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Die Erfindung betrifft einen Leiterplattenverbinder zum zumindest mechanischen Verbinden wenigstens zweier Leiterplatten sowie einen Leiterplattenverbund umfassend einen solchen Leiterplattenverbinder und wenigstens zwei Leiterplatten.
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Je nach Anwendungszweck werden unterschiedliche Anforderungen an das Design einer Leiterplatte gestellt und unterschiedliche Leiterplattentechnologien eingesetzt. So werden bei Hochstromanwendungen, zum Beispiel im Bereich der Leistungselektronik, hinsichtlich der Leiterbahnen große Materialstärken bevorzugt, um eine hohe Stromtragfähigkeit bzw. eine gute Wärmeverteilung zu erzielen. Hingegen sind bei Niederspannungsanwendungen, zum Beispiel im Bereich der Signalverarbeitung, hinsichtlich der Leiterbahnen filigrane Strukturen erforderlich, die der Miniaturisierung der Bauteilgrößen Rechnung tragen. Bei herkömmlichen Leiterplattendesigns ergeben sich somit aus der Materialstärke der Leiterbahnen Limitierungen zum einen hinsichtlich der realisierbaren Strukturen und zum anderen hinsichtlich der Stromtragfähigkeit und Wärmeverteilung.
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Dies führt insbesondere dann zu Problemen, wenn Schaltungen bzw. Schaltungsbereiche für unterschiedliche Anwendungszwecke auf einer Leiterplatte angeordnet werden sollen, etwa eine Leistungselektronik und eine Signalverarbeitungselektronik.
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Im Folgenden werden die Begriffe Bauteil und Bauelement synonym verwendet. Ebenso werden die Begriffe Leiterplattenlagen, Leiterplattenschichten und Leiterlattenebenen synonym verwendet. Ferner werden die Begriffe Dicke und Stärke in Bezug auf Leiterbahnen und Leiterplattenlagen synonym verwendet.
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Da es für die Leistungselektronik Leiterbahnen großer Materialstärke braucht, sind der Miniaturisierung der Bauteile für die Signalverarbeitungselektronik erhebliche Grenzen gesetzt. In konkreten Anwendungen können durch Leistungshalbleiterpads und hochstromführende Leiterbahnen Kupfermindestdicken gefordert sein, die nur sehr grobe Leiterbahnstrukturen ermöglichen. So sind filigrane Strukturen, wie sie für moderne Halbleiterbauelemente wie Mikrocontroller, Microwire- oder Ball-Grid-Bauteile nötig sind, ausgeschlossen. Stattdessen müsste für die Signalverarbeitungselektronik auf Bauteile mit einer Größe zurückgegriffen werden, deren Struktur des Leiterplattendesigns mit SMD-Leistungshalbleitern entspricht, welche deutlich größer sind als moderne Halbleiterbauelemente.
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Dabei ist zudem zu beachten, dass Isolationsstrecken auf einer Leiterplatte entsprechend der Spannungen der unterschiedlichen Potentiale in den Schaltungsbereichen ausgelegt werden müssen. Verschachtelungen der Isolationsstrecken sind dabei im Wesentlichen nicht möglich.
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In
DE 102016004508 A1 ist eine Leiterplatte beschrieben, umfassend eine in der Leiterplatte eingebettete Hochstromleiterbahn, wobei die Hochstromleiterbahn in einem Hochspannungsabschnitt der Leiterplatte angeordnet und ein vom Hochspannungsabschnitt getrennter Niederspannungsabschnitt vorgesehen ist, umfassend zwei den Niederspannungsabschnitt vom Hochspannungsabschnitt abschirmende Schirmlagen und eine zwischen den Schirmlagen eingebettete Signalverarbeitungseinrichtung.
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In
DE 102015224073 A1 ist eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte beschrieben, umfassend eine Kleinsignalschicht, eine Stromleitungsschicht und eine Schaltschicht. Die Kleinsignalschicht weist mehrere Kleinsignalschichtlagen auf, die Stromleitungsschicht weist mehrere Stromleitungsschichtlagen auf und die Schaltschicht umfasst mindestens eine Schaltschichtlage und mindestens einen Leistungsschalter. In dieser mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte weicht eine Dicke der Kleinsignalschicht von einer Dicke der Schaltschicht ab, wodurch die Hochstromleiterplatte bezüglich einer Mittenebene asymmetrisch aufgebaut ist.
