EP4646904A1 - Toleranzausgleich bei stromkontakt zu leiterplatte - Google Patents

Toleranzausgleich bei stromkontakt zu leiterplatte

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EP4646904A1
EP4646904A1 EP24707702.7A EP24707702A EP4646904A1 EP 4646904 A1 EP4646904 A1 EP 4646904A1 EP 24707702 A EP24707702 A EP 24707702A EP 4646904 A1 EP4646904 A1 EP 4646904A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit board
sleeve
printed circuit
neck
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP24707702.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Nieberlein
Alexander ROPPELT
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP4646904A1 publication Critical patent/EP4646904A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention is based on a printed circuit board structure
  • the printed circuit board structure comprises a printed circuit board
  • circuit board has a through-opening
  • circuit board has a contact surface on its upper side in an area surrounding the passage opening
  • circuit board structure comprises a mounting sleeve with a sleeve head and a sleeve neck
  • circuit board structure has a holding structure which is fixed below the circuit board in a rotationally secure manner relative to the circuit board
  • the sleeve neck has an internal thread for receiving the screw neck of a fastening screw.
  • Printed circuit board structures are well known. They are used, for example, in power supply devices for electric drives.
  • intermediate elements which are designed geometrically similar to a dual-in-line chip. are det.
  • Such intermediate elements have a rectangular central area, which has a row of solid pins on two opposite edges, which are soldered into the circuit board. In their central area, the intermediate elements have threads into which fastening screws can be screwed.
  • soldering such intermediate elements great care must be taken to ensure that the central area of the respective intermediate element is oriented exactly parallel to the circuit board and has the "correct" distance from the surface of the circuit board. Otherwise, this can lead to considerable tension in the circuit board, to high contact resistance from the respective intermediate element to a conductor structure connected to the intermediate element, with associated local overheating and possibly even to crushing or other damage to the circuit board.
  • a printed circuit board structure of the type mentioned above is known, for example, from US 2014 / 0 211 432 Al.
  • a structure is known from JP 2013 077 687 A in which a semiconductor chip is cast into a molded body.
  • the molded body has a heat sink that is arranged on one side of the semiconductor chip.
  • 2x2 connections protrude from the molded body, which are bent towards each other at a certain distance from the molded body so that they form a connection level arranged above the molded body.
  • the bent areas each have a recess for a fastening screw.
  • a plastic holding body can be inserted laterally into the area between the molded body and the connection level.
  • the holding body has 2x2 hexagonal receptacles for fastening nuts. Fastening screws can be inserted into the recesses from above and can then be screwed into the fastening nuts.
  • a printed circuit board structure which has two printed circuit boards arranged one above the other.
  • the lower printed circuit board has through-openings into which contact pins are inserted from above.
  • the contact pins rest with a collar on the upper side of the lower printed circuit board.
  • the respective collar and also the respective area beyond the respective collar are electrically contacted with the lower printed circuit board.
  • the lower printed circuit board has contact areas in the areas in which the collars rest on the upper side of the lower printed circuit board.
  • the upper printed circuit board is placed on the ends of the contact pins which are spaced apart from the lower printed circuit board. In these areas the contact pins have slots so that they can give way radially. As a result, the arms of the contact pins formed by the slots rest against through-openings in the upper printed circuit board under spring force.
  • an arrangement which has a semiconductor chip, a circuit board, an intermediate structure arranged between the semiconductor chip and the circuit board and a fastening screw.
  • the semiconductor chip carries a fastening element which on the one hand has a ring-shaped, circumferential step and on the other hand a sleeve with an internal thread protruding from the step.
  • the circular shape of the step is interrupted at one point. Instead there is a straight section.
  • the chip is inserted into the intermediate structure, which has a recess corresponding to the step. This fixes the chip in the intermediate structure so that it cannot twist.
  • the intermediate structure is inserted into the circuit board via two pins and is therefore fixed so that it cannot twist relative to the circuit board.
  • the sleeve protruding from the step passes through a recess in the circuit board.
  • the fastening screw is screwed into the sleeve. This firmly connects the semiconductor chip to the circuit board.
  • the object of the present invention is to create possibilities by means of which an electrical connection clocking of a circuit board is possible, over which large currents can be transmitted. At the same time, tolerance compensation should be possible relative to the circuit board level, both in terms of the distance from the top of the circuit board and in terms of the orientation relative to the top of the circuit board.
  • a printed circuit board structure of the type mentioned at the outset is designed in that the passage opening is designed as a closed opening which has a clear width, and that the clear width is larger than an associated dimension of the sleeve neck, so that the sleeve neck is arranged in the passage opening with a lateral play.
  • connection element can, for example, be designed as a contact sleeve that is put over the sleeve neck and pressed against the contact surface.
  • the contact sleeve is usually made of copper or brass.
  • the torque that occurs when screwing the fastening screw into the internal thread can taken up by the holding structure and then introduced into the circuit board so that the fastening sleeve does not rotate when the fastening screw is screwed in.
  • the sleeve head is held in the holding structure in a form-fitting manner.
  • This design is particularly simple and reliable to implement.
  • the sleeve head can have a polygonal shape, in particular be square or hexagonal.
  • the sleeve neck has an enlarged diameter at its end facing away from the sleeve head compared to its region facing the sleeve head and the sleeve neck further has slots at its end facing away from the sleeve head so that the regions of the sleeve neck can spring in between the slots.
  • This design makes it possible to press an annular contact sleeve, which is pressed onto the contact surface of the circuit board by means of the fastening screw, onto the areas between the slots on the inside as well, so that the annular contact sleeve is already fixed in place before the fastening screw is screwed into the internal thread of the sleeve neck and a portion of the current can also flow through the contact areas where the annular contact element is pressed onto the areas between the slots.
  • the current-carrying capacity of the contact sleeve is increased.
  • the passage opening is circular and the sleeve neck has a circular cross-section, so that the clear width and the associated dimension of the sleeve neck are diameters. This design is particularly simple.
