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Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung mit einer Leiterplatte mit wenigstens zwei Stromleitungsschichtlagen, wobei die Stromleitungsschichtlagen sich in axialer Richtung der Leiterplatte erstrecken und in Dickenrichtung der Leiterplatte aufeinanderfolgend angeordnet sind.
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Leiterplatten dienen der Aufnahme und elektrischen Verbindung von Bauteilen. Eine Leiterplatte weist elektrisch leitende Elemente und elektrisch isolierende Elemente auf. Als elektrisch leitende Elemente werden insbesondere Lagen aus Kupfer verwendet. Diese werden auch Stromleitungsschichtlagen genannt. Auch ist es bekannt, in einer Leiterplatte mehrere Lagen Kupfer übereinander zu stapeln, wobei die Kupferlagen durch elektrisch isolierende Schichtlagen voneinander getrennt sind.
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Dabei wird üblicherweise versucht, die Leiterplatte in Dickenrichtung symmetrisch aufzubauen. Das heißt, dass beispielsweise ein Teil der Stromleitungsschichtlagen jeweils die gleiche Dicke aufweist.
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Ein Problem hierbei ist, dass die Anforderungen an die Stromtragfähigkeit in der Leiterplatte immer größer werden. Dies ist insbesondere bei DC/DC-Wandlern und Invertern der Fall. Aus diesem Grund werden in Leiterplatten statt der üblicherweise verwendeten 100 µm dicken Leiterplatten Dickkupferleiterplatten von bis zu 400 µm Kupferlagendicke verwendet.
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Um mit Dickkupferleiterplatten den notwendigen Leiterquerschnitt zu realisieren werden einerseits mehrere Lagen benötigt und andererseits sind die Lagen mittels Durchkontaktierungen zu verbinden. Dies führt zu erhöhten Kosten der Leiterplatte.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leiterplatte anzugeben, die bei möglichst geringen Kosten eine Hohe Stromtragfähigkeit ermöglicht.
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Zur Lösung dieses Problems wird für eine Leiterplattenanordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Leiterplattenanordnung wenigstens eine Busbar aufweist, die auf einer der Seitenflächen der Leiterplatte angeordnet und mit wenigstens einer Stromleitungsschichtlage der Leiterplatte kontaktiert ist.
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Eine Busbar ist ein Stromleiter für große Ströme und besitzt dafür einen entsprechenden Querschnitt. Eine Busbar wird auch als Stromleitungsschiene bezeichnet. Als Kern der Idee kann damit angesehen werden, zumindest einen Teil des durch die Leiterplatte fließenden Stromes durch eine Busbar zu transportieren und dadurch die Leiterplatte zu entlasten. Der komplette Stromfluss liegt also nicht mehr in der Leiterplatte, zumindest ein Teil erfolgt über eine Busbar. Diese ist als Teil einer Leiterplattenanordnung bestehend aus Leiterplatte und Busbar fest mit der Leiterplatte verbunden.
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Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Busbar die Leiterplatte an wenigstens zwei Stellen kontaktiert und als parallele Stromleitung der wenigstens einen Stromleitungsschichtlage angeordnet ist. Eine Leiterplatte kann mehrere Stromleitungsschichtlagen aufweisen. Die Busbar kann dabei für einen oder mehrere der Stromleitungsschichtlagen als parallele Stromleitung angeordnet sein.
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Dabei sind zwei Alternativen denkbar. In einer ersten Alternative kann die Busbar parallel zu einem Teilstück der Stromleitungsschichtlage oder der Stromleitungsschichtlagen angeordnet sein. In diesem Fall kann die Busbar beispielsweise bei der Überbrückung einer Verengung helfen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass nicht an allen Stellen der Leiterplatte eine hohe Stromtragfähigkeit benötigt wird. Busbars können an dieser Stelle helfen, die Stromtragfähigkeit der Leiterplatten gezielt zu erhöhen. Dadurch kann der Aufbau der Leiterplatten insgesamt kostengünstig gehalten werden, da die Stromtragfähigkeit durch eine oder mehrere von außen angebrachte Busbars gezielt an den Stellen erhöht wird, wo es notwendig ist.
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In einer weiteren Alternative kann vorgesehen sein, dass die Busbar parallel zu einer kompletten Stromleitungsschichtlage angeordnet ist. Wenn auf der gesamten Länge einer Stromleitungsschichtlage eine erhöhte Stromtragfähigkeit benötigt wird, kann die Busbar selbstverständlich auch parallel zu einer kompletten Stromleitungsschichtlage angeordnet sein. Die Busbar erhöht also wie beschrieben die Stromtragfähigkeit an den Strecken einer oder mehrerer Stromleitungsschichtlagen, wo es notwendig ist.
