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WO2014114584A1 - Leiterplatte im lagenaufbau - Google Patents

Leiterplatte im lagenaufbau Download PDF

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Publication number
WO2014114584A1
WO2014114584A1 PCT/EP2014/050997 EP2014050997W WO2014114584A1 WO 2014114584 A1 WO2014114584 A1 WO 2014114584A1 EP 2014050997 W EP2014050997 W EP 2014050997W WO 2014114584 A1 WO2014114584 A1 WO 2014114584A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit board
printed circuit
barrier layer
board according
insulating barrier
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/050997
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Scholz
Original Assignee
Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg filed Critical Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg
Priority to EP14701333.8A priority Critical patent/EP2948965A1/de
Priority to CN201480005660.7A priority patent/CN105009235A/zh
Priority to US14/762,731 priority patent/US9793042B2/en
Publication of WO2014114584A1 publication Critical patent/WO2014114584A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F5/00—Coils
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04—Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range
    • H01F19/08—Transformers having magnetic bias, e.g. for handling pulses
    • H01F2019/085—Transformer for galvanic isolation
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H01F2027/2809—Printed windings on stacked layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H01F2027/2819—Planar transformers with printed windings, e.g. surrounded by two cores and to be mounted on printed circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/323—Insulation between winding turns, between winding layers

Definitions

  • the invention relates to a circuit board in a layer structure with transformer for galvanic isolation between individual circuits.
  • Isolation characteristics forms, tracks are provided to form coil windings, which
  • Insulating cover layers are protected, on which run partially feeding traces, which are connected in a first embodiment via vias to a transmitting chip or a receiver chip.
  • the vias pass through the insulation cover layers and partly also the
  • Substrate plate Substrate plate.
  • the coil windings form the inductive converter, which in a second embodiment via
  • Wire connections to the transmission chip and the receiving chip is connected.
  • the chips with the electrical or electronic components are thus arranged outside the galvanic isolator.
  • a broadband radio frequency transformer in layered construction is known from US 5,015,972, wherein primary winding and secondary winding between dielectric layers
  • Carrier plates overhanging insulating plate provided in the air gap. A layer structure of a printed circuit board is not formed thereby.
  • Isolation material of predetermined quality and minimum thickness between the circuits can be arranged. There is thus a galvanic connection between the individual circuits
  • Trennux is to be exchanged over the electrical energy, which for energy supply or the
  • electrical energy is hereinafter referred to as electrical signal.
  • components printed circuit boards
  • components printed circuit boards
  • Isolation trench corresponds to the minimum distance in air or the minimum creepage distance over the surface of the
  • Isolation trench which must be adhered to in order to achieve sufficient electrical voltage protection.
  • Galvanically separate circuits are interconnected by coupling components for signal exchange, and this purpose, inductive and capacitive transformers or operating in the electromagnetic near field antenna systems are useful, each having a first and at least second coupling element, between which solid
  • Insulation material extends.
  • the dielectric strength of this insulating material determines the tolerable
  • the invention has for its object to provide a printed circuit board with galvanic isolation between individual circuits, in which relatively high voltages between the individual circuits can be tolerated without relatively large creepage distances and electrical
  • the circuit board should also have a simple, cheap and space-saving design of the recorded components.
  • Circuits the circuit board on at least one inductive and / or capacitive transformer, each consisting of a first and a second coupling element with the interposition of an insulating barrier layer.
  • This insulating barrier layer provides as much insulation as possible.
  • isolation trenches for air or creepage distances on the printed circuit board can largely be dispensed with or their number can be greatly reduced. This is due to the fact that with regard to the same insulation values, the dimension of planar
  • Insulation regions for clearance and creepage distances is greater than the thickness of the insulating barrier layer.
  • a flat insulation region is understood to mean a surface region which extends on the printed circuit board, also around the edge of the printed circuit board, and, measured as an air gap and creepage distance of electric flashovers or
  • Leakage currents a minimum distance between galvanically isolated circuits or potential groups occupies.
  • a precise definition of clearances and creepage distances as well as their requirements can, for example, the
  • circuit board accordingly considered as part of the circuit board, too if these attachments have no layer structure.
  • the coupling elements for example, as conductor track loops or as
  • the circuit board material itself is used as the insulating medium between adjacent circuits.
  • the two opposite sides of the layer structure for the different circuits or potential groups are used as the insulating medium between adjacent circuits.
  • FIG. 1 shows an inductive transformer in exploded view of the various layers as a section of a printed circuit board
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a printed circuit board, with components mounted on both sides
  • Fig. 3 shows a further longitudinal section through a
  • Fig. 4 is a plan view of layer parts of another PCB.
