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Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung, einen Wechselrichter und ein Verfahren zur Herstellung der Leiterplattenanordnung.
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Eine Leiterplatte, wie beispielsweise ein PCB (= printed circuit board) ist üblicherweise in Schichtbauweise aufgebaut. Dabei wechseln sich stromführende Kupferschichten und elektrisch isolierende Kunststoffschichten ab. Diese Kunststoffschichten basieren üblicherweise auf Epoxidharz.
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Auf den beiden Außenseiten der Leiterplatte werden üblicherweise elektrische Bauteile angeordnet und mit ihr kontaktiert. In der Leistungselektronik entsteht in einigen dieser Bauteile, beispielsweise Leistungsschaltern, relativ viel Wärme. Diese muss über Kühlflächen des Bauteils und gegebenenfalls über einen extra Kühlerkörper für das Bauteil abgeführt werden, um eine Überhitzung des Bauteils zu verhindern.
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Zwischen einem elektrischen Bauteil und einem ihm zugeordneten Kühlerkörper besteht häufig ein toleranzbedingter Luftspalt, der thermisch isolierend wirkt. Dieser wird zur Verbesserung der Wärmeleitung durch thermisch vermittelnde Materialien (= thermal interface material = TIM) ausgefüllt. Beispiele für TIMs sind Wärmeleitpaste, -kleber oder -pads. Üblicherweise werden TIMs elektrisch isolierend ausgeführt um die Leiterplatte sowie die elektrischen Bauteile gegenüber dem Kühlerkörper elektrisch zu isolieren. TIMs sind, mit Ausnahme von Wärmeleitkleber, meist nicht selbsthaftend. Daher muss die Leiterplatte bzw. das Bauteil darauf mit einer zusätzlichen mechanischen Verbindung am Kühlerkörper befestigt werden, beispielsweise Schrauben, Klemmen oder Bügel.
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Es ist bekannt, dass eine mit elektrischen Bauteilen bestückte Leiterplatte mittels einer Prepreg-Schicht in einem Verpressvorgang an einen Kühlkörper angebracht werden kann. Hierdurch sind die Bauteile mit relativ geringem Abstand zum Kühlkörper angebracht, wobei die Prepreg-Schicht die Haftvermittlung zwischen Bauteil und Kühlkörper übernimmt. Dadurch werden zusätzliche mechanische Verbindungen überflüssig. Mit dieser Lösung ist das Bauteil aufgrund der schlechten Wärmeleiteigenschaften der Prepreg-Schicht allerdings nicht optimale an den Kühlkörper angebunden.
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Aus der
DE 196 27 543 A1 ist eine mehrlagige Leiterplattenanordnung (Multi-Layer-Substrat) bekannt, bei der elektrische Bauteile in Fenstern von aus Kunststoff hergestellten Distanzrahmen angeordnet sind. Die verschiedenen Lagen der Leiterplattenanordnung sind unter Verwendung eines Harzes durch Verpressen flächig miteinander verbunden. Es ist hierbei kein Kühlkörper für die elektrischen Bauteile innerhalb der Leiterplattenanordnung vorgesehen. Dementsprechend ist die Wärmeableitung von den Bauteilen nicht optimal.
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Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen davon sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. Demnach wird eine Leiterplattenanordnung und ein Wechselrichter vorgeschlagen, und es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung vorgeschlagen.
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Die Leiterplattenanordnung weist zumindest eine Leiterplatte und ein in eine ausgehärtete Kunststoffschicht eingebettetes elektrisches Bauteil sowie einen Kühlkörper zur Kühlung des Bauteils auf. Dabei ist das Bauteil mit einer ersten Seite (Unterseite) auf einer zum Kühlkörper gerichteten Oberfläche der Leiterplatte angeordnet. Das Bauteil ist auch mit der Leiterplatte elektrisch kontaktiert. Außerdem befindet sich das Bauteil in einem Fenster einer Kunststoffschicht. Das Bauteil ist des Weiteren mit einer zur ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (Oberseite) mit einer zur Leiterplatte gerichteten Oberfläche des Kühlkörpers stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet oder aufgesintert. Die Kunststoffschicht ist zwischen der Oberfläche der Leiterplatte und der Oberfläche der Kühlkörpers verpresst und ausgehärtet.
