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Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Es ist bekannt, Leiterplatten in einem Lagenaufbau aus einer Vielzahl an Prepregs, ggf. Leiterplatten-Kernen („PCB-cores“) und Kupferlagen herzustellen, die durch Laminier- und Ätzprozesse miteinander verbunden und strukturiert werden. Prepregs sind dabei mit Epoxid getränkte Glasfasermatten (Prepreg = „preimpregnated fibers“, deutsch: „vorimprägnierte Fasern“). Als Leiterplatten-Kerne werden vorverpresste Schichtungen mit einer Kupferfolie - Prepreg - Kupferfolie Abfolge bezeichnet.
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Gemäß der Norm EN IEC 60664-1, die die Auslegung von Luft- und Kriechstrecken betrifft, kann zwischen einzelnen Prepreg-Lagen von einer Feststoffisolierung ausgegangen werden, weshalb hier keine Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden müssen. Entlang einer Prepreglage können jedoch diverse Ausfallerscheinungen auftreten (z.B. eine Delamination der Prepreglagen), so dass nicht von einer Feststoffisolierung zwischen zwei Potentialen innerhalb einer Lage ausgegangen werden darf, sondern gemäß der genannten Norm eine Kriechstrecke anzunehmen ist. Eine Kriechstrecke ist dabei die kürzeste erlaubte Entfernung entlang der Oberfläche eines Isolierstoffes zwischen zwei leitenden Teilen.
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Dabei müssen Kriechstrecken in den Lagen einer Leiterplatte auch zum Rand der Leiterplatte und damit auch zur Mantelfläche von Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte eingehalten werden. Insbesondere ist es üblich, in Durchgangsbohrungen der Leiterplatte metallische Schrauben einzusetzen, die die Leiterplatte an einen Kühlkörper anbinden und die damit auf dem Kühlkörperpotential liegen. Dementsprechend ist es erforderlich, in den Innenlagen und Außenlagen um die Durchgangsbohrungen umlaufend Kriechstrecken vorzusehen, die eine gewisse Kriechstrecke einhalten.
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Das Einhalten von Kriechstrecken in den Lagen einer Leiterplatte zu Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte führt nachteilig zu relativ großen elektrisch ungenutzten Bereichen der Leiterplatte. Da die Schraubverbindungen und damit die Durchgangsbohrungen nahe an den aktiven Bauelementen einer Leiterplattenanordnung liegen müssen, um diese sinnvoll an die Kühlfläche des Kühlkörpers anpressen zu können, stellt jede Durchgangsbohrung und Schraubverbindung nahe der aktiven Bauelemente eine signifikante Beeinflussung der elektrischen Performance der Leiterplatte dar, die zu einer limitierten Stromtragfähigkeit bzw. einem reduzierten Kupferquerschnitt sowie durch den reduzierten Kupferquerschnitt zu einer zusätzlichen parasitären elektrischen Induktivität und einem zusätzlichen Widerstand führen.
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Zur Reduktion dieses Problems ist es bekannt, Isolierbuchsen aus elektrisch isolierendem Material in die Durchgangsbohrungen einzusetzen. Solche Isolierbuchsen verlängern jedoch nur die Kriechstrecken an der Außenlage, während in den Innenlagen immer noch substantielle Kriechstrecken zu den Durchgangsbohrungen einzuhalten sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplattenanordnung bereitzustellen, die eine effektive Nutzung auch derjenigen Bereiche einer Leiterplatte ermöglicht, die an Durchgangsbohrungen in der Leiterplatte angrenzen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt eine Leiterplattenanordnung mit einer Leiterplatte, die eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen aufweist, die eine oberste Leiterplattenlage und eine unterste Leiterplattenlage umfassen. Die Leiterplattenanordnung umfasst des Weiteren einen metallischen Kühlkörper. In die Leiterplatte sind Durchgangsbohrungen integriert, die der Aufnahme von Metallschrauben dienen, die die Leiterplatte mit dem metallischen Kühlkörper verschrauben.
