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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kontaktieren eines Hochstrombolzens mit einer Leiterplatte.
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Bei im Handel erhältlichen Frequenzumrichtergeräten, insbesondere bei kompakten Einbaugeräten kleiner bis mittlerer Leistung, ist die Geräteelektronik im Gerät beispielsweise auf wenigstens zwei wenigstens zwei Lagen aufweisenden Leiterplatten verteilt angeordnet (Siemens-Katalog DA 66.1, 1992 mit dem Titel ”Spannungszwischenkreis-Umrichter SIMOVERT P für drehzahlveränderbare Drehstromantriebe”). Um eine Stromführung zwischen Bauteilen auf verschiedenen Leiterplatten zu gewährleisten, sind Bolzen aus elektrisch leitendem Material vorgesehen. Diese Bolzen dienen ebenfalls zur mechanischen Verbindung zweier übereinander angeordneter Leiterplatten.
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In der 1 ist eine Schnittdarstellung durch eine Kontaktierung zweier Strombolzen 2 und 4 mit einer Leiterplatte 6 näher dargestellt. Gemäß dieser Darstellung ist die Leiterplatte 6 zwischen den beiden verschraubten Strombolzen 2 und 4 angeordnet. Als Leiterplatte 6 ist in dieser Darstellung eine mehrlagige, beispielsweise vierlagige, Leiterplatte 6 vorgesehen. Die Lagen 8, auch als Layer bezeichnet, sind jeweils mittels Isolierschichten 10 voneinander elektrisch getrennt. Damit die mehrlagige Leiterplatte 6 zwischen zwei Strombolzen 2 und 4 verschraubt werden kann, weist diese Leiterplatte 6 ein Bohrloch 12 auf, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser eines Gewindeteils 14 des unteren Strombolzens 2. Nachdem diese beiden Strombolzen 2 und 4 miteinander verschraubt sind, stützen sich diese Strombolzen 2 und 4 jeweils auf einen unteren und oberen Layer 8 der vierlagigen Leiterplatte 6 ab. In diesen Bereichen des unteren und oberen Layers 8 weisen diese Layer 8 jeweils einen Kontaktpad, beispielsweise aus Kupfer, auf. Dadurch sind der untere und der obere Strombolzen 2 und 4 jeweils mit dem unteren und oberen Layer 8 der mehrlagigen Leiterplatte 6 elektrisch leitend verbunden. Da die Gewinde 16 und 18 der beiden Strombolzen 2 und 4 einen elektrisch unsicheren Kontakt darstellen, der im Grenzfall aufgrund von Oxydschichten und Übergangswiderständen hochohmig sein kann, muss der von den Strombolzen 2 und 4 geführte Strom über die Kupferkaschierung des unteren und oberen Layers 8 fließen.
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Bei dieser Kontaktierung von Strombolzen 2 und 4, insbesondere Hochstrombolzen, mit einer Leiterplatte 6, insbesondere einer mehrlagigen Leiterplatte, erfolgt die einzige Verbindung der unteren Lage 8 zur oberen Lage 8 der Leiterplatte 6 in senkrechter Richtung über eine Metallisierung einer Durchkontaktierungshülse 20 im Bohrloch 12 der Leiterplatte 6. Typischerweise liegen die Kupfer-Schichtdicken dieser Hülse 20 bei 18–25 μm. Aufgrund dieser geringen Kupferschichtdicke kommt es zu einer hohen Stromdichte in der Durchkontaktierungshülse 20 und somit lokal zu einer starken Erwärmung dieser Hülse 20. Die Folge davon kann ein Ausbrennen dieser Hülse 20 sein, das zum Ausfall des Gerätes führen kann.
