DE102015222400A1

DE102015222400A1 - Multilayer-Platine und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102015222400A1
Application number: DE102015222400.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Kegeler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-06-08
Also published as: CN108353494A; US20180317313A1; CN113490325A; CN108353494B; US10638596B2; EP3375261A1; WO2017080554A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mulilayer-Platine mit vertikal übereinanderliegenden Flachspulen (1–6), die zur Ausbildung einer ersten Solenoidspule (20) elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind. Zur Verbesserung der Entwärmung der Multilayerplatine wird vorgeschlagen, dass jeweils zwei vertikal benachbarte Flachspulen (1, 2) derart lateral versetzt zueinander angeordnet sind, dass in einem Querschnitt (8) lotrecht zur Oberfläche der Mulilayer-Platine Leiterbahnabschnitte (26) der einen Flachspule (2) vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten (7) der anderen Flachspule (1) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Multilayer-Platine mit einer aus übereinanderliegenden Flachspulen gebildeten Solenoidspule sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Unter einer Multilayer-Platine oder Mehrlagenplatine ist eine Leiterplatte zu verstehen, die mehrere vertikal übereinanderliegende Ebenen aufweist, die jeweils mit Leiterbahnen bestückt sind. Die auf den verschiedenen Ebenen angeordneten Leiterbahnen können über sogenannte VIAs elektrisch miteinander verbunden werden. Diese VIAs, auch elektrischen Durchkontaktierungen genannte, werden in der Regel durch eine vertikale Bohrung realisiert, die an ihrem Innendurchmesser metallisiert wird.
Beispielsweise aus der DE 10 2008 062 575 A1 ist eine Multilayer-Platine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Hier wird ein Linearmotor offenbart, dessen Primärteil als Multilayer-Platine ausgebildet ist. Die verschiedenen Layer dieser Multilayer-Platine sind größtenteils mit bestrombaren Windungen ausgefüllt. Übereinanderliegende Windungen bilden jeweils eine Spule einer Phase des Linearmotors. Auf diese Art und Weise lässt sich ein besonders leichtes und kompaktes Primärteil für einen Linearmotor realisieren, das sich in besonderem Maße als Läufer für hochdynamische Anwendungen eignet.
1 zeigt in einem Querschnitt 8 lotrecht zur Oberfläche einer Multilayer-Platine eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung von Flachspulen 1–6 zur Ausbildung einer Solenoidspule. In jeder Ebenen der Multilayer-Platine befindet sich hier beispielhaft eine Flachspule 1–6 mit jeweils drei Windungen, die spiralförmig entweder von innen nach außen oder von außen nach innen verlaufen. Beispielsweise ist eine erste Flachspule 1 von außen nach innen gewickelt und über einen elektrisches VIA mit einer darunterliegenden, zweiten Flachspule 2 elektrisch verbunden. Die zweite Flachspule 2 wiederum ist von innen nach außen spiralförmig gewickelt und ihrerseits wiederum über ein hier nicht dargestelltes weiteres elektrischen VIA mit einer dritten Flachspule 3 in der dritten Ebene der Multilayer-Platine verbunden. Auf diese Art und Weise wird ein Solenoid geschaffen, der sich über sechs Ebenen der Multilayer-Platine erstreckt.
Die Multilayer-Platinen-Technologie eignet sich in besonderem Maße auch dazu, Anwendungen mit hoher elektrischer Leistung in kompakter und leichter Bauform zu realisieren. Ein Beispiel hierfür ist bereits erwähnte Primärteil des Linearmotors aus DE 10 2008 062 575 A1 , das als mehrschichtige Leiterplatte realisiert ist. Aufgrund der hohen Ströme in derartigen Anwendungen ist hierbei die Entwärmung eine besondere Herausforderung. So muss beispielsweise – wie in 1 dargestellt ist – die in inneren Leiterbahnen entstehende Wärme lateral zum äußeren Platinenrand geführt werden, wo sie anschließend zur Oberfläche der Platine abgeführt werden kann. Zwischen den einzelnen Leiterbahnen einer Windung jeder Flachspule ist ein Isolationsabstand vorzusehen, der in der Größenordnung von einigen Hundert Mikrometern liegen kann. Die elektrische Isolation wird beispielsweise durch Prepreg-Schichten sichergestellt, deren thermischer Leitwert jedoch gering ist. Dementsprechend stellt es eine besondere Herausforderung dar, die Wärme aus dem Zentralbereich einer derartigen Multilayer-Platine abzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entwärmung von Spulen, die in Form einer Multilayer-Platine realisiert sind, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Multilayer-Platine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Solenoidspule auf einer Multilayer-Platine gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Multilayer-Platine umfasst mehrere vertikal übereinanderliegende Flachspulen. Die Flachspulen werden beispielsweise zunächst auf mehreren Einzelplatinen aufgebracht, wobei die Einzelplatinen vorzugsweise zur Bildung der Multilayer-Platine übereinandergestapelt werden. Vorzugsweise ist auf jeder Einzelplatine sowohl auf der Oberseite als auch auf deren Unterseite jeweils eine Flachspule angeordnet. Auf diese Art und Weise bilden zwei aufeinandergestapelte Einzelplatinen ein Stack von insgesamt vier Flachspulen, wobei die aufeinandergestapelten Einzelplatinen vorzugsweise durch eine Isolierschicht, beispielsweise eine Prepreg-Schicht, voneinander getrennt werden.
