DE19857043C1 - Schaltungsanordnung zum Entstören von integrierten Schaltkreisen - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Entstören von integrierten Schaltkreisen

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Abstract

In das Gehäuse (3) eines Mikroschaltbausteins (4) ist ein Niederinduktivitäts-Kondensator (12) integriert. Die Kapazitätsanschlüsse (10, 11) des Niederinduktivitäts-Kondensators (12) sind über Bonddrähte (5) einerseits sternförmig mit den Masse- und Versorgungsspannungs-Bondstellen (1, 2) des Mikroschaltbausteins (4) und andererseits über weitere Bonddrähte (13) mit mindestens einem Versorgungsspannungs-Pinpaar (6, 7) verbunden. Mindestens ein Bezugspotential-Anschluß (14) des Niederinduktivitäts-Kondensators (12) ist elektrisch leitend mit einer schwebenden Massefläche (16) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Entstören von integrierten Schaltkreisen.
Die zunehmenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit mo­ derner elektronischer Systeme, wie z. B. Steuergeräte, machen immer leistungsfähigere integrierte Schaltkreise (IC) erfor­ derlich. So wird die Rechenleistung von Mikrocomputern durch stetige Verkleinerung der Chip-Strukturen, durch Einführung neuer Halbleitertechnologien und durch Steigerung der System­ taktfrequenzen stetig verbessert. Andererseits führen die sehr schnellen Impulsanstiegs- und Impulsabfallzeiten derar­ tiger Mikrocomputer zur Generierung schmalbandiger Störsigna­ le, z. B. im Frequenzbereich zwischen 30 MHz und 1 GHz, die unter anderem über die Stromversorgungsverdrahtung des Mikro­ computers abgestrahlt werden. Somit stellen moderne Mikrocom­ puter eine erhebliche Störquelle für umliegende Elektronik­ komponenten, insbesondere Funkempfangsanlagen dar.
Um den heutzutage hohen EMV-Anforderungen elektronischer Sy­ steme gerecht zu werden, ist eine wirkungsvolle und zuverläs­ sige Entstörung von IC-Bausteinen unerläßlich. Für die Ent­ störung von Mikrocomputern ist es bekannt, die Spannungsver­ sorgung einzelner Funktionsblöcke, wie CPU, Taktgenerator und Speicher, zu trennen und mehrere Versorgungsspannungsan­ schlüsse mit parallel geschalteten Glättungskondensatoren (Blockkondensatoren) am Mikrocomputer vorzusehen. Desweiteren werden häufig Metallgehäuse, sogenannte Tuner-Boxen, zusätz­ liche Ein-/Ausgangsfilter und Leiterplatten in Multilayer- Ausführung vorgesehen, um eine ausreichende Entstörung si­ cherzustellen. Derartige Entstörmaßnahmen sind in der Druck­ schrift W. Grözinger, "Elektromagnetische Verträglichkeit von integrierten Schaltkreisen", VDI Berichte Nr. 1152, 1994, Seiten 441 bis 465 beschrieben. Trotz dieser sehr kostenin­ tensiven Maßnahmen genügt eine derartige Entstörung von Mi­ krocomputern bisweilen nicht den gestellten EMV-Anforderun­ gen.
Ein integrierter Schaltkreis, z. B. ein Mikrocomputer, weist intern eine Vielzahl einzelner Störquellen, wie z. B. Taktge­ nerator oder CPU, auf. Dabei ist das Abstrahlverhalten in entscheidendem Maße von den Anstiegs- und Abfallgeschwindig­ keiten des Versorgungsstroms abhängig, d. h. je größer die Flankensteilheit dI/dt desto größer die Störabstrahlung. Um zu vermeiden, daß diese über die Versorgungsverdrahtung über die gesamte Leiterplatte und letztlich über das gesamte elektro­ nische System verteilt wird, wird üblicherweise parallel zu jedem Versorgungsspannungs-Pinpaar am IC-Gehäuse ein Block­ kondensator geschaltet, der als Energiereserve für einen schnellen Strombedarf dient.
Die Wirkung des Blockkondensators wird dabei im wesentlichen von seiner Eigeninduktivität und den Anschlußinduktivitäten bestimmt. Je geringer der induktive Anteil ist, desto besser ist die Wirkungsweise des Blockkondensators in höheren Fre­ quenzbereichen. Da der induktive Anteil aber technologiebe­ dingt nicht beliebig verkleinert werden kann - bekannte An­ ordnungen liegen im Bereich von 10 nH, wird ein schneller Energiebedarf bei einer derartigen Anordnung nicht allein aus dem Blockkondensator gedeckt, sondern über großflächige und damit niederimpedante Rückstrompfade (Masseflächen) teilweise aus dem Netzteil gespeist und somit ein Störsignal über das gesamte elektronische System verteilt.
