DE102019125108A1

DE102019125108A1 - Leistungselektronikanordnung umfassend eine Leiterplatte und ein Leistungsmodul, Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung, Kraftfahrzeug umfassend eine Leistungselektronikanordnung

Info

Publication number: DE102019125108A1
Application number: DE102019125108.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Apelsmeier; Benjamin Söhnle; Daniel Ruppert
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-18
Also published as: WO2021052795A1; EP4032374A1; US20220368044A1; US11990697B2; CN114402702A

Abstract

Leistungselektronikanordnung umfassend eine Leiterplatte (2) und wenigstens ein an der Leiterplatte (2) befestigtes Leistungsmodul (3), das ein oder mehrere mittels einer Vergussmasse (5) vergossene elektronische Bauteile (4) aufweist, wobei wenigstens eine Modulanschlussstelle (6) des Leistungsmoduls (3) mit wenigstens einer Plattenanschlussstelle (7) der Leiterplatte (2) mittels eines elektrisch leitfähigen Pins (8) elektrisch kontaktiert ist, wobei ein Fußabschnitt (9) des Pins (8) an der Modulanschlussstelle (6) oder an der Plattenanschlussstelle (7) befestigt ist und das dem Fußabschnitt (9) gegenüberliegende Ende (10) des Pins (8) in der Montagestellung in eine der jeweils anderen Anschlussstelle (6, 7) zugeordneten oder zuordenbaren Kontaktierungsöffnung (11) eingepresst ist, wobei der Pin (8) in der Montagestellung geradlinig von der Modulanschlussstelle (6) zu der Plattenanschlussstelle (7) verläuft und senkrecht zur Leiterplattenfläche angeordnet ist, wobei der Pin (8) an einem aus der Vergussmasse (5) gebildeten und die Modulanschlussstelle (6) aufweisenden Widerlagerabschnitt (13) abgestützt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronikanordnung umfassend eine Leiterplatte und wenigstens ein an der Leiterplatte befestigtes Leistungsmodul, das ein oder mehrere mittels einer Vergussmasse vergossene elektronische Bauteile aufweist, wobei wenigstens eine Modulanschlussstelle des Leistungsmoduls mit wenigstens einer Plattenanschlussstelle der Leiterplatte mittels eines elektrisch leitfähigen Pins elektrisch kontaktiert ist, wobei ein Fußabschnitt des Pins an der Modulanschlussstelle oder an der Plattenanschlussstelle befestigt ist und das dem Fußabschnitt gegenüberliegende Ende des Pins in der Montagestellung in eine der jeweils anderen Anschlussstelle zugeordneten oder zuordenbaren Kontaktierungsöffnung eingepresst ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung sowie ein Kraftfahrzeug umfassend eine Leistungselektronikanordnung.
Bezüglich der Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse des Leistungsmoduls an eine Leiterplatte, die beispielsweise eine dem Leistungsmodul zugeordnete Treiberschaltung umfasst, sind aus dem Stand der Technik mehrere Kontaktierungskonzepte bekannt. Die beiden nachfolgend beschriebenen Kontaktierungskonzepte finden insbesondere bei gemoldeten Leistungsmodulen Anwendung. Gemoldet ist hierbei als ein Synonym dafür zu verstehen, dass elektronische Bauteile des Leistungsmoduls, insbesondere Transistoren und/oder Kondensatoren oder dergleichen, mittels der Vergussmasse vergossen sind.
So ist bei einem ersten Kontaktierungskonzept vorgesehen, dass seitlich abstehende und L-förmige, in dieselbe Richtung weisende Kontaktierungspins des Leistungsmoduls an die Leiterplatte angelötet werden. Bezüglich dieses selektiven Lötens treten jedoch mehrere Probleme auf. So treten beispielsweise im Zusammenhang mit einem ausreichenden Lotdurchstieg häufig Probleme auf, was beispielsweise eine nicht ausreichende elektrische Kontaktierung zur Folge haben kann. Ferner ist der Lötprozess mit der Entstehung weiterer Fertigungskosten verbunden, da hierbei entsprechende Lötvorrichtungen und dergleichen benötigt werden. Ein weiteres Problem hinsichtlich der Lötverbindungen ist, dass die Lötstellen typischerweise mechanische Schwachstellen des Systems darstellen, die insbesondere gegenüber Vibrationen störanfällig sind. Die Lebensdauer des Systems kann hierdurch erheblich reduziert werden. Ganz grundsätzlich sollten die Lötstellen von Leistungselektronikanordnungen keinen allzu hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein.
Bei einem weiteren Kontaktierungskonzept kommt die sogenannte Press-fit-Verbindung zum Einsatz. Hierbei weisen die Leistungs- bzw. Powermodule seitlich abstehende und L-förmige, in dieselbe Richtung weisende Kontaktierungspins auf. Die Kontaktierungspins werden in die Leiterplatte bzw. entsprechende Kontaktierungsstellen der Leiterplatte eingepresst, wodurch die elektrischen Verbindungen ausgebildet werden. Hierbei ist es erforderlich, dass das Leistungsmodul beim Einpressen bezüglich der Leiterplatte mittels eines entsprechenden Werkzeugs ausgerichtet wird, wobei während des Einpressens eine Abstützung der Pins mittels einer geeigneten Einpressunterstützung erforderlich ist. Um dieses Abstützen der Pins zu ermöglichen, weisen diese typischerweise seitlich abstehende Schultern auf, auf die die Einpressunterstützung beim Einpressen drückt bzw. einwirkt. Die Schultern sind hierbei meist unmittelbar benachbart zu dem Abschnitt des Pins, der in die Kontaktierungsstelle eingepresst wird, angeordnet, um ein durch die Presskraft bewirktes Verbiegen bzw. Knicken des Pins zu vermeiden.
