DE102017221861A1

DE102017221861A1 - Leiterplatte und Verfahren zur Fertigung einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE102017221861A1
Application number: DE102017221861.4A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Lassmann; Jörg Kühnl
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-06
Also published as: CN109874224A; US10728999B2; US20190174619A1

Abstract

Eine Leiterplatte (1) umfasst eine leitende Außenlage (2) und mindestens eine leitende Innenlage (4, 14). Auf einer der mindestens einen Innenlage (4, 14) abgewandten Seite der Außenlage (2) ist mindestens eine Stromschiene (7, 8) zur Führung von Hochstrom und mindestens ein Leistungshalbleiter (12) zum Steuern und/oder Schalten des Hochstroms angeordnet. Die Leiterplatte (1) ermöglicht eine hohe Komponentendichte bei gleichzeitig effektiver Wärmeabfuhr. Zudem ist die Leiterplatte (1) günstig und flexibel fertigbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte, insbesondere eine mehrfunktionale Hochstromleiterplatte. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte.
Aus dem Stand der Technik sind Leiterplatten bekannt. Eine beispielhafte Leiterplatte ist in der EP 3 089 565 A1 beschrieben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Leiterplatte zu schaffen, die insbesondere eine hohe Komponentendichte bei gleichzeitig effektiver Wärmeabfuhr ermöglicht und die kostensparend gefertigt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplatte mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Leiterplatte umfasst eine leitende Außenlage und mindestens eine leitende Innenlage. Die leitende Außenlage und mindestens eine leitende Innenlage werden im Folgenden der Einfachheit halber als Außenlage und mindestens eine Innenlage bezeichnet. Die Leiterplatte weist zudem mindestens eine Stromschiene zur Führung von Hochstrom und mindestens einen Leistungshalbleiter zum Steuern und/oder Schalten des Hochstroms auf. Die mindestens eine Stromschiene und der mindestens eine Leistungshalbleiter sind auf einer der mindestens einen Innenlage abgewandten Seite der Außenlage angeordnet.
Die mindestens eine Stromschiene und der mindestens eine Leistungshalbleiter bilden einen Leistungsbereich. Die mindestens eine Innenlage und Bereiche der leitenden Außenlage, welche nicht mit der mindestens einen Stromschiene und dem mindestens einen Leistungshalbleiter belegt sind, also nicht dem Leistungsbereich zugeordnet sind, können für einen Steuer- und Regelbereich zur Ansteuerung des mindestens einen Leistungshalbleiters genutzt werden. Hierdurch ist eine hohe Integration von verschiedenen Bereichen und deren Komponenten, insbesondere Leistungs- und Steuer- beziehungsweise Regelkomponenten, in und auf der Leiterplatte möglich.
Der Leistungsbereich wird auch Hochstrombereich genannt. In dem Leistungsbereich wird ein Hochstrom geführt, insbesondere ein Hochstrom von mindestens 200 Ampere. Dickkupferlagen zur Führung des Hochstroms werden nicht benötigt. Hierdurch kann Material eingespart werden. Zudem können der Steuer- und Regelbereich und insbesondere die mindestens eine Innenlage und die Außenlage in Standardtechnologie gefertigt werden. Dies gewährleistet eine kostengünstige Fertigung. Weiterhin kann die Leiterplatte an den jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere die benötige Leistungsklasse angepasst werden. Hierzu kann ausgehend von in Standardtechnologie gefertigten Mehrlagensystemen, welche die mindestens eine Außenlage und die mindestens eine Innenlage umfassen, die erfindungsgemäße Leiterplatte durch Auswahl geeigneter Stromschienen und Leistungshalbleiter flexibel an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. So kann insbesondere die Leistungsklasse durch den Durchmesser, das Material und die Geometrie der verwendeten Stromschienen festgelegt werden.
Der mindestens eine Leistungshalbleiter ist insbesondere ein Leistungsschalter, insbesondere ein Leistungstransistor, wie beispielsweise ein MOSFET oder IGBT. Alternativ kann der mindestens eine Leistungshalbleiter auch als Leistungsdiode, beispielsweise als Power LED, ausgeführt sein. Sind mehrere Leistungshalbleiter vorhanden, können die unterschiedlichen Leistungshalbleiter verschieden ausgeführt sein.
Bevorzugt weist die Leiterplatte eine Mehrzahl von leitenden Innenlagen auf. Zwischen verschiedenen Innenlagen und/oder zwischen der Außenlage und einer hierzu benachbarten Innenlage können Isolierschichten, insbesondere Isolierschichten aus einem FR-4-Verbundwerkstoff mit oder ohne Glasfasergewebe angeordnet sein. Eine der leitenden Außenlage abgewandte Seite der Leiterplatte kann eine zweite leitende Außenlage aufweisen. Gegebenenfalls können auch an der zweiten leitenden Außenlage Stromschienen und/oder Leistungshalbleiter angeordnet sein. Bevorzugt jedoch sind alle Hochstromschienen und alle Leistungshalbleiter an derselben leitenden Außenlage angeordnet.
