CN111225513B - 用于连接功率电子构造元件和印刷电路板的方法和套筒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生功率电子构造元件和印刷电路板的机械连接和电连接的一种套筒和一种方法，其中提供形成机械连接的第一构件和套筒，在印刷电路板中引入孔和围绕孔的电接触面，使第一构件成形为长形的圆柱体，其在一侧具有头部，并且纵向地朝向其另一侧被引入到印刷电路板的孔中，功率电子构造元件具有机械紧固选项，该紧固选项具有围绕其延伸的电接触面，套筒由导电材料形成，并且围绕第一构件的长形的圆柱体，功率电子构造元件和印刷电路板各自的电接触面通过套筒电接触，机械连接由第一构件与功率电子构造元件的紧固选项的形状配合的连接来形成，并且通过功率电子构造元件与印刷电路板借助于第一构件的机械连接，还通过套筒形成电接触。

Description

用于连接功率电子构造元件和印刷电路板的方法和套筒
技术领域
本发明涉及一种用于在功率电子构造元件和印刷电路板之间产生电连接和机械连接的方法。尤其考虑将电池单元连接到印刷电路板以传输高电流。此外，提出了一种实现电连接的套筒。
背景技术
印刷电路板生产的传统技术被设计用于具有精细导轨间隔的高结构分辨率，并因此用于在低电流下传输信号。相比之下，如现代功率电子器件中出现的高电流无法以薄的光学结构导轨实现。同时，在现代功率电子器件中，具有分立的构件和拧接的汇流排的传统制造方法由于与特定的构件及其安装相关的成本是不可接受的，或者至少使得为微电子控制器提供标准接口变得困难，这些微电子控制器在大多数情况下包括表面贴装的集成的开关元件并且因此进而需要印刷电路板。
在具有至少一个铺设的导体轨(例如由铜或铝组成的所谓的“Outlay(外置体)”)的印刷电路板中，导体轨大多通过同一连接与印刷电路板机械地且电气地连接。在此，大多涉及将导体轨焊接到例如光刻地在蚀刻过程中结构化的表面金属化物上，但是也涉及通过引脚(例如压配合)进行连接。
然而，在功率电子电路中，压配合和现有技术中用于产生连接的与此相关的技术由于许多原因并非有利的。一方面，电流首先必须从所铺设的导体轨流入印刷电路板和/或压配合元件，以便从那里向外导出。然而，对于几百安培的电流而言，在相应边界面处的一般的接触障碍已经是非常高损耗的。另一方面，目前使用的压配合元件大多需要结构空间，尤其结构高度(例如对于螺纹螺栓而言)，这使得难以或者无法通过薄的间隙垫直接或间接地向印刷电路板上的导体轨和/或功率构造元件引入必要的冷却(例如借助冷却板)，因为为此需要构造元件的均匀的、不具有结构高度变化的表面。传统的拧接件或所压入的、所放置的螺栓必须设置在冷却板的表面区域中的位置处，并且可能在那里被铣磨，这可能在批量生产的产品中造成巨大的成本。此外，可间接地通过压配合产生不利连接，因为高电流强度的电流应尽可能直接地被馈送或导出到导体轨或线缆。在许多汽车系统中，连接端例如垂直于印刷电路板地被馈送。馈电线和所铺设的导体轨之间应尽可能直接地接触，并且不应被引导穿过其他中间件、例如在印刷电路板中借助压配合产生的通孔接触部。
另一种连接到例如在印刷电路板的顶侧上延伸的导体轨的可能性在于来自印刷电路板底侧的馈电线，其中馈电线在此对应地穿过电路板。然而，这种处理方法包含低的或至少有限的机械强度的问题，因为馈电线由此在振动荷载中随着时间的推移总是再次将导体轨推离印刷电路板，该振动荷载例如在使用这种功率电子器件的机动车辆行驶时出现。在此，连接可能变得脆弱并最终断开。
