-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung. Die Kontaktanordnung wird insbesondere in einer Leistungselektronik verwendet und dient zum mechanischen Verbinden und elektrisch leitenden Kontaktieren einer Leiterplatte mit einer Basis.
-
Üblicherweise werden Leiterplatten in Leistungselektroniken mit der entsprechenden Basis (auch: Kontaktstelle oder Gehäuse) direkt verschraubt. Solche Verschraubungen sind nur bedingt tauglich, über die entsprechend hohe Lebensdauer hohe Ströme zu führen. Grund hierfür ist das Setzverhalten des Schraubverbundes durch Kriechen des Leiterplattenbasismaterials und dem daraufhin ansteigenden Übergangswiderstand. Dies führt bei Hochstromanwendungen zu unzulässiger Eigenerwärmung und Ausfall der Verbindung.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird eine Kontaktanordnung, vorzugsweise für eine Leistungselektronik, vorgeschlagen. Die Kontaktanordnung umfasst eine Leiterplatte mit einem Befestigungsloch, eine in das Befestigungsloch eingesetzte Hülse aus Metall, wobei die Hülse mit der Leiterplatte kontaktiert, vorzugsweise verlötet ist, eine Basis auf der die Hülse zur elektrischen Kontaktierung aufliegt, und ein durch die Hülse ragendes Befestigungselement, wobei ein Ende des Befestigungselementes fest mit der Basis verbunden ist und am anderen Ende ein Kopf ausgebildet oder angeordnet ist, wobei der Kopf des Befestigungselementes lediglich auf der Hülse und nicht auf der Leiterplatte aufliegt, und wobei die Hülse an der der Basis zugewandten Seite mit einem ersten Überstand über die Leiterplatte übersteht, wobei der erste Überstand die Leiterplatte von der Basis beabstandet. Erfindungsgemäß weist die Basis in dem Bereich, in dem die Hülse zur elektrischen Kontaktierung auf der Basis aufliegt, eine Beschichtung auf und die Hülse liegt auf der Beschichtung der Basis auf.
-
Vorteile der Erfindung
-
Gegenüber dem Stand der Technik weist die Kontaktanordnung, vorzugsweise für eine Leistungselektronik den Vorteil auf, dass der Bereich, in dem die Hülse zur elektrischen Kontaktierung auf der Basis aufliegt durch die Beschichtung einen vorteilhaft geringen elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Hülse und der Basis aufweist. Somit kann Strom von der Leiterplatte in die Hülse und von der Hülse in die Basis und/oder von der Hülse über das Befestigungselement in die Basis fließen. Insbesondere bei hohen Strömen, wie beispielsweise in der Leistungselektronik bei mehr als 200 Ampere, kann dieser elektrische Übergangswiderstand zwischen Hülse und Basis erhebliche Verlustleistungen generieren und somit beispielsweise auch umgebende Elemente schädigen. Durch die Beschichtung der Basis in der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung wird dieser Übergangswiderstand stark reduziert. Somit werden auch die Verlustleistungen an dem Übergang zwischen Hülse und Basis stark reduziert. Somit werden auch den Kontaktbereich umgebende Elemente, die im Bereich der Kontaktanordnung angeordnet sind, geschützt.
Weiterhin kann die Oberfläche der Basis durch die Beschichtung vorteilhaft vor sich ausbildenden Oxidschichten geschützt werden. An der Oberfläche der Basis können sich diese Oxidschichten ausbilden und den elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Basis und einen an der Oxidschicht anliegenden Körper, wie beispielsweise der Hülse, vergrößern.
Durch die erfindungsgemäße Kontaktanordnung ist die Basis durch die Beschichtung vorteilhaft vor dem Ausbilden einer derartigen Oxidschicht geschützt.
Die erfindungsgemäße Kontaktanordnung ermöglicht eine kraftschlüssige Verbindung der Leiterplatte mit der Basis, die über eine hohe Lebensdauer für eine Stromführung, insbesondere für hohe Ströme, anwendbar ist. Dabei erfolgt eine einfache und zuverlässige Kontaktierung der Leiterplatte zur Abfuhr hoher Ströme unabhängig von den physikalischen Eigenschaften des organischen Materials (Leiterplattenbasismaterial).
