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Die Erfindung betrifft eine elektronische Anordnung umfassend eine Leiterplatte, die vollständig oder teilweise in einem Gehäuse angeordnet ist.
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Elektronikanordnungen werden vielfach in Gehäusen angeordnet, um die darin befindlichen Schaltungsträger vor Beschädigungen zu schützen. Diese Gehäuse sind aus (dünnem) Metallblech. In Metallgehäusen werden Federn verwendet, die aus demselben Material bestehen, wie das Gehäuse, um Leiterplatten in dem Gehäuse zu fixieren.
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Immer leistungsfähiger werdende elektronische Bauteile strahlen auch mehr Wärme ab, die von Metallgehäusen leicht abgeleitet bzw. abgestrahlt werden kann. Ein Vorteil von Gehäuse, die im Spritzguss- oder Druckgussverfahren hergestellt werden ist, dass sie in nahezu jeder Form hergestellt werden können. Sie sind jedoch weniger leicht zu deformieren, so dass Lücken zwischen Gehäuse und Leiterplatte entstehen können, wenn die Gehäuse nicht exakt hergestellt werden.
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Insbesondere im Fahrzeugbereich, aber auch in anderen Bereichen, ist es wichtig, empfindliche elektronische Schaltungen vor Vibrationen zu schützen. Außerdem kann es notwendig sein, dass die Leiterplatte oder Bauteile auf der Leiterplatte in direktem Kontakt mit dem Gehäuse stehen sollen, beispielsweise um bei temperaturempfindlichen Bauteilen Wärme abzuleiten oder zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit der elektronischen Vorrichtung. Bei der Herstellung eines Gehäuses muss daher darauf geachtet werden, dass das Gehäuse so ausgebildet ist, dass es eine Leiterplatte ohne störende Toleranzen fixiert. Hierdurch wird die Herstellung der Gehäuse jedoch aufwendiger und die Herstellungskosten steigen.
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Um die in der 1 gezeigten Toleranzen (D1 und D2) zwischen einem elektronischem Bauteil oder einer Leiterplatte und dem Gehäuse zu überwinden, werden heutzutage Federn, Elastomere, Thermokontaktstellen, Lückenfüller oder Klemmen an dem Gehäuse oder der Leiterplatte befestigt.
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In der
WO 2014/090433 A1 wird eine elektronische Anordnung mit einer direkt kontaktierenden Leiterplatte beschrieben, bei der ein Stecker einen direkten elektrischen Kontakt auf der Leiterplatte herstellt.
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Des Weiteren wird in der
WO 2013/017472 A2 eine Elektronikanordnung mit einem Gehäuse beschrieben, das eine vibrationsunempfindliche Fixierung eines Schaltungsträgers ermöglicht.
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Außerdem werden in der
US 2011/0061901 A1 ein wärmeableitendes und in der
US 2014/0110156 A1 ein wärmeabstrahlendes Trägermaterial beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gehäuse mit einer darin angeordneten Leiterplatte mit elektronischen Bauelementen bereitzustellen, die einen direkten elektrischen oder wärmeübertragenden Kontakt zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte oder den elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte ermöglicht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine elektronische Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Leiterplatte Einschnitte (bzw. Schlitze) aufweist, die flexible Bereiche der Leiterplatte ausbilden und das Gehäuse auf der in Richtung der Leiterplatte gerichteten Seite mindestens eine Stütze aufweist, die auf den flexiblen Bereich der Leiterplatte oder auf ein oder mehrere (elektronische) Bauteile, die auf dem flexiblen Bereich der Leiterplatte angeordnet sind, drückt.
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Die Leiterplatte (die Platine, der Schaltungsträger) dient als Träger von elektronischen Bauteilen. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, Teile einer Leiterplatte abzuschwächen, um deren Elastizität zu nutzen und benachbarte Teile der Leiterplatte zu stützen, um hohe Belastungen oder ein Verdrehen kritische Bereiche der Leiterplatte zu verhindern. Hierzu weist die Leiterplatte Einschnitte (Schlitze) auf, durch die flexible Bereiche gebildet werden, die ein Abwinkeln der flexiblen Bereiche aus der durch die Leiterplatte gebildeten Ebene ermöglichen. Das Abwinkel der flexiblen Bereiche erfolgt durch Druck einer Stütze auf den flexiblen Bereich. Hierzu weist die Stütze eine Länge auf, die größer ist als der Abstand von der Innenseite des Gehäuses bis zu der durch die Leiterplatte gebildeten Ebene.
