DE102016003987A1

DE102016003987A1 - Baugruppe

Info

Publication number: DE102016003987A1
Application number: DE102016003987.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hamma; Günter Ebner
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2016-10-13
Also published as: WO2016162459A1; EP3281497A1; EP3281499A1; DE102016003988A1; WO2016162460A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe (1) mit einer Leiterplatte (2) und mit einem Bauelement (3). Bei dem Bauelement (3) kann es sich insbesondere um ein elektromechanisches Bauelement, wie einen elektrischen Schaltkontakt, einen elektrischen Schalter, ein Relais o. dgl., handeln. Das Bauelement (3) steht mit an und/oder in der Leiterplatte (2) befindlichen Verbindungsstellen (4) in elektrischer und/oder mechanischer Verbindung. Die Verbindungsstelle (4) weist wenigstens eine Aussparung (5) in der Leiterplatte (2) auf und ist mittels wenigstens eines Stegs (6) an die Leiterplatte (2) angeformt, derart dass die Verbindungsstelle (4) in wenigstens eine Raumrichtung verformbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche elektrische Baugruppe kann in einer Batterie beziehungsweise einem Akkumulator verwendet werden, insbesondere in einer solchen Batterie, in der große Ströme zu schalten sind. Beispielsweise kann bei der Baugruppe in vorteilhafter Weise eine Leiterplatte an die Pole der Batterie kontaktiert werden, wobei die Leiterplatte als Träger für ein Schaltelement dient. Die Baugruppe eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
Eine solche elektrische Baugruppe umfasst eine Leiterplatte und ein Bauelement, wobei das Bauelement mit an und/oder in der Leiterplatte befindlichen Verbindungsstellen in elektrischer und/oder mechanischer Verbindung steht. Insbesondere kann es sich bei dem Bauelement um ein elektromechanisches Bauelement, wie einen elektrischen Schaltkontakt, einen elektrischen Schalter, ein Relais o. dgl., handeln. An den Verbindungsstellen können mechanische Spannungen auftreten, die wiederum zur Beeinträchtigung der Baugruppe führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbindungsstelle derart auszugestalten, dass die mechanischen Spannungen an der Verbindungsstelle verringert sind.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen elektrischen Baugruppe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe weist die Verbindungsstelle wenigstens eine in der Leiterplatte befindliche Aussparung auf. Die Verbindungsstelle weist weiter wenigstens einen Steg auf, wobei die Verbindungsstelle mittels des Stegs an die Leiterplatte angeformt ist. Und zwar derart, dass die Verbindungsstelle in wenigstens eine Raumrichtung verformbar ist. Insbesondere kann die Verbindungsstelle elastisch verformbar sein. Dadurch ist ermöglicht, dass zwischen der Leiterplatte und dem Bauelement wirkende Kräfte von der Verbindungsstelle aufgenommen werden. Solche Kräfte können aufgrund von Toleranzen und/oder Toleranzlagen der Leiterplatte sowie dem Bauelement, durch Spannungen aufgrund von Erwärmung in der Leiterplatte und/oder dem Bauelement o. dgl. entstehen. Da diese Kräfte in der Verbindungsstelle selbst aufgenommen werden, ist die ansonsten bestehende Gefahr einer Beeinträchtigung der elektrischen und/oder mechanischen Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Bauelement zumindest verringert. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In weiterer Ausgestaltung kann der Steg geradlinig ausgebildet sein, derart dass die Verbindungsstelle in etwa senkrecht zur Leiterplatte, also in z-Richtung, verformbar ist. In einer anderen Ausgestaltung kann der Steg spiralförmig ausgebildet sein, derart dass die Verbindungsstelle in etwa senkrecht sowie in etwa parallel zur Leiterplatte, also in x- und/oder y-Richtung und/oder in z-Richtung, verformbar ist. Dadurch sind Freiheitsgrade in die entsprechenden Raumrichtungen für die Verbindungsstelle geschaffen, womit ein Toleranzausgleich zur Vermeidung von Spannungen zwischen der Leiterplatte und dem Bauelement bewirkt ist.
In weiterer Ausgestaltung kann die Verbindungsstelle mit dem Bauelement verschraubbar, vernietbar, verschweißbar, verlötbar o. dgl. ausgebildet sein. Dadurch ist eine fertigungstechnisch einfache Verbindung geschaffen.
