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Dokumentenidentifikation DE10157678C2 16.10.2003
Titel Hochfrequenzfestes Folienkabel für Datenleitungen
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Rall, Bernhard, Dipl.-Ing., 89075 Ulm, DE;
Gölz, Werner, Dr., 55131 Mainz, DE;
Leidich, Dieter, Dipl.-Ing., 65830 Kriftel, DE
DE-Anmeldedatum 24.11.2001
DE-Aktenzeichen 10157678
Offenlegungstag 05.06.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.10.2003
IPC-Hauptklasse H01B 7/08
IPC-Nebenklasse H01B 11/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kabel- und Verdrahtungstechniken eröffnen Flachbandleiter als Ersatz für herkömmliche Kabelbünde neue Möglichkeiten im Automobilbau und im Anlagenbau allgemein. Durch stets gleichbleibende Eigenschaften in der Serie verglichen mit von Hand herrgestellten Kabelbünden haben Flachbandleiteranordnungen Vorteile. Durch ihre flache Bauweise können beim Aufeinanderlegen mehrerer Ebenen von Flachbandleitern aber auch erhebliche Kopplungsprobleme zwischen den einzelnen Lagen entstehen. Kritisch sind da immer Datenleitungen, weil die zunehmende Verflechtung aller Systeme über elektronischen Datenaustausch und Diagnose hohe Sicherheitsanforderungen stellt. Einerseits sind Datenleitungen potentielle Dauerstörer auf benachbarte elektronische Geräte und andererseits sollen eingestreute Felder von elektronischen Geräten zu keinen Signalverfälschungen in den Datenleitungen führen.

Bisher hat man sich für hochfrequentfeste Flachleiterausführungen mit Hybridlösungen beholfen, wie sie in der Patentschrift US 4,012,577 beschrieben sind. Man nutzt die herkömlichen Twistet Pair Kabel, die durch ihre Verdrillung gegenüber der Einstreuung von elektromagnetischen Felder mit Gleichtaktschwankungen weitgehend unempfindlich sind, und kombiniert mehrere Twisted Pair Kabel nebeneinander zu einem Flachbandkabel, das die einzelnen Twisted Pair Kabel mit zwei laminierenden Folien zusammenfaßt.

Diese Hybridlösungen haben allerdings den Nachteil, daß die minimal zu erreichenden Schichtdicken der gesamten Flachbandleiter durch die herkömmlichen, verdrillten Leiter relativ groß sind. Schichtdicken wie sie von Folienkabel, in der Fachsprache als FLC für Flat Laminated Cables bezeichnet, bekannt sind, sind mit Hybrid Lösungen nicht zu erzielen. Eine andere Bezeichnung für die Folienkabel leitet sich von der Art der Herstellung der Leiterbahnen ab, die als sogenannte Flexible Printed Circuits (FPC) auf eine Substratfolie aufgedruckt werden. Eine Möglichkeit diese FPC Kabel gegen elektromagnetische Streufelder zu sichern, ist beispielsweise in der US 5,821,845 offenbart.

Das FPC Kabel wird mit einer magnetischen Abschirmung eingefaßt, die ein Übersprechen magnetischer Streufelder auf das FPC weitgehend verhindert. Der mechanische Aufwand für die zusätzliche magnetische Abschirmung ist hierbei beträchtlich größer als für das FPC Kabel selbst und macht einen Großteil der Vorzüge eines FPC Kabels, wie geringstes Gewicht und geringster Raumbedarf, sowie vorzügliche Flexibilität wieder rückgängig.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 36 32 281 A1 ist ein Folienkabel entsprechend dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 4 bekannt.

Aus der deutschen Patentanmeldung 23 28 974 ist die Herstellung von Kupferbahnen durch einen Lamellierungsvorgang oder durch Ätzung bekannt. Außerdem sind die Vorteile von Pseudo Twisted Pair Flachleitern bekannt. Eine echte Vedrillung von Folienkabeln ist nicht bekannt.

Aus der EP 0 809 260 A2 ist es bekannt, die Leiterbahnen von Pseudo Twisted Pair Folienkabeln an den Überkreuzungen der Leiterbahnen zu verjüngen.

Aus der DE 44 41 268 A1 ist die Verwendung von Folienkabeln für Bussysteme bekannt.

Ausgehend von dem vorbeschriebenen Stand der Technik stellt sich die erfindungsgemäße Aufgabe ein hochfrequenzfestes Folienkabel anzugeben, das eine weitgehend durch eingestreute Felder unbeeinträchtigte Datenübertragung erlaubt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt: Durch die Mäanderförmige Struktur der Leiterbahnen werden ähnlich zu einer verdrillten Rundleiteranordnung die durch magnetische Felder eingestreuten Gegentaktschwankungen über die Länge des Folienkabels weitgehend herausgemittelt, so daß die Gegentaktschwankungen zwar lokal auf das Nutzsignal übertragen werden, sich jedoch integral herausmitteln und damit keinen störenden Einfluß auf die Datenübertragung über die gesamte Länge des Folienkabels haben. Die Datenübertragung auf dem erfindungsgemäßen Folienkabel wird dadurch gegenüber elektromagnetischen Einstreuungen weitgehend unempfindlich. In der Fachsprache wird diese Eigenschaft einer Datenleitung auch als hochfrequenzfest oder EMV-fest bezeichnet (EMV für Elektromagnetische Verträglichkeit).

Einstreuungen durch elektrische Felder oder in Kopplungsschleifen beider Leiter gegen eine gemeinsame Masse erzeugen aber auch in verdrillten Leiterpaaren störende Gleichtaktspannungen (beide Leiter tragen die gleiche Spannung additiv zum Gegentaktnutzsignal zum Empfänger). Diese Störungen ebenso wie unerwünschte Abstrahlungen über eigens erzeugte Gleichtaktsignale werden durch Abschirmmaßnahmen vermindert.

