DE102013114006A1

DE102013114006A1 - Leiterplatte

Info

Publication number: DE102013114006A1
Application number: DE102013114006.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ragg
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-06-18
Also published as: US9693446B2; US20150173173A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte (1), umfassend: ein Basismaterial (6) auf und/oder in dem sich zumindest eine Leiterbahn (3) befindet, und zumindest eine Heizleiterbahn (7) auf einer Heizlage (1.heat) der Leiterplatte (1) in dem Basismaterial (6) zum Erzeugen und Leiten von Wärme. Die Leiterplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Heizleiterbahn (7) um einen Kaltleiter handelt und an der Heizleiterbahn (7) eine konstante Spannung (V1) anliegt. Die Erfindung betrifft weiter ein Einschubmodul umfassend eine solche Leiterplatte. Die Erfindung betrifft weiter ein Feldgerät umfassend eine solche Leiterplatte und/oder ein solches Einschubmodul.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte. Die Erfindung betrifft weiter ein Einschubmodul. Die Erfindung betrifft weiter ein Feldgerät umfassend eine solche Leiterplatte und/oder ein solches Einschubmodul.
Eine Leiterplatte (englisch: printed circuit board, PCB) ist ein Träger für elektronische Bauteile. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Nahezu jedes elektronische Gerät enthält eine oder mehrere Leiterplatten. Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen, Leiterbahnen genannt. Als isolierendes Material ist faserverstärkter Kunststoff üblich. Die Leiterbahnen werden zumeist aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt.
Als Beispiele für elektronische Bauteile sollen Elektronenröhre, Halbleiterdiode, Transistor, integrierte Schaltungen, Widerstand, Kondensator und Induktivität genannt werden. Eine integrierte Schaltung (englisch: integrated circuit, IC) ist eine auf einem einzelnen (Halbleiter-)substrat untergebrachte elektronische Schaltung, bestehend aus miteinander verdrahteten elektronischen Bauelementen. Das Hauptmerkmal von integrierten Schaltungen ist eine große Zahl an verschiedenartigen oder gleichen aktiven und passiven Bauelementen sowie verbindenden Leiterzügen auf oder in einem einkristallinen Substrat. Man unterscheidet beispielsweise nach der Signalart in digitale, analoge oder gemischte ICs. Typische ICs sind Speicher, Prozessoren, Logik-ICs, ASICs, DSPs, Mikrocontroller, D/A- und A/D-Wandler uvm.
Den meisten Beispielen gemein ist das Ausgangsmaterial. In überwiegender Zahl wird Silizium (für Spezialanwendungen kommt etwa Galliumarsenid zum Einsatz) als Substratmaterial verwendet. Silicium ist ein Elementhalbleiter. Durch Dotierung mit geeigneten Dotierelementen wie beispielsweise Bor oder Arsen können gewisse Eigenschaften, insbesondere die Leitfähigkeit, von Silizium verändert, insbesondere gesteigert, werden. Die Eigenschaften von Silizium sind aber hochgradig temperaturabhängig. Bei tiefen Temperaturen stellt der Halbleiterkristall einen Iosolator dar, d.h. er besitzt keine beweglichen Ladungsträger. Mit steigender Temperatur erhöht sich die Zahl der freien Ladungsträger und damit die Leitfähigkeit.
Hersteller von elektronischen Bauteilen geben als unterste Grenze für die Funktionstüchtigkeit häufig minus 40 °C an.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden, insbesondere zur Automation chemischer oder verfahrenstechnischer Prozesse und/oder zur Steuerung industrieller Anlagen, prozessnah installierte Messgeräte, sogenannte Feldgeräte, eingesetzt. Als Sensoren ausgestaltete Feldgeräte können beispielsweise Prozessmessgrößen wie Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand oder Messgrößen der Flüssigkeits- und/oder Gasanalyse wie zum Beispiel pH-Wert, Leitfähigkeit, Konzentrationen bestimmter Ionen, chemischer Verbindungen und/oder Konzentrationen oder Partialdrucke von Gasen, überwachen.
