DE102014201200A1 - Leiterplatte - Google Patents

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DE102014201200A1
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Hermann Mueller
Hartmut Sinz
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Es wird eine Leiterplatte (200) vorgestellt, die einen Thermostapel (230) umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass eine erste Lage, die am nächsten zu einer Kühlbank (204) angeordnet ist, mit Massepotential (214) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem sogenannten Thermostapel bzw. Thermostack.
  • Stand der Technik
  • Unter einer Leiterplatte ist ein Träger für elektronische Bauteile zu verstehen, welche der mechanischen Befestigung und der elektrischen Verbindung der elektronischen Bauteile dient. In der Regel sind Leiterplatten aus einem elektrisch nicht leitenden Material, bspw. aus faserverstärktem Kunststoff, gefertigt, an dem leitende Verbindungen vorgesehen sind. Als leitende Verbindungen dienen sogenannte Leiterbahnen, die typischerweise aus Kupfer gefertigt sind. Üblicherweise werden die Bauteile auf Lötflächen bzw. Pads oder in Lötaugen gelötet.
  • In Leiterplatten sind sogenannte Thermostapel bzw. Thermostacks vorgesehen, die ein Ableiten von Wärme ermöglichen, um eine thermische Schädigung oder gar Zerstörung von Bauteilen oder Bereichen der Leiterplatte zu verhindern. Diese Thermostapel umfassen beabstandete Lagen, die über Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind. Bei diesen Thermostapeln sind deren Auswirkungen auf die EMV-Eigenschaften (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit) der Leiterplatte zu beachten.
  • Die Druckschrift DE 10 2009 029 317 A1 beschreibt eine Leiterplatte, die zusammen mit einem zumindest bereichsweise elektrisch leitenden Gehäuse eine Einrichtung bildet. In der Druckschrift wird eine als bekannt bezeichnete Einrichtung gezeigt, die ein Gehäuse und eine mehrlagige Leiterplatte aufweist. Die mehrlagige Leiterplatte umfasst eine Masselage. Auf der Leiterplatte sind Leiterbahnen angeordnet, die mittels Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden sind. Auf der Oberseite der Leiterplatte sind mehrere elektronische Bauteile angeordnet und mit den Leiterbahnen kontaktiert. Um eine elektrische Trennung der Leiterbahnen auf der Unterseite der Leiterplatte von dem elektrisch leitenden Gehäuse bereitzustellen, ist mindestens ein Abstandshalter zwischen der Unterseite der Leiterplatte und der Gehäuseinnenfläche angeordnet.
  • Bei dieser Ausführung wird als nachteilig beschrieben, dass von den auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteilen oder Leiterbahnen durch elektrische Einkopplung Ströme in dem Gehäuse erzeugt werden.
  • Demgegenüber wird in der genannten Druckschrift eine Einrichtung vorgeschlagen, die ein zumindest bereichsweise elektrisch leitendes Gehäuse, eine Leiterplatte und mindestens ein elektrisch leitendes Verbindungsmittel umfasst, wobei die Leiterplatte eine Masselage aufweist, das Gehäuse mit der Leiterplatte mittels des elektrisch leitenden Verbindungsmittels mit der Masselage elektrisch verbunden ist, und das Verbindungsmittel zur Kontaktierung der Masselage durch die Leiterplatte zumindest teilweise hindurchgeht.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2010 063 245 A1 ist eine Leiterplatte mit Schirmung bekannt. Die gezeigte Leiterplatte enthält eine Trägerplatte, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Die Trägerplatte erstreckt sich flächig zwischen der Oberseite und der Unterseite und enthält eine auf der Oberseite angeordnete erste Leiterbahnebene, eine zweite, an der Unterseite angeordnete Leiterbahnebene und eine zwischen den beiden Ebenen verlaufende Leiterbahnebene. Sämtliche Leiterbahnebenen sind zueinander jeweils in Normalenrichtung der Leiterplatte beabstandet. Die Leiterplatte enthält weiterhin eine Schirmung, die eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen umfasst, die jeweils Schirmungsleiterbahnen miteinander elektrisch verbinden und hierzu die Trägerplatte durchdringen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund wird eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
  • Die vorgestellte Leiterplatte ist dafür vorgesehen, elektronische Schaltungen zu realisieren und stellt hierzu den elektronischen Bauteilen der Schaltung eine mechanische Befestigung und Leiterbahnen für elektrische Verbindungen bereit. In Ausgestaltung ist die Leiterplatte mehrlagig ausgebildet. In der Leiterplatte ist ein Thermostapel vorgesehen, der eine Anzahl von Lagen aufweist, die über Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind. Als Material für den Thermostapel kommt bspw. Kupfer zur Anwendung. Die Durchkontaktierungen sind bspw. durch Röhren gebildet.
  • Die beschriebene Leiterplatte weist, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen auf. So ist die Ausbildung von vorteilhaft kurzen Stromschleifen ermöglicht. Dadurch ergeben sich geringe EMV-Störungen. Dabei sind die Störstromschleifen wesentlich kürzer als bei bekannten Leiterplatten, da diese nicht über das Gehäuse oder Abstandshalter geführt werden müssen. Im Gegensatz zu bekannten Leiterplatten können diese innerhalb der Leiterplatte oder innerhalb eines Thermostapels geführt werden. Die von den Störströmen umflossenen Flächen sind gegenüber bisher bekannten Ausführungen geringer.
  • Die vorstehend erwähnten Abstandshalter, die ebenfalls vorgesehen sein können, werden in Ausgestaltung nicht als leitende Verbindungen eingesetzt, da deren EMV-Eigenschaften als niederimpedante Verbindung nicht über die gesamte Lebensdauer gewährleistet werden können.
  • Weiterhin ist zu beachten, dass durch das verbesserte Abstrahlverhalten alternative elektronische Bauteile, wie bspw. schnellschaltende, verlustarme Schalter bzw. Halbleiterschalter, wie bspw. Feldeffekttransistoren bzw. FETs, in kleinerer Bauform eingesetzt werden können.
  • Die hierin erläuterten Fortbildungen können durch einfache Modifizierung des Thermostapel-Layouts umgesetzt werden, wobei die eingesetzten Gehäusebauformen ohne Änderungen weiter verwendet werden können.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführung gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der beschriebenen Leiterplatte.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Leiterplatte.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt eine Leiterplatte nach dem Stand der Technik. Diese Leiterplatte 100 wird mit einem Gehäuse 102 aus Metall abgedeckt, das wiederum eine Kühlbank 104 mit Massepotential umfasst. Zwischen dem Gehäuse 102 und der Leiterplatte 100 sind ein Wärmeleiter 106 und Abstandshalter 108 vorgesehen.
  • Die Leiterplatte 100 umfasst einen Thermostapel 130, der eine obere Lage 132, eine erste mittlere Lage 134, eine zweite mittlere Lage 136 und eine untere Lage 138 aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, bspw. Kupfer, umfasst. Die Anzahl der Lagen kann hier beliebig hoch sein. Diese Lagen 132 bis 138 sind miteinander über Durchkontaktierungen 140 verbunden. Diese Durchkontaktierungen 140, die bspw. als Röhren ausgebildet sind, sind ebenfalls aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie bspw. Kupfer, gefertigt.
  • An der Unterseite der Leiterplatte 100 ist ein Leistungsbauteil 110 vorgesehen, dessen Kühlfahne 111 mit der unteren Lage 138 des Thermostapels 130 verbunden ist. Zudem sind Leiterbahnen bzw. Leiterflächen 112 in der Leiterplatte 100 vorgesehen. Weiterhin zeigt die Darstellung Flächen 114 mit Massepotential.
  • Der gesamte Thermostapel 130, der insbesondere die Abwärme des Leistungsbauteils 110 ableiten soll, befindet sich auf hohem Potential. Da sich das Gehäuse 102 auf Massepotential befindet, bildet sich mit dem Wärmeleiter 106 eine Kapazität, die einen Störstrom fließen lässt. Es bildet sich somit eine Störstromschleife, die mit Pfeil 142 angedeutet ist, über sowohl die Leiterplatte 100 als auch das Gehäuse 102. Ursache des Störstroms sind die Schaltvorgänge des Leistungsbauteils 110.
  • 2 zeigt eine Ausführung der vorgestellten Leiterplatte, die insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die Leiterplatte 200 wird mit einem Gehäuse 202 aus Metall abgedeckt, das wiederum eine Kühlbank 204 mit Massepotential umfasst. Zwischen dem Gehäuse 202 und der Leiterplatte 200 sind ein Wärmeleiter 206 und Abstandshalter 208 vorgesehen.
  • An der Unterseite der Leiterplatte 200 ist ein Leistungsbauteil 210 angeordnet, dessen Kühlfahne 211 mit der Leiterplatte 200 verbunden ist. Weiterhin sind Leiterbahnen bzw. Leiterflächen 212 in der Leiterplatte 100 vorgesehen. Weiterhin zeigt die Darstellung Flächen 214 mit Massepotential.
  • Außerdem ist ein Thermostapel 230 mit einer oberen Lage 232, die die erste Lage im Sinne des Anspruchs 1 darstellt und der Kühlbank 204, einer ersten mittleren Lage 234, einer zweiten mittleren Lage 236 und einer unteren Lage 238 vorgesehen. Weitere Lagen sind möglich. Der Thermostapel 230 dient zum Ableiten der Abwärme des Leistungsbauteils 210. Die erste mittlere Lage 234, die zweite mittlere Lage 236 und die untere Lage 238 sind mit Durchkontaktierungen 240 miteinander verbunden. Die erste und zweite mittlere Lage 234 und 236 werden auch als Innenlagen bezeichnet. Als Materialien für den Thermostapel 230 kommen diejenigen des Thermostapels 130 aus 1 in Betracht.
  • Die obere Lage 232 des Thermostapels 230, die als eine Art Gitter ausgebildet sein kann, ist somit von den Durchkontaktierungen 240 galvanisch getrennt und mit Masse verbunden. Diese Lage 232 liegt dann nicht mehr auf hohem Potential, sondern auf Massepotential 214. Die Fläche, über die die Störströme in die Kühlbank 204 gekoppelt werden können, reduziert sich auf die Querschnittsflächen, bei Röhren auf die Röhrenquerschnittsflächen, der Durchkontaktierungen 240 und werden dadurch stark verkleinert. Eine Störstromschleife entsprechend der Störstromschleife 142 aus 1 lässt einen deutlich verringerten Strom fließen und ist in 2 nicht mehr eingezeichnet. Die Störstromschleife 242 ist gegenüber der Störstromschleife 142 verkleinert. Die Störstromschleife 242 ist gegenüber der Störstromschleife 142 weniger schädlich.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführung der beschriebenen Leiterplatte, die mit der Bezugsziffer 300 versehen ist. Die Leiterplatte 300 wird mit einem Gehäuse 302 aus Metall abgedeckt, das wiederum eine Kühlbank 304 mit Massepotential umfasst. Zwischen dem Gehäuse 302 und der Leiterplatte 300 sind ein Wärmeleiter 306 und Abstandshalter 308 vorgesehen.
  • An der Unterseite der Leiterplatte 300 ist ein Leistungsbauteil 310 angeordnet, dessen Kühlfahne 311 mit der Leiterplatte 300 verbunden ist. Weiterhin sind Leiterbahnen bzw. Leiterflächen 312 in der Leiterplatte 300 vorgesehen. Außerdem zeigt die Darstellung Flächen 314 mit Massepotential.
  • In der Leiterplatte 300 ist ein Thermostapel 330 mit einer oberen Lage 332, die die erste Lage im Sinne des Anspruchs 1 darstellt und am nächsten zur Kühlbank 304 liegt, einer ersten mittleren Lage 334, einer zweiten mittleren Lage 336 und einer unteren Lage 338 vorgesehen. Auch hier sind weitere Lagen möglich. Die erste mittlere Lage 334 und die untere Lage 338 sind mit Durchkontaktierungen 340 miteinander verbunden und befinden sich auf hohem Potential. Die zweite mittlere Lage 336 ist mit Massepotential 314 verbunden. Über zusätzliche seitliche Durchkontaktierungen 342 ist die zweite mittlere Lage 336 mit der oberen Lage 332 verbunden. Diese befindet sich somit auch auf Massepotential 314.
  • Zusätzlich zur oberen Lage 332 wird somit eine Innenlage, in diesem Fall die zweite mittlere Lage 336, vom Thermostapel 330 getrennt und bei Massepotential angeschlossen, um den Effekt bei der Ausführung gemäß 2 zu verstärken. Zudem kommen die seitlichen Durchkontaktierungen 342 hinzu, so dass die Störstromschleifen 344, die den Hauptanteil des Störstroms darstellen, nur noch im Bereich des Thermostapels 330 verlaufen und daher noch weniger schädlich sind.
  • Bei den Ausführungen der 2 und 3 ist zu beachten, dass jeweils die obere Lage 232 bzw. 332 des Thermostapels 230 bzw. 330, welche dem Gehäuse 202 bzw. 302 zugewandt sind, auf Massepotential sitzt. Weiterhin kann zumindest eine der Innenlagen ebenfalls auf Massepotential sein. Zur Verbindung der Lagen, die auf Massepotential sind, können, wie in 3 verdeutlicht ist, zusätzliche, in diesem Fall seitliche Durchkontaktierungen 342 vorgesehen sein.
  • Zu beachten ist, dass die hierin beschriebene Leiterplatte bei Steuergerätegehäusekonzepten mit entsprechenden Kühlbankbereichen eingesetzt werden kann. Grundsätzlich kann die vorgestellte Leiterplatte in Verbindung mit den entsprechenden Kühlbankbereichen bei unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden.
  • 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 102009029317 A1 [0004]
    • DE 102010063245 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Leiterplatte mit Leiterbahnen (212, 312) zur Aufnahme elektronischer Bauteile mit einer Kühlbank (204, 304), einem Thermostapel (230, 330) mit mindestens einer Durchkontaktierung (240, 340), welcher zum Ableiten von Wärme vorgesehen ist, wobei der Thermostapel (230, 330) eine erste Lage, die am nächsten zur Kühlbank (204, 304) angeordnet ist, und mindestens eine weitere Lage aufweist, wobei die erste Lage, die am nächsten zu der Kühlbank (204, 304) angeordnet ist, mit Massepotential (214, 314) verbunden und von der mindestens einen Durchkontaktierung (240, 340) galvanisch getrennt ist, wobei die mindestens eine Durchkontaktierung (240, 340) quer zu den Lagen verläuft und mit wenigstens einer von der mindestens einen weiteren Lage verbunden ist.
  2. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei der der Thermostapel (230, 330) eine obere Lage (232, 332), die die erste Lage darstellt, eine untere Lage (238, 338) und mindestens eine mittlere Lage (234, 236, 334, 336) umfasst.
  3. Leiterplatte nach Anspruch 2, bei der die untere Lage (238, 338) und die mindestens eine mittlere Lage (234, 236, 334, 336) über Durchkontaktierungen (240, 340) miteinander verbunden sind.
  4. Leiterplatte nach Anspruch 2, bei der wenigstens eine der mittleren Lagen (234, 236, 334, 336) auf Massepotential (214, 314) liegt und von den Durchkontaktierungen (240, 340) galvanisch getrennt ist.
  5. Leiterplatte nach Anspruch 4, bei der die wenigstens eine mittlere Lage (234, 236, 334, 336), die auf Massepotential (214, 314) liegt, mit der oberen Lage (232, 332) über zusätzliche Durchkontaktierungen (342) verbunden ist.
  6. Leiterplatte nach Anspruch 5, bei der die zusätzlichen Durchkontaktierungen (342) als seitliche Durchkontaktierungen ausgebildet sind.
  7. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Durchkontaktierungen (240, 340) und/oder die zusätzlichen Durchkontaktierungen (342) als Röhren ausgebildet sind.
  8. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Thermostapel (230, 330) aus Kupfer gefertigt ist.
  9. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der Abstandshalter (208, 308) vorgesehen sind.
  10. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem zumindest bereichsweise elektrisch leitenden Gehäuse (202, 302).
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