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Die Erfindung betrifft einen Leiterplattenverbund und ein Leiterplattensystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Moderne, elektronische Steuer- und Regelungstechnik ist heutzutage in fast allen Lebensbereichen vorzufinden. Ob im Haushalt, in der industriellen Prozesstechnik oder im Automobil, überall werden Abläufe mittels Software, Prozessoren und anderer Elektronik gesteuert und geregelt. In sehr vielen Anwendungen, beispielsweise im Automobilbau, spielen geringer Bauraum und niedrige Kosten dieser elektronischen Steuervorrichtungen eine wichtige Rolle. Je nach Ausführung und Aufgabe der Steuervorrichtung bildet diese ein Leiterplattensystem mit einem Gehäuse und zumindest einer in dem Gehäuse angeordneten Leiterplatte, auf welcher die elektronischen Bauelemente angeordnet sind (im Fachjargon auch als „Controlboard” bezeichnet). Bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise bei einer Steuervorrichtung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, besteht die Notwendigkeit, in dem Gehäuse des Leiterplattensystems mehrere bestückte Leiterplatten anzuordnen, welche unterschiedliche Aufgaben erfüllen und teilweise miteinander kommunizieren. Gerade bei den Leiterplattensystemen, bei welchen mehrere bestückte Leiterplatten untereinander elektrisch verbunden sind und elektrische Signale austauschen, besteht zum einen die Notwendigkeit, den Bauraum so gering wie möglich zu halten und gleichzeitig den Signalaustausch beziehungsweise die elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten auch bei starken Erschütterungen im Alltagsbetrieb dauerhaft sicherzustellen.
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Ein bekannter Lösungsansatz zur Reduzierung des Bauraums besteht aus einer doppelseitig bestückten, einteiligen Leiterplatte, auf deren gegenüberliegenden Seite Steuermimiken für unterschiedliche Anforderungen angeordnet sein können. Nachteilig an dieser Lösung sind jedoch die hohen Herstellungskosten aufgrund des aufwändigen Aufbaus der Leiterplatten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Leiterplattenverbund und ein Leiterplattensystem bereit zu stellen, welche sich durch hohe Zuverlässigkeit und geringen Bauraum auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Leiterplattenverbund gemäß dem Anspruch 1 umfasst eine erste Leiterplatte, welche eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Seite und eine unbestückte Seite aufweist. Der Leiterplattenverbund umfasst ferner eine zweite Leiterplatte, welche eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Seite und eine unbestückte Seite aufweist. Erfindungsgemäß sind die unbestückte Seite der ersten Leiterplatte und die unbestückte Seite der zweiten Leiterplatte miteinander verklebt.
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Gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten doppelseitig bestückten, einteiligen Leiterplatte zeichnet sich der erfindungsgemäße Leiterplattenverbund durch deutlich geringere Herstellungskosten und eine höhere Flexibilität aus. So ist es möglich, zwei kostengünstige einseitig bestückbare Leiterplatten zu verwenden, welche jeweils individuell nach den jeweiligen Anforderungen mit elektrischen Bauteilen bestückt werden und anschließend miteinander verklebt werden.
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Auch die Verklebung stellt eine sehr kostengünstige, dauerhaft haltende und einfach zu realisierende Verbindungsmethode dar.
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Bei Anordnung mehrerer der erfindungsgemäßen Leiterplattenverbunde in einem Gehäuse kann der Bauraum gegenüber einer Lösung aus entsprechend vielen einseitig bestückten Einzelleiterplatten stark reduziert werden.
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In einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 2 sind die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte derart miteinander verklebt, dass eine Relativbewegung der beiden Leiterplatten durch die Verklebung unterbunden wird.
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Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die elektrischen Bauteile der ersten Leiterplatte und die elektrischen Bauteile der zweiten Leiterplatte miteinander elektrisch verbunden sind, so dass ein Signalaustausch möglich ist, beispielsweise mittels elektrischer Signalleitungen. Dadurch dass eine Relativbewegung der beiden Leiterplatten durch die Verklebung sicher verhindert wird, kann die elektrische Verbindung auch bei starken Erschütterungen sichergestellt werden. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit dauerhaft sichergestellt.
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In einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 3 ist zwischen der unbestückten Seite der ersten Leiterplatte und der unbestückten Seite der zweiten Leiterplatte eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet.
