WO2011107348A1 - Vorrichtung zur abschirmung eines elektronikmoduls - Google Patents

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heat sink
electronic module
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Emil Kovatchev
Michael Maryschka
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Continental Automotive Gmbh
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    • H05K2201/1056—Metal over component, i.e. metal plate over component mounted on or embedded in PCB

Definitions

  • the invention relates to a device for shielding
  • this is often realized by a arranged over the radiating components, pre-punched component made of electrically conductive material.
  • This component can be fixed by soldering or by pressing.
  • care is taken to ensure that the best possible electrical connection to a defined potential, usually mass, is produced.
  • This elekt ⁇ 's compound then forms a path for the currents that induce interference in the umbrella-shaped component.
  • the used ⁇ having a lower part and an upper part
  • the upper part may be a lid Bleck a two part housing.
  • a printed circuit board on wel ⁇ cher the radiating electronic components are provided by means of screws connected to the lower part.
  • This Schrau ⁇ ben provide mechanical support and provide electrical connection between the PCB ground and the housing.
  • the top is typically bolted or mechanically fastened by means of a spring construction or latching means with claws, tongues or springs and also electrically connected to the base. This creates a EMC more or less closed construction, which in case of correct execution approximates a Faraday cage.
  • the object of the invention is to provide a device which requires neither a complete housing nor a pre-cut umbrella-shaped component for shielding an electronic module. This object is achieved by a device having the features specified in claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.
  • the advantages of the invention are in particular that a device with the features according to the invention is dismantled and thus easy to maintain. In contrast, a conventional screen member is typically soldered or press-fitted and, for this reason, can not be removed without destroying the device to allow access to the components located under the screen.
  • a device play, in the case of using a heat-conducting and of screws as connecting elements, according to a Zerle ⁇ supply at least partially reusable.
  • Another advantage of the invention is that a device according to the invention in the manufacture of a visual inspection of the equipped with the electronic module conductor ⁇ plate by means of a camera allowed. Such optical control is either impossible or difficult to achieve, when a screen is mounted over the electronics module. Because in this case, the components themselves and their solder joints would no longer be visually visible and therefore could not be controlled by a camera.
  • FIG. 1 shows a perspective sketch of a device for shielding an electronic module from ⁇
  • Figure 2 is a sectional view of the printed circuit board 2 of FIG.
  • FIG. 1 shows a perspective sketch of a Vorrich ⁇ processing for shielding an electronic module.
  • the device shown has an existing of an electrically conductive mate- material heat sink 1, which contains on its upper side a collar-shaped frame 6, which is part of the heat sink 1 and consists of an electrically conductive Ma ⁇ material.
  • Within the frame 6 a total of four receiving openings 7 are provided in the Oberflä ⁇ surface of the heat sink 1, which are provided for receiving fastening elements 3.
  • These fastening elements 3 is made of metal, electrically conductive Schrau ⁇ ben.
  • This Lei ⁇ terplatte 2 has a total of four continuouspoweröffnun ⁇ gen 4, through which the screws 3 for fastening the Printed circuit board 2 are guided on the heat sink 1.
  • the un ⁇ indirect environment of the continuous receiving openings 4 of the circuit board 2 is formed by annular, electrically conductive surfaces 5.
  • an electronic module 8 On the underside of the printed circuit board 2, several electronic ⁇ cal components are attached, forming an electronic module 8, which is, for example, a DC voltage ⁇ converter . Its components cause the operation of the device radiofrequency electromagnetic fields that would extend without shielding outward.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the printed circuit board.
  • the components of the electronic module 8 are fixed, for example using solder joints.
  • An above this lower layer of the printed circuit board 2 to ⁇ ordered layer 9 consists of an electrically conductive material, such as copper.
  • This copper layer 9 is designed at least in the region above the electronic module Be ⁇ rich in the form of a nationwide mass position.
  • the copper layer 9 serves as well as the electrically conductive ⁇ enabled material existing heat sink 1 as a shielding.
  • the printed circuit board 2 entwe ⁇ der a cover layer or - as it is illustrated in Figure 2 - a middle layer and above the ⁇ ser provided further, from a conductive material be ⁇ standing layer 10, preferably another layer of copper, as a nationwide mass layer.
