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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf elektronische Vorrichtungen und eine elektronische Anordnung.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Packages können als typischerweise eingekapselte elektronische Komponenten mit elektrischen Verbindungen bezeichnet werden, welche sich aus der Einkapselung erstrecken. Zum Beispiel können Packages mit einer elektronischen Peripherie verbunden werden, zum Beispiel auf einer gedruckten Leiterplatte montiert werden und/oder mit einer Wärmesenke verbunden werden, und können via Konnektoren mit einem größeren System verbunden werden.
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Packaging-Kosten sind ein bedeutender Antrieb für die Industrie. Damit stehen die Performance, die Dimensionen und die Zuverlässigkeit in Zusammenhang. Die verschiedenen Packaging-Lösungen sind vielfältig und müssen sich mit den Anforderungen einer spezifischen Anwendung befassen.
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Es ist auch bekannt, elektronische Komponenten auf und/oder in ein Trägerboard, zum Beispiel eine gedruckten Leiterplatte, oberflächenzumontieren und/oder einzubetten.
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Zusammenfassung
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Es mag ein Bedarf für eine kompakte elektronische Vorrichtung mit einer hohen Zuverlässigkeit und Performance bestehen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eines ersten Aspekts der Offenbarung ist eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, wobei die elektronische Vorrichtung ein Trägerboard, ein Metallinlay, welches eine Kavität hat und in dem Trägerboard angeordnet ist, mindestens eine elektronische Komponente, welche zumindest teilweise in der Kavität angeordnet ist und in dem Trägerboard eingebettet ist, und elektrische Kontakte an einem Rand mit Zinnen (engl.: castellated edge) des Trägerboards aufweist.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eines zweiten Aspekts der Offenbarung ist eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, wobei die elektronische Vorrichtung ein Trägerboard, mindestens eine elektronische Komponente, welche eingebettet in und/oder montiert auf dem Trägerboard ist, und elektrische Kontakte an einem Rand mit Zinnen des Trägerboard aufweist, wobei zumindest ein Teil des Randes mit Zinnen entlang zumindest eines Teils eines inneren Umfangs einer Öffnung in dem Trägerboard angeordnet ist.
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Gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist eine elektronische Anordnung bereitgestellt, welche eine erste elektronische Vorrichtung und eine zweite elektronische Vorrichtung aufweist, wobei die erste elektronische Vorrichtung und die zweite elektronische Vorrichtung aufeinander gestapelt sind, und wobei eine oder beide der ersten elektronischen Vorrichtung und der zweiten elektronischen Vorrichtung als eine elektronische Vorrichtung konfiguriert ist oder sind, welche die oben genannten Merkmale hat.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des ersten Aspekts der Offenbarung kann eine oder mehrere elektronische Komponenten (zum Beispiel mindestens ein Leistungshalbleiterchip) in einer Kavität eines Metallinlays aufgenommen sein, welches wiederum in einem Trägerboard eingebettet ist, wobei die elektrischen Kontakte an einem Rand mit Zinnen des Trägerboard eine elektrische Verbindung zwischen der elektronischen Vorrichtung (insbesondere zwischen der/den elektronischen Komponente(n), welche darin eingebettet ist/sind) und einer elektronischen Peripherie herstellen können, zum Beispiel einer gestapelten weiteren elektronischen Vorrichtung einer elektronischen Anordnung. Mit einem solchen Design kann die mindestens eine elektronische Komponente in einer zuverlässigen und kompakten Weise in dem Trägerboard montiert sein und mittels des Metallinlays mechanisch geschützt sein. Gleichzeitig kann das Metallinlay zu einer elektrischen Verbindung der mindestens einen elektronischen Komponente und/oder zu einer Ableitung von Wärme beitragen, welche mittels der elektronischen Komponente(n) während des Betriebs der elektronischen Vorrichtung oder Anordnung erzeugt wird. Mittels Bereitstellens der elektrischen Kontakte eines korrespondierenden Trägerboards an einem Rand mit Zinnen kann eine kompakte Gestaltung der elektronischen Vorrichtung und der Anordnung gefördert werden, und kurze und zuverlässige elektrische Verbindungen können zwischen gestapelten elektronischen Vorrichtungen einer elektronischen Anordnung hergestellt werden. Mittels der genannten kurzen Verbindungen werden Signalverluste und die Wärmeerzeugung effizient unterdrückt, was zu einer exzellenten mechanischen, elektrischen und thermischen Zuverlässigkeit führen kann. Das Bereitstellen eines Randes mit Zinnen mit den elektrischen Kontakten kann eine Anzahl von SMD-artigen Konnektoren verkleinern und kann eine Größe des entsprechenden Trägerboards reduzieren, wobei dadurch zu der Kompaktheit der elektronischen Vorrichtung beigetragen wird.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des zweiten Aspekts der Offenbarung kann ein Trägerboard mit einer eingebetteten und/oder oberflächenmontierten einer oder mehreren elektronischen Komponenten und mit einem oder mehreren inneren Rändern mit Zinnen zum Herstellen einer elektrischen Verbindung via die elektrischen Kontakte bereitgestellt sein, welche an einem derartigen mindestens einen inneren Rand mit Zinnen angeordnet sind. Somit kann eine elektrische Verbindung mit extrem kurzen und flexibel auswählbaren Strompfaden zwischen dem Trägerboard (und insbesondere zwischen der mindestens einen elektronischen Komponente, welche darin und/oder darauf montiert ist) einerseits und einer elektronischen Peripherie (zum Beispiel ein gestapeltes anderes Trägerboard) andererseits erzeugt werden. Zum Beispiel kann eine Öffnung (zum Beispiel eine Durchgangsöffnung) in irgendeinem gewünschten Bereich eines solchen Trägerboards gebildet sein und kann teilweise oder vollständig von einem Rand mit Zinnen begrenzt sein, welcher die elektrischen Kontakte hat. Zum Verbinden solcher elektrischen Kontakte des zugeordneten Trägerboards mit elektrischen Bahnen oder Pads eines anderen gestapelten Trägerboards kann es ausreichen, eine elektrisch leitfähige Kontaktstruktur (zum Beispiel ein Lötmaterial) an einer Schnittstelle zwischen dem inneren Rand mit Zinnen und den Bahnen oder Pads bereitzustellen. Auf vorteilhafte Weise kann ein oder mehrere innere Ränder mit Zinnen in irgendeinem gewünschten Bereich eines Trägerboards (zum Beispiel in einem funktionell ungenutzten Bereich eines Trägerboards) gebildet sein, um die elektrischen Verbindungspfade kurz zu halten und um das zugeordnete Trägerboard klein zu halten. Mittels Bereitstellens der elektrischen Kontakte eines solchen Trägerboards als ein innerer Rand mit Zinnen kann eine besonders kompakte Gestaltung der elektronischen Vorrichtung und Anordnung gefördert werden, und kurze und zuverlässige elektrische Verbindungen können zwischen gestapelten elektronischen Vorrichtungen einer elektrischen Anordnung hergestellt werden. Mittels der genannten sehr kurzen und flexibel definierbaren Verbindungen können die Signalverluste und die Wärmeerzeugung sehr gering gehalten werden, was eine exzellente Performance und Zuverlässigkeit fördert.
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Beschreibung von weiteren beispielhaften Ausführungsformen
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Im Folgenden sind weitere beispielhafte Ausführungsformen der elektronischen Vorrichtungen und der elektronischen Anordnung erläutert.
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Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Trägerboard“ insbesondere eine Stützstruktur bezeichnen, welche als eine mechanische Stütze für eine oder mehrere Komponenten dient, welche darin und/oder darauf zu montieren ist. In anderen Worten kann das Trägerboard eine mechanische Stützfunktion erfüllen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Trägerboard auch eine elektrische Verbindungsfunktion erfüllen. Ein Trägerboard kann ein einzelnes Teil, mehrere Teile, welche via eine Einkapselung oder andere Package-Komponenten verbunden sind, oder eine Teilbaugruppe aus Trägerboards aufweisen oder daraus bestehen. Bevorzugt kann ein Träger ein flacher lagenförmiger Körper sein. Insbesondere kann ein Trägerboard eine plattenförmige elektronische Montagebasis sein oder aufweisen, zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte (PCB).
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Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Metallinlay“ insbesondere einen metallischen Körper bezeichnen, welcher in einem Inneren eines Trägerboards angeordnet ist und ein einzelnes Teil oder mehrere Teile umfasst. Insbesondere kann das metallische Inlay ein lagenförmiger Körper sein, welcher ein metallisches Material aufweist oder daraus besteht, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Zum Beispiel kann ein Metallinlay ein Leiterrahmen, ein Metallblock (zum Beispiel aus Kupfer), etc. sein oder aufweisen.
