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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Verbindungsanordnung, einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsanordnung sowie einer Verwendung der elektrischen Verbindungsanordnung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Leiterplatten von Steuergeräten müssen elektrisch mit Peripherie verbunden werden, um diese zu überwachen und anzusteuern. Dazu gibt es nach Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten:
- - Ein Steckverbinder kann mittels Oberflächenmontage (Surface Mount Technologie, „SMT“) auf die Leiterplatte aufgelötet werden, beispielsweise um Kabelbäume mit runden Leitern, Leistungsfaktorkorrekturfilter (Power Factor Correction, „PFC“) oder flexible Flachkabel (Flexible Flat Cable, „FFC“) anzuschließen.
- - Ein Steckverbinder kann mittels Durchsteckmontage (Through Hole Technologie „THT“) mit der Leiterplatte kontaktiert werden.
- - Ein Steckverbinder kann in ein Gehäuse als Stanzgitter integriert werden, die Kontaktierung zur Leiterplatte erfolgt beispielsweise mittels Durchsteckmontage oder Einpresstechnik.
- - Eine flexible Leiterplatte (Flexible Printed Circuit, „FPC“) kann mit der Peripherie mittels eines Lötprozess verbunden werden.
- - Elektrische Verbindungen zwischen der Peripherie und sehr großen Leiterplatten, die eine an die Peripherie angepasste Form aufweisen, können geschraubt oder gebondet werden.
- - Weiter sind andere Stecktechnologien möglich, beispielsweise Leiterplattendirektstecker.
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Leiterplatten mit elektronischen Schaltungen zur Zellüberwachung (Cell Supervision Circuit, „CSC“) für Lithium-Ionen-Batterien müssen in der Regel mit Zell-Terminals, beispielsweise zur Spannungsüberwachung oder Ladungsausgleich, zu Temperaturfühlern, beispielswiese zur Temperaturüberwachung von Zellen der Batterie, und zu einer übergeordneten Steuereinheit, beispielsweise mit einem zentralen Steuergerät mittels einem CAN-Bus oder einer Zweidrahtleitung, verbunden werden. Dies erfolgt gemäß Stand der Technik mit gelöteten Steckverbindern, mit gelöteten flexiblen Leiterblatten und/oder gebondeter oder geschraubter Leiterplatte in Sonderform.
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Bei der Verwendung von Steckverbindern fallen jedoch Kosten für mindestens zwei zusätzliche Bauteile, beispielsweise einen Steckverbinder Male und einen Steckverbinder Female sowie je nach Art des Steckverbinders Crimp Kontakte und Kosten für das Crimpen. Diese zusätzlichen Bauteile haben einen erheblichen Anteil an Kosten einfacher Schaltungen wie den Zellüberwachungseinheiten.
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Durch die Steckverbindung gibt es zusätzliche elektrische Übergänge im System, deren Zuverlässigkeit nachgewiesen werden muss. Steckverbinder für Die speziellen Anforderungen für eine Überwachung von Zellspannungen, beispielsweise große Kriechstrecken zur Vermeidung eines thermischen Störfalls schränken die weiter Auswahl ein. Wird nur eine geringe Anzahl von Steckverbindergehäusen bei einer Überwachung von einer Vielzahl von Batteriezellen verwendet, kommen alle Messsignale gebündelt an der Leiterplatte an und müssen aufwändiger entflochten werden, was aufgrund einer größeren Anzahl von Lagen zu deutlich höheren Kosten führt und fehleranfälliger ist.