  • a conductive material be ⁇ standing layer 10, preferably another layer of copper, as a nationwide mass layer.
  • Kup ⁇ fer Mrs 10 is the cover layer of the printed circuit board 2.
  • two continuous receiving openings 4 of the printed circuit board 2 and two conductive surfaces 5 of the printed circuit board 2 can be seen from Figure 2.
  • the screws 3 shown in Figure 1 which are guided through the receiving openings 4 of the circuit board and are screwed into the receiving openings 7 of the heat sink 1, and the conductive surfaces 5, an electrical connection between the copper layers and the heat sink is ensured. This electrical connection provides a
  • this electrical connection can also be realized in the form of an alternating current path, since the flowing interference currents are usually high-frequency.
  • the ring-shaped ⁇ conductive surfaces 5 are connected via capacitors with PCB ground plane.
  • the dimensions of the arranged on the surface of the heat sink 1 frame 6 are selected such that the conductor ⁇ plate 2 can be inserted into the frame 6 such that the side walls of the frame 6 surround the outer edge of the circuit board 2. This prevents the electronic module 8 attached to the underside of the printed circuit board from radiating electromagnetic radiation in the lateral direction.
  • the assembly of the device prior to assembly of the printed circuit board 2 the surface of the heat sink 1 wetted with a blazelei- ing mass or provided with a thermally conductive foil. Thereafter, the circuit board 2 is fastened by means of the connec ⁇ tion elements 3 on the heat sink.
  • the heat sink 1 consists for example of an aluminum alloy.
  • the printed circuit board 2 is multi-layered, preferably two-ply or four-ply.
  • the electronic module is preferably - as stated above - a DC-DC converter. Alternatively, it may be in the electronics module may also be a for a purpose other pre see ⁇ nes module.
  • the invention provides after all a device for shielding an electronic module which has attached to the Un ⁇ terseite a printed circuit board electronic components and which is connected to a heat sink, where ⁇ in the heat sink consists of an electrically conductive material, the circuit board at least one layer made of an electrically conductive material and the heat sink and the circuit board serve as shielding.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls, welches an einer Leiterplatter (2) befestigte elektronische Bauteile (8) aufweist und welches mit einem Kühkörper (1) verbunden ist. Der Kühlkörper (1) besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Die Leiterplatte (2) weist mindestens eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material (9,10) auf. Der Kühlkörper (1) und die Leiterplatte (2) dienen als Abschirmelemente.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschirmung
Elektronikmoduls .
Es ist bekannt, dass Elektronikmodule, beispielsweise einen Gleichspannungswandler aufweisende Elektronikmodule, durch elektrische Verluste Abwärme erzeugen und aus diesem Grund mit einem oder mehreren Kühlkörpern verbunden sind, um die gebildete Abwärme abzuführen.
Des Weiteren ist es bereits bekannt, elektronische Geräte entweder in offener Bauweise vorzusehen oder in ein Gehäuse einzubauen. Derartige elektronisehe Geräte neigen tendenziell zu einem problematischen EMV-Verhalten, d. h. erhöhten hoch- frequenten Emissionen.
Enthält das elektronische Gerät einen Gleichspannungswandler, dann rufen die darin entstehenden hohen Anstiegs- und Abfallflanken der Ströme und Spannungen, die durch die Bestandteile des Gleichspannungswandlers fließen, hochfrequente elektro¬ magnetische Felder hervor. Diese gelangen durch die offene Bauweise oder auch durch Gehäusewände aus dielektrischen Materialien an die Umgebung des elektronischen Gerätes, was einem Vorliegen von unerwünschten Emissionen entspricht.
Es existieren bereits Industrienormen, die Grenzwerte für de- rartige Emissionen sowie diesbezügliche Messmethoden festle- gen. Zu diesen Normen gehört beispielsweise die DIN EN 55022 für die Industrie und die IEC CISPR 25 für den Automobilbe- reich .
