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Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe für ein Elektronikmodul eines Kraftfahrzeugs. Die elektronische Baugruppe weist zumindest zwei Platinen, von welchen jede Platine jeweils zumindest eine elektrische Schaltung mit zumindest einem elektrischen Bauelement trägt, sowie zumindest einen Platinenverbinder zum elektrischen Verbinden der elektrischen Schaltungen der Platinen auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Elektronikmodul sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse insbesondere auf Elektronikmodule bzw. Elektroniksteuergeräte, beispielsweise Leistungselektronikmodule bzw. Leistungselektroniksteuergeräte in Form von einem Stromrichter, für elektrifizierte Kraftfahrzeuge. Die Elektronikmodule weisen üblicherweise zumindest eine elektronische Baugruppe auf. Die elektronische Baugruppe umfasst Platinen bzw. Schaltungsträger mit jeweils zumindest einer elektrischen Schaltung. Jede der elektrischen Schaltungen weist eine Vielzahl von elektrischen Bauelementen auf. Zum elektrischen Verbinder der Schaltungen der Platinen sind Platinenverbinder vorgesehen, welche beispielsweise als Board-to-Board-Steckverbinder oder als flexible Leiterplatten ausgebildet sein können. Solche Platinenverbinder verursachen zusätzliche Kosten, benötigen Bauraum und sind anfällig für Schädigungen durch mechanische Lasten wie Vibrationen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und bauraumsparende Lösung zum Verbinden von Platinen einer elektronischen Baugruppe für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Baugruppe, ein Elektronikmodul sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe für ein Elektronikmodul eines Kraftfahrzeugs weist zumindest zwei Platinen, von welchen jede Platine jeweils zumindest eine elektrische Schaltung mit zumindest einem elektrischen Bauelement trägt, und zumindest einen Platinenverbinder zum elektrischen Verbinden der elektrischen Schaltungen der Platinen auf. Der zumindest eine Platinenverbinder ist durch zumindest eines der elektrischen Bauelemente gebildet, welches elektrisch mit den Schaltungen und mechanisch mit beiden Platinen verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Elektronikmodul für ein Kraftfahrzeug, welches zumindest eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe aufweist. Das Elektronikmodul ist insbesondere ein Leistungselektronikmodul bzw. Leistungselektroniksteuergerät in Form von einem Stromrichter, beispielsweise ein Ladegerät zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs oder ein mit dem elektrischen Energiespeicher und einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs verbundener Wechselrichter.
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Die elektronische Baugruppe weist zumindest zwei Platinen bzw. Schaltungsträger auf, wobei jede Platine eine elektronische Schaltung mit Bauelementen trägt. Die elektrischen Bauelemente können aktive, passive, diskrete und integrierte Bauelemente, beispielsweise Halbleiterschalter, Spulen, Kondensatoren, Transformatoren, etc. sein. Die elektrischen Bauelemente sind mechanisch und elektrisch mit der jeweiligen Platine, beispielweise mittels Löten oder Bonden, verbunden. Außerdem können die Schaltungen Leiterbahnen aufweisen, über welche die Bauelemente einer Schaltung elektrisch miteinander verschaltet sind.
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Um die Schaltungen von zwei der Platinen elektrisch miteinander zu verbinden, ist der zumindest eine Platinenverbinder vorgesehen. Der Platinenverbinder ist dabei durch zumindest eines der elektrischen Bauelemente realisiert. Der elektrische Energiefluss zwischen den Schaltungen der zwei Platinen findet also über das zumindest eine elektrische Bauelement statt. Es wird also ein elektrisches Bauelement der Schaltung einer der Platinen verwendet, um diese Schaltung mit der zumindest einen Schaltung der anderen Platine zu verbinden. Das zumindest eine elektrische Bauelement ist insbesondere ein diskretes, passives Bauelement, insbesondere ein Spule und/oder ein Transformator. Die elektrische Verbindung zwischen den Schaltungen der Platinen und elektrischen Kontakten bzw. Anschlüssen des zumindest einen Bauelementes kann beispielsweise über eine Steckverbindung oder eine Lötverbindung hergestellt werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das elektrische Bauelement auch über einen herkömmlichen Platinenverbinder, beispielsweise eine flexible Leiterplatte oder einen Board-to-Board-Steckverbinder, ohnehin in beide Schaltungen eingebunden werden würde. Durch Nutzung dieses Bauelementes zum elektrischen Verbinden der Platinen kann auf einen herkömmlichen Platinenverbinder verzichtet werden und somit Bauraum und Kosten gespart werden.
