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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Kontaktierung austauschbarer Elektronikbaugruppen eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Aus der
US 8441793 ist ein in einem Rack montiertes Computersystem mit einem universellen rückwärtigen Leiterplattensystem bekannt. Eine Leiterplattenanordnung befindet sich zwischen zwei Kühlplatten, die über Federn an diese angepresst werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktierung einer einzuschiebenden Elektronikbaugruppe mit der rückwärtigen Leiterplatte bei guter Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass sehr einfach ein Toleranzausgleich beim Einsteckvorgang der austauschbaren Elektronikbaugruppe erreicht werden kann. Aufgrund der Verschiebbarkeit des flexiblen Elements sowie der austauschbaren Elektronikbaugruppe quer zur Einschubrichtung kann eine gute thermische Anbindung der Elektronikbaugruppe zu dem Kühlelement erfolgen. Dadurch erleichtert sich der Einschubvorgang der austauschbaren Elektronikbaugruppe.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest eine Führung vorgesehen für das flexible Element, wobei die Führung zumindest eine Bewegung des flexiblen Elements bevorzugt in Richtung der Führung sowie aber auch durch Spiel in der Führung längs zur Richtung der Führung, quer zur Einschubrichtung, erlaubt. Damit kann ein entsprechender Toleranzausgleich vorgenommen werden und gleichzeitig können die bei einem Einsteckvorgang auftretenden Kräfte sicher aufgenommen werden. Dadurch kommt es zu einer sicheren Kontaktierung zwischen Stecker und Steckverbindung.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist ein Haltemittel vorgesehen, welches die austauschbare Elektronikbaugruppe in einer Kontaktierungsposition des Steckers mit der Steckverbindung quer zur Einschubrichtung hält und welches so ausgebildet ist, dass das Haltemittel insbesondere nach Kontaktierung eine Bewegung der austauschbaren Elektronikbaugruppe quer zur Einschubrichtung zulässt. Dadurch kann auf einfache Art und Weise die Elektronikbaugruppe in der Einschubposition korrekt gehalten werden. Ein anschließendes Verpressen quer zur Einschubrichtung zur Verbesserung der thermischen Anbindung ist weiterhin möglich.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Verstellmittel, insbesondere Keilarretierung, vorgesehen, welches dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Elektronikbaugruppe quer zur Einschubrichtung zur thermischen Anbindung der Elektronikbaugruppe mit dem Kühlelement zu bewirken. Über ein weiteres separates Element kann zuverlässig die gewünschte Anpresskraft auf die Elektronikbaugruppe aufgebracht werden und gleichzeitig auch zum Fixieren der Elektronikbaugruppe innerhalb des Gehäuses bzw. der Aufnahmen verwendet werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die Führung mit dem Rahmen und/oder dem Gehäuse verbunden. Dadurch wird eine stabile und kompakte Vorrichtung erhalten.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das Haltemittel als Federelement ausgebildet. Darüber wird besonders einfach und kostengünstig die gewünschte Funktionalität erreicht.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist eine thermische Anbindung, insbesondere ein flexibles wärmeleitendes Teil wie ein Gappad, zwischen dem Kühlelement und der austauschbaren Elektronikbaugruppe bzw. als Bestandteil der austauschbaren Elektronikbaugruppe vorgesehen. Dadurch kann der Wärmeübergang zwischen Elektronikbaugruppe und Kühlelement weiter verbessert werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das Kühlelement mit dem Gehäuse und/oder dem Rahmen verbunden. Damit können insbesondere mehrere Kühlelemente mit einem geeigneten Kühlmedium versorgt und als kompakte Baueinheit bereitgestellt werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das Verstellmittel zwischen dem Einschubmechanismus und der Elektronikbaugruppe angeordnet. Neben einer thermischen Anbindung kann eine entsprechende Fixierung in den Aufnahmen erreicht werden.
