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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Versteifungselement für Leiterplatten, insbesondere zur Anwendung in Getrieben bzw. Getriebesteuerungen, und eine Bauteilanordnung.
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Es ist bekannt, dass Leiterplatten gegen Vibrationen geschützt werden sollen, um zu verhindern, dass darauf angeordnete Bauteile Schaden nehmen. Dies kann durch Bereitstellen unterschiedlichster Strukturen erfolgen, wie z.B. in der US-Patentanmeldung
US 2003/0038096 A1 oder dem US-Patent
US6880243 B2 gezeigt. Allerdings besteht weiterhin Verbesserungsbedarf, vor allem im Bereich Platzausnutzung und Anzahl der Prozess-Schritte zur Bereitstellung der Versteifung auf der Leiterplatte.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Versteifungselement für Leiterplatten sowie eine entsprechende Bauteilanordnung bereitzustellen. Das Versteifungselement ist dabei insbesondere für die Verwendung auf Leiterplatten gebildet, welche in Getriebeanwendungen eingesetzt werden. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bereitgestellt wird ein Versteifungselement zur Anordnung an einem oder mehreren auf einer Leiterplatte angeordneten Bauteilen. Das Versteifungselement weist eine Struktur sowie an einer Unterseite davon und daran angeordnete Verbindungsstifte auf. Die Struktur ist in ihrer Form derart gebildet, dass sie einen geschlossenen Umfang und einen durch den Umfang gebildeten hohlen Innenraum zur Umrahmung des einen oder der mehreren Bauteile nach Montage auf der Leiterplatte aufweist. Somit kann eine Versteifung mit geringerem Platzbedarf auf der Leiterplatte bereitgestellt werden. Außerdem sind Zusatzfunktionen realisierbar, ohne Platz auf der Leiterplatte zu benötigen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Verbindungsstifte in einer vorgegebenen, von der Form abhängigen Anzahl vorgesehen sind.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass zumindest einer der Verbindungsstifte aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist und mittels eines Lötprozesses als Via-Verbindung oder als SMD-Verbindung an der Leiterplatte befestigbar ist. Zusätzlich oder alternativ ist zumindest einer der Verbindungsstifte aus einem elektrisch nicht leitenden Material gebildet und weist ein Gewinde zur Verschraubung mit der Leiterplatte auf. Durch Bereitstellen einzelner Verbindungsstifte können unterschiedlichste Verbindungen zur Leiterplatte mit geringem Platzbedarf ermöglicht werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Struktur als Mehreck gebildet ist. Vorteilhafterweise entspricht die Anzahl der Verbindungsstifte der Anzahl der Eckbereiche des Mehrecks und jeweils ein Verbindungsstift ist an einem Eckbereich angeordnet. Durch Verwenden mehrerer Ecken wird die Versteifungswirkung erhöht.
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Ferner wird eine Bauteilanordnung bereitgestellt, aufweisend eine Leiterplatte, ein oder mehrere auf der Leiterplatte angeordnete Bauteile, sowie mindestens ein beschriebenes Versteifungselement.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass mindestens eines der Bauteile ein zu entwärmendes Bauteil ist, und in den hohlen Innenraum der Struktur und oberhalb des zu entwärmenden Bauteils ein wärmeableitendes Bauteil eingebracht ist. Somit kann eine Entwärmung erfolgen, ohne zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte zu benötigen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass mindestens eines der Bauteile ein zu entwärmendes Bauteil ist, und auf einem dem zu entwärmenden Bauteil zugewandten oder abgewandten Bereich der Struktur ein wärmeableitendes Bauteil derart angeordnet ist, dass es den hohlen Innenraum der Struktur zumindest teilweise überspannt. Somit kann eine Entwärmung mit einem alternativen Mittel erfolgen, ohne zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte zu benötigen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass zwischen zu entwärmendem Bauteil und wärmeableitendem Bauteil eine Wärmeleitpaste eingebracht ist, welche diese beiden Bauteile miteinander in Kontakt bringt. Somit wird die Wärmeableitung verbessert.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Verbindungsstifte derart gebildet sind, dass die Unterkante der Struktur im Wesentlichen dieselbe Höhe wie das zu entwärmende Bauteil aufweist oder geringfügig höher ist als die Oberkante des zu entwärmenden Bauteils. Durch geeignete Wahl der Höhe der Verbindungsstifte kann eine für die Entwärmung und/oder Versteifung geeignete Platzierung des Versteifungselements erfolgen.