In einer Prozessanlage kommt häufig eine Vielzahl unterschiedlichster Sensoren zum Einsatz. Ein an einem bestimmten Einbauort im Prozess angeordneter Sensor, beispielsweise ein an einem bestimmten Einbauort installierter, zur Erfassung einer oder mehrerer Messgrößen ausgestalteter Sensor, bildet zusammen mit einem Messumformer (auch Transmitter genannt) eine Messstelle.
Ein Sensor weist in der Regel einen Messaufnehmer auf, der dazu ausgestaltet ist, die zu überwachende Messgröße zu erfassen und ein mit dem aktuellen Wert der Messgröße korreliertes elektrisches Messsignal zu erzeugen. Zur weiteren Verarbeitung des Messsignals dient eine elektronische Schaltung, die dazu ausgestaltet ist, das elektrische Messsignal weiter aufzubereiten, beispielsweise zu digitalisieren, in einen Messwert der Messgröße und/oder in eine von dem Messwert abgeleitete Größe umzurechnen, und gegebenenfalls an eine übergeordnete Einheit auszugeben. Die Schaltung kann neben der Messwertbildung und Messwert-Weiterleitung weitergehende Funktionen umfassen, zum Beispiel kann sie dazu ausgestaltet sein, eine weitergehende Auswertung der Messwerte oder eine Sensordiagnose durchzuführen, bei der ein aktueller Zustand des Sensors bestimmt wird und/oder eine Vorhersage der Restlebensdauer des Sensors erfolgt. Die Schaltung kann ganz oder teilweise im Transmitter angeordnet sein.
Feldgeräte werden in verschiedensten Branchen und Anwendungen benötigt. Exemplarisch soll hier die Gewinnung von Öl und Gas genannt werden. Dabei sind unter anderem USA, Kanada und Russland die Hauptförderländer. Dabei befinden sich die Öl- und Gasvorkommen häufig in sehr kalten Gegenden in den Temperaturen von unter –50 °C keine Seltenheit sind. Wie bereits erwähnt, können bei diesen Temperaturen elektrische Schaltungen unter Umständen nicht mehr funktionieren.
Herkömmlich werden Feldgeräte der Automatisierungstechnik bei sehr niedrigen Außentemperaturen mit Isolationsstoff eingepackt und von außen beheizt. Das hat den Nachteil, dass eine zusätzliche Stromversorgung teilweise mit erheblichem Aufwand, für eine Heizung benötigt wird. Zudem verliert das Feldgerät seinen kompakten Aufbau. Auch können Bedien- oder Signalisierungseinheiten durch den Isolationsstoff verdeckt werden.
Die Heizung erfolgt über die Leiterplatte gesehen sehr unregelmäßig. Darüber hinaus gibt es Bauteile auf der Leiterplatte, die selbst Wärme erzeugen (z.B. Prozessoren). Die Wärmeverteilung ist somit unregelmäßig und es entstehen so genannten „hot spots“, also Punkte an denen große Wärme, sogar Hitze entsteht und Punkte, die noch kalt sind. Durch diesen Temperaturgradienten über die Leiterplatte entstehen mechanische Spannungen, die im Extremfall dazu führen, dass sich die Bauteile von der Leiterplatte ablösen.
In der DE 10 2005 062 421 A1 ist eine Heizeinrichtung für ein Feldgerätedisplaymodul beschrieben, wobei die Heizeinrichtung ein Heizelement aufweist. Das Heizelement ist an die Form des Feldgerätedisplaymoduls angepasst und so ausgestaltet, dass es einen elektrischen Strom in Wärmeenergie wandeln kann. Das Heizelement ist derart mit dem Feldgerätedisplaymodul koppelbar, dass mittels des Heizelements das Feldgerätedisplaymodul beheizbar ist.
Aus der noch unveröffentlichten DE 10 2013 108 531 ist ein Feldgerät mit einem Heizelement und einer Regelung bekannt. Es ist eine Temperaturmesseinheit vorgesehen, die die Temperatur in der Umgebung einer temperaturempfindlichen Komponente bestimmt, und die Regelung das Heizelement so ansteuert, dass die Temperatur in der Umgebung der temperaturempfindlichen Komponente oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Da die Regelung meist selbst aus elektronischen Bauteilen besteht, ist ein Starten des Heizelements durch die Regelung bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur nur bedingt möglich.
