CN110235529B - 具有电构件和散热体的电路板装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路板装置和该电路板装置的制造方法以及具有这种电路板装置的逆变器。电路板装置具有电路板(1)和嵌入到经硬化的塑料层(2)中的电构件(3)以及具有用于使构件(3)散热的散热体(4)。在此，构件(3)以第一侧(3A)布置在电路板(1)的指向散热体(4)的表面上并且与电路板(1)电接触并且处在经硬化的塑料层(2)的窗口(2A)中。此外，构件(3)以与第一侧(3A)背对的第二侧(3B)与散热体(4)的指向电路板(1)的表面材料锁合地连接、特别是焊接或烧结。塑料层(2)在电路板(1)的表面和散热体(4)的表面之间受挤压并硬化。在制造方法的范围内，与挤压同时进行的是通过添加热量使用于材料锁合地连接的材料(5)在电构件(3)和散热体(4)之间熔化，因而构件(2)与散热体(4)材料锁合地连接。

Description

具有电构件和散热体的电路板装置

技术领域

本发明涉及一种电路板装置、一种逆变器和一种用于制造电路板装置的方法。

背景技术

电路板，例如PCB(印刷电路板)，通常以层结构构建。在此，通导电流的铜层和电绝缘的塑料层交替。这些塑料层通常以环氧树脂为基础。

电构件通常布置在电路板的两个外侧上并且与该电路板接触。在功率电子器件中，在这些构件中的一些构件中，例如功率开关中，产生了较多的热量。这些热量必须通过构件的散热面和必要时通过用于构件的额外的散热器本体排出，以便防止构件过热。

在电构件和配属于电构件的散热器本体之间经常存在公差引起的气隙，该气隙起到热绝缘的作用。为了改善导热而用热介导的材料(热界面材料；TIM)填满该气隙。TIM的示例是导热膏、导热胶或导热垫。TIM通常实施成电绝缘的，以便使电路板以及电构件相对散热器本体电绝缘。除了导热胶外，TIM大多不是自粘的。因此电路板或电路板上的构件必须用附加的机械连接，例如螺钉、夹子或弓形件，紧固在散热器本体上。

已知的是，装备有电构件的电路板可以借助预浸料层在挤压过程中安装到散热体上。由此使构件以与散热体较小的间距安装，其中，预浸料层承担起在构件和散热体之间的粘附促进作用。因此附加的机械连接变得多余。然而，用这种技术方案使构件由于预浸料层的糟糕的导热特性无法最佳地联接到散热体上。

由DE 196 27 543A1已知一种多子层的电路板装置(多层基板)，在该多子层的电路板装置中，电构件布置在塑料制成的间隔框的窗口中。电路板装置的不同的子层在使用树脂的情况下通过挤压被面式地相互连接。在此不在电路板装置内设置用于电构件的散热体。与此对应的是，构件的热导出并非最佳。

发明内容

本发明的任务是，改进现有技术。

该任务通过具有独立权利要求特征的主题解决。可以由从属权利要求得出本发明的优选的实施方式。因此建议了一种电路板装置和一种逆变器，并且建议了一种用于制造电路板装置的方法。

电路板装置具有至少一个电路板和嵌入到经硬化的塑料层中的电构件以及用于使构件散热的散热体。在此，构件以第一侧(底侧)布置在电路板的指向散热体的表面上。构件也与电路板电接触。此外，构件处在塑料层的窗口中。构件此外还以与第一侧背对的第二侧(上侧)与散热体的指向电路板的表面材料锁合地连接，特别是焊接或烧结。塑料层在电路板的表面和散热体的表面之间受挤压并硬化。

构件尤其与在电路板上或电路板中的电线路电接触。在塑料层中的窗口形成了贯穿塑料层的开口。构件布置在该开口中。塑料层尤其在侧向包围构件。因此构件尤其在侧向被经硬化的塑料、在其底侧以电路板并且在其上侧以用于材料锁合地连接的材料，如特别是焊料或烧结材料(特别是烧结金属)或经焊上的散热体来包围。

电构件可以是SMD构件(SMD＝表面安装器件)。电构件可以是电阻、线圈或电感装置或者电容器或电容装置。然而电构件也可以是电逻辑构件(触发器等)或者集成电路或电开关。电构件尤其是功率半导体开关，如IGBT(＝绝缘栅双极晶体管)或MOSFET(＝金属氧化物半导体场效应晶体管)。