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Auf diese Weise werden Kurzschlüsse sicher verhindert.
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In einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 4 weist die Verklebung elektrisch isolierende Eigenschaften auf.
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In dieser Ausgestaltung erfüllt die Verklebung deshalb zwei Aufgaben. Einerseits die Verbindung und andererseits die elektrische Isolierung der ersten und der zweiten Leiterplatte. Die Verklebung ist dabei derart ausgestaltet, dass die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte miteinander sicher verbunden und gleichzeitig elektrisch isoliert sind. Auf diese Weise können die Kosten weiter reduziert werden.
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In einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 5 ist zwischen der unbestückten Seite der ersten Leiterplatte und der unbestückten Seite der zweiten Leiterplatte eine thermisch leitende Schicht angeordnet.
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Durch diese thermisch leitende Schicht kann eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über die Gesamtfläche der Leiterplatten erzielt werden. Ein größerer, lokaler Wärmeeintrag auf die Leiterplatte durch bestimmte elektrische Bauteile wird durch die thermisch leitenden Eigenschaften der zwischenliegenden Schicht abgeführt und über die gesamte Leiterplatte verteilt. Dadurch kann eine zu hohe, lokale thermische Belastung der beiden Leiterplatten deutlich vermindert werden.
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In einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 6 weist die Verklebung thermisch leitende Eigenschaften auf.
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Bei dieser Ausgestaltung übernimmt die Verklebung neben der Verbindung der beiden Leiterplatten auch zusätzlich die Funktion einer thermisch leitenden Schicht. Durch diese Doppelfunktion können die Kosten weiter reduziert werden. Durch die Wahl eines geeigneten Klebers oder einer geeigneten Klebefolie kann eine sehr vorteilhafte gleichmäßige Temperaturverteilung und ein schneller Wärmeabtransport erzielt werden.
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In einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 7 ist die Verklebung der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte mittels einer doppelseitig klebenden Folie realisiert.
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Derartige Folien sind kostengünstig erhältlich und in der Materialwahl flexibel auszugestalten. So kann eine derartige Folie derart ausgestaltet sein, dass sie neben der Verbindung der beiden Leiterplatten diese auch voneinander elektrisch isoliert. Darüber hinaus kann die Folie thermisch leitende Eigenschaften (hohe Leitfähigkeit) aufweisen, wodurch die oben genannte gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Fläche der beiden Leiterplatten und ein schneller Wärmeabtransport möglich ist.
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Bei einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 8 weist die Folie thermische Eigenschaften auf und ragt zumindest teilweise über die Seitenränder der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte hinaus.
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Bei dieser Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds ist es möglich, die thermisch leitende Folie zusätzlich an einem den Leiterplattenverbund aufnehmenden Gehäuse thermisch leitend zu befestigen. Auf diese Weise kann eine gute Kühlung und ein sicherer Wärmeabtransport von den Leiterplatten zu einem Kühlkörper, welcher beispielsweise das Gehäuse sein kann, sichergestellt werden.
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Nach einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 9 weist die erste Leiterplatte auf ihrer bestückten Seite eine Steuerelektronik auf, und die zweite Leiterplatte weist auf ihrer bestückten Seite eine Leistungselektronik auf. Der Leiterplattenverbund weist zumindest ein elektrisches Verbindungselement auf, welches die Steuerelektronik der ersten Leiterplatte mit der Leistungselektronik der zweiten Leiterplatte elektrisch verbindet.
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In einer Ausgestaltung des Leiterplattenverbunds nach Anspruch 10 durchdringt das elektrische Verbindungselement die erste und die zweite Leiterplatte.
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Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn beispielsweise die Steuerelektronik und die Endstufen- bzw. die Leistungselektronik auf sehr geringem Bauraum angeordnet und sicher und über sehr kurze Übertragungswege miteinander verbunden werden sollen.
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Ein Leiterplattensystem gemäß dem Anspruch 11 umfasst ein Gehäuse und zumindest einen Leiterplattenverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welcher in dem Gehäuse angeordnet ist.
