DE102019103004A1 - Verfahren und System zu einer Anbindung einer Stromzuführung an leistungselektronische Leiterplatten - Google Patents

Verfahren und System zu einer Anbindung einer Stromzuführung an leistungselektronische Leiterplatten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verbindung und einer davon separaten elektrischen Verbindung (100) einer leistungselektronischen Leiterplatte (104) mit einer Stromzuführung (108, 110), wobei die Leiterplatte (104) mindestens ein leistungselektronisches Bauelement und mindestens eine mit diesem in elektrischem Kontakt stehende auf einer Oberfläche der Leiterplatte verlaufende metallische Schicht (106) aufweist, wobei mindestens eine auf der Oberseite der Leiterplatte (104) verlaufende Leiterschiene (102) bereitgestellt wird, wobei die mindestens eine Leiterschiene (102) in eine feste mechanische Verbindung mit der sich unterhalb der Leiterplatte (104) befindlichen Stromzuführung (108, 110) gebracht wird, wobei an einer von der mechanischen Verbindung separaten Kontaktfläche (114) eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterschiene (102, 302) und der Stromzuführung (108, 110) bewirkt wird, und wobei mindestens ein elastisches Element (124) zwischen Stromzuführung (108, 110) und Leiterplatte (104) angeordnet wird, durch welches eine vorbestimmte Rückstellkraft zwischen Stromzuführung (108, 110) und Leiterplatte (104) bewirkt wird. Ferner wird ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes System bereitgestellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zu einer Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung und Stromzuführung für eine leistungselektronische Leiterplatte.
  • Konventionelle Technologien einer Leiterplattenfertigung sind auf hohe Strukturauflösung mit feinen Leiterbahnabständen und damit für eine Übertragung von Signalen bei geringen Strömen ausgelegt. Demgegenüber sind hohe Ströme, wie sie in modernen Leistungselektroniken auftreten, mit den dünnen photostrukturierten Leiterbahnen nicht möglich. Gleichzeitig ist in modernen Leistungselektroniken ein traditioneller Fertigungsansatz mit diskreten Bauteilen und verschraubten Stromschienen aufgrund der mit den speziellen Bauteilen und deren Verbauung verbundenen Kosten nicht vertretbar oder erschwert zumindest eine Bereitstellung standardmäßiger Schnittstellen zu mikroelektronischen Steuerungen, welche zumeist oberflächenmontierte integrierte Schaltelemente umfassen und damit wiederum Leiterplatten benötigen.
  • Bei Leiterplatten mit mindestens einer aufgelegten Leiterschiene, einem sogenannten „Outlay“ bspw. aus Kupfer oder Aluminium, ist die Leiterschiene meist mechanisch und elektrisch über ein und dieselbe Verbindung mit der Leiterplatte verbunden. Meist handelt es sich hierbei um eine Lötung der Leiterschiene auf eine bspw. lithographisch im Ätzprozess strukturierte Oberflächenmetallisierung, aber auch um eine Verbindung über Pins, bspw. Pressfit.
  • Bei leistungselektronischen Schaltungen sind jedoch Pressfit und damit verwandte Technologien aus dem Stand der Technik zur Herstellung einer Verbindung aus mehreren Gründen nicht vorteilhaft. Zum einen müsste der Strom erst von den aufgelegten Leiterschienen in die Leiterplatte und/oder das Pressfitelement fließen, um von dort nach außen abgeführt zu werden. Allerdings ist für Ströme mit mehreren hundert Ampere eine gewöhnliche Kontaktbarriere an einer jeweiligen Grenzfläche bereits sehr verlustreich.
  • Zum anderen benötigen bislang verwendete Pressfitelemente meist Bauraum, insbesondere Bauhöhe bspw. für Gewindebolzen, was eine Heranführung einer notwendigen Kühlung, bspw. mittels einer Kühlplatte, über ein dünnes Gap-Pad direkt oder indirekt an die Leiterschiene und/oder Leistungsbauelemente auf der Leiterplatte erschwert bzw. unmöglich macht, da hierfür eine gleichmäßige Oberfläche ohne wechselnde Bauhöhen der Bauelemente erforderlich ist. Eine konventionelle Verschraubung oder ein eingepresster, aufgesetzter Bolzen müsste an einer Stelle in einem Flächenbereich der Kühlplatte vorgesehen werden und u. U. dort herausgefräst werden, was enorme Kosten in einem zu einer Serienfertigung vorgesehen Produkt verursachen würde. Weiter ist die Verbindungsherstellung mittelbar über Pressfit ungünstig, da Strom hoher Stromstärke möglichst direkt den Leiterschienen oder einem Kabel zu- oder abgeführt werden sollte. In vielen Automobilsystemen werden Anschlüsse bspw. senkrecht zur Leiterplatte zugeführt. Ein Kontakt zwischen Stromzuführung und aufgelegter Leiterschiene sollte möglichst direkt sein und nicht durch weitere Zwischenstücke, bspw. mittels per Pressfit hergestellter Durchkontaktierung in der Leiterplatte, geführt werden.