Die mindestens eine Stromschiene und der mindestens eine Leistungshalbleiter sind auf der Außenseite der Außenlage angeordnet. Bevorzugt sind alle Leistungshalbleiter und Stromschienen, besonders bevorzugt der gesamte Leistungsbereich auf der Außenseite der leitenden Außenlage angeordnet. Die auf der Außenseite angeordneten Leistungskomponenten weisen eine freiliegende Oberfläche auf. Die freiliegende Oberfläche bildet eine Kühlfläche, insbesondere eine freiliegende Kühlfläche, worüber eine effektive Wärmeabfuhr aus dem Leistungsbereich gewährleistet ist. Vorteilhafterweise ist der Leistungsbereich, wie beispielsweise bei herkömmlichen Dickkupferlagen, nicht in einer Innenlage der Leiterplatte, insbesondere nicht zwischen Isolierschichten mit geringer thermischer Leitfähigkeit eingebettet. Hierdurch sind teure und umständliche Lösungen zur Wärmespreizung und/oder Wärmeabfuhr, beispielsweise über Thermalvias, Kupferinlays oder Insulated Metal Substrates, nicht nötig. Die effektive Wärmeabfuhr erhöht die Lebensdauer der Leiterplatte und erlaubt eine erhöhte Komponentendichte.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die mindestens eine Stromschiene und/oder der mindestens eine Leistungshalbleiter thermisch an ein Kühlelement angebunden. Bevorzugt ist der gesamte Leistungsbereich thermisch an das Kühlelement angebunden. Die thermische Anbindung kann insbesondere durch direkten Kontakt mit dem Kühlelement hergestellt werden. Beispielsweise kann das Kühlelement auf einer der leitenden Außenlage abgewandten Seite der mindestens einen Stromschiene und/oder des mindestens einen Leistungshalbleiter angeordnet sein. Alternativ kann das Kühlelement auch in der Ebene der leitenden Außenlage benachbart zu dem Leistungsbereich angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform können die mindestens eine Stromschiene und/oder der mindestens eine Leistungshalbleiter in das Kühlelement integriert sein, wodurch eine besonders effektive und direkte thermische Anbindung an das Kühlelement gewährleistet ist. Das Kühlelement kann passiv, beispielsweise als Kühlpaste, Kühlmedium oder Kühlrippen, ausgeführt sein.
Das Kühlelement ermöglicht einen Betrieb der Leiterplatte in einer anspruchsvollen Temperaturumgebung, insbesondere in einer Temperaturumgebung von über 150 °C. Das Kühlelement kann zudem zur Kühlung des Steuer- und Regelbereichs dienen. Besonders bevorzugt wird der Leistungsbereich direkt und der Steuer- und Regelbereich indirekt gekühlt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Kühlelement zur aktiven Kühlung der mindestens einen Stromschiene und/oder des mindestens einen Leistungshalbleiters geeignet. Insbesondere ist das Kühlelement zur aktiven Kühlung des gesamten Leistungsbereichs geeignet. Bevorzugt erfolgt über die aktive Kühlung auch eine Kühlung, insbesondere eine indirekte Kühlung des Steuer- und Regelbereichs. Die aktive Kühlung kann an den jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere an die Leistungsklasse der Leiterplatte angepasst sein. Zudem kann die aktive Kühlung an den jeweiligen Betriebszustand der Leiterplatte anpassbar sein. Die aktive Kühlung kann insbesondere über Wasser- und Luftkühlung, beispielsweise über einen Ventilator, erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist in einem Bereich der der mindestens einen Innenlage abgewandten Seite der Außenlage, in welchem weder die mindestens eine Stromschiene noch der mindestens eine Leistungshalbleiter angeordnet sind, mindestens eine Steuerungselektronik-Komponente angeordnet. Die mindestens eine Steuerungselektronik-Komponente ist daher außerhalb des Leistungsbereichs an der leitenden Außenlage angeordnet und kann Teil des Steuer- und Regelbereichs sein. Dies ermöglicht eine hohe Integration von verschiedenen funktionalen Bereichen auf der Leiterplatte. Der Steuer- und Regelbereich ist nicht auf die mindestens eine Innenlage der Leiterplatte beschränkt. Die mindestens eine Steuerungselektronik-Komponente kann ein surface-mounted decive (SMD) sein. Insbesondere kann die mindestens eine Steuerungselektronik-Komponente Feinätzstrukturen aufweisen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die mindestens eine Innenlage der Leiterplatte eine Dünnschichtlage. Dünnschichtlagen weisen eine geringe Schichtdicke, insbesondere eine Schichtdicke kleiner als 105 µm auf. Im Falle mehrerer Innenlagen können einzelne Innenlagen je nach Bedarf auch als Dickkupferlagen mit einer Schichtdicke bis zu 210 µm oder mehr ausgestaltet sein. Bevorzugt jedoch sind alle Innenlagen der Leiterplatte Dünnschichtlagen. Im Gegensatz zu Leiterplatten mit Dickkupferlagen können Leiterplatten mit ausschließlich Dünnschichtlagen in Standardtechnologie und günstig gefertigt werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht die mindestens eine Stromschiene aus Kupfer oder Aluminium. Diese Materialien haben sich als besonders geeignet erwiesen. Aufgrund der großen Leitfähigkeit von Kupfer und Aluminium können kleine Schienengeometrien, insbesondere kleine Schienendurchmesser gewählt werden, wodurch die Integrationsdichte erhöht werden kann. Besonders bevorzugt besteht die mindestens eine Stromschiene aus Kupfer. Kupfer ist günstig, wodurch die Produktionskosten für die Leiterplatte gering gehalten werden können.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die mindestens eine Stromschiene mindestens einen Kontaktabschnitt auf. In dem mindestens einen Kontaktabschnitt ist die Stromschiene leitend mit der Außenlage verbunden. Über den Kontaktabschnitt ist ein direktes Ein- und Ausleiten von Hochstrom in die Außenlage möglich. Bevorzugt weist die mindestens eine Stromschiene mehrere Kontaktabschnitte auf. Der mindestens eine Kontaktabschnitt kann beispielsweise mithilfe der Durchstecktechnologie (THT) oder einer Schraubverbindung mit der Außenlage verbunden sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der mindestens eine Kontaktabschnitt mit der Außenlage verlötet. Hierzu bietet sich insbesondere das Wellenlöten, lunkerfreies oder lunkerarmes Löten an. Bevorzugt wird die Lötverbindung über Reflow-Löten erzeugt. Dies gewährleistet eine hohe Wirtschaftlichkeit, da die mindestens eine Stromschiene gleichzeitig mit anderen Komponenten, insbesondere Steuerungselektronik-Komponenten auf der Außenlage aufgebracht werden kann.
