DE102011077206A1

DE102011077206A1 - Leiterplatte und Steuergerät für ein Getriebe eines Fahrzeugs mit der Leiterplatte

Info

Publication number: DE102011077206A1
Application number: DE102011077206A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Lassmann; Christian Büttner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: EP2719263A1; DE102011077206B4; WO2012168018A1; US20140182898A1; US9265148B2

Abstract

Es wird eine Leiterplatte (100) mit mehreren Lagen vorgeschlagen, die zumindest eine Außenlage (110, 120) und zumindest eine an die Außenlage (110, 120) angrenzende Innenlage (130, 140) aufweisen. Die Leiterplatte (100) weist eine Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen (170) auf, die zwischen einem Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Außenlage (110, 120) und einem Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Innenlage (130, 140) gebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte mit mehreren Lagen und auf ein Steuergerät für ein Getriebe eines Fahrzeugs mit der Leiterplatte.
Eine mehrlagige Leiterplatte, ein so genanntes Multilayerboard, besteht aus mehreren Kontaktierungslagen, wie z. B. Masse- und Versorgungslagen. Des Weiteren existieren Signallagen zur Entflechtung der Verbindungen aus dem Schaltplan. Die einzelnen Lagen sind voneinander isoliert und mit epoxidverstärktem Glasfasermaterial, z. B. FR4-Material, verfüllt. Leiterbahnen und Durchkontaktierungs- bzw. Viatechnologien haben die Aufgabe, Verbindungen, auch über alle Lagen, zu realisieren. FR4, eines der hauptsächlich eingesetzten Materialien, ist ein schlechter Wärmeleiter.
Die DE 10 2008 029 410 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Stromleitung. Die Vorrichtung umfasst ein Wärme erzeugendes Element, eine Leiterplatte auf die das Wärme erzeugende Element aufgebracht ist und einen Kühlkörper, der zur Abführung von Wärme an das Element thermisch angekoppelt ist.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Leiterplatte und ein verbessertes Steuergerät für ein Getriebe eines Fahrzeugs mit der Leiterplatte, gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Eine mehrlagige Leiterplatte kann eine Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen bzw. Microvias aufweisen, die leitfähige Verbindungen zwischen zumindest einer äußeren Lage und zumindest einer nächstgelegenen inneren Lage der Leiterplatte herstellen. In einem Versorgungsspannungsbereich der Leiterplatte können viele Mikrodurchkontaktierungen auf sehr engem Raum dicht nebeneinander angeordnet werden.
Vorteilhafterweise können durch die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen topologische Strukturen geschaffen werden, die einen günstigen Einfluss auf das thermische Verhalten der Leiterplatte haben. Eine Ableitung von Wärme bei einer Leiterplatte kann über Leiterbahnen bzw. Leiterflächen und Durchkontaktierungen bzw. Vias, insbesondere deren Kupferhülsen, stattfinden. Indem die zumindest eine Außenlage und die zumindest eine an die Außenlage angrenzende Innenlage der Leiterplatte durch die Verwendung der Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen auch thermisch miteinander verkoppelt sind, wird der thermische Gesamtwiderstand der Leiterplatte gesenkt. Zusätzlich zu der Verbesserung des thermischen Gesamtwiderstands ergibt sich eine bessere Wärmekapazität bzw. thermische Ableitung. Insbesondere kann der Wärmewiderstand zwischen den äußeren beiden Lagen der Leiterplatte verringert werden. Durch die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen kann somit sehr schnell und großflächig Wärme, beispielsweise von einer im Betrieb erhitzten Schaltung auf einer Oberfläche der Leiterplatte, in ein Inneres der Leiterplatte abtransportiert werden. Im Inneren der Leiterplatte kann die Wärme zum einen verteilt und zum anderen durch weitere Durchkontaktierungen auf eine gegenüberliegende Seite der Leiterplatte, die als Wärmesenke fungieren kann, abgeleitet werden. An der als Wärmesenke fungierenden Oberfläche der Leiterplatte kann die Wärme durch die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen schnell und großflächig aus einem Inneren der Leiterplatte herausgeführt werden. Somit bieten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Vorteil einer verbesserten Entwärmung für Leiterplatten. Für diese Verbesserung des thermischen Verhaltens brauchen keine aufwendigen Technologien, wie beispielsweise keramische Leiterplatten, eingesetzt werden. Somit kann der Stückkostenpreis gering gehalten werden und es kann beispielsweise eine unaufwendige Bondtechnologie zum Einsatz kommen. Für EMV-Strategien (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) ist zudem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf der Leiterplatte viel Spielraum für ein EMV-robustes Design.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Leiterplatte mit mehreren Lagen, die zumindest eine Außenlage und zumindest eine an die Außenlage angrenzende Innenlage aufweisen, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen, die zwischen einem Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Außenlage und einem Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Innenlage gebildet sind.
Bei der Leiterplatte kann es sich um eine Leiterplatte für eine elektrische Schaltung handeln, die mit elektrischen Bauteilen bestückt werden kann oder ist. Die Leiterplatte kann Teil eines Steuergeräts für ein Fahrzeuggetriebe sein. Die Leiterplatte kann einen Stapel aus den mehreren Lagen aufweisen. Die mehreren Lagen können gestapelt sein, um eine Grundstruktur der Leiterplatte zu bilden. Bei der zumindest einen Außenlage der Leiterplatte kann es sich um eine äußerste der mehreren Lagen der Leiterplatte handeln. Die Leiterplatte kann auf gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Außenlage aufweisen. An einer ersten Außenlage kann die elektrische Schaltung der Leiterplatte angeordnet sein. Eine zweite Außenlage kann für eine Anbringung der Leiterplatte an einem Trägerelement, beispielsweise einem Getriebegehäuse oder einer Schaltplatte, ausgebildet sein. Die Leiterplatte kann aus mehreren Lagen von elektrisch isolierendem Material gebildet sein, beispielsweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund bzw. faserverstärktem Kunststoff bzw. kunststoffverstärktem Glasfasergewebe, z. B. aus epoxidverstärktem Glasfasermaterial wie FR4-Material. Die Leiterplatte dient als ein Träger für eine elektrische Schaltung. Jede Lage aus elektrisch isolierendem Material kann mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet sein. Dadurch können an dem elektrisch isolierenden Material Leiterbahnen oder Leiterflächen als leitfähige Verbindungen zu der elektrischen Schaltung gebildet sein. Die elektrisch leitfähige Schicht ist für gewöhnlich aus einer dünnen Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials, z. B. Kupfer, gedruckt oder geätzt. In der zumindest einen Außenlage kann zumindest eine Leiterbahn oder Leiterfläche angeordnet sein. Die zumindest eine Innenlage grenzt an die zumindest eine Außenlage an. Bei der zumindest einen Innenlage kann es sich um eine Signallage, Entflechtungslage oder dergleichen handeln. Die zumindest eine Innenlage kann eine Mehrzahl von Leiterbahnen aufweisen. Die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen kann beispielsweise mittels eines Laserverfahrens gebildet sein. Somit kann es sich bei den Mikrodurchkontaktierungen beispielsweise um so genannte Laservias handeln. Insbesondere können die Mikrodurchkontaktierungen als Blindlöcher ausgeformt sein. Die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen stellt eine Verbindung zwischen der zumindest einen Außenlage und der zumindest einen Innenlage der Leiterplatte her. Insbesondere stellt die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen eine Verbindung zwischen einem Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Außenlage der Leiterplatte und einen Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Innenlage der Leiterplatte her. Ein Versorgungsspannungsbereich kann eine großflächige Ausdehnung des elektrisch leitfähigen Materials umfassen. Hierbei liegen die Versorgungsspannungsbereiche auf dem gleichen Spannungspotenzial und werden durch die Mikrodurchkontaktierungen elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Beispielsweise können die Versorgungsspannungsbereiche, in denen die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen gebildet ist, auf Massepotenzial liegen. Die Versorgungsspannungsbereiche können mit entsprechenden Versorgungsspannungsanschlüssen der elektrischen Schaltung verbunden sein. Die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen kann von Signalleitungen der Leiterplatte elektrisch isoliert sein, so dass über keine der Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen ein Datensignal übertragen wird. Zur Übertragung von Datensignalen können weitere Durchkontaktierungen, auch weitere Mikrodurchkontaktierungen, vorgesehen sein.