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Dieser Nachteil wird dadurch behoben, dass gemäß 2 ein Bereich der mehrlagigen Leiterplatte 6, der von den beiden Hochstrombolzen 2 und 4 abgedeckt wird, zusätzlich mit Durchkontaktierungshülsen 22 versehen ist. Bei diesen Durchkontaktierungshülsen 22 wird unterschieden zwischen lotgefüllten Kontaktierungshülsen und Kontaktierungshülsen ohne Lotfüllung. Bei den zusätzlichen Kontaktierungshülsen 22 gemäß der 2 handelt es sich um Kontaktierungshülsen ohne Lotfüllung. Bei derartigen Kontaktierungshülsen 22 verteilt sich ein Stromfluss in senkrechter Richtung durch die Leiterplatte 6 auf die Hülse 20 des Bohrlochs 12 der Leiterplatte 6 und den zusätzlichen Hülsen 22. Um eine Querschnittsfläche für eine senkrechte Stromleitung durch die Leiterplatte 6 entsprechend zu vergrößern, muss eine ausreichende Anzahl von Kontaktierungshülsen 22 ohne Lotfüllung gewählt werden. Dazu wird ein vergleichsweise hoher Platz der mehrlagigen Leiterplatte 6 beansprucht.
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Soll der Platzbedarf für eine senkrechte Stromleitung durch eine Leiterplatte 6 nicht so hoch sein, so werden gemäß 3 gefüllte Durchkontaktierungshülsen 24 verwendet, die außerhalb des von den Hochstrombolzen 2 und 4 abgedeckten Bereichs der Leiterplatte 6 angeordnet sind. Bei der Verwendung von gefüllten Durchkontaktierungshülsen 24 erfolgt die Stromleitung durch die Hülsen 22 ohne Lotfüllung und durch die Hülsen 24 und den Lotfüllungen dieser Durchkontaktierungshülsen 24.
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Damit ein Strom von dem Hochstrombolzen 2 bzw. 4 auf die untere bzw. obere Lage 8 der Leiterplatte 6 möglichst ungehindert fließen kann, muss diese Aufstandsfläche möglichst plan sein. Damit die Planarität dieser Aufstandsfläche erhalten bleibt, dürfen die Durchkontaktierungshülsen 22 innerhalb dieser Aufstandsflächen nicht mittels eines Schwalllötprozesses mit Lötmaterial, beispielsweise Lötzinn, gefüllt werden. Durch die Verwendung von Durchkontaktierungshülsen 24 mit Lotfüllung verringert sich der für die Kontaktierung von Hochstrombolzen 2 und 4 mit einer Leiterplatte 6 benötigte Platz dieser Leiterplatte 6 nur geringfügig.
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Um die Kontaktierung von Hochstrombolzen 2 und 4 mit einer Leiterplatte 6 zu verbessern, werden Kontaktkrallen 26 verwendet. Diese Kontaktkrallen 26 werden entsprechend der 4 bzw. 5 in die Leiterplatte 6 eingelötet. Gemäß der 5 weist jede Kontaktkralle 26 sechs Anschlüsse 28 auf, die jeweils durch ein zugehöriges Bohrloch 30 durch die Leiterplatte 6 gesteckt sind. Diese durch die Leiterplatte 6 ragenden Anschlüsse 28 einer jeden Kontaktkralle 26 werden durch einen Lötprozess auf der Leiterplatte 6 mit Kontaktflächen elektrisch leitend verbunden. Nachdem eine Kontaktkralle 26 in die mehrlagige Leiterplatte 6 eingelötet ist, wird ein Strombolzen 2 mit dieser Kontaktkralle 26 verschraubt. Mittels der Kontaktkralle 26, deren Anschlüsse 28 alle Lagen 8 der Leiterplatte 6 durchdringen, erhält man eine gute elektrische Kontaktierung aller Lagen 8 dieser mehrlagigen Leiterplatte 6 mit dem Strombolzen 2. Jedoch werden vom Strombolzen 2 über eine Kontaktkralle 26 mechanische Kräfte auf deren verlötete Anschlüsse 28 ausgeübt, so dass diese Lötstellen mechanisch beansprucht werden. Durch diese mechanische Beanspruchung der Lötstellen der Anschlüsse 28 der Kontaktkrallen 26 können diese unbrauchbar werden, wodurch die Kontaktierung eines Strombolzens 2 mit einer mehrlagigen Leiterplatte 6 unterbrochen wird.