  • Fig. 1 shows the layer structure of an inventive
  • the ply structure comprises a first insulation spacer layer 71, an insulating barrier layer 61, and a second insulation layer
  • Insulation spacer layer 72 The first
  • Insulation spacer layer 71 provides a mounting surface for components, i. H. electrical / electronic components 13 and for printed conductors 14 (see FIG. 2). Also, the second insulating spacer layer 72 has a mounting surface for components, i. H. electrical / electronic components 23 and for printed conductors 24. Electrical contacts 8 pass through the respective insulating spacer layer 71 or 72, respectively, around the respective conductor tracks on the upper side with the underside of the relevant one
  • Insulation spacer layer to connect.
  • a helical coil 11 which can be contacted with its terminal end 82 to electrical / electronic components, wherein the other terminal end 81 by means of
  • Insulation spacer layer 71 leads over, from there also to electrical / electronic components
  • Barrier layer 61 is also one
  • Insulation spacer layer 72 are arranged, wherein the connection from top to bottom of the
  • Isolation distance layer in turn by an electric Contact 8 takes place.
  • the coils 11 and 21 are separated from each other by the insulating barrier layer 61 and constitute the coupling elements of an inductive transformer 10. To increase the effectiveness of the inductive
  • Transformer 10 and to shield against interference ferrite plates 41 and 42 may be provided in spatial overlap with the coils 11 and 21.
  • an additional, (not shown) insulating layer is present, for. B. in the form of a suitable paint.
  • the inductive transformer 10 formed by the coils 11, 21 has a
  • Circuit 1 and a second circuit 2 are exchanged.
  • This exchanged energy is referred to in the present application as a signal and can be used for data exchange, as it is known. in the
  • the first circuit 1 and the second circuit 2 is still a capacitive
  • Transmitter 20 coupled together, the capacitor plates 12, 22 in a Kochdeckungs- and transmission area contains and electric alternating fields E the
  • the first circuit 1 contains electrical / electronic components 13, which on the free top of the
  • Insulation spacer layer 71 are attached and which are supplied via tracks 14 with voltage / current.
  • the conductor tracks 14 extend on both sides of the
  • Insulation spacer layer 71 and are connected via contacts 8, as shown.
  • the second circuit 2 is on the top and bottom of the second
  • Insulation spacer layer 72 is arranged and includes
  • Lines may be attached to an insulating spacer layer 71 or 72.
  • Through holes 9 may be provided which extend through the layer structure of the printed circuit board 100 therethrough.
  • the Connecting lines 91 for power and signal supply of the circuit 1 can of course be arranged immediately adjacent to the elements 11, 12, 13, 14 of the circuit 1, while the minimum distance DO, which represents the creepage distance to the circuit 2, between the electrical via 9 and the nearest component of the circuit 2 must be maintained. In the same way connected to the connecting lines 92 electrical feedthrough 9 must be
  • a minimum thickness Di of the insulating barrier layer between the circuits This minimum thickness Di depends on the quality of the insulating material and on the magnitude of the overvoltage to be tolerated. If, for example, the printed circuit board material FR4 is used as the insulating medium, it can be assumed that the withstand voltage is approximately 40 kV per millimeter. A minimum thickness of 0.2 mm would therefore a dielectric strength of 8 kV
  • Dielectric strength or voltage class at a given minimum insulation thickness lead.
  • the circuit board according to the invention can in
  • Measuring devices for measuring high voltages are used. So z. B. a high voltage to be measured in a
  • Measuring signal can be implemented, which can be evaluated with comparatively low voltages and currents.
  • the circuit board can also be used in devices that are designed for low voltages, but can be exposed to high voltages in the event of a fault.
  • Fig. 3 shows a printed circuit board construction 200 with three circuits 1, 2, 3. There are two insulating materials
  • the circuits 1 of FIGS. 2 and 3 are structurally identical.
  • the circuit 2 is associated with parts of the insulating barrier layer 62 and the insulating spacer layer 72.
  • the circuit 3 extends over portions of the insulating spacer layer 72, the insulating barrier layer 62 and the
  • the inductive transformer 10 connects all three circuits together and the capacitive transformer 20 couples only the circuit 1 to the circuit 3. Between all circuits the necessary isolation distance is maintained, on the one hand by the minimum distance DO of the creepage distances between the circuits and the minimum thickness Di of
  • planar insulation regions extending over the surface of the printed circuit board are formed between the covering and transformer regions of the transformers 10, 20, whereby air gaps and creepage distances of sufficient length between conductive components of adjacent circuits are formed be created which exceed or exceed the minimum distances.
  • the flat insulation regions can extend over the edge of the printed circuit board, as indicated on the right edge of the printed circuit board 200 in FIG. 3.
  • Fig. 4 shows a printed circuit board with a layer structure as in Fig. 2, but for three circuits 1, 2 and 3. Die
  • inductive transformers 10 used for coupling between the circuits, namely 10a for coupling the circuits 1 and 2, 10b for coupling the circuits 1 and 3 and 10c for coupling the
  • the minimum thickness Di is formed in each case over the insulating barrier layer 61.