Die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen kann in zumindest einer Gruppe angeordnet sein. Dabei kann zwischen benachbarten Mikrodurchkontaktierungen innerhalb der zumindest einen Gruppe keine Leiterbahn angeordnet sein. Bei der zumindest einen Gruppe kann es sich beispielsweise um eine rechteckige oder quadratische Matrix von Mikrodurchkontaktierungen oder um eine Gruppe mit einer beliebigen anderen Form handeln. Eine Gruppe kann beispielsweise zwischen 8 und 50 Mikrodurchkontaktierungen, also beispielsweise 9, 16, 25 oder 36 Mikrodurchkontaktierungen aufweisen. Eine einzelne Gruppe kann in einer zusammenhängenden elektrisch leitfähigen Fläche des Versorgungsspannungsbereichs der zumindest einen Außenlage und in einer zusammenhängenden elektrisch leitfähigen Fläche des Versorgungsspannungsbereichs der zumindest einen Innenlage angeordnet sein. Zusammenhängend kann dabei bedeuten, dass die zusammenhängende elektrisch leitfähige Fläche, abgesehen von eventuell durch die Mikrdurchkontaktierungen gebildeten punktförmigen elektrischen Isolierungen, nicht durch elektrisch isolierende Bereiche unterbrochen ist. Wenn mehrere Gruppen von Mikrodurchkontaktierungen gebildet sind, so kann zwischen den einzelnen Gruppen zumindest eine trennende Leiterbahn, eine trennende elektrische Isolierung oder auch eine elektrisch leitfähige Verbindungsleitung oder Verbindungsfläche angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen in einer geordneten und kontrollierten Anordnung in der Leiterplatte gebildet sein kann, wobei eine Anzahl von Mikrodurchkontaktierungen vorteilhaft erhöht werden kann. Eine große Anzahl von Mikrodurchkontaktierungen kann insbesondere in Bereichen der Leiterplatte angeordnet werden, die einem hohen Wärmeeintrag ausgesetzt sind. Der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Innenlage kann über eine oder mehrere weitere Durchkontaktierungen mit weiteren Lagen der Leiterplatten verbunden sein, so dass die über die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen zugeführte Wärme weiter abgeleitet werden kann.
Die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen kann zumindest teilweise mit einem wärmeleitfähigen Material gefüllt sein. Bei dem wärmeleitfähigen Material kann es sich um ein elektrisch leitfähiges Material handeln. Das wärmeleitfähige Material kann beispielsweise ein Metall, insbesondere Kupfer, aufweisen. Die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen kann mit dem wärmeleitfähigen Material ausgekleidet sein, wobei das wärmeleitfähige Material Wände der Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen schichtförmig bedeckt. Alternativ oder zusätzlich kann das wärmeleitfähige Material die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen ausfüllen, beispielsweise vollständig. Weiter alternativ oder zusätzlich kann das wärmeleitfähige Material oder ein anderes, bedarfsgerecht gewähltes Material auf einer Lagenoberflächenseite der Leiterplatte um eine zu den Wänden der Mikrodurchkontaktierung führende Öffnung derart angeordnet vorgesehen sein, dass die Öffnung von dem wärmeleitfähigen Material oder dem anderen bedarfsgerecht gewählten Material vorzugsweise konzentrisch umgeben ist, um auf der Lageroberflächenseite ein sogenanntes Viapad auszubilden. Die vorzugsweise konzentrisch vorgesehene Anordnung des Viapads ist nicht einschränkend auszulegen. Es können in bevorzugter Weise durchaus je nach Bedarfsfall andere denkbare Anordnungsformen für das Viapad gewählt werden, wie beispielsweise dreieckförmig, rechteckförmig oder kreisförmig, welcher nicht zwangsläufig konzentrisch anzuordnen ist. Jedenfalls kann das die Öffnung der Mikrodurchkontaktierung umgebende beispielsweise wärmeleitfähige Material vorzugsweise bis an den Öffnungsrand der Mikrodurchkontaktierung heranreichen und weiter bevorzugt beispielsweise mittels Stoff- oder Formschluss einen Kontakt mit dem die Mikrodurchkontaktierung zumindest teilweise ausfüllenden wärmeleitfähigen Material bilden. Das wärmeleitfähige Material kann beispielsweise auch mehr als ein Material umfassen. Ein solches wärmeleitfähiges Material in der Mehrzahl von Durchkontaktierungen bietet den Vorteil, dass eine thermische Anbindung der zumindest einen Außenlage an die zumindest eine Innenlage verbessert wird. Das wärmeleitfähige Material verbessert die Wärmeableitung und Wärmekapazität.
Ferner können die Versorgungsspannungsbereiche jene Abschnitte der zugehörigen Lagen umfassen, in denen keine Leiterbahnen gebildet sind. Dabei können die Versorgungsspannungsbereiche aus einem wärmeleitfähigen und elektrisch leitfähigen Material gebildet sein. Ein einzelner Versorgungsspannungsbereich kann eine zusammenhängende oder nicht zusammenhängende Fläche aus dem wärmeleitfähigen und elektrisch leitfähigen Material umfassen. Die Versorgungsspannungsbereiche können beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Kupfer, gebildet sein. Die Versorgungsspannungsbereiche können hierbei innerhalb einer Lage der Leiterplatte maximal eine gesamte Restfläche einnehmen, die nicht von Leiterbahnen, Kontaktflächen und dergleichen genutzt ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die wärmeleitfähigen Versorgungsspannungsbereiche eine flächenmäßig sehr große Ausdehnung haben und dadurch die Wärmeableitung und Wärmekapazität deutlich verbessern. Zudem verbessern möglichst großflächig ausgeformte Versorgungsspannungsbereiche die elektromagnetische Verträglichkeit.
Der Versorgungsspannungsbereich kann ein Massebereich sein. Die Innenlage kann eine Signallage mit einer Mehrzahl von Leiterbahnen sein. Somit kann der Massebereich ein Versorgungsspannungsbereich auf Massepotenzial sein. Die Signallage kann eine Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen aufweisen. Die Signallage kann der Entflechtung der Leiterplatte dienen. Eine Leiterplatte gemäß einer solchen Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch den Massebereich eine gute elektromagnetische Verträglichkeit erzielt wird und durch die Signallage eine Entflechtung der Leiterplatte erleichtert wird.
Gemäß einer Ausführungsform, bei der die Leiterplatte zumindest eine Versorgungsspannungslage aufweist, kann ein Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Versorgungsspannungslage eine größere Dicke als der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Außenlage und/oder der zumindest einen Innenlage aufweisen. Die Versorgungsspannungslage kann der Versorgung der elektrischen Schaltung mit einer Versorgungsspannung dienen. Bei der Versorgungsspannungslage kann es sich um eine Hochstromleiterlage handeln. Die zumindest eine Innenlage kann zwischen der zumindest einen Außenlage und der zumindest einen Versorgungsspannungslage angeordnet sein. Der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Versorgungsspannungslage kann beispielsweise zweimal bis über zwanzigmal dicker als der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Außenlage und/oder der zumindest einen Innenlage sein. Der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Versorgungsspannungslage kann dicker als der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Außenlage sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Versorgungsspannungslage dicker als der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Innenlage sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in der Versorgungsspannungslage durch die dickere Schicht aus elektrisch leitfähigem Material auch eine erhöhte Menge an wärmeleitfähigem Material zur Verfügung steht. Somit ist die Wärmekapazität des Versorgungsspannungsbereichs der zumindest einen Versorgungsspannungslage erhöht und der Versorgungsspannungsbereich kann als ein Kapazitätspuffer bei hohen Temperaturbelastungen wirken.
