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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktierungsvorrichtung für
ein elektrisches Bauelement oder eine elektrische Schaltung, insbesondere für
Leistungselektronik-Anwendungen mit getakteten Endstufen, bei denen
schnell getakte Ströme fließen wodurch sich ein
niederfrequentes Nutzsignal mit einem höherfrequenten Störsignal überlagern,
wobei die Kontaktiervorrichtung im Wesentlichen aus flächigen
Elementen besteht und wobei die Kontaktiervorrichtung auf mindestens
einer der beiden flächigen Seiten eine Oberflächenbeschichtung
oder Oberflächenstruktur aufweist, so dass entstehende
elektrische Resonanzen im Bereich der Kontaktiereinrichtung oberhalb
einer Grenzfrequenz stärker gedämpft werden als
die Frequenzen der elektrischen Signale unterhalb der Grenzfrequenz.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 868 167 ist eine
Abschirmungsanordnung zur Abschirmung von Leitungen und Geräten
gegen hochfrequente Störungen bekannt, in dem doppelte
Schirme, insbesondere zwei oder mehr ineinander geschachtelte Schirme,
vorzugsweise mit geringem Abstand der einzelnen Schirme verwendet
werden, bei der die Schirmausdehnung im Vergleich zur Viertelwellenlänge
elektrisch lang ist und die insbesondere für Ultrakurzwellen
geeignet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Kern der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kontaktierungsvorrichtung
für ein elektrisches Bauelement oder eine elektrische Schaltung,
insbesondere für Leistungselektronik-Anwendungen mit getakteten
Endstufen, bei denen schnell getakte Ströme fließen
wodurch sich ein niederfrequentes Nutzsignal mit einem höherfrequenten
Störsignal überlagern, anzugeben, bei der elektrische
Resonanzen im Bereich der Kontaktierungsvorrichtung stark gedämpft
werden, jedoch die zu übertragenden Nutzsignale möglichst
ungedämpft durchgeleitet werden, wobei die Maßnahmen
zur Dämpfung der unerwünschten elektrischen Resonanzen
möglichst kostengünstig, bauraumsparend und einfach
ausgeführt sein sollen.
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Erfindungsgemäß wird
dieses durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Begriffe wie hohe elektrische
Leitfähigkeit, sowie niedere elektrische Leitfähigkeit
verwendet, wobei unter dem Begriff einer hohen elektrischen Leitfähigkeit
Leitfähigkeiten verstanden werden, wie sie Silber, Kupfer,
Gold oder Aluminium aufweisen, also insbesondere elektrische Leitfähigkeiten σ > 15·106 S/m aufweisen und unter dem Begriff der
niederen elektrischen Leitfähigkeit Leitfähigkeiten
verstanden werden, wie sie beispielsweise Eisen, Chrom, Blei oder
Titan aufweisen, die elektrische Leitfähigkeitswerte von σ < 15·106 S/m aufweisen.
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Elektrische
Bauelemente oder elektronische Schaltungen auf Leiterplatten oder
Keramiksubstraten werden meist mit einer Kontaktierungsvorrichtung
elektrisch mit weiteren Bauelementen oder Schaltungen verbunden,
wobei hierzu bei Anwendungen, bei denen hohe Ströme fließen
sollen, in der Regel ein Stanzgitter verwendet wird. Ein derartiges Stanzgitter
wird meist aus metallischem Bandmaterial hergestellt, indem dieses
in der gewünschten Struktur gestanzt wird, wobei eine zusätzlicher
Rahmen erhalten bleibt, der die einzelnen Stanzgitter während
dem Montageprozess zusammenhält. Nach Montage des Stanzgitters
mit dem elektrischen Bauelement oder der elektrischen Schaltung
wird der zusätzliche Rahmen freigestanzt, so dass die einzelnen Kontakte
des Stanzgitters elektrisch gegeneinander isoliert werden. Werden
derartige Kontaktiervorrichtungen für Bauelemente oder
Schaltungen hergestellt, die bei hohen Frequenzen, insbesondere
bei Frequenzen oberhalb von ca. 30 MHz arbeiten, so kann bei entsprechend
geometrischer Ausprägung des Stanzgitters der Fall auftreten,
dass auf der Kontaktiervorrichtung elektrische Resonanzen auftreten. Derartige
elektrische Resonanzen können durch eine Optimierung der
geometrischen Anordnung verringert werden, was jedoch nicht für
alle Frequenzen möglich ist und was durch die räumliche
Anordnung zusätzlich begrenzt ist und für jede
Anwendung jeweils einzeln optimiert werden muss.