Eine weitere Steigerung der Hochfrequenzfestigkeit läßt sich erzielen mit der an sich bekannten Methode der erdsymetrischen Signalübertragung, bei der die Signaldifferenz zwischen zwei getrennten Signalleitungen die Nutzinformation darstellt. Durch die Differenzbildung werden Gleichtaktanteile herausgefiltert. Ein bekanntes Bussystem, das mittels erdsymetrischer Signalübertragung arbeitet ist der CAN Bus (CAN für Controlled Area Network), der im Automobilbau umfangreiche Anwendung findet. In einer auf die CAN Norm angepaßten Ausführung des erfindungsgemäßen Folienkables werden die Leiterbahnkapazitäten an den Überkreuzungspunkten reduziert, um die für CAN- Leitungen vorgegebenen Leitungskenngrößen einzuhalten, d. h. keine kapazitiven Stoßstellen im Übermaß zu bilden.

Die Leiterbahnen selbst sind in einer bevorzugten Ausführungsform aus geformten und gewalzten Kupferbändern gebildet, die auf die Trägerfolien des Folienkables in einem Laminierungsprozess aufgebracht, bzw. verklebt werden. In einer weniger bevorzugten Ausführungsform werden die Leiterbahnen in Drucktechnik bzw. in Metalldrucktechnik auf die Trägerfolien aufgedruckt. Mit beiden Herstellungsvarianten lassen sich die mit der Folientechnik verbundenen Vorteile, nämlich die preiswerte Herstellung von Meterware, auch für ein EMV-festes Folienkabel nutzen.

In ganz schwierigen Umgebungen, die eine hohe Einstrahlintensität von elektromagnetischen Streufeldern haben, können die erfindungsgemäßen Folienkabel auch mit zusätzlichen metallischen Abschirmungen versehen werden, wobei durchaus auch parallel zu den Datenleitungen verlaufende Stromversorgungsleitungen als Schirmleitungen verwendet werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eins erfindungsgemäßen Folienkabels mit mäanderförmigen Leiterbahnen in verdrillter Ausführung der Leiterbahnen,

Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch das Folienkabel der Fig. 1,

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung einer bekannten Ausführungsform aus dem Stand der Technik, bei der die Mäanderlinien der Leiterbahnen nicht verdrillt sind

Fig. 4 schematisch einen Schnitt durch das Folienkabel der Fig. 3

Fig. 5 eine für CAN Bussysteme geeignete Ausführung des Folienkabels nach Fig. 1,

Fig. 6 eine für CAN Bussysteme geeignete Ausführung des Folienkabels nach Fig. 3.

Fig. 7 ein Folienkabel geeignet für IEEE 1394 Datenleitungen mit zusätzlicher metallischer Abschirmung und zusätzlichen Schirmleitungen zwischen den Versorgungsleitungen und den Signalleitungen,

Fig. 8 ein Folienkabel mit lokalen Isolierstreifen an den Überkreuzungen der Leiterbahnen,

