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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kontaktierung eines elektrischen Bauelements an eine Leiterplatte, insbesondere eine Hochstromleiterplatte.
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Bei der Kontaktierung von elektronischen Bauteilen an Hochstromleiterplatten, welche aus mehreren stromführenden Schichten aufgebaut ist, treten am Übergang zwischen stromführender Schicht und Anschlussstift des zu kontaktierenden elektronischen Bauteils Wärmefallen auf.
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Aus
DE 101 20 692 A1 ist eine Anordnung einer Mehrlagenleiterplatte und eines elektronischen Bauelements bekannt, bei der die Anschlussstifte des Bauelements in Bohrungen in der Leiterplatte eingreifen und mit unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte verbunden sind. Die Anschlussstifte sind dabei unterschiedlich lang ausgeführt, so dass es zu keinen Fehlkontaktierungen kommen kann. Die Verbindung erfolgt mittels Löten oder Schweißen. Aufgrund der unterschiedlichen Tiefen der Lötbereiche kann es bei dieser Anordnung dazu führen, dass es aufgrund des inhomogenen Wärmeeintrags zu unzureichenden Lötergebnissen kommen kann. Dadurch ist es möglich, dass zwischen den Anschlussstiften des Bauteils und der Leiterplatte zu Wärmefallen kommen kann. Solche Wärmefallen erhöhen die Streuimpedanz, was zu einer verminderten Signalqualität führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, bei welcher die Verbindung zwischen Anschlussstiften eines elektronischen Bauteils und einer Leiterplatte einfach und wärmefallenfrei herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß den Merkmalen des geltenden Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Anordnung umfassend eine Hochstromleiterplatte und mindestens ein mit der Hochstromleiterplatte verbundenes elektronisches Bauelement mit mindestens einem ersten und einem zweiten Anschlussstift,
wobei die Hochstromleiterplatte mindestens vier Dicklagen zum Leiten von elektrischem Strom aufweist, wobei mindestens zwei Stromhinleitungs-Dicklagen zum Stromhinleiten von einer mit der Hochstromleiterplatte verbindbaren Spannungsquelle zu dem mindestens einen elektronischen Bauelement und mindestens zwei Stromrückleitungs-Dicklagen zum Stromrückleiten von dem mindestens einen elektronischen Bauelement zu der Spannungsquelle vorhanden sind,
wobei die Hochstromleiterplatte zur Aufnahme von Anschlussstiften erste und zweite Durchbrechungen aufweist, wobei ein Anschlussstift eine Durchbrechung vollständig durchgreift,
wobei zumindest die erste dem elektronischen Bauelement zugewandte Stromhinleitungs-Dicklage mit dem ersten Anschlussstift und zumindest die erste dem elektronischen Bauelement nächstliegende Stromrückleitungs-Dicklage mit dem zweiten Anschlussstift verbunden ist und die übrigen, mindestens jeweils eine dem elektronischen Bauelement abgewandte Stromhinleitungs-Dicklage oder Stromrückleitungs-Dicklage einen um die Durchbrechungen herum geschlossenen Bereich aufweisen, welcher keine elektrische oder thermische Leitfähigkeit aufweist.
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Mit anderen Worten, die Anordnung besteht aus einer Hochstromleiterplatte und mindestens einem elektronischen Bauelement, welches auf dieser Leiterplatte angeordnet und befestigt ist. Die Hochstromleiterplatte besteht aus mehreren Dicklagen. Jede Dicklage dient der Stromführung. Die Dicklagen unterteilen sich in Stromhinleitungs-Dicklagen und Stromrückleitungs-Dicklagen. Die Stromhinleitungs-Dicklagen dienen dem Stromtransport von einer mit der Hochstromleiterplatte verbindbaren Stromquelle über die Leiterplatte zu dem elektrischen Bauelement. Die Stromrückleitungs-Dicklagen dienen dem Rücktransport des Stroms von dem elektrischen Bauelement über die Leiterplatte zu der Stromquelle. Stromhinleitungs- und Stromrückleitungs-Dicklagen sind üblicherweise als Kupferstrukturen ausgebildet. In Abhängigkeit des zu transportierenden Stroms werden die Dicken der Dicklagen entsprechend gewählt und betragen je nach Anwendungsfall z.B. 105µm, 210µm oder maximal 400 µm.
