CN114071874A - 电路载体布置和制造这种电路载体布置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电路载体布置和制造这种电路载体布置的方法。该电路载体布置包括：冷却板(1)，其有以间隔开的方式连接到印刷电路板(2)的间隔件和紧固元件(3)；印刷电路板(2)，具有接纳弹簧元件套筒(9)的内孔(4)；至少一个功率半导体部件(10)，其在与冷却板装配在一起的状态下借助于弹簧作用设计的插入式连接(11)在其面对间隔件和紧固元件的一侧上通过软钎焊连接连接到印刷电路板；至少一个弹簧元件(5)，其形成有其间延伸有连接到弹簧元件套筒(9)的腹板(6)的至少两个弹簧元件套筒(9)、相对于弹簧元件套筒的纵向方向垂直地延伸且布置在腹板任一侧上的支撑元件(7)和布置在腹板上的至少一个弹簧板(8)。

Description

电路载体布置和制造这种电路载体布置的方法
背景技术
在通常的实践中，借助于所谓的通孔插装技术(THT)将具有插入式连接线(下文中的插入式连接)的功率半导体部件插入到印刷电路板中为它们提供的孔中，并且软钎焊到通常呈导体轨道形式的导体，并且直接热连接到其中容纳有包括功率半导体部件的电路载体布置的外壳，或者连接到另一个冷却区域。这里，高导热材料可以安装在冷却区域和功率半导体部件之间。
为了实现良好的热传递，这里需要特定的接触压力。这种接触压力通常借助于弹簧产生。弹簧通常被拧入或夹紧在外壳中。主要问题是装配的顺序。目前，具有通过软钎焊工艺在其上电连接和机械连接的功率半导体部件的印刷电路板首先被插入到外壳中或者附接到散热器。然后，装配通过其产生所需接触压力的弹簧。为此，功率半导体部件必须伸出超过印刷电路板的边缘。类似地，螺钉附接点不得被印刷电路板覆盖。结果，失去了不可用于印刷电路板的宝贵冷却区域。这种情况导致相对较大的安装空间和因此相对较高的成本。
DE 10 2013 206 999 A1描述了一种用于机动车辆的控制器。控制器具有外壳，其中外壳的至少一个导热外壳壁由导热金属片形成并形成散热器。控制器具有印刷电路板，该印刷电路板布置在由外壳封闭的腔体中。控制器具有至少一个功率部件，特别是功率半导体，其中功率半导体连接(特别是以材料结合的方式，例如软钎焊)到印刷电路板。功率半导体被设计为表面安装部件，并且通过表面区域导热地连接到导热外壳壁。
在这种已知控制器的情况下，导热外壳壁以可拆卸的方式连接到外壳。导热外壳壁在与功率半导体相对定位的区域中具有压花部分，其中外壳壁通过压花部分被引导至功率半导体，使得在压花操作之前外壳壁和功率半导体之间的距离(特别是间隙尺寸)大于在压花操作之后的距离，特别是外壳壁和表面区域之间的距离。结果，可以减小间隙尺寸和因此用于桥接功率半导体的表面区域和散热器(具体地导热外壳壁)之间的距离的导热介质的量。
已知控制器的外壳壁具有两个接触压力圆顶，这两个圆顶通过深拉以彼此相隔一定距离形成在外壳壁中，并且朝向印刷电路板延伸。外壳具有用于接触压力弹簧的轴承，该接触压力弹簧由弹性体(特别是硅橡胶)形成。接触压力弹簧朝向接触压力圆顶延伸，并且被设计成在接触压力圆顶的区域中将印刷电路板压靠在接触压力圆顶上。控制器具有另一个接触压力弹簧，该弹簧被设计为螺旋弹簧，并且被抵靠外壳支撑，并且被设计成在另一个接触压力圆顶的区域中将印刷电路板压靠在另一个接触压力圆顶上。
然而，在这种已知的电路载体布置的情况下，剪切力可能在装配期间施加到功率半导体部件上，并且这些剪切力可能导致焊点的损坏，特别是在具有插入式连接的功率半导体部件的情况下。
发明内容