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Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung mit mehreren austauschbaren Elektronikbaugruppen in der Explosionsdarstellung,
- 2 eine Frontansicht der rückwärtigen Leiterplatte mit einem Rahmen sowie links ein Schnitt durch die rückwärtige Leiterplatte an der Position der Steckverbindung,
- 3 eine Prinzipskizze der wesentlichen Elemente
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Ausführungsform der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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In 1 umfasst die Vorrichtung 10 zumindest zwei Elektronikbaugruppen 25 und ein diese zumindest teilweise umgebendes Gehäuse 11 oder alternativ ein Rahmen 44. Je nach Anwendungsfall können noch weitere Elektronikbaugruppen 25 austauschbar in dem Gehäuse 11 angeordnet werden. Das Gehäuse 11 weist zwei Seitenflächen 14 auf. Das Gehäuse 11 kann an der Rückseite über eine optionale rückseitige Gehäuseabdeckung 22, insbesondere durch eine mechanische Fixierung wie beispielsweise eine Verschraubung, geschlossen werden. Parallel zu der rückseitigen Gehäuseabdeckung 22 und senkrecht zu den austauschbaren Elektronikbaugruppen 25 bzw. senkrecht zu einer Einschubrichtung 35 der Elektronikbaugruppen 25 ist zumindest eine Leiterplatte 34 angeordnet. An der Leiterplatte 34 sind schematisch dargestellt Steckverbindungen 31 vorgesehen, die eine elektronische Kontaktierung zwischen den einzelnen Elektronikbaugruppen 25 und der Leiterplatte 34 über zumindest eine Steckverbindung 50 herstellen und die nachfolgend weitergebildet werden. Die Steckrichtung der Steckverbindung ist parallel zur Einschubrichtung 35. Auf der Leiterplatte 34 sind beispielhaft weitere nicht eigens dargestellte Elektronikbauteile vorgesehen, die beispielsweise die Kommunikationsabläufe steuern. Über die Leiterplatte 34 können Stecker für die Kontaktierung nach außen platziert werden. Optional können an der Vorderseite der Leiterplatte 38 Stecker 62 angebracht sein, die dann durch entsprechende Öffnungen (ebenfalls gestrichelt angedeutet) in der Vorderseite 20 ragen.
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Die optionale Vorderseite 20 räumt Zugriff zu den im Inneren der Vorrichtung 10 angeordneten austauschbaren Elektronikbaugruppen 25 ein. Die Vorderseite 20 ist über mechanische Fixierungen zu öffnen und zu verschließen. An der Innenseite der Seitenflächen 14 des Gehäuses 11 sind jeweils mehrere Aufnahmen 18 vorgesehen als Beispiel für einen möglichen Einschubmechanismus. Diese im wesentlichen schienenförmigen Aufnahmen 18 dienen der reversiblen Aufnahme, Einschub und/oder Verklemmung der austauschbaren Elektronikbaugruppen 25 in Einschubrichtung 35 beispielsweise durch eine Keilarretierung 58 oder sonstige Verstellmittel. Die Keilarretierung 58 übt eine Kraft quer zur Einschubrichtung 35 auf die Elektronikbaugruppe 25 aus und bewirkt dadurch eine Verschiebung der Elektronikbaugruppe 25 quer zur Einschubrichtung. Die Keilarretierung 58 ist beispielsweise seilich zwischen der Oberseite des Gehäuses 52 und der Unterseite der darüber liegenden Aufnahme 18 angeordnet. Dadurch kann eine verbesserte thermische Anbindung der Elektronikbaugruppe 25 an ein im Gehäuse 11 vorgesehenes wärmeleitendes Teil (vergleiche Kühlelement 40 wie in den 2 und 3 gezeigt) erfolgen. Alternativ könnte auch ein Bestandteil der Elektronikbaugruppe 25 beispielsweise als Keil als Bestandteil einer entsprechenden Arretierung bzw. Keilarretierung 58 ausgebildet sein.
