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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Kontaktanordnung für einen mehrlagigen Schaltungsträger nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1, der insbesondere für Hochstromanwendungen geeignet ist, sowie von einem Verfahren zum Kontaktieren eines korrespondierenden Schaltungsträgers nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 6.
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Üblicherweise umfassen Kontaktanordnungen für einen mehrlagigen Schaltungsträger eine Aussparung, welche mindestens eine innenliegende Metalllage bzw. eine innenliegende stromführende Schicht des mehrlagigen Schaltungsträgers freilegt, und ein Kontaktelement. Zur Außenkontaktierung ist das Kontaktelement über die Aussparung mit der mindestens einen innenliegenden Metalllage bzw. der stromführenden Schicht elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung kann beispielsweise über Löten und/oder Schrauben und/oder Nieten hergestellt werden.
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Mehrlagige Schaltungsträger umfassen in der Regel mindestens eine Oberfläche zum Anordnen eines Bauelements und mindestens eine innenliegende stromführenden Schicht, über welche das Bauelement mit Strom versorgt wird. Während des Betriebs erzeugt der Stromfluss in der innenliegenden Schicht bzw. das auf der Oberfläche angeordnete Bauelement unter anderem Wärme, durch welche die elektrisch leitende Verbindung der Kontaktanordnung ihre Zuverlässigkeit verlieren kann, insbesondere wenn der Schaltungsträger für Hochstromanwendungen eingesetzt wird.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 058 025 A1 wird beispielsweise ein mehrlagiger Schaltungsträger beschrieben. Der beschriebene Schaltungsträger umfasst zumindest zwei isolierende Schichten, zwischen denen eine stromführende Schicht angeordnet ist. Diese stromführende Schicht umfasst einen flexiblen Leiter, welcher einen ersten Längenabschnitt und einen zweiten Längenabschnitt umfasst. Hierbei ist der erste Längenabschnitt unbeweglich zwischen den isolierenden Schichten angeordnet und der zweite Längenabschnitt ist flexibel entweder außerhalb des Schaltungsträgers oder im Bereich einer Aussparung in mindestens einer isolierenden Schicht angeordnet. Durch die Aussparung kann über ein Kontaktelement ein elektrisch leitender Kontakt von dem zweiten Längenabschnitt nach außen hergestellt werden. Der elektrisch leitende Kontakt zwischen der stromführenden Schicht und dem Kontaktelement kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass das Kontaktelement an den zweiten Längenabschnitt geschraubt, geschweißt und/oder genietet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kontaktanordnung für einen mehrlagigen Schaltungsträger mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Kontaktieren einer mehrlagigen Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 6 haben demgegenüber den Vorteil, dass das Kontaktelement über eine Stemmverbindung mit der mindestens einen innenliegenden stromführenden Schicht verbunden ist, welche an einem Verbindungsbereich eine geeignete vorgegebene Stärke aufweist. Dadurch können in vorteilhafter Weise auch hohe Ströme über den Verbindungsbereich geleitet werden, ohne dass die elektrisch leitende Verbindung ihre Zuverlässigkeit verliert.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Kontaktanordnung für einen mehrlagigen Schaltungsträger, welcher vorzugsweise für Hochstromanwendungen eingesetzt wird, und ein Verfahren zur Kontaktierung eines solchen mehrlagigen Schaltungsträger zur Verfügung. Die Kontaktanordnung weist eine Aussparung, welche mindestens eine innenliegende stromführende Schicht des mehrlagigen Schaltungsträgers freigelegt, und ein Kontaktelement auf, wobei das Kontaktelement über die Aussparung mit der mindestens einen innenliegenden stromführenden Schicht elektrisch leitend verbunden ist. Die stromführende Schicht kann hierbei in vorteilhafter Weise als einfach herzustellendes stanztechnisch erzeugtes Kupfereinlegeteil ausgeführt werden. Durch die Stemmverbindung zwischen dem Kontaktelement und der mindestens einen innenliegenden stromführenden Schicht, welche am Verbindungsbereich eine geeignete vorgegebene Stärke aufweist, wird in vorteilhafter Weise eine verbesserte Außenkontaktierung ermöglicht. Dadurch können insbesondere organische Substrate mit einlaminierten stromführenden Schichten und/oder mehrlagige Schaltungträger mit von einander isolierten, stromführenden Schichten zuverlässig kontaktiert werden, wobei die Außenkontaktierung bei höheren Temperaturen besser standhalten kann, als beispielsweise eine Weich-Löt-Verbindung. Des Weiteren ist eine Stemmverbindung sehr gut geeignet, hohe Ströme, wie sie bei Hochstromanwendungen auftreten können, weiterzuleiten. Somit kann in vorteilhafter Weise eine einfache und zuverlässige Kontaktierung zwischen dem Schaltungsträger und einem Außenkontakt zur Abfuhr hoher Ströme umgesetzt werden. Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise die innenliegende stromführende Schicht an beliebigen Bereichen des Schaltungsträgers freigelegt und kontaktiert werden, ohne dass die stromführende Schicht modifiziert werden muss, wenn die stromführende Schicht in diesem Bereich die vorgegebene Stärke aufweist. Die Aussparung des Schaltungsträgers zur Kontaktierung der innenliegenden stromführenden Schicht kann beispielsweise einfach und kostengünstig durch Fräsen und/oder Laserbearbeitung und/oder Bohren und/oder Ätzen hergestellt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Kontaktanordnung und des im unabhängigen Patentanspruch 6 angegebenen Verfahrens zum Kontaktieren eines mehrlagigen Schaltungsträgers möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass im Bereich der Aussparung, welche die mindestens eine innenliegende stromführende Schicht freilegt, eine Vertiefung in die stromführende Schicht eingebracht ist, wobei die Vertiefung den Verbindungsbereich ausbilden kann. Hierbei kann die Wandung der Vertiefung mindestens eine korrespondierende Kontaktfläche ausbilden. Diese Vertiefung kann in vorteilhafter Weise den Verstemmvorgang erleichtern. Des Weiteren können mehrere Kontaktflächen entstehen, so dass selbst bei einem Kontaktabbruch zwischen einer Kontaktfläche und dem Kontaktelement weiterhin eine elektrische Verbindung durch die anderen Kontaktflächen besteht. In vorteilhafter Weise kann die Vertiefung mechanisch einfach und kostengünstig durch Fräsen und/oder Laserbearbeitung und/oder Bohren hergestellt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung kann das Kontaktelement plastisch verformt und in die Vertiefung eingepresst werden. In vorteilhafter Weise kann das Kontaktelement als Metallblech mit entsprechender Stärke ausgeführt werden. Somit kann in vorteilhafter Weise das Verfahren des so genannten Durchsetzfügens und/oder des Toxens und/oder des Clinchens eingesetzt werden, um den Hochstromkontakt einfach und kostengünstig zu erzeugen. Dadurch kann nahezu ohne weitere Zusatzmaßnahmen eine direkte Kontaktierung mit einer hochwertigen und zuverlässigen gasdichten elektrischen Verbindung entstehen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung kann das Kontaktelement einen elektrisch leitenden Formschluss und/oder Kraftschluss mit der mindestens einen Kontaktfläche ausbilden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Hochstromkontaktierung zwischen dem Kontaktelement und der mindestens einen stromführenden Schicht erzeugt werden, wobei der Strom und die Wärme im Verbindungsbereich ohne zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Lote, Leitkleber usw. weitergeleitet werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktanordnung kann das Kontaktelement die Vertiefung an einem Randbereich zumindest teilweise überlappen. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine zuverlässige elektrische Verbindung, da die Überlappung eine weitere Kontaktfläche ausbilden und eine zusätzliche Stabilität für den Formschluss und/oder den Kraftschluss ermöglichen kann, so dass der elektrische Strom zuverlässig abgeführt und/oder zugeführt werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Bereich der ausgesparten innenliegenden stromführenden Schicht eine Vertiefung in die stromführende Schicht eingebracht werden. Diese Vertiefung kann in vorteilhafter Weise das Verstemmen erleichtern. Die Vertiefung kann beispielsweise mechanisch einfach durch Fräsen und/oder Laserbearbeitung und/oder Bohren vor dem Verstemmvorgang erzeugt werden. Zur Herstellung der elektrischen Verbindung kann das Kontaktelement in diese Vertiefung der stromführenden Schicht in vorteilhafter Weise eingepresst werden. Alternativ kann die Vertiefung in der stromführenden Schicht während des Verstemmvorgangs erzeugt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Kontaktelement im Bereich der Aussparung mit der innenliegenden stromführenden Schicht unter einer plastischen Verformung verbunden werden. Die freigelegte innenliegende stromführende Schicht und das Kontaktelement können hierbei über ein geeignetes Werkzeug in eine vorgegebene Form gepresst werden, so dass eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige elektrisch leitende mechanische Verbindung entsteht. In vorteilhafter Weise kann das Kontaktelement über ein stempelartiges Werkzeug in die mechanisch erzeugte Vertiefung gepresst werden, so dass in vorteilhafter Weise der elektrisch leitende Formschluss und/oder Kraftschluss entstehen kann. Des Weiteren kann ein Verstemmwerkzeug in vorteilhafter Weise zweiteilig ausgeführt sein, wobei ein erstes Element offen und hohl ausgeführt ist und ein zweites Element als Stempel ausgeführt ist, welcher das Kontaktelement unter Ausbildung der Vertiefung in der freigelegten stromführenden Schicht und einer plastischen Verformung in das erste Element presst. Die Abmessungen der Vertiefung sind hierbei von den Abmessungen des zweiten Werkzeugelements abhängig.