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Ein derartiges Leiterplattensystem zeichnet sich durch einen sehr geringen Bauraum und geringe Kosten aus. Ferner ist die Funktionalität auch bei stärkeren Erschütterungen sichergestellt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
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1 eine schematische Darstellung eines Leiterplattensystems;
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2A eine schematische Darstellung von Einzelkomponenten des Leiterplattenverbunds;
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2B eine schematische Darstellung des Leiterplattenverbunds.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leiterplattensystems 1 schematisch dargestellt. Das Leiterplattensystem 1 umfasst ein Gehäuse 2, beispielsweise aus Metall, sowie mehrere in dem Gehäuse 2 angeordnete Leiterplattenverbunde 3. In dem Gehäuse 2 sind Befestigungsstege 4 ausgebildet, an welchen die Leiterplattenverbunde 3 an ihren Randbereichen befestigt sind. So können diese beispielsweise an den Stegen 4 durch Schrauben befestigt werden. Ein derartiges Leiterplattensystem 1 kann in vielen Bereichen angewendet werden. Beispielsweise kann ein derartiges Leiterplattensystem 1 als Steuervorrichtung in einem Hybridfahrzeug (sogenannter „Hybrid-Controller”) eingesetzt werden und als solche die Koordination des Verbrennungsmotors und des Elektroantriebs des Hybridfahrzeugs vornehmen sowie die die Energiezufuhr bzw. die Energieentnahme eines Energiespeichers des Hybridfahrzeugs steuern.
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Die in 1 gezeigten Leiterplattenverbunde 3 werden anhand des in den 2A und 2B dargestellten Ausführungsbeispiels im Detail beschrieben. Zur besseren Erläuterung sind in 2A Einzelelemente des Leiterplattenverbunds 3 getrennt voneinander dargestellt, während in 2B der Leiterplattenverbund im zusammengefügten Zustand dargestellt ist.
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Der Leiterplattenverbund 3 besteht aus einer ersten Leiterplatte 5, welche eine mit elektrischen Bauteilen 6 bestückte Seite 5a und eine unbestückte Seite 5b aufweist. Der Leiterplattenverbund 3 umfasst weiterhin eine zweite Leiterplatte 7, welche ebenso eine mit elektrischen Bauteilen 6 bestückte Seite 7a und eine unbestückte Seite 7b aufweist. Die erste Leiterplatte 5 und die zweite Leiterplatte 7 sind mit ihren jeweils unbestückten Seiten 5b, 7b miteinander verklebt. Die Verklebung wird im Ausführungsbeispiel mittels einer doppelseitig klebenden Klebefolie 8 realisiert. Die Klebefolie 8 zeichnet sich durch eine gute Handhabbarkeit aus und ermöglicht einen einfachen und schnellen Klebevorgang. Zum Verkleben der beiden Leiterplatten 5, 7 kann die doppelseitige Klebefolie 8 zunächst mit einem geringen Anpressdruck an eine der Leiterplatten 5, 7 angebracht werden, wobei in einem zweiten Schritt die jeweils andere Leiterplatte 7, 5 mit einem zur Herstellung einer festen Klebeverbindung notwendigen Druck angebracht wird. Alternativ könnte die Verklebung auch durch Aufbringen eines fließfähigen Klebers auf die unbestückte Seite 5b, 7b der einen Leiterplatte 5, 7, Anpressen der unbestückten Seite 7b, 5b der jeweils anderen Leiterplatte 7, 5 und ein anschließendes Aushärten des Klebers realisiert werden.
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Zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiteplatte ist eine isolierende Schicht angeordnet, welche im Ausführungsbeispiel dadurch realisiert wird, dass die verwendete Klebefolie 8 elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann die Klebefolie 8 gegen Hochspannung isolieren, wodurch Luft- und Kriechstrecken deutlich reduziert werden können. Dies kann durch eine geeignete Materialwahl der Klebefolie realisiert werden. Diese elektrisch isolierende Schicht ist derart ausgebildet, dass es zu keinen Kurzschlüssen zwischen der ersten Leiterplatte 5 und der zweiten Leiterplatte 7 kommt. Die erste Leiterplatte 5 und die zweite Leiterplatte 7 sind deshalb auch im verklebten Zustand an ihren jeweils unbestückten Seiten 5b, 7b elektrisch isoliert. Falls alternativ ein flüssiger Kleber zur Verklebung der beiden Leiterplatten 5, 7 verwendet wird, kann auch dieser Kleber entsprechende elektrisch isolierende Eigenschaften besitzen. Alternativ kann auch eine separate isolierende Schicht aufgebracht werden, beispielsweise in Form einer separaten, isolierenden Folie (nicht dargestellt).