  • Eine weitere Verbindungsmöglichkeit zu bspw. auf der Oberseite der Leiterplatte verlaufenden Leiterschienen stellt eine Stromzuführung von der Unterseite der Leiterplatte dar, wobei die Stromzuführung dabei entsprechend durch die Platine durchtaucht. Diese Vorgehensweise birgt aber das Problem einer geringen oder zumindest beschränkten mechanischen Festigkeit, da die Stromzuführung damit bei Rüttelbelastung, wie sie bspw. in einem solche Leistungselektroniken verwendenden fahrenden Kraftfahrzeug auftritt, die Leiterschiene im Laufe der Zeit immer wieder auch von der Leiterplatte wegdrückt. Dabei kann die Verbindung brüchig werden und schließlich abreißen.
  • Bei Leiterplatten mit Outlay-Stromschienen oder eingebetteten, sogenannten Inlay-Stromschienen kann prinzipiell ab einer Dicke von etwa 1 mm mit den jeweiligen Stromschienen eine Verbindung über Verschraubung erfolgen. Da ein isolierendes Leiterplattenmaterial, das bspw. aus glasfaserverstärktem Epoxidharz, sogenanntem Prepreg, gebildet sein kann, in den durch die Verschraubung einem Druck ausgesetzten Bereichen zu fließen begänne, wird es an diesen Bereichen entfernt und die Verschraubung direkt in die Stromschienen getrieben.
  • Die US-amerikanische Druckschrift US 4,875,140 beschreibt für eine Leiterplatte eine Auflage, welche einen elastischen Ring zwischen Auflage und Leiterplatte und eine Schraube als Kopplungselement vorsieht. Ein zusätzlicher Metallstreifen erfüllt hierbei die Funktion einer elektrischen Leitung zwischen der Leiterplatte und einer Grundplatte.
  • In der Druckschrift EP 2 514 991 B1 wird eine Vorrichtung zum Tragen einer Leiterplatte offenbart, welche eine Feder zwischen der Leiterplatte und einer diese tragende Grundplatte aufweist. Die Vorrichtung hat rein mechanische Funktion.
  • Die Druckschrift EP 0 468 661 B1 schlägt eine Vorrichtung zum Tragen von Leiterplatten vor, die eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten beinhalten. Auflage und Leiterplatten sind hier durch eine Schraube in direktem Kontakt miteinander verbunden.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Anbinden von Stromzuführungen an leistungselektronische Leiterplatten zur Verfügung zu stellen, welches sowohl eine mechanische wie auch eine elektrische Verbindung herstellt. Eine Übertragung hoher Stromstärken soll gewährleistet sein. Insbesondere bei Rüttelbelastungen soll die Verbindung nicht dazu führen, dass eine Anbindung nachfolgender Träger- oder Bauelemente vermindert wird. Ferner soll ein System offenbart werden, welches eine gemäß dem vorgestellten Verfahren bewirkte bzw. hergestellte Verbindung beinhaltet.
  • Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verbindung und einer davon separaten elektrischen Verbindung einer leistungselektronischen Leiterplatte mit einer Stromzuführung vorgeschlagen, wobei die leistungselektronische Leiterplatte mindestens ein leistungselektronisches Bauelement und mindestens eine mit diesem in elektrischem Kontakt stehende auf einer Oberfläche der Leiterplatte verlaufende metallische Schicht aufweist. Es wird mindestens eine auf der Oberseite der leistungselektronischen Leiterplatte verlaufende Leiterschiene bereitgestellt. Die mindestens eine Leiterschiene wird in eine feste mechanische Verbindung mit der sich unterhalb der Leiterplatte befindlichen Stromzuführung gebracht, wobei an einer von der mechanischen Verbindung separaten Kontaktfläche eine elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen Leiterschiene und der Stromzuführung bewirkt wird. Schließlich wird mindestens ein elastisches Element zwischen Stromzuführung und Leiterplatte angeordnet, durch welches eine vorbestimmte Rückstellkraft zwischen Stromzuführung und Leiterplatte bewirkt wird.