本发明的目的是找到一种将具有插入式连接的功率半导体部件直接放置在印刷电路板上的可能方式，并且能够允许接触压力仅在印刷电路板装配到外壳中或散热器上之后作用。
该目的通过如权利要求1所述的电路载体布置和如权利要求8所述的制造这种电路载体布置的方法来实现。从属权利要求中给出了本发明的有利发展。
因此，提供了一种电路载体布置，该电路载体布置：包括冷却板，该冷却板具有用于以间隔开的方式连接到印刷电路板的间隔件和紧固元件；包括印刷电路板，该印刷电路板具有用于接纳弹簧元件套筒的内孔；包括至少一个功率半导体部件，在功率半导体部件与冷却板装配在一起的状态下，该至少一个功率半导体部件借助于弹簧作用设计的插入式连接在其面对间隔件和紧固元件的一侧上通过软钎焊连接而被连接到印刷电路板；并且包括至少一个弹簧元件，该至少一个弹簧元件形成有至少两个弹簧元件套筒、支撑元件和至少一个弹簧板，在至少两个弹簧元件套筒之间延伸有连接到弹簧元件套筒的腹板，支撑元件相对于弹簧元件套筒的纵向方向垂直地延伸且布置在所述腹板的任一侧上，该至少一个弹簧板布置在所述腹板上，其中，在装配状态下，冷却板具有与印刷电路板中的内孔轴向地对齐的螺纹元件，其中，在印刷电路板与冷却板装配在一起的状态下，螺钉穿过弹簧元件套筒插入并可操作地连接到螺纹元件，其中，在至少一个弹簧板的非夹紧状态下，在螺钉没有拧入的情况下，所述弹簧板布置在印刷电路板和至少一个功率半导体部件之间，并且其中，在螺钉拧入的情况下，弹簧板被压在抵靠冷却板的功率半导体部件上。
一种用于制造这种电路载体布置的方法通过以下步骤进行：
▪ 通过将弹簧元件的弹簧元件套筒插入印刷电路板中的内孔中，将弹簧元件装配在印刷电路板上，
▪ 通过将至少一个功率半导体部件的插入式连接插入到印刷电路板中为插入式连接提供的孔中，并将插入式连接软钎焊到印刷电路板上的导体迹线，将至少一个功率半导体部件装配在印刷电路板上，其中，弹簧板定位在印刷电路板和相关联的功率半导体部件之间，
▪ 连接印刷电路板和冷却板，使得它们通过间隔件和紧固元件彼此间隔开，并且至少一个功率半导体部件和相关联的弹簧板定位在印刷电路板和冷却板之间，
▪ 通过拧紧插入弹簧元件套筒中的螺钉而夹紧弹簧板并且因此将至少一个功率半导体部件压靠到冷却板。
为了允许以尽可能节省空间的方式在印刷电路板上布置功率半导体部件，调整装配顺序。在这种情况下，在软钎焊过程之前，弹簧元件已经放置在印刷电路板和功率半导体部件之间。
为了防止弹簧元件影响软钎焊过程，在软钎焊到未夹紧的弹簧板的过程中，弹簧元件搁置在印刷电路板上的特殊形状的支撑元件上。在弹簧元件的端部处，弹簧元件套筒由金属薄板材料形成。借助于穿过印刷电路板中的两个孔的这些弹簧元件套筒，整个弹簧元件被固定在足够精确限定的位置。在软钎焊过程之后，具有其中软钎焊了功率半导体部件的印刷电路板被装配到外壳中。在这种情况下，弹簧元件的弹簧板仍然没有被夹紧。在装配完成后，借助两个螺钉夹紧至少一个弹簧板。结果，功率半导体部件被压到冷却装置上或高导热材料中。为了在装配和夹紧过程期间保护焊点，功率半导体部件的连接臂或插入式连接被特殊成形或弯曲。这种弯曲形状导致弹簧作用，该弹簧作用在装配和夹紧过程期间吸收力，并且不会将所述力传递到焊点。
由于弹簧元件的特定形状，有可能将功率半导体部件完全放置在印刷电路板下面，并且因此增加可用的印刷电路板面积。此外，不再需要将功率半导体部件的电路定位在印刷电路板的边缘处。当在印刷电路板上设计和分布整个电路时，这允许相对高的自由度。因此，除了两个孔之外，有可能使用几乎整个区域来安装部件。