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Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Kavität“ eine Öffnung in dem Metallinlay bezeichnen, welche als ein Aufnahmevolumen zum Aufnehmen einer elektronischen Komponente davon wirkt. Insbesondere kann eine Kavität eine Aussparung oder ein Sackloch sein, welches an einer Unterseite und seitlich von dem metallischen Material des Metallinlays begrenzt ist. Es ist allerdings auch möglich, dass die Kavität eine Durchgangsöffnung in dem Metallinlay ist, welche eine elektronische Komponente teilweise oder vollständig aufnimmt.
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Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Komponente“ insbesondere ein Element oder einen Körper umfassen, welcher in einem Trägerboard integriert ist und/oder auf ein Trägerboard bestückt ist. Zum Beispiel kann eine solche Komponente eine elektronische Komponente oder eine Komponente ohne eine elektronische Funktionalität sein, zum Beispiel ein Kühlblock (zum Beispiel aus Metall) oder sogar ein elektrisch isolierender Körper (zum Beispiel ein Block aus Keramik).
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Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „elektronische Komponente“ insbesondere einen Halbleiterchip (insbesondere einen Leistungshalbleiterchip), eine aktive elektronische Vorrichtung (zum Beispiel einen Transistor), eine passive elektronische Vorrichtung (zum Beispiel einen Kondensator oder eine Induktanz oder einen ohmschen Widerstand), einen Sensor (zum Beispiel ein Mikrofon, einen Lichtsensor oder einen Gassensor), einen Aktuator (zum Beispiel ein Lautsprecher), und ein mikroelektromechanisches System (MEMS) umfassen. Insbesondere kann die elektronische Komponente ein Halbleiterchip sein, welcher mindestens ein integriertes Schaltkreiselement (zum Beispiel eine Diode oder einen Transistor) in einem Oberflächenabschnitt davon hat. Die elektronische Komponente kann ein nacktes Plättchen sein oder kann bereits verpackt oder eingekapselt sein. Halbleiterchips, welche gemäß beispielhaften Ausführungsformen implementiert sind, können zum Beispiel in Siliziumtechnologie, Galliumnitridtechnologie, Siliziumkarbidtechnologie, etc. gebildet sein. Es ist allerdings auch möglich, dass eine elektronische Komponente eine passive Komponente ist, zum Beispiel ein Kondensator, eine Spule, und/oder ein ohmscher Widerstand.
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Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „elektrische Kontakte“ insbesondere elektrisch leitfähige Strukturen bezeichnen, zum Beispiel sich horizontal und/oder vertikal erstreckende Bahnen oder Pads, welche zum Herstellen von elektrischen Verbindungen in einem Trägerboard konfiguriert sein können.
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Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Rand mit Zinnen“ (engl.: castellated edge) insbesondere einen geneigten oder vertikalen Rand eines Trägerboards bezeichnen, welcher zu einer Begrenzung eines Trägerboards beiträgt und ein Oberflächenprofil mit abwechselnden seitlichen Erhebungen und Tälern aufweist, wobei die elektrischen Kontakte an verschiedenen Teilsektionen des Oberflächenprofils gebildet sein können. Insbesondere kann ein Rand mit Zinnen ein äußerer Rand mit Zinnen sein oder aufweisen, welcher einen Teil einer äußeren Grenze eines entsprechenden Trägerboards bildet. Zum Beispiel kann ein solcher äußerer Rand mit Zinnen entlang eines Teils oder entlang eines gesamten Umfangs oder Umkreises des Trägerboards angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein Rand mit Zinnen ein innerer Rand mit Zinnen sein oder aufweisen, welcher einen Teil einer inneren Grenze eines entsprechenden Trägerboards bildet und welcher vollumfänglich von Material des Trägerboards umgeben ist. Zum Beispiel kann ein solcher innerer Rand mit Zinnen entlang eines Teils oder entlang eines gesamten Umfangs oder Umkreises angeordnet sein, welcher eine Öffnung (zum Beispiel eine Durchgangsöffnung oder ein Sackloch) in dem Trägerboard begrenzt.
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Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „elektronische Vorrichtungen, welche aufeinander gestapelt sind“ insbesondere zwei oder mehrere elektronische Vorrichtungen bezeichnen, welche aufeinander montiert sind, insbesondere in einer vertikalen Richtung. Insbesondere kann eine, einige, oder alle der elektronischen Vorrichtungen flach und boardförmig sein, optional aufweisend eine oder mehrere oberflächenmontierte Komponenten. Eine elektrische Verbindung zwischen gestapelten elektronischen Vorrichtungen kann mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmediums hergestellt werden, zum Beispiel ein Lötmaterial, ein Sintermaterial, und/oder ein Klebstoff (insbesondere ein elektrisch leitfähiger Klebstoff).
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Bei einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil des Randes mit Zinnen entlang zumindest eines Teils eines äußeren Umfangs des Trägerboards angeordnet. Das Bereitstellen der elektrischen Kontakte an einem Rand mit Zinnen bei einer äußeren seitlichen Oberfläche des jeweiligen Trägerboards kann zuverlässige elektrische Verbindungen in einer platzsparenden Weise bereitstellen. Zusätzlich oder alternativ zu einem oder mehreren äußeren Rändern mit Zinnen, kann zumindest ein Teil des Randes mit Zinnen entlang zumindest eines Teils eines inneren Umfangs einer Öffnung in dem Trägerboard angeordnet sein. Das Bereitstellen von mindestens einem äußeren und/oder mindestens einem inneren Rand mit Zinnen eines Trägerboards kann eine kompakte elektrische Verbindung mit mehreren elektrischen Kontakten ermöglichen.
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Bei einer Ausführungsform weist der Rand mit Zinnen eine Mehrzahl von sich abwechselnden seitlichen Vertiefungen und seitlichen Überständen auf. Eine solche abwechselnde (zum Beispiel gewellte oder wellenförmige) Sequenz von Vertiefungen und Überständen kann an einer geneigten oder sogar vertikalen äußeren oder inneren Seitenwand des jeweiligen Trägerboards gebildet sein.
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Bei einer Ausführungsform weisen die Vertiefungen auf oder sind definiert mittels eines gekrümmten vertikalen Oberflächenbereichs, insbesondere eines konkav gekrümmten vertikalen Oberflächenbereichs des Trägerboards. Diese Ausgestaltung kann einen Fluss eines Lötmittels (oder einer anderen elektrisch leitfähigen Kontaktstruktur) selektiv in die Vertiefungen fördern. Dies kann zu einer guten Benetzung der elektrischen Kontakte bei den Vertiefungen mit dem fließfähigen Material der elektrisch leitfähigen Kontaktstruktur führen, und kann es somit ermöglichen, zuverlässige elektrische Verbindungen zu bilden. Anschaulich können Kapillareffekte einen autarken Fluss des Materials der elektrisch leitfähigen Kontaktstruktur zu gewünschten Positionen fördern. Die Vertiefungen können an ihrer gesamten Oberfläche oder nur an einem Teilabschnitt ihrer Oberfläche eine Metallisierung haben. Zum Beispiel ist es auch möglich, dass eine Vertiefung eine Oberfläche hat, welche mindestens einen passiven Oberflächenabschnitt und mindestens einen metallisierten Oberflächenabschnitt aufweist.
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Bei einer Ausführungsform weisen die Überstände einen planaren vertikalen Oberflächenbereich auf oder sind dadurch begrenzt. Allerdings sind auch andere Ausgestaltungen möglich. Insbesondere ist es möglich, dass ein jeweiliger Überstand mindestens eine planare und/oder mindestens eine nichtplanare (zum Beispiel konvexe und/oder konkave) Oberfläche oder Oberflächenabschnitt aufweist.
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Bei einer Ausführungsform sind die elektrischen Kontakte nur an den seitlichen Vertiefungen gebildet. Das fließfähige Material der elektrisch leitfähigen Kontaktstruktur, welches in die Vertiefungen fließt, kann dann zum Herstellen einer elektrischen Kopplung automatisch die elektrischen Kontakte benetzen.