  • Durch das elastische Element wird ein Toleranzausgleich möglich gemacht, so dass bspw. bei einer die Leiterplatte beaufschlagenden Rüttelbelastung innerhalb einer durch ein Material des elastischen Elementes vorgegebene Elastizität die durch das erfindungsgemäße Verfahren bewirkte mechanische Verbindung und die davon separate ebenfalls durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierte elektrische Verbindung von Stromzuführung, Leiterschiene und Leiterplatte gewährleistet sind.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine Leiterschiene in eine feste mechanische und elektrische Verbindung mit mindestens einer auf der Oberfläche der Leiterplatte verlaufenden metallischen Schicht gebracht. Beabstandet zu einem jeweiligen Rand der Leiterschiene und senkrecht zu der flächigen Ausdehnung wird ein Bohrloch angebracht, welches einen vorgegebenen Bohrlochdurchmesser, der kleiner als die flächige Ausdehnung der Leiterschiene an dieser Stelle ist, aufweist. Das Bohrloch durchdringt auch die Leiterplatte, an der von der Unterseite der Leiterplatte her um das Bohrloch herum Leiterplattenmaterial bis zur Leiterschiene vollständig entfernt wird. Ein dadurch entstandener Unterseitenzugang zu der mindestens einen Leiterschiene weist einen vorgegebenen Zugangsdurchmesser auf. Entsprechend ist die Stromzuführung der an der leistungselektronischen Leiterplatte samt der mindestens einen Leiterschiene zu kontaktierenden Stelle zylinderförmig ausgebildet, wobei ein erster Zylinder mit einem um ein Zweifaches einer vorgegebenen Kragenbreite den Zugangsdurchmesser übersteigenden ersten Zylinderdurchmesser gebildet wird, wobei zentrisch auf den ersten Zylinder ein mit dem Zugangsdurchmesser gebildeter zweiter Zylinder angeordnet wird und dadurch an einer Kontaktstelle zwischen zweitem und erstem Zylinder ein Kragen mit der vorgegebenen Kragenbreite entsteht, und wobei eine Zylinderhöhe des zweiten Zylinders durch eine erste Summe aus einer Leiterplattendicke und einem vorgegebenen Federungsabstand gewählt wird. Zentrisch ausgehend von einer oberen Deckelfläche des zweiten Zylinders wird ein Sackloch mit Innengewinde kleiner als der Bohrlochdurchmesser angebracht. Ein um den zweiten Zylinder angeordnetes ringförmiges elastisches Element wird bereitgestellt, dessen Innendurchmesser dem Zugangsdurchmesser entspricht, dessen Außendurchmesser dem ersten Zylinderdurchmesser entspricht und dessen Druckfederweg den Federungsabstand umschließt. Schließlich wird eine Schraube bereitgestellt, deren Schraubenzylinderlänge kleiner ist als eine zweite Summe aus einer Leiterschienendicke und einer Sacklochtiefe. Die Schraube wird durch das Bohrloch der mindestens einen Leiterschiene und weiter durch den Unterseitenzugang der Leiterplatte geführt und formschlüssig in das Sackloch des zweiten Zylinders mit einem vorgegebenen Drehmoment eingedreht, so dass eine feste mechanische Verbindung entsteht und die davon separate elektrische Verbindung an der durch die mit dem Sackloch versehene obere Deckelfläche gebildeten Kontaktfläche und einer Unterseite der Leiterschiene bewirkt wird. Dadurch übt das dabei zwischen der Leiterplatte um den Unterseitenzugang herum und dem Kragen an der Stromzuführung komprimierte elastische Element eine vorgegebene Rückstellkraft aus. Durch diese Rückstellkraft wird die Leiterplatte in einem durch die Kragenbreite um den Unterseitenzugang herum gebildeten Auflagebereich des elastischen Elementes mechanisch fixiert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren implementiert vorteilhaft das elastische Element zwischen Kragen und Leiterplatte, durch welches eine definierte Druckkraft auf die Leiterplatte ausgeübt wird. Damit wird gewährleistet, dass insbesondere bei Rüttelbelastungen, wie sie bspw. in einem fahrenden Kraftfahrzeug, bei dem mindestens eine leistungselektronische Leiterplatte implementiert ist, auftreten können, die Stromzuführung erfindungsgemäß nicht abreißt.
  • Würde man das elastische Element weglassen und keinen Federungsabstand zulassen, so würde der Kragen direkt mit der Leiterplatte kontaktieren. Dadurch wäre die Verbindung zwischen Stromzuführung und der Leiterplatte mechanisch überbestimmt, da sie entweder durch die Verbindung zwischen der Oberseite des zweiten Zylinders der Stromzuführung und der Leiterschiene oder durch die Verbindung zwischen dem Kragen der Stromzuführung und der Leiterplatte wohldefiniert wäre.