Bereiche der Außenlage, welche nicht mit einem Kontaktabschnitt einer Stromschiene oder weiteren Komponenten verlötet sind, können ganz oder teilweise mit einer Lötstopplackschicht überzogen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der mindestens eine Kontaktabschnitt mittels eines Einpresselements mit der Außenlage verbunden. Über Einpresselemente kann ein besonders hoher Gesamtstrom in die weiteren Lagen der Leiterplatte, insbesondere die Außenlage, eingeleitet beziehungsweise aus diesen ausgeleitet werden.
Verschiedene der obig genannten Verbindungstechnologien können auch kombiniert werden. So kann der mindestens eine Kontaktabschnitt mittels eines Einpresselements mit der Außenlage verbunden und gleichzeitig mit dieser verlötet sein. Verschiedene Kontaktabschnitte können über unterschiedliche Verbindungstechnologien mit der Außenlage verbunden sein. Die Art der Verbindung ist bevorzugt an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst, beispielsweise an den ein- beziehungsweise auszuleitenden Gesamtstrom.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die leitende Außenlage im Bereich der mindestens einen Stromschiene und/oder des mindestens einen Leistungshalbleiters mit einer der mindestens einen Innenlage, welche direkt benachbart zu der Außenlage angeordnet ist, über Vias, insbesondere Laservias, verbunden. Eine Innenlage ist direkt zu der Außenlage benachbart, wenn sich zwischen dieser Innenlage und der Außenlage keine weitere leitende Innenlage, sondern allenfalls eine Isolierschicht befindet. Diese direkt zu der Außenlage benachbarte Innenlage wird im Folgenden auch als erste Innenlage bezeichnet. Die Vias verbinden die Außenlage mit der ersten Innenlage insbesondere im Bereich des mindestens einen Kontaktabschnitts der mindestens einen Stromschiene. Über die Vias ist eine direkte thermische und galvanische Anbindung der Außenlage an die erste Innenlage gewährleistet. Somit ist eine kompakte thermische Kapazität geschaffen, worüber insbesondere hohe und schnelle Temperaturrippel gut absorbiert werden können. Insbesondere ist eine thermische Sperrschicht zwischen der ersten Innenlage und der Außenlage vermieden. Zudem kann eine leitende Verbindung zwischen der mindestens einen Stromschiene und/oder dem mindestens einen Leistungshalbleiter über die Außenlage und die erste Innenlage geschaffen sein. Besonders bevorzugt weisen die Vias eine hohe Platzierungsdichte auf, wodurch die thermische und galvanische Anbindung optimiert ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die mindestens eine Stromschiene mindestens einen Nichtkontaktabschnitt auf, in welchem die Stromschiene jeweils von der Außenlage beabstandet ist. Insbesondere ist die Stromschiene in dem mindestens einen Nichtkontaktabschnitt in Richtung einer Flächennormalen der Außenlage von dieser beabstandet. Vorzugsweise sind mehrere Nichtkontaktabschnitte je Stromschiene vorgesehen. Besonders bevorzugt weist die mindestens eine Stromschiene alternierende Kontaktabschnitte und Nichtkontaktabschnitte auf. In einem zwischen dem mindestens einen Nichtkontaktabschnitt der mindestens einen Stromschiene und der Außenlage gebildeten Zwischenraum können zusätzliche Komponenten und deren Stromführungen montiert werden. Dies gewährleistet eine besonders hohe Integrationsdichte von Komponenten auf der Leiterplatte.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zwischen dem mindestens einen Nichtkontaktabschnitt der mindestens einen Stromschiene und der Außenlage eine EMV-Komponente angeordnet. Hierdurch ist die elektromagnetische Verträglichkeit der Leiterplatte mit weiteren Geräten erhöht. Zudem ist auch die elektromagnetische Verträglichkeit verschiedener Komponenten der Leiterplatte untereinander, insbesondere zwischen der mindestens einen Stromschiene und weiteren Steuerungselektronik-Komponenten gewährleistet. Als geeignete EMV-Komponenten können beispielsweise Kondensatoren oder Drosseln verwendet werden. Bevorzugt ist zwischen jedem Nichtkontaktabschnitt und der leitenden Außenlage eine EMV-Komponente eingebracht. Hierdurch können die EMV-Komponenten direkt dort wirken, wo große Ströme geschalten werden. Dies gewährleistet eine gute Abschirmung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Leiterplatte eine Mehrzahl von Stromschienen und eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern auf. Durch die Anordnung einer Mehrzahl von Stromschienen und Leistungshalbleitern auf der Außenlage können komplexe Topologien gebildet werden. Die Leiterplatte und insbesondere deren Leistungsklasse kann durch die Anordnung der Stromschienen und der Leistungshalbleiter variiert und an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Dies gewährleistet eine günstige und flexible Fertigung der Leiterplatte.