DE4336727A1

DE4336727A1 - Anordnung aus elektrischen Bauteilen

Info

Publication number: DE4336727A1
Application number: DE4336727A
Authority: DE
Inventors: Terence Clifford Merriman
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1992-11-03
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1994-05-05
Also published as: GB9223008D0; FR2697714B1; FR2697714A1; US5379189A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen aus elektrischen Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Auflötbare Kondensatoren, also Kondensatoren, welche sich beispielsweise zur Auflötung in der sogenannten SMD-Technik (Surface Mounted Device) eignen, wer den in zunehmendem Maße verwendet, insbesondere zum Filtern elektromagneti scher Interferenzen. Die am häufigsten verwendeten Kondensatoren sind rechteckig und weisen an beiden Enden, über die Breite des Kondensators gesehen, metallene Anschlußflächen auf. Die Anschlußflächen des Kondensators sind auf entsprechende Anschlußflächen des Platinensubstrats ausgerichtet und an diese angelötet, wobei die letzteren Anschlußflächen mit entsprechenden Leiterbahnen auf dem Substrat verbunden sind oder einen Teil dieser Leiterbahnen bilden. Diese Anordnung funk tioniert in einem begrenzten Frequenzbereich zufriedenstellend, jedoch nimmt die Leistung des Kondensators bei hohen Frequenzen typischerweise oberhalb 80 MHz, infolge störender Induktion zwischen dem Kondensator und den mit ihm verbun denen Leiterbahnen ab. Dies kann durch die Verwendung spezieller Kondensatoren vermindert werden, welche aber meistens mehr Raum beanspruchen oder teuerer sind. Wenn viele verschiedene Leitungen jeweils mit einem eigenen Kondensator zu filtern sind, kann hierdurch ein erheblicher Kostenbeitrag entstehen und die Gesamt anordnung kann ein zu großes Volumen aufweisen, wodurch die Wartung erschwert wird.

Es besteht daher die Aufgabe, eine derartige Anordnung so weiterzubilden, daß sie bei Verwendung eines herkömmlichen Kondensators auch bei hohen Frequenzen zu friedenstellend funktioniert.

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

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Anordnung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten Anordnung in Richtung des Pfeils II;

Fig. 3 ein Schaltbild einer vorbekannten Anordnung; und

Fig. 4 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Anordnung aus einer Leiterplatte oder einem Sub strat 1 mit einem Kondensator 3 dargestellt. Das Substrat 1 besteht aus einem isolierenden Material, beispielsweise kunstharzverleimtem Glas oder Keramik und weist elektrische Leiterbahnen und Anschlußflächen auf seiner Oberfläche auf, von denen aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung nur zwei eingezeichnet sind. Die Leiterbahnen stehen mit verschiedenen elektrischen Komponenten in Verbin dung, von welchen nur der Kondensator 3 dargestellt ist. Die obere Oberfläche des Substrats weist zwei Anschlußflächen 10 und 11 auf, welche voneinander durch eine Lücke 12 beabstandet sind. Die Anschlußflächen 10 und 11 befinden sich an den Enden entsprechender Leiterbahnen 13 und 14, welche zu entsprechenden durch metallisierten Bohrungen 15 und 16 führen. Die Leiterbahnen 13 und 14 sind in definierter Länge ausgebildet und bilden einzelne Wärmesperren, wodurch der Kon densator 3 zuverlässig montiert werden kann. Die Bohrungen 15 und 16 stellen über die Leiterbahnen 17 und 18 elektrische Verbindungen zu verschiedenen exter nen und internen elektrischen Bauelementen her. Die Anschlußflächen 10 und 11 sind auf dem Substrat voneinander getrennt angeordnet, jedoch über den Konden sator 3 elektrisch miteinander verbunden. Zwei weitere Anschlußflächen 20 und 21 sind den ersten beiden Anschlußflächen 10 und 11 gegenüberliegend auf der gleichen Oberfläche des Substrats 1 angeordnet, wobei die Anschlußflächen 20 und 21 mit Leiterbahnen 23 und 24 verbunden sind, welche zu entsprechenden durchmetallisier ten Bohrungen 25 und 26 führen und als Wärmesperren ausgebildet sind, wodurch die elektrische Verbindung mit Leiterbahnen auf der Unterseite des Substrats wie oben beschrieben hergestellt wird.