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Von Nachteil ist bei den nach dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Kombination verschiedener Leiterplattentechnologien, dass sie nicht unerhebliche Kompromisse bzw. Einschränkungen hinsichtlich der Leiterbahnenstruktur und -größe sowie Bauteilgröße erforderlich machen und zudem einen erhöhten Planungs- und Herstellungsaufwand mit sich bringen. Größen, Dicken, Positionen, Verläufe und Abstände der einzelnen Leiterbahnen und Bauteile müssen vorab genauestens festgelegt und aufeinander abgestimmt sein. Darüber hinaus sind dann die auf einer Leiterplatte vorhandenen Schaltungsbereiche dauerhaft miteinander kombiniert, für jede alternative Variante oder Kombination von Schaltungen ist eine eigene Leiterplatte zu planen und herzustellen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur einfachen und kostengünstigen Kombination verschiedener Leiterplattentechnologien zu schaffen.
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Als Lösung wird ein Leiterplattenverbinder mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie ein Leiterplattenplattenverbund mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird demnach ein Leiterplattenverbinder zum zumindest mechanischen Verbinden wenigstens zweier Leiterplatten. Ein solcher Leiterplattenverbinder ist hergestellt aus einem elektrisch isolierenden Material und weist wenigstens zwei Leiterplattenaufnahmen auf. Dabei ist jede der Leiterplattenaufnahmen zum Aufnehmen und Halten eines Randabschnitts einer der Leiterplatten ausgebildet, so dass mittels des Leiterplattenverbinders ein Leiterplattenverbund herstellbar ist.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Leiterplattenverbund umfasst somit einen Leiterplattenverbinder und wenigstens zwei Leiterplatten. Dabei ist der Leiterplattenverbinder aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt und zum zumindest mechanischen Verbinden der zwei Leiterplatten ausgebildet. Dazu weist er wenigstens zwei Leiterplattenaufnahmen auf, in denen die Leiterplatten aufgenommen und gehalten sind.
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Die vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile. Insbesondere können Schaltungen für unterschiedliche Anwendungszwecke zunächst auf jeweils einer eigenen Leiterplatte und insbesondere hinsichtlich Größen, Dicken, Positionen, Verläufe und Abstände der einzelnen Leiterbahnen und Bauteile unabhängig voneinander entsprechend den jeweiligen Anforderungen geplant und hergestellt werden, wobei jede der Schaltungen für sich grundsätzlich abgeschlossen ist. Es ist also ein völlig voneinander getrennter Aufbau jeder der Leiterplatten möglich. Anschließend können die Leiterplatten dann mittels des Leiterplattenverbinders zu einem eine insbesondere mechanische Einheit bildenden Verbund kombiniert werden. Dabei kann der elektrisch isolierend wirkende Leiterplattenverbinder die Aufgaben einer festen Isolierung erfüllen und die Kriech- und Luftstrecken von einer Leiterplatte zur anderen vergrößern. Somit können Isolationsabstände innerhalb der Schaltungsdesigns gegebenenfalls verkürzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, ist der Leiterplattenverbinder aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Es kann sich bei dem Leiterplattenverbinder somit um ein Kunststoffformteil handeln. Kommt dabei insbesondere ein starrer Kunststoff zum Einsatz, stellt der aus dem Leiterplattenverbinder und wenigstens zwei Leiterplatten gebildete Leiterplattenverbund eine starre Einheit dar, welche hinsichtlich der Stabilität gegenüber dem Stand der Technik mindestens gleichwertig ist.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Leiterplattenaufnahmen an die Kontur des Randabschnitts der jeweiligen Leiterplatte angepasst. Das bedeutet, dass ein Leiterplattenverbinder zum Verbinden verschiedenartiger Leiterplatten auch entsprechend verschieden ausgebildete Leiterplattenaufnahmen besitzt, um damit die jeweilige Leiterplatte sicher und stabil aufnehmen und halten zu können.
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Ein mittels des Leiterplattenplattenverbinders gebildeter Leiterplattenverbund kann somit Leiterplatten umfassen, die insbesondere hinsichtlich ihres Anwendungszwecks verschiedenartig sein können, alternativ oder ergänzend aber auch insbesondere hinsichtlich der Anzahl und/oder der Stärke ihrer Leiterplattenlagen und/oder hinsichtlich der Stärke und/oder Strukturen ihrer Leiterbahnen und/oder hinsichtlich ihrer Bauteile verschiedenartig aufgebaut sind.
