechungsstelle 27 wird überbrückt durch eine Komponente 12, bei der es sich um einen oberseitig montierten Thermostat handelt. Der Thermostat ist an gegenüberliegenden Seiten der Unterbrechung 27 der Spur 20 angeschlossen und überlappt einen Teil des Wi­ derstandsbereichs 30. Der Thermostat ist bei niederen Temperaturen geschlossen und ermöglicht damit einen Stromfluß längs der Leiterbahn 20 und öffnet bei Tem­ peraturen oberhalb von etwa 10°C und unterbricht damit den Stromfluß durch die Leiterbahn 20. Dies liegt im Arbeitsbereich der V-RAM Komponenten 11. Sinkt die Temperatur unter diesen Wert ab, schließt der Thermostat 12 von neuem. Die andere Unterbrechungsstelle 28 wird überbrückt durch die Komponente 13, bei der es sich um einen auf Temperatur und Stromfluß ansprechenden Schalter handelt, der öffnet, wenn eine bestimmte Temperatur und ein bestimmter Stromfluß über­ schritten wird. Es handelt sich hierbei um voreinstellbare Sicherheitswerte.The conductor track 20 is interrupted at two points 27 and 28 on opposite sides of the resistance region 30 . The one interruption point 27 is bridged by a component 12 , which is a thermostat mounted on the top. The thermostat is connected on opposite sides of the interruption 27 of the track 20 and overlaps part of the resistance area 30 . The thermostat is closed at low temperatures and thus enables a current to flow along the conductor track 20 and opens at temperatures above about 10 ° C. and thus interrupts the current flow through the conductor track 20th This is in the work area of the V-RAM components 11 . If the temperature drops below this value, the thermostat 12 closes again. The other interruption point 28 is bridged by the component 13 , which is a switch responsive to temperature and current flow, which opens when a certain temperature and a certain current flow is exceeded. These are presettable safety values.

Wird das elektrische Bauteil eingeschaltet, wird an die einander gegenüberliegen­ den Enden der Leiterbahn 20 eine Spannung angelegt. Falls die Komponente 11 kalt ist, das heißt unterhalb der Abschalttemperatur des Thermostaten 20 liegt, ist der Thermostat geschlossen und ein Stromfluß tritt längs der Leiterbahn 20 auf. If the electrical component is switched on, a voltage is applied to the opposite ends of the conductor track 20 . If the component 11 is cold, that is to say below the switch-off temperature of the thermostat 20 , the thermostat is closed and a current flows along the conductor track 20 .

Infolge des niederen Widerstands der oberen Kupferschicht 18 tritt nur ein gerin­ ger Spannungsabfall über den größten Teil der Länge der Leiterbahn 20 auf. In dem Bereich jedoch, wo die Kupferschicht 18 entfernt wurde, das heißt im Bereich 30, ist ein merkbarer Widerstand vorhanden, so daß in diesen Bereich merklich Wärme erzeugt wird. Die im Bereich 30 erzeugte Wärme wird durch die Scheibe 31 zur Komponente 11 geleitet, so daß deren Temperatur auf den Betriebsbereich dieser Komponente angehoben wird. Der Thermostat 12 wird ebenfalls durch die Wärme des Widerstandsbereichs 30 erwärmt, so daß, wenn die Temperatur über die Abschalttemperatur des Thermostaten ansteigt, der Thermostat öffnet und eine weitere Erwärmung der Komponente 11 unterbricht, bis die Temperatur von neuem abfällt. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Temperatur der Komponente nicht zu hoch wird, womit auch der Stromverbrauch vermindert wird. Falls die beiden Teile der Leiterbahn 20 aus irgendeinem Grund kurzgeschlossen werden sollten, führt dies zu einem übermäßigen Stromfluß, worauf dann der Sicherheitsschalter 13 anspricht, den Stromfluß unterbricht und weiteren Schaden verhindert.As a result of the low resistance of the upper copper layer 18 , only a slight voltage drop occurs over most of the length of the conductor track 20 . However, in the area where the copper layer 18 has been removed, that is to say in the area 30 , there is a noticeable resistance, so that heat is noticeably generated in this area. The heat generated in area 30 is conducted through disk 31 to component 11 so that its temperature is raised to the operating range of this component. The thermostat 12 is also heated by the heat of the resistance region 30 , so that when the temperature rises above the cut-off temperature of the thermostat, the thermostat opens and interrupts further heating of the component 11 until the temperature drops again. This ensures that the temperature of the component does not become too high, which also reduces power consumption. If for any reason the two parts of the conductor track 20 are short-circuited, this leads to an excessive current flow, to which the safety switch 13 then responds, interrupting the current flow and preventing further damage.

