DE102015112031A1

DE102015112031A1 - Anordnung und Verfahren zur Verbesserung einer Strombelastbarkeit von Leiterbahnen

Info

Publication number: DE102015112031A1
Application number: DE102015112031.3A
Authority: DE
Inventors: Stephan Werker; Holger Gerberich; Mario Lenz
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2035-07-24
Also published as: US10098219B2; DE102015112031B4; KR101865195B1; KR20170011969A; US20170027052A1

Abstract

Der Erfindung, welche eine Anordnung und ein Verfahren zur Verbesserung einer Strombelastbarkeit von Leiterbahnen betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit die Strombelastbarkeit von Leiterbahnen auf oder in einer Leiterplatte verbessert wird und der Einsatz von Kupfermaterialien sowie die Kosten für die Materialien und die Fertigung der Leiterplatte verringert werden. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass die Leiterplatte über ein Gehäuse mit einem Kühlmittel einer kälteerzeugenden Anordnung zur Wärmeableitung verbunden ist. Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die Ableitung der Wärme aus der Leiterplatte durch eine Verbindung der Leiterplatte über ein Gehäuse mit einem Kühlmittel einer kälteerzeugenden Anordnung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbesserung einer Strombelastbarkeit von Leiterbahnen, wobei die Leiterbahnen auf und/oder in einer Leiterplatte angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verbesserung einer Strombelastbarkeit von Leiterbahnen, wobei eine Ableitung von Wärme aus der Leiterplatte und den Leiterbahnen erfolgt.
Leiterplatten, auch als Leiterkarten, Platinen oder gedruckte Schaltungen (englisch: printed circuit board, PCB) bezeichnet, sind Träger für elektronische Bauteile. Sie realisieren die mechanische Befestigung und elektrische Verbindung der auf der Leiterplatte aufgebrachten Bauelemente in fast allen elektronischen Geräten.
Auf derartigen Leiterplatten für elektrische Baugruppen müssen teilweise große Ströme für elektrische Antriebe oder eine Stromversorgung einer Anordnung transportiert werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Leiterplatte zum Betreiben eines Wechselrichters (Inverters) für einen elektrischen Kältemittelverdichter.
Zur Realisierung einer hohen Strombelastbarkeit oder Stromtragfähigkeit und eines besseren lateralen Wärmetransports ist es bekannt, die Leiterbahnen auf der Leiterplatte, welche auch als Leiterzüge bezeichnet werden, mit entsprechend starken Kupferschichtstärken im Bereich von beispielsweise 200 µm bis 400 µm mittels einer sogenannten Dickkupfertechnik auszuführen.
Alternativ kann eine sogenannte Inlay-Technik Anwendung finden, bei welcher ein massives Kupferteil in die Leiterplatte eingepresst und mit dieser laminiert wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz von sogenannten Stromschienen (Busbar) zur Stromführung, welche außerhalb der Leiterplatte angeordnet sind.
Die zulässigen Stromstärken für vorgegebene Leiterbahnbreiten auf Leiterbahnen sind beispielsweise in der Richtlinie IPC2221 angegeben.
Durch die Verwendung von breiten und dicklagigen Kupferleiterbahnen sowie eine Verwendung von Stromschienen entsteht ein hoher Fertigungs- und Kostenaufwand im Hinblick auf die zu fertigende Leiterplatte.
Weiterhin ergeben sich durch die Verwendung von starken Kupferlagen (Dickkupfertechnik) Einschränkungen in der Auflösung von Leiterbahnzwischenräumen (Fine Pitch). Somit sind stärkere Reglementierungen beim Entflechten (Layout) und bei der Produktion der Leiterkarte zu beachten.
Hauptgrund für die in der IPC2221-Richtlinie angebenden Leiterquerschnitte ist die Eigenerwärmung der Leiterbahnen durch den ohmschen Widerstand. Diese Eigenerwärmung kann zu einem Ablösen der Kupferleiterbahnen von einem Trägermaterial (Delaminierung) sowie einem Ablösen der einzelnen Trägermaterialien untereinander und zur Zerstörung der Leiterplatte führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Verbesserung der Strombelastbarkeit von Leiterbahnen anzugeben, womit die Strombelastbarkeit von Leiterbahnen auf oder in einer Leiterplatte erhöht wird und der Einsatz von Kupfermaterialien sowie die Kosten für die Materialien und die Fertigung der Leiterplatte verringert werden.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Zur Verringerung der zur Gewährleistung einer vorgegebenen Strombelastung notwendigen Leitungsquerschnitte von Leiterbahnen auf oder in Leiterplatten sowie zur Verbesserung der Wärmeableitung wird vorgeschlagen, die Leiterplatte unter Nutzung eines in baulicher Umgebung der Leiterplatte befindlichen Kälteerzeugers permanent zu kühlen und hierdurch die Leiterbahnen zu entkühlen.
