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Die Erfindung betrifft eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte.
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Aus dem Stand der Technik sind Hochstromleiterplatten bekannt. Hohe elektrische Ströme können in der Hochstromleiterplatte durch Stromleitungsschichten zu Leistungsschaltern geleitet werden. Die die Hochstromleiterplatten durchströmenden hohen Ströme verursachen elektromagnetische und/oder thermische Felder, die jeweils von einer stromführenden Schicht ausgehen. Diese Felder beeinträchtigen benachbarte Schichten der Hochstromleiterplatte, die beispielsweise zur Realisierung von Schaltsignalen oder zur Stromverteilung vorgesehen sind. Es ist nicht oder nur begrenzt möglich, die resultierenden Felder zumindest teilweise abzuschirmen. Aus diesem Grund sind Hochstromleiterplatten, bei welchen die Funktion der Leitung hoher Ströme mit der Funktion des Ansteuerns von Schaltungen für Leistungshalbleiter, insbesondere im Bereich der Feinstleitertechnik, vereint sind, nicht bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte zu schaffen, die die Funktionen der Leitung hoher Ströme und des Ansteuerns von Schaltungen für Leistungshalbleiter vereint.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Die Hochstromleiterplatte umfasst eine mehrere Dicklagen aufweisende Stromleitungsschicht zum Leiten von elektrischem Strom, insbesondere von Hochstrom, der insbesondere mindestens mehrere 100 A, insbesondere mindestens 500 A und insbesondere mindestens 1000 A beträgt. Weiterhin umfasst die Hochstromleiterplatte eine mindestens einen Leistungsschalter zum Schalten eines mit der Hochstromleiterplatte verbindbaren Verbrauchers aufweisende Schaltschicht sowie eine mindestens ein Ansteuerelement aufweisende Ansteuerschicht zum Ansteuern des mindestens einen Leistungsschalters. Insbesondere sind die Schaltschicht, die Stromleitungsschicht und die Ansteuerschicht übereinander angeordnet, wobei die Stromleitungsschicht zwischen der Schaltschicht und der Ansteuerschicht angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Hochstromleiterplatte mindestens ein Abschirmelement zum Abschirmen der Stromleitungsschicht gegenüber der Schaltschicht und gegenüber der Ansteuerschicht. Dadurch ist gewährleistet, dass hoher Strom durch die Stromleitungsschicht, die mehrere Dicklagen aufweist, geleitet werden kann, wobei durch den Stromfluss verursachte elektrische, magnetische und/oder thermische Felder von der mindestens einen Abschirmschicht zuverlässig abgeschirmt werden. Die Funktion der Schaltschicht, also das Schalten eines Verbrauchers, und die Funktion der Ansteuerschicht, also das Ansteuern des mindestens einen Leistungsschalters, werden durch den Stromfluss in der Stromleitungsschicht nicht beeinträchtigt. Die vorliegende Leiterplatte ermöglicht eine gezielte Abschirmung und Entkopplung der trennbaren Einzelfunktionen, nämlich Hochstromführung, Ansteuerung, Stromverteilung und Schaltung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hochstromleiterplatte ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der die Stromleitungsschicht mindestens vier Dicklagen aufweist, wobei mindestens eine Stromhinleitungs-Dicklage zum Stromhinleiten von einer mit der Hochstromleiterplatte verbindbaren Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie, über die Hochstromleiterplatte zu einem mit der Hochstromleiterplatte verbindbaren Verbraucher, insbesondere einem Elektromotor, und mindestens eine Stromrückleitungs-Dicklage zum Stromrückleiten von dem Verbraucher über die Hochstromleiterplatte zu der Spannungsquelle vorgesehen sind. Es ist auch möglich, dass mehr als vier Dicklagen vorgesehen sind. Insbesondere beträgt die Anzahl der Dicklagen m + n + 2, wobei n die Anzahl der Stromhinleitungslagen, m die Anzahl der Rückleitungslagen beschreibt. Die 2 außenliegenden Dicklagen erfüllen zusätzlich Abschirmfunktionen. Insbesondere kann m ungleich n sein. Die Dicklagen ermöglichen eine Vergrößerung des Flächenanteils in der Stromleitungsschicht. Mögliche elektrische und/oder thermische Verluste in Folge des sogenannten Skin-Effekts, wonach Strom auf eine Leiteroberfläche verdrängt wird und somit den effektiven stromtragenden Querschnitt verkleinert, sind reduziert. Selbst steilflankige und hochfrequente Schaltvorgänge in dem mindestens einen Leistungsschalter führen nicht zu einer Erhöhung des elektrischen Leitungswiderstands. Der elektrische Leitungswiderstand ist nicht erhöht.