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Die Hochstromleiterplatte weist senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Dicklagen ausgeführte Durchbrechungen auf. Diese Durchbrechungen reichen von der Unterseite der Leiterplatte bis zu der Oberseite der Leiterplatte. Diese Durchbrechungen dienen der Aufnahme der Anschlussstifte der elektronischen Bauelemente, welche mit der Leiterplatte verbunden sind. Die Durchbrechungen teilen sich auf in erste Durchbrechungen, welche einen ersten Anschlussstift des elektronischen Bauelements mit einer oder mehreren Stromhinleitungs-Dicklagen und in zweite Durchbrechungen, welche einen zweiten Anschlussstift des elektronischen Bauelements mit einer oder mehreren Stromrückleitungs-Dicklagen verbinden.
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In der vorgeschlagenen Hochstromleiterplatte ist vorgesehen, dass Dicklagen, welche dem elektronischen Bauelement zugewandt sind mit den Anschlussstiften elektrisch verbunden sind. Dicklagen, welche dem elektronischen Bauelement abgewandt sind, sind hingegen nicht mit dem Anschlussstift des elektronischen Bauelements verbunden. Unter dem Begriff „zugewandt“ wird im Folgenden, jeweils aus Richtung des elektronischen Bauteils betrachtet, die erste Stromhinleitungs-Dicklage bzw. Stromrückleitungs-Dicklage in der Hochstromleiterplatte verstanden. Unter dem Begriff „abgewandt“ wird im Folgenden, die direkt einer „zugewandten“ Dicklage folgende entsprechende Dicklage verstanden.
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Die übrigen Dicklagen in der Hochstromleiterplatte, also diejenigen Dicklagen, welche nach obiger Definition nicht als zugewandte Dicklagen gelten, sind derart ausgebildet, dass diese Dicklagen keine elektrische oder thermische Kontaktierung mit einem Anschlussstift des elektronischen Bauteils aufweisen. Hierzu ist vorgeschlagen, dass bei diesen, im Weiteren als „abgewandt“ bezeichneten Dicklagen um die Durchbrechungen herum ein geschlossenen Bereich ausgebildet ist, der keine elektrische oder thermische Leitfähigkeit aufweist. Dies kann z.B. dadurch erreicht sein, dass in diesem Bereich der Dicklage das elektrisch und thermisch leitfähige Material durch ein Isolierungsmaterial, z.B. Epoxidharz ersetzt ist.
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Beispielhaft können zusätzlich die zweite dem elektronischen Bauelement zugewandte Stromhinleitungs-Dicklage in der Hochstromleiterplatte mit dem ersten Anschlussstift und zusätzlich die zweite dem elektronischen Bauelement zugewandte Stromrückleitungs-Dicklage in der Hochstromleiterplatte mit dem zweiten Anschlussstift verbunden sein.
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Beispielhaft kann die vorgeschlagene Anordnung eine Anzahl n mit n >= 4 Stromhinleitungs-Dicklagen und eine Anzahl m mit m>=4 Stromrückleitungs-Dicklagen, wobei n = m ist, aufweisen. Dabei sind mindestens eine dem elektronischen Bauelement zugewandte Stromhinleitungs-Dicklage und mindestens eine dem elektronischen Bauelement zugewandte Stromrückleitungs-Dicklage elektrisch und/oder thermisch an einen Anschlussstift des elektronischen Bauelements angeschlossen und wenigstens 2 dem elektronischen Bauelement abgewandte Stromhinleitungs-Dicklagen und wenigstens 2 dem elektronischen Bauelement abgewandte Stromrückleitungs-Dicklagen nicht elektrisch und/oder thermisch an einen Anschlussstift des elektronischen Bauelements angeschlossen.
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Die Durchbrechungen sind metallisiert, z.B. mit Kupfer und jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Lötzinn gefüllt, wodurch der elektrische Kontakt zwischen dem Anschlusstift des elektronischen Bauteils und der jeweiligen Dicklage hergestellt wird.
