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WO2016162460A1 - Baugruppe - Google Patents

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WO2016162460A1
WO2016162460A1 PCT/EP2016/057704 EP2016057704W WO2016162460A1 WO 2016162460 A1 WO2016162460 A1 WO 2016162460A1 EP 2016057704 W EP2016057704 W EP 2016057704W WO 2016162460 A1 WO2016162460 A1 WO 2016162460A1
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WO
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circuit board
printed circuit
electrical
resistance element
assembly
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/057704
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas HAMMA
Daniel MOOSMANN
Matthias Reckermann
Original Assignee
Marquardt Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Marquardt Gmbh filed Critical Marquardt Gmbh
Priority to EP16715516.7A priority Critical patent/EP3281499A1/de
Publication of WO2016162460A1 publication Critical patent/WO2016162460A1/de

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    • H05K2201/10954—Other details of electrical connections
    • H05K2201/10962—Component not directly connected to the PCB

Definitions

  • the invention relates to an electrical assembly according to the preamble of
  • Such an electrical assembly can be in a battery or a
  • Accumulator can be used, especially in such a battery in which large currents occur and / or arises in the heat energy.
  • a circuit board can be contacted to the poles of the battery, wherein the circuit board can serve as a carrier for a switching element.
  • Such an assembly is particularly suitable for use in a motor vehicle.
  • Such an electrical assembly comprises a printed circuit board and an electrical
  • Resistance element wherein the resistance element may be configured in particular in the manner of a shunt for current measurement.
  • the resistance element is in communication with the circuit board. Due to the flowing current, heat is generated at the resistance element during operation of the assembly, which in turn can lead to impairment of the assembly.
  • the invention has for its object to design the electrical assembly such that the heat generated can be largely dissipated.
  • the resistance element is arranged with electrical and / or mechanical connection to the printed circuit board on the printed circuit board and / or in the printed circuit board.
  • an approximately U-shaped adapter element for electrical and / or mechanical connection of the resistance element with the
  • the adapter element can be fastened by means of soldering, in particular SMD soldering, to a contact point of the printed circuit board.
  • soldering in particular SMD soldering
  • mechanical stresses for example those which arise due to the effect of heat, can be absorbed in a reliable manner by the U-shaped adapter element.
  • an approximately L-shaped adapter element for electrical and / or mechanical connection of the resistive element to the printed circuit board can be arranged between the resistor element and the printed circuit board.
  • the resistance element and / or the adapter element can be equipped in a simple manufacturing technology by means of THT (Through Hole Technology) assembly and / or SMD (Surface Mounted Device) assembly on the printed circuit board in a functionally reliable manner, the adapter element by soldering to Any mechanical stresses which occur, for example those which arise as a result of the action of heat, can thereby be reliably absorbed by the L-shaped adapter element.
  • the printed circuit board may be a high-current printed circuit board.
  • a high-current circuit board with in the circuit board be embedded embedded massive copper elements to conduct a high current.
  • the large heat energy that otherwise occurs in such high-current circuit boards due to the high currents is dissipated in the assembly according to the invention in a safe and reliable manner, so that destruction of the assembly is effectively prevented.
  • the reliability of such, comprising a high-current circuit board assembly is considerably improved by means of the invention.
  • At least one heat sink may be arranged in thermally conductive connection to a conductor track and / or a contact point of the circuit board to the circuit board.
  • the heat sink can consist of a metal plate.
  • a typical shunt resistor has a value of about 300 ⁇ . so that a considerable power dissipation of for example
  • the idea of the invention is to dissipate the resulting heat energy well and / or reliably. This can best be achieved by mechanically integrating these resistors into the system without stress.
  • the shunt resistor can be equipped as an SMD (Surfache Mounted Device) component and accordingly more valid as well reliable processes are soldered to the circuit board.
  • the shunt resistor may be designed as well as THT (Through Hole Technology) device, however, be fitted in a "pin-in-paste * '-version as a SMD component and, accordingly, a valid and reliable processes are soldered to the printed circuit board.
  • THT Thine Technology
  • the alternative solution is to integrate this resistor directly into the PCB, which achieves best and most efficient thermal properties. These resistors can then be completely electrically isolated, whereby one for the arrangement of
  • Heat sinks has complete freedom. What is thus created is a high-resistance circuit board comprising a resistance element and / or a circuit board with improved thermal properties.
