DE102018104972A1 - Leiterplattenelement mit integriertem elektronischen Schaltelement, Stromrichter und Verfahren zum Herstellen eines Leiterplattenelements - Google Patents

Leiterplattenelement mit integriertem elektronischen Schaltelement, Stromrichter und Verfahren zum Herstellen eines Leiterplattenelements Download PDF

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Abstract

Leiterplattenelement (LP) mit mindestens einem in dem Leiterplattenelement (LP) integrierten elektronischen Schaltelement (12.1, 12.2, 12.3), welches zwei in eine Schichtabfolge des Leiterplattenelements (LP) eingebrachte Halbleiterschalter (14, 16) und mindestens zwei zum Ankontaktieren der Halbleiterschalter (14, 16) ausgebildete Stromschienen (20, 22, 24) umfasst, wobei die Stromschienen (20, 22, 24) in der Schichtabfolge des Leiterplattenelements (LP) im wesentlichen übereinanderliegend verlaufen und mindestens ein zwischen den beiden Stromschienen (20, 22) angeordneter Zwischenkreiskondensator (C; C1, C2, C3, C4) in die Schichtabfolge des Leiterplattenelements (LP) eingebracht ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Schalter und insbesondere der schnellen Schalter mit einem aktiven Halbleiter-Schaltelement als in ein Leiterplattenelement integriertes elektronisches Schaltelement. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Stromrichter sowie Verfahren zum Herstellen des Leiterplattenelements.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Stromrichter zum Betreiben einer elektrischen Maschine eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zum Umwandeln des zur Verfügung gestellten Gleichstroms in Phasenströme zum Betrieb der elektrischen Maschine sind bekannt. Darüber hinaus ist es bekannt, Stromrichter aus Leistungsmodulen mit mindestens zwei Halbleiter-Leistungsschaltern aufzubauen (vgl. bspw. DE 100 37 379 B4 und DE 10 2007 046 969 B3 ). Ein schichtweiser Aufbau eines Leistungsmoduls für einen Stromrichter ist aus der DE 10 2013 207 507 B3 bekannt. Als Zwischenkreiskondensatoren werden in derartigen, in Leiterplatten ausgebildeten Stromrichtern typischerweise Keramikkondensatoren, wie bspw. Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor) verwendet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ausgehend hiervon werden erfindungsgemäß ein Leiterplattenelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Stromrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Leiterplattenelements mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vorgeschlagen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, bei der Ausbildung eines integrierten elektronischen Schaltelements in einem Leiterplattenelement, wie bspw. einer Halbbrücke, eingesetzte Zwischenkreiskondensatoren bspw. im wesentlichen senkrecht oder im wesentlichen liegend in die Schichtabfolge des Leiterplattenelements einzubringen. Derartige Zwischenkreiskondensatoren sind - wie bereits eingangs erwähnt - typischerweise Keramikkondensatoren mit einem Keramik-Kondensatorkörper und gegenüberliegend an dem Keramik-Kondensatorkörper angeordneten Anschlussflächen. Üblicherweise werden diese Kondensatoren als Bestückungs-Bauelemente liegend auf einer Oberfläche der Leiterplatte aufgebracht und verlötet.
  • Erfindungsgemäß werden die Kondensatoren nun in das Leiterplattenelement integriert. Dies kann bspw. senkrecht „stehend“ erfolgen. Senkrecht im Zusammenhang mit der Orientierung der Kondensatoren bedeutet vorliegend, dass eine sich von der einen Anschlussfläche zu der gegenüberliegenden Anschlussfläche erstreckende Kondensatorachse im wesentlichen senkrecht zu einer Flächenerstreckung des Leiterplattenelements liegt. In einer liegenden Anordnung wiederum würde die beschriebene Kondensatorachse im wesentlichen parallel zu der Flächenerstreckung des Leiterplattenelements verlaufen.
  • Unter einem Leiterplattenelement ist im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung grundsätzlich jede Art von leiterplattenartigem Schichtaufbau zu verstehen, der entweder eigenständig als Leiterplatte, als Modul zur Verschaltung bspw. auf einem Kühlelement oder als zur Einbettung in eine größere Leiterplatte vorgesehenes Zwischenprodukt (Halbzeug) Verwendung finden kann.
  • Die Erfindung stellt somit ein Leiterplattenelement mit mindestens einem in dem Leiterplattenelement integrierten elektronischen Schaltelement bereit. Das integrierte elektronische Schaltelement umfasst zwei in eine Schichtabfolge des Leiterplattenelements eingebrachte Halbleiterschalter. Zum Ankontaktieren der Halbleiterschalter sind zwei Stromschienen vorgesehen, die in der Schichtabfolge des Leiterplattenelements im wesentlichen übereinanderliegend verlaufen. Zwischen den beiden Stromschienen sind in die Schichtabfolge des Leiterplattenelements eingebrachte Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen. Die Zwischenkreiskondensatoren können wie beschrieben im wesentlichen senkrecht oder auch im wesentlichen liegend eingebracht sein.