Die EP 3 371 645 zeigt einen Heizer, der in einer Leiterplatte eingebettet ist, und der sich auf der Leiterplatte befindendes Lot schmelzen soll. Der Heizer ist aus Kupfer mit einer Schicht aus magnetisch durchlässigem Material. An den Heizer wird ein konstanter Strom hoher Frequenz angelegt. Die US 2006/0065431 zeigt einen ähnlichen Aufbau, wobei wiederum ein konstanter Strom an eine Heizstruktur in einer Leiterplatte angelegt wird um Lot zum Schmelzen zu bringen um so Bauteile ohne Wiederaufschmelzofen (englischer Fachbegriff: reflow oven) auf der Leiterplatte elektrisch zu kontaktieren.
Die US 2013/0180973 zeigt eine Leiterplatte mit einer oberen leitenden Lage und einer unteren leitenden Lage. Mehrere elektronische Bauteile sind auf zumindest einer der Lagen angebracht. Zwischen den beiden leitenden Lagen ist eine Heizlage mit horizontalen und vertikalen Heizstrukturen vorgesehen, die Wärme erzeugen und zum elektronischen Bauteil transportieren sollen. An die Heizstrukturen wird ein Strom angelegt, der wiederum Wärme erzeugt. Die Heizstruktur ist dabei eine leitende Kupferschicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektronische Bauteile von einem Kaltzustand auf eine bestimmte Temperatur, insbesondere die Betriebstemperatur, zu erwärmen und die Temperatur ohne separate Regelung zu halten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leiterplatte, umfassend: ein Basismaterial auf und/oder in dem sich zumindest eine Leiterbahn befindet, und zumindest eine Heizleiterbahn auf einer Heizlage der Leiterplatte in dem Basismaterial zum Erzeugen und Leiten von Wärme. Die Leiterplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Heizleiterbahn um einen Kaltleiter handelt und an der Heizleiterbahn eine konstante Spannung anliegt.
Meist ist die Bauteillage die oberste oder unterste Lage der Leiterplatte, in einer Ausgestaltung können die Bauteile aber auch auf einer inneren Lage der Leiterplatte angeordnet sein.
Ein Kaltleiter oder PTC-Widerstand (englisch: positive temperature coefficient) ist ein Material, das bei tieferen Temperaturen den Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen. Der elektrische Widerstand vergrößert sich bei steigender Temperatur. Diese Art von Widerstand besitzt somit einen positiven Temperaturkoeffizienten. Prinzipiell haben alle Metalle einen positiven Temperaturkoeffizienten, sind also Kaltleiter; im Unterschied zu „echten“ Kaltleitern ist ihr Temperaturkoeffizient jedoch wesentlich kleiner. Im Sinne dieser Anmeldung sollen nur „echte“ Kaltleiter als Kaltleiter verstanden werden. In diesem Sinne soll also etwa Kupfer, Gold, Silber, Aluminium, Nickel, Tantal, Eisen, Blei, Wolfram und Platin explizit ausgenommen werden. Kaltleiter sind meist aus halbleitenden, polykristallinen Keramiken gefertigt. Ein Beispiel hierfür ist Bariumtitanat (BaTiO₃), als Mischung aus Bariumcarbonat und Titan(IV)-oxid. Alternativ werden Kaltleiter auf Siliziumbasis verwendet. Der Temperaturkoeffizient von „echten“ Kaltleitern kann bis zu etwa 50x größer sein als bei Metallen, also in einer Größenordnung von 3 bis 30 %/°C liegen.