Fig. 9a-f ein abgeschirmtes Folienkabel mit Abstandhaltern zwischen der Abschirmung und den Signalleitungen geeignet für CAN Bussysteme.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Explosiondarstellung eines erfindungsgemäßen Folienkabels 1 mit einer verdrillten Mäander-förmigen Leiterbahnstruktur. Das Folienkabel wird zusammengesetzt aus einer oberen Trägerfolie 2 und einer unteren Trägerfolie 3. Auf beide Trägerfolien sind mit einem Metalldruckverfahren Leiterbahnsegmente 4 aufgedruckt. Die Trägerfolien sind aus herkömmlichen in der Regel transparenten, elektrisch isolierenden Kunststoffmaterialien. Die Drucktechnik zur Herstellung der Leiterbahnen ist aus der FPC Technik bekannt. (Flexible Printed Circuit). Die Leiterbahnsegmente 4 wiederholen sich auf beiden Trägerfolien in periodischen gleichbleibenden Abständen zueinander. Die Abstände der Leiterbahnsegmente sind dabei auf der unteren und der oberen Trägerfolie gleich groß. Jedes Leiterbahnsegment hat eine längliche Komponente die schräg zur Längsrichtung der Folie von einer Seite der Trägerfolie auf die andere Seite der Trägerfolie verläuft und an beiden Enden jeweils eine Komponente, die im wesentlichen entlang der Längskanten der Trägerfolie verläuft und als Kontaktfläche ausgebildet ist. Kontaktfläche bedeutet in diesem Zusammenhang, daß das Leiterbahnsegment an der Kontaktfläche jeweils eine freiliegende metallische Oberfläche hat. Im Gegensatz dazu sind die schräg über die Folie verlaufenden Anteile der Leiterbahnsegmente mindestens auf einer Trägerfolie mit einer elektrischen Isolationsschicht 6 versehen. Die Isolationsschicht 6 kann aus einer Kunststofffolie gebildet werden, die während des Laminierungsprozesses zwischen der unteren und der oberen Trägerfolie eingefügt wird, oder aus einem Kleberauftrag, der während des Laminierungsproßes auf mindestens eine der beiden Folien aufgetragen wird. Wichtig ist, das die Kontaktflächen 5 an den Enden der Leiterbahnsegmente bei beiden Trägerfolien frei bleiben. Während des Laminierungsprozeßes werden die beiden Trägerfolien 2, 3 formschlüssig zu dem erfindungsgemäßen Folienkabel 1 zusammengefügt. Die Orientierung der beiden Trägerfolien ist derart, daß die Kontaktflächen 5 der Leiterbahnsegmente 4 der oberen Trägerfolie auf die Kontaktflächen 5 der Leiterbahnsegmente 4 der unteren Trägerfolie zu liegen kommen. Die schräg über die Trägerfolien verlaufenden Leiterbahnanteile weisen auf den beiden Trägerfolien eine gegenläufige Orientierung auf. Wenn z. B. mit gleicher Blickrichtung in Längsrichtung der Trägerfolien, die schrägen Leiterbahnanteile auf der oberen Trägerfolie von rechts nach links über die Trägerfolie verlaufen, dann verlaufen die Leiterbahnsegment auf der unteren Trägerfolie von links nach recht über die untere Trägerfolie oder umgekehrt. Dadurch überkreuzen sich beim Laminierungsprozess die Leiterbahnsegmente der oberen Trägerfolie mit den Leiterbahnsegmenten der unteren Trägerfolie. Die Kontaktierung der Leiterbahnsegmente der oberen Trägerfolie mit den Leiterbahnsegmenten der unteren Trägerfolie erfolgt dabei derart, daß jeweils durch ein Leiterbahnsegment der oberen Trägerfolie ein Leiterbahnsegment der unteren Folie mit dem übernächsten Leiterbahnsegment 4 der unteren Folie elektrisch leitend verbunden wird und daß durch ein Leiterbahnsegment der unteren Folie jeweils ein Leiterbahnsegment der oberen Folie mit dem übernächsten Leiterbahnsegment der oberen Folie elektrisch leitend verbunden wird. Dadurch entsteht zwischen zwei Leiterbahnüberkreuzungen 7 stets ein Ebenenwechsel des elektrischen Strompfades einmal auf der linken Seite des Folienkabels von der oberen Trägerfolie auf die untere Trägerfolie und auf der rechten Seite des Folienkabels von der unteren Trägerfolie auf die obere Trägerfolie. Nach dem Laminierungsprozeß von oberer Trägerfolie und unterer Trägerfolie zu einem Folienkabel entstehen durch diese Kontaktierung zwei gedruckte Leiterbahnen 8a, 8b, die sich ähnlich zweier verdrillter Rundkabel zwischen jeweils zwei Überkreuzungen mit gegensinnigen Wechseln der Leiterbahn von der oberen Trägerfolie in die untere Trägerfolie und von der unteren Trägerfolie in die obere Trägerfolie gegenseitig in einer Mäander-förmigen Struktur umschlingen. Die Kontaktflächen zweier Leiterbahnsegmente werden bei dem Laminierungsprozeß aufeinander gedrückt. Eine dauerhafte Kontaktierung erfolgt mit aus der Folienverarbeitung und der Verpackungsindustrie bekannten Methoden des Induktionsschweißen oder des Ultraschallschweißens. Mit diesen Schweißmethoden werden die zwei Kontaktflächen eines Leiterbahnsegments aus der oberen Trägerfolie mit jeweils einer Kontaktfläche zweier Leiterbahnsegmente aus der unteren Trägerfolie und jeweils die zwei Kontaktflächen eines Leiterbahnsegments aus der unteren Trägerfolie mit je einer Kontakfläche zweier Leiterbahnsegmente aus der oberen Trägerfolie in dem laminierten Folienkabel verschweißt.

In einer alternativen Aufbautechnik kann der Prozeßschritt des Verschweißens entfallen. Alternativ kann der Schichtaufbau vollständig in Drucktechnik ausgeführt werden. Startend mit einem Substrat wird bei der Drucktechnik zunächst die erste Ebene der Leiterbahnsegmente 4a aufgedruckt. Im nächsten Prozeßschritt wird eine Epoxidharz-Isolationsschicht 6 teilweise über die schrägen Anteile der Leiterbahnsegmente gedruckt. Im nächsten Druckschritt wird die zweite Ebene der Leiterbahnsegmente 4b über die erste Ebene der Leiterbahnsegmente 4a und die zwischenliegende Isolationsschicht nach den Vorgaben aus der Strukturbeschreibung zu Fig. 1 gedruckt und über die letztgenannte Druckschicht schließlich eine das Folienkabel hermetisch abschließende Isolationsschicht entweder aufgedruckt oder auflaminiert. Beim Druckaufbau werden die Leiterbahnsegmente als Silberpasten Offset Druck aufgebracht. Die Kontaktierung an den Kontaktflächen ergibt sich dann bereits durch den Aufdruck der zweiten Ebene von Leiterbahnsegmenten 4b auf die Kontaktflächen der ersten Ebene von Leiterbahnsegmenten 4a.

Fig. 2 zeigt nochmals einen schematischen Querschnitt durch den Schichtaufbau eines Folienkabels entsprechend der Fig. 1 entlang der Schnittlinie A:-A: In der hier gezeigten alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Folienkabels ist allerdings zusätzlich zu der Ausführungsform der Fig. 1 noch ein Abstandshalter 9 an den Überkreuzungen der Leiterbahnsegmente eingebracht. Der Abstandshalter dient der Konditionierung des Folienkabels hinsichtlich geforderter elektrischer Impedanzen des Folienkabels. Auf die Funktion des Abstandhalters wird noch weiter unten im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 eingegangen. In der Fig. 2 sind die Schichtdicken aus Gründen der Deutlichkeit stark vergrößert wiedergegeben. Die Darstellung ist deshalb nicht proportionengetreu.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung eines bekannten Folienkabels mit auflaminierten Leiterbahnen 8a, 8b mit einer Mäander-förmigen Struktur. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verlaufen die Leiterbahnen 8a, 8b in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 über die ganze Länge des Folienkabels jeweils stets in der selben Ebene. Ein Wechsel der Leiterbahnen von einer oberen Ebene in eine untere Ebene oder umgekehrt findet nicht statt. Auf der Unterseite einer oberen Trägerfolie 2 ist vorzugsweise eine vorgefertigte Mäander-förmige Leiterbahn 8b aus einem geformten und gewalzten Kupferband auflaminiert. Die Leiterbahn 8b erstreckt sich entlang der Längsrichtung der Trägerfolie zwischen den beiden Längsseiten der Trägerfolie periodisch hin und her. Die Leiterbahn schlängelt sich gewissermaßen sinusförmig oder Zick-Zack förmig über die ganze Breite der Trägerfolie entlang. In dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die Leiterbahn aus periodisch, alternierend aneinander gereihten, gleichschenkligen Trapezen aufgebaut, deren nicht als Leiterbahn ausgebildete Grundseite gedanklich die Mittellinie der Folienbahn bildet. Die gleiche Struktur der Leiterbahn 8a wird auf die Oberseite einer unteren Trägerfolie 3 auflaminiert. Zwischen oberer Trägerfolie 2 und unterer Trägerfolie 3 wird eine Isolationsschicht 6b eingefügt. Der gesamte Aufbau des Folienleiters ergibt sich durch Zusammenfügen von oberer Trägerfolie, Isolationsschicht und unterer Trägerfolie zu einem mehrlagigen Folienleiter, wobei die Leiterbahnstruktur 8b der oberen Trägerfolie gegenüber der Leiterbahnstruktur 8a um eine halbe Periodenlänge verschoben ist, so daß sich Leiterbahnüberkreuzungen 7 ergeben.