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind mindestens zwei der Stromschienen durch eine Mehrzahl von parallel geschalteten Leistungshalbleitern verbunden. Bei den Leistungshalbleitern handelt es sich insbesondere um Leistungsschalter. Eine derartige Verbindung der Stromschienen ermöglicht die Zerlegung eines großen Gesamtstroms in mehrere Teilströme. Durch das Ein- beziehungsweise Abschalten von Teilströmen kann die Stromstärke des Gesamtstroms eingestellt werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes, insbesondere günstigeres und flexibleres Verfahren zur Fertigung einer Leiterplatte anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 15 angegebenen Schritten. Zunächst wird ein Mehrschichtsystem mit einer leitenden Außenlage und mindestens einer leitenden Innenlage bereitgestellt. Die Außenlage sowie die mindestens eine Innenlage können die obig bereits beschriebenen Eigenschaften aufweisen. Das Mehrschichtsystem kann insbesondere in Standardtechnologie gefertigt sein. Das Mehrschichtsystem ist günstig. Zur Fertigung der Leiterplatte werden auf eine der mindestens einen Innenlage abgewandten Seite der Außenlage mindestens eine Stromschiene und mindestens ein Leistungshalbleiter angeordnet. Durch die Auswahl der Eigenschaften der mindestens einen Stromschiene und des mindestens einen Leistungshalbleiters kann die Leiterplatte und insbesondere deren Leistungsklasse an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Insbesondere können verschiedene Topologien aus Stromschienen und Leistungshalbleitern geschaffen werden. Die Produktion ist somit flexibel auf die Fertigung unterschiedlicher Leiterplatten anpassbar.
Die mindestens eine Stromschiene kann wie oben beschrieben mindestens einen Kontaktabschnitt und mindestens einen Nichtkontaktabschnitt aufweisen. In dem mindestens einen Kontaktabschnitt wird die mindestens eine Stromschiene leitend mit der Außenlage verbunden. In dem mindestens einen Nichtkontaktabschnitt ist die mindestens eine Stromschiene von der Außenlage beabstandet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden vor dem Anordnen der mindestens einen Stromschiene und des mindestens einen Leistungshalbleiters Vias, insbesondere Laservias in einem zur Anordnung des mindestens einen Leistungshalbleiters und/oder der mindestens einen Stromschiene vorgesehenen Bereich der Außenlage eingebracht. Durch die Vias wird die Außenlage mit einer der mindestens einen Innenlagen, welche der Außenlage direkt benachbart ist, galvanisch und thermisch verbunden. Die Vias werden insbesondere in einem Bereich der Außenlage eingebracht, in welchem mindestens ein Kotaktabschnitt der mindestens einen Stromschiene leitend mit der Außenlage verbunden wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der mindestens eine Kontaktabschnitt der Stromschiene und/oder der Leistungshalbleiter mit der Außenlage verlötet, insbesondere über ein Reflow-Lötverfahren verlötet. Dies hat den Vorteil, dass die mindestens eine Stromschiene und/oder der mindestens eine Leistungshalbleiter zeitgleich mit weiteren SMD-Komponenten auf die Oberfläche aufgebracht werden kann. Das Verfahren ist wirtschaftlich.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der mindestens eine Kontaktabschnitt der mindestens einen Stromschiene mit der Außenlage über ein Einpresselement verbunden.
Zudem können in einem weiteren Verfahrensschritt EMV-Komponenten in einen zwischen dem mindestens einen Nichtkontaktabschnitt der mindestens einen Stromschiene und der Leiterplatte gebildeten Zwischenraum eingebracht werden. Zudem können auch Kühlelemente benachbart zu der mindestens einen Stromschiene und/oder dem mindestens einen Leistungshalbleiter angeordnet werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden anhand der Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leiterplatte,
2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts entlang der Schnittkante II-II durch eine Stromschiene und eine Außenlage der Leiterplatte gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteren Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte,
4 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte, und
5 einen schematischen Verfahrensablauf zur Fertigung einer Leiterplatte.