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Das Bauteil ist insbesondere mit elektrischen Leitungen auf oder in der Leiterplatte elektrisch kontaktiert. Das Fenster in der Kunststoffschicht bildet eine die Kunststoffschicht durchdringende Öffnung. In dieser ist das Bauteil angeordnet. Die Kunststoffschicht umgibt das Bauteil insbesondere seitlich. Somit ist das Bauteil insbesondere seitlich von dem ausgehärteten Kunststoff umgeben und von seiner Unterseite mit der Leiterplatte und von seiner Oberseite mit Material zum stoffschlüssigen Verbinden, wie insbesondere Lot oder Sintermaterial (insbesondere Sintermetall), bzw. dem aufgelöteten Kühlkörper.
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Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich um ein SMD-Bauteil handeln (SMD= surface-mount device). Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich um einen elektrischen Widerstand, eine Spule bzw. Induktivität oder einen Kondensator bzw. eine Kapazität handeln. Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich allerdings auch um ein elektrisches Logikbauteil (FlipFlop etc.) bzw. eine integrierte Schaltung oder einen elektrischen Schalter handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Bauteil um einen Leistungshalbleiterschalter, wie beispielsweise einen IGBT (= insulated-gate bipolar transistor) oder MOSFET (= metal-oxide-semiconductor field-effect transistor).
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Bei der Leiterplatte kann es sich um ein PCB (= printed circuit board) handeln. Bei der Leiterplatte kann es sich allerdings auch um ein Keramiksubstrat mit darauf angeordneten Leiterbahnen handeln. Die Leiterplatte kann einseitig mit dem oder mehreren elektrischen Bauteilen bestückt sein, d.h. die Bauteile sind alle auf einer gemeinsamen Seite der Leiterplatte angeordnet, wobei dies dann die zum Kühlkörper gerichtete Seite ist. Andererseits kann die Leiterplatte auch doppelseitig mit elektrischen Bauteilen bestückt sein. Dann verfügt die Leiterplatte nicht nur über das genannte elektrische Bauteil, das in dem Fenster der Kunststoffschicht angeordnet ist und mit dem Kühlkörper verlötet ist, sondern auch noch über eines oder mehrere weitere elektrische Bauteile, welche auf einer zum erstgenannten Bauteil gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordnet ist/sind.
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Bei der Kunststoffschicht handelt es sich insbesondere um einen mit dem bzw. den Fenstern für das/die elektrischen Bauteile versehenen aushärtbaren Kunststoffrahmen. Die Kunststoffschicht kann daher auch als Kunststoffrahmen bezeichnet werden. Insbesondere ist die Kunststoffschicht auch im unausgehärteten Zustand rahmenförmig und somit nicht-flüssig. Insbesondere handelt es sich bei der Kunststoffschicht um einen Prepreg, also eine mit Harz vorimprägnierte Faserplatte. Hierin können das/die Fenster vorgefertigt sein, beispielsweise ausgeschnitten oder ausgestanzt sein. Die Kunststoffschicht sorgt für eine feste Verbindung zwischen Leiterplatte und Kühlkörper. Dazu haftet sie an diesen an bzw. verklebt diese miteinander. Somit bildet die Leiterplattenanordnung eine mechanisch feste Einheit. Andere Verbindungsmittel zur mechanischen Verbindung von Leiterplatte und Kühlkörper, beispielsweise Schrauben oder Nieten oder Klemmbügel, sind somit nicht erforderlich bzw. können entfallen. Lücken zwischen dem elektrischen Bauteil und dem zugehörigen Fenster der Kunststoffschicht können mit Füllstoff, beispielsweise Harz, verfüllt sein.
