Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktierungsvorrichtung für ein elektrisches Bauelement oder eine elektrische Schaltung, insbesondere für Leistungselektronik-Anwendungen mit getakteten Endstufen, bei denen schnell getakte Ströme fließen wodurch sich ein niederfrequentes Nutzsignal mit einem höherfrequenten Störsignal überlagern, wobei die Kontaktiervorrichtung im Wesentlichen aus flächigen Elementen besteht und wobei die Kontaktiervorrichtung auf mindestens einer der beiden flächigen Seiten eine Oberflächenbeschichtung oder Oberflächenstruktur aufweist, so dass entstehende elektrische Resonanzen im Bereich der Kontaktiereinrichtung oberhalb einer Grenzfrequenz stärker gedämpft werden als die Frequenzen der elektrischen Signale unterhalb der Grenzfrequenz.

Aus der DE 868 167 ist eine Abschirmungsanordnung zur Abschirmung von Leitungen und Geräten gegen hochfrequente Störungen bekannt, in dem doppelte Schirme, insbesondere zwei oder mehr ineinander geschachtelte Schirme, vorzugsweise mit geringem Abstand der einzelnen Schirme verwendet werden, bei der die Schirmausdehnung im Vergleich zur Viertelwellenlänge elektrisch lang ist und die insbesondere für Ultrakurzwellen geeignet sind.

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kontaktierungsvorrichtung für ein elektrisches Bauelement oder eine elektrische Schaltung, insbesondere für Leistungselektronik-Anwendungen mit getakteten Endstufen, bei denen schnell getakte Ströme fließen wodurch sich ein niederfrequentes Nutzsignal mit einem höherfrequenten Störsignal überlagern, anzugeben, bei der elektrische Resonanzen im Bereich der Kontaktierungsvorrichtung stark gedämpft werden, jedoch die zu übertragenden Nutzsignale möglichst ungedämpft durchgeleitet werden, wobei die Maßnahmen zur Dämpfung der unerwünschten elektrischen Resonanzen möglichst kostengünstig, bauraumsparend und einfach ausgeführt sein sollen.

Erfindungsgemäß wird dieses durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Begriffe wie hohe elektrische Leitfähigkeit, sowie niedere elektrische Leitfähigkeit verwendet, wobei unter dem Begriff einer hohen elektrischen Leitfähigkeit Leitfähigkeiten verstanden werden, wie sie Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium aufweisen, also insbesondere elektrische Leitfähigkeiten σ > 15·10⁶ S/m aufweisen und unter dem Begriff der niederen elektrischen Leitfähigkeit Leitfähigkeiten verstanden werden, wie sie beispielsweise Eisen, Chrom, Blei oder Titan aufweisen, die elektrische Leitfähigkeitswerte von σ < 15·10⁶ S/m aufweisen.

Elektrische Bauelemente oder elektronische Schaltungen auf Leiterplatten oder Keramiksubstraten werden meist mit einer Kontaktierungsvorrichtung elektrisch mit weiteren Bauelementen oder Schaltungen verbunden, wobei hierzu bei Anwendungen, bei denen hohe Ströme fließen sollen, in der Regel ein Stanzgitter verwendet wird. Ein derartiges Stanzgitter wird meist aus metallischem Bandmaterial hergestellt, indem dieses in der gewünschten Struktur gestanzt wird, wobei eine zusätzlicher Rahmen erhalten bleibt, der die einzelnen Stanzgitter während dem Montageprozess zusammenhält. Nach Montage des Stanzgitters mit dem elektrischen Bauelement oder der elektrischen Schaltung wird der zusätzliche Rahmen freigestanzt, so dass die einzelnen Kontakte des Stanzgitters elektrisch gegeneinander isoliert werden. Werden derartige Kontaktiervorrichtungen für Bauelemente oder Schaltungen hergestellt, die bei hohen Frequenzen, insbesondere bei Frequenzen oberhalb von ca. 30 MHz arbeiten, so kann bei entsprechend geometrischer Ausprägung des Stanzgitters der Fall auftreten, dass auf der Kontaktiervorrichtung elektrische Resonanzen auftreten. Derartige elektrische Resonanzen können durch eine Optimierung der geometrischen Anordnung verringert werden, was jedoch nicht für alle Frequenzen möglich ist und was durch die räumliche Anordnung zusätzlich begrenzt ist und für jede Anwendung jeweils einzeln optimiert werden muss.