Die vertikal übereinanderliegenden Flachspulen werden erfindungsgemäß elektrisch in Reihe geschaltet. Dies kann vorzugsweise mit elektrischen Durchkontaktierungen, auch VIAs genannt, umgesetzt werden. Die elektrisch in Reihe geschalteten Flachspulen bilden die erfindungsgemäße erste Solenoidspule aus. Jede einzelne Flachspule ist vorzugsweise spiralförmig in ihrer jeweiligen Ebene gewickelt. So verläuft beispielsweise eine erste Flachspule, die sich beispielsweise im Toplayer der Multilayer-Platine befindet, in der Ebene der Multilayer-Platine spiralförmig von innen nach außen. Hingegen verläuft eine in vertikaler Richtung der Platine betrachtet unter der ersten Flachspule angeordnete zweite Flachspule spiralförmig von außen nach innen.
Unter einem spiralförmigen Verlauf der Windung ist in diesem Zusammenhang jede Art der Wicklung zu verstehen, bei der die einzelnen Windungen der Flachspule durch eine einzige planare Leiterbahn gebildet werden und sich in einer Ebene umschließen. Die Leiterbahnführung kann hierbei durch Rundungen gekennzeichnet sein, aber auch eckig verlaufen.
Der Erfindung liegt nunmehr die Kenntnis zugrunde, dass der Wärmeleitwert der Multilayer-Platine – insbesondere in lateraler Richtung – deutlich verbessert werden kann, wenn jeweils zwei vertikal benachbarte Flachspulen derart lateral versetzt zueinander angeordnet sind, dass in einem Querschnitt lotrecht zur Oberfläche der Multilayer-Platine Leiterbahnabschnitte der einen Flachspule vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten der anderen Flachspule angeordnet sind. Auf diese Art und Weise kann die in einer inneren Windung einer Flachspule entstehende Wärme sehr leicht auf eine Windung einer vertikal und lateral benachbarten Flachspule übertragen werden, die in lateraler Richtung betrachtet, dem Rand der Platine näher ist. Denn der Isolationsabstand zwischen den Leiterbahnabschnitten, die sich vertikal in teilweiser Überdeckung befinden, kann aus prozesstechnischen Gründen deutlich geringer realisiert werde,, als der Isolationsabstand zwischen zwei Windungen, die in derselben Ebene der Leiterbahnplatine angeordnet sind.
Der Abstand zwischen zwei Windungen in einer Ebene zwischen den beteiligten Leiterbahnabschnitten kann aus prozesstechnischen Gründen nicht beliebig klein gewählt werden. Hingegen können die Einzelplatinen der Multilayer-Platine durch eine vergleichsweise dünne Prepreg-Schicht voneinander elektrisch isoliert werden. Diese Prepreg-Schicht kann beispielsweise auf den Bereich von nur 40 µm reduziert werden, um eine ausreichende elektrische Isolation zu gewährleisten, während der Leiterbahnabstand zwischen den einzelnen Windungen aus prozesstechnischen Gründen nicht kleiner als 200 µm gewählt werden kann.
Dementsprechend gelingt die Wärmeübertragung zwischen Leiterbahnabschnitten vertikal benachbarter Flachspulen, die sich in teilweiser vertikaler Überdeckung befinden, deutlich besser als zwischen zwei in derselben Ebene angeordneten Leiterbahnabschnitten verschiedener Windungen der Flachspule.
Der erfindungsgemäße laterale Versatz der übereinanderliegenden Flachspulen hat zur Folge, dass der Querschnitt über seine gesamte laterale Ausdehnung mit Leiterbahnabschnitten durchsetzt ist. Der Wärmeübergang zwischen zwei Leiterbahnabschnitten findet hauptsächlich in vertikaler Richtung statt, wo aufgrund des geringen Isolationsabstandes ein verhältnismäßig kleiner Wärmewiderstand herrscht. Dies hat zur Folge, dass die laterale Wärmeleitung innerhalb der Multilayer-Platine fast wie bei einer ununterbrochenen Metallschicht durch die gesamte Leiterplatte gewährleistet wird.