电路板可以是PCB(印刷电路板)。然而电路板也可以是具有布置在其上的导体迹线的陶瓷基板。电路板可以在一侧装备有一个或多个电构件，也就是说，构件全部布置在电路板的一个共同的侧上，于是其中，这是指向散热体的一侧。另一方面，电路板也可以在双侧装备有电构件。电路板因此不仅拥有所提到布置在塑料层的窗口中并且与散热体焊接的电构件，而且还拥有一个或多个布置在电路板的与第一次提到的构件背对的一侧上的另外的电构件。

塑料层尤其是配设有一个或多个用于一个/多个电构件的窗口的能硬化的塑料框。塑料层因此也可以称为塑料框。因而，塑料层尤其是在未硬化的状态下也是框形的并且因此是非液态的。塑料层尤其是预浸料，即用树脂预浸渍的纤维板。在塑料层中能预制，例如切割出或冲裁出一个/多个窗口。塑料层负责电路板和散热体之间的牢固的连接。塑料层为此粘附在电路板和散热体上或者将电路板和散热体相互粘接。因此电路板装置形成了机械上牢固的单元。其他用于机械连接电路板和散热体的连接器件，如螺钉或铆钉或夹紧弓形件，因此不是必需的或者可以取消。在电构件和塑料层的所从属的窗口之间的空隙可以用填料、例如树脂填充。

塑料层因此可以由用填料预填充的热固性塑料，优选环氧树脂制成。塑料层的特征尤其在于，它具有和在电路板的子层结构中所使用的塑料一样的或相似的特性。这些特性之一就是，使塑料粘附在金属的材料上，优选粘附在铜或铝上。另一个特性则是良好的导热性。

散热体可以尤其拥有额外的散热结构、如散热肋和/或用于被散热剂导引穿过的线路。散热体就其指向构件的表面而言尤其具有比构件或在塑料层中的所属的窗口更大的延伸。因此散热体在这个表面上可以与多个电构件焊接，这些电构件布置在电路板上并且塑料层中的(特别是各一个)窗口设置用于这些电构件。

塑料层优选具有和构件加上用于与散热体材料锁合地连接的材料层(例如焊料层或烧结金属层)相同的高度。散热体因此可以平地贴靠在塑料层上，并且与构件的上侧材料锁合地连接。因此热量也能从塑料层排出。

优选的是构件的第二侧(上侧)，即指向散热体的一侧，全面地与散热体材料锁合地连接。因此可以特别良好地将热量从构件排出。为此优选将这个第二侧或上侧实施成平的。

用于制造这种电路板装置的方法规定，在添加热量的情况下在一个制造步骤中使塑料层在电路板和散热体之间受挤压并硬化，并且通过添加热量使用于材料锁合地连接的材料，特别是焊料或烧结材料，在电构件和散热体之间熔化，因而使构件与散热体材料锁合地连接。

用于制造这种电路板装置的方法尤其具有至少下列步骤：

1.提供电路板，其具有至少一个布置在电路板的表面上的并且与电路板接触的电构件；

2.提供能硬化的塑料层，其具有用于构件的窗口，特别是向电路板的表面上或在散热体的在制成的电路板装置中指向电路板的一侧上提供该塑料层；

3.施加用于将构件与散热体材料锁合地连接起来的材料，特别是将该材料施加到构件的在制成的电路板装置中指向散热体的一侧上或者施加到散热体的在制成的电路板装置中与构件对应的部位上；

4.将散热体布置到构件上，因而塑料层和构件连同用于材料锁合地连接的材料一起布置在电路板和散热体之间并且构件处在窗口之内；

5.在添加热量的情况下，使塑料层在电路板和散热体之间受挤压并硬化，因而用于材料锁合地连接的材料在这种情况下熔化并且使构件与散热体材料锁合地连接。

因此，电路板被预装备电构件。也可以如所阐释的那样设有多个相应的电构件。

在制造电路板装置时的步骤的时间顺序可以完全对应所说明的顺序(从上到下或从步骤1到5)。但倘若合理的话，步骤的顺序也可以交换，例如步骤2和3。一些步骤也可以在时间上并行地发生，例如当散热体装备有用于材料锁合地连接的材料时(步骤3)，塑料层可以布置到电路板上(步骤2)。