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Es ist vorgesehen, dass im Kühlkörper elektrisch isolierte Befestigungspunkte ausgebildet sind, die aus einem elektrischen Isolationsmaterial bestehen, wobei der Kühlkörper an den elektrisch isolierten Befestigungspunkten durch die Metallschrauben mit der Leiterplatte verschraubt ist.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die nutzbaren Bereiche einer Leiterplatte zu erhöhen, indem die Kriechstrecken in den einzelnen Lagen verlängert und damit der Abstand der Metalllagen zu den Durchgangsbohrungen reduziert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass aufgrund der Anbindung der Metallschrauben an elektrisch isolierte Befestigungspunkte im Kühlkörper die Metallschrauben nicht auf dem Kühlkörperpotenzial liegen und somit die elektrische Performance der Leiterplatte nicht beeinflussen. Die Kriechstrecken verlängern sich damit bis zum Metall des metallischen Kühlkörpers, das die elektrisch isolierten Befestigungspunkte umgibt, wobei aufgrund dieser Verlängerung die Metalllagen der Leiterplatte näher an die Durchgangsbohrungen heranragen können. Die Erfindung ermöglicht somit eine bessere Ausnutzung von Leiterplattenflächen im Bereich der Befestigungsbohrungen.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht dabei, die Abstände sowohl der Kupferinnenlagen als auch der Kupferaußenlagen der Leiterplatte zur Durchgangsbohrung signifikant zu verringern. Umgekehrt können die Kriechstrecken bei gegebenen Leiterplattenaufbauten ohne erkennbare Designveränderung erhöht und kann damit die Robustheit gegenüber der elektrischen Beanspruchung verbessert werden.
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Ein weiterer, mit der vorliegenden Erfindung verbundener Vorteil besteht in der Ermöglichung eines erhöhten Kupferquerschnitts innerhalb der Leiterplatte, da eine Kupferlage sich weiter zu den Durchgangsbohrungen erstrecken kann und dementsprechend eine größere Gesamtfläche bildet. Dies wiederum ermöglicht eine erhöhte Leistungsdichte, eine verbesserte Miniaturisierung gegenüber Befestigungen der Leiterplatte an einem Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik und eine Verbesserung der thermischen Anbindung durch Erhöhung des Kupferanteils in der Leiterplatte.
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Ein elektrisches Isolationsmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jeder Nichtleiter und damit jedes Material, dessen elektrische Leitfähigkeit bei 20 °C bei weniger als 10-8 S·cm-1 liegt (bzw. das bei 20 °C einen spezifischen Widerstand von über 108 Ω·cm aufweist). Dabei ist „S“ die Maßeinheit des elektrischen Leitwerts. Ausgestaltungen sehen vor, dass die durch das Isolationsmaterial bereitgestellt Kriechstromfestigkeit einen CTI-Wert (CTI = „Comparative Tracking Index“) aufweist, der bei mindestens 175 und insbesondere im Bereich zwischen 175 und 600, insbesondere im Bereich zwischen 400 und 600 liegt.
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Weitere Parameter des Isolationsmaterials betreffen seine thermo-mechanische Festigkeit und seinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. So kann eine hohe thermo-mechanische Festigkeit vorgesehen sein, um die Anpresskräfte aufzunehmen, die von der angepressten Leiterplatte übertragen werden. Weiter kann das Isolationsmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizient besitzen, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers entspricht oder von diesem nicht substantiell, beispielsweise um maximal 30 % abweicht. Hierdurch wird ein guter Wärmeübergang zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte auch im Bereich der isolierten Befestigungspunkte sichergestellt.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrisch isolierten Befestigungspunkte stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sind, so dass eine nicht lösbare Verbindung zwischen den elektrisch isolierten Befestigungspunkten und dem Kühlkörper besteht. Ausgestaltungen der Erfindung können vorsehen, dass der Stoffschluss durch einen Formschluss ergänzt oder ersetzt wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die elektrisch isolierten Befestigungspunkte durch in Kavitäten des Kühlkörpers verfülltes Isolationsmaterial gebildet. Solche Kavitäten können entweder bereits bei Herstellung des Kühlkörpers gebildet oder im Nachhinein beispielsweise durch Fräsen des Kühlkörpers in diesem ausgebildet werden. Das Verfüllen der Kavitäten mit Isolationsmaterial kann beispielsweise durch Spritzguss oder Gießen erfolgen. In anderen Ausführungsvariante können gesondert hergestellte Isolationsteile aus Isolationsmaterial in die Kavitäten eingeklebt werden. In letzterem Fall können auch nicht gussfähige Materialien wie beispielsweise Keramiken als Isolationsmaterial eingesetzt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in das elektrische Isolationsmaterial der elektrisch isolierten Befestigungspunkte jeweils ein Innengewinde geschnitten ist, das mit dem Außengewinde der Metallschrauben interagiert. Hierdurch sind keine gesonderten Bauteile zur Bereitstellung des Innengewindes erforderlich.