Ein besonders geringer Wärmewiderstand lässt sich zwischen zwei vertikal benachbarten Flachspulen verwirklichen, deren Windungen elektrisch parallel geschaltet sind. In diesem Fall müssen die besagten Windungen der zwei vertikal benachbarten Flachspulen lediglich durch eine sehr dünne Prepreg-Schicht getrennt werden, beispielsweise mit einer Dicke zwischen 20 und 40 µm. Durch den erfindungsgemäßen lateralen Versatz dieser benachbarten Flachspulen lässt sich bei der geringen Dicke der verwendeten Isolationsschicht zwischen den benachbarten Flachspulen ein hervorragender Wärmeübergang zwischen den beteiligten Leiterbahnabschnitten, die in teilweiser Überdeckung zueinander angeordnet sind, realisieren.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung der Erfindung, bei der die auf Einzellayern angeordneten Flachspulen, von denen sich jeweils eine an der Ober- und eine an der Unterseite des Einzellayers befinden, elektrisch in Reihe geschaltet werden, während zwei vertikal benachbarte Flachspulen, die zwei unterschiedlichen Leiterbahnträgern zugeordnet sind, elektrisch parallel geschaltet werden. Auf diese Art und Weise lässt sich sehr einfach ein geringer Isolationsabstand durch Wahl einer entsprechend dünnen Prepreg-Schicht zwischen den beiden vertikal benachbarten Flachspulen realisieren, die getrennten Einzelleiterplatten zugeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Multilayer-Platine verbessert schon deutlich die Entwärmung nur einer einzigen Solenoidspule, die auf der Platine angeordnet ist. In vielen Anwendungen ist es jedoch zweckmäßig, mehrere Solenoidspulen auf der Multilayer-Platine anzuordnen. Dies ist beispielsweise bei einem Linearmotor der Fall, der ein Primärteil aufweist, das als Multilayer-Platine nach einem der hier beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist, und ein Sekundärteil, der Permanentmagneten aufweist und über einen Luftspalt vom Primärteil beabstandet ist.
Somit kennzeichnet sich eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass die Multilayer-Platine mindestens eine zweite Solenoidspule aufweist, die lateral versetzt zu der ersten Solenoidspule angeordnet ist, wobei äußere Leiterbahnabschnitte von Flachspulen der zweiten Solenoidspule kammartig in äußere Leiterbahnabschnitte der Flachspulen der ersten Solenoidspule eingreifen, sodass in dem besagten Querschnitt jeweils ein äußerer Leiterbahnabschnitt der zweiten Solenoidspule mit mindestens einem äußeren Leiterbahnabschnitt der ersten Solenoidspule vertikal in teilweiser Überdeckung angeordnet ist. Somit wird eine schindelartige Anordnung der Leiterbahnabschnitte in dem besagten Querschnitt auch über die Spulengrenzen hinaus fortgesetzt.
Ein äußerer Leiterbahnabschnitt der ersten Solenoidspule befindet sich in teilweiser Überdeckung mit einem äußeren Leiterbahnabschnitt der zweiten Solenoidspule, gegebenenfalls auch mit zwei derartigen äußeren Leiterbahnabschnitten der zweiten Solenoidspule. Die Wärme, die in den äußeren Leiterbahnabschnitt der ersten Solenoidspule eingebracht wird, kann somit in vertikaler Richtung über einen vergleichsweise geringen Isolationsabstand auf den äußeren Leiterbahnabschnitt bzw. die äußeren Leiterbahnabschnitte der zweiten Solenoidspule übertragen werden. Auf diese Art und Weise kann der Wärmetransport in lateraler Richtung vom zentralen inneren Bereich der Multilayer-Platine hervorragend auch über Spulengrenzen hinaus in den äußeren Randbereich der Multilayer-Platine übertragen werden, ähnlich wie es bei einer massiven Metallplatte der Fall wäre.
Die in der oder den Solenoidspulen der Multilayer-Platine entstehende Wärme kann in vorteilhafter Weise zu einer oder beiden Oberflächen der Multilayer-Platine geführt werden, wenn die Multilayer-Platine eine passive Leiterbahnstruktur aufweist, die von allen stromführenden Leiterbahnen der Multilayer-Platine galvanisch getrennt ist, lateral versetzt zu der ersten Solenoidspule angeordnet ist und kammartig in die äußeren Leiterbahnstrukturen der Flachspulen der ersten Solenoidspule eingreift. Somit ist auch bei dieser Ausführungsform eine Art schindelartige Überdeckung von Leiterbahnabschnitten vorgesehen, um den lateralen Wärmetransport zu erleichtern. In diesem Fall ist vorgesehen, die Wärme von der ersten Solenoidspule auf die passive, nicht stromführende Leiterbahnstruktur zu übertragen. Diese passive Leiterbahnstruktur ermöglicht es nun, die Wärme zu der oder den Oberflächen der Multilayer-Platine abzuführen. Dieser Wärmetransport zu der oder den Oberflächen der Multilayer-Platine wird dadurch erleichtert, dass die passive Leiterbahnstruktur nicht in dem Maße isoliert werden muss, wie es die Leiterbahnen der Solenoidspule bzw. der Solenoidspulen erfordern würden.