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Daher
ist es vorgesehen, dass die Kontaktiervorrichtung, die vorzugsweise
aus einem flächigen Material oder einem Bandmaterial hergestellt wird,
auf mindestens einer der beiden flächigen Seiten eine Oberflächenbeschichtung
oder Oberflächenstruktur erhält, so dass entstehende
elektrische Resonanzen in einem Frequenzbereich oberhalb der Nutzsignalfrequenzen,
deren obere Bandgrenze durch eine Grenzfrequenz f
G bestimmt
ist, stärker gedämpft werden, als die Frequenzen
der elektrischen Signale unterhalb der Grenzfrequenz f
G,
so dass die Nutzsignale im Frequenzband unterhalb dieser Grenzfrequenz
keine nennenswerte Dämpfung erfahren. Dies wird erreicht,
indem die Oberfläche der Kontaktiereinrichtung so gestaltet
wird, dass der ohmsche Widerstand der elektrischen Signale auf der
Kontaktiervorrichtung frequenzabhängig gestaltet werden.
Dies wird erreicht, indem der Effekt der Stromverdrängung
(im Englischen auch als „skin-effect”), der bei
höheren Frequenzen auftritt, ausgenutzt wird. Werden Signale
mit hohen Frequenzen auf einem elektrischen Leiter übertragen,
so tritt durch den Stromverdrängungseffekt (skin-effect)
das Phänomen ein, dass die Stromdichte im Leiterquerschnitt
nicht konstant ist, wie es beispielsweise bei einem übertragenen
Gleichstrom der Fall ist, sondern dass die Stromdichte im Inneren
des Leiters niedriger ist als die Stromdichte an den Oberflächen
des Leiters. Umso höher die Frequenzen der Signale sind, desto
kleiner wird die Schichtdicke an der Oberfläche des Leiters,
in dem die überwiegende elektromagnetische Leistung übertragen
wird, so dass im Frequenzbereich im MHz-Band die elektrische Leistung nur
noch in einer Schichtdicke von wenigen zehn Mikrometern an der Oberfläche
des Leiters übertragen wird. In der Literatur wird hierzu
das Modell der äquivalenten Schichtdicke δ verwendet,
bei der angenommen wird, dass die Stromdichteverteilung in der Schicht
mit der Dicke δ konstant an der Leiteroberfläche
verteilt ist und das Innere des Leiters feldfrei ist. Diese äquivalente
Schichtdicke berechnet sich nach
wobei ω = 2πf
die Kreisfrequenz ist, σ die elektrische Leitfähigkeit
und μ die Permeabilität des Materials ist. Der
ohmsche Widerstand R eines derartigen Leiters mit der Breite b und
der Länge l lässt sich nach der Gleichung
berechnen, so dass der ohmsche
Widerstand frequenzabhängig ist und mit steigender Frequenz
zunimmt.
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Demgemäß kann
eine elektrische Kontaktiervorrichtung durch eine erfindungsgemäße
Beschichtung oder eine erfindungsgemäße Oberflächenstruktur
so ausgeprägt werden, dass unerwünschte Frequenzen,
die durch elektrische Resonanzen auf der Kontaktiervorrichtung entstehen,
die oberhalb der Grenzfrequenz fG liegen,
durch die Ausnutzung des beschriebenen Stromverdrängungseffekts
effektiv, bauraumsparend und kostengünstig gedämpft
werden, ohne eine individuelle Anpassung für die jeweilige
Anwendung vornehmen zu müssen, wobei das Nutzfrequenzband
unterhalb der Grenzfrequenz fG keine nennenswerte
Dämpfung erfährt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kontaktiereinrichtung ein Stanzgitter.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Kontaktiereinrichtungen für Hochstromanwendungen
ausgebildet ist.
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Vorteilhafter
Weise ist das Stanzgitter aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder einer
Stahllegierung, Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung hergestellt,
da diese Materialien eine gute Leitfähigkeit aufweisen,
kostengünstig sind und gut bearbeitet werden können.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass mindestens eine flächige Seite
der Kontaktiervorrichtung eine Oberflächenstruktur aufweist,
die entstehende elektrische Resonanzen im Bereich der Kontaktiereinrichtung
oberhalb der Grenzfrequenz fG stärker dämpft,
als die Frequenzen der elektrischen Signale unterhalb der Grenzfrequenz
fG, wobei die Oberflächenstruktur
gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
auch auf beiden flächigen Seiten der Kontaktiervorrichtung
vorgesehen sein kann und vorteilhaft aus Rillen, Eindellungen, Grooves
oder Dimples gebildet wird, die aufgrund der Oberflächenstruktur den
gewünschten, erfindungsgemäßen Effekt
erzielen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass mindestens eine flächige Seite
der Kontaktiervorrichtung mit einem Material beschichtet ist, das
eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist, als
die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktiervorrichtungsmaterials.
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Vorteilhafter
Weise sind beide flächigen Seiten der Kontaktiervorrichtung
mit dem Material beschichtet, das eine niedere elektrische Leitfähigkeit aufweist,
so dass der Stromverdrängungseffekt auf beiden flächigen
Seiten der Kontaktiervorrichtung ausgenutzt werden kann.