弹簧元件的弹簧元件套筒的成形在两个方面是有利的：首先，弹簧元件套筒在装配过程期间充当弹簧元件的初步导向件，并且由于弹簧元件套筒穿过印刷电路板突出，弹簧元件在整个过程期间被保持在足够精确的位置，直到它最终借助于两个螺钉被固定。第二个优点出现在拧紧过程期间。由于弹簧元件的形状，螺钉头被保持在印刷电路板上方的特定点处。这导致非常容易接近螺钉头。以这种方式，即使在相对较大的进给量下，自动拧紧过程也是可能的。弹簧元件的优选至少三个支撑元件允许弹簧元件牢固地竖立在印刷电路板上，并且在软钎焊过程期间不会倾斜。在这种情况下，弹簧元件不与功率半导体部件接触。结果，防止了弹簧元件对软钎焊过程产生负面影响。功率半导体部件的连接臂的特殊弯曲形状产生弹簧作用。这用于在装配和夹紧过程期间最小化力的作用。功率半导体部件的塑料体和焊点的部分脱离在组件的操作期间也有影响。借助这一措施，可以增加焊点的使用寿命。
在电路载体布置的一个实施例中，插入式连接具有s形或波浪形设计。结果，它们部署了所需的弹簧作用。
弹簧元件有利地构造成使得多个弹簧板可以布置在仅一个腹板上。因此，对于几个功率半导体部件来说，仅两个弹簧元件套筒就足以用于初步装配和夹紧弹簧板。
在这种情况下，弹簧板可以布置在腹板的任一侧上。
在电路载体布置的另一个实施例中，弹簧元件的支撑元件通过靠近弹簧元件的腹板弯曲弹簧板而形成。
结果，可以实现电路载体布置的相对较低的总高度。
在电路载体布置的一个实施例中，弹簧元件套筒具有纵向狭槽并具有径向弹簧作用。特别是当电路载体布置的弹簧元件有利地通过冲压和弯曲由金属薄板部件制成时，可能是这样的情况，该弹簧元件由弹簧元件套筒、腹板、至少一个弹簧板和支撑元件形成。
用于夹紧弹簧板的螺钉可以在连接印刷电路板和冷却板之前或之后插入弹簧元件套筒中。
附图说明
下面将借助附图基于示例性实施例更详细地解释本发明，在附图中：
图1示出了电路载体布置的透视俯视图，
图2示出了具有透明印刷电路板的电路载体布置的透视俯视图，
图3示出了电路载体布置的透视侧视图，
图4从侧面示出了电路载体布置，
图5从前面示出了弹簧元件，
图6从后面示出了弹簧元件，
图7从上方示出了弹簧元件，
图8从侧面示出了弹簧元件，
图9示出了弹簧元件的透视图，
图10示出了具有带有备选弹簧元件的透明印刷电路板的电路载体布置的透视俯视图，
图11示出了备选弹簧元件的透视图，
图12从侧面示出了备选弹簧元件。
具体实施方式
图1至图4以各种视角示出了实现根据本发明的概念并使用根据本发明的方法制造的电路载体布置的透视图。在图2中，选择了一个视图，其中以透明的方式示出了印刷电路板2，以便允许看到功率半导体部件10和弹簧元件5的下面的布置。
这种电路载体布置形成有冷却板1，该冷却板借助于间隔件和紧固元件3连接到印刷电路板2。印刷电路板2可以填充有任何期望的电路布置，该电路布置包括各种各样的电气和电子部件，其中特别地功率半导体部件10借助于插入式连接11连接到印刷电路板2。插入式连接11穿过印刷电路板2中的孔(特别是内孔)插入，然后软钎焊到装配在印刷电路板2上的导体迹线(未示出)上。这种软钎焊连接对机械负载敏感，因此插入式连接11被设计为弹簧作用的插入式连接，特别是以近似s形或波浪形的方式。
印刷电路板2具有内孔4，在图1至图4的图示示例性实施例中，弹簧元件5的弹簧元件套筒9插入内孔4中。在这种情况下，弹簧元件5具有支撑元件7(图5至图9)，其中弹簧元件套筒9插入到印刷电路板2中的内孔4中，使得支撑元件7与印刷电路板2接触，并且因此将弹簧元件5支撑在印刷电路板2上。
在弹簧元件套筒9插入印刷电路板2中的内孔4中之后，功率半导体部件10借助于它们的插入式连接11软钎焊到印刷电路板2，其中，在这种装配情况下，功率半导体部件10不与弹簧元件5的弹簧板8接触。结果，插入式连接11和因此它们与印刷电路板2的软钎焊连接解除了机械负载。
