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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsanordnung, insbesondere eines Wechselrichters oder eines Gleichrichters eines elektrischen Antriebssystems. Ferner betrifft die Erfindung eine mit dem genannten Verfahren hergestellte Schaltungsanordnung.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Schaltungsanordnungen, insbesondere Wechsel- oder Gleichrichter, arbeiten mit hohen Strömen, welche zuverlässige, niederohmige Stromverbindungen in den Schaltungsanordnungen voraussetzen. Zudem besteht wie bei allen technischen Vorrichtungen die allgemeine Anforderung, die Schaltungsanordnungen kostengünstig herzustellen.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Schaltungsanordnung mit zuverlässiger niederohmiger Stromverbindung kostengünstig herzustellen.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsanordnung bereitgestellt.
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Gemäß dem Verfahren wird ein Schaltungsträger aus einem thermisch und elektrisch leitenden Material bereitgestellt. Auf mindestens einer der beiden Oberflächen des Schaltungsträgers wird mindestens eine Isolierschicht angebracht. Auf einer von dem Schaltungsträger abgewandten Oberfläche der mindestens einen Isolierschicht wird durch Kaltgasspritzen mindestens eine Leiterbahnstruktur angebracht.
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An dem Schaltungsträger wird zudem mindestens ein Durchgangsloch zur Herstellung elektrischer Durchkontaktierung zu der mindestens einen Leiterbahnstruktur angebracht. In dem mindestens einen Durchgangsloch wird mindestens ein elektrisches Kontaktelement angeordnet, welches mit der mindestens einen Leiterbahnstruktur körperlich und elektrisch leitend kontaktiert wird und somit zur Herstellung der elektrischen Durchkontaktierung dient. Das mindestens eine elektrische Kontaktelement wird von dem Schaltungsträger elektrisch isoliert.
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Der Erfindung liegen die Erkenntnisse zugrunde, dass die Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen (z.B. laminierten Leiterplatten auf Basis von Kunstharzen) in der Regel auf der Nutzung elektrisch isolierender Trägermaterialen basieren. Auf diesen Trägermaterialien werden durch chemische Prozesse, oder im Falle von keramischen Materialien durch Sintern, elektrische Leiterstrukturen erstellt. Die elektrisch isolierenden Trägermaterialen leiten in der Regel die Abwärme von Schaltungskomponenten nicht gut ab. Die elektrisch isolierenden Trägermaterialen, welche die Abwärme gut ableiten, wie z. B. die keramischen Materialien, sind aber teuer.
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Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde im Rahmen der Erfindung nach einer Lösung für eine Schaltungsanordnung mit thermisch gut leitenden und zugleich günstigen Trägermaterialien gesucht.
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So wird ein Verfahren zum Herstellen einer Schaltungsanordnung bereitgestellt.
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Gemäß diesem Verfahren wird die Schaltungsanordnung mit einem Schaltungsträger aus einem thermisch und elektrisch leitenden Material bereitgestellt. Zur elektrischen Isolierung der Schaltungskomponenten auf dem Schaltungsträger von dem Schaltungsträger wird dieser mit elektrischen Isolierschichten (bzw. mit einer Isolierschicht) versehen. Auf den jeweiligen von dem Schaltungsträger abgewandten Oberflächen der Isolierschichten werden durch Kaltgasspritzen Leiterbahnstrukturen angebracht. Das Kaltgasspritzen erwies sich als eine zuverlässige und kostengünstige Methode zum Anbringen von elektrisch leitenden Materialien wie z. B. Kupfer auf einem metallischen Träger, wie z. B. einem Träger aus einer Aluminiumlegierung.
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Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterbahnstrukturen auf den beiden voneinander abgewandten Oberflächen des Schaltungsträgers wird mittels elektrischer Durchkontaktierung durch die Durchgangslöcher hergestellt. In den Durchgangslöchern werden elektrische Kontaktelemente angeordnet, welche mit den Leiterbahnstrukturen körperlich und elektrisch leitend kontaktiert sind und somit diese miteinander elektrisch verbindet. Dabei sind die elektrischen Kontaktelemente von dem Schaltungsträger elektrisch isoliert.
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Die Durchkontaktierung stellt beispielsweise eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltungsstrukturen auf den beiden Oberflächen des Schaltungsträgers her, oder führt elektrische Potentiale von einer Seite auf die andere Seite des Schaltungsträgers, um diese von dort weiter zu verteilen (z.B. Anschluss eines Kabels über Kabelschuh oder einer Stromschiene).
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Der Schaltungsträger aus einem kostengünstigen Metall, wie z. B. einer Aluminiumlegierung, ist thermisch gut leitend und zudem kostengünstig erhältlich. Die elektrischen Isolationsschichten sind ebenfalls kostengünstig herstellbar. Das Kaltgasspritzen ist ein zuverlässiges und zugleich kostengünstiges Verfahren zur Bildung von Leiterbahnstrukturen auf einem metallischen Schaltungsträger. Die elektrische Durchkontaktierung lässt sich auch als Durchgangslöcher einfach und kostengünstig herstellen.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, eine Schaltungsanordnung mit zuverlässiger niederohmiger Stromverbindung kostengünstig herzustellen.
