專利名稱：包括作為環(huán)境和emi/rfi屏蔽體的電路插件板組件的現(xiàn)場裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子現(xiàn)場裝置(field device)，例如用于監(jiān)測工業(yè)過程的過程變送器(process transmitter)。更具體地，本發(fā)明涉及用于可能具有高電磁干擾(EMI)的工業(yè)過程環(huán)境的電子現(xiàn)場裝置。
背景技術(shù)：
通常，電子現(xiàn)場裝置(例如過程變送器)用于監(jiān)測工業(yè)過程的操作，例如，在煉油廠、化學(xué)處理工廠、紙?zhí)幚砉S、生物技術(shù)工廠、制藥廠、食品及飲料廠以及類似工廠中。用于監(jiān)測工業(yè)過程的過程變送器可以測量壓力、流量、容器中的流體或材料水平、溫度、振動等。另外，這種現(xiàn)場裝置可以包括分析電子裝置、診斷電子裝置或其它的過程監(jiān)測電子裝置，或者甚至包括用于工業(yè)過程控制的電子、液壓或氣動致動器裝置。
過程變送器典型地在加工廠內(nèi)被定位在可能存在液體、灰塵和濕氣以及各種工業(yè)污染物的位置處。在某些環(huán)境中，可以存在過程液體，例如酸性溶液或堿性溶液。液體還可以包括來自用于清潔工廠設(shè)備的軟管的噴霧。液體可以滴落、飛濺或噴濺到過程變送器及其電連接部分上。另外，環(huán)境中的灰塵、濕氣和液體可以污染及通化連接至過程變送器的電連接部分以及過程變送器內(nèi)的電連接部分。
現(xiàn)有技術(shù)中已知包括設(shè)置在密封殼體內(nèi)并由外部罩蓋保護的電路系統(tǒng)的變送器。還已知的是包括用于修改電路參數(shù)(例如調(diào)零或跨距設(shè)定)的一個或多個可致動開關(guān)。典型地，一個或多個開關(guān)或者現(xiàn)場接線柱僅在移走外部變送器蓋之后可接近。
遺憾的是移走外部罩蓋會使變送器殼體內(nèi)的電子裝置暴露給污染物和電磁及射頻干擾。一種用于對變送器殼體內(nèi)的電子裝置保持EMI保護的技術(shù)包括導(dǎo)電內(nèi)部罩蓋，所述導(dǎo)電內(nèi)部罩蓋設(shè)置在變送器殼體內(nèi)并與殼體的導(dǎo)電壁摩擦接觸，以在移走外部罩蓋時減小EMI效果。Bodin等人于1994年10月4日提出的名為“PROCESS TRANSMITTER WITH INNERCONDUCTIVE COVER FOR EMI SHIELDING”的美國專利第5,353,200號中顯示及說明了具有內(nèi)部導(dǎo)電罩蓋的過程變送器的一個實例，該專利在此全文并入本文供參考。
現(xiàn)有技術(shù)中正需要具有改進的濕氣及環(huán)境污染耐受性以及有效的EMI/RFI過濾能力的工業(yè)過程變送器殼體構(gòu)造。本發(fā)明的實施例提供對這些及其它問題的解決方案并提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的其它優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
說明一種現(xiàn)場加固工業(yè)裝置(field hardened industrial device)。所述現(xiàn)場加固工業(yè)裝置的殼體具有環(huán)繞帶有開口端的空腔的導(dǎo)電壁。電子組件適于裝配在所述空腔內(nèi)。所述電子組件的一部分為電路插件板組件，所述電路插件板組件為具有通道式電連接以及嵌入式接地層的多層印刷線路板，所述嵌入式接地層電連接到所述殼體以屏蔽所述電子組件免于電磁干擾并向所述電子組件提供環(huán)境保護。
在一個實施例中，具有通道式電連接的所述多層印刷線路板的尺寸設(shè)定成裝配在所述裝置殼體的空腔內(nèi)。嵌入所述印刷線路板內(nèi)的接地層大體延伸過所述多層印刷線路板的全部范圍。所述接地層電連接到所述裝置殼體，以屏蔽所述裝置殼體內(nèi)的電子裝置免受電磁干擾并向所述電子裝置提供環(huán)境保護。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的現(xiàn)場裝置的簡化方塊圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括電路插件板組件的現(xiàn)場裝置的橫截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電路插件板組件的一部分的放大橫截面圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括多個電路插件板組件的印刷電路基板的簡化上視圖；圖4B是圖4A的一個電路插件板組件的放大上視圖；
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的穿過電路插件板組件的盲孔的放大橫截面圖；圖5B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的沿圖5A中的虛線460所截得的接地層和通孔互連層的上視圖的簡化方塊圖；圖6A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的穿過電路插件板組件的通孔的放大橫截面圖；以及圖6B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的沿圖6A中的虛線460所截得的接地層和通孔互連層的上視圖的簡化方塊圖。
