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Title:
PRINTED BOARD FOR ELECTRONIC DEVICES CONTROLLING A MOTOR VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/002202
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a printed board (1, 1') comprising strip conductors for electronic circuits, connections for a voltage supply unit, and at least one SMD component as well as additional electronic and/or electromechanical parts that are soldered in a suitable manner, said voltage supply unit being connected to one or several supplying strip conductors (2). The aim of the invention is to protect said printed board (1, 1') to a special degree from heat generation by using simple means. Said aim is achieved by providing at least one of the supplying strip conductors (2) with a break that is bridged in a conductive manner by means of a fuse bridge (6) containing or made of a basic material, the melting point of which is lower than the melting point of the material of which the strip conductors are made.

Inventors:
HEISE ANDREAS (DE)
BEUSS JOCHEN (DE)
SCHLENKER ROBERTO (DE)
HERBST PHILLIP (DE)
BECKER MARKUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2003/006293
Publication Date:
December 31, 2003
Filing Date:
June 14, 2003
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL TEVES AG & CO OHG (DE)
CONTITEMIC MICROELECTRONIC GMB (DE)
HEISE ANDREAS (DE)
BEUSS JOCHEN (DE)
SCHLENKER ROBERTO (DE)
HERBST PHILLIP (DE)
BECKER MARKUS (DE)
International Classes:
H01H85/046; H05K1/00; H05K1/02; H01H37/76; H01H85/46; (IPC1-7): H05K1/02; H01H85/046
Foreign References:
DE3610886A11987-10-08
GB2062374A1981-05-20
EP0373528A21990-06-20
US6198376B12001-03-06
US5939969A1999-08-17
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 05 31 May 1999 (1999-05-31)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 014, no. 391 (E - 0968) 23 August 1990 (1990-08-23)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 016, no. 254 (E - 1213) 9 June 1992 (1992-06-09)
See also references of EP 1518447A1
Attorney, Agent or Firm:
CONTINENTAL TEVES AG & CO. OHG (Frankfurt/Main, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Leiterplatte (1, 1) mit Leiterbahnen für elektronische Schaltungen und mit Anschlüssen für eine Spannungsver sorgung, welche mit mindestens einem SMDBauelement und weiteren elektronischen und/oder elektromechanischen Bauteilen unter Verwendung eines geeigneten Lots be stückt ist, wobei die Spannungsversorgung mit einer oder mehreren Versorgungsleiterbahnen (2) verbunden ist, da durch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Versor gungsleiterbahnen (2) eine Unterbrechung aufweist, wel che mit einer Schmelzbrücke (6) leitend überbrückt ist, wobei die Schmelzbrücke (6) ein Basismaterial enthält oder aus diesem besteht, welches einen Schmelzpunkt auf weist, welcher niedriger ist als der Schmelzpunkt des Materials, aus dem die Leiterbahnen bestehen.
2. Leiterplatte (1, 1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Schmelzpunkt des Basismaterials gleich hoch oder höher ist als der Schmelzpunkt des zur Bestückung der Leiterplatte (1) verwendeten Lots.
3. Leiterplatte (1, 1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schmelzbrücke (6) vollständig aus einem metallischen Material besteht.
4. Leiterplatte (1, 1) nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass das metallische Material Zinn oder eine Zinnlegierung enthält oder ganz aus diesem besteht.
5. Leiterplatte (1, 1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzbrücke (6) durch das in einem Lötprozess verwendete Lot mit Material der Leiterbahn leitend verbunden ist.
6. Leiterplatte (1, 1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzbrücke (6) so geformt ist, dass sie wie ein an sich bekanntes SMDBau teil gegurtet oder magaziniert einem herkömmlichen Be stückungsautomat zugeführt werden kann.
7. Leiterplatte (1, 1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzbrücke (6) durch Abtrennen von einem Draht oder Blechstreifen hergestellt ist.
8. Leiterplatte (1, 1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial zur Her stellung der Schmelzbrücke (6) mit einer Beschichtung, insbesondere aus Zinn oder einer Zinnlegierung oder aus Gold oder aus passiviertem Kupfer, überzogen ist.
9. Leiterplatte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, dass benachbarte Versorgungslei terbahnen (2) durch Ausnehmungen (12) voneinander ge trennt sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (1, 1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich net, dass die Schmelzbrücken (6) unmittelbar vor der Be stückung der Leiterplatte (1, 1), insbesondere durch Abtrennen von einem Draht oder Blechstreifen, herge stellt werden.
Description:
Leiterplatte für elektronische Kraftfahrzeugsteuergeräte Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit Leiterbahnen für elektronische Schaltungen und Anschlüssen für eine Span- nungsversorgung, welche mit mindestens einem SMD-Bauelement und weiteren elektronischen und/oder elektromechanischen Bauteilen unter Verwendung eines geeigneten Lots bestückt ist, wobei die Spannungsversorgung mit einer oder mehreren Versorgungsleiterbahnen verbunden ist. Sie bezieht sich wei- ter auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lei- terplatte.