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Jedoch kann in alternativen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass in das elektrische Isolationsmaterial der elektrisch isolierten Befestigungspunkte eine Schraubenmutter oder ein Gewindeeinsatz integriert ist. Bei derartigen Ausgestaltungen ist es nicht erforderlich, unmittelbar im Isolationsmaterial ein Gewinde auszubilden.
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Wie bereits angemerkt, handelt es sich bei dem Isolationsmaterial beispielsweise um einen gieß- oder spritzfähigen Kunststoff. Ausgestaltungen hier zu sehen vor, dass das Isolationsmaterial durch ein Polyurethan-Gießharz oder ein Polyamid-Gießharz jeweils mit einer Temperaturbeständigkeit von größer als 100 °C gebildet ist. Ein Beispiel für ein Polyurethan-Gießharz ist das Polyurethan-Vakuumgießharz PR 751 der Firma Sythene, Frankreich. Ein Beispiel für ein Polyamid-Gießharz ist PA6G (Polyamid 6 Guss). Das Isolationsmaterial weist dabei bevorzugt einen CTI-Wert der Kriechstromfestigkeit von mindestens 175, insbesondere im Bereich zwischen 175 und 600, insbesondere im Bereich zwischen 400 und 600 auf (CTI = „Comparative Tracking Index“).
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Alternativ kann das Isolationsmaterial durch eine Keramik gebildet sein.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Metallschrauben jeweils in einer Isolierbuchse aus einem elektrisch isolierenden Material in den Durchgangsbohrungen angeordnet sind. Dies ermöglicht in besonders effektiver Weise, die Abstände der Kupferinnenlagen und Kupferaußenlagen zu den Durchgangsbohrungen der Leiterplatte signifikant zu verringern, da über die Isolierbuchsen die Kriechstrecken insbesondere an den Außenanlagen verlängert werden.
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Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die Isolierbuchse einen im Durchmesser vergrößerten Kopfbereich ausbildet und beispielsweise T-förmig ausgebildet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der vergrößerte Kopfbereich der Isolierbuchse an seinem Umfang einen von der Leiterplatte abstehenden Kragen ausbildet, der die Kriechstrecke zum Schraubenkopf der Metallschrauben weiter verlängert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrisch isolierten Befestigungspunkte bündig mit der Oberfläche des Kühlkörpers abschließen, so dass die Leiterplatte ohne die Ausbildung von Spalten oder dergleichen an den Kühlkörper gepresst werden kann und ein optimaler thermischer Übergang zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper besteht.
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Die Form der Kavitäten des Kühlkörpers und damit die Form der Befestigungspunkte ist bevorzugt derart gewählt, dass 2-dimensionale Kanten vermieden werden, um mechanische Spitzen sowie elektrische Feldspitzen zu vermeiden. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass die Kavität stetig und ohne Sprünge oder Kanten in die Oberfläche des Kühlkörpers übergeht.
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Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die isolierten Befestigungspunkte trichterförmig ausgebildet sind, wobei sich ihr Durchmesser in Richtung der Oberfläche des Kühlkörpers vergrößert. Ein weiterer Vorteil dieser Formgebung besteht darin, dass die Fläche der isolierten Befestigungspunkte an der außenseitigen Interaktionsstelle mit der Metallschraube vergrößert ist, so dass Toleranzen in der genauen Position der Metallschraube unproblematisch sind.