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Besonders günstig ist eine Ausgestaltung, bei der die mindestens vier Dicklagen derart symmetrisch angeordnet sind, dass von den Dicklagen verursachte elektromagnetische Felder einander entgegengesetzt orientiert sind. Insbesondere kompensieren sich die von den Dicklagen verursachten elektromagnetischen Felder. Insbesondere kompensieren sich die elektromagnetischen Felder vollständig.
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Besonders günstig ist eine Anordnung der vier Dicklagen derart, dass sie spiegelsymmetrisch zu einer virtuellen Mittenlage der Hochstromleiterplatte angeordnet sind. Beispielsweise ist jeweils benachbart zu der virtuellen Mittenlage eine Stromrückleitungs-Dicklage und jeweils eine durch die Stromhinleitungs-Dicklage von der virtuellen Mittenlage getrennte Stromleitungs-Dicklage vorgesehen. Aufgrund der symmetrischen Stromleitung können auch hohe Ströme effektiv in den Dicklagen geführt werden. Beispielsweise ist eine effektive Elimination zeitlich schnell veränderlicher magnetischer Felder in Folge einer Änderung der Stromstärke in Abhängigkeit der Zeit erreichbar.
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Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der die mindestens vier Dicklagen jeweils aus Kupfer bestehen und jeweils eine, insbesondere konstante Schichtdicke von etwa 105 µm bis maximal 400µm, insbesondere 105µm, 210µm oder 400 µm aufweisen. Durch derart ausgeführte Dicklagen kann ausreichend Strom geführt werden.
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Günstig ist eine Ausgestaltung, wobei die mindestens zwei Stromhinleitungs-Dicklagen jeweils entlang einer leiterplatteninternen Stromleitungsrichtung eine veränderliche Dicklagen-Querschnittsfläche aufweisen. Eine leiterplatteninterne Stromhinleitungsrichtung ist insbesondere von dem mindestens einen Ansteuerelement zu dem mindestens einen Leistungsschalter gerichtet. Eine leiterplatteninterne Stromrückleitungsrichtung ist insbesondere von dem mindestens einen Leistungsschalter zu dem mindestens einen Ansteuerelement gerichtet. Entlang der leiterplatteninternen Stromhinleitungsrichtung ist die Dicklagen-Querschnittsfläche zumindest abschnittsweise abnehmend ausgeführt. Entlang der leiterplatteninternen Stromrückleitungsrichtung ist die veränderliche Dicklagen-Querschnittsfläche zunehmend ausgeführt. Insbesondere führt die leiterplatteninterne Stromrückleitungsrichtung von dem mindestens einen Leistungsschalter zu dem mindestens einen Ansteuerelement. Dadurch ist eine geometrische Stromverteilung gewährleistet. Das bedeutet, dass eine leistungsgerechte und/oder leistungserforderliche Stromhinleitung zu den jeweiligen Leistungsschaltern und Stromrückleitung von den jeweiligen Leistungsschaltern möglich ist. Die jeweilige Dicklagen-Querschnittsfläche ist dem erforderlichen, durch die Dicklage zu führenden Strom angepasst. Das bedeutet, dass je höher der zu führende Strom in der Dicklage ist, desto größer ist die Dicklagen-Querschnittsfläche. Die Stromhinleitungs-Dicklagen sind an den jeweils damit verbundenen Leistungsschalter entsprechend angepasst. Die Dicklagen-Querschnittsfläche kann also dort gezielt reduziert werden, wo keine großen Ströme auftreten. Dadurch können zu groß dimensionierte Dicklagen-Querschnittsflächen vermieden werden. Zu groß dimensionierte Dicklagen-Querschnittsflächen erfordern einen erhöhten Platzbedarf. Die erfindungsgemäße Hochstromleiterplatte kann kleinbauend, kompakt ausgeführt sein. Gleichermaßen ist vermieden, dass die Dicklagen-Querschnittsfläche zu klein ist. Eine für die Stromleitung erforderliche Dicklagen-Querschnittsfläche ist gewährleistet. Dadurch können Verlustleistung und dadurch entstehende Wärmeentwicklung vermieden werden. Erfindungsgemäß wurde also erkannt, dass eine entlang der leiterplatteninternen Stromhinleitungsrichtung und/oder der leiterplatteninternen Stromrückleitungsrichtung konstante Dicklagen-Querschnittsfläche physikalisch überflüssig und unzutreffend ist. Vorteilhafterweise ist die Dicklagen-Querschnittsfläche entlang der leiterplatteninternen Stromhinleitungsrichtung und/oder der leiterplatteninternen Stromrückleitungsrichtung den jeweiligen Erfordernissen der Stromleitung angepasst. Die erfindungsgemäße Hochstromleiterplatte kann energieschonend betrieben werden.
