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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Modulanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Elektronikbauteile wie Leistungsmodule werden beispielsweise im Automobilbereich eingesetzt und werden auf Gehäusen oder Gehäuseteilen zusammen mit mindestens einem Schaltungsträger wie einer Leiterplatte mit darauf angeordneten elektronischen Komponenten zu einer Modulanordnung zusammengefügt. Die Leiterplatte wird dabei an durch das Bauteil vorgegebenen Positionen z.B. mittels Schrauben montiert. Der Überstand der Leiterplatte über das Elektronikbauteil wird mit dem Gehäuse verschraubt, um ein Schwingen bei Vibration zu vermeiden und die Leiterplatte mit der Gehäusemasse zu verbinden.
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Bei der Montage einer Leiterplatte auf einem Elektronikbauteil, z.B. einem Leistungsmodul, kann durch Toleranzen des Leistungsmodul-Spritzgussgehäuses und der zusätzlichen Montage auf dem Gehäuseteil eine Durchbiegung der Leiterplatte entstehen, wodurch die Gefahr der Schädigung von Lötstellen oder Bauteilen besteht. Außerdem wird durch die vorgegebenen Schraubpositionen des Leistungsmoduls das Leiterplatten-Layout eingeschränkt.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Modulanordnung bereitzustellen, durch welche die oben genannten Probleme überwunden werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird eine Modulanordnung, umfassend ein Bauteil, ein Gehäuse, einen Zwischenrahmen und eine Leiterplatte, wobei das Bauteil zwischen dem Gehäuse und dem Zwischenrahmen angeordnet ist, mit dem Gehäuse verbunden ist, und mit der Leiterplatte elektrisch verbunden ist. Der Zwischenrahmen ist mit dem Gehäuse derart verbindbar, dass eine Masseverbindung bereitstellbar ist, und ist mit der Leiterplatte verbunden, und an dem Bauteil über zumindest eine Positionierungseinrichtung positioniert. Die Leiterplatte weist an zumindest einer ersten Stelle Öffnungen auf, über die der Zwischenrahmen mit dem Bauteil positionierbar ist.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass das Bauteil an zumindest einem ersten Bereich Fixierungsmittel zur Verbindung mit an dem Gehäuse korrespondierend dazu angeordneten Fixierungsgegenmitteln aufweist und mit dem Gehäuse darüber verbindbar ist. Ferner weist es an zumindest einem zweiten Bereich Positionierungsmittel zur Positionierung an der zumindest einen Positionierungseinrichtung des Zwischenrahmens auf, wobei die Positionierungsmittel korrespondierend zu den Positionierungseinrichtungen angeordnet sind. Ferner weist es an zumindest einem dritten Bereich elektrische Verbindungselemente zur Verbindung mit an der Leiterplatte korrespondierend dazu angeordneten Aufnahmemitteln auf. Der Zwischenrahmen ist über die Positionierungseinrichtungen mit den Positionierungsmitteln des Bauteils durch die Öffnungen der Leiterplatte hindurch an dem Bauteil positionierbar. Er weist an zumindest einem ersten Abschnitt zumindest eine Befestigungseinrichtung zur Verbindung mit an dem Gehäuse korrespondierend dazu angeordneten Befestigungsmitteln auf, und weist an zumindest einem zweiten Abschnitt Fixierungselemente zur Verbindung mit an der Leiterplatte korrespondierend dazu angeordneten Fixierungseinrichtungen auf.
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Durch die Bereitstellung eines Zwischenrahmens, der die Leiterplatte trägt, kann vermieden werden, dass die Leiterplatte bei der Montage an dem Bauteil verbogen wird, da sie in der Regel größere Abmessungen aufweist als das Bauteil. Somit kann die Gefahr gemindert werden, dass die Leiterplatte, darauf angeordnete Komponenten bzw. Verbindungen von Komponenten, z.B. Lötstellen, beschädigt werden. Außerdem kann durch den Rahmen gleichzeitig eine Masseverbindung zum Gehäuse hergestellt werden. Zur Befestigung können unterschiedliche Mittel verwendet werden, z.B. Schrauben, die in vorgesehene Schraubdome geschraubt werden, Steckverbindungen oder Pins für elektrische Kontakte etc. Dies bleibt dem Fachmann überlassen, der je nach Anwendung die geeigneten Mittel wählt.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Leiterplatte auf dem Zwischenrahmen zwischen dem Bauteil und dem Zwischenrahmen oder oberhalb des Zwischenrahmens auf der dem Bauteil abgewandten Seite angeordnet ist.