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Der metallische Kühlkörper kann grundsätzlich aus einem beliebigen Material oder einer beliebigen Metalllegierung bestehen. In einem Ausführungsbeispiel besteht der Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung gemäß Patentanspruch 1. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Bereitstellen einer Leiterplatte, die eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen aufweist, die eine oberste Leiterplattenlage und eine unterste Leiterplattenlage umfassen, und in die eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen integriert ist,
- - Bereitstellen eines metallischen Kühlkörpers, in dem Kavitäten ausgebildet sind,
- - Füllen der Kavitäten mit einem Isolationsmaterial, wobei eine Mehrzahl von elektrisch isolierten Befestigungspunkten am Kühlkörper gebildet wird, und
- - Schrauben der Leiterplatte an den metallischen Kühlkörper über Metallschrauben, die in die Durchgangsbohrungen eingesetzt werden,
- - wobei der Kühlkörper an den elektrisch isolierten Befestigungspunkten mit der Leiterplatte verschraubt wird, ohne dass die Metallschrauben in Verbindung mit dem Metall des metallischen Kühlkörpers treten.
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Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass das Bereitstellen des metallischen Kühlkörpers das Ausbilden von Kavitäten in dem metallischen Kühlkörper umfasst. Beispielsweise werden die Kavitäten in den metallischen Kühlkörper eingefräst. Alternativ wird der metallischen Kühlkörper bereits mit den Kavitäten hergestellt.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Kavitäten durch Spritzguss oder Gießen mit dem Isolationsmaterial gefüllt werden. Alternativ werden vorgefertigte Isolationsteile aus Isolationsmaterial in die Kavitäten eingeklebt. Solche vorgefertigten Isolationsteile können beispielsweise auch Keramikteile sein.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in die elektrisch isolierten Befestigungspunkte ein Innengewinde geschnitten wird oder eine Schraubenmutter oder ein Gewindeeinsatz eingebracht werden, wobei die Metallschrauben in das Innengewinde bzw. die Schraubenmutter bzw. den Gewindereinsatz eingeschraubt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch in einer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte und einen Kühlkörper umfasst, wobei in dem Kühlkörper isolierte Befestigungspunkte zur Aufnahme von Metallschrauben ausgebildet sind und wobei die Metallschrauben mit einem Innengewinde der isolierten Befestigungspunkte verschraubt sind;
- 2 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte und einen Kühlkörper umfasst, wobei in dem Kühlkörper isolierte Befestigungspunkte zur Aufnahme von Metallschrauben ausgebildet sind und wobei die Metallschrauben mit einer in die isolierten Befestigungspunkte integrierten Schraubenmutter verschraubt sind;
- 3 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte und einen Kühlkörper umfasst, wobei in dem Kühlkörper isolierte Befestigungspunkte zur Aufnahme von Metallschrauben ausgebildet sind und wobei die Metallschrauben mit einem in die isolierten Befestigungspunkte integrierten Gewindeeinsatz verschraubt sind;
- 4 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte und einen Kühlkörper umfasst, wobei in dem Kühlkörper isolierte Befestigungspunkte zur Aufnahme von Metallschrauben ausgebildet sind und wobei die Metallschrauben jeweils in einer Isolierbuchse angeordnet sind, die mit einem Innengewinde des isolierten Befestigungspunkts verschraubt ist;
- 5 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte und einen Kühlkörper umfasst, wobei in dem Kühlkörper isolierte Befestigungspunkte zur Aufnahme von Metallschrauben ausgebildet sind, die Metallschrauben jeweils in einer Isolierbuchse angeordnet sind und die Metallschrauben mit einer in die isolierten Befestigungspunkte integrierten Schraubenmutter verschraubt sind;
- 6 eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Stand der Technik, bei der die Metallschrauben mit dem metallischen Kühlkörper verschraubt sind; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung.
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Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Stand der Technik anhand der 6 beschrieben.
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Die 6 zeigt eine Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte 1 und einen metallischen Kühlkörper 4 umfasst. Die Leiterplatte 1 besteht aus einer Vielzahl von Leiterplattenlagen 10, die übereinander angeordnet sind. Dabei bildet eine oberste Leiterplattenlage 11 eine Oberseite der Leiterplatte 1 und eine unterste Leiterplattenlage 12 eine Unterseite der Leiterplatte 1.
