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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplattenanordnung und einen Wärmespreizer-Block, der für eine solche Leiterplattenanordnung geeignet ist.
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In der Leistungselektronik werden Leistungsverbinder verwendet, um einen Hochstromkontakt zu einer Leiterplatte herzustellen, an die Leistungshalbleiter wie Leistungs-MOSFETs oder IGBT-Bauelemente oder andere Elemente der Leistungselektronik angeschlossen sind. Ein Leistungsverbinder umfasst typischerweise eine Vielzahl von Stiften, die in Durchkontaktierungen der Leiterplatte angeordnet sind, wobei die Stifte Hochstrom an eine oder mehrere der leitenden Schichten der Leiterplatte liefern.
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Ein bekanntes Beispiel für solche Leistungsverbinder sind Presssitz-Steckverbinder von Würth Elektronik, bei denen die Stifte eines Leistungsverbinders in Durchkontaktierungen der Leiterplatte gepresst werden, wodurch eine feste elektrische Verbindung mit geringem Übergangswiderstand entsteht.
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Ein Problem, das mit Leistungsverbindern verbunden ist, ist die Wärmeentwicklung, die durch die hohen Ströme verursacht wird, die durch die Leistungsverbinder fließen.
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Leistungsverbinder lassen sich nur schwer kühlen, da es keine ebene Oberfläche gibt, an die sich ein Wärmeverteiler oder Kühlkörper anschließen könnte. Daher sind Kühlung durch natürliche oder erzwungene Konvektion oder durch eine leitende Schicht der Leiterplatte die einzigen verfügbaren Kühlmechanismen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplattenanordnung bereitzustellen, die eine verbesserte Kühlung von Leistungsverbindern ermöglicht, die mit der Leiterplatte verbunden sind.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Wärmespreizer-Block mit den Merkmalen des Anspruchs 15 vor. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demnach betrifft ein Aspekt der Erfindung eine Leiterplattenanordnung. Die Leiterplattenanordnung umfasst eine Leiterplatte, wobei die Leiterplatte eine obere Fläche, eine untere Fläche und Durchkontaktierungen aufweist. Die Leiterplattenanordnung umfasst ferner einen Leistungsverbinder, wobei der Leistungsverbinder an der oberen Fläche der Leiterplatte angeordnet ist und eine Vielzahl von Stiften umfasst, die sich durch die Durchkontaktierungen erstrecken.
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Es ist vorgesehen, dass die Stifte so ausgebildet sind, dass sie sich durch die Durchkontaktierungen erstrecken und aus der unteren Fläche der Leiterplatte herausragen. Ferner ist an der unteren Fläche ein Wärmespreizer-Block vorgesehen, wobei die Enden der Stifte in dem Wärmespreizer-Block angeordnet sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt also die Idee zugrunde, an der unteren Fläche der Leiterplatte einen Wärmespreizer-Block vorzusehen, der zur Kühlung der Stifte des Leistungsverbinders dient. Diese Kühlung erfolgt in erster Linie durch Wärmeleitung. Die direkte Kühlung der Stifte wird dadurch ermöglicht, dass die Stifte aus der unteren Fläche herausragen, so dass sie mit dem Wärmespreizer-Block in Kontakt kommen können.
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In einer Ausführungsform hat der Wärmespreizer-Block eine flache Oberseite, wobei die flache Oberseite an der unteren Fläche der Leiterplatte angeordnet ist und Löcher aufweist, die zur Aufnahme der vorstehenden Leistungsverbinder-Stifte ausgebildet sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Löcher im Wärmespreizer-Block so ausgebildet sind, dass die Leistungsverbinder-Stifte mittels einer Presssitz-Verbindung oder einer Schrumpfsitz-Verbindung in die Löcher gepresst werden. Durch eine Presssitz- oder Schrumpfsitz-Verbindung der Stifte in den Löchern des Wärmespreizer-Blocks kann ein guter thermischer Kontakt zwischen den Stiften und dem Wärmespreizer-Block und damit eine hohe Kühlleistung durch den Wärmespreizer-Block erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform hat der Wärmespreizer-Block eine flache Unterseite, wobei die flache Unterseite so gestaltet ist, dass sie flach an einem Kühlkörper anliegt, entweder direkt oder über ein thermisches Schnittstellenmaterial. Dies ermöglicht es, den Wärmespreizer-Block durch thermische Kopplung mit einem Kühlkörper ebenfalls zu kühlen. Die Grundfläche und die untere Kontaktfläche des Wärmespreizer-Blocks können in Abhängigkeit von den Abmessungen des Kühlkörpers angepasst und optimiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform besteht der Wärmespreizer-Block aus demselben Material wie die Leistungsverbinder-Stifte. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig der Fall, und in anderen Ausführungsformen besteht der Wärmespreizer-Block aus einem anderen Material als die Leistungsverbinder-Stifte.
