DE60212855T2

DE60212855T2 - Verfahren zur radiofrequenzabschirmung von elektronischen bauteilen

Info

Publication number: DE60212855T2
Application number: DE60212855T
Authority: DE
Inventors: Richard Paul Syston TOWNSEND
Original assignee: Ubinetics VPT Ltd
Current assignee: Ubinetics VPT Ltd
Priority date: 2001-08-11
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: EP1415521B1; EP1415521A1; ATE332073T1; GB0119673D0; GB2378582A; WO2003015487A1; GB2378582B; DE60212855D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaffung einer Hochfrequenzabschirmung für elektronische Bauelemente.
Es gibt einen immer größer werdenden Bedarf zur Miniaturisierung elektronischer Bauelemente und zur Verbesserung ihrer kompakten Bauweise. Dieses trifft speziell für Baugruppen zu, in denen die Gesamthöhe der Leiterplatte (PCB) und darauf aufgebauten Bauelemente eingeschränkt ist, wie beispielsweise im Inneren eines PC-Kartengehäuses.
Gegenwärtige Vorrichtungen zum Abschirmen elektronischer Bauelemente gegenüber Hochfrequenz (HF) werden aus dünnem Metallblech gefertigt und haben mindestens eine Dicke von 0,2 mm. Der elektrische und mechanische Abstand zwischen der Abschirmung und den Bauelementen, die abgeschirmt werden sollen ist ebenfalls einzuhalten, wodurch noch mindestens 0,3–0,4 mm zu der Höhe der PCB-Baugruppe hinzukommen. Ebenfalls verfügbar sind aus Kunststoff gepresste Abschirmungen mit metallischen Überzügen, die jedoch noch dicker sind als diejenigen aus Metall und damit in dem begrenzten Raum des Gehäuses noch mehr Platz beanspruchen.
Ein weiteres Problem in Verbindung mit konventionellen Methoden der Anwendung einer Abschirmung auf elektronische Bauelemente entsteht in solchen Fällen, in denen eine PCB-Baugruppe ohne irgendeine Abschirmung konzipiert ist und dann im Verlaufe der Prüfung festgestellt wird, dass eine Abschirmung erforderlich ist. Da in dem ursprünglichen Aufbau eine Abschirmung nicht von vornherein eingebaut wurde, wird oftmals festgestellt, dass das Hinzufügen einer Abschirmung in diesem letzten Stadium auf Grund ihrer Größe nicht ohne weiteres erreicht werden kann und damit ein Neuaufbau der PCB-Architektur erforderlich wird. Dieser Prozess des Neuaufbaus ist möglicher Weise kostspielig und zeitaufwendig und kann das Herausbringen eines Produktes auf den Markt verzögern. Da sich der Markt für Rechner- und elektronische Bauelemente ständig verändert, kann eine solche Verzögerung für den Hersteller zur Folge haben, dass er einen schwerwiegenden Wettbewerbsnachteil auf sich nehmen muss.
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung oder zu mindestens die Milderung der Probleme, Mängel und Nachteile, wie sie vorstehend aufgezeigt wurden.
Der technische Hintergrund wird in der US-A-5557064 ausgeführt, worin eine konturgetreue Abschirmung offenbart wird, in die eine konturgetreue Abschirmungsunterlage und leitfähige Schicht einbezogen sind.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Schaffung einer Hochfrequenzabschirmung für elektronische Bauelemente, wie sie in Anspruch 1 festgelegt ist, und eine Laminatstruktur zum Abschirmen elektronischer Bauelemente, wie sie in Anspruch 20 festgelegt ist.
Damit stellen die Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Schaffung einer Hochfrequenzabschirmung für elektronische Bauelemente bereit, wobei das Verfahren ausgeführt wird, indem verwendet werden: (i) Ein erstes Laminat, das eine isolierende Laminatschicht aufweist und eine abschirmende Laminatschicht aufweist, und (ii) eine zweite isolierende Laminatschicht; wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Verbinden des ersten Laminats und der zweiten isolierenden Laminatschicht miteinander derart, dass die abschirmende Laminatschicht sandwichartig zwischen den zwei isolierenden Laminatschichten angeordnet ist; (b) Plazieren der in Schritt (a) ausgebildeten Laminatstruktur über einem elektronischen Bauelement auf einer Leiterplatte, so dass die zweite isolierende Laminatschicht an dem Bauelement angrenzt; und (c) Zusammenfügen der abschirmenden Laminatschicht mit der Leiterplatte zumindest teilweise um das Bauelement herum.