为了挤压塑料材料，优选将散热体以能拆卸的方式布置在压模上。因此在步骤5期间可以将散热体牢固地布置在压模上。在挤压之后，可以简单地将散热体从压模移除。因此可以安全地维持散热体在电路板装置中的位置。

压模优选具有用于使用于材料锁合地连接的材料熔化的加热装置。那么就不需要单独的工具来熔化材料。在未熔化的状态下，用于材料锁合地连接的材料尤其能以膏，特别是焊膏的形式，或者以粉末，特别是烧结粉末的形式存在。

挤压和硬化的步骤(步骤5)优选在负压或真空下完成。电路板装置的部件因此在步骤5期间处在负压下。因此，例如在用于材料锁合地连接的材料或焊料或烧结材料的熔化期间，空气或过程气体可以从塑料层中的窗口并且特别是在构件和散热体之间被尽可能地移除。材料锁合的连接因此特别是很少有缩孔或其他夹杂物的并且因此是可靠的和能良好导热的。在此，负压指的是处在大气环境空气压力之下的大气压力。为了使步骤5能在负压下完成，电路板装置的相应的部分例如布置在如下的(负)压力容器中，在该(负)压力容器中产生和维持用于步骤5的与外部的环境空气压力相比减小的压力(负压)。

电路板装置可以形成所谓的功率模块。这种功率模块形成了自身的结构单元。功率模块可以形成电半桥。实施成半桥的功率模块尤其拥有：相接头，相接头电气上布置在实施成高侧开关的第一电构件和实施成低侧开关的第二电构件之间；两个直流电压接头；以及用于驱控高侧开关和低侧开关的接头。构件以所述方式在电路板和散热体之间布置在经硬化的塑料层的(共同的或各自的)窗口中并且分别与散热体焊接。

一个或多个所建议的电路板装置或一个或多个功率模块可以形成逆变器。这种逆变器也可以称为DC-AC变换器。逆变器实施用于将直流电流(DC＝直流电流)转换成(近似)交流电流(AC＝交流电流)。反过来，逆变器也可以实施成用于将交流电流转换成直流电流。

所建议的机动车驱动系统拥有电机作为牵引驱动器，即用于提供驱动扭矩，并且拥有这种逆变器用于运行电机。因此逆变器向电机供应用于运行电机所需的电流，特别是(近似)交流电流。电机因此可以尤其是旋转场电机，如同步电机或异步电机。

附图说明

接下来参照附图详细说明本发明，由附图可知本发明的其他优选的实施方式。

附图以示意图示出了电路板装置。

具体实施方式

电路板装置具有电路板1以及嵌入到经硬化的塑料层2中的电构件3。此外，电路板装置具有用于使构件3散热的散热体4。如所示那样，散热体可以拥有至少一条散热通道4A，用于使构件3或电路板1散热的散热剂通过该至少一条散热通道导引。备选或附加地可以在散热体4上设置散热肋或其他散热结构，如所谓的针翅。在电路板1上或电路板1内还可以设置其他电构件6。因此电路板1例如也能在双侧装备有电构件3、6并且与这些电构件接触。

电构件3以平坦的第一侧3A(底侧)布置在电路板1的指向散热体的表面上，并且电构件与电路板1电接触。为此，电路板1拥有导体迹线，导体迹线在电路板的表面上和/或电路板1内延伸。构件3处在经硬化的塑料层2的窗口2A中。窗口2A形成了在塑料层2内的缺口，即贯穿开口。可以任意地适当地制造，例如冲裁出或切割出窗口。在窗口2A内可以如所示那样布置有正好一个电构件3或多个电构件。

构件3此外以与第一侧3A背对的平坦的第二侧3B(上侧)与散热体4的指向电路板的表面材料锁合地连接。优选选择焊接连接作为材料锁合的连接。但同样可以使用烧结连接。为了焊接，在构件3和散热体4之间设置有焊料层5。焊料层5将构件3与散热体材料锁合地连接。塑料层2在电路板1的该表面和散热体4的该表面表面之间受挤压并且在这种情况下硬化。塑料层因此在两侧粘附在散热体4上和电路板1上并且因此将散热体和电路板机械地连接起来。