Auch kann die Leiterplatte eine erste Außenlage sowie eine erste Innenlage, zwischen denen eine erste Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen gebildet ist, und eine zweite Außenlage sowie eine zweite Innenlage aufweisen, zwischen denen eine zweite Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen gebildet ist. Dabei können zwischen der ersten Innenlage und der zweiten Innenlage zwei Versorgungsspannungslagen angeordnet sein. Dabei können die Anzahl der Innenlagen und die Anzahl der Versorgungsspannungslagen auch kleiner oder größer sein. Die einzelnen Lagen der Leiterplatte können gemeinsam einen Stapel bilden. Eine Abfolge der Lagen in dem Stapel kann beispielsweise die erste Außenlage, die erste Innenlage, die beiden Versorgungsspannungslagen, die zweite Innenlage und die zweite Außenlage umfassen. Dabei kann an der ersten Außenlage eine elektrische Schaltung angeordnet sein. An der zweiten Außenlage kann die Leiterplatte an einem Trägerelement befestigt werden. Ein solcher Aufbau der Leiterplatte bietet den Vorteil, dass der thermische Gesamtwiderstand der Leiterplatte gesenkt werden kann. Dies ist möglich, weil die Außenlagen und Innenlagen thermisch gut miteinander verkoppelt sind und die Versorgungsspannungslagen dickere Versorgungsspannungsbereiche aufweisen können.
Ferner kann zumindest eine mit einem wärmeleitfähigen Material verfüllte Durchkontaktierung vorgesehen sein, die durch alle Lagen der Leiterplatte hindurch gebildet ist. Bei der Durchkontaktierung kann es sich um eine so genannte thermische Durchkontaktierung bzw. Thermal Via handeln. Die zumindest eine Durchkontaktierung kann sich beispielsweise als ein gefülltes Durchgangsloch von einer ersten Außenlage bis zu einer zweiten Außenlage durch die Leiterplatte erstrecken. Es kann eine Mehrzahl von mit wärmeleitfähigem Material verfüllten Durchkontaktierungen in der Leiterplatte gebildet sein. Es kann eine Mehrzahl von mit wärmeleitfähigem Material verfüllten Durchkontaktierungen in einem Bereich der Leiterplatte gebildet sein, in dem eine elektrische Schaltung angebracht ist. Die elektrische Schaltung kann dabei die mit wärmeleitfähigem Material verfüllten Durchkontaktierungen abdecken. Zusätzlich oder alternativ kann eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen in einem übrigen Bereich der Leiterplatte gebildet sein. Eine mit wärmeleitfähigem Material verfüllten Durchkontaktierungen kann von den Mikrodurchkontaktierungen der Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen umringt sein. Die zumindest eine mit wärmeleitfähigem Material verfüllte Durchkontaktierung kann ebenso wie die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen mit dem Versorgungsspannungsbereich der Leiterplatte elektrisch leitfähig verbunden sein. Eine solche Durchkontaktierung bietet den Vorteil, dass Wärme aus den Lagen der Leiterplatte über die zumindest eine Durchkontaktierung durch die gesamte Dicke der Leiterplatte hindurch abgeführt werden kann. Wenn die Leiterplatte beispielsweise an einem Trägerelement befestigt ist, kann eine Abfuhr der Wärme über die zumindest eine Durchkontaktierung an das Trägerelement erfolgen. Insbesondere kann die zumindest eine Durchkontaktierung eine weitere Abfuhr der Wärme aus der zumindest einen Innenlage ermöglichen.
Insbesondere kann die zumindest eine Gruppe von Mikrodurchkontaktierungen zumindest neun Mikrodurchkontaktierungen aufweisen. Dabei kann ein Abstand benachbarter Mikrodurchkontaktierungen innerhalb der zumindest einen Gruppe maximal 0,85 mm betragen. In diesem Zusammenhang wird ausgeführt, dass die eine bevorzugte Anzahl und eine bevorzugte Anordnung von Mikrodurchkontaktierungen betreffenden Beschreibungen gleichfalls für Viapads oder für eine Gruppe bestehend aus wenigstens einem Viapad und einer Mikrodurchkontaktierung zutreffen, da ein Viapad vorzugsweise wenigstens eine Mikrodurchkontaktierung wie vorbeschrieben umgibt. Bei der zumindest einen Gruppe von Mikrodurchkontaktierungen kann es sich um eine Matrix von Mikrodurchkontaktierungen handeln, die beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs Zeilen und/oder Spalten von Mikrodurchkontaktierungen aufweist. Die Matrix muss hierbei nicht quadratisch oder rechteckig sein. Die Matrix kann auch versetzt angeordnete Zeilen und/oder Spalten aufweisen. Insbesondere kann der Abstand benachbarter Mikrodurchkontaktierungen innerhalb der zumindest einen Gruppe zwischen 0,5 mm und 0,85 mm liegen. Mit Blick auf eine Gruppe bestehend aus Viapads wird ein maximaler Durchmesser eines Viapads von bis zu 0,3 mm mit einem maximalen Durchmesser der Mikrodurchkontaktierung von bis zu 0,1 mm bevorzugt, wobei der bevorzugte Abstand von bis zu maximal 0,85 mm zwischen den gegenüberliegenden Außenrändern zweier benachbarter Viapads angesiedelt ist. Die vorbeschriebenen Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass eine große Anzahl von Mikrodurchkontaktierungen auf kleiner Fläche untergebracht werden kann. Dies verbessert die thermischen Eigenschaften der Leiterplatte.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät für ein Getriebe eines Fahrzeugs mit einer oben beschriebenen Leiterplatte.
In Verbindung mit dem Steuergerät kann eine oben genannte Leiterplatte vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden, um eine Überhitzung einzelner Schaltungselemente des Steuergeräts zu vermeiden. Das Steuergerät kann ein Gehäuse aufweisen, in dem die Leiterplatte zumindest teilweise aufgenommen sein kann. Das Steuergerät kann eine zentrale Rolle bei der Getriebesteuerung eines Fahrzeugs übernehmen. Dazu kann das Steuergerät auch mit weiteren Getriebesteuerungselementen verbunden sein.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 4 eine Leiterplatte gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 bis 8 verschiedene Lagen einer Leiterplatte gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
9 und 10 Mikrodurchkontaktierungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
11 und 12 Anordnungen von Mikrodurchkontaktierungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine Leiterplatte 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 1 ist hierbei die Leiterplatte 100 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Leiterplatte 100 ist mit einer elektrischen Schaltung in Gestalt eines Halbleiterchips 102 bestückt, der mittels Chipanschlüssen 104 an der Leiterplatte 100 angeschlossen ist. Die Leiterplatte 100 weist eine erste Außenlage 110 mit Anschlussflächen 112, eine zweite Außenlage 120, eine erste Innenlage 130, eine zweite Innenlage 140, eine erste Versorgungsspannungslage 150 und eine zweite Versorgungsspannungslage 160 auf. Als Durchkontaktierungen weist die Leiterplatte 100 Mikrodurchkontaktierungen 170, Durchkontaktierungen 180 und thermische Durchkontaktierungen 190 auf. Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind von oben nach unten in 1 die erste Außenlage 110, die erste Innenlage 130, die erste Versorgungsspannungslage 150, die zweite Versorgungsspannungslage 160, die zweite Innenlage 140 und die zweite Außenlage 120 in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt. 1 zeigt dabei lediglich einen Teilabschnitt der Leiterplatte 100 im Querschnitt durch alle Lagen. Eine Anzahl der Lagen 110, 120, 130, 140, 150, 160 ist hierbei beispielhaft und kann in der Praxis von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel abweichen.