Derartige Leiterplatten können insbesondere für einen Ein- satz in elektronischen Steuergeräten, beispielsweise in Fahrdynamikreglern oder ABS-Reglern, vorgesehen sein. Falls in den auf derartigen Leiterplatten aufgebrachten Schaltun- gen bauteil-oder herstellungsbedingte Fehler vorhanden sein sollten, könnte es zu einer lokalen Überschreitung der zu- lässigen Leiterplattentemperatur kommen. Dadurch könnten wiederum Fehler in weiteren Schaltungskomponenten oder auch eine noch zusätzliche Erwärmung von Schaltungskomponenten durch erhöhte Verlustleistung resultieren, die den Ausfall einzelner Schaltungskomponenten oder sogar ganzer Baugruppen zur Folge haben könnten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leiter- platte der oben genannten Art anzugeben, bei der selbst beim Auftreten bauteil-oder komponentenbedingter Fehler eine un- gewollte weitere Erwärmung zuverlässig vermieden ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Leiterplatte angegeben werden.

Bezüglich der Leiterplatte wird diese Aufgabe erfindungsge- mäß dadurch gelöst, dass mindestens eine der Versorgungslei- terbahnen eine Unterbrechung aufweist, welche mit einer Schmelzbrücke leitend überbrückt ist, wobei die Schmelzbrü- cke ein Basismaterial enthält oder aus diesem besteht, wel- ches einen Schmelzpunkt aufweist, welcher niedriger ist als der Schmelzpunkt des Materials, aus dem die Leiterbahnen be- stehen.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Bereitstellung einer in besonderem Maße gegen Bauteilfehler abgesicherten Baugruppe Ursachen einer möglichen Überhitzung gezielt bekämpft werden sollten. Eine lokale Überhitzung kann beispielsweise dann auftreten, wenn ein elektronisches Bauteil aufgrund eines Defekts für eine übermäßige lokale Wärmeentwicklung sorgt. Diese lokale Wärmeentwicklung kann in einigen Fällen zu einem Loslöten des Bauteils führen.

Schließt ein solches Bauteil auf der Leiterplatte spannungs- führende, insbesondere breite Leiterbahnbereiche kurz, so kann die Wärmeentwicklung aufgrund des hohen fließenden Stroms durchaus zu größeren Bauteilschäden führen. Um dies wirkungsvoll zu unterbinden, sollte die Leiterplatte gegen aus beliebigen Quellen einwirkenden Wärmeeinträgen abgesi- chert sein. Dazu ist die Leiterplatte mit Spezialelementen versehen, die im Gegensatz zu Schmelzsicherungen nicht in- folge lokal auftretender Stromdichten, sondern vielmehr in- folge von lokal auftretenden Temperaturerhöhungen eine wei- tere Stromzufuhr in die Leiterplatte und damit das potenzi- elle Auftreten zusätzlicher Wärmequellen zuverlässig unter- binden.