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Günstig ist eine Ausgestaltung mit einem ersten Abschirmelement zum Abschirmen der Stromleitungsschicht gegenüber der Schaltschicht und einem zweiten Abschirmelement zum Abschirmen der Stromleitungsschicht gegenüber der Ansteuerschicht. Dadurch ist eine zentrale Anordnung der Stromleitungsschicht zwischen der Schaltschicht und der Ansteuerschicht möglich. Eine derartige Hochstromleiterplatte ist robust ausgeführt.
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Besonders günstig ist eine Ausgestaltung, bei der das erste Abschirmelement die der Schaltschicht benachbarte Dicklage der Stromleitungsschicht ist und/oder das zweite Abschirmelement die der Ansteuerschicht benachbarte Dicklage der Stromleitungsschicht ist. Insbesondere sind das erste Abschirmelement und das zweite Abschirmelement jeweils als Stromrückleitungs-Dicklagen ausgeführt. Die beiden in der Stromleitungsschicht außenliegenden Dicklagen dienen zur Abschirmung. Diese Dicklagen ermöglichen eine Funktionsintegration. Insbesondere ist es nicht erforderlich, separate Abschirmelemente in die Hochstromleiterplatte zu integrieren.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Schaltschicht mindestens zwei Schaltschicht-Dünnlagen aufweist, wobei an einer, insbesondere außenliegenden, d.h. an einer Außenseite der Hochstromleiterplatte angeordneten, ersten Schaltschicht-Dünnlage der mindestens eine Leistungsschalter angebracht ist. Die erste Schaltschicht-Dünnlage ist mit einer, insbesondere innenliegenden, zweiten Schaltschicht-Dünnlage leitend verbunden. Insbesondere sind die erste Schaltschicht-Dünnlage und die zweite Schaltschicht-Dünnlage elektrisch und/oder thermisch leitend miteinander verbunden.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung derart, dass die mindestens zwei Schaltschicht-Dünnlagen durch mindestens eine Durchkontaktierung miteinander verbunden sind. Eine derartige Durchkontaktierung wird auch als Vertical Interconnect Access (VIA) bezeichnet. Die mindestens eine Durchkontaktierung kann als Mikro-VIA, insbesondere durch Laserbohren, hergestellt sein. Insbesondere ist die mindestens eine Durchkontaktierung mit Kupfer gefüllt. Eine derartige Durchkontaktierung wird auch als Mikro-VIA-Fill bezeichnet. Durch die Kupferfüllung ist der Kupferanteil der außenliegenden Schaltschicht-Dünnlagen erhöht. Die elektrische und thermische Verbindung zwischen den beiden Schaltschicht-Dünnlagen ist dadurch verbessert. Die in den Leistungsschaltern entstehende Wärme kann niederimpedant durch die beiden Schaltschicht-Dünnlagen geführt werden. Die entstehende Wärme kann also auf die beiden Schaltschicht-Dünnlagen aufgeteilt werden. Diese Aufteilung wird auch als Wärmespreizprinzip bezeichnet. Dadurch ist es möglich, auf konventionelle thermische Durchkontaktierungen zu verzichten oder zumindest die Anzahl von thermischen Durchkontaktierungen zu reduzieren. Die kupfergefüllten Durchkontaktierungen vergrößern eine Anbindungsfläche, über die die Hochstromleiterplatte mittels eines Wärmeleitmediums an einen Kühlkörper angebunden werden kann. Dadurch ist eine effektivere Kühlung der Hochstromleiterplatte, insbesondere der Leistungsschalter, möglich.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei die die Schaltschicht-Dünnlagen jeweils aus Kupfer bestehen und jeweils eine, insbesondere konstante, Schichtdicke von etwa 12 µm bis maximal 70 µm, insbesondere 12 µm, 18 µm, 35 µm oder 70 µm aufweisen. Die Dünnlagen sind unkompliziert und kostengünstig herstellbar. Die Dünnlagen sind an zu erwartende Anforderungen hinsichtlich der Stromleitung angepasst.