Indem die Hochfrequenzabschirmung aus Laminatschichten in einer solchen Weise gefertigt wird, lässt sich vorteilhaft eine äußerst dünne, abschirmende Verbundstruktur herstellen, die potentiell eine Dicke von 120 μm oder weniger hat. Auf Grund dessen, dass sie sich so dünn herstellen läßt, kommt durch das Aufbringen der Abschirmung auf elektronische Bauelemente auf einer PCB nur wenig zu der Baugruppengesamthöhe hinzu. Als Folge kann jetzt eine Abschirmung in ein elektronisches Gerät eingebaut werden, wo Höhenbeschränkungen die Verwendung einer konventionellen Abschirmung verhindern würden. Die Verwendung isolierender Laminatschichten auf beiden Seiten der abschirmenden Laminatschichten ermöglicht der Abschirmung, nicht nur die im Inneren abgeschirmten Bauelemente zu berühren, sondern ermöglicht auch anderen Bauelemente, die Außenseite der Abschirmung zu berühren, ohne das insgesamt die Gefahr einer Kurzschlussbildung besteht. Dadurch wird die Verringerung der Gesamthöhe der PCB-Baugruppe ermöglicht.
Vorzugsweise ist die zweite isolierende Laminatschicht in Bezug auf die Fläche kleiner als die erste Laminatschicht, sodass sich die erste Laminatschicht über die zweite isolierende Laminatschicht hinaus nach Außen erstreckt.
Vorzugsweise ist die zweite isolierende Laminatschicht ein mit einem Klebmittel vorbeschichteter Überzug. Dieses Klebmittel, das eine Dicke von nicht mehr als 35 μm oder noch weniger hat, erleichtert in vorteilhafter Weise das Verbinden des ersten Laminats mit der zweiten isolierenden Laminatschicht.
Vorzugsweise ist der Überzug ein Verbundmaterial aus einem Polymerfilm und einer Klebmittelschicht. Der Polymerfilm ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass das Laminat flexibel ist, wodurch sein Einbau speziell in beschränkte Zwischenräume erleichtert wird. Besonders bevorzugt ist der Polymerfilm in dem Überzug ein Polyimid.
Am Meisten bevorzugt ist der Polyimidfilm in dem Überzug Kapton^TM. Am Meisten bevorzugt hat der Kapton-Film eine Dicke von 25 μm.
Vorzugsweise ist die isolierende Laminatschicht in dem ersten Laminat ein Polymer. Wie vorstehend ausgeführt, ermöglicht die Verwendung eines Polymers in vorteilhafter Weise, dass die Laminatschicht flexibel ist.
Besonders bevorzugt ist die isolierende Laminatschicht ein Polyimid.
Am Meisten bevorzugt ist das Polyimid in der isolierenden Laminatschicht Kapton. Kapton ist als ein geeignet dünner Film bereits verfügbar, was von Vorteil ist.
Am Meisten bevorzugt hat die isolierende Kapton-Laminatschicht eine Dicke von 25 μm.
Vorzugsweise ist die abschirmende Laminatschicht in dem ersten Laminat metallisch. Dadurch wird vorteilhafter Weise eine hochvirksame Abschirmung gegenüber Funkstörung gewährt.
Vorzugsweise besteht die metallische Laminatschicht aus Kupfer. Am Meisten bevorzugt hat die Kupfer-Laminatschicht eine Dicke von 35 μm.
Vorzugsweise wird Schritt (c) zum Zusammenfügen der abschirmenden Laminatschicht mit der Leiterplatte durch Löten ausgeführt. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird dieses in vorteilhafter Weise erleichtert, wenn sich das erste Laminat über die zweite isolierende Laminatschicht hinaus nach Außen erstreckt. Besonders bevorzugt wird der Schritt des Lötens durch Heißstablöten. Bei dieser Methode wird der exponierte Rand der metallischen Abschirmung auf das erstarrte Lot auf einer abschirmenden Spur auf der PCB gedrückt, indem ein heißes Gerät verwendet wird. Dadurch wird das Lot erneut geschmolzen und verbindet die Abschirmung mit der PCB.