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Vorteilhafterweise weist die Verklebung gute thermisch leitende Eigenschaften auf. So kann die im Ausführungsbeispiel verwendete Klebefolie 8 eine Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise 0,45 W/mK aufweisen. Dadurch kann eine gleichmäßige Wärmeverteilung über die gesamte Oberfläche der Leiterplatten 5, 7 erreicht werden. Besteht beispielsweise ein großer, lokaler Wärmeeintrag in eine der Leiterplatten 5, 7 durch ein stark Wärme erzeugendes elektrisches Bauteil 6, so wird diese Wärme durch die Wärme leitende Folie 8 schnell abgeführt. So ist ein Wärmeaustausch zwischen den Leiterplatten 5, 7 möglich. Vorteilhafterweise ragt die Klebefolie 8 zumindest teilweise über die Ränder der ersten und zweiten Leiterplatte 5, 7 hinaus (siehe 2B). An diesen überstehenden Abschnitten 8a der Klebefolie 8 kann diese beispielsweise in Wärme leitenden Kontakt mit dem Gehäuse 2 des Leiterplattensystems 1 gebracht werden, so dass hier eine Wärmeabfuhr an das Metallgehäuse 2 möglich ist.
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Im Ausführungsbeispiel bilden die auf der ersten Leiterplatte 5 bestückten Bauelemente eine Steuerelektronik und die auf der zweiten Leiterplatte 7 verbauten Elemente eine der Steuerelektronik zugeordnete Leistungselektronik. Die Steuerelektronik arbeitet im Niederspannungsbereich, zum Beispiel 12 Volt, während die Leistungselektronik im Hochspannungsbereich, beispielsweise 300 Volt, betrieben wird. Die Steuerelektronik umfasst beispielsweise einen Prozessor und eine Speichereinrichtung. Die auf der zweiten Leiterplatte 7 befindliche Leistungselektronik umfasst Endstufen, mit denen Aktuatoren entsprechend der Steuersignale von der Steuerelektronik betätigt werden können. Die elektrische Verbindung der Steuerelektronik und der Leistungselektronik erfolgt im Ausführungsbeispiel durch elektrische Verbindungselemente 9, welche die erste Leiterplatte 5 und die zweite Leiterplatte 7 durchdringen (siehe 2B). Über diese elektrischen Verbindungselemente 9 erfolgt der Signalaustausch von der Steuerelektronik und der Leistungselektronik. Diese Verbindungselemente 9 können beispielsweise als Metallstifte ausgeführt sein. Alternativ können die elektrischen Bauteile 6 der ersten Leiterplatte 5 und die elektrischen Bauteile 6 der zweiten Leiterplatte 7 mittels Drahtverbindungen elektrisch verbunden werden.
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Die Klebeverbindung ist derart ausgebildet, dass Relativbewegungen der ersten Leiterplatten und der zweiten Leiterplatte unterbunden werden. Bei einem Auftreten von Schwingungen oder Erschütterungen werden dadurch die erste Leiterplatte 5 und die zweite Leiterplatte 7 sicher zusammengehalten. Eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen den elektrischen Bauteilen 6 der ersten Leiterplatte 5 und den elektrischen Bauteilen 6 der zweiten Leiterplatte 7 wird dadurch vermieden.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele des Leiterplattenverbunds 3 und des Leiterplattensystems 1 zeichnen sich durch einen sehr kompakten Aufbau aus. Auf diese Weise können zwei getrennte Leiterplatten, welche jeweils zugeordnete Steuerelektronik und Leistungselektronik aufweisen, auf vorteilhafte Weise miteinander verbunden und elektrisch kontaktiert werden. Die elektrische Kontaktierung bleibt auch im Falle von starken Vibrationen gewährleistet, da eine Relativbewegung der beiden Leiterplatten auch bei starken Erschütterungen durch die Verklebung sicher unterbunden wird. Aufgrund der isolierenden Eigenschaften der Verklebung können Kurzschlüsse vermieden werden. Durch die thermische Leitfähigkeit der Verklebung ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Gesamtfläche der Leiterplatten und auch eine Wärmeabfuhr an das Gehäuse möglich.