  • the manufacture of the PCB assembly can be done with standard processes.
  • the electrical connection technology has defined contact resistance
  • the thermal management can be implemented well and product-specifically.
  • FIG. 1 is an electrical assembly in side view and in plan view, 2 shows a detailed detail from FIG. 1 according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 3 is a detail of FIG. 1 according to a second exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows the electrical assembly in side view and in plan view in a further embodiment.
  • FIG. 1 shows an electrical subassembly 1 comprising a printed circuit board 2 and an electrical resistance element 3.
  • the electrical subassembly 1 comprising a printed circuit board 2 and an electrical resistance element 3.
  • Resistance element 3 provided in the manner of a shunt for current measurement.
  • Resistance element 3 is connected to the circuit board 2 in connection. Here it is
  • Resistance element 3 with electrical and / or mechanical connection to the printed circuit board 2 on the printed circuit board 2 and / or arranged integrated in the printed circuit board 2. Further, a component 6 is connected to the printed circuit board 2, wherein the component 6 is an electromechanical component, namely an electrical switching contact, for example in the manner of a relay.
  • an approximately U-shaped adapter element 4 for the electrical and / or mechanical connection of the resistance element 3 with the printed circuit board 2 is arranged between the resistance element 3 and the printed circuit board 2.
  • an adapter element 4 is arranged on both sides of the resistance element 3.
  • the resistance element 3 and / or the adapter element 4 can then be equipped by SMD (Surface Mounted Device) assembly on the printed circuit board 2.
  • SMD Surface Mounted Device
  • Adapter element 4 is attached to a pad 5 of the circuit board 2 by means of soldering, preferably SMD soldering.
  • soldering preferably SMD soldering.
  • the resistance element 3 is arranged with electrical and / or mechanical connection to the printed circuit board 2 in the printed circuit board 2 integrated.
  • an approximately L-shaped adapter element 4 ' is arranged between the resistance element 3 and the printed circuit board 2 for electrical and / or mechanical connection of the resistance element 3 to the printed circuit board 2, in each case on both sides of the resistance element 3.
  • Das Resistance element 3 and / or the adapter element 4 ' can be equipped on the printed circuit board 2 by means of THT (Through Hole Technology) assembly and / or SMD (Surface Mounted Device) assembly. Subsequently, the adapter element 4 'by means of soldering at a contact point 5 of the circuit board 2 can be fastened.
  • the printed circuit board 2 may be a high-current printed circuit board.
  • solid copper elements can be embedded in the printed circuit board 2 for conducting a high current. Due to the high current flowing creates a certain amount of heat in the switch contact 6 and the resistance element 3.
  • the heat flow 7 can, as can be seen in Fig. 1, at least in part on the circuit board 2 and from there for example via heat sink 8 in the manner of Wännesenken be derived.
  • the heat sink 8 consists for example of a metal plate.
  • the module 1 according to the invention can be used in the battery system of a motor vehicle.
  • the invention is not limited to the one described and illustrated
  • Embodiment limited. On the contrary, it also includes all experts

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe (1) mit einer Leiterplatte (2) und mit einem elektrischen Widerstandselement (3), insbesondere in der Art eines Shunts zur Strommessung. Das Widerstandselement (3) steht mit der Leiterplatte (2) in elektrischer und/oder mechanischer Verbindung. Zwischen dem Widerstandselement (3) und der Leiterplatte (2) ist ein in etwa U-förmiges Adapterelement (4) zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements (3) mit der Leiterplatte (2) angeordnet, wobei vorzugsweise das Adapterelement (4) mittels SMD-Löten mit einer Kontaktstelle (5) der Leiterplatte (2) verlötet ist. In einer anderen Ausführung ist das Widerstandselement (3) in die Leiterplatte (2) integriert angeordnet.

Description

Baugruppe
Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 oder 4.