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Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass der Wärmespreizer-Block eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, denn je höher die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespreizer-Blocks ist, desto besser werden die Stifte gekühlt. In einer Ausführungsform hat der Wärmespreizer-Block eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 30 Wm-1 K-1, insbesondere mehr als 300 Wm-1K-1.
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Der Wärmespreizer-Block kann aus Metall oder einer Metalllegierung, wie Kupfer, Aluminium, Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen, bestehen.
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Der Wärmespreizer-Block kann aus einem elektrisch leitenden Material, wie Metall, bestehen. Dies stellt kein Problem dar, da die verschiedenen Stifte des Leistungsverbinders mit der gleichen Spannung beaufschlagt werden. Gleichzeitig ist es jedoch nicht erforderlich, dass das Wärmeausbreitungselement elektrisch leitfähig ist. In anderen Ausführungsformen ist der Wärmespreizer-Block aus einem nichtleitenden Material wie Keramik oder Kunststoff gefertigt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Stifte so ausgebildet, dass sie aus der unteren Fläche der Leiterplatte mit einer Länge im Bereich zwischen 0,8 und 3 mm, insbesondere im Bereich zwischen 1 und 1,5 mm, herausragen. Dementsprechend können die Stifte nur mit einer geringen Länge herausragen, die bereits ausreicht, um eine Kühlung der Stifte mittels des Wärmespreizer-Blocks zu gewährleisten.
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In einer weiteren Ausführungsform liegt die Dicke des Wärmespreizer-Blocks im Bereich zwischen 1,1 *d und 3*d, wenn die Länge, die die Stifte aus der unteren Fläche der Leiterplatte herausragen, d beträgt. Dementsprechend kann vorgesehen werden, dass die Dicke des Wärmespreizer-Blocks nur geringfügig größer ist als der Betrag, um den die Stifte aus der unteren Fläche herausragen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die untere Fläche der Leiterplatte eine Metallschicht, wie z. B. eine Kupferschicht, wobei der Wärmespreizer-Block auch die Metallschicht berührt. Die Metallschicht erhöht die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespreizer-Block, den Durchkontaktierungen und den Stiften weiter.
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Wie bereits erörtert, werden in einer Ausführungsform die Stifte des Leistungsverbinders mittels einer Presssitz-Verbindung oder einer Schrumpfsitz-Verbindung in die Löcher im Wärmespreizer-Block gedrückt, um den Wärmekontakt zwischen den Stiften und dem Wärmespreizer-Block zu verbessern. Ferner können die Stifte innerhalb der Leiterplatte in den Durchkontaktierungen mittels einer Presssitz-Verbindung oder einer Schrumpfsitz-Verbindung angeordnet sein. Alternativ können die Stifte mittels Durchsteckmontage (THT) mit den Durchkontaktierungen verbunden werden, wobei die Stifte mit den Durchkontaktierungen verlötet werden.
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Der Wärmespreizer-Block kann ein Monoblock sein (aus einem Stück geformt). Er kann je nach der Geometrie, in der er eingesetzt wird, mehrere Formen annehmen. In einer Ausführungsform ist der Wärmespreizer-Block als einteiliger Quader ausgebildet, dessen flache Oberseite und flache Unterseite parallel angeordnet sind.
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Es ist zu beachten, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung die Seite der Leiterplatte, auf der sich der Wärmespreizer-Block befindet, immer als untere Fläche der Leiterplatte bezeichnet wird, unabhängig davon, ob die Leiterplatte horizontal angeordnet ist oder nicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wärmespreizer-Block angegeben, der zur Verwendung mit einer Leiterplattenanordnung gemäß Anspruch 1 geeignet ist, wobei der Wärmespreizer-Block umfasst:
- - eine flache Oberseite, wobei die flache Oberseite Löcher umfasst, die so ausgebildet sind, dass sie die Stifte eines Leistungsverbinders aufnehmen, die aus einer Leiterplatte herausragen, und
- - eine flache Unterseite.
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Die in Bezug auf Anspruch 1 erörterten Ausführungsformen des Wärmespreizer-Blocks gelten in ähnlicher Weise für den Wärmespreizer-Block nach Anspruch 15. Beispielsweise können die Löcher im Wärmespreizer-Block so gestaltet sein, dass sie die Stifte eines Leistungsverbinders in einer Art Presssitz oder Schrumpfsitz aufnehmen.
