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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung befindet sich im Umfeld der Montage von Leiterplatten und Kühlkörper zu einer so genannten elektrischen Baugruppen. Die Entwicklung solcher Baugruppen kennzeichnen Forderungen nach verringertem Gewicht und Volumen sowie eine möglichst gute Ableitung der innerhalb der elektrischen Baugruppe erzeugten thermischen Energie.
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Leiterplatten, die auch als Leiterkarte, Platine, gedruckte Schaltung, PCB (engl.: printed circuit board) bezeichnet werden, sind Träger für diverse funktionelle Einheiten aus integrierten und/oder diskreten und passiven Bauelementen, die über ein Leitungsnetz, welches auf der Leiterplatte vorgesehen ist, elektrisch und mechanisch verbunden sind. Eine Leiterplatte dient also vornehmlich der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung der auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteile und Leiterbahnen. Diese Leiterbahnen werden meist auf eine Leiterplattenvorderseite aufgedruckt.
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Statt der Verwendung relativ dünner, an der Leiterplatte anhaftender, elektrisch leitender Leiterbahnen können auch so genannte Stromschienen verwendet werden, also massive stromführende Teile, die auf die Leiterplatte montiert werden. Solche Stromschienen werden insbesondere dann verwendet, wenn sehr hohe Ströme über die Stromschiene abgeleitet werden sollen. Darüber hinaus dienen Stromschienen auch der Ableitung thermischer Energie, welche zum Beispiel durch die auf der Leiterplatte aufgebrachten elektronischen Bauelemente erzeugt werden.
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Diese Stromschienen werden, wie auch die übrigen Leiterbahnen und elektronischen Bauelemente, auf einer Leiterplattenvorderseite der Leiterplatte montiert. Dadurch ergibt sich durch die Höhe der Stromschiene sowie der entsprechenden Befestigungselemente ein entsprechend hoher Aufbau dieser Leiterplatte sowie der entsprechenden Baugruppe. Dies ist im Sinne eines möglichst platzsparenden Designs dieser elektrischen Baugruppen nicht vorteilhaft. Darüber hinaus ist dies auch aus Kostengründen nachteilig, da für solche elektrische Baugruppen ein entsprechend großes Gehäuse bereitgestellt werden muss.
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Werden solche elektrischen Baugruppen für Anwendungen angesetzt, bei denen sehr hohe Ströme über die Leiterplatten geführt werden, ist zudem ein effizientes Wärmemanagement erforderlich. Aufgrund der Tatsache, dass die Stromschiene auf der Leiterplattenvorderseite angebracht ist, ist eine Abführung der thermischen Energie über die Leiterplattenrückseite nicht oder nur indirekt über thermische Koppelelemente möglich. Bei herkömmlichen elektrischen Baugruppen wird die durch das Schalten hoher Ströme erzeugte thermische Energie meist indirekt über entsprechende thermische Koppelelemente abgeleitet. Auch dies ist nicht vorteilhaft, da die Kühlung der elektrischen Baugruppe damit komplizierter wird und sich zudem aufwändiger gestaltet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfacher herstellbare elektrische Baugruppe mit verbesserter thermischer Energieableitung anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Baugruppe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
Eine elektrische Baugruppe, mit einem Kühlkörper, mit einer auf dem Kühlkörper montierten Leiterplatte, welche vollständig durch die Leiterplatte durchgehende schlitzförmige Ausnehmungen aufweist, mit mindestens einem stromführenden Element, welches in den schlitzförmigen Ausnehmungen eingebettet ist und vollständig durch die Leiterplatte derart hindurchgeht, dass es von einer Leiterplattenvorderseite her elektrisch kontaktierbar ist und über eine Leiterplattenrückseite mit dem Kühlkörper in thermisch leitfähiger weise verbunden ist wobei das stromführende Element als Stromschiene ausgebildet ist, welches an der Leiterplattenvorderseite mit auf der Leiterplatte aufgebrachten oder montierten Bauelementen und/oder Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden ist.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass eine Stromschiene zur elektrischen Kontaktierung von auf einer Leiterplatte vorgesehenen Leiterbahnen und elektronischen Bauelementen an einer Leiterplattenvorderseite vorgesehen sein sollte. Nachdem diese Leiterplatte allerdings mit ihrer Leiterplattenrückseite an einem Kühlkörper befestigt sein sollte, erfolgt die Ableitung thermischer Energie und damit die Kühlung jedoch über die Leiterplattenrückseite.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Stromschiene sowohl zur elektrischen Kontaktierung als auch zur Ableitung thermischer Energie zu verwenden, indem diese Stromschiene vollständig in die Leiterplatte eingebettet wird. Zu diesem Zwecke weist die erfindungsgemäße elektrische Baugruppe eine Leiterplatte mit vollständig durchgehenden Längsschlitzen auf, in welchen die Stromschienen eingebettet sind. Auf diese Weise ist sowohl eine direkte elektrische Kontaktierung dieser Stromschienen über die Leiterplattenvorderseite sowie eine direkte thermische Ankopplung dieser Stromschiene an den Kühlkörper über die Leiterplattenrückseite möglich.