  • the support structure can consist of an electrically insulating material or an electrically conductive material as required.
  • the support structure can consist in particular of a plastic, and in the case of an electrically conductive material, it can consist in particular of steel. Materials based on metals and metal alloys in particular often have considerably greater structural strengths than can be achieved with plastics.
  • the fastening sleeve preferably has a trench-like undercut in a transition area from the sleeve head to the sleeve neck.
  • solder the sleeve head to the underside of the circuit board and still ensure that solder does not get through the through-hole in the circuit board to the top of the circuit board.
  • the circuit board structure usually has a power module that is arranged underneath the circuit board.
  • a power module is usually connected to the circuit board in connection areas.
  • the connection can be a plug connection.
  • the power module is pressed onto the circuit board.
  • the sleeve head and the holding structure are arranged within a volume delimited by the circuit board, the power module and the connection areas. In particular, with this configuration design, the present invention shows its full advantages.
  • FIG 1 shows a section through a printed circuit board structure
  • FIG 2 is a plan view of a printed circuit board
  • FIG 3 is a perspective view of a fastening sleeve
  • FIG 4 a possible contour of a sleeve head
  • FIG 5 is a perspective sectional view of a printed circuit board structure
  • FIG 6 is a perspective view of a support structure with several fastening sleeves
  • FIG 7 a fastening sleeve in longitudinal section
  • FIG 8 another fastening sleeve in longitudinal section
  • FIG 9 is a perspective view of the fastening sleeve of FIG 8 and
  • FIG 10 is a perspective view of a circuit board structure.
  • a circuit board structure has a circuit board 1.
  • Conductor tracks are arranged on the top side 2 and/or the bottom side 3 of the circuit board 1 - sometimes also in intermediate layers between the top side 2 and the bottom side 3.
  • the conductor tracks are not shown because they are of secondary importance within the scope of the present invention.
  • the circuit board 1 has a through-opening 4.
  • the through-opening 4 is a closed opening and has a clear width d4 seen in the plane of the circuit board 1.
  • the through-opening 4 is circular and therefore has a diameter d4 as the clear width d4. (see also FIG. 2).
  • the printed circuit board 1 has a contact surface 5 on its upper side 2 in an area surrounding the through-opening 4.
  • the circuit board structure also has a fastening sleeve 6 with a sleeve head 7 and a sleeve neck 8.
  • the fastening sleeve 6 is guided from below through the through-opening 4.
  • the sleeve head 7 is arranged on the underside 3 and the sleeve neck 8 also passes through the through-opening 4.
  • the circuit board structure further comprises a holding structure 9.
  • the holding structure 9 is often made of an electrically insulating material, in particular a plastic. In some cases, however, it can also be made of an electrically conductive material, in particular steel.
  • the holding structure 9 is arranged beneath the circuit board 1.
  • the holding structure 9 is fixed in a rotationally secure manner relative to the circuit board 1.
  • the holding structure 9 can be connected to the circuit board 1 by screw connections, as indicated in FIG. 1 by dashed lines 10.
  • the precise manner of the rotationally secure fixing of the holding structure 9 relative to the circuit board 1 is, however, of secondary importance.
  • the sleeve head 7 is fixed in the holding structure 9 in a rotationally secure manner. It is possible that this rotationally secure fixation is achieved by a force fit. Preferably, however, the sleeve head 7 is held in the holding structure 9 in a form-fitting manner.
  • the sleeve head 7 can have a polygonal shape, in particular a hexagonal shape, as shown in FIG. 2 and also in FIG. 3. However, other polygonal shapes are also possible, for example a square or an octagonal shape.
  • the decisive factor for a form-fitting fixation is that the contour of the sleeve head 7 is different from the circular shape.
  • the sleeve head 7 can even be as shown in FIG. 4 have a contour that rotates in a wave-like manner around a central axis.
  • the sleeve neck 8 has an internal thread 11.
  • a fastening screw 12 (see FIG. 5 purely as an example) can be received by the internal thread 11, i.e. can be screwed in.
  • FIG 5 also shows a number of facts which are generally implemented and can also be implemented in other embodiments explained in more detail below, but which are not absolutely necessary.
  • a number of fastening sleeves 6 are present.
  • the fastening sleeves 6 are fixed in the same holding structure 9 so as to prevent rotation.
  • Contact sleeves 13 are also placed on the sleeve necks 8, with the contact sleeves 13 being connected on the one hand to the associated contact surfaces 5 and on the other hand to busbars 14. Not all of the contact sleeves 13 and the busbars 14 are provided with their reference symbols in FIG 5.
  • FIG 6 shows the holding structure 9 in isolation, as it is used in the embodiment according to FIG 5.
  • FIG 6 shows very clearly the polygonal shape of the sleeve heads 7 and also the positive fixation of the fastening sleeves 6 in the holding structure 9.
  • FIG 7 shows a section through a typical fastening sleeve 6.
  • the sleeve neck 8 has a corresponding dimension d8 in relation to the clear width d4.
  • the dimension d8 is also related to the plane of the circuit board 1.
  • the dimension d8 of the sleeve neck 8 is smaller than the clear width d4 of the through-opening 4. This ensures that the sleeve neck 8 is arranged in the through-opening 4 - in both transverse directions - with a lateral play.
  • the play - in other words the difference between the clear width d4 and the corresponding dimension d8 - is preferably in the range between see 1 mm and 3 mm.
  • the clear width d4 is a diameter, i.e. the passage opening 4 is circular
  • the corresponding dimension d8 is preferably also a diameter.
  • the sleeve neck 8 has a circular cross-section.
  • the sleeve neck 8 has a region 15 facing the sleeve head 7, an end 16 facing away from the sleeve head 7 and a transition region 17 in between.
  • the sleeve neck 8 has an enlarged diameter dl 6 compared to its region 15 facing the sleeve head 7.
  • the diameter dl 6 may also be a maximum of as large as the diameter d4 of the passage opening 4.
  • the sleeve neck 8 has slots 18 at its end 16 facing away from the sleeve head 7.