  • Die Erfindung ermöglicht aufgrund der im wesentlichen übereinanderliegenden Anordnung der Stromschienen eine Reduzierung der Induktivitäten und durch die senkrechte oder auch liegende Einbringung der Kondensatoren und das daraus folgende Übereinanderliegen der Plus-/Minus-Anschlussflächen eine weitergehende Minimierung der von parasitären Induktivitäten hervorgerufenen Spannungsspitzen. Zudem geht eine Reduzierung des Flächenbedarfs pro Bauteil/Kondensator bei gleichzeitiger Erhöhung der Kontaktierungsfläche mit der Erfindung einher. Es wird somit eine im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen niederinduktive Gestaltung eines elektronischen Schaltelements erzielt. Die damit einhergehende platzsparende Bauweise begünstigt eine Integration der Schaltelemente in Leiterplatten zur Ausbildung von insbesondere im Kfz-Bereich Anwendung findenden Schaltrichtern für Elektromotoren.
  • Gemäß der Erfindung kann der mindestens eine Zwischenkreiskondensator in der Kernlage des Leiterplattenelements angeordnet sein und mit einer ersten Anschlussfläche in Richtung der Stromschiene oberhalb der Kernlage und mit einer zweiten Anschlussfläche in Richtung der Stromschiene unterhalb der Kernlage weisen (senkrechte oder stehende Anordnung). Alternativ kann der mindestens eine Zwischenkreiskondensator in der Kernlage des Leiterplattenelements angeordnet ist und mit einer ersten Anschlussfläche und mit einer zweiten Anschlussfläche in Richtung der Stromschiene oberhalb oder unterhalb der Kernlage weisen (liegende oder parallele Anordnung).
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt einen schematischen Schaltplan eines mit einem Elektromotor verbundenen modularen Stromrichters.
    • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelements.
    • 3 zeigt in Draufsicht eine stark schematische, halbdurchsichtige Darstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelements.
    • 4 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen elektronischen Schaltelements in stark schematischer, halbdurchsichtiger Draufsicht ähnlich der 3.
    • 5 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Keramik-Zwischenkreiskondensator.
    • 6 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie VI-VI der 3.
    • 7 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie VII-VII der 3.
    • 8 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie VIII-VIII der 3.
    • 9 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie IX-IX der 4.
    • 10 zeigt eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie X-X der 4.
    • 11 zeigt eine alternative Ausgestaltung mit liegenden Kondensatoren in einer der Schnittdarstellung der 8 vergleichbaren Schnittdarstellung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Gleiche oder ähnliche Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine stark schematische Prinzipskizze eines Schaltplans eines erfindungsgemäß aufgebauten und mit einem Elektromotor EM verbundenen modularen Stromrichters 10.
  • Der Elektromotor EM dient bspw. zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs, und der Stromrichter 10 dient zum Bereitstellen elektrischer Energie in Form von Phasenströmen für den Elektromotor EM, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Wicklungen 28 aufweist. Die drei Wicklungen 28 des Elektromotors EM sind jeweils über eine Phasenstromleitung 26 mit dem Stromrichter 10 elektrisch verbunden.
  • Der modular aufgebaute Stromrichter 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine B6-Brückenschaltung ausgebildet und umfasst drei weitgehend identisch ausgebildete, zueinander in einer Parallelschaltung angeordnete Halbbrücken 12 (12.1, 12.2, 12.3) zwischen einer ersten Stromversorgungsleitung bzw. Stromschiene 20 und einer zweiten Stromversorgungsleitung bzw. Stromschiene 22. Die Halbbrücken sind in der Darstellung der 1 durch die senkrechten strichlierten Linien voneinander getrennt. Jede der dargestellten Halbbrücken ist ein erfindungsgemäß aufgebautes elektronisches Schaltelement, wie nachstehend noch detaillierter ausgeführt ist.
  • Jede der drei Halbbrücken 12 umfasst jeweils einen ersten Halbleiterschalter 14 (hier: Highside) und einen zweiten Halbleiterschalter 16 (hier: Lowside), die in der Prinzipskizze der 1 als Rechtecke dargestellt sind. Die beiden Halbleiterschalter 14 und 16 jedes Moduls 12 sind mit einer dritten Stromschiene 24 miteinander verbunden, an der jeweils ein Abgriff (Mittenanschluss) U, V bzw. W für die den Phasenstrom an den Elektromotor übermittelnden Phasenstromleitungen 26 angeschlossen ist.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten Halbleiterschalter 14 an einem positivspannungsseitigen Strompfad und somit zwischen der der ersten (positiven) Stromschiene 20 und einer der Phasenstromleitungen 26 angeordnet, und die zweiten Halbleiterschalter 16 sind an einem negativspannungsseitigen Strompfad und somit zwischen einer der Phasenstromleitungen 26 und der zweiten (negativen) Stromschiene 22 angeordnet.