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Die Elektronikbaugruppe 25 kann beispielsweise eine oder mehrere Leiterplatten 38 bzw. eine Elektronikeinheit umfassen. Die Elektronikeinheiten mit zugehörigen Elektronikbauteilen umfassen insbesondere Hochleistungs-Rechnerkerne, die im Kraftfahrzeug besonders rechenintensive Funktionen übernehmen. Hierbei kann es sich beispielsweise um autonome oder teilautonome Fahrfunktionen, Infotainment, Kommunikationsschnittstellen zwischen verschiedenen Bussystemen (Ethernet, CAN, LIN etc.) bzw. Gateway-Funktionalitäten, bestimmte Sicherheitsanwendungen zur Einräumung einer Berechtigung, um beispielsweise auch von außerhalb auf das Kraftfahrzeug zuzugreifen, oder weitere im Kraftfahrzeug mit insbesondere hoher Rechenleistung verbundene Operationen handeln. Bei den Elektronikbauteilen handelt es sich besonders bevorzugt um leistungsstarke Prozessoren, Multikern-Prozessoren oder hochintegrierte Schaltungen (SoC, System-on-Chip; SiP, System in Package etc.), die sich durch hohe Verlustleistungen auszeichnen.
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Die Leiterplatte 38 der Elektronikbaugruppe 25 wird von zumindest einer Seite durch ein Gehäuse 52 bzw. eine Gehäusehälfte 52 zumindest teilweise umschlossen. In den Seitenbereichen läuft die Gehäusehälfte 52 in entsprechenden Überständen aus, die auf die Aufnahmen 18 im Gehäuse 11 gelegt bzw. in die Aufnahmen 18 eingeschoben werden können und auf die die Keilarretierungen 58 einwirken. Die Gehäusehälfte 52 umschließt in diesem Ausführungsbeispiel die Leiterplatte 38 seitlich beinahe vollständig. Nicht explizit gezeigt ist in 1 ein Kühlelement 40, welches beispielsweise als Bestandteil des Gehäuses 11 ausgebildet sein kann zur Wärmeabfuhr der austauschbaren Elektronikbaugruppen 25 mit einer entsprechenden thermischen Anbindung.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 zeigt eine Frontansicht der rückwärtigen Leiterplatte 34 mit einem Rahmen 44 sowie links ein Schnitt durch die rückwärtige Leiterplatte 34 an der Position der Steckverbindung 31. Die rückwärtige Leiterplatte 34 ist mit einem Rahmen 44 verbunden. Es ist eine Führung 47 vorgesehen, die der mechanischen Führung zumindest eines flexiblen Elements 46 dient, über welches die Steckverbindung 31 elektrisch angebunden ist. Beispielsweise kann es sich bei dem flexiblen Element 46 um einen Teil einer flexiblen Leiterplatte 46 handeln, die über eine entsprechende flexible Verbindung 48 mit der rückseitigen Leiterplatte 34 elektrisch verbunden ist. Die Führung 47 ist so ausgerichtet, dass sie eine Bewegung des flexiblen Elements 46 quer zur Einschubrichtung 35 bzw. Steckrichtung des Steckers 50 im Zusammenwirken mit der Steckverbindung 31 bzw. dem Gegenstecker ermöglicht. Hierzu ist die Führung 47 quer zur Einschubrichtung 35 ausgerichtet. Gleichzeitig ist die Führung 47 so ausgestaltet, dass eine Bewegung des flexiblen Elements 46 in Einschubrichtung 35 nicht zugelassen wird. Somit nimmt die Führung 47 die beim Einsteckvorgang auf das flexible Element 46 wirkenden Kräfte parallel zur Einschubrichtung 35 auf. Die Führung 47 ist parallel zur rückseitigen Leiterplatte 34 angeordnet.