在具有外置汇流排或嵌入的、所谓的嵌入汇流排的印刷电路板中，原则上可以从大约1mm的厚度起与相应的汇流排通过拧接进行连接。由于绝缘的印刷电路板材料(例如可以由玻璃纤维增强的环氧树脂、即所谓的预浸料形成)开始在由于拧接而承受压力的区域中流动，因此尤其在这些区域处的嵌入体中移除该印刷电路板材料并且直接向嵌入体中进行拧接。如果印刷电路板中或印刷电路板上没有通过汇流排来加固，则可能对应地通过金属套筒将压力从预浸料转移到形状稳定的金属上。这例如在文件US 2005/0134254 A1中提出，其中螺钉被引导穿过一种套筒。
在美国公开文件US 2018/0235071 A1中，同样借助于导电套筒通过螺钉将导电层彼此连接，其中总体上涉及电动机的功率电子控制器的组装。螺钉被引导穿过套筒，并且被推动到由复合物质组成的最下层中。
尤其在电池单元中通常存在螺纹螺栓或带有内螺纹的盲孔，带有围绕螺栓或孔的接触面。在多个电池单元的相应极的这种盲孔中，例如在文件US 2010/0062329 A1中，相应的螺钉被拧紧，以便通过连接框架串联连接电池单元。在此，电池电流通过连接框架的连接轨道上的相应螺钉。
发明内容
在此背景下，本发明的目的在于，提供一种用于连接功率电子构造元件和印刷电路板的方法，该方法产生机械连接和电连接，其中确保了高电流强度的传输，并且伴随而来的所用材料的热膨胀不影响机械连接的强度以及由此进而电连接。此外，应公开一种系统，该系统包含根据所提出的方法而形成或产生的连接。
为了实现上述目的，提出一种用于产生功率电子构造元件与印刷电路板的机械连接和电连接的方法，其中提供形成机械连接的第一构件和形成电连接的套筒状的第二构件。在该印刷电路板中引入孔和围绕该孔的电接触面。该第一构件成形为长形的圆柱体，其中该圆柱体在一侧具有头部，并且纵向地朝向其另一侧被引入到该印刷电路板的孔中。该功率电子构造元件在有待与该印刷电路板机械连接和电连接的位置上具有机械上的紧固选项，该紧固选项具有围绕该紧固选项延伸的电接触面。该第二构件由导电材料形成，并且套筒状地围绕第一构件的长形的圆柱体，其中该功率电子构造元件的电接触面和该印刷电路板的电接触面通过该第二构件彼此电接触。该机械连接由第一构件与该功率电子构造元件的紧固选项的形状配合的连接来形成。通过功率电子构造元件与印刷电路板借助于该第一构件的机械连接，还通过该第二构件形成电接触。
印刷电路板在孔的位置处有利地具有金属性的嵌入体，孔和第一构件被引导穿过该金属性的嵌入体。然而，当设置有头部的第一构件从上方被引导穿过孔时，围绕孔的电接触面也可以是印刷电路板底侧处的金属化的层。
进一步有利的是，通过本发明的方法在印刷电路板的安放有第一构件的头部的一侧实现小的结构高度。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，在不考虑导电性的情况下选择一种用于该第一构件的材料。第一构件与功率电子构造元件的紧固选项一起实施使功率电子构造元件接触压靠印刷电路板。因为这种第一构件完全不必具有电特性，因此在选择该第一构件时可以不考虑导电性。因此，在金属中例如铜具有高导电性，但是由于其相比于钢而言的易变形性只可有限地被用作紧固元件。由于根据本发明导电性降低的材料特性，导电性相对较差的钢也被考虑用于第一元件的材料选择。
在根据本发明方法的另一实施方式中，该功率电子构造元件具有螺栓作为紧固选项，与此相应地使该第一构件的长形的圆柱体成形为空心圆柱体。
在根据本发明方法的另一实施方式中，该功率电子构造元件具有盲孔作为紧固选项，与此相应地使该第一构件的长形的圆柱体成形为螺栓。
在根据本发明方法的另一实施方式中，选择来自以下列表的形状配合的连接：拧接、铆接、焊接、粘接。
在将形状配合的连接选择为拧接时，在功率电子构造元件的紧固选项中布置螺纹。在此涉及一种螺栓，因此在该螺栓上切割出外螺纹。相应地，在第一构件的成形为空心圆柱体的长形的圆柱体中切割出内螺纹。在此涉及一种盲孔，因此向该盲孔中切割出内螺纹。相应地，向第一构件的成形为螺栓的长形的圆柱体中切割出外螺纹。此外，第一构件的头部设置有用于车刀的接口。这可以是裂缝、十字槽、内六角扳手、内梅花头螺钉等。