Die Leiterplatte 100 kann beispielsweise in einem Steuergerät für ein Fahrzeuggetriebe zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann es sich bei der Leiterplatte 100 um ein 6-Lagen-Dickkupferboard mit HDLV-Matrix-Technologie (HDLV = High Density Laser Vias; Laserdurchkontaktierungen in hoher Dichte) für Hochtemperatur-Applikationen handeln.
Der Halbleiterchip 102 stellt eine elektrische Schaltung dar, wie es einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist. Die Chipanschlüsse 104 des Halbleiterchips 102 können Anschlussstifte, Anschlussbeinchen, Anschlussleitungen oder dergleichen sein. Die Chipanschlüsse 104 des Halbleiterchips 102 sind an den Anschlussflächen 112 angeschlossen, die an der ersten Außenlage 110 der Leiterplatte 100 angeordnet sind. Somit ist der Halbleiterchip 102 mechanisch und elektrisch mit der ersten Außenlage 110 der Leiterplatte 100 verbunden.
Die erste Außenlage 110 der Leiterplatte 100 kann eine Decklage der Leiterplatte 100 darstellen. An der ersten Außenlage 110 der Leiterplatte 100 sind die Anschlussflächen 112 zur Ankontaktierung des Halbleiterchips 102 angeordnet. Auch wenn es in 1 nicht explizit gezeigt ist, können in der ersten Außenlage 110 der Leiterplatte 100 auch Leiterbahnen gebildet sein, die gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine geringe Länge aufweisen. Bereiche der ersten Außenlage 110 der Leiterplatte 100, in denen keine Anschlussflächen 112 und Leiterbahnen gebildet sind, können einen Versorgungsspannungsbereich repräsentieren. Der Versorgungsspannungsbereich kann beispielsweise auf Massepotenzial liegen. Der Versorgungsspannungsbereich kann zusammenhängend ausgebildet sein oder einzelne Teilbereiche umfassen. In dem Versorgungsspannungsbereich kann die erste Außenlage 110 der Leiterplatte 100 mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material, beispielsweise mit Kupfer, beschichtet bzw. geflutet sein. Die erste Außenlage 110 der Leiterplatte 100 wird unter Bezugnahme auf 5 noch weiter beschrieben. Die erste Außenlage 110 der Leiterplatte 100 ist benachbart zu der ersten Innenlage 130 der Leiterplatte 100 angeordnet bzw. gestapelt.
Die erste Innenlage 130 der Leiterplatte 100 kann eine Signallage bzw. alternativ oder zusätzlich eine Entflechtungslage der Leiterplatte 100 repräsentieren. Die erste Innenlage 130 der Leiterplatte 100 ist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zwischen der ersten Außenlage 110 und der ersten Versorgungsspannungslage 150 angeordnet bzw. gestapelt. Auch wenn es in 1 nicht explizit gezeigt ist, so kann die erste Innenlage 130 der Leiterplatte 100 eine Mehrzahl von Leiterbahnen bzw. Entflechtungskanälen aufweisen. Bereiche der ersten Innenlage 130 der Leiterplatte 100, in denen keine Leiterbahnen gebildet sind, können einen Versorgungsspannungsbereich repräsentieren. Der Versorgungsspannungsbereich kann beispielsweise auf Massepotenzial liegen. Der Versorgungsspannungsbereich kann zusammenhängend ausgebildet sein oder einzelne Teilbereiche umfassen. In dem Versorgungsspannungsbereich kann die erste Innenlage 130 der Leiterplatte 100 mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material, beispielsweise mit Kupfer, beschichtet bzw. geflutet sein. Die erste Innenlage 130 wird unter Bezugnahme auf 6 noch weiter beschrieben.
Die Durchkontaktierungen 180 sind ausgebildet, um die erste Außenlage 110 und die erste Innenlage 130 miteinander elektrisch zu verbinden. Die Durchkontaktierungen 180 können Laserdurchkontaktierungen sein. Die Durchkontaktierungen 180 können mit einem elektrisch leitfähigen Material aus gekleidet oder vollständig gefüllt sein. Bei den Durchkontaktierungen 180 kann es sich um Mikrodurchkontaktierungen handeln. In dem in 1 dargestellten Querschnitt der Leiterplatte 100 sind zwei Durchkontaktierungen 180 abgebildet. Die Durchkontaktierungen 180 sind die hierbei benachbart zu den Anschlussflächen 112 der ersten Außenlage 110 gebildet. Die Durchkontaktierungen 180 sind mit den Anschlussflächen 112 der ersten Außenlage 110 elektrisch verbunden. Ferner sind die Durchkontaktierungen 180 mit Leiterbahnen der ersten Innenlage 130 elektrisch verbunden. Somit können Signalleitungen der ersten Außenlage 110 und der ersten Innenlage 130 über die Durchkontaktierungen 180 elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden.
Die erste Versorgungsspannungslage 150 ist zwischen der ersten Innenlage 130 und der zweiten Versorgungsspannungslage 160 angeordnet bzw. gestapelt. Die erste Versorgungsspannungslage 150 weist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine größere Dicke als die erste Innenlage 130 und zusätzlich oder alternativ als die erste Außenlage 110 auf. Die erste Versorgungsspannungslage 150 weist Leiterbahnen bzw. Leiterflächen für einen Hochstrom auf. Bereiche der ersten Versorgungsspannungslage 150 der Leiterplatte 100, in denen keine Leiterbahnen gebildet sind, können einen Versorgungsspannungsbereich repräsentieren. Der Versorgungsspannungsbereich kann beispielsweise auf Massepotenzial liegen. Der Versorgungsspannungsbereich kann zusammenhängend ausgebildet sein oder einzelne Teilbereiche umfassen. In dem Versorgungsspannungsbereich kann die erste Versorgungsspannungslage 130 der Leiterplatte 100 mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material, beispielsweise mit Kupfer, beschichtet bzw. geflutet sein. Die Versorgungsspannungsbereiche der ersten Versorgungsspannungslage 150 weisen eine größere Dicke als die Versorgungsspannungsbereiche der ersten Außenlage 110 und zusätzlich oder alternativ der ersten Innenlage 130 auf. Die erste Versorgungsspannungslage 150 wird unter Bezugnahme auf 7 noch weiter beschrieben.
Die zweite Versorgungsspannungslage 160 kann der ersten Versorgungsspannungslage 150 entsprechen. Zwischen der zweiten Versorgungsspannungslage 160 und der ersten Versorgungsspannungslage 150 können geringfügige Abweichungen bzw. Unterschiede hinsichtlich beispielsweise Abmessungen von Leiterbahnen bzw. Leiterflächen und Versorgungsspannungsbereichen bestehen. Die zweite Versorgungsspannungslage 160 ist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zwischen der ersten Versorgungsspannungslage 150 und der zweiten Innenlage 140 angeordnet bzw. gestapelt.
Die zweite Innenlage 140 kann der ersten Innenlage 130 entsprechen. Zwischen der zweiten Innenlage 140 und der ersten Innenlage 130 können geringfügige Abweichungen bzw. Unterschiede hinsichtlich beispielsweise Ausrichtung und Abmessungen von Leiterbahnen und Versorgungsspannungsbereichen bestehen. Die zweite Innenlage 140 ist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zwischen der zweiten Versorgungsspannungslage 160 und der zweiten Außenlage 120 angeordnet bzw. gestapelt.