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In 2 sind auch mehrere Elektronikbaugruppen 25 mit Stecker 50 gezeigt, die in Steckrichtung bzw. Einschubrichtung 35 mit der rückwärtigen Leiterplatte 34 über den auf dem flexiblen Element 46 angeordnete Steckverbindung 31 kontaktiert werden sollen. Die jeweilige Elektronikbaugruppe 25 wird über Haltemittel 42, die mit dem Rahmen 44 oder dem Gehäuse 11 verbunden sind, in einer bestimmten (Einsteck-)Position quer zur Einschubrichtung 35 gehalten. Die Haltemittel 42 sind so ausgelegt, dass in dieser Position eine Kontaktierung des Steckers 50 mit der Steckverbindung 31 der rückwärtigen Leiterplatte 34 möglich ist. Die Haltemittel 42 sind darüber hinaus so ausgelegt, dass sie kleine Bewegungen der Elektronikbaugruppe 25 quer zur Einschubrichtung 35 zulassen. Durch eine spätere Bewegung der mit dem Steckkontakt 31 der rückwärtigen Leiterplatte 34 kontaktierten Elektronikbaugruppe 25 quer zur Einschubrichtung 35 kann eine thermische Anbindung 54 der Elektronikbaugruppe 25 beispielsweise mit einem Wärme abführenden Bauteil wie beispielsweise ein Kühlelement 40 erfolgen. Zwischen der Elektronikbaugruppe 25 und dem Kühlelement 40 kann ein insbesondere flexible thermische Anbindung 51 wie beispielsweise ein Gappad vorgesehen sein. Die Haltemittel 42 können beispielsweise als Federelemente ausgebildet sein. Hierzu sind die Haltemittel 42 seitlich am Rahmen 44 so angeordnet, dass sie auf die Gehäuseseiten der Elektronikbaugruppe 25 von oben und unten einwirken. Die Haltemittel 42 können beispielsweise am Rahmen 44 und/oder an den Aufnahmen 18 und/oder an der Elektronikbaugruppe 25 bzw. an dem Gehäuse 52 selbst angeordnet sein.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 zeigt die bereits in Verbindung mit 2 beschriebenen Komponenten in schematischer Art und Weise noch etwas genauer. Das flexible Element 46, welches über eine flexible Verbindung 48 mit der rückwärtigen Leiterplatte 34 verbunden bzw. elektrisch kontaktiert ist, trägt die Steckverbindung 31 und lässt sich quer zur Einschubrichtung 35 leicht verschieben. Beim Einschieben der Elektronikbaugruppe 25 wird diese beabstandet von dem Kühlelement 40 in Einschubrichtung 35 eingeführt. Beispielsweise über die zuvor beschriebenen Haltemittel 42 befinden sich Stecker 50 und Steckverbindung 31 in einer geeigneten Position, um in Einschubrichtung 35 bzw. Steckrichtung kontaktiert zu werden. Beim Steckvorgang nimmt die Führung 47 die entsprechenden Kräfte in Einschubrichtung 35 auf.
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In einem nachfolgenden Schritt erfolgt die thermische Anbindung 54 zwischen der Elektronikbaugruppe 25 und dem Kühlelement 40 bzw. dem Wärme abführenden Element, die quer zur Einschubrichtung 35 ausgerichtet ist. Über entsprechende Verstellmittel wie die eingangs bereits beschriebene Keilarretierung 58 wird auf die Elektronikbaugruppe 25 eine Kraft quer zur Einschubrichtung 35 in Richtung zum Kühlelement 40 ausgeübt. Die entsprechende Verschiebung des Steckers 50 zusammen mit der Steckverbindung 31 ist möglich, da das flexible Element 46 in der Führung 47 quer zur Einschubrichtung 35 beweglich angeordnet ist. Auch die in 2 gezeigten Haltemittel 42 lassen eine Bewegung der Elektronikbaugruppe 25 quer zur Einschubrichtung 35 zu. Auch die flexible Verbindung 48 zwischen dem flexiblen Element 46 als Bestandteil einer flexiblen Leiterplatte und der rückseitigen Leiterplatte 34 ermöglicht eine solche Bewegung.
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Zum Toleranzausgleich der Steckverbindung 31 wird die rückwärtige Leiterplatte 34 über den Bestandteil des flexiblen Elements 46 aktiv als toleranzausgleichendes Element verwendet. Beispielsweise durch die Technologie einer sogenannten semi-rigid-flexiblen (Flex)-PCB werden flexible Bereiche (flexibles Element 46) in der Leiterplatte 34 definiert, die einen großen Toleranzausgleich quer zur Einschubrichtung 35 ermöglichen.
