DE102013226513A1

DE102013226513A1 - Leiterplatte, Verfahren zum Herstellen derselben und Leiterplattenvorrichtung

Info

Publication number: DE102013226513A1
Application number: DE102013226513.1A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Lassmann; Michael Sperber; Matthias Held
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-18
Also published as: FR3015177A1; CN204482148U

Abstract

Es wird eine Leiterplatte (200) mit mehreren Lagen vorgeschlagen, die zumindest eine Außenlage (241, 246) mit mindestens einer ersten elektrischen Leitung und zumindest eine zu der Außenlage (241, 246) benachbarte Innenlage (243, 245) mit mindestens einer zweiten elektrischen Leitung aufweisen. Die Leiterplatte (200) ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung relativ zueinander deckungsgleich angeordnet sind. Dabei weist die Leiterplatte (200) zumindest eine lasererzeugte Durchkontaktierung (247) zum elektrischen und/oder thermischen Verbinden der zumindest einen Außenlage (241, 246) und der zumindest einen zu der Außenlage (241, 246) benachbarten Innenlage (243, 245) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte mit mehreren Lagen, auf eine Leiterplattenvorrichtung mit der Leiterplatte und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte mit mehreren Lagen.
Ein Hochvolt-System kann vielfältige Funktionalitäten umfassen. Hierbei können solche Funktionalitäten typischerweise auf verschiedene Schaltungsträger bzw. Leiterplatten aufgeteilt sein. Möglich ist beispielsweise, dass ein Steuerschaltungsträger für Signalerfassung oder -Verarbeitung vorgesehen ist, wobei Hochvolt-Leistungsschalter und deren Treibersteuerungen auf Treiberschaltungsträgern montiert sein können.
Die DE 10 2011 077 206 A1 bezieht sich auf eine Leiterplatte mit mehreren Lagen und auf ein Steuergerät für ein Getriebe eines Fahrzeugs mit der Leiterplatte, insbesondere auf die Verwendung von Durchkontaktierungen von Außenlagen mit ersten Innenlagen.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Leiterplatte mit mehreren Lagen, eine verbesserte Leiterplattenvorrichtung mit der Leiterplatte und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte mit mehreren Lagen gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine mehrlagige Leiterplatte so ausgeführt sein oder werden, dass mittels Laser gebohrte Durchkontaktierungen zum Verbinden von Außenlagen und angrenzende Innenlagen eingesetzt werden können. Zur Ermöglichung des Einsatzes der Laserbohr-Technologie können beispielsweise die Außenlagen und die angrenzenden bzw. ersten Innenlagen quasi-parallel geschaltet werden, wobei Leiterbahnen bzw. Signalleitungen auf Außenlagen und angrenzenden Innenlagen deckungsgleich angeordnet sind. Somit kann insbesondere verhindert werden, dass elektrische Potentiale größer als 100 Volt zwischen Außenlagen und angrenzenden Innenlagen auftreten, und kann daher ein Abstand zwischen Außenlagen und angrenzenden Innenlagen auf einen Wert reduziert werden, der es erlaubt, die Durchkontaktierungen zwischen Außenlagen und angrenzenden Innenlagen mittels Laser zu erzeugen. Hierbei kann beispielsweise eine Hochvolt-Leiterplatte mit lasererzeugten Durchkontaktierungen in hoher Dichte bzw. sogenannten High-Density Laser Vias bereitgestellt werden.
Eine Herstellung von thermischen bzw. elektrischen Verbindungen mit Laser-Durchkontaktierungen ist beispielsweise möglich, wenn ein vertikaler Abstand zwischen Außenlage und benachbarter Innenlage maximal etwa 0,1 Millimeter beträgt. In Hochvolt-Anwendungen bzw. HV-Anwendungen bestehen Vorschriften, wie z.B. IEC 60664, die fordern, dass Signale auf elektrischen Leitungen in unterschiedlichen Lagen minimal einen Abstand von 0,2 Millimeter aufweisen müssen, wenn ihr elektrisches Potential mehr als 100 Volt beträgt. Es kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Lösung bereitgestellt werden, die den Einsatz der Laserbohrtechnologie in Hochvoltanwendungen erlaubt.
Auch brauchen gemäß Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung solche Leiterplatten bzw. Schaltungsträger insbesondere nicht durch zusätzliche Steckverbinder verbunden zu werden. Es werden beispielsweise nicht mehrere Schaltungsträger benötigt, die jeweils einzeln hergestellt, bestückt und montiert werden sollen. So braucht zwischen solchen Leiterplatten bzw. Schaltungsträgern keine aufwendige Verbindungstechnik realisiert zu werden, wie z.B. durch Stecker, Jumper oder dergleichen. Daraus ergeben sich an den Verbindungsstellen insbesondere eine erhöhte Haltbarkeit der Verbindung gegenüber Umwelteinflüssen, wie z.B. Korrosion, Temperaturzyklen, Vibration oder im Hinblick auf eine elektromagnetische Verträglichkeit bzw. EMV. Eine robuste Verbindungstechnik in den genannten Punkten zu realisieren, ist insbesondere somit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich.
Vorteilhafterweise können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung somit insbesondere die Anforderungen von günstiger, hochintegrierter Verbindungstechnologie und bestehenden Isolationsforderungen für Hochvoltsysteme (HVS) berücksichtigt und eingehalten werden. Eine Verbindungstechnologie in Gestalt von mittels Laser gebohrten Durchkontaktierungen bzw. sogenannten Laservias kann günstig und platzsparend sein. Dadurch wird beispielsweise ermöglicht, thermisch und elektrisch niederimpedante Kupferstrukturen zu realisieren, was sich positiv auf Entwärmung der HV-Leistungshalbleiter und das EMV-Verhalten einer solchen Leiterplatte und eines Gesamtsystems auswirken kann. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere erreicht werden, dass Leiterplatten und aufwendige Verbindungstechnik eingespart werden können. Dabei kann zum Beispiel auf zusätzliche, externe Verbindungselemente verzichtet werden und innerhalb des Schaltungsträgers kann eine stoffschlüssige, EMV-robuste, temperaturfeste Verbindung hergestellt werden. Es können insbesondere bereits vorhandene, thermisch, sowie elektrisch niederimpedante Verbindungen in der Leiterplatte ausgenutzt werden, was einen EMV-robusten und gut Wärme leitenden Systemaufbau ermöglicht. Durch den Entfall von externen Verbindungselementen kann auch eine Reduktion von benötigtem Bauraum erreicht werden. Es ist möglich, Ansteuerungsfunktionen für Leistungsschalter und HV-Leistungsschalter selbst auf einer Leiterplatte zu vereinigen.
Eine Leiterplatte mit mehreren Lagen, die zumindest eine Außenlage mit mindestens einer ersten elektrischen Leitung und zumindest eine zu der Außenlage benachbarte Innenlage mit mindestens einer zweiten elektrischen Leitung aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung relativ zueinander deckungsgleich angeordnet sind, wobei die Leiterplatte zumindest eine lasererzeugte Durchkontaktierung zum elektrischen und/oder thermischen Verbinden der zumindest einen Außenlage und der zumindest einen zu der Außenlage benachbarten Innenlage aufweist.
