DE10340297B4 - Verbindugsanordnung zur Verbindung von aktiven und passiven elektrischen und elektronischen Bauelementen - Google Patents

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Abstract

Verbindungsanordnung (1) für aktive (50) und/oder passive (40) elektrische und/oder elektronische Bauelemente zur Verbindung von auf einer ersten Hauptfläche einer Leiterplatte (20) angeordneten Kontaktflächen (24) mit diesen Bauelementen (40, 50), bestehend aus einem elektrisch isolierenden Gehäuse (10, 12) mit mindestens einem Substrat (30), wobei mindestens eines dieser Bauelemente (40, 50) auf dem Substrat (30) angeordnet ist, und aus diesem Gehäuse nach außen führenden elektrisch leitenden Anschusselementen (60), wobei die Anschlusselemente als Federelemente (60) ausgeführt sind, die das Substrat (30) mit den Kontaktflächen (24) der Leiterplatte elektrisch leitend verbinden, diese Federelemente (60) innerhalb des Gehäuses geführt und dieses durchdringend fixiert (62) werden und mindestens ein Druckstück (80) auf der zweiten Hauptfläche (26) der Leiterplatte (20) angeordnet ist, um die Federelemente (60) mit Druck zu beaufschlagen, und das Substrat (30) hierbei das einseitig offene Gehäuse (10) verschließt und gemeinsam mit diesem direkt auf einem Kühlbauteil (70) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung beschreibt eine Verbindungsanordnung zur Verbindung aktiver und/oder passiver elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente mit den Kontaktflächen einer Leiterplatte. In einer Vielzahl von Anwendungen sind die genannten Bauelemente direkt auf einer Leiterplatte angeordnet oder durch Verschienungssysteme miteinander verbunden. Durch moderne Aufbautechniken erlangen allerdings modulare Aufbauten immer größere Bedeutung.
  • Ausgangspunkt der Erfindung sind moderne Leistungshalbleitermodule wie sie beispielhaft in der DE 103 06 643 vorgestellt werden ebenso wie federgestützte Verbindungstechniken wie sie beispielhaft aus der US 6,224,396 B1 bekannt sind. Hierin werden mit einer Platine verbundene Federelemente vorgestellt, die zur Kontaktierung eines weiteren Bauelements dienen. Hierbei soll eine Lageänderung der Platine zu diesem Bauelement, wie sie beispielhaft durch thermische Einflüsse bedingt sein kann ausgeglichen werden.
  • Weiterhin zählen zum Stand der Technik die US 2003/0082931 A1, die DE 694 31 565 T2 und die WO 03/047049 A1. Die US 2003/0082931 A1 offenbart ein Federelement zur Verbindung zweier Leiterplatten, wobei das Federelement einen Dornfortsatz aufweist, der in einer Ausnehmung einer der beiden Leiterplatten angeordnet ist. Der Kontakt zur zweiten Leiterplatte wird mittels eines flächig ausgebildeten Endes der Feder ausgeführt. Die DE 694 31 565 T2 offenbart ebenfalls derartige Federelemente. Allerdings sind diese vorzugsweise auf der ersten Leiterplatte angelötet. Die WO 03/047049 A1 offenbart Federelemente zur vielpoligen Verbindung von beispielhaft zweier Leiterplatten. Die Federverbindungen weise teilweise eine Schnapp- Rast- Charakteristik auf zur sicheren aber lösbaren Verbindung.
  • Die DE 103 06 643 stellt Leistungshalbleitermodule vor. Derartige Leistungshalbleitermodule beinhalten eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauelementen, wie beispielsweise Leistungstransistoren und Leistungsdioden. Weiterhin können nach dem Stand der Technik hierin verschiedene Sensorikbauteile enthalten sein. Diese Leistungshalbleitermodule werden mittels Federkontakten direkt mit einer Leiterbahn zur Kontaktierung der Last- und Hilfsanschlüsse verbunden.