  • Der Druckfederweg wird hier als ein Federweg innerhalb eines linearen Kompressionsbereichs verstanden. Durch ein Anziehen der Schraube bis zu einem schlüssigen Kontakt von Stromzuführung und der mindestens einen Leiterschiene verbleibt für das komprimierte elastische Element lediglich der Federungsabstand. Dieser soll erfindungsgemäß innerhalb des linearen Kompressionsbereichs des elastischen Elements liegen.
  • Die mindestens eine Leiterschiene kann bspw. aus Kupfer oder Aluminium oder einer Aluminium-Legierung oder einem anderen Metall gebildet sein. Sie wird an der Oberfläche der Leiterplatte angeordnet, weshalb sie auch als ein Outlay bezeichnet wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die feste mechanische und elektrische Verbindung der mindestens einen Leiterschiene und der mindestens einen auf der Oberfläche der Leiterplatte verlaufenden metallischen Schicht durch eine Verlötung mit einem Lot bewirkt. Das Lot kann bspw. aus einer Lotpaste gebildet sein.
  • In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das elastische Element als ein Kunststoff-Ring oder ein Kautschuk-Ring oder ein metallischer Federring oder eine metallische Schraubendruckfeder oder eine Federscheibe gewählt. Das elastische Element ist vorteilhaft kreisförmig, und liegt auf dem Kragen der Stromzuführung auf.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die vorgegebene Rückstellkraft ein Bereich unterhalb einer Fließgrenze für das Leiterplattenmaterial innerhalb der Auflagefläche des elastischen Elements gewählt. Das Leiterplattenmaterial besteht bspw. aus glasfaserverstärktem Epoxidharz, auch als Prepreq oder abgekürzt mit seiner Brandschutzklasse als FR4 bezeichnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Dimensionierung des elastischen Elementes gemäß einer sich durch sein Elastizitätsmodul oder seine Federkonstante ergebenden Rückstellkraft, welche der vorgegebenen Rückstellkraft entspricht, gewählt.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Federungsabstand entsprechend einem Elastizitätsbereich des elastischen Elements gewählt. Das elastische Element, welches in einem entspannten Zustand in seiner Höhe den Federungsabstand übersteigt, soll dabei innerhalb seines linearen Kompressionsbereichs komprimiert werden. Damit verläuft der Federungsabstand zwischen einer minimalen Höhe des elastischen Elementes, welche durch jeweilige Materialeigenschaften bzgl. eines Übergangs aus einem elastischen in einen plastischen Bereich des elastischen Elementes bestimmt werden, und der Höhe des entspannten elastischen Elementes. Jedoch wird der Federungsabstand vorteilhaft gemäß der gewünschten Rückstellkraft des elastischen Elementes und seiner dabei eingenommen Höhe ausgerichtet.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Schraube ein Material ohne Berücksichtigung einer elektrischen Leitfähigkeit gewählt. Da die elektrische Verbindung durch direkten Kontakt der Deckelfläche des zweiten Zylinders der Stromzuführung bewirkt wird, kann die Schraube vorteilhaft aus einem mechanisch stabilen Material wie bspw. Stahl gebildet werden, das vergleichsweise mit Kupfer eine schlechtere elektrische Leitfähigkeit aufweist, aber eine wesentlich mechanisch stabilere Verbindung ermöglicht.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Dicke der mindestens einen Leiterschiene größer oder gleich 1 mm gewählt. Auch hier sind Materialeigenschaften der Leiterschiene ausschlaggebend, da neben Schraube und Stromzuführung die Leiterschiene die mechanische Stabilität der Verbindung gewährleistet.
  • In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen dem elastischen Element und der Leiterplatte ein Druckverteiler angeordnet. Der erfindungsgemäße Druckverteiler kann dabei bspw. als eine Art Unterlegscheibe bzw. Beilagscheibe geformt sein.
  • In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bohrloch im Bereich der Leiterschiene erweitert, jedoch nicht in ganzer Tiefe der Leiterschiene. Dadurch kann die Schraube versenkt und damit vorteilhaft platzsparend angebracht werden.
  • Ferner wird ein System einer mechanischen und einer davon separaten elektrischen Verbindung einer leistungselektronischen Leiterplatte mit einer Stromzuführung beansprucht, wobei das System eine leistungselektronische Leiterplatte umfasst, die mindestens ein leistungselektronisches Bauelement und mindestens eine mit diesem in elektrischem Kontakt stehende auf einer Oberfläche der Leiterplatte verlaufende metallische Schicht aufweist. Das System umfasst mindestens eine auf der Oberseite der leistungselektronischen Leiterplatte verlaufende Leiterschiene, wobei zwischen der mindestens einen Leiterschiene und der sich unterhalb der Leiterplatte befindlichen Stromzuführung eine feste mechanische Verbindung besteht. An einer von der mechanischen Verbindung separaten Kontaktfläche besteht eine elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen Leiterschiene und der Stromzuführung. Schließlich weist das System mindestens ein elastisches Element auf, welches zwischen Stromzuführung und Leiterplatte angeordnet ist und welches eine vorbestimmte Rückstellkraft zwischen der Stromzuführung und der Leiterplatte ausübt.