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Durch diese Art der Fixierung der Leiterplatte in dem Gehäuse können fertigungsbedingte Abweichungen der Dimensionierung des Gehäuses vernachlässigt werden und es kann auf die Verwendung von Abstandshaltern, Klammern oder ähnlichen Vorrichtungen zur Fixierung der Leiterplatte verzichtet werden, wodurch die Anzahl der Bauteile verringert wird. Außerdem kann anstatt eines Blechgehäuses ein Gehäuse aus einem stabileren Material verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass diese Art der Befestigung erlaubt, Schrauben zur Befestigung der Leiterplatten im Gehäuseinneren zu vermeiden.
- – Im Reparaturfall erhöhen Schrauben das Risiko von Kurzschlüsse aufgrund von Spänen, die beim Gewindeschneiden/Gewindefurchen normalerweise von den Schrauben im Schraubdom eingeschlossen – aber beim Entschrauben frei werden können. Immer wieder führen solche Späne zu Kurzschlüssen und Rückläufern in immer empfindlicher werdenden Produkten.
- – Des Weiteren kann so die Anzahl der Schraubvorgänge um die Befestigungsschrauben der PCB's (Printed Circuit Boards / Leiterplatten) verringert werden – da ein Klemmen über die Gehäuse-(Außen-)Schrauben möglich ist. Dadurch verringert sich einerseits die Bauteilanzahl, andererseits reduziert sich der Produktzyklus um die gesparten Schraubvorgänge.
- – Außerdem reduziert diese Anordnung den Ausschuss, der über die Leiterplattenbefestigungsschrauben üblicherweise entsteht.
- – Die Größe des verlorenen Bauraums auf einer Leiterplatte kann bei geschickter Gestaltung der elastischen Klemmbereiche im ohnehin gesperrten Randbereich der PCB um den benötigten Freiraum / restricted area für Schraubenköpfe und die Schraubenwerkzeuge erweitert werden.
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Außerdem reduziert eine solche Befestigung die Toleranzkette – so wird z.B. die Leiterplattendicke aus der Toleranzkette eliminiert, so dass es deutlich leichter ist, Prozessfähigkeit für die Befestigung zu erreichen, bzw. es wird deutlich weniger Spielraum für wärmeabführenden und teuren Gap-Filler (Fugenfüllmaterial/Lückenfüller) benötigt.
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Schließlich hilft diese Art der Befestigung empfindliche Bereiche der Leiterplatte vor durch die übliche Befestigung kaum zu vermeidende Biegung aufgrund von Toleranzen in der Gehäusegeometrie oder aufgrund von Biegungen des Gehäuses im Einsatz von dieser Biegung abzukoppeln und so zu halten, dass in den gefährdeten Bereichen keine Biegung erzeugt wird. Dadurch werden (Feld-)Ausfälle aufgrund von Spannungsbrüchen in den Lötungen oder in den spröden keramischen Baugruppen reduziert.
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Das Gehäuse umfasst vorzugsweise einen Boden und einen Deckel, wobei die Stützen auf dem Boden und/oder dem Deckel angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass die Leiterplatte bei der Herstellung der elektronischen Anordnung auf dem Boden des Gehäuses befestigt wird und anschließend durch den Deckel fixiert wird, wobei sowohl der Deckel als auch der Boden des Gehäuses Stützen aufweisen, mit denen die flexiblen Bereiche der Leiterplatte fixierbar sind.
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Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Kunststoff oder Metall. Dies hat den Vorteil, dass das Gehäuse formstabil ist und somit die empfindliche Leiterplatte schützt. Außerdem kann das Gehäuse oder die einzelnen Bauteile des Gehäuses, wie Boden und Deckel, im Spritzgussverfahren oder Druckgussverfahren, beispielsweise aus Metall, wie Aluminium oder Magnesium, oder Metalllegierungen kostengünstig hergestellt werden. Metalle weisen zusätzlich den Vorteil auf, dass sie Wärme besser (ab-)leiten.
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Die Stützen sind vorzugsweise Teil des Gehäuses oder an dem Gehäuse fixiert. Wenn die Stützen Teil des Gehäuses sind, können sie in einem Arbeitsschritt, beispielsweise im Spritzguss- oder Druckgussverfahren, hergestellt werden. Es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Stützen als weitere Bauteile hergestellt werden und an dem Gehäuse fixierbar sind. Dabei können Gehäuse und Stützen aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
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Die Stützen sind vorzugsweise säulenartig oder leistenförmig ausgebildet. Die Stützen sind abhängig von der Form der flexiblen Bereiche der Leiterplatte oder der Bauteile auf der Leiterplatte, die durch die Stützen fixiert werden sollen, ausgebildet. Daher können Stützen der unterschiedlichsten Formen verwendet werden, je nach dem ob ein punktförmiger Druck durch eine einzelne säulenförmige Stütze ausgeübt werden soll oder ein Druck auf eine größere Fläche, der durch eine Stütze, die in Form einer Leiste ausgebildet ist, ausgeübt werden soll.