Das Einhalten dieser Normen, insbesondere im Automobilbe- reich, stellt in der Regel eine anspruchsvolle Herausforde¬ rung dar, die für den jeweiligen Hersteller in der Regel mit beträchtlichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, ein hochfre¬ quente elektromagnetische Felder erzeugendes Elektronikmodul in einem Gehäuse aus elektrisch leitendem Material, dessen Bauteile galvanisch miteinander verbunden sind, anzuordnen. Dadurch wird ein großer Teil der Störfelder, die vom Elektronikmodul innerhalb des Gehäuses generiert werden, von den Wänden des Gehäuses abgefangen und ggf. nach Masse abgelei¬ tet. Dies erfolgt in den meisten Fällen über einen dafür vor- gesehenen Wechselstrompfad, der sich ausgehend von der Elekt¬ ronik über die Luft zum Gehäuse und von diesem aus über Kondensatoren oder über eine direkte galvanische Verbindung nach Leiterplattenmasse und von dort aus über einen Kabelbaum in den Minuspol der Autobatterie bzw. des Bordnetzes eines
Kraftfahrzeugs erstreckt.
In der Praxis wird dies oftmals durch ein über den abstrahlenden Bauteilen angeordnetes, vorgestanztes Bauteil aus elektrisch leitendem Material realisiert. Dieses Bauteil kann durch Löten oder durch ein Einpressen befestigt sein. Bei der Herstellung der mechanischen Verbindung wird darauf geachtet, dass auch eine möglichst gute elektrische Verbindung zu einem definierten Potential, meistens Masse, entsteht. Diese elekt¬ rische Verbindung bildet dann einen Pfad für die Ströme, die die Störfelder in das schirmförmige Bauteil induzieren.
Alternativ dazu kann ein zweiteiliges Gehäuse verwendet wer¬ den, welches ein Unterteil und ein Oberteil aufweist, wobei das Oberteil ein Bleckdeckel sein kann. Bei einer derartigen Realisierung wird beispielsweise eine Leiterplatte, auf wel¬ cher die abstrahlenden Elektronikbauteile vorgesehen sind, mittels Schrauben mit dem Unterteil verbunden. Diese Schrau¬ ben geben mechanischen Halt und gewährleisten eine elektrische Verbindung zwischen Leiterplatten-Masse und dem Gehäuse. Das Oberteil wird typischerweise angeschraubt oder mit Hilfe einer Federkonstruktion oder mittels Einrastvorrichtungen mit Krallen, Zungen oder Federn mechanisch befestigt und auch elektrisch mit dem Unterteil verbunden. Dabei entsteht eine EMV-technisch mehr oder weniger geschlossene Konstruktion, die bei einer korrekten Ausführung einem Faraday-Käfig nahe- kommt . Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, die zur Abschirmung eines Elektronikmoduls weder ein vollständiges Gehäuse noch ein vorgestanztes schirmförmiges Bauteil benötigt. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass eine Vorrichtung mit den erfindungsgemäßen Merkmalen zerlegbar und damit wartungsfreundlich ist. Ein herkömmliches Schirmteil ist im Unterschied dazu in der Regel angelötet oder eingepresst und kann aus diesem Grund nicht mehr ohne eine Zerstörung der Vorrichtung entfernt werden, um einen Zugang zu den unter dem Schirm angeordneten Bauteilen zu ermöglichen .
Des Weiteren ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei- spielsweise im Falle einer Verwendung einer Wärmeleitfolie und von Schrauben als Verbindungselemente, nach einer Zerle¬ gung zumindest teilweise wieder verwendbar.
Ferner entfallen bei der Fertigung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit der Anschaffung und regelkonformen Bestückung von Schirmteilen verbundene fertigungstechnische und logistische Probleme.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Vorrichtung gemäß der Erfindung bei der Fertigung eine optische Kontrolle der mit dem Elektronikmodul bestückten Leiter¬ platte mittels einer Kamera erlaubt. Eine derartige optische Kontrolle ist entweder unmöglich oder nur schwer möglich, wenn ein Schirmteil über dem Elektronikmodul befestigt ist. Denn in diesem Fall wären die Komponenten selbst und deren Lötstellen optisch nicht mehr sichtbar und könnten folglich nicht mittels einer Kamera kontrolliert werden.