Der Wärmetransport von der passiven Leiterbahnstruktur zu einer oder beiden Oberflächen kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erleichtert werden, dass die Multilayer-Platine thermisch leitfähige VIAs aufweist, die die passive Leiterbahnstruktur vertikal durchdringen. Diese thermisch leitfähigen VIAs haben die Aufgabe, die zuvor im Wesentlichen lateral durch die Multilayer-Platine transportierte Wärme in vertikaler Richtung beispielsweise zu einem auf der Oberfläche der Multilayer-Platine angeordneten Kühlkörper zu transportieren.
Hierbei ist es möglich, dass auf nur einer Oberfläche der Multilayer-Platine ein Kühlkörper angeordnet ist. Alternativ können jedoch auch beide Oberflächen der Multilayer-Platine zur Entwärmung mit einem Kühlkörper versehen werden.
Ein besonders guter Wärmeübergang von der thermisch leitfähigen VIAs zu dem oder den Kühlkörpern kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht werden, dass die thermisch leitfähigen VIAs mit einem auf einer Oberfläche der Multilayer-Platine angeordneten Kühlkörper in Berührung stehen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die auf der Multilayer-Platine angeordneten Solenoidspulen nur mit moderaten Spannungen betrieben werden. Eine moderate Spannung in diesem Sinne ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Potentialunterschiede innerhalb der Platine nicht mehr als 150 V betragen. In diesem Fall ist es nicht notwendig, die thermisch leitfähigen VIAs vor dem Kühlkörper noch stärker zu isolieren. Hierbei können auch beide Oberflächen der Multilayer-Platine zur Entwärmung mit einem Kühlkörper versehen sein. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass die thermisch leitfähigen VIAs mit beiden Kühlkörpern in Berührung zu stehen.
Wird jedoch mit sehr hohen Spannungen innerhalb der Multilayer-Platine gearbeitet, ist eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der die Multilayer-Platine eine isolierende Deckschicht aufweist, die zumindest eine oberflächennahe Flachspule und die thermischen VIAs abdeckt. Gegebenenfalls muss eine solche isolierende Deckschicht auf beiden Oberflächen der Multilayer-Platine vorgesehen werden, um einen Schutz vor unzulässig hohen Berührungsspannungen zu gewährleisten. Eine hohe Spannung in diesem Sinne ist beispielsweise dann gegeben, wenn Potenzialunterschiede innerhalb der Mulilayer-Platine mehr als 500 V betragen können.
Insbesondere zwischen zwei benachbarten Flachspulen, die elektrisch parallel zueinander geschaltet werden, ist es wünschenswert, den Isolationsabstand so gering wie möglich zu halten. Hierdurch ergibt sich zum einen ein optimaler Wärmetransport bei der Verwirklichung der erfindungsgemäßen Lehre. Zum anderen wird die Bauhöhe der Multilayer-Platine nicht größer als notwendig ausgelegt. Eine besonders dünne Isolationsschicht zwischen zwei vertikal benachbarten Flachspulen lässt sich in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch gewährleisten, dass Ebenen der Multilayer-Platine durch eine zwischen besagten benachbarten Flachspulen liegende Backlackschicht mechanisch miteinander verbunden sind. Hierbei wird vorteilhafterweise auf eine Prepreg-Schicht zur Trennung der vertikal übereinandergeschichteten Einzelplatinen, an deren Ober- und Unterseite jeweils mindestens eine Flachspule aufgebracht ist, verzichtet.
Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Multilayer-Platine als Primärteil eines Linearmotors eingesetzt werden soll, ist eine Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, bei der die erste Solenoidspule lotrecht zur Oberfläche der Multilayer-Platine von einem Eisenkern durchsetzt ist. Sind noch weitere Solenoidspulen neben der ersten Solenoidspule vorgesehen, ist es vorteilhaft, auch die weiteren Solenoidspulen mit Eisenkernen zu durchsetzen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Querschnitt durch eine Multilayer-Platine mit einer Solenoidspule gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multilayer-Platine, in der eine erste Solenoidspule zu erkennen ist,
3 ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multilayer-Platine mit zwei Solenoidspulen,
4 ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multilayer-Platine mit einer ersten Solenoidspule und einer passiven Leiterbahnstruktur,
5 ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Multilayer-Platine mit der ersten Solenoidspule gemäß 4 und der passiven Leiterbahnstruktur,
6 eine Aufsicht auf einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multilayer-Platine mit sechs lateral benachbarten Solenoidspulen und
7 eine schematische Darstellung eines Linearmotors, dessen Primärteil in Form einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multilayer-Platine realisiert ist.