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Ansteuerschicht mindestens zwei Ansteuerschicht-Dünnlagen aufweist, wobei an einer, insbesondere außenliegenden, d.h. an einer Außenseite der Hochstromleiterplatte angeordneten, ersten Ansteuerschicht-Dünnlage das mindestens eine Ansteuerelement angebracht ist. Die erste Ansteuerschicht-Dünnlage ist mit einer, insbesondere innenliegenden, zweiten Ansteuerschicht-Dünnlage leitend verbunden. Insbesondere sind die Ansteuerschicht-Dünnlagen elektrisch und/oder thermisch leitend miteinander verbunden.
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Besonderes vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die mindestens zwei Ansteuerschicht-Dünnlagen durch mindestens eine Durchkontaktierung, insbesondere in Form eines lasergebohrten Mikro-VIA miteinander verbunden sind. Die mindestens eine Durchkontaktierung ist insbesondere hohl ausgeführt.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochstromleiterplatte angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Hochstromleiterplatte,
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2 eine schematische Seitenansicht der Hochstromleiterplatte gemäß 1,
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3 ein 2 entsprechender Längsschnitt durch die Hochstromleiterplatte und
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4 eine funktional schematisierte Darstellung der Funktionsschichten der erfindungsgemäßen mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte.
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Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten des im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiels können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
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1a und 1b zeigen eine schematische Anordnung einer elektrischen Schaltung, bei der ein Verbraucher 1, insbesondere ein Elektromotor, von einer Spannungsquelle 2, insbesondere einer Batterie, mit elektrischer Spannung versorgt wird. Die Stromzufuhr von der Spannungsquelle 2 zu dem Verbraucher 1 erfolgt durch einen Schaltvorgang mittels mindestens eines Leistungsschalters 3 einer Hochstromleiterplatte 4. Eine Strom-Hinleitung 5 verbindet die Spannungsquelle 2 mit der Hochstromleiterplatte 4. Eine Strom-Rückleitung 6 verbindet den Verbraucher 1 über die Hochstromleiterplatte 4 mit der Spannungsquelle 2. Durch das Schließen des mindestens einen Leistungsschalters 3 wird ein Stromfluss von der Spannungsquelle 2 über den Leistungsschalter 3 zu dem Verbraucher 1 und wieder zurück ermöglicht. Auf der Hochstromleiterplatte 3 werden Stromhin- und rückführung bis zu einer Systemgrenze, z.B. Kontakt oder Stecker (nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt.
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1a zeigt, dass eine Strom-Hinleitung 5 die Hochstromleiterplatte 4 mit dem Verbraucher 1 verbindet. 1b zeigt, dass drei Strom-Hinleitungen 5 die Hochstromleiterplatte 4 mit dem Verbraucher, insbesondere einem 3-phasigen Verbraucher verbinden.
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2 zeigt den mehrlagigen Aufbau der Hochstromleiterplatte 4. Gemäß dem schematischen Beispiel in 2 sind an der Hochstromleiterplatte 4 drei Leistungsschalter 3 vorgesehen. Die Leistungsschalter 3 sind als Leistungshalbleiter ausgeführt. Insbesondere sind die Leistungsschalter 3 als eine spezialisierte Version eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors ausgeführt, der auch als Leistungs-Mosfet bekannt ist. Die Leistungsschalter 3 sind gemäß der Darstellung in 2 an einer Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 angeordnet.
