DE202018102765U1

DE202018102765U1 - Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen

Info

Publication number: DE202018102765U1
Application number: DE202018102765.4U
Authority: DE
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2018-06-12
Anticipated expiration: 2028-05-18

Abstract

Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement (6) mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen (3; 30) zum unmittelbaren Aufbringen auf einem leitfähig kaschierten Verdrahtungsträger, insbesondere einer kupferkaschierten Leiterplatte (8), wobei mindestens eines der elektrischen Anschlusselemente (3) durch seine Dimensionierung hochstromtragfähig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das hochstromtragfähige Anschlusselement (3) eine verlängerte laterale Ausdehnung aufweist, welche derart ausgeführt ist, dass bei einer Layout-entsprechenden Anordnung des elektronischen Bauelementes (6) auf dem Verdrahtungsträger das Anschlusselement (3) mindestens bis zum Rand des Verdrahtungsträgers (8) reicht, derart, dass die Hochstromführung weitgehend außerhalb der Strompfade der Kupferkaschierung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zum unmittelbaren Aufbringen auf einem leitfähig kaschierten Verdrahtungsträger, insbesondere einer kupferkaschierten Leiterplatte, wobei mindestens eines der elektrischen Anschlusselemente durch seine Dimensionierung hochstromtragfähig ausgebildet ist gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der WO 2011/113867 A1 ist eine Leiterplatte mit zusätzlichen Stromschienen vorbekannt, um einer auftretenden Strombelastung standzuhalten.
Die Stromschiene wird auf einer Leiterplattenseite angeordnet, die der Bestückungsseite für die eigentlichen Bauelemente gegenüberliegt. Die nicht bestückte Oberfläche der Leiterplatte kann mit Nuten zur Aufnahme der Stromschiene versehen werden.
In eine ähnliche Lösungsrichtung geht die EP 2 200 408 B1 . Dort wird auf elektrisch leitende Überbrückungsschienen verwiesen, die Abschnitte innerhalb der räumlichen Ausdehnung einer Leiterplatte strombelastbar kontaktieren.
Das Problem des Führens hoher Ströme auf Leiterbahnen von Leiterplatten ist in der DE 10 2012 008 514 erläutert. Für Hochstromverbindungen wird auf Metallschienen verwiesen, wobei sich eine quasi Sandwichstruktur zur eigentlichen Leiterplatte ergibt.
Bei dem Leistungshalbleitermodul gemäß DE 10 2005 030 247 B4 ist die Lastverbindung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und einer Leiterbahn über einen Metallformkörper ausgebildet. Dieser ist oberhalb des Leistungshalbleiterbauelementes angeordnet und weist in diesem Bereich eine Wellenform auf. Hierdurch soll eine Mehrzahl von Stützstellen entstehen. Ein das Leistungsbauelement überragendes Ende des Metallformkörpers führt zu einer Leiterplatte, wobei wiederum eine Stützstelle mit dieser entsteht. Eine elektrische Verbindung erfolgt mit Hilfe eines Druckelementes.
Die EP 1 117 282 B1 zeigt ein elektronisches Modul mit Leistungsbauteilen. Eine gedruckte Leiterplatte dient als Träger für mindestens einige Leistungsbauteile. Verbindungsmittel zum Verbinden der Bauteile untereinander und mit einer externen Versorgung umfassen Brücken aus leitendem Material, die derart geformt sind, dass jede ein Leistungsbauteil überspannen kann, wobei kurze Abschnitte von Leiterbahnen, die die Leistungsströme transportieren, untereinander verbunden sind.
Derartige Strombrücken sind in vergleichbarer Weise in der EP 0 531 984 A1 offenbart.
Die DE 10 2006 004 322 A1 zeigt eine Leiterplatte mit zusätzlichen funktionalen Elementen in Form eines runden oder rechteckigen elektrischen Leiters, welcher zumindest stückweise auf einer elektrisch leitfähigen Leiterbahnstruktur mittels Ultraschall oder Reibschweißen mechanisch und elektrisch und thermisch leitend sowie flächig derart befestigt ist, dass sich eine intermetallische Verbindung ergibt. Hierdurch besteht die Möglichkeit, höhere Ströme über eine derart ertüchtigte Leiterbahnstruktur zu führen.
Fasst man den zitierten Stand der Technik zusammen, dann ist es bekannt, Standardleiterplatten hochstromseitig zu ertüchtigen, indem zusätzliche Brücken zur Anwendung kommen, welche zumindest teilweise bereits Bestandteil eines aktiven Bauelementes sein können oder mit diesem verbindbar sind.
Bekanntermaßen weisen Standardleiterplatten derzeit eine Kupferauflage im Dickenbereich von 18 µm oder 35 µm auf. Bei Leiterplatten als Verdrahtungsträger für Anwendungen, in denen hohe Stromdichten auftreten, ist es schwierig, die notwendigen Leiterbahnbreiten zu realisieren, um die entsprechende Stromtragfähigkeit zu gewährleisten.
Hohe Bauteildichten, beengte Platzverhältnisse und eine inhomogene Stromdichteverteilung in breiten Leiterbahnen erschweren oder verhindern eine entsprechende Dimensionierung. Daher sind gerade im Bereich von Überspannungsschutzgeräten meist Leiterplatten mit einer Kupferauflage von 50 µm oder mehr im Einsatz. Derartige stärkere Kupferauflagen erlauben es, entsprechende Leiterzüge weniger breit zu gestalten, so dass den oben erwähnten Anforderungen genüge getan wird.
Es ergeben sich jedoch bei derartigen in der Kupferauflage verstärkten Leiterplatten Konflikte, wenn auf derselben Leiterplatte Bau- oder Schaltungselemente zum Einsatz kommen, welche sehr feine Strukturgrößen erfordern. Kleinere Strukturen im Bereich von < 200 µm erfordern eine möglichst dünne Kupferauflage von beispielsweise 35 µm oder weniger, damit der Ätzvorgang in der Leiterplattenherstellung reproduzierbare und gute Ergebnisse liefert. Ab einer Kupferauflage von 70 µm sind nur Strukturen realisierbar, die eine Strukturbreite von > 200 µm aufweisen.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein oberflächenmontierbares elektronisches Bauteil mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zum unmittelbaren Aufbringen auf einen leitfähig kaschierten Verdrahtungsträger, insbesondere einer kupferkaschierten Leiterplatte anzugeben, welches es ermöglicht, eine Hochstromführung außerhalb der Kupferkaschierung umzusetzen. Diesbezüglich soll ein System, bestehend aus einem elektronischen Bauelement und einer schaltungstechnisch entsprechend strukturierten kupferkaschierten Standardleiterplatte geschaffen werden.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen zum unmittelbaren Aufbringen auf einem leitfähig kaschierten Verdrahtungsträger gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. Erfindungsgemäß ist darüber hinaus das System gemäß Anspruch 9, bestehend aus einem erfindungsgemäß ausgestalteten elektronischen Bauelement und einer schaltungstechnisch strukturierten kupferkaschierten Leiterplatte bzw. einem dementsprechenden Verdrahtungsträger.