Bei der Leiterplatte kann es sich um eine Hochstromleiterplatte handeln. Beispielsweise kann eine solche Hochstromleiterplatte mit in die Leiterplatte eingebetteten massiven Kupferelementen zur Leitung eines hohen Stroms versehen sein. Gerade die ansonsten bei solchen Hochstromleiterplatten aufgrund der hohen Ströme auftretenden großen Wärmespannungen werden bei der erfindungsgemäßen Baugruppe beträchtlich verringert, so dass eine Zerstörung der Baugruppe wirksam verhindert ist. Die Funktionssicherheit einer solchen, eine Hochstromleiterplatte umfassende Baugruppe ist mit Hilfe der Erfindung beträchtlich verbessert.
In einfacher Gestaltung kann es sich anbieten, dass die Verbindungsstelle eine Grundfläche zur Befestigung des Bauelements aufweist. Zweckmäßigerweise kann die Grundfläche als elektrische Kontaktstelle an einem elektrischen Anschluss des Bauelements (3) befestigt sein. Die Befestigung kann insbesondere mittels einer Schraube erfolgen. Der Steg kann in einfacher Art von der Grundfläche zur Leiterplatte abgehen. Zweckmäßigerweise kann eine elektrische Verbindung von der Grundfläche über den Steg zu einer zugeordneten Leiterbahn an der Leiterplatte vorgesehen sein. In fertigungstechnisch einfacher Art und Weise kann die Aussparung mittels Stanzen, Fräsen, Bohren o. dgl. in die Leiterplatte eingebracht sein.
Zwecks weiterer Steigerung der Funktionssicherheit für die Baugruppe kann der Steg derart dimensioniert sein, dass Wärme vom Bauelement über den Steg abführbar ist. Ebenso kann in vorteilhafter Weise der Steg derart dimensioniert sein, dass der Steg bei Überschreiten eines vorgesehenen Grenzwertes für den zwischen der Leiterplatte und dem Bauelement fließenden elektrischen Strom in der Art einer Schmelzsicherung den Stromfluss unterbricht.
Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist nachfolgendes festzustellen.
In elektromechanischen Steuergeräten ergibt sich oft die Situation, dass elektromechanische Schaltelemente elektrisch mit einem zentralen Kombiboard zu verbinden sind. Diese Verbindungen verursachen mechanische Kräfte in X-, Y- und/oder Z-Richtung. Diese Kräfte verursachen wiederum mechanische Spannungen, die für jedes gefertigte Teil anders gerichtet sind. Diese mechanischen Spannungen führen wiederum dazu, dass diese Kräfte statisch auf alle beteiligten Komponenten wirken. Dieser dauerhafte Stress kann dann zur Zerstörung der Gesamtbaugruppe führen.
Die erfindungsgemäße Idee zur Lösung dieses Problems besteht darin, die Toleranzlagen verträglich zu entspannen. Bei allen anderen Lösungen würde eine Restkraft auf die beteiligten Komponenten wirken. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann man sicherstellen, dass alle Kräfte ausgeglichen sind innerhalb der definierten Toleranzlagen. Hierzu werden elektromechanische Baugruppen, bestehend beispielsweise aus Relais und Leiterplatte, miteinander verbunden. Aufgrund der Herstellungsparameter hat jede Baugruppe für sich Toleranzen, die immer vorhanden sind. Damit beim Befestigen der Leiterplatte mit dem Relais keine unzulässigen mechanischen Spannungen entstehen, besteht die Idee in einer modifizierten Leiterplatte, die an den Befestigungsstellen mechanische Freiheitsgrade in Z-Richtung und/oder auch in Z- und/oder X- und/oder Y-Richtung hat.
Geschaffen ist damit eine Leiterplatte, insbesondere eine Hochstrom-Leiterplatte mit Freiheitsgraden. Die Freiheitsgrade können in einer geraden und/oder auch in einer spiralen Ausführung erlangt werden. In der geraden Ausführung ist der Freiheitsgrad allerdings im Wesentlichen nur in Z-Richtung vorhanden. In der spiralen Ausführung hat man die Freiheitsgrade in den Richtungen X, Y, und Z.
Die geraden und/oder auch spiralen Verbindungsstege sind so ausgelegt, dass die Verformung über den gesamten Steg erfolgt. Diese Auslegung ist wichtig, damit keine Material-Ermüdungserscheinungen auftreten. Die geraden und/oder auch spiralen Verbindungsstege sind so ausgelegt, dass die Wärme optimal über die Stege abgeleitet werden kann. Die geraden und/oder auch spiralen Verbindungsstege sind so ausgelegt, dass die Stege des Weiteren die Funktion von elektrischen Sicherungen erfüllen können. Wenn ein elektrischer Strom oberhalb der zulässigen Stromgrenze dauerhaft fließt und sämtliche sonstigen Sicherungsmaßnahmen nicht wirksam sind, beispielsweise bei einem Unfall, erfüllen diese Stege die Funktion einer Schmelzsicherung.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass keine mechanischen Spannungen außerhalb der zulässigen Grenzen auf die einzelnen Baugruppen, wie beispielsweise die Leiterplatte, die Relais, die elektronischen Bauelemente o. dgl., wirken. Weitere mit der Erfindung erzielte Vorteile bestehen insbesondere in Folgendem:

– Es sind keine Adapterelemente zwischen dem elektromechanischen Bauelement und der Leiterplatte erforderlich, wodurch Kosten eingespart werden.
– Alle Kontaktstellen zur elektromechanischen Baugruppe können mit dem gleichen Konzept verbunden werden.
– Die erforderlichen Aussparungen können gefräst und/oder auch per Stanztechnik kostengünstig produziert werden, d. h. alle Aussparungen werden mit einer Stanzung in einem Schritt hergestellt.
– Die Leiterplatte und die elektromechanische Baugruppe können direkt miteinander verbunden werden.
– Es ist eine gute elektrische Anbindung geschaffen.
– Die Verbindungsstege können Schmelzsicherungsaufgaben übernehmen.
– Es ist eine gute thermische Anbindung gegeben.
– Es ist eine sichere Verbindungstechnik gegeben.
– Es ist eine beständige Verbindungstechnik geschaffen.
– Es liegen Freiheitsgrade in X-, Y-, Z-Richtung oder falls ausreichend lediglich in Z-Richtung vor.
– Es bestehen gute Überwachungsmöglichkeiten in der Fertigung der Baugruppe.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 eine elektrische Baugruppe in Seitenansicht sowie in Draufsicht,
2 einen Detailausschnitt aus 1 gemäß einer ersten Ausführung und
3 einen Detailausschnitt aus 1 gemäß einer zweiten Ausführung.
In 1 ist eine elektrische Baugruppe 1 zu sehen, die eine Leiterplatte 2 und ein Bauelement 3 umfasst. Bei dem Bauelement 3 handelt es sich um ein elektromechanisches Bauelement, und zwar um einen elektrischen Schaltkontakt. Der elektrische Schaltkontakt 3 kann beispielsweise Bestandteil eines elektrischen Schalters, eines Relais o. dgl. sein. Das Bauelement 3 steht mit an und/oder in der Leiterplatte 2 befindlichen Verbindungsstellen 4 in elektrischer und/oder mechanischer Verbindung. Die Verbindungsstelle 4 weist wenigstens eine in der Leiterplatte 2 befindliche Aussparung 5 auf. Weiter weist die Verbindungsstelle 4 wenigstens einen Steg 6 auf, wobei die Verbindungsstelle 4 mittels des Stegs 6 an die Leiterplatte 2 angeformt ist. Dadurch ist die Verbindungsstelle 4 in wenigstens eine Raumrichtung verformbar. Und zwar ist zweckmäßigerweise die Verbindungsstelle 4 elastisch verformbar.
Bei einer ersten Ausführung, die näher in 2 zu sehen ist, ist der Steg 6 spiralförmig ausgebildet. Dadurch ist die Verbindungsstelle 4 in etwa senkrecht sowie in etwa parallel zur Leiterplatte 2, also in x-, y- und z-Richtung, verformbar. Es kann jedoch auch ausreichen, wenn die Verbindungsstelle 4 lediglich in eine Raumrichtung verformbar ist. Bei einer solchen zweiten Ausführung, die näher in 3 gezeigt ist, ist der Steg 6 geradlinig ausgebildet. Dadurch ist die Verbindungsstelle 4 in etwa senkrecht zur Leiterplatte 2, also in z-Richtung, verformbar.
Die Verbindungsstelle 4 ist mit dem Bauelement 3 verschraubbar, und zwar dient gemäß 1 eine Schraube 7 zur Verschraubung der Verbindungsstelle 4 mit dem Schaltkontakt 3. Anstelle einer Verschraubung kann die Verbindungsstelle 4 auch mit dem Bauelement 3 vernietbar, verschweißbar, verlötbar o. dgl. ausgestaltet sein.
Wie weiter anhand von 1 zu sehen ist, besitzt die Verbindungsstelle 4 eine Grundfläche 8 zur Befestigung des Bauelements 3. Die Befestigung erfolgt dadurch, dass die Grundfläche 8 als elektrische Kontaktstelle an einem elektrischen Anschluss 11 des Bauelements 3 mittels der Schraube 7 befestigt ist. Die Stege 6 gehen von der Grundfläche 8 zur Leiterplatte 2 ab. Weiterhin ist eine elektrische Verbindung von der Grundfläche 8 über den Steg 6 zu einer nicht weiter gezeigten, zugeordneten Leiterbahn an der Leiterplatte 2 vorgesehen. Die Aussparungen 5 sind mittels Stanzen, Fräsen, Bohren o. dgl. in die Leiterplatte 2 eingebracht.
Bei der Leiterplatte 2 kann es sich um eine Hochstromleiterplatte handeln. Hierfür können in die Leiterplatte 2 massive Kupferelemente zur Leitung eines hohen Stroms eingebettet sein.
Aufgrund des hohen fließenden Stroms entsteht eine gewisse Wärme im Schaltkontakt 3. Der Wärmefluss 9 kann zumindest zum Teil über die Verbindungsstelle 4 auf die Leiterplatte 2 und von dort beispielsweise über Kühlkörper 10 in der Art von Wärmesenken abgeleitet werden. Zu diesem Zweck ist der Steg 6 derart dimensioniert, dass die Wärme vom Bauelement 3 über den Steg 6 abführbar ist. Ebenso kann der Steg 6 derart dimensioniert sein, dass der Steg 6 bei Überschreiten eines vorgesehenen Grenzwertes für den zwischen der Leiterplatte 2 und dem Bauelement 3 fließenden elektrischen Strom in der Art einer Schmelzsicherung den Stromfluss unterbricht.
Die erfindungsgemäße Verbindungsstelle 4 kann in einer Baugruppe für das Batteriesystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann die erfindungsgemäße Verbindungsstelle 4 auch in Baugruppen für Hausgeräte, Audiogeräte, Videogeräte, Telekommunikationsgeräte o. dgl. Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