在根据本发明方法的另一实施方式中，在该印刷电路板的围绕该孔的电接触面和该第一构件的头部之间布置分配支撑力的其他构件，该构件能够是垫圈。在一定程度的振动荷载中，可以将由头部的下颚部所施加的支撑力直接作用到印刷电路板上，使得印刷电路板的强度在孔和围绕该孔的电接触面的位置上被要求超过荷载极限(例如关于塑性的可变形性或流变极限)。在这种情况下，可以通过借助垫圈增大被下颚部占据的面积来分配支撑力。
上述振动荷载可以例如在机动车辆运行中出现，该机动车辆可以是电动汽车，其中根据本发明产生的连接被布置在作为牵引电池的一部分的电池单元和用于电动机控制的功率电子电路之间。
在根据本发明方法的另一实施方式中，将该功率电子构造元件选择为电池单元、或接触器、或所设计的高电流传输的其他功率电子构造元件。
在根据本发明方法的又一实施方式中，套筒状设计的第二构件设计有用于传感器的L形接片。
此外，要求保护一种用于产生功率电子构造元件与印刷电路板的电连接的套筒，该套筒被配置成除了形成机械连接的第一构件之外还作为形成电连接的第二构件而被提供。向印刷电路板中引入孔和围绕该孔的电接触面。第一构件成形为长形的圆柱体，其中该圆柱体在一侧具有头部，并且纵向地朝向其另一侧被引入该印刷电路板的孔中。该功率电子构造元件在有待与该印刷电路板机械连接和电连接的位置上具有机械上的紧固选项，该紧固选项具有围绕该紧固选项延伸的电接触面。该套筒由导电材料形成，并且被配置成用于呈套筒状地包围该第一构件的长形的圆柱体并且使该功率电子构造元件的电接触面和该印刷电路板的电接触面电接触。该机械连接是由第一构件与该功率电子构造元件的紧固选项的形状配合的连接而形成的。最后，该套筒被配置成用于通过功率电子构造元件和该印刷电路板借助于该第一构件的机械连接来形成电接触。
在根据本发明的套筒中实现导电。这种套筒例如由黄铜或优选由铜或电镀铜(例如具有镍或锡)组成。为了具有增大的接触面，根据本发明的套筒可以形成径向向内或向外延伸的L形横截面形状或L形旋转体形状。与第一构件和功率电子构造元件之间的形状配合的连接所选择的形式无关(例如通过各自布置的螺纹进行拧接)，根据本发明的套筒不一定具有螺纹。最低要求是在所估计的压力范围内仅具有不太高的塑性可变形性。此外，根据要求，根据本发明的套筒还具有附加其他的接口或例如焊接的金属轨道部分。
在根据本发明的套筒的构型中，套筒具有用于传感器的L形接片。这可以例如用于电池单元的电压测量，因为藉由具有接片的套筒可以实现一种开尔文式连接，即四导体测量，这是因为来自电池单元的负载电流经过产生欧姆和感应电压压降的套筒主体流动到印刷电路板，但不通过套筒的L形延伸部。
本发明的其他优点和构型从说明书和附图得出。
不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，以上提到的这些特征以及仍将在以下说明的特征不仅能够在相应给出的组合中使用，而且还可以在其他组合中或者单独地使用。
附图说明
图1示意性地示出现有技术中的两个电池单元，这些电池单元各自通过螺栓或盲孔具有极连接端。
图2示意性地示出根据本发明方法的一个实施方式穿过根据本发明布置的构件的截面图。
图3示意性地示出在根据本发明的套筒的一个构型中具有用于传感器的L形接片的套筒。
图4示意性地示出根据本发明方法的一个实施方式穿过根据本发明制造的连接件的截面图。
图5示出在根据本发明方法的一个实施方式中根据本发明的连接过程的分解图示。
图6示意性地示出在根据本发明方法的一个实施方式中穿过根据本发明制造的连接件的截面图，该连接件具有螺栓状的第一构件。
具体实施方式