  • the minimum distance DO as an air gap or creepage distance between the circuits is maintained everywhere, even in the case of the transformer 10b, since the creepage distance extends beyond the edge of the printed circuit board, as shown in FIG. 3 on the right-hand edge of the picture. So z. B. the transformer 10a from the first to the second circuit of an associated planar
  • the transformer 10b from the third to the first circuit is from an associated areal insulating region around the edge of the circuit board at a distance 2 D0 / 2 + Y to the connecting lines 91 of the first circuit surrounded and the transformer 10c of the second to the third circuit is of an associated areal isolation region with distance D0 + Z to the
  • the surfaces of the circuit board are split even more intelligently and / or there are several insulating materials.
  • Through holes 9 are connected to each other, which are located outside the flat isolation regions around the transformer 10b and 10c.
  • the described method thus makes it possible to equip even several circuits to be isolated by as few vias as possible and only one or a few insulating ones
  • barrier layers in the layer structure.
  • the structure of the printed circuit board described can be modified. So it is possible two or more
  • Isolation spacers to provide one above the other, within which the components of the circuits are housed.
  • electrical / electronic components by means of SMD technology (Surface Mounting Devices) attached and optionally also included.
  • SMD technology Surface Mounting Devices
  • the values Di and DO can also be individually selected differently depending on the requirements of the withstand voltages to the individual circuits.
  • three can be used for three circuits to be separated

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Leiterplatte im Lagenaufbau, der mehrere Stromkreise (1, 2) beherbergt. Die Stromkreise sind durch eine isolierende Barriereschicht (61) mit einer Mindestdicke (Di) sowie mit Mindestabstand (D0) zwischen leitenden Komponenten der Stromkreise voneinander getrennt.

Description

Leiterplatte im Lagenaufbau
Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte in einem Lagenaufbau mit Übertrager zur galvanischen Trennung zwischen einzelnen Stromkreisen.
Mit US 2011/0095620 AI = DE 10 2007 034 750 AI ist ein verbessertes galvanisches Trennglied mit einem induktiven Wandler in einem Lagenaufbau bekannt. Auf der Ober- und Unterseite einer Substratplatte, die eine Barriereschicht ausreichender Dicke und mit ausreichenden
Isolationscharakteristika bildet, sind Leiterbahnen zur Bildung von Spulenwindungen vorgesehen, die von
Isolationsdeckschichten geschützt werden, auf denen teilweise zuführende Leiterbahnen verlaufen, die in einer ersten Ausführungsform über Vias mit einem Sendechip bzw. einem Empfängerchip verbunden sind. Die Vias durchsetzen die Isolationsdeckschichten und teilweise auch die
Substratplatte. Die Spulenwindungen bilden den induktiven Wandler, der in einer zweiten Ausführungsform über
Drahtverbindungen mit dem Sendechip und dem Empfangschip verbunden ist. Die Chips mit den elektrischen oder elektronischen Bauelementen sind somit außerhalb des galvanischen Trenngliedes angeordnet.
Ein Breitband-Radiofrequenz-Transformator in Lagenaufbau ist aus US 5,015,972 bekannt, wobei Primärwicklung und Sekundärwicklung zwischen dielektrischen Schichten
angeordnet sind, die wiederum zwischen Ferrit-Deckplatten sitzen. Elektrische oder elektronische Bauelemente sind in den Lagenaufbau nicht einbezogen. Eine Energieversorgungseinheit zur Übertragung von
Hilfsenergie ist aus der EP 1 310 036 Bl bekannt und umfasst auf Trägerplatten angebrachte Primär- und
Sekundärspulen mit Luftspalt dazwischen. Um die Luftstrecke zwischen den Spulen zu verlängern, ist eine die
Trägerplatten überkragende Isolierplatte im Luftspalt vorgesehen. Ein Lagenaufbau einer Leiterplatte wird dadurch nicht gebildet.
Bei elektrischen/elektronischen Geräten müssen teilweise hohe Spannungen bewältigt werden, und zum Schutz gegenüber Überspannungen erfolgt häufig eine galvanische Trennung zwischen einzelnen Stromkreisen oder Potentialgruppen innerhalb des Gerätes. Um elektrische Überschläge in den Geräten zu vermeiden, müssen zwischen den zu trennenden Stromkreisen bestimmte Luft- und Kriechstrecken von
Entladungsströmen eingehalten werden, oder es muss
Isolationsmaterial vorbestimmter Qualität und Mindestdicke zwischen die Stromkreise angeordnet werden. Zwischen den einzelnen Stromkreisen gibt es somit eine galvanische
Trennstrecke, über die elektrische Energie ausgetauscht werden soll, welche zur Energieversorgung oder zum
Datenaustausch bzw. Informationsaustausch dienlich ist. Diese elektrische Energie wird nachfolgend als elektrisches Signal bezeichnet.