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Insgesamt wird dadurch ein effizientes Wärmeableitmanagement innerhalb der elektrischen Baugruppe realisiert, mit welchem sehr hohe Ströme über die Leiterplatte geführt werden können und mit welchem sich die daraus ergebende thermische Energie effizient ableiten lässt. Aufgrund dieser Art der Kühlung unter Verwendung der eingebetteten Stromschienen können die Stromschienen entsprechend kleiner dimensioniert werden, was insbesondere Kostenvorteile aufgrund der sich dadurch ergebenden Materialersparnis nach sich zieht. Zudem ergibt sich dadurch natürlich auch eine Gewichtseinsparung.
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Darüber hinaus wird die zulässige Erwärmung der Stromschiene trotz des minimalen Materialeinsatzes (aufgrund der kleiner dimensionierten Stromschiene) nicht überschritten, was ebenfalls Kostenvorteile mit sich bringt.
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Zudem ist dadurch auch das Übertragen sehr hoher Ströme, insbesondere auch sehr hoher Dauerströme, auf kleinstem Raum möglich. Es lassen sich damit elektrische Baugruppen bereitstellen, die ein raumoptimiertes Design aufweisen und damit geeignet sind, auch in einer sehr beengten Umgebung eingebaut zu werden. Dies ermöglicht einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Anordnung dieser elektrischen Baugruppen beispielsweise in solchen Umgebungen, bei denen lediglich ein geringer Bauraum zur Verfügung steht, wie etwa bei Kühlerlüftern, Elektromotoranwendungen und dergleichen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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In einer ersten Ausgestaltung steht das stromführende Element von der Leiterplattenrückseite derart ab, dass die Leiterplatte von dem Kühlkörper beabstandet ist. Auf diese Weise ergibt sich ein mehr oder weniger großer Spalt zwischen Leiterplatte und Kühlkörper, sodass eine Kühlung der Leiterplatte auch über diesen Spalt erfolgen kann. Dies ist insbesondere für solche Anwendungen vorteilhaft, bei denen die Leiterplatte beispielsweise auch von der Leiterplattenrückseite her mit entsprechenden Verbindungsleitungen versehen ist bzw. mit elektronischen Bauelementen bestückt ist oder bei denen die Leiterplatte zwingend mechanisch von dem Kühlkörper getrennt sein soll.