Das bevorzugte Herstellungsverfahren für einen Folienleiter nach Fig. 3 ist der Laminierungsprozeß mit vorgefertigten, geformten und gewalzten Kupferbändern und den drei Teilfolien, obere Trägerfolie 2, untere Trägerfolie 3 und Isolationschicht 6b. Ein alternativer weniger bevorzugter Herstellungsprozeß ist ein Folienaufbau in Drucktechnik, bei dem zunächst auf eine untere Trägerfolie als Substrat für den gesamten Druckprozeß die erste Leiterbahn 8a aufgedruckt wird. Diese Leiterbahn 8a mit einer Isolationschicht aus z. Epoxidharz überdruckt wird. Danach auf die Isolationschicht 6b die zweite Leiterbahn 8b aufgedruckt wird und auf die zweite Leiterbahn nochmals eine abschließende Isolationsschicht, die dann gewissermaßen die Trägerfolie 2 bildet aufgedruckt wird.

Der Schichtaufbau eines bekannten Folienleiters ist in Fig. 4 nochmals als schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B:-B: verdeutlicht. Man erkennt, daß die Isolationschicht 6b in vorteilhafter Weise nicht nur die beiden Leiterbahnen 8a, 8b elektrisch isoliert, sondern daß die Isolationsschicht hier gleichzeitig als Abstandshalter zwischen den beiden Ebenen der Leiterbahn 8a und der Leiterbahn 8b wirkt.

Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Folienleiter, die an den Überkreuzungen der Leiterbahnen verringerte Leiterbahnbreiten aufweisen, um zusätzliche Querkapazitäten als Stoßstellen fernzuhalten.

Im Bereich von Datenleitungen werden heutzutage hauptsächlich Rundleiter eingesetzt. Grundsätzlich können mit Rundleiteranordnungen homogene Wellenleiter realisiert werden, auch wenn sie als verdrillte Leitungen ausgebildet sind. Bei Flachleitern gilt das nur für parallel verlaufende Leitungen gleichen Querschnitts ohne Überkreuzungen der Leitungen. Jede Überkreuzung stellt für die Wellenleitung eine Inhomogenität dar. Im Kreuzungspunkt ist der Wellenwiderstand am kleinsten wegen der dort größeren Kapazität und der sich gegenseitig teilweise auslöschenden Magnetfelder, welche die Induktivität der Leitung bestimmen. Die relativ großen Kapazitäten an den Überkreuzungsstellen führen zu einer erheblichen Verlängerung der Signallaufzeiten in der Leitung. Diese Nachteile sind auf die großen Leiterbreiten zurückzuführen, die an den Überkreuzungsstellen wie große Kondensatorplatten wirken. Die großen Leiterbreiten sind bei in Metalldrucktechnik hergestellten Leitungen notwendig, um eine genügend große Gleichstromleitfähigkeit zu erzielen. Um beim Einsatz der erfindungsgemäßen Folienkabel als Datenleitungen den Wellenwiderstand der Leitungen zu erhöhen, können in einer Variante der Erfindung an den Überkreuzungen der Leiterbahnen die Leitungsbreiten verjüngt werden. Hierdurch sinkt die Fläche der als Kondensatorplatten wirkenden Leitungen und demzufolge sinkt die Kapazität an den Überkreuzungen. Diese Alternativen sind für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in der Fig. 5 und für das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 in der Fig. 6 dargestellt. An den Überkreuzungen der Leiterbahnen 8a und 8b werden die Bahnbreiten beider Bahnen verjüngt.

Eine weitere Alternative den Wellenwiderstand der erfindungsgemäßen Folienkabel einzustellen ist in den Fig. 2 und 4 bereits enthalten. Alternativ zu einer Verjüngung der Leiterbahnen kann auch der Abstand der beiden Leiterbahnen an den Überkreuzungen eingestellt werden. Eine Vergrößerung des Abstandes der beiden als Kondensatorplatten wirkenden Leiterbahnen bewirkt ebenfall eine Verminderung der Kapazität an den Überkreuzungsstellen und damit eine gewünschte Erhöhung des Wellenwiderstandes. Mit erhöhtem Wellenwiderstand verbessert sich die Signalübertragung, da die Signale in hochohmigen Leitungen nicht so sehr zerfließen. Zu diesem Zweck ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ein zusätzlicher Abstandshalter 9 zwischen den beiden Leiterbahnebenen 4b und 4a eingefügt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die eingefügte Isolationsschicht 6b gleichzeitig auch der Abstandshalter zwischen den beiden Leiterbahnebenen 8a und 8b. Über die Dicke des Abstandshalters läßt sich die Kapazität an den Überkreuzungen und damit der Wellenwiderstand des Folienkabels gezielt einstellen.