Erfindungsgemäß können große Ströme in einem realisierten Gerät bis zum hochstromtragenden Bauteil außerhalb des Verdrahtungsträgers geführt werden. Hierdurch können alle technischen Aspekte einer komplexen Bestückung auf einer Standardleiterplatte mit geringer Kupferauflage realisiert werden, ohne dass ein zweiter Verdrahtungsträger, das heißt eine Brücke oder eine Adapterlösung notwendig wird.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten elektronischen Bauelemente können in klassischer Weise oberflächenmontiert werden und beispielsweise mit Hilfe eines Standard-SMD-Reflow-Prozesses verarbeitet werden.
In erfindungsgemäßer Weise wird mindestens ein hochstromtragfähiges Anschlusselement derart angepasst, dass einerseits das Bauteil bzw. das Bauelement auf dem Verdrahtungsträger montiert werden kann, andererseits aber die Kontaktierung des hochstromtragenden Bauteiles vom Rand des Verdrahtungsträgers bzw. direkt von Klemmen oder Anschlüssen aus erfolgt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung können in unveränderter Weise Standardleiterplatten mit relativ geringer Dicke der kupferkaschierten Auflage verarbeitet werden. Auch können Standardbestückungs- und Lötprozesse genutzt werden. Dadurch, dass große Ströme zum entsprechenden Bauteil bzw. Bauelement außerhalb des Verdrahtungsträgers geführt werden, bleibt die Stromdichte in der Kupferkaschierung der entsprechenden Leiterplatte gering.
Durch die Ausbildung einer speziellen Abwinkelung des hochstromtragfähigen Anschlusselementes ergibt sich ein Freiheitsgrad derart, dass unter dem Verlauf des hochstromtragfähigen Anschlusselementes weitere Bauelemente unmittelbar auf der Leiterplatte angeordnet werden können. Hierdurch kann die Packungsdichte vergrößert werden, ohne dass es zu einer flächigen Vergrößerung des Verdrahtungsträgers kommt. Durch die spezielle Ausbildung des hochstromtragfähigen Anschlusselementes werden die geforderten Luft- und Kriechstrecken eingehalten. Isolationsfräsungen oder andere Maßnahmen zur Verbesserung der Kriechstromfestigkeit werden überflüssig.
Extra stromführende Leitungen zum Bauelement, die am Bauelement zum Beispiel verlötet werden, können entfallen.
Dadurch, dass Verdrahtungsträger mit geringer Dicke der Kupferkaschierung verwendbar sind, können feine Strukturen durch Ätzen auf der Leiterplatte realisiert werden und auch hierdurch eine Optimierung der Packungsdichte erfolgen. Weiterhin ist eine direkte Kontaktierung des hochstromtragenden Bauelementes ohne Umwege über Sekundärkontakte möglich, indem zum Beispiel Steckmodulkontakte direkt kompatibel zu einer entsprechenden Ausführung des hochstromtragfähigen Anschlusselementes sind.
Als Sekundäreffekt ergibt sich durch die Dimensionierung und insbesondere die längere laterale Ausdehnung des hochstromtragfähigen Anschlusselementes eine Optimierung des thermischen Managements, da die modifizierten Anschlüsse in der Lage sind, für eine Optimierung der Wärmeableitung zu sorgen.
Das erfindungsgemäße hochstromtragfähige Anschlusselement weist also eine verlängerte laterale Ausdehnung auf, welche derart ausgeführt ist, dass bei einer Layout-entsprechenden Anordnung des elektronischen Bauelementes auf dem Verdrahtungsträger das Anschlusselement mindestens bis zum Rand des Verdrahtungsträgers reicht, derart, dass die Hochstromführung weitgehend oder vollständig außerhalb der Strompfade der Kupferkaschierung erfolgt.
In Weiterbildung der Erfindung geht das vom Bauelement entfernte, über den Rand des Verdrahtungsträgers reichende Ende des hochstromtragfähigen Anschlusselementes in eine Anschlussklemme oder eine Anschlusselektrode über.
Das hochstromtragfähige Anschlusselement ist mindestens über einen Längenabschnitt seiner lateralen Ausdehnung parallel, jedoch beabstandet zur Ebene des Verdrahtungsträgers ausgebildet. Hierdurch kann unterhalb des entsprechenden Längenabschnittes ein weiteres, insbesondere SMD-Bauelement auf der Leiterplatte angeordnet werden.
Das hochstromtragfähige Anschlusselement besitzt eine stufenförmige Abwinkelung, welche bei einer Ausgestaltung der Erfindung in Richtung der Ebene des Verdrahtungsträgers verläuft und über einen vorgegebenen Abschnitt entlang dieser Ebene orientiert ist. Hierdurch kann ein Verlöten zum Fixieren des hochstromtragfähigen Anschlusselementes im Hinblick auf einer entsprechenden kupferkaschierten Fläche auf dem Verdrahtungsträger erfolgen.
Das elektronische Bauelement ist insbesondere ein hochstromtragendes Bauteil für Überspannungsanwendungen, hier wiederum insbesondere ein Gasableiter.
Das Anschlusselement kann in seinem lateralen Verlauf mindestens eine Richtungsänderung aufweisen, um eine je nach den Gegebenheiten der Leiterplatte optimale Anordnung ohne Einschränkung beim Bestückungs- oder Verdrahtungslayout zu gestatten.
Das zweite Anschlusselement des elektronischen Bauelementes kann mehrfach und jeweils zum unmittelbaren Lötkontaktieren mit der Kupferkaschierung ausgebildet werden.
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein System, bestehend aus mindestens einem vorstehend beschriebenen elektronischen Bauelement und einer schaltungstechnisch strukturierten kupferkaschierten Leiterplatte mit einer Standardkupferkaschierung, beispielsweise im Bereich zwischen 35 und 45 µm Dicke.
Die Erfindung soll nachstehend anhand einem Ausführungsbeispiel sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Ausschnitt einer Leiterplatte und darauf fixierten erfindungsgemäßen oberflächenmontierbaren elektronischen Bauelement mit lateral verlängertem, hochstromtragfähigem Anschlusselement; und
2 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 1, jedoch in Seitenansicht.