1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Solenoidspule, die als Multilayer-Platine ausgebildet ist. Die Multilayer-Platine ist aufgebaut aus drei übereinander geschichteten Einzelplatinen. Jede dieser drei Platinen hat sowohl auf der Oberseite der Platine als auch auf der Unterseite der Einzelplatine eine spiralförmige Flachspule 1–6. So trägt die oberste Einzelplatine des Stacks auf ihrer Oberseite eine erste Flachspule 1, von der in dem Querschnitt 8 drei Windungen erkennbar sind, die lateral nebeneinander angeordnet sind. An der Unterseite dieser Einzelplatine, die die oberste Ebene des Stacks bildet, befindet sich eine zweite Flachspule 2, deren Wicklungssinn dem der ersten Flachspule 1 entspricht.
Unterhalb dieser ersten Ebene, die durch die erste Einzelplatine mit der ersten Flachspule 1 und der zweiten Flachspule 2 gebildet wird, befindet sich eine zweite Einzelplatine, auf deren Oberseite eine dritte Flachspule 3 aufgebracht ist und an deren Unterseite eine vierte Flachspule 4 angeordnet ist. Auch diese Flachspulen 3, 4 entsprechen in ihrer Wicklungsform den Flachspulen 1, 2 der ersten Ebene. Schließlich befindet sich auf der untersten Ebene der Multilayer-Platine eine weitere Einzelplatine, auf deren Oberseite eine fünfte Flachspule 5 angeordnet ist und auf deren Unterseite eine sechste Flachspule 6 angeordnet ist. In der Gestalt der Wicklung entsprechen die fünfte und sechste Flachspule 5, 6 den darüber angeordneten Flachspulen 1, 2, 3, 4.
Während des Fertigungsprozesses werden zunächst die Einzelplatinen mit ihren zugehörigen Flachspulen 1–6 gefertigt. Anschließend werden zwischen die verschiedenen Einzelplatinen isolierende, hier nicht dargestellte Prepreg-Schichten angeordnet, durch die jeweils untere Flachspulen einer Einzelplatine 2, 4 von den darunterliegenden oberen Flachspulen 3, 5 der jeweils darunter angeordneten Einzelplatine elektrisch isoliert werden.
Die Leiterbahnen der verschiedenen Flachspulen sind in der Regel aus Kupfer und befinden sich auf einem PCB-Substrat, wie beispielsweise FR4, welches die jeweiligen Einzellayer oder Einzelplatine bildet. Nachdem die verschiedenen Substrate jeweils getrennt durch ein oder zwei Blätter Prepreg-Material aufeinandergestapelt wurden, wird der so entstandene Gesamtstapel laminiert, um eine mechanische Verbindung zwischen den Substraten herzustellen.
Um eine Solenoidspule aus den verschiedenen Flachspulen 1–6 zu formen, müssen die Flachspulen 1–6 noch elektrisch miteinander kontaktiert werden. Dies geschieht in der Regel durch elektrische Durchkontaktierung, sogenannte VIAs, die in 1 nicht dargestellt sind.
Die Leiterbahnabschnitte der verschiedenen Windungen einer jeden Flachspule 1–6 müssen in lateraler Richtung genügend weit voneinander beabstandet sein, um die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Windungen zu gewährleisten. Diese elektrische Isolationsstrecke muss jedoch auch bei der Abfuhr von Wärme überwunden werden, die in den inneren Windungen jeder Flachspule 1–6 entsteht und am Rand der Multilayer-Platine in Richtung Oberfläche abgeführt werden kann. 1 zeigt beispielhaft den Wärmefluss der innersten dargestellten Windung der dritten Flachspule 3. Insbesondere dann, wenn der Querschnitt einer jeden Leiterbahn groß gewählt werden soll, um einen möglichst hohen Strom führen zu können, ergibt sich allein fertigungsbedingt ein Abstand der Leiterbahnen in lateraler Richtung in der Größenordnung von einigen Hundert Mikrometern. Somit ist ersichtlich, dass dieser elektrische Isolationsabstand ein Hemmnis für die Entwärmung der Multilayer-Platine darstellt.
2 zeigt einen Querschnitt 8 durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multilayer-Platine. Auch hier bildet die Multilayer-Platine eine Solenoidspule, die durch elektrische Verschaltung von insgesamt sechs Flachspulen 1–6 gebildet wird, die in vertikal übereinanderliegenden Ebenen angeordnet sind. Auch hier trägt ein erster Einzellayer an seiner Oberseite die erste Flachspule 1 und an dessen Unterseite die zweite Flachspule 2. Beide Flachspulen 1, 2 wurden vor der Bildung des Multilayer-Stacks auf ein PCB-Substrat aufgebracht. Gleiches gilt für die dritte Flachspule 3 und die vierte Flachspule 4, die ebenfalls auf ein PCB-Substrat vor der Fertigung des Gesamt-Stacks aufgebracht wurden. Ebenso wurde die fünfte Flachspule 5 auf die Oberseite einer dritten Einzellayer-Platine aufgebracht und die sechste Flachspule 6 auf die Unterseite dieser Einzelplatine.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Stand der Technik sind jedoch hier jeweils zwei in vertikaler Richtung unmittelbar benachbarte Flachspulen 1–6 in lateraler Richtung zueinander versetzt angeordnet. Auf diese Art und Weise ist gewährleistet, dass beispielsweise jeder Leiterbahnabschnitt 26 der zweiten Flachspule 2 vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten 7 der ersten Flachspule angeordnet ist. Ebenso ist beispielsweise der Leiterbahnabschnitt der dritten Flachspule 3, der die mittlere Windung darstellt, von zwei vertikal betrachtet darüberliegenden Leiterbahnabschnitten der zweiten Flachspule 2 in teilweiser Überdeckung angeordnet.