Welche Dicke des Abstandshalters oder welches Maß an Verjüngung der Leiterbahnbreite zu wählen ist richtet sich dabei unter anderem an die für die Datenleitungen von Bussystemen vorgegebenen Leitungswiderständen und Impedanzen. Im Zweifel müssen die Abmessungen aus recht einfach durchzuführenden Versuchsreihen ermittelt werden. Eine Kombination der beiden Methoden aus Verjüngung der Leiterbahnen und Einfügen eines Abstandshalters an den Überkreuzungen ist auch möglich.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die besonders für die Verwendung als Busleitung für IEEE 1394 Bussysteme geeignet ist. Im Unterschied zu einem CAN-Bussystem, das im wesentlichen ein Zweidrahtbus ist, ist ein IEEE 1394 Bus mit Twistet Pair Datenleitungen und integrierten Versorgungsleitungen aufgebaut. In der Explosiondarstellung der Fig. 7 sind deshalb in dem Folienaufbau zwei zweiadrige mäanderförmige Datenleitungen 8a, 8b, die jeweils entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ausgebildet sind. Auf eine untere Trägerfolie 3 werden zunächst die beiden Leiterbahnen 8b auflaminiert. Von dieser unteren Trägerfolie wird die hier nicht dargestellte obere Trägerfolie mit Abstandshaltern 9 beabstandet. Die gedachte obere Trägerfolie trägt an Ihrer Unterseite die in der Fig. 7 dargestellten beiden Leiterbahnen 8a, zwei Schirmleitungen 10 und zwei Versorgungsleitungen 11. Die Leiterbahnen 8a bilden mit ihren Widerparts in Form der Leiterbahnen 8b jeweils eine zweiadrige Datenleitung, so daß in dem Folienaufbau insgesamt zwei Twisted Pair Datenleitungen vorhanden sind. Die beiden Twistet Pair Datenleitungen befinden sich an gegenüberliegenden Längsseiten des Folienkabelaufbaus, während sich die zwei Versorgungsleitungen in der Mitte des Folienkabels befinden. Zwischen je einem Paar Datenleitungen und einer Versorgungsleitung ist eine Schirmleitung 10 angeordnet. Die Schirmleitungen verhindern das Übersprechen von Störimpulsen in den Versorgungsleitungen auf die Datenleitungen. Zu diesem Zweck sind die Schirmleitungen auch mittels Durchkontaktierungen 12 durch den Folienaufbau hindurch mit einer metallischen Schirmfolie 13 elektrisch verbunden. Die Schirmfolie 13 selbst wird geerdet. Die metallische Schirmfolie umgibt vorzugsweise den ganzen Folienaufbau. Für die Zwecke der zeichnerischen Darstellung wurde in Fig. 7 wie bereits schon erwähnt die obere Trägerfolie weggelassen. Ebenso wurde die Schirmfolie 13 nur in aufgeschnittener Darstellung in die Fig. 7 eingearbeitet. In der Realität umfaßt die Schirmfolie den gesamten Folienaufbau als Außenhülle oder als Außenhaut.

Fig. 8 zeigt eine Explosiondarstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die gewissermaßen eine Variante zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 darstellt. Die Variante in Fig. 8 ergibt sich, indem man die in Fig. 1 dargestellte streifenförmige, isolierende Teilfolie 6 in mehrere Teilstücke in Form von Isolationsstreifen zerteilt, die nur noch zwischen den Leiterbahnüberkreuzungen 7 angebracht werden. Zu diesem Zweck ist an der Unterseite einer oberen Trägerfolie 2 eine mäanderförmige Kupferbahn 8b auflaminiert und auf der Oberseite einer unteren Trägerfolie 3 eine zweite mäanderförmige Kupferbahn 8a auflaminiert. Beide mänderförmigen Kupferbahnen haben eine periodische, sich längs der Folienkabelbahn hin und her schlängelnde Struktur und werden mit einem Versatz von einer halben Periodenlänge miteinander zur Deckung gebracht, so daß sich in der Längsmitte der Folienkabelbahn Überkreuzungen 7 der beiden Kupferbahnen 8a und 8b ergeben. Damit die Kupferbahnen an den Überkreuzungen elektrisch nicht miteinander in Kontakt kommen sind zwischen oberer Trägerfolie 2 und unterer Trägerfolie 3 an den späteren Überkreuzungen Isolationsstreifen 14 angeordnet, die sich räumlich lediglich auf den Überkreuzungsbereich erstrecken. Mit der Materialstärke respektive mit der Dicke der Isolationsstreifen läßt sich der Abstand der beiden Kupferbahnen an der Überkreuzungen einstellen und damit auch der kapazitive Wellenwiderstand an den Überkreuzungen 7. Vorzugsweise sind deshalb die Isolationsstreifen 14 als punktuelle Isolierkörper an den Überkreuzungen ausgebildet, die neben der elektrischen Isolierung auch die Funktion eines Abstandshalters übernehmen. Günstig ist ein großer Abstand zwischen den beiden Leiterbahnen, da mit einem großen Abstand zwischen den Leiterbahnen die Kapazität an den Überkreuzungen sinkt, was den Vorteil hat, daß der Wellenwiderstand des Kabels erhöht wird und damit Impulsverzerrungen von Signalen im erfindungsgemäßen Folienkabel vermindert werden.