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In einer zweiten, besonders bevorzugten Ausgestaltung liegt die Leiterplatte flächig auf dem Kühlkörper auf und ist so mit ihrer Leiterplattenrückseite direkt auf dem Kühlkörper aufgebracht. Die Leiterplatte ist damit mechanisch und elektrisch direkt mit dem Kühlkörper verbunden. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders kompaktes Design der elektrischen Baugruppe. Zudem wird dadurch eine sehr effiziente Wärmeableitung bereitgestellt, da thermische Energie von der Leiterplatte sowohl über die stromführenden Elemente als auch – zumindest zum Teil – über die Leiterplatte an den Kühlkörper abgeleitet wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Kühlkörper eine flächige Ausnehmung auf, die vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass dort die Leiterplatte mehr oder weniger flächenbündig einlegbar ist. Dies ermöglicht ein raumoptimiertes Design der elektrischen Baugruppe einerseits und zudem eine sehr effiziente Wärmeableitung andererseits.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiterplatte über eine erste Befestigungsvorrichtung am Kühlkörper befestigt. Zusätzlich oder alternativ sind die stromführenden Elemente über eine zweite Befestigungsvorrichtung an der Leiterplatte befestigt. Diese Befestigungsvorrichtungen können in beliebiger Art und Weise realisiert sein. In einem ersten Ausführungsbeispiel können die stromführenden Elemente durch passgenaues Einpassen in die schlitzförmigen Ausnehmungen mit der Leiterplatte befestigt werden. Es ergibt sich dadurch eine festsitzende und auch selbstjustierende Befestigungsform. Zusätzlich oder alternativ wäre auch denkbar, dass die stromführenden Elemente durch Anschrauben, Klemmen, Klammern, Einklipsen, Einkleben in die schlitzförmigen Ausnehmungen und dergleichen mit der Leiterplatte befestigt sind. Zusätzlich oder alternativ wäre es auch denkbar, dass die stromführenden Elemente nicht direkt an der Leiterplatte befestigt werden, sondern durch die schlitzförmigen Ausnehmungen hindurch gesteckt werden und direkt an dem Kühlkörper befestigt werden, wodurch auch die Leiterplatte am Kühlkörper fixiert ist. Darüber hinaus wäre auch denkbar, dass die Leiterplatte an dem Kühlkörper durch Anschrauben, Einklipsen, Klemmen, Kleben, Klammern, Aufstecken und dergleichen befestigt ist.
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In einer typischen Ausgestaltung ist das stromführende Element als Stromschiene ausgebildet. Unter einer Stromschiene ist eine massive, elektrisch leitfähige Verbindung zu verstehen, die im vorliegenden Fall sowohl elektrisch, als auch thermisch leitfähig ist. Ein sowohl elektrisch, als auch thermisch leitfähiges Material ist zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Eisen, Blech und dergleichen. Die Stromschiene ist an der Leiterplattenvorderseite mit auf der Leiterplatte aufgebrachten oder montierten elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen und Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden.
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In einer typischen Ausgestaltung ist die elektrische Baugruppe modulartig aufgebaut und weist hierzu ein Gehäuse auf, innerhalb dem die Leiterplatte von außen geschützt vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäße Einbettung der Stromschienen in die Leiterplatte kann hier ein sehr flaches Gehäuse verwendet werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1A, 1B eine Leiterplatte für eine erfindungsgemäße elektrische Baugruppe in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht;
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2 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Baugruppe;
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3 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Baugruppe;
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4A, 4B ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht;
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5 eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer modulartig ausgebildeten, erfindungsgemäßen Baugruppe.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die 1A und 1B zeigen eine Leiterplatte für eine elektrische Baugruppe in einer Draufsicht (1A) und in einer Seitendarstellung (1B). Die Leiterplatte ist hier mit Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Leiterplatte 10 der Dicke D3 weist eine schlitzförmige Ausnehmung 11 auf, die vollständig durch die Leiterplatte 10 hindurchgeht, wie aus 1B ersichtlich ist. Die Ausnehmung 11 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine konstante Schlitzbreite D1 und eine Schlitzlänge D2 auf. Die Ausnehmung 11 ist so dimensioniert, dass sie der Aufnahme einer in den 1A, 1B nicht dargestellten Stromschiene dient, welche von einer Leiterplattenvorderseite 12 vollständig durch die Leiterplatte 10 durchgeht und an der Leiterplattenrückseite 13 aus der Ausnehmung 11 herausragt.
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Die Leiterplatte 10 sei hier eine so genannte PCB-Leiterplatte, die als Träger für in 1A lediglich schematisch dargestellte elektronische Bauteile 14 dient. Dabei dient die Leiterplatte 10 der mechanischen Befestigung dieser elektronischen Bauteile 14 und deren elektrischen Verbindung. Das Material dieser Leiterplatte 10 ist typischerweise elektrisch isolierend. Als Leiterplattenmaterial kann beispielsweise ein faserverstärkter Kunststoff, Pertinax, mit Epoxydharz getränkte Glasfasermatten und dergleichen verwendet werden.