In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 1 schematisch dargestellt. In 1 ist ein Querschnitt durch die Leiterplatte 1 gezeigt. Die Leiterplatte 1 ist eine Hochstromleiterplatte. Die Leiterplatte 1 umfasst eine leitende Außenanlage 2 und eine an einer der Außenlage 2 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 1 angeordnete zweite leitende Außenlage 3. Zwischen der Außenlage 2 und der zweiten Außenlage 3 ist eine Mehrzahl von leitenden Innenlagen 4 angeordnet. Die Leiterplatte 1 weist vier leitende Innenlagen 4 auf. Die Innenlagen 4 sind als Dünnschichtlagen mit einer Schichtdicke von kleiner 105 µm ausgeführt.
Zwischen den Außenlagen 2, 3 und den Innenlagen 4 sind Isolierschichten 5 angeordnet. Die Isolierschichten 5 sind aus einem FR-4-Verbundwerkstoff gefertigt. Die Außenlagen 2, 3, die Innenlagen 4 und die Isolierschichten 5 bilden ein Mehrschichtsystem 6. Das Mehrschichtsystem 6 kann in Standardtechnologie gefertigt werden und ist daher günstig herstellbar. Das Mehrschichtsystem 6 dient als Grundkomponente der Leiterplatte 1.
Auf der den Innenlagen 4 abgewandten Seite der Außenlage 2 der Leiterplatte 1 sind Stromschienen 7, 8 angeordnet. Die Stromschienen 7, 8 sind aus Kupfer gefertigt. Sie weisen einen Querschnitt auf, der das Führen von Hochstrom in den Stromschienen 7, 8 ermöglicht. In den Stromschienen 7, 8 kann ein Hochstrom von über 200 Ampere geführt werden.
Der in 1 gezeigte Querschnitt geht jeweils durch einen Kontaktabschnitt 9 der Stromschienen 7, 8. In den Kontaktabschnitten 9 sind die Stromschienen 7, 8 leitend mit der Außenlage 2 verbunden. Hierzu ist der Kontaktabschnitt 9 der Stromschiene 8 mit der Außenlage 2 verlötet. Der Kontaktabschnitt 9 der Stromschiene 7 hingegen ist mithilfe eines Einpresselements 10 mit dem Mehrschichtsystem 6 verbunden. Durch die Stifte 11 des Einpresselements 10 wird eine leitende Verbindung zwischen der Stromschiene 7 und der Außenlage 2 sowie weiterer Innenlagen 4 hergestellt. In den Kontaktabschnitten 9 kann somit ein Teilstrom des in den Stromschienen 7 und 8 für den Hochstrom in das Mehrschichtsystem 6, insbesondere die Außenlage 2 eingeleitet beziehungsweise hieraus ausgeleitet werden.
Zwischen der Stromschiene 7 und der Stromschiene 8 ist ein Leistungshalbleiter 12 angeordnet. Der Leistungshalbleiter 12 ist mit der Außenlage 2 verlötet und somit leitend mit dieser verbunden. Der Leistungshalbleiter 12 ist ein MOSFET.
Im Bereich des Leistungshalbleiters 12 und des Kontaktabschnittes 9 der Stromschiene 8 ist die Außenlage 2 über Laservias 13 mit einer ersten Innenlage 14 verbunden. Die erste Innenlage 14 ist diejenige der Innenlagen 4, welche direkt benachbart zu der Außenlage 2, das heißt nur durch eine einzige Isolierschicht 5 von dieser getrennt ist. Die Laservias 13 weisen eine hohe Platzierungsdichte auf. Hierdurch ist die Außenlage 2 galvanisch und thermisch gut an die erste Innenlage 14 angebunden. Die erste Innenlage 14 und die Außenlage 2 bilden eine kompakte thermische Kapazität. Der Leistungshalbleiter 12 ist über die Außenlage 2 und die erste Innenlage 14 leitend mit den Stromschienen 7, 8 verbunden und kann den darin geführten Hochstrom steuern und/oder schalten.
In einem Bereich der Außenlage 2, welcher nicht durch die Stromschienen 7, 8 oder den Leistungshalbleiter 12 belegt ist, ist eine Steuerungselektronik-Komponente 15 angeordnet. Die Steuerungselektronik-Komponente 15 ist als SMD mit Feinätzstrukturen ausgeführt.
In der Leiterplatte 1 sind daher unterschiedliche funktionale Bereiche integriert. Die Stromschienen 7, 8 und der Leistungshalbleiter 12 definieren einen Leistungsbereich 16. Zu dem Leistungsbereich 16 gehören auch Bereiche der Außenlage 2 und der ersten Innenlage 14, welche galvanisch an die Stromschienen 7, 8 und den Leistungshalbleiter 12 angeschlossen sind. Der Leistungsbereich 16 ist daher im Wesentlichen auf einer Außenseite der Außenlage 2 angeordnet. Komponenten und Bereiche der Leiterplatte 1, welche nicht dem Leistungsbereich 16 zugeordnet sind, bilden einen Steuer- und Regelbereich 17. Der Steuer- und Regelbereich 17 dient insbesondere zur Ansteuerung des Leistungshalbleiters 12. Die Steuerungselektronik-Komponente 15 ist Teil des Steuer- und Regelbereichs 17. Durch die kompakte Ausführung des Leistungsbereichs 16 in einem Bereich der Außenlage 2 ist eine hohe Integration von Komponenten, wie der Steuerungselektronik-Komponente 15 und dem Leistungshalbleiter 12, auf der Leiterplatte 1 gewährleistet.