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Sonderleiterplatten in Form der Peripherie können nur für eine Baureihe verwendet werden und die Kosten sind wegen der Größe der Leiterplatte höher. Ein Ausgleich von anschwellenden Zellen ist nur bedingt möglich.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 219 072 A1 offenbart ein Elektronikmodul für ein Getriebesteuergerät eines Kraftfahrzeugs, welches eine Leiterplatte mit einer elektronischen Schaltung, eine Leiterfolie und eine Basisplatte aufweist. Die Leiterplatte weist eine Montagefläche, auf welcher die elektronische Schaltung angeordnet ist, und eine der Montagefläche gegenüberliegende Kontaktfläche auf, wobei die Montagefläche zumindest teilweise mit einer Schutzmasse bedeckt ist, und wobei die Leiterplatte mit der Kontaktfläche auf der Basisplatte angeordnet ist. Das Elektronikmodul zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zumindest ein Teilbereich der Leiterfolie zwischen der Basisplatte und der Kontaktfläche der Leiterplatte angeordnet ist, und dass an der Kontaktfläche der Leiterplatte eine Mehrzahl von Kontaktstellen ausgebildet ist, welche jeweils mit einer Leiterbahn der Leiterfolie elektrisch leitfähig verbunden sind. Dadurch ein robustes, zuverlässiges und kostengünstig produzierbares Elektronikmodul bereitgestellt sein.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 208 413 A1 offenbart eine elektrische Verbindungsanordnung, welche ein Elektronikmodul mit einer auf einer Montagefläche eines Leiterplattenelements angeordneten elektronischen Schaltung und eine flexible Leiterfolie mit zwischen einer Basisschicht und einer Deckschicht aufgenommenen Leiterbahnen aufweist, wobei die elektronische Schaltung zumindest teilweise mit einer Schutzmasse zum Schutz gegen Umgebungseinflüsse bedeckt ist. Das Elektronikmodul weist eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Kontaktblechen auf, welche jeweils ein von einer Flanke des Elektronikmoduls abragendes Kontaktende aufweisen, wobei die Kontaktenden der Kontaktbleche jeweils mit einer Leiterbahn der Leiterfolie elektrisch leitfähig verbunden sind. Die Verbindungsanordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass an der Flanke des Elektronikmoduls ein Absatz durch die Schutzmasse ausgebildet ist, auf welchem die Kontaktenden der Kontaktbleche und zumindest ein Teilbereich der Leiterfolie abgestützt sind.
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Beim direkten Löten auf eine flexible Leiterplatte entfallen die Kosten für zusätzliche Steckverbinder und die Anzahl der Verbindungsstellen wird reduziert. Eine bessere räumliche Aufteilung der Signaleingänge auf der Leiterplatte ist möglich. Die flexible Leiterplatte bietet zusätzliche Vorteile wie beispielsweise eine einfache Applikation von Temperatursensoren mit hoher Genauigkeit. Jedoch ist ein zusätzlicher Schutz vor Partikeln oder Betauung aufwendig.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die elektrische Verbindungsanordnung ein Elektronikmodul mit einer auf einer Leiterplatte angeordneten elektronischen Schaltung und ein Kunststoffgehäuse und/oder eine flexible Leiterfolie umfassend elektrische Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung der elektronischen Schaltung aufweist, wobei in mindestens einem Randbereich der Leiterplatte Kontaktierungen, insbesondere Durchkontaktierungen, Halbloch-Kantenkontakte und/oder Lötflächen, angeordnet sind, wobei die elektronische Schaltung mit den elektrischen Leiterbahnen mittels der Kontaktierungen elektrisch leitfähig verbunden ist, wobei die Kontaktierungen jeweils mit einer Leiterbahn verlötet, verschweißt, eingepresst und/oder verklebt sind, wobei das Kunststoffgehäuse und/oder die flexible Leiterfolie mindestens eine Steckverbinder-Schnittstelle ausbilden.
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Dadurch können eine Schnittstelle einer Leiterplatte und ein Gehäuse einer elektronischen Schaltung, insbesondere einer Zellüberwachungselektronik, so gestaltet werden, dass die Leiterplatte sowohl direkt mit einer flexiblen Leiterfolie verbunden werden kann, als auch mit Leiterbahnen eines Stanzgitters in einem Gehäuse kontaktiert werden kann, wobei das Stanzgitter und das Gehäuse dabei eine Steckverbinder-Schnittstelle ausbilden. Dadurch kann dieselbe Leiterplatte sowohl mit einer flexiblen Leiterfolie kombiniert, als auch als Stand-Alone Gerät in einem Kunststoffgehäuse verwendet werden.
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Damit kann eine höhere Stückzahl der Leiterplatte gefertigt und für verschiedene Bauvarianten, beispielsweise von Batteriemodulen, verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Kontaktierungen liegen auf dem Kunststoffgehäuse und/oder der flexiblen Leiterfolie auf, wobei an Kontaktenden der Kontaktierungen jeweils ein Lotdepot, ein Schweißbuckel und/oder ein Einpressstift angeordnet ist.
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Din Durchmesser der Kontaktierungen, insbesondere der Durchkontaktierungen oder der Halbloch-Kantenkontakte, beträgt maximal ein Millimeter.
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Die Leiterbahnen sind mittels eines Spritzgussverfahrens in das Kunststoffgehäuse eingebracht, insbesondere als Stanzgitter oder spritzgegossene Leiterbahnen.