Daher ist es vorgesehen, dass die Kontaktiervorrichtung, die vorzugsweise aus einem flächigen Material oder einem Bandmaterial hergestellt wird, auf mindestens einer der beiden flächigen Seiten eine Oberflächenbeschichtung oder Oberflächenstruktur erhält, so dass entstehende elektrische Resonanzen in einem Frequenzbereich oberhalb der Nutzsignalfrequenzen, deren obere Bandgrenze durch eine Grenzfrequenz f_G bestimmt ist, stärker gedämpft werden, als die Frequenzen der elektrischen Signale unterhalb der Grenzfrequenz f_G, so dass die Nutzsignale im Frequenzband unterhalb dieser Grenzfrequenz keine nennenswerte Dämpfung erfahren. Dies wird erreicht, indem die Oberfläche der Kontaktiereinrichtung so gestaltet wird, dass der ohmsche Widerstand der elektrischen Signale auf der Kontaktiervorrichtung frequenzabhängig gestaltet werden. Dies wird erreicht, indem der Effekt der Stromverdrängung (im Englischen auch als "skin-effect"), der bei höheren Frequenzen auftritt, ausgenutzt wird. Werden Signale mit hohen Frequenzen auf einem elektrischen Leiter übertragen, so tritt durch den Stromverdrängungseffekt (skin-effect) das Phänomen ein, dass die Stromdichte im Leiterquerschnitt nicht konstant ist, wie es beispielsweise bei einem übertragenen Gleichstrom der Fall ist, sondern dass die Stromdichte im Inneren des Leiters niedriger ist als die Stromdichte an den Oberflächen des Leiters. Umso höher die Frequenzen der Signale sind, desto kleiner wird die Schichtdicke an der Oberfläche des Leiters, in dem die überwiegende elektromagnetische Leistung übertragen wird, so dass im Frequenzbereich im MHz-Band die elektrische Leistung nur noch in einer Schichtdicke von wenigen zehn Mikrometern an der Oberfläche des Leiters übertragen wird. In der Literatur wird hierzu das Modell der äquivalenten Schichtdicke δ verwendet, bei der angenommen wird, dass die Stromdichteverteilung in der Schicht mit der Dicke δ konstant an der Leiteroberfläche verteilt ist und das Innere des Leiters feldfrei ist. Diese äquivalente Schichtdicke berechnet sich nach $$\mathrm{\delta }\mathrm{=}\sqrt{\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{\omega \mu \sigma }}\mathrm{,}}$$
wobei ω = 2πf die Kreisfrequenz ist, σ die elektrische Leitfähigkeit und µ die Permeabilität des Materials ist. Der ohmsche Widerstand R eines derartigen Leiters mit der Breite b und der Länge I lässt sich nach der Gleichung $$\mathrm{R}=\frac{\frac{l}{b}}{\mathrm{\sigma }\mathrm{\cdot }\mathrm{\delta }}$$
berechnen, so dass der ohmsche Widerstand frequenzabhängig ist und mit steigender Frequenz zunimmt.

Demgemäß kann eine elektrische Kontaktiervorrichtung durch eine erfindungsgemäße Beschichtung oder eine erfindungsgemäße Oberflächenstruktur so ausgeprägt werden, dass unerwünschte Frequenzen, die durch elektrische Resonanzen auf der Kontaktiervorrichtung entstehen, die oberhalb der Grenzfrequenz f_G liegen, durch die Ausnutzung des beschriebenen Stromverdrängungseffekts effektiv, bauraumsparend und kostengünstig gedämpft werden, ohne eine individuelle Anpassung für die jeweilige Anwendung vornehmen zu müssen, wobei das Nutzfrequenzband unterhalb der Grenzfrequenz f_G keine nennenswerte Dämpfung erfährt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kontaktiereinrichtung ein Stanzgitter. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Kontaktiereinrichtungen für Hochstromanwendungen ausgebildet ist.

Vorteilhafter Weise ist das Stanzgitter aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder einer Stahllegierung, Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung hergestellt, da diese Materialien eine gute Leitfähigkeit aufweisen, kostengünstig sind und gut bearbeitet werden können.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass mindestens eine flächige Seite der Kontaktiervorrichtung eine Oberflächenstruktur aufweist, die entstehende elektrische Resonanzen im Bereich der Kontaktiereinrichtung oberhalb der Grenzfrequenz f_G stärker dämpft, als die Frequenzen der elektrischen Signale unterhalb der Grenzfrequenz f_G, wobei die Oberflächenstruktur gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung auch auf beiden flächigen Seiten der Kontaktiervorrichtung vorgesehen sein kann und vorteilhaft aus Rillen, Eindellungen, Grooves oder Dimples gebildet wird, die aufgrund der Oberflächenstruktur den gewünschten, erfindungsgemäßen Effekt erzielen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass mindestens eine flächige Seite der Kontaktiervorrichtung mit einem Material beschichtet ist, das eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist, als die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktiervorrichtungsmaterials.

Vorteilhafter Weise sind beide flächigen Seiten der Kontaktiervorrichtung mit dem Material beschichtet, das eine niedere elektrische Leitfähigkeit aufweist, so dass der Stromverdrängungseffekt auf beiden flächigen Seiten der Kontaktiervorrichtung ausgenutzt werden kann.

Vorteilhafter Weise ist mindestens eine flächige Seite der Kontaktiervorrichtung mit einem Material beschichtet, das eine niedere magnetische Permeabilität aufweist, so dass der gleiche Effekt entsteht, wie bei einem Materialauftrag mit niederer elektrischer Leitfähigkeit.

Vorteilhafter Weise ist die Kontaktiervorrichtung im Bereich der elektrischen Kontaktierabschnitte, an denen das elektrische Bauelement oder die elektrische Schaltung mit anderen Bauelementen oder Schaltungsteilen verbunden werden, anstatt mit dem Material mit niederer elektrischer Leitfähigkeit oder niederer magnetischer Permeabilität mit einem Material beschichtet, das eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, um einen niederen elektrischen Übergangswiderstand zu erzielen, der die Nutzsignale möglichst nicht beeinflusst und eine gute elektrische Kontaktierung ermöglicht.

Vorteilhafter Weise ist das Material im Bereich der Kontaktierabschnitte, das eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, aus Silber, Gold oder aus einer Silberlegierung oder einer Goldlegierung.

Vorteilhafter Weise ist die Dicke der Materialbeschichtung mit niederer elektrischer Leitfähigkeit so bemessen, dass die entstehenden elektrischen Resonanzen mit größter Amplitude am stärksten gedämpft werden, wodurch zur Bestimmung der geeignetsten Dicke der Materialbeschichtung die oben aufgeführte Gleichung verwendet werden kann.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert.

Figur 1

eine schematische Draufsicht auf das elektrische Bauelement oder die elektrische Schaltung mit der erfindungsgemäßen Kontaktiervorrichtung,

Figur 2

eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Kontaktiervorrichtung,

Figur 3

einen Querschnitt einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 4

einen Querschnitt einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Figur 5

ebenfalls einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Kontaktiervorrichtung.

In Figur 1 ist schematisch ein elektrisches Bauelement bzw. eine elektrische Schaltung 1 gezeigt, die beispielsweise eingehäust sein kann oder auch ungehäust montiert sein kann, die insbesondere eine Schaltung oder ein Bauelement für hohe elektrische Frequenzen ist, insbesondere für Hochstromanwendungen vorgesehen ist. Dieses elektrische Bauelement 1 bzw. elektrische Schaltung 1 wird mit weiteren Bauelementen oder weiteren elektrischen Schaltungsteilen elektrisch leitend verbunden, indem eine Kontaktiervorrichtung 3, die beispielhaft mit drei gegeneinander isolierten Leitern 2 dargestellt ist und insbesondere als Stanzgitter ausgeführt sein kann, vorgesehen ist. Die elektrischen Leiter der Kontaktiervorrichtung 2 sind hierbei vorzugsweise aus einem flächigen Material oder einem Bandmaterial gefertigt, so dass diese in etwa rechtwinklige Leiterquerschnitte besitzen und auf der Ober- und der Unterseite jeweils eine flächige Seite aufweisen. Im Bereich der Kontaktiervorrichtung 2, in dem elektrische Verbindungen mit anderen Bauelementen oder anderen Schaltungsteilen hergestellt werden, sind Kontaktierungsabschnitte 3 vorgesehen, die gemäß einer später erläuterten Ausführung eine gute elektrische Kontaktierung mit niedrigem Übergangswiderstand ermöglicht. Diese Kontaktierungsabschnitte 3 müssen nicht zwangsweise am Ende der Leiter der Kontaktiervorrichtung 2 angebracht sein, sondern können auch an jeder beliebigen anderen Stelle der Leiter der Kontaktiervorrichtung 2 vorgesehen sein.