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Vorteilhafter
Weise ist mindestens eine flächige Seite der Kontaktiervorrichtung
mit einem Material beschichtet, das eine niedere magnetische Permeabilität
aufweist, so dass der gleiche Effekt entsteht, wie bei einem Materialauftrag
mit niederer elektrischer Leitfähigkeit.
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Vorteilhafter
Weise ist die Kontaktiervorrichtung im Bereich der elektrischen
Kontaktierabschnitte, an denen das elektrische Bauelement oder die elektrische
Schaltung mit anderen Bauelementen oder Schaltungsteilen verbunden
werden, anstatt mit dem Material mit niederer elektrischer Leitfähigkeit oder
niederer magnetischer Permeabilität mit einem Material
beschichtet, das eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit
aufweist, um einen niederen elektrischen Übergangswiderstand
zu erzielen, der die Nutzsignale möglichst nicht beeinflusst
und eine gute elektrische Kontaktierung ermöglicht.
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Vorteilhafter
Weise ist das Material im Bereich der Kontaktierabschnitte, das
eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, aus
Silber, Gold oder aus einer Silberlegierung oder einer Goldlegierung.
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Vorteilhafter
Weise ist die Dicke der Materialbeschichtung mit niederer elektrischer
Leitfähigkeit so bemessen, dass die entstehenden elektrischen Resonanzen
mit größter Amplitude am stärksten gedämpft
werden, wodurch zur Bestimmung der geeignetsten Dicke der Materialbeschichtung
die oben aufgeführte Gleichung verwendet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen
erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Draufsicht auf das elektrische Bauelement oder die
elektrische Schaltung mit der erfindungsgemäßen
Kontaktiervorrichtung,
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2 eine
Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Kontaktiervorrichtung,
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3 einen
Querschnitt einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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4 einen
Querschnitt einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und
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5 ebenfalls
einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Kontaktiervorrichtung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
schematisch ein elektrisches Bauelement bzw. eine elektrische Schaltung 1 gezeigt,
die beispielsweise eingehäust sein kann oder auch ungehäust
montiert sein kann, die insbesondere eine Schaltung oder ein Bauelement
für hohe elektrische Frequenzen ist, insbesondere für
Hochstromanwendungen vorgesehen ist. Dieses elektrische Bauelement 1 bzw.
elektrische Schaltung 1 wird mit weiteren Bauelementen
oder weiteren elektrischen Schaltungsteilen elektrisch leitend verbunden,
indem eine Kontaktiervorrichtung 3, die beispielhaft mit
drei gegeneinander isolierten Leitern 2 dargestellt ist
und insbesondere als Stanzgitter ausgeführt sein kann, vorgesehen
ist. Die elektrischen Leiter der Kontaktiervorrichtung 2 sind
hierbei vorzugsweise aus einem flächigen Material oder
einem Bandmaterial gefertigt, so dass diese in etwa rechtwinklige
Leiterquerschnitte besitzen und auf der Ober- und der Unterseite
jeweils eine flächige Seite aufweisen. Im Bereich der Kontaktiervorrichtung 2,
in dem elektrische Verbindungen mit anderen Bauelementen oder anderen
Schaltungsteilen hergestellt werden, sind Kontaktierungsabschnitte 3 vorgesehen,
die gemäß einer später erläuterten
Ausführung eine gute elektrische Kontaktierung mit niedrigem Übergangswiderstand ermöglicht.
Diese Kontaktierungsabschnitte 3 müssen nicht
zwangsweise am Ende der Leiter der Kontaktiervorrichtung 2 angebracht
sein, sondern können auch an jeder beliebigen anderen Stelle
der Leiter der Kontaktiervorrichtung 2 vorgesehen sein.
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In 2 ist
ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Kontaktiervorrichtung 2 vorgesehen,
wobei die Kontaktiervorrichtung 2 aus einem metallischen Material,
insbesondere aus Stahl, Kupfer oder Aluminium oder eine Stahllegierung,
Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung gefertigt sein kann. Die
Abmessungen des Querschnitts der Kontaktiervorrichtung 2 sind
hierbei so bemessen, dass die auftretenden hohen Ströme
den Leiter durchfließen können, ohne eine Überhitzung
entstehen zu lassen. Erfindungsgemäß ist auf der
Oberseite dieser Kontaktiervorrichtung 2 eine Materialbeschichtung 4 vorgesehen,
die eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die wesentlich geringer
ist, als die elektrische Leitfähigkeit des Materials, aus
dem die Kontaktiervorrichtung 2 hergestellt ist. Treten
nun bei hochfrequenten Signalen elektrische Resonanzen im Bereich
der Kontaktiervorrichtung 2 auf, so werden diese Resonanzsignale infolge
ihrer höheren Frequenz im Vergleich zu dem Nutzfrequenzband
hauptsächlich an den Oberflächen der Kontaktiervorrichtung 2 geführt,
was durch den beschriebenen Stromverdrängungseffekt bedingt
ist. Durch die Aufbringung der Materialbeschichtung 4 mit
einer niederen elektrischen Leitfähigkeit als sie das Material
der Kontaktiervorrichtung 2 aufweist, wird ein Großteil
der unerwünschten Resonanzsignale in der Materialbeschichtung 4 geführt, die
infolge ihrer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit diese
unerwünschten Resonanzsignale stärker dämpft,
als die Nutzsignale, die infolge ihrer niedrigeren Frequenzen vermehrt
im Leiterinneren der Kontaktiervorrichtung 2 geführt werden.