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Darüber hinaus ist im Gegensatz zu einem herkömmlichen Platinenverbinder in Form von einer flexiblen Leiterplatte, welche eine bewegliche Verbindung zwischen Platinen ausbildet, das zumindest eine elektrische Bauelement zusätzlich dazu ausgelegt, die Platinen mechanisch starr bzw. fest zusammenzufügen. Das zumindest eine elektrische Bauelement und die zumindest zwei Platinen sind insbesondere mittels einer Schraubverbindung mechanisch verbunden. Die Baugruppe ist somit als eine kompakte, bauliche Einheit ausgebildet, welche, beispielsweise außerhalb eines Gehäuses des Elektronikmoduls, vormontiert werden kann und dann in dem Gehäuse angeordnet werden kann.
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Die Funktionsintegration der Platinenverbindung in das elektrische Bauelement weist den Vorteil auf, dass die räumliche Nähe von mechanischer und elektrischer Anbindung die Robustheit gegenüber strukturellen Lasten wie Vibrationen erhöht. Da passive Bauelemente möglichst ohne parasitäre Komponenten anzubinden sind, indem beispielsweise Leiter möglichst kurz auszuführen und Kontaktfläche möglichst klein zu halten sind, um parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten zu vermeiden, bietet die erfindungsgemäße Lösung minimale Leiterlängen zwischen den Platinen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Platinen zu einem Platinenstapel gestapelt sind, wobei das zumindest eine elektrische Bauelement zumindest bereichsweise zwischen einander zugewandten Seiten der Platinen angeordnet ist. Die Platinen sind entlang einer Stapelrichtung, insbesondere vertikal, übereinander gestapelt, wobei das zumindest eine elektrischen Bauelement zumindest teilweise zwischen den Platinen angeordnet und mit diesen mechanisch und elektrisch verbunden ist. Dabei kann es sein, dass die elektronischen Schaltungen der Platinen auf den einander zugewandten Seiten der Platinen angeordnet sind. Es kann aber auch sein, dass die Schaltung einer ersten Platine, beispielsweise der unten in dem Platinenstapel angeordneten Platine, auf einer dem zumindest einen Bauelement zugwandten Seite angeordnet ist und die Schaltung einer zweiten Platine, beispielsweise der oben in dem Platinenstapel angeordneten Platine, auf einer dem zumindest einen Bauelement abgewandten Seite angeordnet ist. Die zweite Platine kann in diesem Fall Vias bzw. Durchkontaktierungen aufweisen, welche mit elektrischen Anschlüssen des zumindest einen Bauelementes verbunden sind.
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Auch kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Platinen nebeneinander angeordnet sind, wobei das zumindest eine elektrische Bauelement zumindest bereichsweise zwischen einander zugwandten Kanten der Platinen angeordnet ist. Die Platinen können also auch in horizontaler Richtung nebeneinander angeordnet sein, wobei das zumindest eine elektrische Bauelement zwischen den einander zugewandten Seiten bzw. Kanten der Platinen angeordnet ist. Pro Baugruppe können mehrere Platinen beliebig zueinander angeordnet sein, also horizontal nebeneinander und vertikal übereinander, wobei die Platinen über als Platinenverbinder fungierende elektrische Bauelemente elektrisch und mechanisch verbunden werden können.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das zumindest eine elektrische Bauelement ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse angeordnete Funktionseinheit aufweist, wobei das Gehäuse Verbindungsbereiche aufweist, welche mechanisch mit beiden Platinen verbunden sind. Elektrische Kontakte der Funktionseinheit sind aus dem Gehäuse herausgeführt und mit den elektrischen Schaltungen der Platinen elektrisch verbunden. Die Funktionseinheit ist beispielsweise eine Spule bzw. Induktivität oder ein Transformator. Das Gehäuse ummantelt die Funktionseinheit und ist beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff ausgebildet. Auch kann das Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall, ausgebildet sein, wobei die Funktionseinheit mit einem elektrisch isolierenden Material umgossen ist. Das Gehäuse weist die Verbindungsbereiche auf, über welche das elektrische Bauelement mit den Platinen verbunden werden kann. Die Verbindungsbereiche können beispielsweise Schraubbuchsen sein, über welche das elektrische Bauelement an den Platinen festgeschraubt werden kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen das Gehäuse des zumindest einen elektrischen Bauelementes und die Platinen zueinander korrespondierende Positionierelemente auf. Die Positionierelemente des Bauelementes können beispielsweise an dem Gehäuse des Bauelementes angeordnete Pins sein, welche in Öffnungen der Platinen eingeschoben werden können. Die Öffnungen der Platinen bilden dabei die Positionierelemente der Platinen. Die Positionierelemente dienen zum Positionieren des Bauelementes zwischen den Platinen und zum Positionieren der Platinen zueinander. Die Positionierpins und die Öffnungen können beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sie eine Schnappverbindung ausbilden. Nach Positionieren des Bauelementes mittels der Positionierelemente können die Platinen und das Bauelement dann, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, mechanisch verbunden werden.