  • In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems besteht zwischen der mindestens einen Leiterschiene und der mindestens einen auf der Oberfläche der Leiterplatte verlaufenden metallischen Schicht eine feste mechanische und elektrische Verbindung besteht. Beabstandet zu einem jeweiligen Rand der Leiterschiene und senkrecht zu der flächigen Ausdehnung ist ein Bohrloch angebracht, welches einen vorgegebenen Bohrlochdurchmesser kleiner als die flächige Ausdehnung der Leiterschiene an dieser Stelle aufweist. Das Bohrloch durchdringt auch die Leiterplatte, wobei von der Unterseite der Leiterplatte her um das Bohrloch herum Leiterplattenmaterial bis zur Leiterschiene vollständig entfernt ist und ein dadurch entstandener Unterseitenzugang zu der mindestens einen Leiterschiene einen vorgegebenen Zugangsdurchmesser aufweist. Die Stromzuführung ist entsprechend der an der leistungselektronischen Leiterplatte samt der mindestens einen Leiterschiene zu kontaktierenden Stelle zylinderförmig ausgebildet, wobei ein erster Zylinder mit einem um ein Zweifaches einer vorgegebenen Kragenbreite den Zugangsdurchmesser übersteigenden ersten Zylinderdurchmesser gebildet ist, wobei zentrisch auf den ersten Zylinder ein mit dem Zugangsdurchmesser gebildeter zweiter Zylinder angeordnet ist, und wobei eine Zylinderhöhe des zweiten Zylinders durch eine erste Summe aus einer Leiterplattendicke und einem vorgegebenen Federungsabstand bestimmt ist. Zentrisch ausgehend von einer oberen Deckelfläche des zweiten Zylinders ist ein Sackloch mit Innengewinde kleiner als der Bohrlochdurchmesser angebracht. Das System weist um den zweiten Zylinder ein ringförmiges elastisches Element auf, dessen Innendurchmesser dem Zugangsdurchmesser entspricht, dessen Außendurchmesser dem ersten Zylinderdurchmesser entspricht und dessen Druckfederweg den Federungsabstand umschließt. Das System weist eine Schraube auf, deren Schraubenzylinderlänge kleiner ist als eine zweite Summe aus einer Leiterschienendicke und einer Sacklochtiefe. Die Schraube ist durch das Bohrloch der mindestens einen Leiterschiene und weiter durch den Unterseitenzugang der Leiterplatte geführt und formschlüssig in das Sackloch des zweiten Zylinders mit einem vorgegebenen Drehmoment eingedreht, so dass eine feste mechanische Verbindung entsteht und die davon separate elektrische Verbindung an der durch die mit dem Sackloch versehene obere Deckelfläche gebildeten Kontaktfläche und einer Unterseite der Leiterschiene entsteht. Dadurch übt das dabei komprimierte elastische Element eine vorgegebene Rückstellkraft aus, durch welche die Leiterplatte in einem durch die Kragenbreite um den Unterseitenzugang herum gebildeten Auflagebereich des elastischen Elementes mechanisch fixiert ist. Schließlich ist das System dazu konfiguriert, ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche auszuführen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist das System zusätzlich einen Druckverteiler auf. Der Druckverteiler kann eine Unterlegscheibe bzw. eine Beilagscheibe sein.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
    • 1 zeigt schematisch ein Schnittbild einer Verbindungsanordnung gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems.
    • 2 zeigt schematisch ein Schnittbild einer Verbindungsanordnung mit einem Druckverteiler gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems.
    • 3 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung eines ersten Montageschritts einer Verbindungsanordnung gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems.
    • 4 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung eines zweiten Montageschritts einer Verbindungsanordnung gemäß der noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems.
    • 5 zeigt schematisch ein Schnittbild einer Verbindungsanordnung mit Schraubendruckfeder gemäß einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems.