Der Leistungsbereich 16 weist eine freiliegende Oberfläche auf. Die freiliegende Oberfläche dient als Kühlfläche, über welche eine effektive Wärmeabfuhr aus dem Leistungsbereich 16 gewährleistet ist.
Die Stromschiene 8, der Leistungshalbleiter 12 und die Steuerungselektronik-Komponente 15 sind mit der Außenlage 2 über einen Reflow-Prozess verlötet. Dies hat den Vorteil, dass alle diese Komponenten in einem einzigen Prozessschritt aufgebracht werden können. Dies ermöglicht eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung der Leiterplatte 1. Bereiche der Außenlagen 2, 3, auf denen keine Komponenten aufgelötet sind, sind mit einer Lötstopplackschicht beschichtet.
In 2 ist ein Längsschnitt durch die Leiterplatte 1 entlang der in 1 gezeigten Schnittkante II-II gezeigt. Da der Längsschnitt dem Verlauf der Stromschiene 8 folgt, ist in 2 lediglich ein Teil des Leistungsbereichs 16 der Leiterplatte 1 gezeigt. Der Einfachheit halber sind nur die Stromschiene 8, die darunter befindliche Außenlage 2 sowie eine Isolierschicht 5, nicht jedoch weitere Lagen des Mehrschichtsystems 6 gezeigt.
Die Stromschiene 8 weist vier Kontaktabschnitte 9 auf, in denen die Stromschiene 8 jeweils mit der Außenlage 2 verlötet und damit leitend verbunden ist. Die Kontaktabschnitte 9 sind jeweils zu einander beabstandet. Zwischen zwei Kontaktabschnitten 9 ist jeweils ein Nichtkontaktabschnitt 18 angeordnet. Die Kontaktabschnitte 9 und die Nichtkontaktabschnitte 18 sind alternierend angeordnet. In den Nichtkontaktabschnitten 18 ist die Stromschiene 8 in Richtung einer Flächennormalen 19 der Außenlage 2 von dieser beabstandet. Zwischen den Nichtkontaktabschnitten 18 und der Außenlage 2 sind somit Zwischenräume 20 gebildet. In jedem Zwischenraum 20 ist eine EMV-Komponente 21 angeordnet. Die EMV-Komponenten 21 sind als Kondensatoren ausgeführt. Die Anordnung der EMV-Komponenten 21 in den Zwischenräumen 20 ist besonders platzsparend und erlaubt eine hohe Integration von Komponenten auf der Leiterplatte 1. Zudem ermöglichen die EMV-Komponenten 21 eine effektive Abschirmung von elektromagnetischen Feldern, welche durch die Schaltung des Hochstroms in der Stromschiene 8 erzeugt werden. Die Leiterplatte 1 weist eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf.
Die Stromschiene 7 weist eine äquivalente alternierende Anordnung von Kontaktabschnitten 9 und Nichtkontaktabschnitten 18 auf. Auch zwischen den Nichtkontaktabschnitten 18 der Stromschiene 7 und der Außenlage 2 sind EMV-Komponenten angeordnet. Somit ist auch die Stromschiene 7 von weiteren Lagen der Leitplatte elektromagnetisch effektiv abgeschirmt.
In 3 ist schematisch ein Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 1a gezeigt. Komponenten, die im Zusammenhang mit der Leiterplatte 1 gemäß 1 und 2 bereits beschrieben worden sind, tragen die gleichen Bezugszeichen. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a.
Die Leiterplatte 1a unterscheidet sich von der Leiterplatte 1 zunächst durch die Ausführung der Stromschiene 7a. Die Kontaktabschnitte 9 der Stromschiene 7a sind mit der Außenlage 2 verlötet. Die Laservias 13a sind auch im Bereich der Kontaktabschnitte 9 der Stromschiene 7a zwischen der Außenlage 2 und der ersten Innenlage 14 eingebracht.
Zudem ist ein lediglich schematisch dargestelltes Kühlelement 22 benachbart zu dem Leistungsbereich 16a angeordnet. Das Kühlelement 22 ist somit thermisch an den gesamten Leistungsbereich 16a angebunden. Das Kühlelement 22 erlaubt somit eine direkte Kühlung des Leistungsbereichs 16a. zudem ist eine indirekte Kühlung des Steuer- und Regelbereichs 17a durch das Kühlelement 22 gewährleistet.
Das Kühlelement 22 ist als Ventilator ausgeführt und kühlt den Leistungsbereich 16a aktiv. Aufgrund des Kühlelements 22 kann die Leiterplatte 1a in einer anspruchsvollen Temperaturumgebung betrieben werden.
Zusätzlich zu der Steuerungselektronik-Komponente 15 sind an der zweiten Außenlage 3 SMDs 23 angeordnet. Somit weist die Leiterplatte 1a gegenüber der Leiterplatte 1 eine nochmals erhöhte Integrationsdichte elektronischer Komponenten auf. Die SMDs 23 sind Teil des Steuer- und Regelbereichs 17a.