  • Jeder der Halbleiterschalter 14, 16 weist einen Stromanschluss 25 zum Anlegen eines Steuersignals für einen Gate-Anschluss des Halbleiterschalters 14, 16 auf.
  • Der Stromrichter 10 kann weitere Schaltungskomponenten, wie zum Beispiel einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren, aufweisen, die in der Darstellung der 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt sind.
  • 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Leiterplattenelement LP mit einem elektronischen Schaltelement 12.1 in seitlicher Schnittdarstellung. Das Leiterplattenelement LP ist aus einer Schichtabfolge gebildet, nämlich einer Kernlage bzw. Trägerschicht 30, die als isolierende Schicht ausgebildet sein kann (wie bspw. eine FR4-Schicht), an die sich beiderseitig leitfähige Schichten 31 anschließen können, gefolgt von einer isolierenden Schicht 32 (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind von den leitenden Schichten 31 lediglich daraus gebildete Leiterbahnen exemplarisch dargestellt). Die leitenden Schichten sind zur Vermeidung von Kurzschlüssen im Bereich leitender Elemente, so insb. um die Inlays 14, 16 und ggf. die Kondensatorkontakte, ausgespart. Bei den elektronischen Schalt-elementen kann es sich um gehäuste oder um „nackte“ oder um auf Lead Frames montierte Schalterelemente handeln.
  • Auf den beiden isolierenden Lagen 32 sind wiederum Leiterbahnen zur Ausbildung einer ersten Stromschiene 20 (in der Darstellung der 2 obenliegend) und einer zweiten Stromschiene 22 (in der Darstellung der 2 untenliegend) vorgesehen. Neben einer nichtleitenden Kernschicht 30 sind alternativ der Einsatz einer kupferkaschierten strukturierten Innenlage oder einer vollständig nichtleitenden Innenlage möglich (ggf. ist hier eine Freistellung von Kupfer im Bereich der Kondensatorkontakte notwendig, wie im folgenden noch verständlich wird).
  • In den beschriebenen Schichtaufbau sind ein erster Halbleiterschalter 14 mit erstem Chip 15 und ein zweiter Halbleiterschalter 16 mit zweitem Chip 17 in dazu vorgesehenen (Schalter-)Ausnehmungen der Trägerschicht 30 angeordnet. Die Ausrichtung der beiden Halbleiterschalter ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gleich, so dass die beiden Chips 15, 17 beide in die gleiche Richtung weisen (im dargestellten Ausführungsbeispiel nach oben). Der erste Halbleiterschalter 14 ist mittels Sacklöchern 60 mit der ersten Stromschiene 20 (Source-Anschluss S) und mit Sacklöchern 62 (Drain-Anschluss D) mit einer dritten Stromschiene 24 verbunden. An der dritten Stromschiene 24 ist der Phasenabgriff (Mittenanschluss) U ausgebildet. Der zweite Halbleiterschalter 16 ist entsprechend mittels Sacklöchern 64 (Source-Anschluss S) mit der darüberliegenden dritten Stromschiene 24 und mittels Sacklöchern 66 (Drain-Anschluss D) mit der darunterliegenden zweiten Stromschiene 22 verbunden. Aus Gründen der einfacheren Darstellung ist in der 2 jeweils stellvertretend nur ein Sackloch 60, 62, 64, 66 dargestellt.
  • Die Stromschienen 20, 22, 24 können bspw. als Dickkupferbahnen ausgebildet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel stellt die untere Stromschiene 22 die Pluspol-Anbindung dar, während die obere Stromschiene 20 die Minuspol-Anbindung darstellt.
  • Eine bereits erwähnte dritte Stromschiene 24 dient zur Verbindung des ersten und des zweiten Halbleiterschalters 14, 16 und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer oberen Ebene des Leiterplattenelements LP ausgebildet, geeigneterweise in gleicher Ebene mit der oberen Stromschiene 20 und ebenfalls als Dickkupferbahn (jedoch von 20 isoliert). In der dritten Stromschiene 24 ist ein Anschlusspunkt (Mittenanschluss) U zum Abgreifen des Phasenstroms für den Elektromotor EM vorgesehen, der bspw. in an sich bekannter Art und Weise als Einpresskontakt ausgebildet sein kann.