  • the slots 18 extend at least substantially in the longitudinal direction of the sleeve neck 8. Due to this design, the areas of the sleeve neck 8 that are located between the slots 18 can compress. This is indicated in FIG. 8 by corresponding arrows 19.
  • the circuit board structure has a power module 20 as shown in FIG. 1 (also indicated by dashed lines in FIG. 2 and also shown in FIG. 10).
  • the power module 20, if present, carries semiconductor switching elements. For example, it can implement a single bridge branch or several bridge branches of a converter circuit.
  • the power module 20, if present, is generally arranged below the circuit board 1.
  • a heat sink is generally arranged below the power module 20 (indicated in FIG. 1, but not provided with a reference symbol).
  • the power module 20 is connected to the circuit board 1 in connection areas 21.
  • connection areas 21 In FIG 10, the corresponding pins emanating from the power module 20 can be seen, which in the circuit board 1 are introduced.
  • the connection of the power module 20 to the circuit board 1 can in particular be designed as a press fit. Irrespective of the specific type of connection, however, the circuit board 1, the power module 20 and the connection areas 21 delimit a volume. As can be seen from the illustrations in FIGS. 1 and 10, the sleeve head 7 and the holding structure 9 are arranged within this volume.
  • FIG. 3 A further preferred embodiment of the fastening sleeve 6 can be seen in particular in FIG. 3.
  • the fastening sleeve 6 according to FIG. 3 has a trench-like undercut 22 in a transition region from the sleeve head 7 to the sleeve neck 8.
  • the undercut 22 can be used to determine in which areas the sleeve head 7 can possibly rest on the underside 3 of the circuit board 1.
  • the present invention relates to the following:
  • a printed circuit board 1 has a through-opening 4 and a contact surface 5 on its upper side 2 in an area surrounding the through-opening 4.
  • a fastening sleeve 6 has a sleeve head 7 and a sleeve neck 8. The fastening sleeve 6 is guided from below through the through-opening 4 of the printed circuit board 1, so that the sleeve head 7 is arranged on the underside 3 of the printed circuit board 1 and the sleeve neck 8 passes through the through-opening 4.
  • a holding structure 9 is fixed below the printed circuit board 1 in a rotationally secure manner relative to the printed circuit board 1, the sleeve head 7 in the holding structure 9.
  • the sleeve neck 8 has an internal thread 11 for receiving the screw neck of a fastening screw 12.
  • the through-opening 4 is designed as a closed opening which has a clear width d4.
  • the clear width d4 is larger than a corresponding dimension d8 of the sleeve neck 8, so that the sleeve neck 8 is arranged in the passage opening 4 with a lateral play.
  • the present invention has many advantages. In particular, both lateral and vertical tolerance compensation can be achieved in a simple manner when connecting a contact sleeve 13 (or another contact element), while nevertheless a rotation-proof fixation of the fastening sleeve 6 relative to the circuit board 1 can be achieved in an equally simple manner. This can prevent distortion and other damage to the circuit board 1. Furthermore, the electrical contact of the contact sleeve 13 (or the other contact element) can be optimized, so that local overheating in particular can be reliably avoided.

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Abstract

Eine Leiterplatte (1) weist eine Durchtrittsöffnung (4) und auf ihrer Oberseite (2) in einem die Durchtrittsöffnung (4) umgebenden Bereich eine Kontaktfläche (5) auf. Eine Befestigungshülse (6) weist einen Hülsenkopf (7) und einen Hülsenhals (8) auf. Die Befestigungshülse (6) ist von unten durch die Durchtrittsöffnung (4) der Leiterplatte (1) geführt, so dass der Hülsenkopf (7) an der Unterseite (3) der Leiterplatte (11) angeordnet ist und der Hülsenhals (8) durch die Durchtrittsöffnung (4) hindurch tritt. Eine Haltestruktur (9) ist unterhalb der Leiterplatte (1) relativ zur Leiterplatte (1) verdrehsicher fixiert, der Hülsenkopf (7) in der Haltestruktur (9). Der Hülsenhals (8) weist ein Innengewinde (11) zum Aufnehmen des Schraubenhalses einer Befestigungsschraube (12) auf. Die Durchtrittsöffnung (4) ist als geschlossene Öffnung ausgebildet, die eine lichte Weite (d4) aufweist. Die lichte Weite (d4) ist größer als eine zugehörige Abmessung (d8) des Hülsenhalses (8), so dass der Hülsenhals (8) in der Durchtrittsöffnung (4) mit einem seitlichen Spiel angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Toleranzausgleich bei Stromkontakt zu Leiterplatte
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Leiterplattenstruktur,
- wobei die Leiterplattenstruktur eine Leiterplatte aufweist ,
- wobei die Leiterplatte eine Durchtrittsöf fnung aufweist ,
- wobei die Leiterplatte auf ihrer Oberseite in einem die Durchtrittsöf fnung umgebenden Bereich eine Kontakt fläche aufweist ,
- wobei die Leiterplattenstruktur eine Befestigungshülse mit einem Hülsenkopf und einem Hülsenhals aufweist ,
- wobei die Befestigungshülse von unten durch die Durchtrittsöf fnung der Leiterplatte geführt ist , so dass der Hülsenkopf an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist und der Hülsenhals durch die Durchtrittsöf fnung hindurch tritt ,
- wobei die Leiterplattenstruktur eine Haltestruktur aufweist , die unterhalb der Leiterplatte relativ zur Leiterplatte verdrehsicher fixiert ist ,
- wobei der Hülsenkopf in der Haltestruktur verdrehsicher fixiert ist ,
- wobei der Hülsenhals ein Innengewinde zum Aufnehmen des Schraubenhalses einer Befestigungsschraube aufweist .
Leiterplattenstrukturen sind allgemein bekannt . Sie werden beispielsweise bei Stromversorgungseinrichtungen für elektrische Antriebe eingesetzt .