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Die Erfindung bietet somit die Möglichkeit, zwei unterschiedliche Leiterplattentechnologien, zum Beispiel eine grobe für Hochstromanwendungen und eine filigrane für Signalanwendungen, miteinander kostengünstig kombinieren zu können. Der Leiterplattenaufbau für den Hochstromkreis kann dabei völlig unabhängig sein vom Leiterplattenaufbau für den Signal(steuer)kreis, wobei jeder Kreis für sich grundsätzlich abgeschlossen ist. Es müssen also keine Abstriche auf der einen oder anderen Seite insbesondere hinsichtlich der Grenzen der Miniaturisierung mehr gemacht werden. Die zu kombinierenden Leiterplatten können auch eine unterschiedliche Anzahl von Leiterplattenlagen aufweisen. Somit können bei gleicher Leiterplattenstärke auf der Signalleiterplatte mit kleinerer Struktur mehr Kupferlagen für Leiterbahnen realisiert werden als auf der Hochstromleiterplatte.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Leiterplattenaufnahmen des Leiterplattenverbinders Fixiermittel aufweisen. Dies können insbesondere Rast- oder Klemmmittel sein. So können die Leiterplattenaufnahmen zum Beispiel Rastnasen aufweisen, die in Aussparungen wie Löcher oder Kerben im oder am Randabschnitt der jeweiligen Leiterplatte eingreifen und verrasten. Vorteilhaft ist dabei, dass die Fixierung bei Bedarf auch wieder lösbar ist. Als Fixiermittel können aber auch Klebestellen, Schrauben oder Ähnliches in Frage kommen.
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Insbesondere bei lösbaren Fixiermitteln besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, dass die mittels des Leiterplattenverbinders verbundenen Leiterplatten nicht dauerhaft miteinander kombiniert bleiben müssen, sondern bei Bedarf ausgetauscht werden können. Zum Beispiel muss bei einem Defekt in einer der Schaltungen nur die betroffene Leiterplatte ersetzt werden und nicht der gesamte Leiterplattenverbund. Gleiches gilt, wenn zum Beispiel anwendungsbedingt geänderte Anforderungen eine Anpassung einer der Schaltungen erfordern. Denkbar ist auch, verschiedene Varianten der jeweiligen Leiterplatte vorzuhalten und diese je nach Anwendungsfalls oder Kundenwunsch modulartig zu kombinieren.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leiterplattenverbinder wenigstens eine Bauteilaufnahme aufweist zum Aufnehmen und Halten eines signalleitenden und/oder elektrisch leitenden Bauteils zum signalleitenden und/oder elektrisch leitenden Verbinden wenigstens einer Leiterbahn der einen Leiterplatte mit wenigstens einer Leiterbahn der anderen Leiterplatte.
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Bei einem mittels des Leiterplattenplattenverbinders gebildeten Leiterplattenverbund weist also der Leiterplattenverbinder wenigstens eine beispielsweise als Aussparung ausgebildete Bauteilaufnahme auf, in der ein signalleitendes und/oder elektrisch leitendes Bauteil aufgenommen und gehalten ist, welches wenigstens eine Leiterbahn der einen Leiterplatte mit wenigstens einer Leiterbahn der anderen Leiterplatte signalleitend und/oder elektrisch leitend verbindet.
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Der elektrisch isolierende Leiterplattenverbinder kann zum Beispiel mit signalleitenden Bauteilen wie Relais, Übertragern oder Optokopplern überbrückt werden, um eine signalleitende Verbindung bei galvanischer Trennung zwischen den Schaltungen der Leiterplatten herzustellen. Alternativ oder ergänzend können bei Bedarf auch elektrisch leitende Bauteile wie Widerstände eingesetzt werden, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Schaltungen der Leiterplatten herzustellen. Durch solche nicht isolierenden Bauteile entfällt zwar der Vorteil der Vergrößerung von Isolationsabständen durch den Leiterplattenverbinder, jedoch bleiben die vielen anderen Vorteile der Erfindung bestehen.
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Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus einem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt dabei
- 1 eine schematische Darstellung eines Leiterplattenverbunds in der Draufsicht;
- 2 eine schematische Darstellung eines Leiterplattenverbunds gemäß 1 in einer Schnittansicht entlang der Linie A.
