DE19608858A1 - Elektrisches Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 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.

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.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein elektrisches Bauteil wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Bauteil; und

Fig. 2 einen Schnitt durch das Bauteil längs der Linie 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material aus Nickel und das zweite Material aus Kupfer besteht.

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.

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.

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.