Eine solche elektrische Baugruppe kann in einer Batterie beziehungsweise einem
Akkumulator verwendet werden, insbesondere in einer solchen Batterie, in der große Ströme auftreten und/oder in der Wärmeenergie entsteht. 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 dienen kann. Eine solche Baugruppe eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
Eine solche elektrische Baugruppe umfasst eine Leiterplatte und ein elektrisches
Widerstandselement, wobei das Widerstandselement insbesondere in der Art eines Shunts zur Strommessung ausgestaltet sein kann. Das Widerstandselement steht mit der Leiterplatte in Verbindung. Am Widerstandselement entsteht während des Betriebs der Baugruppe aufgrund des fließenden Stroms Wärme, die wiederum zur Beeinträchtigung der Baugruppe führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Baugruppe derart auszugestalten, dass die entstehende Wärme weitgehend abgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen elektrischen Baugruppe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 oder 4 gelöst. Ί
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Baugruppe ist das Widerstandselement mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte auf der Leiterplatte und/oder in die Leiterplatte integriert angeordnet. In vorteilhafter Weise wird die am
Widerstandselement entstehende Wärme auf die Leiterplatte übergeleitet, wobei die Wärme anschließend in einfacher sowie effizienter Weise von der Leiterplatte abführbar ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer weiteren Ausgestaltung kann ein in etwa U-förmiges Adapterelement zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements mit der
Leiterplatte zwischen dem Widerstandselement und der Leiterplatte angeordnet sein. Das Widerstandselement und/oder das Adapterelement können in einfacher
fertigungstechnischer Weise mittels S D(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte bestückbar sein. In funktionssicherer Art und Weise kann das Adapterelement mittels Löten, insbesondere SMD-Löten, an einer Kontaktstelle der Leiterplatte befestigbar sein. Gegebenenfalls auftretende mechanische Spannungen, beispielsweise solche die durch die Wärmeeinwirkung entstehen, können dabei in zuverlässiger Art und Weise von dem U- förmigen Adapterelement aufgenommen werden.
In einer anderen Ausgestaltung, und zwar in einer Art von ,,Pin-in-Paste"-Ausführung, kann ein in etwa L-förmiges Adapterelement zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements mit der Leiterplatte zwischen dem Widerstandselement und der Leiterplatte angeordnet sein. Das Widerstandselement und/oder das Adapterelement können in einfacher fertigungstechnischer Weise mittels THT(Through Hole Technology)- Bestückung und/oder SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte bestückbar sein. In funktionssicherer Art und Weise kann das Adapterelement mittels Löten an einer Kontaktstelle der Leiterplatte befestigbar sein. Gegebenenfalls auftretende mechanische Spannungen, beispielsweise solche die durch die Wärmeeinwirkung entstehen, können dabei in zuverlässiger Art und Weise von dem L-förmigen Adapterelement aufgenommen werden.
Bei der Leiterplatte kann es sich in weiterer Ausgestaltung 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 auftretende große Wärmeenergie wird bei der erfindungsgemäßen Baugruppe in sicherer und zuverlässiger Weise abgeführt, so dass eine Zerstörung der Baugruppe wirksam verhindert ist. Die Funktionssicherheit einer solchen, eine Hochstromleiterplatte umfassenden Baugruppe ist mit Hilfe der Erfindung beträchtlich verbessert.
Zur weiteren Steigerung der Effizienz für die Wärmeabfuhr von der erfindungsgemäßen Baugruppe kann wenigstens eine Wärmesenke in wärmeleitender Verbindung zu einer Leiterbahn und/oder einer Kontaktstelle der Leiterplatte an der Leiterplatte angeordnet sein. In zweckmäßiger und kostengünstiger Weise kann die Wärmesenke aus einer Metallplatte bestehen.
Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen
Baugruppe ist nachfolgendes festzustellen.
In elektromechanischen Steuergeräten ergibt sich oft die Situation, dass elektrische Ströme gemessen werden müssen. In elektrischen Anlagen fließen dann große elektrische Ströme, beispielsweise von bis zu 1 .000 A. Diese Ströme verursachen bereits bei sehr geringen elektrischen Widerständen deutliche Verlustleistungen. Ein typischer Shunt- Widerstand hat einen Wert von ca. 300 μθΐιτη. so dass eine beträchtliche Verlustleistung von beispielsweise
I2 * R =1.0002 A * 300 μθΐιηι = 300 W
entsteht. Deshalb ist es wichtig, dass diese Widerstände in ein gutes Wärmemanagement integriert sind.