Bei einer derartigen Leiterplattenstruktur müssen oftmals hohe Ströme der Leiterplatte zugeführt bzw . von der Leiterplatte abgeführt werden . Hierfür müssen entsprechende Kontaktmöglichkeiten vorhanden sein .
Im Stand der Technik erfolgen das Zuführen bzw . Abführen derartiger Ströme oftmals über Zwischenelemente , die in geometrischer Hinsicht ähnlich zu einem Dual-in-Line-Chip ausgebil- det sind . Derartige Zwischenelemente weisen einen rechteckigen Zentralbereich auf , der an zwei einander gegenüberliegenden Rändern j eweils eine Reihe von massiven Pins aufweist , die in die Leiterplatte eingelötet werden . In ihrem Zentralbereich weisen die Zwischenelemente Gewinde auf , in welche Befestigungsschrauben eingedreht werden können . Beim Einlöten derartiger Zwischenelemente muss sehr genau darauf geachtet werden, dass der Zentralbereich des j eweiligen Zwischenelements exakt parallel zur Leiterplatte orientiert ist und den „richtigen" Abstand zur Oberfläche der Leiterplatte aufweist . Anderenfalls kann es zu erheblichen Verspannungen der Leiterplatte , zu großen Übergangswiderständen vom j eweiligen Zwischenelement zu einer mit dem Zwischenelement verbundenen Leiterstruktur mit einer damit einhergehenden lokalen Überhitzung und eventuell sogar zu einer Verquetschung oder anderen Beschädigungen der Leiterplatte kommen .
Alternativ ist es bekannt , Befestigungshülsen mit einem Hülsenkopf und einem Hülsenhals - sogenannte Lötmuttern - zu verwenden, welche mit ihrem Hülsenkopf auf die Oberseite der Leiterplatte aufgelötet werden . Der Hülsenhals ragt hierbei von der Oberseite der Leiterplatte weg . Der Hülsenkopf ist also zwischen der Oberseite der Leiterplatte und dem Hülsenhals angeordnet . Auch bei dieser Vorgehensweise muss beim Auflöten sehr genau darauf geachtet werden, dass der Hülsenkopf exakt parallel zur Leiterplatte orientiert ist . Weiterhin muss darauf geachtet werden, dass die Lötstelle nicht auf Zug beansprucht wird . Dies ist umso kritischer, weil die Hülsenköpfe üblicherweise nur eine sehr kleine Auflagefläche haben und die Kraft der Schrauben daher auf eine entsprechend kleine Fläche der Leiterplatte eingeleitet wird . Bei der Verwendung größerer Befestigungshülsen sind die Befestigungshülsen entsprechend größer und schwerer, so dass auf der Unterseite der Leiterplatte Probleme entstehen können . Dies gilt insbesondere dann, wenn an der Unterseite im entsprechenden Bereich ein Einpressmodul oder eine andere mechanische Konstruktion angeordnet werden soll . Aus dem Firmenprospekt „Z-Ray Press-Fit Alignment Hardware" der Firma Samtec, abgerufen aus dem Internet am 03 . 03 . 2023 unter https : / /does . rs-onl ine . com/ 7262 /A700000007153398 . pdf sind verschiedene Elemente bekannt , die unter Presssitz in eine Leiterplatte eingebracht werden können . Bei Verwendung dieser Elemente muss die Leiterplatte erhebliche mechanische Kräfte aufnehmen können, was nicht stets gewünscht und oftmals nicht möglich ist . Auch muss die Leiterplatte mit hoher geometrischer Genauigkeit gefertigt werden . Darüber hinaus sind die Elemente starr in der Leiterplatte fixiert , so dass kein Ausgleich von Toleranzen bezüglich der Oberseite der Leiterplatte möglich ist . Ähnliche Einpresselemente werden auch von der Firma Würth Elektronik ICS GmbH & Co . KG, Niedernhall , Deutschland, angeboten und vertrieben .
Eine Leiterplattenstruktur der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der US 2014 / 0 211 432 Al bekannt .
Aus der JP 2013 077 687 A ist eine Struktur bekannt , bei welcher ein Halbleiterchip in einen Formkörper eingegossen ist . Der Formkörper weist einen Kühlkörper auf , der auf einer Seite des Halbleiterchips angeordnet ist . An der gegenüberliegenden Seite ragen aus dem Formkörper 2x2 Anschlüsse hervor, die in einem gewissen Abstand von dem Formkörper aufeinander zu umgebogen sind, so dass sie eine oberhalb des Formkörpers angeordnete Anschlussebene bilden . Die umgebogenen Bereiche weisen j eweils eine Ausnehmung für eine Befestigungsschraube auf . In den Bereich zwischen dem Formkörper und der Anschlussebene kann seitlich ein Haltekörper aus Kunststof f eingeschoben werden . Der Haltekörper weist 2x2 sechseckige Aufnahmen für Befestigungsmuttern auf . Von oben können in die Ausnehmungen Befestigungsschrauben eingeführt werden, die dann in die Befestigungsmuttern eingedreht werden können . Auf diese Art und Weise können Leiter an den Halbleiterchip angeschlossen werden . Die Befestigungsmuttern sind in den sechseckigen Aufnahmen verdrehsicher gehalten, aber nicht fixiert . Aus der DE 10 2018 105 784 Al ist eine Leiterplattenstruktur bekannt , die zwei übereinander angeordnete Leiterplatten aufweist . Die untere Leiterplatte weist Durchtrittsöf fnungen auf , in die von oben Kontaktsti fte eingesteckt sind . Die Kontaktsti fte liegen mit einem Kragen auf der Oberseite der unteren Leiterplatte auf . Der j eweilige Kragen und auch der j eweilige Bereich j enseits des j eweiligen Kragens sind mit der unteren Leiterplatte elektrisch kontaktiert . Die untere Leiterplatte weist in den Bereichen, in denen die Kragen auf der Oberseite der unteren Leiterplatte aufliegen, Kontaktbereiche auf . Die obere Leiterplatte ist auf die von der unteren Leiterplatte beabstandeten Enden der Kontaktsti fte aufgesetzt . In diesen Bereichen weisen die Kontaktsti fte Schlitze auf , so dass sie radial nachgeben können . Dadurch liegen die durch die Schlitze gebildeten Arme der Kontaktsti fte unter Federkraft an Durchtrittsöf fnungen der oberen Leiterplatte an .