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Durch den Zwischenrahmen kann die Leiterplatte je nach Anwendung und Platzbedarf auf der geeignetsten Seite angeordnet werden ohne dabei Gefahr zu laufen, dass Komponenten oder Verbindungen oder die Leiterplatte selbst beschädigt werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Leiterplatte derart auf dem Zwischenrahmen angeordnet ist, dass sie dadurch versteift ist. Dies ermöglicht eine Bereitstellung von schwereren Komponenten auf der Leiterplatte und schützt diese gleichzeitig vor Beschädigungen durch Durchbiegung.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Befestigungsmittel des Gehäuses als Dome ausgebildet sind, die aus dem Gehäuse bis über das Bauteil hinweg herausragen und derart angeordnet und ausgebildet sind, dass der Zwischenrahmen darauf aufliegt und die zumindest eine Befestigungseinrichtung damit verbindbar ist.
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Durch die Ausbildung von Domen wird eine Auflage für den Zwischenrahmen sowie eine Positionierungs- und Montagehilfe geschaffen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Positionierungsmittel des Bauteils und die korrespondierenden Positionierungseinrichtungen des Zwischenrahmens derart ausgebildet sind, dass ein vorgegebener Abstand zwischen Bauteil und Leiterplatte nach Montage durch die Öffnungen der Leiterplatte eingehalten ist. Vorteilhafterweise ist der Abstand derart gewählt, dass er größer als maximale Fertigungstoleranzen des Bauteils ist.
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Durch Bereitstellen eines Abstands kann auch bei einer großen Toleranz in der Höhe der Positionierungsmittel, also z.B. der Dome, sichergestellt werden, dass die Leiterplatte das Bauteil nicht berührt, so dass unerwünschte Verbiegung oder Kontaktierung vermieden werden kann.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass eine Masseverbindung über ein metallisches Verbindungselement erfolgt, das über die Befestigungseinrichtung des Zwischenrahmens mit den Befestigungsmitteln des Gehäuses verbunden ist. Somit kann in einfacher Weise, z.B. durch Verwendung einer Schraube aus leitendem Material, die Masseverbindung hergestellt werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Zwischenrahmen zumindest zwei Stifte aufweist, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie als Positionierungshilfe bei der Montage der Leiterplatte auf dem Zwischenrahmen und als Montagehilfe für die Montage der Baugruppe umfassend den Zwischenrahmen und die Leiterplatte auf das Bauteil dienen.
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Durch die Bereitstellung von zwei Positionierungsstiften kann eine einfache und genaue Positionierung der Komponenten aufeinander unabhängig von einer Fertigungstoleranz, also z.B. Höhenunterschieden der Positionierungsmittel des Bauteils, erfolgen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die elektrischen Verbindungselemente als Kontaktpins oder als Steckverbinder und die korrespondierenden Aufnahmemittel als entsprechende Gegenstücke ausgeführt sind.
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Je nach Ausführung kann es sinnvoll sein, die elektrischen Verbindungselemente als Pins auszuführen, so dass diese zur Befestigung verlötet werden, oder diese als Steckverbindungen auszuführen, so dass gleich bei der Montage eine elektrische Verbindung durch Stecken erfolgen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine Ansicht einer Leistungsmodulanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Draufsicht der in 1 dargestellten Leistungsmodulanordnung.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung D-D der in 2 dargestellten Leistungsmodulanordnung.
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs E der in 3 dargestellten Leistungsmodulanordnung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 bis 3 zeigen eine Ansicht, eine Draufsicht und eine Schnittdarstellung einer als Leistungsmodulanordnung ausgeführten Modulanordnung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Dargestellt sind eine Modulanordnung, in diesem Beispiel eine Leistungsmodulanordnung 100, die ein Bauteil 1, das in der gezeigten Ausführung als ein Leistungsmodul 1 ausgebildet ist, ein Gehäuse 2, einen Zwischenrahmen 4 und eine Leiterplatte 3 umfasst. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Leistungsmoduls als Bauteil beschränkt. Vielmehr können auch andere Elektronikbauteile oder sogar Gehäuseteile mit der erfindungsgemäßen Lösung miteinander verbunden werden.