  • In 1 wird schematisch ein Schnittbild einer Verbindungsanordnung 100 gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems gezeigt. Eine Leiterschiene 102 ist über eine metallische Schicht samt Lot 106 fest mit einer leistungselektronischen Leiterplatte 104 verbunden. Eine Stromzuführung kontaktet bzw. kontaktiert bei fest angezogener Schraube 118, die mit ihrem Schraubenzylinder 120 in das Sackloch 116 greift, über die Deckelfläche 114 des zweiten Zylinders 110 direkt an die Leiterschiene 102. Durch eine Erweiterung 122 des Bohrlochs der Leiterschiene 102 kann ein Schraubenkopf 118 platzsparend versenkt werden. Zwischen einem Kragen 112 des ersten Zylinders und einer Unterseite der Leiterplatte 104 befindet sich eine Ringfeder 124, welche durch die fest angezogene Schraube 118, 120 in ihrem linearen Kompressionsbereich eingespannt ist und mit ihrer Rückstellkraft die Leiterplatte 104 fixiert. Der Schraubenkopf 118 weist einen Imbus-Anschluss an ein Drehwerkzeug auf.
  • In 2 wird schematisch ein Schnittbild durch eine Verbindungsanordnung 200 mit einem Druckverteiler 226 gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems gezeigt. Der Druckverteiler 226 in Form einer Unterlegscheibe 226 verteilt die von der Ringfeder 124 ausgeübte Rückstellkraft gleichmäßig über einen Auflagebereich der Unterlegscheibe 226.
  • In 3 wird schematisch eine Explosionsdarstellung eines ersten Montageschritts 300 einer Verbindungsanordnung gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems gezeigt. Die Leiterschiene 302 wird durch ein Lot 328 mit der metallischen Schicht 306 auf der Leiterplatte 104 verbunden. In der Leiterschiene 302 ist ein Bohrloch 322 angebracht. Der Unterseitenzugang 330 passt genau auf den zweiten Zylinder 110.
  • In 4 wird schematisch eine Explosionsdarstellung eines zweiten Montageschritts 400 einer Verbindungsanordnung gemäß der noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems gezeigt. Nun wird die Schraube 118, 120 in das Bohrloch 322 eingeführt und im Sackloch 116 in einer formschlüssigen Verbindung mit der aus erstem Zylinder 108 und zweitem Zylinder 110 gebildeten Stromzuführung fest verschraubt. Der Schraubenkopf 118 kommt dabei mit seinem Kinn auf der Leiterschiene 302 zum Liegen. Ein vorbestimmtes Drehmoment regelt einen Anpressdruck des Kinns auf die Leiterschiene 302.
  • In 5 wird schematisch ein Schnittbild einer Verbindungsanordnung 500 mit Schraubendruckfeder 534 gemäß einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems gezeigt. Die Leiterschiene 302 ist auf der linken Seite durch ein Verbindungslot 536 mit der metallischen Schicht 306 der Leiterplatte 104 verbunden. Auf der rechten Seite ist die Leiterschiene 302 über das Lot 328 mit der metallischen Schicht 306 verbunden. Der Schraubenkopf 518 weist einen Schlitz-Anschluss an ein Drehwerkzeug auf und sein Kinn liegt auf einer Schraubenbeilagscheibe 532 auf.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4875140 [0008]
    • EP 2514991 B1 [0009]
    • EP 0468661 B1 [0010]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verbindung und einer davon separaten elektrischen Verbindung (100, 200, 500) einer leistungselektronischen Leiterplatte (104) mit einer Stromzuführung (108, 110), wobei die Leiterplatte (104) mindestens ein leistungselektronisches Bauelement und mindestens eine mit diesem in elektrischem Kontakt stehende auf einer Oberfläche der Leiterplatte verlaufende metallische Schicht (106, 306) aufweist, wobei mindestens eine auf der Oberseite der Leiterplatte (104) verlaufende Leiterschiene (102, 302) bereitgestellt wird, wobei die mindestens eine Leiterschiene (102, 302) in eine feste mechanische Verbindung mit der sich unterhalb der Leiterplatte (104) befindlichen Stromzuführung (108, 110) gebracht wird, wobei an einer von der mechanischen Verbindung separaten Kontaktfläche (114) eine elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) und der Stromzuführung (108, 110) bewirkt wird, und wobei mindestens ein elastisches Element (124, 534) zwischen Stromzuführung (108, 110) und Leiterplatte (104) angeordnet wird, durch welches eine vorbestimmte Rückstellkraft zwischen Stromzuführung (108, 110) und Leiterplatte (104) bewirkt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Leiterschiene (102, 302) in eine feste mechanische und elektrische Verbindung mit mindestens einer auf der Oberfläche der Leiterplatte verlaufenden metallischen Schicht (106, 306) gebracht wird, wobei beabstandet zu einem jeweiligen Rand der Leiterschiene und senkrecht zu der flächigen Ausdehnung ein Bohrloch (322) angebracht wird, welches einen vorgegebenen Bohrlochdurchmesser kleiner als die flächige Ausdehnung der Leiterschiene (302) an dieser Stelle aufweist, wobei das Bohrloch (322) auch die Leiterplatte (104) durchdringt und von der Unterseite der Leiterplatte (104) her um das Bohrloch (322) herum Leiterplattenmaterial bis zur Leiterschiene (102, 302) vollständig entfernt wird und ein dadurch entstandener Unterseitenzugang (330) zu der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) einen vorgegebenen Zugangsdurchmesser aufweist, wobei die Stromzuführung (108, 110) entsprechend der an der Leiterplatte (104) samt der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) zu kontaktierenden Stelle zylinderförmig ausgebildet ist, wobei ein erster Zylinder (108) mit einem um ein Zweifaches einer vorgegebenen Kragenbreite den Zugangsdurchmesser übersteigenden ersten Zylinderdurchmesser gebildet wird, wobei zentrisch auf den ersten Zylinder ein mit dem Zugangsdurchmesser gebildeter zweiter Zylinder (110) angeordnet wird und dadurch an einer Kontaktstelle zwischen zweitem Zylinder (110) und erstem Zylinder (108) ein Kragen (112) mit der vorgegebenen Kragenbreite entsteht, wobei eine Zylinderhöhe des zweiten Zylinders durch eine erste Summe aus einer Leiterplattendicke und einem vorgegebenen Federungsabstand gewählt wird, wobei zentrisch ausgehend von einer oberen Deckelfläche (114) des zweiten Zylinders ein Sackloch (116) mit Innengewinde kleiner als der Bohrlochdurchmesser angebracht wird, wobei ein um den zweiten Zylinder (110) angeordnetes elastisches Element (124, 534) bereitgestellt wird, dessen Innendurchmesser dem Zugangsdurchmesser entspricht, dessen Außendurchmesser dem ersten Zylinderdurchmesser entspricht und dessen Druckfederweg den Federungsabstand umschließt, und wobei schließlich eine Schraube (118, 120, 518) bereitgestellt wird, deren Schraubenzylinderlänge (120) kleiner ist als eine zweite Summe aus einer Leiterschienendicke und einer Sacklochtiefe, wobei die Schraube (118, 120, 518) durch das Bohrloch (322) der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) und weiter durch den Unterseitenzugang (330) der Leiterplatte (104) geführt wird und formschlüssig in das Sackloch (116) des zweiten Zylinders (110) mit einem vorgegebenen Drehmoment eingedreht wird, so dass eine feste mechanische Verbindung entsteht und die davon separate elektrische Verbindung an der durch die mit dem Sackloch (116) versehene obere Deckelfläche (114) gebildeten Kontaktfläche und einer Unterseite der Leiterschiene (102, 302) bewirkt wird, und wodurch das dabei komprimierte elastische Element (124, 534) eine vorgegebene Rückstellkraft ausübt, durch welche die Leiterplatte (104) in einem durch die Kragenbreite um den Unterseitenzugang (330) herum gebildeten Auflagebereich des elastischen Elementes mechanisch fixiert wird.
  3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die feste mechanische und elektrische Verbindung (100, 200, 500) der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) und der mindestens einen auf der Oberfläche der Leiterplatte (104) verlaufenden metallischen Schicht (106, 306) durch eine Verlötung mit einem Lot (328, 536) bewirkt wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das elastische Element (124, 534) als ein Kunststoff-Ring oder ein Kautschuk-Ring oder ein metallischer Federring (124) oder eine metallische Schraubendruckfeder (534) gewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem für die vorgegebene Rückstellkraft ein Bereich unterhalb einer Fließgrenze für das Leiterplattenmaterial innerhalb der Auflagefläche des elastischen Elements (124, 534) gewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine Dimensionierung des elastischen Elementes (124, 534) gemäß einer sich durch sein Elastizitätsmodul oder seine Federkonstante ergebenden Rückstellkraft, welche der vorgegebenen Rückstellkraft entspricht, gewählt wird.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Federungsabstand entsprechend einem Elastizitätsbereich des elastischen Elements (124, 534) gewählt wird.
  8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem für die Schraube (118, 120, 518) ein Material ohne Berücksichtigung einer elektrischen Leitfähigkeit gewählt wird.
  9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Leiterschienendicke der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) größer oder gleich 1 mm gewählt wird.
  10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem elastischen Element (124, 534) und der Leiterplatte (104) ein Druckverteiler (226) angeordnet wird.