Ausführungsformen der Erfindung gewähren außerdem eine Laminatstruktur zum Abschirmen elektronischer Bauelemente gegenüber Funkstörung, die eine abschirmende Laminatschicht aufweist, die sandwichartig zwischen der ersten und zweiten elektrisch isolierenden Laminatschicht angeordnet ist.
Vorzugsweise haben die erste isolierende Laminatschicht und die abschirmende Laminatschicht im Wesentlichen die gleiche Fläche, wobei die zweite isolierende Laminatschicht eine geringfügig kleinere Fläche hat, sodass die erste isolierende Laminatschicht und die abschirmende Laminatschicht sich beide über die zweite isolierende Laminatschicht hinaus nach Außen erstrecken.
Besonders bevorzugt sind eine oder beide isolierende Laminatschichten aus einem Polymer gefertigt.
Besonders bevorzugt ist das Polymer ein Polyimid. Am Meisten bevorzugt ist das Polymer Kapton.
Vorzugsweise ist die abschirmende Laminatschicht metallisch. Besonders bevorzugt ist die abschirmende Laminatschicht aus Kupfer hergestellt.
Vorzugsweise hat die eine oder haben beide isolierenden Laminatschichten eine Dicke von 25 μm und die abschirmende Laminatschicht eine Dicke von 35 μm. Diese Dicken haben in vorteilhafter Weise einen äußerst dünnen, abschirmenden Aufbau zur Folge.
Nachfolgend werden an Hand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, worin sind:
1 eine Querschnittansicht der Laminatmaterialien, die zur Erzeugung einer HF-Abschirmung verwendet werden, und zwar sowohl vor dem Verbinden (1a) als auch nach dem Verbinden (1b);
2 eine Draufsicht von unten auf eine abschirmende Laminat-Verbundstruktur vor der Aufbringung auf eine PCB;
3 eine Seitenansicht der HF-Abschirmung, die an einer PCB angebracht ist;
4 eine perspektivische Ansicht der HF-Abschirmung, die ein Bauelement auf einer PCB umgibt, und
5 eine Querschnittansicht durch einen PCB-Aufbau, der ein Bauelement auf einer PCB zeigt, das unter Anwendung einer Ausführungsform der Erfindung abgeschirmt worden ist.
Wie in 1 gezeigt, läßt sich eine HF-Abschirmung erzeugen, indem man zwei vorgefertigte Laminatmaterialien verwendet, wobei das erste 10 ein Laminat aus Kapton^RTM 12 und Kupfer 14 ist und das zweite 11 ein Überzug aus Kapton 18 und einem Klebmittel 16 ist. Unter Verwendung der Klebmittelschicht zum Verbinden der zwei Laminate entsprechend der Darstellung in 1b kann eine abschirmende Laminat-Verbundstruktur 13 erzeugt werden.
Ein Kapton-Laminat und Überzug gelangen deshalb zur Anwendung, weil Kaptonfilme flexibel, elektrisch isolierend und als dünne Folien leicht verfügbar sind. Kupfer ist in der Fachwelt dafür bekannt, dass es eine Wirksame HF-Abschirmung ist. Jede Kapton-Schicht 12, 18 hat eine Dicke von näherungsweise 25 μm, die abschirmende Kupferschicht 14 eine Dicke von näherungsweise 35 μm und die Haftschicht 16 ebenfalls eine Dicke von näherungsweise 35 μm. Dieses führt zu einer abschirmenden Laminat-Verbundstruktur 13 mit einer Dicke von näherungsweise 120 μm. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist ersichtlich, dass dünnere Schichten erhalten werden können und zu einer noch dünneren Verbundstruktur führen und dass alternative Materialien eingesetzt werden können.
In der abschirmenden Laminat-Verbundstruktur 13 wird die abschirmende Kupferschicht 14 auf ihrer Außenseite (d.h. die von dem zur Anwendung gelangendem Bauelement abgelegene Seite) von einer Schicht aus Kapton bedeckt. Dadurch ist es anderen Bauelementen im Inneren der elektronischen Vorrichtung möglich, mit der Abschirmung in Kontakt zu gelangen, ohne einen Kurzschluss herbeizuführen. Der Überzug 11, der mit der Innenseite der Kupferabschirmung 14 verbunden ist (d.h. dem zur Anwendung gelangendem Bauelement am Nächsten ist) ist in Bezug auf die Fläche geringfügig kleiner als das Äußere Kapton/Kupfer-Laminat 10, wodurch es exponierte Kupferbereiche gibt. Diese exponierten Bereiche von Kupfer 14 werden sodann auf einer abschirmenden Spur auf einer PCB zusammengefügt, ohne durch ein isolierendes Laminatmaterial in dem Bereich gestört zu werden.
