DE102021202801A1

DE102021202801A1 - Schaltung mit einer Leiterplatte und Fahrzeug mit zumindest einer derartigen Schaltung

Info

Publication number: DE102021202801A1
Application number: DE102021202801.2A
Authority: DE
Inventors: Luigi Aulisio
Original assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2041-03-24
Also published as: DE102021202801B4; KR20220132427A; JP2022151819A; CN115119386A; EP4064800A1; US20220310325A1

Abstract

Beschrieben wird eine Schaltung mit einer Leiterplatte (12) und zumindest einem mehrschichtigen Keramikkondensator (MLCC) (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (12) im Bereich der Projektion des MLCC (10) auf die Leiterplatte (12) zumindest eine Öffnung (16) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schaltung mit einer Leiterplatte sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Schaltung.
Auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik werden insbesondere für die EMV-(Funkstörung, englisch electromagnetic interference) Filterung mehrschichtige Keramikkondensatoren, nachfolgend MLCC eingesetzt. Diese Bauteile können jedoch Fehlfunktionen aufweisen und insbesondere einem Kurzschluss unterliegen, der insofern sicherheitskritisch ist, als sich entstehende Hitze und/oder Flammen von den unmittelbar betroffenen Komponenten bis zum Fahrzeug ausbreiten können.
Wie in 10 dargestellt ist, bildet ein MLCC 10 beispielsweise einen EMV-Filter 20, der zusammen mit einer Steuerung 22 und einer Energieübertragungseinheit 24 in einer Steuerungseinheit 26 aufgenommen ist. Zwischen dieser Steuerungseinheit 26 und der Batterie 28 eines Fahrzeugs ist zusätzlich eine Sicherung 30 vorgesehen. Ferner ist die Steuerungseinheit 26 mit dem Motor 32 eines Fahrzeugs, typischerweise einem bürstenlosen Gleichstrommotor verbunden.
Gemäß 11 ist ein MLCC 10 derart aufgebaut, dass er miteinander verschränkte leitende Schichten 34 aufweist, zwischen denen sich dielektrisches Material 36 befindet.
Wir genauer aus 12 hervorgeht, besteht eine besondere Gefahr darin, dass ein Leckagestrom 38 auftritt, der keine Schutzmaßnahmen auslöst, aber sich der Stromverbrauch erhöht, und Hitze entsteht, die dazu führen kann, dass sich auch die Leiterplatte 12 im Bereich unterhalb des MLCC 10 entzündet. In 12a ist mit 40 ein Schaden zwischen zwei leitenden Schichten 34 angedeutet, der zu dem in 12b gezeigten Fehlerstrom 42 und zu Wärmeentwicklung führt. Wie in 12c gezeigt, erhitzt dies zusätzlich den Bereich der Leiterplatte 12 unterhalb des MLCC 10, sodass auch hier ein Fehlerstrom 44 fließt, der zur Verkohlung, Delamination und Entzündung der Leiterplatte 12 und zu größeren Schäden führen kann.
Wie aus 14 hervorgeht, kann ein fehlerhafter MLCC zum einen dazu führen, dass ein Fehlerstrom die Schaltung öffnet und der Strom von dem Niveau 46 auf beispielsweise 50A, angedeutet mit 48, abfällt. Der Stromfluss wird dann unterbrochen und die Spannung fällt von dem Niveau 50 auf das lastfreie Niveau 14V, angedeutet bei 52.
Gemäß 15 kann sich jedoch trotz der anfänglichen Verringerung des Stroms von Niveau 46 auf 48 zunächst eine Verringerung der Spannung, angedeutet mit 52, nach dem Aufbrechen des MLCC ergeben. Der Strom fließt dann jedoch durch die Leiterplatte, sodass die oben beschriebenen gefährlichen Situationen auftreten können.
Stand der Technik
Gemäß der US 2016 0120027 A ist ein MLCC mittels einer Zwischenschicht auf einer Leiterplatte montiert. Die Zwischenschicht kann eine Öffnung aufweisen.
Die US 2015 0029674 A zeigt eine auf einer Leiterplatte über einer Öffnung montierte elektronische Komponente, wobei die Öffnung mit wärmeleitendem Material gefüllt ist.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine im Hinblick auf die Sicherheit verbesserte Schaltung zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1.
Demzufolge weist die Schaltung eine Leiterplatte und zumindest einen MLCC auf und zeichnet sich dadurch aus, dass die Leiterplatte im Bereich der Projektion des MLCC auf die Leiterplatte zumindest eine Öffnung aufweist. Diese ist mit keinerlei Material gefüllt und verhindert im Wesentlichen, dass sich im Falle einer Fehlfunktion des MLCC Hitze zwischen dem MLCC und der Leiterplatte staut, die zu Entflammung und Verkohlung des Leiterplattenmaterials führen kann. Somit können Flammen nicht entstehen oder sich zumindest nicht ausbreiten.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Eine Beeinträchtigung der Anordnung von Kontakten des MLCC auf der Leiterplatte, die üblicherweise in zwei parallelen Reihen angeordnet sind, kann in vorteilhafter Weise vermieden werden, wenn zumindest eine Öffnung in einer Richtung parallel zu einer Reihe von Kontakten des MLCC länglich ist. Mit anderen Worten erstreckt sich die Öffnung zwischen und parallel zu Blöcken oder Pads, in denen die Kontakte angeordnet sind.