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Vorteilhafterweise kann den einer Phase zugeordneten Stromleitungsschichtlagen jeweils wenigstens eine Busbar zugeordnet sein. Auch eine Busbar kann nicht unbegrenzt Strom leiten. In Abhängigkeit des Stromleitungsbedarfs kann also auch jeder einzelnen Stromleitungsschichtlage, deren Stromleitfähigkeit beziehungsweise Stromtragfähigkeit erhöht werden soll, eine Busbar zu einem Teilstück oder auf der kompletten Länge zugeordnet werden. Wie bereits beschrieben kann so ganz gezielt die Stromtragfähigkeit der Stromleitungsschichtlagen dort erhöht werden, wo Bedarf besteht. Da es neben Stromleitungsschichtlagen zum primären Stromtransport auch Stromleitungsschichtlagen gibt, die primär dem Signaltransport dienen, ist es nicht notwendig, jeder Stromleitungsschichtlage zwingend eine Busbar zuzuordnen. Vielmehr ist es lediglich für die Stromleitungsabschnitte und die Stromleitungslagen vorzusehen, bei denen der Bedarf vorhanden ist.
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Bevorzugt kann die Busbar mittels Surface Mounting Technology (SMD) an der Leiterplatte befestigt sein. SMD ist beispielsweise interessant, wenn es sowieso Verarbeitungsschritte gibt, bei denen SMD verwendet wird. Dann kann die Busbar im gleichen Verarbeitungsschritt an der Leiterplatte befestigt werden.
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Alternativ kann die Busbar mittels Through Hole Technology (THT) an der Leiterplatte befestigt sein. THT ist insbesondere dann zur Verbindung interessant, wenn die Busbar mit mehreren Stromleitungsschichtlagen zu verbinden ist.
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Dabei kann die Busbar wie auch die Durchkontaktierungen einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dabei kann die Busbar mehrere Pins aufweisen, die in die Leiterplatte hineinreichen und mit der Leiterplatte verlötet sind. Diese Pins reichen dann in die Durchkontaktierungen. Dabei kann die Busbar rechtwinklig zur Oberfläche der Leiterplatte angeordnet sein. Durch diese Anordnung wird es möglich, mehrere Busbars mit großen Querschnittsflächen auf einer Leiterplatte anzuordnen.
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Weiter alternativ kann die Busbar an der Leiterplatte eingepresst sein. Dabei können die Einpresskontakte bevorzugt an der Leiterplatte vorgesehen sein und an der Busbar korrespondierende Bohrungen. Alternativ können die Einpresskontakte auch an der Busbar angeordnet sein.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Inverter mit Zwischenkreiskondensator und einer Leiterplattenanordnung. Der Inverter zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplattenanordnung wie beschrieben ausgebildet ist.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Leistungselektronik aufweisend einer Leiterplattenanordnung. Dass Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplattenanordnung wie beschrieben ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Figuren. Dabei zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug,
- 2 eine Leiterplattenanordnung in einer ersten Ausgestaltung,
- 3 eine Leiterplattenanordnung in einer zweiten Ausgestaltung,
- 4 eine Leiterplattenanordnung in einer dritten Ausgestaltung,
- 5 die Leiterplattenanordnung nach 4 in der Draufsicht,
- 6 eine Busbar,
- 7 eine Leiterplattenanordnung in einer vierten Ausgestaltung, und
- 8 eine Leiterplattenanordnung in einer fünften Ausgestaltung.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Leistungselektronik 2, beispielsweise in Form eines Inverters 3. Dieser umfasst eine Leiterplattenanordnung 4, die weiter unten ausführlicher beschrieben ist.
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Das Kraftfahrzeug 1 kann insbesondere eine elektrische Achse 5 aufweisen. Das Kraftfahrzeug 1 kann grundsätzlich als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
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2 zeigt eine Leiterplattenanordnung 4 in einer ersten Ausgestaltung. Auf der Leiterplatte 6 sind dabei sechs Busbars 7 angeordnet. Die Busbars 7 befinden sich außerhalb der Leistungsschalter 8. Sie sind dabei direkt auf die Oberfläche der Leiterplatte 6 mittels Surface Mounting Technology (SMD) gelötet.
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3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Leiterplattenanordnung 4. Auch bei dieser sind die Busbars 7 mittels SMD an der Leiterplatte 6 direkt aufgelötet.
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Zusammenfassend ergibt sich für eine mittels SMD verbundene Busbar 7 bevorzugt:
- Eine Busbar 7
- • kann verschiede Formen und Dicken haben
- • weist ein leitfähiges Material auf, das gelötet werden kann
- • besteht vorwiegend aus Kupfer
- • die Oberfläche ist bevorzugt verzinnt, damit eine gute Lötbarkeit erreicht wird
- • die Leiterplatte 6 hat vorteilhafterweise durch Lötstopplack abgetrennte Lötpads. Durch die Lötstopplackstege kann beim Löten die Luft entweichen. Dadurch wird ein voidarme Lötverbindung erreicht.