Die zweite Außenlage 120 kann eine Bodenlage der Leiterplatte 100 repräsentieren. Die zweite Außenlage 120 der Leiterplatte 100 ist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel benachbart zu der zweiten Innenlage 140 angeordnet. Die zweite Außenlage 120 der Leiterplatte 100 kann ausgebildet sein, um an einem Trägerelement, beispielsweise innerhalb eines Fahrzeuggetriebes, angebracht zu werden. Dazu kann die zweite Außenlage 120 der Leiterplatte 100 eine zumindest teilweise plane Bodenfläche ausbilden. Bereiche der zweiten Außenlage 120 der Leiterplatte 100, in denen keine Leiterflächen gebildet sind, können einen Versorgungsspannungsbereich repräsentieren. Der Versorgungsspannungsbereich kann beispielsweise auf Massepotenzial liegen. Der Versorgungsspannungsbereich kann zusammenhängend ausgebildet sein oder einzelne Teilbereiche umfassen. In dem Versorgungsspannungsbereich kann die zweite Außenlage 120 der Leiterplatte 100 mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen Material, beispielsweise mit Kupfer, beschichtet bzw. geflutet sein. Die zweite Außenlage 120 wird unter Bezugnahme auf 8 noch weiter beschrieben.
Die Mikrodurchkontaktierungen 170 stellen eine Verbindung zwischen der ersten Außenlage 110 und der ersten Innenlage 130 sowie zwischen der zweiten Außenlage 120 und der zweiten Innenlage 140 her. Genauer gesagt stellen die Mikrodurchkontaktierungen 170 eine Verbindung zwischen einem Versorgungsspannungsbereich der ersten Außenlage 110 und einem Versorgungsspannungsbereich der ersten Innenlage 130 sowie zwischen einem Versorgungsspannungsbereich der zweiten Außenlage 120 und einem Versorgungsspannungsbereich der zweiten Innenlage 140 her. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 können beispielsweise Laserdurchkontaktierungen sein. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 sind mit einem wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, gefüllt. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 sind als Blindlöcher in der Leiterplatte 110, beispielsweise mittels Laser, gebohrt und mit dem leitfähigen Material verfüllt. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbinden die Mikrodurchkontaktierungen 170 zwei Lagen der Leiterplatte. Die Leiterplatte 100 weist eine Mehrzahl der Mikrodurchkontaktierungen 170 auf. Auch wenn es in 1 nicht explizit hervorgeht, sind die Mikrodurchkontaktierungen 170 in Gruppen bzw. Matrizen angeordnet. Aus Übersichtlichkeits- und Platzgründen sind in 1 lediglich zwei Mikrodurchkontaktierungen 170 mit Bezugszeichen versehen. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 sind unter Bezugnahme auf die 5, 6, 8, 11 und 12 noch weiter beschrieben. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 dienen der Wärmeübertragung jeweils zwischen den äußeren beiden Lagen 110, 130, 120, 140 der Leiterplatte 100. Durch eine großflächige Verteilung der Mikrodurchkontaktierungen 170 ist ein sehr schneller Wärmeübertrag realisierbar.
Die thermischen Durchkontaktierungen 190 sind in der Leiterplatte 100 durch alle Lagen 110, 130, 150, 160, 140 und 120 hindurch gebildet. Somit erstrecken sich die thermischen Durchkontaktierungen 190 von der ersten Außenlage 110 bis zu der zweiten Außenlage 120. Bei den thermischen Durchkontaktierungen 190 kann es sich um so genannte Thermal Vias handeln. Die thermischen Durchkontaktierungen 190 sind mit einem wärmeleitfähigen Material gefüllt. Im Bereich des Halbleiterchips 102 ist in 1 eine größere Anzahl von thermischen Durchkontaktierungen 190 in der Leiterplatte 100 gebildet als außerhalb des Bereichs des Halbleiterchips 102. Aus Übersichtlichkeits- und Platzgründen sind in 1 lediglich zwei thermische Durchkontaktierungen 190 mit Bezugszeichen versehen. Die thermischen Durchkontaktierungen 190 sind unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 noch weiter beschrieben.
2 zeigt eine Leiterplatte 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 2 ist die Leiterplatte 100 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Leiterplatte 100 kann hierbei der Leiterplatte aus 1 entsprechen, wobei sich die Anzahl der Mikrodurchkontaktierungen 170 unterscheidet. Aus Übersichtlichkeits- und Platzgründen sind in 2 die Lagen der Leiterplatte 100 nicht mit Bezugszeichen versehen. Die Lagen, sowie deren Abfolge, der Leiterplatte 100 entsprechen jenen der Leiterplatte aus 1.
2 zeigt zusätzlich zu 1 eine zwischen dem Halbleiterchip 102 und der ersten Außenlage angeordnete, freiliegende Anschlussfläche 206, Leiterbahnen 232 der ersten Innenlage, Leiterbahnen 252 sowie Versorgungsspannungsbereiche 254 der ersten Versorgungsspannungslage, und Leiterbahnen 262 sowie Versorgungsspannungsbereiche 264 der zweiten Versorgungsspannungslage. Bei der freiliegenden Anschlussfläche 206 kann es sich beispielsweise um eine Metallplatte oder dergleichen handeln. Die freiliegende Anschlussfläche 206 ist an einer der ersten Außenlage der Leiterplatte 100 zugewandten Oberfläche des Halbleiterchips 102 angeordnet. Die freiliegende Anschlussfläche 206 steht in Kontakt mit der ersten Außenlage der Leiterplatte 100. Die freiliegende Anschlussstelle 206 ist ausgebildet, um eine Wärmeabfuhr von dem Halbleiterchip 102 zu den thermischen Durchkontaktierungen 190 der Leiterplatte 100 im Bereich des Halbleiterchips 102 zu erleichtern. Alternativ oder zusätzlich kann die freiliegende Anschlussfläche 206 an einer von der ersten Außenlage der Leiterplatte 100 abgewandten Oberfläche des Halbleiterchips 102 angeordnet sein. In diesem Fall kann an der freiliegenden Anschlussfläche 206 eine zusätzliche Wärmesenke (nicht gezeigt) angebracht sein. Die Leiterbahnen 232 der ersten Innenlage können beispielsweise Signalleiterbahnen, Entflechtungskanäle oder dergleichen sein. Die Leiterbahnen 252 der ersten Versorgungsspannungslage und die Leiterbahnen 262 der zweiten Versorgungsspannungslage können Hochstromleiterbahnen sein. Die Leiterbahnen 252 der ersten Versorgungsspannungslage und die Leiterbahnen 262 der zweiten Versorgungsspannungslage können als Leiterflächen ausgeformt sein. Die Versorgungsspannungsbereiche 254 der ersten Versorgungsspannungslage und die Versorgungsspannungsbereiche 264 der zweiten Versorgungsspannungslage können auf einem unterschiedlichen Potenzial relativ zu den Leiterbahnen 252 und die Leiterbahnen 262 liegen.
3 zeigt eine Leiterplatte 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 3 ist die Leiterplatte 100 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Leiterplatte 100 kann hierbei der Leiterplatte aus 1 oder 2 entsprechen. Die Darstellung in 3 entspricht dabei weitgehend der Darstellung aus 1. Somit wird hinsichtlich 3 auf die Beschreibung bezüglich 1 verwiesen.
Anhand von 3 wird eine Durchkontaktierungstechnologie bzw. Viatechnologie für die HDLV-Matrix-Technologie für die Leiterplatte 100 erläutert. Alle diesbezüglichen Aussagen können auch auf die in den 1, 2 und 4 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele bezogen gesehen werden. Es gibt für das Thermomanagement lediglich drei relevante Durchkontaktierungs- bzw. Viatypen. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 bzw. Microlaservias in der ersten Außenlage 110 und der ersten Innenlage 130, die Mikrodurchkontaktierungen 170 bzw. Microlaservias in der zweiten Außenlage 120 und der zweiten Innenlage 140, und schließlich die thermischen Durchkontaktierungen 190 bzw. durchkontaktierten Thermovias durch alle Lagen der Leiterplatte 100 hindurch. Die genauen Durchmesser der einzelnen Durchkontaktierungen ergeben sich aus der jeweiligen Fertigungsnotwendigkeit für die Leiterplatte 100. Anteilsmäßig ist die Zahl der Mikrodurchkontaktierungen 170 in HDLV-Matrix-Technologie gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung stark erhöht. Die Schichtdicken der Versorgungsspannungsbereiche bzw. Kupferlagen in den einzelnen Lagen, wobei die Versorgungsspannungslagen eine Variable bezüglich der Grundkupferstärke darstellen, können beispielsweise betragen: 18µm Grundkupfer in der ersten Außenlage 110, 12–18 µm Grundkupfer in der ersten Innenlage 130, 35–400 µm Grundkupfer in den Versorgungsspannungslagen 150, 160, 12–18µm Grundkupfer in der zweiten Innenlage 140 und 18µm Grundkupfer in der zweiten Außenlage 120. Die Leiterplatte 100 ist es somit symmetrisch aufgebaut. Die Endkupferstärken können durch ein Aufkupfern beim Produktionsprozess beeinflusst werden.