盡管上述說明闡述了本發(fā)明的實施例，然而其它實施例也是可預(yù)期的，某些實施例在討論中會提及。在所有的情況中，本披露內(nèi)容以代表而非限制的方式提供所示例的實施例。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及現(xiàn)場加固工業(yè)裝置，例如過程變送器，優(yōu)選地使用即使移走外部變送器蓋也可保持EMI保護和環(huán)境保護的單室電殼體。如在此所使用，短語“現(xiàn)場加固工業(yè)裝置”指的是具有被密封以抵抗環(huán)境污染的殼體的裝置。在一個優(yōu)選實施例中，除了被密封以抵抗環(huán)境污染的殼體之外，電子裝置另外被密封以抵抗環(huán)境污染以及電磁及射頻干擾。在一個優(yōu)選實施例中，電路插件板組件所提供的環(huán)境密封為氣密封。如在此所使用，術(shù)語“氣密性”指的是具有小于約5×10-8std cc/sec He(一個大氣壓下每秒產(chǎn)生0.00000005立方厘米氦)的漏失率的密封。另外，如在此所使用，術(shù)語“EMI”或“電磁干擾”指的是來自主要含有頻率在0Hz(DC)與約10GHz之間的靜電(靜電場或E-場)能量的電磁輻射的干擾。
本發(fā)明包含電路插件板組件(CCA)，所述電路插件板組件用作從裝置的電子裝置至現(xiàn)場配線以及至裝置的現(xiàn)場配線側(cè)的本地操作者接口(LOI)或LCD顯示器的電連接。此外，CCA設(shè)有電連接到導(dǎo)電裝置殼體以提供EMI屏蔽的嵌入式接地層。CCA的接地層有效地將裝置殼體分成兩個“法拉第筒”并同時用作環(huán)境防護罩和EMI障壁(barrier)。
通常，法拉第筒為由導(dǎo)電材料形成的外殼，所述外殼被設(shè)計成通過在其內(nèi)部含有電磁波或?qū)㈦姶挪ㄅ懦谄鋬?nèi)部之外以防止電磁波通過。過程變送器典型地由導(dǎo)電金屬形成且其本身為法拉第筒。實際上，變送器殼體的外表面用作大體上在各點處具有相同電勢的等勢面。法拉第筒的原理在于帶電導(dǎo)體上的電荷僅存在于其外表面上。如果結(jié)構(gòu)的內(nèi)部不具有電荷，則即使所述結(jié)構(gòu)暴露到外部場，等勢面內(nèi)部通過高斯定律和發(fā)散理論(divergence theorem)也不具有靜電場。
在過程工業(yè)中，這種導(dǎo)電結(jié)構(gòu)用于消除結(jié)構(gòu)內(nèi)的電場，以保護電子裝置免受不希望的電磁信號的影響。理想地，電場和射頻無法穿入法拉第筒來影響電子裝置。應(yīng)該理解的是，因為殼體材料(盡管導(dǎo)電)不是完美的導(dǎo)體，并且外殼設(shè)有供配線進入殼體的開口，所以本發(fā)明的法拉第筒并不是完美的。除了濕氣和其它污染物之外，射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EMI)可以通過導(dǎo)線耦合(傳導(dǎo))到殼體內(nèi)的電子裝置中。不過，如在此所使用，術(shù)語“法拉第筒”指的是具有用于屏蔽封閉體積以免受到外部的電磁干擾和射頻干擾影響的充分的法拉第筒特性的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。
圖1說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的過程變送器系統(tǒng)100的簡圖。過程變送器102連接到過程管段104，以測量關(guān)于管段104內(nèi)所含有的流體有關(guān)的參數(shù)或過程變量。變送器102通過現(xiàn)場配線108連接到控制中心106。通常，現(xiàn)場配線包括電力電纜/接地電纜以及通信鏈?，F(xiàn)場配線108可以包括兩個或更多個導(dǎo)線。在一個可供選擇的實施例中，現(xiàn)場配線108提供電力及接地連接，但是變送器102與控制中心106之間的通信是通過無線通信鏈(圖中未示)進行。
通常，變送器102包括具有罩蓋112的殼體110。殼體110通過密封基座114連接到管段104，其中所述密封基座可以包括消費者為了特定安裝而設(shè)置的連接凸緣或其它連接機構(gòu)。配線管116設(shè)置在殼體110上以向現(xiàn)場配線108提供進入殼體110的進入開口，用以將變送器殼體110內(nèi)的電子裝置連接到控制中心106。
圖2中所示及下面所討論的電路插件板組件(CCA)270被設(shè)置在變送器殼體202內(nèi)，并且設(shè)有在幾個點處與變送器殼體接觸以完成接地連接的嵌入式接地層。如果變送器蓋208被移走，則CCA會使在變送器殼體202內(nèi)設(shè)置在CCA下方的電子裝置與電磁干擾和環(huán)境污染物隔離。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的單室變送器殼體的橫截面圖。在這個實例中，變送器200為用于測量工業(yè)過程的導(dǎo)管或容器中的流體壓力的壓力變送器200。然而，變送器200可以包括任何類型的工業(yè)傳感器。