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines mehrlagigen Schaltungsträgers mit einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines mehrlagigen Schaltungsträgers mit einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele eines mehrlagigen Schaltungsträgers 1a, 1b mindestens eine Oberfläche zum Anordnen eines nicht dargestellten elektrischen und/oder elektronischen Bauelements und mindestens eine innenliegende stromführende Schicht 2. Das Bauelement kann hierbei als so genanntes Leistungsbauelement ausgeführt sein. Die mindestens eine innenliegende stromführende Schicht 2 ist vorzugsweise als Metalleinlegeteil, insbesondere als Kupfereinlegeteil ausgeführt. Anstelle von Kupfer kann auch ein anderes Material mit ähnlich guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten verwendet werden. Des Weiteren ist die stromführende Schicht 2 zwischen organischen Substraten einlaminiert. Die stromführende Schicht 2 ist insbesondere dazu geeignet, hohe Ströme, wie sie beispielsweise bei Hochstromanwendungen vorkommen, zu transportieren. Die Oberfläche des mehrlagigen Schaltungsträgers 1a, 1b ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen strukturiert ausgeführt und weist elektrisch leitende Schichten 4 bzw. Bereiche und elektrisch isolierende Schichten 6 bzw. Bereiche auf.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der mehrlagige Schaltungsträger auch mehrere innenliegende stromführende Schichten umfassen, welche durch elektrisch isolierende Schichten voneinander getrennt sind.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist umfasst eine Kontaktanordnung 10 für den mehrlagigen Schaltungsträger 1a, 1b eine Aussparung 12, welche die innenliegende stromführende Schicht 2 des mehrlagigen Schaltungsträgers 1a, 1b freigelegt, und ein Kontaktelement 14. Das Kontaktelement 14 ist über die Aussparung 12 mit der innenliegenden stromführenden Schicht 2 elektrisch leitend verbunden.
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Erfindungsgemäß ist das Kontaktelement 14 über eine Stemmverbindung mit der mindestens einen innenliegenden stromführenden Schicht 2 verbunden, welche am Verbindungsbereich 18 eine geeignete vorgegebene Stärke d aufweist.
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Bei der nicht dargestellten Ausführungsform mit mindestens zwei leitenden Schichten kann eine oder beide leitende Schichten freigelegt und mit jeweils einem oder mit einem gemeinsamen Kontaktelement verstemmt werden.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist die dargestellte innenliegende stromführende Schicht 2 als stanztechnisch erzeugtes Kupfereinlegeteil mit der Stärke d im Bereich von 1 bis 2 mm ausgeführt. Die Aussparung 12 entspricht einem Bereich der stromführende Schicht 2, welcher mechanisch beispielsweise durch Fräsen oder/oder Laserbearbeitung und/oder Bohren und/oder Ätzen freigelegt ist. In 1 ist die stromführende Schicht 2 an einem Endbereich des Schaltungsträgers 1a freigelegt. In diesem Fall könnte die Aussparung 12 im Schaltungsträger 1a bereits beim Einlaminieren der stromführenden Schicht 2 erzeugt werden, in dem der Verbindungsbereich 18 beim Laminieren einfach ausgespart wird. In 2 ist die stromführende Schicht 2 an einem mittleren Bereich des Schaltungsträgers 1b freigelegt.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, bildet eine Vertiefung 16 mit mindestens einer korrespondierenden Kontaktfläche 18.1 im Bereich der Aussparung 12 den Verbindungsbereich 18 der innenliegenden stromführenden Schicht 2 aus. Die Vertiefung 16 kann hierbei als Bohrung und/oder Fräsung und/oder Laserbearbeitung mit einem vorgegebenen Querschnitt ausgeführt werden. Alternativ kann die Vertiefung 16 in der stromführenden Schicht 2 während des Verstemmvorgangs erzeugt werden. Die Wandung der Vertiefung 16 weist keine zusätzlichen, elektrisch leitenden Metallisierungen auf und ist direkt mit dem Kontaktelement 14 verbunden.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist das Kontaktelement 14 plastisch verformt und in die Vertiefung 16 eingepresst, wobei das Kontaktelement 14 die Vertiefung 16 an einem Randbereich zumindest teilweise überlappt. Hierbei ist das Kontaktelement 14 als leitendes Blech mit einer geeigneten Stärke ausgeführt. Da das Kontaktelement 14 in die Vertiefung 16 eingepresst ist, bildet das Kontaktelement 14 einen elektrisch leitenden Formschluss und/oder Kraftschluss mit der mindestens einen Kontaktfläche 18.1 aus. Da die Kontaktfläche 18.1 Teil der stromführenden Schicht 2 ist, ist die stromführende Schicht 2 zuverlässig elektrisch mit dem Kontaktelement 14 verbunden. Daher sind keine Zusatzmaßnahmen, wie beispielsweise die Anwendung eines Leitklebers und/oder die Herstellung einer Schweißverbindung und/oder Lötverbindung zur Herstellung einer zuverlässigen gasdichten elektrischen Verbindung erforderlich.