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Die Leiterplatte 1 ist über Metallschrauben 2 mit dem Kühlkörper 4 verschraubt. Die Metallschrauben 2 sind dabei in Durchgangsbohrungen 15 in die Leiterplatte eingesetzt und erstrecken sich in eine entsprechende Öffnung 45 des Kühlkörpers, die beispielsweise mit einem nicht dargestellten Innengewinde versehen ist. Die Metallschrauben 2 weisen dabei einen Schraubenkopf 2 und einen Schraubenschaft 22 auf, wobei der Schraubenkopf 2 über eine metallische Unterlegscheibe 3 auf der Oberseite der Leiterplatte 1 aufliegt und der Schraubenschaft 22 durch die Durchgangsbohrung 15 der Leiterplatte 1 in die Öffnung 45 des Kühlkörpers 4 eingeschraubt ist.
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Durch die Schrauben 2 wird die Unterseite der Leiterplatte 1 an die Oberfläche 40 des Kühlkörpers 4 zur Bereitstellung eines guten thermischen Übergangs angepresst.
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Der Kühlkörper 4 besteht aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und ist somit elektrisch leitend. Er liegt typischerweise auf dem Erdpotenzial oder alternativ einem anderen Potenzial. Dies bedeutet, dass die mit dem Kühlkörper 4 in Kontakt tretende Metallschraube 2 ebenfalls mit dem Erdpotenzial oder dem anderen Potenzial des Kühlkörpers 4 beaufschlagt ist.
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Die einzelnen Leiterplattenlagen 10 der Leiterplatte 1 sind beispielsweise durch Prepreg-Lagen, d.h. mit Epoxid getränkte Glasfasermatten, und Kupferlagen gebildet, die in an sich bekannter Weise durch Laminier- und Ätzprozesse miteinander verbunden und strukturiert sind. Die Leiterplatte 1 kann auch Leiterplatten-Kerne („PCB-cores“) enthalten. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird zwischen Prepreg-Lagen und Leiterplatten-Kernen nicht unterschieden. Die Konturen der Leiterplatte 1 werden mit Fräs- und Bohrprozessen realisiert. Gemäß der Norm EN IEC 60664-1 zur Auslegung von Luft- und Kriechstrecken wird zwischen einzelnen Prepreg-Lagen (in vertikaler Richtung der 6) von einer Feststoffisolierung ausgegangen, so dass zwischen Prepreg-Lagen keine Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden müssen. Entlang einer Prepreg-Lage (horizontale Ebene der 6) besteht jedoch die Gefahr von Ausfallerscheinungen zum Beispiel durch Delamination der Prepreg-Lagen, so dass nicht von einer Feststoffisolierung zwischen zwei Potentialen innerhalb einer Lage ausgegangen werden darf. Dementsprechend sind innerhalb einer Prepreg-Lage Kriechstrecken zu berücksichtigen, die die kürzeste erlaubte Entfernung entlang der Oberfläche zwischen zwei leitenden Teilen angeben.
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Da wie erläutert die Schrauben 2 mit dem Erdpotenzial (oder einem anderen Potenzial des Kühlkörpers 4) beaufschlagt sind, sind dabei auch innerhalb der Prepreg-Lagen 10 Kriechstrecken bereitzustellen. Eine solche Kriechstrecke 72 ist in der 6 dargestellt. Eine weitere Kriechstrecke 71 bezieht sich auf den Abstand zwischen einer Kupferlage und der Unterlegscheibe 3 auf der Oberseite der Leiterplatte 1. Die Notwendigkeit der Bereitstellung von Kriechstrecke 72 in den einzelnen Prepreg-Lagen führt zu ungenutzten Randbereichen um die Durchgangsbohrungen 15 herum. Hierdurch wird der Kupferquerschnitt bei jedem Befestigungspunkt reduziert und die elektrische Performance der Leiterplatte 1 beeinträchtigt.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte 1 und einen Kühlkörper 4 umfasst. Die Leiterplatte 1 umfasst eine Vielzahl von Leiterplattenlagen 10, die übereinander angeordnet sind. Dabei bildet eine oberste Leiterplattenlage 11 eine Oberseite der Leiterplatte 1 und eine unterste Leiterplattenlage 12 eine Unterseite der Leiterplatte 1. Zur Ausbildung der Leiterplattenlagen 10 wird auf die Beschreibung der 6 hingewiesen. Die Leiterplattenlagen 10 werden somit beispielsweise durch Prepreg-Lagen und Kupferlagen gebildet. Auch können eine oder mehrere der Leiterplattenlagen 10 durch eine Prepreg-Lage und eine oder mehrere Kupferlagen gemeinsam gebildet sein.