冷却板1具有螺纹元件12，插入弹簧元件5的弹簧元件套筒9中的螺钉13可操作地连接到螺纹元件12中，特别是拧到螺纹元件12上。在这种情况下，螺钉13可以具有外螺纹，其中螺纹元件12则因此具有内螺纹，但是也可能是相反的情况。当螺钉13拧到螺纹元件12中时，弹簧元件套筒然后在冷却板1的方向上移动，并且因此弹簧板8被压到功率半导体部件10上，在那里它们压靠冷却板1。
拧紧螺钉13的过程仅在印刷电路板2已经借助于间隔件和紧固元件3连接到冷却板1之后发生。在这种情况下，螺钉13可以在印刷电路板2连接到冷却板1之前或仅在之后插入弹簧元件套筒9中。
图5至图9示出了弹簧元件5的各种视图。弹簧元件5优选地由相应地冲压出的薄金属条制成，其中以这种方式实现的突出部通过弯曲成形以形成支撑元件7、弹簧板8和弹簧元件9。整个组件由腹板6保持在一起，腹板6形成原始金属薄板的中部。特别地从图9的透视图中可以看出，提供了三个支撑元件7，这些支撑元件因此形成特别稳定的三腿单元，由此当弹簧元件5插入印刷电路板2中的内孔4中时，弹簧元件5可以以稳定的方式定位从而可以实现弹簧板8相对于功率半导体部件10的限定位置。
图10示出了同样实现根据本发明的概念并使用根据本发明的方法制造的电路载体布置的另一个透视图。这里同样地，与在图2中一样，选择了一个视图，其中以透明的方式示出了印刷电路板2，以便允许看到下面的功率半导体部件10和备选的弹簧元件5的布置。在这种备选弹簧元件5的情况下，支撑元件7通过靠近腹板6弯曲弹簧板8而形成。在这种情况下，弯曲形成弹簧板8的最靠近印刷电路板2定位并且在非夹紧状态下将弹簧元件5支撑在印刷电路板2上的点。由于弹簧元件5的这种变型，可以实现相对较低的总高度。
图11和图12示出了备选弹簧元件5的透视图和侧视图。在图12中可以清楚地看到，靠近腹板6弯曲弹簧板8形成弹簧板8的最靠近印刷电路板2定位的点。在这种情况下，基于图12中的视图，印刷电路板2旨在位于弹簧元件5上方，这也可以在图10中看到。
弹簧元件套筒9同样由原始冲压金属薄板形成，并且因此具有纵向狭槽，该纵向狭槽导致弹簧元件套筒9在轴向方向上具有弹簧作用设计，并且因此能够在不符合由于所需的压配合而必须在过程中考虑的低的、预定的公差的情况下特别容易地插入印刷电路板2中的内孔4中。
由于这种有利的弹簧元件5和根据本发明的弹簧元件5与功率半导体部件10的装配顺序以及印刷电路板2与冷却板1的连接，制造了具有良好冷却的功率半导体部件10的特别简单且成本有效的电路载体布置。

Claims (10)

1.一种电路载体布置，
包括冷却板(1)，所述冷却板(1)具有用于以间隔开的方式连接到印刷电路板(2)的间隔件和紧固元件(3)，
包括印刷电路板(2)，所述印刷电路板(2)具有用于接纳弹簧元件套筒(9)的内孔(4)，
包括至少一个功率半导体部件(10)，在所述功率半导体部件(10)与所述冷却板(1)装配在一起的状态下，所述至少一个功率半导体部件(10)借助于弹簧作用设计的插入式连接(11)在其面对所述间隔件和紧固元件(3)的一侧上通过软钎焊连接而被连接到所述印刷电路板(2)，
包括至少一个弹簧元件(5)
所述至少一个弹簧元件(5)形成有：至少两个弹簧元件套筒(9)，在所述至少两个弹簧元件套筒(9)之间延伸有连接到所述弹簧元件套筒(9)的腹板(6)，
支撑元件(7)，其相对于所述弹簧元件套筒(9)的纵向方向垂直地延伸且布置在所述腹板的任一侧上
和至少一个弹簧板(8)，其布置在所述腹板上，