Durch diese Lösung werden thermisch bedingte Ablösungen von Leiterbahnen sowie Zerstörungen von auf der Leiterplatte angeordneten Bauelementen auf der Leiterplatte vermieden. Außerdem können die für die vorgegebene Strombelastung vorgegebenen Leiterbahnquerschnitte kleiner dimensioniert werden, wenn die entstehende Wärme zuverlässig abgeleitet werden kann.
Eine derartig aktive Kühlung wird vorteilhaft dadurch erreicht, indem die Leiterplatte mit einem Kühlmittel eines kälteerzeugenden Geräts, wie beispielsweise einem elektrischen Kältemittelverdichter, derart verbunden wird, dass die entstehende Wärme zuverlässig ableitbar ist.
Elektrische Kältemittelverdichter werden beispielsweise mit einem Inverter, der den Kältemittelverdichter ansteuert, zusammen betrieben, für welchen eine Leiterplatte mit Leiterbahnen benötigt wird. Zumindest ein Teil der Leiterbahnen der Leiterplatte muss einer hohen Strombelastung genügen.
Eine aktive Kühlung der Leiterplatte und Leiterbahnen in einem elektrischen Kältemittelverdichter mit angeflanschtem Inverter wird dadurch erreicht, dass der Kältemittelverdichter, bedingt durch das in ihm befindliche Kühlmittel, selbstkühlend ist. Das heißt im laufenden Betrieb, also dann, wenn auch die Leiterplatte stromführend ist, wird ein Teil des Kompressorgehäuses durch das Kühlmittel gekühlt und kann somit Gegenständen, wie einer Leiterplatte, Wärme entziehen. Zu diesem Zweck wird die Leiterplatte mit diesem Kompressorgehäuse gut wärmeleitend verbunden.
Vorteilhaft ist es, die Leiterplatte mit dem Gehäuse des Kältemittelverdichters zu verschrauben. Diese Verschraubung stellt eine sichere Verbindung zwischen Leiterplatte und Gehäuse her und sorgt für eine gute thermische Anbindung der Leiterplatte an das Gehäuse.
Bei dieser Verschraubung kann die Leiterplatte direkt oder über ein Zwischenstück, welches gute Wärmeleiteigenschaften aufweisen sollte, mit dem Gehäuse verbunden werden.
Weiterhin vorteilhaft ist es auch, die Leiterplatte mit dem Gehäuse des Kältemittelverdichters zu verklemmen oder an dieses anzupressen. Hierfür kann beispielsweise ein Teil eines zweiten Gehäuses genutzt werden oder eine separate Halterung, wie zum Beispiel ein Bügel, zum Einsatz kommen. Auch bei dieser Art der Verbindung der Leiterplatte mit dem Gehäuse des Kältemittelverdichters kann ein Zwischenstück eingesetzt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: eine Darstellung einer Leiterplatte mit auf und in der Leiterplatte angeordneten Leiterzügen und einer Stromschiene aus dem Stand der Technik,
2: eine erste erfindungsgemäße Lösung zur Kühlung der Leiterplatte durch ein Verschrauben mit einem gekühlten Gehäuse und
3: eine zweite erfindungsgemäße Lösung zur Kühlung der Leiterplatte durch ein Anpressen der Leiterplatte an ein gekühltes Gehäuse.
In der 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Leiterplatte 1 mit einem auf der Oberfläche der Leiterplatte 1 angeordneten ersten Leiterzug 2 und einem in der Leiterplatte 1 eingebrachten zweiten Leiterzug 3 dargestellt. Unterhalb der Leiterplatte 1 sind drei aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Stromschienen 4 dargestellt. Diese Stromschienen 4, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer bestehend, haben einen entsprechenden Leitungsquerschnitt, um große Ströme, beispielsweise für einen Elektromotor, leiten zu können. Der erste Leiterzug 2 und/oder der zweite Leiterzug 3 kann/können ebenfalls für eine hohe Strombelastung ausgelegt sein.
Bedingt durch den ohmschen Widerstand der meist aus Kupfer ausgeführten Leiterzüge 2 und 3 sowie der Stromschienen 4 kommt es zu einer Eigenerwärmung der Leiterbahnen. Die von diesen Leiterzügen 2 und 3 sowie den Stromschienen 4 abgegebene Wärme 5 ist in der 1 jeweils mittels eines Pfeils mit einer gewellten Linie dargestellt. Zur Vermeidung einer zu starken Erwärmung besonders in den Bereichen der stromleitenden Bahnen 2, 3 und 4 und der möglichen oben beschriebenen Folgen werden diese mit entsprechend großen Leitungsquerschnitten ausgeführt.
In der 2 ist eine Leiterplatte 1 mit einem ersten Leiterzug 2 auf der Leiterplatte 1 und drei in diese eingebrachte zweite Leiterzüge 3 dargestellt. Zur Ableitung der Wärme 5 ist die Leiterplatte 1 mit einem Gehäuse 6 einer kälteerzeugenden Anordnung 7, wie einem Kältemittelverdichter 7, zumindest mittelbar verbunden. Das Gehäuse 6 umschließt zumindest teilweise ein Kühlmittel 8 des Kältemittelverdichters 7.