變送器200包括變送器殼體202，變送器殼體202連接到基座部分204，限定具有開口的封套206?？刹鸪恼稚w208的尺寸設(shè)定成裝在所述開口上以將封套206從環(huán)境密封起來。殼體202包括上部210和下部212。上部210的外表面上設(shè)有尺寸設(shè)定成與罩蓋208的內(nèi)表面上的螺紋216相配合的螺紋214。另外，尺寸設(shè)定成用以容納O形環(huán)密封件220的凹槽218優(yōu)選地設(shè)置在上部208的外表面中。罩蓋208的懸垂部222擠壓O形環(huán)密封件220以使封套206與環(huán)境隔離。
通常，上部210通過焊接接頭224或其它導(dǎo)電裝置連接到下部212。下部212通過焊接接頭226或其它導(dǎo)電裝置連接到基座部分204。
被覆線(field wire)228延伸通過導(dǎo)線開口230進入殼體202的上部210內(nèi)。管道連接部232具有本體部234以及連接部236和238。本體部234的尺寸設(shè)定成與在上部210的外表面中設(shè)置的與導(dǎo)線開口230相鄰的對應(yīng)凹槽240相配合。連接部236設(shè)有適于與封套206內(nèi)的連接螺母242相配合的螺紋。密封墊244在連接部206上方設(shè)置在連接螺母242與上部210的內(nèi)表面之間，以繞著開口230密封封套206?？晒┻x擇地，管道或進入柱腳或預(yù)先形成的插座可以焊接或直接永久地連接到殼體。
被覆線228被定位在導(dǎo)線連接器246內(nèi)，連接器螺母248以螺紋連接方式連接到連接部238以將被覆線228固定在適當?shù)奈恢锰帯Ｌ貏e地，當連接器螺母248被緊固到連接部238上時，導(dǎo)線連接器246的凸緣部250被壓到連接部238的內(nèi)表面上，從而使導(dǎo)線連接器246將被覆線228夾在適當?shù)奈恢锰帯?br> 在封套206內(nèi)，被覆線228被打開成單獨的導(dǎo)線，包括連接到接地接線片254的接地導(dǎo)線252、以及連接到設(shè)置在連接板270上的彈簧加載的電接觸件280的電源線256和信號引線258。連接板270在移走罩蓋208時很容易被現(xiàn)場的操作者接近。本地操作者接口(LOI)板262連接到連接板270，并且向需要接近的現(xiàn)場裝置元件提供容易的接近方式，其中所述現(xiàn)場裝置元件包括跨距設(shè)定按鈕(span setting push button)264和用于重新設(shè)定變送器200的調(diào)零按鈕266、以及報警開關(guān)260和寫保護開關(guān)261。
在這個實施例中，LOI板262通過螺釘268固定在變送器殼體202的上部210內(nèi)，并且通過支座絕緣件(standoff)272和壓圈274與電路插件板組件或連接板270相分離。壓圈274與連接板270相配合，連接板270又與密封件290相配合。帶螺紋的緊固件288延伸通過壓圈274、連接板270和密封件290而進入殼體202的下部212內(nèi)，將連接板270固定在適當?shù)奈恢锰帯Ｍǔ?，緊固件288可以包括螺栓、螺釘或其它帶螺紋的緊固元件?？晒┻x擇地，緊固件288無需帶有螺紋，而可以包括諸如銷、驅(qū)動螺釘或類似工具的緊固件。
位于連接板270上的射頻干擾濾波器(RFI濾波器)278以電容方式將現(xiàn)場配線連接器280的引腳耦合到接地層350，并因此耦合到變送器殼體202。RFI濾波器278適于過濾可能耦合在現(xiàn)場配線228中的射頻干擾，并且通常適于保護電子組件免受到線路傳導(dǎo)干擾。
最后，電路插件板組件(CCA或連接板)270優(yōu)選由在其外周邊緣上電鍍有導(dǎo)電層282的多層印刷線路板(PWB)組成。通常，PWB由絕緣材料(例如，陶瓷、塑料和類似材料)形成，PWB上可以形成導(dǎo)線線路和電氣互連。
如下面更詳細地討論，連接板270包括嵌入式接地層350，所述嵌入式接地層大體沿連接板270的整個直徑延伸并連接到導(dǎo)電層282。嵌入式接地層350為設(shè)置在CCA 270內(nèi)并大體沿CCA 270的整個直徑延伸的平面層。嵌入式接地層350由導(dǎo)電材料(例如銅)形成，并且要電連接到變送器殼體202的導(dǎo)電壁以將EMI從電子組件屏蔽掉。通常，接地層350與殼體202之間的電連接可以通過緊固件288經(jīng)由導(dǎo)電層282完成或者通過其它方式經(jīng)由導(dǎo)電邊緣層282完成。在一個實施例中，密封件290可導(dǎo)電，并且通過密封件290實現(xiàn)接地路徑。
通過將接地層電連接到殼體202，CCA 270可有效地將殼體202分成兩個法拉第筒(CCA 270上方的法拉第筒284和CCA 270下方的法拉第筒286)。