  11. System (100) einer mechanischen Verbindung und einer davon separaten elektrischen Verbindung einer leistungselektronischen Leiterplatte (104) mit einer Stromzuführung (108, 110), wobei das System eine Leiterplatte (104) umfasst, die mindestens ein leistungselektronisches Bauelement und mindestens eine mit diesem in elektrischem Kontakt stehende auf einer Oberfläche der Leiterplatte (104) verlaufende metallische Schicht (106, 306) aufweist, wobei das System (100) mindestens eine auf der Oberseite der Leiterplatte (104) verlaufende Leiterschiene (102, 302) umfasst, wobei zwischen der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) und der sich unterhalb der Leiterplatte (104) befindlichen Stromzuführung (108, 110) eine feste mechanische Verbindung besteht, wobei an einer von der mechanischen Verbindung separaten Kontaktfläche (114) eine elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) und der Stromzuführung (108, 110) besteht, und wobei das System (100) mindestens ein elastisches Element (124, 534) aufweist, welches zwischen Stromzuführung (108, 110) und Leiterplatte (104) angeordnet ist und welches eine vorbestimmte Rückstellkraft zwischen der Stromzuführung (108, 110) und der Leiterplatte (104) ausübt.
  12. System nach Anspruch 11, wobei zwischen der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) und der mindestens einen auf der Oberfläche der Leiterplatte (104) verlaufenden metallischen Schicht (106, 306) eine feste mechanische und elektrische Verbindung besteht, wobei beabstandet zu einem jeweiligen Rand der Leiterschiene (302) und senkrecht zu der flächigen Ausdehnung ein Bohrloch (322) angebracht ist, welches einen vorgegebenen Bohrlochdurchmesser kleiner als die flächige Ausdehnung der Leiterschiene (302) an dieser Stelle aufweist, wobei das Bohrloch (322) auch die Leiterplatte (104) durchdringt und von der Unterseite der Leiterplatte (104) her um das Bohrloch (322) herum Leiterplattenmaterial bis zur Leiterschiene (102, 302) vollständig entfernt ist und ein dadurch entstandener Unterseitenzugang (330) zu der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) einen vorgegebenen Zugangsdurchmesser aufweist, wobei die Stromzuführung (108, 110) entsprechend der an der Leiterplatte (104) samt der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) zu kontaktierenden Stelle zylinderförmig ausgebildet ist, wobei ein erster Zylinder (108) mit einem um ein Zweifaches einer vorgegebenen Kragenbreite den Zugangsdurchmesser übersteigenden ersten Zylinderdurchmesser gebildet ist, wobei zentrisch auf den ersten Zylinder (108) ein mit dem Zugangsdurchmesser gebildeter zweiter Zylinder (110) angeordnet ist und dadurch an einer Kontaktstelle zwischen zweitem Zylinder (110) und erstem Zylinder (108) ein Kragen(112) mit der vorgegebenen Kragenbreite entsteht, wobei eine Zylinderhöhe des zweiten Zylinders (110) durch eine erste Summe aus einer Leiterplattendicke und einem vorgegebenen Federungsabstand bestimmt ist, wobei zentrisch ausgehend von einer oberen Deckelfläche (114) des zweiten Zylinders (110) ein Sackloch (116) mit Innengewinde kleiner als der Bohrlochdurchmesser angebracht ist, wobei das System um den zweiten Zylinder (110) ein elastisches Element (124, 534) aufweist, dessen Innendurchmesser dem Zugangsdurchmesser entspricht, dessen Außendurchmesser dem ersten Zylinderdurchmesser entspricht und dessen Druckfederweg den Federungsabstand umschließt, und wobei schließlich das System (100) eine Schraube (118, 120, 518) aufweist, deren Schraubenzylinderlänge kleiner ist als eine zweite Summe aus einer Leiterschienendicke und einer Sacklochtiefe, wobei die Schraube (118, 120, 518) durch das Bohrloch (322) der mindestens einen Leiterschiene (102, 302) und weiter durch den Unterseitenzugang (330) der Leiterplatte (104) geführt ist und formschlüssig in das Sackloch (116) des zweiten Zylinders (110) mit einem vorgegebenen Drehmoment eingedreht ist, so dass eine feste mechanische Verbindung entsteht und die davon separate elektrische Verbindung an der durch die mit dem Sackloch (116) versehene obere Deckelfläche (114) gebildeten Kontaktfläche und einer Unterseite der Leiterschiene (102, 302) entsteht, und wodurch das dabei komprimierte elastische Element (124, 534) eine vorgegebene Rückstellkraft ausübt, durch welche die Leiterplatte (104) in einem durch die Kragenbreite um den Unterseitenzugang (330) herum gebildeten Auflagebereich des elastischen Elementes (124, 534) mechanisch fixiert ist, und wobei das System (100) dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
  13. System (200, 500) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das System zusätzlich einen Druckverteiler (226) aufweist und wobei das System (200, 500) dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach Anspruch 9 auszuführen.
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