Aus der GB 2 202 993 A ist eine Anordnung bekannt , die einen Halbleiterchip, eine Leiterplatte , eine zwischen dem Halbleiterchip und der Leiterplatte angeordnete Zwischenstruktur und eine Befestigungsschraube aufweist . Der Halbleiterchip trägt ein Befestigungselement , das einerseits eine ringförmig umlaufende Stufe und andererseits eine von der Stufe weg ragende Hülse mit einem Innengewinde aufweist . Die Kreis form der Stufe ist an einer Stelle unterbrochen . Dort befindet sich stattdessen ein gerader Abschnitt . Der Chip wird in die Zwischenstruktur eingesetzt , welche eine mit der Stufe korrespondierende Ausnehmung aufweist . Dadurch ist der Chip in der Zwischenstruktur verdrehsicher fixiert . Die Zwischenstruktur wird über zwei Sti fte in die Leiterplatte eingesetzt und ist dadurch relativ zur Leiterplatte verdrehsicher fixiert . Die von der Stufe weg ragende Hülse tritt durch eine Ausnehmung in der Leiterplatte hindurch . In die Hülse ist die Befestigungsschraube eingedreht . Dadurch ist der Halbleiterchip fest mit der Leiterplatte verbunden .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaf fen, mittels derer eine elektrische Kon- taktierung einer Leiterplatte möglich ist , über die große Ströme übertragen werden können . Gleichzeitig soll relativ zur Leiterplattenebene ein Toleranzausgleich möglich sein, und zwar sowohl in Bezug auf den Abstand von der Oberseite der Leiterplatte als auch in Bezug auf die Orientierung relativ zur Oberseite der Leiterplatte .
Die Aufgabe wird durch eine Leiterplattenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Leiterplattenstruktur sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 8 .
Erfindungsgemäß wird eine Leiterplattenstruktur der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet , dass die Durchtrittsöf fnung als geschlossene Öf fnung ausgebildet ist , die eine lichte Weite aufweist , und dass die lichte Weite größer als eine zugehörige Abmessung des Hülsenhalses ist , so dass der Hülsenhals in der Durchtrittsöf fnung mit einem seitlichen Spiel angeordnet ist .
An der Kontakt fläche kann ein groß flächiger Kontakt mit einem Anschlusselement erfolgen . Das Anschlusselement kann beispielsweise als Kontakthülse ausgebildet sein, die über den Hülsenhals gestülpt wird und an die Kontakt fläche angedrückt wird . Die Kontakthülse besteht in der Regel aus Kupfer oder Messing .
Aufgrund der Anordnung der Befestigungshülse derart , dass der Hülsenkopf an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist , können Zugbelastungen ohne weiteres auf genommen werden . Ferner verringert sich die resultierende Bauhöhe , um welche die Befestigungshülse über die Oberseite der Leiterplatte übersteht . Gleichzeitig kann auch das Ausmaß , um welches die Befestigungshülse über die Unterseite der Leiterplatte hinausragt , gering gehalten werden .
Aufgrund der Haltestruktur kann das Drehmoment , das beim Eindrehen der Befestigungsschraube in das Innengewinde auftritt , von der Haltestruktur aufgenommen und sodann in die Leiterplatte eingeleitet werden, so dass die Befestigungshülse sich beim Eindrehen der Befestigungsschraube nicht mitdreht .
Die Abstimmung der lichten Weite der Durchtrittsöf fnung und der zugehörigen Abmessung des Hülsenhalses aufeinander ermöglicht auf einfache Weise einen seitlichen Toleranzausgleich . Weiterhin wird auch ein vertikaler Toleranzausgleich erleichtert , weil zwischen der Leiterplatte und dem Hülsenhals keine Klemmung existiert , welche einen derartigen vertikalen Toleranzausgleich behindern könnte .
Vorzugsweise ist der Hülsenkopf in der Haltestruktur formschlüssig gehalten . Diese Ausgestaltung ist besonders einfach und zuverlässig zu realisieren . Beispielsweise kann der Hülsenkopf eine Polygonform aufweisen, insbesondere viereckig oder sechseckig ausgebildet sein .
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der Hülsenhals an seinem vom Hülsenkopf abgewandten Ende im Vergleich zu seinem dem Hülsenkopf zugewandten Bereich einen vergrößerten Durchmesser auf und weist weiterhin der Hülsenhals an seinem vom Hülsenkopf abgewandten Ende Schlitze auf , so dass die Bereiche des Hülsenhalses zwischen den Schlitzen einfedern können .
Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, eine ringförmige Kontakthülse , die mittels der Befestigungsschraube an die Kontakt fläche der Leiterplatte angedrückt wird, zusätzlich auch an ihrer Innenseite an die Bereiche zwischen den Schlitzen anzudrücken, so dass die ringförmige Kontakthülse zum einen bereits vor dem Eindrehen der Befestigungsschraube in das Innengewinde des Hülsenhalses fixiert ist und zum anderen auch über die Kontaktbereiche , an denen das ringförmige Kontaktelement an die Bereiche zwischen den Schlitzen angedrückt wird, einen Teil des Stromes fließen zu lassen . Im Ergebnis wird dadurch die Stromtragfähigkeit der Kontakthülse vergrößert . Vorzugsweise ist die Durchtrittsöf fnung kreisrund und weist der Hülsenhals einen kreis förmigen Querschnitt auf , so dass die lichte Weite und die zugehörige Abmessung des Hülsenhalses Durchmesser sind . Diese Ausgestaltung ist besonders einfach .