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Aus der
DE 42 26 172 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Kontaktierung eines Gegenstandes, beispielsweise eines Leistungstransistors, mit einer Leiterplatte bekannt. Diese Vorrichtung, die als Stromversorgungselement bezeichnet wird, weist einen plattenförmigen Leiterkörper und ein Anbringungselement auf. Der Leiterkörper weist eine flache Platte auf, deren Seitenfläche mit einer Vielzahl von Kontaktstiften versehen ist, die in zwei Reihen in einem bestimmten Rastermaß angeordnet sind. Diese Kontaktstifte sind zum Einsetzen in durchkontaktierte Bohrungen in einer Leiterplatte bestimmt, wobei die Kontaktherstellung dadurch geschieht, dass die scharfen Seitenkanten in die Wandung der Löcher eindringen. Diese Kontaktstifte können von der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte, aus der diese Kontaktstifte herausragen, verlötet werden. Außerdem enthält der Leiterkörper ein zentrales Loch, in das das Anbringungselement eingesetzt werden kann. Dazu ist dieses Anbringungselement als Einpressbuchse ausgebildet. Die Einpressbuchse weist einen mit einer Rändelung versehenen Einpressabschnitt auf, dessen Durchmesser etwas größer als der Innendurchmesser des zentralen Lochs des Leiterkörpers ist. Begrenzt wird die Einpressbuchse durch einen Flansch. Die Einpressbuchse, das Mittelteil und der Flansch weisen eine durchgehende Innenbohrung auf. Im zusammengebauten Zustand dieser Vorrichtung befindet sich der plattenförmige Leiterkörper auf einer Seite einer Leiterplatte, wobei die Kontaktstifte die durchkontaktierten Bohrungen der Leiterplatte eingepresst sind, und wobei das Anbringungselement von der gegenüberliegenden Seite, also von der Seite der Leiterplatte, auf der die Kontaktstifte herausragen, mit dem Einpressabschnitt seiner Einpressbuchse in das zentrale Loch des plattenförmigen Leiterkörpers eingepresst wird. Ein an der Leiterplatte anzubringender Gegenstand, beispielsweise ein Leistungshalbleiter, kann mit einer Schraube, die durch die Löcher des Leiterkörpers, der Leiterplatte und des Anbringungselements hindurch geht, befestigt werden. Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung können hohe Ströme in eine Leiterplatte eingespeist werden. Da der plattenförmige Leiterkörper auf der Leiterplatte aufliegt, werden seine Kontaktstifte nicht mehr wie bei einer Kontaktkralle mechanisch belastet.
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Aus der
EP 0 427 653 A2 ist eine Vorrichtung zum Kontaktieren eines Bauelementes mit einer Vielzahl von Kontaktstellen auf einer Leiterplatte bekannt. Diese Vorrichtung weist eine zu diesen Kontaktstiften korrespondierende Anzahl von Buchsen auf. Diese Steckbuchsen weisen jeweils einen sich verjungenden Bereich auf, an dem sich jeweils ein Stift anschließt. Im sich verjüngenden Bereich ist ein Kontakt mit Federelementen angeordnet. Die Leiterplatte ist mit einer Vielzahl von Kontaktbuchsen versehen, die jeweils aus zwei ineinanderliegenden Zentrierringen für die Stifte der Steckerbuchsen bestehen. Der äußere Zentrierring ist über eine Lötverbindung mit der Leiterplatte elektrisch verbunden. Wenn das Bauelement mit einer Vielzahl von Kontaktstiften mit Kontaktbuchsen einer Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist, stecken die Kontaktstifte dieses Bauelementes jeweils in einer Steckerbuchse der Kontaktierungsvorrichtung, deren Stifte jeweils in einer Kontaktbuchse der Leiterplatte stecken.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kontaktierung eines Hochstrombolzens anzugeben, die die vorgenannten Nachteile nicht mehr aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 2 erfindungsgemäß. gelöst.