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Ein Anschlussstift eines elektrischen Bauteile weist eine entsprechende Länge auf, so dass er die Durchbrechung in der Leiterplatte durchgreift, d.h. der Anschlussstift reicht von der Oberseite, auf welcher z.B. das Bauteil befestigt ist, bis mindestens zur Unterseite bzw. steht auf der Unterseite der Leiterplatte heraus.
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In den Durchbrechungen ist eine Hülse aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material eingebracht, welche als Durchkontaktierung dient. Die Hülse verbindet dabei entweder die Stromhinleitungs-Dicklagen oder die Stromrückleitungs-Dicklagen. Der Innendurchmesser einer Hülse ist dabei derart gewählt, dass er größer ist, als der Außendurchmesser eines Anschlussstifts des elektrischen Bauteils. Der Länge der Hülse entspricht dabei die Dicke der Leiterplatte zwischen der Oberseite und der Unterseite der Leiterplatte.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird erreicht, dass durchkontaktierte elektrische Bauelemente auf einer Leiterplatte wärmefallenfrei an eine hochstromtragende Dicklage angebunden werden können und gleichzeitig eine gute Lötbarkeit der elektrischen Bauelementen möglich ist.
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In der Anordnung wird erreicht, dass ein ausreichender Durchstieg des Lötmaterials durch die gesamte Dicke der Leiterplatte ermöglicht wird. Dadurch werden Wärmefallen vermieden und eine vollflächige Anbindung des Querschnitts einer Dicklage an den Anschlussstift eines elektrischen Bauelements ermöglicht. Somit können niederimpedante Dicklagen (Kupferstrukturen) bereitgestellt werden, die streuimpedanzfrei wirksam sind.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 schematisch eine Hochstromleiterplatte mit beispielhaft 4 Dicklagen, wobei jeweils eine Stromhinführungs-Dicklage und eine Stromrückführungs-Dicklage an einen Anschlussstift angebunden ist,
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2 schematisch eine Hochstromleiterplatte mit beispielhaft 6 Dicklagen, wobei jeweils zwei Stromhinführungs-Dicklage und zwei Stromrückführungs-Dicklage an einen Anschlussstift angebunden sind.
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Gemäß dem schematischen Beispiel in der 1 ist an der Hochstromleiterplatte 1a ein elektrisches Bauelement 4, z.B. ein Elektrolytkondensator vorgesehen. Dieser Elektrolytkondensator 4 weist zwei Anschlussstifte 11, 12 auf. Der Elektrolytkondensator 4 ist auf der Oberseite 13 der Hochstromleiterplatte 1a angeordnet bzw. befestigt.
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Die Hochstromleiterplatte 1a weist mehrere, beispielhaft vier Stromleitungslagen 21, 22, 31, 32 auf, welche schichtweise übereinander angeordnet sind und mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden sind. Die 1 zeigt Stromhinleitungs-Dicklagen 21, 22 und Stromrückleitungs-Dicklagen 31, 32 welche alternierend übereinander angeordnet sind. Die Stromhinleitungs-Dicklagen 21, 22 und Stromrückleitungs-Dicklagen 31, 32 sind mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 9, z.B. bestehend aus Glasfasern mit Epoxidharz, miteinander verbunden.
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Die Hochstromleiterplatte 1a weist Durchbrechungen 5, 6 auf, die auf einfache Weise wie z.B. Bohren hergestellt werden können und metallisiert werden. In diese Durchbrechungen 5, 6 sind die Anschlussstifte 11, 12 des elektronischen Bauelements 4 gesteckt. Die Durchbrechungen 5, 6 können dabei eine beliebige Form aufweisen, z.B. rotationssymmetrisch. Die Anschlussstifte 11, 12 weisen in dem Ausführungsbeispiel eine gleiche Länge auf, wobei die Länge der Anschlussstifte 11, 12 der Dicke der Hochstromleiterplatte 1a entspricht, so dass die Anschlussstifte 11, 12 die entsprechenden Durchbrechungen 5, 6 in der Hochstromleiterplatte 1a durchgreifen und direkt an der Unterseite 14 der Hochstromleiterplatte 1a enden. Es ist aber auch möglich, dass die Länge der Anschlussstifte 11, 12 größer als die Dicke der Hochstromleiterplatte 1a ist und die Anschlussstifte 11, 12 auf der Unterseite 14 der Hochstromleiterplatte 1a herausragen.