Eine besonders große und damit die Sicherheit in besonderem Maße erhöhende Öffnung kann geschaffen werden, wenn zumindest eine Begrenzung zumindest einer Öffnung mit der Projektion des MLCC auf die Leiterplatte zusammenfällt. Gleichzeitig wird in diesem Fall das Layout der Schaltung wenig beeinträchtigt, da die Öffnung von der Richtung des MLCC aus betrachtet unsichtbar bleibt.
Besonders gute Eigenschaften werden erwartet, wenn zumindest eine Öffnung eine Fläche von mindestens 20 % und/oder maximal 50 % der Projektion des MLCC auf die Leiterplatte aufweist. Somit hängen die Abmessungen der Öffnung von der Größe des MLCC ab. Besonders gute Ergebnisse werden mit MLCCs mit dem EIA Code 1206 oder 1209 erwartet.
Für die Herstellung der Öffnung bietet es Vorteile, wenn sie zumindest eine gekrümmte Begrenzung aufweist. Diese kann beispielsweise durch die Krümmung eines hierbei verwendeten Bohrers oder Schaftfräsers erzeugt werden.
Gleichzeitig kann die Herstellung einfach gehalten werden, wenn zumindest eine Öffnung zumindest zwei parallele Begrenzungen aufweist, die beispielsweise durch eine translatorische Bewegung eines Bohrers oder Schaftfräsers erzeugt werden.
In besonderem Maße entfaltet die erfindungsgemäße Schaltung ihre Vorteile, wenn die Leiterplatte aus FR4-Material besteht. Dieses neigt in besonderem Maße zur Verkohlung, sodass diesem unerwünschten Effekt durch die erfindungsgemäße Öffnung besonders gut entgegengewirkt werden kann.
Wenn mehrere MLCCs vorhanden sind, bietet es für eine effiziente Herstellung Vorteile, wenn sich zumindest eine Öffnung über die Projektion von zwei oder mehr MLCCs erstreckt.
Die erfindungsgemäße Schaltung kann sich ferner dadurch auszeichnen, dass weitere Komponenten an der Leiterplatte angebracht sind und/oder diese Leiterbahnen aufweist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Leiterplatte nicht um ein irgendwie geartetes Zwischenelement, sondern die mit elektronischen Komponenten und/oder Leiterbahnen bestückte Leiterplatte selbst wird in vorteilhafter Weise so verändert, dass die Sicherheit erhöht wird.
Dies gilt darüber hinaus für diejenige Ausführungsform, bei der die Öffnung, mit anderen Worten die Umgebung der Öffnung auf zumindest einer Seite der Leiterplatte und/oder die sich entlang der Dicke der Leiterplatte erstreckende Innenfläche der Öffnung nicht beschichtet ist. Hierdurch kann eine unerwünschte Unterstützung von Flammenausbreitung verhindert werden, indem ein Stromfluss in diesem Bereich unwahrscheinlicher gemacht wird.
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Schaltung bei einer Betriebsspannung von 12V oder 48V eingesetzt werden.
Es sei abschließend nochmals betont, dass die erfindungsgemäße Öffnung bevorzugt von jeglichem Material frei ist.
Schließlich wird die erfindungsgemäße Schaltung bevorzugt in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eingesetzt, da hier besondere Gefahren entstehen, wenn das Risiko einer Flammenausbreitung zur Hauptbatterie besteht. Jedoch eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung für jegliche Fahrzeuge, in denen die Gefahr einer Flammenausbreitung vermieden werden soll.
Figurenliste
Nachfolgend werden beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Schaltung;
2 eine Draufsicht auf den Ausschnitt gemäß 1 ohne MLCC;
3 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform, bei der mehrere MLCCs parallel zueinander elektrisch verbunden sind;
4 eine weitere Draufsicht der Ausführungsform von 1, in der die Position einer Öffnung bezüglich Kontaktblöcken erkennbar ist;
5 zwei Ansichten und Abmessungen einer typischen MLCC-Packung;
6 die Ausführungsform von 1 mit Umgebung auf einer Leiterplatte;
7 den Ausschnitt von 6 mit MLCC;
8 die Umsetzung der Ausführungsform von 3 mit drei Plätzen für MLCCs und Umgebung auf einer Leiterplatte;
9 den Ausschnitt von 8 mit zwei MLCCs;
10 ein Blockschaltbild mit einem MLCC, der in einer typischen Anordnung mit einem EMV-Filter in Energieversorgungsleitungen;
11 schematisch den Aufbau der inneren Schichten eines MLCC;
12 a bis c die Entwicklung eines Schadens in der Umgebung eines MLCC;
13 a bis c die Verhinderung eines derartigen Schadens gemäß der Erfindung;
14 und 15 ein Strom- und Spannungsdiagramm im Fall eines Fehlers in einem herkömmlich verwendeten MLCC;