Gemäß den figürlichen Darstellungen wird von einer kupferkaschierten Leiterplatte 8 ausgegangen, welche eine durch Ätzen oder dergleichen erzeugte schaltungstechnisch relevante Strukturierung besitzt.
Auf der Leiterplatte 8, das heißt auf der Bestückungsseite dieser soll ein elektronisches Bauelement, im gezeigten Beispiel ein Gasableiter 6 befestigt und entsprechend elektrisch kontaktiert werden.
Das Bauteil 6 wird zunächst mit seiner Unterseite mit einer entsprechenden Lötinsel 5 verlötet.
Ein hochstromtragfähiges Anschlusselement 3 besitzt eine deutlich erkennbare verlängerte laterale Ausdehnung. Diese Verlängerung des hochstromtragfähigen Anschlusselementes 3 ist im gezeigten Beispiel winkelig verlaufend und über den Rand der Leiterplatte 8 hinausreichend.
Diesbezüglich geht das vom Bauteil 6 entfernte Ende des hochstromtragfähigen Anschlusselementes 3 in eine Anschlussklemme 10 über.
Zusätzlich kann an der Stelle 2 durch die Abknickung des hochstromtragfähigen Anschlusselementes 3 (siehe 2) ein Verlöten mit einer dort vorhandenen Lötinsel realisiert werden.
Das hochstromtragfähige Anschlusselement 3 ist mindestens über einen Längenabschnitt seiner lateralen Ausdehnung parallel, jedoch beabstandet zur Ebene der Leiterplatte 8 verlaufend, wie dies die Seitenansicht nach 2 zeigt.
Hierdurch besteht die Möglichkeit, dass weitere oberflächenmontierbare Bauelemente 9 unterhalb des entsprechenden Abschnittes des hochstromtragfähigen Anschlusselementes 3 angeordnet werden können. Hierdurch ist die Packungsdichte vergrößert und es entsteht quasi ein dritter Freiheitsgrad zur Anordnung von entsprechenden aktiven oder passiven Bauelementen 9.
Über weitere Lotinseln 4; 7 werden weitere Anschlusselemente 30 durch Löten kontaktiert. Im praktischen Einsatz fließt ein höherer Summenstrom durch die Ausbildung des hochstromtragfähigen Anschlusselementes 3 nicht mehr über Abschnitte der Kupferkaschierung der Leiterplatte 8. Es kann daher mit einer dünnen, zum Beispiel 35 µm dicken Kupferauflage gearbeitet werden. Die doppelte Ausbildung der weiteren Anschlusselemente 30 führt zur Platzersparnis. Die Anschlusselemente 30 können als Kontaktbrücke für die Kontaktierung nachfolgender Elemente genutzt werden.
Gemäß der Darstellung nach 1 ist das freie Ende des erfindungsgemäß weitergebildeten hochstromtragfähigen Anschlusselementes 3 mit einem Schlitz im Sinne der erwähnten Anschlussklemme 10 realisiert. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dieses Ende direkt als für den jeweiligen Anwendungsfall optimierten Steckkontakt oder aber auch als Buchse auszugestalten. Dabei dient die punktuelle Verlötung im Bereich der Lötinsel 2 zur mechanischen Stabilisierung des elektronischen Bauelementes 6 auf der Leiterplatte 8.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/113867 A1 [0002]
EP 2200408 B1 [0004]
DE 102012008514 [0005]
DE 102005030247 B4 [0006]
EP 1117282 B1 [0007]
EP 0531984 A1 [0008]
DE 102006004322 A1 [0009]