Der Kondensator 3 ist ein herkömmlicher auflötbarer Kondensator des Typs C2021 von TDK und weist eine rechteckige Form mit zwei Anschlußflächen 31 und 32 an einander gegenüberliegenden Seiten - gesehen entlang der Breite des Konden sators 3 - auf. Es können auch andere in SMD-Technik auflötbare Kondensatoren herkömmlicher Bauart mit einer einzelnen Anschlußfläche, welche entlang der Breite des Kondensators verläuft, verwendet werden. Die Anschlußfläche 31 an einem Ende des Kondensators 3 ist mit den beiden Anschlußflächen 10 und 11 über Lötverbin dungen 33 bzw. 34 verbunden. Auf gleiche Weise ist die Anschlußfläche 32 am gegenüberliegenden Ende des Kondensators 3 mit den beiden Anschlußflächen 20 und 21 auf dem Substrat 1 verbunden. Hierdurch sind die Anschlußflächen 10 und 11 auf dem Substrat 1 über die Anschlußfläche 31 des Kondensators miteinander elektrisch verbunden; ohne den Kondensator 3 wären diese Anschlußflächen 10 und 11 aufgrund der Lücke 12 jedoch elektrisch voneinander isoliert. Auf gleiche Weise sind die Anschlußflächen 20 und 21 auf dem Substrat über die Anschlußfläche 32 des Kondensators 3 elektrisch miteinander verbunden; ohne den Kondensator 3 wären diese Anschlußflächen jedoch auch hier aufgrund der Lücke 22 elektrisch voneinander isoliert.

Die Anordnung wird in Verbindung mit unsymmetrischen Leitungen verwendet, um hochfrequente Signale auf der Leiterbahn 17 auszufiltern, wobei die andere Leiter bahn 27 mit einer Erdebene 29 verbunden ist. Bei herkömmlichen Anordnungen wird eine einzelne Leiterbahn zusammen mit einer Anschlußfläche auf dem Sub strat verwendet, um die Verbindung mit jeder Anschlußfläche des Kondensators herzustellen. Im Gegensatz hierzu wird bei der oben beschriebenen Anordnung das einlaufende Signal von der Leiterbahn 17 dem Kondensator 3 über die durchmetalli sierte Bohrung 15, die Leiterbahn 13 und die Anschlußfläche 10 zugeführt, wogegen das auslaufende Signal über die Leiterbahn 17, die Anschlußfläche 11, die Leiter bahn 14 und die durchmetallisierte Bohrung 16 verläuft (oder umgekehrt). Durch die Trennung der Signalwege des einlaufenden und des auslaufenden Signals werden die unerwünschten Induktions- und Impedanzeffekte minimiert und die Leistung des Kondensators bei hohen Frequenzen wird erheblich verbessert, wie es unten beschrieben wird.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine herkömmliche Anordnung, bei welcher ein Kondensator 3′ über einzelne Leiterbahnen 13′ und 23′ mit durchmetallisierten Boh rungen 15′ und 25′ verbunden ist. In dem Schaltbild ist zwischen der Leiterbahn 13′ und dem Kondensator 3′ eine Impedanz 40′ des Werts Z_L dargestellt, welche von der Verbindung mit dem Kondensator stammt. In dem Schaltbild ist weiter dargestellt, daß die Bohrungen 15′ und 25′ über einen Oszillator 50′ und einen hierzu in Serie geschalteten Widerstand 51′ des Werts Z_s von 50 Ω miteinander verbunden sind. Der Oszillator 50′ stellt die Interferenzquelle dar, welche eine Dämpfung erfordert. Bei der angenommenen Induktion wird aus Gründen der Vereinfachung nur ein Wert des Kondensators in Betracht gezogen.

Wenn die aus dem Anschluß des Kondensators 3′ resultierende Induktion 14 nH beträgt, ergäbe dies bei 100 MHz:

6,28 × 10⁸ × 14 × 10^-9

oder

Z_L = J 8,8 Ω.