- • die Busbars 7 werden in Trays oder auf Rolle verpackt, damit die Busbar 7 vollautomatisiert an der SMD Anlage bestückt werden können.
- • hat kleine Löcher, damit beim großflächigen Löten die Luft entweichen kann. Dadurch wird ein voidarme Lötverbindung erreicht.
- • die Leiterplatte 6 hat Durchkontaktierungen in den Lötpads, Dadurch wird ein voidarme Lötverbindung erreicht.
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4 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Leiterplattenanordnung 4. Bei dieser sind Busbars 9 senkrecht auf der Oberfläche der Leiterplatte 6 angeordnet und mittels THT mit der Leiterplatte 6 verbunden. Dadurch wird es ermöglicht, eine größere Anzahl an Busbars 9 mit einer Leiterplatte 6 zu kontaktieren.
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Die Busbars 9 hat mehrere rechtwinklige Pins 10, die in die Leiterplatte 6 gesteckt werden und verlötet werden. Die Durchkontaktierungen in der Leiterplatte 6 sind ebenfalls rechteckig.
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Zusammenfassend ergibt sich für eine mittels THT verbundene Busbar 9 bevorzugt:
- Eine Busbar 9
- • kann verschiede Formen und Dicken haben
- • weist ein leitfähiges Material auf, das gelötet werden kann
- • besteht vorwiegend aus Kupfer
- • die Oberfläche ist bevorzugt verzinnt, damit eine gute Lötbarkeit erreicht wird
- • ist gestanzt und die Pins 10 sind rechteckig und auf einer Ebene angebracht
- • die Pads in der Leiterplatte 6 sind ebenfalls rechteckig. Durch diese Anpassung der Kontur wird ein Lotanstieg in der Hülse gewährleistet.
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5 zeigt die Leiterplattenanordnung nach 4 in der Draufsicht. Dabei erkennt man, dass durch die gewählte Verbindungstechnologie eine große Dichte an Busbars 9 an der Oberseite der Leiterplatte 6 erhalten werden kann.
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6 zeigt einen Busbar 9 in einer seitlichen Ansicht. Dabei sind Pins 10 zu erkennen, die in Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte 6 gesteckt und in diesen festgelötet werden können.
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7 zeigt eine Leiterplattenanordnung 4 in einer dritten Ausgestaltung. Dabei sind verzinnte Busbars 12 über verschiede Padgeometrien 12.1,12.2, 12.3 mit der Leiterplatte 6 verbunden. Auf der Leiterplatte 6 sind die Durchkontaktierungen 17 für die Busbar 9 dargestellt. 7 zeigt Leistungshalbleiter 8 als Beispiel für eine SMD Bestückung eines elektronischen Bauteils auf der Leiterplatte 6.
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8 zeigt ein Busbar 12 im Detail. Dabei erkennt man, dass die Busbar 12 eine Vielzahl an Bohrungen 14 enthält, die auf Einpresskontakte 16 der Leiterplatte gepresst wird.
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Wie bei der Alternative, bei der die Busbars mittels SMD an der Leiterplatte befestigt werden, sind die Busbars 12 parallel zur Oberfläche der Leiterplatte angeordnet.
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Alternativ zu der in den 7 und 8 gezeigten Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass die Einpresselemente an der Busbar ausgebildet sind und die Leiterplatte entsprechende Bohrungen beziehungsweise Durchkontaktierungen aufweist.
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Zusammenfassend ergibt sich für eine mittels Einpressen verbundene Busbar 12 bevorzugt:
- Eine Busbar 12
- • kann verschiede Formen und Dicken haben
- • weist ein leitfähiges Material auf, das gelötet werden kann
- • besteht vorwiegend aus Kupfer
- • läuft im Bereich der Einpresspins bzw. Einpresszone parallel zur Leiterplatte 6
- • die Einpresskontate sind bevorzugt Bestandteile eines Einpresselements. Dieses Einpresselement ist die Schnittstelle für eine Hochstromverbindunen zwischen der Leiterplatte 6 und externen Verbindungen wie z.B. Zwischenkreiskondensator, AC Motoranschlüsse, DC Batterieanschlüsse, u.a.. Das Einpresselement hat z.B. ein Gewinde für eine Schraubverbindung mit einer externen Busbar
- • sitzt wischen Einpresselement 6 und der Leiterplatte. Die Leiterplatte 6 kann auch zwischen dem Einpresselement und der Busbar sitzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Leistungselektronik
- 3
- Inverter
- 4
- Leiterplattenanordnung
- 5
- elektrische Achse
- 6
- Leiterplatte
- 7
- Busbar
- 8
- Leistungsschalter
- 9
- Busbar
- 10
- Pin
- 12
- Busbar
- 14
- Bohrung
- 16
- Einpresskontakt