Die eingezeichneten Pfeile visualisieren, wie durch den lateralen Versatz der in vertikaler Richtung unmittelbar benachbarten Flachspulen der Wärmetransport von den inneren Windungen einer jeden Flachspule 1–6 zum äußeren Randbereich einer jeden Flachspule 1–6 verbessert wird. Beispielhaft ist das in der 2 für den Wärmetransport der zweiten und dritten Flachspule 2, 3 dargestellt. Durch den abschnittsweisen Überdeckungsbereich zwischen zwei Leiterbahnabschnitten, die in vertikaler Richtung benachbart sind, muss nur noch ein deutlich geringerer Abstand durch elektrisch- und somit auch wärmeisolierendes Material überbrückt werden.
In 2 ist auch zu erkennen, dass der Abstand zwischen der zweiten Flachspule 2 und der dritten Flachspule 3 in vertikaler Richtung geringer ist als der Abstand zwischen der ersten Flachspule 1 und der zweiten Flachspule 2. Ebenso ist der Abstand zwischen der vierten Flachspule 4 und der fünften Flachspule 5 deutlich geringer als der Abstand zwischen der fünften Flachspule 5 und der sechsten Flachspule 6. Dies ist auf die zugrundeliegende Verbindungstechnologie zwischen den zuvor bereits erwähnten Einzellayern zurückzuführen. Verwendet man zur Verbindung der Einzelplatinen nur ein sehr dünnes Prepreg-Material oder alternativ eine reine Backlackschicht, kann die isolierende Verbindungsschicht zwischen den zu einem Stack verbundenen Einzelplatinen geringer gewählt werden als die Dicke des Substrates, auf dem die Flachspulen jeder Einzelplatine angeordnet sind. Auf diese Art und Weise kann, sofern es der geforderte elektrische Isolationsabstand erlaubt, die Wärmeleitung vom zentralen inneren Bereich der Solenoidspule zum äußeren Bereich der Solenoidspule noch weiter verbessert werden.
3 zeigt einen Querschnitt 8 einer Ausführungsform einer Multilayer-Platine entsprechend der vorliegenden Erfindung, bei der auf der Multilayer-Platine zwei Solenoidspulen lateral benachbart zueinander angeordnet sind. Die erste Solenoidspule, die in dem Querschnitt 8 links angeordnet ist, umfasst drei vertikal übereinander liegende Flachspulen 1–6, die in der bereits in Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Art und Weise jeweils lateral versetzt zueinander angeordnet sind. Lateral betrachtet greifen die Flachspulen 1–6 der ersten Solenoidspule kammartig in eine unmittelbar lateral benachbarte zweite Solenoidspule mit Flachspulen 9–14 ein. Der Eingriff entsteht im Bereich der jeweils äußeren Leiterbahnabschnitte 27, 15. Wie zu erkennen ist, ist durch den kammartigen Eingriff gewährleistet, dass jeweils ein äußerer Leiterbahnabschnitt 15 der zweiten Solenoidspule mit mindestens einem äußeren Leiterbahnabschnitt 27 der ersten Solenoidspule vertikal in teilweiser Überdeckung angeordnet ist. Durch diese Überdeckung wird ein Wärmetransport zwischen den beiden beteiligten Solenoidspulen auf besonders effektive Art und Weise ermöglicht. Wie zu erkennen ist, muss auch hier nur der relativ geringe vertikale Abstand zwischen zwei in vertikaler Richtung benachbarten äußeren Leiterbahnabschnitten der beiden Solenoidspulen überwunden werden, um den lateralen Wärmetransport zu ermöglichen.
Auf diese Art und Weise kann eine Vielzahl von Solenoidspulen lateral betrachtet nebeneinander auf einer Multilayer-Platine angeordnet werden und hierbei ein hervorragender Wärmetransport in lateraler Richtung in der Multilayer-Platine gewährleistet werden, der dem thermischen Verhalten einer massiven Metallschicht nahekommt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Multilayer-Platine gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt 8. Zu erkennen sind wiederum sechs vertikal übereinander liegende Flachspulen 1–6 einer ersten Solenoidspule. Die Anordnung der Flachspulen 1–6 entspricht im Wesentlichen der Anordnung, die bereits im Zusammenhang mit 2 erläutert wurde. Im linken Bereich des Querschnitts 8 ist eine passive Leiterbahnstruktur 16 zu erkennen, die kammartig in die äußeren Leiterbahnabschnitte 27 der ersten Solenoidspule eingreift. Diese passive Leiterbahnstruktur 16 ist Stromfluss ausgeschlossen, das heißt, sie ist von sämtlichen stromführenden Elementen der Multilayer-Platine galvanisch getrennt. Die passive Leiterbahnstruktur 16 hat die Aufgabe, die auf die bereits beschriebene Art und Weise in lateraler Richtung durch die Multilayer-Platine geleitete Wärme auf sehr effektive Art und Weise vertikal zu einer oder beiden Oberflächen der Multilayer-Platine zu transportieren.
Auf einer dieser Oberflächen ist beispielhaft ein Kühlkörper 18 angeordnet, über den die Wärme schließlich an die Umgebung abgegeben wird. Selbstverständlich kann sich ein derartiger Kühlkörper 18 zusätzlich noch auf der Unterseite der dargestellten Multilayer-Platine befinden. Um auf optimale Art und Weise von der passiven Leiterbahnstruktur 16 die Wärme nunmehr in vertikaler Richtung in Richtung des Kühlkörpers 18 zu transportieren, sind die passiven Leiterbahnabschnitte 16 mit thermisch leitfähigen VIAs 17 durchsetzt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Bohrungen handeln, die mit einem thermisch gut leitfähigen Metall anschließend gefüllt werden. Da die Leiterbahnstruktur 16 elektrisch nicht wirksam ist, ist der durch die thermisch leitfähigen VIAs verursachte Kurzschluss der einzelnen Leiterbahnen der passiven Leiterbahnstruktur 16 unschädlich.
Wie in 4 zu erkennen ist, ist das dargestellte thermisch leitfähige VIA 17 in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlkörper 18. Hierdurch ergibt sich ein nahezu ideales Wärmeleitverhalten zwischen der passiven Leiterbahnstruktur 16 und dem Kühlkörper 18. Sollte jedoch die Solenoidspule mit einer höheren Spannung beaufschlagt werden, kann es sein, dass der Isolationsabstand zwischen den äußeren Leiterbahnabschnitten 27 der Solenoidspule und der passiven Leiterbahnstruktur 16 nicht ausreichend ist, um ausreichend Berührungsschutz zu gewährleisten.
Für Hochspannungsanwendungen empfiehlt sich daher eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, die in 5 dargestellt ist. Beispielhaft seine eine Anwendung in einem Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis und einer Zwischenkreisspannung von 750 V genannt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem bereits in 4 gezeigten Querschnitt 8, wobei jedoch nunmehr zwischen dem Kühlkörper 18, den Leiterbahnen der obersten ersten Flachspule 1 und dem thermischen VIA 17 eine isolierende Prepreg-Schicht 19 aufgebracht wurde. Ebenso befindet sich eine derartige Isolationsschicht 19 an der Unterseite der Platine, an der sich ebenfalls optional noch ein weiterer, hier nicht dargestellter Kühlkörper befinden kann. Die Prepreg-Schicht ist dünn genug gewählt, um den Wärmetransport vom thermisch leitfähigen VIA 17 zum Kühlkörper 18 nicht über Gebühr zu behindern. Gleichzeit ist sie aber so dick gewählt, dass ausreichend Berührungsschutz für die Multilayer-Platine gewährleistet ist. Durch die Prepregschicht 19 an beiden Oberflächen der Multilayerplatine ergibt sich eine vollkommen glatte Oberfläche der Platine.
6 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Multilayer-Platine in einer Aufsicht. Die Multilayer-Platine dient als Primärteil 22 eines Linearmotors. Neben einer ersten Solenoidspule 20 und einer zweiten Solenoidspule 21 befinden sich vier weitere baugleiche Solenoidspulen lateral neben den bereits genannten Spulen. Jede einzelne Solenoidspule ist so aufgebaut, dass sie in vertikaler Richtung betrachtet den erfindungsgemäßen lateralen Versatz der benachbarten Flachspulen aufweist. Des Weiteren greifen die jeweils äußersten Leiterbahnabschnitte einer jeden Solenoidspule kammartig in die äußersten Leiterbahnabschnitte der unmittelbar lateral benachbarten Solenoidspule ein, wobei dieser Eingriff auf die in 3 dargestellte Art und Weise realisiert ist. Hierdurch wird in lateraler Richtung ein Wärmeleitwert innerhalb der Multilayer-Platine zwischen den einzelnen Solenoidspulen gewährleistet, der dem einer massiven Metallplatte nahekommt.
7 zeigt schematisch einen Linearmotor mit einem Primärteil 22, welches wie das in 6 gezeigte als Multilayer-Platine aufgebaut sein kann. Ein solches Primärteil 22 ist sehr kompakt und leicht, sodass es sich für hochdynamische Anwendungen besonders gut eignet. Dieses Primärteil 22 steht in einer elektromagnetischen Wechselwirkung mit einem Sekundärteil 23. Das Sekundärteil umfasst Permanentmagnete 24, die in ein Weicheisenbett eingebettet sind. Primärteil 22 und Sekundärteil 23 sind über einen Luftspalt 25 voneinander beabstandet. Durch geeignete Bestromung der im Primärteil 27 vorhandenen Solenoidspulen kann eine translatorische hochdynamische Bewegung des Primärteils 22 realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: erste Flachspule
2: zweite Flachspule
3: dritte Flachspule
4: vierte Flachspule
5: fünfte Flachspule
6: sechste Flachspule
7, 26: Leiterbahnabschnitte
8: Querschnitt
9–14: Flachspulen der zweiten Solenoidspule
15: äußere Leiterbahnabschnitte der zweiten Solenoidspule
16: passive Leiterbahnstruktur
17: thermisch leitfähige VIAs
18: Kühlkörper
19: isolierende Deckschicht
20: erste Solenoidspule
21: zweite Solenoidspule
22: Primärteil
23: Sekundärteil
24: Permanentmagnete
25: Luftspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008062575 A1 [0003, 0005]

Claims

Mulilayer-Platine mit vertikal übereinanderliegenden Flachspulen (1–6), die zur Ausbildung einer ersten Solenoidspule (20) elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei vertikal benachbarte Flachspulen (1, 2) derart lateral versetzt zueinander angeordnet sind, dass in einem Querschnitt (8) lotrecht zur Oberfläche der Mulilayer-Platine Leiterbahnabschnitte (26) der einen Flachspule (2) vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten (7) der anderen Flachspule (1) angeordnet sind.
Mulilayer-Platine nach Anspruch 1, wobei die Mulilayer-Platine mindestens eine zweite Solenoidspule (21) aufweist, die lateral versetzt zu der ersten Solenoidspule (20) angeordnet ist, wobei äußere Leiterbahnabschnitte (15) von Flachspulen (9–14) der zweiten Solenoidspule (21) kammartig in äußere Leiterbahnabschnitte (27) der Flachspulen (1–6) der ersten Solenoidspule (20) eingreifen, so dass in dem besagten Querschnitt (7) jeweils ein äußerer Leiterbahnabschnitt (15) der zweiten Solenoidspule (21) mit mindestens einem äußeren Leiterbahnabschnitt (14) der ersten Solenoidspule (20) vertikal in teilweiser Überdeckung angeordnet ist.
Mulilayer-Platine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mulilayer-Platine eine passive Leiterbahnstruktur (16) aufweist, die von allen stromführenden Leiterbahnen der Mulilayer-Platine galvanisch getrennt ist, lateral versetzt zu der ersten Solenoidspule (20) angeordnet ist und kammartig in die äußeren Leiterbahnabschnitte (27) der Flachspulen (1–6) der ersten Solenoidspule (20) eingreift.
Mulilayer-Platine nach Anspruch 3 mit thermischen leitfähigen VIAs (17), die die passive Leiterbahnstruktur (16) vertikal durchdringen.
Mulilayer-Platine nach Anspruch 4, wobei die thermisch leitfähigen VIAs (17) mit einem auf einer Oberfläche der Mulilayer-Platine angeordneten Kühlkörper (18) in Berührung stehen.
Mulilayer-Platine nach Anspruch 4, wobei die Mulilayer-Platine eine isolierende Deckschicht (19) aufweist, die zumindest eine oberflächennahen Flachspule (1, 9) und die thermischen VIAs (17) abdeckt.
Mulilayer-Platine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Ebenen der Mulilayer-Platine durch eine zwischen benachbarten Flachspulen liegende Backlackschicht mechanisch miteinander verbunden sind.
Mulilayer-Platine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Solenoidspule (20) lotrecht zur Oberfläche der Mulilayer-Platine von einem Eisenkern durchsetzt ist.
Linearmotor mit einem Primärteil (22), das als Mulilayer-Platine nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, und einem Sekundärteil (23) mit Permanentmagneten (24), das über einen Luftspalt (25) vom Primärteil (22) beabstandet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Solenoidspule auf einer Mulilayer-Platine, bei dem Flachspulen (1–5) vertikal übereinander in verschiedenen Ebenen der Mulilayer-Platine angeordnet und über elektrische Durchkontaktierungen zueinander in Reihe oder parallel geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei vertikal benachbarte Flachspulen (1, 2) derart lateral zueinander versetzt angeordnet werden, dass in einem Querschnitt (8) lotrecht zur Oberfläche der Mulilayer-Platine Leiterbahnabschnitte (26) der einen Flachspule (2) vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten (7) der anderen Flachspule (1) angeordnet sind.