Zur Verbesserung der Wärmeableitung werden mindestens die von einem hohen Strom durchflossenen Bereiche der Leiterplatte 1, welche im Beispiel der 2 die drei zweiten Leiterzüge 3 sein sollen, thermisch niederimpedant mit dem Gehäuse 6 des elektrischen Kältemittelverdichters 7 verbunden und somit besser gekühlt. Durch diese Kühlung wird die Eigenerwärmung der Leiterplatte 1 durch die Strombelastung verringert und es wird/werden eine Delaminierung oder andere Schäden an der Leiterplatte 1 oder an den mit dieser verbundenen Bauelementen verhindert. Unter einer thermisch niederimpedanten Verbindung wird eine gute thermische Verbindung mit einem geringen Wärmeübergangswiderstand verstanden.
In der beispielhaften Ausführung der Erfindung in der 2 erfolgt die Verbindung der Leiterplatte 1 mit dem Gehäuse 6 des elektrischen Kältemittelverdichters 7 mittels Schrauben 9 und einer Erhöhung 10. Die Leiterplatte 1 ist mittels der Schrauben 9 mit der Erhöhung 10 verschraubt, welche beispielsweise durch eine weitere nicht dargestellte Schraubverbindung mit dem Gehäuse 6 verbunden ist. Alternativ kann die Erhöhung 10 mit dem Gehäuse 6 verschweißt, verklebt, verpresst oder bereits im Gehäuse integriert, also ein Teil des Gehäuses 6 selbst, sein.
Die Erfindung ermöglicht durch eine aktive Kühlung der Leiterplatte 1 sowie der Leiterzüge 2 und/oder 3, diese Leiterzüge 2 und/oder 3 mit einem geringeren Leitungsquerschnitt für die Übertragung gleicher Stromstärken auszuführen.
Vorteile der Erfindung liegen somit in einer Einsparung von Leiterbahnmaterialien sowie von Kosten für den Fertigungsaufwand bei der Herstellung der Leiterplatte 1. Weiterhin kann eine Bauraumreduzierung durch die Einsparung von Stromschienen und die Verringerung von notwendigen Leiterbahnbreiten für die Leiterzüge 2 und/oder 3 erreicht werden.
Die 2 zeigt eine Leiterplatte 1 in einer anderen Ausführung einer aktiven Kühlung, speziell der drei zweiten Leiterzüge 3 (Hochstrompfade). Diese Leiterzüge 3 können beispielsweise die von einem hohen Strom durchflossenen Verbindungen zwischen einer Halbbrücke und einer Motorphase in einem Inverter eines elektrischen Kältemittelverdichters 7 sein, wobei der Inverter in der 2 nicht dargestellt ist.
Nachteilig an der Verschraubung der Leiterplatte 1 mit der Erhöhung 10 durch Schrauben 9 ist die Verringerung der nutzbaren Leiterbahnbreite durch die für die Schrauben 9 notwendigen Bohrungen.
Daher wird im Ausführungsbeispiel in der 3 die thermische Anbindung nicht durch ein Verschrauben der Leiterkarte 1, sondern durch ein Verklemmen oder Anpressen der Leiterplatte 1 erzielt.
In dieser Variante kann ein Gehäusedeckel 11 zum Verklemmen oder Anpressen der Leiterplatte 1 entweder selbst zur Entwärmung der Leiterplatte 1 beitragen oder nur eine mechanische Funktion übernehmen. Unter dem Begriff der Entwärmung wird die Aufnahme von Wärme 5, also thermischer Energie aus der Leiterplatte 1, verstanden.
In der 3 ist die Erhöhung 10 mit dem Gehäuse 6 des elektrischen Kältemittelverdichters 7 verbunden. Die Leiterplatte 1 ist auf die Erhöhung 10 aufgelegt. Zum Fixieren der Leiterplatte 1 in dieser Position ist ein Gehäusedeckel 11 sowie ein Klemmstück 12 vorgesehen. Der Gehäusedeckel 11 wird beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Mittel zur Befestigung des Gehäusedeckels 11 am Gehäuse 6 gehalten.
Vorteilhaft ist es, dass das Klemmstück Eigenschaften wie elektrisch nicht leitend sowie mechanisch elastisch aufweist.
Zwischen dem Gehäusedeckel 11 und der Leiterplatte 1 ist das Klemmstück 12 derart eingebracht, dass durch den Druck des Klemmstücks 12 auf die Leiterplatte 1 diese fest auf der Erhöhung 10 verklemmt gehalten wird. Derart gehalten, kann die Wärme 5 aus der Leiterplatte 1 sowie den Bereichen der Leiterzüge 3 gut abgeführt werden.
Vorteilhaft ist es, den Gehäusedeckel 11 als ein zweites vom ersten Gehäuse 6 trennbares Gehäuseteil oder zumindest in Form eines Bügels auszuführen.
Durch den Wegfall der Schrauben 9 und der für diese notwendigen Bohrungen können in der 3 die zweiten Leiterzüge 3 breiter ausgeführt werden. In einer besonderen Variante sind die zweiten Leiterzüge 3 versetzt zueinander in der Leiterplatte 1 in verschiedenen Ebenen angeordnet, wodurch sich die Leiterzüge 3 in ihrem Querschnitt weiter vergrößern lassen.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte, Leiterkarte
2: erster Leiterzug/Leiterbahn
3: zweiter Leiterzug/Leiterbahn
4: Stromschiene, Leiterbahn
5: Wärmeabstrahlung, Wärme
6: Gehäuse einer kälteerzeugenden Anordnung
7: Kältemittelverdichter, kälteerzeugende Anordnung
8: Kühlmittel
9: Schrauben
10: Erhöhung
11: Gehäusedeckel, Abdeckung, Bügel
12: Klemmstück