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Die Durchbrechungen 5, 6 dienen der elektrischen Kontaktierung entsprechender Dicklagen 21, 31 der Hochstromleiterplatte 1a mit den Anschlussstiften 11, 12.
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In dem in 1 dargestellten Beispiel ist von dem elektronischen Bauteil 4 gesehen, die erste Stromhinleitungs-Dicklagen 21 mit dem ersten Anschlussstift 11 in der ersten Durchbrechung 5 und die erste Stromrückleitungs-Dicklage 31 mit dem zweiten Anschlussstift 12 in der zweiten Durchbrechung 6 verbunden. Die jeweils zweiten Dicklagen 22, 32, also die zweite Stromhinleitungs-Dicklagen 22 und die zweite Stromrückleitungs-Dicklage 32 sind nicht an die jeweiligen Anschlussstifte 11, 12 kontaktiert. Im Bereich 17 um die Durchbrechungen 5, 6 herum ist in den Dicklagen 22, 23, bei denen keine Kontaktierung an den jeweiligen Anschlussstift 11, 12 eine Aussparung des in der Dicklage 22, 23 vorhandenen elektrisch und thermisch leitfähigen Materials (z.B. Kupfer) vorgesehen. Damit wird erreicht, dass der Wärmefluss (Bezugszeichen 10) beim Verlöten des Anschlussstifts 11, 12 mit den entsprechenden Dicklagen 21, 31 direkt in diese Dicklagen 21, 31 geleitet wird. Ein unerwünschter Wärmefluss in Dicklagen 22, 32, welche nicht an den Anschlussstift 11, 12 angebunden werden sollen, wird damit verhindert.
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Das Verlöten des Anschlussstifts 11, 12 mit den entsprechenden Dicklagen 21, 31 erfolgt mit bekannten Lötmethoden. Als Lötmittel wird ein elektrisch und thermisch leitfähiges Material, z.B. Lötzinn verwendet.
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Die im Bereich 17 gezeigte Aussparung wird zweckmäßig beim Herstellungsprozess der mehrlagigen Hochstromleiterplatte 1 vorgesehen. Dabei wird dieser Bereich 17 z.B. mittels eines Ätzprozesses abgetragen und durch z.B. ein Isolationsmaterial 9 aufgefüllt.
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Die 1 zeigt beispielhaft ein elektrisches Bauelement 4 mit zwei Anschlussstiften 11, 12. Selbstverständlich kann das elektrische Bauelement 4 auch mehrere Anschlussstifte aufweisen, so dass die Stromhinleitungs-Dicklagen 21, 31 über zwei Anschlussstifte 11, 12 mit dem elektrischen Bauelement 4 verbunden sind. Es ist aber auch möglich, dass die Hochstromleiterplatte 1a mehr als zwei Stromhinleitungs-Dicklagen 2 und zwei Stromrückleitungs-Dicklagen 3 aufweist.
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In die Durchbrechungen 5, 6 ist beispielhaft jeweils eine metallische Hülse 15 eingebracht. Die metallische Hülse 15 dient zur Kontaktierung der entsprechenden Dicklage 21, 31 an den Anschlussstift 11, 12. Das Lötmittel ist dabei in die Hülse 15 eingebracht und kontaktiert die Anschlussstifte 11, 12 mit der jeweiligen Hülse 15. Über die Hülse 15 erfolgt dann die Kontaktierung an die jeweilige Dicklage 21, 31.
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Die Innenwandung 7 einer Durchbrechung 5, 6 bzw. einer Hülse 15 und der Anschlussstift 11, 12 des elektrischen Bauelements 4 bilden einen Zwischenraum 8 aus. Dieser Zwischenraum 8 ist mit einem elektrisch leitenden Material, z.B. Lötzinn gefüllt.