  • Zwischen die obere/erste Stromschiene 20 und die untere/zweite Stromschiene 22 ist erfindungsgemäß mindestens ein primärer Zwischenkreiskondensator C (sogenannter DC-Link) geschaltet (im dargestellten Ausführungsbeispiel sind es vier Zwischenkreiskondensatoren C1, C2, C3, C4). Bei dem Zwischenkreiskondensator kann es sich bspw. um einen Keramikkondensator (wie einen CCC- oder MLCC-Kondensator) handeln. Für den Fachmann erschließt sich ohne weiteres, dass einer oder mehrere der verwendeten Zwischenkreiskondensatoren auch als RC-Glied ausgebildet sein können (bspw. als sog. „Snubber“ zur Dämpfung unerwünschter Schwingungen) und/oder ggf. zusätzliche sekundäre Kondensatoren höherer Kapazität, wie bspw. Elektrolyt-Kondensatoren, Einsatz finden können, die jedoch nicht eingebettet sein müssen.
  • Jeder der Zwischenkreiskondensatoren C1, C2, C3, C4 weist einen zentralen Kondensatorkörper 50 (bspw. aus Keramik) und an gegenüberliegenden Seiten des Kondensatorkörpers 50 angeordnete erste und zweite Anschlussflächen 52.1 und 52.2 auf (vgl. auch 5). Der Kondensator C weist eine Längenausdehnung L und eine Breite W sowie eine Dicke H auf.
  • Erfindungsgemäß sind die Zwischenkreiskondensatoren C1, C2, C3, C4 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel „stehend“ bzw. senkrecht in die Schichtabfolge des Leiterplattenelements LP eingebracht. Stehend bzw. senkrecht bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Kondensator mit seinen Anschlussflächen jeweils in Richtung der beiden übereinanderliegenden Stromschienen weisend ausgerichtet ist. Oder mit anderen Worten: der Kondensator erstreckt sich mit einer von einer Anschlussfläche zu einer gegenüberliegenden Anschlussfläche definierten Richtung A im wesentlichen senkrecht zu einer Flächenerstreckung des Leiterplattenelements LP. Eine jeweils zur Stromschiene weisende Kontaktfläche 54 ist somit durch das Produkt der Breite W mit der Dicke H definiert.
  • Die Ankontaktierung der Zwischenkreiskondensatoren C bzw. C1, C2, C3, C4 erfolgt in an sich bekannter Art und Weise durch Ausbildung von Sacklöchern 56, 58 zwischen den Stromschienen 20 bzw. 22 und den jeweils zu den Stromschienen weisenden Kontaktflächen 54 der Kondensatoren C. Die Erzeugung der Öffnungen für die Sacklöchern erfolgt bspw. mittels Laserbohren, bspw. CO2-Laserbohren, mit einem definierten Stoppen am den Kontaktflächen 54, um diese nicht zu beschädigen.
  • Es ist an dieser Stelle zu betonen, dass der Begriff „Sackloch“ in dieser Anmeldung als Synonym für jede Art von vertikaler Kontaktierung in einem Leiterschichtaufbau zu verstehen ist, die eine außenliegende und eine darunter- bzw. darüberliegende Fläche miteinander verbindet. Die Richtungsangabe „vertikal“ bezieht sich dabei auf die Richtung senkrecht zu einer Längserstreckung des Schichtaufbaus, wie es auch aus den Darstellungen ersichtlich ist.
  • In der dritten Stromschiene 24 befindet sich der Anschlusspunkt für den Mittenanschluss U. Die elektrische „Verdrahtung“ des dargestellten elektronischen Schaltelements 12 ist somit derart, dass eine Verbindung von der ersten Stromschiene 20 über Sacklöcher 60 zu dem ersten Halbleiterschalter 14 gegeben ist. Der erste Halbleiterschalter 14 ist mit der dritten Stromschiene 24 verbunden, über die wiederum über den Mittenanschluss U eine Verbindung mit dem (hier nicht dargestellten) Elektromotor EM gegeben ist. Der Mittenanschluss U der dritten Stromschiene 24 ist dann über Sacklöcher 64 mit dem darunterliegenden zweiten Halbleiterschalter 16 verbunden. Der zweite Halbleiterschalter 16 wiederum ist über Sacklöcher 66 mit der darunterliegenden zweiten Stromschiene 22 verbunden. Ein Halbleiterschalter kann bspw. als Einheit umfassend mindestens einen Halbleiterchip und einen Leadframe ausgebildet sein.
  • Die Ansteuerung der Halbleiterschalter 14, 16 erfolgt über nicht näher dargestellte Steuersignalanschlüsse.