Die Haltestruktur kann, j e nach Lage des Einzel falls , nach Bedarf aus einem elektrisch isolierenden Material oder aus einem elektrisch leitenden Material bestehen . Im Falle eines elektrisch isolierenden Materials kann die Haltestruktur insbesondere aus einem Kunststof f bestehen, im Falle eines elektrisch leitenden Materials insbesondere aus Stahl . Insbesondere auf Metallen und Metalllegierungen basierende Materialien weisen oftmals erheblich größere strukturelle Festigkeiten auf , als sie mit Kunststof fen erreichbar sind .
Vorzugsweise weist die Befestigungshülse in einem Übergangsbereich vom Hülsenkopf zum Hülsenhals einen grabenartigen Freistich auf . In diesem Fall kann gezielt eingestellt werden, in welchem Bereich der Hülsenkopf durch die Befestigungsschraube an die Unterseite der Leiterplatte angedrückt werden kann . Weiterhin ist es möglich, den Hülsenkopf an der Unterseite der Leiterplatte an die Leiterplatte anzulöten und dennoch zu gewährleisten, dass Lot nicht durch die Durchtrittsöf fnung der Leiterplatte hindurch auf die Oberseite der Leiterplatte gelangt .
Üblicherweise weist die Leiterplattenstruktur ein Leistungsmodul auf , das unterhalb der Leiterplatte angeordnet ist . Ein derartiges Leitungsmodul ist in der Regel mit der Leiterplatte in Verbindungsbereichen verbunden . Die Verbindung kann eine Steckverbindung sein . In vielen Fällen ist das Leistungsmodul mit der Leiterplatte verpresst . Vorzugsweise sind der Hülsenkopf und die Haltestruktur innerhalb eines von der Leiterplatte , dem Leistungsmodul und den Verbindungsbereichen begrenzten Volumens angeordnet . Insbesondere bei dieser Aus- gestaltung zeigt die vorliegende Erfindung ihre vollen Vorteile .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele , die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Hierbei zeigen in schematischer Darstellung :
FIG 1 einen Schnitt durch eine Leiterplattenstruktur,
FIG 2 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte ,
FIG 3 eine perspektivische Ansicht einer Befestigungshülse ,
FIG 4 eine mögliche Kontur eines Hülsenkopfes ,
FIG 5 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Leiterplattenstruktur,
FIG 6 eine perspektivische Darstellung einer Haltestruktur mit mehreren Befestigungshülsen,
FIG 7 eine Befestigungshülse im Längsschnitt ,
FIG 8 eine weitere Befestigungshülse im Längsschnitt ,
FIG 9 eine perspektivische Darstellung der Befestigungshülse von FIG 8 und
FIG 10 eine perspektivische Darstellung einer Leiterplat- tenstruktur .
Gemäß FIG 1 weist eine Leiterplattenstruktur eine Leiterplatte 1 auf . Auf der Oberseite 2 und/oder der Unterseite 3 der Leiterplatte 1 - manchmal auch in Zwischenschichten zwischen der Oberseite 2 und der Unterseite 3 - sind Leiterbahnen angeordnet . Die Leiterbahnen sind nicht mit dargestellt , da sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung von untergeordneter Bedeutung sind . Von Bedeutung ist hingegen, dass die Leiterplatte 1 eine Durchtrittsöf fnung 4 aufweist . Die Durchtrittsöf fnung 4 ist eine geschlossene Öf fnung und weist in der Ebene der Leiterplatte 1 gesehen eine lichte Weite d4 auf . Im einfachsten Fall ist die Durchtrittsöf fnung 4 kreisrund und weist daher als lichte Weite d4 einen Durchmesser d4 auf ( siehe auch FIG 2 ) . Von Bedeutung ist weiterhin, dass die Leiterplatte 1 auf ihrer Oberseite 2 in einem die Durchtrittsöf fnung 4 umgebenden Bereich eine Kontakt fläche 5 aufweist .
Die Leiterplattenstruktur weist weiterhin eine Befestigungshülse 6 mit einem Hülsenkopf 7 und einem Hülsenhals 8 auf . Die Befestigungshülse 6 ist von unten durch die Durchtrittsöf fnung 4 geführt . Dadurch ist der Hülsenkopf 7 an der Unterseite 3 angeordnet und tritt weiterhin der Hülsenhals 8 durch die Durchtrittsöf fnung 4 hindurch .
Die Leiterplattenstruktur weist weiterhin eine Haltestruktur 9 auf . Die Haltestruktur 9 besteht oftmals aus einem elektrisch isolierenden Material , insbesondere einem Kunststof f . In manchen Fällen kann sie aber auch aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, insbesondere Stahl . Die Haltestruktur 9 ist unterhalb der Leiterplatte 1 angeordnet . Die Haltestruktur 9 ist relativ zur Leiterplatte 1 verdrehsicher fixiert . Beispielsweise kann die Haltestruktur 9 , wie in FIG 1 durch gestrichelte Linien 10 angedeutet ist , mit der Leiterplatte 1 durch Schraubverbindungen verbunden sein . Die genaue Art und Weise der verdrehsicheren Fixierung der Haltestruktur 9 relativ zur Leiterplatte 1 ist j edoch von untergeordneter Bedeutung .
Der Hülsenkopf 7 ist in der Haltestruktur 9 verdrehsicher fixiert . Es ist möglich, dass diese verdrehsichere Fixierung durch einen Kraftschluss erreicht wird . Vorzugsweise ist der Hülsenkopf 7 j edoch in der Haltestruktur 9 formschlüssig gehalten . Beispielsweise kann der Hülsenkopf 7 , wie in FIG 2 und auch in FIG 3 dargestellt ist , eine Polygonform aufweisen, insbesondere sechseckig ausgebildet sein . Es sind aber auch andere Polygonformen möglich, beispielsweise eine viereckige oder eine achteckige Ausbildung . Entscheidend für eine formschlüssige Fixierung ist , dass die Kontur des Hülsenkopfes 7 von der Kreis form verschieden ist . Beispielsweise kann der Hülsenkopf 7 sogar entsprechend der Darstellung in FIG 4 eine Kontur aufweisen, die wellenartig um eine zentrale Achse umläuft .