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Die Leiterplatte 1 ist auf dem Kühlkörper 6 über Metallschrauben 2 festgeschraubt, die sich durch senkrecht in der Leiterplatte 1 ausgebildete Durchgangsbohrungen 15 erstrecken. Allerdings sind die Metallschrauben 2 nicht wie beim Stand der Technik der 6 direkt in den Kühlkörper 4 eingeschraubt. Vielmehr sind am Kühlkörper 4 elektrisch isolierte Befestigungspunkten 6 vorgesehen. Diese bestehen aus einem elektrischen Isolationsmaterial. Dabei sind die Schrauben 2 an den elektrisch isolierten Befestigungspunkten 6 in den Kühlkörper 4 eingeschraubt. Hierdurch wird erreicht, dass die Metallschrauben 2 nicht in elektrischen Kontakt mit dem Metall des Kühlkörpers 4 gelangen und elektrisch gegenüber dem Kühlkörper 4 isoliert sind.
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Zur Verbindung der Schrauben 2, die einen Schraubenkopf 21 und einen Schraubenschaft 22 aufweisen, mit den isolierten Befestigungspunkten 6 ist in das Isolationsmaterial des Befestigungspunkts 6 ein nicht näher dargestelltes Innengewinde 61 geschnitten.
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Die isolierten Befestigungspunkte 6 sind in Kavitäten 65 des Kühlkörpers 4 ausgebildet. Diese Kavitäten 65 können nachträglich in den Kühlkörper 4 eingefräst oder zusammen mit dem Kühlkörper 4 hergestellt worden sein. In die Kavitäten 65 wird das Isolationsmaterial eingefüllt oder eingesetzt, das die elektrisch isolierten Befestigungspunkte 6 bildet. Hierbei kann ein Isolationsmaterial eingesetzt werden, das gieß- oder spritzfähig ist. Jedoch ist auch der Einsatz von festen Isolationsteilen beispielsweise aus Keramik möglich.
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Es ist vorgesehen, dass die elektrisch isolierten Befestigungspunkte 6 bündig mit der Oberfläche 40 des Kühlkörpers 4 abschließen, so dass die Leiterplatte 1 durchgängig ohne die Ausbildung von Spalten über die Schrauben 2 an den Kühlkörper 4 gepresst werden kann. Dementsprechend bildet der jeweilige Befestigungspunkt 6 eine Oberfläche 60 aus, die bündig in die Oberfläche 40 des Kühlkörpers 4 übergeht, insbesondere in der gleichen Ebene wie die Oberfläche 40 liegt.
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Die Form der Kavitäten 65 definiert die Form der Befestigungspunkte 6. Dabei ist grundsätzlich eine große Breite an Formgebungen möglich. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist vorgesehen, dass die isolierten Befestigungspunkte 6 trichterförmig ausgebildet sind, wobei sich ihr Durchmesser in Richtung der Oberfläche 40 des Kühlkörpers 4 vergrößert und eine stetige Dickenreduzierung angrenzend an die Oberfläche 40 des Kühlmaterials erfolgt. Hierdurch werden Kanten im Übergang an das metallische Kühlkörpermaterial vermieden, die zur mechanischen Spitzen sowie elektrischen Feldspitzen führen könnten. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Beispielsweise können die isolierten Befestigungspunkte alternativ zylindrisch ausgebildet sein.
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Das Isolationsmaterial, das den Befestigungspunkt 6 bildet, kann grundsätzlich durch einen beliebigen Nichtleiter gebildet sein. Es wird beispielsweise durch ein Polyurethan-Gießharz wie zum Beispiel PR 751 oder ein Polyamid-Gießharz wie zum Beispiel PAG6 gebildet. Dabei besteht eine Temperaturbeständigkeit von größer als 100 °C. Das Isolationsmaterial weist einen CTI-Wert der Kriechstromfestigkeit von mindestens 175, insbesondere im Bereich zwischen 175 und 600, insbesondere im Bereich zwischen 400 und 600 auf. Das Isolationsmaterial weist somit eine hohe elektrische Festigkeit auf.