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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.
- 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Bauteilen und Versteifungselementen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Bauteilanordnung mit Versteifungselementen unterschiedlicher Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiterplatte 1 mit darauf angeordneten Bauteilen 10, 11 und daran angeordneten, als Sechseck gebildeten, Versteifungselementen 2 gemäß einer Ausführung. Die in 2 gezeigte Querschnittsansicht von Versteifungselementen 2 dient dazu,
Befestigungsmöglichkeiten der Versteifungselemente 2 an der Leiterplatte 1, sowie für bestimmte Bauteile 10 benötigte Entwärmungselemente 30, 31, welche in 2 als Einlegeelemente 30 mit Wärmeleitpaste 31 dargestellt sind, zu zeigen.
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Wie in den Figuren gezeigt, ist das Versteifungselement 2 aus zwei Teilen gebildet, einer rahmenartig gebildeten Versteifungsstruktur, kurz als Struktur 20 bezeichnet, und auf einer der Seiten, vorteilhaferweise der Unterseite bzw. der der Leiterplatte zugewandten Seite, der Struktur 20 angeordnete Verbindungsstifte 210, 211, 212, die zur Befestigung der Struktur 20 an der Leiterplatte 1 dienen. Das Versteifungselement 2 ist derart angeordnet, dass es ein einzelnes Bauteil 10 oder Bauteilgruppen, welche aus mehreren einzelnen Bauteilen 11 bestehen, umgibt, genauer umrahmt. Dafür ist die Versteifungsstruktur bzw. Struktur 20 über die Verbindungsstifte 210, 211, 212 in einem Abstand zur Leiterplatte 1 angeordnet und umrahmt das oder die Bauteile 10, 11. Die Struktur 20 ist dafür derart in ihrer Größe gewählt, dass sie in einem seitlichen Abstand zu dem oder den Bauteilen 10, 11 angeordnet ist. Die Verbindungsstifte 210, 211, 212 sind vorteilhafterweise derart gebildet, dass die an der Leiterplatte 1 befestigte Struktur 20 über ihren gesamten Bereich denselben bzw. einen gleichmäßigen Abstand zur Leiterplatte 1 aufweist, dazu also parallel ist.
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Das Versteifungselement 2 sollte einen möglichst geringen Abstand zu dem oder den Bauteilen 10, 11 aufweisen, sowohl bezüglich der seitlichen Nähe als auch bezüglich des Abstands in der Höhenrichtung. Vor allem der Abstand in der Höhenrichtung sollte möglichst gering sein, d.h. die Struktur 20 sollte möglichst in einer horizontalen Linie mit der Oberkante eines der Bauteile 10, 11 sein. Besonders im Falle eines Bauteils 10, bei welchem eine Wärmeableitung erfolgen soll, ist es wichtig, den Abstand zwischen (Unterkante der) Struktur 20 und Bauteiloberkante möglichst gering zu halten, bevorzugt aber eher etwas oberhalb der Bauteiloberkante. Bei anderen Bauteilen 11 kann die Struktur 20 auch unterhalb der Oberkante eines oder aller Bauteile 11 angeordnet sein.
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Je niedriger die Verbindungsstifte 210, 211, 212 sind, d.h. je weniger Abstand zwischen Verbindungsstiften 210, 211, 212 und Leiterplatte 1 ist, desto besser kann die Versteifungswirkung genutzt werden. Allerdings wird das Versteifungselement 2 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht direkt auf der Leiterplatte 1 befestigt, um den Platz nicht zu blockieren. Dieser freie Platz kann z.B. dafür genutzt werden, Leiterbahnen zu führen oder andere Bauteile unterhalb der Struktur 20 anzuordnen.
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Die Form des Versteifungselements 2 hängt von dem oder den zu umgebenden Bauteilen 10, 11 ab. Vorteilhaft wird ein durch die Struktur 20 gebildetes Mehreck gewählt, z.B. ein Sechseck wie in den Figuren gezeigt. Die Struktur 20 ist dabei nicht als durchgängige Struktur 20 gebildet, sondern als rahmenartige Struktur 20, also mit geschlossenen Umfang, welche somit einen hohlen Innenraum freilässt, wie in 1 gezeigt. Sie ist lediglich über Verbindungsstifte 210, 211, 212 mit der Leiterplatte 1 verbunden und hat dadurch einen geringen Platzbedarf.