Auf diese Weise wird ein elektrisches Bauteil geschaffen, deren Komponenten erwärmt werden können, ohne daß es notwendig ist, separate heizende Bauteile vorzusehen. Die so geschaffene Wärmequelle ist bei gedruckten Schaltungsplatten anwendbar, die auf konventionelle Weise automatisch herstellbar und montierbar sind, ohne daß dabei das Gewicht des Bauteils erhöht wird.In this way, an electrical component is created, the components of which are heated can be made without the need to provide separate heating components. The heat source created in this way is applicable to printed circuit boards, which can be automatically manufactured and assembled in a conventional manner, without that the weight of the component is increased.

Bei einer gedruckten Schaltungsplatte können Widerstandsbereiche an verschie­ denen Stellen längs einer Leiterbahn oder längs mehrerer Leiterbahnen angeord­ net sein, so daß verschiedene Bauteile erwärmt werden können. Ein zusätzlicher Erwärmungseffekt ergibt sich, wenn im Widerstandsbereich die Leiterbahn serpentinen- bzw. mäanderförmig verläuft, womit die Länge der Leiterbahn im Widerstandsbe­ reich erhöht wird. Der Widerstandsbereich muß nicht notwendigerweise durch Ent­ fernen der darüberliegenden Schicht hergestellt werden, beispielsweise ist es auch möglich, die Querschnittsfläche der Leiterbahn im gewünschten Bereich zu verrin­ gern oder einen Teil der Leiterbahn durch ein Material hohen Widerstands zu erset­ zen oder durch Behandlung des Leiterbahnmaterials dessen Widerstand zu erhöhen. Die zu erwärmende elektrische Komponente sollte in enger thermischer Nachbar­ schaft zum Widerstandsbereich der Leiterbahn angeordnet sein, wobei es nicht un­ bedingt notwendig ist, dieses Bauteil auf einer thermisch leitfähigen Scheibe anzu­ ordnen. Das Bauteil kann auch in direktem Kontakt mit dem Widerstandsbereich stehen. Die Wärmeleitfähigkeit kann erhöht werden durch eine Vergußmasse oder ein thermisch leitendes Fett.In the case of a printed circuit board, resistance ranges can vary those places along one conductor track or along several conductor tracks be net so that various components can be heated. An additional one The heating effect occurs when the conductor track in the resistance or meandering, with which the length of the conductor track in the resistance area is increased richly. The resistance range does not necessarily have to be given by Ent far from the overlying layer, for example it is possible to reduce the cross-sectional area of the conductor track in the desired area  gladly or to replace part of the conductor track with a material of high resistance zen or by treating the conductor material to increase its resistance. The electrical component to be heated should be in close thermal proximity shaft to be arranged to the resistance area of the conductor track, it not un it is necessary to mount this component on a thermally conductive disc organize. The component can also be in direct contact with the resistance area stand. The thermal conductivity can be increased by a casting compound or a thermally conductive grease.