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Die 1 zeigt mit Bezugszeichen 10 den Wärmetransport, welcher bei einem Selektiv- oder Wellenlötprozess entsteht. Es entsteht nur in den Dicklagen 21, 31 ein Wärmetransport, welche mittels des Lötprozesses an den entsprechenden Anschlussstift 11, 12 angebunden werden sollen. Dies ist in 1 auch dadurch deutlich gemacht, dass z.B. bei der ersten Durchbrechung 5, welche der Kontaktierung der Stromhinführungs-Dicklage 21 an den Anschlussstift 11 dient, die Stromrückleitungs-Dicklagen 31, 32 durch die Isolationsschicht 9 von der ersten Durchbrechung 5 beabstandet ist. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass in diesem Bereich 17 übereinander liegende Isolationsschichten 9 miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten, die Isolationsschicht 9 schirmt die Stromrückleitungs-Dicklagen 31, 32 bzw. die nicht zu kontaktierende Stromhinleitungs-Dicklage 22 von der ersten Durchbrechung 5 ab.
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2 zeigt schematisch eine Hochstromleiterplatte 1a mit beispielhaft 6 Dicklagen, wobei jeweils zwei Stromhinführungs-Dicklage 21, 22 und zwei Stromrückführungs-Dicklage 31, 32 an einen Anschlussstift 11, 12 angebunden sind. Der Aufbau der Hochstromleiterplatte 1a in 2 entspricht im Wesentlichen dem in 1, weswegen hier auf Wiederholungen verzichtet und auf die Beschreibung zu 1 verwiesen wird.
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Die Hochstromleiterplatte 1a in 2 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten dadurch, dass je zwei Stromhinführungs-Dicklage 21, 22 und Stromrückführungs-Dicklage 31, 32 an die jeweiligen Anschlussstifte 11, 12 kontaktiert sind. Beiden Dicklagen handelt es sich hierbei um die jeweils nächsten dem elektronischen Bauteil zugewandten Dicklagen 21, 22, 31, 32. Als am nächsten zugewandt wird diejenige Dicklage 21, 31 bezeichnet, welche von dem elektronischen Bauelement 4 betrachtet, den geringsten Abstand aufweist. Im vorliegenden Beispiel sind dies die Stromhinführungs-Dicklage mit dem Bezugszeichen 21 und die Stromrückführungs-Dicklage mit dem Bezugszeichen 31. Zusätzlich sind in diesem Beispiel die zweit nächsten zugewandten Dicklagen 22, 32 ebenfalls an den jeweiligen Anschlussstift 11, 12 kontaktiert. Im vorliegenden Beispiel sind dies die Stromhinführungs-Dicklage mit dem Bezugszeichen 22 und die Stromrückführungs-Dicklage mit dem Bezugszeichen 32. Die weiter entfernten Dicklagen 23, 33 werden als dem elektronischen Bauelement 4 abgewandte Dicklagen bezeichnet und sind nicht an den jeweiligen Anschlussstift 11, 12 kontaktiert.
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2 zeigt, dass der beim Lötprozess entstehende Wärmefluss 10 in die kontaktieren Dicklagen 21, 22, 31, 32 verteilt wird. Damit wird eine optimale Verlötung der Anschlussstifte 11, 12 mit den jeweiligen Dicklagen 21, 22, 31, 32 erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 1a
- Leiterplatte
- 21, 22, 23
- Stromhinleitungs-Dicklage
- 31, 32, 33
- Stromrückleitungs-Dicklage
- 4
- elektronisches Bauteil
- 5
- erste Durchbrechung
- 6
- zweite Durchbrechung
- 7
- Innenwandung
- 8
- Zwischenraum
- 9
- Isolationsschicht
- 10
- Wärmefluss
- 11
- Anschlussstift
- 12
- Anschlussstift
- 13
- Oberseite
- 14
- Unterseite
- 15
- Hülse
- 16
- Lötzinn
- 17
- Aussparung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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