在這個實施例中，在殼體202的下部212內(nèi)，CCA 270通過柔性電路294連接到變送器電路插件板組件(CCA)292。連接器296將柔性電路294連接到CCA 270。連接器297將柔性電路294的另一端部連接到變送器CCA292。散熱片295優(yōu)選地被固定在CCA 270與柔性電路294之間，以對位于柔性電路294上的任何熱量產(chǎn)生部件提供導(dǎo)熱路徑。
變送器CCA 292被安置在杯狀部298內(nèi)，所述杯狀部具有適于與下部212中所設(shè)置的凹槽302相配合的鉤狀部300。鉤狀部300將杯狀部298固定在下部212內(nèi)的適當位置處。連接器304將柔性電路306連接到低電平變送器CCA 292，低電平變送器CCA 292接著通過接觸引腳310連接到壓力傳感器308。
在所示的實施例中，壓力傳感器308包括用于電氣接觸引腳310的玻璃狀饋通裝置(glassed feed through)312。玻璃狀饋通裝置312延伸至環(huán)境密封的傳感隔膜314，傳感隔膜314鄰近傳感器308內(nèi)的充油空腔316。充油管318將傳感器308連接到空腔320，空腔320與連接到所述過程中的絕緣隔膜322相鄰。
填充管324被設(shè)置在傳感器308上，以將油填充空腔316、管318和空腔320填充到期望水平。充氣管326將傳感器308連接到大氣連通口328，從而使變送器可測量表壓。
最后，基座330優(yōu)選地通過消費者所提供用以與其特定應(yīng)用相配合的夾具332和凸緣334連接到所述過程中。設(shè)置在基座330和凸緣334內(nèi)的凹槽336和338的尺寸設(shè)定成容納將基座330密封到凸緣334的密封墊340。
通常，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明可以采用任何類型的傳感元件而不僅是所示的計示壓力傳感器。具體地，本發(fā)明的CCA 270可以采用任何過程傳感器，只要嵌入CCA 270內(nèi)的接地層的透入深度(skindepth)為足以有效地使電子裝置與EMI相隔離的厚度，所述EMI可能耦合在現(xiàn)場配線228中或者可以在外部罩蓋208被移走時從操作環(huán)境引入。另外，本發(fā)明可以用于任何現(xiàn)場加固工業(yè)裝置，包括遙測裝置、無線網(wǎng)關(guān)、遠程監(jiān)測單元、工業(yè)過程變送器及類似裝置。
圖3說明殼體202的上部210和下部212通過焊接接頭224焊接的情況下的CCA 270和組件的一部分的放大橫截面圖。如之前所討論，CCA 270的邊緣電鍍有導(dǎo)電層282。通常，CCA 270為多層基板，包括夾在上層352與下層354之間的嵌入式接地層350。通常，上層及下層352和354以及接地層350為多層印刷線路板(PWB)的一部分。一般，暴露的表面層360和362是防水的。然而，在構(gòu)建過程期間，鉆孔且基板邊緣被裁切以形成PWB270。這些暴露的邊緣具有暴露出的纖維，所述纖維可以用作用于將濕氣汲取到基底層360和362的吸液芯(wick)。為了防止此現(xiàn)象，PWB 270的邊緣電鍍有導(dǎo)電層，例如銅或錫，所述導(dǎo)電層也用作對濕氣和污染物的擴散障壁。另外，各通孔或孔被電鍍。
如之前所討論的，帶有螺紋的緊固件288延伸通過壓圈274、通過CCA270、通過密封墊290并進入下部212內(nèi)。接收帶有螺紋的緊固件288的、穿過CCA 270的開口也被電鍍導(dǎo)電層356，以防止?jié)駳饨?jīng)由開口進入板內(nèi)。取決于特定的實施方式，接地層350可以從孔的電鍍層356被蝕刻掉，以防止通過帶有螺紋的緊固件與地面短路?？晒┻x擇地，電鍍層356根據(jù)特定的實施方式可以提供用于接地層350的接地路徑。
如之前所討論，帶有螺紋的緊固件288以摩擦方式與殼體202的導(dǎo)電下部212(和/或上部210)和PWB導(dǎo)電層364相配合，并且通過導(dǎo)電層356或?qū)щ妼?82電連接到接地層350，以將EMI從傳感器電子裝置(例如圖2中的傳感器308)屏蔽掉。
在一個實施例中，密封件290為可防止CCA 270與殼體202摩擦配合的電絕緣體。壓圈274與CCA 270的外表面上的導(dǎo)電線路摩擦配合，同時帶有螺紋的緊固件288最終向殼體202提供接地路徑。如果密封件290導(dǎo)電(例如，商業(yè)上可購得的EMI密封墊)，則接地路徑可以通過密封件290而非帶有螺紋的緊固件288來形成。
圖4A是其上已制造有多個PWB 402的基板400的頂平面圖。通常，制造多層基板400，接著對個別的PWB 402進行布線、鉆孔、蝕刻和電鍍以制造完成的電路插件板。具體地，PWB 402的輪廓通過板被裁切，例如路線通道404。路線通道404不是連續(xù)的。PWB 402除了小的接頭部406之外被切掉，所述小的接頭部406將PWB 402固定在基板400的平面內(nèi)。
緊固件開口408、電連接通孔410和部件透孔(thru-hole)416形成于PWB 402中。板(通道404)的邊緣和開口408、通孔410和部件透孔416涂覆有導(dǎo)電層412。為了幫助操作者利用PWB 402完成安裝，連接器略圖和文本可以印刷在PWB 402上，如參考符號414所標示。