Um eine derartige bedarfsgerechte Unterbrechung der Span- nungsversorgung in der Art eines passiven, selbsttätigen Systems ohne aktive äußere Einflussnahme sicherzustellen, ist die Leiterplatte im Bereich der Versorgungsleiterbahnen in der Art von Sollbruchstellen mit überbrückten Unterbre- chungen versehen, wobei die Überbrückungen in der Art einer thermischen Reaktion auf die bei einem Brand freigesetzte Wärme für ein gezieltes Abschmelzen im Brandfall ausgelegt sind. Im Hinblick darauf ist der Schmelzpunkt des die Schmelzbrücken bildenden Basismaterials geeignet gewählt.

Die Schaltungsträger können einfache Leiterplatten oder sol- che mit mehrere Verdrahtungsebenen sein, wie Zwei-, Vier-, oder Mehrfachlayer.

Bei der Bestückung der Leiterplatte mit auch als SMD-Bautei- len bezeichneten so genannten"Surface Mounted Devices" (z. B. Lötpastendruck mit nachfolgender Bestückung der SMD- Bauteile sowie nachfolgendem Löten) kann in einer bewusst angebrachten Unterbrechung der Versorgungsleiterbahn eine derartige Schmelzbrücke eingefügt sein. Die Schmelzbrücke kann bevorzugt in der Nähe des Versorgungsspannungsanschlus- ses (z. B. Anschlussstecker) angeordnet sein. Die Schmelz- brücke ist vorzugsweise ein festes Stück eines höherschmel- zenden Materials, insbesondere ein geeignetes Lötzinn, oder ein geeignet ausgeführter Lotmaterialbereich, wobei das Lot in etwa den gleichen Schmelzpunkt wie das eingesetzte Lot hat oder im letzten Fall insbesondere aus dem gleichen Mate- rial wie das Lot besteht.

Für einen besonders geringen Herstellungsaufwand der Leiter- platte sind die Schmelzbrücken vorteilhafterweise für eine Montierbarkeit unter Rückgriff auf übliche Lötverfahren aus- geführt. Dazu weist das Material der Schmelzbrücke bevorzugt einen Schmelzpunkt auf, welcher höher ist als der des zur Befestigung der Bauelemente verwendeten Lots. Hierdurch wird vorteilhafterweise während des Lötprozesses die Schmelzbrü- cke nicht aufgeschmolzen. Die Schmelzbrücke kann auf diese Weise an entsprechenden Stellen im Bereich der Unterbrechung der Leiterbahn ebenfalls durch das Lot während des herkömm- lichen Lötprozesses befestigt werden.

Zur Sicherstellung einer ausreichend hohen Leitfähigkeit der Schmelzbrücken im Normal-Betriebszustand besteht die jewei- lige Schmelzbrücke vorteilhafterweise vollständig aus einem metallischen Material, vorzugsweise aus Zinn oder einer Zinnlegierung. Um weiterhin einen zur Übertragung der Ver- sorgungsspannung ausreichend hochwertigen elektrischen Kon- takt zu den Leiterbahnen sicher zu stellen, ist die jeweili- ge Schmelzbrücke in weiterer oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung durch das in einem Lötprozess verwendete Lot mit Material der Leiterbahn leitend verbunden.

Um für einen besonders geringen Herstellungsaufwand bei der Produktion der Leiterplatten auf herkömmliche und kostengün- stige Bestückungskonzepte zurückgreifen zu können, ist die Schmelzbrücke vorteilhafterweise derart gestaltet, dass sie in einem automatisierten Bestückungsprozess einsetzbar ist.

Dazu ist die Schmelzbrücke vorteilhafterweise derart ge- formt, dass sie wie an sich bekannte SMD-Bauteile gegurtet oder magaziniert einem herkömmlichen Bestückungsautomat zu- geführt werden kann.

Eine besonders einfache Bauweise der Schmelzbrücke ist er- reichbar, indem diese vorteilhafterweise durch Abtrennen von einem Draht oder Blechstreifen hergestellt ist.

Besonders günstige elektrische Leiteigenschaften der Schmelzbrücke und insbesondere eine besonders günstige Löt- barkeit unter Verwendung üblicher Lotmaterialien sind er- reichbar, indem das Basismaterial zur Herstellung der Schmelzbrücke vorteilhafterweise mit einer Beschichtung, insbesondere aus Zinn, einer Zinnlegierung, Gold oder aus passiviertem Kupfer, überzogen ist.

Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung der Leiterplatte wird die genannte Aufgabe gelöst, indem die Schmelzbrücken unmittelbar vor der Bestückung der Leiterplatte, vorzugswei- se durch Abtrennen von einem Draht oder Blechstreifen, her- gestellt werden. Damit ist auf besonders einfache Weise die bedarfsgerechte und situationsangepasste Bereitstellung der erforderlichen Schmelzbrücken unmittelbar bei der Bestückung der Leiterplatte sichergestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson- dere darin, dass durch die Schmelzbrücken wirkungsvoll die Überhitzung der Leiterplatte verhindert ist. Durch ein ge- eignet ausgeführtes Layout der Leiterplatte ist zudem er- reichbar, dass die Wärme sich immer in Richtung auf die Schmelzbrücke zu ausbreitet. Erreicht die Wärme den Bereich der Schmelzbrücke, wird in der Regel der Schmelzpunkt des Brückenmaterials überschritten und die Stromversorgung somit wirkungsvoll unterbrochen. Durch die entstehende Unterbre- chung des Stromflusses kommt es zu einem Stillstand der Er- wärmung. Die Leiterplatte ist somit mit einer thermischen Sicherung ausgestattet, die anders als herkömmliche Stromsi- cherungen über gewisse Zeitspannen hinweg auch erhöhten Stromstärken oder-dichten standhält, und die in Reaktion auf Temperaturen von mehr als einer vorgegebenen Grenztempe- ratur den Stromfluss unterbricht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen : Fig. 1 eine Leiterplatte mit einer Anzahl von Leiterbah- nen, und Fig. 2 eine alternative Ausführungsform einer Leiterplat- te.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Leiterplatte 1 ist insbesondere zum Einsatz in elektronischen Steuergeräten, wie beispielsweise in Fahrdynamikreglern, ABS-Reglern oder anderen Fahrzeugsteuergeräten, vorgesehen. Dazu ist die Lei- terplatte 1 mit einer Anzahl nicht näher dargestellter SMD- Bauelemente und weiteren elektronischen und/oder elektrome- chanischen Bauteilen bestückt, die unter Verwendung eines geeigneten Lots auf der Leiterplatte 1 montiert und über ei- ne Vielzahl nicht näher dargestellter Leiterbahnen elek- trisch geeignet miteinander verbunden sind. Die Leiterplatte 1 kann dabei als einfache Leiterplatte oder auch als Leiter- platte mit mehreren Verdrahtungsebenen, wie beispielsweise als Zwei-, Vier-oder Mehrfachlayer, ausgestaltet sein. Zur Bespeisung der aktiven Komponenten mit Spannung und/oder Strom weist die Leiterplatte 1 zudem eine Anzahl von Versor- gungsleiterbahnen 2 auf, die insbesondere zum Anschluss ei- ner externen Spannungsversorgung geeignet ausgestaltet sind.

Im Hinblick auf diesen Einsatzzweck sind die Versorgungslei- terbahnen 2 insbesondere hinsichtlich ihres Materials und ihrer Dimensionierung geeignet gewählt.

Die Leiterplatte 1 ist für eine besonders hohe betriebliche Sicherheit selbst beim Auftreten bauteilbedingter Fehler ausgestaltet. Dazu ist die gezielte Unterdrückung einer Aus- breitung lokal eingetragener Wärme auf der Oberfläche der Leiterplatte 1 vorgesehen.