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Darüberhinaus besitzt das Isolationsmaterial bevorzugt auch eine hohe thermo-mechanische Festigkeit, um die Anpresskräfte aufzunehmen, die von der angepressten Leiterplatte 1 übertragen werden. Beispielsweise weicht die thermo-mechanische Festigkeit des Isolationsmaterials um maximal 30 % von der thermo-mechanischen Festigkeit des Kühlkörpers ab.
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Das Isolationsmaterial besitzt bevorzugt des Weiteren einen thermischen Ausdehnungskoeffizient, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers 4 entspricht oder von diesem nicht mehr als 30 % bezogen auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers abweicht. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Wärmeübergang zwischen dem Kühlkörper 4 und der Leiterplatte 1 durch die isolierten Befestigungspunkte 6 nicht verschlechtert wird.
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Durch die Befestigung der Metallschrauben 2 in einem elektrisch isolierten Befestigungspunkt 6 des Kühlkörpers 4 enden die Kriechstrecken nicht mehr an den Metallschrauben 2, sondern verlängern sich diese bis zum leitfähigen Material des Kühlkörpers 4. Dies ist anhand der Kriechstrecke 73 beispielhaft aufgezeigt. Dies erlaubt es, die Abstände zwischen den Kupferlagen und der Durchgangsbohrung 61 zu reduzieren, so dass die Randbereiche der einzelnen Leiterplattenlagen 10 um die Durchgangsbohrungen 15 herum effektiver genutzt werden können.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Leiterplatte 1 nur schematisch und beispielhaft dargestellt ist. Beispielsweise sind die dargestellten Leiterplattenlagen 10 nur beispielhaft zu verstehen. Zum Beispiel kann eine wesentlich größere Anzahl an Leiterplattenlagen vorgesehen sein. Auch weist die Leiterplatte 1 eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen 15 zur Aufnahme von Schrauben 2 auf. Weiter können nicht dargestellte aktive Bauelemente auf der Leiterplatte 1 angeordnet oder in diese integriert sein. Der Kühlkörper 4 ist ebenfalls lediglich schematisch dargestellt. Er weist beispielsweise nicht dargestellte Kühlrippen auf.
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Die 2 zeigt eine Abwandlung der Leiterplattenanordnung der 2, die sich lediglich in der Art der Befestigung der Metallschraube 2 in dem elektrisch isolierten Befestigungspunkt 6 von dem Ausführungsbeispiel der 1 unterscheidet. Insofern wird ergänzend auf die Ausführungen zur 1 hingewiesen. Dies gilt auch für die Ausgestaltungen der 3 bis 5. Bei der Ausgestaltung der 2 ist vorgesehen, dass in das Isolationsmaterial des Befestigungspunkts 6 eine Schraubenmutter 81 integriert ist, die das Innengewinde für das Außengewinde des Schraubenschafts 22 bereitstellt. Die Schraubenmutter 81 kann ebenfalls aus Metall bestehen. Sie kann als Einpressmutter ausgebildet sein.
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Die 3 zeigt eine Abwandlung der 1, bei der in das Isolationsmaterial des Befestigungspunkts 6 ein Gewindeeinsatz 82 integriert ist, der das Innengewinde für das Außengewinde des Schraubenschafts 22 bereitstellt. Die 2 und 3 betreffen somit Abwandlungen im Hinblick auf die Befestigung der Metallschraube 2 im elektrisch isolierten Befestigungspunkt 6.
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Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 dadurch unterscheidet, dass die Metallschrauben 2 in einer Isolierbuchse 5 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet sind. Die Isolierbuchse 5 besitzt einen Hauptkörper 51 und einen im Durchmesser vergrößerten Kopfbereich 52, so dass ein T-förmiger Aufbau vorliegt. An dem Umfang des vergrößerten Kopfbereichs 52 steht ein Kragen 53 senkrecht zur Leiterplatte 1 ab.