圖4B說明例如圖4A中所示的PWB 402的放大頂平面圖。稍后，在將部件裝配到PWB 402上之后，PWB被稱作電路插件板組件或CCA 402。在部件裝配之后，CCA 402被從基板400取出，留下末端上未涂覆導(dǎo)電層412的接頭部406。導(dǎo)電層412與電子裝置或變送器殼體(例如，圖2中的變送器外殼202)之間的電連接足以提供用于殼體中的電子裝置的EMI屏蔽。此外，相對于被涂覆導(dǎo)電層412的外周區(qū)域，接頭部406的小暴露區(qū)不會出現(xiàn)明顯的濕氣“吸液(wicking)”問題，并且可以很容易地涂覆環(huán)氧化物或類似材料以進一步提高防潮性。
為了完成針對濕氣“吸液”問題的保護，PWB面板中的通道404可以通過接頭部406規(guī)劃成部分深度，使得接地層350和下部導(dǎo)體層366在PWB402的整個外周周圍完全暴露出來而不會有任何破裂或間隙。當導(dǎo)電層282被電鍍到PWB 402上時，導(dǎo)電層282覆蓋PWB 402在層350與層366之間的整個邊緣。這會提供完全的擴散障壁，以防止?jié)駳獯┻^PWB的邊緣進入殼體下部。重要的是要提及，穿過PWB 402在切掉的接頭部406的區(qū)域中的其余暴露邊緣進入的濕氣僅進入PWR 402的層352內(nèi)?？煞乐?jié)駳膺M入PWB 402的層354內(nèi)以及通過導(dǎo)電層282、350、356和366以及密封件390進入殼體的下部。
除了開口408和通孔410之外，CCA 402包括用于實現(xiàn)與電路元件(圖中未示)的電連接的接觸墊420。可以在板的內(nèi)層上形成的下面的電跡線418以虛線形式示出。最終，散熱片422被設(shè)置以通過散熱片295幫助安裝在CCA 402上或熱連接到CCA 402的電氣部件向外傳送熱量。
最后，應(yīng)該理解的是接地層(圖2、圖3、圖5A、圖5B、圖6A和圖6B中所示)大體沿PWB 402的完整直徑(D)延伸。在特定的區(qū)域中，接地層被蝕刻掉，以防止不希望的各種電氣線路、電氣部件引腳和/或通孔與地的短路。通常，蝕刻區(qū)域的尺寸制作得盡可能地小，以防止通過接地層出現(xiàn)不希望的EMI的泄漏和/或濕氣擴散。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，PWB 402可以形成任何期望形狀。盡管PWB顯示為大體圓形形狀，然而PWB可以為方形、橢圓形、三角形或任何其它期望形狀。在任何情況下，接地層均大體延伸過PWB的全部范圍。
圖5A顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的PWB 402的一部分的放大橫截面圖。PWB 402設(shè)有電連接到PWB 402的邊緣上的導(dǎo)電層412的接地層430。第一通孔438從上部板434的現(xiàn)場配線暴露面428延伸到已移除接地層430的蝕刻區(qū)域436。偏離第一通孔438的第二通孔440從蝕刻區(qū)域436延伸到下部板432的傳感器暴露面426。第一通孔438與導(dǎo)電層442排成一行，第二通孔440與導(dǎo)電層444排成一行。跡線446完成第一與第二通孔438和440之間的電路。因此，電路元件448可以經(jīng)由電連接的通孔438和440電連接到電路元件452，而不會為污染物提供通過PWB 402從現(xiàn)場配線側(cè)移動到傳感器456和柔性電路458的直接路徑。這種特定構(gòu)造可以被稱作盲孔或交錯孔。
通常，為了實現(xiàn)電連接而不會出現(xiàn)通孔至地面的短路，接地層430在緊鄰?fù)?38和440以及跡線446的區(qū)域被蝕刻掉。導(dǎo)電安裝墊片466被設(shè)置在現(xiàn)場配線暴露面428上并通過跡線472和通孔墊437連接到通孔438的導(dǎo)電層442。電路元件448通過焊接接縫470固定到安裝墊片466上。同樣地，導(dǎo)電安裝墊片468被設(shè)置在用于通過焊接接縫474安裝電子部件452的傳感器暴露面426上。導(dǎo)電安裝墊片468通過跡線476和通孔墊443連接到通孔440的導(dǎo)電層444。盡管蝕刻區(qū)域436通過將蝕刻區(qū)域436限制到通孔和跡線緊鄰的區(qū)域而在法拉第筒內(nèi)引入另一裂紋，然而蝕刻區(qū)域436容許可忽略的EMI泄漏。
圖5B通過PWB 402的一部分460說明接地層430的蝕刻區(qū)域436。順導(dǎo)電層442排列的第一通孔438延伸到板內(nèi)而到達接地層430已被移除的蝕刻區(qū)域436。跡線446將電連接到第一通孔438的導(dǎo)電層442的通孔墊439連接到電連接到第二通孔440的導(dǎo)電層444的通孔墊441。第一通孔438和第二通孔440彼此偏離，以防止形成使?jié)駳夂臀廴疚锿ㄟ^板的直接路徑。
通常，蝕刻區(qū)域436的尺寸制作得盡可能地小，并且優(yōu)選尺寸設(shè)定成僅大到足以容納跡線446和兩個通孔438和440而不會使元件短路到地面。優(yōu)選地，蝕刻區(qū)域具有約10毫米或更小的最大線性長度，以限制可以通過蝕刻區(qū)域436擴散的EMI和濕氣的量。