Die Leiterplatte kann beispielsweise Teil eines Steuergeräts für ein Fahrzeuggetriebe oder anderes Fahrzeugsystem, z.B. Elektroantrieb, Leistungselektronik oder Hochvoltsysteme sein. Bei der Leiterplatte kann es sich um eine Leiterplatte für eine elektrische Schaltung handeln, die mit elektrischen Bauteilen bestückbar oder bestückt ist. 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. Die Leiterplatte kann mehrere Lagen von elektrisch isolierendem Material aufweisen, beispielsweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbund bzw. faserverstärktem Kunststoff bzw. kunststoffverstärktem Glasfasergewebe, z.B. aus epoxidverstärktem Glasfasermaterial. Die Leiterplatte kann als ein Träger für eine elektrische Schaltung dienen. Eine 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 bzw. elektrische Leitungen 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 die mindestens eine erste elektrische Leitung bzw. Leiterbahn oder Leiterfläche angeordnet sein. In der zumindest einen Innenlage kann die mindestens eine zweite elektrische Leitung bzw. Leiterbahn oder Leiterfläche angeordnet sein. Die relativ zueinander deckungsgleich angeordneten elektrischen Leitungen können ein identisches Leitungsmuster bzw. einen identischen Leitungsverlauf in Außenlage sowie Innenlage repräsentieren. Die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung können hierbei parallel bzw. quasi-parallel geschaltet sein. Dazu können die elektrischen Leitungen unter Verwendung der Durchkontaktierung miteinander verbunden sein. Die zumindest eine Durchkontaktierung kann beispielsweise mittels eines Laserverfahrens gebildet sein. Somit kann es sich bei der Durchkontaktierung beispielsweise um eine sogenannte Mikrodurchkontaktierung bzw. Laservia handeln. Insbesondere kann die zumindest eine Durchkontaktierung als Blindloch ausgeformt sein. Die zumindest eine Durchkontaktierung kann ausgebildet sein, um eine Verbindung zwischen der zumindest einen Außenlage und der zumindest einen Innenlage der Leiterplatte herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Leiterplatte in zumindest einen Steuerabschnitt zum Verarbeiten von Steuersignalen und zumindest einen Treiberabschnitt zum Ansteuern von mindestens einem Hochvolt-Leistungsschalter unterteilt sein. In dem Treiberabschnitt können höhere elektrische Potentiale auftreten als in dem Steuerabschnitt. Es können somit beispielsweise Funktionalitäten von Steuerung und Treibersteuerung von Hochvolt-Leistungsschaltern auf einem gemeinsamen Schaltungsträger realisiert sein, wie die Hochvolt-Leistungsschalter selbst. Steuerfunktionalitäten können zum Beispiel meist viele Bausteine mit hochintegrierten Gehäuseformen, z.B. BGAs (Ball Grid Arrays) oder TQFPs (Thin Quad Flat Packages) beinhalten. Dies kann eine hochdichte Verbindungsstruktur von den Bauteilanschlüssen in die Leiterplatte erfordern, was durch eine kompakte und günstige Verbindungstechnologie, wie z.B. die Laserbohr-Technologie erreicht werden kann. Der Steuerabschnitt und der Treiberabschnitt können sich durch alle Lagen der Leiterplatte hindurch erstrecken. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die unterschiedlichen, funktionsbezogenen Abschnitte der Leiterplatte mittels eines gemeinsamen, durchgehenden Lagenaufbaus realisiert werden können.
Hierbei können zumindest in dem Treiberabschnitt die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung relativ zueinander deckungsgleich angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in dem Treiberabschnitt, keine Potentiale > 100V zwischen der ersten elektrischen Leitung und der zweiten elektrischen Leitung auftreten können. Dadurch wird ein geringer Abstand zwischen Außenlage und benachbarte Innenlage ermöglicht. Dadurch können lasererzeugte Durchkontaktierungen realisiert werden in der Leiterplatte realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform können in dem Steuerabschnitt die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung zu einer gemeinsamen Leitung zusammengeführt sein. Die gemeinsame Leitung kann als eine einzige Leiterbahn auf einer einzigen Lage der Leiterplatte geführt sein. Auf diese Weise kann ein Leitungslayout innerhalb des Steuerabschnitts vereinfacht werden.
Auch kann die Leiterplatte zumindest einen Verbindungsabschnitt zum Verbinden des zumindest einen Steuerabschnitts und des zumindest einen Treiberabschnitts miteinander aufweisen. Dabei kann die Leiterplatte in dem Verbindungsabschnitt mindestens eine elektrische Verbindungsleitung aufweisen oder galvanisch trennend ausgeformt sein und eine Übertragungseinrichtung aufweisen. Der Verbindungsabschnitt kann sich durch alle Lagen der Leiterplatte hindurch erstrecken. In Hochvolt-Systemen kann eine galvanische Trennung zwischen Steuerabschnitt und Treiberabschnitt von Hochvolt-Leistungsschaltern gefordert sein. Vorhandenes leitfähiges Material, beispielsweise Kupfer, ist dazu in dem Verbindungsabschnitt zwischen Steuerabschnitt und Treiberabschnitt entfernt. Die Übertragungseinrichtung, z.B. optisch oder induktiv, ist ausgebildet, um eine Verbindung zwischen Steuerabschnitt und Teilabschnitt herzustellen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch bei einer galvanisch getrennten Variante auf externe Verbindungselemente verzichtet werden kann. Eine mehrlagige Ausführung des Verbindungsabschnittes bringt den Vorteil, dass eine oder mehrere Kupferlagen mit einem Schirmpotential für die benachbarten Leitungen belegt werden können. Insbesondere können komplette Flächen in dem Verbindungsabschnitt Leitungen in benachbarten Lagen schirmen, bzw. einen Rückstromweg einer benachbarten Leitungshinführung repräsentieren. Somit kann mittels einem stromsymmetrischen Layouts eine parallele Führung von Hin- und Rückstrom realisiert werden. Dies kann bewirken, dass magnetische Felder und Störungen außerhalb der stromsymmetrischen Struktur ausgelöscht werden. Zusätzlich können solche Schirmflächen eine Einkopplung von Störungen, die z.B. von in der Nähe platzierten Bauteilen oder Leitungen verhindern. Somit kann eine weitere Verkleinerung des Bauraums beispielsweise einer elektronischen Steuerung erreicht werden. Zudem kann eine geschlossene Schirmfläche als Filter für elektrische Felder wirken. Mit einer solchen Struktur kann eine Signalqualität und Signalintegrität optimiert werden.
Insbesondere kann die Leiterplatte eine Mehrzahl von insulär angeordneten Treiberabschnitten aufweisen, die über eine Mehrzahl von Verbindungsabschnitten mit einem gemeinsamen Steuerabschnitt verbunden sind. Dabei können Treibersteuerungsfunktionalitäten somit in Hochvolt-Inseln realisiert sein. Eine Hochvolt-Insel kann hierbei einen Abschnitt repräsentieren, der eine Treiberfunktionalität für einen Hochvolt-Leistungsschalter bereitstellt. Diese Hochvolt-Inseln können sich hierbei typischerweise auf ein Bezugspotential beziehen, z.B. Emitter oder Source eines Leistungsschalters. Dabei kann eine Hochvolt-Insel ausgebildet sein, um Signale zu führen, die bezogen auf ihr Bezugspotential eine Differenz einiger weniger Volt aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch eine Quasi-Parallelität innerhalb von Hochvolt-Inseln auch hier die Laserbohr-Technik für die Durchkontaktierungen zum Einsatz kommen kann.