Insbesondere Resonanzsignale oberhalb der Grenzfrequenz fG, die eine besonders große Amplitude
aufweisen, können besonders gut gedämpft werden,
indem die Dicke d der Materialbeschichtung 4 so dimensioniert
wird, dass diese mindestens der Dicke der äquivalenten Schichtdicke δ gemäß oben
genannter Gleichung aufweist.
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In 3 ist
eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, indem die
Anordnung gemäß 2 derart
weitergebildet wurde, dass auch auf der gegenüberliegenden,
zweiten flächigen Seite der Kontaktiervorrichtung 2,
die als Stanzgitter ausgeführt sein kann, ebenfalls eine
Oberflächenbeschichtung 4 mit niederer elektrischer
Leitfähigkeit oder niederer magnetischer Permeabilität
aufgebracht ist, so dass der Effekt der Stromverdrängung
auf beiden Seiten zur Dämpfung entstehender elektrischer
Resonanzen im Bereich der Kontaktiervorrichtung 2 ausgenutzt
werden kann. Hierbei empfiehlt es sich, die Dicke d der Beschichtungen 4 in
gleicher Dicke auszuführen, die vorteilhaft an die Resonanzfrequenz
mit der größten Amplitude angepasst ist.
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In 4 ist
eine weitere Ausgestaltung dargestellt, wobei die Kontaktiervorrichtung 2 Kontaktierungsabschnitte 3 aufweist,
die beispielsweise, wie in 1 dargestellt,
an einem Ende der Leiter der Kontaktierungsvorrichtung 2 angebracht
sind, aber auch in einem beliebigen anderen Bereich der Kontaktiervorrichtung 2 angeordnet
werden können. Die Kontaktierungsabschnitte 3 haben
hierbei die Aufgabe, elektrische Kontakte mit anderen Bauelementen
oder Schaltungen herzustellen, weshalb es sich empfiehlt, die Kontaktierungsabschnitte 3 in
einem Material auszuführen, das eine sehr gute Leitfähigkeit
aufweist, um die Übergangswiderstände gering zu
halten. In den Bereichen der Kontaktierungsabschnitte 3 ist
die Oberflächenbeschichtung 4 oder die Oberflächenstruktur 5 entfallen
und statt dessen ein Material mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit,
beispielsweise Gold oder Silber, aufgebracht. Alternativ kann ein
derartiger Kontaktierungsabschnitt 3 auch auf beiden Seiten
der Kontaktierungsvorrichtung 2 vorgesehen sein, weiterhin
ist es im Rahmen der Erfindung auch vorstellbar, mehrere Kontaktierungsabschnitte 3 auf
einer oder beiden flächigen Seiten der Kontaktiervorrichtung 2 vorzusehen.
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In 5 ist
eine alternative Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt,
wobei die unerwünschten Resonanzen in diesem Fall nicht
durch eine Materialbeschichtung erfolgt, sondern durch das Vorsehen
einer speziellen Oberflächenstruktur, die beispielsweise
in Form von Rillen oder Dellen (engl. grooves oder dimples) ausgeführt
sein kann. Der Effekt der Dämpfung von Resonanzfrequenzen
mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz fG ist
hierbei bei korrekter Anpassung der Tiefe d der Rillen oder Dellen
vergleichbar, wobei die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur 5 nur
auf einer flächigen Seite der Kontaktierungsvorrichtung 2 oder
auch auf beiden flächigen Seiten der Kontaktierungsvorrichtung 2 vorgesehen
sein kann. Erfindungsgemäß kann auch hier vorgesehen
sein, im Bereich der Kontaktierungsabschnitte 3 keine Rillen
oder Dellen vorzusehen oder besonders vorteilhaft im Bereich der
Kontaktierungsabschnitte 3 ein Material mit sehr hoher
elektrischer Leitfähigkeit aufzubringen, beispielsweise
Gold oder Silber, um die Übergangswiderstände
zu den zu kontaktierenden Bauteilen oder Schaltungen gering zu halten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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