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Die Kunststoffschicht kann also aus einem mit Füllstoffen vorgefüllten Duroplast, vorzugsweise Epoxidharz, bestehen. Die Kunststoffschicht zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie die gleichen oder ähnlichen Eigenschaften wie der im Lagenaufbau der Leiterplatte verwendete Kunststoff hat. Eine dieser Eigenschaften ist, dass der Kunststoff auf metallischen Werkstoffen haftet, vorzugsweise auf Kupfer oder Aluminium. Eine weitere Eigenschaft ist eine gute Wärmeleitfähigkeit.
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Der Kühlkörper kann insbesondere über eine extra Kühlstruktur verfügen, wie Kühlrippen und/oder Leitungen zum Hindurchleiten von Kühlmittel. Der Kühlkörper weist bezüglich seiner zum Bauteil gerichteten Oberfläche insbesondere eine größere Erstreckung auf, als das Bauteil oder das zugehörige Fenster in der Kunststoffschicht. Somit kann der Kühlkörper an dieser Oberfläche mit gleich mehreren elektrischen Bauteilen verlötet sein, die auf der Leiterplatte angeordnet sind und für die (insbesondere je) ein Fenster in der Kunststoffschicht vorgesehen ist.
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Bevorzugt weist die Kunststoffschicht dieselbe Höhe auf wie das Bauteil zusammen mit der Materialschicht, die zum stoffschlüssigen Verbinden mit dem Kühlkörper dient, beispielsweise eine Lotschicht oder eine Sintermetallschicht. Somit kann der Kühlkörper plan sowohl auf der Kunststoffschicht anliegen, als auch mit der Oberseite des Bauteils stoffschlüssig verbunden sein. Somit kann auch Wärme aus der Kunststoffschicht abgeführt werden.
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Bevorzugt ist die zweite Seite des Bauteils (Oberseite), also die zum Kühlkörper gerichtete Seite, vollflächig mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbunden. Somit kann besonders gut Wärme von dem Bauteil abgeführt werden. Dazu ist diese zweite Seite bzw. Oberseite bevorzugt plan ausgeführt.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplattenanordnung sieht vor, dass die Kunststoffschicht zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper unter Wärmezugabe in einem Herstellungsschritt verpresst und ausgehärtet wird und durch die Wärmezugabe Material zum stoffschlüssigen Verbinden, insbesondere Lot oder Sintermaterial, zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper aufschmilzt, sodass das Bauteil mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbunden wird.
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Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplattenanordnung weist insbesondere zumindest die folgenden Schritte auf:
- 1. Bereitstellen einer Leiterplatte mit zumindest einem auf einer Oberfläche der Leiterplatte angeordneten und mit der Leiterplatte kontaktierten elektrischen Bauteil,
- 2. Bereitstellen einer aushärtbaren Kunststoffschicht mit einem Fenster für das Bauteil, insbesondere auf die Oberfläche der Leiterplatte oder auf einer in der fertigen Leiterplattenanordnung zur Leiterplatte gerichteten Seite des Kühlkörpers,
- 3. Aufbringen von Material zum stoffschlüssigen Verbinden des Bauteils mit dem Kühlkörper, insbesondere auf eine in der fertigen Leiterplattenanordnung zum Kühlkörper gerichteten Seite des Bauteils oder auf eine in der fertigen Leiterplattenanordnung mit dem Bauteil korrespondierenden Stelle des Kühlkörpers,
- 4. Anordnen des Kühlkörpers auf das Bauteil, sodass die Kunststoffschicht und das Bauteil zusammen mit dem Material zum stoffschlüssigen Verbinden zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper angeordnet sind und sich das Bauteil innerhalb des Fensters befindet,
- 5. Verpressen und Aushärten der Kunststoffschicht zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper unter Wärmezugabe, sodass dabei das Material zum stoffschlüssigen Verbinden aufschmilzt und das Bauteil mit dem Kühlkörper stoffschlüssig verbunden wird.