In 4 ist eine schematische Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte 1b gezeigt. Komponenten, die im Zusammenhang mit der Leiterplatte 1 gemäß 1 und 2 bereits beschrieben worden sind, tragen die gleichen Bezugszeichen. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten die selben Bezugszeichen mit einem nachgestellten b.
Die Leiterplatte 1b umfasst drei auf der Außenlage 2 angeordnete Stromschienen 24, 25, 26. Die Stromschienen 24, 25, 26 weisen jeweils ein Einpresselement 10 auf, über welches in den Stromschienen führbarer Hochstrom ein- beziehungsweise ausgeleitet werden kann. Die Stromschiene 24 ist mit der Stromschiene 25 über drei parallel geschaltete Leistungshalbleiter 12b verbunden. Ebenso ist die Stromschiene 25 mit der Stromschiene 26 über drei parallel geschaltete Leistungshalbleiter 12b verbunden. Die Leistungshalbleiter 12b sind Leistungsschalter zum Schalten des Hochstromes. Durch die Anordnung der Stromschienen 24, 25, 26 und der diese verbindenden Leistungshalbleiter 12b ist eine Topologie auf der Außenlage 2 gebildet.
Die Stromschiene 24 liegt auf einem DC+ Potential, während die Stromschiene 26 auf einem DC- Potential liegt. Durch die Leistungshalbleiter 12b kann jeweils ein Teilstrom 27, welcher in der 4 als Pfeil dargestellt ist, zwischen den Stromschienen 24 und 25 beziehungsweise 25 und 26 geschalten werden. Je nachdem wie die Leistungshalbleiter 12b geschalten sind, summieren sich die Teilströme 12 zu einem Gesamtstrom 28 in den Stromschienen 24, 26. Durch die jeweilige Schaltung der Leistungshalbleiter 12b wird auch der in der Stromschiene 25 fließende Hochstrom gesteuert. Durch das Schalten der Leistungshalbleiter 12b kann in der Stromschiene 25 ein Hochstrom mit AC-Charakteristik erzeugt werden.
Die hier gezeigte Topologie ist nicht einschränkend zu verstehen. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können beliebige Topologien durch geeignete Kombinationen von Stromschienen und Leistungshalbleitern erzeugt werden.
In weitern, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind mindestens einige der Kontaktabschnitte der Stromschienen mithilfe der Durchstecktechnologie oder über eine Schraubverbindung mit der Außenlage leitend verbunden. In wiederum anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Kontaktabschnitte durch Wellenlöten, lunkerfreies oder lunkerarmes Löten mit der Außenlage verbunden. In weiteren Ausführungsbeispielen ist ein aktives Kühlelement zur Wasserkühlung benachbart zu dem Leistungsbereich angeordnet. In wiederum anderen Ausführungsbeispielen ist ein passives Kühlelement in Form von Kühlrippen vorgesehen.
In 5 ist ein schematischer Verfahrensablauf zur Fertigung einer Leiterplatte gezeigt. Mit dem in 5 dargestellte Verfahren können die Leiterplatten der obig beschriebenen Ausführungsbeispiele hergestellt werden.
Zunächst wird in einem Bereitstellungsschritt 29 ein Mehrschichtsystem bereitgestellt. Das Mehrschichtsystem umfasst eine leitende Außenlage sowie mindestens eine leitende Innenlage. Die mindestens eine leitende Innenlage des Mehrschichtsystems ist eine Dünnschichtlage. Das Mehrschichtsystem ist in Standardtechnologie gefertigt.
Hierauf hin werden in einem Einbringungsschritt 30 Laservias mit hoher Platzierungsdichte zwischen der Außenlage und einer der mindestens einen Innenlagen, welche der Außenlage direkt benachbart ist, eingebracht. Die Laservias werden in einem Bereich eingebracht, in welchem später Leistungshalbleiter und Kontaktabschnitte von Stromschienen auf die Außenlage aufgebracht werden. Die Laservias verbinden die Außenlage mit der hierzu benachbarten Innenlage galvanisch und thermisch.
Hierauf hin werden in einem Anordnungsschritt 31 mindestens eine Stromschiene und mindestens ein Leistungshalbleiter auf einer der mindestens einen Innenlage abgewandten Seite der Außenlage angeordnet. Die mindestens eine Stromschiene wird in mindestens einem Kontaktbereich hierbei leitend mit der Außenlage verbunden. Der mindestens eine Kontaktbereich der mindestens einen Stromschiene wird hierbei in dem Bereich der Außenlage leitend verbunden, in welchem die Laservias im Einbringungsschritt 30 eingebracht wurden. In dem Anordnungsschritt 31 wird weiterhin der mindestens eine Leistungshalbleiter leitend mit der Außenlage verbunden.
Die Verbindung des mindestens einen Kontaktabschnitts der mindestens einen Stromschiene und des mindestens einen Leistungshalbleiters erfolgt über Löten, insbesondere über das Reflow-Lötverfahren. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Verbindung des mindestens einen Kontaktabschnitts der mindestens einen Stromschiene mit Hilfe eines Einpresselements, einer Schraubverbindung und/oder der Durchstecktechnologie.