4 zeigt eine Leiterplatte 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 4 ist die Leiterplatte 100 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Leiterplatte 100 kann hierbei der Leiterplatte aus 1 oder 2 oder 3 entsprechen. Es werden somit lediglich in 4 zusätzlich gezeigte Elemente der Leiterplatte 100 beschrieben. Hinsichtlich aller übrigen Elemente wird auf die Beschreibung bezüglich der 1 bis 3 verwiesen. Aus Übersichtlichkeits- und Platzgründen sind in 4 die Lagen der Leiterplatte 100 nicht mit Bezugszeichen versehen. Die Lagen, sowie deren Abfolge, der Leiterplatte 100 entsprechen jenen der Leiterplatte aus 1.
In 4 sind zusätzlich zu 1 ein erster thermischer Widerstand Rth1, ein zweiter thermischer Widerstand Rth2 und ein dritter thermischer Widerstand Rth3 gezeigt. Der erste thermische Widerstand Rth1 bezieht sich die erste Außenlage und die erste Innenlage. Der zweite thermische Widerstand Rth2 bezieht sich auf die erste und die zweite Versorgungsspannungslage. Der dritte thermische Widerstand Rth3 bezieht sich auf die zweite Außenlage und die zweite Innenlage. Aus den thermischen Widerständen Rth1, Rth2 und Rth3 ergibt sich der thermische Gesamtwiderstandes in Dickenrichtung bzw. Z-Richtung der Leiterplatte 100.
Indem die erste Außenlage und die erste Innenlage sowie die zweite Außenlage und die zweite Innenlage durch die Verwendung der Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen 170 in HDLV-Matrix-Technologie sehr stark miteinander verkoppelt sind, wird der thermische Gesamtwiderstand gesenkt. Ebenso senken die Versorgungsspannungslagen mit Dickkupfer den thermischen Gesamtwiderstand. Durch diesen Aufbau der Leiterplatte 100 erhöht sich das Kupfervolumen bezogen auf das Volumen der kompletten Leiterplatte 100. Die Versorgungsspannungslagen dienen zur Führung des Hochstroms. Die in den Versorgungsspannungslagen angeordneten, von Hochstrom durchflossenen Leiterbahnen erwärmen sich durch das umgebene Kupfer lediglich langsam. Es ergibt sich eine Trägheit durch umgebendes Kupfer. Das restliche Kupfer dient dann noch als Kapazitätspuffer für hohe Temperaturbelastungen. Generell müssen Leistungsteil und Steuerteil nicht thermisch getrennt sein, womit auch keine getrennten Masseleitungen und Masseflächen vorgesehen sein müssen. Es gibt nur eine komplette Massefläche, die zur horizontalen thermischen Spreizung dient. Die vertikale Ableitung (Rth) der Wärme wird durch die thermischen Durchkontaktierungen 190 ebenfalls erheblich verbessert. Die erste Außenlage und die erste Innenlage sowie die zweite Außenlage und die zweite Innenlage sind über die Matrizen von Mikrodurchkontaktierungen 170 Thermisch miteinander verkoppelt. Somit ergibt sich eine bessere thermische Kapazität (Cth). Entflechtungskanäle und thermische Kanäle sind für eine optimale Wärmekapazität bzw. thermische Ableitung eingebracht.
5 zeigt eine erste Außenlage 110 einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Bei der ersten Außenlage 110 kann es sich um die erste Außenlage aus einer der 1 bis 4 handeln. Gezeigt sind der Halbleiterchip 102, der über die Chipanschlüsse 104 an Anschlussflächen 112 der ersten Außenlage 110 angeschlossen ist, und eine Mehrzahl der Mikrodurchkontaktierungen 170 sowie der thermischen Durchkontaktierungen 190. In der Draufsicht von 5 können weitere Mikrodurchkontaktierungen 170 und alternativ oder zusätzlich weitere thermische Durchkontaktierungen 190 durch den Halbleiterchip 102 verdeckt sein. Bei dem Halbleiterchip 102, den Chipanschlüssen 104 und den Anschlussflächen 112 kann es sich um Elemente handeln, die einem Fachmann auf dem relevanten Gebiet gut bekannt sind. Daher wird auf eine eingehendere Beschreibung dieser Elemente hier verzichtet. Die erste Außenlage 110 weist hauptsächlich Bauteile in Gestalt des Halbleiterchips 102 und kurze direkte Leiterverbindungen sowie eine Trägerschicht für gelötete Komponenten auf. Ansonsten ist die erste Außenlage 110 zur Ausbildung eines Versorgungsspannungsbereichs mit Kupfer auf Massepotenzial geflutet, womit sich eine gute thermische Anbindung des Halbleiterchips 102 an die erste Außenlage 110 sowie der ersten Außenlage 110 an weitere Lagen der Leiterplatte.
Die Mikrodurchkontaktierungen 170 sind in Matrizen angeordnet. Insbesondere sind die Mikrodurchkontaktierungen 170 gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu jeweils neun Mikrodurchkontaktierungen 170 pro Matrize zusammengefasst. Jede Matrizen weist somit neuen Mikrodurchkontaktierungen 170 auf. In 5 sind beispielhaft neun Matrizen mit jeweils neun Mikrodurchkontaktierungen 170 dargestellt. Die neun Matrizen mit Mikrodurchkontaktierungen 170 bilden ihrerseits eine Anordnung mit drei Teilen und drei Spalten mit Matrizen auf der ersten Außenlage 110. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 sind in dem Versorgungsspannungsbereich der Außenlage 110 gebildet. Die thermischen Durchkontaktierungen 190 sind in Randbereichen der ersten Außenlage 110 angeordnet. In 5 sind beispielhaft sechs thermische Durchkontaktierungen 190 gezeigt. Die thermischen Durchkontaktierungen 190 sind in zwei Gruppen angeordnet. Hierbei sind drei thermische Durchkontaktierungen 190 in einer ersten Gruppe in einer Linie entlang einer ersten Schmalseitenkante der ersten Außenlage 110 angeordnet. Die restlichen drei thermischen Durchkontaktierungen 190 sind in einer zweiten Gruppe in einer Linie entlang einer zweiten Schmalseitenkante der ersten Außenlage 110 angeordnet. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 sind zwischen den beiden Gruppen der thermischen Durchkontaktierungen 190 angeordnet. Es ist zu beachten, dass die in 5 gezeigte Anordnung und die Anzahl der Mikrodurchkontaktierungen 170 sowie der thermischen Durchkontaktierungen 190 lediglich beispielhaft sind und in der Praxis von dem Gezeigten abweichen können.
Anders ausgedrückt kann 5 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sein. Die erste Außenlage 110 der Leiterplatte verdeckt in der Ansicht von 5 alle übrigen Lagen der Leiterplatte. Die Leiterplatte kann Teil eines Steuergeräts für ein Fahrzeuggetriebe sein. Bei der Leiterplatte kann es sich auch um ein Steuergerät für ein Fahrzeuggetriebe handeln, wobei ein Gehäuse, in dem die Leiterplatte zumindest teilweise aufgenommen sein kann, nicht dargestellt ist.