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Vorzugsweise ist zumindest eine der Platinen über eine thermisch leitfähige Schicht mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelt, wobei elektrische Kontakte des zumindest einen Bauelementes thermisch mit der thermisch leitfähigen Schicht gekoppelt sind. Die mit dem Kühlkörper thermisch gekoppelte Platine kann beispielsweise thermische Vias bzw. Durchkontaktierungen aufweisen, welche auf einer Seite der Platine mit dem Kühlkörper thermisch und mechanisch gekoppelt sind und auf der anderen Seite der Platine thermisch und mechanisch mit den elektrischen Kontakten des Bauelementes verbunden sind. Auch kann die Platine Durchgangsöffnungen aufweisen, durch welche die elektrischen Kontakte hindurchgeführt sind, sodass die Kontakte zumindest bereichsweise in der thermisch leitfähigen Schicht angeordnet sind.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen Elektronikmodul. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Baugruppe vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Elektronikmodul sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer elektronischen Baugruppe für ein Elektronikmodul; und
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsform einer elektronischen Baugruppe für ein Elektronikmodul;
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen Ausführungsformen einer elektronischen Baugruppe 1, welche beispielsweise in ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs integriert werden kann. Das Steuergerät kann ein Elektronikmodul, beispielsweise einen Stromrichter, umfassen. Die elektronische Baugruppe 1 umfasst hier zwei Platinen 2a, 2b, welcher in vertikaler Richtung zu einem Platinenstapel 3 gestapelt sind. Jede der Platinen 2a, 2b umfasst eine hier nicht gezeigte elektronische Schaltung mit jeweils zumindest einem elektrischen Bauelement 4. Zumindest eines dieser elektrischen Bauelemente 4 fungiert als Integrationsbauteil in Form von einem Board-to-Board-Verbinder bzw. Platinenverbinder 5, welcher dazu ausgelegt ist, die Schaltungen elektrisch und die Platinen 2a, 2b mechanisch zu verbinden. Das elektrische Bauelement 4 ist dabei insbesondere ein passives Bauelement und weist eine Funktionseinheit 6, beispielsweise eine Induktivität, und ein Gehäuse 7 auf, in welchem die Funktionseinheit 6 angeordnet ist. Die Funktionseinheit 6 kann beispielsweise in eine elektrisch isolierende Vergussmasse 8 eingebettet sein.
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Das Gehäuse 7 weist Verbindungsbereiche 9 auf, über welche das Bauelement 4 mit den Platinen 2a, 2b mechanisch verbunden werden kann. Die Verbindungsbereiche 9 sind hier Schraubbuchsen, sodass die mechanische Verbindung zwischen dem Bauelement 4 und den Platinen 2a, 2b eine Schraubverbindung 10 ist. Zusätzlich kann das Gehäuse 7 des passiven Bauelementes 4 zur Zentrierung und Befestigung der Platinen 2a, 2b verwendet werden. Dadurch kann die Platinen-Baugruppe 1 bei Bedarf außerhalb des Steuergerätegehäuses vormontiert werden. Das Gehäuse 7 kann aus Kunststoff oder Metall ausgeführt werden. Bei einem metallischen Gehäuse 7 kann zusätzlich ein Massekontakt zwischen den Platinen 2a, 2b dargestellt werden. Elektrische Kontakte 11 des Bauelementes 4, welche hier als Kontaktstifte ausgebildet sind, sind mit den Schaltungen, beispielsweise über Kontaktpads oder Vias der Platinen 2a, 2b, elektrisch verbunden, sodass die Schaltungen der Platinen 2a, 2b über das elektrische Bauelement 4 elektrisch verbunden sind. Energiefluss und Layout werden so angepasst, dass das Bauteil 4 an der Schnittstelle zwischen den Platinen 2a, 2b platziert werden kann.
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Gemäß 2 weist die Baugruppe 1 außerdem eine Kühleinrichtung 12 zum Kühlen der Bauelemente 4 auf. Die Kühleinrichtung 12 weist hier einen Kühlkörper 13 in Form von einer Kühlplatte auf, welcher über eine thermisch leitfähige Schicht 14 bzw. ein Thermal Interface Material mit der in dem Platinenstapel 3 unten angeordneten Platine 2b thermisch verbunden ist. Zur Kühlungsanbindung des als Platinenverbinder 5 ausgestalteten Bauelementes 4 weist die Platine 2b eine Aussparung oder thermische Vias auf.