Häufig werden als Träger für elektrische/elektronische Bauteile und Baugruppen sowie Leiterbahnen (nachfolgend als „Komponenten" bezeichnet) Leiterplatten eingesetzt, die auch als Leiterkarten oder Platinen bezeichnet werden, flexibel oder starr sein können und in einer als Lagenaufbau bezeichneten Bauweise vorkommen. Zur
galvanischen Trennung zwischen verschiedenen Stromkreisen oder Potentialgruppen auf der Leiterplatte ist es bekannt, einen „Graben" auf der Leiterplatte vorzusehen, über den sich keine Komponente erstreckt. Die Breite des
Isolationsgrabens entspricht dem Mindestabstand in Luft oder der Mindestkriechstrecke über die Oberfläche des
Isolationsgrabens, die eingehalten werden müssen, um ausreichenden elektrischen Spannungsschutz zu erzielen. Je breiter der Isolationsgraben auf der Leiterplatte gewählt wird, umso weniger steht Nutzfläche zur Unterbringung von elektrischen/elektronischen Bauelementen zur Verfügung.
Galvanisch voneinander getrennte Stromkreise werden durch Koppelbauteile miteinander zum Signalaustausch verbunden, und hierzu sind induktive und kapazitive Übertrager bzw. im elektromagnetischen Nahfeld arbeitende Antennensysteme nützlich, die jeweils ein erstes und ein mindestens zweites Koppelelement aufweisen, zwischen denen sich festes
Isolationsmaterial erstreckt. Die Spannungsfestigkeit dieses Isolationsmaterials bestimmt die tolerierbare
Spannungsdifferenz zwischen den Potentialgruppen bzw.
einzelnen Stromkreisen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte mit galvanischer Trennung zwischen einzelnen Stromkreisen zu schaffen, bei denen relativ hohe Spannungen zwischen den einzelnen Stromkreisen toleriert werden können, ohne dass relativ große Luft- und Kriechstrecken elektrischer
Entladungsströme über die Oberfläche der Leiterplatte in Kauf genommen werden müssen. Die Leiterplatte soll ferner einen möglichst einfachen, günstigen und platzsparenden Aufbau der aufgenommenen Komponenten aufweisen.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.
Zur galvanischen Trennung zwischen den einzelnen
Stromkreisen weist die Leiterplatte mindestens einen induktiven und/oder kapazitiven Übertrager auf, der jeweils aus einem ersten und einem zweiten Koppelelement unter Zwischenlage einer isolierenden Barriereschicht besteht.
Diese isolierende Barriereschicht bringt möglichst viel der benötigten Isolation auf. Dadurch können Isolationsgräben für Luft- bzw. Kriechstrecken auf der Leiterplatte zum Großteil entfallen bzw. kann deren Anzahl stark reduziert werden. Dies beruht darauf, dass im Hinblick auf gleiche Isolationswerte die Abmessung von flächigen
Isolationsregionen für Luft- und Kriechstrecken größer ist als die Dicke der isolierenden Barriereschicht. Unter einer flächigen Isolationregion wird ein Oberflächenbereich verstanden, der sich auf der Leiterplatte, auch um den Rand der Leiterplatte herum erstreckt und, gemessen als Luft- und Kriechstrecke von elektrischen Überschlägen oder
Kriechströmen, einen Mindestabstand zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen oder Potentialgruppen einnimmt. Eine präzise Definition von Luft- und Kriechstrecken sowie deren Anforderungen können beispielsweise den
Beschreibungen und Figuren der Normen DIN EN 60664-1, DIN EN 60079-11/15 und DIN EN 61010-1 entnommen werden. Isolierende Anbauten an der Leiterplatte zur Verlängerung der Luft- und Kriechstrecken bzw. Vergrößerung der
Abmessung der flächigen Isolationsregion werden
entsprechend als Teil der Leiterplatte betrachtet, auch wenn diese Anbauten keinen Lagenaufbau aufweisen.
Die Reduzierung des Platzbedarfs auf der Leiterplatte durch Fortfall bzw. Minimierung von Isolationsgräben führt ferner zu einer Reduzierung des Kostenaufwands bei der Herstellung der Leiterplatte. Weitere Kostenersparnis wird durch baulich einfache Koppelelemente ermöglicht, die auf
Planartechnik beruhen. Dabei werden die Koppelelemente beispielsweise als Leiterbahnenschleifen oder als
Kondensatorplatten hergestellt.
Im Einzelnen wird mit der isolierenden Barriereschicht das Leiterplattenmaterial selber als Isolationsmedium zwischen benachbarten Stromkreisen verwendet. Dabei werden die beiden sich gegenüberliegenden Seiten des Lagenaufbaus für die verschiedenen Stromkreise oder Potentialgruppen
verwendet und die Leiterplatte beidseitig mit den
elektrischen/elektronischen Bauelementen bestückt.
Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte über Vias oder Durchsteiger werden weitgehend vermieden oder nur im seitlichen Abstand von den Übertragern ausgeführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der
Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen induktiven Übertrager in Explosionsansicht der verschiedenen Lagen als Abschnitt einer Leiterplatte, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Leiterplatte, mit beidseitig angebrachten Komponenten,
Fig. 3 einen weiteren Längsschnitt durch eine
Leiterplatte in schematischer Darstellung, und
Fig. 4 eine Draufsicht auf Schichtteile einer weiteren Leiterplatte .
Fig. 1 zeigt den Lagenaufbau einer erfindungsgemäßen
Leiterplatte mit den einzelnen Schichten des Lagenaufbaus in Z-Richtung auseinandergezogen. Der Lagenaufbau umfasst eine erste Isolationsabstandsschicht 71, eine isolierende Barriereschicht 61 und eine zweite
Isolationsabstandsschicht 72. Die erste
Isolationsabstandsschicht 71 bietet eine Montagefläche für Komponenten, d. h. elektrische/elektronische Bauelemente 13 und für Leiterbahnen 14 (siehe Fig. 2) dar. Auch die zweite Isolationsabstandsschicht 72 weist eine Montagefläche für Komponenten, d. h. elektrische/elektronische Bauelemente 23 sowie für Leiterbahnen 24 auf. Elektrische Kontaktierungen 8 führen durch die jeweilige Isolationsabstandsschicht 71 bzw. 72 hindurch, um die jeweiligen Leiterbahnen auf der Oberseite mit der Unterseite der betreffenden
Isolationsabstandsschicht zu verbinden. Auf der Oberseite der Isolationsabstandsschicht 71 erstreckt sich eine spiralförmige Spule 11, welche mit ihrem Anschlussende 82 an elektrische/elektronische Bauelemente kontaktiert werden kann, wobei das andere Anschlussende 81 mittels der
elektrischen Kontaktierung 8 auf die andere Seite der
Isolationsabstandsschicht 71 hinüberführt, um von dort ebenfalls an elektrische/elektronische Bauelemente
kontaktiert zu werden. Unterhalb der isolierenden
Barriereschicht 61 befindet sich ebenfalls eine
spiralförmige Spule 21 mit zwei Anschlussenden 83 und 84, die auf unterschiedlichen Seiten der zweiten
Isolationsabstandsschicht 72 angeordnet sind, wobei die Verbindung von Oberseite zur Unterseite der
Isolationsabstandsschicht wiederum durch eine elektrische Kontaktierung 8 erfolgt. Die Spulen 11 und 21 sind durch die isolierende Barriereschicht 61 voneinander getrennt und stellen die Koppelelemente eines induktiven Übertragers 10 dar. Zur Erhöhung der Wirksamkeit des induktiven
Übertragers 10 und zur Abschirmung gegenüber Störeinflüssen können Ferritplatten 41 bzw. 42 in räumlicher Überdeckung mit den Spulen 11 und 21 vorgesehen sein. Um ein
Kurzschließen von Spulenwindungen durch elektrisch leitende Körper zu verhindern, ist zwischen den Ferritelementen und den Spulenwindungen eine zusätzliche, (nicht dargestellte) Isolationsschicht vorhanden, z. B. in Form eines geeigneten Lackes .
Fig. 2 zeigt eine Leiterplatte 100. Der durch die Spulen 11, 21 gebildete induktive Übertrager 10 weist einen
Überdeckungs- und Übertragungsbereich auf, welcher der hauptsächlichste Bereich der Ausbreitung der magnetischen Wechselfelder ist, wie in Fig. 2 mit H dargestellt. Mittels des Übertragers 10 kann Energie zwischen einem ersten
Stromkreis 1 und einem zweiten Stromkreis 2 ausgetauscht werden. Diese ausgetauschte Energie wird in vorliegender Anmeldung als Signal bezeichnet und kann dem Datenaustausch nutzbar gemacht werden, wie es bekannt ist. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Stromkreis 1 und der zweite Stromkreis 2 noch über einen kapazitiven
Übertrager 20 miteinander gekoppelt, der Kondensatorplatten 12, 22 in einem Überdeckungs- und Übertragungsbereich enthält und über elektrische Wechselfelder E die
Signalübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten
Stromkreis ermöglicht. Der erste Stromkreis 1 enthält elektrische/elektronische Bauelemente 13, die auf der freien Oberseite der
Isolationsabstandsschicht 71 angebracht sind und die über Leiterbahnen 14 mit Spannung/Strom versorgt werden. Die Leiterbahnen 14 erstrecken sich auf beiden Seiten der
Isolationsabstandsschicht 71 und sind über Kontaktierungen 8 verbunden, wie dargestellt. Der zweite Stromkreis 2 ist auf der Ober- und Unterseite der zweiten
Isolationsabstandsschicht 72 angeordnet und umfasst
elektrische/elektronische Bauelemente 23 und Leiterbahnen 24 in ähnlicher Weise, wie dies hinsichtlich der
Bauelemente 13 und der Leiterbahnen 14 für den Stromkreis 1 beschrieben worden ist. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist noch ein zusätzlicher induktiver Übertrager 26 vorgesehen, der den Stromkreis 2 in zwei Abschnitte 2a und 2b unterteilt. Damit sollen die diversen Möglichkeiten der Bestückung und Unterteilung der Leiterplatte illustriert werden . Um die Leiterplatte 100 in ein Gerät einzubeziehen, bedarf es elektrischer Anschlussleitungen 91, 92 zu Zwecken der Energieversorgung und der Signalhandhabung. Solche
Leitungen können an einer Isolationsabstandsschicht 71 oder 72 befestigt sein. Zur Befestigung solcher Leitungen 91, 92 können aber auch Verankerungen in Form von elektrischen
Durchkontaktierungen 9 vorgesehen sein, die sich durch den Lagenaufbau der Leiterplatte 100 hindurch, erstrecken.