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Dadurch, dass als Vorrichtung zur Kontaktierung eines Hochstrombolzens mit einer Leiterplatte Hochstrom-Kontaktelemente verwendet werden, die jeweils ein Kontaktteil mit einem Bohrloch und einem konzentrischen zum Bohrloch angeordneten Zentrierring aufweisen, wobei diese beiden Zentrierringe axial zum Bohrloch der Leiterplatte angeordnet sind und derart ausgebildet sind, dass diese im Bohrloch der Leiterplatte ineinander stecken, kann der Strom senkrecht durch die Leiterplatte durch diese Zentrierringe der beiden Hochstrom-Kontaktelemente fließen. Die Wandstärke eines jeden Zentrierringes kann derart gewählt werden, dass keine hohen Stromdichten mehr entstehen können, die zu einer lokalen Erwärmung der Zentrierringe führen könnten. Außerdem weist das erfindungsgemäße Hochstrom-Kontaktelement gegenüber den Hochstrombolzen eine wesentlich größere vom Kontaktteil gebildete Aufstandsfläche auf, die mit einer unteren bzw. oberen Lage der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden ist. Als elektrisch leitende Verbindungen zwischen einem Kontaktteil eines Hochstrom-Kontaktelementes und einer oberen bzw. unteren Lage der mehrlagigen Leiterplatte sind Lötverbindungen vorgesehen. Zur Erstellung dieser Lötverbindungen werden Lotdepots jeweils zwischen einem Kontaktteil eines Hochstrom-Kontaktelement und einer oberen bzw. unteren Lage der Leiterplatte angeordnet, die bei einem Reflow-Lötprozess sich verflüssigen.
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Sollen alle Lagen einer Leiterplatte mit einem Hochstrombolzen elektrisch leitend verbunden werden, so weist wenigstens ein Kontaktteil eines Hochstrom-Kontaktelementes zwei oder mehr Zapfen auf, die in korrespondierende Bohrlöcher der Leiterplatte ragen, wobei diese mit diesen (d. h. mit allen Lagen der Leiterplatte) elektrisch verbunden sind. Ein Kontaktteil des zweiten Hochstrom-Kontaktelementes ist seinem Bohrloch axial zum Bohrloch des Kontaktteils des Hochstrom-Kontaktelementes mit wenigstens zwei Zapfen und zum Bohrloch der mehrlagigen Leiterplatte angeordnet und mit einer oberen bzw. unteren Lage dieser Leiterplatte mittels einer Lötverbindung elektrisch leitend verbunden. Dadurch werden die beiden Bohrungen der Leiterplatte für die beiden Zapfen des einen Hochstrom-Kontaktelements verschlossen.
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Durch diese erfindungsgemäßen Hochstrom-Kontaktelemente erhält man eine hoch stromtragfähige und mechanisch robuste Vorrichtung zum Kontaktieren von Hochstrombolzen mit einer mehrlagigen Leiterplatte, ohne dass ein hoher Platzbedarf beansprucht wird.
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Den Unteransprüchen 3 bis 8 sind vorteilhafte Ausführungsformen dieser beiden Vorrichtungen zur Kontaktierung eines Hochstrombolzens mit einer Leiterplatte zu entnehmen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kontaktieren eines Hochstrombolzens mit einer Leiterplatte schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer bekannten Vorrichtung zum Kontaktieren zweier Hochstrombolzen mit einer Leiterplatte, in der
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2 ist eine Schnittdarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung nach 1 dargestellt, die
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung nach 1, wobei die
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4 und 5 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung nach 1 darstellen, in der
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6 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kontaktieren eines Hochstrombolzens mit einer Leiterplatte dargestellt, die
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7 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung nach 6 und in der
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8 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kontaktieren eines Hochstrombolzens mit einer Leiterplatte dargestellt.