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Bei einer Ausführungsform sind die seitlichen Überstände frei von den elektrischen Kontakten, können zum Beispiel dielektrisch sein. Anschaulich können die Überstände verschiedene elektrische Kontakte an benachbarten Vertiefungen auf eine zuverlässige Weise voneinander räumlich trennen und daher elektrisch entkoppeln. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Überstände eine vollständig dielektrische Oberfläche oder eine teilweise dielektrische und teilweise metallisierte Oberfläche haben. Zum Beispiel kann eine Metallisierung auch in einem Bereich eines Überstands eine Stabilisierung verbessern. Allerdings können solche Metallisierungsbereiche der Überstände von benachbarten Vertiefungen elektrisch isoliert (insbesondere getrennt und/oder passiviert) sein.
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Bei einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil der elektrischen Kontakte auf einem vertikalen Oberflächenabschnitt des Randes mit Zinnen gebildet. Insbesondere können vertikale Oberflächenabschnitte des Randes mit Zinnen mit einer metallischen Beschichtung bedeckt oder beschichtet sein, welche die elektrischen Kontakte herstellt.
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Bei einer Ausführungsform ist ein anderer Teil der elektrischen Kontakte nur auf einem oder auf beiden gegenüberliegenden horizontalen Oberflächenabschnitten des Randes mit Zinnen direkt neben einer entsprechenden Vertiefung gebildet. Somit mag oder mag nicht eine untere und/oder obere Oberfläche des entsprechenden Trägerboards benachbart zu einer entsprechenden Vertiefung des Randes mit Zinnen mit einer metallischen Beschichtung versehen sein, welche den entsprechenden elektrischen Kontakt bildet.
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Bei einer Ausführungsform weist die mindestens eine elektronische Komponente mindestens eines aus einer Gruppe auf, bestehend aus mindestens einer Leistungskomponente (insbesondere mindestens einem Halbleiter-Leistungschip), mindestens einer aktiven Komponente (insbesondere mindestens einem Transistorchip), und mindestens einer passiven Komponente (insbesondere mindestens einer Kondensator-Komponente). Zum Beispiel kann eine solche elektrische Komponente, welche auf dem entsprechenden Trägerboard oberflächenmontiert oder darin eingebettet ist, mit den elektrischen Kontakten bei dem Rand mit Zinnen elektrisch gekoppelt sein, und kann somit mit den elektrischen Kontakten und optional auch den Komponenten eines anderen gestapelten Trägerboards einer anderen elektronischen Vorrichtung elektrisch verbunden sein.
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Bei einer Ausführungsform ist die elektronische Vorrichtung konfiguriert zum Bereitstellen oder Beitragen zu einer elektronischen Inverterfunktion (insbesondere einer Drei-Phasen-Inverterfunktion). Anschaulich kann ein solcher Inverter einem elektrischen Motor elektrische Energie bereitstellen. Zu diesem Zweck kann der elektronische Inverter eine Mehrzahl von elektronischen Komponenten aufweisen, welche als Transistorschalter (insbesondere verkörpert als Feldeffekttransistorchips) konfiguriert sind, welche zum Umwandeln eines Gleichstroms (DC) zu einem Wechselstrom (AC) zusammenwirken, welcher einem AC-Motor zuzuführen ist. Zum Beispiel können drei Paare von Transistorschaltern der elektronischen Vorrichtung einem Drei-Phasen-Wechselstrom-Elektromotor einen Versorgungsstrom bereitstellen.
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Bei einer Ausführungsform sind die elektrischen Kontakte an dem Rand mit Zinnen im Wesentlichen in der gleichen vertikalen Ebene wie das Trägerboard angeordnet. Somit kann sich ein flaches Trägerboard im Wesentlichen in einer Ebene erstrecken, in welcher in einer komplanaren Weise auch die elektrischen Kontakte angeordnet sind. Dies vereinfacht die elektrische Verbindung zwischen gestapelten Trägerboards mittels der elektrischen Kontakte bei dem Rand mit Zinnen eines Trägerboards, welches mit planaren elektrisch leitfähigen Bahnen oder Pads des anderen Trägerboards und einer elektrisch leitfähigen Verbindungsstruktur dazwischen zusammenwirkt.
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Bei einer Ausführungsform ist das Trägerboard eine gedruckte Leiterplatte (PCB), insbesondere eine von einer FR4-basierten gedruckten Leiterplatte und einer Isoliertes-Metallsubstrat (IMS)-basierten gedruckten Leiterplatte. Eine FR4-basierte gedruckte Leiterplatte kann eine dielektrische Matrix aufweisen, welche Epoxidharz und Glasfasern enthält. Ein isoliertes Metallsubstrat kann eine Metall Grundplatte (aufgrund seiner geringen Dichte kann Aluminium verwendet werden), welche mit einer dünnen Schicht eines Dielektrikums (zum Beispiel einer Epoxid-basierten Schicht) bedeckt ist, und eine Schicht aus Metall (insbesondere Kupfer) aufweisen.
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Bei einer Ausführungsform weist die elektronische Anordnung eine elektrisch leitfähige Kontaktstruktur auf, welche die elektrischen Kontakte an dem Rand mit Zinnen elektrisch koppelt, insbesondere mit elektrisch leitfähigen Bahnen oder Pads eines anderen Trägerboards. Insbesondere kann die elektrisch leitfähige Kontaktstruktur eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten an dem Rand mit Zinnen eines Trägerboards und elektrischen Kontakten des anderen Trägerboards herstellen, welches mit dem zuvor genannten Trägerboard gestapelt ist. Es ist auch möglich, dass die elektrisch leitfähige Kontaktstruktur mindestens eine elektronische Komponente der elektronischen Vorrichtung via die elektrischen Kontakte an dem Rand mit Zinnen mit einer anderen elektronischen Vorrichtung elektrisch verbindet, zum Beispiel mit mindestens einer elektronischen Komponente davon.
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Bei einer Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige Kontaktstruktur eine Lötstruktur. Somit kann das Verbindungsmedium zum Beispiel eine Lötstruktur sein, insbesondere zum Diffusionslöten. Auch eine Lötpaste kann verwendet werden, zum Beispiel in Bezug auf ein Reflow-Löten. Alternativ kann eine Sinterstruktur (zum Beispiel aufweisend ein Silber-Sintermaterial) oder ein Klebstoff (insbesondere ein elektrisch leitfähiger Kleber) verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform weist die elektronische Anordnung eine Kühleinheit auf, zum Beispiel eine Wärmesenke, welche auf der ersten elektronischen Vorrichtung (welche wärmeerzeugende Leistungshalbleiterchips aufweisen kann) montiert ist. Somit kann die elektronische Anordnung einen Kühlkörper aufweisen, insbesondere eine Wärmesenke, welche mit der ersten elektronischen Vorrichtung physisch verbunden ist, insbesondere mit dem Trägerboard davon. Somit kann das Trägerboard der ersten elektronischen Vorrichtung (bevorzugt die elektronische Vorrichtung, welche mindestens eine elektronische Komponente eingebettet hat, welche ein Leistungshalbleiterchip sein kann) mit einer solchen Wärmesenke oder irgendeinem anderen Typ von Kühleinheit (zum Beispiel einer Gas- oder Flüssigkeitskühleinheit) verbunden sein. Zum Beispiel kann eine solche Wärmesenke eine thermisch leitfähige Platte (zum Beispiel eine Metallplatte) aufweisen, welche mit dem Trägerboard der ersten elektronischen Vorrichtung verbunden sein kann. Eine Mehrzahl von Kühlrippen kann sich von der thermisch leitfähigen Platte erstrecken, zum Fördern eines Wärmetransfers von der ersten elektronischen Vorrichtung zu einer Umgebung. Der Kühlkörper und das Trägerboard können zum Beispiel mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmediums verbunden sein, zum Beispiel ein Lötmaterial.
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Bei einer Ausführungsform ist die Kühleinheit (zum Beispiel die Wärmesenke) ohne einen physischen Kontakt mit den elektrischen Kontakten bei dem Rand mit Zinnen der ersten elektronischen Vorrichtung auf der ersten elektronischen Vorrichtung montiert. Somit kann der elektrische Pfad, entlang welchem sich elektrische Signale bewegen, wenn sie entlang der elektronischen Anordnung propagieren, zuverlässig von dem thermischen Pfad entkoppelt sein, entlang welchem die Wärme von der einen oder mehreren elektronischen Komponenten zu einer Umgebung der elektronischen Anordnung abgeleitet wird.