Ferner werden bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung durch den Wegfall eines schirmförmigen Bauteils im Falle einer Teilschirmung bzw. durch den Wegfall eines Blechdeckels im Falle einer Abschirmung mittels eines zweiteiligen Gehäuses Kosten eingespart.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Fi¬ guren. Es zeigt
Figur 1 eine perspektivische Skizze einer Vorrichtung zur Ab¬ schirmung eines Elektronikmoduls und
Figur 2 eine Schnittdarstellung der Leiterplatte 2 von Figur
1.
Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Skizze einer Vorrich¬ tung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls. Die dargestellte Vorrichtung weist einen aus einem elektrisch leitendem Mate- rial bestehenden Kühlkörper 1 auf, der auf seiner Oberseite einen kragenförmigen Rahmen 6 enthält, welcher Bestandteil des Kühlkörpers 1 ist und aus einem elektrisch leitenden Ma¬ terial besteht. Innerhalb des Rahmens 6 sind in der Oberflä¬ che des Kühlkörpers 1 insgesamt vier Aufnahmeöffnungen 7 vor- gesehen, die zur Aufnahme von Befestigungselementen 3 vorgesehen sind. Bei diesen Befestigungselementen 3 handelt es sich um aus Metall bestehende, elektrisch leitfähige Schrau¬ ben . Mittels dieser Schrauben wird eine Leiterplatte 2 innerhalb des Rahmens 6 mit dem Kühlkörper 1 fest verbunden. Diese Lei¬ terplatte 2 weist insgesamt vier durchgängige Aufnahmeöffnun¬ gen 4 auf, durch welche die Schrauben 3 zum Befestigen der Leiterplatte 2 auf dem Kühlkörper 1 geführt werden. Die un¬ mittelbare Umgebung der durchgängigen Aufnahmeöffnungen 4 der Leiterplatte 2 wird von ringförmig ausgebildeten, elektrisch leitfähigen Flächen 5 gebildet.
An der Unterseite der Leiterplatte 2 sind mehrere elektroni¬ sche Bauteile befestigt, die ein Elektronikmodul 8 bilden, bei welchem es sich beispielsweise um einen Gleichspannungs¬ wandler handelt. Dessen Bauteile rufen im Betrieb der Vor- richtung hochfrequente elektromagnetische Felder hervor, die sich ohne Abschirmmaßnahmen nach außen erstrecken würden.
Ein Beispiel für einen Aufbau der Leiterplatte 2 ist in der Figur 2 veranschaulicht, die eine Querschnittsdarstellung der Leiterplatte zeigt. An der Unterseite einer unteren Schicht dieser Leiterplatte 2 sind die Bauteile des Elektronikmoduls 8 befestigt, beispielsweise unter Verwendung von Lötverbindungen . Eine oberhalb dieser unteren Schicht der Leiterplatte 2 an¬ geordnete Schicht 9 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer. Diese Kupferschicht 9 ist zumindest in dem oberhalb des Elektronikmoduls liegenden Be¬ reich in Form einer flächendeckenden Massenlage ausgeführt. Die Kupferschicht 9 dient ebenso wie der aus elektrisch leit¬ fähigem Material bestehende Kühlkörper 1 als Abschirmelement.
Oberhalb der Kupferschicht 9 weist die Leiterplatte 2 entwe¬ der eine Deckschicht auf oder - wie es in der Figur 2 veran- schaulicht ist - eine mittlere Schicht und eine oberhalb die¬ ser vorgesehene weitere, aus einem leitfähigen Material be¬ stehende Schicht 10, vorzugsweise eine weitere Kupferschicht, als flächendeckende Massenlage. Oberhalb dieser weiteren Kup¬ ferschicht 10 befindet sich die Deckschicht der Leiterplatte 2. Des Weiteren sind aus der Figur 2 auch zwei durchgehende Aufnahmeöffnungen 4 der Leiterplatte 2 sowie zwei leitfähige Flächen 5 der Leiterplatte 2 ersichtlich. Durch die in der Figur 1 gezeigten Schrauben 3, die durch die Aufnahmeöffnungen 4 der Leiterplatte geführt sind und in die Aufnahmeöffnungen 7 des Kühlkörpers 1 eingedreht sind, und die leitfähigen Flächen 5 wird eine elektrische Verbindung zwischen der bzw. den Kupferschichten und dem Kühlkörper gewährleistet. Diese elektrische Verbindung stellt einen
Gleichspannungspfad zur Verfügung. Alternativ dazu kann diese elektrische Verbindung aber auch in Form eines Wechselstrompfades realisiert sein, da die fließenden Störströme übli- cherweise hochfrequent sind. In diesem Falle sind die ring¬ förmig ausgebildeten leitfähigen Flächen 5 über Kondensatoren mit Leiterplatten-Massenlage verbunden.