6 zeigt eine erste Innenlage 130 einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Bei der ersten Innenlage 130 kann es sich um die erste Innenlage aus einer der 1 bis 4 handeln. Die erste Innenlage 130 weist eine Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen 170, eine Mehrzahl von thermischen Durchkontaktierungen 190 und eine Mehrzahl von Entflechtungskanälen in Gestalt von Leiterbahnen 232 auf. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 und die thermischen Durchkontaktierungen 190 entsprechen hierbei in Anzahl und Anordnung diesen der ersten Außenlage aus 5. Die Leiterbahnen 232 sind in parallel verlaufenden Gruppen zwischen den Matrizen der Mikrodurchkontaktierungen 170 angeordnet. Von links nach rechts in 6 ergibt sich somit eine spaltenweise Abfolge von drei thermischen Durchkontaktierungen 190 untereinander, drei Matrizen mit je neun Mikrodurchkontaktierungen 170 untereinander, einer Gruppe von beispielhaft vier Leiterbahnen 232 nebeneinander, drei weiteren Matrizen mit je neun Mikrodurchkontaktierungen 170 untereinander, einer weiteren Gruppe von beispielhaft vier Leiterbahnen 232 nebeneinander, noch drei Matrizen mit je neun Mikrodurchkontaktierungen 170 untereinander und drei weiteren thermischen Durchkontaktierungen 190 untereinander. Die erste Innenlage 130 dient zur Entflechtung von Steuer- und Kommunikationsverbindungen in der Leiterplatte. Die erste Innenlage 130 weist dazu eine Feinstleiterstruktur (nicht gezeigt) auf. Freie Flächen werden mit Kupfer geflutet, um einen Versorgungsspannungsbereich auszubilden, und mit Mikrodurchkontaktierungen 170 in HDLV-Matrix-Technologie gefüllt. Die erste Innenlage 130 kann hierbei identisch oder beinahe identisch mit der zweiten Innenlage aus den 1 bis 4 sein. Die erste und die zweite Innenlage sind für die Entflechtung der Leiterplatte vorgesehen, wobei eine Lage die vertikale bzw. horizontale Entflechtungsrichtung realisieren kann. Grundsätzlich können die nicht für Leiterbahnen benötigten Flächen mit Kupfer geflutet sein. Kanäle für Entflechtung in Gestalt der Leiterbahnen 232 und Einrichtungen zum Thermomanagement in Gestalt der Mikrodurchkontaktierungen 170 wechseln sich ab.
7 zeigt eine erste Versorgungsspannungslage 150 einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Bei der ersten Versorgungsspannungslage 150 kann es sich um die erste Versorgungsspannungslage aus einer der 1 bis 4 handeln. Die erste Versorgungsspannungslage 150 weist eine Mehrzahl von thermischen Durchkontaktierungen 190 auf. Die thermischen Durchkontaktierungen 190 entsprechen hierbei in Anzahl und Anordnung diesen der ersten Außenlage aus 5 sowie der ersten Innenlage aus 6. Die erste Versorgungsspannungslage 150 weist auch Leiterbahnen 252 und Versorgungsspannungsbereiche 254 auf. Bei den Leiterbahnen 252 kann es sich um Hochstromleiterbahnen handeln. Die erste Versorgungsspannungslage 150 weist somit Leiterbahnen 252 für einen Hochstrom auf. Ansonsten ist erste Versorgungsspannungslage 150 mit Massefläche in Gestalt der Versorgungsspannungsbereiche 254 geflutet. Die Eigenschaft zur Aufnahme kurzzeitiger Temperaturstöße, also die thermische Kapazität (Cth), der ersten Versorgungsspannungslage 150 erhöht sich dadurch. Technologisch zählt die erste Versorgungsspannungslage 150 zur Dickkupfertechnologie (Dicke der Versorgungsspannungsbereiche von z.B. 35µm–400µm). Die erste Versorgungsspannungslage 150 kann hierbei identisch oder beinahe identisch mit der zweiten Versorgungsspannungslage aus den 1 bis 4 sein. Die Versorgungsspannungslagen sind für Hochstromleiterbahnen konzipiert. Der Rest der Versorgungsspannungslagen außerhalb der Leiterbahnen ist beispielsweise mit Kupfer geflutet. Die geflutete Kupferfläche weist einen hohen Kapazitätscharakter (Cth) und ebenso ein verbessertes Ableitungsverhalten der Wärme (Rth) auf.
8 zeigt eine zweite Außenlage 120 einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Bei der zweiten Außenlage 120 kann es sich um die zweite Außenlage aus einer der 1 bis 4 handeln. Die zweite Außenlage 120 weist eine Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen 170, eine Mehrzahl von thermischen Durchkontaktierungen 190, eine Leiterfläche 822 und einen Versorgungsspannungsbereich 824 auf. Die zweite Außenlage 120 weist eine möglichst homogene Fläche auf. Dies führt zu einem guten Kontakt zu einem Trägerelement, indem die Leiterplatte angebracht wird, beziehungsweise zu einem dazwischenliegenden Gapfiller. So ergibt sich eine großflächige Abgabe der Wärme an ein Trägerelement, beispielsweise in ein mechanisches Gehäusesystem einer Getriebesteuerung eines Fahrzeugs. Die HDLV-Matrix-Technologie ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Wärme. Die zweite Außenlage 120 fungiert als eine Kontaktfläche zu einem Trennelement bzw. zu Wärmesenken und ggf. auch über Folien oder Wärmeleitpasten. Die Kontaktflächen, d.h. die Leiterfläche 822 und der Versorgungsspannungsbereiche 824, sind beispielsweise komplett mit Kupfer geflutet. Unterschiedliche Potentiale sind als Flächen ausgebildet. Wärme aus der Leiterplatte kann an der zweiten Außenlage 120 über die thermischen Durchkontaktierungen 190, die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen 170 und den beispielsweise Kupfer enthaltenen Versorgungsspannungsbereiche 824 an ein Trägerelemente abgegeben werden.
9 zeigt Mikrodurchkontaktierungen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht. Gezeigt ist ein Schnitt durch beispielhaft vier Mikrodurchkontaktierungen 170 durch eine äußere Lage einer Leiterplatte. Bei den Mikrodurchkontaktierungen 170 handelt es sich hierbei um beispielsweise mit Kupfer gefüllte Laserdurchkontaktierungen. Durch die Füllung mit Kupfer ergibt sich eine hohe thermische Kopplung zwischen beidseitig der äußeren Lage angeordneten Schichten aus thermisch und elektrisch leitfähigem Material.
10 zeigt Mikrodurchkontaktierungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht. Gezeigt ist ein Schnitt durch beispielhaft fünf Mikrodurchkontaktierungen 170 durch zwei Lagen einer Leiterplatte. Bei den Mikrodurchkontaktierungen 170 handelt es sich beispielsweise hierbei um mit Kupfer ausgekleidete oder mit Kupferhülsen versehene Laserdurchkontaktierungen.
Eine Darstellung der HDLV-Matrix-Technologie ist mit beiden Mikrodurchkontaktierungstypen aus den 9 und 10 möglich.
11 zeigt eine Anordnung von Mikrodurchkontaktierungen 170 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Mikrodurchkontaktierungen 170 sind hierbei in einer Matrix mit Spalten X und Zeilen Y angeordnet. Gezeigt sind neun Mikrodurchkontaktierungen 170, die in einer Matrix mit drei Spalten und drei Zeilen angeordnet sind. Es kann sich hierbei um eine Matrix von Mikrodurchkontaktierungen 170 handeln, wie sie in den 5 bis 8 dargestellt ist. Eine HDLV-Matrix kann beispielsweise 3 bis 6 Spalten X und 3 bis 6 Zeilen Y aufweisen. Ein Abstand von einer Mitte einer Mikrodurchkontaktierung 170 zu einer Mitte einer anderen Mikrodurchkontaktierung 170 innerhalb der Matrix kann beispielsweise 0.3 mm betragen. Eine Laserbohrung kann beispielsweise 0.1mm messen und die Mikrodurchkontaktierung kann 0.3 mm messen. Es ist eine Matrix von X mal Y möglich, wobei X gleich Y sein kann.