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Bei einer Ausführungsform hat die zweite elektronische Vorrichtung eine Öffnung, durch welche sich ein Teil der Kühleinheit (zum Beispiel eine Wärmesenke) erstreckt, um mit der ersten elektronischen Vorrichtung in Kontakt gebracht zu sein, welche auf der zweiten elektronischen Vorrichtung montiert ist, um zumindest einen Teil der Öffnung zu bedecken. Zum Beispiel ist eine solche Ausführungsform in 1 bis 4 gezeigt. Bei einer solchen Konfiguration kann die erste elektronische Vorrichtung an einer Hauptoberfläche der zweiten elektronischen Vorrichtung befestigt sein, wobei die Letztere eine zentrale Öffnung (insbesondere Durchgangsöffnung) hat, welche teilweise oder vollständig mittels der befestigten ersten elektronischen Vorrichtung geschlossen sein kann. Um einen zuverlässigen Wärmeableitungspfad von der ersten elektronischen Vorrichtung zu der Kühleinheit (zum Beispiel der Wärmesenke) herzustellen, kann die Kühleinheit teilweise durch die Öffnung in der zweiten elektronischen Vorrichtung geführt sein und kann somit in direkten physischen Kontakt mit der ersten elektronischen Vorrichtung gebracht sein. Bei einer solchen Konfiguration kann eine Hauptoberfläche der ersten elektronischen Vorrichtung sowohl mit der Wärmesenke als auch mit der zweiten elektronischen Vorrichtung verbunden sein. Diese Architektur bietet eine exzellente thermische Performance in Kombination mit einer äußerst kompakten Ausgestaltung. Bevorzugt kann ein äußerer Rand mit Zinnen in der ersten elektronischen Vorrichtung vorgesehen sein und kann die Öffnung umgeben, welche sich durch die zweite elektronische Vorrichtung erstreckt.
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Bei einer Ausführungsform ist die erste elektronische Vorrichtung zwischen der zweiten elektronischen Vorrichtung und der Kühleinheit (zum Beispiel der Wärmesenke) angeordnet. Zum Beispiel ist eine solche Ausführungsform in 5 bis 11 gezeigt. Zum Beispiel kann eine Hauptoberfläche der ersten elektronischen Vorrichtung mit der Wärmesenke verbunden sein, wohingegen die gegenüberliegende andere Hauptoberfläche der ersten elektronischen Vorrichtung mit der zweiten elektronischen Vorrichtung verbunden sein kann. Somit können sich die elektrischen Signale auf einer Seite der ersten elektronischen Vorrichtung bewegen, wohingegen die Wärme entlang der anderen Seite der ersten elektronischen Vorrichtung abgeleitet werden kann.
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Bei einer Ausführungsform hat die zweite elektronische Vorrichtung mindestens eine Öffnung, in welche sich zumindest ein Teil der mindestens einen oberflächenmontierten elektronischen Komponente der ersten elektronischen Vorrichtung erstreckt. Noch bezugnehmend auf die vorangehend beschriebene Ausführungsform können eine oder mehrere oberflächenmontierte elektronische Komponenten (zum Beispiel Konnektoren, Shunts, etc.) der ersten elektronischen Vorrichtung an der Hauptoberfläche des Trägerboards, an welcher die erste elektronische Vorrichtung mit der zweiten elektronischen Vorrichtung verbunden ist, über ihr Trägerboard hinausstehen. Zu diesem Zweck können eine oder mehrere Öffnungen (insbesondere Durchgangsöffnungen oder Sacklöcher) an dem Trägerboard der zweiten elektronischen Vorrichtung vorgesehen sein, durch welche die oberflächenmontierten Komponenten der ersten elektronischen Vorrichtung geführt sein können. Dies stellt eine kompakte Ausgestaltung der elektronischen Anordnung und kurze elektrische Verbindungspfade sicher.
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Bei einer Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige Kontaktstruktur zum elektrischen Koppeln der elektrischen Kontakte an dem Rand mit Zinnen von einer der ersten elektronischen Vorrichtung und der zweiten elektronischen Vorrichtung mit horizontalen elektrisch leitfähigen Bahnen der anderen der ersten elektronischen Vorrichtung und der zweiten elektronischen Vorrichtung konfiguriert. Eine solche elektrische Verbindung zwischen den vertikalen elektrischen Kontakten bei dem Rand mit Zinnen einer elektronischen Vorrichtung und den horizontalen elektrisch leitfähigen Bahnen oder Pads der anderen elektronischen Vorrichtung kann rein durch ein Aufbringen eines Punkts aus einem fließfähigen Verbindungsmedium (zum Beispiel ein Lötmaterial) auf eine Schnittstelle zwischen den vertikalen elektrischen Kontakten und den horizontalen Bahnen bewerkstelligt werden.
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Bei einer Ausführungsform ist die erste elektronische Vorrichtung ein Leistungsboard und die zweite elektronische Vorrichtung ist ein Kondensatorboard, insbesondere einer elektronischen Anordnung, welche zum Zuführen von elektrischer Energie zu einem Elektromotor konfiguriert ist. Eine solche elektronische Anordnung kann eine Inverterfunktion bereitstellen, und insbesondere eine Drei-Phasen-Inverterfunktion für einen Elektromotor. Die erste elektronische Vorrichtung, welche als das Leistungsboard konfiguriert ist, kann eingebettete und/oder oberflächenmontierte Leistungshalbleiterchips aufweisen, zum Beispiel Feldeffekttransistorchips, welche eine Schaltfunktion in Bezug auf den Inverterbetrieb bereitstellen. Die zweite elektronische Vorrichtung, welche als das Kondensatorboard konfiguriert ist, kann eingebettete und/oder oberflächenmontierte passive Kondensatorkomponenten aufweisen, welche mit dem Leistungsboard zusammenwirken.
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Bei einer Ausführungsform weist die mindestens eine Komponente mindestens eine Leistungskomponente und eine Treiberkomponente auf. Zum Beispiel können die Leistungskomponenten Halbleiter-Leistungskomponenten sein, zum Beispiel Transistorchips (welche zum Beispiel Feldeffekttransistorchips und/oder Bipolartransistorchips sein können) oder Diodenchips. Die Treiberkomponente kann ein Logikchip oder ein Controller-Chip zum Steuern der Leistungskomponenten sein. Zumindest ein Teil der genannten Komponenten können aktive Chips sein.
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Bei einer Ausführungsform weist die mindestens eine Komponente mindestens eine passive Komponente auf. Somit können, zusätzlich zu dem mindestens einen aktiven Chip, eine oder mehrere passive Komponenten bereitgestellt sein, zum Beispiel Kapazitanzen, ohmsche Widerstände, Induktanzen, etc.
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Die aktiven Komponenten können Elemente oder Vorrichtungen sein, welche geeignet zum Bereitstellen oder Zuführen von Energie zu dem Schaltkreis sind (zum Beispiel ein Transistor). Die passiven Komponenten können Vorrichtungen sein, welche keine externe Quelle für den Betrieb benötigen und zum Speichern von Energie in der Form von Spannung oder Strom in dem Schaltkreis geeignet sind (zum Beispiel eine Kapazität).
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Bevorzugt weist ein entsprechendes Trägerboard eine gedruckte Leiterplatte auf. Bei anderen Ausführungsformen weist das Trägerboard eine Metallplatte oder einen Leiterrahmen auf. Allerdings ist es auch möglich, dass das Trägerboard einen Stapel aufweist, welcher eine zentrale elektrisch isolierende und thermisch leitfähige Schicht (zum Beispiel eine Keramikschicht) umfasst, welche an beiden gegenüberliegenden Hauptoberflächen mit einer jeweiligen elektrisch leitfähigen Schicht (zum Beispiel eine Kupferschicht oder eine Aluminiumschicht, wobei die jeweilige elektrisch leitfähige Schicht eine kontinuierliche oder eine strukturierte Schicht sein kann) bedeckt ist. Insbesondere kann das Trägerboard ein Direkt-Kupfer-Bonding (DCB) Substrat oder ein Direkt-Aluminium-Bonding (DAB) Substrat sein. Allerdings kann das Trägerboard auch als ein Active-Metal-Brazing (AMB) Substrat konfiguriert sein.
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Bevorzugt ist mindestens eine elektronische Komponente ein Leistungshalbleiterchip. Zum Beispiel kann eine entsprechende Leistungshalbleiteranwendung mittels des/der Chips realisiert sein, wobei integrierte Schaltkreiselemente eines solchen Leistungshalbleiterchips mindestens einen Transistor (insbesondere einen Feldeffekttransistor, zum Beispiel einen MOSFET (Metalloxid Halbleiter Feldeffekttransistor) oder einen Bipolartransistor, zum Beispiel einen IGBT (isoliertes Gate Bipolartransistor)), mindestens eine Diode, etc. aufweisen können. Es ist auch möglich, dass die mindestens eine elektronische Komponente einen Controller-Schaltkreis, einen Treiberschaltkreis, etc. aufweist. Ein oder mehrerer von diesen und/oder anderen Schaltkreisen kann in einem Halbleiterchip integriert sein, oder separat in verschiedenen Chips sein. Insbesondere können elektronische Vorrichtungen oder Anordnungen hergestellt werden, welche eine Halbbrückenfunktion, eine Vollbrückenfunktion, etc. erfüllen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die mindestens eine elektronische Komponente ein Logikplättchen sein.