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Bei dem Kühlkonzept wie in 3 gezeigt handelt es sich um ein Kühlelement 40 wie beispielsweise eine Kühlplatte, die Bestandteil des Gehäuses 11 bzw. des Rahmens 44 ist. Bei dem Kühlelement 40 handelt es sich oft um einen beispielsweise mit Wasser durchströmten Körper bzw. Platte, welcher eine glatte Oberfläche aufweist, auf welche das zu kühlende Objekt (Elektronikbauteil der Elektronikbaugruppe 25) thermisch aufgebracht wird. Die Elektronikbaugruppe 25 lässt sich also relativ zu dem Kühlelement 40 bewegen. Die thermische Anbindung 51 zwischen Elektronikbaugruppe 25 und Kühlelement 40 ist quer zur Einschubrichtung 35 orientiert bzw. weist eine entsprechende Anpresskraft quer zur Einschubrichtung 35 auf. Zur Verbesserung des thermischen Übergangs wird bevorzugt eine thermische Anbindung 51 zwischen der Elektronikbaugruppe 25 und dem Kühlelement 40 verwendet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um ein wärmeleitendes Pad (Gappad), welches oft auf Silikon basiert und beispielsweise als selbstklebende und gut wärmeleitende Matte ausgebildet ist sowohl zur Wärmeleitung wie auch zum Toleranzausgleich. Die Elektronikbaugruppe 25 kann mit ausreichendem Abstand (beispielsweise 3-5 mm) zwischen der thermischen Anbindung 51 (beispielsweise Gappad) und Kühlelement 40 (Kühlplatte) in das Gehäuse 11 bzw. in den Rahmen 44 gefügt werden. In diesem Montageschritt erfolgt der Steckvorgang von Stecker 50 und Steckverbindung 31. Anschließend erfolgt die Abwärtsbewegung (quer zur Einschubrichtung 35) zur thermischen Anbindung 51 über beispielsweise die Verstellung wie beispielsweise die Keilverstellung 58. Ein Teil der Verstellung bzw. des Keils könnte ein Bestandteil der Elektronikbaugruppe 25 bzw. des zugehörigen Gehäuses 52 etc. sein.
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Das Stecken erfolgt auf dem flexiblen Element 46 der Leiterplatte 34. Das flexible Element 46 (mit Steckverbindung 31) kann in einem Vormontageprozess in den Rahmen 44 eingefädelt werden. Die Führung 47, beispielsweise als Schiene in Form eines Blechbiegeteils ausgebildet, ermöglicht dem flexiblen Leiterplattenteil 46 kleinere Bewegungen quer zur Einschubrichtung 35. Jedoch muss die Position für das initiale Stecken von Stecker 50 und Steckverbindung 31 vordefiniert sein, sodass der Stecker 50 den Gegenstecker bzw. die Steckverbindung 31 findet. Hierzu werden entsprechende Haltemittel 42 wie beispielsweise die Federn nach dem initialen Einfädeln der Leiterplattenstücke 46 geformt, welche dem Teilstück eine (Einschub)Position vorgeben, jedoch eine gewisse Bewegung ermöglichen. Dasselbe gilt für die Bewegung quer zur Einschubrichtung 35 des flexiblen Elements 46 bzw. der flexiblen Leiterplatte mit Steckverbindung 31. Es dient die als Schiene ausgebildete Führung 47 dazu, die Steckkräfte an den Kanten des flexiblen Elements 46 an die Führung 47 zu übergeben und abzuleiten.
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Die Vorrichtung 10 kommt insbesondere bei austauschbaren Elektronikbauelementen im Kraftfahrzeugbereich zum Einsatz. In den austauschbaren Elektronikbaugruppen 25 mit hohen Kühlanforderungen können insbesondere rechenintensive Funktionen im Kraftfahrzeugbereich realisiert werden wie beispielsweise teilautonomes oder autonomes Fahren, Kommunikationsmodule, Gateway-Funktionalitäten, Infotainment, Sicherheitsanwendungen etc. Solche Funktionen können jeweils in einer austauschbaren Elektronikbaugruppe 25 realisiert sein. Die Austauschbarkeit erlaubt auch ein späteres Nachrüsten von aktueller Hardware, indem Elektronikbaugruppen 25 leicht ausgetauscht werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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