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Die Erfindung wird anhand von beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer Leiterplattenanordnung darstellt, die eine Leiterplatte, einen Leistungsverbinder und einen Wärmespreizer-Block umfasst, wobei Stifte des Leistungsverbinders aus der Leiterplatte herausragen und in Löchern des Wärmespreizer-Blocks angeordnet sind;
- 2 eine Ausführungsform einer Leiterplattenanordnung gemäß 1 ist, wobei zusätzlich eine Kupferschicht an der unteren Fläche der Leiterplatte angeordnet ist und in thermischem Kontakt mit dem Wärmespreizer-Block steht; und
- 3 eine perspektivische Ansicht der Leiterplattenanordnung der 1 ist.
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Die 1 und 3 zeigen in einer Schnittdarstellung und in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausführungsform einer Leiterplattenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Leiterplattenanordnung umfasst als Hauptkomponenten eine Leiterplatte 1, einen Leistungsverbinder 2 und einen Wärmespreizer-Block 3.
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Die Leiterplatte 1 weist eine obere Fläche 11 und eine untere Fläche 12 auf. In der Leiterplatte 1 ist eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 13 vorgesehen, die sich von der oberen Fläche 11 zur unteren Fläche 12 erstrecken. Die Durchkontaktierungen 13 können auf herkömmliche Weise ausgeführt werden, d. h., es werden Löcher senkrecht durch die Leiterplatte gebohrt und mit einem Metall wie Kupfer beschichtet.
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Die Leiterplatte 1 kann eine einlagige Leiterplatte oder eine mehrlagige Leiterplatte sein. Sie besteht aus einer oder mehreren Lagen Isoliermaterial (z. B. FR4) und einer oder mehreren leitenden Schichten (nicht abgebildet), wobei die einzelnen Lagen durch Laminier- und Ätzverfahren verbunden und strukturiert werden, wie es dem Fachmann bekannt ist.
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Der Leistungsverbinder 2 dient dazu, die Leiterplatte 1 mit Hochspannung/Hochstrom zu beaufschlagen, beispielsweise mit Strömen bis zu 500 A. Er besteht aus einem gegebenenfalls quaderförmigen Grundkörper 22, der auf der oberen Fläche 11 der Leiterplatte 1 angeordnet ist. Der Leistungsverbinder 2 umfasst ein Anschlusselement 23, das zum Anschluss an einen Kabelstecker oder dergleichen eines Kabels dient, das die Hochspannung/den Hochstrom bereitstellt. In anderen Ausführungsformen kann das Verbindungselement 23 ein Gewindeloch oder ein anderes Befestigungsmittel für einen Kabelverbinder sein.
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Der Leistungsverbinder 2 umfasst ferner eine Vielzahl von Stiften 21, die sich von dem Hauptkörper 22 aus erstrecken. Die Stifte 21 erstrecken sich durch die Durchkontaktierungen 13 der Leiterplatte 1. Sie dienen dazu, eine oder mehrere Schichten der Leiterplatte 1 mit der Hochspannung/dem Hochstrom zu versorgen, die/der durch das Verbindungselement 23 bereitgestellt wird. Die Stifte 21 können in einem bestimmten geometrischen Muster angeordnet sein, z. B. in einem rechteckigen Raster. Der Leistungsverbinder 2 mit dem Hauptkörper 22, den Stiften 21 und dem Verbindungselement 23 kann in einem Stück geformt sein.
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Die Stifte 21 haben eine Länge, die größer ist als die Tiefe der Durchkontaktierungen 13. Entsprechend ragen sie aus der unteren Fläche 12 der Leiterplatte 1 heraus. Insbesondere ragen sie mit einer Länge d aus der unteren Fläche 12 heraus. Die Länge d kann im Bereich zwischen 0,8 mm und 3 mm, insbesondere im Bereich zwischen 1 mm und 1,5 mm liegen.
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Der Wärmespreizer-Block 3 umfasst eine flache Oberseite 31 und eine flache Unterseite 32. Die flache Oberseite 31 liegt an der unteren Fläche 12 der Leiterplatte 1 an. Die Oberseite 31 umfasst eine Vielzahl von Löchern 33, die sich rechtwinklig von der Oberseite 31 aus erstrecken und die so ausgebildet sind, dass sie die Stifte 21 des Leistungsverbinders 2 aufnehmen, die aus der unteren Fläche 12 herausragen. Der Wärmespreizer-Block 3 hat eine Dicke D, die größer ist als die Länge d, mit der die Stifte 21 aus der unteren Fläche 12 herausragen. In Ausführungsformen liegt die Dicke D des Wärmespreizer-Blocks im Bereich von 1,1 *d und 3*d.