Wie erwähnt, ändert sich der Widerstand des Kaltleiters mit der Temperatur. An den Kaltleiter wird eine konstante Spannung angelegt. Herrscht etwa eine Temperatur von –60 °C so ist der Widerstand gering, es fließt ein großer Strom und es entsteht verhältnismäßig viel Wärme. Anschließend erwärmt sich das Bauteil, der Widerstand wird größer und es entsteht weniger Wärme. Bei einer bestimmten Temperatur des Bauteils und der Umgebung stellt sich ein Gleichgewicht ein zwischen erzeugter Wärme (respektive angelegter Spannung und fließender Strom) und abfließender Wärme. Durch eine bestimmte, konstante Spannung kann somit eine bestimmte Temperatur eingestellt werden. Mittels mathematischer Formeln über das ohmsche Gesetz, die Widerstands-Temperatur-Kennlinie, gegebenenfalls Navier-Stokes-Gleichungen, Konvektion etc. kann die für eine bestimmte Temperatur benötigte Spannung ausgerechnet werden.
Darüber hinaus kann auch bei sehr tiefen Temperaturen die Erwärmung gestartet werden. Es gibt keine Bauteile, die erst eine gewisse Betriebstemperatur erreichen müssen, wie etwa aktive Bauteile für eine Regelung, um zu funktionieren. Im Gegensatz zu einer Leiterplatte, mit einer geregelten Heizvorrichtung, die zwangsläufig aktive Bauteile umfasst, welche bei tiefen Temperaturen zunächst selbst erwärmt werden müssten um die Regelung zu starten, kann die Erwärmung der hier beschriebenen Leiterkarte auch bei sehr tiefen Temperaturen ohne zusätzliche Maßnahmen gestartet werden.
Grundsätzlich ist keine Regelung notwendig; etwaige Bauteile wie Mikrocontroller etc. die zur Regelung nötig sind, werden nicht benötigt. Durch die Verwendung eines Kaltleiters findet quasi eine „Selbstregelung“ statt und externe Bauteile sind für diesen Zweck nicht gefordert.
Bevorzugt befinden sich zumindest zwei Heizleiterbahnen auf der Heizlage die zumindest zwei Heizleiterbahnen lassen sich getrennt voneinander ansteuern, insbesondere liegen an den zumindest zwei Heizleiterbahnen verschiedene Spannungen an. Somit können verschiedene elektronische Bauteile unterschiedlich erwärmt werden, beispielsweise muss ein Prozessor, da er selbst Wärme generiert, weniger erwärmt werden wie ein passives Bauteil, etwa eine Spule.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leiterplatte zumindest ein elektronisches Bauteil auf einer Bauteillage der Leiterplatte, wobei das elektronische Bauteil mit der Leiterbahn über einen Kontakt in elektrischer Verbindung steht. Durch die Heizleiterbahn kann somit das elektronische Bauteil erwärmt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Heizleiterbahn unterhalb und/oder oberhalb des elektrischen Bauteils. Das Bauteil kann somit direkt von unten/oben erwärmt werden.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Leiterplatte ein thermisches Via und das Via verbindet die Heizlage mit der Bauteillage. Die Wärme wird somit direkt von der Heizlage mit der Bauteillage verbunden und wird direkt dorthin transportiert, wo sie benötigt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das thermische Via thermisch leitend, aber nicht elektrisch leitend, ausgestaltet. Dies erfordert zwar einen kleinen höheren Aufwand bei der Fertigung, die Heizlage kann aber unabhängig von etwaigen Leiterbahnen ausgestaltet werden, da sich kein elektrisch leitender Pfad von Heizlage zu Bauteillage bildet. Anders formuliert sind Leiterbahn und Heizleiterbahn unabhängig voneinander und lassen sich auch unabhängig voneinander ansteuern.
Der Stand der Technik, etwa durch den Mikrocontrollerhersteller „Atmel“ beschrieben (siehe http://atmelcorporation.wordpress.com/2013/09/10/pcb-layout-tips-for-thermal-vias/), kennt thermische Vias aus Kupfer. Es bildet sich somit neben dem thermischen Pfad auch ein elektrischer Pfad. Die Leiterplatte 1 in 1 verdeutlicht dies. Das elektronische Bauteil 2 wird über einen Kontakt 4 mit einer Leiterbahn 3 verbunden. Die Leiterbahn 3 verläuft unterhalb des Bauteils 2. Über ein thermisches Via 5.StdT kann die Leiterbahn 3 auf die, dem Bauteil 2 gegenüberliegende, Seite auf der Leiterplatte 1 verbunden werden. Das thermische Via 5.StdT kann die vom elektronischen Bauteil 2 generierte Wärme abtransportieren.