Solche elektrische Durchkontaktierungen schwächen die
Spannungsfestigkeit des Lagenaufbaus und insbesondere der isolierenden Barriereschicht 61, und zwar in einem gewissen Umkreis, der als Mindestabstand DO zu „fremden" oder „benachbarten" Stromkreisen zu betrachten ist. Die Anschlussleitungen 91 zur Strom- und Signalversorgung des Stromkreises 1 können natürlich unmittelbar benachbart zu den Elementen 11, 12, 13, 14 des Stromkreises 1 angeordnet werden, während der Mindestabstand DO, der die Luft- bzw. Kriechstrecke zu dem Stromkreis 2 darstellt, zwischen der elektrischen Durchkontaktierung 9 und der nächstliegenden Komponente des Stromkreises 2 eingehalten werden muss. In gleicher Weise muss die mit den Anschlussleitungen 92 verbundene elektrische Durchkontaktierung 9 den
Mindestabstand DO zu der nächstliegenden Komponente des Stromkreises 1 einhalten. Zum Schutz von Überschlägen zwischen den Stromkreisen ist es ferner notwendig, eine Mindestdicke Di der isolierenden Barriereschicht zwischen den Stromkreisen einzuhalten. Diese Mindestdicke Di hängt von der Güte des Isolationsmaterials und von der Höhe der zu tolerierenden Überspannung ab. Wird beispielsweise das Leiterplattenmaterial FR4 als Isolationsmedium verwendet, kann in etwa mit einer Spannungsfestigkeit von 40 kV pro Millimeter ausgegangen werden. Eine Mindestdicke von 0,2 mm würde demnach einer Spannungsfestigkeit von 8 kV
entsprechen, während eine Mindestdicke von 0,5 mm
entsprechend 20 kV Spannungsfestigkeit aufweisen könnte. Nach verschiedenen Normen und Richtlinien können erhöhte Sicherheitsaufschläge zu einer Verringerung der
Spannungsfestigkeit bzw. Spannungsklasse bei vorgegebener Mindestisolationsdicke führen.
Durch diese Maßnahmen der Mindestdicke Di bzw. des
Mindestabstandes DO ist es möglich, die im Lagenaufbau konzipierte Leiterplatte für Hochspannungsanwendungen zur Verfügung zu stellen. Zwischen den Anschlüssen 91 und 92 können somit Spannungsdifferenzen im kV-Bereich bewältigt werden. Die erfindungsgemäße Leiterplatte kann in
Messgeräten zur Messung hoher Spannungen eingesetzt werden. So kann z. B. eine zu messende Hochspannung in ein
Messsignal umgesetzt werden, das mit vergleichsweise geringen Spannungen und Strömen ausgewertet werden kann. Die Leiterplatte kann auch in Geräten eingesetzt werden, die an sich für Niederspannungen ausgelegt sind, jedoch im Fehlerfall hohen Spannungen ausgesetzt sein können. Fig. 3 zeigt eine Leiterplattenkonstruktion 200 mit drei Stromkreisen 1, 2, 3. Es werden zwei isolierenden
Barriereschichten 61 und 62 sowie drei
Isolationsabstandsschichten 71, 72, 73 und drei Gruppen von Anschlussleitungen 91, 92, 93 verwendet. Die Stromkreise 1 aus Fig. 2 und 3 sind konstruktiv identisch. Der Stromkreis 2 ist Teilen der isolierenden Barriereschicht 62 und der Isolationsabstandsschicht 72 zugeordnet. Der Stromkreis 3 erstreckt sich über Teile der Isolationsabstandsschicht 72, der isolierenden Barriereschicht 62 und der
Isolationsabstandsschicht 73. Der induktive Übertrager 10 verbindet jedoch alle drei Stromkreise miteinander und der kapazitive Übertrager 20 koppelt nur den Stromkreis 1 mit dem Stromkreis 3. Zwischen allen Stromkreisen wird der nötige Isolationsabstand eingehalten, und zwar einerseits durch den Mindestabstand DO der Luft- bzw. Kriechstrecken zwischen den Stromkreisen und der Mindestdicke Di der
Isolationsschichten zwischen den Stromkreisen. Dadurch werden flächige, sich über die Oberfläche der Leiterplatte erstreckende Isolationsregionen zwischen den Überdeckungs- und Übertragerbereichen der Übertrager 10, 20 gebildet, wodurch Luft- und Kriechstrecken ausreichender Länge zwischen leitenden Komponenten benachbarter Stromkreise geschaffen werden, die die Mindestabstände DO einhalten oder übersteigen. Die flächigen Isolationsregionen können sich über den Rand der Leiterplatte erstrecken, wie am rechten Rand der Leiterplatte 200 in Fig. 3 angedeutet.