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Die Auflagefläche der Stütze mit der die Stütze auf der Leiterplatte oder einem Bauteil auf der Leiterplatte aufliegt, ist vorzugsweise abgerundet, abgeflacht oder spitz. Je nach gewünschter Verwendung, kann so ein geeigneter Druck bzw. ein geeigneter Kontakt zwischen Stütze und flexiblem Bereich der Leiterplatte und/oder einem Bauteil auf der Leiterplatte hergestellt werden. Durch eine spitze Form kann ein höherer Druck auf einen Punkt ausgeübt werden und durch eine flache Form wird eine größere Kontaktfläche hergestellt, wodurch eine bessere Wärmeübertragung zwischen elektronischem Bauteil und Gehäuse gewährleistet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Einschnitte (Schlitze), die die flexiblen Bereiche auf der Leiterplatte bilden, am Rand der Leiterplatte angeordnet, d.h. vom Rand in Richtung der Mitte der Leiterplatte, wobei Rand und Einschnitt einen rechten Winkel bilden. Hierdurch entstehen einzelne, benachbarte flexible Bereiche am Rand der Leiterplatte, die durch Stützen vom Boden und vom Deckel des Gehäuses abwechseln, jeweils in eine andere Richtung, aus der durch die Leiterplatte gebildeten Ebene ausgelenkt werden, und so zu einer optimalen Fixierung der Leiterplatte im Gehäuse führen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden im Wesentlichen U-förmige oder V-förmige Einschnitte oder ähnliche Einschnitte im zentralen Bereich (nicht im Randbereich gelegenen Bereich) der Leiterplatte einen flexiblen Bereich in der Leiterplatte aus, der ebenfalls durch Stützen abgewinkelt werden kann.
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Die Stützen können nur in einer Richtung, beispielsweise nur vom Deckel oder Boden des Gehäuses auf die flexiblen Bereiche in der Leiterplatte drücken. Hierdurch werden die flexiblen Bereiche der Leiterplatte nur in eine Richtung aus der durch die Leiterplatte gebildete Ebene abgewinkelt.
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Vorzugsweise drücken eine Vielzahl von Stützen die flexiblen Bereiche der Leiterplatte in unterschiedliche Richtungen von der Leiterplatte weg, wodurch ein besserer Halt der Leiterplatte im Gehäuse erzielt wird.
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Auf dem flexiblem Bereich der Leiterplatte sind vorzugsweise ein oder mehrere elektronische Bauteile angeordnet. Auf diese Weise können insbesondere stark Wärme abstrahlende elektronische Bauteile direkt in Kontakt mit einer Stütze kommen und so die erzeugte Wärme besser ableiten. Das elektronische Bauteil wird dabei mit dem flexiblen Bereich der Leiterplatte aus der durch die Leiterplatte gebildeten Ebene abgeknickt ohne das Bauteil dabei zu beschädigen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse Öffnungen zur Belüftung oder zur Durchführung von elektrischen Leitungen auf. So kann die Leiterplatte Schnittstellen aufweisen, durch die die Leiterplatte mit anderen Geräten verbunden wird. Außerdem kann das Gehäuse Öffnungen aufweisen, die der Luftzirkulation dienen und damit ebenfalls dem Abführen von Wärme dienen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Im Einzelnen zeigen
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1 eine Teilansicht eines Querschnitts durch eine elektronische Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
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2a eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Leiterplatte mit Einschnitten, die flexible Bereiche der Leiterplatte bilden,
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2b eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform der Einschnitt die die flexiblen Bereiche der Leiterplatte bilden,
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3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung,
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4 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Leiterplatte mit einem elektronischen Bauteil und
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5 eine Teilansicht eines Querschnitts durch eine elektronische Anordnung mit einem elektronischen Bauteil, das auf dem flexiblen Bereich der Leiterplatte angeordnet ist.
