DE102010008553A1

DE102010008553A1 - Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls

Info

Publication number: DE102010008553A1
Application number: DE201010008553
Authority: DE
Inventors: Emil Kovatchev; Michael Maryschka
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-20
Also published as: WO2011107348A1; CN102754533A; US8964392B2; DE102010008553B4; CN102754533B; US20130044436A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls, welches an einer Leiterplatter befestigte elektronische Bauteile aufweist und welches mit einem Kühlkörper verbunden ist. Der Kühlkörper besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Die Leiterplatte weist mindestens eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material auf. Der Kühlkörper und die Leiterplatte dienen als Abschirmelemente.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls.
Es ist bekannt, dass Elektronikmodule, beispielsweise einen Gleichspannungswandler aufweisende Elektronikmodule, durch elektrische Verluste Abwärme erzeugen und aus diesem Grund mit einem oder mehreren Kühlkörpern verbunden sind, um die gebildete Abwärme abzuführen.
Des Weiteren ist es bereits bekannt, elektronische Geräte entweder in offener Bauweise vorzusehen oder in ein Gehäuse einzubauen. Derartige elektronische Geräte neigen tendenziell zu einem problematischen EMV-Verhalten, d. h. erhöhten hochfrequenten Emissionen.
Enthält das elektronische Gerät einen Gleichspannungswandler, dann rufen die darin entstehenden hohen Anstiegs- und Abfallflanken der Ströme und Spannungen, die durch die Bestandteile des Gleichspannungswandlers fließen, hochfrequente elektromagnetische Felder hervor. Diese gelangen durch die offene Bauweise oder auch durch Gehäusewände aus dielektrischen Materialien an die Umgebung des elektronischen Gerätes, was einem Vorliegen von unerwünschten Emissionen entspricht.
Es existieren bereits Industrienormen, die Grenzwerte für derartige Emissionen sowie diesbezügliche Messmethoden festlegen. Zu diesen Normen gehört beispielsweise die DIN EN 55022 für die Industrie und die IEC CISPR 25 für den Automobilbereich.
Das Einhalten dieser Normen, insbesondere im Automobilbereich, stellt in der Regel eine anspruchsvolle Herausforderung dar, die für den jeweiligen Hersteller in der Regel mit beträchtlichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.
In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, ein hochfrequente elektromagnetische Felder erzeugendes Elektronikmodul in einem Gehäuse aus elektrisch leitendem Material, dessen Bauteile galvanisch miteinander verbunden sind, anzuordnen. Dadurch wird ein großer Teil der Störfelder, die vom Elektronikmodul innerhalb des Gehäuses generiert werden, von den Wänden des Gehäuses abgefangen und ggf. nach Masse abgeleitet. Dies erfolgt in den meisten Fällen über einen dafür vorgesehenen Wechselstrompfad, der sich ausgehend von der Elektronik über die Luft zum Gehäuse und von diesem aus über Kondensatoren oder über eine direkte galvanische Verbindung nach Leiterplattenmasse und von dort aus über einen Kabelbaum in den Minuspol der Autobatterie bzw. des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs erstreckt.
In der Praxis wird dies oftmals durch ein über den abstrahlenden Bauteilen angeordnetes, vorgestanztes Bauteil aus elektrisch leitendem Material realisiert. Dieses Bauteil kann durch Löten oder durch ein Einpressen befestigt sein. Bei der Herstellung der mechanischen Verbindung wird darauf geachtet, dass auch eine möglichst gute elektrische Verbindung zu einem definierten Potential, meistens Masse, entsteht. Diese elektrische Verbindung bildet dann einen Pfad für die Ströme, die die Störfelder in das schirmförmige Bauteil induzieren.
Alternativ dazu kann ein zweiteiliges Gehäuse verwendet werden, welches ein Unterteil und ein Oberteil aufweist, wobei das Oberteil ein Bleckdeckel sein kann. Bei einer derartigen Realisierung wird beispielsweise eine Leiterplatte, auf welcher die abstrahlenden Elektronikbauteile vorgesehen sind, mittels Schrauben mit dem Unterteil verbunden. Diese Schrauben geben mechanischen Halt und gewährleisten eine elektrische Verbindung zwischen Leiterplatten-Masse und dem Gehäuse. Das Oberteil wird typischerweise angeschraubt oder mit Hilfe einer Federkonstruktion oder mittels Einrastvorrichtungen mit Krallen, Zungen oder Federn mechanisch befestigt und auch elektrisch mit dem Unterteil verbunden. Dabei entsteht eine EMV-technisch mehr oder weniger geschlossene Konstruktion, die bei einer korrekten Ausführung einem Faraday-Käfig nahekommt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, die zur Abschirmung eines Elektronikmoduls weder ein vollständiges Gehäuse noch ein vorgestanztes schirmförmiges Bauteil benötigt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass eine Vorrichtung mit den erfindungsgemäßen Merkmalen zerlegbar und damit wartungsfreundlich ist. Ein herkömmliches Schirmteil ist im Unterschied dazu in der Regel angelötet oder eingepresst und kann aus diesem Grund nicht mehr ohne eine Zerstörung der Vorrichtung entfernt werden, um einen Zugang zu den unter dem Schirm angeordneten Bauteilen zu ermöglichen.