In der DE 197 28 692 A1 ist ein IC-Baustein be­ schrieben bei dem innerhalb des Gehäuses in unmittelbarer Nähe zur integrierten Schaltung ein oder mehrere elektronische Bauelemente untergebracht sind. Durch die Verlegung von nor­ malerweise außerhalb des IC-Bausteins vorgesehenen Bauelemen­ ten in diesen hinein ist der IC-Baustein auch bei höchsten Frequenzen und Arbeitsgeschwindigkeiten einsetzbar.
Außerdem ist es aus JP 1-27251 A, in: Patents Abstract of Ja­ pan, Sect. E. Vol. 13 (1989) No. 216 (E-760) bekannt, auf dem Trägerelement eines Mikroschaltbausteins einen Kondensator vorzusehen, um so die Induktivität zu verringern und Störsi­ gnale zu reduzieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan­ ordnung zu entwickeln, durch die eine zuverlässige Entstörung von integrierten Schaltkreisen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsan­ ordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen niedergelegt.
Heutzutage sind Kapazitätsnetzwerke, wie z. B. ein X2Y 3 Ter­ minal Capacitor der Firma Syfer, bekannt, die aufgrund ihrer besonderen, symmetrischen Struktur und der damit verbundenen wechselseitigen Aufhebung vor Magnetfeldern eine sehr geringe Eigeninduktivität - im Bereich von 50 pH - aufweisen. Derar­ tige Kapazitätsnetzwerke werden im folgenden allgemein als Niederinduktivitäts-Kondensatoren bezeichnet. Erfindungsgemäß wird ein solcher Niederinduktivitäts-Kondensator in das Ge­ häuse eines IC's integriert und alle Stromversorgungsbond­ stellen des Mikrochips werden über Bonddrähte sternförmig mit dem Niederinduktivitäts-Kondensator verbunden. Durch die An­ ordnung innerhalb des IC-Gehäuses wird auch die Anschlußin­ duktivität im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen erheblich gesenkt. Der Niederinduktivitäts-Kondensator stellt dann die von verschiedenen Funktionsblöcken schnell benötigte Energie in der erforderlichen Zeit unmittelbar am Mikrochip zur Ver­ fügung. An der Außenseite des Gehäuses ist nur noch ein Span­ nungsversorgungs-Pinpaar zum Anschluß der Versorgungsleitun­ gen notwendig. Dieses Pinpaar ist über Bonddrähte ebenfalls mit dem Niederinduktivitäts-Kondensator verbunden. Somit ste­ hen alle übrigen, bisher genutzten Versorgungsspannungs-Pins am IC-Gehäuse für andere Funktionen zur Verfügung. Ebenso sind keine zusätzlichen Glättungskondensatoren notwendig, was zu einer enormen Platzeinsparung auf der Leiterplatte führt. Durch den bisher unerreichten niederunduktiven Anschluß der Energiereserve für schnellen Strombedarf, werden die Stör­ spannungen soweit verringert, daß häufig auf zusätzliche Ent­ störmaßnahmen, wie z. B. den Einsatz von Multilayer-Leiter­ platten verzichtet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Schal­ tungsanordnung zum Entstören eines integrierten Schaltkreises und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Entstören eines integrierten Schalt­ kreises.
Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, sei eine be­ kannte Schaltungsanordnung zum Entstören eines integrierten Schaltkreises mit getrennter Spannungsversorgung anhand der Fig. 1 erläutert. Versorgungsspannungs-Bondstellen 1 und Masse-Bondstellen 2 eines in einem IC-Gehäuse 3 angeordneten Mikroschaltbausteins (Mikrochip) 4 sind über Bonddrähte 5 mit den aus dem IC-Gehäuse herausgeführten Versorgungsspannungs­ anschlüssen 6 bzw. Masseanschlüssen 7 verbunden. Auf diese Weise werden verschiedene Funktionsblöcke des Mikroschaltbau­ steins 4 getrennt voneinander mit Spannung versorgt und da­ durch die Störabstrahlung des IC's reduziert. Schneller Strombedarf einzelner Funktionsblöcke und die damit verbunde­ nen hohen Flankensteilheiten (dI/dt) führen aber dennoch zu hochfrequenten Störspannungen, die bei direkter Speisung aus einem nicht dargestellten Netzteil über die niederimpedanten Masseleitungen über das gesamte elektronische System, z. B. ein Steuergerät, verteilt wird. Deshalb ist parallel zu jedem Anschlußpaar 6, 7 ein Blockkondensator 8 geschaltet, der als Energiereserve für schnellbenötigte Ströme der entsprechenden Funktionsblöcke dient.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 dar­ gestellt. Dabei sind Baugruppen, so weit sie mit den Teilen der Fig. 1 übereinstimmen, durch dieselben Bezugszeichen ge­ kennzeichnet. Die Versorgungsspannungs-Bondstellen 1 und die Masse-Bondstellen 2 des Mikroschaltbausteins 4 sind über Bonddrähte 5 sternförmig mit den Kapazitätsanschlüssen 10 und 11 eines Niederinduktivitäts-Kondensators 12 verbunden.