  • 3 zeigt eine (semitransparente) Draufsicht auf eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Leiterplattenelements LP`. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Das Ausführungsbeispiel der 3 verfügt im Vergleich zu der Darstellung der 2 über eine etwas andere geometrische Anordnung: die Vielzahl von hier Verwendung findenden Zwischenkreiskondensatoren C sind nicht wie im Ausführungsbeispiel der 2 außenliegend von den Halbleiterschaltern 14, 16 (also links und rechts von diesen), sondern in Zweierreihen in zwei Blöcken jeweils „hinter“ den Halbleiterschaltern 14, 16 in einem Bereich angeordnet, in dem die beiden Stromschienen 20, 22 im wesentlichen vollständig und durchgehend übereinanderliegend verlaufen, wie dies auch aus der Darstellung der 6 bis 8 entsprechend den Schnittlinien VI-VI, VII-VII und VIII-VIII der 3 hervorgeht.
  • In einem Mittenbereich zwischen den beiden Kondensatorblöcken stehen Kontaktstreifen 20.1, 22.1 der beiden Stromschienen 20, 22 ab. Die Kontaktstreifen 20.1, 22.1 verlaufen ebenfalls im wesentlichen übereinanderliegend. Die erfindungsgemäß stehende Anordnung der Kondensatoren C führt dazu, dass deren Kontaktflächen 54 in der Draufsicht-Darstellung der 3 zum Betrachter weisen.
  • Alternativ kann eine Ankontaktierung der ersten und zweiten Stromschiene 20 bzw. 22 anstatt über die Kontaktstreifen 20.1, 22.1 der 3 mittels in die Stromschiene 20, 22 eingebrachte Durchkontaktierungen 40 bzw. 42 erfolgen, wie mit der Variante eines erfindungsgemäßen Leiterplattenelements LP'' in 4 (ebenfalls in (semitransparenter) Draufsicht) dargestellt ist. Wie nachfolgend noch im Zusammenhang mit dem Phasenabgriff U beschrieben können hier Einpressstecker zum Einsatz kommen, wobei darauf zu achten ist, dass die durch die Schichtabfolge hindurchgreifenden Einpresskontakte am jeweils anderen Potential freigestellt sind (vgl. hierzu auch die Schnittdarstellungen der 9 und 10 gemäß den Schnittlinien IX-IX bzw. X-X der 4).
  • Zur besseren bzw. einfacheren Ankontaktierung der Kontaktflächen 54 mittels den Sacklöchern 56, 58 bietet es sich an, die Kontaktflächen 54 vor der Einbringung der Kondensatoren in die Schichtabfolge mit einer gut kontaktierbaren Oberfläche, wie bspw. Kupfer, zu beschichten. Zudem ergibt sich ein Vorteil bei der Ausbildung der Sacklöcher 56, 58, 60, 62, 64, 66 wenn eine Dicke bzw. Höhe der Halbleiterschalter 14, 16 und eine Länge L der Kondensatoren C1, C2, C3, C4 aneinander angepasst sind, so dass im Schichtaufbau „unten“ und „oben“ ein bündiger Abschluss der Halbleiterschalter und der stehenden Kondensatoren erzielt wird, so dass sämtliche Sacklöcher auf die gleiche Tiefe ausgebildet werden können (vgl. 2).
  • Wie aus der Darstellung der 3 und den Schnittdarstellungen den 6 bis 8 gut erkennbar ist, erstrecken sich die erste und die zweite Stromschiene 20, 22 über im wesentlichen die gesamte Breite des Leiterplattenelements LP. Des weiteren erstrecken sich die beiden Stromschienen auch über dessen gesamte Länge. Dadurch - und durch die konsequente Ankontaktierung aller verwendeten Elemente und Anschlüsse über Sacklöcher und Durchkontaktierungen - wird der Effekt der Induktionsreduzierung maximiert.
  • Eine Ankontaktierung des Phasenabgriffs U an der dritten Stromschiene 24 kann bspw. mittels Durchkontaktierungen 44 erfolgen. Der Anschluss kann bspw. mittels eines dem Fachmann an sich bekannten Einpresskontakts bzw. - steckers erfolgen. Da hier ein Einpressen durch sämtliche Schichten des Leiterplattenelements erfolgt, muss selbst verständlich für eine Freistellung der Kontakte am jeweils anderen Potential gesorgt werden.
  • Der beschriebene Leiterplattenaufbau eines integrierten elektronischen Schaltelements kann als Leiterplattenelement mit einem oder mehreren Schaltelementen ausgebildet sein, das zu einer Integration/Einbettung in eine Leiterplatte vorgesehen ist. Alternativ kann der Schaltelement-Aufbau als eigenständige Leiterplatte ausgebildet sein. Zur Ausbildung eines Stromrichters können in einem Leiterplattenelement mehrere parallelgeschaltete Schaltelemente vorgesehen sein, bspw. mit zwei MOSFETs/Halbleiterschalter pro Schalter und vier MosFETs pro Modul, oder es können mehrere erfindungsgemäße Leiterplattenelemente als Module parallelgeschaltet auf einem Kühlelement (das bspw. wärmeleitend unter der zweiten Stromschiene 22 angebracht ist) oder in eine Leiterplatte integriert angeordnet sein. Bei einer Einbettung in eine Leiterplatte kann sich ober- und unterhalb jeweils eine isolierende Schicht oder Schichtfolge aus Prepreg und/oder Prepreg plus Innenlagenmaterial (wie FR4) anschließen, mit dem die Leiterplattenelemente verpresst werden. Im Falle der Einbettung eines Moduls in eine weitere Leiterplatte würden die Durchkontaktierungen 44 erst bei Herstellung der Außenlagen der Leiterplatte unter Ankontaktierung der Fläche 24 erfolgen. Alternativ zu Prepreg können auch glasfaserfreie dielektrische Materialien mit hinreichender Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Alternativ kann ein Stromrichter erfindungsgemäß auch durch Vorsehen mehrerer erfindungsgemäßer Schaltelemente in einer Leiterplatte bzw. einem Leiterplattenelement gebildet sein.