Beispielsweise kann die Außenlage eine konstante Dicke kleiner oder gleich 70 µm aufweisen. Die benachbarte Innenlage kann eine Dicke kleiner oder gleich 70 µm aufweisen. Dadurch kann zum eine eine Durchkontaktierung in Laserbohr-Technologie durch die Außenlagen realisiert werden und zum anderen können Leitungen mit großen Potentialunterschieden sicher durch die Innenlage voneinander getrennt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Leiterplatte eine erste Außenlage und eine erste Innenlage, die über zumindest eine erste lasererzeugte Durchkontaktierung verbunden sind und zwischen denen Leiterplattenbasismaterial mit einer ersten Dicke angeordnet ist, sowie eine zweite Außenlage und eine zweite Innenlage aufweisen, die über zumindest eine zweite lasererzeugte Durchkontaktierung verbunden sind und zwischen denen Leiterplattenbasismaterial mit der ersten Dicke angeordnet ist. Dabei kann zwischen der ersten Innenlage und der zweiten Innenlage Leiterplattenbasismaterial mit einer zweiten Dicke, die größer als die erste Dicke ist, oder zumindest eine Zusatzlage angeordnet sein, zwischen der und den Innenlagen Leiterplattenbasismaterial mit der zweiten Dicke angeordnet ist. Die einzelnen Lagen der Leiterplatte können gemeinsam einen Stapel bilden. Insbesondere kann die zweite Dicke größer oder gleich 0,2 mm sein. Die erste Dicke kann geeignet sein, um das Erzeugen von Durchkontaktierungen mittels Laser zu ermöglichen. Die zweite Dicke kann geeignet sein, um eine Isolation bzw. Trennung von Lagen mit hoher Potentialdifferenz zu ermöglichen. Die zumindest eine Zusatzlage kann zumindest eine weitere Innenlage aufweisen. Dabei kann die zumindest eine Zusatzlage ausgebildet sein, um eine Versorgungsspannung zu führen oder eine andere Funktionalität bereitzustellen. Eine Abfolge der Lagen in dem Stapel kann beispielsweise die erste Außenlage, Leiterplattenbasismaterial, die erste Innenlage, Leiterplattenbasismaterial, die zumindest eine Zusatzlage, Leiterplattenbasismaterial, die zweite Innenlage, Leiterplattenbasismaterial und die zweite Außenlage umfassen. Ein solcher Lagenaufbau der Leiterplatte ist exemplarisch für die Vorteile gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere hinsichtlich Platzeinsparung und der Ermöglichung von Laser-Vias auch in Lagen für Signale mit hoher Potentialdifferenz.
Eine Leiterplattenvorrichtung weist folgende Merkmale auf:
eine Ausführungsform der vorstehend genannten Leiterplatte mit mehreren Lagen;
zumindest einen Hochvolt-Leistungsschalter, der elektrisch mit der Leiterplatte verbunden ist; und
ein Gehäuse, in dem die Leiterplatte und der zumindest eine Hochvolt-Leistungsschalter zumindest teilweise angeordnet sind.
In Verbindung mit der Leiterplattenvorrichtung kann eine Ausführungsform der vorstehend genannten Leiterplatte vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden. Die Leiterplattenvorrichtung kann beispielsweise als ein Hochvolt-System für ein Fahrzeug zum Einsatz kommen. Unter Hochvolt-Leistungsschalter können z. B. einzelne MOSFETs oder IGBTs, mehrere parallele MOSFETS, die eine Funktion eines logischen Schalters bereitstellen, B2- oder B6-Brücken, die in einem gemeinsamen Modul bereitgestellt werden, oder dergleichen verstanden werden. Der zumindest eine Hochvolt-Leistungsschalter kann mit einem Treiberabschnitt der Leiterplatte elektrisch verbunden sein. Auch kann eine Mehrzahl von Hochvolt-Leistungsschaltern benachbart zu einer Außenlage der Leiterplatte angeordnet sein. Der zumindest eine Hochvolt-Leistungsschalter kann an der Leiterplatte und/oder an dem Gehäuse anbringbar oder angebracht sein. Die Leiterplattenvorrichtung kann ausgebildet sein, um hohe Ströme zumindest einer Hochstromleiterplatte zu führen. Dabei kann die Leiterplattenvorrichtung die Leiterplatte und zumindest eine Hochstromleiterplatte aufweisen oder kann die Leiterplatte auch eine Hochstromleiter-Funktionalität aufweisen. Somit ist es möglich, mehrere Funktionalitäten eines Hochvolt-Systems in der Leiterplatte als Multifunktionsleiterplatte bzw. in einem einzigen Schaltungsträger zu kombinieren.
Gemäß einer Ausführungsform können ein Hochvolt-Versorgungsanschluss, ein Verbraucheranschluss und ein Steueranschluss vorgesehen sein. Dabei können der Hochvolt-Versorgungsanschluss und der Verbraucheranschluss in einer Energieflussebene angeordnet sein, wobei der Steueranschluss quer oder normal bezüglich der Energieflussebene angeordnet sein kann. Hierbei erstrecken sich Anschlussachsen des Hochvolt-Versorgungsanschlusses und des Verbraucheranschlusses in der Energieflussebene und erstreckt sich eine Anschlussachse des Steueranschlusses quer oder normal bezüglich der Energieflussebene. Zwischen dem Hochvolt-Versorgungsanschluss und dem Verbraucheranschluss erstreckt sich zumindest ein Energiepfad bzw. Energieflussweg in der Energieflussebene. Ein Energiepfad ist der Weg, in dem die zum Betrieb einer Verbrauchers benötigten Leistungen durch die Leiterplatte, eine Hochstromleiterplatte oder dergleichen fließen. Beispielsweise kann der zumindest eine Energiepfad von einer an dem Hochvolt-Versorgungsanschluss anschließbaren Hochvolt-Batterie zu einem an dem Verbraucheranschluss anschließbaren Verbraucher verlaufen. Der Steueranschluss kann mit der Leiterplatte bzw. insbesondere mit einem Steuerabschnitt der Leiterplatte elektrisch verbunden sin. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch eine Lage der Anschlüsse erreicht werden kann, dass Signalpfade vom Energieflusspfad entkoppelt werden können und somit eine verbesserte Signalqualität und Signalintegrität bereitgestellt werden kann. Durch eine Anordnung des Steueranschlusses und eines zugeordneten Kabelbaums beispielsweise normal zum Energiefluss kann eine reduzierte EMV-Beeinflussung von Steuersignalen erreicht werden.
Durch eine Mehrzahl von lasererzeugten Durchkontaktierungen können topologische Strukturen geschaffen, 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 lasererzeugten Durchkontaktierungen 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 lasererzeugten Durchkontaktierungen 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.