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Die Hochstromsleiterplatte 4 weist mehrere Schichten auf, die jeweils verschiedene Funktionen erfüllen. Eine in 4 oben dargestellte Ansteuerschicht 8 umfasst zwei Ansteuerschicht-Dünnlagen 9, 10. An einer der Unterseite gegenüberliegenden Oberseite der Hochstromleiterplatte 4 sind drei Ansteuerelemente 7 vorgesehen. Die erste, an der Außenseite der Hochstromleiterplatte 4 angeordnete Ansteuerschicht-Dünnlage 9 trägt die Ansteuerelemente 7. Zwischen der ersten Ansteuerschicht-Dünnlage 9 und der zweiten Ansteuerschicht-Dünnlage 10 ist eine isolierende Kunststofflage 11 vorgesehen. Die Kunststofflage 11 dient zur Isolierung der elektrisch leitenden Lagen 9, 10. Die Kunststofflage 11 ist beispielsweise ein Kunststoffharz, insbesondere ein Epoxidharz. Die Ansteuerschicht-Dünnlagen 9, 10 bestehen beispielsweise aus Kupfer und weisen eine Schichtdicke von etwa 12µm, 18µm, 35 µm oder 70µm auf. An einer der ersten Ansteuerschicht-Dünnlage 9 abgewandten Unterseite der zweiten Ansteuerschicht-Dünnlage 10 ist eine weitere Kunststofflage 11 der Ansteuerschicht 8 vorgesehen.
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An einer der Außenseite der Hochstromleiterplatte 4 gegenüberliegenden Seite der Ansteuerschicht 8 ist eine Stromleitungsschicht 12 vorgesehen. Die Stromleitungsschicht 12 umfasst vier Dicklagen 13, 14, 15 und 16, wobei jeweils zwei benachbarte Dicklagen 13 und 14, 14 und 15, 15 und 16 sowie 16 und 17 durch eine Kunststofflage 11 getrennt sind.
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Die Dicklagen 13 bis 16 sind jeweils als Kupfer-Lagen ausgeführt und weisen eine Schichtdicke von etwa 105µm, 210 µm oder maximal 400µm auf. Die beiden innenliegenden Dicklagen 14, 15 sind als Stromhinleitungs-Dicklagen ausgeführt. Die Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 sind mit den Strom-Hinleitungen 5 verbunden. Entsprechend sind die beiden außenliegenden Dicklagen 13, 16 als Stromrückleitungs-Dicklagen ausgeführt. Die Stromrückleitungs-Dicklagen 13, 16 sind mit der Strom-Rückleitung 6 verbunden. Die Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 dienen zum leiterplatteninternen Stromhinleiten von den Ansteuerelementen 7 zu den Leistungsschaltern 3 und zurück. Die Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 dienen zur Verbindung der Spannungsquelle 2 mit dem Verbraucher 1. Die Stromrückleitungs-Dicklagen 13, 16 dienen zum Stromrückleiten von dem Verbraucher 1 zu der Spannungsquelle 2 durch die Hochstrom-Leiterplatte 4. Die Stromleitungsschicht 12 ist achsensymmetrisch zu einer virtuellen Mittenlage 17 angeordnet. Die virtuelle Mittenlage 17 ist in 2 gestrichelt angedeutet. Die virtuelle Mittenlage 17 ist mittig in der zwischen den beiden Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 angeordneten Kunststofflage 11 angeordnet.
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An die Stromleitungsschicht 12 schließt sich eine Schaltschicht 18 an. Die Schaltschicht 18 umfasst zwei Kunststofflagen 11 und zwei Schaltschicht-Dünnlagen 19, 20, wobei an der ersten, außen angeordneten Schaltschicht-Dünnlage 20 die Leistungsschalter 3 angeordnet sind. Die Schaltschicht-Dünnlagen bestehen aus Kupfer und haben eine Schichtdicke von etwa 35 µm. Zwischen den beiden Schaltschicht-Dünnlagen 19, 20 ist eine Kunststofflage 11 vorgesehen.