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die Beschichtung eine Kaltgasbeschichtung ist, d.h. die Beschichtung ist mittels Kaltgasspritztechnik aufgebracht. Eine durch Kaltgasspritztechnik aufgebrachte Beschichtung zeichnet sich durch einen vorteilhaft niedrigen Oxidanteil, eine vorteilhaft hohe Dichte, eine vorteilhaft dichte Mikrostruktur und vorteilhaft stabile Phasen und Wirkstoffzusammensetzung aus. Die Beschichtung kann durch die Kaltgasspritztechnik mit einem minimalen Kornzuwachs derart ausgebildet werden, dass die Nanokristallstruktur nicht verändert wird. Eine durch Kaltgasspritztechnik aufgebrachte Beschichtung der Basis zeichnet sich somit durch hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aus und kann einen vorteilhaftgeringen elektrischen Übergangswiderstand zwischen Basis und Hülse herstellen. Somit wird der elektrische Übergangswiderstand zwischen Hülse und Basis vorteilhaft reduziert.
Weiterhin kann die durch Kaltgasspritztechnik auf die Basis aufgebrachte Beschichtung vorteilhaft kostengünstig, lokal aufgelöst und mit skalierbaren Schichtdicke aufgebracht werden.
Darüber hinaus wird bei der Fertigung der Beschichtung durch die Kaltgasspritztechnik nur eine geringe Menge Wärme in die Basis eingetragen und die Basis bei der Fertigung vorteilhaft geschützt.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die Beschichtung zumindest teilweise aus Kupfer ausgebildet ist. Eine Beschichtung aus Kupfer weist eine vorteilhaft große Wärmeleitfähigkeit und vorteilhaft elektrische Leitfähigkeit auf. Zusammen mit einer Hülse aus beispielsweise Kupfer kann ein besonders geringer Übergangswiderstand zwischen Hülse und Basis erreicht werden.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die Basis aus Aluminium ausgebildet ist. Eine derart ausgebildete Basis ist vorteilhaft kostengünstig und zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, so dass die Basis beispielsweise als Kühlkörper dienen kann. Die Beschichtung dient als Schutz der aus Aluminium ausgebildeten Basis gegen Bildung einer Oxidschicht, die sich an Stellen ohne Beschichtung bilden kann und die elektrische Leitfähigkeit vermindert. Durch die Beschichtung wird also eine Auflagefläche hoher elektrischer Leitfähigkeit für die Hülse auf der Basis hergestellt und ein minimierter Übergangswiderstand zwischen Hülse und Basis realisiert.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass sich die Beschichtung flächig auf einer Oberfläche der Basis erstreckt und die Hülse flächig auf der Beschichtung aufliegt. Somit wird eine vorteilhaft große Kontaktfläche zwischen der Basis und der Hülse, in der die Hülse flächig auf der Beschichtung aufliegt, gebildet und die Hülse somit besonders gut elektrisch und thermisch an die Basis angebunden.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die Leiterplatte in dem Befestigungsloch durchkontaktiert ist. Unter „durchkontaktiert“ versteht man, dass zumindest zwei Lagen der Leiterplatte miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass der erste Überstand als Kragen der Hülse ausgebildet ist, wobei die Leiterplatte auf einer Seite des Kragens aufliegt und die gegenüberliegende Seite des Kragens flächig auf der Basis aufliegt. Zwischen der Leiterplatte und der Basis befindet sich somit ein Kragen, der insbesondere einstückiger Bestandteil der gesamten Hülse ist. Die Leiterplatte liegt auf einer Seite des Kragens auf. Die gegenüberliegende Seite des Kragens liegt flächig auf der Beschichtung der Basis auf. Der Kragen bietet ausreichend Fläche zur elektrisch leitenden Verbindung mit vorteilhaft geringen elektrischen Übergangswiderstand zwischen Hülse und Basis.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass das Befestigungselement eine Schraube, eine Niet oder ein verstemmter Bolzen ist.