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Demnach ist die Leiterplatte also vorbestückt mit dem elektrischen Bauteil. Es können, wie erläutert, auch mehrere entsprechende elektrische Bauteile vorgesehen sein.
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Die zeitliche Reihenfolge der Schritte bei der Herstellung der Leiterplattenanordnung kann genau dieser angegebenen Reihenfolge (von oben nach unten bzw. von Schritt 1 nach 5) entsprechen. Die Reihenfolge der Schritte kann, sofern sinnvoll, jedoch auch vertauscht sein, beispielsweise Schritt 2 und 3. Einige Schritt können auch zeitlich parallel stattfinden, beispielsweise kann die Kunststoffschicht auf die Leiterplatte angeordnet werden (Schritt 2), wenn der Kühlkörper mit dem Material zum stoffschlüssigen Verbinden bestückt wird (Schritt 3).
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Bevorzugt ist der Kühlkörper zum Verpressen der Kunststoffschicht lösbar auf einem Presswerkzeug angeordnet. Somit kann während des Schrittes 5 der Kühlköper fest an dem Presswerkzeug angeordnet sein. Nach dem Verpressen kann der Kühlkörper dann einfach von dem Presswerkzeug entfernt werden. Die Position des Kühlkörpers in der Leiterplattenanordnung kann somit sicher eingehalten werden.
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Bevorzugt weist das Presswerkzeug eine Heizung zum Aufschmelzen des Materials zum stoffschlüssigen Verbinden auf. Zum Aufschmelzen dieses Materials bedarf es dann keines separaten Werkzeugs. Im unaufgeschmolzenen Zustand kann das Material zum stoffschlüssigen Verbinden insbesondere in Form von Paste, insbesondere Lotpaste, oder Pulver, insbesondere Sinterpulver, vorliegen.
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Bevorzugt erfolgt der Schritt des Verpressens und Aushärtens (Schritt 5) unter Unterdruck bzw. Vakuum. Die Komponenten der Leiterplattenanordnung befinden sich also unter Unterdruck während des Schrittes 5. Somit kann Luft oder Prozessgas, beispielsweise durch das Aufschmelzen des Materials zum stoffschlüssigen Verbinden bzw. des Lots oder Sintermaterials, aus dem Fenster in der Kunststoffschicht und insbesondere zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper weitestgehend entfernt werden. Die stoffschlüssige Verbindung ist dadurch besonders arm an Lunkern oder anderer Einschlüsse und somit zuverlässig und gut wärmeleitend. Mit Unterdruck ist hierbei ein atmosphärischer Druck gemeint, der unterhalb eines atmosphärischen Umgebungsluftdruckes liegt. Damit Schritt 5 unter Unterdruck erfolgen kann, werden die entsprechenden Teile der Leiterplattenanordnung beispielsweise in einem (Unter-)Druckbehältnis angeordnet, in dem der im Vergleich zu einem äußeren Umgebungsluftdruck reduzierte Druck (Unterdruck) für den Schritt 5 erzeugt und aufrecht erhalten wird.
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Die Leiterplattenanordnung kann ein so genanntes Leistungsmodul bilden. Ein solches Leistungsmodul bildet eine eigene bauliche Einheit. Das Leistungsmodul kann eine elektrische Halbbrücke bilden. Ein als Halbbrücke ausgeführtes Leistungsmodul verfügt insbesondere über einen Phasenanschluss, der elektrisch zwischen einem als Highside-Schalter ausgeführten ersten elektrischen Bauteil und einem als Lowside-Schalter ausgeführten zweiten elektrischen Bauteil angeordnet ist, sowie über zwei Gleichspannungsanschlüsse, sowie über Anschlüsse zur Ansteuerung des Highside- und Lowside-Schalters. Die Bauteile sind in der beschriebenen Art zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper in einem (gemeinsamen oder individuellen) Fenster der ausgehärteten Kunststoffschicht angeordnet und mit dem Kühlkörper jeweils verlötet.