Die Selbstresonanzfrequenz des Kondensators 3 beträgt 500 MHz, wird jedoch aus Gründen der einfacheren Darstellung vernachlässigt. Die Reaktanz des Kondensa tors bei 100 MHz beträgt -J 1,59 mΩ. Weil J 8,8 den Wert -J 1,59 × 10^-3 wesentlich übersteigt und ein Verhältnis oder eine Dämpfung gesucht wird, kann angenommen werden, daß dies Maße für die Impedanz

(Z_L + Z_c)/(Z_s + Z_L + Z_c)

sind oder

(8,8 + 0,00159)/(50 + 8,8 + 0,00159) = 0,1499
20 log 0,1499 = -16 dB ungefähre Dämpfung.

In Fig. 4 ist das Ersatzschaltbild der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Komponenten mit den gleichen Bezugszahlen, jedoch ungestrichen, versehen sind. Das Schaltbild unterscheidet sich von dem in Fig. 3 dargestellten Schaltbild dadurch, daß sich zwischen dem Kondensator 3 und den beiden durchmetallisierten Bohrungen 15 und 16 jeweils eine Induktivität 40 und 41 befindet, welche sich aus der Verbindung der beiden Anschlußflächen 10 und 11 mit der Anschlußfläche 31 des Kondensators ergibt; diese beiden Induktivitäten haben den gleichen Z_L-Wert wie die Induktivität 40′ in dem Schaltbild nach Fig. 3. Weil diese beiden Induktivitäten dem Kondensator getrennt zugeführt werden, ergibt sich eine wesentlich verbesserte Dämpfung:

Z_c/(Z_s + Z_L + Z_c)

oder

1,59 × 10^-3/(50 + 8,8 + 0,0159) = 2,7 × 10^-5
20 log 2,7 × 10^-5 = -91 dB ungefähre Dämpfung.

Daraus ist ersichtlich, daß der Kondensator 3 bei diesen hohen Frequenzen eine erheblich größere Dämpfung bewirkt, wenn er in der erfindungsgemäßen Anordnung verschaltet ist, wodurch er die Interferenz auf der Leiterbahn 17 erheblich wirksamer reduziert.

Die Erfindung kann in verschiedener Weise modifiziert werden. Beispielsweise ist es nicht notwendig, daß die andere Anschlußfläche 32 des Kondensators wie oben beschrieben mit zwei getrennten Anschlußflächen auf dem Substrat verbunden ist, sondern die beiden Anschlußflächen können auch unmittelbar miteinander verbun den sein wie es in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Die er findungsgemäße Anordnung kann auch in anderen Anwendungen als zur Interfe renzunterdrückung eingesetzt werden, bei denen eine optimale Leistung der Anord nung erforderlich ist.

Claims

1. Anordnung aus elektrischen Bauteilen, umfassend ein Substrat (1) und min destens einen auflötbaren Kondensator (3) mit einer Anschlußfläche an je dem seiner Enden, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zwei voneinander getrennte elektrische Anschlußflächen (10, 11) aufweist, welche beide elektrisch mit der gleichen Anschlußfläche (31) des Kondensators (3) verbunden, jedoch ansonsten im Bereich des Kondensators (3) elektrisch von einander isoliert sind, die Anschlußflächen (10, 11) auf dem Substrat (1) mit entsprechenden, von dem Kondensator (3) wegführenden Leiterbahnen (13, 14) elektrisch verbunden sind und das Substrat (1) mindestens eine weitere Anschlußfläche (20, 21) aufweist, welche in elektrischer Verbindung mit der anderen Anschlußfläche (32) des Kondensators (3) steht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbah nen (13, 14) an einer von dem Kondensator (3) entfernten Stelle elektrisch miteinander verbunden sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei weitere Anschlußflächen (20, 21) umfaßt, welche beide elektrisch mit der anderen Anschlußfläche (32) des Kondensators (3) verbunden sind, an sonsten jedoch im Bereich des Kondensators (3) elektrisch voneinander isoliert sind.

4. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Leiterbahnen (13, 14) zu entsprechenden, durchmetallisier ten Bohrungen (15, 16) durch das Substrat (1) führen.

5. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anschlußflächen (31, 32) des Kondensators (3) mit den Anschlußflächen (10, 11, 20, 21) des Substrats (1) durch Lötstellen verbunden sind.