Claims

Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement (6) mit mindestens zwei elektrischen Anschlusselementen (3; 30) zum unmittelbaren Aufbringen auf einem leitfähig kaschierten Verdrahtungsträger, insbesondere einer kupferkaschierten Leiterplatte (8), wobei mindestens eines der elektrischen Anschlusselemente (3) durch seine Dimensionierung hochstromtragfähig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das hochstromtragfähige Anschlusselement (3) eine verlängerte laterale Ausdehnung aufweist, welche derart ausgeführt ist, dass bei einer Layout-entsprechenden Anordnung des elektronischen Bauelementes (6) auf dem Verdrahtungsträger das Anschlusselement (3) mindestens bis zum Rand des Verdrahtungsträgers (8) reicht, derart, dass die Hochstromführung weitgehend außerhalb der Strompfade der Kupferkaschierung erfolgt.
Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Bauelement (6) entfernte, über den Rand des Verdrahtungsträgers (8) reichende Ende des hochstromtragfähigen Anschlusselementes in eine Anschlussklemme (10) oder Anschlusselektrode übergeht.
Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hochstromtragfähige Anschlusselement (3) mindestens über einen Längenabschnitt einer lateralen Ausdehnung parallel, jedoch beabstandet zur Ebene des Verdrahtungsträgers (8) ausgebildet ist.
Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das hochstromtragfähige Anschlusselement (3) eine stufenförmige Abwinkelung besitzt, welche in Richtung der Ebene des Verdrahtungsträgers (8) verläuft und über einen vorgegebenen Abschnitt entlang dieser Ebene orientiert ist.
Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im vorgegebenen Abschnitt eine Lötverbindung zu einer Lötinsel (2) ausführbar ist.
Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (6) ein hochstromtragendes Bauteil für Überspannungsanwendungen, insbesondere ein Gasableiter ist.
Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (3) in seinem lateralen Verlauf mindestens eine Richtungsänderung aufweist.
Oberflächenmontierbares elektronisches Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlusselement (30) des elektronischen Bauteiles mehrfach und jeweils zum unmittelbaren Lötkontaktieren mit der Kupferkaschierung des Verdrahtungsträgers (8) ausgebildet ist.
System, bestehend aus einem elektronischen Bauelement nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche und einer schaltungstechnisch strukturierten kupferkaschierten Leiterplatte (8).