因此，接地層430用作EMI障壁和濕氣防護罩或環(huán)境擴散障壁。更具體地，接地層提供使EMI到達殼體的路徑，變送器殼體提供使EMI到達地面的路徑，從而將EMI從殼體內(nèi)的印刷線路板270下方的電子裝置屏蔽掉。此外，電鍍到板的邊緣的導(dǎo)電層可防止?jié)駳馕胗∷⒕€路板，并且接地層對濕氣提供擴散障壁，使得即使?jié)駳庖阅撤N方式繞過導(dǎo)電層并進入連接板的上層，濕氣也會因接地層而停止，并且防止?jié)駳馔ㄟ^連接CCA 270一路到達安置在下方的電子裝置。
圖6A顯示根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的PWB 402的一部分的放大橫截面圖，其中通孔482徑直延伸通過PWB 402。PWB 402設(shè)有電連接到PWB 402的邊緣上的導(dǎo)電層412的接地層430。通孔482從接地層430已被移除的上部板434的現(xiàn)場配線暴露面428通過蝕刻區(qū)域436延伸至下部板432的傳感器暴露面426。通孔482包括位于表面428上的第一通孔墊437和位于表面426上的第二通孔墊443，并且與通孔內(nèi)的導(dǎo)電層442排成一直線。導(dǎo)電層442使通孔墊437電連接到通孔墊443。焊料480延伸進入通孔482內(nèi)并堵塞通孔482以進行環(huán)境保護。
通常，為了實現(xiàn)電連接但不使通孔482短路到地面，接地層430在與通孔482緊鄰的區(qū)域被蝕刻掉。導(dǎo)電安裝墊片466被設(shè)置在現(xiàn)場配線暴露面428上并通過跡線472和通孔墊437連接到導(dǎo)電層442。電路元件448通過焊接接縫470固定到安裝墊片466上。同樣地，導(dǎo)電安裝墊片468被設(shè)置在傳感器暴露面426上，以通過焊接接縫474安裝電氣部件452。導(dǎo)電安裝墊片468通過跡線476和通孔墊443連接到導(dǎo)電層442。盡管蝕刻區(qū)域436通過將蝕刻區(qū)域436限制到通孔482緊接的區(qū)域處在法拉第筒內(nèi)引起另一裂紋，然而蝕刻區(qū)域436容許穿過PWB 402的可忽略的EMI泄漏。
圖6B通過PWB 402的一部分460說明接地層430的蝕刻區(qū)域436。順導(dǎo)電層442排列的通孔482整體延伸通過板并通過接地層430已被移除的蝕刻區(qū)域436。蝕刻區(qū)域436的尺寸制作得盡可能地小，優(yōu)選地尺寸設(shè)定成僅大到足以容納通孔482而不會使導(dǎo)電層442短路到地面。由于通孔墊437和443形成于板的暴露面426和428上以用于通孔438，因此通孔墊443以虛線示出。如果通孔如圖5B中所示偏移，則通孔墊可以同時設(shè)置在接地層430的蝕刻區(qū)域436上和暴露面426和428上。通常，通孔墊437和443僅略大于通孔482并與通孔482同心(通孔墊439和441僅略大于圖5B中的通孔440并與通孔440同心)。
應(yīng)該理解的是通孔典型地利用跡線和接觸墊連接到電氣部件。尺寸設(shè)定成用于容納電導(dǎo)線或電氣部件的引腳的開口和孔可以較大或具有變化的尺寸。然而，印刷線路板中所有尺寸的開口均電鍍有導(dǎo)電層，以防止吸液到印刷線路板的層內(nèi)并提供用于通過板使電氣元件互相連接的電氣路徑。根據(jù)特定的實施方式和/或特定類型的連接，孔和開口可以采用通過板的交錯(“盲孔”)或直接路徑，如關(guān)于通孔如上所述。
如在此所使用，術(shù)語“通道式電連接”表示穿過板形成的電連接或通路。優(yōu)選地，通道式電連接適于通過板中的通道或通孔允許電傳導(dǎo)，同時防止不希望的濕氣和其它污染物通過板。使用如圖5B中所示的“盲孔”構(gòu)造或者如圖6B中所示的直接通孔構(gòu)造可以構(gòu)成通道式電連接。
當電氣信號被運送到現(xiàn)場配線上的組件內(nèi)并通過CCA 270傳送時，允許信號通過CCA 270至被屏蔽的電子裝置，同時EMI被嵌入式接地層430濾出且同時環(huán)境污染物被CCA 270阻擋。因此，接地層430用作EMI障壁以及濕氣防護罩或環(huán)境擴散障壁。更具體地，接地層提供用于EMI的至殼體的路徑，并且電子裝置殼體提供用于EMI的至地面的路徑，從而屏蔽殼體內(nèi)的印刷線路板下方的電子裝置免于EMI的影響。此外，電鍍在板的邊緣的導(dǎo)電層可防止?jié)駳馕胍鼍€路板內(nèi)，并且接地層提供濕氣擴散的障壁，使得即使?jié)駳庖阅撤N方式繞過導(dǎo)電層并進入連接板的上層，濕氣也會被接地層阻止，并且可防止?jié)駳馔ㄟ^連接CCA一路到達安置在下方的電子裝置上本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解本發(fā)明的CCA可以使用標準PWB制造過程進行制造。還應(yīng)該理解的是嵌入本發(fā)明的CCA內(nèi)的接地層必須足夠厚以將電磁干擾從傳感器電子裝置屏蔽掉。根據(jù)干擾頻率，接地層的厚度可能需要調(diào)節(jié)以獲得所需的集膚效果?！凹w效果(skin effect)”表示高頻電流在固體導(dǎo)體內(nèi)分配以使得導(dǎo)體表面附近的電流密度大于其中心處的電流密度的趨勢。為了利用法拉第筒原理，接地層必須厚到足以擴散高頻EMI，并且將其接地到殼體，從而使傳感器電子裝置和其它的電路與不希望有的電磁及射頻干擾隔離。