Um die Wärme direkt an das entsprechend zu erwärmende Bauteil zu bringen, verbindet bevorzugt das thermische Via die Heizleiterbahn direkt mit dem Kontakt des elektronischen Bauteils auf der Bauteillage. Die Wärme kann sich somit über die Heizleiterbahn und den Kontakt direkt in das Bauteil ausbreiten.
Vorteilhafterweise verbindet das thermische Via die Heizleiterbahn mit einer Leiterfläche, die das elektronische Bauteil kontaktiert. Dies kann beispielsweise eine Massefläche sein. Die Wärme wird dann von der Leiterfläche, also etwa der Massefläche, an die Bauteile abgegeben.
Für einen sicheren Betrieb des Bauteils, erwärmt die Heizleiterbahn auf der Heizlage das elektronische Bauteil auf seine Betriebstemperatur, insbesondere eine Temperatur von mindestens minus 40 °C.
Die Erfindung wird weiter gelöst durch ein Einschubmodul für ein Messgerät, umfassend zumindest eine Leiterplatte wie obenstehend beschrieben. Um die Wärme besser zu verteilen umfasst das Einschubmodul eine Struktur mit einer vergrößerten Oberfläche, insbesondere einen Kühlkörper, zum Ableiten der durch die Leiterplatte erzeugten Wärme. Als „Kühlkörper“ soll hierbei eine Struktur verstanden werden mit einer wärmeabgebenden Oberfläche eines wärmeproduzierenden Bauteils, also der Leiterplatte. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die obenstehend beschriebene Leiterplatte ebenfalls oder alternativ eine Struktur mit einer vergrößerten Oberfläche, insbesondere einen Kühlkörper, zum Ableiten der erzeugten Wärme.
Der Kühlkörper hat die Aufgabe, die Wärme durch Wärmeleitung von der Leiterplatte wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Um den Wärmewiderstand möglichst gering zu halten, muss der Kühlkörper aus gut wärmeleitendem Material bestehen, eine dunkle und möglichst große Oberfläche besitzen, und bevorzugt vertikal montiert werden, um durch den Kamineffekt die Luftzirkulation zu unterstützen. Der Kühlkörper besteht etwa aus einem gut wärmeleitfähigen Metall, meist Aluminium oder Kupfer.
Alternativ werden auch keramische Werkstoffen (Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid) verwendet.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Feldgerät, umfassend eine wie oben beschriebene Leiterplatte, und/oder umfassend ein Einschubmodul wie oben beschrieben. Die Leiterplatte und/oder das Einschubmodul können somit Teil des Feldgeräts sein um das Feldgerät selbst oder Teile des Feldgeräts zu erwärmen. Es ist denkbar, dass die Leiterplatte oder das Einschubmodul benachbarte Bauteile oder Einschubmodule erwärmt.
Das Feldgerät umfasst eine Datenverarbeitungseinheit, insbesondere einen Transmitter, oder einen Sensor.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
2 das erfindungsgemäße Feldgerät umfassend eine erfindungsgemäße Leiterplatte samt Sensor,
3a/b die erfindungsgemäße Leiterplatte in einem Querschnitt, und
4 das erfindungsgemäße Feldgerät in einer Ausgestaltung mit einem erfindungsgemäßem Einschubmodul.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Leiterplatte in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 2 als Teil des erfindungsgemäßen Feldgeräts 20 dargestellt.