Bei beiden soeben beschriebenen Kontaktierungskonzepten ergeben sich hohe Anforderungen an die Toleranz bezüglich der Ausrichtung der Kontaktierungs- bzw. Signalpins. Sowohl das selektive Löten als auch das Einpressen ist nur möglich, wenn diese hohen Toleranzanforderungen eingehalten werden.
Zusätzlich zu den soeben erläuterten Kontaktierungskonzepten sind aus dem Stand der Technik weitere konkrete Konzepte bezüglich elektrischer Kontaktierungen bei Leistungselektronikanordnungen bekannt. So ist beispielsweise aus DE 10 2017 212 739 A1 ein Halbleiterbauteil mit einem ersten Trägerteil und einem zweiten Trägerteil bekannt. Die Trägerteile, zwischen denen Halbleiterelemente angeordnet bzw. eingepresst sind, realisieren eine Gehäusefunktionalität des Halbleiterbauteils. Die Halbleiterelemente sind mit den Trägerteilen über Verdrahtungen im Bereich von Kontaktflächen der Trägerteile elektrisch verbunden. Zur Verbindung des ersten Trägerteils mit dem zweiten Trägerteil ist eine mittels einer Kontakthülse und einem Kontaktstift realisierte Pressverbindung vorgesehen, die zudem eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Trägerteilen ausbildet.
Aus EP 2 765 840 A2 ist eine Schaltungsanordnung mit einer Leiterplatte und einem auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen Bauelement bekannt. Aus einem Gehäuse des Bauelements herausragende, elektrisch leitende Anschlusspins sind mittels einer Lötschicht mit Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden. Die Leiterplatte weist zudem eine Ausnehmung auf, in der ein Teil des Gehäuses des Bauelements angeordnet ist. Die Abmessungen des Gehäuses bzw. der Ausnehmung werden insbesondere derart gewählt, so dass das Gehäuse in der Ausnehmung eingepresst ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Konzept zur elektrischen Kontaktierung gemoldeter Leistungsmodule an zugehörige Leiterplatten anzugeben, insbesondere hinsichtlich eines vereinfachten Herstellungsprozesses sowie verbesserter mechanischer Eigenschaften.
Bei einer Leistungselektronikanordnung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Pin in der Montagestellung geradlinig von der Modulanschlussstelle zu der Plattenanschlussstelle verläuft und senkrecht zur Leiterplattenfläche angeordnet ist, wobei der Pin an einem aus der Vergussmasse gebildeten und die Modulanschlussstelle aufweisenden Widerlagerabschnitt abgestützt ist.
Die Idee der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs erläuterte elektrische Kontaktierung mittels einer Press-fit-Verbindung zu optimieren und weiterzuentwickeln. Aufgrund des geradlinigen Verlaufs des Pins von der Modulanschlussstelle zu der Plattenanschlussstelle und der Tatsache, dass der Pin von dem Widerlagerabschnitt abgestützt ist, kann dieser quasi zwischen der Modulanschlussstelle und der Plattenanschlussstelle eingeklemmt sein. Zudem ist aufgrund dessen, dass der Pin einerseits in der Kontaktierungsöffnung eingepresst und andererseits an der entsprechenden Anschlussstelle, insbesondere mittels einer Klebe- oder Schweißverbindung, befestigt ist, eine stabile, zuverlässige und die Lebensdauer der Leistungselektronikanordnung deutlich erhöhende elektrische Kontaktierung realisiert. Bezüglich der Befestigung des Leitungsmoduls an der Leiterplatte kann insbesondere eine Schraub- oder Klebeverbindung oder dergleichen vorgesehen sein, woraus eine weitere Steigerung der mechanischen Stabilität bei der Leistungselektronikanordnung resultiert.
Der geradlinige und, bezüglich der Leiterplattenfläche und folglich auch bezüglich der Leistungsmodulfläche, senkrechte Verlauf des Pins ermöglichen zudem hinsichtlich des Herstellungsverfahrens, auf das später noch genauer eingegangen wird, dass das Einpressen mittels z.B. eines Pressstempel derart ermöglicht wird, so dass die Presskraft lediglich auf die Fläche des Leistungsmoduls einwirkt. So werden während des Einpressens des Pins in die Kontaktierungsöffnung, bei dem typischerweise hohe Einpresskräfte erforderlich sind, die innerhalb des Pins wirkenden Kräfte ausschließlich entlang der Längsrichtung des Pins übertragen. Mithin wird ein Verbiegen bzw. Abknicken des Pins, wie es beispielsweise bei gewinkelten Anschlusspins häufig auftritt, vermieden.