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1 zeigt eine Teilansicht eines Querschnitts durch eine elektronische Anordnung 1 gemäß dem Stand der Technik mit einer Leiterplatte 2 und einem auf der Leiterplatte 2 angeordneten elektronischem Bauteil 3. Die Leiterplatte 2 liegt auf einer Auflage 4, die Bestandteil des Bodens 5 des Gehäuses 6 ist. Durch die nicht passgenaue Ausbildung des Gehäuses 6 liegt die Leiterplatte 2 nur auf der Auflage 4 nicht aber auf der Auflage 4-1, was durch den in der 1 gezeigte Abstand D1 verdeutlicht wird. Auch zwischen dem Deckel 7 des Gehäuses 6 und dem elektronischen Bauteil 3 besteht kein Kontakt, da der Abstand D2 zwischen der Auflagefläche 8 des Deckels 7 des Gehäuses 6 und der Innenseite 9 des Deckels 7 größer ist als die Dicke der Leiterplatte 2 und des darauf angeordneten elektronischen Bauteils 3. Es ist daher notwendig diese Abstände, beispielsweise mit einer Feder, zu füllen. Hierdurch wird jedoch keine optimale Wärmeübertragung erzielt.
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Zudem ist in der 1 eine Begrenzung 10 gezeigt, die mit der Auflagefläche 8 zusammen einen Absatz bildet auf dem die Seitenwand 11 des Deckel 7 ruht.
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Die 2a und 2b zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Einschnitte 12 und der durch diese gebildeten flexiblen Bereiche 13 der Leiterplatte 2 bei einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung 1.
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2a zeigt einen Ausschnitt einer Leiterplatte 2 mit geraden, länglichen Einschnitten 12, die im Wesentlichen rechteckige, flexible Bereiche 13 der Leiterplatte 2 bilden. Durch Verbreiterungen 14 der Einschnitte 12 wird die Flexibilität der flexiblen Bereiche 13 zusätzlich erhöht. Die Verbreiterungen 14 können rund oder als ovale Verbreiterungen 14-1 ausgebildet sein.
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Die in der 2a gezeigten flexiblen Bereiche 13 sind zum Rand 15 der Leiterplatte 2 angeordnet. Es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die flexiblen Bereiche 13 im zentralen Bereich der Leiterplatte 2 angeordnet sind, wie in der 2b dargestellt.
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Die Form der flexiblen Bereiche 13 kann aber auch abweichend von der in der 2a gezeigten Form ausgebildet sein.
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2b zeigt mögliche weitere Ausführungsformen der flexiblen Bereiche 13 der Leiterplatte 2, die durch V-förmige Einschnitte 12-1, U-förmige Einschnitte 12-2 oder eckige Einschnitte 12-3 gebildet werden und im zentralen Bereich der Leiterplatte 2 angeordnet sind. Es versteht sich, dass auch diese Einschnitte 12-1, 12-2, 12-3 Verbreiterungen 14 aufweisen können.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektronische Anordnung 1, bei der eine Leiterplatte 2 zwischen dem Deckel 7 und dem Boden 5 eines Gehäuses 6 angeordnet ist. Der Boden 5 des Gehäuses 6 weist Stützen 16 auf, die abgeflacht sind und auf denen die flexiblen Bereiche 13 der Leiterplatte 2 ruhen.
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Der Deckel 7 des Gehäuses 6 weist abgerundete Stützen 16-1, abgerundete Stützen 16-2 und abgeflachte Stützen 16-3 auf, die auf die flexiblen Bereiche 13 der Leiterplatte 2 drücken, so dass diese abwechseln zum Deckel 7 oder zum Boden 5 aus der durch die Leiterplatte 2 gebildete Ebene E gedrückt werden, wodurch eine gute Fixierung der Leiterplatte 2 in dem Gehäuse 6 erzielt wird (ein Kontakt zwischen dem Gehäuse 6 und der Leiterplatte 2 alle 15 bis 25 mm). Die Befestigung der Leiterplatte 2 kann dabei ohne die Verwendung von Werkzeug, zum Festschrauben der Leiterplatte 2, erfolgen, wodurch weiterer Platz für weitere Bauteile (Hardware) geschaffen wird.
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4 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Leiterplatte 2 mit einem auf dem flexiblen Bereich 13 der Leiterplatte 2 angeordneten elektronischen Bauteil 3. Die (in der 4 nur schematisch dargestellten) Leiterbahnen 17, die zu dem elektronischen Bauteil 3 führen, werden auf dem Bereich der Leiterplatte 2 geführt, der beim Abwinkeln des flexiblen Bereichs 13 gebogen/abgeknickt wird.
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5 zeigt eine Teilansicht eines Querschnitts durch eine elektronische Anordnung 1 mit einem elektronischen Bauteil 3, das auf dem flexiblen Bereich 13 der Leiterplatte 2 angeordnet ist.