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In 1 und 2 ist der mehrlagige Schaltungsträger 1a, 1b nur mit einer Kontaktanordnung 10 dargestellt. Selbstverständlich kann der mehrlagige Schaltungsträger 1a, 1b eine beliebige Anzahl von Kontaktanordnungen 10 aufweisen.
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In einem nicht dargestellten Verfahren zum Kontaktieren eines mehrlagigen Schaltungsträgers 1a, 1b, wird in einem Verfahrensschritt mindestens eine innenliegende stromführende Schicht 2 des mehrlagigen Schaltungsträgers 1 über eine Aussparung 12 freigelegt. Das Freilegen erfolgt beispielsweise durch Fräsen und/oder Bohren und/oder Ätzen und/oder durch eine Laserbearbeitung. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Kontaktelement 14 in die Aussparung 12 eingeführt und mit der mindestens einen innenliegenden stromführenden Schicht 2 elektrisch leitend verbunden.
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Erfindungsgemäß wird die mindestens eine innenliegenden stromführende Schicht 2 in einem Verbindungsbereich 18 mit dem Kontaktelement 14 verstemmt, wobei die innenliegende stromführende Schicht 2 im Verbindungsbereich 18 eine geeignete vorgegebene Stärke d aufweist. Das Stemmverfahren kann hierbei einem bekannten Clinch-Verfahren und/oder einem Durchsetzfüge-Verfahren und/oder einem Tox-Verfahren entsprechen. Durch das Stemmverfahren wird das Kontaktelement 14 im Bereich der Aussparung 12 unter Ausbildung einer plastischen Verformung mit der innenliegenden stromführenden Schicht 2 verbunden, wobei die innenliegende stromführende Schicht 2 und das Kontaktelement 14 über ein geeignetes Werkzeug in eine vorgegebene Form gepresst werden, so dass eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige elektrisch leitende mechanische Verbindung entsteht.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kontaktieren eines mehrlagigen Schaltungsträgers 1a, 1b wird die Vertiefung 16 während des Verstemmungsprozesses ausgebildet. Das bedeutet, dass das Kontaktelement 14 und die stromführende Schicht 2 gemeinsam verformt werden. Zu diesem Zwecke ist das Werkzeug zweiteilig ausgeführt und weist ein erstes offenes hohles Element und ein zweites stempelartiges Element auf. Das stempelartige Element drückt das Kontaktelement 14 und die stromführende Schicht 2 in das erste Element, wobei sich die Vertiefung ausbildet und das Kontaktelement 14 und die stromführende Schicht 2 so plastisch verformt und mit einander verbunden werden, dass ein Hinterschnitt entsteht und die elektrisch leitende Verbindung entsteht.
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Optional kann vor dem Verstemmen in einem zusätzlichen Verfahrensschritt im Bereich der ausgesparten innenliegenden stromführenden Schicht 2 eine Vertiefung 16 in die stromführende Schicht 2 eingebracht werden. Die Vertiefung 16 kann beispielsweise gebohrt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Kontaktelement 14 im Bereich der Aussparung 12 über ein stempelartiges Werkzeug in die Vertiefung 16 gepresst und mit der innenliegenden stromführenden Schicht 2 unter Ausbildung einer plastischen Verformung verbunden, so dass eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige elektrisch leitende mechanische Verbindung entsteht.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Kontaktanordnung für einen mehrlagigen Schaltungsträger, welcher vorzugsweise für Hochstromanwendungen eingesetzt wird, und ein Verfahren zur Kontaktierung eines solchen mehrlagigen Schaltungsträger zur Verfügung. Durch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Stemmverbindung zwischen einem Kontaktelement der Kontaktanordnung und mindestens einer stromführenden Schicht des mehrlagigen Schaltungsträgers wird in vorteilhafter Weise eine robuste Hochstromkontaktierung geschaffen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008058025 A1 [0004]