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Gemäß der 6 besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kontaktieren eines Hochstrombolzens 2 mit einer Leiterplatte 6, insbesondere einer mehrlagigen Leiterplatte 6, aus zwei Hochstrom-Kontaktelementen 32 und 34. Jedes Hochstrom-Kontaktelement 32 bzw. 34 weist einen Zentrierring 36 bzw. 38, ein Bohrloch 40 bzw. 42 und ein scheibenförmiges Kontaktteil 44 bzw. 46 auf. Der Zentrierring 36 bzw. 38 ist stoffschlüssig mit dem scheibenförmigen Kontaktteil 44 bzw. 46 verbunden und konzentrisch zum Bohrloch 40 bzw. 42 eines Hochstrom-Kontaktelementes 32 bzw. 34 angeordnet. Außerdem sind diese Zentrierringe 36 und 38 und die Bohrlöcher 40 und 42 axial zum Bohrloch 12 der mehrlagigen Leiterplatte 6 angeordnet. Die Zentrierringe 36 und 38 sind derart ausgebildet, dass ein Außendurchmesser des Zentrierrings 38 kleiner ist als der Durchmesser des Bohrlochs 12 der mehrlagigen Leiterplatte 6 und sein Innendurchmesser größer ist als ein Außendurchmesser des Zentrierrings 36, wobei dessen Innendurchmesser größer ist als ein Durchmesser eines Gewindeteils 14 des Hochstrombolzens 2. Dadurch taucht der Zentrierring 36 in den Zentrierring 38 ein. Damit der scheibenförmige Kontaktteil 44 bzw. 46 mit einer Außenlage 8 der mehrlagigen Leiterplatte 6 elektrisch leitend verbunden ist, ist jeweils der scheibenförmige Kontaktteil 44 bzw. 46 mit einer Außenlage 8 der mehrlagigen Leiterplatte 6 mittels einer Lötverbindung verbunden. Dazu ist vor dem Lötprozess zwischen der oberen Lage 8 der Leiterplatte 6 und einer zugewandten Fläche 48 des scheibenförmigen Kontaktteils 46 ein Lotdepot 50 angeordnet. Dieses Lotdepot 50 ist in Form eines Kreisringes angeordnet. Bei einem anschließenden Reflow-Lötprozess wird der scheibenförmige Kontaktteil 46 des Hochstrom-Kontaktelementes 34 mit der oberen Lage 8 der Leiterplatte 6 elektrisch leitend verbunden. Anschließend wird zwischen der unteren Lage 8 der Leiterplatte 6 und einer zugewandten Fläche 52 des scheibenförmigen Kontaktteils 44 ein Lotdepot 54 kreisringförmig angeordnet. Ein zweites Lotdepot 56 wird ebenfalls kreisringförmig entlang einer Kante Zentrierring 36 und Kontaktteil 44 angeordnet. Beim anschließenden Reflow-Lötprozess wird der scheibenförmige Kontaktteil 44 des Hochstrom-Kontaktelementes 32 mit der unteren Lage 8 der Leiterplatte 6 und mit dem Zentrierring 38 des Hochstrom-Kontaktelementes 34 elektrisch leitend verbunden. An diesen Hochstrom-Kontaktelementen 32 und 34 kann wenigstens ein Hochstrombolzen 2 lösbar befestigt werden.
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Da für die Kontaktierung eines Hochstrombolzens mit einer Leiterplatte 6 zwei erfindungsgemäß ausgebildete Hochstrom-Kontaktelemente 32 und 34 verwendet werden, fließt ein Strom von einer unteren Lage 8 der Leiterplatte 6 in senkrechter Richtung in eine obere Lage 8 dieser Leiterplatte 6, indem dieser durch die Zentrierringe 36 und 38 fließt. Da diese Zentrierringe 36 und 38 gegenüber einer Durchkontaktierungshülse 12 eine wesentlich größere Wandstärke aufweisen, kann es nicht mehr zu einer hohen Stromdichte in den Zentrierringen 36 und 38 kommen und damit auch nicht mehr zu einer hohen Erwärmung dieser Zentrierringe 36 und 38. Durch die scheibenförmige Ausgestaltung des Kontaktteils 44 bzw. 46 des Hochstrom-Kontaktelementes 32 bzw. 34 kann der Strom eines Hochstrombolzens großflächig in die Leiterplatte 6 fließen. Somit erhält man mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Hochstrom-Kontaktelementen 32 und 34 eine hoch stromtragfähige und mechanisch robuste Vorrichtung zum Kontaktieren eines Hochstrombolzens mit einer Leiterplatte 6.