通過以導(dǎo)電材料涂覆板的裁切邊緣和開口以及使接地層的覆蓋最大化以達到除了板的非常小的百分比之外的所有部分，本發(fā)明的CCA用作EMI障壁和環(huán)境防護罩。這使得可以使用具有單一開口的電子裝置結(jié)構(gòu)，其中所述開口使得僅通過一個罩蓋就可接近現(xiàn)場配線端子和本地操作者接口(LOI)或液晶顯示器(LCD)端子，同時保護殼體內(nèi)的靈敏電子電路。另外，通過僅具有一個罩蓋，電子裝置具有更緊湊的“一列式”(in-line)形狀因子。
盡管已參考優(yōu)選實施例說明本發(fā)明，然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會意識到在不偏離本發(fā)明的本質(zhì)和范圍的前提下可以做形式及細節(jié)上的變更。
權(quán)利要求
1.一種現(xiàn)場加固工業(yè)裝置，包括殼體，所述殼體具有環(huán)繞具有開口端的空腔的導(dǎo)電壁；適于裝配在所述空腔內(nèi)的電子組件；以及適于電子連接到所述電子組件的電路插件板組件，所述電路插件板組件包括具有通道式電連接部以及嵌入式接地層的多層印刷線路板，所述嵌入式接地層電連接到所述殼體，以屏蔽所述電子組件免于電磁干擾，并向所述電子組件提供環(huán)境保護。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，其中所述電路插件板組件進一步包括導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層設(shè)置在所述電路插件板組件的邊緣上并適于防止?jié)駳獯┻^所述多層印刷線路板的邊緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工業(yè)裝置，其中所述導(dǎo)電層電連接到所述嵌入式接地層，其中，所述電路插件板組件的尺寸設(shè)定成使所述殼體的導(dǎo)電壁接觸所述邊緣，以將所述嵌入式接地層電連接到所述殼體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，進一步包括適于以可移除方式在所述開口端上固定到所述殼體上的外部罩蓋。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，進一步包括射頻干擾濾波器，所述射頻干擾濾波器連接到所述電路插件板組件上以保護所述電子組件不受到線路傳導(dǎo)的干擾。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，其中所述電路插件板組件包括兩個或更多個印刷線路板；設(shè)置在所述兩個或更多個印刷線路板之間的所述嵌入式接地層；以及設(shè)置在所述兩個或更多個印刷線路板和所述接地層的邊緣上的導(dǎo)電邊緣層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的工業(yè)裝置，其中所述兩個或更多個印刷線路板由絕緣材料形成，通孔和形成于其表面中的金屬跡線以提供電氣互連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，其中所述接地層包括大體延伸過所述電路插件板組件的整個直徑的導(dǎo)電層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，其中所述工業(yè)裝置進一步包括設(shè)置在所述電路插件板組件與所述殼體的導(dǎo)電壁之間的密封件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工業(yè)裝置，其中所述密封件包括適于使所述電路插件板組件與所述殼體電絕緣的電絕緣密封件。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工業(yè)裝置，其中所述密封件包括適于將所述嵌入式接地層電連接到所述殼體的導(dǎo)電密封件。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工業(yè)裝置，其中所述密封件和所述電路插件板組件與所述殼體形成氣密封，以向所述電子組件提供環(huán)境保護。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工業(yè)裝置，其中所述外部罩蓋可導(dǎo)電，并且其中，所述接地層將所述殼體分成足以使所述殼體內(nèi)的電子裝置與電磁干擾相隔離的兩個法拉第筒。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，進一步包括在所述殼體的一部分中的導(dǎo)線開口，所述導(dǎo)線開口的尺寸被設(shè)置成用于容納現(xiàn)場配線，所述現(xiàn)場配線用于將所述裝置連接到工業(yè)過程控制系統(tǒng)或監(jiān)測器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的工業(yè)裝置，其中所述現(xiàn)場配線被電連接到所述電路插件板組件。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，其中所述電子組件包括適于監(jiān)測工業(yè)過程的過程傳感器；以及連接到所述過程傳感器的電路系統(tǒng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)裝置，進一步包括設(shè)置在所述殼體的上部中并電連接到所述電路插件板組件的可致動開關(guān)，所述可致動開關(guān)適于修改過程電路的參數(shù)。