Fig. 4 zeigt eine Leiterplatte mit einem Lagenaufbau wie in Fig. 2, jedoch für drei Stromkreise 1, 2 und 3. Die
Oberseite des Lagenaufbaus ist mit Diagonalschraffierung dargestellt, während die Unterseite mit karierter Schraffur visualisiert ist. Es werden drei induktive Übertrager 10 zur Kopplung zwischen den Schaltkreisen verwendet, und zwar 10a zur Kopplung der Schaltkreise 1 und 2, 10b zur Kopplung der Schaltkreise 1 und 3 sowie 10c zur Kopplung der
Schaltkreise 2 und 3. Die galvanische Trennstrecke
hinsichtlich der Mindestdicke Di wird jeweils über die isolierende Barriereschicht 61 gebildet. Der Mindestabstand DO als Luft- bzw. Kriechstrecke zwischen den Stromkreisen ist überall eingehalten, auch bei dem Übertrager 10b, da die Kriechstrecke sich über den Rand der Leiterplatte hinweg erstreckt, ähnlich wie in Fig. 3 am rechten Bildrand dargestellt. So ist z. B. der Übertrager 10a vom ersten zum zweiten Stromkreis von einer zugehörigen flächigen
Isolationsregion mit Abstand D0+X zu den Anschlussleitungen 92 des zweiten Stromkreises umgeben, der Übertrager 10b vom dritten zum ersten Stromkreis ist von einer zugehörigen flächigen Isolationsregion um den Rand der Leiterplatte herum mit Abstand 2 D0/2+Y zu den Anschlussleitungen 91 des ersten Stromkreises umgeben und der Übertrager 10c des zweiten zum dritten Stromkreises ist von einer zugehörigen flächigen Isolationsregion mit Abstand D0+Z zu den
Anschlussleitungen 92 des zweiten Stromkreises umgeben. X, Y und Z kennzeichnen Zusatzlängen zur minimalen Luft- und Kriechstrecke DO .
Zur Konstruktion von Leiterplatten mit vier oder noch mehreren voneinander zu trennenden Stromkreisen werden die Oberflächen der Leiterplatte noch stärker intelligent aufgeteilt und/oder es werden mehrere isolierende
Barriereschichten verwendet. Wie im Falle der Fig. 4 werden die Komponenten und die Leiterbahnen für manche Stromkreise sowohl auf der Oberseite als auf der Unterseite des
Lagenaufbaus angebracht. Um dabei konform mit den
geforderten Luft- und Kriechstrecken gemäß dem
Mindestabstand DO zu sein, sind bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Innerhalb eines Bereichs mit dem Abstand DO um die Übertrager 10 befinden sich keine Durchbrechungen oder Durchkontaktierungen der Isolationsschichten. Auch
Komponenten benachbarter Stromkreise wahren diesen Abstand DO zu dem Übertrager. Die kreisförmigen Bereiche in Fig. 4 verdeutlichen diesen Sachverhalt. Der Stromkreis 3 verteilt sich auf zwei Seiten der Leiterplatte, die mittels
Durchkontaktierungen 9 miteinander verbunden sind, welche sich außerhalb der flächigen Isolationsregionen um die Übertrager 10b und 10c befinden. Die geschilderte Methode ermöglicht es somit, auch mehrere galvanisch zu trennende Stromkreise mit möglichst wenigen Durchkontaktierungen auszustatten und nur eine oder wenige isolierende
Barriereschichten in dem Lagenaufbau zu verwenden.
Der Aufbau der beschriebenen Leiterplatte kann modifiziert werden. So ist es möglich, zwei oder mehrere
Isolationsabstandsschichten übereinander vorzusehen, innerhalb welchen die Komponenten der Stromkreise untergebracht sind. Dabei können elektrische/elektronische Bauelemente mittels SMD-Technologie (Surface Mounting Devices) angebracht und gegebenenfalls auch eingeschlossen werden. Für die hohe Spannungsfestigkeit der Leiterplatte bleibt jedoch die isolierende Barriereschicht bzw.
Barriereschichten verantwortlich .
