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Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung mit einer Leiterplatte und einem Gehäuse und eine solche Leiterplatte.
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Stand der Technik
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Die Leiterplattenanordnung hierin umfasst eine Leiterplatte, die von einem Gehäuse umgeben ist. Eine Leiterplatte ist ein Träger für elektrische und elektronische Bauteile, die der Befestigung und elektrischen Verbindung der Bauteile dient. Grundsätzlich bestehen Leiterplatten aus elektrisch isolierendem Material und verfügen über Leiterbahnen zum Bereitstellen der elektrischen Verbindungen. Als elektrischer Bezugspunkt verfügen Leiterplatten regelmäßig über einen Masseanschluss bzw. einen Masseleiter.
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Elektronische Steuergeräte, die bspw. in Kraftfahrzeugen zur Steuerung und Regelung von Komponenten und Funktionsabläufen eingesetzt werden, verwenden üblicherweise zumindest eine Leiterplatte, welche die zur Funktion des Steuergeräts benötigte elektronische Schaltung zur Verfügung stellt. Diese Leiterplatte muss mit einem Gehäuse vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Häufig werden als Material für das Gehäuse Metalle, bspw. Aluminium, eingesetzt.
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Zur Abfuhr der Verlustleistung der auf der Leiterplatte aufgebrachten elektronischen Bauelemente wird üblicherweise eine sogenannte Kühlbank verwendet. Dabei wird die Wärme der Bauelemente durch die Leiterplatte und durch ein separat aufgetragenes Wärmeleitmedium, bspw. eine Wärmeleitpaste, auf eine vorgesehene Region des Metallgehäuses übertragen.
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Durch die auf diese Weise entstehende geringe Entfernung zwischen Kühlbank und der Massenlage der Leiterplatte entsteht ein Kondensator. Durch diesen kann es auf der elektrischen Schaltung der Leiterplatte durch äußere Einflusse zu elektromagnetischen Schwingungen kommen. Dies kann den sicheren Betrieb des Steuergerätes massiv beeinträchtigen.
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Zur Vermeidung dieser Anregung muss der Kondensator zwischen Kühlbank und Leiterplattenmasse kurzgeschlossen werden. Dies wird durch den sogenannten EMV-Kontakt (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit) sichergestellt. Dabei handelt es sich um eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Metallgehäuseteil und der Massenlage der Leiterplatte.
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Die heute üblichen Lösungen sehen z. B. einen elektrisch leitfähigen Klemmrand am Rand der Leiterplatte vor. Durch Einklemmen der Leiterplatte zwischen den Gehäusehälften soll der elektrische Kontakt sichergestellt werden. Auch ein Niederdrücken der Leiterplatte auf das Gehäuse durch in das Gehäuse eingebrachte Niederhalter, die bspw. aus Gummi gefertigt sind, wird in vielen Fällen vorgenommen.
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Eine weitere bekannte Ausführung ist durch die Verwendung von Metallfedern gegeben, die am Metallgehäuse aufgebracht werden. Die Feder drückt dabei auf eine entsprechende Stelle auf der Leiterplatte. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Leiterplatte mittels in die Gehäuseteile eingebrachten Metallpins mit dem Gehäuse zu verlöten.
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Ebenfalls möglich ist es, die Leiterplatte mit dem Gehäuse zu verschrauben. Dabei ist zwischen dem Schraubenkopf und der Leiterplatte eine leitfähige Auflage vorzusehen.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 003 787 A1 beschreibt eine Leiterplattenanordnung mit einem Gehäuse, das zwei elektrisch leitfähige Gehäuseteile aufweist und mit einer Leiterplatte, die über einen zwischen den Gehäuseteilen festgeklemmten Rand in elektrischem Kontakt mit mindestens einem der Gehäuseteile steht. Auf der Leiterplatte sind mehrere Kontaktplatten vorgesehen, die in elektrischem Kontakt mit dem Masseleiter der Leiterplatte stehen und einen elektrischen Kontakt und einen Wärmeübertragungskontakt mit dem Gehäuse bereitstellen. Um zu vermeiden, dass beim Zusammenpressen der beiden Gehäuseteile gegen die Leiterplatte ein Schaden verursacht wird, werden auf einer zu einer Kühlbank benachbarten Oberfläche mehrere Lothügel, die auch als Lotbumps bezeichnet werden, aufgebracht, welche die Kühlbank in einem definierten Abstand von der gegenüberliegenden Leiterplattenoberfläche halten.
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Aus der Druckschrift
DE 42 43 180 A1 ist ein mehrteiliges Gehäuse für Steuergeräte bekannt. In dem Gehäuse ist eine Leiterplatte vorgesehen, die zwischen Gehäuseteilen eingespannt ist. An der Einspannstelle ist eine Kaschierung aus elektrisch leitendem und wärmeleitendem Material vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 040 504 A1 beschreibt eine elektrische Schaltungsanordnung mit einem Grundelement und einer Leiterplatine, wobei die Leiterplatine mit einer Befestigungsvorrichtung an dem Grundelement befestigt ist. Oberseite und Unterseite der Leiterplatine sind an versetzt zueinander gegenüberliegenden Beaufschlagungsstellen von dem Grundelement unter elastischer Verformung der Leiterplatte beaufschlagt.