-
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Leistungselektronik. Die Leistungselektronik wird insbesondere in einem Fahrzeug angewandt. Die Leistungselektronik umfasst zumindest eine Kontaktanordnung, wie sie soeben beschrieben wurde. Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung für die Leistungselektronik. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um eine Leistungselektronik für ein Elektro- oder Hybrid-Fahrzeug. Die Kontaktanordnung wird vorteilhafterweise zur Kontaktierung eines DC/DC-Wandlers, eines Batteriemanagementsystems oder einer Lenkung angewandt. Ferner kann die Kontaktanordnung z.B. auch bei Industrieelektronik verwendet werden.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
- 3 eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele einer Kontaktanordnung 1 anhand der 1 bis 3 beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Gemäß 1 umfasst die Kontaktanordnung 1 eine Leiterplatte 2. Diese Leiterplatte 2 wird mittels der Kontaktanordnung 1 mit einer Basis 15 elektrisch leitend kontaktiert und gleichzeitig kraftschlüssig mit der Basis 15 verbunden. Dargestellt ist lediglich eine Verbindungsstelle. Allerdings können auch mehrere gleichbauende Kontaktanordnungen 1 zwischen Leiterplatte 2 und Basis 15 verwendet werden.
-
Die Leiterplatte 2 umfasst zwei Außenlagen 3 und mehrere Innenlagen 4. Die unterschiedlichen Lagen 3, 4 sind durch ein entsprechendes Substrat voneinander isoliert. In der Leiterplatte 2 ist ein Befestigungsloch 5 in Form eines Durchgangsloches ausgebildet. Rund um das Befestigungsloch 5 sind mehrere kleine Zusatzlöcher 6 ausgebildet. Auch die Zusatzlöcher 6 sind als Durchgangslöcher ausgebildet. Im ersten Ausführungsbeispiel sind das Befestigungsloch 5 und die Zusatzlöcher 6 durchkontaktiert. Hierzu ist jeweils eine Durchkontaktierung 7 vorgesehen, die die einzelnen Lagen 3, 4 miteinander elektrisch leitend verbindet.
-
In das Befestigungsloch 5 ist eine Hülse 8 aus Metall eingesetzt. Die Hülse 8 kann dabei beispielsweise aus Messing oder Kupfer oder anderen geeigneten Metallen gefertigt sein Die Hülse 8 weist an ihrer der Basis 15 zugewandten Seite einen ersten Überstand 10 auf. Dieser erste Überstand 10 ist als Kragen ausgebildet. Dieser Kragen hat einen entsprechend großen Durchmesser, so dass er bis über die Zusatzlöcher 6 reicht.
-
In der Hülse 8 steckt ein Befestigungselement 11. Das Befestigungselement 11 umfasst einen Schaft 13. Der Schaft 13 ist fest mit der Basis verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schaft 13 mit der Basis 15 verschraubt. Am anderen Ende des Schaftes 13 ist ein Kopf 12 ausgebildet. An der dem Kopf 12 zugewandten Seite weist die Hülse 8 einen zweiten Überstand 9 auf. Die Hülse 8 steht somit beidseitig über die Leiterplatte 2 über. Aufgrund des zweiten Überstandes 9 berührt der Kopf 12 lediglich die Hülse 8 und nicht die Leiterplatte 2. Somit erfolgt eine direkte und ausschließliche Krafteinleitung über das Befestigungselement 11 in die Hülse 8 und nicht etwa in die Leiterplatte 2.
-
Zur mechanischen und elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Leiterplatte 2 und der Hülse 8 ist ein Lot 14 vorgesehen: Das Befestigungsloch 5 weist einen Innendurchmesser 16 auf. Ein Außendurchmesser 17 der Hülse ist kleiner als der Innendurchmesser 16, so dass ein Freiraum verbleibt. Dieser Freiraum ist mit dem Lot 14 gefüllt. Des Weiteren befindet sich das Lot 14 zwischen dem Kragen der Hülse 8 und der Unterseite der Leiterplatte 2. Darüber hinaus sind die Zusatzlöcher 6 zumindest teilweise mit Lot 14 gefüllt.