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Die eine oder mehrere der vorgeschlagenen Leiterplattenanordnungen bzw. ein oder mehrere der Leistungsmodule können einen Wechselrichter bilden. Ein solcher Wechselrichter kann auch als DC-AC-Wandler bezeichnet werden. Er ist dazu ausgeführt, einen Gleichstrom (DC = direct current) in einen (quasi) Wechselstrom (AC = alternating current) umzuwandeln. Umgekehrt kann er auch dazu ausgeführt sein, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln.
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Ein vorgeschlagenes Kraftfahrzeugantriebsystem verfügt über eine E-Maschine als Traktionsantrieb, also zur Bereitstellung eines Antriebsdrehmoments, und es verfügt über einen solchen Wechselrichter zum Betreiben der E-Maschine. Somit versorgt der Wechselrichter die E-Maschine mit dem zum Betrieb der E-Maschine erforderlichen elektrischen Strom, insbesondere einem (quasi) Wechselstrom. Bei der E-Maschine kann es sich daher insbesondere um eine Drehfeldmaschine, wie beispielsweise eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine handeln.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert, aus welcher weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung entnehmbar sind. Die Figur zeigt eine Leiterplattenanordnung in schematischer Darstellung.
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Die Leiterplattenanordnung weist eine Leiterplatte 1 auf, sowie ein in eine ausgehärtete Kunststoffschicht 2 eingebettetes elektrisches Bauteil 3. Außerdem weist die Leiterplattenanordnung einen Kühlkörper 4 auf, zur Kühlung des Bauteils 3. Wie dargestellt kann der Kühlköper über zumindest einen Kühlkanal 4A verfügen, durch welchen Kühlmittel zur Kühlung des Bauteils 3 bzw. der Leiterplatte 1 geleitet wird. Alternativ oder zusätzlich können Kühlrippen oder andere Kühlstrukturen, beispielsweise so genannte Fin-Pins, an dem Kühlkörper 4 vorgesehen sein. Auf oder innerhalb der Leiterplatte 1 können noch weitere elektrische Bauteile 6 vorgesehen sein. Somit kann die Leiterplatte 1 beispielsweise auch beidseitig mit elektrischen Bauteilen 3, 6 bestückt und kontaktiert sein.
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Das elektrische Bauteil 3 ist mit einer ersten flachen Seite 3A (Unterseite) auf einer zum Kühlkörper gerichteten Oberfläche der Leiterplatte 1 angeordnet, und es ist mit der Leiterplatte 1 elektrisch kontaktiert. Dazu kann die Leiterplatte 1 über Leiterbahnen verfügen, die auf deren Oberfläche und/oder innerhalb der Leiterplatte 1 verlaufen. Das Bauteil 3 befindet sich in einem Fenster 2A der ausgehärteten Kunststoffschicht 2. Das Fenster 2A bildet einen Durchbruch, also eine Durchgangsöffnung, in der Kunststoffschicht 2. Es kann beliebig geeignet hergestellt worden sein, beispielsweise ausgestanzt oder ausgeschnitten. Innerhalb des Fensters 2A kann, wie gezeigt, genau ein elektrisches Bauteil 3 angeordnet sein oder auch mehrere.