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Im Folgenden wird anhand der 3 die Verbindung der Lagen 9, 10, 13 bis 16, 19 und 20 näher erläutert. Die 3 stellt einen vergrößerten Ausschnitt eines Vertikalschnitts durch die Hochstromleiterplatte 4 im Bereich der in 6 links dargestellten Leistungsschalters 3 dar. Aus 3 geht hervor, dass jeweils die Ansteuerschicht-Dünnlagen 9, 10 der Ansteuerschicht 8 und jeweils die Schaltschicht-Dünnlagen 19, 20 der Schaltschicht 18 durch eine nicht durchgängige Durchkontaktierung 28 bzw. 30 miteinander verbunden sind. Die Durchkontaktierung, die auch als VIA bezeichnet wird, ist insbesondere eine Mikro-VIA und wird insbesondere durch Laserbohren hergestellt. Die Ansteuerschicht-Dünnlagen 9, 10 verbindende Mikro-VIA 28 ist hohl ausgeführt. Weiterhin sind durchgängige Durchkontaktierungen 29 vorgesehen, die die Hochstromleiterplatte 4 durch alle Lagen hinweg durchsetzt. Die Schaltschicht-Dünnlagen 19, 20 sind durch Mikro-VIA 33 miteinander verbunden. Die Mikro-VIA 30 sind im Wesentlichen analog den Mikro-VIA 28 ausgeführt, wobei die Mikro-VIA 30 mit Kupfer gefüllt sind. Die Durchkontaktierungen 30 werden auch als Mikro-VIA-Fill bezeichnet. Die innenliegenden Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 dienen zur Stromhinleitung zu dem extern angebrachten Verbraucher 1. Die Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 dienen als positiv geschaltene Potenzialflächen zur Stromversorgung in der Hochstromleiterplatte 4. Die Stromrückleitungs-Dicklagen 13, 16 dienen zur Stromrückleitung. Gleichzeitig sind die Stromrückleitungs-Dicklagen 13, 16 durchgehend ausgeführt und stellen ein erstes und ein zweites Abschirmelement zum Abschirmen der Stromleitungsschicht 12 gegenüber der Ansteuerschicht 8 und gegenüber der Schaltschicht 18 dar. Die Abschirmelemente 13, 16 sind also in der Stromleitungsschicht 12 integriert ausgeführt.
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Die Leistungsschalter 3 ermöglichen eine Anbindung zu einer Wärmesenke beispielsweise einen Kühlkörper über Wärmeleitpasten oder Wärmeleitpads. Die Leistungsschalter 3 sind insbesondere durch hohe Stromänderungsraten pro Zeiteinheit gekennzeichnet. Derartige Stromwechsel sind aufgrund der Abschirmung der Stromleitungsschicht 12 unproblematisch. Insbesondere ist ein Skin-Effekt aufgrund einer erhöhten Dicklagen-Querschnittsfläche ausgeschlossen.
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Im Folgenden wird anhand der 4 die Stromführung innerhalb der Hochstromleiterplatte 4 näher erläutert. Der wesentliche Aufbau der Hochstromleiterplatte 4 entspricht den vorherigen Darstellungen ist insbesondere in den 2 und 3 dargestellt. An einer Oberseite der Hochstromleiterplatte 4 ist ein Ansteuerelement 7 exemplarisch vorgesehen. Es können auch weitere Ansteuerelemente 7 an der ersten Ansteuerschicht-Dünnlage 9 vorgesehen sein.
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An der Unterseite der Hochstromleiterplatte 4 sind die Leistungsschalter 3 an der ersten Schaltschicht-Dünnlage 20 angebracht. Eine Stromhinleitung von dem Ansteuerelement 7 zu den Leistungsschaltern 3 erfolgt über eine in 8 links an der ersten Ansteuerschicht-Dünnlage 9 angeordneten Stromhinleitung 31. Die Stromhinleitung 31 führt durch die Ansteuerschicht 8 mit den Ansteuerschicht-Dünnlagen 9, 10 und das erste Abschirmelement in Form der Stromrückleitungs-Dicklage 13 zu der Stromhinleitungs-Dicklage 15. Die Stromhinleitungs-Dicklage 15 gibt eine leiterplatteninterne Stromhinleitungsrichtung 32 vor. An einem links dargestellten Ende weist die Stromhinleitungs-Dicklage 15 eine maximale Dicklagenquerschnittsfläche auf. In diesem Bereich ist die Stromhinleitungs-Dicklage 15 geeignet, um maximalen Strom zu leiten. Ein zum Schalten des in 4 links dargestellten Leistungsschalters 3 erforderlicher Stromanteil wird über die Stromhinleitung durch die Stromrückleitungs-Dicklage 16 hindurch zu den Leistungsschaltern 3 geführt. Dieser abgezweigte Stromanteil muss im weiteren Verlauf entlang der Stromhinleitungsrichtung 32 nicht durch die Stromhinleitungs-Dicklage 15 geleitet werden. Entsprechend weist die Stromhinleitungs-Dicklage 15 nach der Abzweigung der Stromhinleitung 31 zu dem ersten Leistungsschalter 3 eine reduzierte Dicklagen-Querschnittsfläche auf. Insbesondere ist die Dicklagen-Querschnittsfläche der Stromhinleitungs-Dicklage 15 nach der Abzweigung der Stromhinleitung 31 um genau den Querschnittsanteil reduziert, der zum Leiten eines Stromanteils, der zur Versorgung des ersten Leistungsschalters 3 erforderlich ist, benötigt wird. Entlang der Stromhinleitungsrichtung 32 nimmt die Dicklagen-Querschnittsfläche der Stromhinleitungs-Dicklage 15 schrittweise ab. Wie in 4 dargestellt, weist die Stromhinleitungs-Dicklage eine treppenförmige Struktur entlang der Stromhinleitungsrichtung 32 auf. Es ist auch möglich, dass die Dicklagen-Querschnittsfläche entlang der Stromhinleitungs-Dicklage 15 kontinuierlich abnimmt, also rampenförmig ausgeführt ist.