In einem alternativen Herstellungsprozeß eines Folienkables nach Fig. 8 werden zunächst die Kupferbänder geformt. Die Kupferbänder sind handelsüblich als Meterware mit einer Stärke von 200-300 µm (Mikrometer) und einer Breite von 1,5 mm (Millimeter) zu erhalten. Die Kupferbänder haben in der Ebene eine Mäanderstruktur und an den Überkreuzungen aus der Ebene heraus einen kleinen Überweg. Die beiden Leiterbahnen 8a und 8b sind grundsätzlich mit dem selben Werkzeug formbar und herstellbar. Für das Folienversiegeln der beiden Leiterbahnen werden die Kreuzungspunkte mit Isolierstreifen 14 oder anderen elektrisch isolierenden Abstandshaltern verklebt. Dann werden beide Leiterbahnen mit einem Längsversatz zueinander von einer Schlaglänge der Mäanderstruktur durch die Folienpresse gezogen und zwischen einer oberen und einer unteren Trägerfolie versiegelt. Bei der genauen Auslegung des Folienkabels spielen folgende Gesichtspunkte mit:

  • - Folien und Kupferbänder sind als handelsübliche Meterware erhältlich.
  • - Für die Formung der beiden Leiterbahnen aus den Kupferbändern kann das selbe Werkzeug verwendet werden.
  • - Kupferbänder in der zuvor angegebenen Stärke sind ausreichend leitfähig und lötfähig.
  • - Die beiden Trägerfolien können unterschiedlich eingefärbt werden und dadurch zur Kennzeichnung der beiden Leiterbahnen dienen.
  • - Die Wahl der Leiterbahnabstände kann gezielt benutzt werden, um einen bestimmten Wellenwiderstand des Folienkabels einzustellen.
  • - Die Wahl der Schlaglänge bzw. der Periodenlänge der Mäanderstruktur bestimmt die Anzahl der Überkreuzungen und damit die Anzahl der Inhomogenitäten im Folienkabel.
  • - Die Kupferbänder können zur Entstörung mit ferritischen Materialien z. B. Nickeleisen beschichtet werden. Die ferritische Beschichtung dient der Absorption von induzierten Wechselströmen.
  • - Alternativ können die Folienoberflächen zur Entstörung mit einer dämpfenden Beschichtung aus Ferritpulver in Vergußmasse ausgestaltet werden.

Die geringe Isolationsdicke der Folien und die große Dielektrizitätskonstante herkömmlicher Folienmaterialien kann bei Mehrfachlagen mehrerer Folienkabel durch kapazitive Kopplung zwischen den Folienkabeln zu starken Resonanzen führen, denen mit den zuvor genannten Entstörmöglichkeiten durch Absorption entgegengewirkt wird.

Die Teilfiguren 9a bis 9f zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, geschirmten Folienkabels, das eine besonders niedrige kapazitive Belastung gegen den Schirm und eine besonders gute Abschirmung gegen Störfelder aufweist. Grundsätzlich stellt ein Schirm eine weitere Leiterebene zwischen den Leiterbahnen, die die Signalleitungen bilden, und der elektrischen Außenmasse des Folienkabels dar, mit der Möglichkeit der Ableitung von Influenzströmen, der Fortleitung von Induktionsströmen, dem Aufbau von Stehwellen u. s. w., aber auch der Rückwirkung auf die abgeschirmten Signalleitungen.

Die in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gezeigten mänderförmigen Flachbandleitungen kompensieren durch ihre wechselseitig gebildeten Schleifen in einer Ebene die Wirkung von eingestrahlten Störfeldern durch homogene Magnetwechselfelder auf die übertragenen Signale in den Datenleitungen. Ohne einen äußeren Schirm können aber die Leiterbahnen der Folienkabel Gleichtaktspannungen kapazitiv abstrahlen und kapazitiv oder durch Induktion eine Gleichtaktspannung aufgeprägt bekommen, z. B. durch kapazitives Übersprechen von benachbarten Leitungen. Solches Übersprechen kann mit Abschirmungen vermieden werden. Abschirmungen für Folienkabel in Form von aufgeklebten oder aufgedampften Metallflächen, die zur Abschirmung dienen, sind grundsätzlich bekannt. In der Kombination mit Folienkabeln wie sie z. B. in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 8 erläutert wurden, führen jedoch Metallschirme, die unmittelbar auf die Trägerfolien der Folienkabel aufgebracht würden zu nachteiligen Effekten. Der geringe Abstand zu den Leiterbahnen des Folienkabels würde nämlich ein große Kapazität zwischen den Leiterbahnen und der Abschirmung darstellen. Große Kapazitäten bewirkten jedoch wiederrum ein Herabsetzen des Wellenwiderstandes und damit große Impulsverzerrungen für die elektrischen Signale, die auf den Leiterbahnen des Folienkabels übertragen werden sollten. Ein weiterer Nachteil der starken kapazitiven Kopplung einfacher metallischer Abschirmungen auf die Signalleitungen läge darin, daß dieser einfache Schirm keine weitere Funktionen mehr übernehmen könnte, wie etwa als Versorgungsleitung zur Versorgung von Datenendgeräten mit Betriebsspannung.

In dem in den Teilfiguren 9a bis 9f dargestellten Ausführungsbeispiel wird dehalb vorgeschlagen, zwischen Folienkabel und metallischer Abschirmung einen Abstandshalter, z. B. in Form einer Kunststoffnoppenfolie oder in Form eines Kunststoffgitters oder in Form einer als Abstandshalter strukturierten Kunststofffolie einzubringen.

Fig. 9a bis 9f zeigen zum Teil in Explosionsdarstellung, zum Teil als dreidimensionale Darstellung und zum Teil als Schnittdarstellung eine mögliche Ausführungsform eines abgeschirmten Folienkabels mit Abstandshaltern zwischen den metallischen Abschirmungen und den mäanderförmigen Signalleitungen, das zur Übertragung von elektrischen Signalen geeignet ist.