1: (elektrische) Baugruppe
2: Leiterplatte
3: Bauelement/Schaltkontakt
4: Verbindungsstelle
5: Aussparung
6: Steg
7: Schraube
8: Grundfläche
9: Wärmefluss
10: Kühlkörper
11: (elektrischer) Anschluss

Claims

Elektrische Baugruppe umfassend eine Leiterplatte (2) und ein Bauelement (3), insbesondere ein elektromechanisches Bauelement, wie einen elektrischen Schaltkontakt, einen elektrischen Schalter, ein Relais o. dgl., wobei das Bauelement (3) mit wenigstens einer an und/oder in der Leiterplatte (2) befindlichen Verbindungsstelle (4) in elektrischer und/oder mechanischer Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle (4) wenigstens eine in der Leiterplatte (2) befindliche Aussparung (5) aufweist, und dass die Verbindungsstelle (4) wenigstens einen Steg (6) aufweist, wobei die Verbindungsstelle (4) mittels des Stegs (6) an die Leiterplatte (2) angeformt ist, derart dass die Verbindungsstelle (4) in wenigstens eine Raumrichtung verformbar, insbesondere elastisch verformbar, ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (6) geradlinig ausgebildet ist, derart dass die Verbindungsstelle (4) in etwa senkrecht zur Leiterplatte (2) verformbar ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (6) spiralförmig ausgebildet ist, derart dass die Verbindungsstelle (4) in etwa senkrecht sowie in etwa parallel zur Leiterplatte (2) verformbar ist.
Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle (4) mit dem Bauelement (3) verschraubbar, vernietbar, verschweißbar, verlötbar o. dgl. ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Leiterplatte (2) um eine Hochstromleiterplatte, insbesondere mit in die Leiterplatte (2) eingebetteten massiven Kupferelementen zur Leitung eines hohen Stroms, handelt.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle (4) eine Grundfläche (8) zur Befestigung des Bauelements (3) aufweist, dass vorzugsweise die Grundfläche (8) als elektrische Kontaktstelle an einem elektrischen Anschluss (11) des Bauelements (3), insbesondere mittels einer Schraube (7), befestigt ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (6) von der Grundfläche (8) zur Leiterplatte (2) abgeht, dass vorzugsweise eine elektrische Verbindung von der Grundfläche (8) über den Steg (6) zu einer zugeordneten Leiterbahn an der Leiterplatte (2) vorgesehen ist, und dass weiter vorzugsweise die Aussparung (5) mittels Stanzen, Fräsen, Bohren o. dgl. in die Leiterplatte (2) eingebracht ist.
Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (6) derart dimensioniert ist, dass Wärme vom Bauelement (3) über den Steg (6) abführbar ist und/oder dass der Steg (6) bei Überschreiten eines vorgesehenen Grenzwertes für den zwischen der Leiterplatte (2) und dem Bauelement (3) fließenden elektrischen Strom in der Art einer Schmelzsicherung den Stromfluss unterbricht.