Des Weiteren ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, beispielsweise im Falle einer Verwendung einer Wärmeleitfolie und von Schrauben als Verbindungselemente, nach einer Zerlegung zumindest teilweise wieder verwendbar.
Ferner entfallen bei der Fertigung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit der Anschaffung und regelkonformen Bestückung von Schirmteilen verbundene fertigungstechnische und logistische Probleme.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Vorrichtung gemäß der Erfindung bei der Fertigung eine optische Kontrolle der mit dem Elektronikmodul bestückten Leiterplatte mittels einer Kamera erlaubt. Eine derartige optische Kontrolle ist entweder unmöglich oder nur schwer möglich, wenn ein Schirmteil über dem Elektronikmodul befestigt ist. Denn in diesem Fall wären die Komponenten selbst und deren Lötstellen optisch nicht mehr sichtbar und könnten folglich nicht mittels einer Kamera kontrolliert werden.
Ferner werden bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung durch den Wegfall eines schirmförmigen Bauteils im Falle einer Teilschirmung bzw. durch den Wegfall eines Blechdeckels im Falle einer Abschirmung mittels eines zweiteiligen Gehäuses Kosten eingespart.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Es zeigt
1 eine perspektivische Skizze einer Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls und
2 eine Schnittdarstellung der Leiterplatte 2 von 1.
Die 1 zeigt eine perspektivische Skizze einer Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls. Die dargestellte Vorrichtung weist einen aus einem elektrisch leitendem Material bestehenden Kühlkörper 1 auf, der auf seiner Oberseite einen kragenförmigen Rahmen 6 enthält, welcher Bestandteil des Kühlkörpers 1 ist und aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Innerhalb des Rahmens 6 sind in der Oberfläche des Kühlkörpers 1 insgesamt vier Aufnahmeöffnungen 7 vorgesehen, die zur Aufnahme von Befestigungselementen 3 vorgesehen sind. Bei diesen Befestigungselementen 3 handelt es sich um aus Metall bestehende, elektrisch leitfähige Schrauben.
Mittels dieser Schrauben wird eine Leiterplatte 2 innerhalb des Rahmens 6 mit dem Kühlkörper 1 fest verbunden. Diese Leiterplatte 2 weist insgesamt vier durchgängige Aufnahmeöffnungen 4 auf, durch welche die Schrauben 3 zum Befestigen der Leiterplatte 2 auf dem Kühlkörper 1 geführt werden. Die unmittelbare Umgebung der durchgängigen Aufnahmeöffnungen 4 der Leiterplatte 2 wird von ringförmig ausgebildeten, elektrisch leitfähigen Flächen 5 gebildet.
An der Unterseite der Leiterplatte 2 sind mehrere elektronische Bauteile befestigt, die ein Elektronikmodul 8 bilden, bei welchem es sich beispielsweise um einen Gleichspannungswandler handelt. Dessen Bauteile rufen im Betrieb der Vorrichtung hochfrequente elektromagnetische Felder hervor, die sich ohne Abschirmmaßnahmen nach außen erstrecken würden.
Ein Beispiel für einen Aufbau der Leiterplatte 2 ist in der 2 veranschaulicht, die eine Querschnittsdarstellung der Leiterplatte zeigt. An der Unterseite einer unteren Schicht dieser Leiterplatte 2 sind die Bauteile des Elektronikmoduls 8 befestigt, beispielsweise unter Verwendung von Lötverbindungen.
Eine oberhalb dieser unteren Schicht der Leiterplatte 2 angeordnete Schicht 9 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer. Diese Kupferschicht 9 ist zumindest in dem oberhalb des Elektronikmoduls liegenden Bereich in Form einer flächendeckenden Massenlage ausgeführt. Die Kupferschicht 9 dient ebenso wie der aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Kühlkörper 1 als Abschirmelement.
Oberhalb der Kupferschicht 9 weist die Leiterplatte 2 entweder eine Deckschicht auf oder – wie es in der 2 veranschaulicht ist – eine mittlere Schicht und eine oberhalb dieser vorgesehene weitere, aus einem leitfähigen Material bestehende Schicht 10, vorzugsweise eine weitere Kupferschicht, als flächendeckende Massenlage. Oberhalb dieser weiteren Kupferschicht 10 befindet sich die Deckschicht der Leiterplatte 2. Des Weiteren sind aus der 2 auch zwei durchgehende Aufnahmeöffnungen 4 der Leiterplatte 2 sowie zwei leitfähige Flächen 5 der Leiterplatte 2 ersichtlich.