12 zeigt eine Anordnung von Mikrodurchkontaktierungen 170 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 12 sind beispielhaft neun Mikrodurchkontaktierungen 170 gezeigt. Die Anordnung der Mikrodurchkontaktierungen 170 in 12 ist hierbei um etwa 45° bezüglich der Anordnung in 11 versetzt. Die versetzte Anordnung kann eine Anpassung der Mikrodurchkontaktierungen 170 an Leiterbahnzüge erleichtern. Es ist ein beliebiger Winkel bei der versetzten Anordnung möglich. Genau gesagt sind die Mikrodurchkontaktierungen 170 versetzt zueinander angeordnet, so dass sich eine parallelogrammförmige Anordnung ergibt.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 werden im Folgenden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nochmals zusammenfassend erläutert. Allgemein ist anzumerken, dass weder die Anzahl der verwendeten Kupferlagen noch deren Dicken einschränkend sind, es wurde lediglich versucht, anhand eines konkreten Beispiels das den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Konzept zu beschreiben. Das gleiche gilt für die Anzahl der HDLVs. Dem Fachmann ist selbstverständlich klar, dass er die Anzahl und/oder Dicke und/oder Lagenmenge beliebig variieren kann. Über die strategische Topologie gemäß Ausführungsbeispiel in der vorliegenden Erfindung lässt sich Wärme über Leiterbahnen bzw. Leiterflächen und über Durchkontaktierungen ableiten. Dazu wurde die Topologie von Durchkontaktierungen und Leiterbahnen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung entwickelt. Dabei sind die erste Außenlage 110 und die erste Innenlage 130, sowie die zweite Außenlage 120 und die zweite Innenlage 140 mit der HDLV-Matrix aus den Mikrodurchkontaktierungen 170 thermisch verkoppelt. Die Versorgungsspannungslagen 150 und 160 für Hochstrom sind im Inneren der Leiterplatte angeordnet. Durch das umgebende Kupfer wird dort ein verlangsamter Temperaturanstieg erzielt. Für das Entflechtungsprinzip werden 3 Durchkontaktierungstypen benötigt: die Mikrodurchkontaktierungen 170 zwischen der ersten Außenlage 110 und ersten Innenlage 130, die Mikrodurchkontaktierungen 170 zwischen der zweiten Außenlage 120 und der zweiten Innenlage 140, und die thermischen Durchkontaktierungen 190 durch alle Lagen der Leiterplatte 100. Die Leiterbahnen und Durchkontaktierungen werden so angeordnet, dass sich thermische Kanäle und Kanäle zur Entflechtung abwechseln. Die thermischen Durchkontaktierungen 190 stellen die thermische Verbindung zu allen Lagen her. Da die zweite Außenlage 120 großflächig mit einem Trägerelement, beispielsweise einem Gehäuse einer Getriebesteuerung, thermisch verbunden werden kann, ist auch eine gute thermische Ableitung erzielbar. Zusammenfassend verwenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den thermischen Durchkontaktierungen 190 auch HDLV-Matrizen aus Mikrodurchkontaktierungen 170 zur Verbesserung der Entwärmung der Leiterplatte 100. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung des thermischen Gesamtwiderstands, also eine Verbesserung des thermischen Gesamtwiderstandes in Z-Richtung der Leiterplatte 100, ein insgesamt verbessertes Wärmemanagement und eine verbesserte Entwärmung für die Leiterplatte 100. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit eine Verbesserung der Leiterplatte 100 bzw. des Hochtemperaturboards mit einer Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen 170 in HDLV-Matrix-Technologie.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Auch wenn die vorbeschriebene HDLV-Matrix vorzugsweise in Verbindung mit Leiterplatten von Getriebesteuergeräten für Kraftfahrzeuge beschrieben worden ist, so kann die bevorzugte HDLV-Matrix auch für Leiterplatten für andere elektronische Geräte für Leistungselektronik Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

100: Leiterplatte
102: Halbleiterchip
104: Chipanschluss
110: erste Außenlage
112: Anschlussfläche
120: zweite Außenlage
130: erste Innenlage
140: zweite Innenlage
150: erste Versorgungsspannungslage
160: zweite Versorgungsspannungslage
170: Mikrodurchkontaktierung
180: Durchkontaktierung
190: thermische Durchkontaktierung
206: freiliegende Anschlussfläche
232: Leiterbahn
252: Leiterbahn
254: Versorgungsspannungsbereich
262: Leiterbahn
264: Versorgungsspannungsbereich
Rth1: erster thermischer Widerstand
Rth2: zweiter thermischer Widerstand
Rth3: dritter thermischer Widerstand
822: Leiterfläche
824: Versorgungsspannungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008029410 A1 [0003]

Claims

Leiterplatte (100) mit mehreren Lagen, die zumindest eine Außenlage (110, 120) und zumindest eine an die Außenlage (110, 120) angrenzende Innenlage (130, 140) aufweisen, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen (170), die zwischen einem Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Außenlage (110, 120) und einem Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Innenlage (130, 140) gebildet sind.
Leiterplatte (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen (170) in zumindest einer Gruppe angeordnet ist, wobei zwischen benachbarten Mikrodurchkontaktierungen (170) innerhalb der zumindest einen Gruppe keine Leiterbahn angeordnet ist.
Leiterplatte (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen (170) zumindest teilweise mit einem wärmeleitfähigen Material gefüllt ist.
Leiterplatte (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannungsbereiche jene Abschnitte der zugehörigen Lagen umfassen, in denen keine Leiterbahnen gebildet sind, wobei die Versorgungsspannungsbereiche aus einem wärmeleitfähigen und elektrisch leitfähigen Material gebildet sind.
Leiterplatte (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsspannungsbereich ein Massebereich ist und die Innenlage (130, 140) eine Signallage mit einer Mehrzahl von Leiterbahnen (232) ist.
Leiterplatte (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die zumindest eine Versorgungsspannungslage (150, 160) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Versorgungsspannungsbereich (254, 264) der zumindest einen Versorgungsspannungslage (150, 160) eine größere Dicke als der Versorgungsspannungsbereich der zumindest einen Außenlage (110, 120) und/oder der zumindest einen Innenlage (130, 140) aufweist.
Leiterplatte (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (100) eine erste Außenlage (110) sowie eine erste Innenlage (130), zwischen denen eine erste Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen (170) gebildet ist, und eine zweite Außenlage (120) sowie eine zweite Innenlage (130) aufweist, zwischen denen eine zweite Mehrzahl von Mikrodurchkontaktierungen (170) gebildet ist, wobei zwischen der ersten Innenlage (130) und der zweiten Innenlage (140) zwei Versorgungsspannungslagen (150, 160) angeordnet sind.
Leiterplatte (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine mit einem wärmeleitfähigen Material verfüllte Durchkontaktierung (190), die durch alle Lagen (110, 120, 130, 140, 150, 160) der Leiterplatte (100) hindurch gebildet ist.
Leiterplatte (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Gruppe von Mikrodurchkontaktierungen (170) zumindest neun Mikrodurchkontaktierungen (170) aufweist, wobei ein Abstand benachbarter Mikrodurchkontaktierungen (170) innerhalb der zumindest einen Gruppe maximal 0,85 mm beträgt.
Steuergerät für ein Getriebe eines Fahrzeugs mit einer Leiterplatte (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.