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Nachfolgend werden die Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten beschrieben und erläutert.
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Verbindung Bauteil-Gehäuse
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Das Bauteil 1 kann ein Elektronikbauteil, insbesondere ein Leistungsmodul, oder auch ein weiteres Gehäuseteil oder anderes Bauteil sein. Es weist an zumindest einem ersten Bereich Fixierungsmittel 12 zur Verbindung mit an dem Gehäuse 2 korrespondierend dazu angeordneten Fixierungsgegenmitteln auf. Die Fixierungsmittel sind beispielsweise als Schrauben ausgebildet.
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Das Bauteil 1 ist ferner zwischen Gehäuse 2 und Zwischenrahmen 4 angeordnet.
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Verbindung Bauteil-Zwischenrahmen
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Ferner weist das Bauteil 1 an zumindest einem zweiten Bereich zumindest ein Positionierungsmittel 14 zur Verbindung mit an dem Zwischenrahmen 4 korrespondierend dazu angeordneten Positionierungseinrichtungen 41 auf.
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Der Zwischenrahmen 4 ist dabei oberhalb des Bauteils 1, d.h. auf der Seite, die dem Gehäuse, mit dem das Bauteil 1 ebenfalls verbunden ist, gegenüber liegenden Seite bzw. der dem Gehäuse abgewandten Seite verbunden.
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Wie in 4 in vergrößerter Ansicht zu erkennen ist, sind Positionierungsmittel 14 dabei z.B. als Ausnehmungen in dem Bauteil 1 ausgebildet, so dass dazu korrespondierende Positionierungseinrichtungen 41 beispielsweise als Stifte ausgebildet sind. In einer Ausführung sind die Positionierungseinrichtungen 41 dabei als zwei Stifte ausgebildet, die in entsprechende Ausnehmungen in dem Bauteil 1 eingesteckt werden, um den Zwischenrahmen 4 an dem Bauteil 1 zu positionieren. Somit wird eine verbesserte Genauigkeit der Positionierung erreicht.
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Verbindung Bauteil-Leiterplatte
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Ferner weist das Bauteil 1 an zumindest einem dritten Bereich elektrische Verbindungselemente 13 zur Verbindung mit an der Leiterplatte 3 korrespondierend dazu angeordneten Aufnahmemitteln 31 als Gegenstücke auf. Diese elektrischen Verbindungselemente 13 bzw. Aufnahmemittel 31 können als Pins mit entsprechendem Verlötpunkt als Gegenstück oder als Steckverbindungen ausgebildet sein. Dies ist in 4 in vergrößerter Ansicht zu erkennen.
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Verbindung Zwischenrahmen-Leiterplatte
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Die Leiterplatte wird in dem Zwischenrahmen 4 montiert. Dieser ist derart konstruiert, dass die Leiterplatte 3 durch den Zwischenrahmen 4 versteift wird und diese am Leistungsmodul 1 nicht verschraubt werden muss. Somit kann eine Durchbiegung durch das Montieren verhindert werden.
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Die Lage der Leiterplatte 3 bezüglich des Leistungsmoduls 1 ist so zu wählen, dass bei oberer bzw. maximaler Toleranz der als Schraubdome ausgebildeten Positionierungsmittel 14 des Leistungsmoduls 1 ein Abstand d zur Leiterplatte 3 vorhanden ist. Somit kann auch bei großen Toleranzunterschieden vermieden werden, dass die Leiterplatte eine unerwünschte Berührung oder Kontaktierung mit dem Bauteil eingeht. Dies ist in 4 in vergrößerter Ansicht zu erkennen.
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Der Zwischenrahmen 4 kann je nach Auslegung bzw. vorhandenem Bauraum auf der dem Leistungsmodul 1 zugewandten Seite oder auf der dem Leistungsmodul 1 entgegengesetzten Seite der Leiterplatte 3 vorgesehen sein. Somit ist eine flexible Modulanordnung gegeben.
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Dieser Zwischenrahmen 4 kann des Weiteren mindestens zwei Stifte zur Positionierung für die Montage der Leiterplatte 3 auf dem Zwischenrahmen 4 und als Montagehilfe für die Montage Baugruppe umfassend den Zwischenrahmen 4 und die Leiterplatte 3 auf das Leistungsmodul 1 vorsehen. Dadurch wird die Positionierung und Montage vereinfacht.