Ein weiterer Vorteil bei der vorliegenden Erfindung ist bezüglich des eingangs erläuterten Press-fit-Kontaktierungskonzept aus dem Stand der Technik, dass ein zur Abstützung an den Pin erforderliches Werkzeug bzw. eine Einpressunterstützung während des Einpressens nicht erforderlich ist. Während bei dem eingangs erläuterten Kontaktierungskonzept ein Verbiegen der Pins nur durch die Verwendung entsprechender Einpresswerkzeuge wie z.B. Einpressunterstützungen vermieden werden kann, tritt dieses Problem bei der vorliegenden Erfindung aufgrund der geradlinigen Kraftübertragung durch den Pin nicht mehr auf. Stattdessen ist es also lediglich erforderlich, dass das Leistungsmodul in der Richtung senkrecht zur Leiterplattenfläche gegen die Leiterplatte gepresst wird, wodurch die Press-fit-Verbindungen und mithin die elektrischen Kontaktierungen entsprechend ausgebildet werden. Wie bereits erläutert kann hierzu die Presskraft mittels beispielsweise eines geeigneten Pressstempels denkbar einfach lediglich auf die Fläche des Leistungsmoduls aufgebracht werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass zur Ausbildung der elektrischen Kontaktierungen Lötverbindungen gar nicht mehr erforderlich sind, wodurch folglich alle im Zusammenhang mit diesem Kontaktierungskonzept erläuterten Probleme wegfallen. Stattdessen entstehen beim Einpressvorgang typischerweise derart hohe Reibungen, dass eine homogene Kaltverschweißung zwischen dem Pin und einer Einpresshülse, auf die später noch im Detail eingegangen wird, entsteht. Diese Kontaktierung weist im Vergleich zu einer Lötverbindung eine wesentlich höhere mechanische Stabilität sowie einen geringeren Übergangswiderstand auf.
Das Leistungsmodul und/oder die Leiterplatte können auch mehrere Anschlussstellen aufweisen, die mittels mehrerer Pins miteinander kontaktiert werden. Die Press-fit-Verbindungen werden hierbei zweckmäßigerweise gleichzeitig während desselben Pressvorgangs ausgebildet.
Bezüglich des Vergießens der elektronischen Bauteile des Leistungsmoduls mittels einer Vergussmasse kann diese ein geeigneter Kunststoff sein. Hierfür kommen Kunststoffe aus Polyamid und/oder Polyurethan und/oder Epoxidharz in Frage. Mittels der Vergussmasse werden die elektronischen Bauteile wie etwa Transistoren, Dioden, Kondensatoren oder dergleichen ummantelt bzw. eingekapselt, wodurch die elektronischen Bauteile vor ungewollten äußeren Einflüssen wie mechanischen Belastungen oder Feuchtigkeit oder dergleichen geschützt werden. Ein zusätzliches Gehäuse des Leistungsmoduls ist daher nicht mehr zwingend erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Widerlagerabschnitt als ein seitlich abstehender Vorsprung ausgebildet. Das Leistungsmodul kann also ein im Wesentlichen quader- bzw. plattenförmiges Bauteil ausgebildet sein, das einen entsprechenden Überstand aufweist. Der Pin kann zwischen der der Leiterplatte zugewandten Seite des Vorsprungs und der Leiterplattenfläche quasi eingeklemmt sein, wobei der Pin zudem mittels der Befestigung an der einen Anschlussstelle und mittels der Press-fit-Verbindung an der jeweils anderen Anschlussstelle fixiert ist. Hierbei bewirkt die von dem Widerlagerabschnitt aufgebrachte Klemmkraft eine entsprechend von der Leiterplatte bewirkte Gegenkraft. Da sowohl das Substrat der Leiterplatte als auch die den Wiederlagerabschnitt ausbildende Füllmasse jeweils typischerweise einstückige Festkörper sind, ist eine zur sicheren Fixierung des Pins ausreichende mechanische Stabilität bzw. Festigkeit der hierbei beteiligten Komponenten gewährleistet.
Die Modulanschlussstelle kann eine auf einer Platine des Leistungsmoduls angeordnete Kontaktfläche sein, wobei die Platine in die Vergussmasse, die im Bereich der Modulanschlussstelle ausgespart ist, vergossen ist. Die Platine des Leistungsmoduls weist bevorzugt eine auf einem Substrat aufgebrachte Kupferfläche auf, die die Modulanschlussstelle ausbildet, wobei beim Vergießen der elektronische Bauteile bzw. der Platine des Leistungsmoduls diese Kupferfläche entsprechend ausgespart wird. Bevorzugt trägt und kontaktiert die Platine zudem die elektronischen Bauteile des Leistungsmoduls.
Die Kontaktierungsöffnung kann eine Öffnung der Plattenanschlussstelle sein. Die Plattenanschlussstelle ist z.B eine flächige Anschlussstelle, die oberflächlich an der Leiterplatte angeordnet ist, insbesondere eine Leiterbahn der Leiterplatte. Bevorzugt ist die Plattenanschlussstelle eine Schicht aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Metall bzw. elektrischen Leiter.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kontaktierungsöffnung eine Öffnung der Modulanschlussstelle. Obgleich, wie soeben erläutert, die Modulanschlussstelle eine auf der Platine des Leistungsmoduls angeordnete Kontaktfläche sein kann, kann die Modulanschlussstelle grundsätzlich ganz allgemein eine außenseitig an der Vergussmasse angeordnete Kontaktierungsstelle sein, beispielsweise eine Kupferschicht oder dergleichen.
Denkbar ist es, dass eine Kontaktierungsöffnung sowohl eine Öffnung der Plattenanschlussstelle als auch der Modulanschlussstelle ist, wobei dann ein beidseitiges Verpressen möglich ist.
Die Kontaktierungsöffnung kann als eine Bohrung im Bereich der Plattenanschlussstelle bzw. der Modulanschlussstelle vorgesehen sein. Die Kontaktierungsöffnung kann sich bis in das Substrat der Leiterplatte bzw. der Platine erstrecken. Sofern die Kontaktierungsöffnung im Bereich der Modulanschlussstelle ist, kann diese sich gegebenenfalls sogar bis in die Vergussmasse erstrecken. Bevorzugt ist in die Kontaktierungsöffnung die Einpresshülse eingesetzt und befestigt, die beim Einpressen des Pins verformt bzw. aufgeweitet wird, wobei hierbei die Press-fit-Verbindung realisiert wird.