In Figur 2 ist ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Kontaktiervorrichtung 2 vorgesehen, wobei die Kontaktiervorrichtung 2 aus einem metallischen Material, insbesondere aus Stahl, Kupfer oder Aluminium oder eine Stahllegierung, Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung gefertigt sein kann. Die Abmessungen des Querschnitts der Kontaktiervorrichtung 2 sind hierbei so bemessen, dass die auftretenden hohen Ströme den Leiter durchfließen können, ohne eine Überhitzung entstehen zu lassen. Erfindungsgemäß ist auf der Oberseite dieser Kontaktiervorrichtung 2 eine Materialbeschichtung 4 vorgesehen, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die wesentlich geringer ist, als die elektrische Leitfähigkeit des Materials, aus dem die Kontaktiervorrichtung 2 hergestellt ist. Treten nun bei hochfrequenten Signalen elektrische Resonanzen im Bereich der Kontaktiervorrichtung 2 auf, so werden diese Resonanzsignale infolge ihrer höheren Frequenz im Vergleich zu dem Nutzfrequenzband hauptsächlich an den Oberflächen der Kontaktiervorrichtung 2 geführt, was durch den beschriebenen Stromverdrängungseffekt bedingt ist. Durch die Aufbringung der Materialbeschichtung 4 mit einer niederen elektrischen Leitfähigkeit als sie das Material der Kontaktiervorrichtung 2 aufweist, wird ein Großteil der unerwünschten Resonanzsignale in der Materialbeschichtung 4 geführt, die infolge ihrer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit diese unerwünschten Resonanzsignale stärker dämpft, als die Nutzsignale, die infolge ihrer niedrigeren Frequenzen vermehrt im Leiterinneren der Kontaktiervorrichtung 2 geführt werden. Insbesondere Resonanzsignale oberhalb der Grenzfrequenz f_G, die eine besonders große Amplitude aufweisen, können besonders gut gedämpft werden, indem die Dicke d der Materialbeschichtung 4 so dimensioniert wird, dass diese mindestens der Dicke der äquivalenten Schichtdicke δ gemäß oben genannter Gleichung aufweist.

In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, indem die Anordnung gemäß Figur 2 derart weitergebildet wurde, dass auch auf der gegenüberliegenden, zweiten flächigen Seite der Kontaktiervorrichtung 2, die als Stanzgitter ausgeführt sein kann, ebenfalls eine Oberflächenbeschichtung 4 mit niederer elektrischer Leitfähigkeit oder niederer magnetischer Permeabilität aufgebracht ist, so dass der Effekt der Stromverdrängung auf beiden Seiten zur Dämpfung entstehender elektrischer Resonanzen im Bereich der Kontaktiervorrichtung 2 ausgenutzt werden kann. Hierbei empfiehlt es sich, die Dicke d der Beschichtungen 4 in gleicher Dicke auszuführen, die vorteilhaft an die Resonanzfrequenz mit der größten Amplitude angepasst ist.

In Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltung dargestellt, wobei die Kontaktiervorrichtung 2 Kontaktierungsabschnitte 3 aufweist, die beispielsweise, wie in Figur 1 dargestellt, an einem Ende der Leiter der Kontaktierungsvorrichtung 2 angebracht sind, aber auch in einem beliebigen anderen Bereich der Kontaktiervorrichtung 2 angeordnet werden können. Die Kontaktierungsabschnitte 3 haben hierbei die Aufgabe, elektrische Kontakte mit anderen Bauelementen oder Schaltungen herzustellen, weshalb es sich empfiehlt, die Kontaktierungsabschnitte 3 in einem Material auszuführen, das eine sehr gute Leitfähigkeit aufweist, um die Übergangswiderstände gering zu halten. In den Bereichen der Kontaktierungsabschnitte 3 ist die Oberflächenbeschichtung 4 oder die Oberflächenstruktur 5 entfallen und statt dessen ein Material mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Gold oder Silber, aufgebracht. Alternativ kann ein derartiger Kontaktierungsabschnitt 3 auch auf beiden Seiten der Kontaktierungsvorrichtung 2 vorgesehen sein, weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung auch vorstellbar, mehrere Kontaktierungsabschnitte 3 auf einer oder beiden flächigen Seiten der Kontaktiervorrichtung 2 vorzusehen.

In Figur 5 ist eine alternative Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt, wobei die unerwünschten Resonanzen in diesem Fall nicht durch eine Materialbeschichtung erfolgt, sondern durch das Vorsehen einer speziellen Oberflächenstruktur, die beispielsweise in Form von Rillen oder Dellen ( engl. grooves oder dimples) ausgeführt sein kann. Der Effekt der Dämpfung von Resonanzfrequenzen mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz f_G ist hierbei bei korrekter Anpassung der Tiefe d der Rillen oder Dellen vergleichbar, wobei die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur 5 nur auf einer flächigen Seite der Kontaktierungsvorrichtung 2 oder auch auf beiden flächigen Seiten der Kontaktierungsvorrichtung 2 vorgesehen sein kann. Erfindungsgemäß kann auch hier vorgesehen sein, im Bereich der Kontaktierungsabschnitte 3 keine Rillen oder Dellen vorzusehen oder besonders vorteilhaft im Bereich der Kontaktierungsabschnitte 3 ein Material mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit aufzubringen, beispielsweise Gold oder Silber, um die Übergangswiderstände zu den zu kontaktierenden Bauteilen oder Schaltungen gering zu halten.