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 Nicht-Patentliteratur

Richtlinie IPC2221 [0008]
IPC2221-Richtlinie [0011]

Claims

Anordnung zur Verbesserung einer Strombelastbarkeit von Leiterbahnen, wobei die Leiterbahnen (2, 3) auf und/oder in einer Leiterplatte (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1) über ein Gehäuse (6) mit einem Kühlmittel (8) einer kälteerzeugenden Anordnung (7) zur Wärmeableitung verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Verbindung der Leiterplatte (1) über das Gehäuse (6) mit dem Kühlmittel (8) Schrauben (9) angeordnet sind, womit die Leiterplatte (1) mit einer Erhöhung (10) des Gehäuse (6) mechanisch befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Verbindung der Leiterplatte (1) über das Gehäuse (6) mit dem Kühlmittel (8) ein Gehäusedeckel (11) sowie ein mit dem Gehäusedeckel (11) verbundenes Klemmstück (12) angeordnet sind, wobei die Leiterplatte (1) gegen eine Erhöhung (10) des Gehäuses (6) mechanisch verklemmt angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen der Leiterplatte (1) und dem Gehäusedeckel (11) angeordnete Klemmstück (12) ein nichtleitendes und mechanisch elastisches Klemmstück (12) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung (10) entlang einer Kontur einer zu entkühlenden Leiterbahn (2, 3) in der Leiterplatte (1) und elektrisch isoliert zu diesen Leiterbahnen (2, 3) angeordnet ist.
Verfahren zur Verbesserung der Strombelastbarkeit von Leiterbahnen, wobei eine Ableitung von Wärme (5) aus der Leiterplatte (1) und den Leiterbahnen (2, 3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung der Wärme (5) aus der Leiterplatte (1) durch eine Verbindung der Leiterplatte (1) über ein Gehäuse (6) mit einem Kühlmittel (8) einer kälteerzeugenden Anordnung (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Leiterplatte (1) über das Gehäuse (6) mit dem Kühlmittel (8) der kälteerzeugenden Anordnung (7) direkt oder über ein Erhöhung (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Leiterplatte (1) mit einem Gehäuse (6) einer kälteerzeugenden Anordnung (7) durch ein Verschrauben oder ein Verklemmen der Leiterplatte (1) mit dem Gehäuse (6) oder der Erhöhung (10) erfolgt.