塑料层2具有和构件3加上用于与散热体4焊接的焊料层5相同的高度H。因此塑料层2和构件3在经由焊料层5的情况下面式地并且在共同的平面上贴靠在散热体4上。焊料层5因此将构件3在该构件的上侧3B上全面地与散热体4连接。

按照附图所示的电路板装置尤其使用在逆变器中。在此，电构件3可以是半导体开关，例如逆变器的桥式电路的高侧开关或低侧开关。

在用于制造附图所示的电路板装置的优选的制造方法中，在添加热量的情况下使塑料层2在电路板1和散热体4之间受挤压并硬化。在此，同时通过添加热量使之前施布的焊料5或焊膏在电构件3和散热体4之间熔化，因而使构件3与散热体4焊接。焊料5在此同时跨接在构件3和散热体4之间的因公差引起的间隙。因此实现了构件3到散热体4的极为良好的热传递。

优选规定，在挤压塑料层2之前将散热体4以能脱开的方式布置到压模上，压模用于将散热体4挤压到塑料层2上或电路板1上。在完成挤压和硬化之后，在散热体4和压模之间的这种连接脱开并且将散热体连同电路板装置一起从该压模移除。

压模优选同时还拥有加热装置，加热装置用于在挤压期间添加热量以及因此同时用于使焊料熔化。挤压尤其在负压下完成，因此气体或空气被从焊料5或塑料层2移除。

制造方法例如以如下方式运行：

在塑料层2施加到单侧或双侧装备有电子构件3的电路板1上时，将用于塑料层2的未硬化的塑料作为膜或板安放到电路板1上。现在或事先在塑料中的有待散热的构件3的部位上切割出窗口2A。在窗口2A的区域中将焊料5施加到有待散热的构件3上。紧接着将散热体4安放到塑料层2上和焊料5上。

现在借助负压或真空移除在电路板1、电子构件3、塑料层2和散热体4之间的空气。同时或紧接着将塑料层2连同焊料5朝向电路板1挤压。塑料层2的粘度在此变小并且塑料流入到电路板1和电构件3的存在的中间空间中。在这个步骤中，压模被这样长时间地继续引导，直至较低粘度的塑料朝着侧向被挤出或压缩，使得在构件3的上侧3B和压模或处在压模上的散热体4之间的间距变得最小。在这个步骤期间，热量被输入，因此焊料5熔化并且润湿散热体4的与构件3对应的部位/面并且将散热体和构件彼此热连接。若达到期望的间距，那么压模被保持在其位置中。基于由热量输入引起的过程温度和存在的压力，在塑料层2中的塑料同时变硬。在塑料材料以及焊料5的硬化过程中，产生了在电路板1和散热器4之间的材料锁合的、全面的和牢固的连接。

所建议的制造方法和/或所建议的电路板装置提供了下列优点：

-通过所得到的在电子构件3和散热器4之间的焊料5的最小的层厚，结合焊料5的高热导率，获得了在电子构件3和散热器4之间的极为良好的热传递。此外，电路板1面式地通过塑料层2与散热体4连接并且因此具有良好的热接合。

-基于在电路板1和散热器4之间的材料锁合的、全面的和牢固的连接，可以部分或完全取消机械连接元件。所需的结构空间减小。取消施加用于使电路板1的处在电压下的电元件或电构件电绝缘的附加的TIM。节省安装和制造成本。

-通过到散热器4上的全面的接合，还减小了电路板1的振荡/振动负荷，这是因为由于否则必需的连接元件会在电路板1中产生机械的应力峰值，现在则可以取消这些应力峰值。因此也达到了更高的可靠性。全面的、紧凑的和密封的接合还防止了污物的侵入。

所示出的电路板装置因此尤其适合使用在机动车中，特别是机动车电驱动系统的逆变器中。

附图标记列表

1 电路板

2 塑料层

2A 窗口

3 电构件

3A 第一侧

3B 第二侧

4 散热体

4A 散热通道

5 焊料层，焊料

6 电构件

H 高度

Claims (15)