Bei drei oder mehr zu trennenden Stromkreisen können die Werte Di und DO individuell je nach Anforderungen der Spannungsfestigkeiten an die individuellen Stromkreise auch unterschiedlich gewählt werden. So können beispielsweise für DO bei drei zu trennenden Stromkreisen drei
verschiedene Werte D012 für die Trennung von Stromkreis 1 und 2, D013 für die Trennung von Stromkreis 1 und 3 sowie D023 für die Trennung der Stromkreise 2 und 3 verwendet werden. Entsprechendes gilt auch für Di.

Claims

Patentansprüche
1. Leiterplatte in einem Lagenaufbau mit galvanischer Trennung zwischen einzelnen Stromkreisen, umfassend:
- ein erstes Koppelelement, das einem ersten Stromkreis (1) zugeordnet ist,
- eine erste Isolationsabstandsschicht (71) zur räumlichen Trennung von Komponenten (13, 14) des ersten Stromkreises
(1) ,
- ein zweites Koppelelement, das einem zweiten Stromkreis
(2) zugeordnet ist,
- eine zweite Isolationsabstandsschicht (72) zur räumlichen Trennung von Komponenten (23, 24) des zweiten Stromkreises (2 ) , und
- eine (erste) isolierende Barriereschicht (61) mit einer Mindestdicke (Di) zur Erzielung einer hohen
Spannungsfestigkeit zwischen den Stromkreisen (1, 2),
- wobei das erste und das zweite Koppelelement sich unter Zwischenlage der isolierenden Barriereschicht (61)
überdecken und in einem Überdeckungs- und
Übertragungsbereich einen Übertrager (10; 20) bilden,
- wobei jeder Übertrager (10; 20) hinsichtlich des ersten Koppelelements, oder einer zugehörigen Ferritplatte (41), von einer ersten flächigen Isolationsregion umgeben ist, die sich über die Oberfläche der Leiterplatte mit einer Luft- und Kriechstrecke D0+X oder D0+Y oder D0+Z zu
leitenden Komponenten des zweiten Stromkreises (2)
erstreckt, und jeder Übertrager (10; 20) hinsichtlich des zweiten Koppelelements, oder einer zugehörigen Ferritplatte (42), von einer zweiten flächigen Isolationsregion umgeben ist, die sich über die Oberfläche der Leiterplatte mit einer Luft- oder Kriechstrecke D0+X oder D0+Y oder D0+Z zu leitenden Komponenten des ersten Stromkreises (1)
erstreckt, wobei DO einen Mindestabstand und X, Y, Z Zusatzlängen bedeuten, und
- wobei elektrische Durchkontaktierungen (9), falls solche zur Energie- und Signalversorgung des ersten oder zweiten Stromkreises vorgesehen sind und zudem in der isolierenden Barriereschicht (61) verankert sind, den Mindestabstand (DO) zu leitenden Komponenten des jeweils benachbarten Stromkreises einhalten.
2. Leiterplatte nach Anspruch 1,
wobei die isolierende Barriereschicht (61) auf beiden Seiten mit Leiterbahnen (14, 24) versehen ist, die an die erste bzw. zweite Isolationsabstandsschicht (71, 72) angrenzen.
3. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Spannungsfestigkeit der Barriereschicht (61) auf mindestens 1000 V ausgelegt ist.
4. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Spannungsfestigkeit der Barriereschicht (61) auf mindestens 10000 V ausgelegt ist.
5. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die isolierende Barriereschicht eine Mindestdicke (Di) von 0,2 mm aufweist.
6. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die isolierende Barriereschicht eine Mindestdicke (Di) von 0,5 mm aufweist.
7. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die isolierende Barriereschicht eine Mindestdicke (Di) von 1 mm aufweist.
8. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste und/oder der zweite Stromkreis zwei
Abschnitte (2a, 2b) aufweist, die über einen Übertrager miteinander gekoppelt sind.
9. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine zweite isolierende Barriereschicht (62) angrenzend zu einer dritten Isolationsabstandschicht (73) vorgesehen ist und auf ihrer freien Seite die zweite Isolationsabstandsschicht (72) sowie Komponenten wie elektrische/elektronische Bauteile (33) und Leiterbahnen (34) eines dritten Stromkreises (3) aufweist.
10. Leiterplatte nach Anspruch 9,
wobei der dritte Stromkreis (3) von leitenden Komponenten des ersten und zweiten Stromkreises durch flächige
Isolationsregionen (DO+X, DO+Y, DO+Z) getrennt angeordnet ist, die gleich oder größer als der Mindestabstand (DO) sind .
11. Leiterplatte nach Anspruch 9 oder 10,
wobei die zweite Isolationsabstandschicht (72) Teile des zweiten Stromkreises und des dritten Stromkreises trägt.
12. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mehrere Stromkreise (1, 2, 3) sich auf der Oberseite und der Unterseite des Leiterplatte verteilen und jeder Stromkreis über die flächige Isolationsregion einen Mindestabstand (DO) einhält sowie bei Überdeckung über die isolierende Barriereschicht (61) die
Mindestspannungsfestigkeit aufbringt .
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