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, die entstehende Wärmeenergie gut und/oder zuverlässig abzuleiten. Dies kann man am besten erreichen, wenn man diese Widerstände mechanisch spannungsfrei in das System integriert.
Es gibt zum einen die Möglichkeit, die Widerstände mit herkömmlichen Prozessen auf eine Hochstromleiterplatte zu platzieren und zu befestigen. Der Shunt-Widerstand kann als SMD(Surfache Mounted Device)-Bauteil bestückt und entsprechend gültiger sowie zuverlässiger Prozesse auf die Leiterplatte gelötet werden. Der Shunt-Widerstand kann ebenso als THT(Through Hole Technology)-Bauteil ausgestaltet sein, jedoch in einer„Pin- in-Paste*'-Ausführung wie ein SMD-Bauteil bestückt werden und entsprechend gültiger sowie zuverlässiger Prozesse auf die Leiterplatte gelötet werden. Die alternative Lösung dazu ist zum anderen, diesen Widerstand direkt in die Leiterplatte zu integrieren, wodurch man beste und leistungsfähige thermische Eigenschaften erzielt. Diese Widerstände kann man dann vollständig elektrisch isolieren, wodurch man für die Anordnung von
Wärmesenken vollständige Freiheiten hat. Geschaffen ist somit eine ein Widerstandselement umfassende Hochstromleiterplatte und/oder Leiterplatte mit verbesserten thermischen Eigenschaften.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in Folgendem:
- Es wirken keine durch die Wärmeenergie erzeugten mechanischen Kräfte auf den Shunt-Widerstand.
Die Herstellung der Leiterplattenbaugruppe kann mit Standardprozessen erfolgen.
- Es ist eine gute elektrische Anbindung gegeben.
- Die elektrische Verbindungstechnik hat definierte Übergangswiderstände, die
prozesssicher über die vollständige Produktlaufzeit sind.
Es ist eine gute thermische Anbindung mit der SMD(Surface Mounted Device)- und/oder der THT(Through Hole Technology)-Lösung gegeben.
Es ist eine sehr gute thermische Anbindung bei der Shunt-Integration in die
Leiterplatte gegeben.
Das thermische Management kann gut und produktspezifisch umgesetzt werden.
- Es ist eine beständige Verbindungstechnik geschaffen.
Es bestehen gute Überwachungsmöglichkeiten in der Fertigung der Baugruppe.
Ausführungsbeispiele der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und
Ausgestaltungen sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine elektrische Baugruppe in Seitenansicht sowie in Draufsicht, Fig. 2 einen Detailausschnitt aus Fig. 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 einen Detailausschnitt aus Fig. 1 gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel und
Fig. 4 die elektrische Baugruppe in Seitenansicht sowie in Draufsicht bei einer weiteren Ausführung.
In Fig. 1 ist eine elektrische Baugruppe 1 zu sehen, die eine Leiterplatte 2 und ein elektrisches Widerstandselement 3 umfasst. Insbesondere ist das elektrische
Widerstandselement 3 in der Art eines Shunts zur Strommessung vorgesehen. Das
Widerstandselement 3 steht mit der Leiterplatte 2 in Verbindung. Hierbei ist das
Widerstandselement 3 mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte 2 auf der Leiterplatte 2 und/oder integriert in die Leiterplatte 2 angeordnet. Weiter steht ein Bauelement 6 mit der Leiterplatte 2 in Verbindung, wobei es sich bei dem Bauelement 6 um ein elektromechanisches Bauelement, und zwar um einen elektrischen Schaltkontakt, beispielsweise in der Art eines Relais handelt.
In einer ersten Ausführung gemäß Fig. 2 ist ein in etwa U-förmiges Adapterelement 4 zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements 3 mit der Leiterplatte 2 zwischen dem Widerstandselement 3 und der Leiterplatte 2 angeordnet.
Vorliegend ist jeweils ein Adapterelement 4 beidseitig am Widerstandselement 3 angeordnet. Das Widerstandselement 3 und/oder das Adapterelement 4 ist dann mittels SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte 2 bestückbar. Das
Adapterelement 4 ist mittels Löten, und zwar bevorzugterweise SMD-Löten, an einer Kontaktstelle 5 der Leiterplatte 2 befestigt. In einer zweiten Ausführung gemäß Fig. 3 ist das Widerstandselement 3 mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte 2 in die Leiterplatte 2 integriert angeordnet.