Eine obere Trägerfolie 2 ist gedanklich in drei längs nebeneinander liegende Teilbereiche 21, 22 und 23 aufgeteilt. Jeder dieser Teilbereiche hat in etwa die gleiche Breite, wobei allerdings die seitlichen Teilbereiche 21 und 23 vorzugsweise etwas breiter als der mittlere Teilbereich ist. Die zusätzliche Breite wird, wie weiter unten noch beschrieben u. a. als Biegezone und zur seitlichen Abschirmung benötigt. Der mittlere Teilbereich 22 trägt an seiner Unterseite eine auflaminierte, mäanderförmige Leiterbahn 8b. Der hier der Unterscheidung halber als linker Teilbereich 23 bezeichnete Bereich der Trägerfolie 2 hat an seiner Unterseite eine erste metallische Abschirmfläche 91, die sich über die ganze Länge des Teilbereichs und bis auf geringe Randzonen auch über die ganze Breite des Teilbereichs erstreckt.

Das Gegenstück zur oberen Trägerfolie bildet die in Teilfigur 9b dargestellte untere Trägerfolie 3, die gedanklich ebenfalls in drei längs nebeneinander liegende Teilbereiche 31, 32, und 33 aufgeteilt ist. Wiederum hat jeder dieser Teilbereiche in etwa die gleiche Breite, wobei allerdings die seitlichen Teilbereiche 31 und 33 vorzugsweise etwas breiter als der mittlere Teilbereich ist. Die zusätzliche Breite wird, wie weiter unten noch beschrieben u. a. als Biegezone und zur seitlichen Abschirmung benötigt. Der mittlere Teilbereich trägt an seiner Oberseite eine auflaminierte, mäanderförmige Leiterbahn 8a. Die Positionierung der beiden mäanderförmigen Leiterbahnen erfolgt analog zur der Positionierung der Trägerfolien in den vorgenannten Ausführungsbeispielen. An den Überkreuzungen 7 der beiden Leiterbahnen sind zwischen den beiden Leiterbahnen Isolierkörper respektive Abstandshalter 14 angebracht, wie sie auch schon in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben wurden. Auf der Oberseite des hier zur Unterscheidung als rechter Teilbereich 31 bezeichneten Bereichs der unteren Trägerfolie ist eine zweite metallische Abschirmung 92 aufgebracht, die sich über die ganze Länge des Bereichs und bis auf kleine Randbereiche auch über die ganze Breite des rechten Teilbereichs 31 erstreckt.

Das zusammengesetzte Folienkabel der Teilfigur 9c entsteht, indem die zurvor beschriebenen Trägerfolien 2 und 3 mit in Bezug auf die periodische, mäanderförmige Struktur der Leiterbahnen mit einem Längsversatz von einer halben Periodenlänge zur Deckung gebracht werden, so jeweils die beiden mittleren Teilbereiche 22, 32, die beiden linken Teilbereiche 23, 33 und die beiden rechten Teilbereiche 23, 33 aufeinander zu liegen kommen. Als Herstellungsverfahren bietet sich auch hier ein Laminierungsverfahren an. Der so erzielte Aufbau bildet sozusagen das Halbzeug für die weitere Verarbeitung zu einem abgeschirmten Folienkabel. Der mittlere Bereich des Halbzeugs bildet ein Folienkabel mit mäanderförmig verdrillten Leiterbahnen 8a, 8b und die beiden Seitenbereiche enthalten metallische Abschirmflächen.

Um mit dem Halbzeug aus der Fig. 9c zu einem abgeschirmten Folienkabel zu gelangen, wird an Oberseite und Unterseite des mittleren Folienkabels über die ganze Länge und im wesentlichen auch über die ganze Breite dieses mittleren Folienkabels jeweils ein Abstandshalter angeordnet. Ein möglicher Abstandshalter ist in Teilfigur 9e dargestellt. Vorzugsweise dient als Abstandshalter eine Kunststoffnoppenfolie, wobei die Noppen als kugelförmige Noppen oder als nebeneinander liegende zylinderförmige Noppen ausgebildet sein können. Das dermaßen präparierte Halbzeug wird schließlich durch Umklappen der linken und rechten Seitenbereiche zu einem abgeschirmten Folienkabel geformt. Insbesondere bei der Verwendung von Folienkabeln in CAN-Datenübertragungssystemen werden Leitungswellenwiderstände von 120 Ohm verlangt. Dies verlangt kleine Kapazitäten. Da die Kapazität zwischen zwei Leitern bei gegebener Leitergeometrie proportional zur relativen Dielektrizitätskonstanten der umgebenden Isolierung ist, ist es vorteilhaft diese Konstante durch einen möglichst hohen Luftanteil der umgebenden Isolierung möglichst klein zu halten. Die zuvor erwähnten Noppenfolien zeichnen sich bei der Verwendung als Abstandshalter durch einen solchen hohen Luftanteil in der umgebenden Isolierung aus.

Hierzu werden wie im Schnittbild der Teilfigur 9f dargestellt, die beiden seitlichen Abschirmflächen 91 und 92 umgeschlagen. Und zwar wird eine Abschirmung 91 auf die Oberseite des Folienkables mit dazwischenliegendem Abstandshalter 93 umgeschlagen und die andere Abschirmung 92 auf die Unterseite des Folienkabels mit dazwischenliegendem Abstandshalter 93 umgeschlagen. Wie bereits im Zusammenhang mit den Teilfiguren 9a und 9b erwähnt ist die Breite der Seitenbereiche 31, 33, 21, 23 etwas größer gewählt als die Breite des mittleren Bereiche 22 und 32, deren Breite die Breite des Folienkabels bestimmen. Hierdurch können auch die beiden Abschirmflächen 92 und 93 in ihrer Breite größer ausfallen als die Breite des Folienkabels. Beim Umschlagen der Abschirmungen um das Folienkabel mit den dazwischenliegenden Abstandshaltern ergeben sich daher in einer bevorzugten Ausführung überstehende Abschirmfläche 94, die um die Längsseiten der gesamten Anordnung umgeschlagen werden, so daß im wesentlichen eine vollständige Abschirmung für die beiden Signalleitungen 8a, 8b des Folienkabels entsteht.