图1中示意性地示出现有技术中的两个电池单元110、120，这些电池单元各自通过螺栓111或盲孔121具有极连接端。由相应的螺栓111或相应的盲孔121构成相应的紧固元件，该紧固元件在执行根据本发明方法的实施方式时与根据本发明提供的第一构件形成形状配合的连接。
图2中示意性地示出根据本发明方法的一个实施方式穿过根据本发明布置的构件202、203、204的截面图200。根据本发明提供的第一构件203被引导穿过印刷电路板204的孔，其中头部205具有用于车刀的接口，并且压紧到垫圈209上，由此将力传递到印刷电路板204的顶侧。第一构件203优选地由机械稳定的材料形成，该材料不一定具有导电性。第一构件203的长形的成型在此实施为具有内螺纹207的空心圆柱体，其中该空心圆柱体例如被提供用于接收部201，该接收部用于到功率电子构造元件的紧固选项，该功率电子构造元件可以是电池单元。印刷电路板204在底侧具有金属层213，根据本发明的套筒202以上接触面214从下方压靠该金属层。套筒202有利地以向内呈L状的形式实施，由此下接触面208朝功率电子构造元件而增大。该套筒进一步有利地由有良好导电性的材料(例如铜)形成。因为套筒不用于机械连接强度，因此也可以选择例如与钢相比更容易变形的物质作为有良好导电性的材料。通过第一构件203和功率电子构造元件的紧固选项的形状配合的连接来实现使套筒202压靠印刷电路板204，其中该紧固选项在此是螺栓。由于形状配合的连接，功率电子构造元件压靠套筒202的下接触面208，由此套筒202压靠印刷电路板204。
图3中示意性地示出在根据本发明的套筒302的一个构型中具有用于接收312传感器的L形接片311的套筒图示300。根据本发明从上方将第一构件引导至套筒302的空腔301中，该第一构件藉由与从下方压靠套筒的功率电子构造元件的形状配合的连接使该套筒以其接触面314向上压靠印刷电路板。
图4中示意性地示出根据本发明方法的一个实施方式穿过根据本发明制造的连接件的截面图400。第一构件403从上方以其头部的下颚部直接压靠印刷电路板404的嵌入体413，并且(以实施为带有内螺纹407的空心圆柱体的方式)具有带有外螺纹的螺栓状的极连接端的接收部401。套筒402从下方压靠嵌入体413，并且因此在电池单元和嵌入体413之间产生电接触，该套筒具有朝向电池单元的极帽的接触面408。此外，将套筒放置在电池单元框架406上，该电池单元框架形成极帽的接收部405。最后，套筒402具有带有用于传感器412的接口的L形接片411。传感器412可以例如由用于电池管理的电池单元测量接触器形成，并且可以通过铆接被布置在L形接片411中。
在图5中在根据本发明的方法的一个实施方式中以从下方的分解图示510和从上方的分解视图520示出根据本发明的连接过程。将根据本发明的套筒502、具有围绕孔延伸的去绝缘的接触面513的印刷电路板504、以及第一构件503放置或拧接到具有所放置的电池单元框架506的电池单元505的极连接端501上。
图6中示意性地示出在根据本发明方法的一个实施方式中穿过根据本发明制造的连接件的截面图600，该连接件具有螺栓状的第一构件603。第一构件603从上方以其头部压靠印刷电路板604上的垫圈609，并且(以实施为带有外螺纹607的螺栓的方式)直接被旋入极帽605的盲孔中，由此位于极帽605、电池单元框架606和印刷电路板中的嵌入体613之间的根据本发明的套筒602产生极帽605和嵌入体613之间的电连接。

Claims (10)