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Die 1 und 2 zeigen ein Beispiel eines Leiterplattenverbunds 400, welcher aus einem Leiterplattenverbinder 100 und zwei Leiterplatten 200 (LP1) und 300 (LP2) aufgebaut ist. In der 1 sind zur Vereinfachung auf den Leiterplatten 200 und 300 keine Leiterbahnen und Bauteile gezeigt. Es handelt sich aber um Leiterplatten unterschiedlicher Technologien und für unterschiedliche Anwendungszwecke, wie es auch aus der 2 zu erkennen ist. So ist die Leiterplatte 200 z.B. nach einem 4-Lagen-Layout aufgebaut und beherbergt eine Schaltung für eine Hochstromanwendung. Hingegen ist die Leiterplatte 300 z.B. nach einem 6-Lagen-Layout aufgebaut und beherbergt eine Schaltung für eine Signaltechnikanwendung. Die Anzahl der Lagen bezieht sich dabei auf die Kupferlagen, in denen die Leiterbahnen 220 und 320 ausgebildet sind. Zwischen den Kupferlagen gibt es aber noch Substratschichten 230, 330, die die Kupferlagen tragen, und Isolierschichten 240, 340. Deutlich erkennbar ist, dass die Leiterbahnen 220 eine grobe und demgegenüber die Leiterbahnen 320 eine feine Struktur aufweisen.
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Der Leiterplattenverbinder 100 ist als Formteil zweckmäßig aus einem starren Kunststoff ausgebildet und weist zwei Leiterplattenaufnahmen 120 und 130 auf, die an die Konturen der Leiterplattenrandabschnitte 210 und 310 angepasst sind, um sie sicher aufnehmen und halten zu können. Dazu besitzen die Leiterplattenaufnahmen Fixiermittel 125, 135, welche bei Bedarf zweckmäßig auch wieder lösbar sind. Diese können insbesondere als Rastnasten ausgebildet sein und z.B. in aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellte Kerben an den Leiterplattenrandabschnitte 210 und 310 verrasten .
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Aus 1 ist ersichtlich, dass der Leiterplattenverbinder 100 mit drei isolationsüberbrückenden signalleitenden Bauteilen 161, 162 und 163 bestückt ist, um bestimmte Leiterbahnen 220 mit bestimmten Leiterbahnen 320 signalleitend zu verbinden. Der Verbinder 100 besitzt entsprechende Bauteilaufnahmen, um die Bauteile aufnehmen und halten zu können. Von den Bauteilaufnahmen ist allerdings nur die Bauteilaufnahme 153 für das Bauteil 163 in 2 zu sehen. Die Bauteilaufnahmen können als Aussparungen oder wie zum Beispiel die Aufnahme 153 als Sockel ausgebildet sein. Bei den isolationsüberbrückenden Bauteilen 161, 162 und 163 handelt es sich zum Beispiel um Relais, Übertrager oder Optokoppler. Somit wird zwischen der Schaltung auf der Leiterplatte 200 und der Schaltung auf der Leiterplatte 300 eine galvanische Trennung gewährleistet.
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Sehr vereinfacht sind in der 2 die Anschlussmittel der 163a, 163b des Bauteils 163 dargestellt. Hierbei kann es sich zum Beispiel um Anschlussdrähte oder Anschlusspins des Bauteils handeln, die beispielsweise an entsprechende Lötaugen der Leiterplatten gelötet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Leiterplattenverbinder
- 120
- Leiterplattenaufnahme
- 125
- Fixiermittel
- 130
- Leiterplattenaufnahme
- 135
- Fixiermittel
- 153
- Bauteilaufnahme
- 161
- Bauteil
- 162
- Bauteil
- 163
- Bauteil
- 163a
- Anschlussmittel
- 163b
- Anschlussmittel
- 200
- Leiterplatte
- 210
- Randabschnitt
- 220
- Leiterbahn
- 230
- Leiterplattensubstrat
- 240
- Isolierschicht
- 300
- Leiterplatte
- 310
- Randabschnitt
- 320
- Leiterbahn
- 330
- Leiterplattensubstrat
- 340
- Isolierschicht
- 400
- Leiterplattenverbund
- A
- Schnittlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016004508 A1 [0007]
- DE 102015224073 A1 [0008]