Zu diesem Zweck sind die Versorgungsleiterbahnen 2 mit Un- terbrechungen oder Lücken versehen, die jeweils durch eine zugeordnete Schmelzbrücke 6 überbrückt sind. Die Schmelzbrü- cken 6, die wie im Ausführungsbeispiel gezeigt beispielswei- se zylinder-oder quaderförmig ausgestaltet sein können, sind dabei aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Metall, gebildet, wobei der Schmelzpunkt ihres Basismateri- als niedriger gewählt ist als der Schmelzpunkt des die Ver- sorgungsleiterbahnen 2 bildenden Materials. Durch die Wärme- entwicklung bei einem lokal beschädigten Bauteil erfolgt so- mit vor einer weiteren Beschädigung der Versorgungsleiter- bahnen 2 oder anderer Leiterbahnen ein Durchschmelzen der jeweiligen Schmelzbrücke 6, so dass der elektrische Kontakt über die jeweilige Unterbrechung oder Lücke hinweg unterbro- chen wird. Damit erfolgt selbsttätig in der Nähe eines Bau- teils die Unterbrechung der Strom-oder Spannungsversorgung, so dass durch zugeführte elektrische Energie keine weitere Förderung der Erwärmung mehr eintreten kann. Ein Beispiel für eine derartig unterbrochene Spannungs-oder Stromversor- gung ist für die mittlere der gezeigten Versorgungsleiter- bahnen 2 dargestellt, bei der beidseitig der entstandenen Lücke 8 Schmelzperlen 10 aus den Resten der ursprünglich vorhandenen Schmelzbrücke dargestellt sind.

Die Schmelzbrücken 6 sind darüber hinaus derart ausgestal- tet, dass der Schmelzpunkt ihres Basismaterials höher ist als der Schmelzpunkt des zur Bestückung der Leiterplatte 1 verwendeten Lots. Damit ist gewährleistet, dass auch unter Verwendung herkömmlicher Bestückungsverfahren und unter Ver- wendung herkömmlicher Lötprozesse die Anbringung der Schmelzbrücken 6 an der Leiterplatte 1 möglich ist. Die Schmelzbrücken 6 sind dabei durch das im Lötprozess verwen- dete Lot mit dem Material der jeweils zugeordneten Versor- gungsleiterbahn 2 verbunden. Die Herstellung der Schmelzbrü- cken 6 kann dabei insbesondere durch Abtrennen von einem Draht oder Blechstreifen erfolgen.

Um eine besonders gute Verarbeitbarkeit der Schmelzbrücken 6 gerade in Verbindung mit dem bei der Bestückung der Leiter- platte 1 verwendeten Lötprozess sicher zu stellen, ist das Basismaterial der jeweiligen Schmelzbrücke 6 mit einer die Lötbarkeit fördernden Beschichtung, insbesondere aus Zinn, einer Zinnlegierung, aus Gold oder aus passiviertem Kupfer, überzogen.

Um darüber hinaus aber auch ein Übersprechen lokaler Wärme von einer Versorgungsleiterbahn 2 auf eine benachbarte Ver- sorgungsleiterbahn 2 wirksam zu unterbinden, ist im Ausfüh- rungsbeispiel nach Fig. 2 die dort dargestellte Leiterplatte 1 mit einer Anzahl von Ausnehmungen 12 versehen, von denen in Fig. 2 lediglich eine gezeigt ist. Die Ausnehmungen 12 trennen dabei benachbarte Versorgungsleiterbahnen 2 vonein- ander, so dass aufgrund der in Richtung zwischen den Versor- gungsleiterbahnen 2 verminderten Wärmeleitfähigkeit ein Übergreifen der lokalen Brände zumindest erschwert ist.

Durch eine gezielte Anbringung derartiger Ausnehmungen 12 ist es im Übrigen möglich, die Wärmeleitung und-ausbreitung im Grundkörper 4 der Leiterplatte 1 derart zu kanalisieren und auszurichten, dass auch bei der Entstehung eines Bau- teilfehlers in einem lateral entfernten Bereich der Leiter- platte 1 eine gezielte Wärmeeinleitung in den Bereich der in Fig. 2 dargestellten Schmelzbrücke 6 erfolgt. Somit kann auch bei lateral entfernt entstehenden Bränden durch die ge- zielte Wärmeeinleitung ein frühzeitiger Ausfall der Schmelz- brücke 6 gewährleistet werden, so dass selbst für entfernte Brände eine zuverlässige Unterbrechung der Strom-oder Span- nungsversorgung in der Art eines passiven Systems gewährlei- stet ist.

Bezugszeichenliste 1, 1 Leiterplatte 2 Versorgungsleiterbahnen 4 Grundkörper 6 Schmelzbrücke 8 Lücke 10 Schmelzperlen 12 Ausnehmung