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Das Verfahren bietet die Möglichkeit, den Schaltungsträger beidseitig durch Kaltgasspritzen mit Leiterbahnstrukturen auszurüsten und diese in einer einfachen Weise miteinander elektrisch zu verbinden („doppelseitige Bestückung“). Daraus ergeben sich potentiell Materialeinsparungen für den Schaltungsträger und Bauraumeinsparungen für das Gesamtsystem.
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Das mindestens eine elektrische Kontaktelement wird beispielsweise mittels mindestens einer Isolierbuchse aus einem elektrisch isolierenden Material elektrisch isoliert. Dabei wird die mindestens eine Isolierbuchse in dem mindestens einen Durchgangsloch zwischen dem mindestens einen elektrischen Kontaktelement und dem Schaltungsträger angeordnet.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann das mindestens eine elektrische Kontaktelement beispielweise mittels mindestens einer Isolierschicht von dem Schaltungsträger elektrisch isoliert werden. Dabei wird die mindestens eine Isolierschicht beispielsweise auf der Innenwand des mindestens einen Durchgangslochs oder auf dem mindestens einen elektrischen Kontaktelement aufgebracht.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann das mindestens eine elektrische Kontaktelement beispielweise von dem Schaltungsträger dadurch elektrisch isoliert werden, dass das mindestens eine elektrische Kontaktelement von der Innenwand des mindestens einen Durchgangslochs mittels Abstandshalter positioniert wird und dadurch von dem Schaltungsträger elektrisch isoliert wird. Das mindestens eine elektrische Kontaktelement ist von der Innenwand des mindestens einen Durchgangslochs in einem vordefinierten Abstand (> 0) von der Innenwand angeordnet.
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Das mindestens eine elektrische Kontaktelement kann beispielsweise mittels einer elektrisch leitenden Klemm-, Schraub- oder Nietverbindung hergestellt werden. Im Falle einer Klemmverbindung umfasst diese beispielsweise eine Hülse und einen in diese Hülse eingreifenden Stift aus einem elektrisch leitenden Material. Im Falle einer Schraubverbindung umfasst diese beispielsweise eine Schraube aus einem elektrisch leitenden Material, welche in eine ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material hergestellte Mutter eingeschraubt wird. Im Falle einer Nietverbindung umfasst diese beispielsweise eine Voll- oder Hohlniete aus einem elektrisch leitenden Material.
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Die mindestens eine Isolierschicht kann beispielsweise durch Spritzbeschichten eines elektrisch isolierenden Materials auf der mindestens einen der beiden Oberflächen des Schaltungsträgers aufgebracht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung bereitgestellt.
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Die Schaltungsanordnung umfasst einen Schaltungsträger aus einem thermisch und elektrisch leitenden Material.
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Die Schaltungsanordnung umfasst eine (elektrische) Isolierschicht. Diese ist auf mindestens einer der beiden Oberflächen des Schaltungsträgers angeordnet. Die mindestens eine Isolierschicht entspricht insbesondere der vorangehend genannten Isolierschicht, die verfahrensgemäß aufgebracht wird. Die mindestens eine Isolationsschicht kann eine Schicht sein, die durch ein thermisches Spritzverfahren erzeugt wird, etwa durch Flammspritzen, oder ist eine kaltgasgespritzte Schicht und ist insbesondere eine Schicht, die auf den Schaltungsträger per Kaltgasspritzen oder durch ein thermisches Spritzverfahren (wie Flammspritzen) aufgetragen wurde.
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Die Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens eine kaltgasgespritzte Leiterbahnstruktur, welche mindestens auf einer der beiden Oberflächen des Schaltungsträgers aufgebracht ist.
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Die Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens ein Durchgangsloch an dem Schaltungsträger zur Herstellung elektrischer Durchkontaktierung zu der mindestens einen Leiterbahnstruktur.
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Die Schaltungsanordnung umfasst ferner mindestens ein elektrisches Kontaktelement, welches in dem mindestens einen Durchgangsloch angeordnet ist und eingerichtet ist, die genannte elektrische Durchkontaktierung zu der mindestens einen Leiterbahnstruktur herzustellen. Dabei ist das mindestens eine elektrische Kontaktelement mit der mindestens einen Leiterbahnstruktur körperlich und elektrisch leitend kontaktiert und zugleich von dem Schaltungsträger elektrisch isoliert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens sind, soweit im Übrigen, auf die oben genannte Schaltungsanordnung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung anzusehen.
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Beschreibung der Zeichnung:
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Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1A, 1B, 1C und 1D in jeweiligen schematischen Seitenschnittdarstellungen eine Schaltungsanordnung SA, beispielsweise eines Wechselrichters eines elektrischen Antriebssystems, in bzw. nach ihren vier ausgewählten Montageschritten.