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In der 7 ist eine vorteilhafte Ausführungsform nach 6 näher dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 6 dadurch, dass die Leiterplatte 6 im Bereich der scheibenförmigen Kontaktteile 44 und 46 der Hochstrom-Kontaktelemente 32 und 34 eine Anzahl von Durchkontaktierungshülsen 58 aufweist. Die deponierten Lotdepots 50 und 54 sind derart angeordnet, dass diese die Öffnungen der Durchkontaktierungshülsen 58 abdecken. Dadurch können sich die Durchkontaktierungshülsen 58 beim Reflow-Lötprozess vollständig mit Lötmaterial füllen. Dadurch kann der in einem Hochstrombolzen fließende Strom nicht nur in die äußeren Lagen 8 der Leiterplatte 6 fließen, sondern auch in die inneren Lagen 8 dieser Leiterplatte 6. Dadurch kann mit denselben Hochstrom-Kontaktelementen 32 und 34 ein wesentlich höherer Strom in eine mehrlagige Leiterplatte 6 fließen.
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In der 8 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kontaktieren eines Hochstrombolzens mit einer mehrlagigen Leiterplatte 6 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform gemäß 6 dadurch, dass ein Hochstrom-Kontaktelement 34 wenigstens zwei Zapfen 60 und 62 aufweist, die in korrespondierenden Bohrlöchern 64 und 66 der mehrlagigen Leiterplatte 6 angeordnet sind. Das zweite Hochstrom-Kontaktelement 32 weist nur einen scheibenförmigen Kontaktteil 44 auf, der konzentrisch mit einem Bohrloch 68 versehen ist, das axial zum Bohrloch 12 der mehrlagigen Leiterplatte 6 angeordnet ist. Der scheibenförmige Kontaktteil 46, mit dem die beiden Zapfen 60 und 62 stoffflüssig verbunden sind, weist ebenfalls ein konzentrisches Bohrloch 70 auf, das ebenfalls axial zum Bohrloch 12 der Leiterplatte 6 angeordnet ist. Damit bei den beiden Reflow-Lötprozessen diese beiden Bohrlöcher 64 und 66 sich vollständig mit Lötmaterial füllen können, sind die Lotdepots 50 und 54 als Abdeckungen dieser Bohrlöcher 64 und 66 angeordnet. Da das Hochstrom-Kontaktelement 32 weder einen Zentrierring 36 noch zwei Zapfen aufweist, könnte dieses Hochstrom-Kontaktelement 32 beim Löten verrutschen. Um dies zu verhindern, wird dieses Hochstrom-Kontaktelement 32 ebenfalls mit zwei Zapfen versehen. Die mehrlagige Leiterplatte 6 muss an korrespondierenden Stellen zwei weitere Bohrlöcher aufweisen. Um die Varianten der Hochstrom-Kontaktelemente 32 und 34 zu reduzieren, sind diese beiden Hochstrom-Kontaktelemente 32 und 34 identisch ausgeführt. In der mehrlagigen Leiterplatte 6 werden diese identisch ausgeführten Hochstrom-Kontaktelemente 32 und 34 gegeneinander verdreht angeordnet und verlötet. Ein vorteilhafter Verdrehwinkel ist beispielsweise 90°.
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Gegenüber der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kontaktieren eines Hochstrombolzens mit einer mehrlagigen Leiterplatte 6 erhält man eine hoch stromtragfähige und mechanisch robuste Verbindung, die einfacher hergestellt werden kann und die einen kleineren Platz der mehrlagigen Leiterplatte 6 beansprucht.