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In diesem Innenraum kann ein wärmeableitendes Element 30 als Einlegeelement angeordnet werden. Zur lückenlosen Verbindung mit dem Bauteil 10 wird eine Wärmeleitpaste 31 zwischen wärmeableitendem Element 30 und Oberseite des Bauteils 10 eingebracht, wie in 2 rechte Seite gezeigt, bevor das wärmeableitende Element 30 in die Struktur eingesetzt wird. Das wärmeableitende Element 30 kann auch in Höhenrichtung über die Oberkante der Struktur 20 hinausragen, z.B. um eine größere Oberfläche zur Wärmeableitung bereitzustellen. Die Struktur 20 kann auch in derselben Form und in annähernd gleicher Größe oder minimal größer als das Bauteil 10 gebildet sein, so dass das wärmeableitende Element 30 annähernd formschlüssig eingesteckt werden kann. Auch kann lediglich eine Wärmeleitpaste 31 in den Innenraum der Struktur 20 eingebracht werden, wenn dies die Anwendung vorsieht.
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In einer alternativen Ausführung kann ein wärmeableitendes Element 30 an der Struktur 20 angeordnet und daran befestigt werden. Die Befestigung erfolgt dann beispielsweise über Verschrauben oder Einklicken über entsprechende Haltemittel an der Struktur 20. Das wärmeableitende Element 30 kann an der Oberseite oder der Unterseite der Struktur, also der dem Bauteil 10 abgewandten oder dem Bauteil 10 zugewandten Seite der Struktur 20 angeordnet sein. In einer solchen Ausführung kann das wärmeableitende Element 30 als metallische Platte, z.B. als Kupferplatte gebildet sein, welche dann im Wesentlichen parallel zur Leiterplatte 1 ist. Auch hier ist es vorteilhaft, zur Verbindung mit dem Bauteil 10 eine Wärmeleitpaste 31 zwischen wärmeableitendem Element 30 und Bauteil 10 einzubringen.
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Zusätzlich kann das wärmeableitende Element 30 noch Zusatzbauteile aufnehmen, z.B. um eine Verbindung zu einem Gehäuse herstellen zu können. Somit kann der Platz auf der Leiterplatte 1, der ansonsten dafür benötigt werden würde, für andere Zwecke genutzt werden. Solche Zusatzbauteile können z.B. eine Mutter oder ein anderes Verbindungselement sein, mit welchem ein korrespondierendes Element z.B. auf dem Gehäuse verbindbar ist.
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Die Verbindungsstifte 210, 211, 212 sind vorteilhafterweise an Eckbereichen 21 der Struktur 20 angeordnet. Sie können aus einem metallischen bzw. elektrisch leitenden Material, z.B. Kupfer, sein, um eine Befestigung an der Leiterplatte 1 mittels einem geeigneten Lötprozess zu ermöglichen. Hierfür können die Verbindungsstifte entweder als durch die Leiterplatte 1 gehende Via-Verbindungsstifte 211 oder SMD-Verbindungsstifte 212 gebildet sein. Die Befestigung erfolgt z.B. mittels THT- oder SMD-Löten.
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Alternativ können die Verbindungsstifte aus einem nicht elektrisch leitenden Material sein. Sie können dann auch in demselben Prozess wie die Struktur 20 gebildet werden, so dass Verbindungsstifte 210 und Struktur 20 einstückig gebildet sind. Zur Verbindung mit der Leiterplatte 1 ist es im Falle eines Verbindungsstifts 210 aus nicht elektrisch leitendem Material, z.B. Spritzguss fähigem Kunststoff, vorteilhaft, wenn dieser so gebildet ist, dass er an dem Bereich, der mit der Leiterplatte 1 verbunden werden soll, ein Innengewinde aufweist, so dass eine Schraube 3 von der Unterseite U der Leiterplatte 1 zur Oberseite O der Leiterplatte 1 und damit in das Gewinde des Verbindungsstifts 210 eingedreht werden kann. Alternativ kann ein Einklicken über entsprechende Haltemittel erfolgen.