Der Hülsenhals 8 weist ein Innengewinde 11 auf . Von dem Innengewinde 11 kann eine Befestigungsschraube 12 ( siehe rein beispielhaft FIG 5 ) aufgenommen werden, also im Ergebnis eingedreht werden .
FIG 5 zeigt weiterhin mehrere Sachverhalte , die zwar in der Regel realisiert sind und auch bei weiteren, nachstehend näher erläuterten Ausgestaltungen realisiert sein können, aber nicht zwingend erforderlich sind . So sind beispielsweise bei der Ausgestaltung von FIG 5 mehrere Befestigungshülsen 6 vorhanden . Weiterhin sind die Befestigungshülsen 6 in derselben Haltestruktur 9 verdrehsicher fixiert . Auch sind auf die Hülsenhälse 8 Kontakthülsen 13 aufgesetzt , wobei die Kontakthülsen 13 einerseits mit den zugehörigen Kontakt flächen 5 und andererseits mit Stromschienen 14 verbunden sind . Von den Kontakthülsen 13 und den Stromschienen 14 sind in FIG 5 nicht alle mit ihrem Bezugs zeichen versehen .
FIG 6 zeigt isoliert die Haltestruktur 9 , wie sie bei der Ausgestaltung gemäß FIG 5 verwendet wird . FIG 6 zeigt sehr deutlich die Polygonform der Hülsenköpfe 7 und auch die formschlüssige Fixierung der Befestigungshülsen 6 in der Haltestruktur 9 .
FIG 7 zeigt einen Schnitt durch eine typische Befestigungshülse 6 . Gemäß FIG 7 ( siehe ergänzend FIG 1 und auch weitere FIG) weist der Hülsenhals 8 bezogen auf die lichte Weite d4 eine zugehörige Abmessung d8 auf . Die Abmessung d8 ist ebenfalls auf die Ebene der Leiterplatte 1 bezogen . Die Abmessung d8 des Hülsenhalses 8 ist kleiner als die lichte Weite d4 der Durchtrittsöf fnung 4 . Dadurch wird erreicht , dass der Hülsenhals 8 in der Durchtrittsöf fnung 4 - in beiden Querrichtungen - mit einem seitlichen Spiel angeordnet ist . Das Spiel - im Ergebnis also die Di f ferenz der lichten Weite d4 und der zugehörigen Abmessung d8 - liegt vorzugsweise im Bereich zwi- sehen 1 mm und 3 mm . Falls die lichte Weite d4 ein Durchmesser ist , die Durchtrittsöf fnung 4 also kreisrund ist , ist vorzugsweise auch die zugehörige Abmessung d8 ein Durchmesser . In diesem Fall weist also der Hülsenhals 8 einen kreisförmigen Querschnitt auf .
Die FIG 8 und 9 zeigen eine weitere , besonders bevorzugte Ausgestaltung der Befestigungshülse 6 . Gemäß den FIG 8 und 9 weist der Hülsenhals 8 einen dem Hülsenkopf 7 zugewandten Bereich 15 , ein vom Hülsenkopf 7 abgewandtes Ende 16 und dazwischen einen Übergangsbereich 17 auf . An seinem vom Hülsenkopf 7 abgewandten Ende 16 weist der Hülsenhals 8 im Vergleich zu seinem dem Hülsenkopf 7 zugewandten Bereich 15 einen vergrößerten Durchmesser dl 6 auf . Auch der Durchmesser dl 6 darf maximal so groß wie der Durchmesser d4 der Durchtrittsöf fnung 4 sein . Weiterhin weist der Hülsenhals 8 an seinem vom Hülsenkopf 7 abgewandten Ende 16 Schlitze 18 auf . Die Schlitze 18 erstrecken sich zumindest im wesentlichen in der Längsrichtung des Hülsenhalses 8 . Aufgrund dieser Ausgestaltung können die Bereiche des Hülsenhalses 8 , die sich zwischen den Schlitzen 18 befinden, einfedern . Dies ist in FIG 8 durch entsprechende Pfeile 19 angedeutet .
In vielen Fällen weist die Leiterplattenstruktur entsprechend der Darstellung in FIG 1 ( gestrichelt auch in FIG 2 angedeutet und auch in FIG 10 dargestellt ) ein Leistungsmodul 20 auf . Das Leistungsmodul 20 trägt , sofern es vorhanden ist , Halbleiterschaltelemente . Beispielsweise kann es einen einzelnen Brückenzweig oder mehrere Brückenzweige einer Umrichterschaltung realisieren . Das Leistungsmodul 20 ist , sofern es vorhanden ist , in der Regel unterhalb der Leiterplatte 1 angeordnet . Unter dem Leistungsmodul 20 ist in der Regel ein Kühlkörper angeordnet ( in FIG 1 angedeutet , aber nicht mit einem Bezugs zeichen versehen) .
Das Leistungsmodul 20 ist mit der Leiterplatte 1 in Verbindungsbereichen 21 verbunden . In FIG 10 sind die entsprechenden, vom Leistungsmodul 20 ausgehenden Pins erkennbar, die in die Leiterplatte 1 eingeführt sind . Die Verbindung des Leistungsmoduls 20 mit der Leiterplatte 1 kann insbesondere als Verpressung ausgebildet sein . Unabhängig von der konkreten Art der Verbindung begrenzen j edoch die Leiterplatte 1 , das Leistungsmodul 20 und die Verbindungsbereiche 21 ein Volumen . Ersichtlich sind gemäß den Darstellungen in den FIG 1 und 10 der Hülsenkopf 7 und die Haltestruktur 9 innerhalb dieses Volumens angeordnet .
Insbesondere aus FIG 3 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Befestigungshülse 6 erkennbar . Konkret weist die Befestigungshülse 6 gemäß FIG 3 in einem Ubergangsbereich vom Hülsenkopf 7 zum Hülsenhals 8 einen grabenartigen Freistich 22 auf . Mittels des Freistichs 22 kann festgelegt werden, in welchen Bereichen der Hülsenkopf 7 gegebenenfalls an der Unterseite 3 der Leiterplatte 1 anliegen kann .