Die ebene Fläche der abschirmenden Laminat-Verbundstruktur 13 kann potentiell jede beliebige Größe annehmen. Im Gebrauch würde es die Form und Größe 20 haben, die für das Bauelement geeignet sind, das eine HF-Abschirmung benötigt. Wie in den 2, 3, 4 und 5 gezeigt wird eine erhebliche Fläche 22 der abschirmenden Struktur 20 verwendet, um die Oberseite des Bauelements 34 zu bedecken. Die herausragenden, stabähnlichen Bereiche 23a bis 23d der Verbundstruktur haben eine solche Form, dass sie sich um die Seiten des Bauelementes falten lassen, während die Bereiche 24a bis 24d der Struktur die exponiertes Kupfer aufweisen sich noch weiter erstrecken und so geformt sind, dass sie sich näherungsweise in einem rechten Winkel falten lassen, um auf einer abschirmenden Spur 30 auf der PCB 32 aufgebracht zu werden.
4 und 5 zeigen die Verbundstruktur, die so gefaltet worden ist, dass die Seitenbereiche 23a bis 23d die Seiten des Bauelementes 34 umhüllen, wobei die exponierte Kupferbereichen 24a bis 24d so umgefaltet worden sind um sich an abschirmende Spur 30 auf der PCB 32 zu binden.
In dem Gesamtaufbau einer PCB mit abgeschirmten Bauelementen läuft das Herstellungsverfahren wie folgt ab: Während des Zusammenbaus der Bauelementgruppe auf der Oberfläche wird Lotpaste auf der abschirmenden Spur auf der PCB aufgetragen und dieses Lot anschließend erneut zum Schmelzen gebracht, wenn die Oberflächen montierten Bauelemente (Mikrochips, Widerstände, usw.) angelötet werden. Anschließend wird über die Bauelemente nach Erfordernis die Abschirmung in Position gebracht und durch Heißstablöten auf der abschirmenden Spur aufgelötet. Das Heißstablöten umfasst die Anwendung eines heißen Stabes, um den exponierten Kupferrand der abschirmenden Laminat-Verbundstoffstruktur auf das erstarrte Lot auf der abschirmenden Gehäusespur zu drücken. Dieses bewirkt, dass das Lot erneut schmelzflüssig wird und die Abschirmung auf der PCB befestigt.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass auch andere isolierende Materialien an Stelle von Kapton zur Anwendung gelangen können, wie beispielsweise Polyester, obgleich dieses das Aufbringen auf der PCB unter Verwendung eines beidseitig leitfähigem Klebfilms erfordern würde. Kapton-Laminate sind für die spezielle Veranschaulichung der Erfindung deshalb verwendet worden, weil sie in der erforderlichen Dicke leicht verfügbar sind und mühelos aus diesem Material von einem Hersteller flexibler PCB's sehr dünne, abschirmende Laminat-Verbundstoffstrukturen gefertigt werden können.
Da die Kupferabschirmung auf beiden Seiten durch Kapton isoliert ist, kann die abschirmende, Laminat-Verbundstruktur direkt in Kontakt mit Bauelementen auf der PCB gebracht werden. Da an beiden Seiten der Kupferabschirmung keine Luftspalte erforderlich sind, besteht die Gesamtzunahme der Höhe der PCB-Baugruppe lediglich in der Dicke der abschirmenden Laminat-Verbundstruktur, d.h. sie beträgt 120 μm oder sogar weniger.