16 ein Strom- und Spannungsdiagramm im Falle eines Fehlers in einem erfindungsgemäß eingebauten MLCC.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Wie in 1 gezeigt ist ein MLCC 10 auf einer Leiterplatte 12 derart montiert, dass seine Kontakte, die in 1 nicht sichtbar sind und sich parallel am linken und rechten Außenrand erstrecken, an Blöcken 14 der Leiterplatte 12 kontaktiert sind. Parallel und zwischen den Blöcken 14 ist in 1 das Ende einer Öffnung 16 zu erkennen, die in 2 besser sichtbar ist.
Aus 2 ergibt sich die im Wesentlichen rechteckige Gestaltung der Blöcke 14 und die parallel hierzu und längliche Gestaltung der Öffnung 16. Diese weist in dem gezeigten Fall zwei parallele Seitenränder auf, die zu den längeren Kanten der Blöcke 14 im Wesentlichen parallel sind. Die Enden der Öffnung 16 werden im Wesentlichen durch einen Halbkreis gebildet, sodass die Öffnung 16 in effizienter Art und Weise mittels eines Bohrers oder Schaftfräsers herstellbar ist, dessen Durchmesser im Wesentlichen dem Abstand zwischen den parallelen Rändern entspricht.
Dies gilt gleichermaßen für die Ausführungsform von 3, in der sich die Öffnung 16 unter mehreren MLCCs 10 erstreckt, die mit Strichpunktlinien angedeutet sind. Die Strichpunktlinien deuten im Wesentlichen die Projektion des jeweiligen MLCCs auf die Leiterplatte an. Ferner sind die jeweiligen Blöcke 14 gezeigt, die denjenigen von 2 entsprechen, lediglich die Öffnung 16 ist entsprechend den mehreren MLCCs länger ausgebildet. Gemäß 3 ragt die Öffnung geringfügig über die Projektion des gemäß 3 obersten und untersten MLCCs hinaus, das jeweilige Ende kann jedoch mit dem Rand der Projektion zusammenfallen, oder die Öffnung 16 kann kürzer sein.
Beispielhaft sei erwähnt, dass die längeren Seiten der Blöcke 14 zwischen 1,5 und 2,8 mm lang sein können und zwischen 1,5 und 2 mm voneinander beanstandet sein können. Die parallelen Ränder der Öffnung 16 können in diesem Fall zwischen 0,9 und 1 mm voneinander beanstandet sein, und die Öffnung 16 kann insgesamt eine Länge von 2,6-3,9 mm aufweisen. Dies gilt beispielhaft für einen MLCC mit einer (in 2 und 3 von links nach rechts gemessenen) Breite von 3,0-3,4 mm. Gemäß 3 können die Blöcke benachbarter MLCCs beispielsweise um 0,8 mm beanstandet sein. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Vorteile mit den beschriebenen Bemessungsregel besonders gut realisiert werden.
4 zeigt für die Ausführungsform von 1 die beiden Blöcke 14, die Projektion eines MLCC 10 sowie die zwischen den Blöcken 14 liegende Öffnung 16. Dies entspricht im Wesentlichen der Situation in der Umgebung eines der beispielhaft gezeigten drei MLCCs in 3, und es gelten die oben genannten, beispielhaften Maßangaben.
5 zeigt im oberen Teil eine Draufsicht auf einen typischen MLCC, dessen Kontakte schraffiert dargestellt sind. Im unteren Teil ist eine nicht maßstäbliche Seitenansicht gezeigt, es sei jedoch erwähnt, dass in Abhängigkeit von der Bauart L zwischen 3,0 und 3,4 mm, S zwischen 1,5 und 2,3 mm, W zwischen 1,4 und 2,7 mm, und T zwischen 0,25 und 0,75 mm betragen kann. Insbesondere gelten für derartige Abmessungen die oben genannten beispielhaften Maße der Blöcke und Öffnung. Die folgende Tabelle zeigt vorteilhafte Maße gemäß 4 und 5 in Abhängigkeit des MLCC-Typs.
In 6 ist anhand der Ausführungsform von 1 erkennbar, dass sich auf der Leiterplatte 12 an die Blöcke 14 Leiterbahnen 18 anschließen, die mit weiteren elektronischen Komponenten verbunden sein können. In 7 ist der Ausschnitt von 6 in diesem Fall mit einem MLCC 10 gezeigt. Dies entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigt Situation, wobei in gemäß 7 die Öffnung 16 an beiden Enden geringfügig über die Projektion des MLCC 10 hinausragt.
8 zeigt einen ähnlichen Ausschnitt für die Ausführungsform von 3, wobei in diesem Fall drei Paare von Blöcken 14 und eine entsprechend lange Öffnung 16 vorgesehen sind.
Wie in 9 erkennbar, ist eine derartige Ausführungsform für drei MLCCs geeignet, von denen in 9 nur zwei gezeigt sind. In deren Umgebung sind wiederum Leiterbahnen 18 erkennbar.
Gemäß 13a und b ist die Entwicklung bei Auftreten eines Leckagestroms im Fall der erfindungsgemäßen Lösung zunächst identisch wie unter Bezugnahme auf 12 beschrieben, es kann jedoch aufgrund der Öffnung 16 in der Leiterplatte 12 im Bereich unterhalb des MLCC 10 verhindert werden, dass es zur Verkohlung der Leiterplatte 12 und deren Entzündung kommt.
Wie aus 16 insbesondere im Vergleich zu 15 hervorgeht, ergibt sich kein Stromfluss durch die Leiterplatte, und Strom und Spannung fallen auf gefahrlose Niveaus, sodass lediglich der MLCC beschädigt wird, jedoch keine Verkohlung, Delamination oder Flammenausbreitung stattfindet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20160120027 A [0008]
US 20150029674 A [0009]