Bezüglich der konkreten geometrischen Ausgestaltung des Pins kann vorgesehen sein, dass dessen Fußabschnitt gewinkelt, nämlich bevorzugt rechtwinklig, zu dem Abschnitt des Pins angeordnet ist, der sich von der Modulanschlussstelle zu der Plattenanschlussstelle erstreckt. Mit anderen Worten kann der Pin L-förmig ausgebildet sein. Hierdurch wird einerseits eine stabile Befestigung des Fußabschnitts an der jeweiligen Anschlussstelle und andererseits der zur Leiterplattenfläche senkrechte Verlauf des Pins ermöglicht. An seinem dem Fußabschnitt gegenüberliegenden Ende des Pins kann dieser in dem Bereich, in dem der Pin die Press-fit-Verbindung mit der Einpresshülse ausbildet, aufgeweitet sein, wobei dieser sich zu seiner Spitze hin wiederum verjüngen kann. Hierdurch wird ein problemloses Einführen des Pins in die Einpresshülse ermöglicht. Alternativ kann der Pin an seinem dem Fußabschnitt gegenüberliegenden Ende auch lediglich zylinderartig ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung, wobei eine Leiterplatte und wenigstens ein Leistungsmodul, das ein oder mehrere mittels einer Vergussmasse vergossene elektronische Bauteile aufweist, verwendet wird, wobei ein Fußabschnitt eines elektrisch leitfähigen Pins an entweder einer Modulanschlussstelle des Leistungsmoduls oder an einer Plattenanschlussstelle der Leiterplatte befestigt wird, wobei sodann das Leistungsmodul gegen die Leiterplatte oder umgekehrt bewegt wird und hierbei das dem Fußabschnitt gegenüberliegende Ende des Pins in eine der jeweils anderen Anschlussstelle zugeordneten oder zuordenbaren Kontaktierungsöffnung eingepresst und hierdurch eine elektrische Kontaktierung dieser Anschlussstellen realisiert wird, wobei der geradlinig von der Modulanschlussstelle zu der Plattenanschlussstelle verlaufende und senkrecht zur Leiterplattenfläche angeordnete Pin an einem aus der Vergussmasse gebildeten und die Modulanschlussstelle aufweisenden Widerlagerabschnitt abgestützt wird.
Sämtliche im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung erläuterten Merkmale sowie Vorteile sind auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar und umgekehrt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Leistungselektronikanordnung der eingangs genannten Art ferner dadurch gelöst, dass das dem Fußabschnitt gegenüberliegende Ende des Pins ein geradliniger und parallel zu der Leiterplattenfläche verlaufender Endabschnitt ist, wobei die Kontaktierungsöffnung an einer seitlich von der Leiterplatte oder dem Leistungsmodul abstehenden Kontaktkomponente angeordnet ist.
Dieser Leistungselektronikanordnung liegt also die Idee zugrunde, dass zur Ausbildung der Press-fit-Verbindung bzw. zum Einpressen des Pins in die Kontaktierungsöffnung das Leistungsmodul nicht senkrecht zur Leiterplatte, sondern stattdessen parallel hierzu bewegt wird. Dadurch, dass auch hier eine Press-fit-Verbindung realisiert wird, bei der lediglich eine Seitwärtsbewegung des Leistungsmoduls gegenüber der Leiterplatte zum Einpressen erforderlich ist, entfällt auch hier, wie bereits oben erläutert, die Notwendigkeit komplizierter Einpresswerkzeuge bzw. -unterstützungen. Auch die weiter oben in Verbindung mit Lötverbindungen genannten Nachteile werden hierbei überwunden.
Der Pin kann insbesondere seitlich von dem Leistungsmodul abstehen und in seinem weiteren Verlauf mehrfach gewinkelt sein. Insbesondere kann der Pin eine gewinkelte U-Form aufweisen. Das seitliche Abstehen des Pins ist insbesondere deswegen zweckmäßig, da durch das Vergießwerkzeug, insbesondere durch entsprechende Gießformen, der Vergussmasse ein seitliches Abstehen bereits als bevorzugte Richtung der Pins vorgegeben ist. Der Pin kann hierbei bis ins Innere der Vergussmasse verlaufen, wobei die Modulanschlussstelle und der Fußabschnitt des Pins innerhalb des Leistungsmoduls bzw. der Vergussmasse angeordnet sind.
Ferner wird bei dieser Leistungselektronikanordnung ein Einpressen des Pins in die Kontaktierungsöffnung mittels eines seitlich, insbesondere direkt auf den Pin, einwirkenden Pressstempels ermöglicht. Dies ist dann zweckmäßig, wenn auf der der Leiterplatte abgewandten Seite des Leistungsmoduls weitere Bauteile angeordnet sind, die ein Einpressen aus dieser Richtung erschweren bzw. gegebenenfalls sogar unmöglich machen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kontaktkomponente platten- oder quaderförmig ausgebildet. Die Kontaktkomponente kann an der Modulanschlussstelle oder an der Plattenanschlussstelle, beispielsweise mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers oder dergleichen, befestigt sein. Die Kontaktierungsöffnung kann eine parallel zur Leiterplattenfläche verlaufende Bohrung in der Kontaktkomponente sein. Bevorzugt ist in der Kontaktierungsöffnung zudem eine Einpresshülse vorgesehen, die beim Einpressen des Pins zur Ausbildung der elektrischen Kontaktierung entsprechend verformt wird.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung, wobei eine Leiterplatte und wenigstens ein Leistungsmodul, das ein oder mehrere mittels einer Vergussmasse vergossene elektronische Bauteile aufweist, verwendet wird, wobei ein Fußabschnitt eines elektrisch leitfähigen Pins an entweder einer Modulanschlussstelle des Leistungsmoduls oder an einer Plattenanschlussstelle der Leiterplatte befestigt wird, wobei sodann das Leistungsmodul entlang der Leiterplattenfläche oder umgekehrt bewegt wird und hierbei der dem Fußabschnitt abgewandte, geradlinige und bezüglich der Leiterplattenfläche parallel verlaufende Endabschnitt des Pins in eine der jeweils anderen Anschlussstelle zugeordneten oder zuordenbaren Kontaktierungsöffnung, die an einer seitlich von der Leiterplatte oder dem Leistungsmodul abstehenden Kontaktkomponente angeordnet ist, eingepresst wird, wobei hierdurch eine elektrische Kontaktierung dieser Anschlussstellen realisiert wird.
Auch hier sind sämtliche im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Leistungsanordnung erläuterten Merkmale sowie Vorteile auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar und umgekehrt.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Leistungselektronikanordnung gemäß der vorangehenden Beschreibung. Die Leistungselektronikanordnung ist bevorzugt zur Wechselrichtung einer von einem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bereitgestellten Gleichspannung vorgesehen. Das Kraftfahrzeug ist hierbei bevorzugt ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Sämtliche im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Leistungsanordnung erläuterten Merkmale sowie Vorteile sind auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragbar.
Sämtliche im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnungen bzw. erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Merkmale sowie Vorteile sind auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den Figuren. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung,
- 2 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung, und
- 3 eine Prinzipdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung 1 mit einer Leiterplatte 2 und einem an der Leiterplatte 2 befestigten Leistungsmodul 3. Das Leistungsmodul 3 weist mehrere elektronische Bauteile 4 auf, die mittels einer Vergussmasse 5 vergossen und mithin in der Vergussmasse 5 eingekapselt bzw. von dieser ummantelt sind. Die elektronischen Bauteile 4 sind beispielsweise Transistoren, Kondensatoren und weitere zur Realisierung eines Leistungsmoduls 3 erforderliche Komponenten, die entsprechend miteinander verschaltet sind. Die Leiterplatte 2 umfasst eine nicht näher gezeigte Treiberschaltung für das Leistungsmodul 3. Die Leistungselektronikanordnung 1 ist Teil einer Schaltungsanordnung, insbesondere einer Steuerungseinrichtung, eines Kraftfahrzeugs, die im Rahmen einer Wechselrichtung einer von einem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bereitgestellten Gleichspannung verwendet wird.
Eine Modulanschlussstelle 6 des Leistungsmoduls 3 ist mit einer Plattenanschlussstelle 7 der Leiterplatte 2 elektrisch kontaktiert. Diese Kontaktierung erfolgt mittels einer Press-fit-Verbindung eines elektrisch leitfähigen Pins 8, der exemplarisch eine L-förmige Geometrie und einen Durchmesser von 0,8 mm aufweist. Ein Fußabschnitt 9 des Pins 8 ist hierbei an der Plattenanschlussstelle 7 befestigt, beispielsweise mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers oder einer Verschweißung.
Das dem Fußabschnitt 9 des Pins 8 gegenüberliegende Ende 10 ist in der in 1 dargestellten Montagestellung in einer der Modulanschlussstelle 6 zugeordneten Kontaktierungsöffnung 11 eingepresst. Im Bereich der Kontaktierungsöffnung 11 ist zu diesem Zweck eine Einpresshülse 12 eingesetzt, die beim Einpressen aufgeweitet bzw. verformt wird und mithin mit der Modulanschlussstelle 6 in elektrischem Kontakt steht. Das dem Fußabschnitt 9 gegenüberliegende Ende 10 des Pins 8 ist exemplarisch zunächst verbreitert und verjüngt sich zu seiner Spitze hin. Alternativ kann das Ende 10 des Pins auch lediglich zylinderartig ausgebildet sein.
Wie aus 1 ersichtlich wird, verläuft der Pin 8 in der Montagestellung geradlinig von der Modulanschlussstelle 6 zur Plattenanschlussstelle 7 und ist hierbei senkrecht zur Fläche der Leiterplatte 2 und mithin auch zur Leistungsmodulfläche angeordnet. Der Pin 8 ist an einem aus der Vergussmasse 5 gebildeten und die Modulanschlussstelle 6 aufweisenden Widerlagerabschnitt 13 abgestützt. Folglich ist der Pin 8 nicht nur mittels der Befestigung an der Plattenanschlussstelle 7 und der Press-fit-Verbindung an der Modulanschlussstelle 6 in seiner Position fixiert, sondern er ist zudem zwischen der Modulanschlussstelle 6 bzw. dem Widerlagerabschnitt 13 und der Plattenanschlussstelle 7 bzw. der Leiterplatte 7 eingeklemmt. Hierdurch wird eine mechanisch stabile elektrische Kontaktierung zwischen den Anschlussstellen 6, 7 realisiert.
Obgleich in 1 sowie auch in sämtlichen weiteren Ausführungsbeispielen jeweils nur ein einziger Pin 8 vorgesehen ist, können auch mehrere Pins 8 zur Kontaktierung mehrerer Anschlussstellen 6, 7 vorgesehen sein, wobei ein gleichzeitiges Einpressen dieser Pins 8 zweckmäßig ist.
Durch die Leistungselektronikanordnung 1 ist eine verbesserte Möglichkeit zur elektrischen Kontaktierung der Leiterplatte 2 mit dem Leistungsmodul 3 gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten angegeben.
So werden beispielsweise Nachteile überwunden, die typischerweise bei Lötverbindungen auftreten. Dies betrifft insbesondere die Einsparung von durch den Lötprozess entstehenden Produktionskosten sowie die Vermeidung von durch die Lötverbindung entstehenden mechanischen Schwachstellen und eventuelle mangelhafte Lotdurchstiege. Auch gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Press-fit-Konzepten weist die Leistungselektronikanordnung 1 Vorteile auf. So werden im Stand der Technik hierzu typischerweise spezielle bzw. komplizierte Einpresswerkzeuge bzw. - unterstützungen benötigt, die bei der Montage der erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung nicht erforderlich sind. Bezüglich der 1 wird das Einpressen des Pins 8 in die Einpresshülse 12 mittels einer Kraftbeaufschlagung durch ein Presswerkzeug wie einem Pressstempel oder dergleichen von unten auf die Vergussmasse 5 des Leistungsmoduls 3 bewerkstelligt. Dadurch, dass der Pin 8 zwischen der Modulanschlussstelle 6 und der Plattenanschlussstelle 7 geradlinig verläuft und zudem von dem Widerlagerabschnitt 13 abgestützt ist, wird die Kraft innerhalb des Pins 8 während des Einpressens ausschließlich in Längsrichtung übertragen. Hierdurch wird ein unerwünschtes Abknicken bzw. Verbiegen des Pins 8 vermieden.
Als Vergussmasse 5 ist ein entsprechend geeigneter Kunststoff vorgesehen, beispielsweise auf Polyamidbasis oder dergleichen. Durch die Ummantelung bzw. Einkapselung der elektronischen Bauteile 4 des Leistungsmoduls 3 durch die Vergussmasse 5 wird ein Schutz vor negativen Einflüssen von au-ßen, wie beispielsweise vor mechanischen Belastungen oder Feuchtigkeit oder dergleichen, gewährleistet. Ein separates Gehäuse ist demnach bei dem Leistungsmodul 3 nicht erforderlich.
Die Plattenanschlussstelle 7 ist exemplarisch eine Kupferschicht, die an der Oberfläche eines Substrats der Leiterplatte 2 aufgebracht ist. Die Plattenanschlussstelle 7 kann ein Teil einer auf dem Substrat der Leiterplatte 2 aufgebrachten Leiterbahn sein.
Die Modulanschlussstelle 6 ist eine auf einer Platine 14 des Leistungsmoduls 3 angeordnete Kontaktfläche. Konkret ist die Modulanschlussstelle 6 als eine Kupferschicht ausgebildet, die an der Oberfläche eines Substrats der Platine 14 aufgebracht ist. Die in der Vergussmasse 5 vergossene Platine 14 trägt und kontaktiert zudem die elektronischen Bauteile 4 des Leistungsmoduls, wobei im Bereich der Modulanschlussstelle 6 die Vergussmasse 5 ausgespart ist. Dies hat zur Folge, dass die Modulanschlussstelle 6 nach außen hin freiliegt.
Wie ebenfalls aus 1 ersichtlich wird, ist der Widerlagerabschnitt 13 als ein seitlich abstehender Vorsprung 15 ausgebildet. Der Vorsprung 15 weist eine ausreichend große Dicke bzw. Stärke auf, um der Klemmkraft des Pins 8 standhalten zu können. Ein besonderer Vorteil des Vorsprungs 15 ist jedoch, dass dieser ein sicheres Abstützen des Pins 8 während des Einpressvorgangs gewährleistet. Im Bereich des Wiederlagerabschnitts 13 durchsetzt die als eine Bohrung vorgesehene Kontaktierungsöffnung 11 die Modulanschlussstelle 6, das Substrat der Platine 14 und das unterhalb hiervon angeordnete Material der Vergussmasse 5.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Bezüglich des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels einer Leistungselektronikanordnung 1 unterscheidet sich die in 2 gezeigte Leistungselektronikanordnung 1 dadurch, dass der Fußabschnitt 9 des Pins 8 nicht an der Plattenanschlussstelle 7, sondern stattdessen an der Modulanschlussstelle 6 befestigt ist. Folglich ist das dem Fußabschnitt 9 gegenüberliegende Ende 10 des Pins 8 in der in 2 dargestellten Montagestellung in die der Plattenanschlussstelle 7 zugeordneten Kontaktierungsöffnung 11 eingepresst. Die Einpresshülse 12, die mit der Plattenanschlussstelle 7 in elektrischem Kontakt steht, in einer die Plattenanschlussstelle 7 und das Substrat der Leiterplatte 2 durchsetzende Bohrung eingesetzt. Im Übrigen gelten die Merkmale der im Zusammenhang mit 1 erläuterten Leistungselektronikanordnung 1 gleichermaßen für die Leistungselektronikanordnung 1 aus 2.