  • Weitere Bauelemente und Komponenten in einer leistungselektronischen Verbindungsanordnung werden nach dem langjährig bekannten Stand der Technik häufig durch Verschienungssysteme mit dem Leistungshalbleitermodul verbunden. Diese Verschienungssysteme verbinden Bauelemente wie Zwischenkreiskondensatoren und Eingangsdrosseln. Weitere Komponenten leistungselektronischer Verbindungsanordnungen, wie Ansteuer-, Schutz- und Stromversorgungsschaltungen, sollen hier ebenfalls unter dem Oberbegriff der Bauelemente verstanden werden. Die bekannten Verschienungssysteme werden häufig für den jeweiligen Anwendungsfall individuell gestaltet und verursachen somit einen erheblichen Entwicklungs-, Fertigungs- und Montageaufwand, da jeweils, zumindest teilweise, anwendungsspezifische Systemteile eingesetzt werden.
  • Für den Aufbau von leistungselektronischen Schaltungen mit einer Leistung in der Größenordnung um 1 kW ist eine weitere bekannte Ausgestaltung die Anordnung der Systemteile mittels von Bauelement zu Bauelement verschiedener Befestigungssystem und Befestigungstechnologien. Hierbei handelt es sich beispielhaft um Klebeverbindungen und/oder die Befestigung mittels Schraubverbindunen und/oder mittels anderer reversibler Befestigungstechnologien nach dem Stand der Technik. Die Bauelemente sind durch die genannten Befestigungen zum Teil auch auf verschiedenen Trägersystemen angeordnet, die nachträglich miteinander kombiniert werden müssen. Nachteilig hierbei ist der erhebliche Montageaufwand sowie die ungenügende Dauerhaltbarkeit mancher Befestigungsvarianten.
  • Die elektrische Verbindung der einzelnen Bauelemente mit einem Leistungshalbleitermodul erfolgt hierbei entweder durch die Verbindung von Leiterplatten, auf denen die Bauelemente angeordnet sind, oder mittels einer einfachen, direkten Verdrahtung nach dem lange bekannten Stand der Technik.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine Verbindungsanordnung für passive und/oder aktive elektrische und/oder elektronische Bauelemente vorzustellen, womit diese Bauelemente in einer leistungselektronischen Schaltung einem modularen Aufbau mit einem Leistungshalbleitermodul nach dem Stand der Technik zugänglich gemacht werden, wobei ähnliche Verbindungsmechanismen eingesetzt werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verbindungsanordnung nach dem Anspruch 1, spezielle Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung geht davon aus, dass zumindest einige der einzelnen Bauelemente einer leistungselektronischen Schaltung in modularen Funktionseinheiten zusammengefasst werden. Diese modularen Funktionseinheiten werden vorzugsweise in gemeinsamen, elektrisch isolierenden Gehäusen angeordnet und in gleicher Weise wie Leistungshalbleitermodule nach dem Stand der Technik mit einer Leiterplatte verbunden. Es wird daher eine Verbindungsanordnung für aktive und/oder passive elektrische und/oder elektronische Bauelemente vorgeschlagen, die ein Gehäuse mit nach außen führenden elektrisch leitenden Anschusselementen aufweist. In diesem Gehäuse ist mindestens ein Substrat mit mindestens einem hierauf befindlichen Bauelement angeordnet. Die Anschlusselemente des Substrates zu Kontaktflächen der Leiterplatte sind innerhalb des Gehäuses geführt und fixiert und als Federelemente ausgebildet. Das Substrat verschließt das einseitig offene Gehäuse und ist gemeinsam mit diesem direkt auf einem Kühlbauteil angeordnet. Weiterhin weist die Verbindungsanordnung mindestens ein Druckstück, angeordnet auf der zweiten Hauptfläche der Leiterplatte, auf um die Federelemente mit Druck zu beaufschlagen.