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Die Schaltungsanordnung SA umfasst einen metallischen Schaltungsträger ST, Leiterbahnstrukturen LS auf zwei, voneinander abgewandten Oberflächen OF1, OF2 des Schaltungsträgers ST, welche über jeweils eine Isolierschicht IS mit dem Schaltungsträger ST körperlich verbunden und dennoch elektrisch isoliert sind.
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Auf einer von dem Schaltungsträger ST abgewandten Oberfläche weist eine der Leiterbahnstrukturen LS Halbleiterbauelemente HB, welche mittels beispielsweise einer Lötschicht mit der Leiterbahnstruktur LS körperlich und elektrisch leitend verbunden sind.
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Die Schaltungsanordnung SA weist ferner ein Durchgangsloch DL auf, welches durch die beiden Leiterbahnstrukturen LS, die beiden Isolierschichten IS und den Schaltungsträger ST hindurch gebohrt ist und eingerichtet ist, eine elektrische Durchkontaktierung zwischen den beiden Leiterbahnstrukturen LS auf den beiden Oberflächen OF1, OF2 des Schaltungsträgers ST herzustellen.
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In dem Durchgangsloch DL weist die Schaltungsanordnung SA ein elektrisches Kontaktelement KE auf, welches in dieser Ausführungsform als eine metallische Niete ausgebildet ist und mit deren beiden Leiterbahnstrukturen LS körperlich und elektrisch leitend kontaktiert ist.
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Zwischen der Niete KE und dem Schaltungsträger ST weist die Schaltungsanordnung SA ferner eine Isolierbuchse IB aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. Kunststoff, auf, welche hohlzylinderförmig ausgebildet ist und zwischen dem Schaft der Niete KE und der Wand des Durchgangslochs DL angeordnet ist und somit die Niete KE vom dem Schaltungsträger ST elektrisch isoliert.
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Die Herstellung der Schaltungsanordnung SA erfolgt unter Anderem mit folgenden Montageschritten:
Zur Montage der Schaltungsanordnung SA wird zunächst aus einem elektrisch und thermisch leitenden Material in einer dem Fachmann bekannten Weise ein Schaltungsträger ST hergestellt.
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Auf zwei voneinander abgewandten Oberflächen OF1, OF2 des Schaltungsträgers ST, auf deren die elektrische Schaltung ausgebildet wird, jeweils eine Isolierschicht IS aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Isoliermaterial durch Spritzbeschichten angebracht.
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Auf jeweiligen von dem Schaltungsträger ST abgewandten Oberflächen der beiden Isolierschichten IS wird jeweils eine Leiterbahnstruktur LS gemäß der elektrischen Schaltung durch Kaltgasspritzen angebracht.
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Auf einer von dem Schaltungsträger ST abgewandten Oberfläche einer der beiden Leiterbahnstrukturen LS werden Halbleiterbauelemente HB und sonstigen Schaltungskomponenten beispielsweise durch Löten angeordnet und mit der Leiterbahnstruktur LS elektrisch verbunden.
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An einem dafür vorgesehenen Bereich des Schaltungsträgers ST wird ein Durchgangsloch DL angebracht, welches zur Herstellung elektrischer Durchkontaktierung zwischen den beiden Leiterbahnstrukturen LS dienen soll. Dabei wird das Durchgangsloch DL durch die beiden Leiterbahnstrukturen LS, die beiden Isolierschichten IS sowie den Schaltungsträger ST gebohrt.
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In das Durchgangsloch LD wird dann eine Isolierbuchse IB aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material eingeführt. Dabei ist die Isolierbuchse IB hohlzylinderförmig ausgebildet.
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Anschließend wird ein elektrisches Kontaktelement KE in Form von einer Niete in die Isolierbuchse IB bzw. in den Hohlraum der Isolierbuchse IB hineingeführt und von beiden Seiten vernietet. Dabei berühren die beiden Nietköpfe der Niete KE die jeweiligen Leiterbahnstrukturen LS. Dadurch wird eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnstrukturen LS über die Niete KE hergestellt.
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In einem alternativen Herstellungsverfahren kann das Durchgangsloch LD noch vor dem Aufragen der beiden Isolierschichten IS an dem Schaltungsträger ST an dem Schaltungsträger ST gebohrt werden. Danach werden die Isolierschichten IS durch Spritzbeschichten auf den beiden Oberflächen OF1, OF2 des Schaltungsträgers ST angebracht. Dabei wird das Isoliermaterial auch an der Innenwand des Durchgangslochs LD beschichtet, so dass an der Innenwand ebenfalls eine Isolierschicht ausgebildet wird, welche das Kontaktelement KE bzw. die Niete von dem Schaltungsträger ST elektrisch isoliert.
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Alternativ zu der Niete kann auch eine metallische Schraube als das Kontaktelement KE verwendet werden, welche in das Durchgangsloch LD eingeführt und mittels einer ebenfalls elektrisch leitenden Schraubenmutter in dem Durchgangsloch LD befestigt und über den Schraubenkopf und die Schraubenmutter mit den Leiterbahnstrukturen LS auf den beiden Oberflächen OF1, OF2 des Schaltungsträgers ST elektrisch verbunden wird.