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Bei einer Ausführungsform ist die elektronische Vorrichtung oder Anordnung als ein Leistungswandler konfiguriert, insbesondere einer von einem AC/DC Leistungswandler und einem DC/DC Leistungswandler. Allerdings können auch andere elektronische Anwendungen möglich sein, zum Beispiel Inverter, etc.
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Als Substrat oder Wafer für die Halbleiterchips kann ein Halbleitersubstrat verwendet werden, insbesondere ein Siliziumsubstrat. Alternativ kann ein Siliziumoxid- oder ein anderes Isolatorsubstrat bereitgestellt sein. Es ist auch möglich, ein Germaniumsubstrat oder ein III-V-Halbleitermaterial zu implementieren. Zum Beispiel können beispielhafte Ausführungsformen in GaN- oder SiO-Technologie implementiert sein.
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Ferner können beispielhafte Ausführungsformen Standard-Halbleiterverarbeitungstechnologien verwenden, zum Beispiel geeignete Ätztechnologien (einschließlich isotropischen und anisotropischen Ätztechnologien, insbesondere Plasmaätzen, Trockenätzen, Nassätzen, Laserentfernung), Strukturiertechnologien (welche lithographische Masken involvieren können), Abscheidungstechnologien (zum Beispiel chemische Dampfabscheidung (CVD), plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD), Atomlagenabscheidung (ALD), Sputtern, etc.).
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Die oben genannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen gleiche Teile oder Elemente mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind.
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Figurenliste
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Die beigefügten Zeichnungen, welche enthalten sind, um ein tieferes Verständnis von beispielhaften Ausführungsformen bereitzustellen, und welche einen Teil der Beschreibung darstellen, zeigen beispielhafte Ausführungsformen.
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In den Zeichnungen:
- 1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
- 2 zeigt eine andere dreidimensionale Ansicht der elektronischen Anordnung gemäß 1.
- 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten elektronischen Vorrichtung der elektronischen Anordnung gemäß 1 und 2.
- 4 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, welches eine elektronische Funktionalität der elektronischen Anordnung gemäß 1 bis 3 zeigt.
- 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
- 6 zeigt eine andere dreidimensionale Ansicht der elektronischen Anordnung gemäß 5.
- 7 zeigt eine Seitenansicht der elektronischen Anordnung gemäß 5 und 6.
- 8 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung, ähnlich wie 5 bis 7, welche jedoch innere Ränder mit Zinnen an einer zweiten elektronischen Vorrichtung hat.
- 9 zeigt eine Detailansicht eines inneren Randes mit Zinnen der elektronischen Anordnung gemäß 8.
- 10 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform.
- 11 zeigt eine andere dreidimensionale Ansicht der elektronischen Anordnung gemäß 10.
- 12 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Vorrichtung für eine elektronische Anordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
- 13 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung mit der elektronischen Vorrichtung gemäß 12, welche auf einer anderen elektronischen Vorrichtung montiert ist.
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Ausführliche Beschreibung
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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Bevor beispielhafte Ausführungsformen genauer mit Bezug auf die Figuren beschrieben sind, sind einige allgemeine Überlegungen zusammengefasst, basierend auf welchen beispielhafte Ausführungsformen entwickelt wurden.
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Ein elektrischer Schaltkreis, welcher für eine Antriebsanwendung verwendet werden kann, ist ein Drei-Phasen-Inverter, welcher drei MOSFET Halbbrücken aufweist, welche einem Elektromotor elektrische Energie zuführen. Ein Beispiel für eine Antriebsanwendung ist ein Elektroscooter. Herkömmlich kann ein Inverter-Board für ein solches System ein Aufbau unter Verwendung einer FR4-oder IMS-basierten PCB und diskreten Komponenten sein, zum Beispiel Leistung-MOSFETs und passive Komponenten. In diesem Fall müssen die Hersteller ihre eigene individuelle Inverter-Lösung erzeugen, welche hinsichtlich des spezifischen Bedarfs und der Systemanforderungen für eine jeweilige Anwendung kundenspezifisch angepasst ist. Ein Chiphersteller kann diskrete Komponenten bereitstellen, welche verwendet werden, um eine kundenspezifisch angepasste Systemlösung aufzubauen. Ein solcher Ansatz ist aufwändig.
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Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann es möglich sein, eine vollständige oder eine teilweise Systemlösung bereitzustellen, welche als Ganzes in eine finale Anwendung eingebaut werden kann, zum Beispiel einen Elektroscooter, um dem Elektromotor elektrische Energie zuzuführen. Ein solcher Ansatz hat den Vorteil eines reduzierten Design- und Entwicklungsaufwand für einen Inverter oder eine andere elektronische Anwendung, was zu einer kürzeren Entwicklungszeit führen kann.
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Auf vorteilhafte Weise können korrespondierende elektronische Vorrichtungen und eine elektronische Anordnung gemäß beispielhaften Ausführungsformen einen oder mehrere Ränder mit Zinnen (welche äußere Ränder mit Zinnen und/oder Öffnungen mit Zinnen sein können, d. h. innere Ränder mit Zinnen) eines jeweiligen Trägerboards (insbesondere zum Substituieren von zumindest einem Teil von SMD-Anschlüssen) verwenden. Insbesondere innere Ränder mit Zinnen können den Vorteil haben, ultrakurze elektrische Verbindungspfade bereitzustellen, wobei dadurch die ohmschen Verluste und die thermische Last klein gehalten werden und die Signalqualität hoch gehalten wird. Darüber hinaus kann dies auf vorteilhafte Weise den Energieverbrauch reduzieren. Beim Kombinieren des Ansatzes von einem oder mehreren Rändern mit Zinnen mit einer Einbettungsarchitektur, bei welcher mindestens eine elektronische Komponente in einer Kavität eines Metallinlays (zum Beispiel eines Leiterrahmens) eingebettet ist, welches wiederum in einem Trägerboard einer elektronischen Vorrichtung integriert ist, können exzellente Eigenschaften in Bezug auf die thermische, mechanische und elektrische Performance erzielt werden.
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Bevorzugt kann es möglich sein, zwei Trägerboards von zwei gestapelten elektronischen Vorrichtungen einer elektronischen Anordnung so anzuordnen, dass die Zinnen (zum Beispiel Durchgangsöffnungselemente mit plattierter Oberseite und Boden) eine Wärmesenke oder eine andere Kühleinheit nicht kontaktiert, welche an einer der elektronischen Vorrichtungen für Wärmeableitungszwecke befestigt ist. Bei einer Ausführungsform kann es auch möglich sein, die Zinnen oder einen Rand mit Zinnen in einer Sackloch-Architektur zu verkörpern, d. h. auf einer Seite nicht verbunden.
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Genauer bezieht sich eine beispielhafte Ausführungsform auf eine elektronische Anordnung, welche als eine Drei-Phasen MOSFET Leistungsvorrichtung konfiguriert ist, für eine Reduktion einer PCB-Größe via Verbindungen mit Zinnen.
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Bei einer Ausführungsform kann eine erste elektronische Vorrichtung mit Rändern mit Zinnen, welche als ein Leistungsboard konfiguriert ist, mit einer zweiten elektronischen Vorrichtung gestapelt sein, welche als ein Kondensatorboard konfiguriert ist, zum Beispiel mit einer Lötverbindung dazwischen.
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Bei einer Ausführungsform kann das Leistungsboard auf eine Oberseite des Kondensatorboard gelötet sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Leistungsboard an eine Unterseite des Kondensatorboards gelötet sein.
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Bei Ausführungsformen kann das Kondensatorboard in der Mitte eine Öffnung zum Hindurchführen einer Kühleinheit (zum Beispiel die Wärmesenke) durch die Öffnung und zum Kontaktieren (und dadurch thermisch Koppeln) der Kühleinheit mit dem Leistungsboard haben. Bevorzugt kann die Wärmesenke mit dem Leistungsboard direkt über eine Schnittstelle verbunden sein. Die Wärmesenke kann eine Oberfläche haben, welche kleiner als eine Oberfläche des Leistungsboards ist, um die Wärmesenke (oder irgendeine andere Kühleinheit) von den Zinnen (oder einem Rand mit Zinnen) des Leistungsboard entfernt zu halten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform können eine oder mehrere innere Zinnen in dem Kondensatorboard verwendet werden, um Steuersignale über eine Schnittstelle zu koppeln. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, eine oder mehrere innere Zinnen bei dem Leistungsboard bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform können eine oder zusätzliche Öffnungen in dem Kondensatorboard zusätzliche Kontaktpunkte bereitstellen.
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1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung 140 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform von einer Oberseite, und zeigt zusätzlich ein Detail 166, welches den Aufbau eines Randes 119 mit Zinnen zeigt. 2 zeigt eine andere dreidimensionale Ansicht der elektronischen Anordnung 140 gemäß 1 von einer Unterseite. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten elektronischen Vorrichtung 100 der elektronischen Anordnung 140 gemäß 1 und 2 (ohne die oberflächenmontierten Komponenten zu zeigen). 4 zeigt ein Schaltkreisdiagramm 150, welches eine elektronische Funktionalität der elektronischen Anordnung 140 gemäß 1 bis 3 zeigt.
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Genauer bezieht sich die Ausführungsform von 1 bis 4 auf eine elektronische Anordnung 140, welche eine erste elektronische Vorrichtung 100 und eine zweite elektronische Vorrichtung 102 aufweist. Wie in 1 zu sehen ist, sind die erste elektronische Vorrichtung 100 und die zweite elektronische Vorrichtung 102 aufeinander gestapelt. Genauer ist die erste elektronische Vorrichtung 100 auf einer oberen Hauptoberfläche der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 montiert, zum Beispiel mittels Lötens. Die mechanische Verbindung zwischen der ersten elektronischen Vorrichtung 100 und der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 kann auch eine elektrisch leitfähige Verbindung dazwischen herstellen, wie unten genauer beschrieben ist.
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Der innere Aufbau der ersten elektronischen Vorrichtung 100 ist in dem Detail in 3 gezeigt, der äußere Aufbau ist in 1 gezeigt. Wie in der Querschnittsansicht von 3 gezeigt ist, weist die erste elektronische Vorrichtung 100 ein mehrschichtiges laminatartiges Trägerboard 104 (zum Beispiel ein sechsschichtiges Board) mit einem eingebetteten Metallinlay 108 auf. Wie gezeigt ist, ist ein leiterrahmenartiges Metallinlay 108, welches eine Kavität 110 hat, in einem laminierten Schichtenstapel aus elektrisch isolierenden Schichten 152 und elektrisch leitfähigen Schichten 154 des Trägerboards 104 eingebettet. Ferner stellen metallische Vias 156 elektrische Verbindungen in einem Inneren des Trägerboards 104 her. Zum Beispiel können die elektrisch isolierenden Schichten 152 aus FR4 sein, d. h. Epoxidharz mit Glasfasern. Die elektrisch leitfähigen Schichten 154 und die Vias 156 können aus Kupfer sein. Eine Oberseite und eine Unterseite des Trägerboards 104 können teilweise mit einem Lötresist 158 bedeckt sein. Anschaulich kann das Trägerboard 104 als eine gedruckte Leiterplatte mit einem eingebetteten Leiterrahmen verkörpert sein.
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3 zeigt eine elektronische Komponente 112, welche in einer mechanisch geschützten Weise in der Kavität 110 des leiterrahmenartigen Metallinlays 108 angeordnet ist. Folglich ist auch die elektronische Komponente 112 in dem Trägerboard 104 eingebettet. Die elektronische Komponente 112 kann ein Halbleiterleistungschip sein, zum Beispiel ein MOSFET Chip. Obwohl in 3 nur eine elektronische Komponente 112 gezeigt ist, kann eine Mehrzahl von (zum Beispiel sechs) elektronischen Komponenten 112 in dem Trägerboard 104 eingebettet sein. Die Wärme, welche mittels der elektronischen Komponente(n) 112 während des Betriebs der elektronischen Anordnung 140 erzeugt wird, kann mittels des äußerst thermisch leitfähigen Metallinlays 108 abgeleitet werden. Es ist optional auch möglich, dass die Pads der elektronischen Komponente(n) 112 mittels des elektrisch leitfähigen Metallinlays 108 und/oder mittels der Vias 156 elektrisch gekoppelt sind. Somit kann das beschriebene Metallinlay 108 zu der mechanischen, elektrischen und/oder thermischen Zuverlässigkeit der elektronischen Anordnung 140 als Ganzes beitragen.
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Obwohl dies in 3 nicht gezeigt ist, kann die erste elektronische Vorrichtung 100 eine Mehrzahl von oberflächenmontierten Komponenten aufweisen, welche in 1 gezeigt sind. Solche oberflächenmontierten Komponenten können elektrische Konnektorkomponenten 160 und Shuntkomponenten 162 aufweisen. Zum Beispiel können die SMD-artigen Konnektorkomponenten 160 eine elektrische Verbindung zu Kondensatoren herstellen (insbesondere, um eine Eingangsspannung von Kondensatoren bereitzustellen) und können verbunden sein, zum Beispiel mit einem Kondensatorboard. Zum Beispiel kann jede der (in diesem Beispiel) drei Konnektorkomponenten 160 einer Jeweiligen von drei Phasen eines Elektromotors zugeordnet sein, welcher von der elektronischen Anordnung 140 versorgt wird. Obwohl in 1 eine Mehrzahl von SMD-artigen Shuntkomponenten 162 gezeigt ist, können sie in anderen Ausführungsformen weggelassen sein (zum Beispiel wenn Stromphasensensoren verwendet werden). Ferner können elektrische Schnittstellenelemente 164 auf der oberen Hauptoberfläche des Trägerboards 104 der ersten elektronischen Vorrichtung 100 montiert sein. Zum Beispiel können die elektrischen Schnittstellenelemente 164 mit einem optionalen Steuerboard (welches das Kondensatorboard oder ein separates Board sein kann) oder Gate-Treibern (nicht gezeigt) verbunden sein.
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Das Trägerboard 106 der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 kann zum Beispiel eine FR4-artige gedruckte Leiterplatte (PCB) mit einer Mehrzahl von elektronischen Komponenten 114 sein. Wie in 1 gezeigt ist, kann zumindest ein Teil der Komponenten 114 auf dem Trägerboard 106 oberflächenmontiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Trägerboard 106 eine oder mehrere eingebettete Komponenten 114 (nicht gezeigt) aufweisen. Zum Beispiel können die Komponenten 114 passive Komponenten sein, zum Beispiel KondensatorKomponenten.
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Wie in dem Detail 166 in 1 zu sehen ist, weist das Trägerboard 104 vertikale elektrische Kontakte 116 an einem äußeren Rand 119 mit Zinnen des Trägerboards 104 auf. Benachbart zu den elektrischen Kontakten 116 weist das Trägerboard 106 horizontale elektrisch leitfähige Bahnen 130 auf. Mittels des Auftragens eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmediums, zum Beispiel eines Lötmittels, auf einen Schnittstellenbereich zwischen den elektrischen Kontakten 116 und den elektrisch leitfähigen Bahnen 130 können das Trägerboard 104 und das Trägerboard 106 via den Rand 119 mit Zinnen elektrisch gekoppelt sein. Wie in 1 gezeigt ist, ist der Rand 119 mit Zinnen entlang des gesamten äußeren Umfangs des Trägerboards 104 angeordnet, ausgenommen von kontaktfreien Ecken. Wieder bezugnehmend auf das Detail 166 weist der Rand 119 mit Zinnen eine Mehrzahl von sich abwechselnden seitlichen Vertiefungen 122 und seitlichen Überständen 124 auf. Wie gezeigt ist, sind die elektrischen Kontakte 116 an dem Rand 119 mit Zinnen des Trägerboards 104 im Wesentlichen bei der gleichen vertikalen Ebene wie das planare Trägerboard 104 angeordnet, d. h. bei einer Seitenwand davon. Entsprechend sind die elektrisch leitfähigen Bahnen 130 des Trägerboards 106 neben dem Rand 119 mit Zinnen im Wesentlichen bei der gleichen vertikalen Ebene wie das planare Trägerboard 106 angeordnet. Somit kann das reine Montieren des planaren Trägerboards 104 auf das planare Trägerboard 106 und das Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Kontaktstruktur (siehe Bezugszeichen 126 in 13), zum Beispiel eines Lötmittels, mehrere elektrische Verbindungen zwischen der ersten elektronischen Vorrichtung 100 und der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 herstellen. Somit kann die genannte elektrisch leitfähige Kontaktstruktur 126 zum elektrischen Koppeln der elektrischen Kontakte 116 bei dem Rand 119 mit Zinnen der ersten elektronischen Vorrichtung 100 mit den horizontalen elektrisch leitfähigen Bahnen 130 der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 konfiguriert sein.
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Wie am besten in 2 zu sehen ist, weist die elektronische Anordnung 140 eine Wärmesenke 128 auf, welche an einer unteren Oberfläche der ersten elektronischen Vorrichtung 100 zum Ableiten von Wärme montiert ist, welche mittels der Komponente(n) 112 erzeugt wird. Als eine Alternative zu einer Wärmesenke 128 kann eine andere Kühleinheit implementiert sein (zum Beispiel eine Luft- oder Wasserkühleinheit). Um die elektrischen Verbindungen intakt zu halten, kann die Wärmesenke 128 auf die erste elektronische Vorrichtung 100 ohne einen physischen Kontakt mit den elektrischen Kontakten 116 an dem Rand 119 mit Zinnen der ersten elektronischen Vorrichtung 100 montiert sein. Um einen direkten physischen Kontakt zwischen der ersten elektronischen Vorrichtung 100 und der Wärmesenke 128 zu ermöglichen, hat die zweite elektronische Vorrichtung 102 eine zentrale Öffnung in Form einer Durchgangsöffnung, durch welche sich ein Teil der Wärmesenke 128 erstreckt. Somit kann die zweite elektronische Vorrichtung 102 eine ringförmige Form haben. Folglich kann die Wärmesenke 128 das Leistungsboard durch eine Aussparung in dem Kondensatorboard direkt kühlen. Als Ergebnis ist die Wärmesenke 128 in Kontakt mit der ersten elektronischen Vorrichtung 100 gebracht, welche auf der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 montiert ist, um die gesamte Öffnung der Letzteren zu bedecken.
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Zum Gestalten des Trägerboards 104 kann ein PCB-basierter Herstellungsprozess implementiert sein. Letzterer kann die Integration der elektronischen Komponenten 112 (welche insbesondere als MOSFETs verkörpert sind) via Kavitäten 110 in einem leiterrahmenartigen Metallinlay 108 (welches auch einen oder mehrere Metallblöcke aufweisen kann) in das PCB-basierte Trägerboard 104 ermöglichen. Dies kann es ermöglichen, ein insgesamt verbessertes System im Vergleich mit einem herkömmlichen diskreten Ansatz zu erzielen, indem höhere Leistungsdichten und ein überlegenes Schaltverhalten des Inverters erzielt werden. Ein Teil der Boardfläche kann spezifisch für Leistungsanschlüsse der oberflächenmontierten Vorrichtung (SMD) verwendet werden, um mit einem weiteren Trägerboard 106 (welches als Kondensatorboard bezeichnet werden kann) über eine Schnittstelle gekoppelt zu sein.
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Bei der gezeigten Drei-Phasen MOSFET Leistungsinlay-Anordnung kann im Vergleich mit herkömmlichen Ansätzen via die Verbindungen mit Zinnen eine PCB-Größenreduktion erreicht werden. Auf vorteilhafte Weise ist die Leistungsboard-artige erste elektronische Vorrichtung 100 mit dem Rand 119 mit Zinnen oben auf die Kondensatorboard-artige zweite elektronische Vorrichtung 102 gelötet, zum Herstellen von elektrischen Board-zu-Board Verbindungen an dem Rand 119 mit Zinnen.
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Ferner hat das Kondensatorboard vorteilhaft eine Öffnung in der Mitte zum Hindurchführen der Wärmesenke 128 und zum Führen in einen direkten physischen Kontakt mit der ersten elektronischen Vorrichtung 100. Als Ergebnis koppelt die Wärmesenke 128 das Leistungsboard direkt über eine Schnittstelle, um dadurch eine effiziente Wärmeableitung in Kombination mit einer kompakten vertikalen Ausgestaltung zu ermöglichen. Auf vorteilhafte Weise kann die horizontale Oberfläche der Wärmesenke 128 kleiner als die des Leistungsboards sein, um von den Zinnen beabstandet zu sein.
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Auf vorteilhafte Weise kann das Bereitstellen des äußeren Randes 119 mit Zinnen entlang eines Hauptabschnitts des äußeren Umfangs des Trägerboards 104 die Anzahl der Konnektoren 160 reduzieren, welche zum Leiten der Signale in der elektronischen Anordnung 140 und/oder zwischen der elektronischen Anordnung 140 und ihrer elektronischen Peripherie benötigt werden. Ferner kann das Bereitstellen des Randes 119 mit Zinnen die PCB-Fläche des Trägerboards 104 in einer horizontalen Ebene reduzieren und kann dadurch die elektronische Anordnung 140 kompakter und die elektrischen Pfade kürzer machen.
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Nun bezugnehmend auf 4 ist die elektronische Anordnung 140 zum Bereitstellen einer elektronischen Inverterfunktion konfiguriert. Sechs elektronische Komponenten 112, welche als Feldeffekttransistorchips verkörpert sind, sind so verbunden, dass sie drei Halbbrücken zum Wandeln eines Gleichstroms (DC), welcher zwischen Anschlüssen 168 bereitgestellt ist, zu einem Wechselstrom (AC) an drei Spulen 170 bilden, zum Versorgen eines Drei-Phasen AC Motors mit elektrischer Energie. Anschaulich wirkt die erste elektronische Vorrichtung 100 mit ihren Leistungskomponenten 112 als ein Leistungsboard, und die zweite elektronische Vorrichtung 102 mit ihren passiven Komponenten 114 wirkt als ein Kondensatorboard zum Bilden einer elektronischen Anordnung 140, welche zum Zuführen von elektrischer Energie zu einem Elektromotor konfiguriert ist, zum Beispiel eines Elektroscooters (nicht gezeigt). Allerdings können andere beispielhafte Ausführungsformen eine andere elektronische Funktion erfüllen.
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5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung 140 gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform von einer Unterseite. 6 zeigt eine andere dreidimensionale Ansicht der elektronischen Anordnung 140 gemäß 5 von einer Oberseite. 7 zeigt eine Seitenansicht der elektronischen Anordnung 140 gemäß 5 und 6.
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8 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung 140, ähnlich wie 5 bis 7, welche jedoch innere Ränder 120 mit Zinnen an einer zweiten elektronischen Vorrichtung 102 hat. 9 zeigt eine Detailansicht eines inneren Randes 120 mit Zinnen der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 der elektronischen Anordnung 140 gemäß 8.
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Viele der Merkmale, welche bei den Ausführungsformen von 5 bis 9 gezeigt sind, korrespondieren zu der Ausführungsform von 1 bis 4, so dass aus Gründen der Knappheit Bezug auf die obige Beschreibung genommen wird. Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen von 5 bis 9 konzentriert sich auf Unterschiede dieser Ausführungsformen im Vergleich mit der vorangehend beschriebenen Ausführungsform.
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Bei den Ausführungsformen gemäß 5 bis 9 weist die zweite elektronische Vorrichtung 102 ein Trägerboard 106 auf, welches wieder als eine gedruckte Leiterplatte verkörpert sein kann. Die passiven (insbesondere kondensatorartigen) elektronischen Komponenten 114 können in dem flachen Trägerboard 106 eingebettet sein und sind in 5 bis 9 nicht gezeigt.
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Bei der Ausführungsform von 5 bis 9 ist die erste elektronische Vorrichtung 100 sandwichartig zwischen der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 und der Wärmesenke 128 angeordnet. In anderen Worten sind die Wärmesenke 128, die erste elektronische Vorrichtung 100, und die zweite elektronische Vorrichtung 102 vertikal gestapelt, wobei die erste elektronische Vorrichtung 100 in der Mitte des Vorrichtungen-Stapels angeordnet ist. Eine obere Hauptoberfläche der ersten elektronischen Vorrichtung 100 ist mit einer unteren Hauptoberfläche der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 verbunden. Eine untere Hauptoberfläche der ersten elektronischen Vorrichtung 100 ist mit der Wärmesenke 128 verbunden. Da die erste elektronische Vorrichtung 100 eine Mehrzahl von oberflächenmontierten Komponenten (siehe Bezugszeichen 160, 162, 164 in 6 und 7 und Bezugszeichen 160, 162 in 8) aufweist, ist das Trägerboard 106 der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 allerdings mit einer Mehrzahl von kleinen Durchgangsöffnungen bereitgestellt. Jede der oberflächenmontierten Komponenten 160, 162 (und 164, falls vorhanden) der ersten elektronischen Vorrichtung 100 ist durch eine Jeweilige der Durchgangsöffnungen in der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 geführt. Somit hat die zweite elektronische Vorrichtung 102 eine Mehrzahl von Öffnungen, in welche sich Teile der oberflächenmontierten elektronischen Komponenten 160, 162 (und 164, falls vorhanden) der ersten elektronischen Vorrichtung 100 erstrecken. Folglich kann eine äußerst kompakte elektronische Anordnung 140 erhalten werden.
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Nun bezugnehmend auf die Ausführungsform von 8 und 9 weist die zweite elektronische Vorrichtung 102 elektrische Kontakte 118 bei den inneren Rändern 120 mit Zinnen des Trägerboards 106 auf. Bei der gezeigten Ausführungsform ist jeder der Ränder 120 mit Zinnen entlang eines inneren Umfangs einer jeweiligen Öffnung (welche eine Durchgangsöffnung oder ein Sackloch sein kann) in dem Trägerboard 106 angeordnet. Somit ist die zweite elektronische Vorrichtung 102 mit einer Mehrzahl von inneren Rändern 120 mit Zinnen bereitgestellt, welche entlang von inneren Öffnungen gebildet sind, welche sich durch das Trägerboard 106 erstrecken. Bezugnehmend auf 8 und 9 weist jede der Öffnungen mit Zinnen oder der Ränder 120 mit Zinnen eine Mehrzahl von abwechselnden seitlichen Vertiefungen 122 und seitlichen Überständen 124 auf. Jede der Vertiefungen 122 ist durch einen konkav gekrümmten vertikalen Oberflächenbereich definiert. Die Überstände 124 sind von einem planaren vertikalen dielektrischen Oberflächenbereich begrenzt. Wie gezeigt ist, sind die elektrischen Kontakte 118 an den seitlichen Vertiefungen 122 gebildet, wohingegen die seitlichen Überstände 124 frei von elektrischen Kontakten 118 sind und daher elektrisch isolierend sind. Allerdings ist ein Teil der elektrischen Kontakte 118 auf einem vertikalen Oberflächenabschnitt der Ränder 120 mit Zinnen gebildet, während ein anderer Teil der elektrischen Kontakte 118 auf horizontalen Oberflächenabschnitten der Ränder 120 mit Zinnen gebildet ist.
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Bei den Ausführungsformen gemäß 5 bis 9 wird eine elektrische Verbindung zwischen der ersten elektronischen Vorrichtung 100 und der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 mittels des äußeren Randes 119 mit Zinnen der ersten elektronischen Vorrichtung 102 (welche so konfiguriert und verbunden wie oder ähnlich wie in 1 bis 4 sein kann) und - bei der Ausführungsform von 8 und 9 - zusätzlich mittels der inneren Ränder 120 mit Zinnen (welche wie in 9 gezeigt konfiguriert und verbunden sind) der zweiten elektronischen Vorrichtung 104 bewerkstelligt.
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Bei den Ausführungsformen von 5 bis 9 kann die erste elektronische Vorrichtung 100 oder das Leistungsboard mit dem Rand 119 mit Zinnen an die Unterseite der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 oder des Kondensatorboards gelötet sein. Das Kondensatorboard hat Öffnungen (welche kleiner als die einzelne Öffnung bei der Ausführungsform von 1 bis 4 sind), um es den oberseitig oberflächenmontierten Komponenten 160, 162 (und 164, falls vorhanden) des Leistungsboards zu ermöglichen, sich durch die Öffnungen zu erstrecken. Auch gemäß 5 bis 9 ist die Wärmesenke 128 mit dem Leistungsboard direkt über eine Schnittstelle verbunden, wobei dadurch eine effiziente Wärmeableitung ermöglicht wird. Bevorzugt ist ein Oberflächenbereich der Wärmesenke 128 kleiner als ein Oberflächenbereich des Leistungsboards, um die Wärmesenke 128 von den Zinnen des Randes 119 mit Zinnen beabstandet zu halten.
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Anstatt Header-Konnektoren zu verwenden, um ein zusätzliches Gate-Treiberboard (nicht gezeigt) oder Ähnliches über eine Schnittstelle zu verbinden, sind innere Zinnen in dem Kondensatorboard als innere Ränder 120 mit Zinnen gemäß 8 und 9 vorgesehen. Die inneren Ränder 120 mit Zinnen können zum Beispiel verwendet werden, um Steuersignale über eine Schnittstelle zu koppeln. Zum Beispiel ist es möglich, einen Gate-Treiberschaltkreis in das Kondensatorboard einzubauen.
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10 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer elektronischen Anordnung 140 gemäß noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform von einer Oberseite. 11 zeigt eine andere dreidimensionale Ansicht der elektronischen Anordnung 140 gemäß 10 von einer Unterseite. Die Ausführungsform von 10 und 11 ist ähnlich wie die Ausführungsform von 8 und 9, so dass Bezug auf die obige Beschreibung genommen wird. Im Folgenden werden Unterschiede zwischen den Ausführungsformen genannt.
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Gemäß 10 und 11 hat die erste elektronische Vorrichtung 100 keinen Rand 119 mit Zinnen, d. h. hat keine elektrischen Kontakte 116 an ihren äußeren vertikalen Seitenwänden. In anderen Worten sind gemäß 10 und 11 keine Zinnen auf dem Leistungsboardrand vorhanden, so dass die Wärmesenke 128 die gleiche Größe haben kann oder sogar größer als das Leistungsboard sein kann. Somit kann die Ausführungsform von 10 und 11 mit einer exzellenten thermischen Performance konstruiert werden.
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Allerdings hat die zweite elektronische Vorrichtung 102 der Ausführungsform von 10 und 11 eine große Anzahl von inneren Rändern 120 mit Zinnen. Somit stellen die zusätzlichen Öffnungen auf dem Kondensatorboard gemäß 10 und 11 zusätzliche Kontaktpunkte bereit. Da auf diese Weise genügend Kontaktpunkte bereitgestellt werden können, können die Randzinnen an dem Leistungsboard weggelassen werden. In den Bereichen, welche mit dem Bezugszeichen 180 versehen sind, können Signalverbindungen erzeugt sein, so dass korrespondierende innere Zinnen für die Signalübertragung verbunden werden können. In den Bereichen, welche mit den Bezugszeichen 182 versehen sind, können Leistungsverbindungen erzeugt sein, so dass korrespondierende innere Zinnen verbunden sein können, um eine elektrische Leistung (welche sich zum Beispiel auf die Versorgung mit Gleichstrom bezieht) zu übertragen.
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Folglich ordnet die Ausführungsform von 10 und 11 alle Zinnen dem Kondensatorboard, keine dem Leistungsboard zu. Auch ein separates Steuerboard (nicht gezeigt) kann mit inneren und/oder äußeren Rändern mit Zinnen bereitgestellt sein.
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Wie in 5 bis 9 ist die Wärmesenke 128 auch in der Ausführungsform von 10 und 11 mit dem Leistungsboard direkt über eine Schnittstelle verbunden.
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12 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer ersten elektronischen Vorrichtung 100 für eine elektronische Anordnung 140 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 13 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der elektronischen Anordnung 140 mit der ersten elektronischen Vorrichtung 100 gemäß 12, welche auf einer zweiten elektronischen Vorrichtung 102 montiert ist.
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Insbesondere zeigt 13 eine elektrisch leitfähige Kontaktstruktur 126, welche als eine Lötstruktur verkörpert ist, welche die elektrischen Kontakte 116 bei den Rändern 119 mit Zinnen an zwei gegenüberliegenden Seiten des Trägerboards 104 der ersten elektronischen Vorrichtung 100 mit horizontalen Bahnen 130 auf einer oberen Hauptoberfläche des Trägerboards 106 der zweiten elektronischen Vorrichtung 102 elektrisch koppelt.
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Es ist anzumerken, dass der Begriff „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Merkmale ausschließt und „ein“ oder „eine“ keine Mehrzahl ausschließt. Auch Elemente, welche in Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben sind, können kombiniert werden. Es ist ebenfalls anzumerken, dass Bezugszeichen nicht als einschränkend für den Schutzbereich der Ansprüche auszulegen sind. Darüber hinaus soll der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, Verfahren, und Schritte beschränkt sein, welche in der Beschreibung beschrieben sind. Entsprechend sollen die beigefügten Ansprüche in ihrem Schutzbereich derartige Prozesse, Maschinen, Herstellungen, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren, oder Schritte enthalten.