Zusammengefasst betri f ft die vorliegende Erfindung somit folgenden Sachverhalt :
Eine Leiterplatte 1 weist eine Durchtrittsöf fnung 4 und auf ihrer Oberseite 2 in einem die Durchtrittsöf fnung 4 umgebenden Bereich eine Kontakt fläche 5 auf . Eine Befestigungshülse 6 weist einen Hülsenkopf 7 und einen Hülsenhals 8 auf . Die Befestigungshülse 6 ist von unten durch die Durchtrittsöf fnung 4 der Leiterplatte 1 geführt , so dass der Hülsenkopf 7 an der Unterseite 3 der Leiterplatte 1 angeordnet ist und der Hülsenhals 8 durch die Durchtrittsöf fnung 4 hindurch tritt . Eine Haltestruktur 9 ist unterhalb der Leiterplatte 1 relativ zur Leiterplatte 1 verdrehsicher fixiert , der Hülsenkopf 7 in der Haltestruktur 9 . Der Hülsenhals 8 weist ein Innengewinde 11 zum Aufnehmen des Schraubenhalses einer Befestigungsschraube 12 auf . Die Durchtrittsöf fnung 4 ist als geschlossene Öf fnung ausgebildet , die eine lichte Weite d4 aufweist . Die lichte Weite d4 ist größer als eine zugehörige Abmessung d8 des Hülsenhalses 8 , so dass der Hülsenhals 8 in der Durchtrittsöf fnung 4 mit einem seitlichen Spiel angeordnet ist . Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf . Insbesondere ist auf einfache Art und Weise beim Verbinden einer Kontakthülse 13 ( oder eines anderen Kontaktelements ) sowohl ein lateraler als auch ein vertikaler Toleranzausgleich realisierbar, wobei dennoch auf ebenso einfache Art und Weise eine verdrehsichere Fixierung der Befestigungshülse 6 relativ zur Leiterplatte 1 erreicht werden kann . Dadurch können Verspannungen und andere Schäden an der Leiterplatte 1 vermieden werden . Weiterhin kann der elektrische Kontakt der Kontakthülse 13 ( oder des anderen Kontaktelements ) optimiert werden, so dass insbesondere lokale Überhitzungen zuverlässig vermieden werden können .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Leiterplattenstruktur,
- wobei die Leiterplattenstruktur eine Leiterplatte (1) aufweist,
- wobei die Leiterplatte (1) eine Durchtrittsöffnung (4) aufweist,
- wobei die Leiterplatte (1) auf ihrer Oberseite (2) in einem die Durchtrittsöffnung (4) umgebenden Bereich eine Kontaktfläche (5) aufweist,
- wobei die Leiterplattenstruktur eine Befestigungshülse (6) mit einem Hülsenkopf (7) und einem Hülsenhals (8) aufweist,
- wobei die Befestigungshülse (6) von unten durch die Durchtrittsöffnung (4) der Leiterplatte (1) geführt ist, so dass der Hülsenkopf (7) an der Unterseite (3) der Leiterplatte (1) angeordnet ist und der Hülsenhals (8) durch die Durchtrittsöffnung (4) hindurch tritt,
- wobei die Leiterplattenstruktur eine Haltestruktur (9) aufweist, die unterhalb der Leiterplatte (1) relativ zur Leiterplatte (1) verdrehsicher fixiert ist,
- wobei der Hülsenkopf (7) in der Haltestruktur (9) verdrehsicher fixiert ist,
- wobei der Hülsenhals (8) ein Innengewinde (11) zum Aufnehmen des Schraubenhalses einer Befestigungsschraube (12) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Durchtrittsöffnung (4) als geschlossene Öffnung ausgebildet ist, die eine lichte Weite (d4) aufweist, und dass die lichte Weite (d4) größer als eine zugehörige Abmessung (d8) des Hülsenhalses (8) ist, so dass der Hülsenhals (8) in der Durchtrittsöffnung (4) mit einem seitlichen Spiel angeordnet ist.
2. Leiterplattenstruktur nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hülsenkopf (7) in der Haltestruktur (9) formschlüssig gehalten ist.
3. Leiterplattenstruktur nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hülsenkopf (7) eine Polygonform aufweist, insbesondere viereckig oder sechseckig ausgebildet ist.
4. Leiterplattenstruktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hülsenhals (8) an seinem vom Hülsenkopf (7) abgewandten Ende (16) im Vergleich zu seinem dem Hülsenkopf (7) zugewandten Bereich (15) einen vergrößerten Durchmesser (dl6) aufweist und dass der Hülsenhals (8) an seinem vom Hülsenkopf (7) abgewandten Ende (16) Schlitze (18) aufweist, so dass die Bereiche des Hülsenhalses (8) zwischen den Schlitzen (18) einfedern können.
5. Leiterplattenstruktur nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Durchtrittsöffnung (4) kreisrund ist und der Hülsenhals (8) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, so dass die lichte Weite (4) und die zugehörige Abmessung (d8) des Hülsenhalses (8) Durchmesser (d4, d8) sind.
6. Leiterplattenstruktur nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Haltestruktur (9) aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoff, oder aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Stahl, besteht.
7. Leiterplattenstruktur nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Befestigungshülse (6) in einem Übergangsbereich vom Hülsenkopf (7) zum Hülsenhals (8) einen grabenartigen Frei- stich (22) aufweist.
8. Leiterplattenstruktur nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass die Leiterplattenstruktur ein Leistungsmodul (20) aufweist, - dass das Leistungsmodul (20) unterhalb der Leiterplatte (1) angeordnet ist und mit der Leiterplatte (1) in Verbindungsbereichen (21) verbunden ist, insbesondere mit der Leiterplatte (1) verpresst ist, und - dass der Hülsenkopf (7) und die Haltestruktur (9) innerhalb eines von der Leiterplatte (1) , dem Leistungsmodul (20) und den Verbindungsbereichen (21) begrenzten Volumens angeordnet sind.
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