  • Das beschriebene und dargestellte Leiterplattenelement weist zur Veranschaulichung zwei Halbleiterschalter auf. Häufig verfügt eine redundante Schaltung über drei oder auch mehr Halbleiterschalter. Derartige redundante Schalter können wie beschrieben in eine Leiterplatte bzw. ein Leiterplattenelement eingebracht werden. Aufgrund der äußerst geringen Bauhöhe der erfindungsgemäßen Schaltelemente können Leiterplatten mit einer Vielzahl von derartigen Schaltern ausgestattet werden.
  • Unter einem elektronischen Schaltelement ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung jede Art von mindestens einen elektronischen Schalter, wie bspw. ein MOSFET, IGBT, Thyristor o.dgl., allg. Leistungshalbleiter aufweisender Teil-Schaltungsanordnung, insb. integrierter Schaltung, zu verstehen. Es kann sich um Brückenschalter im weitesten Sinne handeln, die zum Aufbau von Mehrpuls-Brückenschaltungen geeignet sind. Bei Verwendung von IGBTs kann der Einsatz von sogenannten Freilaufdioden erforderlich sein, was sich für den Fachmann aus seinem Fachwissen erschließt.
  • Selbstverständlich können auch für Brückenschaltungen die Schaltelemente mehr als zwei Halbleiterschalter aufweisen, wie dies in Anwendungen mit höheren Strömen bzw. Leistungen erforderlich sein kann.
  • Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leiterplattenelements LP wird zunächst eine Kernlage 30 bereitgestellt. In die Kernlage 30 werden neben Ausnehmungen für die Halbleiterschalter 14, 16 auch (bspw. durchgehende) Kondensator-Ausnehmungen für die Zwischenkreiskondensatoren C vorgesehen. Es folgt eine Bestückung der Kondensator-Ausnehmungen durch Einsetzen jeweils eines Kondensators in eine Ausnehmung. Ebenso erfolgt eine Bestückung der für die Halbleiterschalter vorgesehenen Schalter-Ausnehmungen. Vor oder nach dem Schritt des Bestückens erfolgt ein Schichtaufbau durch Aufbringen von vorimprägnierten Faserschichten 32 (sogenannte Prepreg-Schichten) und Kupferfolien als Startlagen für die spätere galvanische Beschichtung ober- und unterhalb der Kernlage.
  • Die so erzeugte Schichtabfolge wird laminiert. Während dieses Vorgangs verflüssigen sich die Prepreg-Schichten in bekannter Art und Weise und bilden eine durchgehende dielektrische Schicht. Vor oder nach dem Schritt des Laminierens können leitende Schichten zur Ausbildung der Stromschienen 20, 22 aufgebracht werden. Danach erfolgen die Ankontaktierung der in dem Schritt des Laminierens in der Kernlage eingebetteten Elemente und eine Ausbildung der Leiterbahnen. Die Ankontaktierung erfolgt bspw. wie voranstehend dargestellt mittels Sacklöcher. Die „stehend“ bzw. senkrecht angeordneten Kondensatoren werden an die jeweils darunter- bzw. darüberliegende Stromschiene durch Ausbildung von Sacklöchern von den Stromschienen an die stirnseitigen Kontaktflächen 54 der Kondensatoren ankontaktiert.
  • Bei einer stehenden Montage der Kondensatoren sind die Plus- und Minuskontakte oben- bzw. untenliegend, also z.B. wie in den Ausführungsformen der 2 und 3 Bezugszeichen 22 als Pluskontakt und Bezugszeichen 20 als Minuskontakt. Die angeschlossenen Kondensatoren sind mit jeweils einem (stirnseitigen) Kontakt an der oberen Schicht 20 und dem anderen Kontakt an der unteren Schicht 22 angeschlossen.