-
Die Hülse 8 liegt zur elektrischen Kontaktierung der Hülse 8 mit der Basis 15 an der Basis 15 auf. Auf der Basis 15 ist eine Beschichtung 20 ausgebildet. Die Hülse legt mit einer der Basis 15 zugewandten Fläche der Hülse flächig auf der Beschichtung 20 auf. Die Beschichtung 20 ist aus einem Metall ausgebildet und kann beispielsweise zumindest teilweise aus Kupfer, Silber oder SnAg Lot oder anderen geeigneten Materialien ausgebildet sein. Die Basis 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus Aluminium gefertigt. Die aus Aluminium gefertigte Basis 15 zeichnet sich durch hohe thermische Leitfähigkeit aus und dient in diesem Ausführungsbeispiel als Kühlkörper.
-
Die Beschichtung 20 ist eine Kaltgasbeschichtung. Eine Kaltgasbeschichtung ist eine Beschichtung 20, die mittels Kaltgasspritzen hergestellt wurde. Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial (Substrat) aufgebracht wird. Dazu wird ein auf wenige hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas (Stickstoff oder Helium) durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Die injizierten Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden.
-
Die Beschichtung 20 ist in dem Bereich auf die Basis 15 aufgebracht, in dem die Hülse 8 zur elektrischen Kontaktierung auf der Basis 15 aufliegt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Beschichtung 20 aus Kupfer mittels Kaltgasspritztechnik auf eine Basis 15 aus Aluminium aufgebracht. Der elektrische Übergangswiderstand zwischen der an der Beschichtung 20 anliegenden Hülse 8 und der Basis 15 ist somit vorteilhaft reduziert. Die Basis 15 ist durch die Beschichtung 20 vor der Bildung einer Oxidschicht, die den Übergangswiderstand erhöhen würde, geschützt.
-
2 zeigt die Kontaktanordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Allerdings ist die Leiterplatte 2 im zweiten Ausführungsbeispiel innerhalb des Befestigungsloches 5 nicht durchkontaktiert. Dementsprechend kann unter Umständen auf das Lot 14 im Befestigungsloch 5 verzichtet werden. Nichtsdestotrotz erfolgt eine ausreichend mechanische und elektrische Verbindung über das Lot 14 in den Zusatzlöchern 6 und/oder im Spalt zwischen der Unterseite der Leiterplatte 2 und dem Kragen der Hülse 8.
-
3 zeigt in isometrischer Ansicht die Kontaktanordnung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Im dritten Ausführungsbeispiel muss die Hülse 8 nicht zwingend einen zweiten Überstand 9 aufweisen, da hier ein Kopfdurchmesser des Kopfes 12 kleiner ist als ein Außendurchmesser der Hülse an der dem Kopf zugewandten Seite. Dadurch steht auch unabhängig vom zweiten Überstand 9 der Kopf lediglich in Kontakt mit der Hülse 8 und nicht mit der Leiterplatte 2.
-
Die drei Ausführungsbeispiele zeigen als Befestigungselement eine Schraube. Der Kopf 12 ist dabei gebildet durch den Schraubenkopf. Alternativ könnte der Kopf 12 auch gebildet sein durch eine Mutter, die auf ein Gewinde des Schafts 13 aufgeschraubt ist. Anstatt einer Schraube kann das Befestigungselement 11 ein fest mit der Basis 15 verbundener Bolzen sein. Dieser Bolzen kann zur Ausbildung des Kopfes verstemmt werden. Des Weiteren kann das Befestigungselement 11 als Niet ausgebildet werden. In all diesen Varianten gibt es eine Art Kopf 12, der bei entsprechender Ausbildung der Hülse 8 lediglich auf die Hülse 8 wirkt und nicht in Berührung steht mit der Leiterplatte 2.
-
Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