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung der Ausführungsbeispiele der in den 1 und 2 dargestellten Leistungselektronikanordnungen 1 beschrieben. Zunächst wird der Fußabschnitt 9 des Pins 8 an der Anschlussstelle 6, 7 befestigt. Zu diesem Zweck kann ein elektrisch leitfähiger Kleber oder eine Schweißverbindung verwendet werden. Gegebenenfalls können auch mehrere Anschlussstellen 6, 7 jeweils mit einem Pin 8 bestückt werden. Anschließend wird das Leistungsmodul 3 gegen die Leiterplatte 2 bewegt, wobei der Pin 8 an seinem dem Fußabschnitt 9 gegenüberliegenden Ende 10 in die der jeweils anderen Anschlussstelle 6, 7 zugeordneten Kontaktierungsöffnung 11 bzw. in eine in der Kontaktierungsöffnung 11 angeordnete Einpresshülse 12 eingepresst wird. Die Einpresshülse 12 wird hierbei derart verformt, dass hierdurch eine stabile elektrische Kontaktierung zwischen der Modulanschlussstelle 6 und der Plattenanschlussstelle 7 ausgebildet wird. Dieser Einpressvorgang kann insbesondere mittels eines Pressstempels erfolgen, der bezüglich der in 1 und 2 dargestellten Anordnungen von unten gegen das Leistungsmodul 3 auffährt. Da der Pin 8 hierbei geradlinig von der Modulanschlussstelle 6 zu der Plattenanschlussstelle 7 verläuft sowie senkrecht zur Leiterplattenfläche angeordnet ist und zudem an der aus der Vergussmasse 5 gebildeten und die Modulanschlussstelle 6 aufweisenden Widerlagerabschnitt 13 abgestützt wird, wirkt die Einpresskraft in die Längsrichtung des Pins 8, wodurch ein Verbiegen bzw. Abknicken des Pins 8 während des Einpressens vermieden wird. Sobald das Leistungsmodul 3 in der endgültigen Montagestellung angekommen ist, wird dieses an der Leiterplatte 2 mittels einer Schraub- oder Klebeverbindung befestigt.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leistungselektronikanordnung 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Grundsätzlich gelten die im Zusammenhang mit den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen erläuterten Merkmale auf die in 3 gezeigte Leistungselektronikanordnung 1 gleicherma-ßen. Ein Unterschied ist jedoch, dass bei der Leistungselektronikanordnung 1 in 3 das dem Fußabschnitt 9 gegenüberliegende Ende 16 des Pins 8 ein geradliniger und parallel zu der Leiterplattenfläche verlaufender Endabschnitt ist, wobei die Kontaktierungsöffnung 11 an einer seitlich von der Leiterplatte 2 oder dem Leistungsmodul 3 abstehenden Kontaktkomponente 17 angeordnet ist.
Im Gegensatz zu den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen tritt der exemplarisch gewinkelte und U-förmige Pin 8 in 3 seitlich aus dem Vergussmaterial 5 des Leistungsmoduls 3 aus. Die Modulanschlussstelle 6 ist eine auf einer Platine 14 des Leistungsmoduls 3 angeordnete Kontaktfläche, die innerhalb des Leistungsmoduls 3 angeordnet beziehungsweise von der Vergussmasse 5 vergossen ist. Der Fußabschnitt 9 des Pins 8 ist ebenfalls innerhalb des Leistungsmoduls 3 angeordnet und dort an der Modulanschlussstelle 6 befestigt. Gleichermaßen ist denkbar, dass die Vergussmasse 5 im Bereich Modulanschlussstelle 6 wie in den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ausgespart wird und die Modulanschlussstelle 6 frei liegt.
Die Kontaktkomponente 17 ist ein platten- bzw. quaderförmiges Bauteil, das elektrisch leitfähig ist und an der Plattenanschlussstelle 7 beispielsweise mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers oder einer Verschweißung oder dergleichen befestigt und somit in elektrischem Kontakt steht. Die Kontaktierungsöffnung 11 ist eine parallel zu der Leiterplattenfläche verlaufende Bohrung in der Kontaktkomponente 17. In die Kontaktierungsöffnung 11 ist die Einpresshilfe 12 eingesetzt. Die Einpressung des Pins 8 bzw. dem Fußabschnitt 9 gegenüberliegenden Ende 16 des Pins 8 kann bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch erfolgen, dass das Leistungsmodul 3 bezüglich der Leiterplatte 2 von rechts nach links bewegt wird.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung der Leistungselektronikanordnung 1 aus 3 beschrieben. Zunächst wird der Fußabschnitt 9 des Pins 8 an der Modulanschlussstelle 6, die in 3 innerhalb des Leistungsmoduls 3 ist, befestigt. Dies erfolgt typischerweise bevor das Leistungsmodul 3 mit der Vergussmasse 5 vergossen wird. Anschließend wird das Leistungsmodul 3 entlang der Leiterplattenfläche bewegt, wobei der dem Fußabschnitt 9 abgewandte, geradlinige und bezüglich der Leiterplattenfläche parallel verlaufende Endabschnitt 16 des Pins 8 in die der Plattenanschlussstelle 7 zugeordneten Kontaktierungsöffnung 11 eingepresst wird. Die Kontaktierungsöffnung 11 ist hierbei an der seitlich von der Leiterplatte 2 abstehenden Kontaktkomponente 17 angeordnet. Durch die während des Einpressens entstehende Verformung der Einpresshülse 12 wird die elektrische Kontaktierung zwischen der Modulanschlussstelle 6 und der Plattenanschlussstelle 7 ausgebildet. Sobald das Leistungsmodul 3 in der endgültigen Montagestellung angekommen ist, wird dieses an der Leiterplatte 2 mittels einer Schraube oder Klebeverbindung befestigt.