  • Bei einer liegenden Montage der Kondensatoren liegen die Plus- und Minuskontakte auf derselben Seite, z.B. entweder oberhalb des Kondensators oder unterhalb. Die Kontakte Plus und Minus/Masse werden beim Ätzen der Kupferschicht zur Erzeugung der Stromschienen 20, 22 elektrisch voneinander isoliert. Die Kondensatoren sind dann so angeordnet, dass ein Kontakt des Kondensators mit Plus, der andere mit Minus/Masse verbunden ist. Dies ist beispielhaft und schematisch in 11 veranschaulicht.
  • Der in 11 wiedergegebene Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Leiterplattenelement LP''' zeigt zwei liegend in der Kernlage 30 angeordnete Zwischenkreiskondensatoren C1 und C2. Wie bereits voranstehend beschrieben, umfasst jeder der Kondensatoren C1, C2 einen Kondensatorkörper 50 sowie eine erste und eine zweite Anschlussfläche 52.1, 52.2.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kondensatoren an die (in der Zeichnung) oben liegende Kupferschicht (also oberhalb des Kondensators) angrenzend angeordnet. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung angrenzend an die gegenüberliegende Kupferschicht (unterhalb) möglich. Ebenfalls grundsätzlich möglich ist eine alternierende Anordnung (oben, unten) mehrerer Kondensatoren. Dem Fachmann erschließen sich derartige Gestaltungsmöglichkeiten ohne weiteres.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 11 ist die obenliegende Kupferschicht derart strukturiert, dass diese eine erste Stromschiene 20 sowie eine zweite Stromschiene 22 ausbildet. Die zweite Stromschiene 22 umgibt die erste Stromschiene 20. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel führt die erste Stromschiene (wie auch in den Ausführungsbeispielen zuvor) negative Spannung, während die zweite Stromschiene positive Spannung führt. Aufgrund der „liegenden“ Anordnung sind die Kondensatoren C1, C2 jeweils mit einer längsseitigen Kontaktfläche mittels geeigneten Sacklöchern 56, 58 mit der ersten bzw. der zweiten Stromschiene 20, 22 verbunden.
  • Um die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit im wesentlichen übereinanderliegenden Stromschienen, ist auch die untenliegende Metallschicht als Stromschiene ausgebildet, in diesem Fall als positive Stromschiene 22. Dies wird mittels Durchkontaktierungen 46 von der oberen positiven Stromschiene 22 erreicht, wie dies in 11 dargestellt ist. Andere Gestaltungen sind möglich und erschließen sich dem Fachmann.
  • Die Darstellung der 11 ist der Schnittdarstellung der 8 ähnlich; sie zeigt ebenfalls keine Halbleiterschalter, da sich diese außerhalb der gewählten Schnittebene (also vor oder hinter der Zeichnungsebene) befinden. Entsprechend ist auch keine dritte Stromschiene 24 zum Phasenabgriff (U) dargestellt. Der Fachmann versteht, dass die Gesamtanordnung diese Komponenten ebenfalls umfasst.
  • Die Kontakte der Halbleiter können - wie dem Fachmann grundsätzlich geläufig - bspw. auch auf einer Seite des Leiterplattenelements liegen (anstelle wie voranstehend im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschrieben auf gegenüberliegenden Seiten), was mit einer Kontaktdurchführung von einer Leiterplattenseite zur anderen verbunden ist (vgl. auch 11).
  • Die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen lediglich relative kleine Zwischenkreiskondensatoren, die zur Abpufferung von Spannungsspitzen dienen und im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung als primärer Zwischenkreiskondensator bezeichnet wird. Üblicherweise verfügen Stromrichteranordnungen auch noch über höherkapazitive Kondensatoren (DC-Links), die in der vorliegenden Anmeldung als sekundäre Zwischenkreiskondensatoren bezeichnet werden und auf die hier nicht weiter im Detail eingegangen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (15)

  1. Leiterplattenelement (LP) mit mindestens einem in dem Leiterplattenelement (LP) integrierten elektronischen Schaltelement (12.1, 12.2, 12.3), welches zwei in eine Schichtabfolge des Leiterplattenelements (LP) eingebrachte Halbleiterschalter (14, 16) und mindestens zwei zum Ankontaktieren der Halbleiterschalter (14, 16) ausgebildete Stromschienen (20, 22, 24) umfasst, wobei die Stromschienen (20, 22, 24) in der Schichtabfolge des Leiterplattenelements (LP) im wesentlichen übereinanderliegend verlaufen und mindestens ein zwischen den beiden Stromschienen (20, 22) angeordneter Zwischenkreiskondensator (C; C1, C2, C3, C4) in die Schichtabfolge des Leiterplattenelements (LP) eingebracht ist.
  2. Leiterplattenelement (LP) nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei Stromschienen (20, 22, 24) als leitende Schicht ausgebildet sind.
  3. Leiterplattenelement (LP) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Halbleiterschalter (14, 16) in einer Kernlage (30) des Leiterplattenelements (LP) angeordnet sind und von den Stromschienen (20, 22) zur Ankontaktierung der Halbleiterschalter (14, 16) mindestens eine Stromschiene in einer Ebene des Leiterplattenelements (LP) unterhalb der Kernlage (30) und mindestens eine Stromschiene in einer Ebene des Leiterplattenelements (LP) oberhalb der Kernlage (30) verläuft.
  4. Leiterplattenelement (LP) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen elektronisches Schaltelement (12.1, 12.2, 12.3) eine Halbbrücke ist und/oder bei dem mindestens einer des mindestens einen Zwischenkreiskondensators (C; C1, C2, C3, C4) als RC-Glied ausgebildet ist und/oder bei dem mindestens ein zusätzlicher sekundärer Kondensator vorgesehen ist und/oder bei dem der mindestens eine Zwischenkreiskondensator (C; C1, C2, C3, C4) im wesentlichen senkrecht oder im wesentlichen liegend eingebracht ist.
  5. Leiterplattenelement (LP) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der mindestens eine Zwischenkreiskondensator (C; C1, C2, C3, C4) in der Kernlage (30) des Leiterplattenelements (LP) angeordnet ist und mit einer ersten Anschlussfläche in Richtung der Stromschiene (20) oberhalb der Kernlage (30) und mit einer zweiten Anschlussfläche in Richtung der Stromschiene (22) unterhalb der Kernlage (30) weist, oder bei dem der mindestens eine Zwischenkreiskondensator (C; C1, C2, C3, C4) in der Kernlage (30) des Leiterplattenelements (LP) angeordnet ist und mit einer ersten Anschlussfläche und mit einer zweiten Anschlussfläche in Richtung der Stromschiene (20) oberhalb oder unterhalb der Kernlage (30) weist.
  6. Leiterplattenelement (LP) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Stromschienen (20, 22, 24) im wesentlichen oberhalb bzw. unterhalb der Halbleiterschalter (14, 16) angeordnet sind.
  7. Leiterplattenelement (LP) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Stromschienen (20, 22, 24) mit den beiden Halbleiterschaltern (14, 16) mittels Durchkontaktierungen bzw. Mikrovias (60, 62, 62, 66) verbunden sind.
  8. Leiterplattenelement (LP) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem mindestens eine der Stromschienen (20, 22, 24) mindestens einen der beiden Halbleiterschalter (14, 16) zumindest teilweise überlappt.
  9. Leiterplatte mit mindestens einem Leiterplattenelement (LP) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Stromrichter (10) aus mindestens zwei Leiterplattenelementen (LP) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
  11. Stromrichter (10) nach Anspruch 10, der als Leiterplatte ausgebildet ist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Leiterplattenelements (LP), mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen einer Kernlage (30) zur Ausbildung einer Schichtabfolge für ein Leiterplattenelement (LP), - Einbringen von mindestens zwei durchgehenden Schalter-Ausnehmungen in eine Fläche der Kernlage (30) zur Aufnahme von jeweils einem Halbleiterschalter (14, 16), - Einbringen mindestens einer Kondensator-Ausnehmung in eine Fläche der Kernlage (30) zur Aufnahme jeweils eines Kondensators (C; C1, C2, C3, C4), - Einsetzen jeweils eines Kondensators in die mindestens eine Kondensator-Ausnehmung, - Bestücken der mindestens zwei durchgehenden Schalter-Ausnehmungen mit Halbleiterschaltern (14, 16), - Aufbringen vorimprägnierter Faserschichten (32) ober- und unterhalb der Kernlage (30) und Aufbringen einer Folie aus elektrisch leitendem Material auf die Faserschichten (32), - Laminieren der so erzeugten Schichtabfolge, und - Ausbilden von zur Ankontaktierung der Halbleiterschalter und Kondensatoren dienenden Bohrungen, - Ausbilden leitender Schichten auf den elektrisch leitenden Folien zur Ausbildung mindestens einer ersten und einer zweiten Stromschiene (20, 22, 24) und zur Ausbildung von Ankontaktierungen (56, 58) des mindestens einen Kondensators (C; C1, C2, C3, C4) an die darunterliegende und/oder die darüberliegende Stromschiene (20, 22).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der mindestens eine Kondensator (C; C1, C2, C3, C4) mit einer ersten Anschlussfläche (52) an die erste Stromschiene (20) und mit einer zweiten Anschlussfläche (52) an die zweite Stromschiene (22) ankontaktiert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Ankontaktierung eines Kondensators (C; C1, C2, C3, C4) an stirnseitigen oder längsseitigen Kontaktflächen (54) des Kondensators (C; C1, C2, C3, C4) erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Kondensator (C; C1, C2, C3, C4) im wesentlichen senkrecht oder im wesentlichen liegend eingesetzt wird.
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