1.一种用于产生功率电子构造元件与印刷电路板(204，404，504，604)的机械连接和电连接的方法，其中提供形成该机械连接的第一构件(203，403，503，603)和形成该电连接的第二构件(202，302，402，502，602)，其中在该印刷电路板中引入孔和围绕该孔的电接触面(513)，其中使该第一构件成形为长形的圆柱体，其中该圆柱体在一侧具有头部(205)，并且纵向地朝向其另一侧被引入到该印刷电路板的孔中，其中该功率电子构造元件(110，120)在有待与该印刷电路板机械连接和电连接的位置上具有机械上的紧固选项(111，121，501)，该紧固选项具有围绕该紧固选项延伸的电接触面，其中该第二构件由导电材料形成，并且套筒状地围绕该第一构件的长形的圆柱体，其中该功率电子构造元件的该电接触面和该印刷电路板的该电接触面通过该第二构件电接触，其中，该第二构件以上接触面向上压靠该印刷电路板的该电接触面，其中该机械连接由该第一构件与该功率电子构造元件的该紧固选项的形状配合的连接来形成，并且其中通过功率电子构造元件与印刷电路板借助于该第一构件的该机械连接，还通过该第二构件形成电接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在不考虑导电性的情况下选择一种用于该第一构件的材料。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中该功率电子构造元件具有螺栓作为该紧固选项，并且相应地使该第一构件的长形的圆柱体成形为空心圆柱体。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中该功率电子构造元件具有盲孔作为该紧固选项，并且相应地使该第一构件的长形的圆柱体成形为螺栓。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中选择来自以下列表的形状配合的连接：拧接、铆接、焊接、粘接。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中在该印刷电路板的围绕该孔的该电接触面和该第一构件的该头部之间布置分配支撑力的其他构件，该构件能够是垫圈(209，609)。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中将该功率电子构造元件选择为电池单元、或接触器、或所设计的高电流传输的其他功率电子构造元件。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其中使套筒状设计的该第二构件形成有用于传感器(412)的L形接片(311，411)。
9.一种用于产生功率电子构造元件与印刷电路板(204，404，504，604)的电连接的套筒(202，302，402，502，602)，该套筒被配置成除了形成机械连接的第一构件(203，403，503，603)之外还作为形成该电连接的第二构件而被提供，其中在该印刷电路板中引入有孔和围绕该孔的电接触面(513)，其中该第一构件成形为长形的圆柱体，其中该圆柱体在一侧具有头部(205)，并且纵向地朝向其另一侧被引入该印刷电路板的该孔中，其中该功率电子构造元件(110，120)在有待与该印刷电路板机械连接和电连接的位置上具有机械上的紧固选项(111，121，501)，该紧固选项具有围绕该紧固选项延伸的电接触面，其中该套筒由导电材料形成，并且被配置成用于呈套筒状地包围该第一构件的长形的圆柱体并且使该功率电子构造元件的该电接触面和该印刷电路板的该电接触面电接触，其中，该第二构件以上接触面向上压靠该印刷电路板的该电接触面，其中该机械连接是由第一构件与该功率电子构造元件的该紧固选项的形状配合的连接而形成的，并且其中该套筒被配置成用于通过功率电子构造元件和该印刷电路板借助于该第一构件的机械连接来形成电接触。
10.根据权利要求9所述的套筒，该套筒具有用于传感器(412)的L形接片(311，411)。
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