Eine nochmals weitere Ausführung ist in Fig. 4 zu sehen. Hier ist zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements 3 mit der Leiterplatte 2 ein in etwa L- förmiges Adapterelement 4' zwischen dem Widerstandselement 3 und der Leiterplatte 2 angeordnet, und zwar jeweils beidseitig am Widerstandselement 3. Das Widerstandselement 3 und/oder das Adapterelement 4' ist mittels THT(Through Hole Technology)-Bestückung und/oder SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte 2 bestückbar. Anschließend ist das Adapterelement 4' mittels Löten an einer Kontaktstelle 5 der Leiterplatte 2 befestigbar.
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 6 sowie im Widerstandselement 3. Der Wärmefluss 7 kann, wie in Fig. 1 zu sehen ist, zumindest zum Teil auf die Leiterplatte 2 und von dort beispielsweise über Kühlkörper 8 in der Art von Wännesenken abgeleitet werden. Hierfür ist wenigstens eine Wärmesenke 8 in wärmeleitender Verbindung zu einer Leiterbahn und/oder einer Kontaktstelle 5 der
Leiterplatte 2 an der Leiterplatte 2 angeordnet. Die Wärmesenke 8 besteht beispielsweise aus einer Metallplatte.
Die erfindungsgemäße Baugruppe 1 kann im 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 erfmdungsgemäße Baugruppe 1 auch in Hausgeräten, Audiogeräten, Videogeräten, Telekommunikationsgeräten o. dgl. Verwendung finden.
Bezugszeichen-Liste: : (elektrische) Baugruppe
: Leiterplatte
: (elektrisches) Widerstandselement: Adapterelement (U-förmig) ': Adapterelement (L-förmig): Kontaktstelle
: Bauelement / Schaltkontakt: Wärmefl uss
: Wärmesenke / Kühlkörper

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1 . Elektrische Baugruppe umfassend eine Leiterplatte (2) und ein elektrisches
Widerstandselement (3), insbesondere in der Art eines Shunts zur Strommessung, wobei das Widerstandselement (3) mit der Leiterplatte (2) in Verbindung steht, dadurch
gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (3) mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte (2) auf der Leiterplatte (2) angeordnet ist.
2. Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein in etwa U-förmiges Adapterelement (4) zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements (3) mit der Leiterplatte (2) zwischen dem Widerstandselement (3) und der Leiterplatte (2) angeordnet ist. dass vorzugsweise das Widerstandselement (3) und/oder das Adapterelement (4) mittels SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte (2) bestückbar ist. und dass weiter vorzugsweise das Adapterelement (4) mittels Löten, insbesondere SMD-Löten, an einer Kontaktstelle (5) der Leiterplatte (2) befestigbar ist.
3. Elektrische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein in etwa L-förmiges Adapterelement (4') zur elektrischen und/oder mechanischen Verbindung des Widerstandselements (3) mit der Leiterplatte (2) zwischen dem Widerstandselement (3) und der Leiterplatte (2) angeordnet ist. dass vorzugsweise das Widerstandselement (3) und/oder das Adapterelement (4') mittels THT(Through Hole TechnoIogy)-Bestückung und/oder SMD(Surface Mounted Device)-Bestückung auf der Leiterplatte (2) bestückbar ist. und dass weiter vorzugsweise das Adapterelement (4') mittels Löten an einer Kontaktstelle (5) der Leiterplatte (2) befestigbar ist.
4. Elektrische Baugruppe umfassend eine Leiterplatte (2) und ein elektrisches
Widerstandselement (3), insbesondere in der Art eines Shunts zur Strommessung, wobei das Widerstandselement (3) mit der Leiterplatte (2) in Verbindung steht, dadurch
gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (3) mit elektrischer und/oder mechanischer Verbindung zur Leiterplatte (2) in die Leiterplatte (2) integriert angeordnet ist.
5. 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.
6. Elektrische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wärmesenke (8) in wänneleitender Verbindung zu einer Leiterbahn und/oder einer Kontaktstelle (5) der Leiterplatte (2) an der Leiterplatte (2) angeordnet ist, und dass vorzugsweise die Wärmesenke (8) aus einer Metallplatte besteht.
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