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Ferner weist der Zwischenrahmen 4 an zumindest einem Abschnitt Fixierungselemente 43 zur Verbindung mit an der Leiterplatte 3 korrespondierend dazu angeordneten Fixierungseinrichtungen 34 auf. Diese Fixierungselemente 43 können als Schrauben ausgebildet sein. Auch kann ein anderes Mittel zur Verbindung der Fixierungselemente 43 mit den Fixierungseinrichtungen 34 verwendet werden, je nach Anwendung.
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Die Fixierungs- bzw. Schraubpositionen für die Leiterplatte 3 auf den Zwischenrahmen 4 können von bisher vom Leistungsmodulhersteller vorgegebenen Positionen abweichen, welche in 2 beispielhaft in drei Linien angeordnet dargestellt sind. Das heißt, dass die Positionen auf der Leiterplatte derart gewählt werden, dass sie für die jeweilige Anwendung vorteilhaft positioniert sind, z.B. für das PCB-Layout bzw. PCB-Routing, und in benötigter Stückzahl vorhanden sind. Dazu muss lediglich der Zwischenrahmen 4 entsprechend ausgeführt werden. Somit können die Fixierungs- bzw. Schraubpositionen z.B. auch direkt neben schweren Bauteilen positioniert werden, so dass ein verbesserter Vibrationsschutz bzw. Schutz vor Beschädigung erreicht wird.
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Ferner weist die Leiterplatte 3 an zumindest einer Stelle Öffnungen 33 auf, die derart angeordnet sind, dass die Befestigungseinrichtungen 42 mit den zugehörigen Befestigungsmitteln 24 darüber verbindbar sind. Somit muss das Bauteil nur mit dem Zwischenrahmen verbunden werden und die Montage kann unabhängig von Fertigungstoleranzen erfolgen.
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Verbindung Zwischenrahmen-Gehäuse
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Der Zwischenrahmen 4 weist an zumindest einem Abschnitt zumindest eine Befestigungseinrichtung 42 zur Verbindung mit an dem Gehäuse 2 korrespondierend dazu angeordneten Befestigungsmitteln 24 auf. Das heißt, dass der Zwischenrahmen 4 an mehreren Bereichen, z.B. Schraubpunkten, am Gehäuse 2 befestigt wird und die Kontaktierung der Leiterplatte 3 zum Leistungsmodul 1 wird anschließend mittels Löten bzw. bei an der Leiterplatte 3 vorhandenen Steckverbindern bereits beim Montieren des Zwischenrahmens 4 im Gehäuse 2 hergestellt. Die Befestigungsmittel 24 des Gehäuses können als Schraubdome ausgebildet sein, so dass die Befestigungseinrichtung 42 des Zwischenrahmens 4 als Öffnung im Zwischenrahmen 4 zum Durchstecken einer Schraube ausgebildet sein kann. Somit kann, wenn die Schraube aus einem leitenden Material besteht oder damit umgeben ist, eine Masseverbindung zwischen Gehäuse und Zwischenrahmen hergestellt werden, d.h. indirekt mit der Leiterplatte, so dass die Leiterplatte 3 nicht mit dem Gehäuse 2 verbunden werden muss und somit eine Beschädigung durch Durchbiegung verhindert werden kann.
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Durch die vorliegende Erfindung wird gewährleistet, dass die Kontaktpins des Leistungsmoduls 1 die dafür vorgesehenen Bohrungen in der Leiterplatte 3 treffen. Leistungsmodule 1 mit hohen Toleranzen ihrer Höhe bei der Herstellung, z.B. +/–0,4 mm bei den Positionierungsmitteln 14, lassen eine genaue Positionierung des Leistungsmoduls 1 im Gehäuse 2 nicht zu. Dies kann durch eine Positionierung der Leiterplatte 3 bezüglich des Leistungsmoduls 1 durch den Zwischenrahmen 4 gelöst werden. Durch die Toleranz von z.B. +/–0,4 mm in der Höhe der Positionierungsmittel 14 kann bei der Verschraubung der Leiterplatte 3 auf dem Bauteil 1, z.B. dem Leistungsmodul, ohne Verwendung eines Zwischenrahmens 4, wie beschrieben, eine Durchbiegung und Schädigung der Leiterplatte 3 erzeugt werden.