Claims

Verfahren zur Funkfrequenz-Abschirmung für elektronische Bauelemente, wobei das Verfahren durchgeführt wird unter Verwendung von: (i) einem ersten Laminat (10) mit einer elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (12) und einer abschirmenden Laminat-Schicht (14); und (ii) einer zweiten elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (18); und das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: (a) Verbinden des ersten Laminats (10) und der zweiten elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (18) miteinander, so daß die abschirmende Laminat-Schicht (14) sandwichartig zwischen den beiden elektrisch isolierenden Laminat-Schichten (12, 18) angeordnet ist; (b) Plazieren der in Schritt (a) ausgebildeten Laminatstruktur (13) über einem elektronischen Bauelement (34) auf einer Leiterplatte (32), so daß die zweite elektrisch isolierende Laminat-Schicht (18) an das Bauelement (34) angrenzt; und (c) Zusammenfügen der abschirmenden Laminat-Schicht (14) mit der Leiterplatte (32) zumindest teilweise um das Bauelement (34) herum; dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der Laminat-Schichten so beschaffen sind, daß die Dicke der gesamten Laminatstruktur (13) kleiner oder gleich 120 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke der elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (12) des ersten Laminats (10) oder die Dicke der zweiten elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (18) kleiner oder gleich 25 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der abschirmenden Laminat-Schicht (14) kleiner oder gleich 35 μm ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite elektrisch isolierende Laminat-Schicht (18) ein Überzug (11) ist, der mit einer Haftschicht (16) vorbeschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Dicke der Haftschicht (16) kleiner oder gleich 35 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Überzug (11) ein Verbundmaterial aus einem Polymerfilm (18) und einer Haftschicht (16) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Polymerfilm (18) im Überzug (11) ein Polyimid ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Polyimidfilm (18) im Überzug (11) Kapton ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kaptonfilm (18) eine Dicke von 25 μm hat.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch isolierende Laminat-Schicht (12) im ersten Laminat (10) ein Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Polymer in der elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (12) ein Polyimid ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Polyimid in der elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (12) Kapton ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die isolierende Kaptonlaminatschicht (12) eine Dicke von 25 μm hat.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die abschirmende Laminat-Schicht (14) im ersten Laminat (10) metallisch ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die metallische Laminat-Schicht (14) Kupfer ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Kupferlaminatschicht (14) eine Dicke von 35 μm hat.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite elektrisch isolierende Laminat-Schicht (18) eine kleinere Fläche als das erste Laminat (10) hat, so daß das erste Laminat (10) sich nach außen jenseits der zweiten elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (18) erstreckt.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Zusammenfügens der abschirmenden Laminat-Schicht (14) mit der Leiterplatte (32) durch Löten erfolgt.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lötschritt durch Heißstangenlöten erfolgt.
Laminatstruktur (13) zur Abschirmung elektronischer Bauelemente gegen Funkfrequenzinterferenz, die eine abschirmende Laminat-Schicht (14) umfasst, die sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (12, 18) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der Laminat-Schichten so beschaffen sind, daß die Dicke der gesamten Laminatstruktur (13) kleiner oder gleich 120 μm ist.
Laminatstruktur nach Anspruch 20, wobei die Dicke der ersten elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (12) oder die Dicke der zweiten elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (18) kleiner oder gleich 25 μm ist.
Laminatstruktur nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Dicke der abschirmenden Laminat-Schicht (14) kleiner oder gleich 35 μm ist.
Laminatstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die zweite elektrisch isolierende Laminat-Schicht (18) ein Überzug (11) ist, der mit einer Haftschicht (16) vorbeschichtet ist.
Laminatstruktur nach Anspruch 23, wobei die Dicke der Haftschicht (16) kleiner oder gleich 35 μm ist.
Laminatstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die erste elektrisch isolierende Laminat-Schicht (12) und die abschirmende Laminat-Schicht (14) im wesentlichen die gleiche Fläche haben und wobei die zweite elektrisch isolierende Laminat-Schicht (18) eine geringfügig kleinere Fläche hat, so daß die erste elektrisch isolierende Laminat-Schicht (12) und die abschirmende Laminat-Schicht (14) sich beide nach außen jenseits der zweiten elektrisch isolierenden Laminat-Schicht (18) erstrecken.
Laminatstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei eine oder beide der elektrisch isolierenden Laminat-Schichten (12, 18) aus einem Polymer bestehen.
Laminatstruktur nach Anspruch 26, wobei das Polymer ein Polyimid ist.
Laminatstruktur nach Anspruch 27, wobei das Polymer Kapton ist.
Laminatstruktur nach einem der Ansprüche 20 bis 28, wobei die abschirmende Laminat-Schicht (14) metallisch ist.
Laminatstruktur nach Anspruch 29, wobei die abschirmende Laminat-Schicht (14) aus Kupfer besteht.