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Die flache Unterseite 32 des Wärmespreizer-Blocks 3 ist so ausgebildet, dass sie flach an einem Kühlkörper (nicht dargestellt) anliegt, entweder direkt oder über ein thermisches Schnittstellenmaterial (das elektrisch leitend oder nicht leitend sein kann). Der Wärmespreizer-Block 3 kann ein Quader sein.
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In der Ausführungsform der 1 und 3 haben die Löcher 33 des Wärmespreizer-Blocks 3 einen solchen Durchmesser, dass die Leistungsverbinder-Stifte 21 durch eine Presssitz-Verbindung oder eine Schrumpfsitz-Verbindung in den Löchern 33 gehalten werden. Bei einer Presssitz-Verbindung werden die Stifte 21 in die Löcher 33 gepresst. Bei einer Schrumpfsitz-Verbindung wird eine Presspassung zwischen den Stiften 21 und den Löchern 33 durch eine relative Größenänderung nach der Montage erreicht, wobei die relative Größenänderung durch Erwärmung oder Abkühlung eines der Bauteile vor der Montage verursacht wird. Alternativ kann vorgesehen werden, dass die Stifte 21 eine kleinere Größe haben als die Löcher 33 im Wärmespreizer-Block 3, wobei die Stifte 21 an die Löcher 33 gelötet werden können.
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Innerhalb der Durchkontaktierungen 13 der Leiterplatte 1 können die Stifte 21 auch durch eine Presssitz-Verbindung oder eine Schrumpfsitz-Verbindung oder eine THT-Verbindung gehalten werden.
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Die Stifte 23 können einen kreisförmigen oder polygonalen (z.B. quadratischen) Querschnitt haben.
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Der Spreizblock 3 kann aus demselben Material bestehen wie der Leistungsverbinder 2 und die Stifte 21. In Ausführungsformen besteht der Wärmespreizer-Block 3 aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung. Dementsprechend kann der Wärmespreizer-Block 3 elektrisch leitfähig sein. Dies ist unproblematisch, da die Stifte 21 des Leistungsverbinders 2 ohnehin auf dem gleichen elektrischen Potential liegen.
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2 zeigt eine Ausführungsform, die mit der Ausführungsform von 1 weitgehend identisch ist, so dass auf die Beschreibung der Ausführungsform von 1 verwiesen wird. Die Ausführungsform von 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform von 1 dadurch, dass an der unteren Fläche 12 der Leiterplatte 1 im Bereich der Stifte 21 eine Metallschicht 4 angeordnet ist. Bei der Metallschicht 4 kann es sich um eine Kupferschicht oder eine Aluminiumschicht handeln. Die flache Oberseite 31 des Wärmespreizer-Blocks 3 liegt dementsprechend an der Metallschicht 4 an. Alternativ kann sich zwischen dem Wärmespreizer-Block 3 und der Metallschicht 4 der Leiterplatte 1 ein Wärmeleitmaterial befinden, wobei die flache Oberseite 31 des Wärmespreizer-Blocks 3 an der Metallschicht 4 anliegt und das Wärmeleitmaterial dazwischen liegt.
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Durch die Bereitstellung einer Metallschicht 4 wird der thermische Kontakt zwischen dem Wärmespreizer-Block 3 und den Durchkontaktierungen 13 der Leiterplatte 1 sowie zwischen dem Wärmespreizer-Block 3 und den Stiften 21 (die durch die Durchkontaktierungen in thermischem Kontakt mit der Metallschicht 4 stehen) verbessert, so dass die Wärmeübertragung zum Wärmespreizer-Block 3 weiter erhöht wird.
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Es sollte klar sein, dass die obige Beschreibung nur zur Veranschaulichung dient und den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken soll. Der Fachmann wird auch verstehen, dass andere Aspekte der Offenbarung aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche gewonnen werden können. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in jeder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern hierin nichts anderes angegeben ist oder der Kontext nicht eindeutig dagegen spricht. Verschiedene Merkmale der hierin offengelegten Ausführungsformen können in unterschiedlichen Kombinationen kombiniert werden, um neue Ausführungsformen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu schaffen. Insbesondere erstreckt sich die Offenbarung auf alle Kombinationen und Unterkombinationen von einem oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen und schließt diese ein. Alle hier angegebenen Bereiche schließen alle spezifischen Werte innerhalb des Bereichs und alle Unterbereiche innerhalb des gegebenen Bereichs ein.