Claims

Schaltung mit einer Leiterplatte (12) und zumindest einem mehrschichtigen Keramikkondensator (MLCC) (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (12) im Bereich der Projektion des MLCC (10) auf die Leiterplatte (12) zumindest eine Öffnung (16) aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung (16) in einer Richtung parallel zu einer Reihe von Kontakten des MLCC (10) länglich ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Begrenzung zumindest einer Öffnung (16) mit der Projektion des MLCC (10) auf die Leiterplatte (12) zusammenfällt.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung (16) eine Fläche von mindestens 20 % und/oder maximal 50 % der Projektion des MLCC (10) auf die Leiterplatte (12) aufweist.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung (16) zumindest eine gekrümmte Begrenzung aufweist.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung (16) zumindest zwei parallele Begrenzungen aufweist.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (12) aus FR4-Material besteht.
Schaltung nach zumindest einen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eine Öffnung (16) über die Projektion von zwei oder mehr MLCCs (10) erstreckt.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Komponenten an der Leiterplatte (12) angebracht sind.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (12) Leiterbahnen (18) aufweist.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung (16) nicht beschichtet ist.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese für 12V und/oder 48V Betriebsspannung ausgelegt ist.
Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Öffnung (16) frei von jeglichem Material ist.
Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug mit zumindest einer Schaltung nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche.