DE102015224073A1

DE102015224073A1 - Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte

Info

Publication number: DE102015224073A1
Application number: DE102015224073.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Sperber; Wilfried Lassmann; Thomas Preuschl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte (100), umfassend eine Kleinsignalschicht (1), eine Stromleitungsschicht (2) und eine Schaltschicht (3). Die Kleinsignalschicht (1) weist mehrere Kleinsignalschichtlagen (10, 11, 12) und mindestens eine Ansteuereinheit (16) und mindestens eine Regeleinheit (15) auf. Die Stromleitungsschicht (2) weist mehrere Stromleitungsschichtlagen (20, 21) für eine mehrphasige und/oder mehrpolige Stromführung auf. Die Schaltschicht (3) umfasst mindestens eine Schaltschichtlage (30, 31) und mindestens einen Leistungsschalter (35). In der mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte (100) weicht dabei eine Dicke der Kleinsignalschicht (1) von einer Dicke der Schaltschicht (3) ab, wodurch die Hochstromleiterplatte bezüglich einer Mittenebene (50) asymmetrisch aufgebaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte.
Das Dokument DE 10 2013 223 761 A1 beschreibt eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte, in der Hochstrom leitende Schichten mit Leistungsschaltern und derer Ansteuerung in einer Leiterplatte vereint sind. Die die Hochstromleiterplatten durchströmenden hohen Ströme verursachen große elektromagnetische und/oder thermische Felder, die jeweils von einer Strom führenden Schicht ausgehen. Durch diese hohe thermische Beanspruchung der Leiterplatte ist im Stand der Technik ein symmetrischer Aufbau der Leiterplatte bezüglich einer in Plattendickenrichtung mittig liegenden Mittenebene realisiert. Dadurch werden die Einflüsse von mechanischen Spannungen durch thermische Expansion minimiert. Jedoch wird dadurch auch eine Dicke der leitenden Lagen in einer Ansteuerschicht begrenzt, da diese Dicke aufgrund der Symmetrie der Dicke der leitenden Lagen in einer Schaltschicht, in der zum Schalten der hohen Ströme große Dicken benötigt werden, entspricht.
Die Dicke einer Leiterschicht begrenzt aus technischen Gründen den möglichen zu realisierenden minimalen Abstand zweier Leiterbahnen in einer Leiterschicht. Dadurch ist es nicht möglich, Bauteile mit einer hohen Kontaktdicke in eine solche Hochstromleiterplatte zu integrieren, da den Abstände zwischen zwei Kontakten eines solchen Bauteils mit hoher Kontaktdichte durch die Leiterzugstruktur nicht entsprochen werden kann. Daher können in bestehenden Hochstromleiterplatten keine Regelfunktionalitäten integriert werden, da diese heutzutage aus hochintegrierter Gehäuseform mit hoher Kontaktdichte, z.B. BGA (Ball Grid Array) oder TQFP (Thin Quad Flat Package) bestehen. Bisher sind solche Regelfunktionalitäten auf externen Schaltungsträgern angebracht, die über externe Verbindungselemente mit den Hochstromleiterplatten verbunden werden. Es ist jedoch wünschenswert, diese Regelfunktionalitäten in die Hochstromleiterplatte zu integrieren, um die Nachteile solcher Verbindungselemente (d.h. die Anfälligkeit von Steckern oder Jumpern bezüglich Korrosion, Vibration, Temperaturzyklen oder EMV) zu vermeiden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte bereitzustellen, in der die Regelfunktionaltäten integriert sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte entsprechend den Merkmalen des Patentanspruches 1 angegeben.
Als mehrfunktionale Hochstromleiterplatte wird eine Leiterplatte verstanden, die eine Stromleitungsschicht, eine Schaltschicht und eine Kleinsignalschicht umfasst, wobei die Stromleitungsschicht zwischen der Schaltschicht und der Kleinsignalschicht angeordnet ist.
Die Stromleitungsschicht weist mindestens eine Stromleitungsschichtlage zur Hochstromleitung auf, die insbesondere mehrere 100 A, insbesondere mindestens 500 A und insbesondere mindestens 1000 A leiten kann. Die Stromleitungsschichtlage ist dabei sowohl von eventuellen weiteren Stromleitungsschichtlagen als auch von anderen angrenzenden Schichten durch eine Isolationsschicht getrennt. Die Anzahl der Stromleitungsschichtlagen weist jeweils eine Leiterzugstruktur entsprechend der jeweiligen Funktionen auf.
Die Stromleitungsschicht ist dabei symmetrisch bezüglich einer Mittenebene aufgebaut. Die Mittenebene liegt dabei bezüglich der Plattendickenrichtung z in der Mitte der Stromleitungsschicht. Die Plattendickenrichtung z ist durch die Richtung der Flächennormalen der Fläche, in der sich die Hochstromleiterplatte erstreckt, gegeben. Umfasst die Stromleitungsschicht also eine Stromleitungsschichtlage, so liegt die Mittenebene in dieser einen Stromleitungsschichtlage, umfasst die Stromleitungsschicht zwei Stromleitungsschichtlagen, so befindet sich die Mittenebene zwischen den beiden Stromleitungsschichtlagen, mutatis mutandis für größere Anzahlen von Stromleitungsschichtlagen.
Weiterhin umfasst die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte eine Schaltschicht mit mindestens einem Leistungsschalter und mindestens einer Schaltschichtlage. Die Schaltschichtlage ist dabei sowohl von eventuellen weiteren Schaltschichtlagen als auch von anderen angrenzenden Schichten durch eine Isolationsschicht getrennt. Die Anzahl der Schaltschichtlagen weist jeweils eine Leiterzugstruktur entsprechend der jeweiligen Funktionen auf.
Ferner umfasst die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte eine Kleinsignalschicht mit mindestens einer Ansteuereinheit, mindestens einer Regeleinheit und mindestens einer Kleinsignalschichtlage. Die Kleinsignalschichtlage ist dabei sowohl von eventuellen weiteren Kleinsignalschichtlagen als auch von anderen angrenzenden Schichten durch eine Isolationsschicht getrennt. Die Anzahl der Kleinsignalschichtlagen weist jeweils eine Leiterzugstruktur entsprechend der jeweiligen Funktionen auf.
Dabei dient der Leistungsschalter in der Schaltschicht dazu, einen mit der Hochstromleiterplatte verbindbaren Verbraucher zu schalten, wobei die in der Kleinsignalschicht angeordnete Regeleinheit und Ansteuereinheit den Leistungsschalter steuern.
Die Verbindung der verschiedenen Lagen ist dabei mittels Durchkontaktierung realisiert. Die Durchkontaktierung, die auch als VIA, insbesondere Mikro-VIA und insbesondere Mikro-VIA-Fill bezeichnet und insbesondere durch Laserbohren hergestellt wird, ist dem Fachmann hinreichend bekannt.
In der mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte weicht dabei eine Dicke der Kleinsignalschicht von einer Dicke der Schaltschicht ab, wodurch die Hochstromleiterplatte bezüglich der Mittenebene asymmetrisch aufgebaut ist. Die Dicke einer Schicht oder einer Lage ist dabei definiert als die Ausdehnung dieser Schicht oder Lage entlang der Plattendickenrichtung.
Durch diesen asymmetrischen Aufbau ist es möglich, sowohl Regeleinheiten mit hoher Kontaktdichte in der Kleinsignalschicht der Hochstromleiterplatte zu entflechten, also in die Hochstromleiterplatte zu integrieren, als auch die Schaltfunktionalitäten uneingeschränkt zu realisieren. Eine solche Hochstromleiterplatte vereint auf robuste, zuverlässige, temperaturfeste Art und Weise die Funktionalitäten der Schaltung, Ansteuerung der Schaltung und Regelung der Steuerung in einem.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Hochstromleiterplatte ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass ein Verhältnis der Dicke der Kleinsignalschicht zu der Dicke der Schaltschicht zwischen 0,5 und 1 liegt, insbesondere zwischen 0,7 und 0,9. Dadurch ist bei den hohen thermischen Beanspruchungen der Hochstromleiterplatte eine geringe mechanische Spannung gegeben.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass ein Verhältnis der Summe der Dicken der Kleinsignalschichtlagen in der Hochstromleiterplatte zu der Summe der Dicken der Schaltschichtlagen in der Hochstromleiterplatte zwischen 0,5 und 1 liegt, insbesondere zwischen 0,7 und 0,9. Dadurch ist bei den hohen thermischen Beanspruchungen der Hochstromleiterplatte eine geringe mechanische Spannung gegeben.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass eine Dicke einer Kleinsignalschichtlage von einer Dicke einer Schaltschichtlage unterschiedlich ist. Somit wird den unterschiedlichen Aufgaben der Lagen Rechnung getragen. Während es in den Schaltlagen nötig ist, die hohen Ströme durch die Leistungsschalter zu führen, also große Dicken benötigt werden, ist es in den Kleinsignalschichten nötig, die hohen Kontaktdichten der Regeleinheiten zu entflechten, wozu eine dichte Leiterzugstruktur benötigt wird, wie sie in dünnen Lagen realisierbar ist.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Anzahl der Kleinsignalschichtlagen von einer Anzahl der Schaltschichtlagen unterschiedlich ist. Während in der Schaltschicht eine Lage ausreichend ist, um dem Zweck der Schaltung Rechnung zu tragen, ist es für die Entflechtung und Verschaltung der Ansteuereinheit und der Regeleinheit hilfreich, mehrere Kleinsignalschichtlagen zur Verfügung zu haben, um die Elemente in der Schicht zu integrieren. Die Anzahl der Lagen in der Schaltschicht und der Kleinsignalschicht kann jedoch auch gleich sein.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Schaltschicht mindestens zwei Schaltschichtlagen, wobei eine erste Schaltschichtlage mit einer zweiten Schaltschichtlage leitend verbunden ist und wobei auf der zweiten Schaltschichtlage der mindestens eine Leistungsschalter angeordnet ist. Dabei ist eine Dicke der ersten Schaltschichtlage größer als eine Dicke der zweiten Schaltschichtlage, insbesondere beträgt die Dicke der ersten Schaltschichtlage mindestens 70 μm, insbesondere 70 μm, 105 μm oder 210 μm, und die Dicke der zweiten Schaltschichtlage mindestens 9 μm. Durch diese Ausgestaltung können die Leistungsschalter einfach an die zweite Schaltschicht angebracht, d.h. angelötet, werden. Durch die dickere erste Schaltschichtlage ist dennoch eine stabile Führung des Hochstroms sichergestellt.
Ferner ist eine Ausgestaltung zweckmäßig, in der die Hochstromleiterplatte mindestens eine Abschirmschicht aufweist, wobei entweder die Kleinsignalschicht eine an die Stromleitungsschicht grenzende erste Abschirmschicht aufweist, oder die Stromleitungsschicht zwei Abschirmschichten aufweist, wobei eine zweite Abschirmschicht an die Kleinsignalschicht und eine dritte Abschirmschicht an die Schaltschicht grenzt.
Bei der Ausführungsform mit der ersten Abschirmschicht in der Kleinsignalschichtlage kann die Abschirmschicht im Zuge des Herstellungsprozesses der Kleinsignalschicht hergestellt und somit genauso dünn wie die Kleinsignalschichtlagen gestaltet werden. Hierbei schirmt die Abschirmschicht die Kleinsignalschicht gegen die in der Stromleitungsschicht entstehenden hohen Felder ab.
Bei der Ausgestaltungsform, in der sich die zweite und die dritte Abschirmschicht in der Stromleitungsschicht befinden, können die erste und die zweite Abschirmschicht unterschiedlich dick gestaltet und/oder mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden. Dadurch kann einer später beschriebenen unterschiedlichen Betriebsspannung in der Kleinsignalschicht und in der Schaltschicht eine unterschiedliche beziehungsweise individuelle Abschirmung erreicht werden.
Ferner ist eine Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte zweckmäßig, in der die mindestens eine Kleinsignalschichtlage eine Dicke kleiner oder gleich 35 μm aufweist. Derart dünn gestaltete Lagen in einer Kleinsignalschicht ermöglichen es, die Leiterbahnen in der Leiterzugstruktur einer Lage entsprechend dicht zu packen, um der hohen Kontaktdichte der mindestens einen Regeleinheit zu entsprechen.
Eine weitere Ausgestaltung der Hochstromleiterplatte ist zweckmäßig, in der die Kleinsignalschicht und die Schaltschicht zur Beaufschlagung mit unterschiedlichen Betriebsspannungen vorgesehen sind. Dadurch wird den unterschiedlichen Funktionalitäten der beiden Schichten Rechnung getragen. Insbesondere ist es für die Regeleinheiten der Kleinsignalschicht von Vorteil, bei einer kleineren Spannung als die Schaltelemente der Schaltschicht betrieben zu werden.
Ferner ist ein Stromwandler vorgesehen, der eine Hochstromleiterplatte gemäß den vorhergehenden und nachfolgenden Ausführungen umfasst.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte, und
2 einen schematischen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte.
Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Ferner werden angegebene Dicken von Schichten oder Lagen entlang einer Plattendickenrichtung z bemessen.
1 zeigt eine schematische Anordnung verschiedener Schichten, Lagen und Einheiten einer mehrfunktionalen Hochstromleiterplatte 100. Eine Stromleitungsschicht 2 liegt dabei zwischen einer Kleinsignalschicht 1 und einer Schaltschicht 3.
Die Stromleitungsschicht 2 weist eine Anzahl, im Ausführungsbeispiel zwei, von Stromleitungsschichtlagen 20, 21 auf, die vorzugsweise als Kupferlagen ausgeführt sind und jeweils eine Schichtdicke d₂₀, d₂₁ zwischen 105 μm und 400 μm, insbesondere 105 μm, 210 μm oder 400 μm aufweisen. Die Anzahl der Stromleitungsschichtlagen 20, 21 kann auch größer oder kleiner als zwei sein.
In diesen Stromleitungsschichtlagen 20, 21 ist jeweils eine Leiterzugstruktur realisiert, um anschließbare Lasten oder Stromquellen anzuschließen und miteinander zu verschalten. Die Stromleitungsschichtlagen 20, 21 sind daher mit mehreren nicht dargestellten Anschlüssen zum Zu- und/oder Rückführen von Strom ausgerüstet, um insbesondere eine mehrphasige und/oder mehrpolige Stromführung zu ermöglichen.
Die Stromleitungsschichtlagen 20, 21 werden von einer Isolationsschicht 27 getrennt. Dabei ist eine Anordnung der Stromleitungsschichtlagen 20, 21 derart, dass sie spiegelsymmetrisch zu einer Mittenebene 50 der Stromleitungsschicht 2 angeordnet sind, günstig.
Die Stromleitungsschichtlagen 20, 21 sind ferner mittels Durchkontaktierungen 36 mit Schaltschichtlagen 30, 31 in der Schaltschicht 3 und Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 in der Kleinsignalschicht 1 leitend verbunden.
Die Durchkontaktierungen 36, die auch als VIA, insbesondere Mikro-VIA und insbesondere Mikro-VIA-Fill bezeichnet werden, sind insbesondere durch Laserbohren hergestellt. Die die Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 verbindenden Mikro-VIAs sind hohl ausgeführt. Weiterhin sind durchgängige Durchkontaktierungen vorgesehen, die die Hochstromleiterplatte 100 durch alle Lagen hinweg durchsetzen. Die Schaltschichtlagen 30, 31 sind durch Mikro-VIA-Fill miteinander verbunden. Die sind im Wesentlichen analog den Mikro-VIA ausgeführt, wobei diese Mikro-VIA-Fill mit einem leitenden Material, insbesondere Kupfer, gefüllt sind.
Aus der einen Seite der Stromleitungsschicht 2 ist die Schaltschicht 3 angeordnet. In der Schaltschicht 3 sind eine Anzahl, im Ausführungsbeispiel zwei, von Schaltschichtlagen 30, 31 mit identisch übereinander liegenden Leiterzugstrukturen angeordnet, und mittels Durchkontaktierung 36 mit den entsprechenden Stromleitungsschichtlagen 20, 21 verbunden. Dabei sind die Leiterzugstrukturen den entsprechenden Aufgaben der Schaltschichtlagen 30, 31 angepasst. Durch die identisch übereinandergelegten Leiterzugstrukturen der Schaltschichtlagen 30, 31 wird auch bei hochfrequentem Schalten eine niederimpedante und Kriechstrom unterdrückende Hochstromleitung gewährleistet.
Wie auch in allen anderen Schichten der Hochstromleiterplatte 100, sind in der Schaltschicht 3 die Schaltschichtlagen 30, 31 durch eine Isolationsschicht 37 voneinander getrennt.
An einer zweiten Schaltschichtlage 31 ist mindestens ein, insbesondere mehrere, Leistungsschalter 35 angeordnet. Die Leistungsschalter 35 dienen zur Schaltung der angeschlossenen, jedoch nicht dargestellten, Stromquellen und -Verbraucher. Diese Leistungsschalter 35 können mehrere logische Schalter umfassen und insbesondere zu Halbbrücken verschaltet sein. Ausführungsformen solcher Leistungsschalter 35 als Halbleiterleistungsschaltelemente, insbesondere IGBT, FET oder TRIAC sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere sind die Leistungsschalter 35 als eine spezialisierte Version eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors ausgeführt, dem Fachmann als Leistungs-MOSFET bekannt.
Zur einfachen Anbringung der Leistungsschalter 35 ist insbesondere die zweite Schaltschichtlage 31 als dünne Lage mit einer Dicke d₃₁ von 9 μm realisiert. Um den hohen Strömen, die mit diesen Leistungsschaltern 35 geschaltet werden, Rechnung zu tragen, ist insbesondere eine erste Schaltschichtlage 30 mit einer Dicke d₃₀ zwischen 70 μm und 210 μm, insbesondere 70 μm, 105 μm oder 210 μm, realisiert. Dies erleichtert das Anschließen der Leistungsschalter 35 bei gleichzeitiger Sicherstellung der niederimpedanten und Kriechstrom unterdrückenden Stromleitung.
Auf der anderen Seite der Stromleitungsschicht 2 ist die Kleinsignalschicht 1 angeordnet. Die Kleinsignalschicht 1 umfasst eine Anzahl, im Ausführungsbeispiel drei, von Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 sowie eine Anzahl, im Ausführungsbeispiel eins, von Regeleinheiten 15 und eine Anzahl, im Ausführungsbeispiel eins, von Ansteuereinheiten 16.
Die Regeleinheit 15 umfasst dabei Funktionalitäten zur Messung verschiedener Parameter, insbesondere Temperatur, und zum Regeln der Ansteuereinheit 16. Die Ansteuereinheit 16 steuert die Leistungsschalter 35.
Die in der Kleinsignalschicht 1 befindlichen Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 weisen eine ihrer Funktion entsprechend ausgestaltete Leiterzugstruktur auf. Die jeweiligen Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 sind dabei über Isolationsschichten 17 voneinander getrennt. Zusätzlich kann angrenzend zur Stromleitungsschicht 2 eine erste Abschirmschicht 19 angeordnet sein.
Dabei gilt, dass eine Dicke d₁ der Kleinsignalschicht 1 nicht mit einer Dicke d₃ der Schaltschicht 3 übereinstimmt. Insbesondere liegt das Verhältnis der Dicken d₁/d₃ zwischen 0,5 und 1, insbesondere zwischen 0,7 und 0,9. Durch dieses Verhältnis der Dicken, welches in der Größenordnung von 1 liegt, ist sichergestellt, dass die Leiterplatte den hohen Strömen, die in der Stromleitungsschicht 2 entstehen, standhält. Diese hohen Temperaturen führen zur Ausdehnung der Stromleitungsschicht 2 und somit zu mechanischen Spannungen mit den angrenzenden Schichten. Das beidseitige Anbringen exakt gleich dicker Schichten führt zur optimalen Abschwächung dieser mechanischen Spannungen. In der vorliegenden Erfindung wird diesem Vorgang Rechnung getragen, indem das Verhältnis der beiden Schichten zueinander mit 0,5 nach unten begrenzt ist. Dadurch können die Kleinsignalschicht 1 und die Schaltschicht 3 freier gestaltet werden, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Spannungsreduktion. Durch diesen Verzicht auf die strikte Symmetrie bezüglich der Mittenebene 50 wird die erfindungsgemäße Integration von einer oder mehreren Regeleinheiten 15 ermöglicht.
Die Kleinsignalschicht 1 kann ferner mit einer anderen, insbesondere einer kleineren, Betriebsspannung beaufschlagt werden als die Schaltschicht 3. Dadurch wird den Anforderungen der Regeleinheiten und Ansteuereinheiten Rechnung getragen.
Diese Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 zeichnen sich durch eine Dicke d₁₀, d₁₁, d₁₂ kleiner oder gleich 35 μm aus. Auch in der Kleinsignalschicht 1 sind die Leiterzugstrukturen der Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 entsprechend der gewünschten Funktion mittels oben beschriebener VIA leitend miteinander verbunden, insbesondere auch mit den Leistungsschaltern 35 in der Schaltschicht 3 verbunden.
Durch die dünne Ausgestaltung und höhere mögliche Anzahl von Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 in der Kleinsignalschicht 1 ist es möglich, die Regeleinheit 15 in die Hochstromleiterplatte 100 zu integrieren. Solche Regeleinheiten 15 weisen hochintegrierte Bauformen auf, mit einer hohen Kontaktdichte der Anschlüsse, insbesondere in Gestalt von BGA (Ball Grid Array) oder TQFP (Thin Quad Flat Packages). Durch die dünnen Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 ist es möglich, die Leiterbahnen nahe genug aneinander zu erstellen, um dem geringen Kontaktabstand dieser Regeleinheiten 15 zu entsprechen. Des Weiteren ermöglicht es die höhere Anzahl von Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12, die vielen Kontakte der hochintegrierten Regeleinheit 15 als auch der Ansteuereinheit 16 in der Hochstromleiterplatte einfach zu entflechten. Ferner enthält die Kleinsignalschicht 1 eine Ansteuereinheit 16, die die Leistungsschalter 35 steuert und von der Regeleinheit 15 geregelt wird. Die Ausgestaltung solcher Ansteuereinheiten 16, z.B. als Treiber, ist dem Fachmann bekannt.
Durch die Aufnahme einer Abschirmschicht 19 in die Kleinsignalschicht 1, ist es im Zuge des Herstellungsprozesses der Kleinsignalschicht 1 möglich, die Abschirmschicht 19 entsprechend der Kleinsignalschichtlagen 10, 11, 12 dünn, d.h. kleiner als 35µm, zu gestalten, um den Materialeinsatz gering zu halten und dennoch eine ausreichende Abschirmung zu gewähren.
2 zeigt eine alternative Ausführung der vorliegenden Erfindung. In dieser Hochstromleiterplatte 100a sind die Kleinsignalschichtlagen 10a, 11a, 12a, und die Kleinsignalschichtlagen 10b, 11b, 12b vertikal separiert, wobei die Kleinsignalschichtlagen 10a, 11a, 12a nur zur Verbindung und Entflechtung der Regeleinheit 15 und die Kleinsignalschichtlagen 10b, 11b, 12b nur der Verbindung und Entflechtung der Ansteuereinheit 16 dient. In dieser Ausführungsform kann, je nach Verwendung einer spezifischen Einheit, eine Entflechtung der Regeleinheit 15 und der Ansteuereinheit 16 einfacher vorgenommen werden.
Zudem ist in dieser Ausführungsform die Abschirmung in der Stromleitungsschicht 2a alternativ realisiert durch eine zweite Abschirmschicht 29 und eine dritte Abschirmschicht 29a. Dabei kann die zweite Abschirmschicht 29 mit einem anderen Potential als die dritte Abschirmschicht 29a beaufschlagt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Abschirmschicht 29 mit einer anderen Dicke als die dritte Abschirmschicht 29a realisiert werden. Dadurch wird dem Faktum Rechnung getragen, dass eine stärkere Abschirmung der Kleinsignalschicht 1a als die Schaltschicht 3a zweckmäßig sein kann. Auch wäre in der Hochstromleiterplatte 100a eine Realisierung der in 1 gezeigten Abschirmung möglich.
Durch die Integration der Regeleinheit in eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte wird eine enorme Erleichterung der Realisierung einer solchen funktionellen Einheit erreicht. Insbesondere sind für die Regelung der Ansteuerung keine zusätzliche Leiterplatte sowie keine zusätzlichen Anschlüsse an eine Hochstromleiterplatte nötig. Dadurch reduziert man nicht nur den notwendigen Bauraum, sondern umgeht auch die Unwägbarkeiten von Steckern und Jumpern, insbesondere Korrosion, Temperaturschwankung, Wackelkontakte und sonstige mechanischen Einflüsse. Durch die stoffschlüssige Realisierung wird zudem eine hohe EMV-Robustheit ebenso wie eine lange Lebensdauer gegeben. Die vorliegende erfindungsgemäße mehrfunktionale Hochstromleiterplatte ist insbesondere zum Einsatz in einem Stromwandler, z.B. einem Wechselrichter, vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1, 1a: Kleinsignalschicht
d₁: Dicke der Kleinsignalschicht
2, 2a: Stromleitungsschicht
d₂: Dicke der Stromleitungsschicht
3, 3a: Schaltschicht
d₃: Dicke der Schaltschicht
10, 10a, 10b: Kleinsignalschichtlagen
11, 11a, 11b: Kleinsignalschichtlagen
12, 12a, 12b: Kleinsignalschichtlagen
d₁₀, d₁₁, d₁₂: Dicke der Kleinsignalschichtlagen
20, 21: Stromleitungsschichtlagen
d₂₀, d₂₁: Dicke der Stromleitungsschichtlagen
30, 31: Schaltschichtlagen
d₃₀, d₃₁: Dicke der Schaltschichtlagen
15: Regeleinheit
16: Ansteuereinheit
17: Isolationsschicht
19: Erste Abschirmschicht
29, 29a: Zweite, dritte Abschirmschicht
35: Leistungsschalter
36: Durchkontaktierung
50: Mittenebene
100, 100a: Hochstromleiterplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013223761 A1 [0002]

Claims

Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte (100), umfassend: – eine Stromleitungsschicht (2) mit mindestens einer Stromleitungsschichtlage (20, 21) zum Leiten von elektrischem Strom, insbesondere für eine mehrphasige und/oder mehrpolige Stromführung, – eine Schaltschicht (3) mit mindestens einem Leistungsschalter (35) und mindestens einer Schaltschichtlage (30, 31), – eine Kleinsignalschicht (1) mit mindestens einer Ansteuereinheit (16), mindestens einer Regeleinheit (15) und mindestens einer Kleinsignalschichtlage (10, 11, 12), – wobei eine Dicke (d₁) der Kleinsignalschicht (1) von einer Dicke (d₃) der Schaltschicht (3) abweicht, wodurch die Hochstromleiterplatte bezüglich einer Mittenebene (50), welche bezüglich der Plattendicke in der Mitte der Stromleitungsschicht (2) liegt, asymmetrisch aufgebaut ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Dicke (d₁) der Kleinsignalschicht (1) zu der Dicke (d₃) der Schaltschicht (3) zwischen 0,5 und 1 liegt, insbesondere zwischen 0,7 und 0,9.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke (d₁₀, d₁₁, d₁₂) der Kleinsignalschichtlagen (10, 11, 12) von einer Dicke (d₃₀, d₃₁) der Schaltschichtlagen (30, 31) unterschiedlich ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Summe der Dicken (d₁₀, d₁₁, d₁₂) der Kleinsignalschichtlagen (10, 11, 12) zu der Summe der Dicken (d₃₀, d₃₁) der Schaltschichtlagen (30, 31) zwischen 0,5 und 1 liegt, insbesondere zwischen 0,7 und 0,9.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Kleinsignalschichtlagen (10, 11, 12) von einer Anzahl der Schaltschichtlagen (30, 31) unterschiedlich ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltschicht (3) mindestens zwei Schaltschichtlagen (30, 31) umfasst, wobei eine erste Schaltschichtlage (30) mit einer zweiten Schaltschichtlage (31) leitend verbunden ist und wobei auf der zweiten Schaltschichtlage (31) der mindestens eine Leistungsschalter (35) angeordnet ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d₃₀) der ersten Schaltschichtlage (30) größer als die Dicke (d₃₁) der zweiten Schaltschichtlage (31) ist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d₃₀) der ersten Schaltschichtlage (30) mindestens 70µm, insbesondere 70µm, 105µm oder 210µm beträgt und die Dicke (d₃₁) der zweiten Schaltschichtlage (31) mindestens 9 µm, insbesondere 9µm, 35µm oder 60µm.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrfunktionale Hochstromleiterplatte (100) mindestens eine Abschirmschicht (19, 29, 29a) aufweist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinsignalschicht (1) eine erste Abschirmschicht (19) umfasst, wobei diese Abschirmschicht (19) an die Stromleitungsschicht (2) grenzt.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitungsschicht (2) zwei Abschirmschichten (29, 29a) aufweist, wobei eine zweite Abschirmschicht (29) an die Kleinsignalschicht (1) und eine dritte Abschirmschicht (29a) an die Schaltschicht (3) grenzt.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmschichten (29, 29a) unterschiedliche Potentiale und/oder unterschiedliche Dicken aufweisen.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kleinsignalschichtlage (10, 11, 12) der Kleinsignalschicht (1) eine Dicke (d₁₀, d₁₁, d₁₂) kleiner oder gleich 35µm aufweist.
Mehrfunktionale Hochstromleiterplatte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinsignalschicht (1) und die Schaltschicht (3) zur Beaufschlagung mit unterschiedlichen Betriebsspannungen vorgesehen sind.
Stromwandler, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.