Auch kann der zumindest eine Hochvolt-Leistungsschalter thermisch direkt mit einem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses gekoppelt sein oder thermisch direkt mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses und indirekt über die dem zumindest einen Hochvolt-Leistungsschalter zugewandte Außenlage und benachbarte Innenlage der Leiterplatte, ein Wärmeleitmaterial und zusätzlich oder alternativ Gehäusevorsprünge mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses gekoppelt sein. Somit können ein erster Wärmeableitungsweg von dem zumindest einen Hochvolt-Leistungsschalter direkt zu dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses und ein zweiter Wärmeableitungsweg von dem zumindest einen Hochvolt-Leistungsschalter indirekt über die Leiterplatte oder eine Hochstromleiterplatte zu dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses bereitgestellt werden. Der Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses kann thermisch mit einer Kühleinrichtung koppelbar sein. Der erste Wärmeableitungsweg zur Kühlung Wärme erzeugender Leistungsschalter kann darin bestehen, diese indirekt mit ihrem Gehäuse an die Kühleinrichtung anzubinden. Dies kann insbesondere bei sehr großen Leistungsschaltern angewendet werden. Zusätzlich kann ein zweiter Wärmeableitungsweg bzw. thermischer Weg vorgesehen sein. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass auf der Leiterplatte, oder auf einer ähnlich der Leiterplatte aufgebauten Hochstromleiterplatte, große, undurchschnittene Wärmeleitflächen auf der dem zumindest einen Leistungsschalter zugewandten Außenlage und der mittels Laserbohr-Technologie verbundenen, benachbarten Innenlage vorhanden sind. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch einen solchen Systemaufbau eine kurze, großflächige thermische Anbindung von Leistungsschaltern und Schaltungsträgern an eine Kühleinrichtung realisiert werden kann. Dies ermöglicht einen thermisch niederimpedanten Pfad von einer Wärmequelle, z.B. einer Sperrschicht des Leistungsschalters, zu einer Wärmesenke, z.B. einem Kühlwasserkreislauf. Es ist möglich, z.B. durch die Gehäusevorsprünge bzw. Dome, die aus dem Kühlkreislauf herausragen, und zusätzlich oder alternativ durch Einsatz eines Wärmeleitmediums zwischen Leiterplatte oder Hochstromleiterplatte und Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses eine weitere Verbesserung des Wärmeflusses zu erreichen. Durch die Außenlage und benachbarte Innenlage kann ein thermisch niederohmiger Pfad eröffnet werden, der eine großflächige Anbindung der Leistungsschalter beispielsweise über ein Wärmeleitmedium an eine Kühleinrichtung ermöglicht. So kann der thermische Gesamtwiderstand weiter abgesenkt werden. Dies wird als Wärme-Umleit-Prinzip bezeichnet. Hierbei braucht die Wärme nicht durch die gesamte Leiterplatte geführt werden, sondern lediglich durch die Außenlage und benachbarte Innenlage. Für das Wärme-Umleit-Prinzip werden daher keine thermischen Durchkontaktierungen durch die gesamte Leiterplatte hindurch benötigt. Somit kann ein zusätzlicher thermischer Widerstand, der bei einer Wärmeführung mittels thermischer Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte hindurch entsteht, vermieden werden.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte mit mehreren Lagen weist folgende Schritte auf:
Ausformen zumindest einer Außenlage mit mindestens einer ersten elektrischen Leitung und zumindest einer zu der Außenlage benachbarten Innenlage mit mindestens einer zweiten elektrischen Leitung, wobei die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung deckungsgleich relativ zueinander angeordnet sind; und
Erzeugen zumindest einer Durchkontaktierung zum elektrischen und/oder thermischen Verbinden der zumindest einen Außenlage und der zumindest einen zu der Außenlage benachbarten Innenlage mittels Laser.
Durch Ausführen des Verfahrens kann eine Ausführungsform der vorstehend genannten Leiterplatte vorteilhaft hergestellt werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1A bis 1C ein Leiterplattensystem;
2A bis 3 Leiterplatten gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4A bis 4F Leiterplattenvorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Leiterplatte mit mehreren Lagen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 eine Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel 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.
1A zeigt ein Leiterplattensystem 100. Das Leiterplattensystem 100 weist hierbei einen ersten Schaltungsträger 110 für Steuerfunktionalitäten, einen zweiten Schaltungsträger 120 zur Treibersteuerung für Hochvolt-Leistungsschalter und externe Verbindungselemente 130 zum elektrischen Verbinden des ersten Schaltungsträger und des zweiten Schaltungsträger auf. Aufgrund von Signalen mit unterschiedlich hohen Potentialen für Steuerfunktionalitäten sowie zur Treibersteuerung sind getrennte Schaltungsträger sowie Verbindungselemente nötig.
1B zeigt einen möglichen Lagenaufbau des ersten Schaltungsträgers 110 bzw. Steuerschaltungsträgers aus 1A. Der Lagenaufbau des ersten Schaltungsträgers 110 weist hierbei eine Abfolge von Lagen auf, die eine erste Außenlage 111 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine Lage Basismaterial 112 mit einer Dicke kleiner als 0,1 Millimeter, eine erste Innenlage 113 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine weitere Lage Basismaterial 112 mit beliebiger Dicke, weitere mögliche Innenlagen 114, eine weitere Lage Basismaterial 112 mit beliebiger Dicke, eine weitere erste Innenlage 115 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine weitere Lage Basismaterial 112 mit einer Dicke kleiner als 0,1 Millimeter und eine zweite Außenlage 116 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer umfasst.
Ferner sind von dem ersten Schaltungsträger 110 beispielhaft zwei mittels Laser erzeugte Durchkontaktierungen 117 bzw. Laser-Vias gezeigt. Eine erste der Durchkontaktierungen 117 ist zwischen der ersten Außenlage 111 und der ersten Innenlage 113 durch das Basismaterial 112 hindurch ausgeformt. Eine zweite der Durchkontaktierungen 117 ist zwischen der zweiten Außenlage 116 und der weiteren ersten Innenlage 115 durch das Basismaterial 112 hindurch ausgeformt.
Auf dem ersten Schaltungsträger 110 bzw. Steuerschaltungsträger sind lediglich elektrische Potentiale vorhanden, die weniger als 100 Volt betragen. Daher besteht hier keine Forderung, dass Kupferlagen mindestens 0,2 Millimeter voneinander entfernt sein sollen.
1C zeigt einen möglichen Lagenaufbau des zweiten Schaltungsträgers 120 bzw. Treiberschaltungsträgers bzw. Trägers mit Treibersteuerungen für Hochvolt-Leistungsschalter aus 1A. Der Lagenaufbau des zweiten Schaltungsträgers 120 weist hierbei eine Abfolge von Lagen auf, die eine erste Außenlage 121 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine Lage Basismaterial 122 mit einer Dicke von mindestens 0,2 Millimeter, eine erste Innenlage 123 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine weitere Lage Basismaterial 122 mit einer Dicke von mindestens 0,2 Millimeter, weitere mögliche Innenlagen 124, eine weitere Lage Basismaterial 122 mit einer Dicke von mindestens 0,2 Millimeter, eine weitere erste Innenlage 125 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine weitere Lage Basismaterial 122 mit einer Dicke von mindestens 0,2 Millimeter und eine zweite Außenlage 126 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer umfasst.
Ferner sind von dem zweiten Schaltungsträger 120 beispielhaft zwei Durchkontaktierungen 127 bzw. Blind-Vias gezeigt. Eine erste der Durchkontaktierungen 127 ist zwischen der ersten Außenlage 121 und der ersten Innenlage 123 durch das Basismaterial 122 hindurch ausgeformt. Eine zweite der Durchkontaktierungen 127 ist zwischen der zweiten Außenlage 126 und der weiteren ersten Innenlage 125 durch das Basismaterial 122 hindurch ausgeformt.
Auf dem zweiten Schaltungsträger 120 sind elektrische Potentiale vorhanden, die mehr als 100 Volt betragen. Daher besteht hier die Forderung, dass Kupferlagen mindestens 0,2 Millimeter voneinander entfernt sein sollen. Die Laserbohr-Technologie ist hier zum Erzeugen der Durchkontaktierungen 127 nicht möglich, weil der Abstand zwischen Außenlage 121 bzw. 126 und erster Innenlage 123 bzw. 125 zu groß ist. Hier sind die Durchkontaktierungen 127 als mechanisch hergestellte Sacklochbohrungen ausgeführt.
Aus den 1B und 1C ist ersichtlich, dass die Lagenaufbauten der Schaltungsträger 110 und 120 unterschiedlich sind, weil unterschiedliche Forderungen an den Lagenabstand bestehen. Daher ist kein gemeinsamer Lagenaufbau bei diesen Schaltungsträgern 110 und 120 möglich. Es werden zwei verschiedene Schaltungsträger bzw. Leiterplatten benötigt.
2A zeigt eine schematische Darstellung bzw. Prinzipdarstellung einer Leiterplatte 200 mit mehreren Lagen bzw. eines Schaltungsträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind hierbei von der Leiterplatte 200 ein Steuerabschnitt 210, ein Treiberabschnitt 220 und ein Verbindungsabschnitt 230. Der Steuerabschnitt 210 und der Treiberabschnitt 220 sind mittels des Verbindungsabschnitts 230 elektrisch miteinander verbunden. Hierbei ist der Verbindungsabschnitt 230 zwischen dem Steuerabschnitt 210 und dem Treiberabschnitt 220 angeordnet.
Die Leiterplatte 200 ist hierbei hinsichtlich ihrer Grundfläche durch eine entsprechende Platzierung in Bereiche für Steuerung und Treiber bzw. den Steuerabschnitt 210 und den Treiberabschnitt 220 unterteilt und weist somit den Steuerabschnitt 210 für Steuerfunktionalitäten, den Verbindungsabschnitt 230 mit in der Leiterplatte 200 integrierter Verbindungstechnik und den Treiberabschnitt 220 für eine Treiberansteuerung von zumindest einem Hochvolt-Leistungsschalter auf. Die Leiterplatte 200 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel in zumindest einen Steuerabschnitt 210 zum Verarbeiten von Steuersignalen, zumindest einen Treiberabschnitt 220 zum Ansteuern von mindestens einem Hochvolt-Leistungsschalter und zumindest einen Verbindungsabschnitt 230 zum Verbinden des Steuerabschnitts 210 und des Treiberabschnitts 220 miteinander unterteilt.
Die Leiterplatte 200 weist mehrere Lagen auf, die zumindest eine Außenlage mit mindestens einer ersten elektrischen Leitung und zumindest eine zu der Außenlage benachbarte Innenlage mit mindestens einer zweiten elektrischen Leitung aufweisen, auch wenn es in 2A nicht explizit dargestellt ist. Dabei sind die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung relativ zueinander deckungsgleich angeordnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung zumindest in dem Treiberabschnitt 220 relativ zueinander deckungsgleich angeordnet.
2B zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Leiterplatte 200 aus 2A. Anders ausgedrückt zeigt 2B eine Prinzipdarstellung der Leiterplatte 200 im Schnitt durch die Leiterplatte 200. Gezeigt sind der Steuerabschnitt 210, der Treiberabschnitt 220, der Verbindungsabschnitt 230 und ein Lagenaufbau bzw. Lagenverbund der Leiterplatte 200, der eine Abfolge von Lagen aufweist, die eine erste Außenlage 241 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine Lage Basismaterial 242 mit einer Dicke kleiner als 0,1 Millimeter, eine erste Innenlage 243 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine weitere Lage Basismaterial 242 mit einer Dicke von mindestens 0,2 Millimeter, zumindest eine Zwischenlage bzw. weitere Innenlage 244, eine weitere Lage Basismaterial 242 mit einer Dicke von mindestens 0,2 Millimeter, eine weitere erste Innenlage 245 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer, eine weitere Lage Basismaterial 242 mit einer Dicke kleiner als 0,1 Millimeter und eine zweite Außenlage 246 beispielsweise mit bzw. aus Kupfer umfasst. Die Verbindung des Steuerabschnitts 210 und des Treiberabschnitts 220 ist in dem Verbindungsabschnitt 230 mittels vorhandener Kupferschichten realisiert.
2C zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Leiterplatte 200 aus 2A. Anders ausgedrückt zeigt 2C eine Prinzipdarstellung der Leiterplatte 200 im Schnitt durch die Leiterplatte 200. Hierbei entspricht die Darstellung 2C der Darstellung aus 2B mit der Ausnahme, dass in 2C zusätzlich lediglich beispielhaft darstellungsbedingt zwei mittels Laser erzeugte Durchkontaktierungen 247 in dem Treiberabschnitt 220 gezeigt sind.
Eine erste der Durchkontaktierungen 247 ist zwischen der ersten Außenlage 241 und der ersten Innenlage 243 durch das Basismaterial 242 hindurch ausgeformt. Die erste der Durchkontaktierungen 247 ist ausgebildet, um die erste Außenlage 241 und die erste Innenlage 243 elektrisch oder elektrisch und thermisch zu verbinden. Eine zweite der Durchkontaktierungen 247 ist zwischen der zweiten Außenlage 246 und der weiteren ersten Innenlage 245 durch das Basismaterial 242 hindurch ausgeformt. Die zweite der Durchkontaktierungen 247 ist ausgebildet, um die zweite Außenlage 246 und die weitere erste Innenlage 245 elektrisch oder elektrisch und thermisch zu verbinden.
Durch Quasi-Parallelschalten der Außenlagen 241 und 246 mit den jeweiligen ersten Innenlagen 243 und 245 werden elektrische Potentiale größer als 100 Volt in denselben vermieden. Somit kann eine Forderung von mindestens 0,2 Millimeter Abstand zwischen Lagen mit elektrischen Potentialen größer als 100 Volt vorteilhaft umgangen werden. Dabei ist die zumindest eine Zwischenlage bzw. weitere Innenlage 244 mit einem Abstand größer als 0,2 Millimeter realisiert.
2D zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Leiterplatte 200 aus 2A. Anders ausgedrückt zeigt 2D eine Prinzipdarstellung der Leiterplatte 200 im Schnitt durch die Leiterplatte 200 mit einer galvanischen Trennung. Hierbei entspricht die Darstellung 2D der Darstellung aus 2C mit der Ausnahme, dass in 2D in dem Verbindungsabschnitt 230 zwischen dem Steuerabschnitt 210 und dem Treiberabschnitt 220 die Lagen aus Kupfer entfernt sind und eine Übertragungseinrichtung 250 angeordnet ist. Somit ist die Leiterplatte 200 in dem Verbindungsabschnitt 230 galvanisch trennend ausgeformt. Die Übertragungseinrichtung 250 in dem Verbindungsabschnitt 230 ist ausgebildet, um eine Verbindung zwischen dem Steuerbereich 210 und dem Treiberbereich 220 herzustellen. Die Übertragungseinrichtung 250 ist beispielsweise optisch oder induktiv wirksam. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Leiterplatte 200 in dem Verbindungsabschnitt 230 mindestens eine elektrische Verbindungsleitung auf.
3 zeigt eine schematische Darstellung bzw. Prinzipdarstellung einer Leiterplatte 200 mit mehreren Lagen bzw. eines Schaltungsträgers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind hierbei von der Leiterplatte 200 ein Steuerabschnitt 210, eine Mehrzahl von lediglich beispielhaft und darstellungsbedingt sechs Treiberabschnitten 220, die insulär angeordnet bzw. als Hochvolt-Inseln ausgeführt sind, und eine Mehrzahl von lediglich beispielhaft und darstellungsbedingt sechs Verbindungsabschnitten mit Übertragungseinrichtungen 250. Anders ausgedrückt zeigt 3 einen prinzipiellen Aufbau der Leiterplatte 200 als ein sogenanntes Kombinationsboard, das Steuerfunktionalitäten in dem Steuerabschnitt 210 als einem gemeinsamen Steuerabschnitt, Übertragungseinrichtungen 250 zur Realisierung galvanischer Trennung und Treiberabschnitte 220 als Hochvolt-Inseln aufweist. Die Mehrzahl von insulär angeordneten Treiberabschnitten 220 sind über die Mehrzahl von Verbindungsabschnitten bzw. Übertragungseinrichtungen 250 mit dem gemeinsamen Steuerabschnitt 210 verbunden. Der gemeinsame Steuerabschnitt 210 ist die Treiberabschnitte 220 umgebend angeordnet.
Somit sind gemäß dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Treibersteuerungsfunktionalitäten in als Hochvolt-Inseln ausgeführten Treiberabschnitten 220 realisiert. Eine Hochvolt-Insel repräsentiert hierbei einen Treiberabschnitt 220, der eine Treiberfunktionalität für einen Hochvolt-Leistungsschalter bereitstellt. Diese Hochvolt-Inseln beziehen sich hierbei typischerweise auf ein Bezugspotential, z.B. Emitter oder Source eines Leistungsschalters. Dabei kann ein solcher als Hochvolt-Insel ausgeführter Treiberabschnitt 220 ausgebildet sein, um Signale zu führen, die bezogen auf ihr Bezugspotential eine Differenz einiger weniger Volt aufweisen. Durch die Quasi-Parallelität innerhalb der Treiberabschnitte 220 bzw. Hochvolt-Inseln kann eine Laserbohr-Technik für die Durchkontaktierungen auch in den Teilabschnitten 220 der Leiterplatte 200 zum Einsatz kommen.
4A zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Leiterplattenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind eine Leiterplatte 200 mit mehreren Lagen, die Leiterplattenvorrichtung 400, ein Gehäuse 410, ein Hochvolt-Versorgungsanschluss 412 bzw. Hochvolt-Batterieanschluss, ein Verbraucheranschluss 414, ein Steueranschluss 416, eine Hochstromleiterplatte 420, lediglich beispielhaft und darstellungsbedingt drei Hochstrom-Leistungsschalter 430 und eine Kühleinrichtung 440. Bei der Leiterplatte 200 handelt es sich um eine Leiterplatte mit mehreren Lagen wie die Leiterplatte aus einer der 2A bis 3. Anders ausgedrückt geigt 4A einen Prinzipaufbau einer Leiterplattenvorrichtung 400 bzw. eines Hochvolt-Systems mit der Leiterplatte 200 bzw. dem Kombinationsboard.
Die Leiterplattenvorrichtung 400 weist gemäß dem in 4A dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Leiterplatte 200, das Gehäuse 410, den Hochvolt-Versorgungsanschluss 412, den Verbraucheranschluss 414, den Steueranschluss 416, die Hochstromleiterplatte 420 und die Hochstrom-Leistungsschalter 430 auf.
Das Gehäuse 410 ist ausgebildet, um die Leiterplatte 200, die Hochstromleiterplatte 420 und die Hochstrom-Leistungsschalter 430 aufzunehmen. Das Gehäuse 410 ist die Leiterplatte 200, die Hochstromleiterplatte 420 und die Hochstrom-Leistungsschalter 430 umgebend angeordnet. Dabei sind die Hochstrom-Leistungsschalter 430 zwischen der Hochstromleiterplatte 420 und einem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 angeordnet. Die Hochstromleiterplatte 420 ist zwischen der Leiterplatte 200 und den Hochstrom-Leistungsschaltern 430 angeordnet. Das Gehäuse 410 grenzt mit dem Wärmeableitungsabschnitt an die Kühleinrichtung 440. Bei der Kühleinrichtung 440 handelt es sich beispielsweise um einen Wasserkühler. Die Hochvolt-Leistungsschalter 430 sind thermisch direkt mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 gekoppelt. Die Hochstrom-Leistungsschalter 430 sind somit benachbart zu der Kühleinrichtung 440 angeordnet.
Der Hochvolt-Versorgungsanschluss 412 der Leiterplattenvorrichtung 400 erstreckt sich durch das Gehäuse 410 hindurch und ist mit der Hochstromleiterplatte 420 elektrisch verbunden. Der Verbraucheranschluss 414 der Leiterplattenvorrichtung 400 erstreckt sich durch das Gehäuse 410 hindurch und ist mit der Hochstromleiterplatte 420 elektrisch verbunden. Der Steueranschluss 416 erstreckt sich durch das Gehäuse 410 hindurch und ist mit der Leiterplatte 200 elektrisch verbunden. Hierbei ist der Steueranschluss 416 insbesondere mit einem Steuerabschnitt der Leiterplatte 200 elektrisch verbunden. Dabei sind der Hochvolt-Versorgungsanschluss 412 und der Verbraucheranschluss 414 in einer Energieflussebene angeordnet, die beispielhaft eine Haupterstreckungsebene der Hochstromleiterplatte 420 repräsentiert, wobei der Steueranschluss 416 quer oder normal bezüglich der Energieflussebene angeordnet ist.
4B zeigt die Leiterplattenvorrichtung 400 aus 4A mit Kontaktelementen 450 als Durchsteckverbindung zwischen den Hochstrom-Leistungsschaltern 430 und der Leiterplatte 200. In 4B sind lediglich beispielhaft und darstellungsbedingt sechs Kontaktelemente 450 dargestellt. Die Kontaktelemente 450 sind ausgebildet, um eine elektrische Verbindung zwischen den Hochstrom-Leistungsschaltern 430 und Treiberabschnitten der Leiterplatte 200 herzustellen. Hierbei sind die Treiberabschnitte der Leiterplatte 200 in einem Bereich der Hochstrom-Leistungsschalter 430 der Leiterplatte Vorrichtung 400 angeordnet.
Die Verbindung der Hochstrom-Leistungsschalter 430 mit den Teilabschnitten bzw. der Treiberansteuerung auf der Leiterplatte 200 erfolgt anders ausgedrückt mittels einer Durchstecktechnik (THT) durch die Hochstromleiterplatte 420 hindurch. Eine Verbindung mit den Leiterplatten 200 und 420 erfolgt hier beispielsweise mittels Einpresstechnik, Selektivlöten oder einem Pin-in-Paste-Verfahren. Mit einem solchen Aufbau wird eine kurze Anbindung der Treiberansteuerung mit den Hochstrom-Leistungsschaltern 430 erreicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Treiberansteuerung in der Hochstromleiterplatte 420 integriert und mittels Durchkontaktierungen mit den Hochstrom-Leistungsschaltern 430 verbunden.
4C zeigt die Leiterplattenvorrichtung 400 aus 4B mit Gehäusevorsprüngen 460 und einem Wärmeleitmaterial 470 bzw. Wärmeleitmedium. Dabei sind die Gehäusevorsprünge 460 an dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 angeordnet. Die Gehäusevorsprünge 460 erstrecken sich von dem Gehäuse 410 zu der Hochstromleiterplatte 420 hin. Dabei sind die Gehäusevorsprünge 460 als Dome oder domförmige Vorsprünge des Gehäuses in dem Wärmeableitungsabschnitt ausgeformt. Die Gehäusevorsprünge 460 sind zwischen den Hochstrom-Leistungsschaltern 430 und außerhalb eines Bereichs der Hochstrom-Leistungsschalter 430 angeordnet. Das Wärmeleitmaterial 470 ist zwischen den Gehäusevorsprüngen 460 und der Hochstromleiterplatte 420 angeordnet. Dabei ist ein Zwischenraum zwischen den Gehäusevorsprüngen 460 und der Hochstromleiterplatte 420 durch das Wärmeleitmaterial 470 ausgefüllt.
Die Hochvolt-Leistungsschalter 430 sind somit thermisch zum einen direkt mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 und zum anderen indirekt über die Hochstromleiterplatte 420, das Wärmeleitmaterial 470 und die Gehäusevorsprünge 460 mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 gekoppelt. Somit können die Hochstrom-Leistungsschalter 430 durch die Hochstromleiterplatte 420 und die Kühleinrichtung 440 gekühlt werden.
Anders ausgedrückt zeigt 4C einen Prinzipaufbau der Leiterplattenvorrichtung 400 bzw. eines Hochvolt-Systems mit der Leiterplatte 200 mit einer Durchsteckverbindung von den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 zu der Leiterplatte 200 und einer thermischen Anbindung der Hochstromleiterplatte 420 an die Kühleinrichtung 440. Durch den in 4C gezeigten und beschriebenen Systemaufbau ist eine kurze, großflächige thermische Anbindung von Hochvolt-Leistungsschaltern 430 und Schaltungsträgern möglich. Dies erlaubt eine thermisch sehr niederimpedante thermische Kette von Wärmequelle, z.B. Sperrschicht in einem Hochvolt-Leistungsschalter 430, zu einer Wärmesenke, z.B. einem Wasserkühlkreislauf. Es ist möglich, z.B. durch die Gehäusevorsprünge 460, die aus dem Kühlkreislauf herausragen, und einen Einsatz des Wärmeleitmaterials 470 eine Verbesserung des möglichen Wärmeflusses zu erreichen.
4D zeigt die Leiterplattenvorrichtung 400 aus 4C, wobei in der Darstellung von 4D zusätzlich Wärmeströme Q . von den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 durch den Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 hindurch zu der Kühleinrichtung 440 symbolisch mittels Richtungspfeilen veranschaulicht sind. Eine solche thermische Anbindung der Hochstromleiterplatte 420 bzw. der Hochvolt-Leistungsschalter 430 an die Kühleinrichtung 440 ermöglicht einen ersten thermischen Weg von den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 zu der Kühleinrichtung 440. Der erste thermische Weg zur Kühlung Wärme erzeugender Hochvolt-Leistungsschalter 430 besteht darin, dieselben indirekt mit ihrem Gehäuse an die Kühleinrichtung 440 anzubinden. Dies ist eine gängige Methode, die insbesondere bei großen Leistungsschaltern angewendet werden kann.
4E zeigt die Leiterplattenvorrichtung 400 aus 4D, wobei in der Darstellung von 4E zusätzliche Wärmeströme Q . von den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 durch die Hochstromleiterplatte 420, das Wärmeleitmaterial 470, die Gehäusevorsprünge 460 und den Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 hindurch zu der Kühleinrichtung 440 symbolisch mittels Richtungspfeilen veranschaulicht sind. Zusätzlich zu dem ersten thermischen Weg aus 4D ist in 4E ein ermöglichter zweiter, paralleler thermischer Weg über Hochstromleiterplatte 420, das Wärmeleitmaterial 470, die Gehäusevorsprünge 460 und das Gehäuse 410 zu der Kühleinrichtung 440 dargestellt.
4F zeigt eine Variante der Leiterplattenvorrichtung 400 aus 4E, wobei die Leiterplatte 200 als eine Multifunktionsleiterplatte ausgeführt ist, in der Funktionalitäten der Hochstromleiterplatte enthalten sind. Hierbei sind auch der Hochvolt-Versorgungsanschluss 412 und der Verbraucheranschluss 414 elektrisch mit der Leiterplatte 200 verbunden. Die Hochvolt-Leistungsschalter 430 sind zwischen der Leiterplatte 200 und dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 angeordnet, elektrisch mit Teilabschnitten der Leiterplatte 200 verbunden und thermisch mit der Leiterplatte 200 und dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 gekoppelt.
Die Leiterplatte 200 ist mittels des Wärmeleitmaterials 470 und der Gehäusevorsprünge 460 thermisch mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 100 gekoppelt.
Die Hochvolt-Leistungsschalter 430 sind somit thermisch zum einen direkt mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 410 und zum anderen indirekt über die den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 zugewandte Außenlage und benachbarte Innenlage der Leiterplatte 200, das Wärmeleitmaterial 470 und die Gehäusevorsprünge 460 mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses 100 gekoppelt. Somit können die Hochstrom-Leistungsschalter 430 durch die Leiterplatte 200 und die Kühleinrichtung 440 gekühlt werden.
Somit ist in der Leiterplattenvorrichtung 400 der erste thermische Weg von den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 direkt über das Gehäuse 410 zu der Kühleinrichtung 440 bereitgestellt. Auch ist ein zweiter, paralleler thermischer Weg von den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 indirekt über die Leiterplatte 200, das Wärmeleitmaterial 470 und die Gehäusevorsprünge 460 zu der Kühleinrichtung 440 bereitgestellt. Hierbei wird ausgenutzt, dass auf der Leiterplatte 200 große, undurchschnittene Wärmeleitflächen auf der der Kühleinrichtung 440 zugewandten Außenlage und der benachbarten ersten Innenlage vorhanden sind. Diese beiden Lagen sind hierbei mittels Laserbohr-Technologie über Durchkontaktierungen verbunden. Durch die beiden beschriebenen Lagen wird ein thermisch niederohmiger Pfad eröffnet, der eine großflächige Anbindung über das Wärmeleitmaterial 470 an die Kühlereinrichtung 440 ermöglicht und den thermischen Gesamtwiderstand weiter absenken kann.
Bei diesem Prinzip zweier paralleler Wärmeableitungswege bzw. Wärme- Umleit-Prinzip braucht Wärme von den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 nicht durch die gesamte Leiterplatte 200 geführt zu werden, sondern lediglich durch deren den Hochvolt-Leistungsschaltern 430 zugewandte Außenlage und benachbarte Innenlage. Für das Wärme-Umleit-Prinzip werden daher insbesondere keine thermischen Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte 200 hindurch benötigt. Somit wird ein zusätzlicher thermischer Widerstand, der bei einer Wärmeführung mittels thermischer Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte 200 entstünde, vorteilhaft vermieden.
Unter Bezugnahme auf die 4A bis 4F ist anzumerken, dass eine flache Leiterplattenvorrichtung 400 bzw. ein flaches Hochvolt-System bereitgestellt und Verbindungstechnik innerhalb der Leiterplattenvorrichtung 400 eingespart werden kann.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Herstellen einer Leiterplatte mit mehreren Lagen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Durch Ausführen des Verfahrens 500 kann eine Leiterplatte wie die Leiterplatte aus einer der 2A bis 4F vorteilhaft hergestellt werden.
Das Verfahren 500 weist einen Schritt 510 des Ausformens zumindest einer Außenlage mit mindestens einer ersten elektrischen Leitung und zumindest einer zu der Außenlage benachbarten Innenlage mit mindestens einer zweiten elektrischen Leitung auf. Dabei wird der Schritt 510 des Ausformens so ausgeführt, dass die mindestens eine erste elektrische Leitung und die mindestens eine zweite elektrische Leitung deckungsgleich relativ zueinander angeordnet sind.
Auch weist das Verfahren 500 einen Schritt 520 des Erzeugens zumindest einer Durchkontaktierung zum elektrischen und zusätzlich oder alternativ thermischen Verbinden der zumindest einen Außenlage und der zumindest einen zu der Außenlage benachbarten Innenlage mittels Laser auf.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Leiterplatte 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Leiterplatte 200 weist einen Stapel aus einer Mehrzahl von Leiterplattenschichten auf. Der Stapel umfasst als Schichten zumindest eine Außenlage 241 und eine Innenlage 243. Die Außenlage 241 und die Innenlage 243 weisen jeweils zumindest eine Leiterbahn als elektrische Leitungen 601, 603 auf. Eine erste Leitung 601 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer äußeren Oberfläche der Außenlage 241 angeordnet. Eine zweite Leitung 603 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer der Außenlage 241 zugewandten Oberfläche der Innenlage 243 angeordnet. Die beiden Leitungen 601, 603 sind deckungsgleich zueinander geführt, weisen also beispielsweise identische Leitungsverläufe auf, die lediglich um eine Lage versetzt zueinander angeordnet sind. Die Leiterplatte 200 weist zumindest eine lasererzeugte Durchkontaktierung 247 zum Verbinden der beiden parallel geführten Leitungen 601, 603 auf.
Die Leitungen 601, 603 können über eine größere Länge, die insbesondere länger als eine Breite der Leitungen 601, 603 betragen kann, parallel und deckungsgleich zueinander geführt werden. Beispielsweise kann eine solche Länge mehr als 10mm betragen. Die Leitungen 601, 603 können beispielsweise zwischen zwei Leitungsanschlüssen zum Einspeisen und Abnehmen eines über die Leitungen 601, 603 geführten Signals parallel und deckungsgleich zueinander geführt sein. Dabei können die Leitungsanschlüsse je mit beiden Leitungen 601, 603 verbunden sein, beispielsweise über die Durchkontaktierung 247 oder eine Mehrzahl von die Leitungen verbindenden Durchkontaktierungen durch die Außenlage 241.
Die Leitungen 601, 603 können beispielsweise ausgebildet sein, um ein Hochvoltsignal zu führen, das eine Potentialdifferenz von mehr als 100V zu einer weiteren Leitung aufweisen kann, die beispielsweise entlang einer der Leitung 603 gegenüberliegenden Seite der Innenlage 243 geführt sein kann. Somit kann zumindest eine der Leitungen 601, 603 einen Leitungsanschluss zu einer Hochvoltsignalquelle, beispielsweise einem Leistungsschalter aufweisen.
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.
Bezugszeichenliste

100: Leiterplattensystem
110: erster Schaltungsträger
111: erste Außenlage
112: Basismaterial
113: erste Innenlage
114: weitere mögliche Innenlagen
115: weitere erste Innenlage
116: zweite Außenlage
117: Durchkontaktierung
120: zweiter Schaltungsträger
121: erste Außenlage
122: Basismaterial
123: erste Innenlage
124: weitere mögliche Innenlagen
125: weitere erste Innenlage
126: zweite Außenlage
127: Durchkontaktierung
130: Verbindungselemente
200: Leiterplatte
210: Steuerabschnitt
220: Treiberabschnitt
230: Verbindungsabschnitt
241: erste Außenlage
242: Basismaterial
243: erste Innenlage
244: Zwischenlage bzw. weitere Innenlage
245: weitere erste Innenlage
246: zweite Außenlage
247: Durchkontaktierung
250: Übertragungseinrichtung
400: Leiterplattenvorrichtung
410: Gehäuse
412: Hochvolt-Versorgungsanschluss
414: Verbraucheranschluss
416: Steueranschluss
420: Hochstromleiterplatte
430: Hochstrom-Leistungsschalter
440: Kühleinrichtung
450: Kontaktelement
460: Gehäusevorsprung
470: Wärmeleitmaterial
500: Verfahren zum Herstellen
510: Schritt des Ausformens
520: Schritt des Erzeugens
601: erste Leitung
603: zweite Leitung

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 102011077206 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEC 60664 [0006]

Claims

Leiterplatte (200) mit mehreren Lagen, die zumindest eine Außenlage (241, 246) mit mindestens einer ersten elektrischen Leitung (601) und zumindest eine zu der Außenlage (241, 246) benachbarte Innenlage (243, 245) mit mindestens einer zweiten elektrischen Leitung (603) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste elektrische Leitung (601) und die mindestens eine zweite elektrische Leitung (603) relativ zueinander deckungsgleich angeordnet sind, wobei die Leiterplatte (200) zumindest eine lasererzeugte Durchkontaktierung (247) zum elektrischen und/oder thermischen Verbinden der zumindest einen Außenlage (241, 246) und der zumindest einen zu der Außenlage (241, 246) benachbarten Innenlage (243, 245) aufweist.
Leiterplatte (200) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (200) in zumindest einen Steuerabschnitt (210) zum Verarbeiten von Steuersignalen und zumindest einen Treiberabschnitt (220) zum Ansteuern von mindestens einem Hochvolt-Leistungsschalter (430) unterteilt ist.
Leiterplatte (200) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (200) zumindest einen Verbindungsabschnitt (230) zum Verbinden des zumindest einen Steuerabschnitts (210) und des zumindest einen Treiberabschnitts (220) miteinander aufweist, wobei die Leiterplatte (200) in dem Verbindungsabschnitt (230) mindestens eine elektrische Verbindungsleitung aufweist oder galvanisch trennend ausgeformt ist und eine Übertragungseinrichtung (250) aufweist.
Leiterplatte (200) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (200) eine Mehrzahl von insulär angeordneten Treiberabschnitten (220) aufweist, die über eine Mehrzahl von Verbindungsabschnitten (230) mit einem gemeinsamen Steuerabschnitt (210) verbunden sind.
Leiterplatte (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (241, 246) eine Dicke kleiner oder gleich 70 µm und die benachbarte Innenlage (243, 245) eine Dicke kleiner oder gleich 70 µm aufweisen.
Leiterplatte (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (200) eine erste Außenlage (241) und eine erste Innenlage (243) aufweist, die über zumindest eine erste lasererzeugte Durchkontaktierung (247) verbunden sind und zwischen denen Leiterplattenbasismaterial (242) mit einer ersten Dicke angeordnet ist, sowie eine zweite Außenlage (246) und eine zweite Innenlage (245) aufweist, die über zumindest eine zweite lasererzeugte Durchkontaktierung (247) verbunden sind und zwischen denen Leiterplattenbasismaterial (242) mit der ersten Dicke angeordnet ist, wobei zwischen der ersten Innenlage (243) und der zweiten Innenlage (245) Leiterplattenbasismaterial (242) mit einer zweiten Dicke, die größer als die erste Dicke ist, oder zumindest eine Zusatzlage (244) angeordnet ist, zwischen der und den Innenlagen (243, 245) Leiterplattenbasismaterial (242) mit der zweiten Dicke angeordnet ist.
Leiterplattenvorrichtung (400), die folgende Merkmale aufweist: eine Leiterplatte (200) mit mehreren Lagen gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; zumindest einen Hochvolt-Leistungsschalter (430), der elektrisch mit der Leiterplatte (200) verbunden ist; und ein Gehäuse (410), in dem die Leiterplatte (200) und der zumindest eine Hochvolt-Leistungsschalter (430) zumindest teilweise angeordnet sind.
Leiterplattenvorrichtung (400) gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Hochvolt-Versorgungsanschluss (412), einen Verbraucheranschluss (414) und einen Steueranschluss (416), wobei der Hochvolt-Versorgungsanschluss (412) und der Verbraucheranschluss (414) in einer Energieflussebene angeordnet sind, wobei der Steueranschluss (416) quer oder normal bezüglich der Energieflussebene angeordnet ist.
Leiterplattenvorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hochvolt-Leistungsschalter (430) thermisch direkt mit einem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses (410) gekoppelt ist oder thermisch direkt mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses (410) und indirekt über die dem zumindest einen Hochvolt-Leistungsschalter (430) zugewandte Außenlage (241, 246) und benachbarte Innenlage (243, 245) der Leiterplatte (200), ein Wärmeleitmaterial (470) und/oder Gehäusevorsprünge (460) mit dem Wärmeableitungsabschnitt des Gehäuses (410) gekoppelt ist.
Verfahren (500) zum Herstellen einer Leiterplatte (200) mit mehreren Lagen, wobei das Verfahren (500) folgende Schritte aufweist: Ausformen (510) zumindest einer Außenlage (241, 246) mit mindestens einer ersten elektrischen Leitung (601) und zumindest einer zu der Außenlage (241, 246) benachbarten Innenlage (243, 245) mit mindestens einer zweiten elektrischen Leitung (603), wobei die mindestens eine erste elektrische Leitung (601) und die mindestens eine zweite elektrische Leitung (603) deckungsgleich relativ zueinander angeordnet sind; und Erzeugen (520) zumindest einer Durchkontaktierung (247) zum elektrischen und/oder thermischen Verbinden der zumindest einen Außenlage (241, 246) und der zumindest einen zu der Außenlage (241, 246) benachbarten Innenlage (243, 245) mittels Laser.