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Das Bauteil 3 ist außerdem mit einer zur ersten Seite 3A gegenüberliegenden zweiten flachen Seite 3B (Oberseite) mit einer zur Leiterplatte gerichteten Oberfläche des Kühlkörpers 4 stoffschlüssig verbunden. Bevorzugt ist wird als stoffschlüssige Verbindung eine Lötverbindung gewählt. Eine Sinterverbindung ist jedoch ebenfalls einsetzbar. Zum Verlöten ist eine Lotschicht 5 zwischen dem Bauteil 3 und dem Kühlkörper 4 vorgesehen. Die Lotschicht 5 verbindet das Bauteil 3 mit dem Kühlkörper stoffschlüssig. Die Kunststoffschicht 2 ist zwischen dieser Oberfläche der Leiterplatte 1 und dieser Oberfläche der Kühlkörpers 4 verpresst und dabei ausgehärtet. Sie haftet daher am Kühlkörper 4 und an der Leiterplatte 1 beiderseits an und verbindet diese daher mechanisch.
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Die Kunststoffschicht 2 weist dieselbe Höhe H auf, wie das Bauteil 3 zusammen mit der Lotschicht 5 zum Verlöten mit dem Kühlkörper 4. Somit liegen die Kunststoffschicht 2 und das Bauteil 3 über die Lötschicht 5 flächig und auf einer gemeinsamen Ebene an dem Kühlkörper 4 an. Die Lötschicht 5 verbindet das Bauteil 3 auf dessen Oberseite 3B also vollflächig mit dem Kühlkörper 4.
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Die Leiterplattenanordnung gemäß der Figur wird insbesondere in einem Wechselrichter eingesetzt. Hierbei kann das elektrische Bauteil 3 ein Halbleiterschalter sein, beispielsweise ein Highside- oder Lowside-Schalter einer Brückenschaltung des Wechselrichters.
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Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren zur Herstellung der in der Figur gezeigten Leiterplattenanordnung wird die Kunststoffschicht 2 zwischen der Leiterplatte 1 und dem Kühlkörper 4 unter Wärmezugabe verpresst und ausgehärtet. Dabei wird gleichzeitig durch die Wärmezugabe das vorher eingebrachte Lot 5 bzw. Lotpaste zwischen dem elektrischen Bauteil 3 und dem Kühlkörper 4 aufgeschmolzen, sodass das Bauteil 3 mit dem Kühlkörper 4 verlötet wird. Das Lot 5 überbrückt dabei gleichzeitig einen toleranzbedingten Spalt zwischen dem Bauteil 3 und dem Kühlkörper 4. Somit ist eine sehr gute Wärmeübertragung vom Bauteil 3 auf den Kühlkörper 4 möglich.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlkörper 4 vorab des Verpressens der Kunststoffschicht 2 lösbar auf ein Presswerkzeug angeordnet wird, das zum Pressen des Kühlkörpers 4 auf die Kunststoffschicht 2 bzw. die Leiterplatte 1 dient. Nach erfolgtem Verpressen und Aushärten wird diese Verbindung zwischen Kühlkörper 4 und Presswerkzeug gelöst und der Kühlkörper mit der Leiterplattenanordnung davon entfernt.
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Bevorzugt verfügt das Presswerkzeug auch gleich über eine Heizung, die zur Wärmezugabe während des Verpressens und somit gleichzeitig zum Aufschmelzen des Lots dient. Das Verpressen erfolgt insbesondere unter Unterdruck, damit Gase bzw. Luft aus dem Lot 5 und der Kunststoffschicht 2 entfernt werden.
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Beispielhaft läuft das Herstellungsverfahren wie folgt ab:
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Beim Aufbringen der Kunststoffschicht 2 auf die mit elektronischen Bauteilen 3 ein- oder doppelseitig bestückte Leiterplatte 1 wird der nicht ausgehärtete Kunststoff für die Kunststoffschicht 2 als Folie oder Platte auf die Leiterplatte 1 aufgelegt. Nun oder vorab werden Fenster 2A an den Stellen der zu kühlenden Bauteile 3 in den Kunststoff geschnitten. Im Bereich der Fenster 2A wird Lot 5 auf die zu kühlenden Bauteile 3 aufgebracht. Anschließend wird der Kühlkörper 4 auf die Kunststoffschicht 2 und das Lot 5 aufgelegt.