  • Vorteilhaft an der erfinderischen Ausgestaltung ist somit, dass diese Verbindungsanordnung einzelne modulare Funktionsblöcke zur Verfügung stellt, die alle in gleicher Weise wie ein Leistungshalbleitermodul zu einer leistungselektronischen Schaltung verbunden werden. Hierbei wird auf Grund der möglichen Standardisierung dieser Funkionsblöcke der Entwicklungsaufwand der jeweiligen leistungselektronischen Schaltung reduziert. Weiterhin wird der Fertigungsaufwand der Verbindungstechnik reduziert, da standardisierte Funktionsblöcke, im Gegensatz zu einzelnen Bauelementen mit unterschiedlichen Anschlusstechniken, miteinander zu verbinden sind. Letztlich wird auch der Montageaufwand der leistungselektronischen Schaltung minimiert, da funktionale Einheiten im Gegensatz zu einzelnen Bauelementen kombiniert werden.
    •
  • Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 4 näher erläutert.
  • 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Verbindungsanordnung.
  • 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung.
  • 3 zeigt die Kombination einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung und eines Leistungshalbleitermoduls nach dem Stand der Technik.
  • 4 zeigt das Gehäuse und die Anschlusselemente einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung in einer dreidimensionalen Darstellung.
  • 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Verbindungsanordnung (1) für aktive (50) und passive (40) Bauelemente. Diese Bauelemente (40, 50) sind auf einem gemeinsamen Substrat (30) angeordnet. Dieses Substrat besteht, vergleichbar den Substraten moderner Leistungshalbleitermodule, aus einem Isolierstoffkörper (32a), sowie zwei metallischen Kaschierungen (34a, 36a). diese Isolierstoffkörpers. Die erste dieser metallischen Kaschierungen (34a) liegt auf einem Kühlkörper (70) und stellt bei einer elektrischen Isolierung durch den Isolierstoffkörper (32a) eine thermisch leitende Verbindung zu diesem Kühlkörper her. Das Substrat (30a) mit den darauf angeordneten Bauelementen ist umschlossen von einem Gehäuse (10), wobei das Substrat (30a) selbst den Abschluss des Gehäuse zum Kühlkörper (70) hin bildet.
  • Die auf der zweiten Hauptfläche des Substrates (30a) angeordnete metallische Kaschierung (36a) ist in sich strukturiert und bildet somit einzelnen Leiterbahnen zur schaltungsgerechten Verbindung der Bauelemente (40, 50) miteinander und/oder mit nach außen aus dem Gehäuse heraus führenden Anschlusselementen (60a).
  • Die Anschlusselemente sind erfindungsgemäß als Blattfederelemente (60a) ausgebildet. Im entlasteten Zustand ragen diese Federelemente (60a) aus dem Gehäuse einige Millimeter heraus. Der sichere elektrische Kontakt zwischen den Federelementen (60), und damit dem Substrat (30) und den Bauelementen (40, 50), mit den auf der ersten Hauptfläche der Leiterplatte (20) angeordneten Kontaktflächen (24) wird hergestellt, indem auf der zweiten Hauptfläche ein Druckstück (80) angeordnet ist und dieses mit dem Kühlkörper (70) verbunden ist. Für diese Verbindung weisen sowohl das Druckstück (80) als auch die Leiterplatte (20), das Gehäuse (10) und das Substrat (30) eine Ausnehmung (90) auf. Zur Druckeinleitung wird das Druckstück (80) mittels einer Schraubverbindung (82) mit dem Kühlkörper verbunden.
  • Das Gehäuse (10) selbst besteht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff und weist zusätzliche, nicht dargestellte, Führungselemente (vgl. 4) zur Fixierung der Anschlusselemente (60) auf.
  • Die Leiterplatte verbindet mittels darauf angeordneter Leiterbahnen (24, 26) die in der erfinderischen Verbindungsanordnung angeordneten Bauelemente, wie Widerständen (40a), Kondensatoren (40b) und integrierten Schaltkreisen (50) mit weiteren Bauelementen, weiteren funktionalen Einheiten und/oder Leistungshalbleitermodulen innerhalb einer leistungselektronischen Schaltung.