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Entsprechend nimmt die Dicklagen-Querschnittsfläche entlang einer leiterplatteninternen Stromrückleitungsrichtung 34 der Stromhinleitungs-Dicklage 14 zu. Die Stromhinleitungs-Dicklage 14 ist über eine Stromrückleitung 33 mit den Ansteuerschicht-Dünnlagen 9, 10 der Ansteuerschicht 8 verbunden.
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Gemäß 4 sind sowohl die Stromhinleitungs-Dicklage 15 entlang der leiterplatteninternen Stromhinleitungsrichtung 20 und die Stromhinleitungs-Dicklage 15 entlang der leiterplatteninternen Stromrückleitungsrichtung 34 jeweils treppenförmig, also stufenweise veränderlich bezüglich der Dicklagen-Querschnittsfläche ausgeführt. Insbesondere sind die Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 derart ausgeführt und in der Hochstromleiterplatte 4, insbesondere in der Stromleitungsschicht 12 angeordnet, dass eine Gesamt-Dicklagen-Querschnittsfläche, die der Summe der Dicklagen-Querschnittsflächen der Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 entspricht, entlang der Stromleitungsrichtungen 32, 34 im Wesentlichen konstant ist. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass in dem Maße, in dem die Dicklagen-Querschnittsfläche der Stromhinleitungs-Dicklage 15 schrittweise abnimmt, die Dicklagen-Querschnittsfläche der Stromhinleitungs-Dicklage 14 schrittweise zunimmt. Dadurch ist es möglich, die beiden Stromhinleitungs-Dicklagen 14, 15 besonders platzsparend und kompakt in der Hochstromleiterplatte 4 anzuordnen.
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Unter der Voraussetzung, dass der Strombedarf für die einzelnen Leistungsschalter 3 jeweils identisch ist, beträgt die maximale Dicklagen-Querschnittsfläche die Summe der einzelnen Querschnittsflächen, die für die Leitung des Einzelstroms erforderlich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbraucher
- 2
- Spannungsquelle
- 3
- Leistungsschalter
- 4
- Hochstromleiterplatte
- 5
- Strom-Hinleitung
- 6
- Strom-Rückleitung
- 7
- Ansteuerelement
- 8
- Ansteuerschicht
- 9
- erste Ansteuerschicht-Dünnlage
- 10
- zweite Ansteuerschicht-Dünnlage
- 11
- Kunststofflage
- 12
- Stromleitungsschicht
- 13
- Stromrückleitungs-Dicklage
- 14
- Stromhinleitungs-Dicklage
- 15
- Stromhinleitungs-Dicklage
- 16
- Stromrückleitungs-Dicklage
- 17
- virtuelle Mittenlage
- 18
- Schaltschicht
- 19
- zweite Schaltschicht-Dünnlage
- 20
- erste Schaltschicht-Dünnlage
- 21
- Kupfer-Unterlage
- 22
- erste Durchkontaktierung
- 23
- zweite Durchkontaktierung
- 24
- Zwischenkreis-Kondensator
- 25
- Zufluss-Element
- 26
- Abfluss-Element
- 27
- Steuerelektrode
- 28
- Mikro-VIA zwischen Ansteuerschicht-Dünnlagen 9, 10
- 29
- Durchkontaktierung
- 30
- Mikro-VIA-Fill zwischen Schaltschicht-Dünnlagen 20, 19
- 31
- Stromhinleitung
- 32
- Leiterplatteninterne Stromhinleitungsrichtung
- 33
- Stromrückleitung
- 34
- Leiterplatteninterne Stromrückleitungsrichtung