18.一種電路插件板組件，用于工業(yè)過程環(huán)境中所使用的現(xiàn)場加固工業(yè)裝置，包括多層印刷線路板，所述多層印刷線路板具有尺寸設(shè)定成裝配在裝置殼體的空腔內(nèi)的通道式電連接部分；以及嵌入所述印刷線路板內(nèi)并大體延伸過所述多層印刷線路板的全部范圍的接地層，所述接地層電連接到所述裝置殼體，以屏蔽所述裝置殼體內(nèi)的電子裝置免受電磁干擾，并向所述電子裝置提供環(huán)境保護。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電路插件板組件，進一步包括設(shè)置在所述多層印刷線路板的至少一個暴露面上的電接觸墊，所述電接觸墊的尺寸設(shè)定成與電子部件相匹配。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電路插件板組件，進一步包括導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層設(shè)置在所述多層印刷線路板的邊緣上，并且適于防止?jié)駳獯┻^所述多層印刷線路板的邊緣。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電路插件板組件，其中所述導(dǎo)電層電連接到所述嵌入式接地層及所述裝置殼體。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電路插件板組件，進一步包括形成于所述多層印刷線路板內(nèi)并穿過至少一層延伸到所述多層印刷線路板內(nèi)的通孔，所述通孔限定開口，所述開口具有涂覆導(dǎo)電層的壁部。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的電路插件板組件，其中所述通孔被防潮材料堵塞。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電路插件板組件，其中所述接地層包括通過所述裝置殼體電連接到接地連接部的導(dǎo)電層。
25.一種用于工業(yè)過程中的變送器，包括殼體，所述殼體具有環(huán)繞具有開口端的空腔的導(dǎo)電壁；適于裝配在所述空腔內(nèi)的電子組件；以及適于電子連接到所述電子組件的電路插件板組件，所述電路插件板組件包括具有通道式電連接部以及嵌入式接地層的多層印刷線路板，所述嵌入式接地層連接到所述殼體以屏蔽所述電子組件免于電磁干擾并向所述電子組件提供環(huán)境保護。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的變送器，進一步包括適于以可移除方式在所述開口端上固定到所述殼體上的外部罩蓋。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的變送器，進一步包括射頻干擾(RFI)濾波器，所述射頻干擾濾波器連接到所述電路插件板組件，以保護所述電子組件不會受到線路傳導(dǎo)的干擾。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的變送器，其中所述多層印刷線路板包括兩個或更多個印刷線路板；設(shè)置在所述兩個或更多個印刷線路板之間的所述嵌入式接地層；以及設(shè)置在所述兩個或更多個印刷線路板和所述接地層的邊緣上的導(dǎo)電邊緣層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的變送器，其中所述兩個或更多個印刷線路板由絕緣材料形成，通孔和金屬跡線形成于其表面中以提供電氣互連。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的變送器，其中所述接地層包括大體延伸過所述電路插件板組件的全部范圍的導(dǎo)電層。
全文摘要
一種現(xiàn)場加固工業(yè)裝置(200)，裝置的殼體(208)具有環(huán)繞具有開口端的空腔(206)的導(dǎo)電壁。電子組件(292)適于裝配在空腔內(nèi)。所述裝置包括電路插件板組件(270)，所述電路插件板組件為多層印刷線路板，具有通道式電連接部以及電連接到殼體(202)的嵌入式接地層(350)，以將電磁干擾從電子組件(292)屏蔽掉并向電子組件提供環(huán)境保護。
文檔編號H05K1/02GK101019472SQ200580030967
公開日2007年8月15日 申請日期2005年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者凱利·M·奧思, 乍德·M·麥奎爾 申請人:羅斯蒙德公司