Der besondere Vorteil von laminierten Datenleitungshalbzeugen ist ihre Herstellbarkeit als Meterware. Flachleiteranordnungen werden für komplizierte Strukturen in der Technik gedruckter Leiterplatten auf flexiblem Grundmaterial hergestellt, an die dann laminierte Verlängerungen mittel Klammerverbindungselementen angeschlossen werden, da die Drucktechnik geometrisch in ihrer größe beschränkt ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Hochfrequenzfestes Folienkabel mit mindestens zwei Leiterbahnen (8a, 8b) als Signalleitungen, die jeweils eine Mäander-förmige, geschlängelte, bandförmige Struktur aufweisen und sich in periodischen Abständen überkreuzen, wobei

    die Leiterbahnen zwischen einer oberen Trägerfolie (2) und einer unteren Trägerfolie (3) angeordnet sind

    und die Leiterbahnen (8a, 8b) mindestens an den Überkreuzungen (7) gegeneinander mit Isoliermitteln (6, 6b, 14) elektrisch isoliert und beabstandet werden,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß jede der mindestens zwei Leiterbahnen (8a, 8b) aus Leiterbahnsegmenten (4a, 4b) in mindestens zwei verschiedenen Ebenen gebildet ist und jede der mindestens zwei Leiterbahnen (8a, 8b) zwischen zwei Überkreuzungen (7) die Ebene wechselt, so daß sich eine Verdrillung der beiden Leiterbahnen ergibt.
  2. 2. Folienkabel nach Anspruch 1, bei dem die Leiterbahnen (8a, 8b) geformte Kupferbänder sind.
  3. 3. Folienkabel nach Anspruch 1, bei dem die Leiterbahnen (8a, 8b) in Metalldrucktechnik oder in der Technik gedruckter Leiterplatten hergestellt sind.
  4. 4. Hochfrequenzfestes Folienkabel mit mindestens zwei Leiterbahnen (8a, 8b) als Signalleitungen, die jeweils eine Mäander-förmige, geschlängelte, bandförmige Struktur aufweisen und sich in periodischen Abständen überkreuzen, wobei

    die Leiterbahnen zwischen einer oberen Trägerfolie (2) und einer unteren Trägerfolie (3) angeordnet sind

    und die Leiterbahnen (8a, 8b) an den Überkreuzungen (7) gegeneinander mit Isoliermitteln (6, 6b, 14) elektrisch isoliert sind,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß die die Isoliermittel als Isolierstreifen (14) ausgebildet sind, die sich räumlich lediglich auf den Überkreuzungsbereich (7) zwischen den Leiterbahnen (8a, 8b) erstrecken und daß mit den Isolierstreifen (14) als Abstandshalter der Wellenwiderstand der Leiterbahnen (8a, 8b) eingestellt ist.
  5. 5. Folienkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Leiterbahnen (8a, 8b) an den Überkreuzungen (7) in ihrer Leiterbreite verjüngt sind.
  6. 6. Folienkabel nach Anspruch 4, bei dem das Isoliermittel (6) als durchgehender Folienstreifen (6) in der Mitte des Folienkabels zwischen den Leiterbahnsegmente (4a, 4b) ausgebildet ist.
  7. 7. Folienkabel mit zwei Twisted Pair Datenleitungen, zwei Versorgungsleitungen (11) und zwei Schirmleitungen (10), bei dem

    die beiden Twisted Pair Datenleitungen jeweils aus zwei Leiterbahnen (8a, 8b) als Signalleitungen bestehen, die jeweils eine Mäander-förmige, geschlängelte, bandförmige Struktur aufweisen und sich in periodischen Abständen überkreuzen,

    die Leiterbahnen zwischen einer oberen Trägerfolie und einer unteren Trägerfolie (3) angeordnet sind,

    die Leiterbahnen (8a, 8b) mindestens an den Überkreuzungen (7) mit einem Abstandshalter (9) elektrisch isoliert und beabstandet sind,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß die beiden Versorgungsleitungen (11) und die beiden Schirmleitungen (10) zwischen oberer und unterer Trägerfolie und zwischen den beiden Signalleitungen (8a, 8b) angeordnet sind,

    und daß zwischen einer Signalleitung und einer Versorgungsleitung (11) jeweils eine Schirmleitung (10) angeordnet ist.
  8. 8. Folienkabel nach Anspruch 7, bei dem der Folienaufbau mit einer metallischen Schirmfolie (13) umfaßt ist.
  9. 9. Folienkabel nach Anspruch 8, beim die beiden Schirmleitungen (10) mit der metallischen Schirmfolie (13) elektrisch verbunden sind.
  10. 10. Folienkabel nach einem der Ansprüche 7 bis 9,

    mit einem mittleren Bereich, in dem die Leiterbahnen (8a, 8b) angeordnet sind,

    mit zwei seitlichen Bereichen links und rechts von den Leiterbahnen (8a, 8b), in denen zwischen der oberen Trägerfolie (2) und der unteren Trägerfolie (3) metallische Abschirmflächen (91, 92) angeordnet sind.
  11. 11. Folienkabel nach Anspruch 10 mit zwei als Abstandshalter (93) strukturierten Kunststofffolien, die oberhalb und unterhalb der Leiterbahnen (8a, 8b) und zwischen den Leiterbahnen (8a, 8b) und den metallischen Abschirmflächen (91, 92), die den Folienaufbau umgeben, angeordnet sind.
  12. 12. Folienkabel nach Anspruch 11, bei dem die als Abstandshalter (93) strukturierten Kunststofffolien eine Kunststoffnoppenfolie ist.
  13. 13. Folienkabel nach Anspruch 12, bei dem die Kunstoffnoppenfolie kugelförmige Noppen hat.
  14. 14. Folienkabel nach Anspruch 13, bei dem die Kunststoffnoppenfolie nebeneinander liegende, zylinderförmige Noppen hat.






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