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Der Hauptkörper 51 der Isolierbuchse 5 befindet sich dabei in der Durchgangsbohrung 15 der Leiterplatte 1 und erstreckt sich zusammen mit dem Schraubenschaft 22 in den elektrisch isolierten Befestigungspunkt 6. Dabei ist wie auch bei der 1 vorgesehen, dass das elektrische Isolationsmaterial des elektrisch isolierten Befestigungspunkts 6 ein Innengewinde 61 ausbildet, in das der Hauptkörper 51 der Isolierbuchse 5 eingeschraubt wird. Die Metallschraube 2 ist innerhalb der Isolierbuchse 5 angeordnet, wobei der Schraubenkopf 22 über eine Unterlegscheibe 3 auf dem Kopfbereich 52 aufliegt und der Schraubenschaft 22 innerhalb des Hauptkörpers 51 der Isolierbuchse 5 verläuft.
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Die Verwendung einer Isolierbuchse 5 führt zu einer Verlängerung der Kriechstrecken Richtung Schraubenkopf 21 der Metallschrauben 2, wobei durch den Kragen 53 die Kriechstrecke weiter verlängert wird. Insofern verbessert die Verwendung einer Isolierbuchse 5 die notwendige Kriechstrecke auf der Außenlage der Leiterplatte.
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Gleichzeitig werden durch die Anordnung der Isolierbuchse 5 zusammen mit dem Schraubenschaft 22 in dem elektrisch isolierten Befestigungspunkt 6 die Kriechstrecken zwischen den Leiterplattenlagen und dem metallischen Kühlkörper 4 verlängert, wie in der 4 schematisch anhand der Kriechstrecken 74, 75 dargestellt ist. Die Verlängerung der Kriechstrecken bedeutet, dass die Metall- bzw. Kupferlagen 10 näher an die Durchgangsbohrung 15 herangeführt werden können, ohne die Gefahr eines Spannungsdurchschlags.
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Die 5 zeigt eine Abwandlung der 6, bei der entsprechend der 2 eine Schraubenmutter 81 in das Isolationsmaterial des Befestigungspunkts 6 integriert ist. Die Schraubenmutter 81 nimmt im dargestellten Ausführungsbeispiel den Schraubenschaft 22 auf. Alternativ könnte der Hauptkörper 51 der Isolationsbuchse 5 verlängert sein, wobei die Schraubenmutter 81 die Isolationsbuchse aufnehmen würde. Eine weitere Alternative stellt entsprechend der 3 die Integration eines Gewindeeinsatzes in den Befestigungspunkt 6 dar.
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Die 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung. Gemäß Schritt 701 wird zunächst eine Leiterplatte bereitgestellt, die eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Leiterplattenlagen aufweist und in die eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen integriert ist. Gemäß Schritt 702 wird des Weiteren ein metallischer Kühlkörper bereitgestellt, in dessen Oberfläche Kavitäten ausgebildet sind. Die Kavitäten können dabei beispielsweise durch Fräsen im Nachhinein in den Kühlkörper eingebracht oder zusammen mit dem Kühlkörper hergestellt werden.
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In Schritt 703 werden die Kavitäten mit einem Isolationsmaterial gefüllt, wobei eine Mehrzahl von elektrisch isolierten Befestigungspunkten an der Oberfläche des Kühlkörpers gebildet wird. Jede mit Isolationsmaterial gefüllte Kavität stellt dabei einen elektrisch isolierten Befestigungspunkt dar. Die Kavitäten können beispielsweise durch Spritzguss oder Gießen mit dem Isolationsmaterial gefüllt werden. Ein anderes Beispiel sieht vor, dass in die Kavitäten vorgefertigte Isolationsteile aus Isolationsmaterial eingeklebt werden. In jedem Fall wird gegebenenfalls beispielsweise durch Schleifen sichergestellt, dass die Befestigungspunkte bündig mit der Oberfläche des Kühlkörpers abschließen.
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Anschließend wird gemäß Schritt 704 die Leiterplatte über Metallschrauben an den metallischen Kühlkörper geschraubt, wobei die Metallschrauben hierzu in die Durchgangsbohrungen der Leiterplatte eingesetzt werden. Dabei erfolgt gemäß Schritt 705 ein Verschrauben des Kühlkörpers mit der Leiterplatte an den elektrisch isolierten Befestigungspunkten, ohne dass die Metallschrauben in Verbindung mit dem Metall des metallischen Kühlkörpers treten und somit elektrisch gegenüber dem Kühlkörper isoliert sind.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