Durch die in der 1 gezeigten Schrauben 3, die durch die Aufnahmeöffnungen 4 der Leiterplatte geführt sind und in die Aufnahmeöffnungen 7 des Kühlkörpers 1 eingedreht sind, und die leitfähigen Flächen 5 wird eine elektrische Verbindung zwischen der bzw. den Kupferschichten und dem Kühlkörper gewährleistet. Diese elektrische Verbindung stellt einen Gleichspannungspfad zur Verfügung. Alternativ dazu kann diese elektrische Verbindung aber auch in Form eines Wechselstrompfades realisiert sein, da die fließenden Störströme üblicherweise hochfrequent sind. In diesem Falle sind die ringförmig ausgebildeten leitfähigen Flächen 5 über Kondensatoren mit Leiterplatten-Massenlage verbunden.
Die Abmessungen des auf der Oberfläche des Kühlkörpers 1 angeordneten Rahmens 6 sind derart gewählt, dass die Leiterplatte 2 derart in den Rahmen 6 eingesetzt werden kann, dass die Seitenwände des Rahmens 6 den Außenrand der Leiterplatte 2 umschließen. Dadurch wird verhindert, dass das an der Unterseite der Leiterplatte befestigte Elektronikmodul 8 elektromagnetische Strahlung in seitlicher Richtung abstrahlt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird beim Zusammenbau der Vorrichtung vor der Montage der Leiterplatte 2 die Oberfläche des Kühlkörpers 1 mit einer wärmeleitenden Masse benetzt oder mit einer wärmeleitenden Folie versehen. Danach wird die Leiterplatte 2 mittels der Verbindungselemente 3 am Kühlkörper befestigt. Durch den bei dieser Montage entstehenden Einpressdruck und die Verwendung einer Wärmeleitmasse bzw. einer Wärmeleitfolie entsteht eine thermische Verbindung, d. h. eine Wärmebrücke, zwischen der unteren Schicht der Leiterplatte 2, der Oberfläche der Bauteile des auf der Unterseite der Leiterplatte befestigten Elektronikmoduls 8 und der Oberfläche des Kühlkörpers 1, die eine Ableitung der von den Bauteilen des Elektronikmoduls 8 erzeugten Wärme verbessert.
Der Kühlkörper 1 besteht beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Die Leiterplatte 2 ist mehrlagig ausgebildet, vorzugsweise zweilagig oder vierlagig. Bei dem Elektronikmodul handelt es sich vorzugsweise – wie oben ausgeführt – um einen Gleichspannungswandler. Alternativ dazu kann es sich bei dem Elektronikmodul auch um ein zu einem anderen Zweck vorgesehenes Modul handeln.
Die Erfindung stellt nach alledem eine Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls bereit, welches an der Unterseite einer Leiterplatte befestigte elektronische Bauteile aufweist und welches mit einem Kühlkörper verbunden ist, wobei der Kühlkörper aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die Leiterplatte mindestens eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist und der Kühlkörper und die Leiterplatte als Abschirmelemente dienen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 55022 [0005]
IEC CISPR 25 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls, welches an einer Leiterplatte befestigte, elektromagnetische Strahlung aussendende elektronische Bauteile aufweist und welches mit einem Kühlkörper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die Leiterplatte (2) mindestens eine Schicht (9) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist und der Kühlkörper (1) und die Leiterplatte (2) als Abschirmelemente dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) eine Kupferschicht (9) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) mehrere Kupferschichten (9, 10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile des Elektronikmoduls (8) an der Unterseite der Leiterplatte (2) befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile Bestandteile eines Gleichspannungswandlers sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) mit der elektrisch leitenden Schicht (9) der Leiterplatte (2) mittels eines oder mehrerer stromleitender Verbindungselemente (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (3) Schrauben aus einem elektrisch leitfähigen Material sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauben (3) jeweils durch eine von einer elektrisch leitfähigen, ringförmigen Fläche (5) umgebenen Aufnahmeöffnung (4) der Leiterplatte (2) geführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen, ringförmigen Flächen (5) jeweils über einen Kondensator mit Masse verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) auf seiner Oberseite einen kragenförmigen Rahmen (6) aufweist, in welchen die Leiterplatte (2) eingesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) mittels der Verbindungselemente (3) mechanisch am Kühlkörper (1) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kühlkörpers (1) mit einer wärmeleitenden Masse oder einer wärmeleitenden Folie versehen ist.