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Die Leiterbahnen umfassen im Wesentlichen Kupfer und/oder sind mit einer Schicht aus Zinn, Silber und/oder Gold beschichtet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindungsanordnung umfasst folgende Schritte:
- a. Einbringen von Leiterbahnen mittels eines Spritzgussverfahrens in ein Kunststoffgehäuse, insbesondere als Stanzgitter oder spritzgegossene Leiterbahn, und/oder Aufbringen von Leiterbahnen auf eine flexible Leiterfolie;
- b. Elektrisches Kontaktieren einer Leiterplatte mittels Kontaktierungen in mindestens einem Randbereich der Leiterplatte mit den elektrischen Leiterbahnen des Kunststoffgehäuses und/oder der flexiblen Leiterfolie durch Verlöten, Verschweißen, Einpressen und/oder Verkleben;
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgenden Schritt:
- c. Verschließen des Kunststoffgehäuses mit einem dichten Deckel und/oder durch Ausgießen mit einer Mold-Masse.
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Dadurch wird die elektrische Verbindungsanordnung, insbesondere die Leiterplatte, vor Partikeln und/oder Feuchtigkeit geschützt. Weiter können kleinere Abstände zwischen den Leiterbahnen und/oder den Kontaktierungen erreicht werden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Leiterplatte vor einer Montage mit dem Kunststoffgehäuse bereits mit einer Mold-Masse umspritzt werden, wodurch ein nachträgliches Beschichten und/oder Ausgießen entfallen kann. Die Steckverbinder-Schnittstelle ist dadurch zwar nicht durch die Mold-Masse geschützt, dies ist aber aufgrund der gewählten Abstände nicht nachteilig.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Verbindungsanordnung wird in elektrischen Energiespeichern für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie verwendet.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Ferner können die im Folgenden beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen, wenn sich aus dem Kontext nicht explizit das Gegenteil ergibt.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsanordnung; und
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsanordnung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsanordnung. Die elektrische Verbindungsanordnung 100 umfasst eine Leiterplatte 101 mit einer auf der Leiterplatte 101 angeordneten elektronischen Schaltung 106, ein Kunststoffgehäuse 104 mit einer Vielzahl von elektrischen Leiterbahnen 102 zur elektrischen Kontaktierung der elektronischen Schaltung 106, wobei in einem Randbereich der Leiterplatte 101 Kontaktierungen 103 vorgesehen sind. Das Kunststoffgehäuse und die elektrischen Leiterbahnen 102 bilden eine Steckverbinder-Schnittstelle 105 aus.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die elektrischen Leiterbahnen 102 räumlich außerhalb der Leiterplatte 101 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform können die elektrischen Leiterbahnen 102 räumlich unterhalb der Leiterplatte 101 angeordnet werden, wodurch Bauraum eingespart werden kann.
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Die Abstände zwischen den Kontaktierungen 103 im Randbereich der Leiterplatte 101 betragen in Abhängigkeit einer elektrischen Spannung mehr als drei Millimeter, um einen thermischen Störfall sicher zu vermeiden. Die Abstände zwischen den Leiterbahnen 102, insbesondere im Bereich der Leitungsführung und in der Steckverbinder-Schnittstelle 105, sind hingegen deutlich geringer, da eine Isolierung zwischen den Leiterbahnen 102 und ein Feuchtigkeitsschutz einfacher umgesetzt werden können, als an den Kontaktierungen 103 der Leiterplatte 101.
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In der ersten Ausführungsform umfassend die Kontaktierungen 103 Halbloch-Kantenkontakte mit einem Durchmesser von maximal einem Millimeter. Alternative Ausführungsformen sind Durchkontaktierungen und/oder angeordnete Lötflächen.
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Vorteilhafterweise liegen in der Steckverbinder-Schnittstelle 105 möglichst benachbarte Potentiale nebeneinander, um große Kriechstrecken zu vermeiden.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Kunststoffgehäuse 104 eine Mehrzahl an Steckverbinder-Schnittstellen 105, wodurch beispielsweise eine bessere Robustheit gegenüber Wärmeeinflüssen wie Wärmedehnung erreicht wird oder eine Aufteilung von Signalen ermöglicht wird, beispielsweise für eine Kommunikation mit einer übergeordneten Steuereinheit über einen Datenbus.