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Der Zwischenrahmen 4 wird auf dem Bauteil 1 montiert und positioniert sich in Bohrungen 14 des Leistungsmoduls 1 und wird mit dem Gehäuse 2 verschraubt. Auf diesem Zwischenrahmen 4 wird dann die Leiterplatte 3 befestigt, welche durch die Bauteilbestückung größer als das Bauteil 1, z.B. das Leistungsmodul, sein kann. Deswegen muss der Zwischenrahmen 4 zum Abfangen des Überstands und eventuell auftretender Vibrationen mit dem Gehäuse 2 verschraubt sein. Durch die Bereitstellung des Zwischenrahmens 4, an dem die Leiterplatte 3 befestigt ist, wird einerseits die Leiterplatte nur auf einem Bauelement, dem Zwischenrahmen 4, befestigt und damit versteift und andererseits erfolgt bei der Befestigung des Zwischenrahmens 4 am Gehäuse 2 keine unerwünschte Durchbiegung der Leiterplatte 3 aufgrund des Befestigens. Ferner kann der Zwischenrahmen 4 gleichzeitig eine Masseanbindung zum Gehäuse 2 herstellen.
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Zusätzlich können an dem Zwischenrahmen weitere Flächen, beispielsweise vier Flächen, zur thermischen Anbindung der Leiterplatte 3 vorgesehen werden und die Leiterplatte 3 an den entsprechenden Stellen direkt verschraubt werden. Das heißt zum Beispiel, dass der Zwischenrahmen, wenn er z.B. aus Aluminium gefertigt ist, aktiv als Wärmeleiter genutzt werden kann, um Hotspots der Leiterplatte anzubinden.
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Des Weiteren können an dem Zwischenrahmen mehrere Kabelfixierungen, z.B. vier Verbindungen als Verbindungen zu anderen Leiterplatten, realisiert werden ohne ein zusätzliches Teil dafür bereitstellen zu müssen.
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Da der Zwischenrahmen 4 mechanisch nicht mit dem Leistungsmodul 1 verbunden ist, sondern lediglich über beispielsweise zwei Stifte daran positioniert und außerhalb des Bereichs des Leistungsmoduls 1 mit dem darunterliegenden Gehäuse 2 verschraubt wird, ist eine Unabhängigkeit von Toleranzen, die durch die Herstellung des Leistungsmoduls 1 auftreten, bei der Montage der Leistungsmodulanordnung erreicht.
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Das heißt zusammenfassend, dass die vorliegende Erfindung zumindest nachfolgende Vorteile aufweist. Es ist ein Befestigen der Leiterplatte ohne Verbiegung unabhängig von der Toleranz des Leistungsmoduls möglich. Durch vorhandene Schraubdome am Leistungsmodul sind unabhängige Schraubpositionen je Komponente, also Gehäuse, Bauteil, Leiterplatte und Zwischenrahmen möglich. Ferner können durch den Zwischenrahmen schwere Bauteile besser abgefangen werden. Auch entsteht mehr Freiheit beim Leiterplattenlayout. Ferner kann eine Masseanbindung der Leiterplatte über den Zwischenrahmen realisiert werden und diverse Montagehilfen können realisiert werden. Durch ein Überdecken von Hotspots auf der Leiterplatte mit Kühlflächen am Zwischenrahmen kann die Abwärme der Leiterplatte an das Gehäuse abgeführt werden. Ferner sind Kabelfixierungen bzw. -führungen realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leistungsmodulanordnung
- 1
- Bauteil
- 2
- Gehäuse
- 3
- Leiterplatte
- 33
- Öffnungen
- 4
- Zwischenrahmen
- 5
- metallisches Verbindungselement
- 12
- Fixierungsmittel Bauteil-Gehäuse
- 14
- Positionierungsmittel Bauteil-Zwischenrahmen
- 41
- Positioniereinrichtung Zwischenrahmen-Bauteil
- 13
- el. Verbindungselement Bauteil-Leiterplatte
- 31
- Aufnahmemittel Leiterplatte-Bauteil
- 34
- Fixierungseinrichtung Leiterplatte-Zwischenrahmen
- 43
- Fixierungselement Zwischenrahmen-Leiterplatte
- 24
- Befestigungsmittel Gehäuse-Zwischenrahmen
- 42
- Befestigungseinrichtung Zwischenrahmen-Gehäuse