Sternförmig heißt dabei, daß alle Versorgungsspannungs- Bondstellen 1 mit dem einen Anschluß, z. B. Kapazitätsanschluß 10, und alle Masse-Bondstellen 2 mit dem anderen Anschluß, z. B. Kapazitätsanschluß 11 verbunden sind. Über weitere Bond­ drähte 13 sind die Kapazitätsanschlüsse 10 und 11 des Nieder­ induktivitäts-Kondensators 12 mit einem aus dem IC-Gehäuse 3 herausgeführten Versorgungsspannungs-Pinpaar 6, 7 verbunden. Dabei ist der mit den Versorgungsspannungs-Bondstellen 1 ver­ bundene Kapazitätsanschluß 10 mit dem Versorgungsspannungsan­ schluß 6 und der mit den Masse-Bondstellen 2 verbundene Kapa­ zitätsanschluß 11 mit dem Masseanschluß 7 verbunden. Minde­ stens ein, vorzugsweise aber zwei Bezugspotential-Anschlüsse 14 des Kapazitätsnetzwerks 12 sind elektrisch leitend mit ei­ ner erdfreien Massefläche 16 (floating ground) verbunden, die keine galvanische Verbindung zu den als Rückstrompfad dienen­ den Masseleitungen aufweist.
Da durch den in das IC-Gehäuse 3 integrierte Niederinduktivi­ täts-Kondensator 12 bereits die Energie für schnellen Strom­ bedarf aller Funktionseinheiten auf dem Mikroschaltbaustein 4 zur Verfügung gestellt wird, sind keine externen Blockkonden­ satoren mehr nötig. Weitere Anschlüsse 6 und 7, die bisher zur getrennten Spannungsversorgung der einzelnen Funktions­ blöcke dienten, sind nicht mehr notwendig und können somit für andere Funktionen genutzt werden. Sollte ein Versorgungs­ spannungsanschluß am IC-Gehäuse 3 nicht ausreichen, um den Strombedarf aus dem Netzteil im Normalbetrieb, also bei un­ kritischer Flankensteilheit der Stromimpulse zu liefern, kön­ nen weitere Pinpaare 6, 7 über Bonddrähte 13 mit dem Nieder­ induktivitäts-Kondensator 12 verbunden werden.
Der Niederinduktivitäts-Kondensator 12 ist vorzugsweise in Dünnschichttechnik auf einem keramischen Substrat aufgebaut, kann aber auch monolithisch auf einem Silizium-Chip reali­ siert werden.
Die Erfindung wurde anhand der Figuren beispielhaft für einen integrierten Schaltkreis mit zwei getrennten Versorgungsspan­ nungs-Pinpaaren beschrieben, eignet sich aber ebenso für eine höhere Anzahl von Versorgungsspannungs-Pinpaaren als auch für integrierte Schaltkreise, die keine getrennte Spannungsver­ sorgung aufweisen.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum Entstören von integrierten Schalt­ kreisen mit
  • 1. einem Mikroschaltbaustein (4) (Mikrochip), der in einem IC-Gehäuse (3) angeordnet ist,
  • 2. mindestens einer Versorgungsspannungs-Bondstelle (1) auf dem Mikroschaltbaustein (4) zum Anschluß an eine Versor­ gungsspannung
  • 3. mindestens einer Masse-Bondstelle (2) auf dem Mikroschalt­ baustein (4) zum Anschluß an ein Massepotential,
  • 4. mindestens einem aus dem IC-Gehäuse (3) herausgeführten Versorgungsspannungs-Pinpaar (6, 7), bestehend aus einem Versorgungsspannungsanschluß (6) und einem Masseanschluß (7), zum Anschluß einer Versorgungs- bzw. einer Masselei­ tung, und
  • 5. einem in das IC-Gehäuse (3) integrierten Niederinduktivi­ täts-Kondensator (12), der aufweist
    • 1. Kapazitätsanschlüsse (10, 11), die jeweils über Bonddrähte (5) sternförmig mit der Versorgungsspannungs-Bondstelle (1) und Masse-Bondstelle (1, 2) des Mikro­ schaltbausteins (4) und über weitere Bonddrähte (13) mit mindestens einem Versorgungsspannungs-Pinpaar (6, 7) verbunden sind, und
    • 2. mindestens einen Bezugspotential-Anschluß (14), der elektrisch leitend mit einer erdfreien Massefläche (16) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Niederinduktivitäts-Kondensator (12) mono­ lithisch auf einem Silizium-Chip realisiert ist.
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