Die Abmessungen des auf der Oberfläche des Kühlkörpers 1 an- geordneten Rahmens 6 sind derart gewählt, dass die Leiter¬ platte 2 derart in den Rahmen 6 eingesetzt werden kann, dass die Seitenwände des Rahmens 6 den Außenrand der Leiterplatte 2 umschließen. Dadurch wird verhindert, dass das an der Unterseite der Leiterplatte befestigte Elektronikmodul 8 elekt- romagnetische Strahlung in seitlicher Richtung abstrahlt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird beim Zusammenbau der Vorrichtung vor der Montage der Leiterplatte 2 die Oberfläche des Kühlkörpers 1 mit einer wärmelei- tenden Masse benetzt oder mit einer wärmeleitenden Folie versehen. Danach wird die Leiterplatte 2 mittels der Verbin¬ dungselemente 3 am Kühlkörper befestigt. Durch den bei dieser Montage entstehenden Einpressdruck und die Verwendung einer Wärmeleitmasse bzw. einer Wärmeleitfolie entsteht eine ther- mische Verbindung, d. h. eine Wärmebrücke, zwischen der unte¬ ren Schicht der Leiterplatte 2, der Oberfläche der Bauteile des auf der Unterseite der Leiterplatte befestigten Elektro¬ nikmoduls 8 und der Oberfläche des Kühlkörpers 1, die eine Ableitung der von den Bauteilen des Elektronikmoduls 8 er- zeugten Wärme verbessert.
Der Kühlkörper 1 besteht beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Die Leiterplatte 2 ist mehrlagig ausgebildet, vor- zugsweise zweilagig oder vierlagig. Bei dem Elektronikmodul handelt es sich vorzugsweise - wie oben ausgeführt - um einen Gleichspannungswandler. Alternativ dazu kann es sich bei dem Elektronikmodul auch um ein zu einem anderen Zweck vorgesehe¬ nes Modul handeln.
Die Erfindung stellt nach alledem eine Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls bereit, welches an der Un¬ terseite einer Leiterplatte befestigte elektronische Bauteile aufweist und welches mit einem Kühlkörper verbunden ist, wo¬ bei der Kühlkörper aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die Leiterplatte mindestens eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist und der Kühlkörper und die Leiterplatte als Abschirmelemente dienen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Abschirmung eines Elektronikmoduls, welches an einer Leiterplatte befestigte, elektromagnetische Strahlung aussendende elektronische Bauteile aufweist und welches mit einem Kühlkörper verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die Leiterplatte (2) mindestens eine Schicht (9) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist und der Kühlkörper (1) und die Leiterplatte (2) als Abschirmelemente dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) eine Kupferschicht (9) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) mehrere Kupferschichten (9,10) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile des
Elektronikmoduls (8) an der Unterseite der Leiterplatte (2) befestigt sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile Be¬ standteile eines Gleichspannungswandlers sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) mit der elektrisch leitenden Schicht (9) der Leiterplatte (2) mittels eines oder mehrerer stromleitender Verbindungselemente (3) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (3) Schrauben aus einem elektrisch leitfähigen Material sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauben (3) jeweils durch eine von einer elektrisch leitfähigen, ringförmigen Fläche (5) umgebenen Aufnahmeöffnung (4) der Leiterplatte (2) geführt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen, ringförmigen Flächen (5) jeweils über einen Kondensator mit Masse verbunden sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) auf seiner Oberseite einen kragenförmigen Rahmen (6) aufweist, in welchen die Leiterplatte (2) eingesetzt ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) mittels der Verbindungselemente (3) mechanisch am Kühlkörper (1) befes¬ tigt ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kühlkörpers (1) mit einer wärmeleitenden Masse oder einer wärmeleitenden Folie versehen ist.
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