Hierauf hin werden in einem Ergänzungsschritt 32 weitere Komponenten auf die Leiterplatte aufgebracht. Zu den weiteren Komponenten können unter anderem EMV-Komponenten zählen, welche in mindestens einem Nichtkontaktbereich der mindestens einen Stromschiene zwischen die Stromschiene und die Außenlage eingebracht werden. Des Weiteren können in dem Ergänzungsschritt 32 Steuerungselektronik-Komponenten auf die Außenlage aufgebracht werden. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden die Steuerungselektronik-Komponenten zeitgleich mit der mindestens einen Stromschiene und den mindestens einen Leistungshalbleiter über das Reflow-Lötverfahren aufgebracht.
In dem Ergänzungsschritt 32 können auch Kühlelemente aufgebracht werden. Gegebenenfalls werden die Kühlelemente benachbart zu dem mindestens einen Leistungshalbleiter und der mindestens einen Stromschiene angeordnet, sodass der mindestens eine Leistungshalbleiter und/oder die mindestens eine Stromschiene thermisch an das Kühlelement angebunden sind.
Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b: Leiterplatte
2: Außenlage
3: Zweite Außenlage
4: Innenlagen
5: Isolierschicht
6: Mehrschichtsystem
7, 7a: Stromschiene
8: Stromschiene
9: Kontaktabschnitt
10: Einpresselement
11: Stifte des Einpresselements 10
12, 12b: Leistungshalbleiter
13, 13a: Laservias
14: Erste Innenlage
15: Steuerungselektronik-Komponente auf Außenlage 2
16, 16a, 16b: Leistungsbereich
17, 17a: Steuer- und Regelbereich
18: Nichtkontaktabschnitt
19: Flächennormale der Außenlage 2
20: Zwischenraum
21: EMV-Komponente
22: Kühlelement
23: SMDs auf zweiter Außenlage 3
24: Stromschiene (DC+)
25: Stromschiene (AC)
26: Stromschiene (DC-)
27: Teilstrom
28: Gesamtstrom
29: Bereitstellungsschritt
30: Einbringungsschritt
31: Anordnungsschritt
32: Ergänzungsschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3089565 A1 [0002]

Claims

Leiterplatte umfassend - eine leitende Außenlage (2), - mindestens eine leitende Innenlage (4, 14), - mindestens eine Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) zur Führung von Hochstrom und - mindestens einen Leistungshalbleiter (12; 12b) zum Steuern und/oder Schalten des Hochstroms, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) und der mindestens eine Leistungshalbleiter (12; 12b) auf einer der mindestens einen Innenlage (4, 14) abgewandten Seite der Außenlage (2) angeordnet sind.
Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) und/oder der mindestens eine Leistungshalbleiter (12; 12b) thermisch an ein Kühlelement (22) angebunden sind.
Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (22) zur aktiven Kühlung der mindestens einen Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) und/oder des mindestens einen Leistungshalbleiters (12; 12b) geeignet ist.
Leiterplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der der mindestens einen Innenlage (4, 14) abgewandten Seite der Außenlage (2), in welchem weder die mindestens eine Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) noch der mindestens eine Leistungshalbleiter (12; 12b) angeordnet sind, mindestens eine Steuerungselektronik-Komponente (15) angeordnet ist.
Leiterplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Innenlage (4, 14) eine Dünnschichtlage ist.
Leiterplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) aus Kupfer oder Aluminium besteht.
Leiterplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) mindestens einen Kontaktabschnitt (9) aufweist, in welchem die mindestens eine Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) leitend mit der Außenlage (2) verbunden ist.
Leiterplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kontaktabschnitt (9) mit der Außenlage (2) verlötet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kontaktabschnitt (9) mittels eines Einpresselements (10) mit der Außenlage (2) verbunden ist.
Leiterplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (2) im Bereich der mindesten einen Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) und/oder des mindestens einen Leistungshalbleiters (12; 12b) mit einer der mindestens einen Innenlage (4, 14), welche direkt benachbart zu der Außenlage (2) angeordnet ist, über Vias, insbesondere Laservias (13; 13a), verbunden ist.
Leiterplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) mindestens einen Nichtkontaktabschnitt (18) aufweist, in welchem die Stromschiene jeweils von der Außenlage (2) beabstandet ist.
Leiterplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Nichtkontaktabschnitt (18) der mindestens einen Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) und der Außenlage (2) eine EMV-Komponente (21) angeordnet ist.
Leiterplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Stromschienen (24, 25, 26) und eine Mehrzahl von Leistungshalbleitern (12; 12b).
Leiterplatte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Stromschienen (24, 25, 26) durch eine Mehrzahl von parallel geschalteten Leistungshalbleitern (12; 12b) verbunden sind.
Verfahren zur Fertigung einer Leiterplatte, mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Mehrschichtsystems (6), umfassend eine leitende Außenlage (2) und mindestens eine leitende Innenlage (4, 14), und - Anordnen mindestens einer Stromschiene (7, 8; 7a; 24, 25, 26) und mindestens eines Leistungshalbleiters (12; 12b) auf einer der mindestens einen Innenlage (4, 14) abgewandten Seite der Außenlage (2).