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Die Verbindung der Verbindungsstifte 210, 211, 212 mit der Struktur 20 erfolgt z.B. durch Zusammenstecken, Verschrauben, Einklicken über entsprechende Haltemittel oder in einem einzigen Herstellungsprozess, bei dem Struktur 20 und Verbindungsstift 210 gleichzeitig gebildet werden, z.B. in einem Spritzgußverfahren.
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In bestimmten Anwendungen kann auch eine Kombination unterschiedlicher Verbindungsstifte 210, 211, 212 innerhalb eines einzigen Versteifungselements 2 verwendet werden, um z.B. Fehler bei der Befestigung durch eine einzelne Methode zu reduzieren.
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Wie bereits vorher erwähnt ist die Form des Versteifungselements 2 auf das bzw. die zu versteifende und/oder zu entwärmende Bauteile 10, 11 angepasst. Beispielsweise können für bestimmte Anwendungen standardisierte Versteifungselemente 2 vorproduziert und/oder das Versteifungselement 2 wird als fertiges bzw. vormontiertes Bauteil bereitgestellt, z.B. als Sechseck oder als für ein spezielles zu entwärmendes Bauteil 10 angepasstes Versteifungselement 2.
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Alternativ können Struktur 20 und Verbindungsstifte 210, 211, 212 als Bausatz, z.B. als zusammensteckbare oder verschraubbare Einzelelemente bereitgestellt werden, die je nach Bedarf zu einer bestimmten Form zusammengefügt werden können, z.B. einem Mehreck wie einem Sechseck, Dreieck, Rechteck, Quadrat.
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Das Versteifungselement 2 kann auch auf der Unterseite der Leiterplatte 1 angeordnet sein, z.B. zwischen IGBT und Treiberboard. Somit entsteht eine Art Sandwich durch Abstützung auf dem Treiberboard.
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Die Leiterplatte 1 kann als PCB (Printed Circuit Board) gebildet sein. Sie kann auch als ein anderes Bauelement, das mit zu versteifenden und/oder zu entwärmenden Bauteilen 10, 11 bestückt ist, gebildet sein.
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Ferner können mehrere Versteifungselemente 2 auf einer Leiterplatte 1 angeordnet sein, wobei jedes Versteifungselement 2 an unterschiedlichen Bauteilen 10, 11 angeordnet ist und unterschiedlich in Größe, Art der Verbindungsstifte 210, 211, 212, Höhe der Verbindungsstifte 210, 211, 212, Form der Struktur 20 etc. ausgeführt sein kann, je nach Anwendung.
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Ferner können mehrere Strukturen 20 zu einer mehrteiligen Struktur 20 miteinander verbunden werden, z.B. einer wabenförmigen Struktur 20. Hierfür können sich zwei oder mehrere Strukturen 20 Bereiche der anderen Struktur 20 teilen. Hierfür müssen dann entsprechende Verbindungsmittel für bereitgestellt werden.
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Durch das vorgeschlagene, in seiner Form variable Versteifungselement 2, das eine Versteifungsstruktur 20 in einem Abstand zur Leiterplatte 1 bereitstellt, kann eine Versteifung der Leiterplatte 1 an vorgegebenen Bereichen erfolgen. Durch den Abstand zur Leiterplatte 1 wird außerdem der unterhalb der Struktur 20 befindliche Platz für andere Anwendungen, z.B. die Führung von Leiterbahnen, frei. Durch die Möglichkeit, in den Innenraum der Struktur 20 oder auf bzw. unter die Struktur 20 ein wärmeableitendes Element 30 bereitzustellen, wird zusätzlich Platz geschaffen und es werden zwei Funktionen durch ein Bauelement realisiert, die Versteifung und die Entwärmung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Versteifungselement
- 20
- Struktur
- 21
- Eckbereiche
- 210
- Verbindungsstift Schraube
- 211
- Verbindungsstift Via
- 212
- Verbindungsstift SMD
- 30
- wärmeableitendes Element
- 31
- Wärmeleitpaste
- 3
- Schraube
- 10, 11
- Bauteile
- U, O
- Unterseite, Oberseite Leiterplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0038096 A1 [0002]
- US 6880243 B2 [0002]