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Es bleibt festzuhalten, dass derzeitige Lösungen zur Umsetzung des EMV-Kontakts den Nachteil haben, dass entweder zusätzliche Elemente verwendet werden müssen, z.B. Schrauben und Niederhalter, oder der EMV-Kontakt nicht sicher und reproduzierbar über die Lebensdauer hergestellt werden kann, wie dies z. B. beim Klemmrand durch unterschiedliche Auflagepunkte durch Toleranzen der Leiterplatte und des Gehäuses, Veränderungen der Auflage durch Wärmeausdehnung usw. der Fall ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden eine Leiterplattenanordnung gemäß Anspruch 1 und eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Bei der vorgestellten Leiterplattenanordnung ist eine neuartige Ausprägung des EMV-Kontakts vorgesehen. Dabei sind in Kontakt mit dem Masseleiter der Leiterplatte stehende Lothügel vorgesehen, die einen elektrischen Kontakt zum Gehäuse herstellen. Über diese Lothügel kann auch eine Wärmeübertragung stattfinden. Grundsätzlich kann mindestens ein Lothügel vorgesehen sein. Es bietet sich an, wenigstens einen Lothügel von dem mindestens einen Lothügel im Bereich des Rands der Leiterplatte anzuordnen.
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Die vorgestellte Leiterplattenanordnung erfordert keine zusätzlichen Bauteile. Weiterhin ermöglicht diese, Toleranzen auszugleichen und somit einen definierten, gleich bleibenden Kontakt zu gewährleisten.
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Zur Einhaltung eines Mindestabstands zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse, typischerweise der Kühlbank des Gehäuses, werden sogenannte Lotbumps bzw. Lothügel verwendet. Diese werden im normalen Fertigungsprozess gemeinsam mit den Lötstellen für die elektronischen Bauelemente im SMT-Prozess (SMT: Surface Mounting Technology) aufgebracht und verursachen nur äußerst geringe Kosten. Bei der Leiterplattenanordnung ist nunmehr vorgesehen, diese Lothügel auch zur elektrischen Kontaktierung der Leiterplattenmasse mit dem Metallgehäuse zu verwenden. Hierzu können an den entsprechenden Stellen, bspw. am Leiterplattenrand, Lothügel mit dem heute üblichen Verfahren, wie bspw. Schablonendruck der Lotpaste und anschließendem Reflowlöten, aufgebracht werden. Dabei kann an diesen Stellen auf der Leiterplatte ein Land zur Kontaktierung der Massenlage vorgesehen sein.
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Beim Einsetzten der Leiterplatte in das üblicherweise zweigeteilte Metallgehäuse haben die Lothügel direkten Kontakt zum Gehäuse. Durch die Fixierung der Gehäuseteile mit einem geeigneten Verfahren, z. B. durch eine Verschraubung, wird der Anpressdruck auf die Lothügel weiter erhöht und ein elektrischer Kontakt kommt zustande. Somit ist das Gehäuse elektrisch mit der Masse der Leiterplatte verbunden.
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Weiterhin ist zu beachten, dass, da die Lothügel üblicherweise weicher sind als die verwendeten Gehäusematerialien, ein Fließen der Lothügel nicht auszuschließen ist. Dies kann zwar hilfreich sein, um Toleranzen auszugleichen.
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Allerdings verschlechtert dies auch den elektrischen Kontakt. Dieses Verhalten kann kompensiert werden, wenn auf der Gehäuseseite eine entsprechende Vertiefung zur Aufnahme der Lothügel vorgesehen ist. Dadurch wird erstens die Auflagefläche erhöht und damit der elektrische Kontakt verbessert und zweitens das Wegfließen der Lothügel durch Einschränkung des Freiheitsgrads verhindert.
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Weiterhin können die Vertiefungen am Gehäuse in einem zusätzlichen Fertigungsschritt mit einer veredelten Oberfläche versehen werden, die beispielsweise die Oxidschichtbildung bei einem Aluminiummaterial verhindert.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Ausführung der Leiterplattenanordnung in geschlossenem Zustand.
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2 zeigt die Leiterplattenanordnung aus 1 in geöffnetem Zustand.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Leiterplattenanordnung, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese umfasst ein Gehäuse 12, das eine Leiterplatte 14 umschließt. Das Gehäuse 12 wiederum umfasst einen Gehäusedeckel 16 und einen Gehäuseboden 18 und ist somit zweiteilig aufgebaut. Das Gehäuse 12 besteht in diesem Fall aus einem metallischen Werkstoff. Dies kann bspw. Aluminium sein. Es ist aber durchaus denkbar, dass nur einer der beiden Gehäuseteile, nämlich der Gehäusedeckel 16 oder der Gehäuseboden 18, aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist. Weiterhin ist es möglich, dass nur Teile des Gehäusedeckels 16 und/oder des Gehäusebodens 18 aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
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In der Leiterplatte 14 ist eine Massenlage 20 ausgebildet, diese stellt den Masseleiter der Leiterplatte 14 dar bzw. ist mit diesem verbunden. Weiterhin trägt die Leiterplatte an der Oberseite und an der Unterseite jeweils einen Lothügel 22, der durch Auflöten von Lötmaterial, dem sogenannten Lot, hergestellt wird.