  • 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung; wobei hier die Anschlusselemente als Schraubenfedern (60b) ausgebildet sind. Diese Schraubenfedern werden in einem nicht dargestellten Hilfsrahmen innerhalb des Gehäuses geführt und in ihrer Position fixiert. Die im Inneren des Gehäuses (10) angeordneten Bauelemente, wie Kondensatoren (40c), Spulen (40d) und/oder integrierte Schaltungen (50), sind nach dem Stand der Technik auf eine Leiterplatte (30b) gelötet, die aus einem Substrat (32b) mit Leiterbahnen (36b) besteht.
  • Ein Deckel (12) mit einer Aufnahme für die Schraubverbindung (82) verschließt das Gehäuse (10) auf seiner der Leiterplatte (20) abgewandten Seite. Die weitere Anordnung aller Teile dieses Ausführungsbeispiels entspricht demjenigen unter 1 beschriebenen.
  • 3 zeigt die Kombination einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung (1), Bezugszeichen siehe dort, und eines Leistungshalbleitermoduls (100) nach dem Stand der Technik. Beide funktionale Einheiten sind auf einem gemeinsamen Grundkörper (70) angeordnet. Die schaltungsgerechte elektrische Verbindung der beiden funktionalen Einheiten erfolgt mittels der Leiterbahnen (24, 26) der Leiterplatte (20). Jede funktionale Einheit, beispielhafte eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung (1) oder ein Leistungshalbleiterbauelement (100), ist mittels jeweils einem Druckstück (80) sowie einer Schraubverbindung (82) mit dem Grundkörper (70) verbunden. Durch die so erreichte Druckeinleitung auf die Federelemente (60a) wird der sichere elektrische Kontakt zwischen den Kontaktflächen (24) der Leiterplatte (20) und den metallischen Kaschierungen (36a), die als Kontaktflächen im Inneren der Gehäuse (10) wirken, hergestellt. Somit ist über die metallischen Kaschierungen (36) auch der Kontakt zu den Bauelementen (40, 50) hergestellt.
  • Der Grundkörper (12) kann direkt als ein Kühlbauteil ausgebildet sein, er kann aber auch als eine reine Grundplatte zur Anordnung der einzelnen modulare Einheiten dienen. Die Anordnung direkt auf einem Kühlbauteil ist vorteilhaft, da hierbei ein effektiver Wärmeübertrag aus der funktionalen Einheit zu diesem Kühlbauteil mit hohem Wirkungsgrad erfolgt. Die Anordnung auf einer Grundplatte weist den Vorteil auf, dass hierdurch die einzelnen funktionalen Einheiten zueinander angeordnet werden und erst in einem weiteren Schritt diese Gruppe von funktionalen Einheiten beispielhaft auf einem Kühlbauteil angeordnet kann.
  • Zur Anordnung auf einer Grundplatte weist diese vorzugsweise ein Raster zur in ihrer lateralen Position definierten Anordnung der einzelnen funktionalen Gruppen auf. Bei dieser Ausgestaltung der Grundplatte weisen das Gehäuse (10) der funktionalen Einheiten und die Grundplatte eine Schnapp- Rastverbindung nach dem Stand der Technik auf, womit die funktionalen Einheiten während der Montage in einfacher Weise befestigt werden können und erst anschließend mittels der Leiterplatte (20) elektrisch miteinander verbunden werden. Beispielhaft weist hierzu das Gehäuse eine Mehrzahl nicht dargestellter Rastnasen auf sowie die Grundplatte hierzu passende Widerlager.
  • Das Innere des Leistungshalbleitermoduls (100) ist zur Isolation der darin befindlichen Leistungshalbleiterbauelemente (120) diese überdeckend mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse (130), vorzugsweise einem Silikonkautschuk befüllt. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung (1) kann ebenfalls mit einem Silikonkautschuk (130) vergossen sein, falls dies zu elektrischen Isolierung einzelner darin befindlicher Bauelemente (40, 50) notwendig ist.
  • Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung (1) als eine funktionale Einheit innerhalb einer leistungselektronischen Schaltung weist eine Mehrzahl von Vorteilen auf. Durch eine der Bauhöhe des Leistungshalbleitermoduls (100) bzw. der Familie von Leistungshalbleitermodulen angepasste Bauhöhe kann einerseits eine einfache und sichere elektrische Verbindung mittels der Leiterplatte (20) hergestellt werden. Andererseits kann zur Wärmeabfuhr ein gemeinsamer Kühlkörper (70) dienen. Als weiterer Vorteil erweist sich die identische Verbindungstechnik mittels Druckkontaktierung. Somit ergibt sich eine einfache und flexible Aufbautechnologie für leistungselektronische Schaltungen.
  • 4 zeigt das Gehäuse (10) und die Anschlusselemente (60) einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung (1) in einer dreidimensionalen Darstellung. Dargestellt ist ein Gehäuse (10) mit einer auf der nicht gezeichneten Leiterplatte abgewandeten Seite angeordneten Öffnung (vgl. 1) zur Aufnahme eines mit Bauelementen (40, 50) bestückten Substrates (30). Innerhalb des aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildeten Gehäuses (10) sind zusätzliche Führungselemente (62) zu Fixierung der Anschlusselemente (60) angeordnet. Dieser Führungselemente (62) sind, je nach Bedarf, teilweise oder vollständig mit Blattfederelementen (60a) bestückt und derart ausgebildet, dass die Federelemente auch ohne angeordnetes Substrat im Gehäuse (10) gehalten werden.
  • Weiterhin weist das Gehäuse (10) eine Rastnase (18) auf. Diese Rastnase (18) findet ihr Widerlager in einer Aussparung der Leiterplatte (20) und fixiert somit das Gehäuse (10) gegen Drehbewegungen in der Leiterplatte (20). Zusammen mit der durch die Ausnehmung (90) des Gehäuses geführten Schraubverbindung ist somit das Gehäuse relativ zur Leiterplatte fixiert. Damit sind auch die Anschlusselemente (60) relativ zu den Kontaktflächen (24) des Substrates fixiert. Weiterhin dargestellt ist ein Druckstück (80), welches die gleiche laterale Ausdehnung wie das Gehäuse (10) aufweist. In diesem Druckstück (80) ist ebenfalls eine Ausnehmung zur Aufnahme der Rastnase (18) vorgesehen um auch dieses gegen Verdrehen zu sichern.

Claims (5)

  1. Verbindungsanordnung (1) für aktive (50) und/oder passive (40) elektrische und/oder elektronische Bauelemente zur Verbindung von auf einer ersten Hauptfläche einer Leiterplatte (20) angeordneten Kontaktflächen (24) mit diesen Bauelementen (40, 50), bestehend aus einem elektrisch isolierenden Gehäuse (10, 12) mit mindestens einem Substrat (30), wobei mindestens eines dieser Bauelemente (40, 50) auf dem Substrat (30) angeordnet ist, und aus diesem Gehäuse nach außen führenden elektrisch leitenden Anschusselementen (60), wobei die Anschlusselemente als Federelemente (60) ausgeführt sind, die das Substrat (30) mit den Kontaktflächen (24) der Leiterplatte elektrisch leitend verbinden, diese Federelemente (60) innerhalb des Gehäuses geführt und dieses durchdringend fixiert (62) werden und mindestens ein Druckstück (80) auf der zweiten Hauptfläche (26) der Leiterplatte (20) angeordnet ist, um die Federelemente (60) mit Druck zu beaufschlagen, und das Substrat (30) hierbei das einseitig offene Gehäuse (10) verschließt und gemeinsam mit diesem direkt auf einem Kühlbauteil (70) angeordnet ist.
  2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Substrat (30) im Inneren eines allseits umschlossenen Gehäuses (10) mit separatem Deckel (12) angeordnet ist.
  3. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Federelemente (60) als Schrauben- (60b) oder Blattfedern (60a) ausgeführt sind
  4. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bauelemente (40, 50) Kondensatoren (40b, 40c), Widerstände (40a), Spulen (40d) und/oder integrierte Schaltkreise (50) sind.
  5. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (10) mit einem Grundkörper (70) eine Schnapp- Rastverbindung aufweist und somit eine Mehrzahl von Verbindungsanordnungen (1) auf einem gemeinsamen Grundkörper rastend angeordnet sind.
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