Der Widerstandsbereich kann auch gebildet werden durch einen Teil einer inne­ ren leitenden Schicht bei einer Sandwichleiterplatte. Die Wärmeleitung zur äußeren Oberfläche der Schaltungsplatte kann über eine Reihe von leitenden plattierten Boh­ rungen oder thermischen Durchgängen erzeugt werden. Die thermischen Durchgänge können bei einem thermisch leitenden Teil an der äußeren Oberfläche enden, um eine Wärmebrücke zum zu erwärmenden Bauteil herzustellen.The resistance range can also be formed by a part of an inner one conductive layer in a sandwich circuit board. The heat conduction to the outside Surface of the circuit board can be covered by a series of conductive plated Boh or thermal passages. The thermal passages can end at a thermally conductive part on the outer surface to a To create a thermal bridge to the component to be heated.

Claims (6)

1. Elektrisches Bauteil, bestehend aus einer gedruckten Schaltungsplatte, auf wel­ cher mindestens eine elektrische Komponente und mindestens eine Leiterbahn angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (20) einen Be­ reich (30) erhöhten elektrischen Widerstands in enger thermischer Verbindung mit der elektrischen Komponente (11) aufweist und das Bauteil eine Strom­ quelle (15) zum Anlegen einer Spannung an die Leiterbahn (20) besitzt, die ausreichend ist, beim Widerstandsbereich (30) eine Erhöhung der Temperatur und somit ein Erwärmen der elektrischen Komponente (11) zu bewirken.1. Electrical component consisting of a printed circuit board, on which cher at least one electrical component and at least one conductor track is arranged, characterized in that the conductor track ( 20 ) Be a range ( 30 ) increased electrical resistance in close thermal connection with the electrical Component ( 11 ) and the component has a current source ( 15 ) for applying a voltage to the conductor track ( 20 ), which is sufficient for the resistance range ( 30 ) to increase the temperature and thus to heat the electrical component ( 11 ) cause. 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (20) aus einer ersten Schicht (17) eines ersten Materials hohen elektrischen Wider­ stands und einer zweiten Schicht (18) auf der Oberfläche der ersten Schicht eines zweiten Materials guter Leitfähigkeit besteht und daß der Widerstands­ bereich (30) durch Entfernen der zweiten Schicht (18) längs dieses Bereichs (30) gebildet wird.2. Component according to claim 1, characterized in that the conductor track ( 20 ) consists of a first layer ( 17 ) of a first material high electrical resistance and a second layer ( 18 ) on the surface of the first layer of a second material of good conductivity and that the resistance area ( 30 ) is formed by removing the second layer ( 18 ) along this area ( 30 ). 3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material aus Nickel und das zweite Material aus Kupfer besteht.3. Component according to claim 2, characterized in that the first material made of nickel and the second material made of copper. 4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem Widerstandsbereich (30) der Leiterbahn (20) und der Unterseite der elektrischen Komponente (11) ein Wärmeleitbauteil (31) aus einem gut thermisch leitenden, elektrisch isolierenden Material angeordnet ist.4. Component according to one of the preceding claims, characterized in that between the resistance region ( 30 ) of the conductor track ( 20 ) and the underside of the electrical component ( 11 ), a heat-conducting component ( 31 ) made of a highly thermally conductive, electrically insulating material is arranged . 5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß in Serie mit der Leiterbahn (20) ein Thermostat (12) geschaltet ist, der im wesentlichen der gleichen Erwärmung wie die elektrische Komponente (11) ausgesetzt ist und den Stromfluß längs der Leiterbahn (20) unterbricht, wenn seine Temperatur einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. 5. Component according to one of the preceding claims, characterized in that a thermostat ( 12 ) is connected in series with the conductor track ( 20 ), which is exposed to substantially the same heating as the electrical component ( 11 ) and the current flow along the The conductor track ( 20 ) interrupts when its temperature exceeds a predetermined threshold. 6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß in Serie mit der Leiterbahn (20) ein Sicherheitsschalter (13) vorge­ sehen ist, der den Stromfluß längs der Leiterbahn (20) unterbricht, wenn der Stromfluß einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.6. Component according to one of the preceding claims, characterized in that a safety switch ( 13 ) is provided in series with the conductor track ( 20 ), which interrupts the current flow along the conductor track ( 20 ) when the current flow exceeds a predetermined threshold value.
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