其中，在所述装配状态下，所述冷却板(1)具有与所述印刷电路板(2)中的所述内孔(4)轴向地对齐的螺纹元件(12)，
其中，在所述印刷电路板(2)与所述冷却板(1)装配在一起的状态下，螺钉(13)穿过所述弹簧元件套筒(9)插入并可操作地连接到所述螺纹元件(12)，
使得在所述至少一个弹簧板(8)的非夹紧状态下，在所述螺钉(13)没有拧入的情况下，所述弹簧板布置在所述印刷电路板(2)和所述至少一个功率半导体部件(10)之间，
并且，在所述螺钉(13)拧入的情况下，所述弹簧板(8)被压在抵靠所述冷却板(1)的所述功率半导体部件(10)上。
2.根据权利要求1所述的电路载体布置，其中，所述插入式连接(11)具有s形或波浪形设计。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的电路载体布置，其中，多个弹簧板(8)布置在所述腹板(6)上。
4.根据权利要求3所述的电路载体布置，其中，所述弹簧板(8)布置在所述腹板(6)的任一侧上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电路载体布置，其中，所述弹簧元件套筒(9)具有纵向狭槽并且具有径向弹簧作用。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路载体布置，其中，由所述弹簧元件套筒(9)、所述腹板(6)、至少一个弹簧板(8)和所述支撑元件(7)形成的弹簧元件(5)通过冲压和弯曲由金属薄板部件制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电路载体布置，其中，所述弹簧元件(5)的支撑元件(7)通过靠近所述弹簧元件(5)的所述腹板(6)弯曲弹簧板(8)而形成。
8.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的电路载体布置的方法，包括以下步骤：
▪ 通过将弹簧元件(5)的弹簧元件套筒(9)插入所述印刷电路板(2)中的所述内孔(4)中，将所述弹簧元件(5)装配在所述印刷电路板(2)上，
▪ 通过将所述至少一个功率半导体部件(10)的插入式连接(11)插入到所述印刷电路板(2)中为所述插入式连接(11)提供的内孔(4)中，并将所述插入式连接(11)软钎焊到所述印刷电路板(2)上的导体迹线，将所述至少一个功率半导体部件(10)装配在所述印刷电路板(2)上，其中，所述弹簧板(8)定位在所述印刷电路板(2)和相关联的功率半导体部件(10)之间，
▪ 连接所述印刷电路板(2)和所述冷却板(1)，使得它们通过所述间隔件和紧固元件(3)彼此间隔开，并且所述至少一个功率半导体部件(10)和所述相关联的弹簧板(8)定位在所述印刷电路板(2)和所述冷却板(1)之间，
▪ 通过拧紧插入所述弹簧元件套筒(9)中的螺钉(13)而夹紧所述弹簧板(8)并且因此将所述至少一个功率半导体部件(10)压靠到所述冷却板(1)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述印刷电路板(2)和所述冷却板(1)连接之前，所述螺钉(13)被插入所述弹簧元件套筒(9)中。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述印刷电路板(2)和所述冷却板(1)连接之后，所述螺钉(13)被插入所述弹簧元件套筒(9)中。
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