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2 zeigt eine Seitendarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Baugruppe. Die elektrische Baugruppe ist hier mit Bezugszeichen 20 bezeichnet. Die elektrische Baugruppe 20 weist eine Leiterplatte 10, einen Kühlkörper 21 sowie eine Stromschiene 22 auf.
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Die Leiterplatte 10 ist mit ihrer Leiterplattenrückseite 13 flächig auf einer Oberfläche 23 des Kühlkörpers 21 angeordnet und über eine Befestigungsschicht 24 auf den Kühlkörper 21 geklebt.
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Die Stromschiene 22 ragt mit einem Durchsteckbereich 22a von der Leiterplattenvorderseite 12 her durch die Ausnehmungen 11 der Leiterplatte 10 durch. Dieser Durchsteckbereich 22a ist zudem auf der Seite der Leiterplattenrückseite 13 mit dem Kühlkörper 21 thermisch leitfähig verbunden. Die Stromschiene 22 ist dazu ausgebildet, von elektronischen Bauteilen 14 auf der Leiterplattenvorderseite erzeugte Energie aufzunehmen und über den Durchsteckbereich 22a an den Kühlkörper 21 abzugeben. Die Stromschienen 22 weisen ferner seitliche Überlappungsbereiche 22b auf, die auf der Leiterplattenvorderseite 12 auf der Leiterplatte 10 aufliegen.
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Bei diesem Kühlkörper 21 handelt es sich um ein thermisch leitfähiges Teil, welches eine deutlich vergrößerte wärmeabgebende Oberfläche aufweist, um beispielsweise über die Stromschiene 22 eingeleitete thermische Energie abzuführen und somit die elektrische Baugruppe 20 und hier insbesondere deren elektronischen Bauteile 14 vor Überhitzung zu schützen. Dieser Kühlkörper 21 und die Stromschiene 22 haben somit die Aufgabe, durch die elektronischen Bauteile 14 erzeugte Verlustwärme durch Wärmeleitung abzuleiten und durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Um den Wärmewiderstand der Stromschiene 22 sowie des Kühlkörpers 21 möglichst gering zu halten, müssen diese z. B. aus einem thermisch gut leitenden Material bestehen, wie z. B. Aluminium, Kupfer, Silber, Stahlblech und dergleichen. Darüber hinaus können auch keramische Werkstoffe, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, etc. verwendet werden, die insbesondere zur Leistungsabführung in der Leistungselektronik und bei Leistungsbauteilen zum Einsatz kommen. Je nach Anforderung können Kühlkörper 21 in den unterschiedlichsten Ausführungen hergestellt werden, wie etwa in Form von gerippten Metallblöcken, als massive Metallplatten, als Metallplatten mit eingepressten oder eingelöteten Lamellen, etc. Um den Wärmeübergang zu begünstigen, können die Kontaktflächen der Stromschiene 22 bzw. des Kühlkörpers 21 meist zueinander plan oder zweidimensional eben durch eine mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Fräsen, Drehen oder Schleifen, hergestellt sein.
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3 zeigt eine Seitendarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel der 2 ist hier die Leiterplatte 10 von dem Kühlkörper 21 beabstandet. Die Stromschiene 22 ragt hier vollständig durch die Leiterplatte 10 durch und kontaktiert auf der anderen Seite den Kühlkörper 21. Die Leiterplatte 10 ist hier aber nicht direkt mit dem Kühlkörper 21 verbunden.
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3 zeigt ferner einen Befestigungsbereich 30 zum Befestigen der Stromschiene 22 an dem Kühlkörper 21. Dieser Befestigungsbereich 30 ist als von der Stromschiene 22 abstehende Befestigungslasche 31 ausgebildet, die über Schrauben 32 mit dem Kühlkörper 21 befestigt ist.