1.电路板装置，其具有电路板(1)和嵌入到经硬化的塑料层(2)中的电构件(3)以及具有用于使所述电构件(3)散热的散热体(4)，其特征在于，

所述电构件(3)以第一侧(3A)布置在所述电路板(1)的指向所述散热体(4)的表面上并且与所述电路板(1)电接触并且处在经硬化的塑料层(2)的窗口(2A)中，并且

所述电构件(3)以与所述第一侧(3A)背对的第二侧(3B)与所述散热体(4)的指向所述电路板(1)的表面材料锁合地连接，并且

塑料层(2)由用填料预填充的热固性塑料制成，所述塑料层(2)在所述电路板(1)的表面和所述散热体(4)的表面之间受挤压并硬化，其中，通过添加热量使用于材料锁合地连接的材料在电构件(3)和所述散热体(4)之间熔化，因而使所述电构件与所述散热体(4)材料锁合地连接，其中，用于材料锁合地连接的材料是能良好导热的并且是与所述塑料层的材料不同的材料，并且其中，所述电构件(3)在侧向被所述塑料层(2)的经硬化的塑料、在第一侧(3A)以所述电路板(1)并且在第二侧(3B)以用于材料锁合地连接的材料包围。

2.按照权利要求1所述的电路板装置，其中，所述电构件(3)与所述散热体(4)的指向所述电路板(1)的表面焊接或烧结。

3.按照权利要求1所述的电路板装置，其中，所述塑料层(2)具有和所述电构件(3)加上用于与所述散热体(4)材料锁合地连接的焊料层(5)或烧结层相同的高度(H)。

4.按照权利要求1至3中任一项所述的电路板装置，其中，所述塑料层(2)由预浸料形成。

5.按照权利要求1至3中任一项所述的电路板装置，其中，所述电构件(3)的第二侧全面地与所述散热体(4)材料锁合地连接。

6.逆变器，其特征在于具有按照权利要求1至5中任一项所述的电路板装置。

7.按照权利要求6所述的逆变器，其中，所述逆变器是机动车驱动系统的逆变器。

8.用于制造按照权利要求1至5中任一项所述的电路板装置的方法，其中，在添加热量的情况下使塑料层(2)在电路板(1)和散热体(4)之间受挤压并硬化，并且通过添加热量使用于材料锁合地连接的材料(5)在电构件(3)和所述散热体(4)之间熔化，因而使所述电构件(3)与所述散热体(4)材料锁合地连接。

9.按照权利要求8所述的方法，其中，所述用于材料锁合地连接的材料(5)是焊料或烧结材料。

10.按照权利要求8所述的方法，具有下列步骤：

1.提供电路板(1)，所述电路板具有至少一个布置在所述电路板(1)的表面上的并且与所述电路板(1)接触的电构件(3)；

2.提供能硬化的塑料层(2)，所述塑料层具有用于所述电构件(3)的窗口(2A)；

3.施加用于将所述电构件(3)与所述散热体(4)材料锁合地连接起来的材料(5)；

4.将所述散热体(4)布置到所述电构件(3)上，因而所述塑料层(2)和所述电构件(3)连同用于材料锁合地连接的材料(5)一起布置在所述电路板(1)和所述散热体(4)之间并且所述电构件(3)处在所述窗口(2A)之内；

5.在添加热量的情况下，使所述塑料层(2)在所述电路板(1)和所述散热体(4)之间受挤压并硬化，其中，通过添加热量使所述用于材料锁合地连接的材料(5)熔化并且使所述电构件(3)与所述散热体(4)材料锁合地连接。

11.按照权利要求10所述的方法，其中，向所述电路板(1)的表面上或在所述散热体(4)的在制成的电路板装置中指向所述电路板(1)的一侧上提供所述塑料层(2)。

12.按照权利要求10所述的方法，其中，将所述用于材料锁合地连接的材料(5)施加到所述电构件(3)的在制成的电路板装置中指向所述散热体(4)的一侧(3B)上或者施加到所述散热体(4)的在制成的电路板装置中与所述电构件(3)对应的部位上。

13.按照权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，为了挤压所述塑料层(2)，将所述散热体(4)以能脱开的方式布置在压模上。

14.按照权利要求13所述的方法，其中，所述压模具有用于添加热量以及用于熔化所述用于材料锁合地连接的材料(5)的加热装置。

15.按照权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，在负压下完成挤压和硬化的步骤。

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