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Zumindest eine der weiteren Steckverbinder-Schnittstellen 105, insbesondere zur Kommunikation, kann in einer alternativen Ausführungsform an der Leiterplatte 101 ausgebildet sein, beispielsweise mittels Oberflächenmontage und/oder Durchsteckmontage.
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Vorteilhafterweise wird zur Kontaktierung der elektrischen Verbindungsanordnung 100 mittels der Steckverbinder-Schnittstelle 105 ein dichter Steckverbinder zum Schutz vor Feuchtigkeit und Partikeln verwendet, wodurch ein Mitte-Mitte-Abstand („Pitch“) der Anschlüsse kleiner gewählt werden kann ohne ein Risiko für einen Kurzschluss oder einen thermischen Störfall zu erhöhen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungsanordnung. Die elektrische Verbindungsanordnung 200 umfasst in der zweiten Ausführungsform eine Leiterplatte 201, die mittels Durchkontaktierungen 203 elektrisch mit einer flexiblen Leiterfolie 202 verbunden ist und Lotdepots 204 umfasst. Die elektrische Verbindungsanordnung 200 kann beispielsweise an ein Kunststoffgehäuse befestigt werden.
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Alternative Ausführungsformen umfassen folgende Gestaltungen:
- - Im Randbereich der Leiterplatte 101, 201 sind Durchkontaktierungen angeordnet, wobei ein Innendurchmesser der Durchkontaktierung maximal einen Millimeter beträgt. Eine Kontaktierung mit der flexiblen Leiterfolie 202 erfolgt über einen Lötprozess, beispielsweise stumpf oder mit einem Meniskus 204 in der Durchkontaktierung, und/oder mittels Einpresstechnik. Das Kunststoffgehäuse 104 umfasst die elektrischen Leiterbahnen 102, die beispielsweise als Stanzgitter ausgeführt sind und mittels eines Spritzgussverfahrens in das Kunststoffgehäuse 104 eingebracht sind, wobei das Stanzgitter im Wesentlichen Kupfer oder Kupferlegierungen umfasst und/oder mit Zinn, Silber und/oder Gold beschichtet ist.
- - Im Randbereich der Leiterplatte 101, 201 sind Halbloch-Kantenkontakte angeordnet, wobei ein Innendurchmesser der Halbloch-Kantenkontakte maximal einen Millimeter beträgt. Eine Kontaktierung mit der flexiblen Leiterfolie 202 erfolgt über einen Lötprozess, beispielsweise mit einem Meniskus 204 an dem Halbloch-Kantenkontakt. Das Kunststoffgehäuse 104 umfasst die elektrischen Leiterbahnen 102, die beispielsweise als Stanzgitter ausgeführt sind und mittels eines Spritzgussverfahrens in das Kunststoffgehäuse 104 eingebracht sind oder spritzgegossene Leiterbahnen.
- - Der Randbereich der Leiterplatte 101, 201 umfasst mindestens ein aufgelötetes Schweißpad und/oder ein galvanisch aufgedicktes Pad, beispielsweise aus Hartgold. Eine Kontaktierung mit der flexiblen Leiterfolie 202 erfolgt mittels Ultraschall- und/oder Laserbonden. Das Kunststoffgehäuse 104 umfasst die elektrischen Leiterbahnen 102, die beispielsweise als Stanzgitter ausgeführt sind und mittels eines Spritzgussverfahrens in das Kunststoffgehäuse 104 eingebracht sind oder spritzgegossene Leiterbahnen. Die Leiterplatte 101, 201 wird mittels eines Bondverfahren auf Pad des Kunststoffgehäuses 104 angebracht.
- - Die elektrischen Leiterbahnen 102 sind nicht im Kunststoffgehäuse 104 angeordnet, sondern die flexible Leiterfolie 202 umfasst die Leiterbahnen 102, wobei diese an dem Kunststoffgehäuse 104 befestigt wird. Eine Kontaktierung der Leiterplatte 101, 201 mit den Leiterbahnen 102 erfolgt mittels eines Lötprozess. Eine Steckverbinder-Schnittstelle 105 kann durch die flexible Leiterfolie 102 ausgebildet werden.
- - Der Randbereich der Leiterplatte 101, 201 umfasst Durchkontaktierungen für Einpressstifte, mittels der die Leiterplatte 101, 201 an dem Kunststoffgehäuse 104 und/oder mittels eines Adapterstücks umfassend einen Kunststoffblick mit eingespritzten und umgebogenen Einpressstiften befestigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015219072 A1 [0007]
- DE 102015208413 A1 [0008]