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Die 4A, 4B zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe in einer Draufsicht (4A) und in einer Seitendarstellung (4B). In diesem Ausführungsbeispiel sind hier zwei Stromschienen 22 vorgesehen. Der Kühlkörper 21 dieser elektrischen Baugruppe 20 weist eine Ausnehmung 40 auf, in die im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Leiterplatte 10 eingebettet ist. Analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel der 2 liegt hier die Leiterplatte 10 flächenbündig auf dem Kühlkörper 21 auf und wird zudem von den Wänden 41 der Ausnehmung 40 umschlossen. Es ergibt sich hier eine sehr bündige und auch flächen- sowie raumoptimierte kompakte Variante der elektrischen Baugruppe 20.
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5 zeigt eine Seitendarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe. Die elektrische Baugruppe 20 ist hier als Modul ausgebildet und weist neben dem Kühlkörper 21, der Leiterplatte 10 und den Stromschienen 22 ein Gehäuse 50 auf. Dieses Gehäuse 50 umschließt den Kühlkörper 21 derart, dass die Leiterplatte 10 geschützt in einem Innenraum 51 des Gehäuses 50 angeordnet ist und von außen nicht zugänglich ist. Lediglich der Kühlkörper 21 ragt nach außen und wird durch das Gehäuse 50 nicht vollständig umschlossen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Insbesondere sei die elektrische Baugruppe nicht auf die in den 2–5 angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr dienen diese lediglich der Erläuterung des erfindungsgemäßen Konzepts, welches hier aber stark vereinfacht dargestellt wurde, welches aber natürlich beliebig verändert werden kann. Insbesondere versteht es sich von selbst, dass eine elektrische Baugruppe zum Beispiel auch mehrere Leiterplatten und Kühlkörper aufweisen kann. Auch wurden Elemente einer elektrischen Baugruppe, die nicht direkt den Kern der Erfindung betreffen, wie etwa Außenanschlüsse, Innenkontaktierung, Art, Anzahl und Verschaltung der elektronischen Bauelemente und dergleichen, dem besseren Verständnis wegen weggelassen.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand einer Leiterplatte beschrieben, innerhalb der lediglich eine oder zwei Stromschienen implementiert sind. Es versteht sich von selbst, dass hier auch mehr als zwei Stromschienen innerhalb der Leiterplatte eingebettet sein können. Darüber hinaus wäre auch denkbar, dass die verschiedenen Stromschienen eine beliebige Geometrie und insbesondere eine beliebige Dimensionierung im Hinblick auf deren Höhe, Breite und Tiefe aufweisen, sofern gewährleistet ist, dass sie noch in entsprechende schlitzförmige Ausnehmungen passen.
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Darüber hinaus wurden vorstehend diverse Befestigungsmöglichkeiten erläutert, auf welche Weise die Leiterplatte an dem Kühlkörper befestigt werden kann und auf welche Weise die Stromschiene an der Leiterplatte befestigt werden kann. Es versteht sich von selbst, dass diese Befestigungsarten lediglich beispielhaft zu verstehen sind und dass auch andere Befestigungsmöglichkeiten verwendet werden können, mit welchen die Leiterplatte bzw. die Stromschiene befestigt werden.
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Darüber hinaus sind die vorstehenden Zahlen- und Dimensionierungsangaben sowie die entsprechenden Materialangaben zwar als vorteilhaft anzusehen, jedoch nicht als einschränkend zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leiterplatte
- 11
- schlitzförmige Ausnehmung
- 12
- Leiterplattenvorderseite
- 13
- Leiterplattenrückseite
- 14
- elektronische Bauelemente
- 20
- elektrische Baugruppe
- 21
- Kühlkörper
- 22
- Stromschiene
- 22a
- Durchsteckbereich
- 22b
- Überlappungsbereich
- 23
- Oberfläche des Kühlkörpers
- 24
- Befestigungsschicht
- 30
- Befestigungsbereich
- 31
- Befestigungslasche der Stromschiene
- 32
- Befestigungsschraube
- 40
- Ausnehmung
- 41
- Ausnehmungswand
- 50
- Gehäuse
- 51
- geschlossener Innenraum des Gehäuses
- D1
- Schlitzbreite
- D2
- Schlitzlänge
- D3
- Dicke der Leiterplatte bzw. der schlitzförmigen Ausnehmung