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Nun wird mittels Unterdruck bzw. Vakuum die Luft zwischen der Leiterplatte 1, den elektronischen Bauteil 3, der Kunststoffschicht 2 und dem Kühlkörper 4 entfernt. Gleichzeitig oder anschließend wird die Kunststoffschicht 2 mit dem Lot 5 auf die Leiterplatte 1 gepresst. Die Viskosität der Kunststoffschicht 2 wird dabei kleiner und der Kunststoff fließt in bestehende Zwischenräume der Leiterplatte 1 und der elektrischen Bauteile 3. In diesem Schritt wird das Presswerkzeug so lange nachgeführt, bis der relativ niedrig viskose Kunststoff soweit zur Seite verdrängt oder komprimiert wurde, dass der Abstand zwischen der Oberseite 3B der Bauteile 3 und dem Presswerkzeug bzw. dem darauf befindlichen Kühlkörper 4 minimal wird. Während dieses Schritts wird Wärme zugeführt, wodurch das Lot 5 aufschmilzt und die mit den Bauteilen 3 korrespondierenden Stellen / Fläche des Kühlkörpers 4 benetzt und diese thermisch miteinander verbindet. Ist der gewünschte Abstand erreicht, wird das Presswerkzeug in Position gehalten. Aufgrund der durch die Wärmzufuhr bewirkten Prozesstemperatur und des bestehenden Drucks härtet gleichzeitig der Kunststoff in der Kunststoffschicht 2 aus. Beim Aushärteprozess des Kunststoffmaterials sowie des Lots 5 entsteht eine stoffschlüssige, vollflächige und feste Verbindung zwischen Leiterplatte 1 und Kühler 4.
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Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren und/oder die vorgeschlagene Leiterplattenanordnung bieten folgende Vorteile:
- • Durch die resultierende minimale Schichtdicke des Lots 5 zwischen elektronischem Bauteil 3 und Kühler 4, kombiniert mit der hohen Wärmeleitfähigkeit des Lots 5, ergibt sich eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen elektronischem Bauteil 3 und Kühler 4. Ferner ist die Leiterplatte 1 flächig über die Kunststoffschicht 2 mit dem Kühlkörper 4 verbunden und besitzt daher eine gute thermische Anbindung.
- • Aufgrund der stoffschlüssigen, vollflächigen und festen Verbindung zwischen Leiterplatte 1 und Kühler 4 können mechanische Verbindungselemente teilweise oder ganz entfallen. Der benötigte Bauraum wird reduziert. Das Aufbringen von zusätzlichen TIMs zur elektrischen Isolierung von unter Spannung stehenden elektrischen Elementen bzw. Bauteile der Leiterplatte 1 entfällt. Montage- und Fertigungskosten werden eingespart.
- • Durch die vollflächige Anbindung an den Kühler 4 reduziert sich auch die Schwing-/Vibrationsbelastung der Leiterplatte 1, denn durch sonst erforderliche Verbindungselemente entstehenden mechanischen Spannungsspitzen in der Leiterplatte 1, die nun entfallen können. Somit wird auch eine höhere Zuverlässigkeit erreicht. Die vollflächige, kompakte und dichte Anbindung verhindert ferner das Eindringen von Verschmutzungen.
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Die gezeigte Leiterplattenanordnung eignet sich daher besonders zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Wechselrichter eines elektrischen Kraftfahrzeugantriebsystems.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Kunststoffschicht
- 2A
- Fenster
- 3
- Elektrisches Bauteil
- 3A
- erste Seite
- 3B
- zweite Seite
- 4
- Kühlkörper
- 4A
- Kühlkanal
- 5
- Lotschicht, Lot
- 6
- Elektrisches Bauteil
- H
- Höhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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