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Der Boden 5, der in der in der 5 dargestellten Ausführungsform, weist eine leicht abgeflachte Stütze 16-4 auf, mit der der flexible Bereich 13 der Leiterplatte 2 in Richtung des Deckels 7 des Gehäuses 6 gedrückt wird (durch den Pfeil P1 dargestellt) und eine abgeflachte Stütze 16-5, die zusammen mit einer abgeflachten Stütze 16-6, die aus dem Deckel 7 des Gehäuses 6 ragt, die Leiterplatte 2 fixiert.
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Die Stützen 16-6 und 16-5 wirken dabei auf einen Bereich der Leiterplatte 2 der nicht flexibel ist, während die Stütze 16-7 auf das elektronische Bauteil 3 wirkt, das auf dem flexiblen Bereich 13 der Leiterplatte 2 angeordnet ist.
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Außerdem weist der Deckel 7, der in der 5 dargestellten Ausführungsform, eine weitere abgeflachte Stützen 16-7 auf, die das elektronische Bauteil 3, das auf einem flexiblen Bereich 13 der Leiterplatte 2 angeordnet ist, leicht in Richtung Boden 5 des Gehäuses 6 drückt, wie durch einen Pfeil P2 gezeigt.
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Die flexiblen Bereiche 13 der Leiterplatte 2 liegen im äußeren Rand der Leiterplatte 2 auf dem normalerweise keine Bauteile angeordnet sind und der deshalb auch abgebogen werden kann, ohne die Funktion der Leiterplatte 2 und der darauf angeordneten Bauteile zu beeinträchtigen.
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Besonders heiße elektronische Bauteile 3 können auf dem flexiblen Bereich 13 der Leiterplatte 2 angeordnet werden, um die von ihnen erzeugte Wärme direkt über eine (abgeflachte) Stütze 16, und damit über das Gehäuse 6, abzuleiten, wie in 4 gezeigt. Ein solches elektronisches Bauteil 3 ist von den anderen Bauteilen auf der Leiterplatte 2 durch den Einschnitt 12 getrennt und trägt nicht dazu bei, die anderen Bauteile zu erwärmen.
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Wie in der 5 gezeigt, ist bei der erfindungsgemäßen Fixierung der Leiterplatte 2, im Gegensatz zu der in der 1 gezeigten Ausführungsform aus dem Stand der Technik, kein Abstand zwischen dem Deckel 7 und dem elektronischen Bauteil 3 und der Leiterplatte 2 und dem Boden 5 des Gehäuse 6 bzw. einer Auflage oder Stütze 16. Bei einem Metallgehäuse 6 steht das elektronische Bauteil 3 in direktem elektrischen Kontakt mit dem Gehäuse 6. Außerdem kann Wärme leicht vom elektrischen Bauteil 3 über das Gehäuse 6 abgeleitet werden.
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Um die Wärmeableitung weiter zu verbessern, kann das Gehäuse 6 Öffnungen (Belüftungsschlitze), die der Belüftung dienen, Kühlkörper oder Wärmeableitungselemente, wie beispielsweise Kühlrippen (nicht in der 5 gezeigt), aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronische Anordnung
- 2
- Leiterplatte
- 3
- elektronisches Bauteil
- 4
- Auflage
- 4-1
- Auflage
- 5
- Boden
- 6
- Gehäuse
- 7
- Deckel
- 8
- Auflagefläche
- 9
- Innenseite des Deckels 7
- 10
- Begrenzung
- 11
- Seitenwand des Deckels 7
- 12
- Einschnitt
- 12-1
- Einschnitt (V-förmig)
- 12-2
- Einschnitt (U-förmig)
- 12-3
- Einschnitt
- 13
- flexibler Bereich
- 14
- Verbreiterung
- 14-1
- Verbreiterung
- 15
- Rand
- 16
- Stütze
- 16-1
- Stütze
- 16-2
- Stütze
- 16-3
- Stütze
- 16-4
- Stütze
- 16-5
- Stütze
- 16-6
- Stütze
- 16-7
- Stütze
- 17
- Leiterbahn
- D1
- Abstand zwischen der Auflage 4-1 und der Leiterplatte 2
- D2
- Abstand zwischen der Auflagefläche 8 und der Innenseite 9
- E
- Ebene
- P1
- Pfeil
- P2
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/090433 A1 [0006]
- WO 2013/017472 A2 [0007]
- US 2011/0061901 A1 [0008]
- US 2014/0110156 A1 [0008]