Bezüglich des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist es auch denkbar, dass die Kontaktkomponente 17 seitlich an der Modulanschlussstelle 6 angeordnet ist. In diesem Fall ist die Kontaktierungsöffnung der Modulanschlussstelle 6 zugeordnet, wobei der Fußabschnitt 9 des Pins 8 an der Plattenanschlussstelle 7 befestigt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017212739 A1 [0006]
EP 2765840 A2 [0007]

Claims

Leistungselektronikanordnung umfassend eine Leiterplatte (2) und wenigstens ein an der Leiterplatte (2) befestigtes Leistungsmodul (3), das ein oder mehrere mittels einer Vergussmasse (5) vergossene elektronische Bauteile (4) aufweist, wobei wenigstens eine Modulanschlussstelle (6) des Leistungsmoduls (3) mit wenigstens einer Plattenanschlussstelle (7) der Leiterplatte (2) mittels eines elektrisch leitfähigen Pins (8) elektrisch kontaktiert ist, wobei ein Fußabschnitt (9) des Pins (8) an der Modulanschlussstelle (6) oder an der Plattenanschlussstelle (7) befestigt ist und das dem Fußabschnitt (9) gegenüberliegende Ende (10) des Pins (8) in der Montagestellung in eine der jeweils anderen Anschlussstelle (6, 7) zugeordneten oder zuordenbaren Kontaktierungsöffnung (11) eingepresst ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Pin (8) in der Montagestellung geradlinig von der Modulanschlussstelle (6) zu der Plattenanschlussstelle (7) verläuft und senkrecht zur Leiterplattenfläche angeordnet ist, wobei der Pin (8) an einem aus der Vergussmasse (5) gebildeten und die Modulanschlussstelle (6) aufweisenden Widerlagerabschnitt (13) abgestützt ist.
Leistungselektronikanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerlagerabschnitt (13) als ein seitlich abstehender Vorsprung (15) ausgebildet ist.
Leistungselektronikanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulanschlussstelle (6) eine auf einer Platine (14) des Leistungsmoduls (3) angeordnete Kontaktfläche ist, wobei die Platine (14) in die Vergussmasse (5), die im Bereich der Modulanschlussstelle (6) ausgespart ist, vergossen ist.
Leistungselektronikanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsöffnung (11) eine Öffnung der Plattenanschlussstelle (7) und/oder der Modulanschlussstelle (6) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung (1), wobei eine Leiterplatte (2) und wenigstens ein Leistungsmodul (3), das ein oder mehrere mittels einer Vergussmasse (5) vergossene elektronische Bauteile (4) aufweist, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fußabschnitt (9) eines elektrisch leitfähigen Pins (8) an entweder einer Modulanschlussstelle (6) des Leistungsmoduls (3) oder an einer Plattenanschlussstelle (7) der Leiterplatte (2) befestigt wird, wobei sodann das Leistungsmodul (3) gegen die Leiterplatte (2) oder umgekehrt bewegt wird und hierbei das dem Fußabschnitt (9) gegenüberliegende Ende (10) des Pins (8) in eine der jeweils anderen Anschlussstelle (6, 7) zugeordneten oder zuordenbaren Kontaktierungsöffnung (11) eingepresst und hierdurch eine elektrische Kontaktierung dieser Anschlussstellen (6, 7) realisiert wird, wobei der geradlinig von der Modulanschlussstelle (6) zu der Plattenanschlussstelle (7) verlaufende und senkrecht zur Leiterplattenfläche angeordnete Pin (8) an einem aus der Vergussmasse (5) gebildeten und die Modulanschlussstelle (6) aufweisenden Widerlagerabschnitt (13) abgestützt wird.
Leistungselektronikanordnung umfassend eine Leiterplatte (2) und wenigstens ein an der Leiterplatte (2) befestigtes Leistungsmodul (3), das ein oder mehrere mittels einer Vergussmasse (5) vergossene elektronische Bauteile (4) aufweist, wobei wenigstens eine Modulanschlussstelle (6) des Leistungsmoduls (3) mit wenigstens einer Plattenanschlussstelle (7) der Leiterplatte (2) mittels eines elektrisch leitfähigen Pins (8) elektrisch kontaktiert ist, wobei ein Fußabschnitt (9) des Pins (8) an der Modulanschlussstelle (6) oder an der Plattenanschlussstelle (7) befestigt ist und das dem Fußabschnitt (9) gegenüberliegende Ende (16) des Pins (8) in der Montagestellung in eine der jeweils anderen Anschlussstelle (6, 7) zugeordneten oder zuordenbaren Kontaktierungsöffnung (11) eingepresst ist, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Fußabschnitt (9) gegenüberliegende Ende (16) des Pins (8) ein geradliniger und parallel zu der Leiterplattenfläche verlaufender Endabschnitt ist, wobei die Kontaktierungsöffnung (11) an einer seitlich von der Leiterplatte (2) oder dem Leistungsmodul (3) abstehenden Kontaktkomponente (17) angeordnet ist.
Leistungselektronikanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkomponente (17) platten- oder quaderförmig ist.
Verfahren zur Herstellung einer Leistungselektronikanordnung (1), wobei eine Leiterplatte (2) und wenigstens ein Leistungsmodul (3), das ein oder mehrere mittels einer Vergussmasse (5) vergossene elektronische Bauteile (4) aufweist, verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fußabschnitt (9) eines elektrisch leitfähigen Pins (8) an entweder einer Modulanschlussstelle (6) des Leistungsmoduls (3) oder an einer Plattenanschlussstelle (7) der Leiterplatte (2) befestigt wird, wobei sodann das Leistungsmodul (3) entlang der Leiterplattenfläche oder umgekehrt bewegt wird und hierbei der dem Fußabschnitt (9) abgewandte, geradlinige und bezüglich der Leiterplattenfläche parallel verlaufende Endabschnitt (16) des Pins (8) in eine der jeweils anderen Anschlussstelle (6, 7) zugeordneten oder zuordenbaren Kontaktierungsöffnung (11), die an einer seitlich von der Leiterplatte (2) oder dem Leistungsmodul (3) abstehenden Kontaktkomponente (17) angeordnet ist, eingepresst wird, wobei hierdurch eine elektrische Kontaktierung dieser Anschlussstellen (6, 7) realisiert wird.
Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend eine Leistungselektronikanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 7.