Zunächst soll auf ein erfindungsgemäßes Feldgerät 20 eingegangen werden bei dem die erfindungsgemäße Leiterplatte 1 eingesetzt wird. Das Feldgerät 20 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 26 und/oder einen Sensor 21. Über eine erste Schnittstelle 23 kommuniziert ein Sensor 21, im Allgemeinen ein Verbraucher, mit einer Datenverarbeitungseinheit 26, etwa ein Transmitter (auch Messumformer genannt). Am Transmitter 26 ist ein Kabel 24 vorgesehen, an dessen anderem Ende eine zur ersten Schnittstelle 23 komplementäre zweite Schnittstelle 22 vorgesehen ist. Die Schnittstellen 22, 23 sind als galvanisch getrennte, insbesondere als induktive Schnittstellen ausgestaltet, die mittels einer mechanischen Steckverbindung miteinander koppelbar sind. Über die Schnittstellen 22, 23 werden Daten (bidirektional) und Energie (unidirektional, d.h. von Transmitter 26 zum Sensor 21) gesendet. Die Übertragung der Daten erfolgt in digitaler Form.
Das Feldgerät 20 wird überwiegend in der Prozessautomatisierung angewendet. Bei dem Sensor 21 handelt es sich deswegen etwa um einen pH-, Redoxpotential-, auch ISFET-, Temperatur-, Leitfähigkeit-, Druck-, Sauerstoff-, insbesondere gelöster Sauerstoff-, oder Kohlenstoffdioxidsensor; um einen ionenselektiven Sensor; um einen optischen Sensor, insbesondere einen Trübungssensor, einen Sensor zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, oder einen Sensor zur Bestimmung der Anzahl von Zellen und Zellstrukturen; um einen Sensor zur Überwachung bestimmter organischer oder metallischer Verbindungen; um einen Sensor zur Bestimmung einer Konzentration einer chemischen Substanz, beispielsweise eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Verbindung; oder um einen Biosensor, z.B. einen Glukosesensor. Ebenso ist ein Einsatz in Druck-, Füllstands-, Durchfluss- oder Temperaturmessstellen denkbar.
Die erfindungsgemäße Leiterplatte 1 befindet sich im Transmitter 20, insbesondere im Transmitter 26. Der Transmitter 26 ist als Zwei- oder Vierleitergerät ausgestaltet. Die Anmelderin vertreibt solche Produkte beispielsweise unter dem Namen „Endress+Hauser Liquiline M CM42“ und „Endress+Hauser Liquiline M CM448“.
3a und 3b zeigt eine erfindungsgemäße Leiterplatte 1 im Querschnitt. Die Leiterplatte 1 besteht aus elektrisch isolierendem Basismaterial 6, etwa FR4. Auf der Leiterplatte 1 befinden sich Leiterbahnen 3. Die Leiterbahnen 3 werden meist aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt. Zu sehen ist ein elektronische Bauteil 2, etwa ein aktives Bauteil wie ein Operationsverstärker, Prozessor, Mikrocontroller, FPGA, etc. Auch kann das elektronische Bauteil ein passives Bauteil wie ein Widerstand, Spule oder Kondensator sein. Das elektronische Bauteil 2 wird über einen Kontakt 4 mit der Leiterbahn 3 verbunden, etwa durch Löten. Das elektronische Bauteil 2 befindet sich auf einer Bauteillage 1.part. Meist ist die Bauteillage 1.part die oberste (wie in 3a und 3b) oder unterste Lage der Leiterplatte, in einer Ausgestaltung können die Bauteile aber auch auf einer inneren Lage der Leiterplatte angeordnet sein.
In der Leiterplatte 1 befindet sich eine Heizlage 1.heat als innere Lage. Die Heizlage 1.heat umfasst eine Heizleiterbahn 7. Wie in 3b ersichtlich können auch mehrere Heizleiterbahnen 7, 11 auf einer Heizlage 1 angeordnet sein. Die verschiedenen Heizleiterbahnen 7, 11 müssen allerdings nicht notwendigerweise auf einer einzigen Heizlage 1.heat angeordnet sein, sondern können sich auf verschiedenen Lagen 1.heat-a, 1.heat-b (wie in 3b angedeutet) befinden. Bevorzugt handelt es sich bei der Heizlage 1.heat um eine innere Lage, in einer Ausgestaltung kann die Heizlage 1.heat aber auch die oberste oder unterste Lage der Leiterplatte sein.
An die Heizleiterbahn 7 wird eine Spannung V1, bzw. an die Heizleiterbahnen 7,11 werden Spannungen V1, V2 angelegt. Die Spannungen V1 und V2 können verschieden sein, d.h. verschiedene Heizleiterbahnen 7, 11 können getrennt voneinander angesteuert werden.
Bei den Heizleiterbahnen 7, 11 handelt es sich um Kaltleiter. Ein Kaltleiter wird auch als PTC-Widerstand nach dem englischen Begriff positive temperature coefficient bezeichnet. Der Kaltleiter ist etwa Bariumtitanat (BaTiO₃), als Mischung aus Bariumcarbonat und Titan(IV)-oxid. Alternativ werden Kaltleiter auf Siliziumbasis verwendet.
Über das Basismaterial 6 kann eine gewisse Wärm von der Heizlage 1.heat an die Bauteillage 1.part transportiert werden. Allerdings ist das Basismaterial üblicherweise ein thermischer Isolator. Über ein thermische Via 5 kann die von der Heizleiterbahn 7 erzeugte Wärme von der Heizlage 1.heat besser an die Bauteillage 1.part transportiert werden. Das thermische Via 5 ist dabei thermische leitend, aber nicht elektrisch leitend. Somit kann gewährleistet werden, dass der Schaltkreis mit der Heizleiterbahn 7 elektrisch gesehen unabhängig von der Leiterbahn 3 des elektronischen Bauteils 2 ist.
Ein Kaltleiter ist ein Material, das bei tieferen Temperaturen den Strom besser leitet als bei hohen Temperaturen. Der elektrische Widerstand vergrößert sich bei steigender Temperatur. An den Kaltleiter wird eine konstante Spannung angelegt. Herrscht etwa eine Temperatur von –60 °C so ist der Widerstand gering, es fließt ein großer Strom und es entsteht verhältnismäßig viel Wärme. Anschließend erwärmt sich das Bauteil, der Widerstand wird größer und es entsteht weniger Wärme. Bei einer bestimmten Temperatur des Bauteils und der Umgebung stellt sich ein Gleichgewicht ein zwischen erzeugter Wärme (respektive angelegter Spannung und fließender Strom) und abfließender Wärme. Durch eine bestimmte, konstante Spannung kann somit eine bestimmte Temperatur eingestellt werden.
4 zeigt das erfindungsgemäße Feldgerät 20, genauer den Transmitter 26. Der Transmitter 26 ist gezeigt im geöffneten Zustand, d.h. die Türe 25 ist aufgeklappt. In Innern des Transmitters 26 befinden sich mehrere Einschubmodule 10 mit unterschiedlichsten Aufgaben. Ein erstes Einschubmodul ist beispielsweise als Controller ausgestaltet. Weitere Einschubmodule 10 umfassen etwa Eingänge für Messdaten von Sensoren, beispielsweise wie oben beschrieben. Angedeutet ist dies in 4 durch das Kabel 24, das am unteren Ende des Transmitters 26 zu einem Sensor 21 führt. Weitere Einschubmodule 10 sind etwa Module für Relais und Ausgänge, insbesondere Stromausgänge.
Ein erfindungsgemäßes Einschubmodul 8 ist auf der rechten Seite in 4 ersichtlich. Das Einschubmodul 8 umfasst eine erfindungsgemäße Leiterplatte 1, insbesondere ist damit eine Heizleiterbahn 7 zum Erzeugen und Transport von Wärme gemeint. Das Einschubmodul 8 kann benachbarte Einschubmodule 10 erwärmen. Dies ist etwa dann sinvoll wenn auf dem weiteren Einschubmodul 10 selbst kein Platz für eine Heizleiterbahn 7 ist.