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Beim Lot handelt es sich um eine Metalllegierung, zumeist aus den Metallen Zinn, Silber und Kuper, sogenanntes SAC-Lot. Das Lot liegt bei Verwendung des Reflow-Lötverfahrens zunächst als Lotpaste vor. Diese enthält die Lotlegierung in Form von kleinen Kugeln und chemische Zusätze zur Oberflächenvorbehandlung, die als Flussmittel bezeichnet werden. Die Lotpaste wird mittels Schablonendruck auf die Stellen der Leiterplatte aufgetragen, an denen die elektronischen Bauteile elektrischen und mechanischen Kontakt zur auf der Leiterplatte aufgebrachten Schaltung haben sollen. Dieses Verfahren eignet sich auch für die in dieser Erfindung beschriebenen Lothügel zur elektrischen Kontaktierung der Gehäuseteile. Anschließend wird die Leiterplatte durch einen sogenannten Reflow-Ofen gefahren, in dem durch die Hitzewirkung das Flussmittel aktiviert wird und schließlich verdampft. Außerdem schmelzen die Lotkugeln auf und das Lot verbindet sich mit den elektronischen Bauteilen und der elektronischen Schaltung auf der Leiterplatte. Ist kein Bauteil auf der Lotpaste platziert worden, so schmilzt das Lot und bildet einen sogenannten Lotbump bzw. Lothügel. Dieser kann nun zur elektrischen Kontaktierung der Gehäuseteile verwendet werden.
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Die Lothügel 22 sind in elektrischem Kontakt mit der Massenlage 20 der Leiterplatte 14. Weiterhin sind die Lothügel 22 über Kontaktflächen 24 in Kontakt mit dem Gehäusedeckel 16 und dem Gehäuseboden 18 und somit mit dem Gehäuse 12. In der Darstellung der 1 ist das Gehäuse 12 in geschlossenem Zustand dargestellt. Über die Lothügel 22 ist daher das Gehäuse 12 mit Masse der Leiterplatte 14 verbunden.
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Die in der Leiterplatte 14 vorgesehen Leiterbahnen sind in dieser Darstellung nicht gezeigt. Die dargestellten Lothügel 22 sind derart positioniert bzw. angeordnet und ausgebildet bzw. dimensioniert, dass ein elektrischer Kontakt zwischen Gehäuse 12 und Leiterplatte 14 bewirkt wird.
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2 zeigt die Leiterplattenanordnung 10 aus 1 in geöffnetem Zustand. In der Darstellung sind Vertiefungen 30 im Gehäuse 12, d. h. jeweils eine Vertiefung 30 im Gehäusedeckel 16 und dem Gehäuseboden 18, an den jeweiligen Kontaktstellen zu den Lothügeln 22 an der Leiterplatte 14. Im Bereich der Vertiefungen 30 kann das Gehäuse 12 eine veredelte Oberfläche, bspw. erzeugt durch eine Verzinkung, aufweisen. Die Vertiefung 30 ist optional, der Kontakt kommt auch ohne die Vertiefung zustande. Die Vertiefung 30 hilft gegen das Wegfließen des Lots. Die Veredelung ist daher auch nicht an die Vertiefung 30 gebunden. Die Kontaktstellen bzw. -flächen 24 können auch ohne Vertiefung 30 veredelt sein.
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Zum Schließen der Leiterplattenanordnung 10 werden die beiden Gehäusehälften, nämlich der Gehäusedeckel 16 und der Gehäuseboden 18, aufeinander zu bewegt, bis ein Kontakt zwischen den Lothügeln 22 und den Kontaktflächen an den jeweiligen Gehäusehälften herbeigeführt ist. Abschließend kann bspw. durch Verschrauben die Position der Komponenten der Leiterplattenanordnung 10 zueinander fixiert werden. Es sind aber auch andere Verschlussarten denkbar, wie z. B. Clipsen, Schweißen, Durchsetzfügen usw.
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Die Figuren zeigen den prinzipiellen Aufbau der elektrischen Verbindung zwischen Leiterplattenmasse und dem Metallgehäuse. Beispielhaft wurde hier ein Gehäuse aus zwei Gehäusehälften, nämlich Boden und Deckel, aus Metall verwendet. Es lässt sich aber auch ein Gehäuse verwenden, an dem nur eine Gehäusehälfte aus Metall besteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008003787 A1 [0010]
- DE 4243180 A1 [0011]
- DE 102008040504 A1 [0012]