Das Einschubmodul 8 umfasst weiter eine Struktur mit einer vergrößerten Oberfläche, beispielsweise einen Kühlkörper 9. In 4 ist der Kühlkörper 9 auf der rechten Seite des Einschubmoduls 8 angebracht. In einer Ausgestaltung ist ebenfalls oder nur auf der gegenüberliegenden Seite des Einschubmoduls 8 ein Kühlkörper 9 angebracht. Der Kühlkörper dient dazu, von auf der Heizlage 1.heat erzeugte Wärme besser abzuleiten, und damit die benachbarten Einschubmodule 10 besser mit Wärme zu versorgen.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte
1.part: Bauteillage
1.heat: Heizlage
1.heat-a: Heizlage
1.heat-b: Heizlage
2: Elektrisches Bauteil
3: Leiterbahn
4: Kontakt
5: Thermisches Via
5.StdT: Thermisches Via aus dem Stand der Technik
6: Basismaterial
7: Heizleiterbahn
8: Einschubmodul
9: Kühlkörper
10: Einschubmodul
11: Heizleiterbahn
20: Feldgerät
21: Sensor
22: Schnittstelle
23: Schnittstelle
24: Kabel
25: Türe
26: Datenverarbeitungseinheit
V1: Erste Spannung
V2: Zweite Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005062421 A1 [0012]
DE 102013108531 [0013]
EP 3371645 [0014]
US 2006/0065431 [0014]
US 2013/0180973 [0015]

Claims

Leiterplatte (1), umfassend – ein Basismaterial (6) auf und/oder in dem sich zumindest eine Leiterbahn (3) befindet, und – zumindest eine Heizleiterbahn (7) auf einer Heizlage (1.heat) der Leiterplatte (1) in dem Basismaterial (6) zum Erzeugen und Leiten von Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Heizleiterbahn (7) um einen Kaltleiter handelt und an der Heizleiterbahn (7) eine konstante Spannung (V1) anliegt.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 1, wobei sich zumindest zwei Heizleiterbahnen (7, 11) auf der Heizlage (1.heat) befinden und sich die zumindest zwei Heizleiterbahnen (7, 11) getrennt voneinander ansteuern lassen, insbesondere liegen an den zumindest zwei Heizleiterbahnen (7, 11) verschiedene Spannungen (V1, V2) an.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leiterplatte (1) zumindest ein elektronisches Bauteil (2) auf einer Bauteillage (1.part) der Leiterplatte (1) umfasst, wobei das elektronische Bauteil (2) mit der Leiterbahn (3) über einen Kontakt (4) in elektrischer Verbindung steht.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 3, wobei die Heizleiterbahn (1.heat) unterhalb und/oder oberhalb des elektrischen Bauteils (2) verläuft.
Leiterplatte (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Leiterplatte (1) ein thermisches Via (5) umfasst und das thermische Via (5) die Heizlage (1.heat) mit der Bauteillage (1.part) verbindet.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 5, wobei das thermische Via (5) thermisch leitend, aber nicht elektrisch leitend, ausgestaltet ist.
Leiterplatte (1) nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das thermische Via (5) die Heizleiterbahn (1.heat) direkt mit dem Kontakt (4) des elektronischen Bauteils (2) auf der Bauteillage (1.part) verbindet.
Leiterplatte 1() nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das thermische Via (5) die Heizleiterbahn (1.heat) mit einer Leiterfläche, die das elektronische Bauteil (2) kontaktiert, verbindet.
Leiterplatte (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Heizleiterbahn (7) auf der Heizlage (1.heat) das elektronische Bauteil (2) auf seine tiefste Betriebstemperatur, insbesondere eine Temperatur von mindestens minus 40°C erwärmt.
Einschubmodul (10) für ein Messgerät, umfassend zumindest eine Leiterplatte (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.
Einschubmodul (10) nach Anspruch 10, umfassend eine Struktur (9) mit einer vergrößerten Oberfläche, insbesondere einen Kühlkörper, zum Ableiten der durch die Leiterplatte (1) erzeugten Wärme.
Feldgerät (20), umfassend eine Leiterplatte (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, und/oder umfassend ein Einschubmodul (10) nach Anspruch 10 oder 11.
Feldgerät (20) nach Anspruch 12, wobei das Feldgerät (20) eine Datenverarbeitungseinheit (26), insbesondere einen Transmitter, und/oder einen Sensor (21) umfasst.